具有可变患者定位功能的激光成像设备 相关申请
本申请要求2006年1月17日递交的美国临时专利申请No.60/759,066的优先权。
【技术领域】
本发明涉及一种诊断用光学成像设备，其采用了近红外激光器作为射线源，以及具有受限视场的检测器的阵列，这些检测器被指向它们占据的扫描对象表面上的区块，以同时检测从对象发出的光的密度，用来重构对象的光学横截面图像，特别是对象可相对于射线源和检测器阵列移动，从而将对象相对于扫描机构对中。
背景技术
乳腺癌是美国女性的主要死因之一。如能早期检测出恶性肿瘤，则容易实现有效地治疗这一疾病。目前的主要工作用来为人们提供大规模筛查乳房肿瘤症状。这种筛查需要成熟的自动设备，以可靠地完成检查过程。
目前照相x射线方法的x射线吸收密度分辨率不足以提供可靠的恶性肿瘤早期检测。研究表明，乳房肿瘤的尺寸超过1cm时，其转移的可能性急剧增大。这种尺寸的肿瘤很难在乳房检查中产生可被检测到的足够的对比度。为了在照相乳房检查中产生可被检测到的对比度，需要2-3cm的尺寸。在传统乳腺照相检查中用于肿瘤间接检测的钙沉积法也表现为仅与大尺寸肿瘤相关。出于这些原因，照相乳腺检查在这种条件的检测中相对低效。
目前诊所和医院使用的大多数乳腺照相检查设备要求采用乳房挤压技术，这在最轻的状况下也会带来不舒服，而在很多情况下引起患者疼痛。此外，x射线构成电离辐射，这会给最普遍使用的乳腺照相检查技术带来额外的危险因素。
在美国专利No.4,075,883等中建议使用超声波，其要求将乳房浸没在流体充填的扫描腔中。美国专利No.3,973,126也要求将乳房浸没在流体充填腔中以实施x射线扫描技术。
最近，有人探寻使用光、更具体地为激光，以非介入方式进入人体以展示内部结构。这种技术被称作光学层析。经过此前几十年的快速发展，光学层析已经达到了临床使用的边缘。光学层析同乳腺照相检查相比，优点在于不必挤压乳房且没有电离辐射。
患者俯卧在扫描设备上，一个乳房悬垂于扫描腔中。激光束射向乳房；激光散射通过乳房，并被一个阵列的光学检测器检测。扫描设备从平行于胸壁穿过乳房的一个或多个片层获取数据。检测机构然后从胸壁移离小段距离，并且来自更多片层的数据被获取。这个过程持续进行，直至整个乳房被成像。
上述技术的一个麻烦之处(也是本发明所要解决的问题)在于，不同患者的乳房形状不同，并且特别是在扫描从胸壁朝向乳头进展时，乳房形状急剧变化。因此，绝对要求有第三代光学CT扫描仪，其扫描机构的转动中心位于乳房内。理想的是扫描机构的转动中心靠近乳房中心。然而，在人处在俯卧位置时，乳房并不是竖直悬垂的。在库柏(Cooper)韧带长时间拉伸后，会出现库柏下垂。在俯卧位置，随着扫描设备从胸朝乳头行进，乳房会在一定程度上朝向人脚悬垂(见图3A)。在胸壁处良好地沿着扫描机构的转动轴线定心的乳房通常会在靠近乳头时偏心。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供一种激光成像设备，其通过直接观测扫描对象的表面特别是乳房表面而获取光子密度数据，重构乳房光学特性的横截面图像，并且适合于相对大范围的乳房形状和患者。
本发明的另一个目的是提供一种激光成像设备，其通过患者和扫描机构之间的相对运动来保持乳房中心穿过设备的激光扫描机构的转动中心，从而针对相对大范围的乳房形状来提供乳房重构横截面图像。
本发明的另一个目的是提供一种激光成像设备，其，从而针对相对大范围的乳房形状来提供乳房重构横截面图像。通过控制扫描所用激光器的瞄准，以使得乳房被恒定地照射，而不论乳房是否对中于扫描腔中。
概括地讲，本发明提供了一种诊断用计算机层析成像设备，其包括患者支承结构，所述患者支承结构包括台面，用于将患者支撑于面向下的俯卧位置。台面包括开口，所述开口允许患者的乳房竖直悬垂在低于所述台面的位置。扫描机构布置在低于所述开口的位置并且可围绕着穿过开口悬垂的乳房作轨道运动，以获得乳房的参数数据和图像重构数据。扫描机构绕横贯(垂直于)台面的转动轴线转动。台面和扫描机构之一可沿X-Y轴移动以使乳房围绕转动轴线对中。作为平移台面或扫描机构的替代方式，可控制激光器的瞄准，以使得乳房在扫描过程中在所有轨道角度都被照射，而与乳房在扫描腔中的位置无关。
通过下面的详细描述，本发明的这些以及其他目的会变得更为清楚。
【附图说明】
图1是具有检测器机构的光学扫描设备的侧视图，示出了患者被定位成用于光学层析分析，其中一个乳房悬垂于扫描腔中。
图2是图1中的扫描腔的俯视图，示出了检测器机构，包括围绕扫描对象布置的多个检测器和激光源。
图3A是穿过图2中的检测器机构的剖视图，示出了被扫描的具有明显库柏下垂的乳房、激光源和一个检测器，其中检测器机构对靠近胸壁的片层进行成像。
图3B是穿过图2中的检测器机构的剖视图，示出了被扫描的乳房、激光源和一个检测器，其中检测器机构对靠近乳头的片层进行成像，患者和患者支承被相对于检测器机构平移。
图4A示出了光学扫描设备的内部结构，其中台面被抬起以展示XY台面平移机构。
图4B是一个所述XY台面平移机构的放大图。
图4C示出了光学扫描设备的内部结构，其中台面被抬起以展示自动对中机构。
图4D是图4C中的自动对中探头的放大图。
图5A示出了台面LED显示器，指示患者相对于扫描机构的转动轴线偏心安置于扫描腔中。
图5B示出了台面LED显示器，指示患者对中安置于扫描腔中。
图6示出了具有XY平移机构的光学扫描机构。
图7示出了图2中的扫描腔中的激光器瞄准装置。
图8示出了图7中的激光器瞄准装置的几何形状。
【具体实施方式】
参看图1，一种光学扫描设备2，如描述于美国专利No.5,692,511和6,100,520中的光学扫描设备，将患者4支撑在患者支承表面6，例如台面上。患者的乳房8悬垂于扫描腔10中，检测器机构12沿着围绕乳房的各个轨道回转。台面6包括开口13，乳房穿过开口突伸入扫描腔10。检测器机构12典型地围绕扫描腔10的竖直轴线作360°的轨道运动并且在各轨道之间作竖直增量移动(升高运动)，以依次对相继的片层平面成像。这种动作持续进行，直至对象的所有片层平面被扫描。
图2示出了图1中的检测器机构12的俯视图。激光源14在点16照射扫描对象，例如乳房8。多个检测器18限定了围绕扫描对象的圆弧。准直器20将每个检测器的视场限定在扫描对象表面上的小面积上。光在点16处进入扫描对象并且在对象周边的每个点处离开。三个离开点22、24和26被示出，对应于三个检测器。整个机构绕轨道转动中心28转动，如弯曲的箭头30所示。
每个检测器优选被准直处理，瞄准轨道转动中心或轴线28，并且激光源也指向转动中心。检测器绕转动中心以相等的角增量分隔。轨道转动是交替的，即对一个片层平面顺时针转动360°，然后对下一片层平面逆时针转动360°，如双向箭头30所示。
图3A示出了图2中的检测器机构以及患者的乳房的竖直剖视图，乳房具有明显的库柏下垂。检测器机构12被显示为对一个片层成像，尽管任何数量的片层可被同时成像，如公开于美国专利No.6,100,520。患者的乳房8悬垂于扫描腔10中。患者由扫描设备的台面6支撑。激光器32发射相干光束34，其在点36照射到患者的乳房上。检测器组件38被示出，以成像乳房上的点40。每个检测器组件包括具有一个准直通道44的不透明准直器42。准直通道可以是圆形、正方形、六边形、三角形或其它横截面形状的。准直器将每个检测器组件的视场限制在扫描对象乳房的表面上的小的确定面积。在每个准直通道的后部设有透镜46，所述透镜将传播通过准直通道的光聚焦在光检测器48上。透镜被示出为平凸镜，但也可以是双凸镜，或者，如果光检测器的面积大于准直通道的面积，则可以取消透镜。光检测器连接着信号处理电子器件50，所述信号处理电子器件典型地提供方法以及模-数转化功能。
激光器32可以是半导体二极管激光器、固态激光器或任何其它近红外光源。光检测器48可以是光电二极管、雪崩光电二极管、光电晶体管、光电倍增管、微通道板或一些其它将入射光的光子转化成电信号的光敏器件。
六个片层平面被示出穿过乳房，由虚线表示，彼此相隔2-4毫米，当然通常数量要远多于此。包括扫描腔10、激光器32、准直器42、检测器48和信号处理电子器件50的扫描机构12在片层平面之间竖直向下作增量式移动。光学层析成像的移动要求是扫描对象乳房在每个片层平面处均围绕轨道转动轴线28。换言之，乳房必须在每个片层平面均包含着转动轴线。上述条件在片层平面52-60被满足，但在片层平面62不满足。在片层62的高度处，激光束34在某些轨道角度会完全错失乳房。这将导致所获取的数据在这些轨道角度处不正确，并且所产生的重构图像将不能真实地代表组织片层的光学参数。
图3B示出了与图3A相同的检测器机构12的竖直剖视图，但升降器已将扫描机构移动到片层平面62的高度。另外，患者4和扫描设备台面6被相对于扫描机构向左平移，从而使得目前在片层平面62的高度处转动轴线28被包含在乳房中，即由乳房围绕。这时本发明的重要之处：允许在患者和扫描机构之间进行平移，以使得乳房可以被重新定位，以便总是围绕或包含轨道转动轴线28。上述概念的另一种表述方式为，允许在患者和扫描机构之间进行平移，以使得乳房可以被重新定位，从而使得激光束在绕乳房的所有轨道角度总是接触乳房。到底是患者被平移或扫描机构被平移或二者都被平移，并不重要。
图4A示出了光学扫描设备的内部结构，其中台面6被抬离。框架66支撑着扫描机构和台面，并因此而支撑着患者。检测器机构，为了清楚没有示出，安装在升降板68上，升降板在三个梯形螺纹的丝杠70上竖直移动。升降板68典型地在最上方位置开始扫描乳房，然后以增量的方式下降，直至整个乳房已被成像，升降板由电机驱动，为了清楚没有示出所述电机。检测器机构12安装于升降板的圆孔72中。
在框架66的四个角部设有XY平移机构74，包括交叉的直线式滚珠导向件和轨道。一个所述XY平移机构的放大图显示于图4B。该X轴循环滚珠导块76骑跨在X轴直线轨道78上，提供沿X轴即台面横向轴线的直线运动。Y轴直线轨道80安装在台面6底侧，为了清楚以分解的方式示出。Y轴循环滚珠导块82提供沿Y轴即台面纵向轴线的直线运动，并且安装在X轴循环滚珠导块76上。四个这样的XY平移机构将台面安装在框架上，允许台面在XY方向上在一段距离内的完全的自由度，所述距离由直线轨道的长度决定。
在左上角在X轴循环滚珠导块上附装着X轴直线光学编码器84。在左上角在Y轴循环滚珠导块上附装着Y轴直线光学编码器86。所述编码器提供台面的XY位置，该信息用于将重构横截面图像定位或对准在空间中。这对于提供乳房的三维测绘图是必要的，在三维测绘图中片层图像组合在单一的立体图像中。
可以理解，X轴和Y轴平移机构74提供了将乳房相对于扫描机构的转动轴线对中的装置。
图4C示出了光学扫描设备的内部结构，其中台面6被抬离。为了清楚没有示出XY平移机构74。自动对中机构88被示出。在启动扫描之前，安装在升降板68上的扫描机构通过梯形螺纹丝杠70归位到其最上方位置。升降板上装有对中圆锥90，其接收对中探头92。对中探头92安装在台面6底侧。如果台面已被移离其对中位置(台面孔13不再与扫描机构转动轴线28同心)，则对中探头将接触对中圆锥的侧面，并被强制移动到对中圆锥的中心(底部)。对中圆锥的形状为漏斗形杯，顶部敞开并且缩窄到底部点。
对中探头组件92显示于图4D。探头的端部为滚子式滚珠94，即大的滚珠轴承，其将触及对中圆锥的表面并且沿着该表面滚动。滚子式滚珠94安装在聚合物制成的杯96中，该聚合物杯由低摩擦率塑料例如TEFLON(商标)或RULON(商标)机加工而成。探头端部安装在大的机器用丝杠98上，该丝杠拧入壳体100中并且被止动螺母102锁定就位。机器用丝杠98和壳体100允许调节探头长度。这个组件通过安装法兰104安装在台面底侧。
台面XY的定位优选为手工系统，而非电机驱动系统。一旦被定位，电磁制动器就保持台面就位。该制动器(未示出)包括，安装在框架上的电磁体，其推抵在安装于台面上的铁板上，这种电磁体常被用来固定紧急安全门。操作者通过开关释放制动器，并且用手将台面移动到预期位置。光学扫描设备获取并显示乳房在每个片层处的参数，如描述于美国专利No.6,044,288和6,029,077。操作者使用这种参数信息而将乳房重新对中在扫描腔中。
图5A和5B显示了安装在台面中的LED显示器103，其被操作者用来定位台面。LED显示器103包括两排的个体LED，这两排垂直交叉形成具有X和Y轴的十字。控制光学扫描设备的通用型计算机将计算乳房参数，如描述于前面各专利，并且因此而点亮LED。所示出的LED 105表示出乳房相对于转动轴线的偏心程度。图5A指示患者位置偏低、偏右。操作者将移动台面，并且控制计算机持续更新LED显示器。操作者将台面向左向上移动，直至LED图案以图5B中的方式显示，其中各LED被围绕中心均匀地点亮，表明乳房现在是对中的。
XY平移机构优选为循环滚珠导块，骑跨在直线轨道上。这种组合提供了非常低的摩擦系数，大约为1％。因此移动台面的力可能为5磅左右，即使是400磅重的患者。许多其它直线定位机构可被采用，例如交叉型的滚子滑块，聚合物衬套滑块，直线滚珠轴承滑块(非循环型)，以及具有滚子或凸轮从动件的直线轨道。
台面XY位置传感器优选为直线光学编码器，尽管直线电位计、直线变位移换能器(LVDT)或者安装在绞盘机构中的旋转编码器或电位计也可被使用。
自动对中机构优选使用进入圆锥形对中凹槽中的滚子式滚珠探头。对中凹槽可以是金字塔形的，具有任何数量的表面，或者是半球形的，或者实际上可以是任何在顶部敞开、在底部汇集到一点的其它形状。
用于定位的操作者反馈系统优选为台面中的LED显示器。任何形式的二维显示器也可以用来指示当前和预期的台面位置。
图4A-4D中的实施例公开了台面上的患者相对于静态扫描机构移动的情况。或者，扫描机构可以相对于静态台面和患者移动。图6示出了安装在XY平移机构上的光学扫描设备。
在图6中，准直器106显示为具有圆锥镜以将光学路径弯折90°，使从乳房准直第射向安装在水平托板110上的检测器108。对圆锥镜-准直器-检测器结构的额外公开内容可见于WO 2004/096010。托板110固定在圆柱形筒体112上，该筒体形成了扫描腔10。圆柱形筒体112通过未示出的滚珠轴承安装在升降板114上，以允许绕其Z轴作轨道转动。扫描机构12通过链条116和链轮118在藏在升降板114下面的轨道运动步进电机的作用下转动。升降板114安装在三个梯形螺纹丝杠120上。通过链轮126而被升降步进电机124驱动的链条122将通过链轮128(一个链轮藏在圆柱形筒体112后面)引起升降板114在梯形螺纹丝杠120上爬上爬下。利用这两个步进电机的组合，精确的螺旋式扫描运动可以实现。螺旋式扫描指的是射线源和检测器连续地绕对象回转，同时对象被缓慢平移穿过射线源和检测器的平面。因此，检测器的轨迹是螺旋的，即具有螺纹的形状。
所述三个梯形螺纹丝杠120安装在L形支架130上，该支架借助于在磨光杆(ground rods)134上滑动的直线轴承132沿X方向平移。直线轴承132被示出为循环滚珠轴承，尽管许多其它类型的直线轴承是足够的。X轴步进电机136通过为了清楚没有示出的小齿轮而实现X平移，该小齿轮啮合齿条138。X轴步进电机136的旋转将引起扫描机构沿X方向平移。
磨光杆134通过Z形支架142安装在浮动块140上，如同X轴步进电机136那样。浮动块140借助于在磨光杆146上滑动的直线轴承144沿Y方向平移。Y轴步进电机148通过为了清楚没有示出的小齿轮而实现Y平移通过，该小齿轮啮合齿条150。Y轴步进电机148的旋转将引起扫描机构沿Y方向平移。Y轴磨光杆146安装在固定块152上，该固定块安装在基板154上。基板154还通过Z形支架156安装着Y轴步进电机148。基板154安装在扫描仪的底板上，或本身构成扫描仪的底板。
光学扫描设备获取和显示乳房在每个片层的参数，如描述于美国专利No.6,044,288和6,029,077。从所确定的参数，可以在每个片层确定乳房中心，并且控制计算机可以平移扫描机构，以保持乳房对中于扫描腔中。
使用步进电机来实现X和Y运动可以有利地消除对任何编码器的需要，这是因为步进量与位置精确地成比例。未示出的限位开关用于使X和Y运动对中。
XY平移机构优选使用进行致动的步进电机以及在进行导向的磨光杆上滑动的直线循环滚珠轴承。直流电机，不论是电刷式的还是无刷式的，旋转式的还是直线式的，都可以被用作致动器。许多形式的直线导向件可以被使用，以替代磨光杆和滚珠轴承，例如图4B中的循环滚珠导向件。
可以理解，前面描述的XY平移机构提供了用于将乳房相对于扫描机构的转动轴线对中的装置。
作为平移患者或整个扫描机构的替代方式，可以控制激光器的瞄准，以使得乳房被恒定地照射，不论其在扫描腔中的位置如何。图7和8示出了一种用在扫描设备中的激光器瞄准机构。
在图7中，未示出的射线源激光由光纤158传送至SMA连接器160。SMA连接器160的发散输出被透镜162准直成平行光束。平行光束被引导至安装在电流计166的轴上的转动镜164。电流计166包括直流电机，其被设计成快速移动通过小的角度范围，典型地±30°或以下。它们可以商业购自GSI Lumonics、Cambridge Technology、Nutfield Technology等公司。它们被设计成以毫秒级在通常为±30°的角度范围内高精度和高可稳定地扫描光束。转动镜164的运动将导致偏转激光束168并控制其到达乳房170上的光斑。在本图中，扫描机构的转动中心表示为172，乳房片层的中心表示为174。扫描机构包括激光发射机构158-166，多个准直器176和光学检测器178。随着扫描机构转动，乳房170的中心呈现为描绘一个圆180。电流计166被控制，从而使得激光束168总是指向乳房170的中心174。
光学扫描设备获取和显示乳房在每个片层的参数，如描述于美国专利No.6,044,288和6,029,077。从所确定的参数，乳房中心可以被确定。图8示出了与图7相同的视图，其中为了清楚将检测器元件去除。乳房170的中心相对于转动中心172位于距离r和角度θ处。从转动镜164至转动中心108的距离为R。激光束168的偏转角度φ由下面的方程给出：
方程1：φ＝tan-1(r*sin(θ)/(R-r*cos(θ))
转动镜164的偏转角度等于角度φ的1/2。方程1可以以多方式使用：由某种通用型计算机计算出来；或者作成二维速查表，其由通用型计算机预先加载，然后以r和θ作为索引来查找。
可以理解，转动镜164以及乳房参数数据提供了在扫描过程中将射线源朝向乳房中心瞄准的装置。
尽管本发明被描述为具有优选设计方案，但可以理解，总体上根据本发明的原理，并且加上那些可以用于本发明基本特征的本领域公知常识和常用技术手段，可以对本发明作出其它修改、使用和/或改造，它们也落在权利要求中限定的本发明范围内。