层析X射线照相扫描装置 有关的申请
本申请涉及美国专利申请08/193,696号，申请人姓名为罗纳德·E·斯温(Ronald E Swain)和吉尔伯特·W·麦克纳(Gilbert W Mckenna)，名称为“适用于所有物理现象的、具有回转中心的层析X射线照相扫描仪”(代理人卷号ANA-31)；美国专利申请08/193,562号，其申请人姓名为吉尔伯特·W·麦克纳，名称为“带有台架支轴和移动控制的层析X射线照相装置”(代理人卷号ANA-37号)；和美国专利申请08/193,782号，申请人姓名为吉尔伯特·W·麦克纳，名称为“一种稳定的、悬臂式病人外伤处理台面系统”(代理人卷号ANA-58)；所有申请都同时提交并转证给现受让人。
【发明领域】
本发明一般涉及层析X射线照相扫描装置，更具体地说，涉及计算机辅助的轴向层析X射线照相(CAT)扫描装置。
【发明背景】
现行的各种CAT扫描装置一般包括一个台架，它由一个，例如在一个框架内转动的中心有孔的圆盘或鼓轮的结构构成，和至少一个X射线源。该X射线源安装在该鼓轮上，用于围绕一张病人可在其上面静止休息的台面作回转运动。该X射线源可提供周期性的脉冲或连续的波辐射。在各种第三代CAT扫描装置中，X射线检测器装置为一种检测器阵列形式。该阵列固定在该鼓轮上，在直径方向上与该X射线源相对。在各种第四代CAT扫描系统中，多个X射线检测器围绕着该框架配置，并且当该鼓轮围绕其轴线转动时，该多个X射线检测器可以检测X线。典型的情况是，每一个X射线检测器可以是实心的或为一充气管子。该检测器装置与该X射线源对准，使该检测器装置和X射线源放置在一个共同的装置中的扫描或回转的平面内(通常与该鼓轮地回转轴线垂直)。在用于各种第三代装置上的一个检测器阵列的情况下，该检测器阵列的每一个检测器，以相对于该X射线源一个预先确定的角度间隔处在该扫描平面中。这样，每一个检测器相对于X射线管的焦点有一个相等的角度。于是，在该X射线源和相应的多个检测器之间，在该扫描平面内形成了许多不同的X射线路径。在各种第四代机器中，当该X射线源围绕着其回转轴线转动时，每一个静止的检测器为来自各个不同位置的X射线路径确定了一个焦点。在二种形式的装置中，该许多X射线路径聚合起来好象一个风扇。因此，有时把这些装置称为“扇形射束”层析X射线照相装置。
这些层析X射线照相装置中的每一个装置都可提供许多信息或数据信号。这些信息或数据信号代表了在该鼓轮围绕着放在该多个检测器和该X射线源之间的空间中的一个物体转动过程中，相应的多个在该鼓轮的多个预先确定的角度位置上的检测器测量出的辐射通量的各种变化。按照已知的拉顿(Radon)数学关系处理这些数据信号，可以形成或“重构”一个可见的图象。该可见图象代表了沿着该回转平面，即扫描平面的一个二维切片。该切片是通过放置在该扫描平面中的被扫描物体的一个特定部分的。这些“重构的”图象的形成与安装在该回转鼓轮上的各种零件有着非常重要的关系。该鼓轮应该精确地围绕着其回转轴线转动，使得该运动鼓轮相对于被扫描物体没有横向运动。
因为即使少量的机械噪声和/或在相对于物体进行扫描过程中，使该CAT扫描装置的各种元件产生不希望的横向运动的各种人为现象，特别是在与回转轴线垂直的扫描平面内出现的那些人为现象会造成误差，结果造成图象失真或生成错误的图象信息。因此，为了减少由于这些机械噪声和人为现象引起的运动，一般这种CAT扫描装置都是一些非常笨重的增强了的机器，其重量往往达到一吨或更多。结果，由于该重量的关系，在该框架中的该笨重鼓轮一般由一个昂贵的且重型的精密滚子轴承或滚珠轴承组件支承。
这种笨重、昂贵、相对固定的CAT扫描结构固有的许多缺点是先前技术的特征。这些缺点至少部分地已被1990年5月22日由B·M·戈登(B.M.Gordon)等人提出的美国专利4,928,283号和1992年4月28日由B.M.戈登等人提出的美国专利5,109,397号所说明和提出权利要求的装置所认识和指出。该二个专利都转证给本受让人。在该上述的4,928,283号专利中，专利权所有人广泛地建议使用多个轮子，而不是多个轴承用于在一个框架中转动地支承该鼓轮。但没有对这种多个轮子的本质和特征进行任何讨论。当该鼓轮在其平面内转动时，这种简单地用多个轮子代替多个轴承的作法会引起偏差或晃动，造成所产生的层析X射线照相图象不希望有的不精确性。尤其是该5,109,397号专利提出了使用多个跟踪着该回转平面内的圆盘的外圆周的电气机械传感器来提供各种补偿电气信号。这些补偿电气信号可用来改善或校正由该X射线检测器阵列接收的数据。
此外，该先前技术系统的笨重的鼓轮可能遭受由该X射线源产生的热量引起的温度变化。从这个热量会传递到该鼓轮这个意义上来说，该鼓轮将根据其热膨胀系数而膨胀，而只有当该X射线源冷却时，才收缩。由于该鼓轮的尺寸作成使它在室温下可在轴承滚道内转动，当该鼓轮膨胀时，在该多个轴承上会产生压缩力，从而造成与应力有关的破坏。因此，经常使用各种传热装置等来使由于使用该X射线源引起的热量对各种零件的影响减至最小。然而，各种散热装置只会增加附加的重量，因而增加多个轴承上作用的应力。结果，必需经常更换该多个轴承和滚道。但是，由于该鼓轮的重量，这个问题很难处理，并且费时间。虽然，在该4,928,283号专利中提出了用多个轮子代替该多个轴承，然而，对由热膨胀带来的问题或该多个轮子如何解决该问题，该专利却没有作任何说明。
发明的目的和梗概
因此，本发明本来的目的是要提供一种改进的层析X射线照相扫描装置。该装置可以克服各种巨大的、笨重的、活动性差的先前技术装置所固有的问题。
本发明的另一个目的是提供一种改进的扫描装置。该装置包括一个台架。该鼓轮在该台架中由多个滚子支承在该框架内，用于作“无中心”的回转。同时，不管热膨胀如何，保持或改善在鼓轮转动过程中该装置精确扫描的精度。
本发明还有一个目的是提供这样一种改进的扫描装置，在该装置中，该鼓轮由一个柔性的、误差平均化的多个滚子小车装置支承。
本发明的其他一些目的是要提供这样一种装置，该装置包括一个质量较小的并且转动地安装在该台架的框架上的鼓轮，使得该装置容易适应由于使用该X射线源造成的温度变化，同时还要提供这样一种装置，该装置能大幅度地减小回转该鼓轮所需的功率。
本发明的这些目的一般是通过准备一个改进的层析X射线照相结构来实现的。该结构包括：一个X射线源，一个最好包括有许多检测器的X射线检测装置和一个支承装置。该支承装置包括一个框架。该框架支承着一个回转组件。该回转组件最好包括一个台架的鼓轮。至少该X射线源安装在该回转组件上，用于围着一条回转轴线，在扫描平面内作无中心的转动。这样，从该X射线源出来的，通过多个角度位置投射至该扫描平面的X射线可以穿过一个物体，并由至少一个或多个检测器检测出来。在本发明的一个实施例中，该鼓轮安装在由弹性材料制成的多个柔性的滚子的一个托架上。这些弹性滚子的作用是：(a)当鼓轮转动时，对传递至鼓轮的振动施加阻尼和(b)适应该鼓轮的温度变化。在优选实施例中，该整个鼓轮块都放在至少二对(优选的方案是四对)滚子上，使该鼓轮的上半部不受约束(为了实现无中心转动)。这样，该鼓轮可以自由地膨胀和收缩，不会将误差产生的应力引入该鼓轮或框架中。每一对滚子(优选的方案是二对滚子)安装在一个弹性适应性很好的小车上。该小车由一支轴支承，可绕该支轴轴线转动。该支轴轴线在被该小车支承的二个滚子的回转轴线之间，并与该二根回转轴线平行。
本发明的其他一些目的将部分地在以后变得清楚和显现出来。相应地，本发明包括拥有在下面的详细说明中所举例阐明的结构的装置、元件组合和元件配置，并且本申请的保护范围将在权利要求中指出。
附图的简要说明
为了更充分地理解本发明的本质和一些目的，应该参考结合附图所作的下列详细说明，其中：
图1为一结构的示意性平面图，它表示根据本发明原理设计的第三代形式的层析X射线照相扫描台架；
图2为沿图1的2-2线所取的、部分剖开的一个放大的侧视图；
图3为用于操纵图1所示的装置的回转组件的一个支承滚子小车和驱动机构的放大的示意图；
图4为在图1-图3所述的实施例的滚子小车中使用的一个滚子的透视图；以及
图5和图6表示图1的实施例的滚子小车的柔性本质。
附图的详细说明
现参见图1和图2，图中示出了体现本发明的原理的第三代形式的层析X射线照相装置的一个台架20。一般该台架20由支承框架22和鼓轮24组成。支承框架22和鼓轮24由支轴支承在一个二轮车26上，可绕支轴转动。该鼓轮可作成一个圆形的、基本上平的空心圆环或环形套筒，其外径约为135厘米。最好，鼓轮24相对其直径十分薄，例如，约1.25厘米。尽管，这些尺寸可以改变。如图2所示，鼓轮24一般可作成具有矩形横截面的空心圆环或环形套筒。从图2可看出，该鼓轮的外圆周件28一般为重量轻、刚度好的材料，例如铝、铝镁合金等滚压成形的，形成一个光滑的圆形外圈，其横向突起的边缘唇部30和32沿半径方向向外延伸。假如希望的话，可以设置一些加强或支撑零件(没有示出)，如作在该圆盘上的几个肋条，以使鼓轮24在其中间平面横向的运动或挠曲基本上减至最小或消除。
如图1所示，该装置的其他一些零件，例如X射线源34和检测器阵列36固定地安装在鼓轮24上，与鼓轮一起作回转运动。鼓轮24有一个中心孔38。该孔的尺寸最好作成，使在一张台面上的病人的身体40可以通过该孔插入。X射线源34的位置应能引导X射线束基本上沿着在鼓轮24平面的中间平面42(见图2)(形成该扫描或回转平面)横穿孔38。该扫描平面基本上与穿过孔38的中心轴线44垂直。同样，检测器阵列36安装在鼓轮24上。当该X射线源在该扫描平面内横向穿过孔38之后，该检测器阵列36能检测从该X射线源34发出的X射线。
框架22一般作成一个环形圆环部分。它用与鼓轮24相同的材料制成，并且围绕着鼓轮的圆周与鼓轮24同心。框架22用二个支轴销子46安装在二轮车26上，可绕支轴销子转动。优选的方案是：该框架既能绕支轴轴线48转动，又能以任何适当的方式，在箭头50方向上，沿着该二轮车的叉臂作垂直方向的移动。
如图1和图2所示，整个凸轮块24以其重力支承在几个小车52上。该鼓轮的上半部在回转平面42内不受约束，并且安装成可相对于静止的支承框架22围绕着中心轴线44作无中心的转动。具体地说，框架22和鼓轮24的尺寸是这样的：该鼓轮24转动地安装在几个滚子小车52上，形成一个环形的内部空间54。在鼓轮24的外圆周和框架22的内圆周之间形成一个宽大的间隙，这样，当该圆盘加热和冷却时，该圆盘可以自由膨胀和收缩。根据本发明的一个实施例，至少有二个滚子小车52用支轴安装在框架22上，并可绕支轴转动。优选的方案是这二个小车对称地放置在一条垂直中心线56的相对的二侧。该垂直中心线56位于平面42内，并垂直通过轴线44。优选的方案是：该二个小车围绕着轴线44相对于中心线56大约15°至45°角放置。每一个滚子小车52包括一个且优选的方案是至少一对一前一后放置的滚子60和62。该对一前一后放置的滚子60和62可在一个与该扫描平面平行或共面的公共平面上转动。优选的方案是：如图2和图3所示，一个小车52由二对并排的、互相平行的这种一前一后放置的四个滚子60和62，64和66组成。二个滚子60和64安装在一个公共轴68上(形成轴线69)，而二个滚子62和66安装在一个公共轴70上(形成轴线71)。二根轴68和70(因而也是轴线69和71)互相平行，并且安装成与回转轴线44平行。每一个小车包括二个平行的侧壁72和74。侧壁72和74由底板76连接。二根轴68和70分别安装得靠近该小车的二个平行侧壁72和74的二个相对末端。该小车的二个侧壁和底板最好作成由弹性的柔性材料，例如塑料、金属板材等制成的一个整体件。二个侧壁72和74中的每一个侧壁，在其二个末端的中间，优选的方案是在中心，与二个相应的同轴的支轴80和82连接。该二个支轴80和82与二个相应的二轮车叉臂支承86连接。该二个支承86有一条公共的轴线84。这二个叉臂支承86固定地安装在框架22上，这样，每一个小车52可以绕它的二个支轴的公共轴线84转动，并支承在支轴上。
多个滚子小车52在该框架22上的安装保证了由于多个滚子的转动产生的大部分轴承噪声将限制在该台架的静止部分。如图4所示，优选的方案是：每一个滚子包括一个充气的或其他的弹性覆盖层或轮胎90，以便与鼓轮24的一个圆周部分接触。并且，该滚子由弹性材料，例如橡胶，尼龙或适当的聚合物制成。最好，该轮胎材料为聚氨酯，其厚度约为4毫米，硬度约为82(虽然根据设计目的不同，这些数值可以明显地改变)。这样，能够对任何从该框架传至该鼓轮的机械噪声和各种人为现象产生足够的阻尼作用，并且可适应鼓轮24的热膨胀。
应当理解，这里所述的各个轮胎90不能等价于先前技术的多个滚子轴承。因为多个滚子轴承的动作包括基本上是金属与金属的接触。这样，尽管使用了润滑，仍能产生和传送相当大量的机械噪声。另外，这些多个滚子轴承和该鼓轮圆周面的接触会产生令人不希望的这种噪声和其他外部振动及一些人为现象，并将这些直接传递给该鼓轮。此外，当鼓轮24和各种支承零件较轻时(在1000磅的数量级)，则根据本发明，用于支承该鼓轮的多个弹性滚子也可比先前技术的多个轴承重量轻得多。这些滚子都相当便宜，并可作无中心转动。这就使得鼓轮的维修和卸除都比较简单和容易。另外，当该鼓轮围绕其轴线44转动时，就地产生的振动或其他加在该鼓轮上的各种力的分量将传递给各个滚子。因为每一个小车的结构至少是部分具有弹性和可挠曲的，又由于这些传递到滚子上的力分量会使多个滚子产生绕其支轴轴线84的某种运动和/或二根轴线69和71彼此相对扭转扭曲(如图6所示)，则鼓轮在该扫描平面内的横向运动将减小。由于该小车的柔性本质的影响，因此轴线69和71的彼此相对的扭曲是允许的。该小车的柔性本质使一个小车的每一个滚子分担一个同样份额的负载，并且可以使由该鼓轮在平面内的各种非回转运动造成的任何横向位移平均化，假如存在这种横向位移的话。当每一个小车用四个滚子时，则其横向位移近似为如果只使用单一一个滚子时的横向位移的1/4。鼓轮24仅仅是依靠加在各小车52的多个滚子顶部的重力保持在该扫描平面内的。但是，多个轮胎和多个小车的框架形成的柔性的弹性安装可使该鼓轮与轴线38垂直的任何运动减至最小或衰减。
除了多个小车52之外，如图1和图2所示，优选的方案是：台架20至少带有三对弹性的，装有轮胎的滚子92，94和96(与滚子60，62，64和66相似)。这些滚子安装在框架22上，可以围绕通过轴线44的多个半径线转动。多对滚子最好(虽然不是必需)以相等的角度增量围绕着该框架的内圆周分布。每一对多个滚子92、94和96中的一个轮胎在基本上与该扫描平面42垂直的一个平面内，与鼓轮24的边缘唇部30的相应侧边缘滚动接触。每一个这样的滚子对的另一个轮胎同样与鼓轮24的边缘唇部32滚动接触。可以看出，每一对这样的滚子的每一个滚子最好与那对滚子的另一滚子在同一平面内转动。多个滚子对92、94和96与二个边缘唇部30和32接触的这种布局可限制该鼓轮，在与该扫描平面42垂直的方向上，相对于该框架22的横向运动。但基本上不限制(1)该鼓轮在该扫描平面内的转动，因此可以完成扫描；(2)该鼓轮在垂直于回转轴线44方向的运动，因此可以适应该鼓轮的热膨胀和收缩。
在一个优选实施例中，设有驱动鼓轮24围绕轴线42转动的鼓轮驱动装置。该驱动装置一般为直流电机100的形式。该直流电机100连接到并驱动至少一个滚子，例如如图2和图3所示的滚子62。该滚子62是多个滚子小车52中至少一个小车中的、在一个公共轴上的一对滚子中的一个滚子。电机100可以直接，或另一种方法是，通过一个适当地连接或齿轮机构间接与驱动轴70连接。当然，可以利用其他的鼓轮驱动装置。电机100最好由该小车支承，使该小车和电机可以相对该公共轴线64自由运动，并适应轴线69相对于轴线71的扭转扭曲，如图6所示。将会了解到，在该相应多个滚子小车52中，其余的各个滚子都是从动件、惰轮或自由运转的被驱动滚子。只要一个单一的驱动电机就足够了。例如，由于鼓轮24的重量轻，并利用了滚子小车的安装方式，为了适当地转动该鼓轮，只需要加40至50磅-英尺的力矩就够了。这样，就减少了先前技术的各种层析X射线照相装置所需的功率。一般功率减小大约十分之九。
在操作中，环形鼓轮24由直流电机100和滚子62组成的鼓轮驱动装置带动回转。当鼓轮24转动时，它支承在多个小车52上。这样，相应多个滚子的弹性轮胎90使从框架22传至鼓轮24的振动减至最小。应当注意，由于多个小车52的柔性结构，在每一个小车中各个滚子状态的多样性可以使偏心和鼓轮表面圆度的缺陷及重量分布不均匀被平均化。鼓轮24和其相应的各种元件的重量只是由多个负载及各种缺陷被平均化了的小车来支承。该鼓轮可以±0.002″以内的精度转动。然后，使鼓轮24的转动稳定，并且不受热膨胀和收缩的影响。同时利用多个弹性的轮胎，各种发出噪声的零件在该框架上的安装和多个柔性小车使从该鼓轮发出的噪声隔绝。由于该环形内部空间54形成的自由空间，特别是由于在围绕该空间的上半部，该空间是开放的，这样，随着温度的变化，该鼓轮可以自由膨胀和收缩。并且，只需花费极小的努力和停机时间，很容易将各种相应的零件从框架22上取下，进行维修等。
应当理解，虽然本发明的优选实施例是作为第三代机器进行说明的，但本发明也可应用在其他形式的各种层极X射线照相装置中，包括各种第四代机器中。由于可以对上述的装置进行一些改变而不会偏离这里所包括的本发明的范围，因此在以上说明中所包含的或在附图中所表示的一切应该解释为是一种说明性的，而不是限制性的。