具有可调节的旋转速度的计算机X射线层析摄影术扫描仪

摘要

本发明涉及包括机架的计算机X射线层析摄影术扫描仪，在机架的转动体上安排有一个或多个可移动的质量块。在转动体围绕旋转轴旋转期间，每个质量块的位置可以藉助于调节单元垂直于旋转轴而改变。通过保持转动体的旋转动量，当质量块朝向旋转轴移动时旋转速度增加，以及反之亦然。结果，即使在检查期间病人的心率改变时，也有可能保持检查的病人的心率与旋转速度之间的特定的比值。

说明书

本发明涉及包括可旋转机架的计算机X射线层析摄影术(CT)扫描仪。这样的计算机X射线层析摄影术扫描仪用于例如医疗部门以产生位于计算机X射线层析摄影术扫描仪的检查区中病人的分片图像或体积图像。这样的计算机X射线层析摄影术扫描仪具有机架，它带有可以围绕旋转轴旋转的转动体。X射线源通常被安排在转动体上，X射线检测器通常被安排在所述X射线源的对面。为了产生图像，检查对象被放置在检查区域，转动体围绕所述检查对象旋转。取决于计算机X射线层析摄影术扫描仪的设计，创建多个直线、圆盘形或立方体形X射线图像，藉助于已知的重建算法可以根据这些图像产生分片图像或体积图像。

已知的计算机X射线层析摄影术扫描仪还可用来记录运动的或周期性运动的对象，例如人或动物心脏。在这种情形下，转动体的旋转速度可能必须是心率的某个比值。作为例子，在国际专利申请WO9907283中公开：转动体以与心率非同步的方式旋转，而在美国专利US4547892中公开：转动体以与心率同步的方式旋转。然而，发现病人的心率在检查期间可能明显变化，例如因为心脏有病，病人受刺激，或向病人给予对比度试剂或药试物。这意味着，在旋转速度与心率之间的各个比值不再固定，以及常常不再可能产生满意的图像。

所以本发明的目的是开发一种计算机X射线层析摄影术扫描仪，藉助于它即使在心跳速率变化时也有可能产生图像。

这个目的是通过如在权利要求1中要求的计算机X射线层析摄影术扫描仪达到的，计算机X射线层析摄影术扫描仪包括：可以围绕旋转轴旋转的转动体；被安排在转动体上的至少一个质量块；和调节单元，用于在转动体旋转期间垂直于旋转轴改变质量块的位置。

由于它的大的重量和相应的尺寸，转动体具有大的惯性矩。在当前的计算机X射线层析摄影术扫描仪中，转动体通常是做成藉助于电动机旋转的。然而，这些电动机仅仅适用于使得转动体在检查之前在相对较长的时间内旋转和适用于藉助于控制单元保持一定的旋转速度。然而，由于大的惯性矩，在获取图像数据期间转动体的旋转速度不可能改变或可能仅仅有一点但决不是足够地改变。要达到这种改变，仅仅在用更加强有力的电动机时才是可能的，但是使用这样的电动机对于计算机X射线层析摄影术扫描仪的尺寸和价格和从而对于它的效率具有很大的有害影响。

藉助于使按照本发明的质量块在转动体上的位置垂直于旋转轴而被调节，转动体的惯性矩可以整体地改变。通过在对象旋转期间改变旋转的对象的惯性矩，由于能量或旋转矩保持不变，旋转的对象的旋转速度会同时被改变。当惯性矩增加时旋转速度减小，以及当惯性矩减小时旋转速度增加。在按照本发明的计算机X射线层析摄影术扫描仪中，这个已知的物理效应被用来改变转动体的旋转速度。如果质量块的位置远离旋转轴，则惯性矩增加而转动体的旋转速度降低。如果质量块的位置靠近旋转轴，则惯性矩减小而转动体的旋转速度增加。

对于本发明，术语“质量块”应当以非常一般的方式来理解。首先，它应当被理解为指任何形式的固体物，例如具体地由具有高密度的诸如铅的金属制成的物体。然而，液体也可被用作为质量块，所述液体例如被放置在容器中。通过改变容器的形状或通过使至少某些液体存放在更加接近或更加远离旋转轴的第二容器，有可能改变液体的位置和从而质量块的位置。对于术语“质量块的位置”，质量块的重心的位置当然也可作为另一种表示。

对于本发明，术语“调节单元”同样应当以非常一般的方式来理解。固体物的位置可以通过许多已知的装置被固定在转动体上和被改变，所述装置通常是机械的。此后，描述因此可以仅仅由几个例子组成，这些例子无论如何决不限制术语“调节单元”的范围。电的、气动的或甚至水力的驱动是可设想的。固体物的运动可以通过心轴驱动的旋转、经由齿轮和齿条的组合、或藉助于缆索机构和滚轮而带动。如果液体被用作为质量块，则它的位置可以藉助于阀门和泵把它分布到各个容器而被改变。

如果在旋转期间只减小旋转速度，则质量块在转动体静止时可被放置在里面的位置，并藉助于制动器保持在那里。在运行期间，为了减小旋转速度，制动器被释放，质量块藉助于离心力沿导轨移动到外部位置，在该位置它受到制动。当使用液体时，这个原理可以通过打开阀门以类似的方式实现，于是处在里面容器中的液体藉助于离心力被传送到外面的容器。另一方面，对于如在权利要求2中要求的实施例，转动体的旋转速度在旋转期间可以增加和减小。

如果仅仅一个具有可变位置的质量块被安排在转动体上以及另外没有任何可移动的部件固定在转动体上，则质量块只具有一个位置，在该位置转动体与质量块的共同的重心精确地位于旋转轴上。在所有的其它的位置，共同的重心位于旋转轴旁边，结果发生静态不平衡。质量块越远离平衡位置，这种不平衡越大。静态不平衡可以在转动体静止时以已知的方式测量，并且在旋转期间引起垂直于旋转轴的离心力。这种离心力必须由计算机X射线层析摄影术扫描仪的其它的部件所吸收和传送。

藉助于如在权利要求3中要求的实施例，这样的不平衡是可避免的或至少几乎被消除而与质量块离旋转轴的距离无关。因此质量块处在调节范围内的任何旋转速度下时转动体是静态平衡的。不再需要计算机X射线层析摄影术扫描仪的其它部件为了吸收离心力进行相应的尺寸调节。

在如在权利要求4中要求的实施例中，为了改变质量块的位置，使用一种对所有质量块而言都是相同的装置。而且，质量块的各种行进路径可以被安排成相对于旋转轴是对称的方式。

一方面，旋转速度可以半人工地改变，例如可以由计算机X射线层析摄影术扫描仪的用户藉助于控制单元控制调节单元，因而调节质量块的位置。然而，在如在权利要求5中要求的实施例中，用户有可能在运行期间规定不同的旋转速度，然后该旋转速度由控制单元通过相应地改变质量块的位置而自动设置。

如上所述，对于某些医疗应用，如果在旋转速度与病人的心率之间有一定的比值则是有利的。这个比值可以通过如在权利要求6中要求的实施例自动地保持，控制单元可以这样地配置，使得心率可以通过某些参数(例如，在ECG中的特征点)被预测，然后旋转速度被调整成为此提供保证。

到现在为止，假设转动体至少是几乎平衡的。然而，不一定必须是这种情形，也就是说，就这一点而言转动体是不平衡的。作为例子，可以有固定在转动体上的CT设备的部件，它们在运行期间会改变它们相对于转动体的位置。例如，在X射线源与检查区域之间可以有可移动的屏，藉助于该屏，可以根据不同的应用的要求设置由X射线源产生的X射线的形状。在旋转期间，由于一个这样的部件位置的改变，也可以引起不平衡。例如当转动体上故障的部件被替换，并且替换的部件具有与原先的部件不同的重量或具有不同的重量分布时，也可以引起不平衡。如果这些不平衡是静态的，则它们可以通过如在权利要求3中要求的实施例至少几乎被消除。而且，这样的转动体不需要被精确地平衡，结果，在制造期间节省成本。

除了静态不平衡以外，转动体也可以具有所谓的动态不平衡。正如大家所知道的，当转动体的重心处在旋转轴上但转动体的惯量的主轴与旋转轴不一致时，会引起纯动态不平衡。纯动态不平衡仅仅在运行期间被引起，因为从静止观点看来，各个单独的不平衡力相加为零。纯动态不平衡表现为沿旋转轴的弯曲矩(所谓的不平衡矩)，这通常引起周期地改变承载负荷。

动态不平衡可以通过如在权利要求7中要求的实施例至少几乎被消除。正如所周知的，通过把一个或多个质量块平行于旋转轴移动，转动体的惯量的主轴会被旋转，使得它处在旋转轴上。于是不平衡矩由反力矩所补偿。也可在转动体上安排一个或多个附加质量块，该质量块的位置只能平行于旋转轴改变。

藉助于如在权利要求8中要求的实施例，有可能在运行之前和/或运行期间自动减小或消除静态或动态不平衡或同时减小这二者。用于此处的传感器通常是已知的，例如汽车车轮的平衡机。因此这里不再给出这方面的进一步的细节。

本目的同样是通过在权利要求9和10中要求的方法达到的。

下面参照附图上显示的实施例的例子进一步描述本发明，然而本发明不限于此。

图1示意地显示按照本发明的计算机X射线层析摄影术扫描仪。

图2显示计算机X射线层析摄影术扫描仪的转动体。

图3显示可调节的重量。

图4显示用于确定转动体的惯性矩的模型。

图5是显示转动体的旋转时间作为重量和重物离旋转轴的距离的函数的图。

图6显示计算机X射线层析摄影术扫描仪的定子。

图7是显示在分辨率、心率与旋转速度之间的关系的图。

图1所示的计算机X射线层析摄影术扫描仪例如可被用于在医疗中产生病人的分片图像或体积图像，或在机场检查行李。它包括机架，其转动体1被示意地显示，它可以围绕平行于z轴取向的旋转轴14旋转。转动体1被安装在定子60中，为了清晰起见，该定子在图1上未示出，而单独地显示于图6。另外，外壳也未示出，外壳是平坦的管形，并且容纳转动体1与定子60。为了旋转，转动体1由电动机2以优选地恒定的但可调节的角速度所驱动。角度传感器17检测转动体1的当前的角度位置。辐射源S，例如X射线管，被固定在转动体1上。所述辐射源配备有准直器装置3，它把由辐射源S产生的辐射形成圆锥形状的射线束4。射线束4传送穿过圆柱形检查区域13，在其中可放置对象，例如处在病人支撑台上的病人(都未示出)或其它技术对象。一旦X射线束4传送穿过检查区域13，X射线束4就投射到被固定在转动体1上的二维检测器单元16。另外，或作为替换例，检测器单元16也可以被配置成检测由对象散射的X射线辐射。

射线束4的开度角α_max规定对象圆柱的直径，要被检查的对象在获取测量值期间就处在该圆柱内。开度角被规定为：在由辐射源S与旋转轴14规定的平面上处在垂直于旋转轴14的平面上的射线在射线束4的边缘处所包围的角度。检查区域13或对象或病人支撑台可以藉助于电动机5平行于旋转轴14或z轴移动。然而，以与其等价的方式，机架也可以沿这个方向移动。如果对象是技术对象而不是病人，则对象在检查期间可以旋转，而辐射源S和检测器单元16保持静止。

当电动机2和5同时运行时，辐射源S和检测器单元16沿着相对于检查区域13的螺旋线轨迹而运动。另一方面，当用于沿旋转轴14的方向前进的电动机5处在静止状态和电动机2使转动体1旋转时，这形成了辐射源S和检测器单元16相对于检查区域13的圆形轨迹。

由检测器单元16获取的测量值被馈送到重建计算机10，该重建计算机例如经由无接触数据传输(未示出)被连接到检测单元16。重建计算机10重建CT图像和例如在监视器11上显示它。两个电动机2和5、重建计算机10、辐射源S和测量值从检测器单元16到重建计算机10的传送都由控制单元7控制。控制单元7例如可以是计算机。

对于在转动体1上旋转的部件的操作所需要的电功率由滑环(未示出)传送。

如图2示意地显示的，具有重物M1，M2，和M3的形式的三个质量块被安排在转动体1上。重物M1，M2，和M3的每个被安排在导轨F1，F2，F3上，以使得它们可以垂直于旋转轴14移动。图3更详细地显示重物M3。电动机51驱动心轴51旋转。心轴啮合到重物M3的相应的中心孔，并连同重物M3一起形成心轴驱动。取决于心轴52的旋转的方向，重物M3移向旋转轴14或远离它，如箭头A3所示。在电动机51的相反端，心轴52被安装在轴承块57中，这样，它可以旋转和得到支承。第二心轴驱动由电动机55、心轴56和承载块57形成，其中心轴56的轴与心轴52的轴形成一个角度。通过旋转心轴56，承载块57和从而重物M3可以沿z轴的方向移动，也就是说，平行于旋转轴14移动。为此，电动机51被安装成使它可以对轴51a成为倾斜的。电动机51和55由控制单元7控制。

任选地，在重物M3与心轴52之间的连接可以由可释放的抓钩(未示出)所提供，该抓钩例如由电磁铁控制。如果需要突然快速减小旋转速度，则这个抓钩被释放，在重物M3与心轴之间的连接断开。藉助于离心力，重物M3移动远离旋转轴，直至它靠上承载块57或电动机51为止，这取决于安装位置。然后藉助于抓钩重新建立在重物M3与心轴52之间的连接。

图4显示作为例子给出用来实行以下的计算的一种型号。不带有重物M1，M2，M3的转动体具有m＝900kg的质量。在该型号中，它简化为一个具有r_l＝570mm的内径和r₂＝970mm的外径的第一中空的圆柱。第一圆柱具有惯性矩J_stat。重物M1，M2，M3一起具有100到400kg，并且合在一起简化为一个具有r₁＝70+/-15mm的可变的内径和r₂＝870+/-15mm的可变的外径的第二中空的圆柱。这相应于在每种情形下重物M1，M2，M3的位置相对于中心的开始位置朝向旋转轴15mm和离开旋转轴15mm的改变。第二中空的圆柱具有可变的惯性矩J_dyn。中空的圆柱以它的纵轴作为旋转轴的惯性矩通常根据