一种扫描床以及包括该扫描床的CT系统或PET系统的制作方法与工艺

本发明一般地涉及断层摄影技术，并且更特别地涉及一种扫描床以及包括该扫描床的计算机断层摄影(CT)系统或正电子发射断层摄影(PET)系统。

背景技术：
图1是现有技术的扫描床1’的示意图。该扫描床1’包括床板10’、线性运动装置11’以及床支架12’，其共同支撑病人13’。从图1中可以看出，在当前开发的混合扫描床1’(可用于CT或PET)中，在扫描过程中(如图1中左、中、右三幅图所示，其中左图为开始行程位置，中间图为中间行程位置，右图为整个行程位置)，受到病人13’体重的影响，床板10’会有很大的下垂(在图1中用dH表示)。床板的整体下垂幅度来自于载荷情况下床板10’本身的变形以及床支架12’的变形。其中，首先，在加载了病人之后，悬臂结构的床板10’本身会产生较大下垂。其次，床板10’所形成的悬臂结构将该床板10’伸出越远，床支架12’的变形就越大。此外，床板10’越长，这种下垂的幅度越大。同时，这种下垂还使得床板本身难以保持水平。这种下垂不但会影响扫描效果，严重时还会引起病人的不舒适感。因此，在本领域中，需要一种能够克服上述问题的扫描床以及相应的计算机断层摄影(CT)系统或正电子发射断层摄影(PET)系统。

技术实现要素：
为实现上述目的，本发明提供了一种扫描床，包括：床板，该床板包括预变形板，该预变形板具有预变形，该预变形的方向与预变形板在施加实际 载荷的情况下将会产生的变形方向相反；线性运动装置，用于引导床板线性地运动；以及床支架，用于支撑床板和线性运动装置。本发明还提供了一种计算机断层摄影系统或正电子发射断层摄影系统，包括根据本发明的扫描床。根据本发明，在采用由低档的碳纤维制成的普通床板和具有较大变形的普通床支架的情况下，也能够显著减小扫描床床板的下垂和/或倾斜，实现成本非常低。然而，在不采用本发明的情况下，要实现类似的技术效果，就必须采用高性能的材料和部件，从而大大增加制造成本。根据本发明的在自由载荷下进行了预变形的预变形床板在载荷情况下能够实现更低的变形。根据本发明的预变形床板的弹性层缩小了由于病人体重不同而引起的床板变形的范围。根据本发明的预变形床板的弹性层和间隙支撑轮式部件增加了床板的阻尼，这能够减小床板行进完整个扫描行程期间的床板振动幅度。通过使得线性运动装置预倾斜以保持床板水平，补偿了床板行进完整个扫描行程期间的床支架变形。附图说明根据下文中参考附图而进行的详细描述，本发明的上述和其他的目的和特征将变得明显，其中：图1是现有技术的扫描床的示意图；图2是根据本发明优选实施例的扫描床的示意图；图3A和图3B是根据本发明一个实施例的预变形床板的示意图；图4是设计图3A和图3B所示的预变形床板的方法流程图；图5A-图5D是说明图4的方法流程图的步骤的原理图；图6是根据本发明一个实施例的要优化的参数的示意图；图7是根据本发明一个实施例的用于说明优化目标的示意图；图8是根据本发明一个实施例的具有弹性层的预变形床板的示意图；图9是示出图8所示的具有弹性层的预变形床板10”的原理的示图；图10A-图10C是示出弹性层与一次成型床板之间的连接模式的示图；图11是床支架变形角度的示意图；图12是示出对床支架倾斜进行了补偿的扫描床的示意图；图13A-图13C是示出实现以预倾斜方式组装线性运动装置的方式的示图；图14是示出床板高度补偿的原理的示图；图15是利用轮式部件来对床板进行间隙支撑的结构的示意图；图16是进一步说明图15的间隙支撑的示意图；图17是示出轮式部件14的间隙支撑的原理的示图；并且图18是示出轮式部件14的远端支撑状态的示图。在这些附图中，使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。图2是根据本发明优选实施例的扫描床1的示意图。如图2所示，扫描床1可以包括床板10、线性运动装置11、床支架12以及轮子或轴承14，其共同支撑病人13。其中，线性运动装置11用于引导床板10线性地运动，床支架12用于支撑床板10和线性运动装置11。应当注意，图2只是示意性的。根据本发明的不同实施例，扫描床1可以具有更多或更少的部件。正如前面参考图1所述，在现有技术中，床板的下垂使得床板本身难以保持水平。例如，在图1中，床板10’的自由端(在图1中为右端)相对于固定端(在图1中为左端)明显下垂。根据本发明，为解决这一问题，可以使用如图3A和图3B所示的预变形床板10。该预变形床板10是通过在普通床板上预先施加自由载荷使其发生 预变形来产生的。其中，该预变形的方向(在图3A中为向上)与床板10在施加实际载荷的情况下将会产生的变形方向(例如，向下)相反。这样形成的预变形床板10如图3A所示。可以看到，图3A所示的预变形床板10的自由端(在图中为右端)向上翘起。然后，如图3B所示，在使用中，当在预变形床板10上施加实际载荷(在图3B中由多个垂直向下的箭头表示)时(例如病人13躺在预变形床板10上)，由于该实际载荷(例如病人13的体重)的作用，预变形床板10原本翘起的右端被压下，从而使得整个床板呈现出水平的状态。图4是设计图3A和图3B所示的预变形床板10的方法400的流程图。方法400开始于步骤410，其中确定初始的床板预变形参数。图5A-图5D是说明步骤410的原理图。如图5A所示，可以使用现有技术的普通平直形床板作为床板10的初始形状。接着，如图5B所示，在该普通平直形床板上施加额定载荷，这在图5B中由多个垂直向下的箭头表示。接着，如图5C所示，例如可以通过有限元分析(FEA)来计算床板10的上表面和下表面的变形，从而得到具有变形的上表面和下表面的形状曲线。上、下形状曲线的有限元数据应被床板的实测数据校正。在图5C所示的坐标系中，Y轴为纵轴(竖直方向)，Z轴为横轴(水平方向)。然后，如图5D所示，将具有变形的上表面的形状曲线相对于Z轴方向对称地翻转，作为床板10的初始预变形上表面。也就是说，图5C中的上表面10u’的形状曲线与图5D中的上表面10u的形状曲线相对于Z轴对称。类似地，将具有变形的下表面的形状曲线相对于Z轴方向对称地翻转，作为床板10的初始预变形下表面。也就是说，图5C中的下表面10b’的形状曲线与图5D中的下表面10b的形状曲线相对于Z轴对称。初始预变形上表面和下表面形状曲线代表了初始的床板预变形参数。在步骤420中，输入载荷情况。在步骤430中，计算载荷情况下的床板预变形参数。在步骤440中，判断床板的预变形参数是否符合优化目标。如果是，则方法结束。在这种情况下，初始的床板预变形参数被用作最终的床板预变形参数。如果否，则方法前进到步骤450，其中运行优化过程。在步骤450中，首先确定要优化的参数，这些参数可以如图6所示。在图6中，选取Z轴上的点1，...，i，...，N，N为正整数。Z轴上的点i对于横坐标Z(i)。上表面上横坐标位Z(i)的点的纵坐标为Yu(i)，下表面上横坐标位Z(i)的点的纵坐标为Yb(i)。Z轴上的点i+1对于横坐标Z(i+1)。上表面上横坐标位Z(i+1)的点的纵坐标为Yu(i+1)，下表面上横坐标位Z(i+1)的点的纵坐标为Yb(i+1)，依次类推。由于纵坐标对应于床板10上表面和下表面上各点的变形量，因此可以将上表面各点的纵坐标的值Yu(1)，Yu(2)，Yu(3)，...，...Yu(i)，Yu(i+1)，...，..N以及下表面各点的纵坐标的值Yb(1)，Yb(2)，Yb(3)，...，...Yb(i)，Yb(i+1)，...，...N作为需要优化的参数。此外，还可以将上表面碳纤维层的厚度t1和下表面碳纤维层的厚度t2作为需要优化的参数。在步骤450中，还需要确定优化目标。参见图7，D1为位置P1处的变形量，D2为位置P2处的变形量。优化目标可以是使得D2-D1(即位置P2与位置P1之间的相对变形)最小化，或者优化目标可以是使得D2最小化。其中，P1可以对应于床板尚未移动的位置(可参见图1中左图的位置)，P2可以对应于床板移动到最右侧的位置(可参见图1中右图的位置)。根据不同应用，P1和P2还可以是其他位置。确定要优化的参数和优化目标后，就可以针对优化目标对床板预变形参数进行优化，得到优化后的床板预变形参数。然后，方法结束。在这种情况下，优化后的床板预变形参数被用作最终的床板预变形参数。其中，对床板预变形参数的优化可以由计算机执行，或者在参数的量很少的情况下也可以由FEA工程师自己执行。以上描述的预变形床板(如图3A和图3B所示)有效地解决扫描过程中床板下垂的问题。但是，当实际载荷较小时(例如床板预变形是针对一般成年人而设计的，在对儿童或体重低于一般水平的成年人进行扫描时)，实际载荷并不足以将床板下压到水平状态，此时床板的自由端(例如右端)将会处于一定程度的上翘状态，严重时也会引起病人的不舒适感。为解决这一问题，本发明提出了具有弹性层的预变形床板。图8是根据本发明一个实施例的具有弹性层的预变形床板10”的示意图。 以下为了便于描述，将图3A-图7所示的预变形床板10称为一次成型床板，将图8-图10C所示的预变形床板10”称为二次成型床板。在本发明中，也将该一次成型床板称为预变形板。如图8所示，二次成型床板10”是在一次成型床板10的基础上增加弹性层EL而实现的。一次成型、二次成型、多次成型工艺可以是模具成型或非模具成型。弹性层EL可以包括纤维EL1和基底材料EL2。纤维EL1可以是增强型材料，例如碳纤维或玻璃纤维，或者其他纤维材料。基底材料EL2可以例如是不饱和聚酯纤维树脂、橡胶，等等。与前面类似，在图8中载荷也是用多个垂直向下的箭头表示的。弹性层EL的作用是减小由于病人13的体重变化而导致的床板变形差异范围，以及减小床板在没有载荷的情况下的变形。具体而言，可以通过在已经成型为图3A-图3B所示的一次成型床板10上施加额定载荷或所希望的目标载荷而使其变得平直，然后在其底部附加弹性层EL并对具有弹性层EL的床板进行二次成型。此时，弹性层EL的拉力或应力为零。在移除载荷之后，床板10”的右端倾向于按一次成型的形状重新上翘，但由于弹性层EL的拉力或应力，床板10”的右端不再上翘或者上翘幅度减小，使得该床板10”基本处于水平状态。这种外观对于病人或消费者而言更为正常，并且能够在不同的病人体重情况下提供类似的舒适性。二次成型不会影响一次成型床板10的性能。此外，为了改善床板性能，例如硬度和强度，可以进行多次成型制造处理。应当注意，图8只是示意性的。根据本发明的不同实施例，弹性层EL可以包括更多或更少的层，并且这些层的材料也可以变化。图9是用于说明图8所示的具有弹性层的预变形床板10”的原理的示图。在图9中，S1示出了具有预变形、没有弹性层、没有载荷的情况下的床板形状，这对应于图3A所示的床板形状。S2示出了具有预变形、具有弹性层、具有载荷的情况下的床板形状，此时床板处于水平状态并且弹性层EL的拉力为零。S3示出了具有预变形、具有弹性层、没有载荷的情况下的床板形状，此时床板右端有轻微上翘，但上翘幅度小于S1。二次成型床板10”能够确保：当施加了额定载荷或所希望的目标载荷时，弹性层EL的拉力为零。当病人13比额定载荷轻时，床板10”倾向于返回原 始的预变形形状。弹性层EL被拉伸，在床板10”的两端产生拉力。这种拉力使得床板10”的形状返回平直形状。因此，对于具有弹性层EL的床板10”，当较轻的病人13躺上去时，床板的变形量小于没有弹性层时的变形量。当病人体重在零与核定载荷之间时，床板形状将会在S3与S2之间。因此，利用额定载荷进行二次成型的具有弹性层EL的预变形床板10”能够用作阻尼来显著减小不同体重的病人引起的床板变形的差异。为了得到不同的变形效果，可在不同的载荷下，对预变形床板实施多次成型。弹性层EL与一次成型床板10之间可以有多种连接模式。图10A-图10C示出了这些连接模式的多个示例。图10A示出了末端连接模式，其中在弹性层EL和一次成型床板10的两端的两个连接区域CA1和CA2处进行连接。图10B示出了多点连接模式，其中在弹性层EL和一次成型床板10的多个连接区域CA1-CA4处进行连接。应当注意，点CA1-CA4只是示意性的，在实际应用中，可以根据需要设置不同的连接区域位置和数量。图10C示出了全连接模式，其中将弹性层EL和一次成型床板10之间的整个接触面CA作为连接区域。在扫描期间，床板的振动会导致图像质量问题。因此，在本领域中一直力求使得床板的振动更低。当以末端连接模式、多点连接模式或全连接模式将一次成型床板10与弹性层EL连接时，床板的硬度增加。因此，床板上的弹性层EL能够减小床板振动的幅度。在CT扫描期间，床板所行进的整个扫描距离大约为800mm-2900mm。参见图1，当床板10’沿Z方向行进到不同位置时，床支架12’会具有不同的变形，这是因为床支架12’具有弹性、间隙和悬臂载荷。随着床板10’行进得越来越远，床板10’在Y方向也下降得越来越多。更多的下降将会导致图像质量问题。参见图1，其中左图示出了开始行程位置处的高度H1，中间图示出了中间行程位置处的高度H2，右图为整个行程位置处的高度H3。为了使得床板高度保持一致，或者使得在整个CT扫描期间的高度变化尽可能小，本发明提供了一种床板高度补偿方法。该方法可以包括在额定载 荷或所希望的载荷下测量开始行程位置处的床板高度H1，然后在相同的上部载荷下测量最远行程位置处的床板高度H3(例如，参见图1)。其中，整个行程距离为L。参见图11，其中示出了床支架变形角度。开始行程位置与最远行程位置之间的床板高度变化为H1-H3＝dH，这对应于床支架(例如图1中的12’或图2中的12)倾斜角度dA。也就是说，tan(dA)＝dH/L。床支架的这种倾斜导致床板本身难以保持水平状态。因此，本发明提出对床支架的这种倾斜进行补偿。图12是示出对床支架12的倾斜进行了补偿的扫描床10的示意图。其中，可以通过两种方式来补偿床支架12的倾斜角度。一种方式是使床支架以角度dA倾斜，这种倾斜的方向与将来的实际载荷方向相反，从而使得床板10保持水平状态。另一种方式是以预倾斜方式组装线性运动装置11，这种预倾斜的方向与将来的实际载荷方向相反，从而使得床板10保持水平状态。这两种方式可以单独使用或者组合使用。进一步，以预倾斜方式组装线性运动装置11可以用多种方式来实现。图13A-图13C是示出实现以预倾斜方式组装线性运动装置11的方式的示图。其中，线性运动装置11可以包括滑块111和引导部件112。引导部件112可以是导轨或螺丝。以预倾斜方式组装线性运动装置11的第一种方式是在床板10的下部表面与滑块111的上部表面之间插入楔形垫片15，如图13A所示。当床板10底部和滑块111的上部安装表面平行于线性运动方向时，在床板10与滑块111之间放置楔形垫片15。该楔形垫片15具有水平的床板安装表面(即与床板10接触的表面，在图13A中为楔形垫片15的上表面)以及以角度dA倾斜的滑块安装表面(即与滑块111接触的表面，在图13A中为楔形垫片15的下表面)。以这种方式，导轨或螺丝112的右端以角度dA向上倾斜，从而补偿了床支架的向下的倾斜角度dA，从而使得床板10保持水平状态。以预倾斜方式组装线性运动装置11的第二种方式是使得线性运动方向与滑块111的上部表面之间存在角度dA，如图13B所示。当滑块111沿着倾斜的线性运动方向移动并且床板10的底部安装表面为水平时，滑块111的上部表面被设计为水平。其中，在线性运动方向与滑块111的上部表面之间存 在角度dA。以这种方式，导轨或螺丝112的右端以角度dA向上倾斜，从而补偿了床支架的向下的倾斜角度dA，从而使得床板10保持水平状态。以预倾斜方式组装线性运动装置11的第三种方式是使得床板10的下部安装表面倾斜，如图13C所示。当滑块111沿着倾斜的线性运动方向移动并且床板10的上部安装表面平行于线性运动方向时，床板10的下部安装表面被设计为倾斜。床板10的下部安装表面平行于线性运动方向。以这种方式，导轨或螺丝112的右端以角度dA向上倾斜，从而补偿了床支架的向下的倾斜角度dA，从而使得床板10保持水平状态。应当注意，以上方式都是示例性而非限制性的，根据实际应用的不同，还可以采用其他的预倾斜方式。还应当注意，角度dA仅仅是示例性而非限制性的，根据实际应用的不同，还可以采用其他的预倾斜角度。图14是示出床板高度补偿的原理的示图。其中左图为开始行程位置，中间图为中间行程位置，右图为整个行程位置。可以看到，在床板10的整个扫描行程期间，水平状态的床板10保持了一致的高度或者很窄的高度变化范围。为了确保床板10停止在任何位置，可以使用具有闸的电机或控制系统。这样，来自床支架12的高度变形被预倾斜的线性运动装置或床支架倾斜所补偿。为进一步改善床板下垂的问题，本发明还提出了利用轮式部件来对床板进行间隙支撑。该轮式部件可以是轮子或轴承，也可以是本领域中现有或将来开发的任何轮式部件。图15是利用轮式部件来对床板进行间隙支撑的结构的示意图。图15所示的是在没有载荷的情况下轮式部件14的间隙支撑结构。可以看到，轮式部件14被置于床支架12上。此时，在床板10与轮式部件14之间存在间隙C1。在存在载荷的情况下，当所述床板行进到一定位置时，床板10与轮式部件14彼此接触，轮式部件14对床板10形成支撑，从而防止床板10进一步下垂。可以通过如下方式确定C1。参见图16，首先，测量无轮式部件14的情况下，在所希望的载荷下，整个扫描行程位置处，床板10在扫描平面上的下垂量d1。然后，使床板10返回开始扫描位置，调整轮式部件14，使得d2＝d1，此时轮式部件的直径为S2。其中d2是有轮式部件14的情况下，在所希望的 载荷下，整个扫描行程位置处，床板10右端的下垂量。在移除负载的情况下，床板10与轮式部件14之间的间隙C1＝S1-S2。应当注意，间隙C1仅仅是示例性而非限制性的，根据实际应用的不同，还可以采用其他的间隙大小。图17是示出轮式部件14的间隙支撑的原理的示图。如图17所示，轮式部件14的间隙支撑可以有效地减小床板10的下垂量。图18示出了轮式部件14的远端支撑状态。轮式部件14的间隙支撑离扫描平面越近，床板10的下垂量就越小。在图18中，轮式部件14离扫描平面非常近，相应地，在整个扫描行程位置处，床板10右端的下垂量也非常小。应当注意，上面所描述的实施例仅仅是示例性而非限制性的，并且本领域技术人员在不偏离所附权利要求书的范围的情况下可以设计出很多备选实施例。所使用的动词“包括”并不排除权利要求书或说明书中所记载的元件和步骤之外的元件和步骤。在元件之前使用的词语“一个”并不排除存在多个这种元件。在权利要求中，置于括号内的任何参考标号都不应理解为对该权利要求的限制。