一种数字化x射线医疗影像系统的制作方法

专利名称：一种数字化x射线医疗影像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字化X射线医疗影像系统，尤其涉及一种超低剂量数字化X射线影像系统，属于医疗X射线影像设备技术领域。
背景技术：
医疗器械产业是关系到人类身体健康和生命安全的新兴产业，其产品集聚和融入了大量现代科学技术的最新成就，许多产品是医学与多种学科相结合的高新技术产物。全球医疗器械市场份额中，美国占到40%多，欧洲占30%左右，日本占15% 18%，中国仅占2%。目前，我国高端医疗影像设备市场几乎被GE、SIEMENS等国外公司垄断。在巨大的市场需求下，世界各国都在全力研发和完善相关技术，以角逐竞争愈来愈激烈的高端医疗设备市场。因此，中国迫切需要解决该领域的关键瓶颈技术，为发展自己的民族企业提供强有力的技术支撑，并以此带动整个行业的发展。国际医学X射线影像设备的主流发展方向是直接数字化和降低辐射剂量。近年来，X光放射诊疗对人体健康带来的危害日益受到人们的重视。X光摄像引发组织病变及诱发肿瘤、白血病的报道屡见不鲜。在西方国家，对X光摄像的使用和放射剂量均有强制标准。卫生部在2007年颁布的《卫生标准---五”规划》中明确指出了放射医疗安
全的重要性，特别强调制定放射卫生防护、放射防护评价和医用辐射准入及其相关的标准。目前我国生产的数字化X光机的核心器件一探测器均依赖于进口，不能自主生产；另外，现有的数字化X光机由于辐射剂量高不适合婴幼儿、青少年、孕妇和体弱多病者。据统计，我国有33万家医疗 单位，大型医疗机构和体检中心近万家，拥有普通X射线机约12万台，届时产品更新换代市场巨大。因此，加快国产低剂量数字化医用X光机的研发及产业化已迫在眉睫。另外，在以往我国患者X线诊断中，无论有病与否都要出胶片，而其中真正患病的也就占30%，由此浪费了大量胶片，一般大型医院每年仅胶片费用就高达200-300万元，而其中大多是无谓的浪费，使用超低剂量数字化X线医疗影像设备后，没有患病可以不出片，或者先进行存储，等到需要时再调出来使用，这样便节省了大量的费用，该设备将以最优秀的直按数字化摄影系统解决普通放射的数字化问题，提高医院的综合竞争力，在给医院带来良好经济效应的同时，也创造了良好的社会效应。日前公布的国家医疗器械科技产业“十二五”专项规划中已把“数字化医疗设备”的开发明确作为重点任务提出来，“低剂量数字化X光机技术和产品的开发”也列入了国家科技中长期发展规划(新型治疗和常规诊疗设备，数字化医疗技术)。世界上只有美国、法国、日本、加拿大、俄罗斯等少数国家拥有数字化医用X线影像设备的关键部件的生产技术。其中平板探测器国际上只有美国H0LIGIC、日本CANON、法国TRIXELL SAS、美国GE等几家企业能够生产。
荧光平板CXD探测器推出荧光平板CXD探测器的企业有瑞士 SWISSRAY公司、力口拿大IDC公司。线扫描探测器世界上，据报道，仅有俄罗斯掌握高灵敏度一维充气电离室探测器的核心技术并将其用于数字化影像设备DR。线扫描探测器与技术性能接近的平板和荧光平板探测器相比，其成本不足十分之一。本发明属于现代数字化医疗核心装备与关键技术领域。在我国该领域技术水平相对落后的今天，该项目的意义尤为突出。不仅可以有效带动我国高灵敏度核物理探测技术、高清晰辐射成像技术等相关学科的发展，还对提高我国核技术的综合应用水平、推动我国相关产业的发展具有重要意义。

发明内容
本发明的目的在于提供一种超低剂量数字化X射线影像系统。(一 )本发明提供一种超低剂量数字化X射线影像系统一种超低剂量数字化X射线影像系统，该系统由X射线发生器、准直器、数字化探测器、扫描机构和计算机系统组成；由X射线发生器发出的X射线经过准直器后成为平面扇形束，穿过人体到达数字化探测器，射线强度的分布情况被数字化探测器直接检测出来，得到“一行”信号数据，所述扫描机构使X射线发生器、准直器、数字化探测器自下而上匀速移动，始终保持在同一平面上，以线扫描方式逐行扫描，获得一行行的象素数据；将一行行的象素数据传输给计算机，经计算机处理、重建，得到需要的完整的数字影像。所述X射线发生器包括球管以及高压发生器；所述准直器为狭缝式准直器，所述狭缝高度为O. 6mm ；所述数字化探测器为充气电离室探测器阵列； 所述扫描机构为机械丝杠线性导轨或者电动机带式传动结构。所述经计算机处理、重建为(通过/即)直接数字化技术，将X射线信号转换为图像像素值，从而，保证在最低辐射剂量的前提下，得到需要的完整的数字影像。所述充气电离室探测器阵列包括电离室外壳(I);入射射线导管(2);阴极带条板
(3);阳极板(4);电荷敏感放大器(5);多丛模块￠);模拟数字转换器(7);单行记录器及联接电路板⑶；电子计数器及电源(9)；电离室外壳⑴包围的电离室内含有入射射线导管(2)、阴极带条板(3)、阳极板
(4);电荷敏感放大器(5)、多丛模块￠)、模拟数字转换器(7)、单行记录器及联接电路板
(8)；阳极板(4)连接+IkV的高压，阴极为带条板，阴极的每一个带条都与电荷敏感放大器(5)相连；电荷敏感放大器(5)通过多丛模块(6)、模拟数字转换器(7)、单行记录器及联接电路板(8)最终与电子计数器相联接，电子计数器连接电源；电离室外壳(I)包围的电离室内充满压强为15个大气压的纯氙气；X射线经过入射射线导管(2)进入电离室，光导管使得盲区最小化，并保证沿入射窗高度方向是均匀的；当X射线光子与工作气体的原子相互作用后被电离成包含电子和离子的气体，在电场的作用下， 电荷向相应的电离室电极游离，在每个阴极带条板(3)的带条聚集的电荷被与之相连的电荷敏感放大器(5)放大；电荷敏感放大器(5)通过多丛模块￠)、模拟数字转换器(7)、单行记录器及联接电路板(8)最终送给外部的电子计数器，电子计数器连接计算机，然后计算机进行计数，这样X射线图像通过探测器和辐射源对被检者进行同步扫描后获得。所述充气电离室探测器阵列充气电离室带条数量768条,带条间隔1.06mm,带条长度60mm，每行的收集时间2. 5ms，读数的盲时O. 125ms，通道容量Y 16384，电子学噪声，δ ^5y ;探测器的自动电子计数器ADU的最小电荷刻度Y1. 4，氙气压强，15大气压，阳极电压，+lkV。为什么要采用充气电离室探测器呢？(I)充气电离室探测器没有暗电流，也就是说没有它们的起伏。同时，对应每一个被记录光子的电荷数(约为2000电子)足以使本底噪声(Y光子)不大，且不会增加实际上的统计噪声。(2)当空间分辨率足够高时(Imm)充气电离室探测器的记录线为连续的，不需要采用插值法“缝合”，也不存在盲区。(3)充气电离室探测器不含有受X射线影响而衰退的元件。高质量制造出的这种探测器可靠性好，无需保养和维护，可以连续使用很多年。

所述扫描机构在扫描时光束相对于数字化探测器窗口的中央的晃动应该是最小的。在理想的调准情况下余量应在±0. 9mm之内。考虑到多种因素(非精确调准，准直器和数字化探测器窗口的非平直，球管阳极的振摆)，这一晃动不应超出±0. 2_。所述计算机系统还通过CAN网络与所述扫描机构相连。另外，电机的旋转使得X射线发生器(、狭缝式准直器、数字化探测器)上升的速度为40cm/s的速度对我们来说是合理的。本发明把X射线信号转换为图像象素值，从而在保证最低辐射剂量前提下，得到无信息丢失的数字化图像。另外，关于本发明为什么采用系统自下而上匀速同步运动扫描方式现有系统扫描方式有若干种——射线源可以移动或静止，数字化探测器可以水平或竖直放置，并能做平行或是圆弧移动。本发明采取将数字化探测器水平放置，并实现平面平行扫描方式。本发明这种扫描方式具有如下优势a)长度短，因此也是相对简单便宜的数字化探测器；b)图像沿人体纵方向完全没有几何失真，而横向失真很小，因为物品尺寸在沿此横向方向要小几倍。c)成像质量不会受到检查过程中人体的不自主运动的影响。这种移动在图像上可以看出来，但并不影响其质量(见图2，图2是本发明允许的图像失真。)因为只要这种在扫描过程中发生的运动方向与扫描方向垂直，那么就不会影响图像。图像的“每一行”象素都是在很短的时间内逐一完成的，因此即使在采集过程中产生运动，图像质量依然清晰。同时，所述数字化探测器可获得最低辐射剂量的基本工作条件之一即是所有穿过受检者身体的射线都进入数字化探测器的窗口。本发明使用多通道电离室探测器，其窗口的高度为3mm。a)数字化探测器窗口的合理宽度为800mm。这样在采集图像时受检者可以放松站立，并且从左右两侧还有余量。因此，当焦斑至数字化探测器的距离约为2000mm时，才能保证探测器窗口的照射均匀，且图像沿水平方向的失真较小。X射线发生器球管立式放置，因为这样可以提高探测器窗口的照射均匀度。b)检查室需要占据2000mm中的一部分，其合理宽度应为700mm。当宽度大于这一数值时，数字化探测器平面内的光束尺寸(沿垂直方向)的变大，沿该坐标的分辨率会随之降低。为保持一定的分辨率，需要相应地减小准直器狭缝的高度，而这会增加球管的受热程度。因此，给定检查室宽度为700_，那么相对应的准直器至数字化探测器窗口的距离为750mmoc)如果准直器的高度为O. 6_，焦斑沿垂直方向的尺寸也为O. 6_，那么光束在数字化探测器平面的高度则为1.2mm。这样就足以保证垂直方向的必要分辨率，且光束的上、下方都各有O. 9mm的余量。而这一余量是保证在扫描过程中光束接触不到数字化探测器窗口的上、下边缘所必须的。假如存在接触的话，就会在图像上出现水平方向的条纹。机械机构的不完善(运动未调准，准直器、球管或数字化探测器的振动，或者球管阳极的振摆)都可导致在数字化探测器窗口处光束的垂直晃动。无论是准直器还是数字化探测器窗口都不是理想的平直状态更加重了这一情况。d)根据IEC336标准对球管焦斑尺寸的规定，如果焦斑垂直方向的尺寸为O. 6mm,那么实际上这一尺寸在O. 91. 3mm范围，只有高端球管能达到O. 9mm。为了获得我们期望的
O.6mm,可以将球管向后倾斜约5度。( 二)剂量优化(减小)

在本发明获得的人体图像上，对应腰部的通道所记录的光子数量最少。而在颈部、肺部和腿部对应的通道上记录的光子数量要高出许多倍，也就是说，人体这些部位的对比灵敏度比腰部要高很多(例如，对应肺部的通道每条可记录的数量达3500光子，可同时在对应腰部的每条通道中总共只记录约75个光子)。因此，为降低总的辐射剂量，我们建议随扫描进程(垂直)对辐射强度进行调整，使得X线透射在每一行上的辐射强度不一样。由于每行信息是依次传输给计算机的，因此这种调整是可行的。如果对应待检测人体》通道光子数量可能过高，即可以发出降低球管电流的指令。当然，电流减小会延迟几行，但这对降低剂量这一任务来讲无关紧要。扫描完成后，用于处理和显示的图像可以通过对应行的正常化转换成正常形式。该方法除了可以降低辐射剂量，还可降低平均稳定散射功率等且带来一系列正面的效果。本发明实现了直接数字化和降低辐射剂量。本发明我们所选择的X射线发生器高压发生器、球管和扫描方法以及数字化探测器都是为了保证最低的辐射剂量和最高的成像质量。同时我们对扫描机构也提出了要求，其可靠性在很大程度上决定了整个系统的可靠性，也是为了保证检测效果。本发明有益效果本发明降低了辐射剂量，保证了成像质量，在我国高灵敏度核物理探测技术等相关技术发展具有重要意义。本发明还可以在，没有患病可以不出片，节省了大量的费用；同时，提高医院的综合竞争力。另外，使用辐射剂量低的X光机，对婴幼儿、青少年、孕妇和体弱多病者更适宜。更具有广阔市场前途。据统计，我国有33万家医疗单位，大型医疗机构和体检中心近万家，拥有普通X射线机约12万台，产品更新换代市场巨大。


图1是本发明逻辑示意图。图中省略画去计算机和探测器之间的连接线。图2是本发明允许的图像失真。图3是本发明原理示意图。图4是本发明X射线光学系统示意图。图5是充气电离室探测器结构示意图。其中，1-电离室外壳，2-入射射线导管，3-阴极带条板，4-阳极板，5-电荷敏感放大器，6-多丛模块，7-模拟数字转换器，8-单行记录器及联接电路板，9-电子计数器及电源。图6是本发明扫描结构(丝杠-线性导轨-环形齿带)结构示意图。其中，Il-X射线发生器，12-线性导轨立柱，13-准直器，14-电动机，15-探测器。图7是是本发明扫描结构(丝杠-线性导轨-轨道)结构示意图。图8是本发明扫描结构(金属带-发动机-轮毂)结构示意图。图中，16-金属带。图9是本发明扫描结构(单独立柱-金属带-发动机-轮毂)结构示意图。14-电动机，16-金属带，17-金属绳索。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明。系统的一些(大 多数)元件都可以通过直接购买得到，如高压发生器、球管、计算机和显示器等等。本发明只是提供一个具体实施例，部件等同替换同样在本发明的保护范围之内。一种超低剂量数字化X射线影像系统，该系统由X射线发生器(包括球管、高压发生器)、狭缝式准直器、数字化探测器、扫描机构和计算机系统组成；由X射线发生器X光球管发出的X射线经准直器后成为平面扇形束，然后穿过人体到达充气电离室探测器阵列，射线强度的分布情况被直接检测出来，得到“一行”信号数据。在扫描机构(移动组件在2m的跨度范围内误差不超过100 μ m)的帮助下，球管、准直器和数字化探测器平行匀速移动，以线扫描方式逐行扫描，获得一行行的象素数据，经过计算机处理后得到一幅完整的数字图像。本发明把X射线信号转换为图像象素值，从而在保证最低辐射剂量前提下，得到无信息丢失的数字化图像。所述X射线发生器包括高压发生器以及球管。所述高压发生器的技术要求、推荐的发生器型号本系统可以使用那些用于医疗X光成像设备的工业化批量生产的发生器之一。在选择高压发生器时，需要满足以下条件1、开启的全部时间不得超过2s钟。在此球管的阳极滑转电压与预热电压应在发出“启动”指令后O. 5s内出现，而高压则再过I秒钟。2、高压脉冲时间为3. 5 5秒(与受检者的身高有关)，过渡过程时间不能超过200msο在此期间高压的稳定性不低于O. 5%。3、高压脉动不能超过O. 5%。
4、电压为100 140kV，进行设定的间隔为5kV。5、电流可以在5至30mA范围内进行间隔为ImA的设定；6、执行电流改变指令的时间不能超过2ms/lmA(这一参数为将来进一步降低剂量
做铺垫)。7、出口处的最大功率为5kW。8、最大值 mAs 为 200。
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9、开启、关闭以及电流和电压的设定都应按照计算机通过标准端口发出的指令完成。不需要手动设定装置。同时a、调节电流是为了降低剂量。对于身材较瘦的人，电流可以如此减小，即使X线吸收量少，但要保持腹部区域的负荷不变。相应地，人体受到的辐射剂量减小。b、当需要进行大剂量的检查时(如对可疑病情进行扫描检查时)，当然，为了实现这种检查需要功率更大的发生器和球管。即使这样，也有批量生产的工业化发生器可供选择。C、可以购买世界著名的“Sedecal”或南韩“Poscom”生产商的发生器。我们认为，南韩生产的发生器为首选1、当前，“Poscom”发生器比“Sedecal”的价格要优惠的多；2、“POSCOm”公司的发生器已经在扫描式医疗X光成像系统中有广泛的应用，它的产品已经适合类似医疗系统的各种要求。所述球管，当每天检查数量达到1000例左右时，即使最好的球管也只有几个月的使用寿命，另一选择可能是使用有固定式阳极和水冷或油冷的工业化球管。这里，我们推荐采用意大利IAE公司生产的高质量的医用球管，其产品非常可靠并且产品直到现在都故障很小。所述球管
权利要求
1.一种数字化X射线影像系统，其特征在于，该数字化X射线影像系统由X射线发生器、准直器、数字化探测器、扫描机构和计算机系统组成； 所述X射线发生器发出的X射线经过准直器后成为平面扇形束，穿过人体到达数字化探测器，射线强度的分布情况被数字化探测器直接检测出来，得到“一行”信号数据；所述扫描机构使X射线发生器、准直器、数字化探测器自下而上匀速移动，始终保持在同一平面上，以线扫描方式逐行扫描，获得一行行的象素数据；将一行行的象素数据传输给计算机，经计算机处理后，得到需要的完整的数字影像。
2.根据权利要求1所述的一种数字化X射线影像系统，其特征在于，所述X射线发生器包括球管以及高压发生器。
3.根据权利要求2所述的一种数字化X射线影像系统，其特征在于，所述球管为意大利IAE公司生产的RTMlOl型球管或者意大利IAE公司生产的RTM103MAX0. 3/0. 6型球管； 所述高压发生器需至少满足以下条件高压脉冲时间为3. 5 5秒，过渡过程时间不能超过200ms，高压的稳定性不低于O. 5%;电流可以在5至30mA范围内进行间隔为ImA的设定。
4.根据权利要求3所述的一种数字化X射线影像系统，其特征在于，所述高压发生器为南韩“Poscom”生产商的发生器。
5.根据权利要求1所述的一种数字化X射线影像系统，其特征在于，所述准直器为狭缝式准直器，所述狭缝高度为O. 6_。
6.根据权利要求1所述的一种数字化X射线影像系统，其特征在于，所述扫描机构为机械丝杠线性导轨或者电动机带式传动结构。
7.根据权利要求1所述的一种数字化X射线影像系统，其特征在于，所述扫描机构上升速度为40cm/s。
8.根据权利要求1所述的一种数字化X射线影像系统，其特征在于，所述数字化探测器为充气电离室探测器阵列。
9.根据权利要求1所述的一种数字化X射线影像系统，其特征在于，所述充气电离室探测器阵列包括电离室外壳⑴；入射射线导管⑵；阴极带条板⑶；阳极板⑷；电荷敏感放大器(5);多丛模块￠);模拟数字转换器(7);单行记录器及联接电路板(8);电子计数器及电源(9)； 电离室外壳(I)包围的电离室内含有入射射线导管(2)、阴极带条板(3)、阳极板(4)；电荷敏感放大器(5)、多丛模块￠)、模拟数字转换器(7)、单行记录器及联接电路板(8)； 阳极板(4)连接+IkV的高压，阴极为带条板，阴极的每一个带条都与电荷敏感放大器(5)相连；电荷敏感放大器(5)通过多丛模块￠)、模拟数字转换器(7)、单行记录器及联接电路板(8)最终与电子计数器相联接，电子计数器连接电源； 电离室外壳(I)包围的电离室内充满压强为15个大气压的纯氙气；X射线经过入射射线导管(2)进入电离室，光导管使得盲区最小化，并保证沿入射窗高度方向是均匀的； 当X射线光子与工作气体的原子相互作用后被电离成包含电子和离子的气体，在电场的作用下，电荷向相应的电离室电极游离，在每个阴极带条板(3)的带条聚集的电荷被与之相连的电荷敏感放大器(5)放大；电荷敏感放大器(5)通过多丛模块￠)、模拟数字转换器(7)、单行记录器及联接电路板(8)最终送给外部的电子计数器，电子计数器连接计算机，然后计算机进行计数，这样X射线图像通过探测器和辐射源对被检者进行同步扫描后获得。
10.根据权利要求1所述的一种数字化X射线影像系统，其特征在于，所述充气电离室带条数量768条,带条间隔1. 06mm,带条长度60mm,每行的收集时间2. 5ms,读数的盲时O.125ms，通道容量Y 16384，电子学噪声，δ ^ 5y ;探测器的自动电子计数器ADU的最小电荷刻度Y1. 4,氣气压强，15大气压，阳极电压，+lkV。
全文摘要
一种数字化X射线影像系统，属于医疗X射线影像设备技术领域。系统由X射线发生器、准直器、数字化探测器、扫描机构和计算机组成；X射线发生器发出的X射线经过准直器后成为平面扇形束，穿过人体到达数字化探测器，射线强度的分布情况被数字化探测器直接检测出来，得到“一行”信号数据；以线扫描方式逐行扫描，获得一行行的象素数据；将一行行的象素数据传输给计算机，经计算机处理，得到需要的完整的数字影像。所述X射线发生器包括球管、高压发生器；所述数字化探测器为充气电离室探测器阵列。本发明实现了直接数字化和降低辐射剂量成像；节省了费用；对婴幼儿、青少年、孕妇和体弱多病者更适宜，提高了医院的综合竞争力；具有广阔市场前途。
文档编号A61B6/03GK103040480SQ201210529759
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者金鼎, 吴越 申请人:北京天海元科技有限公司