专利名称：设有位置可调的检测器的x射线设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种X射线设备，该设备包括一个发射圆锥形X射线束的X射线源和一个在X射线通过一个沿对象轴线配置的待检查的对象后检测X射线的X射线检测器，其时X射线源和X射线检测器沿着一条轨迹位移，本发明还涉及形成X射线图像的相应方法以及执行该方法的计算机程序。本发明特别涉及一种具有扁平长方形X射线检测器的C形臂X射线系统。
这种X射线设备一般为人所知并常被用来形成X射线图像。其X射线源和X射线检测器常被互相面对地连结到C形臂上，并沿着一条预定的轨迹环绕所要检查的对象特别是病人而移动，为的是获得圆锥形射线束在所要检查对象的检查区上的投影。检查区的三维(3D)图像可从这样获得的圆锥形射线的投影中重现。具有圆形检测器表面的模拟X射线图像增强器常被用作X射线检测器。但在将来，具有长方形而不一定需为正方形检测器表面的数字扁平X射线检测器会增多使用。
JP 11226001 A公开了一种具有扁平X射线检测器的C形臂X射线设备，该检测器能环绕一个垂直于其表面并通过其中心的旋转平面旋转为的是补偿C形臂X射线系统中的L形臂的调节角，这样来保证在检测X射线的X射线检测器的取向总是相同。
US 4,541,293公开了一种X射线设备，其中X射线源被布置在一曲线的轨道件上，使它可相对于固定的X射线源而位移，这样能够进行特殊的X射线检查。
本发明的一个目的是要使可重现的检查区的尺寸成为最大而并不增加X射线检测器的尺寸。另外，在与对象轴线成横向的方向上应尽量避免投影被截断以便使重现的图像得到尽可能高的图像质量。
这个目的可用按照本发明的X射线设备来达到，该设备的特征为，它包括用来改变X射线检测器相对于X射线源的位置及/或取向的设施，还包括一个控制单元用来使X射线源和X射线检测器沿着轨迹位移并在检测X射线时用来控制X射线检测器的位置及/或取向。
本发明基于这样一个概念，即具有多个轨迹时，例如在德国专利申请10063442.7(PHDE00232)中所说明的那样，在检测X射线时能有效地改变长方形X射线检测器相对于X射线源的位置及/或取向，那就是说，采用这种方式能使可被重现的检查区成为最大。这样便可用一合适的控制单元来控制′X射线检测器的位置及/或取向。至于正确的控制取决于各种因素如轨迹的路径、及X射线检测器的灵敏的检测器表面的边间的比率。
按照本发明的X射线设备的有效实施例在从属权利要求中披露。权利要求10说明使用按照本发明的X射线设备来形成X射线图像的方法。本发明还涉及一种计算机程序和编程方法，用来对按照权利要求1的X射线设备进行计算机控制，使它按照本发明的方法执行。按照本发明的X射线设备使用一个扁平的长方形X射线检测器，该检测器可环绕X射线源的焦点与X射线检测器中心的连线旋转。该控制单元被这样构造，使在检测X射线时长方形X射线检测器的一边延伸时与对象轴线成直角。因为扁平的X射线检测器通常并不是正方形，所以X射线检测器被这样取向使长方形X射线检测器的短边或长边与对象轴线成直角，那就是在对病人作检查而该病人被安排在病床上时与病人的纵长轴线成直角。
在权利要求3和4中披露这个实施例的另一个较优的变型。对于许多轨迹，在位移开始之前将X射线检测器调节到所需的取向并在位移时使这个取向保持恒定就足够了。但对于其他一些轨迹，X射线检测器在完成这些轨迹时必须不断改变其取向。
按照本发明的第二实施例，用来改变X射线检测器的位置及/或取向的设施被这样构造，使在X射线束的中心X射线与在X射线源的焦点和X射线检测器的中心之间的连线所成角度能保持一个不为零的值，而控制单元被这样构造，使在检测X射线时至少有两个不同的角度位置能被调节。
这个实施例能够用较小的X射线检测器而达到较大X射线检测器的效果，即与布置在固定位置上的小的X射线检测器相比，X射线的投影能占数目较多的位置。因此检查区能进一步被扩大，上述由于投影被截断而引起的问题也可减少。
在权利要求6到9中披露这个实施例的另外一些较优的变型。其中，X射线检测器被装在一条或多条轨道上为的是便于改变其位置及/或取向。最好还设有轨道使X射线能在侧向上偏移到C形臂平面之外。但X射线检测器在C形臂平面内的偏移也是可行的，特别是在C形臂的方向上。轨道也可被构造直线的，但最好是环绕X射线源焦点的弧形为的是使X射线检测器相对于X射源而得到最佳的对准。因此特别好的做法是使最好连结在X射线检测器上的抗分散栅极停留在X射线源的聚焦位置上。
按照权利要求9中所说的另一个实施例，还可有效地这样安排，使每一条轨迹被完成好几次，而在每一次运行时X射线检测器被位移到一个不同的角度位置，那就是使它具有一个相对于X射线源的不同的位置及/或取向。这样便可从所需的不同方向得到X射线的投影，从而能重现出尽可能大的检查区。
在权利要求2和5中提出的工步亦可有效地与X射线设备结合使用。
下面本发明将结合附图详细说明，在附图中
图1a、b示出按照本发明的X射线设备的第一实施例，图2到6示出可用按照本发明的X射线设备调节的不同轨迹，图7和8为按照本发明的X射线设备的第二实施例的两个不同的视图。
图1a示出按照本发明的X射线设备的第一实施例。在这C形臂X射线设备中，X射线源2和X射线检测器3分别装在C形臂1的相对两端上。C形臂1通过C形臂安装件10以其轴颈支承，以便能环绕一条推进器轴线4和一条C形臂轴线9旋转。该C形臂轴线的取向垂直于画面并穿过一个设备中的同中心(isocenter)8，该C形臂1还通过一个L形臂以其轴颈支承，因此可环绕一条L形臂轴线旋转设有一个控制单元11，用来控制X射线设备。为了获得圆锥形射线束的投影，要被检查的对象例如一个病人被这样安排在病床5上使病人的纵长轴线与C形臂1在所示位置时的推进器轴线4重合。
这种C形臂X常被用来获得病人被检查区的一组圆锥形射线束的投影，其时X射线源沿着一条预定的环绕被检查区的轨迹移动，根据这些获得的成组射线束的投影，便可重现被检查区的三维图像。然后可根据灵敏的检测器表面的形状、在X射线源和X射线检测器之间的距离、及用在X射线源和病人之间可能有的准直仪来确定。在X射线源和等中心之间的距离通常约为80cm，而在检测器和等中心之间的距离通常约为40cm。现时通常使用的X射线检测器的形式为X射线图像增强器，该增强器在传统上具有一个灵敏的圆形检测器表面，其直径通常不超过40cm。但在未来，将会更多使用扁平的动态X射线检测器，该检测器具有一个长方形的灵敏的检测器表面，其尺寸为40cm×30cm。
C形臂X射线设备一般被构造成等中心的。结果，就可将X射线源的发射轨迹限制到一个等中心的球形包络面内。这样从X射线中心源发到X射线检测器的中心X射线总是能通过等中心。X射线检测器的轨迹是由X射线源的轨迹决定的。被安排在病床上的病人的纵长轴线今后将被称为对象轴线，而与这对象轴线垂直的方向今后将被称为横断方向。
圆锥形射线束的形状和轨迹确定一个最大体积，该体积内的包含物能适当准确地被重现。这个体积被称为可重现的体积，必须与要被重现的体积区别开。这两个体积可以相同但不一定需要相同。要被重现的体积应被选为可重现的体积的子容积。
由于实际的理由，轨迹常被设计成延伸通过横断平面内的等中心并包含一个约为220°角的圆弧。这种轨迹在图2中示出。它可以通过转动C形臂或是环绕X射线设备的C形臂轴线或是环绕推进器轴线旋转来实现。在第一种情况下，C形臂X射线设备的L形臂被布置在病人的一侧，而在第二种情况下，它被布置在病人的头上。当检测器为X射线图像增加器时，可重现的体积为沿着该圆弧的全部圆锥形射线束所覆盖的最大的等中心球，这个球的直径通常可达20到30cm。当X射线检测器为扁平的动态检测器时，长方形检测器表面的较长边的取向或是垂直或是平行与C形臂轴线。对于图1中示出的轨迹，该较长边或是垂直或是平行于对象轴线而延伸。在这情况下，可重现的体积包括沿着圆形轨迹的全部圆锥形射线束所覆盖的那个大而等中心的、沿纵长取向的圆筒，这个圆筒的直径可达20到30cm，其长度从15到20cm。
在这两种情况下，要被量现的体积都被选作等同于可被重现的体积。重现这件事的本身是用Feldkamp、Davis和Kress的算法来完成的；必须考虑到的事实为，该轨迹并不是一个完全的圆，实际上它还从理想的轨迹偏离一些程度。还需考虑到的事实是圆锥形射线束并没有覆盖整个病人，因此所得到的圆锥形射线束的投影实际上是被截断的。
为了能正确地重现可重现的体积的内含物，所测数据必需能代表病人在沿着确实已知的积分线对X射线衰减系数线积分的准确的估计值。所测成组圆锥形射线束的投影还必需量化并随之取样。但这样重现的图像质量仍旧较差，特别是在可重现的体积的边缘。这是部分由于在圆形轨迹的情况下，所谓完整性条件(completeness condition)没有被满足；部分由于圆锥形射线束被截断。这种降质的严重性在X射线图像增强器的情况下会随着圆锥形射线束的孔眼角(angle ofaperture)而增加；在扁平的长方形X射线检测器的情况下会随着在纵长方向上圆锥形射线的孔眼角而增加；这些孔眼角本身又取决于检测器的尺寸。
按照所说完整性条件，每一个与要被重现的体积相交的平面还应与轨迹相交。较准确地说，就满足或不满足完整性条件而言，在给定的轨迹和给定的体积之间存在着相互作用。关于完整性条件的较详细的说明在上面提到的德国专利申请10063442.7(PHDE000232)，该专利申请被本文参照引用。
包括一个圆弧在内的平面轨迹对任何体积都不能是完整的。但能使用两个轴线相交在等中心上并包含一个夹角的圆弧如图3所示。在这情况下，轨迹实际上由两个分开的线段构成。因此，需要运行两次才能取得圆锥形射线束的投影。对于图3所示的轨迹，每一圆弧都是由C形臂环绕其C形臂轴线转动产生的，C形臂安装件在每一次的位置都不同。而L形臂位在病人的一侧。图4示出另一种可能性。这一次每一圆弧都是由环绕推进器轴线转动而形成的。每一次的L形臂的位置都不同。还可使用只用一个线段构成的完整的圆弧，这样就只需运行一次。这种轨迹要求C形臂X射线设备在运行时C形臂轴线的旋转能够或是环绕推进器轴线或是环绕L形臂轴线进行。图5和6示出这种轨迹的两个例子。这种轨迹和用于这种轨迹的适宜的X射线设备也在上述德国专利申请10063442.7(PHDE000232)中给出。
对于给定的非平面的轨迹和给定的圆锥形射线束的形状，人们能够找到符合所说完整性条件的最大体积。只要被检查的对象能完全配合在这个体积内，该对象就能正确地被重现。对于非平面的轨迹来说，这个体积就可被认为可重现的体积。一般地说，可重现的体积具有一个复杂的形状难于说明其特征。
但若X射线检测器为一X射线图像增强器那么可重现的体积就是被轨迹上全部圆锥形射线束所完全覆盖的最大的等中心球，在这情况下，这些射线束不是平面的并且最好是完整的。如同上面说明的圆弧那样，要被重现的体积可被选择为与可重现的体积相同。
在另一方面，如果X射线检测器为一扁平的长方形的X射线检测器，那么可重现的体积一般地说将不再是一个等中心的纵向取向的圆筒。尽管这样，要被重现的体积最好被选择得正好与这样的圆筒相同，因为它相当于病人的一个横向厚切片的三维图像。因此对于一个给定的可重现的体积，就可有一个尽可能大的等中心的、纵向取向的圆筒存在在该可重现的体积内；这个圆筒应被称为可重现的圆筒。即便如此，还可在可重现的圆筒或体积之外尝试进行重现，但在可重现的体积之外，重现质量的降低程度将会增加。
对于许多轨迹如图3到6中所示的那些轨迹，检测器的较长的边在完成轨迹时其取向将不再垂直于或平行于对象轴线。这会导致可重现圆筒的高度或直径的减少。因此在给定的非平面的轨迹并且最好使用扁平而长方的X射线检测器的情况下，按照本发明，检测器的表面应这样取向使可重现的圆筒的尺寸成为最大。
因此，按照本发明，图1所示的X射线设备设有设施12，从而扁平而长方的X射线检测器3可环绕X射线源2的焦点与X射线检测器3的中心之间的连线旋转。为此目的，设施12例如可包括一个电动机驱动的接头使X射线检测器可在一个垂直于连接线13的平面内旋转。于是控制装置11可这样构造使在用X射线检测器检测X射线时长方形检测器3的短边31或长边32(见图1b)总是被取向为垂直于对象轴线。在获取数据时如果X射线检测器3的长边32不断被取向为与对象轴线成直角，那么可重现的圆筒的直径可达到最大；而当检测器3的长边32不断被取向为与对象轴线平行的，可重现的圆筒的长度可达到最大。
为了规定X射线检测器3相对于C形臂1的取向，引入一个右手的笛卡尔座标系统即所谓实际室系统，该系统具有座标x、y、z，其原点位在等中心8上。在该实验室系统中，用向量a(s)来描述X射线源2的轨迹，其中参数s描述在该轨迹上的位置。与此相似，长方形检测器3的中心的轨迹用向量b(s)来描述。另外，引入一个局部的右手的笛卡尔座标系统，该系统具有在检测器3上的座标u、v、w。这个座标系统的原点由向量b(s)形成。u轴线的方向沿着检测器表面3的长边32；v轴线的方向沿着检测器表面3的短边，而w轴线指向X射线源2，使w轴线与圆锥形射线束的中心射线13重合。C形臂1可用一个在每一个位置S上的单元向量来描述。垂直于这个向量而延伸的等中心平面，即所谓C形臂平面。在u轴线和C形臂平面之间的夹角与在所示C形臂1位置的画面相对应，这个夹角可用标记α(s)指出，可被用来作为X射线检测器3相对于C形臂1取向的特征。
在完成轨迹时如果L形臂在图1所示的基本位置上，如同图2所示轨迹的情况，那么实际上只有两个取向需要选择，而选定的取向在整个数据获取过程中被维持恒定。第一取向为α(s)＝0，这时检测器3的长边32被安排得与C形臂平面平行，因此也与对象轴线平行，而短边31的位置与C形臂平面和对象轴线垂直。这就是图1a中所示C形臂1位置的情况。
第二取向为α(s)＝π/2，这时长边32垂直于C形臂平面而短边31平行于C形臂平面。长边32于是还平行于对象轴线，而短边31还垂直于对象轴线。这两种取向的选择取决于圆形轨迹是由环绕C形臂轴线9旋转还是由环绕推进器轴线4旋转来完成并且取决于要使可重现的圆筒的高度还是直径成为最大。
如果在完成轨迹时L形臂不在图1的基本位置上，如图3到6中所示轨迹的情况，这时一般地说，在获取数据的过程中，X射线检测器的取向必须不断地被重新调整。在限定轨迹的过程中可预先计算出能提供所需取向的相应角度α(s)。在获取数据过程中，X射线检测器3的取向始终能被调节设施12和控制单元11正确地调整，使X射线检测器3的长边或短边被安排成与对象轴线垂直。
图7和8示出按照本发明的X射线设备的第二实施例。图1为从病床推进器轴线4看去的C形臂1的前视图，而图8为该X射线设备的侧立面图。这个实施例设有设施能使X射线检测器3从其中央正常位置(如图1a所示)相对于X射线管2的位置沿u轴线或v轴线“向侧边”移动而可不需移动整个c形臂1，X射线检测器3便可这样相对于中央X射线束16被不对称地布置。X射线检测器3例如图7和8所示，可用一滑动件15安装在轨道14上，该轨道的形式为一环绕X射线源2的焦点的圆弧。轨道14的曲率可保证一个抗分散的栅极(未示出)正常地装在X射线检测器3上并始终保持对准X射线管的焦点。
这样在中央轴线16与X射线管2的焦点和X射线检测器中心的连线之间的角度便可具有一个不等于零的值。
在最简单和最普遍的情况下，需要运行两次来通过轨迹的每一个线段，在第一次运行时X射线检测器3被偏移到轨道15的一端，在第二次运行时则被移往另一端。在每一次运行中可以得到所需大的圆锥形射线束投影中的半数，最好在两个半数中略有重叠，然后将这两个半数结合起来便可有效地产生所需数据。这些数据虽然可在一次运行中测出，但所用X射线设备在偏移的方向上须有两倍的尺寸才行。
沿着轨道14，X射线检射器还可使用多于两个位置，但这样就需要相应的较多的运行次数来通过轨迹的每一线段。还可能这样构造X射线检测器使它不仅能向侧边偏移，还能环绕其中央轴线旋转如图1a所示。除了使用曲线的轨道14外，还可使用直线的轨道例如平行于C形臂轴线9的轨道；在该情况下，一个抗分散栅极不再需要不断地对准焦点。
如图7和8所示，X射线检测器3有了向侧边偏移的可能，就能以显然较小的表面面积来达到大面积X射线检测器所要达到的效果。这样便可使可重现的圆筒大到足够的程度来完全包含病人的横向厚切片。投影在横向上被截断就可高度避免而可不需另外增添检测器的表面。
在所示X射线设备的实施例中，最好将一准直仪布置在X射线源和要被检查的对象之间。而在获取数据的过程中，该准直仪应被这样调节使只有实际上能投射到检测器上的那部分圆锥形射线束能够通过。另外，有效地做法是使X射线源发射的圆锥形射线束的宽度足够在所有可能的取向和位置上完全辐照X射线检测器。
再者，还可这样布置使检测器能沿着中央X射线束滑动。这样在检测器和等中心之间的距离就可被改变。但在完成该轨迹时这个距离须保持恒定。
权利要求
1.一种X射线设备，该设备包括一个发射圆锥形X射线束的X射线源(2)和一个在X射线通过一个沿对象轴线(4)安置的待检查的对象后多次检测X射线的X射线检测器(3)，其时X射线源(2)和X射线检测器(3)沿着一条轨迹位移，其特征为，该设备包括用来改变X射线检测器(3)相对于X射线源(2)的位置及/或取向的设施(12、14、15)，还包括用来使X射线源(2)和X射线检测器(3)沿着该轨迹位移，并在检测X射线时用来控制X射线检测器的位置及/或取向的一个控制单元(11)。
2.按照权利要求1的X射线设备，其特征为，该设备包括一个扁平的长方形X射线检测器(3)，该检测器可环绕在X射线源(2)的焦点和X射线检测器(3)的中心之间的连线(13)旋转，而控制该X射线检测器(3)取向的控制单元(11)被这样构成，使当该轨迹正在被完成时，X射线检测器(3)的一条边(31、32)总是与对象轴线(4)成直角。
3.按照权利要求2的X射线设备，其特征为，对于圆形轨迹，在开始完成每一轨迹之前，就可用控制单元(11)调节X射线检测器(3)的取向，使其一条边(31、32)与对象轴线(4)成直角，而当该轨迹正在被完成时将X射线检测器(3)的取向保持不变。
4.按照权利要求2的X射线设备，其特征为，当一轨迹正在被完成时，根据X射线源(2)位置的任何变化用控制单元(11)来调节X射线检测器(3)的取向。
5.按照权利要求1或2的X射线设备，其特征为，用来改变X射线检测器(3)的位置及/或取向的设施(14、15)被这样构成，使在X射线束的中央射线(16)与在X射线源(2)的焦点和X射线检测器(3)的中心的连线(13)之间的夹角可呈现一个不等于零的值，并且控制单元(11)被这样构成，使在检测X射线的至少有两个不同的角度位置可被调节。
6.按照权利要求5的X射线设备，其特征为，X射线检测器(3)被配置在一条或多条轨道(14)上为的是便于改变其位置及/或其取向。
7.按照权利要求6的X射线设备，其特征为，为了改变其位置及/或其取向，X射线检测器(3)被装在一条基本上垂直于中央射线(16)而延伸的轨道(14)上，特别是在一条环绕X射线源(2)的焦点的曲线轨道上。
8.按照权利要求5的X射线设备，其特征为，X射线检测器(3)为一扁平的长方形X射线检测器。
9.按照权利要求5的X射线设备，其特征为，控制单元(11)被这样安排在照射待检查的对象时用来使X射线源(2)沿着一条轨迹作多次位移，并在每一次完成同一轨迹时用来将X射线检测器(3)调整到不同的角度位置上。
10.一种用X射线设备特别是按照权利要求1的设备形成X射线图像的方法，该设备包括一个发射圆锥形X射线束的X射线源(2)和一个在X射线通过一个沿一对象轴线(4)配置的待检查的对象后检测X射线的X射线检测器(3)，其时X射线源(2)和X射线检测器(3)沿着一条轨迹位移，其特征为，在检测X射线时，X射线检测器(3)相对于X射线源(2)的位置和取向被改变，为的是使可重现的检查区的尺寸成为最大。
11.一种带编程设施的计算机的程序，当对计算机执行该计算机程序时，根据按权利要求10所述的方法对按权利要求1所述的X射线设备进行计算机控制。
全文摘要
本发明涉及一种X射线设备，该设备包括一个发射圆锥形X射线的X射线源(2)和一个在X射线通过一个安排在对象轴线(4)上要被检查的对象后多次检测X射线的X射线检测器(3)，其时X射线源(2)和X射线检测器(3)在一条轨迹上位移。为了增加可重现的检测区的大小而不增加X射线检测器的大小，并且为了减少由于投影在横向上被截断而引起的问题，本发明提出在X射线设备上包括设施(12、14、15)用来改变X射线检测器(3)相对于X射线源(2)的位置及/或取向，还包括一个控制单元(11)用来使X射线源(2)和X射线检测器(3)沿着该轨迹位移，并在检测X射线时用来控制X射线检测器(3)的位置及/或取向。
文档编号A61B6/00GK1671324SQ03805703
公开日2005年9月21日 申请日期2003年3月10日 优先权日2002年3月13日
发明者H·肖姆贝格 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司