专利名称：复合材料x射线准直器及其制造方法
技术领域：
本发明的实施例大体上涉及计算机断层摄影(CT)成像，并且更具体地涉及用作CT成像系统的一部分的复合材料患者前X射线准直器以及用于制造其的方法。
背景技术：
典型地，在计算机断层摄影(CT)成像系统中，X射线源朝受检者或物体(例如患者或一件行李)发射扇形束。在下文中，术语“受检者”和“物体”应包括能够被成像的任何东西。束在由受检者衰减后撞击辐射检测器的阵列。在该检测器阵列处接收的衰减束辐射的强度典型地取决于由受检者对X射线束的衰减。检测器阵列的每个检测器元件产生指示由每个检测器元件接收的衰减束的独立电信号。这些电信号传送到数据处理系统用于分析，其最终产生图像。 在操作中，X射线源和检测器阵列在成像平面内绕机架旋转并且围绕受检者旋转。X射线源典型地采用在焦点处发射X射线的X射线管的形式，其中这些X射线在X射线束中沿着发散线性路径发射。采用患者前准直器用于使X射线束的横截面整形并且用于引导整形的束通过患者并且朝向检测器阵列。检测器阵列典型地包括用于准直X射线束的准直器、邻近该准直器用于将X射线转换成光能的闪烁体和用于从该邻近的闪烁体接收光能并且由此产生电信号的光电二极管。在CT成像系统中，用于使X射线束整形的患者前准直器在历史上已经通过加工单片钨而构造。因为该材料的辐射阻挡能力和结构特性，用钨形成患者前准直器是合适的。然而，认识到钨是昂贵的材料并且难以加工。另外，在实现更大患者覆盖、更快的转速以及更大的孔尺寸的较新的CT成像系统中，用钨形成的患者前准直器甚至变得不太可取。S卩，在这样的较新的CT成像系统中，患者前准直器上的向心加速度(即，G负荷)由于离旋转中心的半径增加、机架中的部件的更快的转速以及在大覆盖系统中阻挡束所需要的更大的患者前准直器尺寸而急剧增加。施加于患者前准直器的重量和力因为它影响CT成像系统的动态平衡以及准直器运动的敏捷性而受到关注。铅也被认为是构造患者前准直器的可能的材料，因为铅还展现与其材料密度关联的理想的辐射阻挡能力。遗憾地，与使用钨患者前准直器相似，铅的高密度意味着由铅构造的患者前准直器受到较新的CT成像系统中G负荷增加的影响。另外，铅被认为太柔软而不能用作单片材料并且不符合限制有害物质指令(RoHS)。因此，设计结合高密度材料的阻挡力与较低密度衬底材料的结构支持、因此削减准直器的重量和成本同时保持稳健性、辐射阻挡能力并且符合RoHS的患者前准直器，这将是可取的。
发明内容
本发明针对用于提供用作CT成像系统的一部分的复合材料患者前X射线准直器的方法和设备。
根据本发明的一个方面，用于在计算机断层摄影(CT)系统中使X射线束整形的患者前准直器包括由第一材料组成的底座，该第一材料具有第一材料密度；和插入物，其机械耦合于该底座并且由第二材料组成，该第二材料包括具有大于该第一材料密度的第二材料密度并且足以阻挡高频电磁能的可模塑材料。该底座包括多个结构特征，该插入物通过这些结构特征模塑到该底座，其中该插入物的可模塑材料形成与这些多个结构特征的连接以机械耦合该底座和该插入物。根据本发明的另一个方面，制造用于在计算机断层摄影(CT)系统中使用的患者前准直器的方法包括以下步骤用第一材料形成底座，形成该底座以便在其上具有多个几何特征；和将第二材料模塑到该底座上来形成插入物，该第二材料包括具有大于第一材料的材料密度的材料密度并且足以阻挡高频电磁能的材料。该第二材料注入模塑到该底座上使得该第二材料形成与多个几何特征的机械结合以使该插入物固定到该底座。根据本发明的再另一个方面，计算机断层摄影(CT)系统包括可旋转机架，其具有收容要扫描物体的开口 ；高频电磁能投射源，其配置成朝该物体透射高频电磁能；和准直器，其安置在该高频电磁能投射源与该物体之间并且配置成使高频电磁能束整形，该准直器包括一对叶片。该CT系统还包括检测器阵列，其配置成检测穿过该物体的高频电磁 能并且响应于该高频电磁能产生检测器输出；数据采集系统(DAS)，其连接到该检测器阵列并且配置成接收该检测器输出；以及图像重建器，其连接到该DAS并且配置成从该DAS接收的检测器输出重建物体的图像。关于准直器，准直器的每个叶片进一步包括金属底座，其由第一材料形成并且在其上包括在其中形成的多个几何特征；和插入物，其机械耦合于该底座并且由具有大于第一材料的材料密度的材料密度的辐射阻挡材料形成，其中该插入物通过多个几何特征机械耦合于该金属底座，使得叶片不包含用于耦合该金属底座和该插入物的粘合剂和紧固件。各种其他特征和优势将从下列详细说明和附图变得明显。
附示目前设想用于实施本发明的优选实施例。在附图中图I是CT成像系统的示图。图2是在图I中图示的系统的方框示意图。图3是根据本发明的实施例的用于在图I和2的CT成像系统中使用的患者前准直器组件的透视分解图。图4是根据本发明的实施例的图3的患者前准直器组件的底座的透视图。图5是根据本发明的实施例的图3的患者前准直器组件的插入物的透视图。图6是包含用于与非侵入式包裹检查系统一起使用的患者前准直器组件的CT系统的示图。
具体实施例方式本发明的操作环境关于六十四切片计算机断层摄影(CT)系统描述。然而，本领域内技术人员将意识到本发明同样适用于与其他多切片配置一起使用。此外，将关于X射线的检测和转换描述本发明。然而，本领域内技术人员将进一步意识到本发明同样适用于其他高频电磁能的检测和转换。将关于“第三代”CT扫描仪描述本发明，但本发明同样适用于与其他CT系统一起使用。参照图1，计算机断层摄影(CT)成像系统10示出为包括机架12，其代表“第三代”CT扫描仪。机架12具有X射线源14，其朝该机架12的相对侧上的检测器组件或准直器18投射X射线束。现在参照图2，检测器组件18由多个检测器20和数据采集系统(DAS)32形成。这些多个检测器20感测穿过医疗患者22的投射X射线16，并且DAS 32将数据转换成数字信号用于后续处理。每个检测器20产生代表碰撞X射线束的强度以及因此代表当它穿过患者22时衰减束的强度的模拟电信号。在扫描来采集X射线投影数据期间，机架12和安装在其上的部件绕着旋转中心24旋转。机架12的旋转和X射线源14的操作由CT系统10的控制机构26管理。控制机构26包括提供功率和定时信号给X射线源14的X射线控制器28和控制机架12的转速和 位置的机架马达控制器30。图像重建器34从DAS 32接收采样和数字化的X射线数据并且进行高速重建。重建的图像作为输入应用于计算机36，其将图像存储在大容量存储装置38中。计算机36还经由控制台40从操作者接收命令和扫描参数，该控制台40具有例如键盘、鼠标、语音激活控制器或任何其他适合的输入设备等操作者界面的一些形式。关联的显示器42允许操作者观察来自计算机36的重建图像和其他数据。操作者供应的命令和参数由计算机36使用以提供控制信号和信息给DAS 32、X射线控制器28和机架马达控制器30。另外，计算机36操作台架马达控制器44，其控制电动台架46以安置患者22和机架12。特别地，台架46使患者22全部或部分移动通过图I的机架开口 48。如在图2中示出的，CT系统10还包括安装在机架12上并且靠近X射线源14安置的患者前准直器50。构造准直器50以使X射线束16的横截面整形成与检测器阵列18的形状匹配的形状，例如矩形。准直器50从而确保正扫描的患者不遭受不必要的X射线剂量。现在参照图3，根据本发明的一个实施例提供准直器50的分解图。如在图3中示出的，准直器50由一对叶片51形成，该对叶片51相对于彼此能调整以便改变在其之间形成的孔径53的尺寸用于允许X射线束16 (图2)穿过该孔径53。改变孔径53的尺寸/形状从而确定了 X射线束16的横截面并且提供了将束控制和修改成期望的尺寸/形状，以便与检测器阵列18的形状匹配。如在图3中示出的，每个叶片51进一步由底座52和附连到该底座52的插入物54形成。根据本发明的实施例，因为底座52和插入物54由不同的材料构造，准直器50的每个叶片51形成为复合构件。更具体地，底座52和插入物54由具有不同密度的材料构成。每个叶片51用较低密度结构材料和高密度辐射阻挡材料构成来实现所得的复合部件，其起到选择性地阻挡辐射同时还使整个准直器50的重量和成本最小化的作用。准直器50的每个叶片51的底座52构造成为准直器50提供结构支撑并且允许固定到CT系统10(图I)的机架12，同时还设计成降低准直器50的整个重量和成本。如此，底座52由较低密度结构材料组成，基于该较低密度结构材料保持准直器50的稳健性而没有对准直器50增加过度的重量和成本的能力来选择该较低密度结构材料。如本文使用的，术语“较低密度结构材料”指具有不足以阻挡高频电磁能(例如，X射线辐射)穿过其中的密度的材料。根据本发明的实施例，如在下文详细阐述的，底座52可因此由可以加工以具有期望的结构特性的铝、钢或另一个同样能接受的材料形成。准直器50的插入物54构造成在准直器50内提供辐射阻挡。如此，插入物54由高密度辐射阻挡材料组成。如本文使用的，术语“高密度辐射阻挡材料”指具有足以阻挡高频电磁能(例如，X射线辐射)穿过其中的密度的材料。根据本发明的实施例，插入物54可因此部分由起到阻挡从例如X射线源14(图I)发射的X射线16的束并且使其整形的作用的钨或另一个同样能接受的材料形成。根据示范性实施例，如在下文详细阐述的，插入物54由例如钨浸溃塑料等可模塑高密度辐射阻挡材料形成，使得插入物54可以通过机械结合固定到底座52。
根据本发明的实施例，构造准直器50的复合材料叶片51使得底座52机械结合到插入物54而无需使用粘合剂或机械紧固件(例如，螺栓、螺钉等)。根据示范性实施例，插入物54由可模塑材料(例如，鹤浸溃塑料)形成，其例如通过机械包覆模塑(mechanicalover-molding)或注入模塑等方式模塑到底座52上以在准直器50中形成不能分割的叶片51。为了便于底座52和插入物54的机械结合，构造底座52以在其上包含多个几何或结构特征，这些几何或结构特征在插入物54模塑到底座52期间将插入物54 “锁定”到底座52。现在参照图4，根据本发明的示范性实施例示出底座52的详细视图。如在图4中示出的，底座52包括在其上的多个几何/结构特征56、58、60，其在经由机械包覆模塑或注入模塑工艺应用/形成插入物54时提供插入物54对该底座52的配合。底座52包括一系列用于收容插入物54的掏槽(undercut) 56，其中这些掏槽56在例如插入物放置区62的相对端和侧处形成。底座52还包括在该插入物放置区62中被间隔开的一系列孔58，其中这些孔58在与插入物54放置的地方相对的底座52的退出表面64上具有沉孔(counterbore) 60。根据示范性实施例，掏槽56和具有沉孔60的孔58通过加工操作(例如根据铝/钢材料的标准加工程序)在底座52中形成。根据另一个实施例，向底座的背面中切割槽口 65以起到用于在模塑工艺中引入插入物的高密度辐射阻挡材料的门的作用。现在参照图5，根据本发明的示范性实施例示出插入物54的详细视图。如在图5中示出的，插入物54包括正面66，其大体上在底座52的插入物放置区62中形成。根据示范性实施例，面66形成为弯曲面，其容纳不对称的X射线束、基于该面的曲率半径优化离X射线源14(图I)的放置以及提供完全的X射线束阻挡。备选地，根据本发明的另一个实施例，认识到，面66还可以形成为直的(即，非弯曲的)面。插入物54上包括有在面66的相对端处形成的缘边或突起68，其中形成这些缘边/突起68以与在底座52(图4)上形成的掏槽56配合。插入物54上还包括有一系列锚70，其从面66的背表面72延伸出并且向下通过底座52中形成的孔58。在远离面66的锚70的端处，形成与孔58的沉孔60配合的圆形法兰74，用于将锚70锁定到底座52。如上文指示的，插入物54通过机械包覆模塑或注入模塑工艺形成，使得面66的缘边/突起68和锚70形成与底座52的几何特征56、58、60 (即在底座52上/中形成的掏槽56和具有沉孔60的孔58)的锁定机械结合。根据本发明的实施例，准直器50的每个叶片51从而可以通过首先用例如铝片或钢片形成底座52而制造，其中加工该铝/钢来形成具有在其上形成的多个几何特征的底座。如上文阐述的，这些几何特征可以采用一系列掏槽56和孔58 (其具有在其中形成的沉孔60)的形式。当加工底座52时，插入物54通过包覆模塑或注入模塑工艺模塑到底座。在将插入物54模塑到底座52中时，在插入物上形成与底座的掏槽56配合的许多突起68。另夕卜，在插入物54上形成与底座52的孔58和沉孔60配合的许多锚70。插入物54模塑到底座52在其之间形成机械结合，这将插入物固定到底座而不需要任何粘合剂和/或紧固件。现在参照图6，根据本发明的实施例示出包裹/行李检查系统100，其中该包裹/行李检查系统100包含例如在图3中示出的患者前准直器50。如在图6中示出的，包裹/行李检查系统100包括在其中具有开口 104的可旋转机架102，包裹或多件行李可通过该开口 104。该可旋转机架102容置高频电磁能源106以及检测器组件108，其具有由与在图6或7中示出的相似的闪烁体单元组成的闪烁体阵列。还提供输送系统110，其包括由结构114支撑的输送带112以使包裹或行李件116自动并且连续地穿过开口 514来被扫描。物体116由输送带112馈送通过开口 104，然后采集成像数据，并且输送带112采用受控并且连续的方式将包裹116从开口 104移走。因此，邮政检查员、行李处理者和其他安全人员可 非侵入式地针对爆炸物、刀、枪、违禁品等检查包裹116的内含物。有利地，可以对于辐射阻挡能力、刚度和重量优化复合材料患者前准直器50。准直器的减少的重量降低了对CT系统的马达和轴承的需求，这是因为它更轻。另外，复合材料患者前准直器叶片的结构以及由此提供的机械结合/锁定消除了需要使用任何独立紧固件或粘合剂，由此也消除了可由使用这样的紧固件形成的任何泄漏点。另外，阻挡材料插入物模塑到底座允许几何形状和应用的灵活性，并且通过提供模塑插入物的近净形状而减少浪费和成本，使得所得的插入物比例如使用粘合剂更环保。再此外，复合材料患者前准直器的结构提供比加工纯钨准直器组件更容易且更便宜的组件加工。因此，根据本发明的一个实施例，用于在计算机断层摄影(CT)系统中使X射线束整形的患者前准直器包括由第一材料组成的底座，该第一材料具有第一材料密度；和插入物，其机械稱合于该底座并且由第二材料组成，该第二材料包括具有大于该第一材料密度的第二材料密度并且足以阻挡高频电磁能的可模塑材料。该底座包括多个结构特征，该插入物通过这些结构特征模塑到该底座，其中该插入物的可模塑材料形成与这些多个结构特征的连接以机械耦合该底座和该插入物。根据本发明的另一个实施例，制造用于在计算机断层摄影(CT)系统中使用的患者前准直器的方法包括以下步骤用第一材料形成底座，形成该底座以便在其上具有多个几何特征；以及将第二材料模塑到该底座上来形成插入物，该第二材料包括具有大于第一材料的材料密度的材料密度并且足以阻挡高频电磁能的材料。该第二材料注入模塑到该底座上使得该第二材料形成与多个几何特征的机械结合以使该插入物固定到该底座。根据本发明的再另一个实施例，计算机断层摄影(CT)系统包括可旋转机架，其具有收容要扫描物体的开口 ；高频电磁能投射源，其配置成朝该物体投射高频电磁能；和准直器，其安置在该高频电磁能投射源与该物体之间并且配置成使高频电磁能束整形，该准直器包括一对叶片。该CT系统还包括检测器阵列，其配置成检测穿过该物体的高频电磁能并且响应于此而产生检测器输出；数据采集系统(DAS)，其连接到该检测器阵列并且配置成接收该检测器输出；以及图像重建器，其连接到该DAS并且配置成从该DAS接收的检测器输出重建物体的图像。关于准直器，准直器的每个叶片进一步包括金属底座，其由第一材料形成并且在其上包括在其中形成的多个几何特征；和插入物，其机械耦合于该底座并且由具有大于第一材料的材料密度的材料密度的辐射阻挡材料形成，其中该插入物通过多个几何特征机械耦合于该金属底座，使得叶片不包含用于耦合该金属底座和该插入物的粘合剂和紧固件。该书面说明使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的 书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于在计算机断层摄影(CT)系统中使X射线束整形的患者前准直器(50)，所述患者前准直器(50)包括 底座(52)，其由第一材料组成，所述第一材料具有第一材料密度；和 插入物(54)，其机械耦合于所述底座(52)并且由第二材料组成，所述第二材料包括具有大于所述第一材料密度的第二材料密度并且足以阻挡高频电磁能的可模塑材料； 其中所述底座(52)包括多个结构特征(56，58，60)，所述插入物(54)通过所述结构特征(56，58，60)模塑到所述底座(52)，其中所述插入物(54)的所述可模塑材料形成与所述多个结构特征(56，58，60)的连接以机械耦合所述底座(52)和所述插入物(54)。
2.如权利要求I所述的患者前准直器(50)，其中所述底座(52)的所述多个结构特征(56，58，60)包括 在所述底座(52)中形成的多个掏槽(56);以及 形成通过所述底座(52)的多个孔(58)，所述孔(58)具有在其上形成的沉孔(60)。
3.如权利要求2所述的患者前准直器(50)，其中所述插入物(54)包括 面(66)，其具有在其相对的端上的突起(68)，所述突起￠8)配置成与在所述底座(52)中形成的所述掏槽(56)配合；以及 多个锚(70)，其从所述面￠6)向外延伸，所述锚(70)配置成延伸通过所述孔(58)，所述孔(58)形成通过所述底座(52)。
4.如权利要求3所述的患者前准直器(50)，其中所述多个锚(70)中的每个进一步包括安置在远离所述面￠6)的所述锚(70)的端处的圆形法兰(74)，每个圆形法兰(74)配置成与所述底座(52)的相应的沉孔￠0)配合。
5.如权利要求I所述的患者前准直器(50)，其中所述底座(52)和所述插入物(54)形成准直器叶片(51)，并且其中所述患者前准直器(50)包括一对准直器叶片(51)，其中孔径(53)位于所述一对准直器叶片(51)之间。
6.如权利要求5所述的患者前准直器(50)，其中所述准直器叶片(51)中的至少一个的位置是能调整的，使得所述孔径(53)的尺寸和形状能变化以便当高频电磁能束穿过所述孔径(53)时使所述高频电磁能束整形。
7.如权利要求I所述的患者前准直器(50)，其中所述第一材料包括铝和/或钢中的一个。
8.如权利要求I所述的患者前准直器(50)，其中所述第二材料包括钨浸溃塑料。
9.如权利要求I所述的患者前准直器(50)，其中所述准直器(50)不包含用于使所述插入物(54)机械耦合于所述底座(52)的粘合剂或紧固件。
10.如权利要求I所述的患者前准直器(50)，其中所述插入物(54)包括包覆模塑插入物和注入模塑插入物中的一个。
全文摘要
本公开涉及复合材料X射线准直器及其制造方法。公开了用于在计算机断层摄影(CT)系统中使x射线束整形的复合材料患者前准直器(50)。该患者前准直器(50)包括底座(52)，其由第一材料组成，该第一材料具有第一材料密度；和插入物(54)，其机械耦合于该底座(52)并且由第二材料组成，该第二材料包括具有大于该第一材料密度的第二材料密度并且足以阻挡高频电磁能的可模塑材料。该底座(52)包括多个结构特征(56，58，60)，该插入物(54)通过这些结构特征(56，58，60)模塑到该底座(52)，其中该插入物(54)的可模塑材料形成与这些多个结构特征(56，58，60)的连接以机械耦合该底座(52)和该插入物(54)。
文档编号A61B6/03GK102760505SQ20121013835
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者N·德米亚诺维奇二世 申请人:通用电气公司