自適應多模態x線ct成像科研實驗平臺的制作方法
【專利摘要】本發明涉及自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺，其特征在于該CT平臺包括承載臺、中心載物旋轉臺組件、X線發生器及位置移動組件、X線探測器及位置移動組件和距離測量組件；承載臺起到支撐所有其他組件和成像體的作用；中心載物旋轉臺組件位于承載臺的中心；X線發生器及位置移動組件位于中心載物旋轉臺組件的右側；X線探測器及位置移動組件位于中心載物旋轉臺組件的左側；距離測量組件位于中心載物旋轉臺組件的后側，所述中心載物旋轉臺組件包括載物臺、連接軸、聯軸器、旋轉臺驅動電機和位置開關；載物臺為圓盤形，位于承載臺的臺面上；連接軸穿過承載臺的臺面，連接軸的上部與載物臺中心點連接，下部通過聯軸器與旋轉臺驅動電機相連。
【專利說明】
自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺
技術領域
[0001]本發明涉及生物醫學成像科學研究的實驗教學設備技術領域，具體是一種自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺，該平臺能夠進行成像模式和參數的自適應調整，獲得的X射線CT。
【背景技術】
[0002]在生物醫學的科研過程中，詳細探求生物活體或標本的內部組織和結構是研究的重要領域之一。X射線成像技術可以在不破壞被研究生物體的前提下而生成其內部組織結構的影像，尤其是CT(計算機斷層成像)技術可以獲得生物體組織結構的三維影像。因此X射線CT成為對科研用生物體(尤其是實驗動物)內部組織結構成像的主要方式之一。
[0003]X射線CT的基本結構和成像過程是:成像體放置在X射線發生器和X線探測器中間，X射線發生器與探測器相對并且中心點對齊，其兩者的距離稱為孔徑，成像過程中產生的X射線穿過成像體并根據成像體內部組織結構和密度特征產生衰減和吸收，衰減后的X射線被對側的探測器接收并獲得X射線強度數據，據此可以獲得一幅單一方向的X射線影像。當X射線發生器和探測器圍繞成像體旋轉360度并根據設定的角度間隔就可以獲得多方向的多幅X射線影像，對多幅影像進行圖像重組重構就可以獲得成像體的三維內部組織結構影像。根據X射線掃過成像體的形狀和探測器基礎探測單元的組成方式，X射線CT又可以分為扇形束CT和錐形束CT。
[0004]目前的公知技術中，專門用于科學研究的X射線CT，都是專門用于小鼠或大鼠成像臥式固定小孔徑(直徑為1cm左右)錐形束旋轉式單一能量X射線CT;但是，由于孔徑小、探測器面積小等缺點，此種科研X射線CT對于大于此直徑的生物體是無能為力的。在這個不得已的情況下，科研中只能使用人體診斷用的X射線CT對所研究的生物體進行成像。醫學診斷所用的X射線CT都是為人體成像設計的臥式固定大孔徑(直徑為80cm左右)多排扇形束旋轉式X射線CT。但是，對于科研所用的成像生物體，尤其是中等大小的實驗動物，醫學診斷用X射線CT由于采用排式探測器和大孔徑，因此存在著分辨力較低和偽影明顯等固有缺點。同時，目前進行生物體成像和人體成像的X射線CT都是固定孔徑，也就是X射線發生器和探測器的距離是固定且不能改變，因此其不能滿足為各種不同大小和類型的成像生物體進行科研所需的高質量低偽影X射線CT影像。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是通過探測成像生物體的外形和大小，自適應的調整X射線發生器和探測器之間的距離和X射線的能量;根據特定的科研要求可以進行錐形束成像和扇形束成像的多模態方法;根據成像質量要求可以進行旋轉式成像和平移旋轉式成像的多模態方法，使成像生物體的大小、X射線探測器面積、錐形束或扇形束的形狀尺寸和成像方式得到有效配合，以此獲得較少的偽影和最優的影像質量。
[0006]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺，其特征在于該CT平臺包括承載臺、中心載物旋轉臺組件、X線發生器及位置移動組件、X線探測器及位置移動組件和距離測量組件;承載臺起到支撐所有其他組件和成像體的作用；中心載物旋轉臺組件位于承載臺的中心;X線發生器及位置移動組件位于中心載物旋轉臺組件的右側;X線探測器及位置移動組件位于中心載物旋轉臺組件的左側;距離測量組件位于中心載物旋轉臺組件的后側，
[0007]所述中心載物旋轉臺組件包括載物臺、連接軸、聯軸器、旋轉臺驅動電機和位置開關;載物臺為圓盤形，位于承載臺的臺面上;連接軸穿過承載臺的臺面，連接軸的上部與載物臺中心點連接，下部通過聯軸器與旋轉臺驅動電機相連;通過位置開關獲得載物臺的初始和終止位置；
[0008]所述X線發生器及位置移動組件包括X線發生器、光束限出器、y軸發生器移動組件、X軸發生器移動組件和X軸發生器直線滑軌;X軸發生器移動組件和X軸發生器直線滑軌平行布置在承載臺上，y軸發生器移動組件橫跨在X軸發生器移動組件和X軸發生器直線滑軌之間，且能在X軸發生器移動組件和X軸發生器直線滑軌上左右移動，在y軸發生器移動組件的上方固定連接有X線發生器，X線發生器能在y軸發生器移動組件上前后移動，所述X線發生器上帶有鉛質光束限出器，X線發生器的光源輸出口朝向載物臺；
[0009]所述X線探測器及位置移動組件的結構與X線發生器及位置移動組件的結構相似，包括X線探測器、光束限入器、y軸探測器移動組件、X軸探測器移動組件和X軸探測器直線滑軌，y軸探測器移動組件跨在X軸探測器移動組件和X軸探測器直線滑軌之間，不同之處在于，在y軸探測器移動組件上固定連接X線探測器，X線探測器中心朝向載物臺，所述X線探測器帶有鉛質光束限入器;X線探測器中心與X線發生器的光源輸出口對齊；
[0010]所述距離測量組件包括測距器和測距器支撐架，通過調整測距器支撐架的高度，使得測距器的輸入窗與X線發生器光源輸出口等高度；
[0011]X線探測器、X線發生器均與外部成像計算機連接，測距器、位置開關及驅動電機均與外部控制計算機連接。
[0012]與現在技術相比，本發明的自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺，其具有激光測距器，可以獲得成像物體的徑向形狀，此成像體形狀作為自適應成像方式和參數調整的參考基礎;平臺左右兩側下層的X軸發生器移動組件和X軸探測器移動組件用于自適應的改變X線發生器和探測器之間的距離，從而獲得最優的成像方式;平臺左右兩側上層的y軸發生器移動組件和y軸探測器移動組件用于對齊X線發生器和探測器，在成像過程，y軸發生器移動組件和y軸探測器移動組件不動可實現針對中小型成像體的旋轉成像，y軸發生器移動組件和y軸探測器移動組件滑動可實現針對中大型成像體的旋轉平移成像;載物臺在成像中實現可調快慢的成像體旋轉，以獲得CT三維重構所需的各種間隔的多角度X線影像，同時減小了整個成像平臺的整體體積和實現復雜度;光束限出器和光束限入器的配合使用可實現錐形束和扇形束多模態成像的X線光束要求。因此，通過測量成像體外形自適應調整X線發生器和探測器與成像的相對位置，結合X線限出器和限入器的配合可自適應的實現錐形束、扇形束、旋轉、平移旋轉等多模態成像方式，加之中心載物旋轉臺組件可調整旋轉快慢和成像間隔角度，本發明整體上結構小，控制容易，精度高，可滿足科研實驗的多種成像需求，實現最優的成像方式，獲得高的成像質量。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺一種實施例的立體結構示意圖。
[0014]圖2為本發明自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺一種實施例的俯視結構示意圖。
[0015]圖3為本發明自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺一種實施例的正視結構示意圖。
[0016]圖4為本發明自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺一種實施例的中心旋轉臺部分的主視結構示意圖。
[0017]圖5為本發明自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺一種實施例的X線發生器平臺組件的立體結構示意圖。
[0018]圖6為本發明自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺一種實施例的X線探測器平臺組件的立體結構示意圖。
[0019]圖中，1-承載臺、2-中心載物旋轉臺組件、3-X線發生器及位置移動組件、4-X線探測器及位置移動組件、5-距離測量組件;21-載物臺、22-連接軸、23-旋轉臺聯軸器、24-旋轉臺驅動電機、25-位置開關;31-X線發生器、32-光束限出器、33-y軸發生器移動組件、34-x軸發生器移動組件、35-x軸發生器直線滑軌;41-X線探測器、42-光束限入器、43-y軸探測器移動組件、44-x軸探測器移動組件、45-x軸探測器直線滑軌；51-測距器、52-測距器支撐架；3301\3401\4301\4401_ 滾珠絲桿、3302\3402\4302\4402_ 直線導軌、3303\3403\4303\4403-滾珠絲桿支撐座、3304\3404\4304\4404_ 聯軸器、3305\3405\4305\4405_ 移動驅動電機、3306\3406\4306\4406_ 位置開關、3307\3407\4307\4407\_ 滑塊。
【具體實施方式】
[0020]下面結合實施方式及其附圖對本發明做進一步詳細解釋，但并不以此作為對本申請權利要求保護范圍的限定。本實施例中所涉及的方位描述，如前后、左右、上下等，均以附圖1、2、3中所示方位為參考。
[0021]本發明基于自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺(簡稱CT平臺，參見圖1-6)包括承載臺1、中心載物旋轉臺組件2、X線發生器及位置移動組件3、X線探測器及位置移動組件4和距離測量組件5;承載臺I為桌型平臺，起到支撐所有其他組件和成像體的作用；中心載物旋轉臺組件2位于承載臺I的中心;X線發生器及位置移動組件3位于中心載物旋轉臺組件2的右側;X線探測器及位置移動組件4位于中心載物旋轉臺組件2的左側，X線發生器31的光源輸出口與X線探測器41中心對齊;距離測量組件5位于中心載物旋轉臺組件2的后側，
[0022]所述中心載物旋轉臺組件2(參見圖3和圖4)包括載物臺21、連接軸22、聯軸器23、旋轉臺驅動電機24和位置開關25;載物臺21為圓盤形，用于放置成像體，位于承載臺I的臺面上;連接軸22穿過承載臺I的臺面，其向上與載物臺21中心點連接，向下通過聯軸器23與旋轉臺驅動電機24相連;通過旋轉臺驅動電機24旋轉，帶動載物臺21圍繞其中心點旋轉，以實現CT重構所需的多角度X線成像，通過位置開關25獲得載物臺的初始和終止位置；
[0023]所述X線發生器及位置移動組件3(參見圖1、2、3、5)包括X線發生器31、光束限出器32、y軸發生器移動組件33、x軸發生器移動組件34和X軸發生器直線滑軌35; X軸發生器移動組件34和X軸發生器直線滑軌35平行布置在承載臺I上，y軸發生器移動組件33橫跨在X軸發生器移動組件34和X軸發生器直線滑軌35之間，且能在X軸發生器移動組件34和X軸發生器直線滑軌35上左右移動，在y軸發生器移動組件33的上方固定連接有X線發生器31，X線發生器31能在y軸發生器移動組件33上前后移動，所述X線發生器31上帶有鉛質光束限出器32，X線發生器31的光源輸出口朝向載物臺21，X線發生器31產生X射線，光束限出器用于產生適合的X線光束(錐形束或扇形束)，根據成像的模態需求更換光束限出器32，使X線輸出為錐形束或扇形束。
[0024]所述y軸發生器移動組件33包括滾珠絲桿3301、直線導軌3302、滾珠絲桿支撐座3303、聯軸器3304、移動驅動電機3305、位置開關3306和滑塊3307;滾珠絲桿3301固定在滾珠絲杠支撐座3303上，并通過聯軸器3304與移動驅動電機3305相連接，滑塊3307固定在滾珠絲杠3301上，且能在直線導軌3302上滑動，位置開關3306可以感知并限定滑塊3307的移動位置;滑塊3307的上表面固定連接有X線發生器31，通過滾珠絲桿3301將移動驅動電機3305的旋轉運動變成滑塊3307的直線運動;所述X軸發生器移動組件34的結構組成與y軸發生器移動組件33相同，包括滾珠絲桿3401、直線導軌3402、滾珠絲桿支撐座3403、聯軸器3404、移動驅動電機3405、位置開關3406和滑塊3407，在滑塊3407的上表面與y軸發生器移動組件33的滾珠絲桿支撐座3303—端連接，y軸發生器移動組件33的滾珠絲桿支撐座3303的另一端通過滑臺固定在X軸發生器直線滑軌35上；滾珠絲桿3401通過聯軸器3404與移動驅動電機3405相連接，通過滾珠絲桿3401將移動驅動電機3405的旋轉運動變成滑塊3407的直線運動，同時位置開關3406可以感知并限定滑塊3407的移動位置；因此兩個方向的y軸發生器移動組件33和X軸發生器移動組件34可以使帶有鉛質光束限出器32的X線發生器31產生成像過程所需的X軸和y軸方向的兩個自由度的運動；
[0025]所述X線探測器及位置移動組件4(參見圖1、2、3、6)的結構與X線發生器及位置移動組件3的結構相似，包括X線探測器41、光束限入器42、y軸探測器移動組件43、x軸探測器移動組件44和X軸探測器直線滑軌45，y軸探測器移動組件43跨在X軸探測器移動組件44和X軸探測器直線滑軌45之間，不同之處在于，在y軸探測器移動組件43上固定連接X線探測器41，X線探測器41中心朝向載物臺21，所述X線探測器41帶有鉛質光束限入器42，X線探測器檢測入射的X射線強度，根據成像需求可以更換光束限入器42以符合錐形束成像或扇形束成像探測需求；
[0026]所述y軸探測器移動組件43包括滾珠絲桿4301、直線導軌4302、滾珠絲桿支撐座4303、聯軸器4304、移動驅動電機4305、位置開關4306和滑塊4307;滾珠絲桿4301通過聯軸器4304與移動驅動電機4305相連接，通過滾珠絲桿4301將移動驅動電機4305的旋轉運動變成滑塊4307直線運動，同時位置開關4306可以感知并限定滑塊4307的移動位置;帶有鉛質光束限入器42的X線探測器41放置在y軸探測器移動組件43的滑塊4307上;所述X軸探測器移動組件44包括滾珠絲桿4401、直線導軌4402、滾珠絲桿支撐座4403、聯軸器4404、移動驅動電機4405、位置開關4406和滑塊4407，滾珠絲桿4401通過聯軸器4404與移動驅動電機4405相連接，通過滾珠絲桿4401將移動驅動電機4405的旋轉運動變成滑塊4407直線運動，同時位置開關4406可以感知并限定滑塊4407的移動位置；因此兩個方向的y軸探測器移動組件43和X軸探測器移動組件44可以使帶有X線探測器41跟隨X線發生器31產生成像過程所需的X軸和y軸方向的兩個自由度的運動。
[0027]所述距離測量組件5(參見圖1、2、3)用于探測成像體徑向大小，包括測距器51和測距器支撐架52，通過調整測距器支撐架52的高度，使得測距器51的輸入窗與X線發生器41光源輸出口等高度;所有驅動通過獨立的驅動控制器驅動相應的驅動電機(旋轉臺驅動電機和移動驅動電機)進行控制;X線探測器、X線發生器均與外部成像計算機連接，測距器、位置開關、及所有的驅動電機均與外部控制計算機連接，激光測距數據，位置開關數據和驅動電機控制數據分別輸入或輸出的外部控制計算機，X線探測器采集數據和X線發生器控制數據也分別輸入或輸出到外部成像計算機。
[0028]本發明的進一步特征在于所述測距器51為激光測距儀。
[0029]本發明中的載物臺21可以帶動成像體旋轉，實現CT成像所需的多角度X線成像;同時通過旋轉臺驅動電機24旋轉調整成像角度的間隔以獲得和成像體相適合的成像質量;X線發生器31和X線探測器41分別通過X軸發生器移動組件34和X軸探測器移動組件44可以進行左右平移，實現X線發生器31和X線探測器41之間距離的調整以獲得最優的成像結構。X線發生器31和X線探測器41分別通過y軸發生器移動組件33和y軸探測器移動組件43可以進行前后平移，實現旋轉成像和旋轉平移成像的多模態調整。測距器51可測量從成像體表面到測距器51的直線距離，從而獲得成像體的大小和中心橫斷面形狀，用于自適應地改變成像的結構和參數。本發明中所述自適應是指根據測量的成像體特征通過外部控制計算機控制改變驅動電機的動作，相應改變成像部件的相關結構參數，進行自適應調整的參數來源于測距器的測量結果。使用光束限出器32和光束限入器42，同它們的配合實現錐形束成像和扇形束成像的多模態切換。
[0030]本發明自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺的工作原理與使用方法是:根據科學研究的需要，將成像生物活體或標本放置固定在中心載物旋轉臺組件2的載物臺21上;通過外置控制計算機控制驅動器的控制旋轉臺驅動電機24，首先通過位置開關25旋轉載物臺21回到初始位;開啟測距器51，勻速旋轉載物臺21，獲得成像體中心橫斷面外表面與測距器51的距離，也就測量了成像體中心橫斷面形狀，厚度和最大直徑。根據所測得的成像體徑向最大直徑，控制移動驅動電機3305/4305的旋轉，進而帶動滾珠絲桿3301/4301在y軸上左右移動X線發生器31和X線探測器41，自適應調整它們之間的距離，從而獲得最優成像機構。更換光束限出器32和光束限入器42，以實現科研需要錐形成像或扇形成像。如果成像體較探測器的寬度小，則采用旋轉成像，成像中X線發生器31和X線探測器41固定不動，載物臺21旋轉，每隔一個角度，進行一次X線成像，旋轉360度后，將所有的X線影像在計算機中進行影像重構以獲得三維CT影像。如果成像體較X線探測器的寬度大，則采用平移旋轉成像，成像中載物臺21旋轉，每隔一個角度，通過控制y軸發生器移動組件33和y軸探測器移動組件43使得X線發生器31和X線探測器41在X軸方向的前后平移，進行多副X線成像以覆蓋整個成像體，然后旋轉到下一個角度。旋轉360度后，將所有角度的X線多幅影像在計算機中進行影像重構以獲得三維CT影像。
[0031]本發明中涉及的驅動電機，位置開關，X線發生器，X線探測器，距離測量器等可商購得到。本發明未述之處適用于現有技術。
[0032]盡管本發明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發明并不限于特定的細節和這里示出與描述的圖例。
【主權項】
1.一種自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺，其特征在于該CT平臺包括承載臺、中心載物旋轉臺組件、X線發生器及位置移動組件、X線探測器及位置移動組件和距離測量組件；承載臺起到支撐所有其他組件和成像體的作用；中心載物旋轉臺組件位于承載臺的中心;X線發生器及位置移動組件位于中心載物旋轉臺組件的右側;X線探測器及位置移動組件位于中心載物旋轉臺組件的左側;距離測量組件位于中心載物旋轉臺組件的后側， 所述中心載物旋轉臺組件包括載物臺、連接軸、聯軸器、旋轉臺驅動電機和位置開關；載物臺為圓盤形，位于承載臺的臺面上;連接軸穿過承載臺的臺面，連接軸的上部與載物臺中心點連接，下部通過聯軸器與旋轉臺驅動電機相連;通過位置開關獲得載物臺的初始和終止位置； 所述X線發生器及位置移動組件包括X線發生器、光束限出器、y軸發生器移動組件、X軸發生器移動組件和X軸發生器直線滑軌;X軸發生器移動組件和X軸發生器直線滑軌平行布置在承載臺上，y軸發生器移動組件橫跨在X軸發生器移動組件和X軸發生器直線滑軌之間，且能在X軸發生器移動組件和X軸發生器直線滑軌上左右移動，在y軸發生器移動組件的上方固定連接有X線發生器，X線發生器能在y軸發生器移動組件上前后移動，所述X線發生器上帶有鉛質光束限出器，X線發生器的光源輸出口朝向載物臺； 所述X線探測器及位置移動組件的結構與X線發生器及位置移動組件的結構相似，包括X線探測器、光束限入器、y軸探測器移動組件、X軸探測器移動組件和X軸探測器直線滑軌，y軸探測器移動組件跨在X軸探測器移動組件和X軸探測器直線滑軌之間，不同之處在于，在y軸探測器移動組件上固定連接X線探測器，X線探測器中心朝向載物臺，所述X線探測器帶有鉛質光束限入器;X線探測器中心與X線發生器的光源輸出口對齊； 所述距離測量組件包括測距器和測距器支撐架，通過調整測距器支撐架的高度，使得測距器的輸入窗與X線發生器光源輸出口等高度； X線探測器、X線發生器均與外部成像計算機連接，測距器、位置開關及驅動電機均與外部控制計算機連接。2.根據權利要求1所述的自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺，其特征在于所述y軸發生器移動組件、X軸發生器移動組件、y軸探測器移動組件和X軸探測器移動組件結構均相同，均包括滾珠絲桿、直線導軌、滾珠絲桿支撐座、聯軸器、移動驅動電機、位置開關和滑塊；滾珠絲桿固定在滾珠絲杠支撐座上，并通過聯軸器與移動驅動電機相連接，滑塊固定在滾珠絲杠上，且能在直線導軌上滑動，位置開關可以感知并限定滑塊的移動位置。3.根據權利要求1所述的自適應多模態X線CT成像科研實驗平臺，其特征在于所述測距器為激光測距儀。
【文檔編號】A61B6/04GK105962964SQ201610608514
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月25日
【發明人】韓立, 張雪君, 王曉東, 張順心
【申請人】天津醫科大學