КОЛЛИМАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ
COLLIMATOR DEVICE AND METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу и устройству в рентгеновском аппарате для сканирования с использованием множества рентгеновских пучков и, в частности, к коллиматорному устройству в рентгеновском аппарате.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В соответствии с известным уровнем техники, многощелевое сканирование со счетом фотонов позволяет выполнять рентгеновскую визуализацию, в частности, маммографию, с низкой дозой рентгеновского излучения и эффективным подавлением рассеянных фотонов. Примеры устройств для многощелевого сканирования представлены в патентах США 7302031 и 7016458 и 7020237, а также поясняются на фиг.1-2. В типичном рентгеновском устройстве для многощелевого сканирования рентгеновское излучение регистрируется набором линейных детекторов. Многощелевой коллиматор расположен между источником рентгеновского излучения и визуализируемым объектом. Многощелевой коллиматор формирует пучок рентгеновских лучей, которые согласуются с конфигурацией линейных детекторов. Множество рентгеновских пучков сканирует сквозь визуализируемый объект, и изображение реконструируют посредством накопления данных от линейных детекторов. Например, в устройстве, показанном на фиг.1, сканирование выполняют поворотом консоли сканирования, которая является, по существу, жесткой стойкой с источником (110) рентгеновского излучения, многощелевым коллиматором (120) и блоком линейных детекторов. Например, женскую молочную железу можно расположить между компрессионной пластиной (140) и опорой над блоком детекторов. Позиционный кодовый датчик измеряет положение компрессионной пластины, которое соответствует толщине груди, которая служит для оптимизации напряжения источника рентгеновского излучения.
Сам по себе коллиматор может быть вольфрамовой пластиной с узкими удлиненными апертурами, называемыми щелями. Вольфрамовая пластина не обладает жесткостью в поперечном направлении и поэтому размещена в раме, обычно изготовленной из углеродных волокон, которая является достаточно рентгенопроницаемой. Разные исследования могут использовать разные настройки многощелевых коллиматоров. Например, узкие щели коллиматора обеспечивают более высокое разрешение изображения, чем широкие щели, но широкие щели пропускают больший поток рентгеновского излучения и, следовательно, позволяют сократить общее время получения изображения. Например, в патенте США 6621891 представлены способ и устройство для управления шириной щелей коллиматора с использованием двух слоев коллиматоров, перемещающихся один относительно другого.
Коллиматор разработан для работы в положении, которое допускает визуализацию объектов разной толщины, например, толстых молочных желез, а также тонких молочных желез. Несложно понять, что коллиматор влияет на разрешение изображения. Источник рентгеновского излучения имеет фокальное пятно, размером которого нельзя пренебрегать, что вызывает размытость изображения. Сочетание большого фокального пятна и коллиматора на большом расстоянии от объекта может приводить к значительному расширению узких рентгеновских пучков перед достижением небольшого визуализируемого объекта. На фиг.3 в преувеличенном масштабе показано размытие, обусловленное большим размером фокального пятна и размещением коллиматора вблизи источника рентгеновского излучения. Обычно коллиматор в соответствии с известным уровнем техники работает только на одном расстоянии от источника рентгеновского излучения за счет разных коэффициентов увеличения геометрии конических пучков. Простое решение с размещением коллиматора ближе к источнику рентгеновского излучения будет расширять множество рентгеновских пучков, и пучки не будут попадать на линейные детекторы. Возможен вариант применения другого коллиматора на другом расстоянии при условии, что коллиматор изменен в размере относительно первоначального. Коллиматор может допускать переключение вручную оператором. Переключение предназначено для переключения между разными прикладными задачами, например, нормальным режимом визуализации молочной железы и биопсией. Однако ручное переключение является слишком медленным для типичной последовательности операций в ходе скрининговой маммографии. Коллиматор должен быть закреплен на жестком механизме с высокой характеристикой повторяемости. Для безопасности пациентки необходимо выполнять поверку и контроль надлежащего закрепления коллиматора. Над многощелевым коллиматором поток рентгеновского излучения является очень большим, и пациентка будет получать недопустимую дозу, если рентгеновское излучение будет проходить за пределами щелей коллиматора.
Жесткость коллиматора особенно важна для разрешения изображения, что требует тщательной проработки каждой конструкции коллиматора и соседних механизмов. Положение коллиматора и ширина щели должны быть инвариантны к повороту рентгеновского устройства для получения изображений в медиолатеральной косой проекции (MLO) под углами 45-60 градусов, изображений в медиолатеральной проекции (ML) под углами 90 и 180 градусов для пациенток с инвалидностью. Кроме того, пространство вокруг коллиматора очень ограничено. В ходе маммографии перед коллиматором фактически отсутствует пространство, так как молочную железу пациентки визуализируют очень близко к ребрам пациентки. Пространство ограничено также слева и справа из-за необходимости получения изображений в проекциях ML/MLO вблизи плеч пациентки.
Обязательным условием является также возможность калибровки положения коллиматора относительно источника рентгеновского излучения и линейных детекторов. Положение коллиматора должно быть регулируемым, по меньшей мере, по существу, ортогонально щелям, на обоих краях коллиматора, т.е. допускать небольшие поворот и поступательное перемещение в плоскости, в основном поперечной направлению рентгеновского излучения. В существующих методах допуск на регулировку составляет обычно 30 микрометров поперечно направлению щели. В других направлениях допуски являются умеренными, но жесткость и калибровка требуются по-прежнему. В соответствии с известным уровнем техники, положение каждого коллиматора можно калибровать относительно держателя, который, в свою очередь, жестко закреплен к системе.
Коллиматор можно также смещать между исследованиями, например, в соответствии с патентом США 7664223. В соответствии с устройством, показанным на фиг.1-2, коллиматор выполнен с возможностью смещения по вертикали вдоль консоли сканирования к исходному положению вблизи источника рентгеновского излучения. Консоль сканирования является, по существу, жесткой стойкой для поддержки источника рентгеновского излучения, коллиматора и детектора.
В конструкции может присутствовать также кожух для защиты от излучения, например, в соответствии с патентом США 7440539, который следует закреплять таким образом, чтобы коллиматор не отклонялся под тяжестью кожуха.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, одной целью настоящего изобретения является повышение разрешения изображения в рентгеновском устройстве, в котором разрешение зависит от коллиматора.
Вычисления и имитационное моделирование для устройства, например, в соответствии с фиг.1-2, обнаруживают, что уменьшение размытия, обусловленного коллиматором и описанного в связи с фиг.3, может значительно повысить разрешение изображения. В предпочтительном варианте рентгеновское устройство может быть устройством в соответствии с фиг.1-2 или подобным ему, или устройством для томосинтеза, или любым другим многощелевым сканером.
Настоящее изобретение может уменьшать размытие для объектов разного размера (толщины), например, молочной железы с небольшими и нормальными размерами, без ущерба для возможности получения изображений толстых объектов (молочных желез). Настоящее изобретение предусматривает автоматическое переключение между положениями коллиматора, в зависимости от доступного пространства или толщины молочной железы, предпочтительно в результате измерения, выполняемого компрессионной пластиной. Конфигурация щелей коллиматора также может переключаться для согласования с конфигурацией детекторов на разных расстояниях. Благодаря геометрии конических пучков разные конфигурации являются приблизительно увеличениями одной и той же конфигурации, при этом увеличение пропорционально расстоянию от источника рентгеновского излучения. В более общем случае с наклонными или изогнутыми коллиматорами конфигурации согласуются с некоторой проекцией в коническом пучке, известной как перспективная проекция, при этом поверхность первой конфигурации проецируется на поверхность второй конфигурации.
Один аспект настоящего изобретения содержит способ и устройство, содержащее, по меньшей мере, два разных многощелевых коллиматора для, по меньшей мере, двух разных расстояний от источника рентгеновского излучения. Один коллиматор выключен из работы, когда другой включен в работу. Настоящее изобретение содержит также переключающее средство для автоматического переключения между коллиматорами.
Настоящее изобретение решает также задачу безопасности пациентки и устойчивости к возможным режимам отказа. Пациентке не будет угрожать опасность облучения высокой дозой даже в случае, например, отказа системы управления, выхода из строя датчика, простого отказа электрооборудования или возможного механического отказа. Рентгеновское излучение заблокировано от подхода к пациентке в дозах, превышающих дозы, которые проходят через щели одного коллиматора. В соответствии с аспектом безопасности настоящего изобретения, один коллиматор невозможно вывести из рабочего положения без ввода другого коллиматора. В случае если возникает аппаратный сбой при переключении между двумя коллиматорами, возможно перекрытие. Предпочтительная перекрывающая заслонка является материалом, непрозрачным для рентгеновского излучения, закрепленным между двумя коллиматорами. В одном варианте осуществления заслонка может вдвигаться во время аппаратного сбоя.
Другой аспект настоящего изобретения решает задачу встраивания механизма для калибровки положения коллиматора. Положение коллиматора можно калибровать, по меньшей мере, в направлении, поперечном щелям. В предпочтительном варианте настоящее изобретение предусматривает калибровочное средство, которое не занимает дополнительного пространства, не добавляет лишнего веса или не удлиняет цепочки допусков. Настоящее изобретение удовлетворяет потребности в отдельной калибровке каждого коллиматора. В предпочтительном варианте калибровочное устройство, например, винт, можно обеспечивать для точки контакта, при этом упомянутые устройства включают в работу и выключают из работы в зависимости от того, какой коллиматор включен в работу. Приведение в действие точки контакта можно осуществлять с использованием кулачкового вала.
Один аспект настоящего изобретения решает задачу сочетания небольших допусков, устойчивости к силам тяжести и ограниченного пространства. Механизм переключения коллиматоров использует вал или ось и пружины для прижатия вала или оси к точкам контакта. В предпочтительном варианте точки контакта разведены в пространстве за коллиматором. Данное решение уменьшает влияние радиального люфта на положение и, в частности, угол. В предпочтительном варианте, по меньшей мере, две точки контакта являются однозначно определенными для каждого из коллиматоров.
В предпочтительном варианте калибровку соосности можно тестировать посредством перемещения коллиматора, по существу, в вертикальном направлении и анализа того, какие линейные детекторы находятся в тени. В предпочтительном варианте настоящее изобретение дает возможность каждому коллиматору перемещаться прямо по вертикали на короткое расстояние от назначенного положения, без перемещения коллиматора в боковом направлении или переключения на другой коллиматор. В предпочтительно варианте, но не исключительно, 10 мм достаточно, так как данное расстояние вызывает затенение крайних левых и крайних правых линий детекторов, когда коллиматор отцентрирован в боковом направлении, и справа и слева затеняется равное число линий.
Настоящее изобретение решает также задачу жесткости и отклонения в коллиматорах. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, два коллиматора расположены бок о бок и под углом. Предпочтительный угол составляет приблизительно 90 градусов при использовании двух коллиматоров и приблизительно 120 градусов устройства с тремя коллиматорами. В одном варианте осуществления коллиматоры могут быть расположены в жесткой раме, и возможные зазоры могут быть перекрыты материалом, не проницаемым для рентгеновского излучения.
Переключение между коллиматорами включает в себя жесткий поворот вокруг оси. По меньшей мере, радиальный люфт выбирается приложением давления, по меньшей мере, одной пружиной в одном направлении и прижимом оси к точкам контакта, которые разнесены вдоль оси.
Один аспект изменения конфигурации щелей коллиматора заключается в перемещении, по меньшей мере, двух коллиматорных листов одного относительно другого. Данное решение возможно посредством выбора согласно изобретению конфигураций в каждом листе, в соответствии с чем разные конфигурации получают очень малым относительным смещением. Для управления шириной щелей необходима очень высокая точность, так как ширина щели не должна изменяться временами более чем на долю процента, независимо от температуры или сил тяжести. В предпочтительном варианте геометрия детекторов также должна быть построена с возможностью уменьшения сложности комбинаций в листах. Одна упомянутая конструкция детекторов может состоять в размещении линейных детекторов по прямым линиям на равном расстоянии. Жесткость коллиматорной пластины требует также сложного изготовления при выполнении длинных щелей или очень близко расположенных щелей.
Настоящее изобретение не ограничено решением проблемы вариаций размеров частей тела человека. Исследования разных типов полезно выполнять при разных положениях коллиматоров. Например, режим биопсии можно обеспечить более удобным способом, чем при ручном переключении коллиматоров посредством съема и замены механических частей. Для исследований некоторых типов, например, биопсии, полезны также другие изменения коллиматора, например, изменение ширины щели и ограничение поля обзора.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается рентгеновское устройство для получения изображения объекта, при этом устройство содержит источник рентгеновского излучения, детектор рентгеновского излучения, набор из двух или более многощелевых коллиматоров, средство переключения коллиматоров, причем детектор отличается конфигурацией из нескольких рентгеночувствительных участков детекторов, и каждый из коллиматоров имеет заданное положение между источником рентгеновского излучения и детектором, и каждый из коллиматоров содержит узкие апертуры, расположенные с возможностью согласования с конфигурацией детекторов, когда коллиматор установлен в его заданное положение, и, кроме того, переключающее средство отличается возможностью автоматического переключения между коллиматорами в наборе коллиматоров и соответствующими рабочими положениями. Рентгеновское устройство дополнительно содержит средство измерения границы для измерения положения, зависящего от доступного пространства, и переключающее средство настраивается в зависимости от информации из средства измерения границы. Рентгеновское устройство дополнительно содержит средство для регулировки положения одного из коллиматоров относительно положения другого из коллиматоров, по меньшей мере, в направлении, поперечном направлению узких апертур. Рентгеновское устройство дополнительно содержит средство для регулировки по отдельности положения каждого коллиматора в направлении, поперечном направлению узких апертур. Рентгеновское устройство дополнительно содержит общий несущий элемент для опоры набора коллиматоров и средство для поворота несущего элемента относительно детектора и источника рентгеновского излучения. Рентгеновское устройство дополнительно содержит средство смещения для перемещения несущего элемента вдоль пути к и от объекту(а), и углом несущего элемента управляют пружины и механический контакт вдоль пути.
Настоящее изобретение относится также к рентгеновскому устройству, содержащему датчик для измерения толщины объекта, источник рентгеновского излучения, несколько узких приемников рентгеновского излучения, расположенных в виде конфигурации детекторов, средство сканирования, переключаемое многоколлиматорное средство для формирования пучка рентгеновских лучей, при этом многоколлиматорное средство выполнено с возможностью переключения между, по меньшей мере, первой и второй конфигурациями узких апертур, причем первая конфигурация согласуется с конфигурацией детекторов на первом расстоянии от источника рентгеновского излучения, и вторая конфигурация согласуется с конфигурацией детекторов на втором расстоянии от источника рентгеновского излучения, причем первое расстояние, по существу, отличается от второго расстояния. Рентгеновское устройство дополнительно содержит переключающее средство для автоматического выбора первой или второй конфигурации апертур. Переключающее средство может быть выполнено с возможность выбора в зависимости от значения из датчика.
Настоящее изобретение относится также к способу формирования изображения объекта в рентгеновском устройстве, содержащем источник рентгеновского излучения и несколько приемников рентгеновского излучения и несколько узких апертур. Способ содержит этап механического измерения граничного положения объекта, этап выбора расстояния от источника рентгеновского излучения, этап перемещения нескольких узких апертур до данного расстояния и вдоль пути распространения излучения между источником рентгеновского излучения и приемниками рентгеновского излучения, причем выбор расстояния зависит от измеренного граничного положения, генерации рентгеновского излучения, проходящего через апертуры к линейным детекторам. Настоящее изобретение относится также к рентгеновскому устройству с компьютерным пользовательским интерфейсом или контроллером для переключения между коллиматорами либо прямо, либо косвенно в зависимости от выбора на пользовательском интерфейсе, т.е. рабочего режима или типа медицинского исследования, подлежащего проведению.
Настоящее изобретение относится также к рентгеновскому устройству для визуализации женской молочной железы, содержащему компрессионную пластину, позиционный датчик для измерения положения компрессионной пластины, источник рентгеновского излучения, набор линейных детекторов и многоколлиматорное средство, дополнительно содержащее, по меньшей мере, первый и второй наборы узких удлиненных рентгенопроницаемых апертур сквозь одну или несколько пластин, при этом относительные положения первых рентгенопроницаемых апертур являются проекциями линейных детекторов на пластину или пластины на первом расстоянии от источника рентгеновского излучения, и вторые рентгенопроницаемые апертуры являются проекциями линейных детекторов на пластину или пластины на втором расстоянии от источника рентгеновского излучения, и, кроме того, рентгеновское устройство содержит средство для выбора одного из наборов апертур в зависимости от значения из позиционного датчика, и, кроме того, первое расстояние отличается от второго расстояния. Пластины расположены на несущем элементе с возможностью поворота, по меньшей мере, между первым и вторым углами. Рентгеновское устройство может дополнительно содержать средство для перекрытия либо первого набора апертур, либо второго набора апертур.
Настоящее изобретение относится также к компьютерной программе, содержащей набор команд для приема положения компрессионной пластины, выбора положения коллиматора по данному положению.
Настоящее изобретение относится также к коллиматорному устройству для применения в рентгеновском устройстве. Коллиматорное устройство содержит: первый и второй коллиматоры, расположенные один относительно другого под углами, отличающимися от нуля, и ось для поворота коллиматорного устройства.
Настоящее изобретение относится также к коллиматорному устройству для применения в рентгеновском устройстве. Коллиматорное устройство содержит: первый и второй коллиматоры, расположенные на расстоянии один относительно другого и выполненные с возможностью размещения в первом или втором рабочем положении для формирования множества рентгеновских пучков.
Настоящее изобретение относится также к переключаемому многощелевому коллиматорному устройству для применения в сканирующем рентгеновском устройстве, при этом упомянутое коллиматорное устройство содержит, по меньшей мере, две пластины из материала, непроницаемого для рентгеновского излучения, и переключающее средство для перемещения пластин. Пластины содержат рентгенопроницаемые апертуры, и группа пластин вместе с переключающим средством выполнена с возможностью формирования, по меньшей мере, первой и второй конфигураций из нескольких узких щелей. Первая конфигурация, по существу, согласуется со второй конфигурацией в проекции в коническом пучке.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже приведено дополнительное, неограничивающее описание настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 и 2 - изображения многощелевого сканирующего рентгеновского устройства для маммографии в соответствии с известным уровнем техники,
фиг.3 - пояснение, в преувеличенном масштабе, недостатка размещения коллиматора близко к источнику рентгеновского излучения с большим фокальным пятном, что имеет следствием размытие рентгеновского пучка,
фиг.4a и 4b - схемы двух многощелевых коллиматоров для двух разных расстояний от источника рентгеновского излучения, расположенных бок о бок под углом 90 градусов и переключаемых поворотом на 90 градусов,
фиг.5 - вид сбоку выбора высоты коллиматора в зависимости от измеренной толщины молочной железы,
фиг.6 - общий вид механизма двойного коллиматора и переключателя, частично закрытых их несущими элементами и кожухами, в соответствии с одним вариантом осуществления, установленных на консоли сканирования с электродвигателем для вертикального смещения коллиматоров,
фиг.7 - вид сзади, поясняющий механизм двойного коллиматора и его переключателя для одного варианта осуществления изобретения,
фиг.8 - изображение кулачкового вала и важнейших частей механизма для управления кулачковым валом,
фиг.9 - изображение механизма переключения в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения на виде, наблюдаемом со стороны консоли сканирования,
фиг.10 - изображение снизу кулачкового вала, показанного на фиг.8, и регулировочные винты в соответствии с одним вариантом осуществления на виде, наблюдаемом снизу.
фиг.11a и 11b - изображение примерных конфигураций щелей для разных высот коллиматоров, и фиг.11c и 11d изображают два коллиматорных листа для формирования конфигураций, и
фиг.12 - блок-схема последовательности операций, представляющая этапы способа в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В нижеприведенном описании одинаковые позиции относятся к одинаковым частям на всех чертежах.
Для упрощения описание настоящего изобретения приведено со ссылкой на устройство, представленное на фиг.1 и 2, и устройство расположено под таким углом, что источник рентгеновского излучения находится прямо над детектором. Устройство может быть выполнено в конфигурации с возможностью поворота. Следует отметить, что ни изобретение, ни его варианты осуществления не ограничены каким-либо конкретным углом.
В соответствии с настоящим изобретением, устройство, аналогичное устройству, представленному на фиг.1 и 2, выбирает высоту коллиматора в зависимости от доступного пространства, предпочтительно измеренного компрессионной пластиной (140) или другим измерительным оборудованием, и выбирает вертикальное положение для коллиматора и соответствующую конфигурацию апертур для данного положения коллиматора.
Предпочтительные варианты осуществления реализованы в системе, например, соответствующей изображениям для известного уровня техники, представленным на фиг.1 и 2, или в подобной системе. Устройство (100) содержит источник (110) рентгеновского излучения, модуль (150) линейных детекторов, опору (130) для компрессионной пластины (140). Например, женскую молочную железу можно расположить между компрессионной пластиной (140) и опорой (130) над модулем детекторов. Рентгеновское излучение обозначено позицией (160). Устройство может обмениваться информацией с компьютерной системой (50). Позиционный кодовый датчик (не показанный) может быть расположен с возможностью измерения положения компрессионной пластины, соответствует толщине молочной железы, которая служит для оптимизации напряжения источника рентгеновского излучения. Таким образом, единственный коллиматор (120) заменен узлом, содержащим два коллиматора (125A) и (125B) (фиг.4a и 4b), в соответствии с данным примерным вариантом осуществления. Каждый коллиматор предназначен для работы на индивидуальном расстоянии от источника рентгеновского излучения. Для каждого коллиматора данное положение упоминается как рабочее положение. Угол также является частью рабочего положения. В предпочтительных вариантах осуществления коллиматор включают в работу, когда вводят в путь распространения излучения между источником рентгеновского излучения и детектором под углом для блокирования рентгеновского излучения, за исключением щелей. Однако термин «рабочий» не относится к вертикальному положению. В некоторых вариантах осуществления коллиматор может перемещаться (по меньшей мере) на короткое расстояние в вертикальном направлении, без выключения из работы. Один вариант осуществления использует средство для вертикального перемещения коллиматора.
На фиг.1 и 2 и фиг.5 компрессионная пластина (140) работает с управлением от электродвигателя (149), и позиционный кодовый датчик (148) закреплен на валу электродвигателя. В предпочтительном варианте осуществления контроллер (60) принимает значение из позиционного кодового датчика и определяет как напряжение источника (110) рентгеновского излучения, так и положение коллиматора и/или коллиматор, который следует использовать. В нормальном режиме работы устройство выбирает доступное положение коллиматора, ближайшее к молочной железе или пластине, и механизм переключателя включает в работу соответствующий коллиматор. Определение коллиматора, подлежащего включению в работу, обычно зависит от толщины молочной железы или, в частности, положением компрессионной пластины. Контроллер управляет электродвигателем (129) для перемещения коллиматора в вертикальном направлении до его назначенной высоты. В предпочтительном варианте осуществления определение коллиматора осуществляется по цепи взаимозависимостей, при этом выбор коллиматора зависит от напряжения источника рентгеновского излучения, которое, в свою очередь, зависит от сочетания положения компрессионной пластины и выбранного уровня дозы, и положение коллиматора зависит от напряжения. Небольшим изменением является таблица преобразования, при этом выбор коллиматора зависит от измеренной толщины молочной железы и выбранного уровня дозы.
Механизм переключателя включает в работу один коллиматор и выключает из работы другой коллиматор. Настоящее изобретение предусматривает разные варианты осуществления механизмов переключателя. В одном варианте осуществления механизм переключателя использует вертикальное перемещение вместо введения какого-либо дополнительного электродвигателя или исполнительного устройства.
Варианты осуществления механизма переключателя представлены на фиг.6-10. На фиг.6 показан двойной коллиматор в его окружающей среде, содержащей кожухи и электродвигатель (149) для вертикальных перемещений коллиматора. На фиг.7 представлен вид сзади с кожухами. На фиг.8 изображен кулачковый вал и механизм для управления его положением. На фиг.9 и 10 приведены упрощенные изображения, поясняющие основной принцип, являющиеся видами со стороны консоли сканирования и снизу. На данных фигурах показаны три оси (122, 123, 124) с зубчатыми колесами (1221, 1231, 1241), пружины (1232A-B, 1242A-B(-C)), кулачковый вал (124) с двумя наборами кулачков (1243A# 1243B#) и соответствующие наборы регулировочных винтов (1244A и 1244B), при этом # обозначает число 1-2 или 1-5, зависящее от разных модификаций варианта осуществления. На фиг.8 изображены также винты (1244A9 и 1244B9) для ограничения углового интервала поворота кулачкового вала (124). Кулачковый вал закреплен к раме (125) из углеродных волокон, которая служит опорой для двух коллиматоров (125A и 125B), расположенных бок о бок под углом 90 градусов. На фиг.7 и 9 показаны также верхнее зубчатое колесо и его рычаг (1223) для контакта с криволинейной направляющей (121), которая установлена вдоль консоли сканирования.
Как показано на фиг.7-9, два многощелевых коллиматора расположены бок о бок под углом 90 градусов в раме (125) из углеродных волокон. Зазор между двумя коллиматорами является пренебрежимо малым или закрыт деталью (не показанной) из материала, непроницаемого для рентгеновского излучения, например, металлической лентой или металлическим кожухом снаружи рамы. Рама из углеродных волокон жестко закреплена к кулачковому валу (124). Части (124) и (125) совместно называются ротором, так как они могут поворачиваться на 90 градусов. Для предотвращения поворота за углы, соответствующие углам включения в работу каждого коллиматора, предусмотрены механические упоры.
Кулачковый вал выполнен с возможностью наличия значительного радиального люфта, а также осевого люфта, вследствие чего положением упомянутого вала управляют его кулачки и пружины для поджима кулачкового вала в плотный контакт с действующими кулачками.
Предпочтительный вариант осуществления может содержать несколько, например, 5, регулировочных винтов (1244A-D) для каждого коллиматора, так что в сумме имеется, например, 10 регулировочных винтов для двух коллиматоров. Кулачковый вал содержит кулачки для контакта с винтами под заданным углом для соответствующего коллиматора и высвобожденные для углов другого коллиматора. Разные наборы регулировочных винтов включаются в работу под разными углами кулачкового вала, что обеспечивает возможность отдельной калибровки для каждого из двух коллиматоров. Каждый винт обеспечивает одну степень подвижности. В другом варианте осуществления могут быть обеспечены только два регулировочных винта на каждый коллиматор, но данное решение требует немного более строгих допусков на изготовление механических элементов. В данном случае два винта регулируют коллиматор в горизонтальном направлении, ортогонально щелям, которое является направлением, требующим максимальной точности. Два винта позволяют регулировать переднюю и заднюю часть коллиматора в отдельности. Для других направлений требуется меньшая точность, но для существенного ослабления всех требований к допускам на изготовление наиболее предпочтительный вариант содержит в сумме 5 регулировочных винтов для калибровки также положения вдоль направления щели и вертикального положения и угла по вертикали.
В одном варианте осуществления углом кулачкового вала (124) управляет его зубчатое колесо (1241), которое соприкасается с промежуточным зубчатым колесом (1231), которое закреплено на оси (123) поворота, которое закреплено между пружинами (1232A-B). При повороте оси (123) промежуточного зубчатого колеса кулачковый вал (124) поворачивается. При достижении углового предела зубчатое колесо может немного отгибаться благодаря тому, что его ось расположена между пружинами. Данные пружины (1232A-B) ослабляют требования к допускам нескольких других частей, в частности, криволинейной направляющей (121).
Осью зубчатого колеса, в свою очередь, управляет ось (122) рычага, которая содержит зубчатое колесо (1221) и рычаг (1223), скользящий в криволинейной направляющей (121), когда коллиматор перемещается вертикально. Таким образом, данный вариант осуществления использует существующее средство для вертикального перемещения вместо введения другого электродвигателя или исполнительного устройства.
В одной модификации данного варианта осуществления криволинейная направляющая заменена небольшим кулачком на консоли сканирования.
Другой вариант осуществления может использовать специальный электродвигатель (не показанный) для переключения коллиматора. При применении специального программного обеспечения коллиматор можно включать в работу независимо от его вертикального положения, что может упростить подпрограммы для калибровки положений коллиматора. Электродвигатель закреплен на консоли сканирования, а не на коллиматоре, что исключает подвижные кабели или лишний вес в блоке коллиматоров. Таким образом, включение коллиматора в работу выполняется далеко от молочной железы пациентки, и поэтому переключение не занимает пространства вблизи пациентки.
В случае одного незначительного изменения настоящего изобретения, показанного на чертежах, кулачковый вал заменен нецилиндрическим валом. Например, если точки контакта расположены на противоположных сторонах вала, то можно также переключать точки контакта на валу с треугольным поперечным сечением. Возможно также применение цилиндрической оси, если данную ось расположить с возможностью перемещения на немного большее поперечное расстояние к двум наборам точек контакта в другом направлении.
Другой вариант осуществления не содержит кулачкового вала и требует отсутствия радиального люфта. Вместо этого точную регулировку можно обеспечивать посредством регулировки рамы, фиксирующей коллиматор относительно цилиндрической оси, просто посредством регулировки эксцентриситета, т.е. радиального смещения от оси. Если механические части изготовлены с подходящими допусками, то достаточно отрегулировать положение поперек щелей. Если вертикальная калибровка зависит от горизонтальной калибровки, то проблема не создается, когда допуск на калибровку в вертикальном направлении грубее, чем допуск на изготовление в горизонтальном направлении. В предпочтительном варианте имеется также электродвигатель для вертикального смещения, чтобы корректировать вертикальное смещение, но не поворот.
В еще одном варианте осуществления совсем не применяется поворот, и два коллиматора соединены под углом нежестко. Вместо этого коллиматоры являются частью механического рычажного механизма, при этом движения происходят по путям, задаваемым несколькими звеньями, в том числе относительные поворот и поступательное перемещение. Механической точности достигают посредством пружин, прижимающих звенья к точкам контакта каждого коллиматора. Данные точки контакта могут быть регулировочными винтами.
Дополнительные варианты осуществления могут содержать 3 коллиматора, расположенных предпочтительно жестко встык под углами приблизительно 120 градусов, в форме половины шестиугольника на виде спереди. Более сложный вариант осуществления может содержать четыре коллиматора, установленных в форме прямоугольного блока, дополнительно содержащего шарнир в каждом углу, что позволяет вдвигать верхний коллиматор в блок, вследствие чего нижний коллиматор открыт к источнику рентгеновского излучения. Для безопасности, по меньшей мере, два коллиматора можно вдвигать в блок одновременно благодаря рукоятке на заднем краю каждого коллиматора. Очень сложное устройство содержит фактически неограниченное число коллиматоров. Коллиматоры могут быть закреплены на длинной ленте с материалом, непроницаемым для рентгеновского излучения, на швах. Переключатель выпрямляет ленту, вытягивает и складывает в кожух для защиты от излучения (патент США 7440539).
В одном варианте осуществления можно применить шпиндельное устройство для выбора из большого числа коллиматоров. Точная регулировка коллиматоров по отдельности обеспечивается электродвигателями, управляющими положением шпинделя, и индивидуальные калибровочные данные сохраняются в компьютерной памяти. Безопасность пациентки обеспечивается датчиком RFID (радиочастотной метки) или электрическим переключателем. Максимальная безопасность обеспечивается, если часть коллиматора действует подобно проводнику в упомянутом переключателе, подсоединенном последовательно со схемой управления к генератору высокого напряжения источника рентгеновского излучения.
В одном варианте осуществления вертикальное перемещение происходит с наклоном, вследствие чего верхнее положение коллиматора находится за пределами поля рентгеновского излучения. Переключение коллиматоров происходит в верхнем положении, вследствие чего выбранный коллиматор не находится на пути распространения рентгеновского излучения, пока коллиматор не передвинут вниз. Варианты осуществления настоящего изобретения можно изменять множеством различных способов.
Еще один вариант осуществления содержит полностью раздельные механизмы для управления коллиматорами по отдельности, в том числе раздельные средства для вертикальных перемещений. Каждый коллиматор можно перемещать по отдельности. Механизм управления, например, в форме управляющего программного обеспечения ответственен за то, чтобы оба коллиматора не снижались одновременно. Для безопасности пациента в верхнем положении два коллиматора сближены с гибким металлическим защитным экраном между ними, чтобы ни в коем случае не допускать оставления свободного пути от источника рентгеновского излучения до пациента. Когда один коллиматор перемещается вниз, он также переносит экран для защиты от излучения, отверстие которого немного меньше коллиматора.
В одном варианте осуществления двойной коллиматор изготовлен из, по меньшей мере, двух листов, совершающих очень малое перемещение один относительно другого с использованием, например, пьезоэлектрического электродвигателя в каждом углу. Например, перемещение может составлять 150 микрометров. Первый лист содержит два набора длинных и узких щелей. Первый набор щелей соответствует одному положению коллиматора. Второй набор соответствует второму положению коллиматора. В каждом наборе каждая щель соответствует линейному детектору. Второй лист действует как переключатель щелей, который перекрывает либо первый, либо второй набор щелей в первом листе. Второй лист содержит более широкие щели для смягчения допусков. В противном случае небольшая неточность совмещения может вызвать частичное перекрытие и, следовательно, вызывает сужение щелей в первом листе.
Следовательно, в данном варианте осуществления переключаемый многощелевой коллиматор может содержать, по меньшей мере, два листа материала, непрозрачного для рентгеновского излучения, и переключатель для перемещения листов, и листы содержат рентгенопроницаемые апертуры. Группа листов вместе с переключателем формирует, по меньшей мере, первую и вторую конфигурацию из нескольких узких щелей. Первая конфигурация, по существу, согласуется со второй конфигурацией в проекции в конусном пучке, что является предпосылкой для согласования обеих конфигураций с детектором.
В несколько измененной модификации данного варианта осуществления некоторые щели из первого и второго набора являются общими, т.е. совпадают на первом листе. Обеспечение общей щели предлагает больше свободы для проектирования, так как уменьшает число запрещенных сочетаний высот коллиматоров. При общих щелях второй лист выполнен с возможностью ограничения продолжения щелей в продольном направлении. Обычно каждая линия детекторов содержит небольшое число мертвых зон, и второй лист закрывает большинство из мертвых зон.
На фиг.11a и 11b показаны две конфигурации 1100a щелей для двух высот коллиматора, при этом большая по размеру конфигурация 1100b на фиг.11b образована для положения коллиматора дальше от источника рентгеновского излучения. На фиг.11c-d изображены два листа, предназначенных для формирования конфигураций, показанных на фиг.11a-11b, когда один лист помещают сверху другого. На фиг.11c изображен первый лист 1110c, который получен объединением двух конфигураций, сдвинутых одна относительно другой на одну величину смещения. На фиг.11d изображен второй лист 1110d, который получен посредством применения отличающегося относительного смещения. Кроме того, щели на втором листе расширены, что смягчает требования к механическим допускам. В предпочтительном варианте один лист может быть также немного меньше в сравнении с другим, чтобы допускать предварительно заданный небольшой зазор между двумя листами. В данной модификации варианта осуществления первый лист задает ширину апертур, и второй лист является, по существу, переключательным листом для включения в работу его апертур или частей. (Длина щели менее критична, чем ширина щели, так как разрешение вдоль апертур определяет детектор). Для большей ясности фиг.11a-11d данный вариант осуществления согласует детектор только с тремя рядами линейных детекторов, и ширина линий показана в увеличенном масштабе, однако приведенный способ проектирования применим к другому числу линейных детекторов или другим значениям ширины щелей.
Поскольку некоторые щели являются общими, то все щели имеют равную ширину. Другими словами, значения ширины не изменяются в масштабе вместе с размером конфигурации, что приводит к ослаблению потока рентгеновского излучения через коллиматор, находящийся далеко от источника рентгеновского излучения. Однако данное ослабление является преимуществом, а не проблемой, так как тонкие объекты обычно требуют ослабления потока.
Изготовление двух листов можно упростить посредством закрепления каждого из них к жесткому рентгенопроницаемому материалу перед изготовлением щелей, которые могут быть в очень большом количестве и иметь большую длину, а также располагаться близко одна к другой.
Один вариант осуществления настоящего изобретения реализуют в компьютерной томографии (КТ), и границу задают сужением туннеля КТ (компьютерного томографа). Специалист в данной области техники сможет объединять, изменять и расширять упомянутые варианты осуществления.
В соответствии со способом по изобретению, представленным на фиг.12, способ для формирования изображения объекта в вышеописанном рентгеновском устройстве содержит этапы механического измерения (1) граничного положения объекта, выбора (2) расстояния от источника рентгеновского излучения, перемещения (3) нескольких узких апертур до заданного расстояния и вдоль пути распространения рентгеновского излучения между источником рентгеновского излучения и приемниками рентгеновского излучения. Выбор расстояния зависит от измеренного граничного положения, генерации (4) рентгеновского излучения, проходящего через апертуры к линейным детекторам.
Вышеупомянутые и описанные варианты осуществления приведены только в качестве примеров и не должны ограничивать настоящее изобретение. Специалисту в данной области техники должна быть очевидна возможность других решений, применений, целей и функций в пределах объема изобретения, заявленного в нижеописанной формуле изобретения.