具有三自由度運動控制的顯微ct成像設備的製作方法

2023-06-13 15:32:21

專利名稱：具有三自由度運動控制的顯微ct成像設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於顯微X射線計算機斷層成像技術領域，特別涉及一種顯微CT成像設備 的三自由度控制系統。
背景技術：
20世紀70年代出現了 X線計算機斷層成像(x-ray computedtomography, x-ray CT或CT)，它是近代飛躍發展的計算機技術和X線檢查技術相結合的產物。1971年英國 EMI公司Hoimsfield研究成功第一臺頭部CT掃描機，1975年美國Ledkey設計的第一臺全 身CT機問世，它是用X線束對人體進行掃描、取得信息，經計算機處理獲得重建圖像，從而 顯著擴大了人體的檢查範圍，提高了病變的檢出率和診斷的準確率。這種診斷價值高、無痛 苦、無創傷、無危險的診斷方法，是放射診斷領域中的一項重大突破。但目前醫用CT的空間解析度只能達到毫米或亞毫米級水平，雖然已能滿足肉眼 宏觀病變診斷的需要，但與無創顯微影像學的診斷存在較大的差距。特別是某些小腫瘤 (其尺寸在微米甚至亞微米數量級)，以目前的醫學影像技術很難觀察得到，但這些小腫瘤 往往具有很大的危險性。因此人們迫切期待解析度達到微米甚至亞微米級的醫學影像設備 的出現。縱觀CT技術的發展，多層螺旋CT探測器層數的增加有利於採集更大範圍的容積 信息並且提高採集速度，但由於工藝條件的限制，CT探測器層數的增加存在著相當大的瓶 頸，使空間解析度的進一步提高受到約束。採用錐形束重建的Micro CT(也稱為顯微CT、微 焦點CT)給CT解析度的提高帶來了新的機遇。與臨床CT普遍採用的扇形X線束(Fan Beam)不同的是，Micro CT採用錐形X線 束(Cone Beam)。採用錐形束不僅能夠獲得真正各向同性的容積圖像，提高空間解析度，提 高射線利用率，而且在採集相同3D圖像時速度遠遠快於扇形束CT。與傳統扇形CT相比， Micro CT不僅能提高掃描速度，達到動態成像的效果；而且錐束CT還可以減少X射線輻射 劑量，錐束CT 一次投射劑量只相當於傳統扇形CT的1/30-1/40的放射量，圍繞物體一周掃 描的數據量相當於扇束CT幾十次掃描的結果。Micro CT採用了與普通臨床CT不同的微焦點X線球管，解析度高達幾微米，僅 次於同步加速X線成像設備的水平，具有良好的「顯微」作用。一個細胞的大小，平均為 10 u m-50 u m ；而細胞器的大小，約為0. 2 u m-1 u m。所以，顯微CT也就是「能看見組織和細 胞圖像的CT」。然而其高解析度卻帶來的問題是掃描樣品的體積很小，只有幾個釐米。
發明內容本發明的主要目的在於提供了一種具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備， 解決了一般顯微CT機械裝置運動抖動嚴重、誤差大、精度低的問題，且兼顧了輻射防護和X 射線源及X射線探測器的散熱問題。為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案如下[0009]一種具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，包括X射線源、X射線探測器；所 述X射線源、X射線探測器間設置載物臺，其特徵在於所述載物臺外側設置驅動載物臺在水 平方向、豎直方向、旋轉方向運動的驅動裝置。優選的，所述設備還包括密封盒，所述密封盒內設置X射線探測器，並與X射線源、 載物臺形成密閉腔室；所述載物臺轉軸中心、X射線源、X射線探測器同一直線。優選的，所述X射線探測器設置在密封盒內的探測器調節板上，所述X射線源、探 測器調節板分別與密封盒螺栓固定，且探測器調節板與密封盒、X射線源與密封盒間墊設簧 墊圈調節。優選的，所述載物臺下端設置載物臺轉軸，所述載物臺下端與驅動裝置連接，所述 驅動裝置包括驅動載物臺水平方向移動的水平驅動單元、驅動載物臺垂直方向移動的垂直 驅動單元和驅動載物臺旋轉一定角度的旋轉驅動單元。優選的，所述水平驅動單元包括第一驅動電機，所述載物臺外側連接水平轉軸，所 述第一驅動電機通過水平轉軸與載物臺連接驅動載物臺水平移動。優選的，所述垂直驅動單元包括第二驅動電機和從動轉軸，所述傳動轉軸嚙合有 與載物臺連接的垂直轉軸，所述第二驅動電機的傳動軸與從動轉軸間套設同步帶。優選的，所述旋轉驅動單元包括第三驅動電機，所述第三驅動電機為步進電機，所 述步進電機與載物臺下端設置的載物臺轉軸連接傳動驅動載物臺轉軸旋轉。優選的，所述密封盒內設置限位裝置，所述限位裝置設置在載物臺進行水平方向、 垂直方向和旋轉方向的行程上。優選的，所述驅動裝置架設安裝在系統骨架上，所述系統外側設置安全屏蔽裝置； 所述安全屏蔽裝置為鉛板密閉箱，所述密閉箱內壁銑槽，並在設備的殼體上開設機箱門。本發明的另一目的在於提供了一種權利要求1所述的具有三自由度運動控制的 顯微CT成像設備的校準方法，其特徵在於所述方法包括在載物臺固定十字縫隙的遮光片， 通過調整X射線源、X射線探測器的平面位置進行校準的步驟或檢測載物臺旋轉運動時載 物臺端面的跳動量，利用獲得的跳動量進行校準的步驟。本發明的三自由度(水平方向、豎直方向、旋轉方向)運動是由驅動電機來控制 的，優選為由單片機控制的步進電機，負責實現載物臺的水平方向(+)運動、(_)運動，負責 豎直方向(+)運動、(_)運動，負責連續旋轉(每步間隔0.1s，每次轉動0.9度或1.8度)、 單步旋轉(0-360度之間任意角度)。載物臺水平轉軸在水平方向運動時，與X射線源和X 射線探測器都需留有一定的距離，以防撞傷X射線源和X射線探測器，因此安裝有限位裝 置。可以軟體限位，在上位機軟體上指定；可以通過傳感器限位，採用相應的霍爾器件來實 現；更直接的是採用硬限位，通過在兩級增加兩個螺槓，以防在軟體限位及霍爾限位失效的 情況下，有效保護射線源和探測器不受撞傷；載物臺轉軸在豎直方向運動時，上下兩端之間 也需有限位裝置。X射線源中心、載物臺轉軸中心、X射線探測器中心三者在同一條直線上，當載物 臺轉軸中心發生偏移時可通過雷射校準方法檢測載物臺的偏移程度，調節探測器支撐板以 及固定載物臺的螺母使其處於一條直線上。X射線探測器平面應垂直於X射線源中心與載 物臺轉軸中心的連線，如不垂直，可通過固定探測器的支撐板進行調節(平移、旋轉)。控制系統外殼上設計安裝有機箱門，機箱門跟機殼銜接處做到無X射線洩露。門
4開關連接X射線源的電源開關，只有在機箱門安全關閉後X射線源才能發射X射線。門上 安裝有報警燈，在門沒有安全關閉或其他危險情況下報警等會亮。本發明對於最大電壓為 130KV、最大電流為123uA的微焦點X射線源，在主方向lm處、側面40cm處分別用2mm鉛板 屏蔽箱進行密閉處理，屏蔽箱內壁銑槽，寬3mm、深1. 5mm、間隔2m，可防護周圍X射線劑量率 達到國家規定的輻射防護安全標準0. 2uSv/h以內。本發明的有益效果1.應用本發明的裝置通過調節載物臺水平方向的位置控制圖像的放大倍數，以此 來改變圖像的空間解析度；通過調節載物臺豎直方向的位置，結合長目標物體掃描算法，可 實現傳統Micro-CT很難做到的對大目標物體的X射線成像以及斷層重建，還可實現對掃描 物體某個具體位置的掃描和重建；通過對旋轉運動的控制，如單步旋轉0. 9度之後採集一 張投影圖像，旋轉一周可得到400張不同角度的投影圖像。2.本裝置中在水平方向(A自由度)和豎直方向(B自由度)安裝限位裝置，限位 包括軟體限位、傳感器限位、硬體限位等。軟體限位就是在上位機軟體控制程序中設定A和 B自由度的行程的最大值，可以杜絕在上位機上誤操作可能產生的對機器損害的情況；傳 感器限位是利用霍爾器件來限位，分別在豎直方向的兩端和水平方向的兩端安裝霍爾器件 利用霍爾器件的原理進行限位；硬體限位，在水平方向兩端和豎直方向的兩端安裝螺槓，當 前兩種方法都失效的情況下，進行強制限位。3.本裝置的機殼安裝有機箱門，機箱門跟機殼銜接處做到無X射線洩露。門開關 連接X射線源的電源開關，只有在機箱門安全關閉後X射線源才能發射X射線。門上安裝 有報警燈，在門沒有安全關閉或其他危險情況下報警等會亮。機殼後有出線面板，X射線源、 X射線探測器、機械運動系統的電源線、數據線、地線插頭列於出線面板上，拆卸方便。4.在本裝置中X射線不僅僅從X射線源焦點射出，整個機頭均有X射線射出，主方 向為以焦點為中心的錐形束，其輻射防護要求較高。本裝置對於最大電壓為130KV、最大電 流為123uA的微焦點X射線源，在主方向lm處、側面40cm處分別用2mm鉛板屏蔽箱進行密 閉處理，可防護周圍X射線劑量率達到國家規定的輻射防護安全標準0. 2uSv/h以內。綜上所述，本發明設備改進了傳統的用於顯微CT成像的技術裝置，是新型的三自 由度的精確的帶防護裝置的顯微CT成像設備，三個自由度方向運動更穩定、速度更均勻、 精確度更高，有更好的輻射屏蔽效果，解決了 X射線源和X射線探測器的散熱問題，解決了 X射線源與X射線探測器及物體旋轉中心在一條線的問題，可以為後續的圖像採集、圖像重 建提供良好的保證。
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步描述


圖1是本發明實施例具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備的密封盒的結構 示意圖；圖2是
圖1的A-A向示意圖；圖3是本發明實施例具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備的剖面結構示意 圖；圖4是本發明實施例具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備的另一剖面結構示意圖；圖5是本發明實施例具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備的的又一剖面結 構示意圖。其中，1為X射線源，2為X射線探測器；3為載物臺；具體實施方式
為了更詳盡的表述上述發明的技術方案，以下由本發明人列舉具體的實施例來說 明效果；需要強調的是，這些實施例是用於說明本發明而不限於限制本發明的範圍。實施例如
圖1 圖5所示，該具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，包括X射 線源1、X射線探測器2、密封盒5、用於安裝X射線源和X射線探測器的密封盒、系統骨架、 機箱門、安全屏蔽裝置、外部框架等；所述X射線源1、X射線探測器2間設置載物臺3，所述 載物臺外側設置驅動載物臺在水平方向、豎直方向、旋轉方向運動的驅動裝置。所述密封盒 內設置X射線探測器2，並與X射線源1、載物臺3形成密閉腔室；所述載物臺3轉軸中心、 X射線源1、X射線探測器2同一直線。所述X射線探測器2設置在密封盒5內的探測器調 節板21上，所述X射線源1、探測器調節板21分別與密封盒5螺栓固定，且探測器調節板 21與密封盒5、X射線源1與密封盒間墊設簧墊圈調節。載物臺3下端設置載物臺轉軸，所述載物臺3下端與驅動裝置連接，所述驅動裝置 包括驅動載物臺水平方向移動的水平驅動單元、驅動載物臺垂直方向移動的垂直驅動單元 和驅動載物臺旋轉一定角度的旋轉驅動單元。所述水平驅動單元包括第一驅動電機41，所 述載物臺外側連接水平轉軸42，所述第一驅動電機41通過水平轉軸42與載物臺連接驅動 載物臺水平移動。所述垂直驅動單元包括第二驅動電機43和從動轉軸44，所述傳動轉軸齧 合有與載物臺連接的垂直轉軸45，所述第二驅動電機42的傳動軸與從動轉軸44間套設同 步帶。所述旋轉驅動單元包括第三驅動電機46，所述第三驅動電機46為步進電機，所述步 進電機與載物臺下端設置的載物臺轉軸連接傳動驅動載物臺轉軸旋轉。密封盒內設置限位裝置，所述限位裝置設置在載物臺進行水平方向、垂直方向和 旋轉方向的行程上。所述驅動裝置架設安裝在系統骨架上，所述系統外側設置安全屏蔽裝 置；所述安全屏蔽裝置為鉛板密閉箱，所述密閉箱內壁銑槽，並在設備的殼體上開設機箱 門。在CT重建中，需要樣品在不同角度下的精確投影。為了達到這個目的，本實施例 設計了三自由度的運動控制系統，包括驅動裝置，驅動裝置設置在系統骨架上，驅動裝置外 側設置輻射防護系統。該控制臺有三個自由度水平方向、豎直方向和旋轉。水平方向(A自由度)，X射線源和X探測器之間的距離為315mm，X射線源和控制 系統轉軸之間距離為265mm。水平方向行程為300mm，運動精度為0. 01mm。載物臺轉軸在X 射線探測器和X射線源之間的運動在一條直線上，且與X射線源和X射線探測器都需留有 一定的距離，防止撞傷X射線源和X射線探測器，需有限位裝置(包括軟體限位一在上位機 軟體上指定；傳感器限位_霍爾器件；硬限位_通過在兩級增加兩個螺槓，以防在軟體限位 及霍爾限位失效的情況下，有效保護射線源和探測器不受撞傷)。載物臺豎直方向(B自由度)行程為200mm，運動精度為0. 01mm，允許放置物體的 最大長度為160mm，上下兩端之間需有限位裝置(包括軟體限位-在上位機軟體上指定；傳
6感器限位-霍爾器件；硬限位_通過在兩級增加兩個螺槓)。載物臺旋轉(C自由度)以0. 9 度或0. 9度的倍數轉動，轉動精度為0. 036度。轉動過程中轉軸應能勻速且平穩轉動，轉動 偏離誤差可控。載物臺轉軸可靈活更換，以適應不同物體需要，且更換後貼合緊密，不鬆動， 不影響轉動精度。X射線源中心、載物臺轉軸中心、X射線探測器中心三者在同一條直線上，X射線探 測器平面垂直於X射線源中心與載物臺轉軸中心的連線。如不垂直，能進行簡單調整。當 載物臺轉軸中心發生偏移時可通過雷射校準方法檢測載物臺的偏移程度，調節探測器支撐 板以及固定載物臺的螺母使其處於一條直線上。固定探測器的支撐板應可調(包括豎直方 向、X射線源中心和X射線探測器中心連線的垂直面上)。運動控制系統外殼上設計安裝機箱門，門上有開關。機箱門開關連接X射線源的 電源開關，如果門關好，則X射線源可打開，否則不能打開。機箱門由上位機軟體控制，門上 應有鎖和報警燈。機殼後面應有出線孔，方便X射線源、探測器、機械運動系統的電源線、數 據線和地線。另外，在X射線源和X射線探測器之間安裝X線準直器和濾線柵的安裝支架。考慮到X射線源對生物的有害性，整個運動控制系統設有輻射防護措施，屏蔽 箱內壁銑槽，寬3mm、深1. 5mm、間隔2mm，X射線的輻射標準按照國家安全標準應不超過 0.2uSR/h。以上各方向運動(水平方向、豎直方向、旋轉方向)步進電機由單片機控制，負責 水平方向(+)運動、(_)運動，負責豎直方向(+)運動、(_)運動，負責連續旋轉(每步間隔 0. ls，每次轉動0.9度或1.8度)、單步旋轉(0-360度之間任意角度)。要求運動到位後需 有反饋信號，如出現無法完成、運動超出邊界、驅動器故障、門未處於關閉狀態、通訊格式不 正確等情況時需返回相應的故障信號。X射線源為微焦點X射線源，且通常採用微米級焦點大小的射線源，X射線源的焦 點大小是決定系統空間解析度的因素之一。本系統中採用焦點5微米大小的射線源。整個 射線源模塊通過上位機用RS232串口控制，串口參數設置為38400，N，8，1。通過串口實時控 制射線源的電壓、電流、功率、開關等指標。運動控制系統三個自由度方向有三個步進電機 驅動，而步進電機由單片機來控制，單片機和上位機通過串口通信，串口參數設置為9600， N，8，l。探測器為高解析度平板探測器，由閃爍體或螢光體層塗上有光電二極體作用的非 晶矽層(amorphous Silicon,a-Si)加薄膜電晶體(Thin FilmTransistor,TFT)陣列構成。 透過被檢體後的入射X線，激發光電二極體產生電流，隨之就在光電二極體自身的電容上 積分形成儲存電荷。每一像素的儲存電荷量和與之對應範圍內的入射X線光子能量與數量 成正比。輸出的電荷通過A/D轉換器之後轉換為12位數位訊號輸出。所採集圖像的分辨 率大小為 1000 X 1000 (HXW) o該運動控制系統，應用於Micro CT系統中。可以通過以下方法來糾正及調節X射 線源、載物臺旋轉中心、探測器中心在一條直線上，如圖8。在可動部件上安裝0. 2mm寬十 字縫隙的遮光片，在A點安裝雷射源，調整CCD使得光點在中心位置。移動可動部件，檢查 C⑶成像圖形，光點移動位置< 0. 5mm。調整好後，將雷射源去掉換上X射線源，使得光點在 CCD中心位置。而載物臺端面跳動檢測方法檢查載物臺的軸向跳動，載物臺做旋轉，觀察 u表的跳動量< 。[0049]三個步進電機均通過單片機控制，單片機提供串口用於和PC機通信。PC機通過串 口與單片機通信從而控制步進電機的運動，實現水平、豎直、旋轉三個自由度的運動。X射線 源、旋轉載物臺、X射線探測器按
圖1所示裝配起來，通過調節X射線探測器背後的平衡板 可調整X射線探測器的位置，以便校正X射線源、X射線探測器和載物臺旋轉中心在一條直 線上。本發明充分考慮Micro-CT的特定應用，特別設計了一套控制系統，包括三自由度 運動系統、密封盒(用於安裝X射線源和X射線探測器)、系統骨架、機箱門、安全屏蔽裝置、 外部框架等，做到成像精確、安裝調試方便、操作簡單安全。上述實例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人能 夠了解本發明的內容並能夠實施，不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實 質所作的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求一種具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，包括X射線源(1)、X射線探測器(2)；所述X射線源(1)、X射線探測器(2)間設置載物臺(3)，其特徵在於所述載物臺外側設置驅動載物臺在水平方向、豎直方向、旋轉方向運動的驅動裝置。
2.根據權利要求1所述具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，其特徵在於所述設 備還包括密封盒(5)，所述密封盒內設置X射線探測器(2)，並與X射線源(1)、載物臺(3) 形成密閉腔室；所述載物臺(3)轉軸中心、X射線源(1)、X射線探測器(2)同一直線。
3.根據權利要求2所述具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，其特徵在於所述X 射線探測器⑵設置在密封盒(5)內的探測器調節板(21)上，所述X射線源(1)、探測器調 節板(21)分別與密封盒(5)螺栓固定，且探測器調節板(21)與密封盒(5)、X射線源(1) 與密封盒間墊設簧墊圈調節。
4.根據權利要求1所述具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，其特徵在於所述載 物臺(3)下端設置載物臺轉軸，所述載物臺(3)下端與驅動裝置連接，所述驅動裝置包括驅 動載物臺水平方向移動的水平驅動單元、驅動載物臺垂直方向移動的垂直驅動單元和驅動 載物臺旋轉一定角度的旋轉驅動單元。
5.根據權利要求4所述具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，其特徵在於所述水 平驅動單元包括第一驅動電機(41)，所述載物臺外側連接水平轉軸(42)，所述第一驅動電 機(41)通過水平轉軸(42)與載物臺連接驅動載物臺水平移動。
6.根據權利要求4所述具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，其特徵在於所述垂 直驅動單元包括第二驅動電機(43)和從動轉軸(44)，所述傳動轉軸嚙合有與載物臺連接 的垂直轉軸(45)，所述第二驅動電機(42)的傳動軸與從動轉軸(44)間套設同步帶。
7.根據權利要求4所述具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，其特徵在於所述旋 轉驅動單元包括第三驅動電機(46)，所述第三驅動電機為步進電機，所述步進電機與載物 臺下端設置的載物臺轉軸連接傳動驅動載物臺轉軸旋轉。
8.根據權利要求2所述具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，其特徵在於所述密 封盒內設置限位裝置，所述限位裝置設置在載物臺進行水平方向、垂直方向和旋轉方向的 行程上。
9.根據權利要求2所述具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，其特徵在於所述驅 動裝置架設安裝在系統骨架(6)上，所述系統外側設置安全屏蔽裝置(7)；所述安全屏蔽裝 置(7)為鉛板密閉箱，所述密閉箱內壁銑槽，並在設備的殼體上開設機箱門(8)。
專利摘要本實用新型公開了一種具有三自由度運動控制的顯微CT成像設備，包括X射線源(1)、X射線探測器(2)；所述X射線源(1)、X射線探測器(2)間設置載物臺(3)，其特徵在於所述載物臺外側設置驅動載物臺在水平方向、豎直方向、旋轉方向運動的驅動裝置。該設備解決了一般顯微CT機械裝置運動抖動嚴重、誤差大、精度低的問題，三個自由度方向運動更穩定、速度更均勻、精確度更高，有更好的輻射屏蔽效果，解決了X射線源和X射線探測器的散熱問題，解決了X射線源與X射線探測器及物體旋轉中心在一條線的問題，為後續的圖像採集、圖像重建打下很好的基礎。
文檔編號A61B6/03GK201602783SQ20092021569
公開日2010年10月13日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者張勇, 張奎, 羅守華, 董歌, 陳功 申請人:蘇州和君科技發展有限公司;東南大學蘇州研究