CT系统z向位置调整工具及其调整方法
阅读说明：本技术 CT系统z向位置调整工具及其调整方法 (CT system z-position adjusting tool and adjusting method thereof ) 是由 邢占峰 吴艳荣 晓鹤 王鑫 李万锋 晏雄伟 相会财 于 2020-10-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于X射线CT系统领域,尤其涉及一种CT系统z向位置调整工具及其调整方法,包括X射线遮挡片、用于透过X射线的X射线透过窗口、用于支撑X射线遮挡片的遮挡片框架、用于调节X射线遮挡片水平位置的水平位置微调机构,所述遮挡片框架的一侧设有用于固定在患者床架上的支撑架,所述支撑架和遮挡片框架之间通过一调节X射线遮挡片俯仰角度的俯仰角度微调机构连接。本发明通过调整工具将探测器和X射线发生器调整到同一竖直平面内。本发明成本低、操作更简单,结果更准确、可重复使用、探测器的安装和固定更简单可靠、自动化程度高,图像质量更佳,尤其是对于多段心脏扫描和三维重建图像。(The invention belongs to the field of X-ray CT systems, and particularly relates to a Z-direction position adjusting tool of a CT system and an adjusting method thereof. The detector and the X-ray generator are adjusted to be in the same vertical plane through the adjusting tool. The invention has the advantages of low cost, simpler operation, more accurate result, reusability, simpler and more reliable installation and fixation of the detector, high automation degree and better image quality, and is particularly suitable for multi-segment heart scanning and three-dimensional reconstruction images.)
技术领域
本发明属于X射线CT系统领域，尤其涉及一种CT系统z向位置调整工具及其调整方法。
背景技术
目前X射线CT系统已经广泛用于医疗诊断，工业探伤等领域。
把CT系统成像链上的元件对准到同一竖直平面上（一般称为扫描平面）是使用CT系统前必要的一个调整步骤。 目的是确保扫描平面处于竖直方向，且X射线管焦点对准探测器中心，以使得在机架不倾斜的情况下一个扫描内部以及多个连续扫描所得到的图像都位于竖直平面，且相互对准，不会产生倾斜方向上的错位，且探测器的几何效率最高并且探测到的信号能获得最高的信噪比。
图1和图2是CT系统的示意图。如图1所示，CT系统的影像链上包括X射线管10、准直器11和探测器12。其中旋转平面是指X射线管10的焦点中心，以及探测器12的z向中心线所在的平面，z轴是指垂直于旋转平面的方向。
传统的成像链z向调整及对准方法是使用胶片并配合恰当的准直器开口，将胶片放置在机架孔径底部的防尘圈上（扫描窗口），然后分别在0度位置和180度位置处曝光2次，180度曝光胶片上的曝光区域较窄、较浓，0度曝光胶片上的曝光区域较宽、较淡，测量0度曝光带在180度曝光带两侧的分布即可计算得到X射线管相对限束器的偏移。然后再调整探测器相对于X射线管和限束器的偏移，这一步骤可以通过胶片或者对于多排探测器系统可以直接通过探测器收集的数据来判断X射线束经过准直器11在探测器上的投影是否处于正中位置来进行。
上述方法具有技术简单，操作直观易理解的优点，但是其缺陷在于：
上述方法需要使用一次性胶片，不环保，且操作过程是纯手工测量和计算的，两次曝光在胶片上的显影的边界不够清晰锐利，结果受操作者主观影响比较大。
再者，上述方法利用准直器作为z向调整的基准，需要X射线管和探测器的z向安装位置都是可调的，增加了机械设计的难度，也带来了探测器安装刚性的下降，会导致探测器在高速旋转过程中产生更大的形变，最终影响图像质量。
也有方法对X射线管和探测器中心线是否处于同一竖直平面不进行调整，仅调整焦点位置使得焦点与探测器中心线近似处于同一平面。
上述方法调整简单，速度快，但是X射线管焦点和探测器中心线所在平面并不是竖直平面与系统旋转轴不垂直，与患者床在扫描过程中的运动方向也不垂直。最终会导致图像质量下降，尤其是心脏扫描和三维重建图像。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种用于X射线CT系统成像链器件位置调整和CT系统校准，低成本的可重复使用的自动化的CT系统z向位置调整工具及其调整方法。
本发明的技术方案：一种CT系统z向位置调整工具，包括X射线遮挡片、用于透过X射线的X射线透过窗口、用于支撑X射线遮挡片的遮挡片框架、用于调节X射线遮挡片水平位置的水平位置微调机构，所述遮挡片框架的一侧设有用于固定在患者床架上的支撑架，所述支撑架和遮挡片框架之间通过一调节X射线遮挡片俯仰角度的俯仰角度微调机构连接。
优选地，所述X射线透过窗口的数量为两个，两个X射线透过窗口沿X射线遮挡片中心线分布。
两个透过窗口的中心位于X射线遮挡片的z方向的中心线上，且距离X射线遮挡片的x向的中心线的距离相等，且两个透过窗口的尺寸相同。
优选地，所述水平位置微调机构为两个安装在遮挡片框架上的水平压板，用于调整X射线遮挡片的水平位置，使其一直处于水平方向。
优选地，所述水平位置微调机构为两个安装在遮挡片框架上的微调尺，其用于调整X射线遮挡片的水平位置，使得位于X射线遮挡片上的两个X射线透过窗口的中心连线与探测器的中心线位于平行的竖直平面上。
优选地，所述遮挡片框架上设有配合X射线遮挡片的支撑条，所述X射线遮挡片的两端支撑在支撑条上通过水平位置微调机构压紧。
优选地，所述俯仰角度微调机构包括固定在遮挡片框架一侧的支撑立板、安装在支撑立板上侧的调节螺栓和若干限位螺栓，所述支撑架通过限位螺栓连接支撑立板上，通过调节螺栓调节支撑架的角度，从而实现X射线遮挡片的俯仰角度调节。
本发明可以对X射线遮挡片的俯仰、横向、纵向、扭转进行调整，用于确保X射线遮挡片处于水平方向，且X射线遮挡片的透过窗口中心连线与探测器中线所在平面平行，且两个投射窗口中心之间的距离与中心通道与当X射线管位于0度位置时的X射线管焦点连线的距离相等。
一种使用CT系统z向位置调整工具的调整方法，用于对X射线管及探测器位置进行校准，包括下述步骤：
1）确保CT系统扫描野内没有遮挡物，并进行一次曝光空气数据；
2）把调整工具放在扫描视野内的位置处；使得投射窗口的投影位于探测器接收范围内；
3）CT系统的 X射线管位于0度位置时和180度位置时分别进行两次曝光；
4）利用空气数据对0度和180度数据进行增益校正，然后根据X射线遮挡片上的投射窗口投射在探测器上的X射线分布以及X射线球管和探测器的位置关系得到X射线球管在z方向上的偏移量；
5）根据所述X射线球管的偏移量来调节所述X射线球管的焦点，使得所述焦点和探测器的中心线在垂直于探测器中心线所在竖直平面的方向上的距离满足系统的预设指标。
优选地，所述步骤4）中X射线管和探测器的为位置关系是指X射线管焦点、X射线遮挡片及投射窗口以及探测器的位置关系，X射线球管在z方向上的偏移量是指X射线管焦点相对探测器z向中心线的偏移量；
(1)根据两个X射线透过窗口口投影中心与中心通道的距离确定系统调整工具是否已经放置好，如果X射线遮挡片上的投射窗口在探测器上的投影中心距离中心通道距离相差较大则对遮挡片的位置进行微调以使得两个投射窗投影中心与中心通道距离相等；
(2)根据两个X射线透过窗口口投影中心间的距离和已知的透过窗口的距离计算投射窗和球管焦点的距离a；
其中：
a表示调整工具与X射线球管焦点的距离；
d表示调整工具上的两个透过窗口中心之间的距离；
e表示调整工具在探测器上的投影中，投射窗投影的中心与中心通道的距离，当调整工具居中时，左右两个投射窗投影中心与中心通道的距离e1=e2=e，单位为探测器通道数；
θ表示探测器单个通道相对X射线管焦点所张开的角度。
优选地，步骤根据X射线遮挡片上的透过窗口的投影在探测器上的X射线分布、球管焦点、探测器中心线所在竖直平面之间的位置关系以及调整工具和球管焦点之间的距离，得到球管焦点的偏移量，还包括：
计算球管焦点位于0度和180度时投射窗的投影在探测器上的中心位置的z向偏移g0和g180；
确定的调整工具在0度及180度时与球管焦点的距离a0和a180；
根据下面公式得到球管焦点的z向偏移量s：
其中，
a 0 表示X射线球管位于0度曝光时从X射线管焦点到调整工具的距离；
a 180 表示X射线球管位于180度曝光时从X射线管焦点到调整工具的距离；
g 0 表示X射线球管位于0度曝光时从调整工具上的透过窗口在探测器上的投影的中心的z向偏移，即与探测器中心线的距离；
g 180 表示X射线球管位于180度曝光时从调整工具上的透过窗口在探测器上的投影的中心的z向偏移，即与探测器中心线的距离。
优选地，确定X射线管焦点z向偏移并进行相应调整后，再通过从一侧极限位置直到X射线射束中心处的小步移动准直器的X射线遮挡片，并同时收集探测器响应数据，并记录对应的探测器数据通道和射束位置跟踪通道的输出来确定各个开口对应的准直器挡片位置以及射束跟踪的目标值。
本发明使用CT系统z向调整工具和方法来对CT系统影像链器件位置进行调整的技术方案还包括步骤：
确保机架孔径内没有遮挡物，并进行一次空气扫描，作为基准；
将调整工具置于所述偏离旋转中心一定高度的位置，并尽可能的调整工具使透过窗口与探测器的z向中心线所在平面平行；
设置CT系统使得CT系统的X射线管处于0度时，对本发明所述工具曝光，可以使用空气扫描的数据对包含调整工具的数据进行归一化处理，并通过透射投影得强度计算得到透过窗口在探测器上得投影区域的重心；
根据透过窗口在探测器上的投影的重心判断透过窗口中心连线是否与探测器z向中心线所在平面平行，以及与探测器重心通道与焦点的连线距离是否相等，优选的可以根据偏差使用微调装置进行适当的调整，使得透过窗口接近预期位置；
设置CT系统使得CT系统的X射线管处于180度时，对本发明所述工具曝光，优选地，可以使用空气扫描的数据对包含调整工具的数据进行归一化处理，并通过透射投影得强度计算得到透过窗口在探测器上得投影区域的重心；
与现有技术相比本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明的系统调整工具可以重复使用，且便于携带，从而节约了成本。
2.本发明可以使用普通金属材料，如钢，因此更加环保。
3.本发明所述方案不需要人工测量，通过系统内置软件就可以计算出X射线管的偏移量，并提示操作人员调整的方向和距离，因此操作更简单，结果更准确。
4.本发明的调整工具和方法以探测器的z向中心线为基准，不要求探测器z向可调整，因此探测器的安装和固定更简单可靠。
5.本发明的调整工具和方法可以实现X射线管焦点和探测器中心线处于同一竖直平面内，且与设备旋转轴、患者床进床方向垂直，因此图像质量更佳，尤其是对于多段心脏扫描和三维重建图像。
附图说明
为了帮助对本公开内容的理解，对专利附图进行下列描述：
图1和图2是一种CT系统的成像链器件布局的简单示意图；
其中，10为X射线球管，11为准直器，12为探测器；
图3 是根据本发明的CT系统z向位置调整工具的结构示意图；
其中1为遮挡片框架，2为X射线遮挡片，3为水平位置微调机构，4为俯仰角度微调机构，5为支撑架；6为透过窗口；
图4 是X射线管偏移状态下X射线在探测器上分布示意图；
图5 是x-y平面内焦点、透过窗口中心与探测器投影中心的三角关系；
图6 是y-z平面内焦点、透过窗口与探测器投影中心以及探测器中心线的几何关系；
图7 是探测器上的遮挡片和透过窗口的X射线投影分布示意图
图8 是本发明CT系统z向调整方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。但本发明不限于下述具体实施实例。
如图1和2所示，X射线CT系统成像链主要包含X射线管10、准直器11和探测器12三个部件，扫描时它们围绕统一的旋转中心旋转。
如图3所示，CT系统z向调整工具包括遮挡片框架1、X射线遮挡片2、水平位置微调机构3，俯仰角度微调机构4和支撑架5。X射线遮挡片2上设有透过窗口6，支撑架5安装在患者床的模架上。
透过窗口6的数量为2个，它们应该均布在X射线遮挡片2上，并以X射线遮挡片2中心左右对称（x方向）。
使用上述CT系统z向位置调整工具的调整方法包括步骤：⑴把X射线遮挡片及支架置于患者支撑或辅助定位装置上，使得X射线挡片及窗口在高度方向上偏离ISO中心适当距离如130mm；⑵控制X射线管温度在较低水平，将X射线管置于0度位置进行一次低剂量静态曝光，并采集数据；⑶控制X射线管温度在较低水平，将X射线管置于180度位置进行一次低剂量静态曝光，并采集数据；⑷对数据进行预处理和分析，计算X射线球管焦斑的偏移值，并给出调整建议；⑸根据调整建议对X射线球管位置进行机械调整；重复步骤⑵~⑸，直至球管焦斑位置满足要求。
如图4所示，当CT系统z向调整工具置于探测器视野中，并距离旋转中心一定高度时，透过窗口会在探测器上形成投影，调整工具的放置并不要求z方向与探测器中心对齐，但要求尽量不要有扭转、俯仰，且X向尽可能位于中心位置。
如图5所示，当CT系统z向调整工具位于视野内时，根据投影重心与探测器中心通道的距离，可以计算出穿过透过窗口中心的射线与穿过中心通道的射线之间的夹角，左右两侧可以分别计算，
其中e 1 是偏移的探测器通道数，θ是每个通道对应的张角。
焦点与透过窗口中心的距离a 1 ，a 2 ，可以由求解下列方程得到：
其中：
d为CT系统z向调整工具的两个透过窗口的中心距离；
d 1 ，d 2 为两个透过窗口中心与穿过中心通道的射线束的距离；
a 1 ，a 2 为焦点与两个透过窗口中心的距离；
特别的当工具左右对称放置时，可以通过如下公式计算得到a：
其中：
a为X射线管焦点到透过窗口中心的距离（左右两个透过窗口相等）
e为透过窗口投影中心偏移中心通道的的探测器通道数（左右相等）
如图6所示，对于每个透过窗口，透过窗口中心与焦点所在竖直平面（与探测器中心线所在竖直平面平行）的距离和探测器上透过窗口投影重心与同一竖直平面的距离的比例关系与焦点到透过窗口重心和焦点到探测器上的投影重心的距离存在比例关系。对于0度和180度曝光有：
其中：
f是透过窗口中心与焦点所在竖直平面（与探测器中心线所在竖直平面平行）的距离；
s是焦点相对探测器中心线所在竖直平面的距离；
b是焦点到探测器的距离；
a 0 ，a 180 是X射线管在0度和180度时X射线管焦点到透过窗口重心的距离；
g 0 ，g 180 是X射线管在0度和180度时透过窗口重心到探测器中心线所在竖直平面的距离；
因此，焦点相对探测器中心线所在竖直平面的距离s可以由下列公式得到：
所得结果就是X射线管的z向调整距离。
如图7所示，探测器上的遮挡片和透过窗口的X射线投影分布示意图。
如图8所示，CT系统z向位置调整方法的整体流程，其中0度曝光和180度曝光的次序可以颠倒，对结果没有影响。
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