專利名稱：復合材料x射線準直器及其制造方法
技術領域：
本發明的實施例大體上涉及計算機斷層攝影(CT)成像，并且更具體地涉及用作CT成像系統的一部分的復合材料患者前X射線準直器以及用于制造其的方法。
背景技術：
典型地，在計算機斷層攝影(CT)成像系統中，X射線源朝受檢者或物體(例如患者或一件行李)發射扇形束。在下文中，術語“受檢者”和“物體”應包括能夠被成像的任何東西。束在由受檢者衰減后撞擊輻射檢測器的陣列。在該檢測器陣列處接收的衰減束輻射的強度典型地取決于由受檢者對X射線束的衰減。檢測器陣列的每個檢測器元件產生指示由每個檢測器元件接收的衰減束的獨立電信號。這些電信號傳送到數據處理系統用于分析，其最終產生圖像。 在操作中，X射線源和檢測器陣列在成像平面內繞機架旋轉并且圍繞受檢者旋轉。X射線源典型地采用在焦點處發射X射線的X射線管的形式，其中這些X射線在X射線束中沿著發散線性路徑發射。采用患者前準直器用于使X射線束的橫截面整形并且用于引導整形的束通過患者并且朝向檢測器陣列。檢測器陣列典型地包括用于準直X射線束的準直器、鄰近該準直器用于將X射線轉換成光能的閃爍體和用于從該鄰近的閃爍體接收光能并且由此產生電信號的光電二極管。在CT成像系統中，用于使X射線束整形的患者前準直器在歷史上已經通過加工單片鎢而構造。因為該材料的輻射阻擋能力和結構特性，用鎢形成患者前準直器是合適的。然而，認識到鎢是昂貴的材料并且難以加工。另外，在實現更大患者覆蓋、更快的轉速以及更大的孔尺寸的較新的CT成像系統中，用鎢形成的患者前準直器甚至變得不太可取。S卩，在這樣的較新的CT成像系統中，患者前準直器上的向心加速度(即，G負荷)由于離旋轉中心的半徑增加、機架中的部件的更快的轉速以及在大覆蓋系統中阻擋束所需要的更大的患者前準直器尺寸而急劇增加。施加于患者前準直器的重量和力因為它影響CT成像系統的動態平衡以及準直器運動的敏捷性而受到關注。鉛也被認為是構造患者前準直器的可能的材料，因為鉛還展現與其材料密度關聯的理想的輻射阻擋能力。遺憾地，與使用鎢患者前準直器相似，鉛的高密度意味著由鉛構造的患者前準直器受到較新的CT成像系統中G負荷增加的影響。另外，鉛被認為太柔軟而不能用作單片材料并且不符合限制有害物質指令(RoHS)。因此，設計結合高密度材料的阻擋力與較低密度襯底材料的結構支持、因此削減準直器的重量和成本同時保持穩健性、輻射阻擋能力并且符合RoHS的患者前準直器，這將是可取的。
發明內容
本發明針對用于提供用作CT成像系統的一部分的復合材料患者前X射線準直器的方法和設備。
根據本發明的一個方面，用于在計算機斷層攝影(CT)系統中使X射線束整形的患者前準直器包括由第一材料組成的底座，該第一材料具有第一材料密度；和插入物，其機械耦合于該底座并且由第二材料組成，該第二材料包括具有大于該第一材料密度的第二材料密度并且足以阻擋高頻電磁能的可模塑材料。該底座包括多個結構特征，該插入物通過這些結構特征模塑到該底座，其中該插入物的可模塑材料形成與這些多個結構特征的連接以機械耦合該底座和該插入物。根據本發明的另一個方面，制造用于在計算機斷層攝影(CT)系統中使用的患者前準直器的方法包括以下步驟用第一材料形成底座，形成該底座以便在其上具有多個幾何特征；和將第二材料模塑到該底座上來形成插入物，該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擋高頻電磁能的材料。該第二材料注入模塑到該底座上使得該第二材料形成與多個幾何特征的機械結合以使該插入物固定到該底座。根據本發明的再另一個方面，計算機斷層攝影(CT)系統包括可旋轉機架，其具有收容要掃描物體的開口 ；高頻電磁能投射源，其配置成朝該物體透射高頻電磁能；和準直器，其安置在該高頻電磁能投射源與該物體之間并且配置成使高頻電磁能束整形，該準直器包括一對葉片。該CT系統還包括檢測器陣列，其配置成檢測穿過該物體的高頻電磁 能并且響應于該高頻電磁能產生檢測器輸出；數據采集系統(DAS)，其連接到該檢測器陣列并且配置成接收該檢測器輸出；以及圖像重建器，其連接到該DAS并且配置成從該DAS接收的檢測器輸出重建物體的圖像。關于準直器，準直器的每個葉片進一步包括金屬底座，其由第一材料形成并且在其上包括在其中形成的多個幾何特征；和插入物，其機械耦合于該底座并且由具有大于第一材料的材料密度的材料密度的輻射阻擋材料形成，其中該插入物通過多個幾何特征機械耦合于該金屬底座，使得葉片不包含用于耦合該金屬底座和該插入物的粘合劑和緊固件。各種其他特征和優勢將從下列詳細說明和附圖變得明顯。
附示目前設想用于實施本發明的優選實施例。在附圖中圖I是CT成像系統的示圖。圖2是在圖I中圖示的系統的方框示意圖。圖3是根據本發明的實施例的用于在圖I和2的CT成像系統中使用的患者前準直器組件的透視分解圖。圖4是根據本發明的實施例的圖3的患者前準直器組件的底座的透視圖。圖5是根據本發明的實施例的圖3的患者前準直器組件的插入物的透視圖。圖6是包含用于與非侵入式包裹檢查系統一起使用的患者前準直器組件的CT系統的示圖。
具體實施例方式本發明的操作環境關于六十四切片計算機斷層攝影(CT)系統描述。然而，本領域內技術人員將意識到本發明同樣適用于與其他多切片配置一起使用。此外，將關于X射線的檢測和轉換描述本發明。然而，本領域內技術人員將進一步意識到本發明同樣適用于其他高頻電磁能的檢測和轉換。將關于“第三代”CT掃描儀描述本發明，但本發明同樣適用于與其他CT系統一起使用。參照圖1，計算機斷層攝影(CT)成像系統10示出為包括機架12，其代表“第三代”CT掃描儀。機架12具有X射線源14，其朝該機架12的相對側上的檢測器組件或準直器18投射X射線束。現在參照圖2，檢測器組件18由多個檢測器20和數據采集系統(DAS)32形成。這些多個檢測器20感測穿過醫療患者22的投射X射線16，并且DAS 32將數據轉換成數字信號用于后續處理。每個檢測器20產生代表碰撞X射線束的強度以及因此代表當它穿過患者22時衰減束的強度的模擬電信號。在掃描來采集X射線投影數據期間，機架12和安裝在其上的部件繞著旋轉中心24旋轉。機架12的旋轉和X射線源14的操作由CT系統10的控制機構26管理。控制機構26包括提供功率和定時信號給X射線源14的X射線控制器28和控制機架12的轉速和 位置的機架馬達控制器30。圖像重建器34從DAS 32接收采樣和數字化的X射線數據并且進行高速重建。重建的圖像作為輸入應用于計算機36，其將圖像存儲在大容量存儲裝置38中。計算機36還經由控制臺40從操作者接收命令和掃描參數，該控制臺40具有例如鍵盤、鼠標、語音激活控制器或任何其他適合的輸入設備等操作者界面的一些形式。關聯的顯示器42允許操作者觀察來自計算機36的重建圖像和其他數據。操作者供應的命令和參數由計算機36使用以提供控制信號和信息給DAS 32、X射線控制器28和機架馬達控制器30。另外，計算機36操作臺架馬達控制器44，其控制電動臺架46以安置患者22和機架12。特別地，臺架46使患者22全部或部分移動通過圖I的機架開口 48。如在圖2中示出的，CT系統10還包括安裝在機架12上并且靠近X射線源14安置的患者前準直器50。構造準直器50以使X射線束16的橫截面整形成與檢測器陣列18的形狀匹配的形狀，例如矩形。準直器50從而確保正掃描的患者不遭受不必要的X射線劑量。現在參照圖3，根據本發明的一個實施例提供準直器50的分解圖。如在圖3中示出的，準直器50由一對葉片51形成，該對葉片51相對于彼此能調整以便改變在其之間形成的孔徑53的尺寸用于允許X射線束16 (圖2)穿過該孔徑53。改變孔徑53的尺寸/形狀從而確定了 X射線束16的橫截面并且提供了將束控制和修改成期望的尺寸/形狀，以便與檢測器陣列18的形狀匹配。如在圖3中示出的，每個葉片51進一步由底座52和附連到該底座52的插入物54形成。根據本發明的實施例，因為底座52和插入物54由不同的材料構造，準直器50的每個葉片51形成為復合構件。更具體地，底座52和插入物54由具有不同密度的材料構成。每個葉片51用較低密度結構材料和高密度輻射阻擋材料構成來實現所得的復合部件，其起到選擇性地阻擋輻射同時還使整個準直器50的重量和成本最小化的作用。準直器50的每個葉片51的底座52構造成為準直器50提供結構支撐并且允許固定到CT系統10(圖I)的機架12，同時還設計成降低準直器50的整個重量和成本。如此，底座52由較低密度結構材料組成，基于該較低密度結構材料保持準直器50的穩健性而沒有對準直器50增加過度的重量和成本的能力來選擇該較低密度結構材料。如本文使用的，術語“較低密度結構材料”指具有不足以阻擋高頻電磁能(例如，X射線輻射)穿過其中的密度的材料。根據本發明的實施例，如在下文詳細闡述的，底座52可因此由可以加工以具有期望的結構特性的鋁、鋼或另一個同樣能接受的材料形成。準直器50的插入物54構造成在準直器50內提供輻射阻擋。如此，插入物54由高密度輻射阻擋材料組成。如本文使用的，術語“高密度輻射阻擋材料”指具有足以阻擋高頻電磁能(例如，X射線輻射)穿過其中的密度的材料。根據本發明的實施例，插入物54可因此部分由起到阻擋從例如X射線源14(圖I)發射的X射線16的束并且使其整形的作用的鎢或另一個同樣能接受的材料形成。根據示范性實施例，如在下文詳細闡述的，插入物54由例如鎢浸潰塑料等可模塑高密度輻射阻擋材料形成，使得插入物54可以通過機械結合固定到底座52。
根據本發明的實施例，構造準直器50的復合材料葉片51使得底座52機械結合到插入物54而無需使用粘合劑或機械緊固件(例如，螺栓、螺釘等)。根據示范性實施例，插入物54由可模塑材料(例如，鶴浸潰塑料)形成，其例如通過機械包覆模塑(mechanicalover-molding)或注入模塑等方式模塑到底座52上以在準直器50中形成不能分割的葉片51。為了便于底座52和插入物54的機械結合，構造底座52以在其上包含多個幾何或結構特征，這些幾何或結構特征在插入物54模塑到底座52期間將插入物54 “鎖定”到底座52。現在參照圖4，根據本發明的示范性實施例示出底座52的詳細視圖。如在圖4中示出的，底座52包括在其上的多個幾何/結構特征56、58、60，其在經由機械包覆模塑或注入模塑工藝應用/形成插入物54時提供插入物54對該底座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，其中這些掏槽56在例如插入物放置區62的相對端和側處形成。底座52還包括在該插入物放置區62中被間隔開的一系列孔58，其中這些孔58在與插入物54放置的地方相對的底座52的退出表面64上具有沉孔(counterbore) 60。根據示范性實施例，掏槽56和具有沉孔60的孔58通過加工操作(例如根據鋁/鋼材料的標準加工程序)在底座52中形成。根據另一個實施例，向底座的背面中切割槽口 65以起到用于在模塑工藝中引入插入物的高密度輻射阻擋材料的門的作用。現在參照圖5，根據本發明的示范性實施例示出插入物54的詳細視圖。如在圖5中示出的，插入物54包括正面66，其大體上在底座52的插入物放置區62中形成。根據示范性實施例，面66形成為彎曲面，其容納不對稱的X射線束、基于該面的曲率半徑優化離X射線源14(圖I)的放置以及提供完全的X射線束阻擋。備選地，根據本發明的另一個實施例，認識到，面66還可以形成為直的(即，非彎曲的)面。插入物54上包括有在面66的相對端處形成的緣邊或突起68，其中形成這些緣邊/突起68以與在底座52(圖4)上形成的掏槽56配合。插入物54上還包括有一系列錨70，其從面66的背表面72延伸出并且向下通過底座52中形成的孔58。在遠離面66的錨70的端處，形成與孔58的沉孔60配合的圓形法蘭74，用于將錨70鎖定到底座52。如上文指示的，插入物54通過機械包覆模塑或注入模塑工藝形成，使得面66的緣邊/突起68和錨70形成與底座52的幾何特征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)的鎖定機械結合。根據本發明的實施例，準直器50的每個葉片51從而可以通過首先用例如鋁片或鋼片形成底座52而制造，其中加工該鋁/鋼來形成具有在其上形成的多個幾何特征的底座。如上文闡述的，這些幾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。當加工底座52時，插入物54通過包覆模塑或注入模塑工藝模塑到底座。在將插入物54模塑到底座52中時，在插入物上形成與底座的掏槽56配合的許多突起68。另夕卜，在插入物54上形成與底座52的孔58和沉孔60配合的許多錨70。插入物54模塑到底座52在其之間形成機械結合，這將插入物固定到底座而不需要任何粘合劑和/或緊固件。現在參照圖6，根據本發明的實施例示出包裹/行李檢查系統100，其中該包裹/行李檢查系統100包含例如在圖3中示出的患者前準直器50。如在圖6中示出的，包裹/行李檢查系統100包括在其中具有開口 104的可旋轉機架102，包裹或多件行李可通過該開口 104。該可旋轉機架102容置高頻電磁能源106以及檢測器組件108，其具有由與在圖6或7中示出的相似的閃爍體單元組成的閃爍體陣列。還提供輸送系統110，其包括由結構114支撐的輸送帶112以使包裹或行李件116自動并且連續地穿過開口 514來被掃描。物體116由輸送帶112饋送通過開口 104，然后采集成像數據，并且輸送帶112采用受控并且連續的方式將包裹116從開口 104移走。因此，郵政檢查員、行李處理者和其他安全人員可 非侵入式地針對爆炸物、刀、槍、違禁品等檢查包裹116的內含物。有利地，可以對于輻射阻擋能力、剛度和重量優化復合材料患者前準直器50。準直器的減少的重量降低了對CT系統的馬達和軸承的需求，這是因為它更輕。另外，復合材料患者前準直器葉片的結構以及由此提供的機械結合/鎖定消除了需要使用任何獨立緊固件或粘合劑，由此也消除了可由使用這樣的緊固件形成的任何泄漏點。另外，阻擋材料插入物模塑到底座允許幾何形狀和應用的靈活性，并且通過提供模塑插入物的近凈形狀而減少浪費和成本，使得所得的插入物比例如使用粘合劑更環保。再此外，復合材料患者前準直器的結構提供比加工純鎢準直器組件更容易且更便宜的組件加工。因此，根據本發明的一個實施例，用于在計算機斷層攝影(CT)系統中使X射線束整形的患者前準直器包括由第一材料組成的底座，該第一材料具有第一材料密度；和插入物，其機械稱合于該底座并且由第二材料組成，該第二材料包括具有大于該第一材料密度的第二材料密度并且足以阻擋高頻電磁能的可模塑材料。該底座包括多個結構特征，該插入物通過這些結構特征模塑到該底座，其中該插入物的可模塑材料形成與這些多個結構特征的連接以機械耦合該底座和該插入物。根據本發明的另一個實施例，制造用于在計算機斷層攝影(CT)系統中使用的患者前準直器的方法包括以下步驟用第一材料形成底座，形成該底座以便在其上具有多個幾何特征；以及將第二材料模塑到該底座上來形成插入物，該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擋高頻電磁能的材料。該第二材料注入模塑到該底座上使得該第二材料形成與多個幾何特征的機械結合以使該插入物固定到該底座。根據本發明的再另一個實施例，計算機斷層攝影(CT)系統包括可旋轉機架，其具有收容要掃描物體的開口 ；高頻電磁能投射源，其配置成朝該物體投射高頻電磁能；和準直器，其安置在該高頻電磁能投射源與該物體之間并且配置成使高頻電磁能束整形，該準直器包括一對葉片。該CT系統還包括檢測器陣列，其配置成檢測穿過該物體的高頻電磁能并且響應于此而產生檢測器輸出；數據采集系統(DAS)，其連接到該檢測器陣列并且配置成接收該檢測器輸出；以及圖像重建器，其連接到該DAS并且配置成從該DAS接收的檢測器輸出重建物體的圖像。關于準直器，準直器的每個葉片進一步包括金屬底座，其由第一材料形成并且在其上包括在其中形成的多個幾何特征；和插入物，其機械耦合于該底座并且由具有大于第一材料的材料密度的材料密度的輻射阻擋材料形成，其中該插入物通過多個幾何特征機械耦合于該金屬底座，使得葉片不包含用于耦合該金屬底座和該插入物的粘合劑和緊固件。該書面說明使用示例來公開本發明，其包括最佳模式，并且還使本領域內技術人員能夠實踐本發明，包括制作和使用任何裝置或系統和執行任何包含的方法。本發明的專利范圍由權利要求限定，并且可包括本領域內技術人員想到的其他示例。這樣的其他示例如果它們具有不與權利要求的書面語言不同的結構元件，或者如果它們包括與權利要求的 書面語言無實質區別的等同結構元件則規定在權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種用于在計算機斷層攝影(CT)系統中使X射線束整形的患者前準直器(50)，所述患者前準直器(50)包括 底座(52)，其由第一材料組成，所述第一材料具有第一材料密度；和 插入物(54)，其機械耦合于所述底座(52)并且由第二材料組成，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擋高頻電磁能的可模塑材料； 其中所述底座(52)包括多個結構特征(56，58，60)，所述插入物(54)通過所述結構特征(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與所述多個結構特征(56，58，60)的連接以機械耦合所述底座(52)和所述插入物(54)。
2.如權利要求I所述的患者前準直器(50)，其中所述底座(52)的所述多個結構特征(56，58，60)包括 在所述底座(52)中形成的多個掏槽(56);以及 形成通過所述底座(52)的多個孔(58)，所述孔(58)具有在其上形成的沉孔(60)。
3.如權利要求2所述的患者前準直器(50)，其中所述插入物(54)包括 面(66)，其具有在其相對的端上的突起(68)，所述突起￠8)配置成與在所述底座(52)中形成的所述掏槽(56)配合；以及 多個錨(70)，其從所述面￠6)向外延伸，所述錨(70)配置成延伸通過所述孔(58)，所述孔(58)形成通過所述底座(52)。
4.如權利要求3所述的患者前準直器(50)，其中所述多個錨(70)中的每個進一步包括安置在遠離所述面￠6)的所述錨(70)的端處的圓形法蘭(74)，每個圓形法蘭(74)配置成與所述底座(52)的相應的沉孔￠0)配合。
5.如權利要求I所述的患者前準直器(50)，其中所述底座(52)和所述插入物(54)形成準直器葉片(51)，并且其中所述患者前準直器(50)包括一對準直器葉片(51)，其中孔徑(53)位于所述一對準直器葉片(51)之間。
6.如權利要求5所述的患者前準直器(50)，其中所述準直器葉片(51)中的至少一個的位置是能調整的，使得所述孔徑(53)的尺寸和形狀能變化以便當高頻電磁能束穿過所述孔徑(53)時使所述高頻電磁能束整形。
7.如權利要求I所述的患者前準直器(50)，其中所述第一材料包括鋁和/或鋼中的一個。
8.如權利要求I所述的患者前準直器(50)，其中所述第二材料包括鎢浸潰塑料。
9.如權利要求I所述的患者前準直器(50)，其中所述準直器(50)不包含用于使所述插入物(54)機械耦合于所述底座(52)的粘合劑或緊固件。
10.如權利要求I所述的患者前準直器(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個。
全文摘要
本公開涉及復合材料X射線準直器及其制造方法。公開了用于在計算機斷層攝影(CT)系統中使x射線束整形的復合材料患者前準直器(50)。該患者前準直器(50)包括底座(52)，其由第一材料組成，該第一材料具有第一材料密度；和插入物(54)，其機械耦合于該底座(52)并且由第二材料組成，該第二材料包括具有大于該第一材料密度的第二材料密度并且足以阻擋高頻電磁能的可模塑材料。該底座(52)包括多個結構特征(56，58，60)，該插入物(54)通過這些結構特征(56，58，60)模塑到該底座(52)，其中該插入物(54)的可模塑材料形成與這些多個結構特征(56，58，60)的連接以機械耦合該底座(52)和該插入物(54)。
文檔編號A61B6/03GK102760505SQ20121013835
公開日2012年10月31日 申請日期2012年4月26日 優先權日2011年4月26日
發明者N·德米亞諾維奇二世 申請人:通用電氣公司