CZ2013607A3 - Víceosé zařízení pro provádění rentgenových měření zejména počítačové tomografie - Google Patents

Abstract

Víceosé zařízení pro provádění rentgenových měření zejména počítačové tomografie umožňuje měření objektů pomocí techniky rentgenového snímání DSCT (dual-source computed tomography) i DECT (dual-energy computed tomography) v reálném čase a zachovat přitom variabilitu nastavení geometrie a rozlišení jako při standardním uspořádání mikro-CT s rotací zkoumaného objektu. Podstatou vynálezu je dvojice zdrojů rentgenového záření (19, 23) a dvojice detektorů (11, 13) otočených vůči sobě o 90.degree. (uspořádaných do kříže). Uprostřed této sestavy je umístěn rotační stolek (8), na němž je umístěn zkoumaný objekt. Systém polohování celé sestavy je řešen tak, aby bylo možné vždy snímat objekt současně oběma zdroji rentgenového záření, přičemž nastavení geometrie na obou hlavních směrech je navzájem zcela nezávisle. Vynález je tvořen dvojice polohovacích os (2, 3) nesoucí zvedáky rentgenek (18, 22) se dvěma rentgenkami (19, 23). Nezávislé polohování vzorku a detektorů je zajištěno polohovacím systémem tvořeným horizontálními polohovacími osami (4, 6, 7, 9) a svislými osami (10, 12) nesoucími upevňovací mechanismy detektorů umožňující jejich natáčení ve svislé rovině.

Description

VÍCEOSÉ ZAŘÍZENÍ PRO PROVÁDĚNÍ RENTGENOVÝCH MĚŘENÍ ZEJMÉNA POČÍTAČOVÉ TOMOGRAFIE

Oblast techniky

Vynález je tvořen víceosým zařízením pro provádění radiologických měření zejména počítačové tomografie. Vynález spadá do oblasti měření s využitím rentgenového záření, tedy zobrazováním zkoumaných objektů pomocí rentgenových paprsků a zejména tvorby digitalizovaných modelů vnitřní struktury pomocí počítačové tomografie.

Dosavadní stav techniky

V současné době existuje řada zařízení umožňující provádět radiografická měření i počítačovou tomografii (CT - computed tomography) zkoumaného objektu. Nejširší uplatnění nacházejí tato zařízení v lékařství, kde se stala nenahraditelnými diagnostickými nástroji. Techniky zkoumání objektů pomocí rentgenového záření se ovšem stále více uplatňují i v průmyslových odvětvích, kde jsou využívány např. pro nedestruktivní inspekci materiálů a konstrukcí, při výstupní kontrole výrobků nebo pro tvorbu 3D modelů zkoumaných předmětů a jejich vnitřní struktury. Principy zařízení zobrazujících pomocí rentgenového záření jsou stejné jako v medicíně.

Snaha zrychlit a zkvalitnit výstupy CT vedla v nedávné době ke vzniku zařízení s několika zdroji rentgenového záření (zpravidla 2) [1]. Tato zařízení se dají rozdělit na 2 skupiny: zařízení na principu DSCT (Dual Source CT) a DECT (Dual Energy CT). DSCT představuje skenování pomocí 2 zdrojů pracujících na stejném anodovém napětí a 2 detektorů. Potřebný čas měření se redukuje na polovinu oproti použití jednoho zdroje. DECT je technika skenování dvěma zdroji pracujícími na různém anodovém napětí. Na zkoumaný objekt tak dopadá záření o různých energiích. Toto uspořádání umožňuje lépe rozlišit a identifikovat vnitřní strukturu zkoumaného objektu skládající se z částí s rozdílným útlumem záření (v medicíně např. kosti, cévy, tukovou tkáň) [1]. Zařízení pracující na těchto principech jsou známá a jejich provedení lze najít v dokumentech např.: US5966422, US20120082289, US20040213371, EP0231037, US7473901, US7440547, US7016455, US7970096, US20120269317, US20120236987, EP0231037, US6869217, WO2013032172, US8308361, US4982415. Metoda měření dual energy je využívána i při jiných rentgenových metodách nejen CT, viz např. dokument EP1380260.

U CT měření v průmyslových aplikacích se uplatňuje většinou obrácené uspořádání základních prvků než v lékařství. Zatímco v lékařství se při tomografii otáčí rentgenový zdroj a detektor okolo pacienta, u průmyslového využití se s výhodou používá uspořádání, kdy se otáčí zkoumaný objekt umístěný na rotačním podstavci a je ozařován jedním zdrojem záření [2] s obvykle kónickým tvarem rentgenového svazku. Rentgenkou i detektorem je možné pohybovat minimálně po jedné společné ose s rotačním podstavcem. Toto uspořádání umožňuje nastavit výslednou geometrii zařízení, a tím ovlivňovat snímanou oblast objektu i jeho zvětšení. Rentgenová měření v tomto uspořádání dosahují vysoké přesnosti a jsou používána k měření ve vysokém rozlišení (mikrometry). Nevýhodou řešení je potom fakt, že nelze aplikovat metody DSCT a DECT v reálném čase (měření DECT se musí provádět dvakrát, nejprve na jedné energii, potom na energii druhé). Tyto metody jsou průmyslově rovněž využívány a zařízení jsou řešena obdobným způsobem uvedeným v předchozím odstavci. Nevýhodou potom zůstává skutečnost, že při provádění DSCT nebo DECT (v reálném čase se současným ozařováním ze dvou zdrojů) se otáčí zdroje záření a detektory

kolem stacionárně umístěného objektu. To znemožňuje variabilní nastavení geometrie snímání a omezuje rozsah jeho rozlišení.

Na základě uvedených faktů lze tvrdit, že v současné době neexistuje zařízení, které by umožňovalo měření a provádění tomografie metodami DSCT a DECT (v reálném čase) se stejnou variabilitou nastavení geometrie a zvětšení jako při standardním uspořádání s rotací zkoumaného objektu.

[1] Ullmann, V.: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření [2] L. A. Feldkamp, L. C. Davis, and J. W. Kress: Practical conebeam algorithm, J. Opt. Soc. Am. A, vol. 1, pp. 612-619, June 1984

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je umožnit měření objektů pomocí techniky rentgenového snímání DSCT i DECT (v reálném čase) a zachovat přitom variabilitu nastavení geometrie a rozlišení jako při standardním uspořádání s rotací zkoumaného objektu. Vynález má umožnit především CT objektů ve vysokém rozlišení (1 pixel detektoru zaznamenává řádově mikrometry skutečného objektu) s využitím obou zmíněných technik.

Vynález vychází zvláštností uspořádání standardní mikro-tomografické sestavy, kde je zkoumaný objekt umístěn na rotačním stolku. Podstatou vynálezu je dvojice zdrojů rentgenového záření a dvojice detektorů otočených vůči sobě o 90° (uspořádaných do kříže). Uprostřed této sestavy je umístěn rotační stolek, na němž je umístěn zkoumaný objekt. Systém poloho vání celé sestavy je řešen tak, aby bylo možné vždy snímat objekt současně oběma zdroji rentgenového záření, přičemž nastavení geometrie na obou hlavních směrech je navzájem zcela nezávislé. Oba zdroje rentgenového záření se mohou pohybovat ve 2 translačních směrech, oba detektory ve 3 translačních směrech a 1 rotačním směru a rotační stolek ve 2 translačních směrech a 1 rotačním směru. Principiálně vynález vychází ze standardního uspořádání jednoosých mikro-tomografických sestav, avšak pro sestavu se 2 rentgenkami a 2 detektory je systém poloho vání řešen zcela odlišně. Nejedná se tak pouze o zdvojenou mikro-tomografickou sestavu, ale o zcela nový systém. Základní půdorysné schéma vynálezu a jeho pohybů v půdorysné rovině je znázorněno na obrázku 1. Poloha obou detektorů i obou rentgenek je výškově stavitelná. Oba detektory mají systém naklápění kolem osy svého zavěšení, aby bylo možné při měření synchronizovat svislou osu vzorku se svislou osou detektorů. Schéma těchto pohybů je znázorněno na obrázku 2. Standardní mikrotomografické sestavy disponují uspořádáním na jedné společné ose (tj. rentgenka, rotační stolek i detektor jsou umístěny na společném vedení), detektor a rentgenka jsou výškově stavitelné a detektor je zpravidla vybaven ještě korekčním pohybem do stran. Naproti tomu u popisovaného vynálezu jsou rentgenky (se svými zvedáky) umístěny na vlastních stranových vedeních A a B mimo hlavní křížovou sestavu. Vedle nezávisle vedených rentgenek je situován hlavní polohovací kříž, jenž je tvořen spodním patrem C zajišťujícím pohyb ve směru osy X. Na spodní patro C je umístěna dvojice os D a E kolmých k ose X pro pohyb ve směru Y, z nichž každou lze nezávisle pohybovat po ose X. Na ose D je umístěna deska F nesoucí rotační stolek a korekční osa G umožňující stranový pohyb (ve směru osy X) svislé osy H nesoucí celou sestavu polohování detektoru. Pohyb desky F a korekční osy G po ose D je navzájem zcela nezávislý. Poslední prvek tvoří svislé osy H a I, z nichž každá nese upevňovací mechanismus detektoru umožňující jeho naklápění. Schéma uspořádání systému polohování je znázorněno na obrázku 3. Výhodou tohoto řešení pohybů celé sestavy je větší variabilita nastavení geometrie a především skutečnost, že je dosaženo dvojnásobného rozsahu vzdáleností rentgenka - rotační stolek a rotační stolek - detektor, a tím i dvojnásobného rozsahu zvětšení, než by bylo získáno u uspořádání obou os do prostého kříže se stacionární polohou rotačního stolku uprostřed sestavy. Půdorysná plocha sestavy je efektivněji využita.

Vynález je osazen dvěma různými průmyslovými zdroji rentgenového záření, které umožňují libovolné nastavení energií záření v rámci svých parametrů, a tak umožnit měření technikou DSCT i DECT v celém spektru energií. Zároveň je díky variabilitě a nezávislosti nastavení geometrie na obou hlavních směrech možné snímat jeden objekt současně při dvou zcela rozdílných nastaveních všech parametrů. Tak je například možné na prvním detektoru zaznamenávat radiogramy s jiným zvětšením, než na druhém. Závěsný systém detektoru je s výhodou konstruován tak, aby na naklápěnou desku bylo možné umístit několik druhů detektorů (tj. mechanismus naklápění i ostatní polohování není pevně spojeno s detektorem a ten lze jednoduše ze sestavy vyjmout), a tak využít detektor s nej vhodnějšími parametry pro příslušnou aplikaci. Oba zdroje rentgenového záření jsou s výhodou opatřeny i zařízením na měření korekcí tvrdnutí rentgenového svazku (BH - beam hardening) a pro tvarování svazku (beam shaping).

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 - základní schéma pohybů vynálezu v půdorysné rovině Obr. 2 - základní schéma pohybů vynálezu v pohledu šikmo shora Obr. 3 - schéma uspořádání systému polohování celé sestavy

Obr. 4 - izometrický pohled celé sestavy

Příklad provedení vynálezu

Provedení umístěné na antivibračním stole s polohováním modulárním systémem lineárního vedení a kuličkových šroubů

Součástí vynálezu je s výhodou anti vibrační stůl 1 s pneumatickým vibroizolačním tlumením v nohách. Na stole je umístěna celá sestava, a proto není měření ovlivněno vibracemi prostředí (od podlahy místnosti apod.). Antivibrační stůl je opatřen sítí závitových děr, kterých je využito pro připevnění všech pohybových os situovaných v sestavě nejníže. Každá hlavní pohybová osa (tj. s výjimkou os naklápění detektorů tvořených krokovými aktuátory 16 a zvedáků rentgenek 18 a 22) je tvořena integrální rámem z extrudované hliníkové slitiny, v němž je umístěna dvojice kolejnic lineárního vedení a kuličkový šroub (případně dvojice kuličkových šroubů). Kuličkový šroub je spojen přes pružnou spojku bez vůle s krokovým motorem specifikace NEMA23. Součástí každé osy je energetický řetěz (případně energetické řetězy) pro přivedení napájecích, zabezpečovacích a datových vodičů k jednotlivým prvkům sestavy, koncové spínače a systém pro měření absolutní polohy jednotlivých prvků sestavy. Ten v reálném čase bez nutnosti další reference udává přesnou polohu celé sestavy. Toho je využito pří řízení sestavy i pro přesné zjištění geometrických vztahů mezi jednotlivými prvky sestavy, jejichž znalost je klíčová pro zpětnou rekonstrukci nasnímaných projekcí. Všechny matice kuličkových šroubů jsou předepjaté a jejich stoupání spolu s krokovým motorkem a jeho řízením jsou zvoleny tak, aby bylo dosaženo maximální přesnosti nastavení polohy (řádově jednotky mikrometrů). Na antivibrační stůl 1 jsou přišroubovány osy stranového pohybu rentgenek 2, 3 a spodní patro hlavního kříže tvořené integrální osou 4 (uprostřed) vybavenou dvěma kuličkovými šrouby. Kvůli velkému rozponu je spodní patro vybaveno dvěma podpůrnými kolejnicemi lineárního vedení 5 (na stranách). Na spodním patře jsou umístěny osy 6 a 7. Osa 7 je určena pro polohování rotačního stolku 8 a korekční osy 9. Na ose 6 je umístěna jedna ze svislých os 10 pro zajištění svislého pohybu jednoho z detektorů

11. Ultra přesný rotační stolek 8 je vybaven vzduchovým ložiskem a je schopen se polohovat s opakovatelností nastavení polohy < 1 arcsec a přesností nastavení polohy 2 arcsec. Parametry stolku garantují přesnost natočení a umožňují sběr dat pro tomografickou rekonstrukci vnejvyšším rozlišení. Korekční osa 9 umožňuje jemnou stranovou korekci polohy detektoru vůči rotačnímu stolku. Na ose 6 není korekční osa potřebná, protože tuto korekci je možno provádět v dostatečné přesnosti přímo pohybem po ose 6. Na korekční ose 9 je umístěna svislá osa 12 pro vertikální polohování druhého detektoru 13. Oba detektory 11 a 13 jsou připevněny na desky 14 s univerzálními úchyty (Pozn.: v izometrickém pohledu na obrázku 4 nejsou deska pro připevnění druhého detektoru ani systém naklápění patrné. Systém zavěšení detektorů včetně jejich naklápění je u obou detektorů zcela totožný, proto je jeho technické řešení popisováno pouze u jednoho z detektorů). Univerzálnost desky 14 umožňuje s výhodou libovolně měnit v sestavě druhy detektorů a osadit tak nezávisle oba hlavní směry detektory, které jsou pro prováděné měření nejvhodnější. Deska 14 je do svislé osy 12 připevněna pomocí radiálně - axiálního ložiska 15. Toto ložisko umožňuje naklápění detektoru. Systém naklápění je motorizován pomocí krokového aktuátoru 16. Z krokového aktuátoru je vysouván trapézový šroub s oblým zakončením. Ten se opírá o protikus v jezdci osy 12. Vysouváním šroubu aktuátoru dochází k naklápění detektoru. Kontakt dříku trapézového šroubu krokového aktuátoru a protikusu je zajištěn pomocí předpětí tažnou pružinou 17.

Na ose 2 pro stranový pohyb rentgenky je umístěn vertikální zvedák 18 rentgenky 19. Zdvih zvedáku je realizován pomocí přesného trapézového šroubu poháněného přes ozubený řemen krokovým motorem specifikace NEMA23. Přesnost nastavení polohy zvedáku je kvůli pohonu přes ozubený řemen nižší než u integrálních os vybavených kuličkovým šroubem (řádově setiny mm). Únosnost zvedáku dosahuje 100 kg a umožňuje tak zdvih výkonných rentgenek o hmotnosti cca 65 kg. Nižší přesnost nastavení polohy na zvedáku je kompenzována pomocí svislých os 10 a 12 detektorů. Nejprve dochází kméně přesnému nastavení výškové polohy rentgenky, a potom kjemnému doladění vzájemné polohy detektoru a rentgenky na přesné ose. Zvedák je rovněž opatřen koncovými spínači a zařízením pro snímání absolutní polohy pomocí magnetického pásku. Na horní desce zvedáku 18 je umístěna micro-focus rentgenka 19 s možností plynulého nastavení parametrů rentgenového záření (anodové napětí 10 - 160kV) a zařízení 20 pro polohování kotouče 21 s filtry RTG svazku sloužících pro provádění BH korekce a tvarování svazku. Na ose 3 pro stranový pohyb rentgenky je umístěn zvedák 22 rentgenky 23. Zvedák 22 je totožný se zvedákem 18. Na horní desce zvedáku 22 je připevněna rentgenka 23 s možností plynulého nastavení parametrů rentgenového záření. Rentgenka 23 je výkonnější než rentgenka 19 a může dosáhnout vyššího anodového napětí (10 - 240kV). Rozdílnost výkonů obou rentgenek i možnost dodatečné výměny jejích předních (vyzařovacích) částí umožňují vysokou variabilitu měření s využitím technik DSCT a DECT. Na horní desce zvedáku 22 je rovněž umístěno zařízení 24 pro polohování kotouče 25 s vzorky materiálu pro provádění korekce tvrdnutí svazku a pro jeho tvarování. Zařízení 20 i 24 jsou připevněna na otočném rameni a lze je jednoduše odklopit v případě měření, která BH korekci nebo tvarování svazku nevyžadují. Kotouče 21 a 25 jsou záměnné a snadno vyměnitelné.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle vynálezu lze použít pro provádění mikro-radiografických měření s využitím technologií DSCT i DECT v reálném čase. Oproti standardním zařízením měřícím těmito technologiemi a využívajícím rotaci rentgenek a detektorů na společné ose ale vynález umožňuje stejnou variabilitu nastavení jako jednoosé zařízení pro mikro-tomografíi. Metody měření technologiemi DSCT aDECT v reálném čase tak mohou být s využitím vynálezu použity v rozlišení a aplikacích, které konvenční zařízení dosud neumožňovala. Vynález umožňuje např. zrychlení provádění mikro-tomografických měření při použití obou rentgenek (současné snímání 2 natočení vzorku), provádění měření DECT ve vysokém rozlišení v reálném čase nebo současné snímání vzorku při 2 zcela rozdílných ozařovacích geometriích. Další možností je současná tomografie velkého celku i jeho detailu, nebo sledování rychlých dějů v celkovém pohledu a detailu. Tyto vlastnosti vynálezu lze využít např. k tvorbě digitálních modelů zachycujících detailně složitou vnitřní mikro-strukturu materiálů a jejich následnému využívání pro výpočty, DE (dual energy) snímání vzorků v reálném čase bez nutnosti provést stejné měření znovu na jiné energii nebo k identifikaci materiálových fází ve vzorku.

Seznam vztahových značek

Obr. 3

A. - stranové vedení rentgenky 1 (pohyb podél Y)

B. - stranové vedení rentgenky 2 (pohyb podél X)

C. - spodní patro (pohyb podél X)

D. - osa s rotačním stolkem a korekční osou (pohyb podél Y)

E. - osa nesoucí sestavu detektoru 1 (pohyb podél Y)

F. - deska nesoucí rotační stolek (pohyb podél Y)

G. - korekční osa (pohyb podél X)

H. - svislá osa detektoru 2 (pohyb podél Z)

I. - svislá osa detektoru 1 (pohyb podél Z)

Obr. 4 (1) - anti vibrační stůl (2) - osa stranového pohybu rentgenky 1 (3) - osa stranového pohybu rentgenky 2 (4) - integrální osa spodního patra (5) - podpůrné kolejnice lineárního vedení (6) - osa pro vodorovný pohyb detektoru 1 (7) - osa pro polohování rotačního stolku a korekční osy detektoru 2 (8) - rotační stolek (9) - korekční osa detektoru 2 (10) - svislá osa detektoru 1 (11) - detektor 1 (12) - svislá osa detektoru 2 (13) -detektor2 (14) - deska pro zavěšení detektorů (15) - radiálně - axiální ložisko (16) - krokový aktuátor (17) - tažná pružina (18) - zvedák rentgenky 1 (19) -rentgenkal (20) - zařízení pro polohování kotouče se vzorky pro BH korekci (21) - kotouč se vzorky pro BH korekci (22) - zvedák rentgenky 2 (23) -rentgenka2 (24) - zařízení pro polohování kotouče se vzorky pro BH korekci (25) - kotouč se vzorky pro BH korekci

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY l,>Víceosé zařízení pro provádění rentgenových měření zejména počítačové tomografie vyznačující se tím, že se skládá ze dvou navzájem kolmých avšak neprotínajících se polohovacích os (2) a (3) pro polohování rentgenek, na nichž jsou umístěny zvedáky (18) a (22), na zvedácích jsou umístěny rentgenky (19) a (23), vedle polohovacích os (2) a (3) je umístěn hlavní polohovací kříž tvořený polohovací osou (4) rovnoběžnou s polohovací osou (2), na níž jsou připevněny kolmo k polohovací ose (4) (tj. rovnoběžně s polohovací osou (3)) navzájem nezávisle polohovací osa (6) a polohovací osa (7), polohovací osa (6) pohybuje se svislou polohovací osou (10), která zvedá upevňovací mechanismus jednoho ze dvou detektorů (11), polohovací osa (7) pohybuje nezávisle s rotačním stolkem (8) a stranovou korekční osou (9) kolmou k polohovací ose (7), na korekční ose (9) je umístěna svislá osa (12) zvedající upevňovací mechanismus druhého detektoru (13), upevňovací mechanismus obou detektorů (11) a (13) umožňuje jejich naklápění a jsou jím vybaveny obě svislé polohovací osy (10), (12), detektory (11) a (13) jsou ke svislým osám (10) a (12) připevněny pomocí upevňovacího mechanismu.
2. 2kZařízení podle nároku 1 vyznačující se tím, že upevňovací mechanismus obou detektorů (11) a (13) se skládá z radiálně-axiálního ložiska (15) připevněného do svislé polohovací osy a desky (14) s univerzálními úchyty pro detektor, dále z aktuátoru (16) připevněného na desce (14) provádějícího naklápění detektoru a tažné pružiny (17) zajišťující stabilitu a předpětí mechanismu upevnění detektoru.

   IfZařízení podle nároku 1 vyznačující se tím, že rentgenky (19) a (23) jsou osazeny zařízením (20) a (24) otáčejícím s kotoučem (21) a (25) vybaveným filtry RTG svazku pro provádění BH korekce a tvarování svazku.
3. 4.f Zařízení podle nároku 1 vyznačující se tím, že upevňovací desky (14) detektorů jsou vybaveny univerzálním uchycením kompatibilním s více detektory a umožňují jejich snadnou výměnu.