ES2966150T3

ES2966150T3 - Sistema de anillo móvil de formación de imágenes

Info

Publication number: ES2966150T3
Application number: ES19202618T
Authority: ES
Inventors: Heinrich Deutschmann; Joachim Spielbichler; Phillip Steiniger; Michael Hubauer; Daniel Kellner; Daniel Schaffarzick; Mathias Kraihamer; Ivan Messner; Stefan Vilsmeier
Original assignee: Medphoton GmbH
Current assignee: Medphoton GmbH
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2024-04-18
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: EP3646793B1; EP3646793A2; EP4285827A3; EP4285827A2; EP3646793A3

Abstract

La presente invención proporciona un sistema de imágenes móvil para obtener imágenes de pacientes en intervenciones médicas que comprende un pórtico de anillo con una pluralidad de anillos que giran independientemente mientras que un primer anillo giratorio posiciona una fuente de rayos X con colimador y un segundo anillo giratorio posiciona un detector de imágenes de manera que la región de interés (paciente) se puede colocar descentrada con respecto al centro del anillo. El sistema admite imágenes de rayos X planas y adquisiciones de tomografía computarizada (CT) y CT de haz cónico (CBCT) de volúmenes tridimensionales (3D) con campos de visión de rayos X (FOV) variables adaptados a regiones de interés (ROI), que No es necesario que tengan forma cilíndrica. El sistema móvil puede equiparse con cámaras estereoscópicas integradas en el pórtico y anillos móviles para apoyar el seguimiento óptico y la navegación de los instrumentos dentro del mismo sistema de coordenadas de información de rayos X. El pórtico puede equiparse con sensores adicionales y manipuladores robóticos en otros anillos que operan en dicho sistema de coordenadas sobre una plataforma móvil. El pórtico proporciona una interfaz mecánica y eléctrica genérica para una estructura de soporte, que se puede conectar a una variedad de plataformas de movilidad para respaldar el posicionamiento robótico del sistema en varias orientaciones del escáner en salas de tratamiento para acomodar una amplia gama de configuraciones de pacientes, incluida la Posibilidad de realizar exploraciones inclinadas y verticales de pacientes en posición vertical. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de anillo móvil de formación de imágenes

La presente invención se refiere a un sistema de anillo móvil de formación de imágenes que comprende un pórtico en forma de anillo con anillos exteriores que giran independientemente para colocar los brazos, mediante lo cual un primer brazo lleva una fuente de rayos X con colimador y un segundo brazo lleva un detector de imágenes de rayos X. El sistema se puede usar para formación de imágenes de rayos X planas o escaneos volumétricos en tomografía computarizada (CT) con haces en abanico o haces cónicos (CBCT). El pórtico tiene un diámetro de orificio muy grande pero ocupa poco espacio, es simultáneamente delgado en diámetro exterior y longitud y liviano para acomodar formación de imágenes flexibles de pacientes en diversas configuraciones y escenarios según sea necesario durante las intervenciones médicas, tal como radioterapia o cirugía en situaciones estrechas con espacio limitado en salas de operaciones (OR). Estas propiedades, que se logran gracias al diseño especial del pórtico de anillo, son una ventaja en comparación con las unidades de CT médicas convencionales de la técnica anterior, que son más voluminosas, más pesadas y limitadas en tamaño de orificio, movilidad, flexibilidad y aplicaciones. Por ejemplo, en braquiterapia del cáncer ginecológico o rectal, con el paciente orientado en posición supina con los pies primero (FFS) hacia el pórtico, el factor de forma delgado y el gran orificio del sistema abren espacio para el terapeuta y brindan acceso al paciente y a los aplicadores desde el lado trasero del pórtico, lo cual es difícilmente posible con pórticos CT cerrados. En comparación con los brazos en C o en O móviles, la geometría del anillo cerrado proporciona una estructura rígida y tiesa, lo cual es esencial para lograr la mayor precisión y resolución espacial de los volúmenes reconstruidos.

El documento US 2014/0046212 A1 divulga un sistema de formación de imágenes médicas que comprende un medio de guía para guiar un carro a lo largo de la dirección longitudinal de una camilla para pacientes, y un sistema de anillo de formación de imágenes con un anillo de carro fijado al carro, un primer anillo giratorio que lleva una primera unidad de formación de imágenes, y un segundo anillo giratorio que lleva una segunda unidad de formación de imágenes.

El documento WO 2010/078481 A1 divulga un dispositivo móvil de formación de imágenes médicas que permite unir múltiples estructuras de soporte y en el que el pórtico de formación de imágenes está indexado con respecto al paciente trasladándose hacia arriba y hacia abajo en el eje del paciente.

La invención se define en la reivindicación independiente 1; las reivindicaciones dependientes definen realizaciones de la invención.

Específicamente, la invención proporciona un sistema de anillo móvil de formación de imágenes que comprende un pórtico con forma de anillo cerrado. El pórtico comprende un anillo interior, un anillo estacionario central, un anillo fuente dispuesto en un lado y configurado para poder girar independientemente a lo largo del anillo estacionario central, en donde una fuente de radiación está montada en el anillo fuente de manera que la fuente de radiación pueda girar alrededor del pórtico girando el anillo fuente, y un anillo detector dispuesto en el otro lado y configurado para girar independientemente a lo largo del anillo estacionario central, en donde un detector de radiación está montado en el anillo detector de modo que el detector de radiación pueda girar alrededor del pórtico girando el anillo detector. El anillo estacionario central, el anillo fuente y el anillo detector están previstos en la superficie exterior del anillo interior. El sistema comprende además una estructura de soporte unida al anillo estacionario central que lleva el pórtico en forma de anillo, estando montado el pórtico en la estructura de soporte de manera que un plano definido por la forma de anillo del pórtico sea inclinable con respecto a la estructura de soporte. El detector está sostenido por un brazo detector que está plegado hacia el orificio interior del pórtico. Preferentemente, el detector y la fuente están montados en los anillos detector y fuente, respectivamente, de modo que sus movimientos no interfieran entre sí ni con la estructura de soporte al girar independientemente los anillos detector y fuente alrededor de toda la circunferencia del pórtico.

Cada uno de los anillos detector y fuente giratorios puede ensamblarse además con el anillo central estacionario usando un cojinete de bolas. Los anillos giratorios son preferentemente anillos de rueda dentada que se adaptan a una correa dentada circulante accionada por un piñón dentado de un motor.

La fuente puede sostenerse mediante un brazo fuente montado en el anillo fuente, en donde el brazo fuente se extiende hacia un lado del pórtico y el brazo detector se extiende hacia el lado del pórtico opuesto al lado donde se extiende el brazo fuente. El brazo fuente está preferentemente plegado hacia el orificio interior del pórtico, lo que permite colocar el detector en el mismo lado del pórtico que la fuente y opuesto a la fuente o en cualquier ángulo desviado de la posición opuesta, hasta 180° inclusive.

La estructura de soporte puede alojar una fuente de alimentación tal como una batería, controles de accionamiento, componentes inversores, un controlador para procesamiento de señales, y/o un ordenador para procesamiento de imágenes. Preferentemente, el pórtico puede ser un pórtico universal que preferentemente tiene una interfaz mecánica genérica y una interfaz eléctrica genérica con la estructura de soporte. Por tanto, el pórtico universal se puede combinar con una variedad de plataformas de movilidad desconectando/conectando la unión mecánica y los cables eléctricos, p. ej., cables de alimentación y señal, que discurren entre el pórtico y las estructuras de soporte alternativas. La conexión eléctrica entre el detector y la fuente con componentes eléctricos alojados en la estructura de soporte podrá realizarse mediante cables planos insertados en el pórtico, en donde la longitud de los cables planos corresponde preferentemente al menos a la circunferencia del pórtico para permitir al menos una rotación completa de los anillos detector y fuente.

La estructura de soporte puede comprender al menos dos patas que permitan que la estructura de soporte se apoye en el suelo o esté unida a un carro sobre raíles. Cada pata puede tener una, preferentemente motorizada, articulación de cadera en conexión con la estructura de soporte, permitiendo así inclinar el pórtico de manera que el plano definido por la forma de anillo del pórtico esté en un intervalo mínimo de -90° a 90° con respecto a la estructura de soporte.

La estructura de soporte puede comprender medios estabilizadores para establecer una posición estable del sistema cuando está parado en el suelo. Esto se puede conseguir preferentemente mediante sensores de carga.

La estructura de soporte puede comprender además medios móviles para permitir un movimiento controlado del sistema. Preferentemente, los medios móviles comprenden ruedas, preferentemente ruedas motorizadas, o un robot cuadrúpedo o hexápodo.

El sistema puede comprender además un sistema de seguimiento para determinar la posición y orientación del pórtico con respecto a un sistema de coordenadas de la habitación.

En el pórtico también puede estar dispuesto al menos un anillo giratorio adicional. El anillo adicional puede montarse con un brazo robótico para sostener instrumentos adicionales tal como un sensor ecográfico, un escáner de superficie, un segundo detector, una segunda fuente, una cámara, un proyector de vídeo, una fuente de luz, un microscopio, o herramientas para ayudar o realizar activamente cirugía robótica guiada por imágenes o radioterapia guiada por imágenes.

El sistema puede comprender además un sistema láser móvil en el brazo detector. El sistema láser puede comprender cuatro láseres de línea conmutables, pivotantes y móviles de forma independiente montados en cuatro carros sobre raíles paralelos al área activa del detector. Los planos definidos por los láseres de línea pueden por tanto seguir la fuente giratoria independientemente y/o las mordazas del colimador para proyectar una cruz filar del campo de rayos X o el campo de visión ajustado sobre la piel de salida del paciente.

El sistema puede comprender además cámaras montadas en el anillo interior y/o el brazo detector y/o el brazo fuente y/o la estructura de soporte y/o los controles manuales. Las cámaras se pueden usar para proporcionar información de seguimiento geométrico sobre el paciente, instrumentos y/o espacio en el sistema móvil de coordenadas de formación de imágenes, basado en el anillo, para la navegación de instrumentos y/o componentes móviles del sistema de formación de imágenes. Esto puede incluir el posicionamiento de láseres de línea, fuente, detector, mordazas y brazos robóticos, así como el propio sistema móvil de formación de imágenes.

Se puede usar una estructura de raíles independiente montada en la habitación con inclinación ajustable con respecto al suelo con carro y medios de acoplamiento para acoplar y mover el sistema de acuerdo con la presente invención para formación de imágenes en posiciones vertical, inclinada u horizontal.

Así mismo, la presente invención proporciona una rueda de filtro, que gira sincrónicamente con pulsos de rayos X emitidos periódicamente desde una única fuente de rayos X, de modo que un primer pulso de rayos X de baja energía pasa por un primer sector y un segundo pulso de rayos X de alta energía pasa por un sector opuesto de la rueda, teniendo la rueda de filtro un inserto de aire en el primer sector y una filtración de endurecimiento de haz en el sector opuesto para mejorar la formación de imágenes de energía dual. La rueda de filtro se puede usar preferentemente con el sistema de la presente invención, tal como con la fuente de radiación montada en el anillo fuente del sistema de anillo móvil de formación de imágenes. Como alternativa o adicionalmente, la rueda de filtro puede tener un primer inserto de sector que comprende una pluralidad de bloqueadores en forma de anillo alineados concéntricamente con espaciadores de aire y un segundo inserto de sector que comprende la misma pluralidad de bloqueadores en forma de anillo circular con espaciadores de aire concéntricos en forma de anillo, mientras que los anillos del segundo sector están desfasados de modo que después cada primer pulso se bloquea y cada segundo pulso se abre para el haz de rayos X para eliminación de la dispersión de objetos.

La presente invención proporciona además una rejilla de línea antidispersión para eliminar la dispersión de objetos de haces de rayos X primarios, que se puede mover sobre el área activa de un detector de panel plano en tomografía computarizada de haz cónico con un tamaño suficientemente grande para acomodar haces en abanico colimados para realizar esencialmente una CT y que se pueda retraer para realizar una CBCT. La rejilla de línea antidispersión se puede usar preferentemente con el sistema de anillo móvil de formación de imágenes de la presente invención, p. ej., junto con el detector de radiación montado en el anillo detector.

En lo sucesivo en el presente documento, diversos aspectos de la presente invención se describen con más detalle.

Brazos de extensión

Para la presente invención, durante la formación de imágenes, la región de interés (ROI) del paciente está ubicada esencialmente delante y dentro del pórtico de anillo con los brazos de la fuente de rayos X y el detector del sistema extendiéndose en una dirección longitudinal delante del anillo, en paralelo al eje de simetría del anillo. Los brazos giran a lo largo de la circunferencia del pórtico de anillo. El interior, parte delantera y lado trasero del pórtico de anillo no giran. La superficie exterior del pórtico de anillo tiene un anillo estacionario situado en el centro, que proporciona rigidez e interfaces mecánicas y eléctricas a una estructura de soporte, la plataforma de movilidad. Junto a este anillo estacionario, a ambos lados, al menos dos anillos giratorios, el anillo fuente y el anillo detector, están montados en el pórtico de anillo para mover el brazo fuente y el brazo detector de forma independiente. El brazo de la fuente de rayos X se extiende hasta el lado delantero del pórtico de anillo de manera que la fuente de rayos X gira efectivamente delante del pórtico. El brazo detector se extiende desde el anillo detector hasta el lado trasero del pórtico de anillo para permitir la rotación completa del anillo y el brazo sin interferencia con la estructura de soporte unida al anillo estacionario. Para colocar el detector de imágenes frente a la fuente de rayos X delante del pórtico de anillo, el brazo detector se dobla en el lado trasero del pórtico de anillo hacia el orificio interior de manera que el detector, que es un detector de panel plano de silicio amorfo en una realización de la presente invención, gira eficazmente dentro y delante del pórtico de anillo, dejando un pequeño hueco entre el brazo detector y el anillo y también el brazo fuente. Mediante esta disposición, es posible mover la fuente sobre el detector, lo que permite una posición de estacionamiento compacta del sistema con los brazos fuente y detector colocados en el mismo ángulo del pórtico.

Para aplicaciones en radioterapia de haz externo, cuando se requiere formación de imágenes durante la administración del haz en la posición isocéntrica de la sala de tratamiento, o para aplicaciones en intervenciones médicas guiadas por imágenes, donde es necesario formar imágenes del paciente y de los instrumentos manipulados en la ROI mientras se requiere espacio para cirujanos y manipuladores, la distancia extendida del pórtico de anillo a la ROI es beneficiosa y ventajosa en comparación con la técnica anterior. Las unidades de CT convencionales o los sistemas de brazo en O, o brazos en C dejan menos espacio para el equipo médico al menos en un lado de la mesa de la sala de operaciones (OR), si está en su lugar para la formación de imágenes, y no es posible tener la fuente y el detector estacionados simultáneamente debajo de la mesa quirúrgica.

Los brazos se pueden separar de los anillos giratorios para realizar mantenimiento o intercambiarlos con la funcionalidad de un brazo diferente, por ejemplo, si es necesario instalar dos detectores para formación de imágenes PET.

Diseño de pórtico

Para cada uno de los anillos que giran independientemente, un cojinete de bolas preciso de gran diámetro se ensambla con un anillo interior estacionario (el pórtico) y un anillo exterior giratorio, que es un anillo de rueda dentada que coincide con una correa dentada circulante accionada por un piñón dentado en el motor debajo del pórtico. Los brazos están conectados a los anillos de rueda dentada y son accionados independientemente por las transmisiones de correa, los motores tienen frenos y codificadores o resolucionadores para determinar la posición del brazo en los bucles de control del sistema de control de movimiento, y las corrientes del motor se detectan para detectar colisiones. El equipamiento en los brazos, por ejemplo, la fuente de rayos X y el colimador en el brazo fuente o un panel plano en el brazo detector, se alimentan y las señales se conectan a través de un sistema de cables, que consta de cables planos flexibles y duraderos con radios de curvatura bajos. Los cables se insertan en el pórtico en posición de escaneo horizontal desde abajo, donde se ubican las unidades de accionamiento y la estructura de soporte. Desde el punto de inserción, los cables planos usan todo el espacio entre el anillo de pórtico estacionario interior y un anillo giratorio exterior hasta fijarlos al respectivo brazo y guiarlos al equipo del brazo. Debido a la longitud limitada de los cables, el rango máximo de recorrido de los brazos está limitado desde una posición mínima hasta una posición máxima.

La longitud de los cables puede limitarse a menos de una vez la circunferencia del anillo. En tal realización, el brazo solo puede girar una distancia máxima de menos de dos vueltas con el bucle del cable girando menos de una vuelta, dejando así algo de espacio para la inserción y extracción de cables. En este caso, se puede realizar un mecanismo de retracción de cable, que fuerza el bucle de cable a una posición definida con respecto al brazo y al pórtico, ya sea mediante (a) un rodillo de resorte de fuerza constante que tira constantemente del bucle de cable a través de una polea tensora hacia una posición inicial o mediante (b) una correa, que se une al brazo giratorio opuesto a la extracción del cable, yendo a dicha polea tensora en el bucle del cable y de vuelta a una fijación de punto final en el anillo de pórtico estacionario, manteniendo el bucle de cable constantemente en su lugar en el medio ángulo del anillo exterior y el brazo.

Los cables planos pueden ser más largos para permitir un mayor rango de rotaciones, es decir, cuatro giros posibles por brazo, lo cual es beneficioso para adquisiciones de CT de escaneo helicoidal con la fuente rodeando al paciente cuatro veces, proporcionando un FOV longitudinal de un múltiplo de la longitud de un haz en abanico colimado. En una realización de este tipo, la longitud de los cables debe ser dos veces la circunferencia del anillo, lo cual es posible con dos capas de cables planos en el espacio entre el pórtico de anillo estacionario interior y el anillo giratorio exterior con brazo. En este caso, no es posible ningún mecanismo sencillo de retracción del cable y el bucle de cable sólo se guía por la fricción entre cables y anillos, requiriendo una cierta rigidez del manojo de cables en el momento de la flexión del bucle. Similar al concepto de la correa tirando de la polea tensora descrito anteriormente, en otra realización de la invención, se podrían desplegar dos cuerdas en las poleas tensoras del lado izquierdo y derecho de los cables planos. Por tales medios, el bucle de cable se puede mantener constantemente en su lugar en el medio ángulo del anillo exterior y el brazo, sin embargo, el espacio para las cuerdas debe estar separado del espacio para los cables, lo que lleva a una construcción de pórtico un poco más larga.

Los anillos giratorios se pueden conectar con el anillo interior estacionario con un anillo colector para energía y señales a los brazos.

El pórtico está diseñado para proporcionar una interfaz mecánica y eléctrica genérica a una estructura de soporte. En una realización sencilla, el pórtico se puede montar de forma estacionaria en posición horizontal para pacientes tumbados en camas con tableros de camilla que se pueden mover longitudinalmente, como en la CT de la técnica anterior. En otra realización, el pórtico se puede unir en posición vertical sobre raíles verticales para escanear pacientes sentados o pacientes en posición vertical, lo que puede ser relevante en casos de uso ortopédicos (imágenes de la columna, caderas, rodilla bajo carga) o en posición sentada, lo que puede ser relevante en la terapia con partículas (formación de imágenes durante tratamientos oculares). En otra realización, el pórtico se puede unir directamente a raíles orientados horizontalmente en el techo para permitir el escaneo de pacientes tumbados en camas estacionarias, por ejemplo en la terapia de protones, donde los pacientes a menudo se alinean con respecto al isocentro de un haz de tratamiento con sistemas robóticos de colocación de pacientes.

La estructura interna del pórtico debe ser rígida para obtener la máxima resolución espacial en formación de imágenes y ligera para la movilidad. Esto se puede realizar utilizando material compuesto, p. ej., una construcción tipo sándwich alveolar de aluminio para el anillo de pórtico estacionario interior y también para el espacio central entre el anillo interior y el anillo exterior estacionario. La parte delantera y trasera del pórtico de anillo se pueden desmontar mediante un cierre de bayoneta, proporcionando un fácil acceso al sistema de gestión de cables.

Inclinación

De acuerdo con la presente invención, el pórtico está rígidamente unido a una estructura de soporte que se asemeja a una plataforma de movilidad. La estructura de soporte es esencialmente tan delgada como el pórtico en dirección longitudinal y no extenderá la superficie delantera del pórtico, para permitir la libre rotación del brazo de rayos X con la fuente y el colimador enfrente, y proporciona espacio en forma de un hueco circular en la parte delantera y trasera para que los brazos giren. La estructura de soporte se une al anillo estacionario no giratorio en el lado exterior del pórtico, normalmente se encuentra debajo del pórtico si está en posición de escaneo horizontal, pero dejaría suficiente espacio y distancia hasta el suelo para no chocar con la base de las mesas OR si se encuentra en posición frontal durante la formación de imágenes. La estructura de soporte proporciona espacio para fuentes de alimentación, baterías, controles de accionamiento, componentes inversores de rayos X, controlador lógico programable (PLC) para procesamiento de señales y un ordenador incorporado para procesamiento de imágenes y aplicaciones con interfaz de usuario y se mueve con el pórtico.

En una realización de la presente invención, la estructura de soporte está conectada con dos patas a cada lado para transportar el sistema completo. Cada pata tiene una articulación de cadera motorizada en conexión con la estructura de soporte, permitiendo inclinar el pórtico en un intervalo esencialmente equivalente a /- 90° con ambas patas en el suelo. Esto está pensado para usarse en aplicaciones de escaneo vertical, mantenimiento, maniobras de paso y para reducir el tamaño del paquete del sistema en el embalaje y envío. Las patas están inclinadas entre la articulación de cadera y el talón en el suelo para permitir una rotación sin restricciones de la fuente incluso con el pórtico inclinado hacia adelante -30°, por ejemplo. Ambas patas tienen ruedas en la parte inferior de la suela, una rueda en los dedos de los pies, una rueda en el talón. En efecto, el sistema se apoya en cuatro puntos del suelo, en dos patas, que se pueden inclinar de forma independiente en las articulaciones de cadera. Es esencial en aplicaciones de formación de imágenes precisas que ninguna inestabilidad o vibración pueda causar que el pórtico se mueva inesperadamente durante un escaneo, y es importante tener las cuatro ruedas en el suelo, incluso si el entorno hospitalario presenta suelos irregulares o si existe suciedad potencial adherida a una rueda. Para este propósito, la presente invención se adapta a sensores de carga, uno en la pata izquierda y otro en la pata derecha, para medir las fuerzas aplicadas en los dedos de los pies. Si la fuerza en el dedo del pie izquierdo difiere significativamente de la fuerza en el dedo del pie derecho, se puede concluir que el sistema no está estabilizado. Las señales del sensor de carga se procesan en el PLC y las articulaciones de cadera se giran para contrarrestar las patas hasta que se alcanza una posición estable para la formación de imágenes. Como alternativa, en otra realización de la presente invención, si en las cajas de engranajes de las articulaciones de cadera no se usan tornillos sin fin autorroscantes, accionamientos helicoidales o similares, sino accionamientos armónicos o accionamientos cicloides que pueden funcionar en sentido inverso, las corrientes motoras en ambas articulaciones de cadera se pueden detectar y comparar entre la pata izquierda y la derecha para establecer una posición estable.

Movilidad

Aunque las cuatro ruedas mencionadas anteriormente pueden ser simplemente ruedas giratorias pasivas o ruedas pivotantes fijas para permitir el posicionamiento manual del sistema, en una realización preferida de la presente invención, las ruedas de los talones están motorizadas y se accionan y dirigen activamente, y las ruedas de los dedos de los pies también se dirigen activamente. Al ajustar el ángulo de dirección de las cuatro ruedas paralelas en una dirección determinada, el sistema se movería en el suelo en la dirección ajustada, hacia adelante o hacia atrás, longitudinalmente, lateralmente o cualquier otro ángulo de elección. Las unidades CT móviles de la técnica anterior permiten de manera similar un posicionamiento libre de la unidad CT mediante ruedas Omni o ruedas Mecanum motorizadas. Sin embargo, en Or estériles, la limpieza de dichas ruedas es difícil y la precisión de las ruedas convencionales con neumáticos de goma coronados es mayor, según sea necesario para dichas aplicaciones de formación de imágenes. Las rotaciones en el suelo sobre cualquier punto central ajustable, por ejemplo, el centro de formación de imágenes del sistema de rayos X, se pueden realizar ajustando el ángulo de dirección de las cuatro ruedas para que sea esencialmente tangencial en círculos concéntricos alrededor del punto central de rotación. La rotación se inicia activando las unidades de accionamiento en el talón izquierdo y derecho de las patas con una velocidad de rotación independiente, que es proporcional al radio del círculo alrededor del punto central de rotación, y la trayectoria a lo largo de las ruedas se accionaría durante la rotación del sistema en el suelo. El movimiento a lo largo de cualquier trayectoria se puede realizar en diferentes modos, por ejemplo, en modo autoparalelo, mediante el cual el sistema se mueve paralelo a sí mismo en todos los puntos a lo largo de una trayectoria especificada (que es un caso de uso en el OR cuando se mueve el sistema desde una posición de estacionamiento a una posición de formación de imágenes) o en modo tangencial, mediante el cual el sistema se mueve tangencialmente a lo largo de una trayectoria especificada, manteniendo su orientación relativa a la trayectoria, similar a los coches en las carreteras, que normalmente tienen ruedas delanteras delante del coche en el sentido de marcha. También se puede realizar cualquier otro movimiento combinado en el suelo, que constituye una apariencia esencialmente robótica con movimiento simultáneo de ruedas en el suelo sincronizado con el movimiento de inclinación del pórtico, brazo fuente, mordazas del colimador, brazo detector y otros brazos opcionales sobre anillos en el pórtico, orquestado a través del sistema de control de movimiento. Por tales medios, el sistema de formación de imágenes se puede accionar manualmente, usando una interfaz hombre-máquina (HMI), por ejemplo, botones para habilitar el movimiento o palancas de mando o un colgante de mano o consola o una pantalla táctil o gafas de realidad aumentada para navegar por el sistema en modo de intervención manual para movimientos ad hoc. También es posible enseñar al sistema robótico a ejecutar movimientos planificados previamente a lo largo de trayectorias, por ejemplo, para pasar de una posición de estacionamiento entrenada a una posición de formación de imágenes. Es posible que el usuario especifique un centro de formación de imágenes y una dirección deseada de una proyección plana en el espacio 3D, por ejemplo durante una cirugía con un paciente in situ. Luego, el sistema robótico calcularía la cinemática inversa y permitiría al usuario mover todos los componentes, fuente, detector, inclinación del pórtico, patas de forma sincrónica y directamente a la posición de formación de imágenes deseada mediante un clic de botón.

Trayectorias adaptativas

La presente invención usa la rotación independiente de la fuente de rayos X y los brazos detectores para FOV flexibles y adaptativos. A diferencia de los sistemas de CT, CBCT, de brazo en C o brazo en O de la técnica anterior, donde el FOV 3D suele tener forma cilíndrica y el paciente debe estar centrado en el isocentro entre la fuente y el detector, el pórtico de anillo descrito permite adquisiciones de imágenes no isocéntricas de FOV de forma irregular, de modo que la ROI pueda colocarse en cualquier lugar dentro del orificio y pueda tener cualquier forma convexa. Esto es ventajoso, porque ya no es necesario ajustar la postura, altura y posición lateral del paciente entre la intervención médica y la secuencia de formación de imágenes. Esto se puede lograr mediante la definición de un centro de formación de imágenes dentro de la ROI, que puede estar desplazada del centro del anillo. Al convertir este centro de formación de imágenes en el eje virtual de rotación de la fuente y el detector, variando efectivamente la velocidad de rotación de la fuente (y el detector) a lo largo del pórtico de anillo, un rayo desde el punto focal a través del centro de formación de imágenes gira en ángulos equidistantes por intervalo de tiempo. Por tal enfoque, la distribución de fotones en la ROI sería esencialmente equivalente a una CBCT de la técnica anterior y suficiente para la reconstrucción de imágenes de alta calidad de ROI descentradas. Técnicamente, esto se puede lograr mediante colimación dinámica, es decir, el movimiento de cuatro mordazas de colimador de rayos X independientes durante la rotación de la fuente y el detector, para realizar un seguimiento de la ROI predefinida, junto con el ajuste continuo del ángulo de desplazamiento del detector. Durante una rotación de la fuente, la distancia entre el enfoque y el centro de formación de imágenes también puede variar para las ROI descentradas y, por lo tanto, la forma proyectada y el aumento de la ROI en el detector cambiarán de un ángulo a otro. Para objetos grandes y FOV (LFOV) con detectores de área activa o circunferencia limitada, esto se puede tener en cuenta durante los escaneos completos (>=360°) configurando la posición del detector en relación con la fuente y la ROI (descentrada) de modo que el borde de la ROI se proyecte hacia el borde del área activa del detector para cada ángulo del pórtico, mientras que el haz de rayos X se colima en una vista transaxial al mismo borde en un lado y al centro de formación de imágenes (con cierta superposición) en el otro lado. Esto daría como resultado trayectorias altamente dinámicas de movimiento sincronizado para la fuente, detector y mordazas del colimador en adquisiciones de FOV adaptativas y permite la reconstrucción de FOV limitados y ampliados con una dosis mínima para el paciente, sin exposición innecesaria del tejido con rayos X fuera de la ROI, reducción de la producción de radiación dispersa en el objeto a escanear y, por lo tanto, mejor calidad de imagen en CT y CBCT.

La CBCT de la técnica anterior usa eficazmente un desplazamiento constante entre la fuente y el detector durante las adquisiciones de imágenes (desplazamiento cero para FOV circular pequeño (SFOV) o desplazamiento predeterminado usado para adquisiciones de FOV circular grande (LFOV)). Mediante un sistema de control de movimiento que permite sincronizar el movimiento libre de los ejes individuales, la presente invención admite una velocidad variable de la fuente y el detector durante una exposición a rayos X y la colimación dinámica del haz de rayos X para (a) exponer únicamente el área activa del panel, independiente de su posición relativa con respecto al cono de rayos X primario y (b) irradiar una ROI limitada dentro del objeto, que no está necesariamente ubicado en el centro del pórtico de anillo ni necesariamente tiene forma circular en una vista transaxial. Si bien (a) se requiere por razones regulatorias en los dispositivos médicos (ningún rayo X ionizante penetrará al paciente si no es capturado por el detector), (b) es útil para reducir la dosis al paciente si se van a formar imágenes de ROI más pequeñas. La colimación a FOV limitados, es decir, el volumen objetivo para el tratamiento del cáncer en radioterapia ayuda a reducir la cantidad de dispersión generada en el objeto y, por tanto, mejora la calidad de la imagen y el contraste de los tejidos blandos en CBCT. La colimación adaptativa al contorno del cuerpo ayuda a reducir la cantidad de radiación no atenuada a través del aire que llega al detector.

Trayectorias helicoidales

La presente invención se puede usar para adquirir escaneos de CT helicoidales con un haz cónico correspondientemente colimado (para formar la forma de un haz en abanico, es decir, una hendidura estrecha) que gira a lo largo de una trayectoria helicoidal, con las ruedas sobre las patas moviendo el sistema lentamente hacia adelante o hacia atrás durante la exposición y adquisición. En la CT de la técnica anterior (sobre raíles), la precisión del movimiento longitudinal (cabeceo) de la camilla (o sistema) del paciente es crucial para una reconstrucción precisa y sin artefactos de volúmenes en escaneos helicoidales. En la presente invención, la precisión se logra a pesar de suelos potencialmente irregulares mediante (a) seguimiento del pórtico con marcadores unidos al mismo mediante un sistema de seguimiento externo durante la adquisición, de modo que la ubicación y orientación del pórtico se conozca con precisión para cada trama de imagen leída desde el detector o (b) seguimiento de la textura en el suelo por medio de cámaras ubicadas en las patas para derivar la posición relativa del sistema en el suelo y combinar esta información con señales de sensores de carga e inclinómetros incorporados, de modo que se conozca la ubicación del pórtico para cada trama o (c) análisis del sinograma resultante, es decir, la pila de proyecciones adquiridas, para el posterior filtrado de paso bajo de irregularidades de movimiento y corrección de la posición del sistema en dirección longitudinal.

Trayectoria circular

Debido a la complejidad de las correcciones de errores en escaneos helicoidales de flotación libre, debido al movimiento potencialmente irregular del sistema en suelos imperfectos y errores residuales, lo que podría degradar la calidad de la imagen y afectar la precisión geométrica general del sistema, una trayectoria alternativa es la trayectoria circular clásica en CBCT. En la presente invención, la capacidad del sistema para girar cuatro rotaciones completas se puede aprovechar para adquirir una serie posterior de adquisiciones de haz en abanico, dividiendo efectivamente el gran tamaño de campo de un FOV de CBCT abierto en cuatro haces en abanico. Similar a la CT helicoidal, las cuatro adquisiciones de haz de abanico vendrían con una dispersión de objetos significativamente reducida y los escaneos parciales se pueden reconstruir con mayor precisión de HU. Los volúmenes parcialmente reconstruidos se pueden unir en 3D para formar una CT del FOV completo. La adquisición y reconstrucción se realiza en trayectorias circulares regulares, mediante lo cual los círculos pueden (a) desplazarse paralelamente en dirección longitudinal si el sistema se mueve entre los escaneos de un solo haz en abanico en el suelo o (b) tener el mismo plano sin necesidad de movimiento en el suelo, si se usa el colimador para desplazar el haz en abanico en dirección longitudinal.

Trayectoria de escaneo corta

La presente invención se puede usar para adquirir CBCTs de FOV pequeño de escaneo corto donde los datos de rayos X se adquieren y retroproyectan mientras se realiza una rotación de fuente alrededor del centro del objeto fotografiado de (180 más el ángulo de cono promedio determinado por la divergencia del haz de rayos X aplicado) grados en dirección de rotación en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. El arco de rotación de la fuente efectiva requerido, medido en las coordenadas de la máquina, depende de la localización del centro del objeto fotografiado. La invención permite una colimación dinámica de aparición gradual al principio o una colimación de debilitamiento al final de la colimación de la trayectoria de escaneo corto para evitar físicamente la emisión de rayos X al objeto fotografiado y al detector donde la ponderación de redundancia de datos durante la reconstrucción eliminaría la dosis detectada. Esto contribuye al ahorro de dosis en el objeto fotografiado.

Trayectoria de escaneo corto dual

La presente invención se puede usar para adquirir CBCTs de FOV grande y de escaneo corto duales que se componen de dos trayectorias de escaneo corto posteriores que tienen un desplazamiento relativo modificado entre la fuente y el detector. El tamaño del FOV está determinado por las líneas de proyección exteriores entre la fuente y el borde del detector de ambas trayectorias. Los volúmenes de dos escaneos cortos posteriores pueden componerse en 3D para formar una CBCT de FOV grande o reconstruirse en línea (es decir, gradualmente en tiempo real) mediante ponderación de redundancia modificada. Este tipo de escaneo se puede combinar con la técnica de aparición gradual o debilitamiento de colimación dinámica como se describe para el escaneo corto para ahorrar dosis en el objeto fotografiado.

FOV ultragrande

En la CBCT de la técnica anterior, el tamaño máximo del campo lateral no es solo una función del ángulo y la geometría del cono de rayos X, sino también del tamaño del detector. Los detectores de panel plano comunes alcanzan tamaños de hasta 43 cm, lo que da como resultado un campo de visión lateral de no más de 25 cm, dependiendo de la geometría del sistema. En una configuración de campo de visión grande (LFOV) con detector desplazado, este puede alcanzar tamaños de campo de hasta 50 cm. En una realización de la presente invención se propone un protocolo ultra LFOV que combina un protocolo LFOV regular con una segunda rotación completa que cubre sólo las partes externas del FOV radial en forma de rosquilla. Esto permite campos de visión laterales tan grandes que sólo están limitados por la circunferencia de los brazos. Este tipo de protocolo no se limitará a combinar 2 adquisiciones, sino a combinar y fusionar múltiples adquisiciones con un diámetro interior y exterior creciente.

Trayectorias de silla de montar

En una realización de la presente invención, se pueden ejecutar trayectorias de silla de montar para mover la fuente durante la rotación a lo largo de la circunferencia del pórtico longitudinalmente hacia adelante y hacia atrás de forma oscilante mediante el ajuste del ángulo de inclinación del pórtico, sin ningún movimiento de las patas del sistema en el suelo. Se sabe que las trayectorias de la silla de montar reducen los artefactos del haz cónico en comparación con las trayectorias circulares, proporcionando una función de transferencia de modulación isotrópica no sólo en el corte central ubicado transaxialmente, sino también en regiones superior e inferior del FOV. Una implicación práctica de las trayectorias de silla de montar con la presente invención es la capacidad de evitar colisiones de la fuente giratoria con las columnas de la mesa OR cuando el sistema está en una posición longitudinalmente adelantada, de modo que la oscilación de la fuente en dirección longitudinal se planifique previamente y se optimice de manera que se ahorre el área de la columna. Para una reconstrucción precisa de la imagen, los inclinómetros están montados sobre el pórtico o la estructura de soporte, para proporcionar información redundantemente precisa sobre la orientación del pórtico durante un escaneo en tiempo real para cada trama de la proyección.

Escaneos verticales/inclinados/horizontales

En una realización de la presente invención, el sistema móvil de formación de imágenes se puede acoplar a un carro sobre raíles en un elevador, por ejemplo en los puntos de acoplamiento en el lado interior de las patas, en la estructura de soporte o en los ejes pivotantes de las articulaciones de cadera. El elevador puede levantar el sistema de formación de imágenes y el pórtico se puede inclinar para acomodar escaneos verticales, soportado por el carro sobre raíles, para escaneos de pacientes en posición vertical o tratamientos en silla sentados. El carro sobre raíles del elevador se puede colocar con precisión en cualquier punto a lo largo de los raíles del elevador y usarse para generar un avance preciso durante los escaneos helicoidales (cabeceo), si está sincronizado con el sistema de control de movimiento del sistema de formación de imágenes. En una realización de la presente invención, la inclinación del elevador y de los raíles respecto al suelo es ajustable. Los raíles pueden orientarse esencialmente en una dirección vertical (unidos a una pared) para escaneos verticales u oblicuos (para tratamientos en silla sentados con el resto del asiento inclinado) o en una posición sustancialmente horizontal para escaneos de pacientes tumbados en una cama. La precisión mecánica de los raíles es superior a la de los suelos potencialmente irregulares y sucios en un entorno hospitalario general, por lo tanto, los escaneos helicoidales en posición horizontal se pueden realizar con mayor precisión con el anillo acoplado al carro sobre raíles en comparación con la flotación libre en el suelo. Una ventaja de la invención descrita es que los raíles son esencialmente una estructura mecánica de bajo coste que puede fabricarse con bastante resistencia a la radiación e instalarse en habitaciones donde se esperan dosis más altas de neutrones dispersos, probablemente para dañar costosos equipos de formación de imágenes, por ejemplo, en la terapia de captura de neutrones con boro (BNCT) o la terapia con haces de iones con partículas (protones, iones de carbono). En tales escenarios, el anillo móvil de formación de imágenes se puede usar para preparar al paciente después de colocarlo en la posición de tratamiento, pero puede moverse fuera del área de radiación durante el tratamiento del paciente.

Esterilidad

Las superficies interior, delantera y trasera del pórtico de anillo se pueden mover con el sistema, pero son estacionarias durante los escaneos normales, de modo que las áreas cercanas o superiores al paciente puedan mantenerse limpias (asépticas) o cubiertas (estériles) durante las operaciones o intervenciones. Durante los procedimientos de formación de imágenes normales en una OR con el paciente y el eje del anillo en orientación horizontal, la fuente de rayos X se moverá en zonas potencialmente contaminadas debajo del paciente, en los 180° inferiores a lo largo de la circunferencia de los anillos y dejará de ser estéril. Para tales adquisiciones, el pórtico y el detector pueden cubrirse con una capa estéril en los 180° superiores de la circunferencia. Luego se permitirá que el detector se mueva por encima del paciente, opuesto a la fuente, para capturar imágenes del paciente, suficiente para la reconstrucción completa de imágenes CBCT tridimensionales (3D) en línea para adquisiciones de trayectorias de escaneo corto (rotación de 180° ángulo de divergencia del haz de rayos X), sin entrar nunca en áreas prohibidas potencialmente contaminadas. El hueco entre el brazo detector y el orificio del pórtico también se puede usar para insertar una tubería de pared delgada unida al pórtico, creando efectivamente un túnel y separando un volumen cilíndrico dentro del diámetro del orificio, donde gira el detector, desde el espacio exterior, donde gira la fuente. Si el túnel se extiende desde el pórtico al menos hasta la longitud del brazo fuente, entonces la fuente no estéril también puede girar sobre el paciente en un entorno quirúrgico, con protección por la pared del túnel. El túnel se puede fabricar con láminas finas y radiotransparentes de policarbonato o plásticos similares que pueden enrollarse y envasarse en tubos de diámetro más pequeño para su esterilización y almacenamiento. A continuación, las láminas se pueden desenrollar y unir al orificio del pórtico como preparación para la maniobra quirúrgica.

Drapeado

En el estado de la técnica, los procedimientos de drapeado para equipos de formación de imágenes en entornos OR estériles deben realizarse manualmente y, a menudo, consumen mucho tiempo y son propensos a fallar. Para la presente invención, se presenta un concepto de drapeado que proporciona un pórtico estéril y un brazo detector estéril y un túnel de protección para el brazo fuente listo para la formación de imágenes de forma semiautomática. Para este propósito, simplemente es necesario colocar una bolsa protectora estéril ajustada sobre el brazo detector en un ángulo de pórtico específico, insertada en el hueco entre el orificio del pórtico y el brazo y fijada fuera en el extremo posterior del brazo detector. Junto a esta bolsa protectora, se une preliminar y temporalmente un rodillo de una lámina estéril radiotransparente directamente con cinta adhesiva para evitar la contaminación cruzada de la cobertura de detector y el túnel que se construirá a partir de la lámina durante el procedimiento de drapeado. Luego, el rodillo se unirá sin apretar al brazo detector de manera que pueda rodar y el extremo abierto de la lámina enrollada se unirá al orificio del pórtico. Ahora, la conexión temporal entre la cobertura del detector y el rodillo será cinta adhesiva floja y retirada. El brazo detector ahora puede girar libremente y puede moverse desde la posición inicial predefinida hasta la posición de parada, desenrollando la lámina, mediante la creación de un túnel como barrera estéril. En la posición de parada, el segundo extremo de la lámina también debe unirse al orificio del pórtico. Dependiendo del material de la lámina y de su rigidez, se pueden colocar fijaciones intermedias en el pórtico, ya sea cinta adhesiva (de doble cara) o fijaciones magnéticas o clips de ajuste de forma para asegurar la lámina dentro del orificio.

Túnel

En la presente realización, el túnel descrito anteriormente también se puede usar como medio de protección para evitar riesgos para el paciente en caso de que el sistema funcione en un modo con rotaciones rápidas de la fuente. Esto es una ventaja en comparación con los sistemas CBCT abiertos del estado de la técnica, donde la fuente de rayos X en movimiento crea un riesgo potencial de colisión con el paciente. Como mitigación de riesgos, los sistemas CBCT abiertos convencionales tienen una velocidad limitada o requieren la fijación del paciente.

El túnel radiotransparente de paredes delgadas entre las trayectorias circulares de la fuente y el detector también se puede usar como estructura de transporte para pequeñas estructuras bloqueantes radiopacas que se unirán a las mismas creando un patrón que puede usarse para modular la radiación de rayos X primaria, que penetra en el objeto a escanear (es decir, el paciente). La radiación primaria así modulada será atenuada por el objeto, físicamente por interacción de los rayos X con la materia por fotoabsorción o dispersión Compton o coherente. Todos los fotones dispersos que llegan al detector contribuyen a la degradación de la imagen, por tanto, se deben aplicar métodos para restar la dispersión de la primaria. Si el patrón de las estructuras bloqueadoras atenúa el espectro primario lo suficiente (p. ej., 3 mm de LED atenúan más del 99 % de los fotones de rayos X de 120 kVp), entonces la modulación primaria se puede describir como una matriz de parada binaria (BSA), donde los píxeles del detector detrás de un bloqueador miden únicamente la radiación dispersa. Esta información se puede usar para estimar la distribución de dispersión entre las estructuras bloqueadoras y para restar las contribuciones de dispersión de las imágenes de proyección adquiridas para mejorar la calidad de la imagen 3D.

Compatibilidad de la mesa OR

La presente invención se puede usar en combinación con cualquier mesa OR con camilla radiotransparente. En cirugía de columna, las mesas Jackson se usan comúnmente, donde el paciente se coloca en una camilla que es sostenida por dos columnas verticales en el extremo superior e inferior de la camilla, y la camilla se puede desconectar de las columnas de soporte. Ambas columnas son regulables en altura, se sostienen sobre ruedas y están conectadas con una viga, que va de una viga vertical a otra paralela al suelo. El hueco de la estructura de soporte debajo del pórtico de la presente invención es suficientemente grande para acomodar la viga. La formación de imágenes con mesas Jackson con el paciente dentro del pórtico de anillo requiere una etapa de preparación. Se debe retirar la camilla de las columnas y colocar el pórtico de anillo entre las columnas. Esto se puede hacer de diferentes maneras: (a) inclinando el pórtico sobre las patas en una dirección positiva 100°, arriba detrás, hasta casi llegar al suelo. Ahora se puede bajar una columna vertical a su posición mínima e insertarla desde abajo en el anillo. Después de inclinar el pórtico nuevamente a una posición de escaneo horizontal, la camilla se puede montar y preparar al paciente. El pórtico de anillo ya está listo para la formación de imágenes. (b) También es posible pasar lateralmente por encima de la viga sobre el suelo. Para este propósito, la presente invención comprende al menos un accionador lineal, una columna vertical telescópica con accionamiento por husillo, dentro de la estructura de soporte. El accionador se puede colocar para levantar la estructura de soporte, pórtico y una pata a unos centímetros del suelo. Posteriormente, esta pata se puede girar alrededor de la articulación de cadera, para abrir espacio para la viga horizontal de la mesa Jackson. Después de insertar la viga debajo de la estructura de soporte, la pata se puede bajar de nuevo y el accionador se retrae. Después de insertar la camilla entre las columnas verticales, el pórtico de anillo está listo para la formación de imágenes.

Limpieza de ruedas

En una OR, los equipos médicos deben estar limpios y también se debe prestar atención a las ruedas que puedan estar contaminadas. La limpieza de las ruedas y el mantenimiento de las unidades de accionamiento se pueden realizar con la presente invención colocando un accionador lineal como se describió anteriormente para levantar una pata, que se puede girar para limpieza o mantenimiento. Si se implementan dos accionadores, uno a la derecha y otro a la izquierda dentro de la estructura de soporte, tanto las patas como las ruedas se pueden limpiar y revisar.

Fuente

La fuente de rayos X puede ser un tubo de rayos X con un ánodo giratorio y un ángulo de ánodo pequeño, por ejemplo 10°, para proporcionar un tamaño de punto focal efectivo pequeño en geometría nominal con una mayor capacidad de salida de potencia de rayos X debido a una mayor longitud de línea del punto focal, es decir, el ancho de la pista del punto focal en el ánodo. La orientación del tubo y el ánodo giratorio es esencialmente paralela al eje de simetría del pórtico de anillo para evitar impulsos giroscópicos y tensiones mecánicas en el ánodo giratorio y los cojinetes, que son un factor limitante si se van a aplicar rotaciones de fuente más rápidas en protocolos de escaneo acelerados. Para proporcionar un campo de radiación homogéneo sobre un área de detector más grande con una mayor salida de rayos X con una capacidad calorífica del ánodo determinada, el tubo está inclinado un pequeño ángulo con respecto al eje del anillo, p. ej., 10°, para superar el efecto talón del ánodo. Esta desviación prevista de uso del cono de emisión nominal del tubo de rayos X da como resultado una mayor salida de rayos X y estabilidad espectral en direcciones más perpendiculares a la superficie del ánodo y una mejor homogeneidad y una estabilidad térmica ligeramente mejorada en impulsos giroscópicos aún aceptables por el coste de la isotropía y el tamaño efectivo del punto focal ligeramente aumentados (el ángulo efectivo del ánodo para evaluaciones efectivas del tamaño del punto focal como en el ejemplo anterior aumentó a 20°). La fuente puede funcionar de forma continua (p. ej., para aplicaciones fluoroscópicas) o en modo pulsado.

Modulación de salida

Durante un escaneo 3D con una energía de rayos X específica, la forma y composición atómica del objeto a escanear determina su atenuación, que puede variar de un ángulo de proyección a otro. Para minimizar la dosis de rayos X al paciente, en la CT de la técnica anterior se ha realizado el ajuste electrónico de la salida de rayos X (es decir, la tasa de dosis) por ángulo del pórtico de manera que se apliquen tasas de exposición a rayos X más altas en ángulos de mayor atenuación del objeto, ya sea por variación de la corriente del tubo [mA] o por variación de la longitud del pulso [ms]. Mediante el sistema de control de movimiento, la velocidad de rotación de la fuente (maestro) y todos los ejes siguientes, es decir, detector y mordazas del colimador (esclavo), se puede ajustar en consecuencia para ajustar de manera similar el número de fotones de rayos X emitidos por ángulo de fuente para escanear el objeto con una tasa de emisión de rayos X constante en la fuente, de modo que la tasa de dosis promedia y el rango dinámico de la señal en el lado del detector se puedan mantener bastante constantes durante la rotación. Para determinadas aplicaciones clínicas, es posible que se requiera una dosis de formación de imágenes más alta para aumentar la relación señalruido en volúmenes 3d reconstruidos, lo que implica normalmente que se deben usar corrientes más altas del tubo de rayos X [mA] a altas tensiones [kV], por lo tanto, se requiere una alta potencia de rayos X [W]. Los tubos de rayos X con ánodos giratorios y tamaños de puntos focales pequeños tienen una salida de dosis y potencia limitadas si el tubo está frío, debido a que las aleaciones de wolframio-renio, comúnmente usadas como material objetivo, son frágiles a temperatura ambiente y sensible a los altos gradientes de temperatura en el punto focal logrados con potencias de rayos X más altas, con tensión y estrés mecánicos que dan como resultado fisuras y grietas en la superficie del ánodo y daños en el tubo. Por este motivo, normalmente se requieren procedimientos de calentamiento y se implementan tubos de rotación más rápida con CT de la técnica anterior, siendo más sensible a los efectos giroscópicos en caso de inclinarse con respecto al eje del pórtico. En un entorno quirúrgico, los procedimientos de calentamiento no son prácticos porque no se debe aplicar ninguna dosis de calentamiento al paciente ni al personal. Por lo tanto, el sistema de control de movimiento está programado para variar la velocidad de la fuente maestra y las trayectorias de todos los ejes esclavos de acuerdo con la carga térmica actual del ánodo. En condiciones frías, la potencia de los rayos X es limitada, pero se puede aumentar una vez que se alcanza la temperatura frágil y dúctil del material objetivo del ánodo. Por lo tanto, cualquier adquisición de FOV (adaptativa) puede comenzar sin necesidad de calentamiento a menor velocidad, acelerando la velocidad de las trayectorias una vez que el tubo se calienta durante la adquisición.

Apertura primaria

Para reducir la cantidad de radiación desenfocada (dispersión de cabeza, radiación OOF), que se debe principalmente a los fotones Rontgen-Bremsstrahlungs emitidos desde áreas en el ánodo lateral a la línea del punto focal, que se generan por electrones retrodispersados y reacelerados que inciden en el ánodo, se ha diseñado una apertura primaria para insertarse en la proximidad más cercana al punto focal en la ventana de salida de los tubos de rayos X. La apertura primaria tiene una forma tal que atenúa la mayor parte de la radiación primaria en ángulos de emisión que no son necesarios para la geometría específica flexible. Colima fuertemente el haz primario en la dirección longitudinal (por ejemplo <20°) y mantiene el ángulo de emisión lateral muy amplio (por ejemplo >60°) para acomodar adquisiciones de imágenes no isocéntricas con ángulos de desplazamiento más grandes entre la fuente y el detector opuesto para adquisiciones de campo de visión (FOV) ultragrande. La colimación lateral puede diseñarse asimétricamente (por ejemplo a 40°) para que sea más efectiva en el blindaje de la radiación OOF lateral, si los ángulos de desplazamiento del detector están restringidos sólo a ángulos positivos (o sólo negativos) en relación con la fuente.

Filtro aplanador

Un filtro aplanador, hecho de aluminio mecanizado de espesor variable en una dirección esencialmente longitudinal al anillo y el eje del ánodo giratorio se puede insertar en el cono de rayos X para compensar la autoatenuación dentro del material objetivo del ánodo (efecto talón). El filtro aplanador generaría una salida de rayos X más homogénea en la dirección longitudinal pero no reduciría la salida de dosis en la dirección de rayos de salida ya reducida debido al efecto talón. El filtro aplanador se puede usar para aumentar la filtración inherente de los tubos de rayos X en el eje central correspondiente de acuerdo con la geometría del sistema, por lo que es posible que se requiera legalmente una filtración mínima equivalente a aluminio según las leyes específicas del país y la aplicación médica. El filtro aplanador puede desplegarse en una posición fija con la fuente y la apertura primaria y puede ayudar a reducir la cantidad de dispersión generada en el objeto al reducir el pico de emisión de rayos X sin filtrar en el campo central y, por tanto, la cantidad de dispersión al nivel en el borde del campo.

Colimador

La presente divulgación describe un colimador que comprende cuatro mordazas que se mueven independientemente, un carro de filtro móvil con luz de campo opcional, una rueda de filtro giratoria y láseres de línea. Todos los componentes móviles están motorizados y el movimiento de los componentes está controlado por un sistema de control de movimiento computarizado, que se ocupa de la sincronicidad del movimiento de la fuente y la emisión de rayos X.

Carro de filtro

El brazo fuente puede estar equipado con un carro de filtro motorizado para insertar un filtro pajarita como se conoce en la técnica anterior en el haz primario, para reducir la radiación primaria a áreas donde el objeto a escanear tiene menos atenuación, p. ej., en la piel. Es posible conectar un inserto modulador de haz personalizado al carro de filtro y mover la forma 3D de este atenuador durante la rotación de la fuente para adaptarse a cualquier variación en la forma del paciente. Esto reduce la dosis al paciente y la cantidad de dispersión que se genera, y por tanto puede ayudar a mejorar la calidad de la imagen. Dado que la presente invención admite adquisiciones de FOV adaptativas, la forma de pajarita del atenuador debería adaptarse a cada situación clínica individual. Esto se puede lograr hasta cierto punto usando el carro de filtro no de forma binaria (dentro-fuera), sino colocando un atenuador de forma tridimensional de modo que se puedan generar una variedad de distribuciones de fluencia diferentes. En una implementación simple, el carro puede contener un conjunto de filtros de pajarita, optimizados para diferentes FOV y protocolos de escaneo predefinidos. El carro también está preparado para insertar una rejilla de modulación primaria con un patrón de alta frecuencia en el haz con el fin de derivar y restar componentes de dispersión de objetos en las imágenes de proyección capturadas por el detector. Es más, el carro multifunción se puede usar para colocar un diodo emisor de luz (<l>E<d>) con óptica en el eje central del haz de rayos X para usarlo como indicador del tamaño del campo para ajustes manuales del tamaño del campo antes de la exposición a los rayos X ("campo luminoso").

Rueda de filtro

La presente invención incorpora una rueda de filtro con múltiples sectores que pueden girar alrededor del eje de la rueda de filtro, por lo que cada sector contiene un material de filtro seleccionable que se puede girar hacia el cono de rayos X primario. Los materiales de filtro se pueden optimizar para propósitos específicos en posiciones estáticas de la rueda de filtro, p. ej., un inserto de filtro puede ser aire (para usar en combinación con rayos X de baja energía) o cobre (para atenuar los fotones de baja energía y crear haces más duros, para reducir la dosis cutánea y para formación de imágenes pediátricas) o aluminio (para aumentar la filtración inherente del tubo de rayos X). Para aplicaciones de energía dual, cuando se emiten pulsos de rayos X cortos de baja energía (p. ej., 80 kVp) alternativamente con pulsos cortos de rayos X de alta energía (p. ej., 150 kVp) a altas frecuencias (p. ej., 10 Hz) para la substracción posterior de las imágenes de proyección para permitir la caracterización del tejido y la separación del tejido blando de la anatomía ósea, es útil separar lo mejor posible los espectros superpuestos de Rontgen-Bremsstrahlungs de pulsos de baja y alta energía. Para este propósito, en una realización, la presente invención hace uso de un inserto de rueda de filtro que consta de plata (para atenuar los fotones de baja energía) y cobre (para atenuar los picos de plata característicos de Bremsstrahlungs). Luego, la rueda de filtro gira con una frecuencia de la mitad de la frecuencia de repetición del pulso de la fuente de rayos X para proporcionar el inserto de aire para el pulso de baja energía y el inserto de endurecimiento de haz opuesto de 180° para el pulso de alta energía cuando se emiten, respectivamente. En otra realización de la presente invención, la rueda de filtro puede dividirse simétricamente en dos sectores opuestos, que pueden equiparse con sectores de anillo atenuantes de alineación concéntrica, constando cada uno de ambos sectores de múltiples sectores de anillo bloqueadores separados radialmente por sectores de anillo de aire, por lo que los dos sectores opuestos alternan bloqueador y aire en dirección radial de la rueda de filtro, de modo que si la rueda de filtro gira en modo de rayos X pulsados, bloqueará esencialmente una porción del 50 % del haz de rayos X primario en un pulso y la otra porción del 50 % del haz de rayos X primario en el siguiente pulso. Como tal, la presente invención proporciona una solución mecánica para una matriz de parada binaria (BSA) si la fuente de rayos X funciona en modo pulsado, mediante lo cual un píxel en el detector detrás del bloqueador mide sólo la dispersión del objeto y el mismo píxel estará expuesto a la radiación primaria más la dispersión en la siguiente trama. En cada imagen, la dispersión se puede interpolar y restar, p. ej., durante la retroproyección.

Láseres de línea en la fuente

En una realización de la presente invención, se despliega un par de láseres de línea con el colimador para proyectar una cruz filar sobre la piel del paciente que se puede usar para definir el centro de formación de imágenes manualmente. Para este propósito, se puede montar estáticamente un primer láser de línea para proyectar el plan de rotación (trayectoria circular) sobre el paciente. Debido a la rotación independiente de la fuente y el detector y a la posibilidad del colimador de colimar dinámicamente el haz de rayos X en direcciones no isocéntricas, el segundo láser de línea debe poder ajustarse para apuntar en la dirección del centro del campo (entre las mordazas x1 y x2). Para este propósito, similar a láseres de línea móviles en el detector que se describe a continuación, un segundo láser de línea está instalado en un carro sobre raíles que se mueve esencialmente en una dirección paralela al movimiento de las mordazas x, mediante lo cual la línea láser se puede ajustar para que gire alrededor de un eje perpendicular a los raíles, esencialmente simulando un haz láser emitido desde el punto focal de la fuente y dirigido al centro del campo actualmente ajustado. Por tales medios, la proyección láser de cruz filar se puede usar para ajustar el centro de formación de imágenes 3D y por tanto generar las respectivas trayectorias no isocéntricas para adquisiciones posteriores.

Modulación de fluencia

Por medio del colimador incorporado, la presente invención se puede convertir de un sistema CBCT a un sistema CT, colimando eficazmente el haz cónico de rayos X primario en un haz en abanico, reduciendo por tanto significativamente la cantidad de dispersión de objetos. La colimación se puede usar de manera más genérica en dirección longitudinal y lateral para exponer sólo aquellos volúmenes del objeto donde se requiere información de los rayos que atraviesan el objeto en ciertas direcciones. Al limitar el tamaño del campo de rayos X en todas las direcciones, se puede reducir la dosis al paciente y la cantidad de dispersión que se genera en el objeto. En radioterapia, se requiere proporcionar escaneos volumétricos con valores de atenuación precisos o unidades Hounsfield [HU] de CT, suficiente para la planificación del tratamiento, cálculo preciso de la dosis y tratamiento adaptativo. Las unidades CT con geometría de haz en abanico y colimación antidispersión en el detector proporcionan datos de patrón oro para una planificación precisa del tratamiento, y la CBCT de la técnica anterior se considera ampliamente inexacta debido a la dosis dispersa y la calibración de HU no confiable, que depende del tamaño del campo, tamaño del objeto y composición atómica del objeto. Sin embargo, el haz en abanico de una CT estrecha es menos eficiente en términos de uso de rayos X, porque la mayoría de los fotones generados chocan con la colimación. Esto da como resultado mayores requisitos de capacidad calorífica para el tubo de rayos X y el despliegue de tubos efectivamente más grandes en las CT de la técnica anterior. Debido a la corta longitud de escaneo de un haz en abanico estrecho, se deben realizar múltiples rotaciones en escaneos helicoidales para cubrir un FOV extendido longitudinalmente, lo que requiere normalmente una camilla para pacientes motorizada. Para reducir los tiempos de escaneo a valores clínicamente aceptables, se requiere una alta velocidad de rotación y la potencia de rayos X y las señales del detector deben transmitirse a través de anillos colectores, que son técnicamente complejos, pesados y caros en comparación con el cableado convencional. Todos estos son factores limitantes para la movilidad flexible de los sistemas de formación de imágenes de bajo coste y limitan un uso más amplio de procedimientos guiados por imágenes en intervenciones médicas por el bien de los pacientes.

Se puede usar un colimador incorporado para cambiar dinámicamente la apertura del campo también en dirección longitudinal. La contribución de la dispersión del objeto de una proyección CBCT en campo abierto se puede medir directamente comparándola con una proyección de haz en abanico. Restando el componente de dispersión de la imagen de la proyección del haz cónico, se puede derivar y usar una imagen plana esencialmente libre de dispersión para una reconstrucción precisa de los valores de HU. Para este propósito, un haz de hendidura puede colimarse y moverse longitudinalmente sobre la extensión del FOV, de modo que para cada píxel del detector se pueda realizar la resta de dispersión. Debido a la distribución de la dispersión en el plano del detector, que es efectivamente una imagen borrosa con componentes dominantes de baja frecuencia y que no cambia demasiado de una proyección a otra si los fotogramas por segundo del detector son lo suficientemente altos y que puede estimarse mediante técnicas de extrapolación e interpolación en dirección longitudinal en caso de capturarse en un solo corte en el eje central y detrás de las mordazas en el borde superior e inferior de la ROI, esta técnica puede implementarse de tal manera que se adquiera un número limitado de proyecciones de haz de hendidura desde diferentes ángulos de fuente en el eje central del sistema de formación de imágenes en una primera rotación (escaneo por CT), mientras que una segunda rotación posterior puede capturar las proyecciones de CBCT del campo adaptativo, donde se puede corregir la dispersión en línea, durante la adquisición, sin provocar más latencias en el sistema. Para ahorrar tiempo en la primera rotación, una modulación de la longitud del campo longitudinal durante una rotación mediante las mordazas y del colimador también proporcionaría información sobre la dispersión del objeto. Para una geometría estacionaria, la intensidad de píxeles medida en el detector, que es la suma de la radiación primaria y la dispersión de objetos, disminuye continuamente cuando la longitud del campo se reduce de una extensión mayor a un haz más estrecho y alcanza un valor mínimo, la radiación primaria atenuada, en tamaño de campo cero (haz en abanico). Esta conexión entre el tamaño del campo y la dispersión se puede representar en un gráfico. Es posible estimar la cantidad de dispersión y, por lo tanto, derivar la primaria mediante la extrapolación del gráfico hacia el tamaño de campo cero. En una realización de la presente invención, durante la adquisición de CBCT de FOV adaptativa, la colimación dinámica del campo de rayos X se puede modificar de manera que las mordazas oscilen durante la exposición y la rotación para modular la cantidad de dispersión generada con el fin de estimar la dispersión total y restarla en el dominio de proyección.

Perturbación del detector

Debido a los anillos de fuente y detector que se mueven independientemente y a la colimación dinámica, la presente invención proporciona la posibilidad de cambiar el desplazamiento entre la fuente y el detector durante las exposiciones. Esto puede ser de ayuda incluso en adquisiciones SFOV isocéntricas simples, donde normalmente el detector está justo enfrente de la fuente en la CBCT de la técnica anterior. En tales condiciones, los píxeles centrales del detector se retroproyectarían en círculos concéntricos en el volumen 3D. En detectores del mundo real, la respuesta de los píxeles a la dosis no es perfecta y puede variar de un píxel a otro en valores de pequeña intensidad. Esta imperfección produce artefactos circulares alrededor del centro de formación de imágenes en la reconstrucción de CBCT de la técnica anterior. Al introducir una perturbación del detector en las trayectorias de adquisición, de modo que el detector oscile un poco durante la rotación en el sentido de rotación, acelerando efectivamente para girar más rápido que la fuente y desacelerando para reducir la velocidad y dejar que la fuente lo alcance nuevamente, las estadísticas de píxeles en la retroproyección se pueden mejorar significativamente. Para este propósito, el desplazamiento de perturbación debe variar de una trama de imagen a otra e idealmente corresponde al ángulo que un píxel se extiende hasta el centro de formación de imágenes, de modo que un píxel del detector con respuesta inferior no se retroproyectaría en un círculo sino en un área más amplia del volumen 3D. Esta técnica puede eliminar los artefactos de los anillos circulares sin perder resolución espacial.

Rejilla antidispersión

El detector puede ser un detector de panel plano, por ejemplo, un panel plano de silicio amorfo con una capa centelleante o un detector CMOS o un detector espectral, que permite discriminar energías de fotones incidentes, que es adecuado para formación de imágenes de rayos X. Para eliminar la radiación dispersa desde la ventana de entrada del detector, se puede implementar una rejilla antidispersión. En la tecnología de rayos X de la técnica anterior, se usan principalmente rejillas enfocadas que eliminarían la radiación dispersa de fuentes que no coinciden con el foco de la fuente de rayos X a costa de cierta absorción de radiación primaria dentro de la rejilla y con todo tipo de artefactos, si la rejilla no está perfectamente alineada con la fuente o si el espaciado de la rejilla es del mismo orden de magnitud que el cabeceo de píxeles del detector (respuesta no homogénea del detector, corte de red, patrones muaré, artefactos de línea. Se recomienda en radiología no usar rejillas antidispersión para formación de imágenes pediátricas debido a las mayores exposiciones y dosis requeridas para el paciente. Se puede montar una rejilla de dispersión móvil en la superficie del detector de panel plano. La rejilla de línea es tan ancha como el detector, pero puede ser más corta en la dirección longitudinal para retraerse en un área de almacenamiento esencialmente detrás del área activa del panel en caso de que no se use durante una adquisición. Para CBCT o adquisición de haz en abanico, puede insertarse en el haz primario mediante un carro motorizado, moviendo la rejilla a lo largo de los raíles en dirección longitudinal, apoyándola a ambos lados del panel. Debido a la geometría flexible de la presente invención con ángulo variable entre la fuente y el detector, sólo se puede aplicar una rejilla antidispersión unidimensional (rejilla de línea), con las líneas ortogonales al eje del anillo. Durante las exposiciones en formación de imágenes de alta resolución con la rejilla de línea paralela desplegada, la posición longitudinal de la rejilla se puede variar ligeramente mediante los motores, de modo que la rejilla se mueva continuamente a una velocidad constante u oscile en la dirección longitudinal para difuminar los efectos de la interferencia de las líneas de la rejilla proyectadas con la rejilla de píxeles del detector.

Corrección geométrica de 12 DOF

La fuerza gravitacional provoca desplazamientos dependientes de la posición de todos los componentes móviles. Una única corrección traslacional de esta "flexión" no suele ser suficiente para determinar la geometría exacta para cada posición independiente de los brazos giratorios. En la realización de la presente invención, se incorpora una corrección de flexión de 12 grados de libertad (DOF) que comprende desplazamientos dependientes del ángulo del pórtico en tres traslaciones y tres rotaciones de la fuente de rayos X, así como tres traslaciones y tres rotaciones del detector. Los tres componentes rotacionales de la fuente de rayos X y la colimación se pueden determinar analizando las penumbras de la mordaza de haces de rayos X colimados dinámicamente en el detector de panel plano. Para este propósito, a la estructura de soporte se puede unir un fantoma cilíndrico con una disposición de múltiples bolas de acero. Durante un escaneo, las bolas marcadoras radiopacas con coordenadas conocidas en el espacio 3D se proyectan sobre el plano del detector. A partir de las coordenadas de las bolas marcadoras en el plano 2D, los 12 DOF se pueden determinar y usar para la corrección posterior de las métricas de formación de imágenes para aumentar la resolución espacial y la precisión de los escaneos.

Formación de imágenes planas panorámicas

El sistema se puede usar para adquirir imágenes de rayos X en diferentes posiciones del detector mientras se mantiene la fuente de rayos X en la misma posición para crear imágenes planas panorámicas que logran tamaños de campo lateral que son mucho más grandes de lo que puede cubrir una sola posición del detector. El conjunto de imágenes de rayos X se proyecta en un plano perpendicular común y luego se unen en una única imagen panorámica.

Formación de imágenes de MeV

El carro motorizado descrito anteriormente también se puede usar para mover una capa de acumulación sobre el área activa del detector, por ejemplo una hoja de cobre de 1,5 mm de espesor, para mejorar la respuesta del detector a la radiación de energías más altas, p. ej., fotones en el rango de MeV. Debido al grado de libertad para la rotación independiente de los brazos, tales capacidades de formación de imágenes de MeV pueden ser útiles en combinación de la presente invención con fuentes externas de radiación, tal como aceleradores lineales en radioterapia o fuentes de partículas, por ejemplo protones o iones de carbono. Con las acumulaciones adecuadas y la selección adecuada de tipos de paneles resistentes a la radiación, el mismo detector se puede usar para fotones en el rango de keV, así como para fotones/protones en el rango de MeV.

Láseres móviles en el brazo detector

En los sistemas de formación de imágenes médicas de la técnica anterior, los láseres de línea se despliegan en el pórtico o la fuente para marcar el centro de formación de imágenes fijo con una proyección de cruz filar, p. ej., el centro de un orificio de CT y el plano de formación de imágenes. En la presente invención, el centro de formación de imágenes es variable y se puede colocar en cualquier lugar dentro del pórtico de anillo. En un entorno quirúrgico, cuando el detector estéril se coloca encima del paciente y la fuente potencialmente contaminada se encuentra debajo del paciente y la camilla, se pueden proyectar líneas láser sobre la piel del paciente desde el brazo detector. En una realización de la presente invención, cuatro láseres de línea que se mueven independientemente están unidos a carros sobre raíles en el brazo detector, moviéndose al lado del detector, a lo largo de los cuatro lados del área activa. Cada uno de los cuatro láseres de línea proyecta una línea láser perpendicular a la dirección del movimiento a lo largo de los raíles. Cada una de las cuatro líneas láser puede girar sobre el carro para dirigir siempre el láser al punto focal de la fuente de rayos X. Esto es factible, por ejemplo, si el detector no está exactamente opuesto a la fuente. Si solo dos de los cuatro láseres de línea están encendidos, se pueden usar para proyectar una cruz filar sobre la piel del paciente, marcando, por ejemplo, el eje central del haz de rayos X o, por ejemplo, otro punto de interés. Estas proyecciones de líneas de cruz filar se pueden usar para ajustar visualmente el centro de formación de imágenes dentro del pórtico de anillo en la ROI girando el detector y la fuente. Si los cuatro láseres están encendidos, las líneas proyectadas se pueden usar para visualizar y ajustar el tamaño del campo de una exposición plana de rayos X. El tamaño del campo de la exposición plana de rayos X también se denomina campo de visión o<f>O<v>. Para esta aplicación, las posiciones de los cuatro carros láser sobre raíles y la inclinación de los láseres de línea corresponden a las cuatro posiciones de las mordazas del colimador, proyectando eficazmente la salida del haz de rayos X después de atravesar al paciente inversamente sobre la piel del paciente. En una implementación técnica del sistema láser descrito, pequeños láseres de línea óptica están rígidamente unidos al carro, emitiendo una línea láser en un prisma óptico, que gira mediante un pequeño motor paso a paso en el carro para reflejar la línea láser en la dirección hacia el punto focal de rayos X, cuya posición es siempre conocida por el sistema de control de movimiento del sistema. El detector, los carros y raíles están cubiertos por una cubierta de plástico transparente, p. ej., una ventana de policarbonato.

Seguimiento pasivo

Para el uso de la presente invención en maniobras guiadas por imágenes en combinación con sistemas externos, tales como sistemas de suministro de haces en radioterapia o manipuladores robóticos en cirugía que funcionan en un sistema de coordenadas de habitación definido por un isocentro de habitación, puede ser necesario seguir el pórtico mediante un sistema de seguimiento externo para determinar su posición y orientación con respecto al sistema de coordenadas de habitación. Para este propósito, se pueden unir marcadores activos o pasivos al interior, parte delantera o trasera del pórtico; también se pueden unir marcadores en el anillo estacionario exterior para mejorar la visibilidad mediante cámaras de seguimiento.

Visión por ordenador: seguimiento activo

El brazo detector puede estar equipado con cámaras estereoscópicas, que se pueden usar para capturar imágenes o grabar vídeos de la intervención médica o para monitorear al paciente de forma remota desde cualquier lado, por ejemplo en radioterapia. Los casos de uso más avanzados para las cámaras estereoscópicas comprenden la capacidad de adquirir escaneos de superficie en 3D de toda la circunferencia del paciente girando el brazo detector para lograr el escaneo deseado sin artefactos de sombra. También se pueden adquirir escaneos de superficies en 3D en tiempo real durante las intervenciones médicas, para capturar el movimiento del paciente, p. ej., respiración, para aplicaciones de sincronización o para agrupación de fases en escaneos de CT 4D o CBCT. Para este propósito, también se puede montar un proyector de vídeo en el brazo detector. Además de los láseres de línea montados en detectores descritos anteriormente, el proyector de vídeo puede servir para proyectar la luz de la estructura, p. ej., patrones aleatorios o secuencias de rayas de código gris, sobre la piel del paciente para aplicaciones de escaneo de superficie precisas. El proyector también se puede usar para retroproyectar información específica del paciente en la piel del paciente, una vez capturada la superficie, con el fin de asistir al equipo médico mediante realidad aumentada (AR). Como un ejemplo, la forma y ubicación de los órganos, vértebras (junto con su identificación) y parámetros vitales actuales se pueden proyectar. Asimismo, las cámaras montadas en el brazo detector se pueden usar para seguir instrumentos quirúrgicos o marcadores en herramientas. La ventaja de tener cámaras de seguimiento integradas en el brazo detector y en el pórtico de anillo en comparación con los sistemas de seguimiento externos es que las cámaras internas se pueden calibrar de fábrica en el armazón del pórtico rígido, idéntico a la fuente de rayos X y al detector, que proporcionan volúmenes de rayos X reconstruidos con precisión en el sistema de coordenadas de formación de imágenes del pórtico. Por lo tanto, no se requiere calibración cruzada adicional ni registro conjunto de datos del sistema de seguimiento externo en el conjunto de datos de volumen del paciente con el paciente in situ, lo que puede ayudar a aumentar la eficacia y la precisión general de las intervenciones médicas guiadas por imágenes. Como un ejemplo, los instrumentos quirúrgicos con marcadores ópticos pueden ser capturados y, por ejemplo, la punta de una aguja de biopsia in situ puede visualizarse en el volumen CBCT 3D o en un par de proyecciones de rayos X planas ortogonales en un momento determinado (momento de adquisición de rayos X), mientras que la posición real de la aguja se puede superponer con precisión basándose en la información de las cámaras de seguimiento internas en tiempo real, sin necesidad adicional de interacción del usuario (calibración, registro conjunto de sistema óptico y sistema de rayos X).

El brazo fuente (así como los brazos de otros anillos giratorios) pueden estar equipados con cámaras ópticas para seguir al paciente o los instrumentos.

El propio pórtico de anillo 2 puede estar equipado con cámaras estereoscópicas para realizar un seguimiento del paciente y de los instrumentos independientemente de la rotación del detector o de la fuente. El diseño de pórtico de anillo rígido descrito anteriormente ofrece espacio para tales cámaras y proyectores de vídeo, que se puede cablear fácilmente a través del anillo interior estacionario del pórtico. La estructura de soporte y las patas también pueden estar equipadas con cámaras para proporcionar información de vídeo durante el movimiento del sistema, capturar el suelo (p. ej., durante escaneos helicoidales) y la habitación con paredes, mesa OR, obstáculos en la trayectoria: la escena circundante. Por ejemplo, las cámaras montadas en las patas pueden ser escáneres LIDAR para respaldar el movimiento autónomo.

La HMI sostenida puede estar equipada con cámaras para filmar el sistema de formación imágenes y el paciente/escena desde una posición distante. A partir de estas imágenes se puede determinar en tiempo real la posición y orientación de los componentes móviles del sistema de formación de imágenes o la posición y orientación de todo el sistema móvil con respecto al paciente/escena y al operador (que sostiene la cámara). Como tal, se conoce el punto de visión del observador con respecto al sistema, y la funcionalidad de la palanca de mando para controlar el movimiento del sistema en una determinada dirección se puede adaptar en consecuencia, es decir, girar el sistema en el sentido de las agujas del reloj en dirección positiva si se ve desde atrás y girar en dirección negativa si se ve desde delante del pórtico. Esta funcionalidad también se puede establecer mediante sensores giroscópicos integrados en la HMI que determinan la orientación relativa con respecto al sistema (se puede anular en el punto de acoplamiento de la HMI en el pórtico).

Todas las cámaras ópticas a bordo también se pueden usar para determinar la posición y orientación del sistema móvil dentro de un sistema de coordenadas de habitación, mediante el registro conjunto de fiduciales de marcadores basados en habitaciones u otras características basadas en habitaciones. Por ejemplo, durante los escaneos helicoidales, la posición longitudinal del sistema es una entrada importante para el proceso de reconstrucción de cada trama de proyección. Es posible que el sistema de accionamiento de las ruedas no sea tan preciso como se requiere en superficies de suelo rugosas o irregulares, pero el seguimiento de la textura del suelo durante el movimiento puede proporcionar información precisa sobre la posición del sistema durante los escaneos. Esta información se puede combinar con los valores de lectura de los inclinómetros montados en un pórtico o una estructura de soporte. Las cámaras a bordo también se pueden usar para evitar colisiones durante un escaneo o movimiento libre. El sistema puede estar respaldado por cuatro sensores de distancia láser, dos en el brazo fuente y dos en el brazo detector, apuntando en una dirección esencialmente longitudinal a lo largo de ambos lados del brazo, lejos del pórtico, de modo que los sensores de distancia láser puedan detener cualquier rotación de los brazos y detener cualquier inclinación del pórtico o movimiento hacia adelante de la rueda si se detecta un obstáculo (paciente, personal, mesa OR, etc.). Las cámaras y los sensores de distancia láser están diseñados para respaldar el movimiento autónomo de todo el sistema robótico en un entorno hospitalario.

Otros anillos

En otra realización de la presente invención, además de los brazos giratorios independientes de la fuente de rayos X y el detector, se pueden desplegar más anillos giratorios y motorizados con el pórtico de anillo si se dispone junto al anillo exterior estacionario. Un anillo giratorio adicional puede colocar un brazo robótico para ayudar al equipo médico durante las intervenciones. Por ejemplo, el brazo robótico puede servir como soporte para instrumentos, sensores ecográficos, escáneres de superficie o proyectores de vídeo. El brazo robótico se puede girar en cualquier posición útil alrededor del paciente. Idéntico al sistema de rayos X y a los escáneres ópticos, el brazo robótico se mueve en un sistema de coordenadas precalibrado del pórtico de anillo rígido y, por lo tanto, puede programarse para realizar cualquier manipulación con la mayor precisión posible sin necesidad de calibraciones cruzadas adicionales. Otros dos anillos en el pórtico podrían soportar dos brazos robóticos para cirugía robótica guiada por imágenes.

En lo sucesivo en el presente documento, la invención se describirá con más detalle con referencia a las figuras.

La figura 1 muestra una realización preferida de la presente invención, que proporciona un sistema móvil de formación de imágenes para su uso en intervenciones médicas, en particular para uso en radioterapia o cirugía. La figura 1 ilustra esquemáticamente el sistema de anillo móvil de formación de imágenes de acuerdo con una realización de la presente invención. El sistema comprende el pórtico 1, una interfaz hombre-máquina (HMI) desmontable 2, tal como una tableta con pantalla táctil, palancas de mando, controles de botones, interruptores de hombre muerto y parada de emergencia. El punto de acoplamiento de la HMI en el pórtico permite girar la HMI con respecto al pórtico a una posición conveniente para el usuario, incluso cuando el pórtico está inclinado. El sistema comprende además un botón de parada de emergencia 3, una pata izquierda 4 sobre ruedas con articulación de cadera, una estructura de soporte 5 que incluye fuentes de alimentación, controles de accionamiento, PLC, potencia de rayos X y procesamiento de señales, brazo de rayos X 6 que incluye una fuente y un colimador, brazo detector 7 con panel y cámaras y pata derecha 8 sobre ruedas.

La figura 2 ilustra el movimiento independiente de los anillos, que muestra a modo de ejemplo tres posiciones del brazo detector 1 y el brazo fuente 2. La figura de la izquierda muestra la posición de estacionamiento con la fuente situada en la parte inferior del sistema y el detector encima de la fuente. La figura del medio muestra una posición de formación de imágenes no isocéntrica en donde el haz de rayos X se colima con el área activa del detector, mientras que la figura de la derecha muestra la formación de imágenes lateral, es decir, posición isocéntrica.

La figura 3 ilustra la adquisición de un campo de visión pequeño (SFOV) circular no isocéntrico. En situaciones clínicas, la región de interés ROI, es decir, el objeto a examinar, puede estar descentrada del centro del anillo. La fuente y el detector giran virtualmente alrededor de un centro de formación de imágenes, es decir un punto dentro de la ROI, con velocidad de rotación variable a lo largo del anillo circular, tal que se recorren ángulos equidistantes por intervalo de tiempo, lo que da como resultado una distribución uniforme de los fotones y tramas de escaneo desde la perspectiva del objeto.

La figura 4 ilustra el uso de dos desplazamientos separados de detector respecto a fuente de rayos X, como se ilustra en la figura de la izquierda, permitiendo la adquisición y parcheo (también conocido como unión) de dos imágenes de rayos X en una única imagen panorámica proyectada en un plano perpendicular para grabar imágenes planas panorámicas.

En la figura 5, la figura superior ilustra la geometría usada en adquisiciones FOV adaptativas de gran tamaño. Se usa una malla 3D de objetos (p. ej., a partir de datos DICOM preintervencionistas o escaneo de superficie intraintervencionista) para la generación de trayectorias FOV adaptativas, incluida la colimación dinámica al objetivo previsto. La figura del medio muestra un escaneo de ROI limitado resultante (próstata) y un escaneo de FOV grande (pelvis) en cortes transaxial y coronario. Las líneas de puntos representan el casco convexo predefinido del FOV. Téngase en cuenta que la información de la imagen también está disponible fuera del FOV, con función de transferencia de modulación anisotrópica (MTF): tomosíntesis. En la figura inferior, se muestra la adquisición de ROI (vértebras) limitada a dosis ultrabajas.

La figura 6 ilustra la geometría usada en la trayectoria CBCT de escaneo corto isocéntrica con debilitamiento de la mordaza de colimación hacia el final de la trayectoria para evitar físicamente información redundante y una dosis de más para el paciente, p. ej., en escaneos de cabeza, cuando es necesario prescindir de las lentes del paciente, dosis de salida de rayos X atenuada únicamente. Cabe señalar que la geometría que se muestra en la figura 6 también funciona para formación de imágenes no isocéntricas.

La figura 7 muestra a modo de ejemplo una trayectoria CBCT de escaneo corto dual isocéntrico. La figura de la izquierda muestra el primer escaneo corto en el sentido de las agujas del reloj (rayos X encendidos) y la figura de la derecha muestra el cambio de desplazamiento del detector-fuente (rayos X apagados) y el segundo escaneo corto en el sentido contrario a las agujas del reloj (rayos X encendidos). De nuevo, la geometría funciona igualmente para formación de imágenes no isocéntricas.

La figura 8 muestra la trayectoria esquemática del campo de visión ultra grande (LFOV) que combina una trayectoria de formación de imágenes de LFOV regular (círculo interior 1) y una segunda trayectoria de anillo que cubre sólo las partes exteriores del FOV radial ("rosquilla" - círculo exterior 2).

La figura 9 ilustra la posibilidad de inclinar el pórtico, que muestra el anillo exterior estacionario 1 del pórtico de anillo y la pata 2 con articulación de cadera.

En la figura 10 se ilustra la estructura específica del sistema de acuerdo con la presente invención, permitiendo que la fuente gire libremente 360° incluso si el pórtico está inclinado.

La figura 11 muestra una sección transversal esquemática del pórtico. El pórtico incluye un anillo de cojinete interior 1 con tornillos para ajustar el juego del cojinete, un cojinete de bolas 2 de alta precisión de gran diámetro, una rueda dentada exterior 3 para una correa dentada, un anillo estacionario interior 4 hecho, p. ej., de compuesto alveolar de aluminio para proporcionar espacio para cámaras de seguimiento y proyectores de vídeo dirigidos al centro de formación de imágenes del pórtico, un plástico transparente 5 previsto como difusor para la iluminación LED anular, cables planos 6 al anillo detector, unos anillos separadores 7 y 8 para espaciar la retracción del bucle de cuerda anterior, el lado trasero 9 del anillo, una cubierta de anillo detector exterior giratoria 10, un anillo exterior estacionario 11, un anillo exterior giratorio 12 que sirve para guiar el cable, una cubierta de anillo fuente exterior giratoria 13, cables planos 14 a la fuente y al colimador, un cierre de bayoneta 15 para el anillo delantero, un anillo interior estacionario (orificio) 17, y una estructura de anillo rígido estacionario 18, preferentemente hecha de un compuesto de aluminio alveolar con inserto de cable e interfaz mecánica a la estructura de soporte debajo del pórtico.

La figura 12 muestra una interfaz genérica con la estructura de soporte y los accionamientos de anillo. En la figura de arriba, se muestra la interfaz mecánica con el pórtico, que incorpora unidades de accionamiento, fuentes de alimentación, controladores de motor, inversor de rayos X, p Lc y un ordenador con potencia GPU para procesamiento y reconstrucción de imágenes. Los cables se introducen en el pórtico desde abajo entre las correas. En el inserto de la figura inferior 1, proporcionando una interfaz mecánica entre el pórtico y la estructura de soporte, permitiendo que el pórtico sea reutilizable para cualquier concepto de movilidad alternativa, una correa dentada 2, un carro de accionamiento 3 preferentemente tensado y sujeto, rodillos guía 4, una caja de engranajes de ángulo de 90° 5 y un engranaje planetario 6. Del mismo modo se pueden acoplar anillos adicionales. Los cables se insertan entre las correas en el hueco en la parte inferior.

La figura 13 ilustra una posibilidad de proporcionar guía de cable en donde los cables planos dentro del anillo se sujetan en la inserción del anillo interior estacionario y la extracción del brazo giratorio. El bucle de cable se mueve con la mitad de la velocidad del anillo exterior.

La figura 14 muestra una realización que tiene una guía de cable con resorte de fuerza constante y una vista ampliada de la misma. La guía de cable incluye un bucle de cable plano 1, resortes de rodillos de fuerza constante 2, un punto de montaje de resortes 3 en el anillo estacionario interior, y sujeción 4 de cables planos en el brazo giratorio.

La figura 15 muestra una realización que tiene guía de cable con una cuerda en una vista similar a la figura 14, incluyendo cables planos 1 en un bucle, una rueda guía 2 con ranura para tensar la cuerda, un cable tensor 3 lateralmente a un espacio de cable plano y una polea tensora 4 opcional.

La figura 16 muestra una realización del sistema de anillo de formación de imágenes con sensores de distancia láser. El sistema está provisto de ventanas de salida 1 y 4 para un sensor de distancia láser en el detector, líneas láser de detección 2, 3, ventanas de salida 5 y 8 para un sensor de distancia láser en el brazo de rayos X y líneas láser de detección 6, 7. Los sensores de distancia se usan para detener el movimiento de objetos en movimiento si están obstruidos por un obstáculo para protegerlos de colisiones.

La figura 17 muestra más específicamente una pata de acuerdo con una realización que puede usarse con el sistema de acuerdo con la presente invención. La pata incluye una articulación de cadera 1 de caja de engranajes, incluyendo preferentemente un pórtico basculante motorizado con un dispositivo helicoidal accesible desde la parte superior para maniobras de emergencia, una unidad de accionamiento trasero 2 motorizada y orientable en el talón, una rueda delantera orientable 3 en los dedos del pie con sensor de carga, un motor de dirección 4 para el accionamiento trasero en el talón, y un motor de dirección 5 para la rueda delantera.

La figura 18 muestra con más detalle las ruedas delanteras y traseras que pueden usarse en una pata, tal como se muestra en la figura 17. Las ruedas incluyen una espiral de cable 1 en la parte superior de la rueda dentada de dirección trasera para alimentar el servomotor de accionamiento, una horquilla 2, un motor de dirección trasero 3, un motor de dirección delantero 4 y un sensor de carga 5.

La rueda delantera se muestra con más detalle en la figura 19, que ilustra una rueda dentada 1 usada para dirigir, una horquilla 2, un eje 3, una arandela 4 para unir la rueda a la pata, la rueda 5, un tornillo contrapuesto 6 para regular el juego que permite ajustar el ángulo de dirección en una operación manual de emergencia, un cojinete 7 y un sensor de carga 8.

La figura 20 ofrece una ilustración más detallada de la unidad de accionamiento trasera con una rueda dentada 1 que controla el ángulo de dirección, un engranaje planetario 2, una horquilla (zurda) 3, una rueda 4, adaptadores, un árbol hueco 6, una arandela de montaje 7, un soporte de caja de engranajes 9 y un servomotor 10 con frenos.

La figura 21 muestra esquemáticamente una vista inferior de las cuatro ruedas del sistema de anillo móvil de formación de imágenes de acuerdo con una realización de la presente invención en donde, ajustando las cuatro ruedas esencialmente paralelas, se puede lograr una traslación del sistema en el suelo en cualquier dirección.

La figura 22 muestra una vista similar a la mostrada en la figura 21, en donde las ruedas están orientadas para permitir una rotación isocéntrica, es decir, sobre el objeto centrado (figura de la izquierda) y una rotación excéntrica, es decir, sobre el centro de formación de imágenes descentrado (figura de la derecha).

La figura 23 muestra un acoplamiento HMI portátil unido al sistema de la presente invención. La figura de la izquierda muestra una tableta con pantalla táctil en orientación horizontal 1 y orientación vertical 2. Por lo general, cualquier inclinación es ajustable para mejorar la usabilidad cuando el pórtico está inclinado. La figura del medio muestra que la pantalla táctil 1 se puede desacoplar del pórtico para el acceso remoto inalámbrico al sistema de control de movimiento y la irradiación remota, donde es posible el acoplamiento (carga) en el lado izquierdo y derecho del pórtico en el anillo estacionario exterior. En la figura de la derecha, se muestra la tableta HMI 1 que se puede cablear y conectar al anillo exterior estacionario cuando no es posible una conexión inalámbrica.

La figura 24 proporciona una vista más detallada del control portátil (HMI). La figura superior izquierda muestra una pantalla táctil que representa de forma remota imágenes anatómicas (volúmenes y proyecciones) en línea, en tiempo real, durante la adquisición y reconstrucción en línea en la HMI portátil operada desde un área protegida contra la radiación. La figura superior derecha muestra una vista posterior de la tableta con medios de guía 1 para mover el punto de acoplamiento hacia la izquierda o hacia la derecha, dependiendo del montaje izquierdo o derecho en el pórtico, un, preferentemente pivotante, punto de acoplamiento 2, un armazón de tableta HMI 3, un conector que puede ser giratorio internamente, para conectar la HMI con el anillo, a una línea eléctrica para cargar la accus, a una línea de señal y a una LAN, un interruptor de hombre muerto 5 y cámaras 6. Las cámaras se muestran simbólicamente, y puede haber una sola cámara o un par de cámaras estereoscópicas. La figura inferior izquierda ilustra que, para el control de movimiento, la interfaz de usuario de pantalla táctil plana ofrece visualización del anillo y los componentes móviles junto con la orientación del paciente (avatar o escaneo de superficie 3D). Esto admite movimientos manuales, por ejemplo el ajuste de un centro de formación de imágenes con respecto a un paciente, mediante interfaz gráfica de usuario, palancas de mando) y botones en el armazón. Se puede representar el eje a mover (objeto seleccionado, dirección y velocidad máxima ajustadas) por el usuario, el movimiento puede entonces dirigirse mediante palancas de mando; el eje puede ser un eje físico (tal como un ángulo fuente) o un movimiento combinado de múltiples ejes (p. ej., moverse sincrónicamente en un movimiento robótico a lo largo de una trayectoria planificada previamente). La figura inferior derecha ilustra que el operador puede usar las cámaras situadas en el lado trasero de la tableta táctil para filmar la escena en una OR, para registrar la orientación 3D real del sistema de formación de imágenes con respecto al paciente, establecer un centro de formación de imágenes y una dirección de rayos X en la escena filmada en la imagen mostrada en la interfaz gráfica de usuario, y luego mover el sistema robótico a la posición de formación de imágenes planificada en el mundo real con solo hacer clic en un botón. Por ejemplo, se puede usar realidad aumentada, la flecha representada muestra el centro de formación de imágenes deseado y la dirección de los rayos X. La trayectoria del robot se puede calcular automáticamente (cinemática inversa).

La orientación relativa del usuario con respecto al sistema es importante para la funcionalidad de la palanca de mando desde una perspectiva de usabilidad. Por ejemplo, al mover una palanca de mando hacia la derecha, se mueve el centro de formación de imágenes hacia la derecha si se ve desde detrás del pórtico. Si el usuario se encuentra delante del pórtico, mover la palanca de mando hacia la derecha daría como resultado (intuitivamente) una traslación del sistema hacia la izquierda (visto desde atrás). Lo mismo funciona para las rotaciones de la fuente y el detector: una rotación de la palanca de mando en el sentido de las agujas del reloj (cw) daría como resultado una rotación positiva o negativa, dependiendo del punto de vista.

La figura 25 ilustra el concepto de esterilidad que se aplicará al sistema de acuerdo con la invención. La figura de la izquierda muestra una solución que usa drapeado que incluye una bolsa estéril 2 para cubrir el brazo detector, el brazo fuente 3, el rodillo 4 con una lámina estéril para cubrir el orificio y el pórtico de anillo 5. La figura de la derecha muestra una solución de túnel que incluye un túnel 1 de fina lámina de plástico, que preferentemente es radiotransparente y translúcida, en donde el brazo detector 2 puede estar cubierto adicionalmente. Además, se muestran el brazo fuente 3 y el pórtico de anillo 4.

Las figuras 26 a 29 ilustran varias configuraciones que se usarán para tipos específicos de examen.

La figura 26 muestra la formación de imágenes en una mesa de OR en voladizo en la posición de estacionamiento (figura superior) y la posición de formación de imágenes cuando se forman imágenes de la cabeza del paciente. Téngase en cuenta que no se requieren ajustes en la altura de la mesa o la posición lateral en los protocolos de adquisición de imágenes no isocéntricas.

La figura 27 muestra imágenes en braquiterapia, incluida la inserción de un aplicador ginecológico o rectal con guía de imágenes.

La figura 28 muestra una configuración de OR con una mesa Jackson, la figura superior izquierda muestra el sistema de formación de imágenes en posición de formación de imágenes (columna vertebral), la figura superior derecha muestra la posición de formación de imágenes en la posición de estacionamiento, para abrir espacio para el equipo médico durante la intervención y reducir las necesidades de pórtico y brazos de esterilización durante la cirugía. El movimiento robótico desde la posición de estacionamiento hasta la posición de formación de imágenes (y viceversa) se puede planificar previamente, enseñarse (grabarse) y (re)reproducirse. Las figuras en perspectiva inferiores ilustran que el pórtico de anillo también se puede girar sobre el suelo y el pórtico se puede inclinar en la posición de estacionamiento para abrir un espacio más amplio para que el cirujano pueda acceder al paciente.

La figura 29 muestra la preparación del OR con la mesa Jackson con las siguientes etapas: etapa 1, colocar la mesa Jackson junto al sistema móvil de formación de imágenes, etapa 2, extender el accionador en la estructura de soporte, etapa 3, levantar el sistema de formación de imágenes en un lado, etapa 4, girar la pata levantada para abrir espacio para la viga Jackson sobre el suelo, etapa 5, colocar la mesa Jackson con la viga debajo de la estructura de soporte, etapa 6, retraer el accionador dentro de la estructura de soporte, y etapa 7, colocar la mesa y al paciente en el OR.

La figura 30 muestra una configuración Jackson alternativa. En la figura superior, el pórtico se inclina en dirección positiva (p. ej. 100°) hasta casi tocar el suelo, en la figura del medio, la mesa Jackson se inserta con la columna bajada (el detector gira lateralmente) y, en la figura inferior el pórtico se gira a la posición vertical (p. ej., con una inclinación de 0°) y se prepara para la instalación del paciente.

La figura 31 muestra el acoplamiento del sistema móvil de formación de imágenes de la presente invención a un carro sobre una estructura de raíles (elevador). Para el acoplamiento, se pueden proporcionar ranuras de acoplamiento 1 en los lados internos de las patas y pernos de acoplamiento 2 y brazos de acoplamiento, que son giratorios (pivotantes) en el carro, que está guiado por raíles, cuya inclinación se puede ajustar en cualquier ángulo de vertical a horizontal.

La figura 32 ilustra la configuración para su uso en un escaneo vertical, estando el paciente de pie. En la figura de la izquierda, los sistemas móviles de formación de imágenes se acoplan al carro sobre raíles. La figura del medio muestra el sistema móvil de formación de imágenes siendo elevado por un elevador. En la figura de la derecha, la unidad móvil de formación de imágenes se inclina mediante un motor en el carro y se traslada a lo largo de los raíles para realizar un escaneo, p. ej., un escaneo helicoidal. El sistema mostrado en la figura 32 incluye brazos de acoplamiento 1, un detector 2 y una fuente 3. Unas marcas en el suelo incluyen una marca 4 para indicar el rango de movimiento de los raíles si se inclinan desde la posición vertical a la horizontal, una marca 5 para indicar el FOV de escaneo o una plataforma giratoria, como se puede usar en terapia de partículas, para girar al paciente con respecto al haz de tratamiento incidente (la plataforma giratoria puede llevar una cama o un asiento o una tabla o un sistema combinado de posicionamiento del paciente para proporcionar una fijación para el paciente durante el tratamiento y medios para la alineación del paciente con respecto al haz de tratamiento), y una marca 6 para indicar la posición de la unidad móvil de formación de imágenes para la maniobra de acoplamiento. El sistema incluye además raíles elevadores 7 con una inclinación ajustable, una placa de fijación indexada 8 para dispositivos de configuración del paciente, preferentemente radiotransparente, un eje de inclinación de pórtico 9 y un eje de rotación 10 de acoplamiento del ano sobre el carro.

La figura 33 muestra la configuración usada en un escaneo inclinado en donde el paciente está sentado o tumbado. La figura de la izquierda muestra un escaneo inclinado, incluyendo el sistema un pórtico de anillo 1, una fuente 2, un asiento 3, una marca 4 en el suelo para indicar el área de movimiento de la estructura de raíles (posición en orientación de escaneo horizontal), una marca 5 en el suelo o una plataforma giratoria, un brazo detector 6, una marca 7 en el suelo o una segunda plataforma giratoria, ruedas de soporte 8 o un punto de acoplamiento en un carro horizontal sobre los raíles para una estructura de raíl inclinada para permitir el ajuste de la inclinación, brazos de acoplamiento 9 sobre el carro sobre raíles con inclinación ajustable, raíles (elevador) 10 y un punto de acoplamiento 11 en un carro vertical sobre una unidad de accionamiento vertical para soportar la estructura de raíles en la pared. La figura de la derecha ilustra un escaneo horizontal, con una mesa de paciente 1, una estructura de raíles 2 en posición horizontal, y un sistema móvil de formación de imágenes acoplado 3.

La figura 34 muestra una vista en despiece del brazo fuente de acuerdo con una realización que se usará con el sistema de la presente invención. El brazo fuente incluye una cubierta de brazo fuente exterior 1, una fuente de rayos X inclinada 2, incluyendo a modo de ejemplo un monotanque, un ánodo giratorio lleno de aceite, con generador de alta tensión integrado, apertura primaria y filtro aplanador opcional, un brazo fuente 3, un colimador 4, preferentemente con 4 mordazas que se mueven independientemente, carro, rueda de filtro y láseres de línea, y una cubierta de fuente interior 5, p. ej., con ventana de salida para haz de rayos X, sensores de distancia láser, láseres de línea y cámaras.

La figura 35 muestra una apertura primaria y un filtro aplanador.

La apertura incluye colimación de rayos X (wolframio, led) 1,2 y aplanamiento de aire o aluminio 3 para compensar el efecto talón de autoatenuación del ánodo de rayos X. La apertura primaria se puede montar directamente en la ventana de salida del tubo de rayos X, aguas arriba, lo más cerca posible mecánicamente del punto focal para reducir la cantidad de radiación desenfocada del tubo que llega al paciente y al detector. La apertura primaria es más amplia en dirección lateral (>60°) que longitudinalmente (superior - inferior aproximadamente <20° en el eje central) para admitir desplazamientos variables del detector y un FOV máximo. La forma curvada en los bordes superior e inferior modela las proyecciones en todas las posiciones de detector descentradas posiblemente permitidas.

La figura 36 muestra una vista detallada de las mordazas del colimador que se mueven independientemente y que pueden usarse en el sistema de la invención, en particular una mordaza x2 1 (de acuerdo con los sistemas de coordenadas, escalas y convenciones IEC 61217), una mordaza y1 2, una mordaza x1 3 y una mordaza y24. Todas las mordazas del colimador se pueden mover de forma independiente y tienen una gran sobrecarrera para permitir que los haces en abanico (colimación del haz de rayos X a la hendidura) se desplacen sobre el FOV (aplicación de CT).

La figura 37 muestra un carro de filtro que se puede usar delante de la fuente de radiación. La figura de la izquierda muestra el carro de filtro en posición adelantada insertado en el haz de rayos X, la figura de la derecha muestra el carro de filtro en posición retraída (haz abierto). El carro de filtro se puede usar para colocar un filtro tipo pajarita o, más genéricamente, un atenuador tridimensional en cualquier posición intermedia para modular el flujo de rayos X o para insertar diferentes filtros tipo pajarita optimizados para diferentes FOV.

Alternativamente, o además, una rueda de filtro como se muestra en la figura 38 se puede aplicar en el colimador con insertos de endurecimiento de haz, tal como por ejemplo un inserto de aluminio 1 (endurecido de haz para aumentar la filtración inherente del tubo), un inserto de cobre 2 (para eliminar más fotones de baja energía, p. ej., para formación de imágenes pediátricas), un sector 3 ampliado con inserto compuesto de plata - cobre (para aplicaciones de energía dual en modo pulsado) y un sector 4 ampliado sin inserto (aire) y compensado (para aplicaciones de energía dual en modo pulsado).

El sistema de acuerdo con la invención también permite la formación de imágenes de energía dual, mostrándose el resultado a modo de ejemplo en la figura 39. La figura de la izquierda muestra una imagen mejorada del hueso, mientras que la figura de la derecha muestra una imagen mejorada del tejido blando (las costillas se eliminan como oclusión, p. ej., para aplicaciones de seguimiento mejoradas en radioterapia del cáncer de pulmón periférico).

La figura 40 muestra una rueda de filtro en un colimador con BSA, incluyendo insertos de wolframio 1, 2, con hendiduras circulares y una transparencia de aproximadamente el 50 %, proporcionando bloqueadores de haz alternos si giran sincrónicamente con los pulsos de rayos X. Asimismo, se muestra una rueda de filtro giratoria 3.

La figura 41 ilustra el uso de un par de láseres de línea con el colimador para proyectar una cruz filar. En la figura de la izquierda, se muestra un raíl 1 con un carro y un láser de línea pivotante y líneas láser 2, 3 y 4 proyectadas en el centro del campo de rayos X, centralmente en el detector, es decir, en un plano de formación de imágenes longitudinal. La figura de la derecha muestra un láser de línea estacionario unido rígidamente a la fuente y proyecciones de línea 2, 3 y 4 en diferentes posiciones de desplazamiento del detector, es decir, en un plano de formación de imágenes transaxial.

La figura 42 muestra una vista despiezada de un brazo detector.

El brazo detector incluye una, preferentemente translúcida, cubierta delantera 1, una ventana 2 para sensores de distancia láser y cámaras estereoscópicas, raíles 3 para dos carros con unidades de accionamiento y láseres lineales (mordazas x), un raíl 4 para un carro con una unidad de accionamiento y un láser de línea (mordaza y1), un sensor de distancia láser 5 para protección contra colisiones, una cámara estereoscópica 6, un brazo detector plegado 7 unido al anillo exterior del pórtico, una cubierta de detector exterior 8, un raíl 9 para un carro con una unidad de accionamiento y un láser de línea (mordaza y2), y un proyector de vídeo 10, proporcionando luz estructurada para aplicaciones de escaneo de superficies, retroproyección o realidad aumentada.

La figura 43 muestra láseres de línea móviles, incluyendo, como se muestra en la figura de la izquierda, raíles 1, un motor paso a paso 2 con un engranaje helicoidal para accionar la rotación de un prisma óptico, un prisma de vidrio óptico 3 para reflejar y dirigir la línea láser en la dirección del punto focal de rayos X, un carro 4 y un láser 5 con lente cilíndrica para emitir una línea láser. La figura de la derecha proporciona una vista reflejada, mostrando una línea láser 1, un plano de luz láser 2, y un prisma de vidrio óptico 3.

La figura 44 ilustra una proyección inversa del campo de rayos X o eje central, es decir, el centro de formación de imágenes, en donde se usan cuatro láseres de línea móviles individualmente en el lado del detector para proyectar la salida del campo de rayos X sobre la piel del paciente (FOV plano o cilindro 3D). Si se encienden dos láseres de línea ortogonales, el centro de campo actualmente configurado (y el centro de formación de imágenes) se puede proyectar sobre la piel como una cruz filar. Si se encienden dos láseres de línea paralelos, se puede proyectar la longitud longitudinal del FOV 3D. Las proyecciones de láser de línea móviles sobre la piel del paciente también se pueden usar para escaneo de superficies en combinación con una o más cámaras en el detector, fuente o anillo interior del pórtico.

La figura 45 muestra una rejilla antidispersión móvil que puede usarse con el sistema de la presente invención, mostrando la figura el área activa 1 de un detector de panel plano, raíles 2 para carros, una rejilla de dispersión móvil que cubre preferentemente una porción del área de entrada del detector lo suficientemente grande como para haces de hendidura o en abanico o escaneos helicoidales, un sensor de distancia láser 4, brazo detector 5, una unidad de accionamiento 6 para la rejilla antidispersión accionada por correa y láseres móviles 7.

La figura 46 muestra un fantoma cilíndrico que puede usarse para la calibración del sistema y el aseguramiento de la calidad (QA). La figura de la izquierda muestra un tubo 1 de plástico radiotransparente con varias bolas de acero de coordenadas 3D conocidas, un pórtico de anillo 2, un soporte de fantoma rígido 3 para soportar una minimesa para el posicionamiento de fantomas de QA en un sistema de coordenadas de anillo, y puntos de acoplamiento 4 en una estructura de soporte. La figura de la derecha muestra un tubo de plexi con bolas marcadoras (acero) e insertos de falta de homogeneidad para la calibración y el QA del sistema. Se capturan imágenes de rayos X desde múltiples ángulos fuente del fantoma, que se pueden alinear de forma reproducible con el centro del pórtico de anillo, para derivar la flexión y curvatura del sistema inducida gravitacionalmente en todos los grados de libertad: traslación de la fuente e inclinación del eje central de colimación, rotación del plano del detector e inclinación, para obtener la máxima resolución espacial de volúmenes reconstruidos en 3D.

La figura 47 muestra un sistema que incluye interfaces de marcador de leva de seguimiento externas, mostrando la figura superficies rígidas 1 estacionarias y no giratorias en el pórtico de anillo suficientes para unir marcadores para el seguimiento óptico (infrarrojos) o electromagnético del pórtico desde sistemas de seguimiento externos en un sistema de coordenadas mundial. Si el pórtico se traslada, gira y/o inclina, todavía define el sistema de coordenadas para los componentes de formación de imágenes que se pueden registrar en sistemas de coordenadas de sistemas externos (de terceros) mediante seguimiento, p. ej., en radioterapia, navegación quirúrgica o cirugía robótica. Los marcadores pueden ser activos o pasivos.

La figura 48 muestra FOV ópticos de cámaras integradas (de seguimiento). La figura superior izquierda muestra FOV simbólicos de cámaras ópticas (estereoscópicas) en componentes móviles, en donde 1 y 2 indican los FOV de las cámaras en el brazo detector, mientras que 3 y 4 los del brazo fuente. La figura superior derecha ilustra el FOV de cámaras ópticas (estereoscópicas) montadas de forma estacionaria dentro del pórtico de anillo, el campo de visión está marcado con 1 y 5, mostrando la figura las cámaras estereoscópicas 1 y 4 y un proyector de vídeo 3 para proyectar luz estructurada (para aplicaciones de escaneo) o información sobre la piel del paciente (se requieren aplicaciones de realidad aumentada sin gafas AR para el equipo médico). La figura inferior izquierda muestra las cámaras 1 delante y detrás de la estructura de soporte para un control mejorado durante la navegación de la unidad móvil en dirección longitudinal, cámaras 2 en las patas, p. ej., escáneres LIDAR, para evitar colisiones y movimiento autónomo en áreas médicas (OR, hospital) y cámaras 3 para un mejor control durante el movimiento lateral. La parte inferior derecha muestra además el FOV de las cámaras 6, 9 con los FOV 7 y 8, dirigidos hacia el suelo, p. ej., para una determinación precisa de la posición longitudinal del sistema durante escaneos helicoidales. Las cámaras dirigidas al suelo se pueden combinar con cámaras basadas en pórtico, como las que se muestran en la figura superior derecha, y también la cámara de rayos X se puede usar para el registro entre tramas de imágenes de proyección para determinar con precisión la posición longitudinal de tramas individuales.

La figura 49 muestra a modo de ejemplo conceptos de movilidad alternativos. En la parte superior izquierda se muestra la estructura de soporte del pórtico de anillo formado como base (plataforma sobre ruedas) de un robot cuadrúpedo, es decir, 4 patas con 3 servos, cada una para soportar la carga y permitir la inclinación, rotación, traslado y ajuste de altura del pórtico para formación de imágenes (los escaneos helicoidales se pueden realizar sin movimiento de las ruedas en el suelo). La figura superior central y la derecha muestran una plataforma hexápoda con 6 patas (18 servos) para mejorar las características de paso y la estabilidad. La figura inferior muestra esquemáticamente una pata con tres articulaciones, cadera 1, rodilla 2 y tobillo 3, donde las almohadillas (rótulas) o los dedos del pie (puntas de goma) están en el suelo.

La figura 50 ilustra la provisión de anillos adicionales. La figura de la izquierda muestra el anillo fuente 1, un anillo 2 para un primer brazo robótico, el primer brazo robótico 3 y un segundo brazo robótico 4. El concepto gestión de cables del pórtico de anillo, cojinete y accionamiento está diseñado para acomodar múltiples anillos para una pluralidad de aplicaciones, por ejemplo, como se muestra, para girar brazos robóticos de 6 ejes para transportar una herramienta, por ejemplo, una mano robótica para su uso en cirugía asistida por robot o cirugía totalmente robótica, con la ventaja de que el movimiento robótico de las herramientas puede guiarse mediante rayos X y formación de imágenes ópticas en la misma plataforma de pórtico en un sistema de coordenadas. La figura de la derecha muestra con más detalle un brazo robótico de 6 ejes con articulaciones robóticas 1 a 6 y un manipulador robótico 7. La mano se puede reemplazar, por ejemplo, por un escáner de ultrasonido ecográfico, un escáner óptico de superficie, un portaherramientas, garra, alicates o tenazas, etc.

Claims

REIVINDICACIONES

i.Un sistema de anillo móvil de formación de imágenes que comprende

un pórtico (1) conformado en forma de anillo cerrado, comprendiendo el pórtico

un anillo interior,

un anillo estacionario central,

un anillo fuente dispuesto en un lado y configurado para poder girar independientemente a lo largo del anillo estacionario central, en donde una fuente de radiación está montada en el anillo fuente de manera que la fuente de radiación pueda girar alrededor del pórtico girando el anillo fuente, y un anillo detector dispuesto en el otro lado y configurado para poder girar independientemente a lo largo del anillo estacionario central, en donde se monta un detector de radiación en el anillo detector de modo que el detector de radiación pueda girar alrededor del pórtico girando el anillo detector, en donde el detector está sostenido por un brazo detector montado en el anillo detector, estando plegado el brazo detector hacia el orificio interior del pórtico,

en donde el anillo estacionario central, el anillo fuente y el anillo detector están previstos en la superficie exterior del anillo interior, y

una estructura de soporte (5) unida al anillo estacionario central, llevando la estructura de soporte el pórtico en forma de anillo, estando montado el pórtico en la estructura de soporte de manera que un plano definido por la forma de anillo del pórtico sea inclinable con respecto a la estructura de soporte.
2. El sistema de la reivindicación 1, en donde el detector y la fuente están montados en los anillos detector y fuente, respectivamente, de tal manera que sus movimientos no interfieran entre sí ni con la estructura de soporte al girar independientemente los anillos detector y fuente alrededor de toda la circunferencia del pórtico.
3. El sistema de la reivindicación 1 o 2, en donde cada uno de los anillos detector y fuente giratorios se ensambla con el anillo central estacionario usando un cojinete de bolas, en donde los anillos giratorios son preferentemente anillos de rueda dentada que se adaptan a una correa dentada circulante accionada por un piñón dentado de un motor.
4. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fuente está sostenida por un brazo fuente montado en el anillo fuente, extendiéndose el brazo fuente a un lado del pórtico, extendiéndose el brazo detector hacia el lado del pórtico opuesto al lado donde se extiende el brazo fuente.
5. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la estructura de soporte aloja una fuente de alimentación tal como una batería, controles de accionamiento, componentes inversores, un controlador para procesamiento de señales, y/o un ordenador para procesamiento de imágenes.
6. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el pórtico tiene una interfaz mecánica genérica y una interfaz eléctrica genérica con la estructura de soporte.
7. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la conexión eléctrica entre el detector y la fuente con componentes eléctricos alojados en la estructura de soporte se proporciona mediante cables planos insertados en el pórtico, en donde la longitud de los cables planos corresponde preferentemente al menos a la circunferencia del pórtico para permitir al menos una rotación completa de los anillos detector y fuente.
8. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la estructura de soporte comprende al menos dos patas que permiten que la estructura de soporte se apoye en el suelo o esté unida a un carro sobre raíles, teniendo cada pata una, preferentemente motorizada, articulación de cadera en conexión con la estructura de soporte que permite inclinar el pórtico de modo que el plano definido por la forma de anillo del pórtico esté en un intervalo mínimo de -90° a 90° con respecto a la estructura de soporte.
9. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la estructura de soporte comprende medios estabilizadores para establecer una posición estable del sistema cuando está parado en el suelo por medio de sensores de carga.
10. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la estructura de soporte comprende medios móviles para permitir un movimiento controlado del sistema.
11. El sistema de la reivindicación 10, en donde los medios móviles comprenden ruedas, preferentemente ruedas motorizadas, o un cuadrúpedo o hexápodo robótico.
12. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema comprende además un sistema de seguimiento para determinar la posición y orientación del pórtico con respecto a un sistema de coordenadas de la habitación.
13. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además al menos un anillo giratorio adicional dispuesto en el pórtico.
14. El sistema de la reivindicación 3, en donde el anillo adicional está montado con un brazo robótico para sostener instrumentos adicionales tales como un sensor ecográfico, un escáner de superficie, un segundo detector, una segunda fuente, una cámara, un proyector de vídeo, una fuente de luz, un microscopio, o herramientas para ayudar o realizar activamente cirugía robótica guiada por imágenes o radioterapia guiada por imágenes.
15. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con un sistema láser móvil en el brazo detector, que comprende cuatro láseres de línea conmutables, pivotantes y móviles de forma independiente, montados en cuatro carros sobre raíles paralelos al área activa del detector.
16. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema comprende cámaras montadas en el anillo interior y/o el brazo detector y/o el brazo fuente y/o la estructura de soporte y/o los controles manuales que proporcionan información de seguimiento geométrico sobre el paciente, instrumentos y espacio en el sistema móvil de coordenadas de formación de imágenes, basado en el anillo, para la navegación de instrumentos y/o componentes móviles del sistema de formación de imágenes.
17. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, que comprende además una rueda de filtro, que gira sincrónicamente con pulsos de rayos X emitidos periódicamente desde la fuente de radiación, preferentemente una única fuente de rayos X de origen, de modo que un primer pulso de rayos X de baja energía pasa por un primer sector y un segundo pulso de rayos X de alta energía pasa por un sector opuesto de la rueda, teniendo la rueda de filtro un inserto de aire en el primer sector y una filtración de endurecimiento de haz en el sector opuesto para mejorar la formación de imágenes de energía dual.
18. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, que comprende además una rueda de filtro, que gira sincrónicamente con pulsos de rayos X emitidos periódicamente desde la fuente de radiación, preferentemente una única fuente de rayos X, de modo que un primer pulso de rayos X pasa por un primer sector y un segundo pulso de rayos X pasa por un sector opuesto de la rueda, teniendo la rueda de filtro un primer inserto de sector que comprende una pluralidad de bloqueadores en forma de anillo alineados concéntricamente con espaciadores de aire y un segundo inserto de sector que comprende la misma pluralidad de bloqueadores en forma de anillo circular con espaciadores de aire concéntricos en forma de anillo, mientras que los anillos del segundo sector están desfasados de modo que después cada primer pulso se bloquea y cada segundo pulso se abre para el haz de rayos X para eliminación de la dispersión de objetos.
19. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, que comprende además una rejilla de línea antidispersión para eliminar la dispersión de objetos de los haces de rayos X primarios, que se puede mover sobre el área activa del detector de radiación, preferentemente un detector de panel plano en tomografía computarizada de haz cónico con un tamaño suficientemente grande para acomodar haces en abanico colimados para realizar esencialmente una CT y que pueda retraerse para realizar una CBCT.