DE60301619T2

DE60301619T2 - Systeme und verfahren für die quasi-gleichzeitige multiplanare röntgendarstellung

Info

Publication number: DE60301619T2
Application number: DE60301619T
Authority: DE
Inventors: A. Eugene GREGERSON; K. Richard GRANT; Norbert Johnson
Original assignee: Breakaway Imaging LLC
Current assignee: Breakaway Imaging LLC
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: DE60301619D1; EP1482837B1; WO2003077763A2; CN100398066C; AU2003225836A1; EP1482837A2; US8746973B2; US7188998B2; US20040013239A1; ATE304320T1; CN1642481A; US20080013691A1; JP2005519688A; AU2003225836A8; WO2003077763A3; HK1069756A1; JP5092040B2; JP2011167564A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist häufig wünschenswert, Röntgenaufnahmen eines Patienten von einer Anzahl von unterschiedlichen Positionen aufzunehmen, vorzugsweise ohne dass es notwendig ist, den Patienten des Röntgensystems häufig manuell neu zu positionieren. Eine bewegliche C-Arm-Diagnose-Röntgenausrüstung ist für diesen Zweck entwickelt worden und ist in der ärztlichen Kunst chirurgischer und anderer eingreifender Prozeduren allgemein bekannt geworden.
Ein C-Arm bezieht sich im Allgemeinen auf ein langgestrecktes C-förmiges Element, das in entgegengesetzten distalen Enden der "C"-Form endet. Eine Röntgenstrahlungsquelle und eine Bildempfangseinrichtung sind in entgegengesetzter Orientierung typischerweise am bzw. in der Nähe der distalen Enden des C-Arms montiert, wobei der C-Arm in einer Hängeposition getragen wird. Der Raum in der C-Form des Arms liefert Raum für den Arzt zur Behandlung des Patienten im Wesentlichen ohne Beeinträchtigung von der Röntgenträgerstruktur. Die Trägerstruktur ruht normalerweise auf Rädern, die ermöglichen, dass der C-Arm von Raum zu Raum gefahren wird, dass er sich entlang der Länge eines Patienten bewegt, während der Arzt operiert oder untersucht. Die Röntgenbilder von solchen Geräten werden häufig in der Operationssaalumgebung verwendet, um dazu beizutragen, zu gewährleisten, dass Geräte, wie z.B. eine chirurgische Instrumentenausrüstung, während der Prozedur zweckmäßig positioniert sind.
Der C-Arm ist normalerweise so montiert, dass eine Drehbewegung des Arms in zwei Freiheitsgaden, d.h. um zwei senkrechte Achsen, in einer sphärischen Bewegung ermöglicht wird. Spezieller ist der C-Arm an der Trägerstruktur verschiebbar montiert, um eine umlaufende Drehbewegung des C-Arms um seinen Krümmungsmittelpunkt zu ermöglichen, wodurch eine selektive Orientierung der Röntgenstrahlungsquelle und der Bildempfangseinrichtung vertikal, horizontal oder irgendwo dazwischen ermöglicht wird. Der C-Arm ist auch lateral drehbar, d.h. in einer senkrechten Richtung in Bezug zur Umlaufrichtung, um selektiv ein einstellbares Positionieren der Röntgenstrahlungsquelle und der Empfangseinrichtung in Bezug zu sowohl der Breite als auch Länge des Patienten zu ermöglichen. Die sphärischen Drehaspekte der C-Arm-Vorrichtung ermöglichen dem Arzt, Röntgenaufnahmen des Patienten unter einem optimalen Winkel aufzunehmen, wie in Bezug zu dem speziellen anatomischen Zustand, der abgebildet wird, bestimmt. Ein Beispiel für eine solche C-Arm-Vorrichtung ist im US-Patent No. 4,955,046 an Siczek et al. beschrieben, das eine C-Arm-Vorrichtung auf einem mit Rädern versehenen Trägerwagen offenbart.
In vielen Fällen ist es wünschenswert, Röntgenbilder eines Patienten von mehreren Projektionsebenen zu erhalten, vorzugsweise in schneller Aufeinanderfolge und ohne dass der C-Arm neu positioniert wird. Eine solche Konfiguration wird häufig als eine Zweiflächenabbildung bezeichnet und ermöglicht, dass ein Objekt in zwei Ebenen simultan betrachtet wird. Die zwei Röntgenstrahlen, die von den zwei Röntgenröhren emittiert werden, können sich bei einem Isozentrum schneiden. Zweiflächenabbilden ist zum Kontrollieren einer Katheterposition, eines Ballon-Zustands oder zur Ausführung eines digitalen Subtraktions-Durchlaufs nützlich.
Zweiflächenabbilden kann auf mehrere Weisen erzielt werden. Ein Weg besteht darin, indem zwei unabhängige Abbildungssysteme oder zwei C-Arme verwendet werden. Das US-Patent No. 4,884,293 an Koyama erörtert ein Zwillingsabbildungssystem, wobei ein Abbildungssystem am Fußboden und das andere an der Decke montiert ist. Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, dass es dauernd am Fußboden und der Decke montiert ist. Folglich kann das System in einem Krankenhaus nicht nach Bedarf umherbewegt werden. Ein anderer Nachteil dieses System besteht darin, dass, obwohl die C-Arme aufeinander abgestimmt sind, die Abbildungssysteme unabhängig voneinander arbeiten. Folglich sind die erzeugten Bilder nicht aufeinander abgestimmt.
Eine andere Konfiguration zum Erlangen von Zweiflächenabbilden besteht darin, einen C-Arm in einem anderen verschiebbar unterzubringen. Das US-Patent No. 5,515,416 an Siczek et al. beschreibt ein Zwillingsabbildungssystem, wobei ein C-Arm am Fußboden montiert ist und der andere C-Arm auf dem ersten C-Arm verschiebbar angeordnet ist. Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, dass die zwei Abbildungssysteme nicht unabhängig voneinander bewegt werden können. Folglich ist die Positionierung des zweiten Abbildungssystems durch die Position des ersten begrenzt. Ein anderer Nachteil besteht darin, dass das Zwillingsröntgensystem dauernd am Fußboden montiert ist. Folglich kann es nicht in einem Krankenhaus umherbewegt werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die zwei Bilder ein gemeinsames Isozentrum teilen müssen, weil sie ineinandergeschoben sind.
Noch eine andere Konfiguration zum Erlangen von Zweiflächenabbilden ist ein Anordnen der Abbildungssysteme in einem Ring, im Gegensatz zu C-Armen. Das US-Patent No. 3,549,885 an Andersson offenbart ein Zwillingsabbildungssystem, wobei beide Abbildungssysteme senkrecht in einem drehbaren Ring montiert sind. Ein Nachteil bei diesem System besteht darin, dass die Zweiflächenbilder immer unter einem festen senkrechten Winkel in Bezug zueinander angeordnet sind.
Noch eine andere Konfiguration zum Erlangen von Zweiflächenabbilden ist ein Anordnen der Abbildungssysteme auf einem G-Arm, im Gegensatz zu C-Armen. Das US-Patent No. 5,095,501 an Kobayashi offenbart ein Zwillingsabbildungssystem, wobei beide Abbildungssysteme senkrecht in einem G-förmigen Arm montiert sind. Wie die Ringkonfiguration oben besteht ein Nachteil dieses Systems darin, dass die Zweiflächenbilderfmmer unter einem festen senkrechten Winkel in Bezug zueinander angeordnet sind.
Weiter ist es häufig wünschenswert, Röntgenaufnahmen in Echtzeit zu betrachten und von einem Patienten aufgenommene Röntgenaufnahmen zur späteren Wiederbetrachtung zu sichern oder zu speichern. Zwillingsabbildungssysteme sind kompliziert und schwierig zu betreiben, weil sie ein simultanes Zusammenspiel und Betrieb von zwei unabhängigen und verschiedenen Abbildungssystemen erfordern. Zusätzlich, wenn beide Abbildungssysteme zur gleichen Zeit arbeiten, Wechselwirken die zwei Röntgenstrahlen, so dass ein verschwommenes Bild hervorgerufen wird. Außerdem kann die Verwendung von zwei Röntgenstrahlungsquellen zu einer übermäßigen Bestrahlung des Subjekts führen, was insbesondere auf Streueffekte zurückzuführen ist. Bis heute ist kein Abbildungssystem elektromagnetischer Strahlung vorhanden, das eine einzige Quelle verwendet, um eine simultane oder fast simultane Gewinnung von Objektbildern von mehreren Projektionsebenen zu liefern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Erlangen von zweidimensionalen Bildern eines Objekts, wie z.B. eines Patienten, in mehreren Projektionsebenen. In einem Aspekt ermöglicht die Erfindung vorteilhafterweise eine quasisimultane Bildgewinnung von mehreren Projektionsebenen unter Verwendung einer einzigen Strahlungsquelle.
Eine Abbildungsvorrichtung umfasst eine Gantry mit einer mittigen Öffnung zur Positionierung um ein abzubildendes Objekt, eine Strahlungsquelle, die um das Innere der Gantry drehbar ist und die angepasst ist, um Strahlung von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Projektionswinkeln auf das Objekt zu projizieren; und ein Detektorsystem, das angepasst ist, um die Strahlung unter jedem Projektionswinkel zu detektieren, um Objektbilder von mehreren Projektionsebenen auf eine quasisimultane Weise zu gewinnen. Wie hierin verwendet, bedeutet der Term "quasisimultan", dass es keine merkliche Verzögerung zwischen der Gewinnung der Objektbilder über die Zeit hinaus gibt, die die Quelle braucht, um sich zwischen unterschiedlichen Projektionswinkeln zu drehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gantry ein im Wesentlichen "O-förmiger" Ring, und die Quelle ist 360 Grad um das Innere des Rings drehbar. Die Quelle kann eine Röntgenstrahlungsquelle sein, und die Abbildungsvorrichtung kann zum medizinischen Röntgenstrahlabbilden verwendet werden.
In gewissen Ausführungsformen ist die Gantry an einer Trägerstruktur, wie z.B. einem beweglichen Wagen, auf eine freitragende Weise angebracht. Eine Positioniereinheit kann der Gantry eine Translation zu einer gewünschten Position und Orientierung erteilen und/oder diese zu einer gewünschten Position neigen, vorzugsweise unter Steuerung eines computergestützten Systems zur Bewegungssteuerung. Die Gantry kann eine Quelle und einen Detektor enthalten, die auf der Gantry entgegengesetzt zueinander angeordnet sind. Die Quelle und der Detektor können an einem motorisierten Rotor gesichert sein, der die Quelle und den Detektor um das Innere der Gantry in Zusammenspiel miteinander dreht. Die Quelle kann an mehreren Positionen und Orientierungen über eine partielle oder volle 360-Grad-Drehung für ein Multiflächenabbilden eines Zielobjektes, das im Innern der Gantry angeordnet ist, gepulst werden. Die Gantry kann weiter ein Schienen- und Lagersystem zum Führen des Rotors, wenn er sich dreht, umfassen, wobei die Quelle und der Detektor getragen werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erlangen von quasisimultanen Multiflächenobjektbildern unter Verwendung von Strahlung, umfassend: Positionieren eines Objekts in einer mittigen Öffnung einer Gantry; Drehen einer Strahlungsquelle in der Gantry zu einer Mehrzahl von Projektionswinkeln; Projizieren von Strahlung von der Quelle auf das Objekt bei jedem Projektionswinkel; und Detektieren von Strahlung von dem Objekt unter jedem Projektionswinkel, um Objektbilder für mehrere Projektionsebenen auf eine quasisimultane Weise zu gewinnen. Vorzugsweise ist die Quelle eine Röntgenstrahlungsquelle, und die detektierte Röntgenstrahlung kann verwendet werden, um zweidimensionale Mehrflächenröntgenstrahlobjektbilder zu erzeugen.
Die Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise ein quasisimultanes Multiflächenabbilden, einschließlich einer Sammlung und Aktualisierung von AP (Vorder-/Hinter-), Lateral-, Schräg- und Filmansichten eines Patienten oder eines Zielobjekts überall während einer partiellen oder vollen 360-Grad-Drehung, das mit einer einzigen Röntgenstrahlungsquelle und einem einzigen zweidimensionalen Detektorarray erreicht werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorhergehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden spezielleren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, ersichtlich, in denen sich überall in den unterschiedlichen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf dieselben Teile beziehen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, eine Betonung wird stattdessen auf eine Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt.
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Röntgenscansystem darstellt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
die 2A–2D stellen das Röntgenscansystem von 1 dar, das quasisimultan Vorder-/Hinter- und Lateralbilder einer Wirbelsäule überall während einer Drehung eines motorisierten Rotors in der O-förmigen Röntgengantry gewinnt;
3 stellt ein Röntgendetektorarray dar, das mehrere Röntgenbilder überall während einer 360-Grad-Drehung einfängt;
4 veranschaulicht eine motorisierte Rotoranordnung zum Drehen einer Röntgenstrahlungquelle und Detektorarray in dem Gantryring eines Röntgenscangeräts der Erfindung;
5A ist eine Seitenschnittansicht eines Gantryrings mit einer motorisierten Rotoranordnung, die im Innern des Rings montiert ist;
5B ist eine Seitenansicht eines Gantryrings, der eine motorisierte Rotoranordnung umschließt;
die 6A–6E veranschaulichen eine Röntgenabbildungsvorrichtung mit einem Kabelmanagementsystem zum Drehen einer Röntgenstrahlungsquelle und Detektorarray um das Innere des Gantryrings;
7 stellt eine Gantryringpositioniereinheit in einem Parkmodus dar;
8 stellt die Gantryringpositioniereinheit in einer voll ausgefahrenen Lateralposition dar;
9 stellt die Gantryringpositioniereinheit in einer voll ausgefahrenen Vertikalposition dar;
10 stellt die Gantryringpositioniereinheit in einer voll ausgefahren Neigungsposition dar;
11 stellt den Gantryring und die Positioniereinheit in einer voll ausgefahrenen Lateral-, Vertikal- und Neigungsposition dar; und
12 veranschaulicht eine Röntgenabbildungsvorrichtung mit einer Gantry mit vertikaler Achse zum Abbilden eines stehenden oder sitzenden Patienten.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es folgt eine Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Röntgenscansystem 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Röntgenscansystem 10 umfasst eine Gantry 11, die an einer Trägerstruktur gesichert ist, die ein beweglicher oder statio närer Wagen, ein Patientenoperationstisch, eine Wand, ein Fußboden oder eine Decke sein könnte. Wie in 1 dargestellt, ist die Gantry 11 an einem beweglichen Wagen 12 auf eine freitragende Weise mittels einer Ringpositioniereinheit 20 gesichert. In gewissen Ausführungsformen nimmt die Ringpositioniereinheit 20 eine Translation der Gantry 11 in Bezug zur Trägerstruktur vor und/oder neigt die Gantry 11 in Bezug zur Trägerstruktur, um die Gantry 11 in einer beliebigen Anzahl von Abbildungspositionen und -orientierungen zu positionieren.
Der bewegliche Wagen 12 von 1 kann fakultativ eine Stromversorgung, einen Röntgenenergiegenerator und ein Computersystem zum Steuern eines Betriebs des Röntgenscangeräts und zur Ausführung einer Bildverarbeitung, Speicherung von Röntgenbildern oder von anderen Datenverarbeitungsfunktionen umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform steuert das Computersystem die Positioniereinheit 20, um zu ermöglichen, dass die Gantry 11 schnell zu einer speziellen benutzerdefinierten Position und Orientierung bewegt wird. Der Computer weist vorzugsweise einen Speicher auf, der Positionierinformation speichern kann, die sich auf spezielle Gantrypositionen und/oder -orientierungen bezieht. Diese gespeicherte Positionierinformation kann verwendet werden, um die Gantry auf Verlangen automatisch zu einer vordefinierten Konfiguration zu bewegen.
Der bewegliche Wagen 12 umfasst vorzugsweise auch ein Anzeigesystem 60, wie z.B. einen Flachbildschirm, um durch den Röntgenscanner erhaltene Bilder anzuzeigen. Die Anzeige kann auch eine Benutzeroberflächenfunktion umfassen, wie z.B. einen Berührungsbildschirmkontroller, der ermöglicht, dass ein Benutzer mit den Funktionen des Scansystems wechselwirkt und sie steuert. In gewissen Ausführungsformen kann eine benutzergesteuerte Hängedruckknopftafel oder Fußpedal die Funktionen des Scansystems steuern.
Es versteht sich, dass eine oder mehrere feste Einheiten auch jegliche der Funktionen des beweglichen Wagens 12 ausführen können.
Gemäß einem Aspekt kann das Röntgenscansystem der Erfindung verwendet werden, um zweidimensionale Röntgenbilder eines Objekts, wie z.B. eines Patienten, in mehreren Projektionsebenen zu erhalten. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Gantry 11 ein im Wesentlichen kreisförmiges oder "O-förmiges" Gehäuse mit einer mittigen Öffnung, in der ein Objekt, das abgebildet wird, platziert wird. Die Gantry 11 enthält eine Röntgenstrahlungsquelle 13 (wie z.B. eine Impuls-Drehanodenröntgenstrahlungsquelle), die einen Strahl von Röntgenstrahlung 15 in die mittige Öffnung der Gantry durch das Objekt, das abgebildet wird, und auf ein Detektorarray 14 (wie z.B. ein digitales Flachschirmdetektorarray) projiziert, das auf der entgegengesetzten Seite der Gantry angeordnet ist. Die am Detektor 14 empfangenen Röntgenstrahlen können dann verwendet werden, um unter Verwendung von wohlbekannten Techniken ein zweidimensionales Bild des Objekts zu erzeugen.
Die Röntgenstrahlungsquelle 13 kann sich auf eine kontinuierliche Weise um das Innere der Gantry 11 drehen, so dass der Röntgenstrahl durch das Objekt und durch ein gemeinsames Isozentrum unter verschiedenen Winkeln über eine partielle oder volle 360-Grad-Drehung projiziert werden kann. Das Detektorarray wird auch um das Innere der Gantry in Zusammenspiel mit der Drehung der Röntgenstrahlungsquelle gedreht, so dass für jeden Projektionswinkel der Röntgenstrahlungsquelle das Detektorarray entgegengesetzt zur Röntgenstrahlungsquelle auf der Gantry positioniert ist. Die Vorrichtung ist folglich imstande, zweidimensionale Röntgenbilder des Zielobjekts in jeglicher Projektionsebene über eine partielle oder volle 360-Grad-Drehung zu erhalten.
Das Röntgensystem der Erfindung kann in einem statischen oder in einem Multiflächenmodus betrieben werden. In einem statischen Modus wählt ein Benutzer eine gewünschte Abbildungsebene im Zielobjekt aus, und die Röntgenstrahlungsquelle und der Detektor werden zu dem geeigneten Winkel in der Gantry gedreht. Wie in 2A dargestellt, befinden sich z.B. die Röntgenstrahlungsquelle und der Detektor am oberen bzw. unteren Ende der Gantry, um ein Patientenbild vom Vorder-Hinter(AP)-Typ zu gewinnen. Alternativ oder zusätzlich kann die Gantry selbst bewegt werden, indem die Gantry in Bezug zum Zielobjekt unter Verwendung der Gantrypositioniereinheit 20 positioniert oder geneigt wird, wie in 11 dargestellt. Im statischen Modus kann der Röntgenscanner ein einzelnes Röntgenbild des Objekts gewinnen und anzeigen oder kann mehrere Bilder des Objekts erhalten und die Anzeige mit dem letzten Bild kontinuierlich aktualisieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform erhält der Röntgenscanner mehrere Objektbilder in schneller Aufeinanderfolge und zeigt diese Bilder in Echtzeit (z.B. 30 Rahmen pro Sekunde) in einem "Film"-Modus an.
Um die Abbildungsebene des Objekts zu ändern, können die Röntgenstrahlungsquelle und der Detektor zu einem anderen Winkel in der Gantry gedreht werden. Wie z.B. in 2B dargestellt, drehen sich die Quelle und der Detektor um 90 Grad in einer Richtung im Uhrzeigersinn, um Objektbilder in einer lateralen Ebene zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich kann eine Translation oder Neigung der ganzen Gantry zu einer zweiten Position die Abbildungsebene ändern.
In einem Multiflächenmodus erhält der Röntgenscanner eine Reihe von Bildern von mehreren Projektionsebenen in rascher Aufeinanderfolge. Das Abbildungssystem ermöglicht vorteilhafterweise ein quasisimultanes Multiflächenabbilden unter Verwendung einer einzige Strahlungsquelle. Wie z.B. in 2A dargestellt, sind die Röntgenstrahlungsquelle 13 und der Detektor 14 zu Beginn an dem oberen bzw. unteren Ende der Gantry positioniert und gewinnen ein erstes Röntgenbild des Zielobjekts, das in diesem Fall eine Vorder-Hinter(AP)-Ansicht einer Wirbelsäule eines Patienten ist. Die Quelle und der Detektor drehen sich dann 90 Grad im Uhrzeigersinn in der festen Gantry, um ein zweites in 2B dargestelltes Röntgenbild zu erhalten, das eine Lateralansicht der Wirbelsäule ist. Diese AP-/Lateral-Zweiflächenbilder werden quasisimultan erhalten, da es keine merkliche Verzögerung zwischen der Gewinnung der zwei Bilder gibt, außer der Zeit, die die Quelle braucht, um sich zwischen Projektionswinkeln auf der Gantry zu drehen. Zusätzliche AP-/Lateralbilder können erhalten und kontinuierlich aktualisiert werden, indem die Quelle und der Detektor zwischen zwei Projektionswinkeln, wie z.B. den zwei senkrechten Projektionen, die in den 2A und 2B dargestellt sind, alternierend gedreht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden jedoch quasisimultane Multiflächenbilder in Echtzeit erhalten und aktualisiert, indem die Quelle und der Detektor über eine volle 360-Grad-Drehung kontinuierlich gedreht werden, wobei Bilder bei gewünschten Drehinkrementen erhalten werden. Wie z.B. in den 2A–2B dargestellt, können vier Zweiflächenbilder, die zwei AP-Bilder und zwei Lateralbilder umfassen, während einer einzigen 360-Grad-Drehung der Quelle und des Detektors in schneller Aufeinanderfolge erhalten werden. Diese Bilder können einzeln, sequenziell, nebeneinander oder in jeglicher gewünschten Weise angezeigt werden.
Eine weitere Veranschaulichung des quasisimultanen Multiflächenabbildens der Erfindung ist in 3 dargestellt. Hier ist ein drehbares Detektorarray dargestellt, das quasisimultane Röntgenbilder von zehn inkrementalen Projektionsebenen über eine volle 360-Grad-Drehung einfängt. Diese Bilder werden kontinuierlich oder auf eine schrittweise Art eingefangen. Sie können einzeln, nebeneinander, sequenziell in einem Filmmodus oder auf eine beliebige gewünschte Weise angezeigt werden.
Wie in 1 dargestellt, können die Röntgenstrahlungsquelle 13 und das Detektorarray 14 an einer C-förmigen motorisierten Rotoranordnung 33 gesichert sein. Die starre Rotoranordnung hält die Quelle und den Detektor zueinander entgegengesetzt, während sich die ganze Rotoranordnung im Innern der Gantry dreht. Wie in den 4 und 5A dargestellt, umfasst die Rotoranordnung 33 auch einen Motor 31 und ein Antriebsrad 32, um die Rotoranordnung um das Innere der Gantry anzutreiben. Wie in 5A dargestellt, umfassen die Innenseitenwände der Gantry gekrümmte Schienen 27, die in einer kontinuierlichen Schleife um das Innere der Gantry verlaufen. Das Antriebsrad 32 der Rotoranordnung 33 berührt die gekrümmte Schiene 27 der Gantry und verwendet die Schiene, um die Rotoranordnung um das Innere der Gantry anzutreiben. Ein inkrementaler Drehkodierer kann verwendet werden, um die Winkelposition der Rotoranordnung in der Gantry präzise zu messen. Der inkrementale Kodierer kann durch ein Reibrad angetrieben werden, das auf einer konzentrischen Schiene rollt, die in der Seitenwand der Gantry angeordnet ist. Die Rotoranordnung 33 umfasst auch Lager 29, die mit den gekrümmten Schienen 27 der Gantry ineinandergreifen, um dazu beizutragen, die Rotoranordnung 33 zu führen, wenn sie sich im Innern der Gantry dreht. Das Innere des Gantryrings 11 kann einen Schleifring umfassen, der mit der Rotoranordnung 33 einen elektrischen Kontakt aufrechterhält, um die Energie zu liefern, die benötigt wird, um die Röntgenstrahlungsquelle/Detektor zu betreiben und die ganze Anordnung im Gantryrahmen zu drehen. Der Schleifring kann auch verwendet werden, um Steuersignale zum Rotor und Röntgenabbildungsdaten vom Detektor zu einer separaten Verarbeitungseinheit zu senden, die außerhalb der Gantry angeordnet ist, wie z.B. dem beweglichen Wagen 12 von 1. Jegliche oder sämtliche Funktionen des Schleifrings könnten durch andere Einrichtungen ausgeführt werden, wie z.B. das Kabelmanagementsystem, das unten beschrieben ist.
Obwohl die Rotoranordnung der bevorzugten Ausführungsform ein C-förmiger Rotor ist, versteht es sich, dass andere Rotorkonfigurationen, wie z.B. O-förmige Rotoren, auch verwendet werden könnten. Zusätzlich könnten sich die Röntgenstrahlungsquelle und der Detektor unter Verwendung von separaten mechanisierten Systemen unabhängig voneinander drehen.
Das in 4 dargestellte Detektorarray 14 umfasst ein zweidimensionales Flachschirmfestkörperdetektorarray. Es versteht sich jedoch, dass verschiedene Detektoren und Detektorarrays in dieser Erfindung verwendet werden können, einschließlich jegliche Detektorkonfigurationen, die in typischen Diagnose-Fächerstrahl- oder Kegelstrahl-Abbildungssystemen, wie z.B. C-Arm-Röntgenschirmen, verwendet werden. Ein bevorzugter Detektor ist ein zweidimensionaler Dünnfilmtransistorröntgendetektor, der Szintillator-a-Si-Siliziumtechnologie verwendet.
Für Abbilden mit großem Gesichtsfeld kann der Detektor 14 eine Translation zu zwei oder mehr Positionen entlang einer Linie oder eines Bogens entgegengesetzt zur Röntgenstrahlungsquelle 13 erfahren und bei diesen Positionen Abbildungsdaten gewinnen, wie z.B. mittels eines motorisierten Detektorschienen- und Lagersystems.
Die 6A–E veranschaulichen eine andere Ausführungsform einer Röntgenabbildungsvorrichtung mit einem Kabelmanagementsystem zum Drehen einer Röntgenstrahlungsquelle und eines Detektorarray 360° um das Innere des Gantryrings. In dieser Ausführungsform wird die Energie für die Röntgenstrahlungsquelle/Detektorsystem sowie zum Drehen der Röntgenstrahlungsquelle/Detektor in der Gantry durch einen Kabelbaum 36 (mindestens teilweise) geliefert, der ein oder mehrere Kabel enthält. Der Kabelbaum 36 kann auch verwendet werden, um Signale und Daten zwischen der Röntgenstrahlungsquelle/Detektor und einer externen Verarbeitungseinheit zu senden.
Der Kabelbaum 36 wird vorzugsweise in einem flexiblen verketteten Kabelträger 37 untergebracht. Ein Ende des Trägers 37 ist an einem stationären Objekt, wie z.B. der Gantry 11 oder dem Wagen, befestigt. Das andere Ende des Trägers 37 ist an der motorisierten Rotoranordnung 33 angebracht, die die Röntgenstrahlungsquelle 13 und den Detektor 14 enthält. In dem in den 6A–E dargestellten Beispiel startet der Rotor 33 an einer Anfangsposition mit der Röntgenstrahlungsquelle 13 am unteren Ende der Gantry und dem Detektor 14 am oberen Ende der Gantry (d.h. Rotorwinkel = 0°), wie in 6A dargestellt. Der Rotor 33 dreht sich dann in einer Richtung im Uhrzeigersinn um das Innere der Gantry, wie in 6B (90°-Drehung), 6C (180°-Drehung), 6D (270°-Drehung) und 6E (360°-Drehung) veranschaulicht. In 6E hat der Rotor 33 eine volle 360°-Drehung um das Innere der Gantry 11 gemacht, und der Rotor befindet sich wieder an der Anfangsposition mit der Röntgenstrahlungsquelle 13 am unteren Ende der Gantry und dem Detektor 14 am oberen Ende der Gantry. Während der Drehung bleibt der Kabelträger 37 mit sowohl dem Rotor 33 als auch der Gantry 11 verbunden und weist eine genügende Länge und Flexibilität auf, um zu ermöglichen, dass sich der Rotor 33 leicht mindestens 360° von der Startposition dreht. Um eine weitere 360°-Drehung auszuführen, kann sich der Rotor 33 von der Endposition der vorhergehenden Drehung (z.B. Rotorwinkel = 360° in 6E) gegen den Uhrzeigersinn drehen, bis der Rotor 33 zur Anfangsposition von 6A zurückkehrt. Für eine kontinuierliche Drehung kann sich dieser Prozess endlos wiederholen, wobei der Rotor volle 360°-Drehungen in alternativ Uhrzeiger- und Gegenzeigersinn macht.
Wie in den 7-11 dargestellt, ermöglicht die Ringpositioniereinheit 20 vorzugsweise, dass die Gantry 11 in Bezug zur Trägerstruktur eine Translation und/oder Neigung erfährt. 7 stellt eine Gantryringpositioniereinheit in einem Parkmodus dar. 8 stellt die Translationsbewegung der Positioniereinheit in einer lateralen Richtung in Bezug zum Wagen dar. 9 stellt eine Translationsbewegung der Positioniereinheit in einer vertikalen Richtung in Bezug zum Wagen dar. 10 stellt die Neigungsbewegung der Positioniereinheit in Bezug zum Wagen dar. In 11 ist die ganze Gantryanordnung in einer voll ausgefahrenen Lateral-, Vertikal- und Neigungsposition veranschaulicht. Das Vermögen der Gantry, in mehreren Richtungen eine Translation zu erfahren und sich zu neigen, ermöglicht die Gewinnung von Röntgenbildern in jeglicher gewünschten Projektionsebene, ohne dass man den Patienten oder das System kontinuierlich neu positionieren muss. Wie oben erörtert, kann ein Steuersystem die Gantry automatisch zu einer gewünschten Position oder Orientierung, einschließlich zu benutzerdefinierten Positionen und Orientierungen, die im Computerspeicher gespeichert sind, für Röntgenabbildungsprozeduren bewegen.
In den dargestellten und bis jetzt beschriebenen Ausführungsformen ist die Mittelachse der Gantry im Wesentlichen horizontal orientiert, so dass ein Objekt, das abgebildet wird, wie z.B. ein Patient, der Länge nach im Abbildungsbereich liegt. In anderen Ausführungsformen kann jedoch die Gantry so ausgerichtet sein, dass sich ihre Mittelachse bei faktisch jeglichem Winkel in Bezug zum Patienten oder Objekt, die abgebildet werden, erstreckt. Z.B. kann die Mittelachse der Gantry im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sein, wie in 12 dargestellt. Hier ist die mittige Öffnung der Gantry mit dem "Zylinder" konzentrisch, der durch den Torso eines stehenden oder sitzenden Menschen gebildet wird. Die ganze Abbildungsprozedur kann folglich ausgeführt werden, während der Patient in einer stehenden oder sitzenden Position bleibt. Auch kann zusätzlich zu den beschriebenen medizinischen Prozeduren die Vertikalachsengantry nützlich sein, um andere Objekte abzubilden, bei denen es bequem ist, das Objekt abzubilden, während es in einer stehenden oder vertikalen Orientierung ausgerichtet ist.
Ein Abbildungsgerät der vorliegenden Erfindung könnte auch eine im Wesentlichen O-förmige Gantry umfassen, die ein Segment enthält, das sich mindestens partiell vom Gantryring lösen lässt, um eine Öffnung oder "Unterbrechung" im Gantryring zu liefern, durch die das abzubildende Objekt in den mittigen Abbildungsbereich des Gantryrings in einer radialen Richtung eintreten und austreten kann. Ein Vorteil dieses Typs von Gerät ist das Vermögen, zur Ausführung eines Röntgenabbildens die Röntgengantry um das Zielobjekt, wie z.B. einen Patienten, zu manipulieren und dann die Gantry um das Objekt zu schließen, wobei eine minimale Störung des Objekts hervorgerufen wird.
Während diese Erfindung insbesondere mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen derselben dargestellt und beschrieben worden ist, versteht es sich für Fachleute, dass verschiedene Änderungen in der Form und Details darin durchgeführt werden können, ohne dass man vom durch die angefügten Ansprüche eingeschlossenen Bereich der Erfindung abweicht.
Z.B. versteht es sich weiter, dass, obwohl sich die speziellen hierin dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen im Allgemeinen auf Röntgenabbildungsanwendungen beziehen, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch auf andere medizinische und nichtmedizinische Abbildungsanwendungen erweitert werden können, einschließlich z.B. Spinresonanzabbildung (MRI), Positronenemissionstomografie (PET), Einphotonemissionscomputertomografie (SPECT), Ultraschallabbilden und fotografisches Abbilden.
Auch versteht es sich, dass, während sich die hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen im Allgemeinen auf medizinisches Abbilden beziehen, die Erfindung für zahlreiche andere Anwendungen verwendet werden kann, einschließlich industrieller Anwendungen, wie z.B. Prüfung und Analyse von Materialien, Kontrolle von Behältern und Abbilden von großen Objekten.

Claims

Abbildungsvorrichtung, umfassend: einen im Wesentlichen O-förmigen Gantry-Ring mit einer mittigen Öffnung zum Positionieren um ein abzubildendes Objekt, wobei der Gantry-Ring einen Innenhohlraum aufweist, der sich 360 Grad um das Innere des Gantry-Rings erstreckt; eine Ringpositioniereinheit, die an einer Seite des Gantry-Rings gesichert ist und angepasst ist, um dem Gantry-Ring in mindestens einer Richtung eine Translation zu erteilen und die Gantry um mindestens eine Achse in Bezug zu dem Objekt, das abgebildet wird, zu drehen; einen starren Rotor, der im Innenhohlraum des Gantry-Rings aufgenommen ist und 360 Grad um ihn drehbar ist; ein Rotorpositioniersystem, um die Drehposition des Rotors im Gantry-Ring zu bestimmen; einen Antriebsmechanismus, der am Rotor gesichert ist, und angepasst ist, um den Rotor um das Innere des Gantry-Rings in sowohl einer Richtung im Uhrzeigersinn als auch einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn zu drehen; eine einzige Strahlungsquelle, die an einer ersten Position am Rotor gesichert ist, wobei die Quelle angepasst ist, um von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Positionswinkeln über eine 360 Grad-Drehung des Rotors Strahlung auf das Objekt zu projizieren; ein Detektorsystem, das an einer zur Quelle auf dem Gantry-Ring entgegengesetzten zweiten Position an einem Rotor gesichert ist, und angepasst ist, um die Strahlung unter jedem Projektionswinkel der Quelle zu detektieren, um Objektbilder von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Projektionsebenen zu gewinnen; ein Steuersystem, das die Ringpositioniereinheit steuert, um den Gantry-Ring zu einer vordefinierten Position und Orientierung in Bezug zu dem Objekt, das abgebildet wird, zu bewegen, wobei das Steuersystem angepasst ist, um Posi tionierinformation von dem Rotorpositioniersystem zu empfangen und den Antriebsmechanismus zu steuern, um den Rotor im Wesentlichen kontinuierlich zu aus mehreren bestehenden ausgewählten Drehpositionen über den vollen 360 Grad-Umfang der Gantry zu drehen, wobei die Quelle und der Detektor Objektbilder an jeder der ausgewählten Drehpositionen des Rotors gewinnen, um eine Reihe von Objektbildern von mehreren Projektionsebenen in rascher Aufeinanderfolge zu erhalten; und ein Anzeigesystem, das angepasst ist, um jedes Objektbild anzuzeigen, wenn es erhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der im Wesentlichen O-förmige Gantry-Ring ein Segment umfasst, das sich mindestens teilweise vom Gantry-Ring lösen lässt, um eine Öffnung bereitzustellen, durch die das abzubildende Objekt in die mittige Öffnung in einer radialen Richtung eintreten oder aus ihr austreten kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Antriebsmechanismus einen Motor umfasst und fakultativ, wobei der Motor mit einer externen Energiequelle gekoppelt ist, in welchem Fall weiter fakultativ, wobei der Motor über einen Schleifring mit einer externen Energiequelle gekoppelt ist, oder wobei der Motor über ein Kabel mit einer externen Energiequelle gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und entweder: a) weiter umfassend ein Lagersystem zum Führen der Drehung des Rotors um das Innere der Gantry; oder b) wobei die Ringpositioniereinheit an einer beweglichen Trägerstruktur gesichert ist, in welchem Fall fakultativ, wobei die bewegliche Trägerstruktur einen Wagen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und entweder: a) wobei die Gantry über die Ringpositioniereinheit auf eine freitragende Weise an einer Trägerstruktur gesichert ist und fakultativ, wobei das Steuersystem die Ringpositioniereinheit lenkt, um den Gantry-Ring zu einer benutzerdefinierten Position und Orientierung zu bewegen, in welchem Fall weiter fakultativ, wobei das Steuersystem die Positioniereinheit auf Grundlage von gespeicherter Positionierinformation lenkt; oder b) wobei die Gantry auf eine nicht freitragende Weise an einer Trägerstruktur gesichert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und entweder: a) wobei die Quelle eine Röntgenstrahlquelle ist; b) wobei das abzubildende Objekt einen menschlichen Patienten umfasst; c) wobei der Rotor im Wesentlichen C-förmig ist; d) wobei der Rotor im Wesentlichen O-förmig ist; e) wobei das Steuersystem angepasst ist, um die Quelle und den Detektor zu lenken, um eine Mehrzahl von Objektbildern an ausgewählten Drehpositionen des Rotors über eine volle 360 Grad-Drehung des Rotors zu gewinnen; und das Anzeigesystem angepasst ist, um jedes Objektbild in rascher Aufeinanderfolge in einem Filmmodus anzuzeigen; e) wobei das Anzeigesystem angepasst ist, um mehrere Objektbilder von unterschiedlichen Projektionswinkeln der Reihe nach oder gleichzeitig anzuzeigen; oder f) wobei das Rotorpositioniersystem einen inkrementalen Drehcodierer umfasst.
Verfahren zum Erhalten von Multiflächen-Objektbildern in rascher Aufeinanderfolge unter Verwendung von Strahlung, umfassend: Positionieren eines Objekts in einer mittigen Öffnung eines im Wesentlichen O-förmigen Gantry-Rings, wobei der Gantry-Ring einen Innenhohlraum aufweist, der sich 360 Grad um das Innere des Gantry-Rings erstreckt; Verwenden einer Ringpositioniereinheit, die an einer Seite des Gantry-Rings gesichert ist, die den Gantry-Ring in Bezug zu dem Objekt, das abgebildet wird, positioniert, wobei die Positionierung mindestens eines von einer Translati on der Gantry in einer oder mehreren Richtungen und Drehen der Gantry um eine oder mehrere Achsen in Bezug zu dem Objekt, das abgebildet wird, umfasst; im Wesentlichen kontinuierliches Drehen eines starren Rotors im Innenhohlraum des Gantry-Rings zu aus mehreren bestehenden ausgewählten Drehpositionen über den vollen 360 Grad-Umfang der Gantry, wobei der Rotor eine einzige Strahlungsquelle und einen Detektor aufweist, der auf entgegengesetzten Seiten des Gantry-Rings am Rotor gesichert ist; an jeder von den ausgewählten Drehpositionen des Rotors: Projizieren von Strahlung von der Quelle auf das Objekt und Detektieren der Strahlung von dem Objekt, um eine Reihe von Objektbildern von mehreren Projektionsebenen in rascher Aufeinanderfolge zu erhalten; und Anzeigen von jedem Objektbild, wenn es erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, und entweder: a) weiter umfassend: mindestens teilweises Lösen eines Segments des Gantry-Rings, um eine Öffnung bereitzustellen, durch die das abzubildende Objekt in die mittige Öffnung in einer radialen Richtung eintreten oder aus ihr austreten kann; b) wobei die Strahlung Röntgenstrahlung umfasst; c) wobei das Objekt, das abgebildet wird, einen menschlichen Patienten umfasst; d) wobei der Rotor um 360 Grad um das Innere der Gantry gedreht wird; e) wobei die Objektbilder erhalten werden, während die Quelle und das Detektorarray 360 Grad um das Innere der Gantry kontinuierlich gedreht werden; f) weiter umfassend: gleichzeitiges Anzeigen von Objektbildern von mehreren Projektionsebenen; g) weiter umfassend: kontinuierliches Aktualisieren des Bildes, das angezeigt wird, so dass das letzte Objektbild, das von jeder Projektionsebene erhalten wird, dargestellt wird; h) weiter umfassend: Erhalten einer Mehrzahl von Objektbildern an ausgewählten Drehpositionen des Rotors über eine volle 360-Grad-Drehung des Rotors; und Anzeigen von jedem Objektbild in rascher Aufeinanderfolge in einem Filmmodus; oder i) wobei die Projektionsebenen mindestens eines von vorderen, hinteren und lateralen Projektionsebenen umfassen.