便携式肢体关节锥束CT成像系统的制作方法

本实用新型涉及的是一种医疗器械技术领域的装置，具体是一种便携式肢体关节锥束CT成像系统。

背景技术：

当前临床实践中，肢体关节成像多采用X射线计算机断层成像(Computed Tomography，CT)和核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)进行诊断和评估。CT用于肢体关节成像可以提供较高的空间分辨率和较好的骨骼和关节的成像效果，而核磁共振技术在软组织成像上具有优势。然而，核磁共振成像相对昂贵且耗时，此外MRI的空间分辨率是一个限制因素，特别是在具有凸或凹关节面的区域。因此在肢体关节成像方面CT成像技术更受关注。虽然传统CT技术已经较为成熟，但是运用在肢体关节成像方面仍然存在着以下一些问题：(1)难以检测承重状态下的肢体关节；(2)在纵向研究中容易产生大量累积辐射剂量；(3)全身CT扫描仪用于肢体关节成像的成本较高，占用空间大，操作流程复杂。除此之外，传统扇束CT重建得到的CT图像中，Z轴方向(矢状位和冠状位)的空间分辨率取决于扇形射束通过患者的速度和X射线源绕患者旋转的速度。Z轴方向的成像精度通常会低于X‐Y平面的成像精度。相较于传统CT，锥束CT扫描时不需要“高速滑环”技术，可以在单次扫描中获得患者的体积信息，并且在XYZ三个方向上有着相同的空间分辨率。锥束CT具有空间分辨率高、数据采集时间短、X射线利用效率高等显著特点。锥束CT技术应用于肢体关节成像，使得患者在接受CT检查时受到的辐射剂量降低，而且检测的流程也会相对的简单。临床上可广泛应用于微小骨折、关节炎、冲击综合征、关节错位等病症的诊断、治疗和疗效评估。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供一种便携式肢体关节锥束CT成像系统，解决肢体关节CT成像中辐射剂量、空间分辨和硬件成本的问题，具有结构紧凑、灵活方便、针对性强以及辐射剂量低、硬件成本低、图像质量高等特点，是适用于临床肢体关节诊疗的专用CT成像设备。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种便携式肢体关节锥束CT成像系统，包括：卧立两用支承框架、环形齿圈导轨、X射线球管、平板探测器、电机齿轮模组、电池、充电单元和嵌入式系统；

所述环形齿圈导轨和充电单元分别固定于卧立两用支承框架上；

所述X射线球管、电机齿轮模组、平板探测器和电池均具有滑座，且分别通过各自滑座底部的滑轮依次与环形齿圈导轨上的导轨相配合形成移动副；

所述电机齿轮模组中的齿轮与环形齿圈导轨上的环形齿圈相啮合；

所述电机齿轮模组与X射线球管通过连杆铰链相连接，所述电池与X射线球管通过连杆铰链相连接；所述X射线球管与平板探测器通过固连件固定连接，保持相对位置不变；

所述便携式肢体关节锥束CT成像系统立放模式下用于上肢体关节锥束CT成像，卧放模式下用于下肢体关节锥束CT成像；

所述X射线球管及滑座、平板探测器及滑座、电机齿轮模组及滑座、电池及滑座通过配重使得立放模式下电池及滑座自然滑落至环形齿圈导轨最低点位置，此时与充电单元对齐；

所述电池与充电单元通过接近开关确定相对对齐位置，两者处于相对对齐位置时，允许充电单元对电池进行充电；

所述X射线球管、平板探测器、电机齿轮模组中的电机、接近开关均与嵌入式系统连接；所述嵌入式系统通过控制电机，驱动电机齿轮模组中的齿轮转动，电机齿轮模组沿环形齿圈导轨相对滑动，带动X射线球管和平板探测器沿环形齿圈导轨滑动360度，完成锥束CT扫描成像；所述嵌入式系统通过接近开关确定电池与充电单元对齐时，控制充电单元对电池充电；采用电池供电和无线通信，无需外部电气连接可实现连续旋转扫描。

进一步地，所述卧立两用支承框架包括：环形齿圈导轨安装支架、充电单元安装支架、托架、立式支腿和卧式支腿，其中：立式支腿与环形齿圈导轨平面平行，卧式支腿与环形齿圈导轨平面垂直，托架置于环形齿圈导轨中央的扫描视野(Field of View，FOV)范围内用于成像部位的定位和支撑，卧式支腿具有升降调节功能。

进一步地，所述X射线球管与平板探测器呈180度相对布置。

进一步地，所述X射线球管、电机齿轮模组、平板探测器、电池在环形齿圈导轨上间隔90度均匀布置。

进一步地，所述环形齿圈导轨包括环形双沿V型导轨、环形内齿圈或外齿圈，所述环形双沿V型导轨和齿圈为一体式结构。

进一步地，所述X射线球管及滑座与平板探测器及滑座通过配重均衡质量使得两者质量差在设定阈值内，电机齿轮模组及滑座与电池及滑座通过配重均衡质量使得两者质量差在设定阈值内。

进一步地，所述嵌入式系统包括：GPU、CPU、内存、闪存、蓝牙、Wi‐Fi模块和以太网卡，具备锥束CT重建、图像处理、操作控制及无线通信功能。

进一步地，所述嵌入式系统通过串口或蓝牙方式连接并控制X射线球管、平板探测器和电机；所述嵌入式系统的远程通信端口连接到上位控制系统，通过上位控制系统实现设备信息监控以及投影或重建图像的显示；在对重建实时性要求较高的应用场合，采集的投影数据通过千兆网口从平板探测器实时传输到具备GPU计算能力的嵌入式系统后进行同步重建，可实现扫描后立即获得重建图像的功能。

本装置工作原理如下：

本装置立放时，电机驱动齿轮转动，齿轮与环形齿圈相啮合，因为环形齿圈导轨固定于卧立两用支承框架上，所以电机齿轮模组沿环形齿圈导轨产生相对滑动，同时通过连杆铰链带动X射线球管和电池沿环形齿圈导轨滑动。X射线球管与平板探测器通过固连件固定连接，因此平板探测器跟随X射线球管一起沿环形齿圈导轨滑动。当患者将手臂、手肘、手腕、手等需扫描的上肢体关节放在环形齿圈导轨中央的托架上时，X射线球管和平板探测器沿环形齿圈导轨滑动360度过程中即可完成锥束CT扫描成像。

本装置立放时，由于在环形齿圈导轨上X射线球管及滑座与平板探测器及滑座呈180度对置且两者质量相当，同时电机齿轮模组及滑座与电池及滑座呈180度对置且两者质量相当，重力平衡之下使得电机以较小的驱动力矩即可带动齿轮沿环形齿圈运动，从而大幅降低系统功率配置，达到减小体积和减轻重量的目的。

本装置立放时，由于电池及滑座可以自然滑落至环形齿圈导轨最低点位置，锥束CT扫描完成后在此位置进行电池充电，电机不需要输出驱动力矩即可保持系统状态不变，从而降低系统功率消耗。

本装置卧放时，电机驱动齿轮转动，齿轮与环形齿圈相啮合，带动电机齿轮模组、X射线球管、电池、平板探测器沿环形齿圈导轨滑动。当患者将脚、脚踝、小腿、膝关节等需扫描的下肢体关节放在环形齿圈导轨中央的托架上时，X射线球管和平板探测器沿环形齿圈导轨滑动360度过程中即可完成锥束CT扫描成像。成像系统与患者需扫描部位的相对位置调节通过卧式支腿所具备的升降调节功能来实现。

本装置采用电池供电实现系统驱动、X射线球管曝光、平板探测器数据采集、嵌入式系统控制计算通信等功能，所有与锥束CT成像相关的器件包括电池、电机齿轮模组、X射线球管、平板探测器、嵌入式系统都一起沿环形齿圈导轨滑动，不需要电气滑环或柔性电缆等外部电气连接，简化系统的同时提高系统可靠性，并且成像系统旋转角度不再受电缆绕线圈数限制。

附图说明

图1为本实用新型便携式肢体关节锥束CT成像系统主视图；

图2为本实用新型便携式肢体关节锥束CT成像系统后视图；

图3为本实用新型便携式肢体关节锥束CT成像系统立放模式示意图；

图4为本实用新型便携式肢体关节锥束CT成像系统卧放模式示意图；

图中：1卧立两用支承框架、2环形齿圈导轨、3X射线球管、4平板探测器、5电机齿轮模组、6电池、7固连件、8充电单元、9嵌入式系统、10滑座、11滑轮、12导轨、13齿轮、14齿圈、15环形齿圈导轨安装支架、16充电单元安装支架、17托架、18立式支腿、19卧式支腿、20连杆铰链、21接近开关。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1、2所示，本实例包括：卧立两用支承框架1、环形齿圈导轨2、X射线球管3、平板探测器4、电机齿轮模组5、电池6、充电单元8和嵌入式系统9，其中：环形齿圈导轨2和充电单元8分别固定于卧立两用支承框架1上，X射线球管3、电机齿轮模组5、平板探测器4、电池6分别通过各自滑座10底部的滑轮11依次与环形齿圈导轨2上的导轨12相配合形成移动副，同时电机齿轮模组5中的齿轮13与环形齿圈导轨2上的齿圈14相啮合，X射线球管3与平板探测器4通过固连件7固定连接。

所述的卧立两用支承框架1包括：环形齿圈导轨安装支架15、充电单元安装支架16、托架17、立式支腿18、卧式支腿19，其中：立式支腿18与环形齿圈导轨2平面平行，卧式支腿19与环形齿圈导轨2平面垂直，托架17置于环形齿圈导轨2中央的扫描视野(Field of View，FOV)范围内用于成像部位的定位和支撑，卧式支腿19具有升降调节功能。

所述的环形齿圈导轨2包括：环形双沿V型导轨、环形内齿圈或外齿圈，其中：环形双沿V型导轨和齿圈为一体式结构。

所述的X射线球管3与平板探测器4呈180度相对布置并且通过固连件7实现固定连接，即始终保持相对位置关系不变。

所述的X射线球管3、电机齿轮模组5、平板探测器4、电池6在环形齿圈导轨2上间隔90度均匀布置，并且电机齿轮模组5与X射线球管3通过连杆铰链20相连接。

所述的X射线球管3及滑座与平板探测器4及滑座通过配重均衡质量使得两者质量相当，电机齿轮模组5及滑座与电池6及滑座通过配重均衡质量使得两者质量相当。

所述的X射线球管3及滑座、平板探测器4及滑座、电机齿轮模组5及滑座、电池6及滑座通过配重使得立式模式下电池6及滑座自然滑落至环形齿圈导轨2最低点位置。

所述的电池6与充电单元8通过接近开关21确定相对对齐位置，两者处于相对对齐位置时允许对电池进行充电。

所述的嵌入式系统9包括：GPU、CPU、内存、闪存、蓝牙、Wi‐Fi模块和以太网卡，具备锥束CT重建、图像处理、操作控制及无线通信功能。

所述嵌入式系统9通过串口或蓝牙等方式连接并控制X射线球管3、平板探测器4和电机5；所述嵌入式系统9的蓝牙或无线网卡等远程通信端口连接到电脑、平板、手机等上位控制系统，利用基于java等跨平台语言的配套上位机软件实现设备信息监控(异常状态报警)以及投影或重建图像的显示。在对重建实时性要求较高的应用场合，采集的投影数据通过千兆网口从平板探测器4实时传输到具备GPU计算能力的嵌入式系统9后进行同步重建，可实现扫描后立即获得重建图像的功能。

本装置工作过程如下：

如图3所示，本装置立放时，电机驱动齿轮13转动，齿轮13与环形齿圈14相啮合，因为环形齿圈导轨2固定于卧立两用支承框架1上，所以电机齿轮模组5沿环形齿圈导轨2产生相对滑动，同时通过连杆铰链20带动X射线球管3和电池6沿环形齿圈导轨2滑动。X射线球管3与平板探测器4通过固连件7固定连接，因此平板探测器4跟随X射线球管3一起沿环形齿圈导轨2滑动。当患者将手臂、手肘、手腕、手等需扫描的上肢体关节放在环形齿圈导轨2中央的托架17上时，X射线球管3和平板探测器4沿环形齿圈导轨2滑动360度过程中即可完成锥束CT扫描成像。

如图4所示，本装置卧放时，电机驱动齿轮13转动，齿轮13与环形齿圈14相啮合，带动电机齿轮模组5、X射线球管3、电池6、平板探测器4沿环形齿圈导轨2滑动。当患者将脚、脚踝、小腿、膝关节等需扫描的下肢体关节放在环形齿圈导轨2中央的托架17上时，X射线球管3和平板探测器4沿环形齿圈导轨2滑动360度过程中即可完成锥束CT扫描成像。成像系统与患者需扫描部位的相对位置调节通过卧式支腿19所具备的升降调节功能来实现。

电池6与充电单元8通过接近开关20确定相对对齐位置，两者处于相对对齐位置时充电单元8即可对电池进行充电操作。本装置由电池供电实现系统驱动、X射线球管曝光、平板探测器数据采集、嵌入式系统控制计算通信等功能。

以上仅为本实用新型具体实施方式，不能以此来限定本实用新型的范围，本技术领域内的一般技术人员根据本创作所作的均等变化，以及本领域内技术人员熟知的改变，都应仍属本实用新型涵盖的范围。