多層螺旋CT上切片系統(tǒng)設(shè)計(jì)及精度分析

姜榮健

溫嶺市第一人民醫(yī)院設(shè)備科，溫嶺市，317500

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電子技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)斷層數(shù)據(jù)的快速采集以及快速處理得以實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)CT向著多層次、高速和高分辨率方向發(fā)展。多層螺旋CT（Multi-slice Spiral Computed Tomography,MSCT）與以往單層螺旋CT(Single-slice Spiral CT，SSCT)相比較，其特點(diǎn)在于它在探測器結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(DAS)兩方面作了根本性的改進(jìn)[1-3]。MSCT具有較高的空間分辨率和密度分辨率，在低輻射環(huán)保劑量的條件下就可以得到優(yōu)質(zhì)的圖像，減少掃描時(shí)間，增加掃描范圍[4-5]。MSCT中將SSCT的單排探測器（900個(gè)左右的探測器單位）改進(jìn)為幾排甚至幾十排探測器，即MSCT在Z軸方向上有數(shù)萬個(gè)探測器呈二維陣列，目前的設(shè)計(jì)為8～34排。MSCT用錐形X線束，多排探測器，大大提高了掃描速度，旋轉(zhuǎn)一周的掃描時(shí)間可短至0.35 s，同時(shí)旋轉(zhuǎn)一周可獲得多層圖像。由于它是快速容積掃描，在短時(shí)間內(nèi)，對(duì)身體的較長范圍進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)采集，可獲大量的信息。

本文研究對(duì)象是多層螺旋CT機(jī)上切片系統(tǒng)，它是螺旋CT中一個(gè)重要的子系統(tǒng)，具有切片層厚調(diào)整、切片層中心位置調(diào)整、球管射線焦點(diǎn)位置切換等功能，直接影響多層螺旋CT成像的質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)多層螺旋CT上切片系統(tǒng)，分析軸承、絲杠、控制系統(tǒng)等對(duì)切片厚度及射線聚焦精度的影響，并對(duì)上切片系統(tǒng)的精度進(jìn)行了模擬測試，提高上切片系統(tǒng)的精度，以使MSCT在功能方面更加完善。

圖1 上切片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mechanical diagram of upper slicing system

1 上切片系統(tǒng)

該系統(tǒng)由球管的固定和調(diào)整（不需自動(dòng)、手動(dòng)調(diào)整）、上切片層厚調(diào)整、上切片層中心位置調(diào)整、過濾器和焦點(diǎn)位置切換、monitor模塊（不需切換）等部分組成。

上切片系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

驅(qū)動(dòng)單元A是切片厚度調(diào)整的驅(qū)動(dòng)裝置，也是過濾器和焦點(diǎn)測量片驅(qū)動(dòng)桿的插入和拔出的動(dòng)力裝置，由步進(jìn)電機(jī)T2H H-2.5A（帶編碼器）驅(qū)動(dòng)導(dǎo)程5 mm的滾珠絲杠，推動(dòng)楔形滑塊，通過滾輪帶動(dòng)上切片閘門的動(dòng)片運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)單元B是切片中心位置和焦點(diǎn)跟蹤運(yùn)動(dòng)、過濾器和焦點(diǎn)測量片切換的驅(qū)動(dòng)裝置，由步進(jìn)電機(jī)T2H H-2.5A（帶編碼器）驅(qū)動(dòng)導(dǎo)程5 mm的滾珠絲杠，帶動(dòng)閘門組件或同時(shí)帶動(dòng)過濾器和焦點(diǎn)測量片前后移動(dòng)。

兩套驅(qū)動(dòng)單元均采用精密滾珠絲杠與步進(jìn)電機(jī)通過伺服專用聯(lián)軸器直聯(lián)的方式，減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)單元A還采用了楔形滑塊的誤差縮小的結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)精度。

2 上切片系統(tǒng)精度分析與測試

兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元均采用THK公司的DIK1605-6滾珠絲杠，公稱直徑16 mm，導(dǎo)程5 mm，精度等級(jí)為C5級(jí)，導(dǎo)程精度為8 μm/轉(zhuǎn)(18 μm/300 mm)，傳動(dòng)間隙通過施加350 N的預(yù)壓載荷消除，間隙為0 mm。驅(qū)動(dòng)單元A在主機(jī)傾斜30o時(shí)，最大軸向總負(fù)載為 96 N，主機(jī)不傾斜時(shí)，最大軸向總負(fù)載為95 N，均小于預(yù)壓載荷350 N，不會(huì)產(chǎn)生間隙。驅(qū)動(dòng)單元B在主機(jī)傾斜30o時(shí)，最大軸向總負(fù)載為145 N，主機(jī)不傾斜時(shí)，最大軸向總負(fù)載為111 N，均小于預(yù)壓載荷350 N，絲杠不會(huì)產(chǎn)生間隙。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元均采用帶編碼器的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)5 000細(xì)分，編碼器500線，速度為400 fullsteps/s時(shí)驅(qū)動(dòng)扭矩為0.35 N·m，計(jì)算所得的負(fù)載最大扭矩為0.2 N·m，滿足使用要求，不會(huì)產(chǎn)生過載引起的步進(jìn)電機(jī)丟步現(xiàn)象。

2.1 切片厚度調(diào)整機(jī)構(gòu)精度分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 307.4–2003滾動(dòng)軸承公差》，層厚調(diào)整機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)軸承（滾輪）的外圈直徑為16 mm，徑向跳動(dòng)最大為6 μm，實(shí)際測量值小于1 μm，此誤差直接影響切片厚度。

如圖4所示，彈簧力不均衡可能產(chǎn)生滾輪位置在x方向偏移，這個(gè)偏移來自滾輪軸承的徑向游隙，滾輪軸承的徑向游隙t為最小2 μm，最大13 μm，最大可以產(chǎn)生h＝2.40 μm的切片層厚誤差。

5級(jí)精度滾珠絲杠軸向誤差每300 mm最大誤差為18 μm，每轉(zhuǎn)誤差為8 μm，按18 μm誤差計(jì)算產(chǎn)生的切片厚度誤差為3.3 μm。光耦回零誤差范圍為6 μm，引起的切片厚度誤差為1.02 μm。加工工藝上可以實(shí)現(xiàn)階梯滑塊的粗糙度不大于1 μm。因此，各種誤差積累7.68 μm。按小切片厚度0.8 mm計(jì)算，對(duì)切片精度的最大影響為0.95%。

圖2 楔形結(jié)構(gòu)精度分析Fig.2 Precision analysis of wedge structure

2.2 切片中心位置調(diào)整機(jī)構(gòu)的精度分析

滾珠絲桿的分析如切片厚度調(diào)整機(jī)構(gòu)。

對(duì)于焦點(diǎn)跟蹤，由于跟蹤范圍小于5 mm（一轉(zhuǎn)），所以誤差可以按導(dǎo)程誤差8 μm計(jì)算。對(duì)于切片中心位置，最大工作位移為30 mm，遠(yuǎn)小于行程300 mm。光耦回零誤差范圍為6 μm，引起的切片中心位置最大誤差為6 μm。因此，切片中心位置每300 mm的絕對(duì)誤差為24 μm，跟蹤時(shí)的最大絕對(duì)誤差為14 μm。按小切片厚度0.8 mm計(jì)算，對(duì)切片精度的最大影響為3%，重復(fù)精度為6 μm。

2.3 上切片機(jī)構(gòu)精度的模擬測試

模擬機(jī)構(gòu)是將上切片機(jī)構(gòu)增加配重，制成與實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)重量和驅(qū)動(dòng)模式相近的機(jī)構(gòu)。將模擬機(jī)構(gòu)傾斜30o，采用跟蹤狀態(tài)模式（開環(huán)），在設(shè)定兩點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)，用微米級(jí)千分表測量實(shí)際測得重復(fù)性誤差小于1 μm。將模擬機(jī)構(gòu)平放，采用跟蹤狀態(tài)模式（開環(huán)），在設(shè)定兩點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)，用微米級(jí)千分表測量。實(shí)際測得重復(fù)性誤差小于1 μm，絕對(duì)誤差小于10 μm。結(jié)果如表1所示。

表1 精度分析和模擬測試結(jié)果Tab.1 Results of precision analysis and test

3 結(jié)論

多層螺旋CT的成像質(zhì)量，與準(zhǔn)直器直徑大小、切片厚度、切片中心位置、螺距和插值算法等多種因素相關(guān)。上切片系統(tǒng)是多層螺旋CT的子系統(tǒng)，是光路系統(tǒng)的主要部件，具有切片層厚調(diào)整、切片層中心位置調(diào)整、球管射線焦點(diǎn)位置切換等功能，直接影響多層螺旋CT成像的質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)了多層螺旋CT上切片系統(tǒng)，并分析軸承、絲杠、控制系統(tǒng)等對(duì)切片厚度及射線聚焦精度的影響，并對(duì)上切片系統(tǒng)的精度進(jìn)行了模擬測試。分析結(jié)構(gòu)表明切片厚度調(diào)整結(jié)構(gòu)的各種誤差積累7.68 μm，對(duì)切片精度的最大影響為0.95%，切片中心位置每300 mm的絕對(duì)誤差為24 μm，跟蹤時(shí)的最大絕對(duì)誤差為14 μm。對(duì)切片精度的最大影響為3%，重復(fù)精度為6 μm。上切片系統(tǒng)精度的提高，有助于提高多層螺旋CT成像的精度和準(zhǔn)確度，從而確定恰當(dāng)?shù)闹委煼椒?，提高治療成功率?/p>

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