多層螺旋CT上切片系統設計及精度分析

姜榮健

溫嶺市第一人民醫院設備科，溫嶺市，317500

0 前言

隨著計算機技術以及電子技術的進步，計算機斷層數據的快速采集以及快速處理得以實現，現代醫學CT向著多層次、高速和高分辨率方向發展。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，其特點在于它在探測器結構和數據處理系統(DAS)兩方面作了根本性的改進[1-3]。MSCT具有較高的空間分辨率和密度分辨率，在低輻射環保劑量的條件下就可以得到優質的圖像，減少掃描時間，增加掃描范圍[4-5]。MSCT中將SSCT的單排探測器（900個左右的探測器單位）改進為幾排甚至幾十排探測器，即MSCT在Z軸方向上有數萬個探測器呈二維陣列，目前的設計為8～34排。MSCT用錐形X線束，多排探測器，大大提高了掃描速度，旋轉一周的掃描時間可短至0.35 s，同時旋轉一周可獲得多層圖像。由于它是快速容積掃描，在短時間內，對身體的較長范圍進行不間斷的數據采集，可獲大量的信息。

本文研究對象是多層螺旋CT機上切片系統，它是螺旋CT中一個重要的子系統，具有切片層厚調整、切片層中心位置調整、球管射線焦點位置切換等功能，直接影響多層螺旋CT成像的質量。本文設計多層螺旋CT上切片系統，分析軸承、絲杠、控制系統等對切片厚度及射線聚焦精度的影響，并對上切片系統的精度進行了模擬測試，提高上切片系統的精度，以使MSCT在功能方面更加完善。

圖1 上切片系統結構示意圖Fig.1 Mechanical diagram of upper slicing system

1 上切片系統

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

上切片系統具體結構如圖1所示。

驅動單元A是切片厚度調整的驅動裝置，也是過濾器和焦點測量片驅動桿的插入和拔出的動力裝置，由步進電機T2H H-2.5A（帶編碼器）驅動導程5 mm的滾珠絲杠，推動楔形滑塊，通過滾輪帶動上切片閘門的動片運動；驅動單元B是切片中心位置和焦點跟蹤運動、過濾器和焦點測量片切換的驅動裝置，由步進電機T2H H-2.5A（帶編碼器）驅動導程5 mm的滾珠絲杠，帶動閘門組件或同時帶動過濾器和焦點測量片前后移動。

兩套驅動單元均采用精密滾珠絲杠與步進電機通過伺服專用聯軸器直聯的方式，減少傳動環節，驅動單元A還采用了楔形滑塊的誤差縮小的結構，提高了傳動精度。

2 上切片系統精度分析與測試

兩個驅動單元均采用THK公司的DIK1605-6滾珠絲杠，公稱直徑16 mm，導程5 mm，精度等級為C5級，導程精度為8 μm/轉(18 μm/300 mm)，傳動間隙通過施加350 N的預壓載荷消除，間隙為0 mm。驅動單元A在主機傾斜30o時，最大軸向總負載為 96 N，主機不傾斜時，最大軸向總負載為95 N，均小于預壓載荷350 N，不會產生間隙。驅動單元B在主機傾斜30o時，最大軸向總負載為145 N，主機不傾斜時，最大軸向總負載為111 N，均小于預壓載荷350 N，絲杠不會產生間隙。兩個驅動單元均采用帶編碼器的步進電機，步進電機5 000細分，編碼器500線，速度為400 fullsteps/s時驅動扭矩為0.35 N·m，計算所得的負載最大扭矩為0.2 N·m，滿足使用要求，不會產生過載引起的步進電機丟步現象。

2.1 切片厚度調整機構精度分析

根據國家標準《GB/T 307.4–2003滾動軸承公差》，層厚調整機構的滾動軸承（滾輪）的外圈直徑為16 mm，徑向跳動最大為6 μm，實際測量值小于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生滾輪位置在x方向偏移，這個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，最大可以產生h＝2.40 μm的切片層厚誤差。

5級精度滾珠絲杠軸向誤差每300 mm最大誤差為18 μm，每轉誤差為8 μm，按18 μm誤差計算產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。加工工藝上可以實現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計算，對切片精度的最大影響為0.95%。

圖2 楔形結構精度分析Fig.2 Precision analysis of wedge structure

2.2 切片中心位置調整機構的精度分析

滾珠絲桿的分析如切片厚度調整機構。

對于焦點跟蹤，由于跟蹤范圍小于5 mm（一轉），所以誤差可以按導程誤差8 μm計算。對于切片中心位置，最大工作位移為30 mm，遠小于行程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的絕對誤差為24 μm，跟蹤時的最大絕對誤差為14 μm。按小切片厚度0.8 mm計算，對切片精度的最大影響為3%，重復精度為6 μm。

2.3 上切片機構精度的模擬測試

模擬機構是將上切片機構增加配重，制成與實際工作狀態時重量和驅動模式相近的機構。將模擬機構傾斜30o，采用跟蹤狀態模式（開環），在設定兩點之間運動，用微米級千分表測量實際測得重復性誤差小于1 μm。將模擬機構平放，采用跟蹤狀態模式（開環），在設定兩點之間運動，用微米級千分表測量。實際測得重復性誤差小于1 μm，絕對誤差小于10 μm。結果如表1所示。

表1 精度分析和模擬測試結果Tab.1 Results of precision analysis and test

3 結論

多層螺旋CT的成像質量，與準直器直徑大小、切片厚度、切片中心位置、螺距和插值算法等多種因素相關。上切片系統是多層螺旋CT的子系統，是光路系統的主要部件，具有切片層厚調整、切片層中心位置調整、球管射線焦點位置切換等功能，直接影響多層螺旋CT成像的質量。本文設計了多層螺旋CT上切片系統，并分析軸承、絲杠、控制系統等對切片厚度及射線聚焦精度的影響，并對上切片系統的精度進行了模擬測試。分析結構表明切片厚度調整結構的各種誤差積累7.68 μm，對切片精度的最大影響為0.95%，切片中心位置每300 mm的絕對誤差為24 μm，跟蹤時的最大絕對誤差為14 μm。對切片精度的最大影響為3%，重復精度為6 μm。上切片系統精度的提高，有助于提高多層螺旋CT成像的精度和準確度，從而確定恰當的治療方法，提高治療成功率。

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