[发明专利]测量一个旋转设备的几何、位置和运动参数的装置和方法

说明书

发明领域

本发明一般地涉及一种测量系统和方法，更特殊地，涉及测量一个旋转设备的各种几何、位置和运动参数的系统和方法，比如当设备绕一个旋转轴旋转时旋转设备的角位置，不圆度(Out of Roundness)和角速度，以及在旋转平面内，旋转设备的几何中心的任何横向位移。

发明背景

本发明是要测量与一个可旋转的设备有关的，比如一个盘或鼓，在其绕一个旋转轴旋转过程中的各种几何、位置和运动参数，这里要求确保在设备的旋转中某些几何、位置和运动的异常情况被测定出来，从而可以采取适当的操作，如果有的话。本发明特别适用于计算机化的轴向层面X射线照相术(CAT)扫描系统，并且将因此在这方面进行描述，但不应被认为仅限于这类系统。

CAT扫描系统通常包括一个门形架(gantry)，该架是由如可以在固定在一个的框(frame)中旋转的一个盘或鼓的结构来形成的。在第三代CAT扫描仪中，一个X射线源和X射线检测阵列都安装在绕一桌子作旋转运动的盘上，桌子上能够安放病人。X射线源和X射线检测器阵列绕在盘上的一个点设置，该盘确定该点的轨迹(locus)，后面称之为“几何中心”，在一次扫描期间，当盘绕该点旋转时，围绕该点的源和检测器阵列规定要有正确的旋转运动，这样才能使层面X射线照相术的图象被精确地重建。该几何中心在理想状况下与盘的名义质心和盘的旋转中心相一致。在第四代CAT扫描仪中，X射线源是相对于几何中心安装在一个可旋转的盘上，而检测器被设置在一个固定的框上，且绕盘的旋转轴等角分布。在此二种系统类型中，X射线源会产生周期性的脉冲或连续波辐射。每个检测器通常要么是固态器件，要么是气体管器件。

在第三代类型的机器中，检测器阵列被设置在盘上直径方向与源相对的地方，且与源的焦斑对准，这样，检测器阵列和焦斑被定位在同一装置中，即扫描或旋转平面(与盘和旋转轴垂直)中。就一个检测器阵列而言，阵列中的每一个检测器被定位在扫描平面中，通常相对于源以一个预先确定的角间隔设置，从而使每个检测器相对于焦斑所对应的角度是一样的，这样，在介于源和相应的检测器之间的扫描平面内提供了多个X射线通道。在第三代机器中，X射线通道集中起来类似一把扇子，其顶点(Apex)位于X射线源的焦斑上。在第四代机器中，相对于每个检测器的X射线通道类似一把扇子，其顶点在检测器的输入处。因此，二种机器类型有时被称为“扇束”层面X射线照相术系统。

这些系统提供了相应于辐射通量变化的多个信息或数据信号，这些变化是由检测器在多次投影检测(Projection View)中的每一次中测量的，比如，当盘绕一个占据检测器与X射线源之间的空间的物体旋转期间，在一些精确的角位置所做的测量。根据已知的，通常被称之为“向后投影(back projection)”的信号数学处理方法(雷顿变换)(Radon)，能够形成一个表征沿旋转平面的一个二维切片的可见图象，比如，扫描平面通过定位在介于源和检测器之间的平面中被扫描物体的那部分。这些图象的精确构成决定性地取决于多种因素，包括：(1)盘的运动是精确地绕盘的几何中心转动，(2)在一次扫描期间，几何中心在扫描平面中维持不变，从而当盘沿其轴转动时，它不会在平面内相对于被扫描的物体产生横向移动，(3)在每次投影检测期间所提供的X射线曝光对每次检测系统来讲是相同的，且(4)数据是在盘的精确角位置处获得，从而当图象被反向投影时，使数据与X射线源和/或检测器相对于被扫描物体的正确位置信息是有相互关系的。这样，误差的一个来源是当盘在门形架框中旋转时，由于振动和机械噪声造成的。因为，在一次扫描期间，即使CAT扫描装置的盘的几何中心相对于被扫描物体有很小的横向移动，也会产生误差，从而导致失败或不正确的图象，这种装置已被制成为沉重地加强的昂贵设备，通常重量为一吨或更重，从而防止源和检测器系统的不合适运动。

通过对以下文献中的装置的描述及所提出的权利要求，现有技术的这样一种沉重的、昂贵的CAT扫描结构特征所带来的许多固有缺点已经被认识到和叙述了，至少部分是这样，比如1990年5月22日授于B.M.Gordon的美国专利No.4928283(以及1993年9月14日授于B.M.Gordon的美国再颁发专利No.Re.34379)和1992年4月28日授于B.M.Gordon的美国专利No.5109397，等等。