多层螺旋CT上切片系统设计及精度分析

姜荣健

温岭市第一人民医院设备科，温岭市，317500

0 前言

随着计算机技术以及电子技术的进步，计算机断层数据的快速采集以及快速处理得以实现，现代医学CT向着多层次、高速和高分辨率方向发展。多层螺旋CT（Multi-slice Spiral Computed Tomography,MSCT）与以往单层螺旋CT(Single-slice Spiral CT，SSCT)相比较，其特点在于它在探测器结构和数据处理系统(DAS)两方面作了根本性的改进[1-3]。MSCT具有较高的空间分辨率和密度分辨率，在低辐射环保剂量的条件下就可以得到优质的图像，减少扫描时间，增加扫描范围[4-5]。MSCT中将SSCT的单排探测器（900个左右的探测器单位）改进为几排甚至几十排探测器，即MSCT在Z轴方向上有数万个探测器呈二维阵列，目前的设计为8～34排。MSCT用锥形X线束，多排探测器，大大提高了扫描速度，旋转一周的扫描时间可短至0.35 s，同时旋转一周可获得多层图像。由于它是快速容积扫描，在短时间内，对身体的较长范围进行不间断的数据采集，可获大量的信息。

本文研究对象是多层螺旋CT机上切片系统，它是螺旋CT中一个重要的子系统，具有切片层厚调整、切片层中心位置调整、球管射线焦点位置切换等功能，直接影响多层螺旋CT成像的质量。本文设计多层螺旋CT上切片系统，分析轴承、丝杠、控制系统等对切片厚度及射线聚焦精度的影响，并对上切片系统的精度进行了模拟测试，提高上切片系统的精度，以使MSCT在功能方面更加完善。

图1 上切片系统结构示意图Fig.1 Mechanical diagram of upper slicing system

1 上切片系统

该系统由球管的固定和调整（不需自动、手动调整）、上切片层厚调整、上切片层中心位置调整、过滤器和焦点位置切换、monitor模块（不需切换）等部分组成。

上切片系统具体结构如图1所示。

驱动单元A是切片厚度调整的驱动装置，也是过滤器和焦点测量片驱动杆的插入和拔出的动力装置，由步进电机T2H H-2.5A（带编码器）驱动导程5 mm的滚珠丝杠，推动楔形滑块，通过滚轮带动上切片闸门的动片运动；驱动单元B是切片中心位置和焦点跟踪运动、过滤器和焦点测量片切换的驱动装置，由步进电机T2H H-2.5A（带编码器）驱动导程5 mm的滚珠丝杠，带动闸门组件或同时带动过滤器和焦点测量片前后移动。

两套驱动单元均采用精密滚珠丝杠与步进电机通过伺服专用联轴器直联的方式，减少传动环节，驱动单元A还采用了楔形滑块的误差缩小的结构，提高了传动精度。

2 上切片系统精度分析与测试

两个驱动单元均采用THK公司的DIK1605-6滚珠丝杠，公称直径16 mm，导程5 mm，精度等级为C5级，导程精度为8 μm/转(18 μm/300 mm)，传动间隙通过施加350 N的预压载荷消除，间隙为0 mm。驱动单元A在主机倾斜30o时，最大轴向总负载为 96 N，主机不倾斜时，最大轴向总负载为95 N，均小于预压载荷350 N，不会产生间隙。驱动单元B在主机倾斜30o时，最大轴向总负载为145 N，主机不倾斜时，最大轴向总负载为111 N，均小于预压载荷350 N，丝杠不会产生间隙。两个驱动单元均采用带编码器的步进电机，步进电机5 000细分，编码器500线，速度为400 fullsteps/s时驱动扭矩为0.35 N·m，计算所得的负载最大扭矩为0.2 N·m，满足使用要求，不会产生过载引起的步进电机丢步现象。

2.1 切片厚度调整机构精度分析

根据国家标准《GB/T 307.4–2003滚动轴承公差》，层厚调整机构的滚动轴承（滚轮）的外圈直径为16 mm，径向跳动最大为6 μm，实际测量值小于1 μm，此误差直接影响切片厚度。

如图4所示，弹簧力不均衡可能产生滚轮位置在x方向偏移，这个偏移来自滚轮轴承的径向游隙，滚轮轴承的径向游隙t为最小2 μm，最大13 μm，最大可以产生h＝2.40 μm的切片层厚误差。

5级精度滚珠丝杠轴向误差每300 mm最大误差为18 μm，每转误差为8 μm，按18 μm误差计算产生的切片厚度误差为3.3 μm。光耦回零误差范围为6 μm，引起的切片厚度误差为1.02 μm。加工工艺上可以实现阶梯滑块的粗糙度不大于1 μm。因此，各种误差积累7.68 μm。按小切片厚度0.8 mm计算，对切片精度的最大影响为0.95%。

图2 楔形结构精度分析Fig.2 Precision analysis of wedge structure

2.2 切片中心位置调整机构的精度分析

滚珠丝杆的分析如切片厚度调整机构。

对于焦点跟踪，由于跟踪范围小于5 mm（一转），所以误差可以按导程误差8 μm计算。对于切片中心位置，最大工作位移为30 mm，远小于行程300 mm。光耦回零误差范围为6 μm，引起的切片中心位置最大误差为6 μm。因此，切片中心位置每300 mm的绝对误差为24 μm，跟踪时的最大绝对误差为14 μm。按小切片厚度0.8 mm计算，对切片精度的最大影响为3%，重复精度为6 μm。

2.3 上切片机构精度的模拟测试

模拟机构是将上切片机构增加配重，制成与实际工作状态时重量和驱动模式相近的机构。将模拟机构倾斜30o，采用跟踪状态模式（开环），在设定两点之间运动，用微米级千分表测量实际测得重复性误差小于1 μm。将模拟机构平放，采用跟踪状态模式（开环），在设定两点之间运动，用微米级千分表测量。实际测得重复性误差小于1 μm，绝对误差小于10 μm。结果如表1所示。

表1 精度分析和模拟测试结果Tab.1 Results of precision analysis and test

3 结论

多层螺旋CT的成像质量，与准直器直径大小、切片厚度、切片中心位置、螺距和插值算法等多种因素相关。上切片系统是多层螺旋CT的子系统，是光路系统的主要部件，具有切片层厚调整、切片层中心位置调整、球管射线焦点位置切换等功能，直接影响多层螺旋CT成像的质量。本文设计了多层螺旋CT上切片系统，并分析轴承、丝杠、控制系统等对切片厚度及射线聚焦精度的影响，并对上切片系统的精度进行了模拟测试。分析结构表明切片厚度调整结构的各种误差积累7.68 μm，对切片精度的最大影响为0.95%，切片中心位置每300 mm的绝对误差为24 μm，跟踪时的最大绝对误差为14 μm。对切片精度的最大影响为3%，重复精度为6 μm。上切片系统精度的提高，有助于提高多层螺旋CT成像的精度和准确度，从而确定恰当的治疗方法，提高治疗成功率。

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