專利名稱：采用傾斜幾何形狀的三維重建的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生對(duì)象的3維X線斷層掃描影像的方法，其中，一個(gè)射線源，特別是X射線源相對(duì)于運(yùn)動(dòng)平面上的對(duì)象而環(huán)繞旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)，其中，射線源以射線圓錐發(fā)出其輻射，其中央射線提供給對(duì)象，其中，在對(duì)象的遠(yuǎn)離射線源的一側(cè)的中央射線上設(shè)置一個(gè)相應(yīng)共同運(yùn)動(dòng)的探測(cè)器，向其提供通過對(duì)象減弱強(qiáng)度的輻射。本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)施這種方法的裝置。
背景技術(shù)：
X線斷層掃描拍攝目前特別是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是一種用于制作透射對(duì)象(確切地說是透射身體)影像的重要技術(shù)。在此方面，對(duì)象采用一個(gè)環(huán)繞對(duì)象在可預(yù)先規(guī)定的軌跡上運(yùn)動(dòng)的X射線源進(jìn)行照射。對(duì)象后面的光路上設(shè)置一個(gè)具有探測(cè)元件陣列并在上面投影對(duì)象的探測(cè)器。各探測(cè)元件接收射中陣列并通過對(duì)象吸收減弱的X射線的相應(yīng)部分射線，其中，從這些信號(hào)中借助計(jì)算機(jī)制作影像。
在所述的技術(shù)中利用錐形幾何形狀的射線，其中，X射線源將光錐投射到對(duì)象上。探測(cè)元件被提供對(duì)象的二維投影。通過射線源和探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)收集來自不同方向上的投影，其中，射線源和探測(cè)器彼此處于固定的裝置上。這種技術(shù)可以使透射對(duì)象的體積得到重建。在一種特別優(yōu)選的裝置中，X射線源和探測(cè)器分別設(shè)置在一個(gè)C形拱架的末端上，該探測(cè)器環(huán)繞其中軸環(huán)繞對(duì)象旋轉(zhuǎn)，其中，拍攝大量的二維影像。從這些投影中可以重建對(duì)象的三維影像。在此方面，射線源在公知的原射線技術(shù)中進(jìn)行圓形或者橢圓形運(yùn)動(dòng)，其中，中央射線與旋轉(zhuǎn)軸垂直相對(duì)。
為重建三維的對(duì)象使用Feldkamp的原射線技術(shù)(“實(shí)踐中的原射線算法”L.A.Feldkamp等，J.Opt.Soc.Am.A/Ausgabe 1，號(hào)6，1984年6月)。在也以“filtered-backprojection”(FBP)概念公知的這種方法中，首先將所有投影影像過濾并然后以其空間形狀被回投。該方法在商用的X線斷層掃描器上，特別是在螺旋CT或者原射線C形臂上使用。
在此方面，這些系統(tǒng)需要幾何形狀的校準(zhǔn)，以便可以準(zhǔn)確重建三維顯示。校準(zhǔn)可以在掃描期間聯(lián)機(jī)或者脫機(jī)進(jìn)行，其中，聯(lián)機(jī)的校準(zhǔn)借助具有公知幾何形狀的參考對(duì)象(校準(zhǔn)虛設(shè)物)一次性地進(jìn)行。
迄今為止公知方法的缺點(diǎn)是，它們對(duì)具有假象的對(duì)象中的不規(guī)則性—特別是在牙科應(yīng)用的情況下—反應(yīng)比較靈敏。在此方面，特別值得一提的是制作人頜骨的X線斷層掃描拍攝，其質(zhì)量很大程度上取決于牙齒上存在的金屬牙冠的分布。因此在公知的方法中很難考慮到身體的個(gè)性化解剖學(xué)。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在本發(fā)明的目的在于，提供一種開頭所述類型的方法，其可以采用簡(jiǎn)單手段低成本地進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并在較小射線負(fù)荷的情況下保證較高的影像質(zhì)量。為此本發(fā)明的目的在于提供一種用于實(shí)現(xiàn)該方法的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的裝置。
該目的通過一種具有權(quán)利要求1特征部分的特征的方法和按權(quán)利要求8所述的裝置得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明特殊實(shí)施方式的特征構(gòu)成在各自的從屬權(quán)利要求中予以說明。
本發(fā)明的主導(dǎo)思想在于提供一種拍攝方法和相應(yīng)的原射線裝置，其中，中央射線不是像以往那樣在運(yùn)動(dòng)平面上，而是以一個(gè)傾斜角向運(yùn)動(dòng)平面傾斜定向。因?yàn)樵撨\(yùn)動(dòng)在大多數(shù)情況下是一種環(huán)繞所要檢查對(duì)象的旋轉(zhuǎn)，所以中央射線相應(yīng)地向旋轉(zhuǎn)平面傾斜并因此不再與旋轉(zhuǎn)軸垂直。
在此方面，不排除旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一如在螺旋CT上那樣一疊加沿旋轉(zhuǎn)軸的線性運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，運(yùn)動(dòng)平面傾斜并構(gòu)成螺旋線。依據(jù)本發(fā)明中央射線和旋轉(zhuǎn)軸在這種情況下也包括一個(gè)不等于90°的角度。在其他特殊情況下，例如為了在拍攝下頜時(shí)隱沒肩區(qū)，具有優(yōu)點(diǎn)的是可以為一個(gè)確定的角度范圍離開旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的平面，以便然后晚些時(shí)候再返回該平面內(nèi)。射線源和探測(cè)器在此方面首先上升，然后它們?cè)傧陆档皆械倪\(yùn)動(dòng)平面內(nèi)。在這種情況下運(yùn)動(dòng)本身是閉合的。本發(fā)明也包括這些特殊情況。
然而，由于影像數(shù)學(xué)上更簡(jiǎn)單的重建并由于影像更容易解釋的內(nèi)容，特別具有優(yōu)點(diǎn)的是旋轉(zhuǎn)平面如在常規(guī)檢查中那樣通過C形拱架與旋轉(zhuǎn)軸垂直設(shè)置和運(yùn)動(dòng)過程為橢圓形或者圓形。本發(fā)明這種實(shí)施方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)械實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)通常在于減少射線負(fù)荷和降低假象，從而明顯提高影像質(zhì)量。下面詳細(xì)介紹牙科應(yīng)用解剖學(xué)上的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明在與公知的C形拱架結(jié)合下進(jìn)行實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些優(yōu)點(diǎn)特別值得注意的，在這些C形拱架中，X射線源和探測(cè)器系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸以往僅與中央X射線垂直設(shè)置。然而系統(tǒng)的校準(zhǔn)與在中央射線依據(jù)本發(fā)明不與旋轉(zhuǎn)軸垂直設(shè)置中那樣進(jìn)行。
本發(fā)明的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)械設(shè)置并在牙科拍攝時(shí)攜帶C形拱架。在此方面，中央射線的角度可以這樣進(jìn)行調(diào)整，使下部邊緣射線基本水平分布。這種調(diào)整的幾何形狀一方面便于探測(cè)器通過患者的肩膀。在此方面，探測(cè)器可以更加靠近患者，由此可以放大成像體并可以優(yōu)化儀器的尺寸。
另一優(yōu)點(diǎn)在于輻射劑量的吸收方面。這樣通過傾斜幾何形狀特別敏感或者強(qiáng)輻射吸收的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)、例如像顱底可以擺脫光路。由此避免檢測(cè)假象，例如像由解剖學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的增強(qiáng)輻射的產(chǎn)物。因此在影像質(zhì)量相同的情況下可以降低患者的放射劑量。
為此具有優(yōu)點(diǎn)的是，利用本發(fā)明可以降低由金屬物體產(chǎn)生的假象。從而恰恰是在C形拱架情況下的通過增強(qiáng)吸收(阻塞)產(chǎn)生的這些金屬假象得到避免，例如像在多種牙齒填料的情況中那樣。在此方面，強(qiáng)吸收的對(duì)象會(huì)完全吸收X線輻射，從而在所拍攝的數(shù)據(jù)組中產(chǎn)生如缺少信息那樣的影響。這種信息缺失特別是在使用傳統(tǒng)重建算法的情況下產(chǎn)生假象，在這些算法中返回投影的過程由加法組成，其中，在阻塞的情況下加法不一致和在允許范圍外的數(shù)值形成飽和。
對(duì)于分析處理來說具有優(yōu)點(diǎn)的是使用所稱的Feldkamp重建原理，其中，為重建空間顯示在從不同角度拍攝的所有部分射線上相加。在此方面，由于計(jì)算開支較低而具有優(yōu)點(diǎn)的是，從相對(duì)的角度(0°和180°)觀察不再疊加的投影。中央射線與旋轉(zhuǎn)軸的不垂直定向可以產(chǎn)生很小的假象，這歸因于在返回投影步驟期間的未得到補(bǔ)償?shù)男畔?。?shí)驗(yàn)表明，通過金屬吸收產(chǎn)生的假象遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于通過未得到補(bǔ)償?shù)男畔a(chǎn)生的那些假象。因此在這里它的影響很小。
具有優(yōu)點(diǎn)的是，為C形拱架使用確定脫機(jī)校準(zhǔn)虛設(shè)物的原射線重建(“成像X線系統(tǒng)的校準(zhǔn)虛設(shè)物”，Mitschke等，US-專利6715918)。該虛設(shè)物是一種圓形螺旋線，由顯示二進(jìn)制編碼的球體組成。被投影的球體形成可以被轉(zhuǎn)換的樣式。每個(gè)球體的位置因此在三維空間中以及在二維影像中公知。幾何形狀可以通過投影矩陣的倒置而得到。這些矩陣是為了重建三維顯示而使用。該虛設(shè)物可以使我們?cè)谌魏卧渚€幾何形狀中使用旋轉(zhuǎn)軸、中央射線、探測(cè)平面的任何布置。


下面借助附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。其中圖1示出具有射線源和探測(cè)器的原射線掃描系統(tǒng)的示意圖；圖2示出一種牙科原射線掃描器的傾斜幾何形狀；以及圖3示出穿過牙齒填料的射線。
具體實(shí)施例方式
圖1示意示出具有X射線源1的一個(gè)原射線掃描系統(tǒng)。射線源1放射一個(gè)具有中央射線3的射線圓錐2。在透射一個(gè)未示出的對(duì)象后，射線2射中具有大量單個(gè)探測(cè)器的探測(cè)器陣列4。每個(gè)探測(cè)器接收射線圓錐2的通過透射對(duì)象而減弱的部分射線。為在后面產(chǎn)生對(duì)象的三維重建，射線源1和探測(cè)器4的裝置環(huán)繞軸5旋轉(zhuǎn)(箭頭A)。旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)確定一個(gè)與所標(biāo)注的平面6平行的平面。依據(jù)本發(fā)明中央射線3相對(duì)于運(yùn)動(dòng)平面6以角度傾斜設(shè)置。角度可以根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。與圖1a所示的中央射線3垂直提供給探測(cè)器4的例子的區(qū)別在于，探測(cè)器4按照?qǐng)D1b與旋轉(zhuǎn)軸5平行設(shè)置。兩個(gè)實(shí)施例因此區(qū)別僅在于數(shù)學(xué)分析處理所依據(jù)的形式。
圖2示出一個(gè)可環(huán)繞軸7旋轉(zhuǎn)的“C形拱架”，其具有X射線源8和傾斜設(shè)置的探測(cè)器9。射線圓錐10透射患者11的下顱?？梢郧宄闯觯渚€源8和探測(cè)器的傾斜度這樣選擇，使下部邊緣射線12水平分布。通過這種設(shè)置避免照射肩膀和探測(cè)器9可以相當(dāng)近地靠近患者11。
在圖3中可以看到相同設(shè)置的“C形拱架”，其中，在這里示出患者的下頜12。金屬填料13處于下頜牙齒內(nèi)，該填料覆蓋區(qū)域14內(nèi)的輻射并因此在重建時(shí)導(dǎo)致假象。但可以清楚看出，通過傾斜設(shè)置不穿過所有三個(gè)填料13，而是原則上僅穿過一個(gè)填料。由此減少阻塞。
權(quán)利要求
1.用于產(chǎn)生對(duì)象三維-X線斷層掃描影像的方法，其中，一個(gè)射線源(1)，特別是X射線源相對(duì)于運(yùn)動(dòng)平面(6)上的對(duì)象而環(huán)繞旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)，其中，射線源(1)以射線圓錐(2)發(fā)出輻射，其中央射線(3)提供給對(duì)象，其中，在對(duì)象的遠(yuǎn)離射線源的一側(cè)的中央射線上設(shè)置一個(gè)相應(yīng)共同運(yùn)動(dòng)的探測(cè)器(4)，向其提供通過對(duì)象而減弱強(qiáng)度的輻射，其特征在于，運(yùn)動(dòng)這樣進(jìn)行，使中央射線(3)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)平面(6)以一個(gè)角度傾斜。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，探測(cè)器(4)具有一個(gè)探測(cè)元件陣列，其中在運(yùn)動(dòng)期間將對(duì)象投影到陣列上，以及其中從探測(cè)元件的通過運(yùn)動(dòng)收集的信號(hào)中制作具有三維信息的X線斷層掃描影像。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，射線源(1)在一個(gè)錐形截面的軌跡上、特別是在一個(gè)圓形軌跡或者橢圓形軌跡上環(huán)繞該對(duì)象，其中，設(shè)置在中央射線(3)光路內(nèi)的探測(cè)器(4)相應(yīng)復(fù)制該運(yùn)動(dòng)。
4.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，至少幾乎全部射線圓錐(2)提供給探測(cè)器陣列，其中，探測(cè)器陣列的有效面積與中央射線(3)垂直設(shè)置。
5.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，至少幾乎全部射線圓錐(2)提供給探測(cè)器陣列，其中，探測(cè)器陣列的有效面積與旋轉(zhuǎn)軸(5)平行設(shè)置。
6.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，射線源(1、8)和/或者探測(cè)器(4、9)的傾斜角在運(yùn)動(dòng)期間變化。
7.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，射線源(1、8)和探測(cè)器(4、9)組成的系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)期間沿旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)。
8.用于實(shí)施按前述權(quán)利要求之一所述的方法的裝置，特別是C形拱架，具有一個(gè)X射線源(8)和一個(gè)探測(cè)器(9)，其中，X射線源(8)的射線圓錐(10)提供給探測(cè)器(9)的探測(cè)元件陣列，其中，該裝置可環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸(7)旋轉(zhuǎn)，其特征在于，射線圓錐(2、10)的中央射線(3)向旋轉(zhuǎn)平面傾斜設(shè)置。
9.按權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，射線源(1、8)和/或者探測(cè)器(4、9)的傾斜角可以調(diào)整。
10.按權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，射線圓錐(2、10)的下部邊緣射線(12)旋轉(zhuǎn)時(shí)掃過水平面。
11.按權(quán)利要求1-7之一所述的方法在一種X線顯示器上，特別是在采用原射線技術(shù)的C形拱架上使用。
全文摘要
一種用于產(chǎn)生對(duì)象的三維X線斷層掃描影像的方法，其中，一個(gè)射線源，特別是X射線源(1)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)平面(6)上的對(duì)象而環(huán)繞旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)，其中，射線源(1)以射線圓錐(2)發(fā)出輻射，其中央射線(3)提供給對(duì)象，其中，在對(duì)象的遠(yuǎn)離射線源的一側(cè)的中央射線上設(shè)置一個(gè)相應(yīng)共同運(yùn)動(dòng)的探測(cè)器(4)，向其提供通過對(duì)象減弱強(qiáng)度的輻射，以及其中運(yùn)動(dòng)這樣進(jìn)行，使中央射線(3)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)平面(6)以一個(gè)角度傾斜。
文檔編號(hào)G06T11/00GK101052995SQ200580028240
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2005年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者J·海伊, M·利文, M·布魯爾 申請(qǐng)人:塞隆納牙科系統(tǒng)有限責(zé)任公司