用於校準數字x光設備的方法(變型)的製作方法

2023-06-04 06:57:41

專利名稱：用於校準數字x光設備的方法(變型)的製作方法
技術領域：
本組發明屬於醫療X光工程，即數字X光設備(X射線設備，X射線裝置)電子計 算機X光斷層照相機以及裝配有C臂和U臂型支架(架，臺)的數字X光設備的技術特性 的檢查和測量器械。
背景技術：
數字X光設備校準的主要目的是，在放射探查的過程中產生檢查目標(患者)的 最高質量的圖像。探查圖像的質量在很大程度上受到電子計算機X光斷層照相機支架(也 叫做X光斷層照相機臺架)的機械不穩定性和數字X光設備的C臂和U臂支架的機械不穩 定性影響。因此，例如，數字X光設備支架旋轉路徑的變化可以導致檢測器的預校準，例如 陰影的校準等的失效。對於電子計算機X光斷層照相機設備，除了檢測器預校準的失效以 外，甚至X光斷層照相掃描路徑的最小變化也可以導致正被重構的圖像的相當大的劣化。 電子計算機X光斷層照相機支架的機械不穩定性、數字X光設備的C臂和U臂支架的機械 不穩定性，包括規則的和隨機的分量。由於考慮數字X光設備支架的機械不穩定性的規則 分量，本申請下的發明被設計為精確地修正用χ光設備獲得的圖像。具有C臂支架的X光設備的機械不穩定性的以下校準方法是已知的，其中，應用設 備機械不穩定性的外部監測系統a)[美國專利第2001053204號的申請，
公開日2001年12月20日，IPC A61B6/00] 的方法是已知的，根據該方法，將特殊的標識器安裝在X光管上，並且使用沒有連接至X光 設備的外部光學立體照相機追蹤設備的旋轉路徑；根據該路徑確定設備機械不穩定所需的 修正。當使用已知方法時，除了給定方法應用的複雜性和昂貴性以外，實現所述以下技 術結果的障礙還包括可能阻礙光學立體照相機的視場(當患者的桌子處於照相機和標識 器之間時或者當醫務人員闖進照相機視場時等等，在設備旋轉的過程中，標識器變得對於 照相機不可見)。因此，將在未修正設備的機械不穩定性的情況下獲得一部分診斷數據，這 種情況會導致正獲得的X光圖像的劣化。b)[美國專利第6，120，180號，
公開日2000年9月19日，IPCA61B6/00]的方法是 已知的，根據該方法，在X光管和X光檢測器上安裝超聲發射器，通過至少兩個超聲接收器 記錄發射器信號。處理由超聲檢測器接收的信號，並使用其確定設備的旋轉路徑；根據該路 徑確定設備的機械不穩定性的修正。當使用已知方法時，除了給定方法應用的複雜性和昂貴性以外，實現所述以下技 術結果的障礙還包括這樣的事實超聲輻射特性取決於通過其傳播的介質的溫度。這導致 必須進行複雜的計算和修正由超聲數據接收器接收的信息，因為X光管、X光傳感器和環境 空氣的溫度不同。[美國專利第5，822，396號，
公開日1998年10月13日，IPCA61B6/00]的用於電 子計算機X光斷層照相機的校準方法是已知的，根據該方法，為了檢查目標(患者，當在醫學上使用X光設備時)的每次曝光，使測試目標放置於掃描場中。所觀察的位置與理想的 位置之間的偏差使得計算每張X光照片的位移數據，該數據用來實時地補償支架的機械不 穩定性。當使用已知方法時，實現所述以下技術結果的障礙包括這樣的事實此方法的測 試目標由X光對比材料製成，通常由金屬製成。在每次曝光的過程中存在這種目標會導致 在正被重構的圖像上形成偽像；當進行X光斷層照相機檢查時，這導致誤差。在關於其技術本質的申請下，與本發明的兩個變型最接近的相同目的的方 法 是，在[Fahrig R.，Holdsworth D. W.，Three-dimensionalcomputed tomographic reconstruction using a C-arm mounted XRII image-based correction of gantry motion nonidealities (使用安裝C臂的XRII的三維電子計算機X光斷層照相重構臺 架運動非理想性的基於圖像的修正).Medical Physics (醫學物理學)，2000，V. 27(1)， p. 30-38.]中給出的用於電子計算機X光斷層照相機的校準方法。該方法包括，使用安裝在 X光設備的掃描場中的鋼球(或幾個球)對X光設備支架的機械不穩定性的規則分量獲得 預校準數據。該方法意味著，對於不同的支架旋轉角度<pi，獲得一系列N張X光照片。獲得 X光照片並以數字形式處理。在每張X光照片中，找到球(或幾個球)的投影中心坐標。使 用找到的坐標，確定X光設備支架機械不穩定性的規則分量。在該方法中，主導作用屬於X 光設備支架機械不穩定性的X方向和Y方向校準數據，使用已知方法實現所述以下技術結 果的障礙包括這樣的事實在已知方法中，未確定數字X光設備支架、Z方向機械不穩定性 的規則分量(比例校準數據)。比例校準數據在絕對值上相對較小，雖然在焦距為1200mm 且檢查目標大小為IOOmrn的情況中，IOmm的Z方向的位移會導致檢查目標的投影大小變化 1.7% (如果檢查目標位於X光管和檢測器之間的中間)，這在檢查中是不合適的，其中需要 高精度的測量(電子計算機X光斷層照相術、脈管修復血管照相術等)，但是，在X方向和Y 方向校準數據確定的過程中，支架機械不穩定性的所述Z方向分量(影響比例)可以導致 誤差。

發明內容
本發明的目的是，提供更高精度的用於X光設備的校準方法。根據第一和第二變 型的本發明的技術結果是，由於形成機械不穩定性的支架規則分量的校準數據集和由於考 慮比例校準數據而導致數字X光設備校準精度的改進，以及在使用本申請的方法的情況中 增加X光設備支架旋轉的機械精度公差。在第二變型中，由於在校準過程中使用至少兩個 不同直徑的球，X光設備的機械不穩定性規則分量的校準數據的確定精度高於第一變型中 的精度。校準數據對X光圖像的應用減小了圖像噪音，然後這提高了 X光設備的低對比度 和高對比度X光照片的解析度，由於此原因，在醫學X光診斷中，例如，可以在較早的階段檢 測到惡性腫瘤。在本發明的第一變型中，由於這樣的事實而實現所述技術結果在數字X光設備 的校準方法中，這表示在除了其中心以外的掃描場中安裝至少一個X光對比球，獲得掃描 場圖像，通過球的投影中心的坐標來確定支架的機械不穩定性的X方向和Y方向的規則分 量，形成支架的X方向和Y方向機械不穩定性的校準數據集，該校準數據集其用於根據本發 明修改圖像，然後，另外，確定數字X光設備支架的機械不穩定性的比例規則分量(比例係數SK)，以及形成支架的機械不穩定性的校準數據集，該校準數據集包括X方向、Y方向和比 例校準數據。在本發明的第二變型中，由於使用數字X光設備校準方法而實現所述技術結果， 這表示將X光對比球放置在除了其中心以外的掃描場中，獲得掃描場圖像，使用球的投影 中心的坐標、用於修正圖像的X方向和Y方向校準數據集來確定支架的機械不穩定性的規 則分量，根據本發明，將至少兩個不同直徑的X光對比球放置在掃描場中，使用較小直徑的 球的投影中心的坐標來確定數字X光設備支架的機械不穩定性的X方向和Y方向的規則分 量，而使用較大直徑的球的投影中心的坐標來確定數字X光設備支架的機械不穩定性的比 例規則分量(比例係數SK)，以及基於獲得的X方向、Y方向和比例數據形成支架的機械不 穩定性的校準數據集。現在，將參照附圖更具體地描述並在權利要求中指出本發明的上述和其它特徵 (包括部件的結構和組合的各種新穎的細節)以及其它優點。應當理解，通過示例示出了使 本發明具體化的具體方法和裝置，並且其不應當理解為限制本發明。在不背離本發明的範 圍的情況下，本發明的原理和特徵可以體現為各種和許多實施方式。


在附圖中，參考字符是指不同視圖中的相同部件。附圖並非必需要按比例；相反， 重點已放在示出本發明的原理。圖1示出了數字X光設備的布局圖(沿著軸X觀察)。圖2示出了數字X光設備的布局圖(沿著軸Y觀察)。圖3示出了球的投影中心的X坐標的數字序列及其最接近的正弦曲線。圖4示出了數字X光設備支架的機械不穩定性的X方向規則分量。圖5示出了數字X光設備支架的機械不穩定性的5個計算的X方向規則分量的集
I=I O圖6示出了使用根據本申請的方法變型獲得的校準數據修正X光圖像的流程圖。圖7示出了在沒有支架的Z方向機械不穩定性的數據的基礎上獲得的(測試目 標)的統一數學模型的重構。圖8示出了在與支架沿著軸Z移動Icm相當的投影比例的人工修改過程中獲得的 統一數學模型的重構。
具體實施例方式通過裝置(圖1、圖2)實現根據本發明的第一變型的方法。圖1、圖2示意性地示 出了數字X光設備的布局圖，其中I-X 光管，2-檢測器，3-X光對比材料的球，4-掃描路徑的中心，5-X光對比材料的球的投影。在第二變型中，將放置在除了其中心以外的掃描場中的至少兩個不同直徑的由X光對比材料例如鋼製成的球用作校準目標。根據本發明第一變型的包括X光管1和檢測器2的數字X光設備支架的預校準按 以下方式實現。將例如來自鋼的X光對比材料的球3放置在除了其中心4以外的掃描場中 (球製造的精度應高於數字X光設備的空間解析度)。獲得一系列具有不同支架旋轉角度 Cpi的N張X光照片。獲得X光照片並以數字形式處理。在每張X光照片中，找到球投影5 的中心坐標和球投影5的投影直徑。這樣，根據支架旋轉角度φ，獲得球的投影中心的每個 坐標的數字序列BX(cpi)，ΒΥ(φΟ;0°<φι<360°; = 1... N ；為了計算比例係數的 數字序列，根據支架旋轉角度φι，獲得球的投影直徑的數字序列BD(cpi)。每個數字序列BX(Cpi), BY(Cpi), BD(Cpi)可以表示為三項的和(對x、Y和D類
似地示出)
BX(Cpi) = BXsin(Cpi) + BXreg(Cpi) + ns其中，BXsin(CPi)是周期分量，由中心外部的球位置產生；BXsin(Cpi) =a · sin(cpi+b) + c;對於在一個完整周期中的角度間隔0° <奶< 360Q位置；BXreg(Cpi)是規則分量；ns是隨機分量。為了消除周期分量BXsin(Cpi),使用以正弦曲線形式(圖3)給出近似值的最小二 乘法找到參數a、b、c。數字序列在近似之前的中值濾波用來消除尖峰(大誤差)。然後，在 允許獲得SX(Cpi) = BX(Cpi)- BXsin(Cpi) = BXreg(Cpi) + ns的相應點中(圖 4)從原始
數字序列(未用中值濾波器過濾)中減去找到的函數的值。將所描述校準處理重複K次，該處理產生集合SXj(Cpi), j = 1. . . K (圖5)。SXj(cpi) 在角度CPi的相應值處的取平均值允許減小隨機分量ns並允許獲得BXreg(Cpi)的估計。在第二變型中，使用至少兩個不同直徑的X光對比球實現數字X光設備支架的預 校準(球製造的精度應高於數字X光設備的空間解析度)。根據本發明的第一變型獲得X 光設備的機械不穩定性的規則分量的校準數據的估計，雖然使用較小直徑的球的投影來估 計X方向和Y方向的校準數據，而使用較大直徑的球的投影來估計比例校準數據。為了校 準數字X光設備支架的X方向和Y方向機械不穩定性的規則分量，期望具有小尺寸的球，因 為，球越大，球的投影中心離球投影的中心的偏移越大，這導致X方向和Y方向校準數據的 精度減小。相反，為了數字X光設備支架的機械不穩定性的規則分量的比例校準，期望球投 影將更大，因為，支架的相對偏移會由於投影直徑改變而減小，因此，比例校準數據的確定 精度增加。通過圖6中的流程圖解釋了使用由本申請的方法變型獲得的校準數據執行X光圖 像校準，在圖6中6-開始X光檢查，7-支架旋轉，8-曝光和X光圖像獲取，9-從旋轉傳感器讀出支架角度位置，
6
10-將支架機械不穩定性的規則分量的校準數據應用於獲得的圖像，11-完成圖像獲取，12-附加的圖像處理，13-顯示所處理的圖像。在開始X光檢查6時，將支架旋轉入期望的位置中7，獲取檢查目標的曝光和X光 圖像8，從旋轉傳感器獲得支架位置角度9，將與支架的給定角度相對應的支架機械不穩定 性的規則分量的校準數據應用於獲得的圖像10，在獲得所需要數量的圖像11的情況中，實 現圖像的補充處理12，並在屏幕顯示13，否則，從步驟7重複操作。我們已經證明，影響投影比例的沿著軸Z的支架偏移對於改變了正被重構的圖 像，通過電子計算機X光斷層照相機獲得該圖像並且，也改變了通過具有C臂和U臂支架的 數字X光設備獲得的圖像，這是由於數字X光設備的診斷能力正在變差。X光設備支架的 機械不穩定性的規則分量的校準數據的應用更涉及電子計算機X光斷層照相機，因為，對 於所述設備，沿著軸ζ的支架偏移更大地改變了正被重構的圖像。在圖7中，示出了基於沒 有沿著軸Z的支架機械不穩定性的數據而獲得的(測試目標的)統一數學模型的重構。在 圖8中，示出了在與支架沿著軸Z偏移Icm相當的投影比例的人工修改的過程中獲得的統 一數學模型的重構。在圖8中，我們可以看到，比例不穩定性很大地改變了正被重構的圖 像，增加了圖像噪音，並對圖像增加了補充的人工修改，這些會輪流使電子計算機X光斷層 照相機的診斷能力變差。這樣，由於歸因於考慮比例校準數據而形成支架的機械不穩定性的規則分量的校 準數據集，實現了數字X光設備的校準精度的改進。在第二變型中，與第一變型相比，改進 了數字X光設備的支架的機械不穩定性的規則分量的校準數據的精度，這是由於在校準過 程中使用了至少兩個不同直徑的球而發生的。根據第一和第二方法獲得的校準數據的應用改進了 X光設備的低對比度和高對 比度解析度，由於此原因，例如，在醫療X光診斷中，可以在較早的階段檢測到惡性腫瘤。實 施本申請的方法可減少對X光設備支架旋轉的機械精度的需求，和同時改進了重構的圖像質量。本發明實施方式的變型以以下方式實現了根據本發明第一變型的包括X光管1和檢測器2的數字X光設 備支架的預校準。將直徑50mm的鋼球放置在掃描場中(在無線電透明支撐物之上)，這樣 的方式使得X光照片上的球圖像(側投影)與中心稍微偏移。當拍X光照片時，使用1024X 1024像素的解析度矩陣，X光管的電壓是100kV，電 量是ImAs ；使用功率為SOkW的高頻發電機；管子的焦點是1mm，支架的焦距是1200mm;根據 檢測器尺寸(400X400mm，在1200mm的焦距處)打開準直儀。對於支架的不同旋轉角度一從0至360度，獲得一系列X光照片(360張X光照 片)，當通過旋轉角度的傳感器獲得旋轉角度的精確值時，旋轉步幅大約是1度(大於或小 於1度)。在所獲得系列的每張X光照片中，通過計算機處理，識別球的圓圖像並計算此圓 的中心坐標(x，y)和直徑。圖3中用粗線示出了對於坐標X(根據角度)獲得的數字序列。 然後，使用本申請中描述的方法，確定數字X光設備支架的機械不穩定性的比例、X方向和Y 方向規則分量，之後，根據本發明，也確定正被用於圖像修正的支架機械不穩定性的比例、X方向和Y方向校準數據集。圖3至圖5中給出了根據第一變型(方法1)的校準實現的具體實例的結果，其中， 支架的旋轉角度Φ沿著水平軸增加，像素值沿著垂直軸增加；在圖3中，粗線示出了因變量 ΒΧ(φ),細線示出了結果BXsin(Cp);圖4示出了其差值SX(cp);圖5示出了集合SXj(cp)。 基於數字序列BDregCtpi)獲得比例係數SK(Cpi)的值，數字序列BDreg(Cpi)是球的投影直徑
的變化的規則分量。在本申請的第二變型中，通過至少兩個不同直徑的X光對比球實現數字X光設備 支架的預校準(球製造的精度應高於數字X光設備的空間解析度)。與本發明的第一變型 一致地執行X光設備的機械不穩定性的規則分量的校準數據的確定，雖然使用較小直徑的 球的投影來確定X方向和Y方向校準數據，並通過較大直徑的球的投影來確定比例校準數 據。使用本發明的第二變型，與第一變型相比，改進了校準精度。當使用更高空間解析度的 檢測器校準X光設備時，能更好地證明這一點。可以通過這樣的事實來解釋當使用本發明 的第一變型來校準具有良好空間解析度的X光設備時，X方向和Y方向的校準誤差增加，因 為球的中心的投影離球的投影的中心的偏移變得對於檢測器來說更「明顯」，並且，X光對比 球的直徑越大，此偏移越大。另一方面，校準X光對比球的直徑越大，設備的比例校準的精 度越大。因此，當使用本申請的校準方法校準X光設備的機械不穩定性時，X光設備的數字 檢測器具有相對低的空間解析度，為了實現所述技術結果，可以使用本發明的第一變型。在 使用本申請的校準方法來校準X光設備的機械不穩定性的情況中，X光設備的數字檢測器 具有良好的空間解析度，必需使用本發明的第二變型。工業應用使用由本申請的方法變型獲得的校準數據實現X光圖像修正通過圖6中的流程圖 來解釋，並且可以使用已知的技術設備來執行。根據第一和第二方法獲得的校準數據的應 用改進了 X光設備的低對比度和高對比度解析度，由於此原因，例如，在醫療X光診斷中，可 以在較早的階段檢測到惡性腫瘤。實施本申請的方法允許減少對X光設備支架旋轉的機械 精度的需求，和同時使用電子計算機X光斷層照相機的機械不穩定性的校準改進了重構的 圖像的質量。雖然已經參照其優選的實施方式具體地示出了並描述了本發明，但是，本領域技 術人員應當理解，在不背離由所附權利要求包含的本發明的範圍的情況下，可以進行在其 中進行形式和細節上的各種改變。
權利要求
一種數字X光設備的校準方法，包括將至少一個X光對比球放置在掃描場的中心之外的掃描場中；獲得所述掃描場的圖像；使用所述球的投影的中心的坐標來確定數字X光設備支架沿著X方向和Y方向的機械不穩定性的規則分量；形成所述支架的機械不穩定性的校準數據集；其特徵在於，使用所述球的投影的直徑來確定所述數字X光設備支架的機械不穩定性的比例規則分量；以及考慮比例校準數據形成所述支架的機械不穩定性的校準數據集。
2.一種數字X光設備的校準方法，包括將X光對比球放置在掃描場的中心之外的掃描場中； 獲得所述掃描場的圖像；使用所述球的投影的中心的坐標來確定數字X光設備支架沿著X方向和Y方向的機械 不穩定性的規則分量；形成所述支架的機械不穩定性的校準數據集； 其特徵在於，將至少兩個不同直徑的X光對比球放置在所述掃描場中；使用較小球的投影的直徑來 確定所述數字X光設備支架沿著X方向和Y方向的機械不穩定性的規則分量，並且使用較 大球的投影的直徑來確定所述數字X光設備支架的機械不穩定性的比例規則分量；以及 考慮比例校準數據形成所述支架的機械不穩定性的校準數據集。
全文摘要
本發明(變型)旨在改進數字X光設備電子計算機X光斷層照相機以及裝配有C臂和U臂型支架的數字X光設備的校準精度，該方法基於支架的機械不穩定性的計算。用於X光設備的校準方法其中，將不同直徑的一個或兩個X光對比球放置在除了其中心以外的掃描場中，獲得一系列具有不同支架旋轉角度的掃描場的圖像，使用球的投影中心的坐標來確定X光設備支架的機械不穩定性的X方向和Y方向規則分量，形成支架的機械不穩定性的X方向和Y方向校準修改集，該修改用於修正圖像，根據本發明，使用投影比例確定數字X光支架的機械不穩定性的附加規則分量，並且形成支架的機械不穩定性的校準數據集，其包括比例校準修改。
文檔編號A61B6/03GK101909524SQ200880123443
公開日2010年12月8日 申請日期2008年5月19日 優先權日2007年10月31日
發明者安德烈·奧列格奧維奇·希裡, 沃爾德馬·奧斯瓦爾多維奇·雷博尼, 維塔利傑·瓦勒埃維奇·尤倫賈 申請人:伊姆普拉斯內部股份公司