採用傾斜幾何形狀的三維重建的製作方法

2023-10-18 09:14:49

專利名稱：採用傾斜幾何形狀的三維重建的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於產生對象的3維X線斷層掃描影像的方法，其中，一個射線源，特別是X射線源相對於運動平面上的對象而環繞旋轉中心運動，其中，射線源以射線圓錐發出其輻射，其中央射線提供給對象，其中，在對象的遠離射線源的一側的中央射線上設置一個相應共同運動的探測器，向其提供通過對象減弱強度的輻射。本發明還涉及一種用於實施這種方法的裝置。
背景技術：
X線斷層掃描拍攝目前特別是在醫學領域是一種用於製作透射對象(確切地說是透射身體)影像的重要技術。在此方面，對象採用一個環繞對象在可預先規定的軌跡上運動的X射線源進行照射。對象後面的光路上設置一個具有探測元件陣列並在上面投影對象的探測器。各探測元件接收射中陣列並通過對象吸收減弱的X射線的相應部分射線，其中，從這些信號中藉助計算機製作影像。
在所述的技術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象上。探測元件被提供對象的二維投影。通過射線源和探測器的運動收集來自不同方向上的投影，其中，射線源和探測器彼此處於固定的裝置上。這種技術可以使透射對象的體積得到重建。在一種特別優選的裝置中，X射線源和探測器分別設置在一個C形拱架的末端上，該探測器環繞其中軸環繞對象旋轉，其中，拍攝大量的二維影像。從這些投影中可以重建對象的三維影像。在此方面，射線源在公知的原射線技術中進行圓形或者橢圓形運動，其中，中央射線與旋轉軸垂直相對。
為重建三維的對象使用Feldkamp的原射線技術(「實踐中的原射線算法」L.A.Feldkamp等，J.Opt.Soc.Am.A/Ausgabe 1，號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並然後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，這些系統需要幾何形狀的校準，以便可以準確重建三維顯示。校準可以在掃描期間聯機或者脫機進行，其中，聯機的校準藉助具有公知幾何形狀的參考對象(校準虛設物)一次性地進行。
迄今為止公知方法的缺點是，它們對具有假象的對象中的不規則性—特別是在牙科應用的情況下—反應比較靈敏。在此方面，特別值得一提的是製作人頜骨的X線斷層掃描拍攝，其質量很大程度上取決於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性化解剖學。

發明內容
現在本發明的目的在於，提供一種開頭所述類型的方法，其可以採用簡單手段低成本地進行實現，並在較小射線負荷的情況下保證較高的影像質量。為此本發明的目的在於提供一種用於實現該方法的機械結構簡單的裝置。
該目的通過一種具有權利要求1特徵部分的特徵的方法和按權利要求8所述的裝置得以實現。本發明特殊實施方式的特徵構成在各自的從屬權利要求中予以說明。
本發明的主導思想在於提供一種拍攝方法和相應的原射線裝置，其中，中央射線不是像以往那樣在運動平面上，而是以一個傾斜角向運動平面傾斜定向。因為該運動在大多數情況下是一種環繞所要檢查對象的旋轉，所以中央射線相應地向旋轉平面傾斜並因此不再與旋轉軸垂直。
在此方面，不排除旋轉運動一如在螺旋CT上那樣一疊加沿旋轉軸的線性運動。在這種情況下，運動平面傾斜並構成螺旋線。依據本發明中央射線和旋轉軸在這種情況下也包括一個不等於90°的角度。在其他特殊情況下，例如為了在拍攝下頜時隱沒肩區，具有優點的是可以為一個確定的角度範圍離開旋轉運動的平面，以便然後晚些時候再返回該平面內。射線源和探測器在此方面首先上升，然後它們再下降到原有的運動平面內。在這種情況下運動本身是閉合的。本發明也包括這些特殊情況。
然而，由於影像數學上更簡單的重建並由於影像更容易解釋的內容，特別具有優點的是旋轉平面如在常規檢查中那樣通過C形拱架與旋轉軸垂直設置和運動過程為橢圓形或者圓形。本發明這種實施方式的另一個優點在於機械實現簡單。本發明的優點通常在於減少射線負荷和降低假象，從而明顯提高影像質量。下面詳細介紹牙科應用解剖學上的優點本發明在與公知的C形拱架結合下進行實現時，這些優點特別值得注意的，在這些C形拱架中，X射線源和探測器系統的旋轉軸以往僅與中央X射線垂直設置。然而系統的校準與在中央射線依據本發明不與旋轉軸垂直設置中那樣進行。
本發明的一個特殊優點在於機械設置並在牙科拍攝時攜帶C形拱架。在此方面，中央射線的角度可以這樣進行調整，使下部邊緣射線基本水平分布。這種調整的幾何形狀一方面便於探測器通過患者的肩膀。在此方面，探測器可以更加靠近患者，由此可以放大成像體並可以優化儀器的尺寸。
另一優點在於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輻射吸收的解剖學結構、例如像顱底可以擺脫光路。由此避免檢測假象，例如像由解剖學結構構成的增強輻射的產物。因此在影像質量相同的情況下可以降低患者的放射劑量。
為此具有優點的是，利用本發明可以降低由金屬物體產生的假象。從而恰恰是在C形拱架情況下的通過增強吸收(阻塞)產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，強吸收的對象會完全吸收X線輻射，從而在所拍攝的數據組中產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重建算法的情況下產生假象，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範圍外的數值形成飽和。
對於分析處理來說具有優點的是使用所稱的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，由於計算開支較低而具有優點的是，從相對的角度(0°和180°)觀察不再疊加的投影。中央射線與旋轉軸的不垂直定向可以產生很小的假象，這歸因於在返回投影步驟期間的未得到補償的信息。實驗表明，通過金屬吸收產生的假象遠遠強於通過未得到補償的信息產生的那些假象。因此在這裡它的影響很小。
具有優點的是，為C形拱架使用確定脫機校準虛設物的原射線重建(「成像X線系統的校準虛設物」，Mitschke等，US-專利6715918)。該虛設物是一種圓形螺旋線，由顯示二進位編碼的球體組成。被投影的球體形成可以被轉換的樣式。每個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。該虛設物可以使我們在任何原射線幾何形狀中使用旋轉軸、中央射線、探測平面的任何布置。


下面藉助附圖對本發明進行詳細說明。其中圖1示出具有射線源和探測器的原射線掃描系統的示意圖；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。
具體實施例方式
圖1示意示出具有X射線源1的一個原射線掃描系統。射線源1放射一個具有中央射線3的射線圓錐2。在透射一個未示出的對象後，射線2射中具有大量單個探測器的探測器陣列4。每個探測器接收射線圓錐2的通過透射對象而減弱的部分射線。為在後面產生對象的三維重建，射線源1和探測器4的裝置環繞軸5旋轉(箭頭A)。旋轉的運動確定一個與所標註的平面6平行的平面。依據本發明中央射線3相對於運動平面6以角度傾斜設置。角度可以根據情況進行調整。與圖1a所示的中央射線3垂直提供給探測器4的例子的區別在於，探測器4按照圖1b與旋轉軸5平行設置。兩個實施例因此區別僅在於數學分析處理所依據的形式。
圖2示出一個可環繞軸7旋轉的「C形拱架」，其具有X射線源8和傾斜設置的探測器9。射線圓錐10透射患者11的下顱。可以清楚看出，射線源8和探測器的傾斜度這樣選擇，使下部邊緣射線12水平分布。通過這種設置避免照射肩膀和探測器9可以相當近地靠近患者11。
在圖3中可以看到相同設置的「C形拱架」，其中，在這裡示出患者的下頜12。金屬填料13處於下頜牙齒內，該填料覆蓋區域14內的輻射並因此在重建時導致假象。但可以清楚看出，通過傾斜設置不穿過所有三個填料13，而是原則上僅穿過一個填料。由此減少阻塞。
權利要求
1.用於產生對象三維-X線斷層掃描影像的方法，其中，一個射線源(1)，特別是X射線源相對於運動平面(6)上的對象而環繞旋轉中心運動，其中，射線源(1)以射線圓錐(2)發出輻射，其中央射線(3)提供給對象，其中，在對象的遠離射線源的一側的中央射線上設置一個相應共同運動的探測器(4)，向其提供通過對象而減弱強度的輻射，其特徵在於，運動這樣進行，使中央射線(3)相對於運動平面(6)以一個角度傾斜。
2.按權利要求1所述的方法，其特徵在於，探測器(4)具有一個探測元件陣列，其中在運動期間將對象投影到陣列上，以及其中從探測元件的通過運動收集的信號中製作具有三維信息的X線斷層掃描影像。
3.按權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，射線源(1)在一個錐形截面的軌跡上、特別是在一個圓形軌跡或者橢圓形軌跡上環繞該對象，其中，設置在中央射線(3)光路內的探測器(4)相應複製該運動。
4.按前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，至少幾乎全部射線圓錐(2)提供給探測器陣列，其中，探測器陣列的有效面積與中央射線(3)垂直設置。
5.按前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，至少幾乎全部射線圓錐(2)提供給探測器陣列，其中，探測器陣列的有效面積與旋轉軸(5)平行設置。
6.按前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，射線源(1、8)和/或者探測器(4、9)的傾斜角在運動期間變化。
7.按前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，射線源(1、8)和探測器(4、9)組成的系統在旋轉期間沿旋轉軸運動。
8.用於實施按前述權利要求之一所述的方法的裝置，特別是C形拱架，具有一個X射線源(8)和一個探測器(9)，其中，X射線源(8)的射線圓錐(10)提供給探測器(9)的探測元件陣列，其中，該裝置可環繞旋轉軸(7)旋轉，其特徵在於，射線圓錐(2、10)的中央射線(3)向旋轉平面傾斜設置。
9.按權利要求8所述的裝置，其特徵在於，射線源(1、8)和/或者探測器(4、9)的傾斜角可以調整。
10.按權利要求8或9所述的裝置，其特徵在於，射線圓錐(2、10)的下部邊緣射線(12)旋轉時掃過水平面。
11.按權利要求1-7之一所述的方法在一種X線顯示器上，特別是在採用原射線技術的C形拱架上使用。
全文摘要
一種用於產生對象的三維X線斷層掃描影像的方法，其中，一個射線源，特別是X射線源(1)相對於運動平面(6)上的對象而環繞旋轉中心運動，其中，射線源(1)以射線圓錐(2)發出輻射，其中央射線(3)提供給對象，其中，在對象的遠離射線源的一側的中央射線上設置一個相應共同運動的探測器(4)，向其提供通過對象減弱強度的輻射，以及其中運動這樣進行，使中央射線(3)相對於運動平面(6)以一個角度傾斜。
文檔編號G06T11/00GK101052995SQ200580028240
公開日2007年10月10日 申請日期2005年8月9日 優先權日2004年8月20日
發明者J·海伊, M·利文, M·布魯爾 申請人:塞隆納牙科系統有限責任公司