CN105828719B - X射线成像装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种X射线成像装置，该装置包括：X射线辐射单元，用于在各个成像位置向待成像物体的预定目标区域辐射X射线；X射线传感单元，用于接收X射线；移动单元，用于布置X射线辐射单元和X射线传感单元，使得X射线辐射单元和X射线传感单元在各个成像位置彼此相对，并且所述物***于它们之间；位置信息提供单元，提供X射线辐射单元和X射线传感单元的位置信息、可变转轴的位置信息、以及目标区域的位置信息；控制单元，用于控制X射线辐射单元、X射线传感单元和移动单元；图像处理单元，用于从投影数据产生物体的三维图像。

Description

X射线成像装置
技术领域
本发明总体涉及一种X射线成像装置。更确切地说，本发明涉及一种可使用具有很小宽度的检测器在其中产生三维图像的X射线成像装置。
背景技术
一般来说，由于光电效应或康普顿散射，辐射到待成像物体上的X射线会被衰减，衰减程度取决于位于辐射路径上的物质的X射线衰减系数。X射线成像是一种利用X射线的穿透特性的射线照相法，物体的内部结构的图像信息是基于穿过物体过程中的累积衰减量提供的。通常，X射线成像装置包括：辐射X射线的X射线源；X射线检测器，在所述X射线检测器与所述X射线源彼此相对、并且物***于它们之间时，所述X射线检测器检测穿过物体的X射线；以及图像处理单元，所述图像处理单元利用所述X射线检测器的检测结果形成X射线图像。
由此获得叠加地显示在向所述物体辐射X射线方向上的内部结构的穿透图像，并且通过对所述物体的多方向X射线图像进行图像处理(例如体积绘制和/或表面绘制)获得所述物体的三维图像。根据用户所需的任意位置或任意方向，利用物体的三维图像可获得多种X射线断层图。
近来，由于半导体和数据处理技术的发展，X射线成像已迅速被利用数字检测器的数字化X射线摄影(DR)代替，并且成像方法得到了多方面改进。
图1是主要在牙科领域中使用的X射线全景图像的示意图。所述X射线全景图像根据牙弓的预定径迹显示展开在穿透图像中的牙齿布局。因此，整个牙齿布局很容易作为单个图像理解，因此X射线全景图像是牙科医生最熟悉的标准图像。但是，总体全景图像的长度信息的准确度很低，并且有投影图像的限制，例如牙齿的重叠和由颈椎引起的模糊。图2是在牙科领域中常用的头部X射线计算机化断层摄影(CT)图像的一个例子的示意图。待成像物体(例如待成像的整个头部)位于视野(FOV)中，通过进行X射线成像来获得每个成像位置的穿透图像。而且，通过进行图像处理产生三维图像，并从所述三维图像产生并显示位于所选位置的X射线断层图。因此，能够精确、清晰地显示用户所需位置和方向上的整个FOV的三维图像和X射线断层图。因此，在需要很高精度时(例如植入操作)，会利用三维图像。但是，一般的三维X射线图像装置的一个问题是，患者接触的辐射量较高，并且需要很昂贵的大面积检测器。
在利用现有技术进行成像以产生三维X射线图像时，待成像的整个物体必须位于FOV内。因此，与用于X射线全景成像的检测器相比，需要大面积检测器。例如，下面说明在把物体定位在FOV内的第一高度t1和第一宽度w1的状态下利用主要用于牙科领域的圆锥射束形状的X射线获得CT图像的情况。在此情况中，当检测器的第二高度t2是通过把第一高度t1乘以放大率而获得的值或更大的值(t2≥通过把t1乘以放大率获得的值)并且检测器的第二宽度w2是通过把第一宽度w1乘以放大率获得的值或更大的值(w2≥通过把w1乘以放大率而获得的值)时，可接收到穿过FOV的整个区域后的X射线。
同时，若纵向平行于FOV的竖轴与X射线源和检测器的转轴相同，并且X射线源和检测器基于所述转轴转动360度，则在半束方法的情况下，可使用较小的检测器，这能够把检测器的第二宽度w2减小为通过把w1乘以最大放大率并除以2而获得的值。但是，不论采用何种方法，在进行X射线成像以产生三维图像时，产生三维图像的检测器的面积都要比用于X射线全景成像的检测器的面积大得多。在需要获得X射线全景图像和具有与物体相同的高度的三维图像时，X射线全景图像检测器形成为具有仅5至10毫米宽度的狭缝形状。同时，用于产生三维图像的X射线检测器形成为宽度大约与高度相等的方形形状。通常，由于检测器的价格随着其面积显著增加，因此用于产生三维图像的X射线装置不可能避免由大面积检测器引起的成本增加，因而会增加设备成本。而且，随着传感器面积的增大，设备的重量也会增大。因此，造成的一个问题是，由于焦斑至检测器的距离(FDD)也增大，所以设备的尺寸应该进一步增大，以确保FOV。
发明内容
技术问题
因此，为了解决上述问题而做出了本发明。本发明的意图是提出一种X射线成像装置，与产生三维图像的现有X射线装置相比，所述X射线成像装置利用具有很小面积的检测器，使用很低的放射X射线剂量，并且具有很短的操作时间，能够精确、直观地针对待成像物体的目标区域进行成像。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的一个特征，提供一种X射线成像装置，所述装置包括：X射线辐射单元，用于在各个成像位置向待成像物体的预定目标区域辐射X射线；X射线传感单元，用于在各个成像位置接收穿过目标区域后的X射线，并形成目标区域的X射线投影数据；移动单元，在通过向所述物体的所有目标区域辐射X射线来获得图像信息的单次成像操作中，所述移动单元通过基于可变转轴转动所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元之中的至少一个来布置所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元，使得所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元在每个成像位置彼此相对，并且所述物***于它们之间；位置信息提供单元，用于在单次成像操作中提供各个成像位置的所述目标区域的位置信息，所述可变转轴的位置信息、以及所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元的位置信息，这些位置信息是预设的，从而前一个成像位置的第一目标区域的至少一部分被辐射至下一个成像位置的第二目标区域的X射线以重叠方式照射；控制单元，用于基于各个成像位置的目标区域的位置信息以及所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元的位置信息控制所述X射线辐射单元、所述X射线传感单元和所述移动单元；以及图像处理单元，用于从在单次成像操作过程中获得的投影数据产生所述物体的三维图像。
有益效果
本发明的意图是提供一种X射线成像装置，所述装置使用具有很小宽度的检测器接收穿过待成像物体后的多方向X射线，所述装置获得用于产生所述物体的三维图像的投影数据。因此，与现有的X射线计算机化断层摄影(CT)成像相比，所述装置能够使用具有很小面积的检测器、很小的辐射X射线剂量、以及很短的成像时间显示所需区域的高精度X射线断层图和三维图像。
而且，本发明能够利用待由用户分析的所需部分的X射线断层图和三维图像针对用户所需的位置和方向提供精确、直观的图像，例如全景图像。而且，由于在本发明的图像中不存在投影图像的问题，例如重叠的牙齿和由颈椎引起的模糊，因此所述装置能够广泛应用。
而且，相关技术的数字X射线全景检测器构造为仅替换了其中的X射线胶片。但是，在本发明中，可提供三维全景数字图像。
附图说明
图1是相关技术的牙科用X射线全景图像的示意图；
图2是相关技术的牙科用计算机化断层摄影(CT)图像的示意图；
图3a、图3b和图3c是本发明的一种实施方式的X射线成像装置的构造的示意图；
图4a是本发明的一种实施方式的用于产生X射线图像的成像的例子的示意图；
图4b是相关技术的用于产生三维X射线图像的成像的例子的示意图；
图5a是本发明的与各个成像位置对应的目标区域的中心的示意图；
图5b是辐射至待成像物体的每个目标区域的X射线的辐射方向分散的视图；
图5c是通过进行单次成像操作获得的X射线重叠图；
图6是本发明的一种实施方式的对重叠图进行方向补偿的方法的示意图；
图7是本发明的X射线成像装置在X射线重叠部分补偿后的例子的视图；和
图8是本发明的X射线图像产生方法中的图像处理单元的显示的示例性视图。
最佳实施方式
本发明的X射线成像装置沿可变转轴移动，并进行X射线成像。而且，所述X射线成像装置使用具有很小宽度的检测器产生待成像物体的三维图像，所述检测器在各个成像位置仅获得作为物体的一部分的目标区域的投影图像信息。本发明的X射线成像装置包括：X射线辐射单元，用于在各个成像位置向所述物体的预定目标区域辐射X射线；X射线传感单元，用于在各个成像位置接收穿过目标区域后的X射线，并形成目标区域的X射线投影数据；移动单元，在通过向所述物体的所有目标区域辐射X射线来获得图像信息的单次成像操作中，所述移动单元通过基于所述可变转轴转动所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元之中的至少一个来布置所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元，使得所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元在每个成像位置彼此相对，并且所述物***于它们之间；位置信息提供单元，用于在单次成像操作中提供各个成像位置的所述目标区域的位置信息，所述可变转轴的位置信息、以及所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元的位置信息，这些位置信息是预设的，从而前一个成像位置的第一目标区域的至少一部分被辐射至下一个成像位置的第二目标区域的X射线以重叠方式照射；控制单元，用于基于各个成像位置的目标区域的位置信息以及所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元的位置信息控制所述X射线辐射单元、所述X射线传感单元和所述移动单元；以及图像处理单元，用于从在单次成像操作过程中获得的投影数据产生所述物体的三维图像。而且，每个目标区域的尺寸小于所述物体的投影尺寸的一半。
所述装置还包括具有包含像素阵列的整个有效区域的检测器，所述检测器在整个有效区域上接收穿过所述目标区域后的X射线，并提供X射线投影数据，作为与接收的X射线对应的电信号。
所述装置还包括用于从在单次成像操作过程中获得的投影数据产生所述物体的三维图像的图像处理单元、以及用于显示所述物体的三维图像的显示单元。
所述装置还包括用于接收三维图像的位置信息的输入单元，其中，所述图像处理单元产生输入位置信息的X射线断层图，所述显示单元显示所述X射线断层图。
所述装置用于牙科使用，所述物体是牙弓。
所述装置还包括用于接收牙弓的三维图像上的层的位置信息的输入单元，其中，所述图像处理单元产生与所述层对应的牙弓的全景X射线断层图，所述显示单元显示所述全景X射线断层图。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的实施方式。
在下文中公开的本发明的牙科用X射线成像装置的实施方式仅用于示例目的，本发明的范围不限于此。而且，本领域技术人员容易理解，本发明的范围适用于如下文所述的所有相关的X射线成像装置。而且，所示的附图仅作为理解本发明的范围的参照图，并且附图中所示的各个部件的尺寸和部件之间的相对尺寸可能不同于实际尺寸。
图3a是本发明的一种实施方式的X射线成像装置100的构造的示意图。X射线成像装置100包括X射线辐射单元110、X射线传感单元120、移动单元130、位置信息提供单元140和控制单元150。
X射线辐射单元110可包括用于控制X射线的辐射角度和辐射面积的控制器，例如准直仪，并且X射线辐射单元110在各个成像位置向待成像的物体的预定目标区域辐射X射线。每个目标区域的尺寸应小于所述物体的投影尺寸的一半。在所述牙科用X射线成像装置中，所述物体是牙弓，所述目标区域可以是牙弓的部分。本发明的实施方式的牙科用X射线成像装置的整个视野(所有各个成像位置的重叠FOV)优选可设计为牙弓形状，但不局限于此。
请参考图4a，X射线传感单元120和X射线辐射单元110彼此相对，而待成像物体A位于它们之间，X射线投影数据是通过在各个成像位置接收穿过目标区域T后的X射线形成的。X射线传感单元120包括具有包含像素阵列的整个有效区域的检测器，所述检测器在整个有效区域上接收穿过目标区域T后的X射线，并提供X射线投影数据，所述X射线投影数据形成为像素阵列数据形状，作为与接收的X射线对应的电信号。根据本发明，由于不需要在每个成像位置检测辐射至整个物体A的X射线，因此检测器的宽度小于通过把包含物体的一部分的最小圆的半径乘以放大率而获得的值，这已足够。在本发明的实施方式的牙科用X射线成像装置中，物体A是位于患者的头部10中的牙弓A，在需要获得牙弓A的三维X射线图像时，检测器的宽度可小于通过把包含牙弓A的目标区域的最小圆的半径乘以放大率而获得的值。检测器的宽度可在10毫米至50毫米范围之内，优选可为36毫米。如图4b所示，在相关技术的产生三维图像和X射线断层图的X射线成像装置中，当X射线辐射单元S和检测器D基于位于它们之间并从待成像的物体OB的某个点延伸的固定转轴(在图中未示出)转动时，在每个成像位置，X射线辐射至物体OB的整个区域(例如牙弓)。因此，穿过物体OB后的X射线投射在检测器D上。与此相反，在本发明的X射线成像装置中，请再次参考图4a，当X射线辐射单元110和X射线传感单元120之中的至少一个移动时，在预定的各个成像位置，X射线从X射线辐射单元110辐射至目标区域T，而不是整个物体A，并且穿过目标区域T后的X射线投射在X射线传感单元120的检测器上。
在通过向所述物体的所有目标区域辐射X射线来获得图像信息的单次成像操作中，移动单元130通过基于可变转轴转动X射线辐射单元110和X射线传感单元120之中的至少一个来布置X射线辐射单元110和X射线传感单元120，使得所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元在每个成像位置彼此相对，并且所述物***于它们之间。所述可变转轴可位于X射线辐射单元110和X射线传感单元120之间。
在X射线成像操作过程中，X射线辐射单元110和/或X射线传感单元120在围绕物体10沿预定轨迹彼此相对的状态下通过重复地移动和成像来进行预定的成像操作。在本发明的实施方式中，X射线辐射单元110和X射线传感单元120布置在某个结构(例如门架(在图中未示出))的两端，处于彼此相对的状态，并且可基于位于它们之间的转轴转动。而且，所述门架可沿平行于所述转轴的方向移动，因此可调节X射线辐射单元110和X射线传感单元120的高度。所述门架可水平移动，并且，在每个成像位置，可使用移动单元130对所述门架的移动轨迹和所述门架的转动量进行各种调节。
位置信息提供单元140提供各个成像位置的目标区域的位置信息以及X射线辐射单元110和X射线传感单元120的位置信息。相关技术的用于产生三维图像的X射线成像装置在每个成像位置向物体的整个区域辐射X射线。但是，本发明的X射线成像装置在各个成像位置仅向所述物体的目标区域辐射X射线。因此，需要在X射线辐射单元110和X射线传感单元120之中的至少一个的路径中向所述物体的所有重要区域辐射多方向X射线。在此情况中，所有重要区域不是指物体的所有区域，而是指需要向其辐射X射线以便实现所需的成像操作目的的物体区域。
在本发明的X射线成像装置中，前一个成像位置的第一目标区域的至少一部分被辐射至下一个成像位置的第二目标区域的X射线以重叠方式照射。因此，各个目标区域中的X射线入射角彼此不同。而且，前一个成像位置和下一个成像位置不一定是彼此紧挨的，只需确保在单次成像操作过程中向物体的所有重要区域辐射多方向X射线就足够了。在本发明的X射线成像装置中，当辐射或检测多方向X射线时，可以适当控制门架的操作，以便在各个目标区域中的预定角度范围内有X射线。图5a示出了各个成像位置的目标区域的中心1至21，图5b示出了完成单次成像操作时辐射至各个目标区域的中心的X射线的方向分散。
如图5b所示，位置信息提供单元140提供各个成像位置的目标区域的位置信息、转轴的信息、以及所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元的位置信息，在单次成像操作过程中确定这些信息已向各个目标区域辐射多方向X射线。图5a和图5b示出了每个目标区域中的X射线的方向分散的一个例子。而且，在设计所述X射线成像装置时，可参考这种例子来适当控制各个成像位置的目标区域的X射线入射角的分散。图5c是通过进行单次成像操作而获得的X射线重叠图，在所述单次成像操作中，基于各个成像位置的目标区域的位置、在位置信息提供单元140中预先提供的各个成像位置的目标区域的位置信息(已考虑了所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元之间的位置相关性)、以及所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元的位置信息来操作移动单元130，从而可获得如图5a和5b所示的各个目标区域的X射线的方向分散。如图5c所示，在本发明的实施方式的X射线成像装置中，在单次成像操作中，多方向X射线辐射至整个物体A，即，牙弓的所有重要区域。
控制单元150基于各个成像位置的目标区域的位置信息以及所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元的位置信息控制X射线辐射单元110、X射线传感单元120和移动单元130。
请参考图3b，本发明的另一种实施方式的X射线成像装置还包括从在单次成像操作过程中获得的X射线投影数据产生所述物体的三维图像的图像处理单元160以及显示所述物体的三维图像的显示单元170。图像处理单元160和显示单元170可利用台式计算机或便携式计算机实现。
图像处理单元160通过进行图像处理来适当处理每个目标区域的图像信息，并产生三维图像数据。图像处理单元160使用与所有成像位置对应的像素阵列数据形成各个目标区域或整个物体的第一体素数据，根据每个成像位置的X射线辐射方向并基于每个体素中的X射线辐射的数目和X射线辐射方向信息计算体素修正值，并通过把计算的体素修正值应用至所述第一体素数据来形成整个物体的三维图像，即，第二体素数据。为此，存储在位置信息提供单元140中的各个成像位置的目标区域的位置信息以及所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元的位置信息还可存储在图像处理单元160中，或者与图像处理单元160共享。
可利用重叠图并考虑穿过体素的X射线的数目和X射线的方向来确定体素修正值。图6以二维视图的形式示意性地示出了体素，其中，括号内的数字指穿过每个体素的X射线的数目，括号外的数字指在其上反映了权重的X射线的数目。而且，考虑了方向权重，以避免在灵敏度图中穿过每个体素的X射线的值被无条件地设置为1，以使权重值具有所需的大小。另外，对于两束X射线水平射入的部分，每个部分中的权重值为0.5。在另一个例子中，通过在考虑方向的前提下进行滤波反投影(FBP)和在考虑方向的前提下绘制灵敏度图，可对体素修正值进行两次重构。但是，在反映考虑了方向的权重时，体素修正值可立即重构。在图像处理单元160中，当图5c中所示的重叠部分反映未补偿的数据的权重并使用FBP算法(包括反投影(BP))进行重构时，通过根据X射线方向来补偿X射线的重叠部分，可获得图7所示的结果。
请参考图3c，X射线成像装置100还包括用于接收三维图像的位置信息的输入单元。所述输入单元可实现为多种形式，例如鼠标、键盘或触摸屏。而且，图像处理单元160从三维图像数据产生输入位置信息的X射线断层图，显示单元170显示所述X射线断层图。三维成像装置100是牙科用X射线成像装置，所述物体是牙弓。而且，输入单元180可接收牙弓的三维图像上的层的位置信息。在此情况中，图像处理单元产生与所述层对应的牙弓的全景X射线断层图，显示单元显示所述全景X射线断层图。
图8示出了通过本发明的X射线成像装置的显示单元向用户显示的显示屏的一个例子。所述显示单元可显示物体，例如牙弓的三维图像(在右下端)，即，三维全景图像；根据用户所需的任意位置和方向显示多种X射线断层图(在左上端)；根据由用户预定的位置显示牙弓的整个轨迹的轴向X射线断层图(在右上端)；以及竖向围绕由用户在轴向X射线断层图中选择的预定轨迹的全景剖面(在左下端)。所述全景剖面是牙科医生使用的最熟悉的标准图像，由于所述全景剖面是从三维图像转换到X射线断层图中的，因此长度信息很精确。而且，没有投影图像的限制，例如重叠的牙齿和由颈椎引起的模糊。因此，其应用范围很广。
虽然在上文中为了示例性目的参照附图公开了本发明的一些实施方式，但是本发明不局限于此。本领域技术人员应理解，本发明可按许多变化形式实施，并且还应理解，在不脱离如所附权利要求和附图中公开的本发明的范围的前提下，能够做出各种修改、补充和替换。因此，本发明不仅涵盖上述实施方式，也涵盖各种替代、修改、等效形式和其它实施方式。另外，本发明的范围由所附权利要求和其适当的等效形式限定。
工业实用性
本发明的意图是提供一种X射线成像装置，所述装置使用具有很小宽度的检测器接收穿过待成像物体后的多方向X射线，该装置获得用于产生所述物体的三维图像的投影数据。因此，与现有的X射线计算机化断层摄影(CT)成像相比，所述装置能够使用具有很小面积的检测器、很小的辐射X射线剂量、以及很短的成像时间显示所需区域的高精度X射线断层图和三维图像。

Claims (8)

1.一种X射线成像装置，该装置包括：
X射线辐射单元，构造为在各个成像位置向待成像物体的预定目标区域辐射X射线；
X射线传感单元，构造为在各个成像位置接收穿过目标区域后的X射线，并形成目标区域的X射线投影数据；
移动单元，构造为在通过向所述物体的所有目标区域辐射X射线来获得图像信息的单次成像操作中，通过基于可变转轴转动所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元之中的至少一个，来布置所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元，使得所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元在每个成像位置彼此相对，并且所述物***于它们之间；
位置信息提供单元，构造为在单次成像操作中提供各个成像位置的所述目标区域的位置信息，所述可变转轴的位置信息、以及所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元的位置信息，其中，前一个成像位置的第一目标区域的至少一部分被辐射至下一个成像位置的第二目标区域的X射线以重叠方式照射，其中在各个目标区域中的预定角度范围内有X射线；
控制单元，构造为基于各个成像位置的目标区域的位置信息以及所述X射线辐射单元和所述X射线传感单元的位置信息控制所述X射线辐射单元、所述X射线传感单元和所述移动单元；和
图像处理单元，构造为从在单次成像操作过程中获得的投影数据形成所述物体的三维图像，
其中所述X射线传感单元包括检测器，所述检测器的宽度小于通过把包含物体的一部分的最小圆的半径乘以放大率而获得的值。
2.如权利要求1所述的装置，其中，每个目标区域的尺寸小于所述物体的投影尺寸的一半。
3.如权利要求2所述的装置，还包括：
检测器，构造为通过像素阵列的整个有效区域接收X射线，并提供投影数据，作为与所述X射线对应的电信号。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述图像处理单元构造为从在单次成像操作过程中获得的投影数据产生所述物体的三维图像；和
其中，所述装置还包括显示单元，所述显示单元构造为显示所述物体的三维图像。
5.如权利要求4所述的装置，还包括：
输入单元，构造为接收三维图像的位置信息，其中，所述图像处理单元构造为产生输入位置信息的X射线断层图，所述显示单元构造为显示所述X射线断层图。
6.如权利要求4所述的装置，其中，所述装置用于牙科使用，所述物体是牙弓。
7.如权利要求6所述的装置，还包括：
输入单元，构造为接收牙弓的三维图像上的层的位置信息，其中，所述图像处理单元构造为产生与所述层对应的牙弓的全景X射线断层图，所述显示单元显示所述全景X射线断层图。
8.如权利要求1至7中任何一项所述的装置，其中，所述图像处理单元构造为：
使用与所有成像位置对应的像素阵列数据形成与所述物体对应的多个体素的第一体素数据，
根据每个成像位置的X射线辐射方向，基于所述多个体素的每个体素中的若干X射线辐射的数目和X射线辐射方向的信息计算体素修正值，
通过把计算的体素修正值应用至第一体素数据来形成第二体素数据，和
使用第二体素数据产生所述物体的三维图像。
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