JP7504593B2 - 3次元x線イメージングシステム - Google Patents
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Description
[0001] 本願は一般に、X線機器に関する。より具体的には、本願は、3次元イメージングに使用されるX線デバイス及びシステムに関する。
[0002] X線イメージングシステムは、典型的にはX線源及びX線検出器を含む。X線(又は、イメージングに使用される他のタイプの放射)は、放射源から放出され、X線源と検出器との間に配置されたオブジェクトのX線イメージを提供するためにX線検出器に衝突する。X線検出器は、しばしばイメージ増強器であるか、あるいはフラットパネルデジタル検出器の場合もある。
[0003] X線イメージングシステムは、典型的にはX線源及びX線検出器を含む。X線(又は、イメージングに使用される他のタイプの放射)は、放射源から放出され、X線源と検出器との間に配置されたオブジェクトのX線イメージを提供するためにX線検出器に衝突する。X線検出器は、しばしばイメージ増強器であるか、あるいはフラットパネルデジタル検出器の場合もある。
[0004] 口腔内X線撮影法は、歯科医業における治療の標準を考慮した咬翼及び歯根尖周囲X線を伴う、歯科における標準イメージング技法である。しかしながら、標準的な口腔内X線写真は3D構造の2D投影であるため、これらにおいては見ることができない歯の解剖学的構造の多くの特徴が存在する。加えて、咬翼X線写真は歯間虫歯の検出には非常に有効であるが、角度のわずかな変化が、近接する歯との重なり又は他の要素に起因して、正しい診断を曖昧にする働きをする可能性がある。歯の割れ及び/又は小さな亀裂は、イメージ投影角度が亀裂の方向と偶然一致しない限り、X線写真では見ることができない。歯内治療学の場合、X線写真は投影を示すのみであり、歯根の真の長さ又はベクトルは示さないため、必ずしも歯根の屈曲を見ることはできない。いくつかの場合、特別又は副根管は、2Dイメージ内で重なっている場合には見ることができない。X線写真は、インプラントプランニングにも使用される。インプラントプランニングにはしばしばコーンビームコンピュータ断層撮影法(CBCT)が使用されるが、大多数のインプラントは1本の歯のためのものである。したがって、3Dイメージ情報が1本の歯のためにのみ必要な場合、患者は、口腔全体のCBCTスキャンを実行することによって、相対的に高い線量を受けている。
[0001] 本願は、一般に、3次元(3D)X線イメージングシステムに関する。特に本願は、一連の2Dイメージ投影を収集する3D歯科口腔内イメージング(3DIO)システムを説明する。X線イメージングシステムは、ハウジングと、ハウジング内の放射源を複数の位置へと移動させるように構成された咬合又はモーションガントリーに取り付けられたX線源と、X線源からイメージングされるべきオブジェクトの反対側に配置されるX線検出器アレイであって、検出器アレイは、X線源が複数のイメージング位置に配置されている場合、オブジェクトの2DイメージをキャプチャするためにX線源と同期される、X線検出器アレイと、2Dイメージを受け入れ、3Dイメージを再構築するように構成された、プロセッサとを、備える。複数のイメージング位置を、X線検出器アレイと実質的に平行な平面上に配置することができる。
[0002] イメージングシステムは、イメージングされるべきオブジェクトの側面上に配置されたハウジング内に放射源を位置決めするように構成されたモーションガントリー上にX線源を提供すること、オブジェクトの反対側面上にX線検出器を位置決めすること、X線源をX線検出器アレイと実質的に平行な平面上に配置されるハウジング内の複数の位置へ移動させること、X線源が複数の位置に配置されているとき、オブジェクトの複数の2Dイメージを収集すること、及び、複数の2Dイメージを使用して3Dイメージを再構築すること、によってオブジェクトの3次元イメージを作ることができる。
[0003] これらのX線システム及び方法は、歯などのオブジェクトをイメージングすると同時に、低い放射線量を使用する、即時方法を提供する。
[0004] 下記の説明は、イメージングシステムの様々な実施形態及び構成を示す図面に照らして、より良く理解することができる。
[0013] 下記の説明と共に、図面は本明細書で説明する構造及び方法の原理を実証及び説明する。図面において、コンポーネントの厚み及びサイズは、わかりやすくするために誇張又は他の方法で修正されている場合がある。異なる図面内の同じ参照番号は同じ要素を表し、したがってそれらの説明は繰り返さない。更に、説明するデバイスの態様を不明瞭にしないために、周知の構造、材料、又は動作は詳細に図示又は説明しない。
[0014] 下記の説明では、完全に理解するために特定の細部を提供している。とは言え、当業者であれば、説明するX線システムがこれらの特定の細部を採用することなく、実施及び使用可能であることを理解されよう。実際のところ、説明するシステム及び方法は、説明するシステム及び方法を修正することによって実践可能であり、業界内で従来から使用されている任意の他の装置及び技法と共に使用可能である。例えば、下記の説明は歯科用イメージングのためのイメージングシステムに焦点を置いているが、医療用イメージング、獣医用イメージング、工業検査適用例、及び、標準2DX線イメージを生成するためにX線撮影機器が現在使用されているあらゆる場面などの、他の目的に使用可能である。
[0015] 加えて、上に存在する、上に配設される、取り付けられる、接続される、又は結合されるなどの用語が本明細書で使用されている場合、一方のオブジェクトが他方のオブジェクト上に直接存在する、取り付けられる、接続される、又は結合されるかどうか、あるいは、一方のオブジェクトと他方のオブジェクトとの間に1つ以上の介在オブジェクトが存在するかどうかに関わらず、1つのオブジェクト(例えば、材料、要素、構造、部材など)は、別のオブジェクトの上に存在する、上に配設される、取り付けられる、接続される、又は結合されることが可能である。また、方向(例えば、の頂部、下、上、頂部、底部、側部、上方、下方、下部、上部、より上、より下、横、軌道、水平など)は、与えられている場合、相対的であり、単なる例として、例示及び考察しやすいように、また限定的なものではなく、提供される。要素のリスト(例えば、要素a、b、c)を参照する場合、こうした参照は、リスト表示された要素自体、リスト表示されたすべてよりも少ない要素の任意の組み合わせ、及び/又は、リスト表示されたすべての要素の組み合わせ、のうちのいずれか1つを含むことが意図される。更に、本明細書で使用される場合、a、an、及び1つという用語は、各々、少なくとも1つ、及び1つ以上という用語と、置き換え可能とすることができる。
[0016] オブジェクト(患者の歯など)の現行の2DX線写真は、通常は歯内の割れを視覚化することができないため、しばしば、問題又は欠点の検出には曖昧であり、平面投影法を使用するため、歯科診断及び治療にとって重要な歯の屈曲及び他の異常を見逃す可能性がある。そこで、歯科では、2DX線写真の代わりにコーンビームコンピュータ断層撮影法(CBCT)が広く使用されるようになってきている。CBCTにおいて、患者の頭部は、大型のイメージング検出器と向かい合うX線源との間に位置決めされる。検出器及び放射源は、複数の2Dイメージを撮る間、頭部の周囲を回転する。これらの2Dイメージを使用して、患者の口腔及び顎顔面の解剖学的構造の3Dイメージを再構築することができる。この技法は、口腔全体をイメージングするため、及び、患者の頭部内に位置する歯と他の骨構造との間の空間的関係を表示するために、非常に適している。したがってCBCT技法は、こうした空間的関係が重要な、歯科インプラント及び歯列矯正処置にしばしば用いられる。
[0017] しかしながら、CBCT処置において必要とされるような頭部全体を介するX線投影は、非分解性解剖学的構造からの高いX線の散乱及び減衰につながる。この結果、CBCTイメージ内の空間分解能において、該当する歯のすぐ隣に位置決めされた口腔内センサを用いる2DX線写真を使用する口腔内X線撮影法よりもかなり悪い結果を生じさせる可能性がある。加えて、CBCT処置における患者の線量は、2DX線写真を使用する口腔内X線撮影におけるよりも著しく高くなる。ほとんどの歯列矯正処置は、大人よりも放射線障害の影響を受けやすい子供に対して行われるため、この状況は特に懸念される。また、高い放射線量に起因して、CBCT処置が1本の歯、又はわずか数本の歯のイメージングに使用されることはそれほど多くない。したがってCBCTは、1本の歯又は数本の歯のみに関連する大多数の歯科処置にとって、効果的且つ安全なイメージングツールではない。
[0018] CBCT処置及び2DX線写真の限界を認識し、本明細書で説明するシステムは、高分解能3Dイメージとして提示可能な口腔内イメージング技法を使用する。これらの3DIO(3次元口腔内)システムは、低い放射線量で撮られる2DX線写真を使用する3D高分解能イメージを提供する、単純な3Dイメージング技法を提供する。
[0019] 3DIOシステムのいくつかの実施形態は、図1から図11に示されている。図1は、回転軸の周囲のポイントA及びポイントBにおける放射源を用いて示される回転スキームを有する3DIOシステムのジオメトリを示す。図1において、3DIOシステム10は、口の内部に、及び患者の歯(又は複数の歯)40に近接して相対的に定常に配置される、イメージング検出器20を備える。3DIOシステム10は、ハウジング50内に配置されるX線源30も含む。ハウジング50は支持アーム60に接続することができる。
[0020] 3DIOシステム10は、システム10が複数の2DX線イメージ又はX線写真を撮ることができるようにする、任意のX線源30及びX線検出器20を含むことができる。X線源30は、標準定常アノードX線源、マイクロフォーカスX線源、回転アノードX線源、及び/又は蛍光透視X線源を含む、X線を生成及び放出する任意の放射源を含むことができる。いくつかの実施形態において、X線源は、約40kVから約90kV及び約1mAから約10mAで動作可能である。他の実施形態において、X線源は、約75kV及び約2mAで動作可能である。いくつかの実施形態において、X線源及びX線検出器は、異なるサイズ及びタイプのX線源及びX線検出器が使用可能なように、モジュール式にすることができる。
[0021] X線検出器20は、イメージ増強器、CMOSカメラ、及び/又はデジタルフラットパネル検出器を含む、X線を検出する任意の検出器を含むことができる。いくつかの構成において、検出器は、約20cmから約30cmの範囲の長さの実質的に正方形を有することができる。しかし他の構成において、X線検出器20は、実質的に正方形を有する必要がない。
[0022] いくつかの構成において、X線検出器20はX線源30と同期される。したがって、X線検出器は、X線源が起動されるのとほぼ同時に起動され、それによって、患者の歯を通過して検出器上へと渡されるX線放射によって生成される2D投影イメージをキャプチャする。
[0023] いくつかの構成において、X線検出器20は即時読み出し速さを有することができる。本明細書に記載される3DIOシステムにおいて、この読み出し速さは、毎秒約5フレームから約6フレームの範囲とすることができる。この即時速さにより、妥当な期間内に必要なフレーム数を撮影することができる。他の実施形態において、検出器読み出し速さは毎秒10フレームを超えることができる。更に他の実施形態において、検出器読み出し速さは毎秒20フレームを超えることができる。更に他の実施形態において、検出器読み出し速さは毎秒約30フレームとすることができる。
[0024] いくつかの実施形態において、X線検出器におけるピクセル数は、100,000ピクセルから190,000ピクセルの範囲内などの、妥当な数に制限する必要がある。より多くのピクセルは、わずかに長い読み出し時間を必要とするだけでなく、2Dイメージから3Dイメージをレンダリングするために使用される再構築アルゴリズムをより複雑にする。しかし、患者の口の中に固定する必要性によって課されるサイズの制約、並びにイメージを再構築するために必要な数学の複雑さの低減のために、検出器におけるピクセル数をこの範囲内に維持することが可能である。したがって、これらの実施形態では、検出器のサイズに起因して、2本から3本の歯のみを適切にイメージングすることが可能である。
[0025] 図9に詳細に示されるように、X線源30はハウジング50内に収納可能である。ハウジング50は、図9に示されるように、X線源30を封入する第1の部分と共に構成可能である。ハウジング50は、X線源30とパワーエレクトロニクス190と他のコンポーネントとのための釣り合いおもり260を含み、X線源30の平滑で無振動の回転運動を容易にする第2の部分をも封入する。X線源30及びその関連付けられたパワーエレクトロニクス190と釣り合いおもり260とは、X線源30とパワーエレクトロニクス190と釣り合いおもり260と他のコンポーネント(図示せず)とを支持する回転機械式アセンブリ250の実質的に反対側に配置される。回転機械式アセンブリ250は、機械式アセンブリ250の回転駆動を可能とするために、ベアリング及び/又は電気モータアセンブリ230を使用して、回転軸240を伴う車軸220(又機械式アセンブリを支持するための他の機械デバイス)に取り付けられる。
[0026] 図9に示されるように、ハウジング50は、X線源30及びこれらのコンポーネントの両方を封入する単一の部分であるように構成可能である。他の構成において、ハウジングは、X線源30及び他のコンポーネントを含むための異なる部分に分離することができる。図9に示されるように、制御及び電力調整のための電子コンポーネント210を、ハウジング50のすぐ外側に配置することができる。他の実施形態において、これらの電子コンポーネント210は、支持アーム上又は他の都合の良い位置に配置することができる。更に他の実施形態において、これらの電子コンポーネント210は、ハウジング50の内部に配置することができる。
[0027] いくつかの実施形態において、3DIOシステム内で複数のX線源を使用することができる。これらの実施形態では、図10に示されるように、複数のX線源(30、270)は、3Dイメージを生成するために必要なすべての所望の放射源位置をカバーするために必要な機械的回転速さを低減することができる。これらの放射源は、頭部内の様々なX線源位置からすべての所望の2Dイメージを取得するために必要なように、交互に又は他の方法で発射させることができる。図10内の残りのコンポーネントは、釣り合いおもり260が第2のX線源及びその関連付けられた高電圧エレクトロニクス270に置き換えられている点を除き、図9に示されたものと同様とすることができる。
[0028] ハウジング50内で複数のX線源30を使用することにより、X線源が、単一放射源に必要な速度よりも低速で移動するため、取得されるX線イメージ内の被写体ぶれを減少させるという利点も提供することになる。複数の実質的に同一のX線源30は、複数の放射源を結果として釣り合いの取れた回転システムを生じさせるように位置決めすることができるため、釣り合いおもりについての要件をなくすことにもなる。2つより多くのX線源を3DIOシステムに組み込むことが可能であり、全360度の円を使用される放射源の数で割って、複数の放射源が取り付けられる円形フレーム周囲に均等に分散されるようになる。もちろん、複数の放射源を使用することで、システム全体の費用及び複雑さが増加するため、特定の3DIOシステム内に含めるべき放射源の数を選択する際に、意図される使用の必要性及び制約を考慮することが必要になる。
[0029] いくつかの構成において、3DIOシステムは、取り外し可能電力源(バッテリなど)及び任意選択として電源を含むことができる。これらの構成において、電力源及び電源はハウジングの内部に配置可能である。本明細書で説明する、電力源及び電源のためのサポートエレクトロニクス、並びにイメージディスプレイ及び無線データアップロードのためのサポートエレクトロニクスは、ハウジング50の内部又は外部に配置することも可能である。したがって、これらの構成において、システム10は外部電源コードを含まない。電力源(すなわち、バッテリ)、電源、及びサポートエレクトロニクスのすべてをハウジング50内に組み込むことで、デバイスのサイズ、重さ、及び外部複雑さを低減させることができる。こうした構成を用いて、電力源を容易に交換することが可能であり、1回の充電で60又はそれ以上のX線イメージを送達することができる。もちろん、必要であれば、代替又は追加として、壁のコンセントにプラグを差し込んだ電源コードからの外部電力を使用して、3DIOシステム10が充電されるように構成可能である。他の構成において、放射源、検出器、及び制御エレクトロニクスのために複数の電源を提供することが可能であり、そのうちのいずれか(又はすべて)を、ハウジングの内部又は外部に配置することができる。
[0030] 支持アーム60は、ハウジング内のX線源30が、X線ビームを所望の角度で歯(又は複数の歯)を介して検出器20上へと誘導できるようにする、任意の構成を有することができる。図1に示された実施形態において、支持アーム60は実質的に直線構造を有し、支持アームの端部にハウジング50が接続される。他の構成において、支持アームは直線である必要はなく、接合又は連接セクションを有することができる。更に他の構成において、ハウジング50は、端部以外の任意の場所で支持アーム60に接続することができる。
[0031] 他の実施形態において、3DIOシステム10は、支持アーム60に接続することが可能なフレームも含む。フレームは、3DIOシステム10の動作の間、いくつかの簡単なグリップオプションをユーザに与えるように構成可能である。フレームは、1つ以上の交差部材、1つ以上の長さ部材、及び1つ以上のハンドルを含むことができる。フレーム内の様々な部材の長さ及び直径は、様々なオペレータの必要に応じて変更可能である。いくつかの実施形態において、フレームはモジュラユニットとして構成可能であるため、異なる交差部材(あるいは長さ部材又はハンドル)を使用して、既存の交差部材(あるいは長さ部材又はハンドル)と交換することができる。したがってフレームは、所望であれば、動作に先立って3DIOシステム10をグリップし、位置決めするための機能をユーザに提供する。
[0032] フレームは、3DIOシステム10を動作させるために使用可能なボタン(又はトリガ)も含むことができる。いくつかの構成において、3DIOシステム10は、2つ以上のトリガを備えるように構成可能である。これらの構成において、トリガはフレーム上の複数の位置に提供可能であるため、オペレータがどのようにして3DIOシステム10を手に持つかに関わらず、オペレータにとってトリガは常に使用し易い。例えばトリガは、交差部材、長さ部材、及び/又はハンドル上に配置することができる。別の例では、トリガは長いケーブルによって3DIOシステムの残りの部分に接続可能であり、それによってリモートトリガプロセスを実行することができる。これらの複数のトリガによって、患者の分析に使用されるときに、ユーザが操作し易く、また手に持ち易くなる。デバイスを動作させるためのトリガの場合、必要な内部エレクトロニクスをフレーム内に担持することができる。他の構成において、これらのトリガのうちの1つ以上は、有線又は無線制御によって接続されたリモートトリガとすることができる。任意選択のボタンシュラウド及び/又は必須のプッシュシーケンスを使用して、偶発的なX線放出を防ぐことができる。
[0033] 外部構造の別の例が、図8に示されている。この図では、フレーム150を備える3DIOシステム10をスタンド300に接続することができる。スタンド300は、基部305と、延長部310に向かって上方に延在するアーム315と、を含む。延長部310は接合部に接続され、接合部は3DIOシステム10のフレーム150に接続される。他の構成において、3DIOシステム10は可動式支持構造に接続可能である。こうした構成において、可動式支持構造は、3DIOシステム10を支持しながらフロア全体を移動するように構成可能である。したがって可動式支持構造は、1つ以上の車輪、棚、ハンドル、モニタ、コンピュータ、補強部材、突出部、脚、支柱、ケーブル、及び/又はおもり(イメージングアーム及び/又は任意の他のコンポーネントの重さが可動式支持構造を傾けるのを防止するため)を備えることができる。したがって、可動式支持構造は、3DIOシステム10のフレーム150に接続される接合部を含むスタンドに接続された、車輪付き構造を備えることができる。
[0034] いくつかの構成において、3DIOシステムは、図7に示されるように壁又は椅子に取り付けることが可能である。3DIOシステムは、壁に取り付けることができるように、40cm×40cm×60cm未満の矩形容積内、及び約5Kg未満の重さに収めるべきであることが望ましい。他の構成において、3DIOシステムは、約27cm×27cm×40cmより小さく、約3Kg未満の重さであるものとすることができる。これらの値よりも大きいか又は重い場合、壁又は椅子に取り付けることが困難となり、オペレータ向けに位置決めすることが困難となり、患者の不安を増加させることになる。
[0035] サイズ及び/又は重さを減少させるために、3DIOシステムは小型及び軽量のコンポーネントを装備することができる。ここ10年にわたり、X線管の小型化は著しい革新を遂げている。ハンドヘルド型X線デバイスを可能にした低電力X線源アセンブリが利用可能である。これらの軽量放射源は、本明細書で説明する3DIOシステムのためのモーション自動化のタスクを大幅に簡略化することができる。加えて、より新しいCMOS検出器はより大幅に高感度であり、結果として、患者に対する線量は従来のCCD設計で必要とされた量よりも少なくなっている。新しいCMOS検出器は非常に高速の読み出し速さも有するため、複数の2Dイメージの迅速な収集及び伝送が可能である。実際に、低電力X線管及び新しい口腔内CMOS検出器を組み合わせて、いくつかの従来のトモシンセシスシステムにおけるイメージング有効性と同じ有効性を達成することができる。
[0036] いくつかの構成において、3DIOシステム10は、支持アーム60又はハウジング50の動きを即時にロック及びアンロックすることが可能な、任意の好適なロック機構を備えることができる。例えばロック機構は、モータ式ロック、電気ロック、無線制御ロック、又はケーブル作動ロックなどを備えることができる。
[0037] 3DIOシステム10は任意選択のシールドを含むこともできる。シールドは、3DIOシステムが動作されるときに、オペレータをX線の後方散乱から保護するために使用される。したがってシールドは、任意の放射シールド材料(有鉛アクリル材料を含む)で作ること、及び、オペレータを保護するように形状化すること、が可能である。シールドは、必要であれば3DIOシステムから取り外されるように構成可能である。
[0038] 3DIOシステム10は、ユーザ入力/出力(I/O)機構も含む。いくつかの実施形態において、I/O機構は、タッチスクリーンモニタ又はディスプレイと組み合わされた、ユーザインターフェース及びディスプレイを含む。このモニタは、複数の自由度を備えるボール接合又は任意の接合を使用してフレームに接続することができるため、デバイスのユーザ又はオペレータは所望の通りにモニタを位置決めすることができる。
[0039] 3DIOシステム10は、I/O機構を使用する、臨床医、医師、放射線科医、歯科医、技術者、あるいは他の医療訓練を受けた専門家及び/又はスタッフなどの、オペレータによって制御可能である。いくつかの実施形態において、オペレータは、デバイスに近接するシステム制御コンソールなどの中央システム制御において、又は中央システム制御から、3DIOシステム10を制御することができる。オペレータは、I/O機構に統合された、又はI/O機構とは分離したままの、様々な任意選択のユーザインターフェースを介して、システムとインターフェースすることができる。制御コンソール、ユーザインターフェース、又はその両方410は、図11に示されるように3DIOシステム10に近接して配置することができる。しかしながら他の実施形態において、制御コンソール及び/又はユーザインターフェースは、オペレータを不必要なX線被ばくから保護するために、近接する室内などリモートに配置することができる。更に他の実施形態において、患者と共に作業する際に便利なように、ディスプレイパネルを患者の近くに配置することができるが、制御コンソール及びイメージングシーケンストリガはリモートに配置してもよい。
[0040] いくつかの構成において、ハウジング50内のX線源30は、ビスマス入り(又は他の重金属)シリコン材料を用いてシールド可能である。ビスマスは、毒性の低い重金属の1つと考えられ、したがって環境的により望ましく、鉛に匹敵する放射線シールドを提供する。その上、設計及び製造の両方においてより高い順応性を提供し、鉛又は鉛系材料と比較した場合、より広範な機能及び用途が可能となる、これらの材料を作るための広範な機能的ビスマスシールド材料源及び方法が存在する。したがって、このシールドは、放射線漏れの防止において非常に効果的であり、これによって3DIOシステム10を使用する際にオペレータを放射線被ばくから保護する。
[0041] いくつかの実施形態における放射線シールドの有効性は、シールド材料の原子番号、又はZ値、及び密度に依存する。より高いZ値を備えるより高密度のシールド材料は、高エネルギーX線及びガンマ線にとってより良好なシールド材料である。したがって、放射線シールドは、ヨウ素(I)、バリウム、スズ、タンタル、セシウム、アンチモン、金、及びタングステンなどの、他の高Z材料を含むことができる。
[0042] 3DIOシステムは、有線又は無線接続を用いて、任意のタイプの電子デバイスに接続することもできる。これらの実施形態において、3DIOシステムは、検出器からのX線イメージを分析するために使用可能な、コンピュータなどの所望の電子デバイスに検出器を接続する、通信ケーブルを含むことができる。しかしながら、他の実施形態において、検出器は、所望の電子デバイスと対にすることが可能な任意の無線通信デバイスと接続可能である。
[0043] 3DIOシステムは、任意の歯科ステーションと統合するように構成することも可能である。したがって3DIOシステムは、第1の歯科ステーションと接続するか又はここまで移動して第1の患者のイメージを撮るように動作するように、構成可能である。次いで3DIOシステムは、第1の歯科ステーションから取り外され、その後、追加の患者のイメージを撮るために、第2の(又は、第3、第4などの)歯科ステーションと接続することができる。
[0044] 図3から図4に示されるように、3DIOシステムは、幾何学的較正機構を含むように修正することもできる。いくつかの構成において、較正機構は、基準マーカとして歯の特徴を使用する。他の構成において、幾何学的較正は、基準マーカに対立するものとして、較正のためにイメージデータを使用することができる。図3は、検出器20が、歯40に実質的に平行であり、かつ、位置Aから位置BへのX線源30の回転軸に実質的に垂直である、理想的なジオメトリを示す。X線源30からのX線ビームは、検出器20の中心にある回転中心に配置された回転軸から角度θで歯40に衝突する。図4は、X線源30のアライメントが歯40又は検出器20に対して完全でない実世界の例を示す。図4においては、回転中心が検出器20上の中心ではない。図4においては、歯40及び検出器20に対する回転軸のアライメント及び回転中心の配置は、較正技法を使用して決定されなければならない。
[0045] いくつかの実施形態において、X線源の機械的動きは部分的又は完全に自動化することが可能であるため、オペレータの介入はほとんど又は全く必要がない。自動化される動きは、ほとんどの実施形態において一定速度での回転であり、これは最も単純な動作モードである。しかしながら他の実施形態は、各X線曝露の間X線源が定常に保持され、その後、次の位置まで即時に移動又は回転される、停止起動手法を使用することになる。更に他の実施形態は、回転において異なる地点で異なる回転速度が使用される動作モードを使用することができる。
[0046] 回転速度、又は停止起動運動は、X線源及び検出器の動作と同期されるため、X線源がその運動又は経路内の所望の位置にあるとき、X線源及びパネルが適切にトリガ又は動作されることになる。
[0047] この回転自動化は、単一のハウジング内に封入可能なモーションガントリー上に軽量X線源を取り付けることによって、達成可能である。前述のように、ハウジングは、現在の口腔内X線源のように壁取り付けアーム上に取り付けられるが、ハウジング自体は動かない。部分的又は完全に自動化されたシステムは、オペレータがオペレータにとって起動が簡単な技法を用いて3Dイメージを収集できるようにするものであるため、オペレータ及び患者の体験は、従来の単純な2DX線写真の体験及び技法に匹敵する。理想的には、1つのボタンを押すこと、又はコンピュータ制御システムに1つのコマンドを発行することによって、イメージングシーケンス全体が起動される。
[0048] X線源の動きの一部又は全自動化を使用することによって、3DIOシステムを実質的に連続的に動作させることができる。X線源は、所望な量のX線を提供するのに十分な長さだけ一時停止した後に再度移動するか、又は連続的に移動することができる。ほとんどの構成において、X線源は、X線ビームを歯に向けて送るために、約10msから約40msミリ秒一時停止するだけでよい。次いで、ハウジング50内でX線源を再度位置決めした後、別のX線ビームセットを送信するまでにかかる時間は、わずか約40msから約100msミリ秒である。X線源は、必要に応じた回数だけ、移動及び再位置決めすることができる。言い換えれば、平均的なイメージングプロセスは約50msから約140ms/イメージ撮影の範囲内とすることができる。
[0049] 3Dイメージへと処理されることになる2Dイメージデータを生成するために必要なX線曝露のタイミング及びシーケンスは、できる限り迅速であることが必要である。処理全体は約5秒から10秒の期間内に完了することが望ましく、患者の快適さという理由からより短い時間が好ましく、時間が短ければ、イメージングプロセスの間、患者が動かないでいることがより容易になる。例えば、イメージングシーケンスを6秒以内に完了する必要があり、その6秒の間に合計24のイメージが必要な場合、3DIOシステムは毎秒4つのイメージを撮ることになる。ハウジング内のX線源は、そうした6秒の間にほぼ1回転を完了するか、又は、およそ10rpmの回転速さを有する必要がある。この例において、X線源は10msから20msの間全出力でパルスを発することができるため、X線検出器がイメージデータを読み出すために、及び、X線源の異なる位置において250msごとに発生し、したがって次の2Dイメージを生成することになる、次のX線パルスを受け取る準備をするために、およそ230msから240msが使用可能として残る。したがって、歯のためのイメージングプロセス全体が即時(すなわち、5~10秒未満)に完了可能であるため、患者の動きがイメージングプロセスに影響を与えないか、又は、患者の動きを制御するために単純な患者安定化デバイス(すなわち、顎当て)で十分である。
[0050] 別の歯のイメージングに必要な場合、ハウジング50及び患者の口内に配置された検出器を別の位置に移動させることができる。ハウジング及び検出器が再位置決めされた後、追加の歯のイメージングを前述のように同様の様式で進めることができる。このプロセスを繰り返して、所望の数の歯をイメージングすることができる。
[0051] 本明細書で説明する3DIOシステムを使用することで、オペレータが、複数の2Dイメージを撮り、それを使用して3Dイメージをレンダリングするために必要な時間を、劇的に減少させることが可能である。典型的には、複数の2Dイメージを使用して3Dイメージをレンダリングするためのプロセスにかかる時間は、約120秒未満とすることができる。他の実施形態において、この時間は約30秒から約90秒の範囲内とすることができる。前述の2DX線撮影法イメージを撮るために必要な時間を考えると、2Dイメージを撮って3Dイメージを作成するための完全なプロセスは、約40秒から最長で100秒まで、場合によっては最長140秒の範囲内とすることができる。
[0052] 前述のように、3DIOシステムは、歯の第1の2DX線撮影法イメージを第1の角度でキャプチャすること、異なる角度から別のイメージを撮るためにX線源の位置を移動させること、及びその後、2つの2DX線撮影法イメージから3Dイメージをレンダリングするために再構成アルゴリズムを使用すること、によって3Dイメージを作成することができる。多くの構成において、2つより多くの2DX線撮影法イメージを使用して3Dイメージを作成することになる。いくつかの実施形態において、2DX線撮影法イメージの数は、3から1000を超えるイメージまでの範囲内のいずれかとすることが可能である。他の実施形態において、2DX線撮影法イメージの数は、6から32を超えるイメージまでの範囲内のいずれかとすることが可能である。更に他の実施形態において、2DX線撮影法イメージの数は、9から24までのイメージの範囲内のいずれかとすることが可能である。使用される実際のイメージ数は、使用可能な時間及び3Dイメージ内で必要な分解能に応じて、状況が変化することになる。使用される2DX線撮影法イメージが多くなるほど、3Dイメージの分解能も高くなるが、イメージング手順が長くなるほど、X線源は位置を移動しなければならないため、患者が被ばくする放射線量が多くなり、3Dイメージの計算に必要な時間が多くなる。他方で、使用される2DX線撮影法イメージが少なくなるほど、3Dイメージの分解能も低くなるが、イメージングプロセスはより迅速になり得る。
[0053] X線源は、図5から図6に示されるように、検出器20にほぼ平行な平面内に配置された円上で、約0度から約360度までの角度の任意の増分周辺で移動する(回転する)ことが可能である。その角度θは任意であり、最良のイメージ品質を提供することに基づいて、0°付近から180°付近までの値を取ることができる。この実施形態では、ハウジング50は、機械の仕組みが見えないように隠すとともに、X線源とモータとX線源が軸80の周囲を回転できるようにする他の要素とを支持する機械構造の一部となる。図5及び図6においては、X線源が患者の頭部の周囲を水平に回転するCBCTプロセスとは異なり、X線源30は、歯40の縦軸にほぼ平行であり、患者の頭部の一方の側のみに配置された、平面内の円内を回転する。検出器20は、歯の背後に固定され、いくつかの構成では歯の縦軸にほぼ平行である。したがって、機械式ガントリー70を使用して検出器の平面にほぼ平行な平面内で、X線源30は、検出器20の平面とほぼ垂直な回転軸80の周辺を回転することができる。図6に示されるように、X線源30は、回転速度Vで回転軸80の周囲を回転するが、必ずしも一定ではない。角度95は、円の周囲に均等に分散されるイメージ獲得点(“X”)間の角度変位を示している。任意数のイメージを撮ることができる。イメージ獲得点の各々の位置は、円を、等しいセグメントの数で割ることによって決定される。X線源30は、イメージ獲得のために物理的には停止しないが、各イメージ獲得点でパルスが発せられる。回転軸80は検出器20の中心に配置されることができ、好ましくは検出器法線に対して垂直である。しかし、これを実際に完璧に達成することは困難であるため、再構築アルゴリズムが、品質の再構築を可能にするために、補正方法を組み込むことができる。実際には、X線源30は、患者の歯が垂直方向を向いている場合、実質的に垂直なその平面内で0度から360度の範囲内の円弧の任意の部分を介して回転可能である。したがって、本明細書で説明する3DIOシステムを使用して、オペレータは、考えられる限りでは、X及びYのデカルト座標ではなく、シータ及びファイの極座標内で位置を変更することによって、平行面内の任意の位置から2Dイメージを撮ることができる。代替として、この同じ位置のセットを、半径R及び角度シータからなる平面内の円座標を使用して記述することができる。したがって、3DIOシステムは、放射源が検出器の表面に対して垂直な平面内で限定された弧内を移動する、マンモグラフィ又は胸部X線のための従来のトモシンセシスとは異なる。
[0054] X線源がこのように(すなわち、実質的に円形の動き及び実質的に一定の回転速さで)移動する際、検出器アレイによって画定されるようなX及びY方向の運動のその見掛けの瞬間速さは、円内を移動しているため、正弦関数となる。X及びYの正弦運動は90度の位相外れでもあるため、X方向の速さが最大であるとき、Y運動はゼロであり、その逆もまた真である。結果として生じる3Dイメージ内での最大分解能、X線源がその動きの中でどこにいるかの追跡、並びに、イメージの再構築の間のX及びY分解能についてのピクセルの適切な重み付けを取得するために、X線源がゼロ又は小さな量のX変位を示しているときに撮られるイメージには、イメージ特徴のX分解能を定義する際により大きな値が与えられ、イメージ特徴のY分解能についての同じ手法は、再構築アルゴリズムが、2Dイメージキャプチャプロセスの間、X線源の連続的な動きによって生じる被写体ぶれを減少させるか又はなくすのを助ける。
[0055] 当分野で既知のいくつかの3D再構築システム又は方法が存在する。これらのシステム又は手法は、オペレータが手動でX線源を再位置決めし、標準的な口腔内X線写真と同じように各2D投影を撮る必要があったため、実際にはほとんどが失敗であった。オペレータが9から15枚の口腔内X線写真を手動で撮るためにはかなりの時間が必要であり、こうしたプロセスにつきものの患者の不快感と共に、3D再構築プロセスに必要な延長時間と相まって、これらのシステム又は方法を使用することは、ほとんどの歯科処置にとって実用的ではなかった。
[0056] 3DIOシステムは、かなり迅速なイメージキャプチャプロセスを使用する。これは、X線源の動きを検出器と実質的に平行な平面内での円形の動きに限定することによってこの動きを単純にすること、及び、各イメージについて検出器を同じ位置のままにしておくことによって実行可能化される、自動化イメージキャプチャに起因するところが大きい。この方法により、イメージキャプチャプロセスを自動化することが可能になる。
[0057] グラフィックス処理ユニット(GPU)ハードウェアの並列計算能力における進歩は、トモグラフィ及びトモシンセシスについての反復的及び統計的再構築技法の臨床実施を可能にした。これらの反復技法は、変分ベースの方法を使用して、再構築されたイメージが与えられた検出器測定の確率を記述する尤度関数を最大にする。これらの進歩は、2Dイメージデータの自動化キャプチャと組み合わせて、標準的な2D医療用X線に匹敵する使い易さ及び作業フローを提供する3DIOシステムを考慮することを実践的にする。
[0058] これらの反復技法を3Dイメージの生成に使用することで、いくつかの利点が与えられる。第1に、これらの技法は、欠損データ及び任意の投影スキャン(非標準ジオメトリを伴うスキャンなど)に対して堅固である。第2に、これらの技法は、イメージングシステムの物理特性及びノイズ特徴を直接モデル化する。また第3に、これらの技法は、3D再構築イメージの以前の確率を使用することで、アルゴリズムを正しい高分解能イメージに集中させるために必要な時間を減少させることができる。
[0059] 本明細書で説明する3DIOシステムは、いくつかの有用な特徴を提示する。3DIOシステムの有用な特徴の1つは、X線量最小化方式を採用しながら、高分解能3Dイメージを取得する能力を含む。本明細書で説明する3DIOシステム以前には、100ミクロン又はそれ以上の分解能を備える3Dイメージを取得するために、典型的には300μSvから1,000μSvの範囲内のX線量が必要であった。本明細書で説明する3DIOシステムは、オペレータが、約10μSvから約45μSvの範囲内の大幅に少ない線量で同様の分解能を得られるようにするものである。
[0060] 別の有用な特徴は、イメージング有効性の向上を含む。CMOSセンサを備える低電力X線管とインターフェース及び同期して、複数の角度から2Dイメージを収集し、それによって、空間分解能、ノイズ、コントラスト・ノイズ比、及びジオメトリ精度を最適化することによって、診断品質イメージを達成するために必要なイメージの数が低減されるため、システムはこの有効性を達成することができる。これにより、亀裂、歯間虫歯、歯根の重なり(2DX線写真で見た場合)、並びに、歯科における他の異常な解剖学的構造及び診断上の課題を伴う歯の、より良い診断イメージを提供することによって、開業歯科医に利点が与えられる。
[0061] 本明細書で説明する3DIOシステムは、Tuned Aperture Computed Tomography(TACT)システムと同程度に、より迅速且つより低コストで実行することができる。TACTシステムは、いくつかの歯の割れを検出する際にCBCTと同じに正確であることが可能な口腔内センサを備える歯科トモシンセシスを採用する。実際に、TACTを使用するトモシンセシスデータの3D再構築のための市販のソフトウェアが開発されている。残念ながらこの手法は、主に、オペレータがX線源を手動で再位置決めし、標準的な口腔内X線写真に類似した各2Dイメージを撮ることが必要であったため、臨床診療では失敗であった。これは、X線源が手動で再位置決めされるという要件を回避する3DIOイメージング手法の重要性及び価値を示している。
[0062] 本明細書で説明する3DIOシステムの魅力的な特徴は、歯科医業に対するその適応性である。歯科用イメージングは、既存のCBCT手法を上回るX線量の低減及び分解能の改善を単に提供することに加えて、歯科医業に導入すべきいくつかの制約を満たさなければならない。CBCT手順、並びに、いくつかの従来の3D歯科用イメージングシステム及び手法は、患者及び歯科医院に受け入れ難い負担を課すため、標準的な歯科医業への受け入れの達成には未だ成功していない。これらの負担は、受け入れ難い金銭的コスト、個人的な不快感、X線量、及び治療を受けるための歯科医院での時間などの、患者によって生み出される受け入れ難いか又は魅力的でない負担、並びに、歯科医業における作業フローの混乱の問題を含む。これらの問題の各々が、大多数の歯科医業にとっての関心事となる3D歯科用イメージングシステムを作成するために、対処及び解決される必要がある。
[0063] 説明として、歯の2Dイメージを撮るための歯科医業における典型的な作業フローは以下の通りである。歯科技術者又は歯科医は、ある程度のレベルの快適さで口内に収まるサイズのデジタルイメージングデバイスを患者の口内に挿入する。次いで、検出器に向けて適切にX線が放射されるように、患者の口の外側にX線源が位置決めされ、その後、X線源が起動され、イメージが取得される。単一のX線イメージを取得するためのプロセス全体には、通常、30~60秒を要し、追加のイメージに要する追加の時間は、必要な機器が既にほぼ正しい位置にあるため、それよりも少ない。
[0064] 3D歯科用イメージのための同様の作業フローを達成するためには、いくつかの要件を満たさなければならない。第1の要件は、標準的な歯科用X線機器と同様に壁に取り付けられ、必要に応じて敏速且つ容易に位置決めできるように、X線源が低重量及び相対的に小型でなければならないことである。代替として、適切な位置決めを提供する他の方法で取り付けることもできる。第2の要件は、口腔内検出器が、既存の口腔内検出器と同様のサイズ、触感、患者の快適さレベルなどでなければならないことである。第3の要件は、イメージングプロセス全体が、5から10秒などの比較的短い時間内に完了できるものでなければならないことである。第4の要件は、患者及び口腔内検出器に関するX線源の位置決めが、容易かつ迅速に達成されることである。
[0065] 同様に、典型的な2D歯科用イメージは、イメージを撮る間、静止したままでいるようにとの口頭要請以外、患者の動き又は位置に関するいかなる制約もなしに取得される。頭部拘束デバイスを強要すること、及び、大型のX線源デバイスを患者の頭部の隣に位置決めする必要があることによって、患者に著しい不快感を課す、3D歯科用イメージングプロセスは、患者の著しい不快感、及び結果として生じる3Dイメージングの使用に対する患者の抵抗感を生じさせることになる。
[0066] 同様のレベルの患者の快適さの必要性を満たすためには、3D歯科用イメージングシステムに下記の制約が課せられる。第1に、単純な顎当て又は同様の手法よりも不快な、頭部の動きに対するいかなる種類の制約をも回避するために、3Dイメージングプロセスは、およそ5秒未満、及び確実に10秒未満で、迅速に達成されなければならない。正確な3Dレンダリングに必要な2Dイメージの数は、典型的には約15イメージから50イメージの間であるため、2Dイメージキャプチャレートは、少なくとも毎秒およそ5イメージ又はそれ以上であることが必要である。
[0067] 第2の制約は、X線源が小型で、患者が慣れている既存のX線源と同様のサイズ及び形状に見えることである。また、イメージングプロセスは迅速に完了する必要があり、X線源は、必要な2Dイメージを取得するために、弧、円、又は何らかの他の幾何学的経路内を移動しなければならないため、必要な機械的動きの管理、釣り合いおもり、及び他の技術的懸念事項の問題を単純化するために、X線源は軽量であること、また物理的に小型であることも必要である。X線源自体の重さは1.5Kg未満であり、確実に5Kg未満であること、並びに、長さは約20cm未満、幅は約8cm未満、及び高さは8cm未満であることが望ましい。
[0068] 第3の制約は、3Dイメージを再構築するために必要な数学的に複雑な計算を実行する、コンピュータプロセッサの速さ及び能力に関する。3Dの計算は、2Dイメージデータが集められた後、再度、患者の快適さ及び受容性に関する要件を満たすために、また典型的な歯科医行の作業フロー内に収まるように、短時間の内に完了することが有用である。この要件は、コンピュータ技術が向上していくに連れて、より容易に満たされることが予想されるが、歯科医に3Dデータを提示するために必要な時間は、約90秒を超えてはならない。
[0069] 最終的に、金銭的コストの問題を満たすために、3Dイメージングシステムにおいて実施可能な技術に対して制約が課せられる。いくつかの手法では、3D歯科用イメージングのためにX線源アレイを使用するが、これは既存の安価で十分に開発された信頼できる真空管X線源を利用しないため、著しくコストがかかる。先端的なX線源アレイを使用することは技術的に魅力的ではあるが、歯科医師又は歯科患者にとっては、イメージの品質、X線量、又は他の重要な性能因子に関して、所望の時間制限内に必要な2DX線イメージを生成するために、容易に移動可能であり、迅速にパルスを発することができる、低コストの従来型X線源を超えるような利点はほとんど得られない。
[0070] 当業者であれば、以前に示した任意の修正に加えて、本説明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、多数の他の変形及び代替の配置が考案可能であり、添付の特許請求の範囲は、こうした修正及び配置をカバーすることが意図されている。したがって、特殊性及び細部を備えた情報について、現時点で最も実用的であり好ましい態様であると見なされる情報と共に説明してきたが、当業者であれば、本明細書に示される原理及び概念を逸脱することなく、形、機能、動作の様式、及び用途を含むが限定されない、多数の修正が実行可能であることが明らかとなろう。また、本明細書で使用される例及び実施形態は、あらゆる点において単なる例示であるものと意図され、いかなる場合も限定的であるものと解釈されるべきではない。
Claims (10)
- オブジェクトの3次元イメージを作るための方法であって、
イメージングされるべきオブジェクトの側面上に配置されたハウジング内で放射源を移動するように構成されたモーションガントリー上にX線源を提供すること、
前記モーションガントリーに取り付けられる釣り合いおもりを提供すること、
前記オブジェクトの反対側面上にX線検出器アレイを位置決めすること、
前記X線源を、前記X線検出器アレイと実質的に平行な平面上に配置される前記ハウジング内の複数の位置へ移動させること、
前記X線源が前記複数の位置に配置されているとき、前記オブジェクトの複数の2次元(2D)イメージを収集すること、及び、
前記複数の2Dイメージを使用して3次元(3D)イメージを再構築すること、を含み、
前記釣り合いおもりは、他のX線源を有する、方法。 - 前記オブジェクトは、1本の歯又は複数の歯である、請求項1に記載の方法。
- 前記3Dイメージを再構築するためにトモシンセシスアルゴリズムを使用することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記トモシンセシスアルゴリズムは、反復プロセスを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記ハウジング内での前記X線源の動きは、部分的又は完全に自動化される、請求項1に記載の方法。
- 前記2Dイメージは、1000まで収集される、請求項1に記載の方法。
- 前記2Dイメージは、6から32まで収集される、請求項6に記載の方法。
- 40msから100ms内に、前記複数の位置の間に前記X線源を再位置決めすることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- イメージキャプチャのための全プロセス及び1本の歯のための3D再構築は、10秒未満で完了することができる、請求項1に記載の方法。
- イメージキャプチャのための全プロセス及び1本の歯のための3D再構築は、5秒未満で完了することができる、請求項1に記載の方法。
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