专利名称：双能谱真三维容积成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种主要用于对人体组织进行真三维容积成像的数字化医用诊疗装置。
背景技术：
在医学成像领域，X射线(含放射性同位素发射的γ-射线)成像装置占据着十分重要的地位，它是目前所有人体成像装置中使用最广泛、采集速度最快、空间分辨率最高的成像装置，也是每个医院必备的成像装置之一。现有的X射线成像装置分为X射线平面成像装置和断层三维成像装置两大类，其中断层三维成像(CT，computed tomography)是目前实现三维空间成像的最主要方法。这种CT技术采用的是多层螺旋数据采集和重建算法，在垂直于人体的方向(定义为Z方向)上形成了成像中的层厚概念，在层厚之内人体信息被取平均，丢失了在层厚范围内的组织结构细节，因此其在Z方向的分辨率远小于在X-Y平面的分辨率，微小病灶容易被漏掉。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明根据X射线成像理论，在现有CT技术的基础上，提供了一种双能谱真三维容积成像装置，这种装置可以获得被检测人员低密度和高密度两群组织的高分辨率的各向同性的真三维数据集，进而通过图像重建和图像处理技术，形成被检测部位的真三维容积成像。
本发明实现上述目的的技术方案是一种双能谱真三维容积成像装置，包括在系统中可移动的双能谱X射线光源和与其匹配的X射线平板探测器，所述光源和探测器之间留有容纳被检测体的空间，所述光源的射线束方向朝向所述探测器的探测面。
所述光源的射线束形式可以为锥束，该锥束在横向覆盖整个被检测体。
所述光源的移动轨迹可以是等距螺旋线轨迹、一个圆周外加一条线段的轨迹、两个圆周垂直相交的轨迹、一个半圆加一条线段等等，只要保证对于被检测体上面的任何一点，都可以在轨迹上面的找到两点，使得连接着两点的线段经过被检测体内的点。
本发明的工作原理是在计算机系统的控制下，光源在设定轨迹上移动，其光束在横向始终覆盖被检测体，探测器通过机械联动方式或在计算机系统控制下与所述光源联动，使其探测面始终朝向光源并接收光源发出的射线束，采集X射线束穿透被检测体后的投影强度，在移动过程中形成分辨率各向同性的真三维数据集，该数据集经过计算机系统处理，生成被检测体的真三维图像。所用双能谱光源发射的射线束具有高、低两个X射线能谱，其中低能谱X射线同被成像物质之间的作用机制主要是光电效应，其截面和被成像物质的平均原子系数的4次方成正比，主要用于对密度比较低的组织，例如血管、神经和肌肉等软组织成像，在以体素为单位的微小体积内，物质的平均原子系数的微小差别经过4次方放大之后，形成非常好的对比度和空间分辨率；高能谱的X射线同被成像物质之间的作用机制包括光电效应和康普敦散射，后者占有相当比例，康普敦散射的截面和被成像物质的平均原子系数的1次方成正比，对物质密度的分辨能力有所降低，但由于能量高，其穿透本领大大增加，能够对密度比较高的人体组织，例如骨骼、牙齿等硬组织(包括了骨密质和骨松质部分)形成非常好的对比度和空间分辨率。对探测器采集的不同能谱下的投影数据，经过计算机系统处理后，既可以形成针对低和高两类不同密度的组织形成的影像，也可以将这两个影像在同一个坐标系内整合成为一个整体的影像，恢复物体的本来面目。
由于本发明采用了锥束光源，并采用光源和探测器同步移动的方式，利用探测器采集不同角度下X射线经过人体组织的投影值，形成了用于重建人体被检测部位的三维图像的数据集，形成的真三维图像在各方向均有相同的分辨率，避免了现有技术下Z方向细节数据丢失的缺陷，改善了对疾病的诊断效果，消除了由于成像技术本身的缺陷造成漏诊的可能性；由于本发明采用了高低两个能谱的X射线进行探测，对人体的软硬组织均有很好的成像效果，适应于人体各种组织的成像要求；由于本发明可以在计算机软件的支持下，不需要进行完整的360°扫描就可以获得所需的三维成像数据，并且还可以根据具体被探测的人体部位，在光源轨迹的设置上避开人体的X射线敏感部位，最大限度地减少了X射线照射给被检测人员带来的损害。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的工作原理示意图；图3是本发明光源一种移动轨迹的立体示意图；图4是本发明光源一种移动轨迹和照射范围的平面示意图；图5是本发明光束覆盖范围和角度的示意图。
具体实施例方式
参见图1-图5，本发明提供的双能谱真三维容积成像装置包括系统内可移动的双能谱X射线光源1和与其匹配的X射线平板探测器7，所述光源和探测器之间留有可容纳被检测体8的空间，所述光源的射线束方向朝向所述探测器的探测面。
所述光源的射线束形式优选锥束，该锥束覆盖整个被检测体，以形成被检测体在探测器的投影。
所述光源可以采用现有技术下的X射线发光原理，配有高压发生器2和滤波准直系统，其发出的X射线束的能谱宽度和范围可以根据实际需要通过改变高压发生器的参数和滤光片的参数等加以调节，两个能谱能量的平均值以保持20keV左右的能量间隔为宜，例如能量间隔为20keV以上，低能谱的能量范围为20-60keV，高能谱的能量范围为80-1400keV，射线束的水平角和竖直角α应保证射线束在整个扫描过程中都能够覆盖整个被检测体(或检测区域)。
参见图3和图4，所述光源的移动轨迹9优选由两条平行圆弧线和分别连接这两条圆弧线两端的两条平行直线构成的闭合曲线，该闭合曲线的各部分位于同一圆柱面上。在计算机软件的支持下，在不进行完整的360°扫描的情况下就可以获得三维成像所需的数据集，有利于减少剂量，有利于简化设备机构，还有利于避开对人体敏感部位的直接照射，减少X射线照射对人体的损害。
所述光源的移动轨迹也可以采用其他任意适宜的形式，例如可以是等距螺旋线轨迹、一个圆周外加一条线段的轨迹、两个圆周垂直相交的轨迹、一个半圆加一条线段等等，只要保证对于被检测体上面的任何一点，都可以在轨迹上面找到两点，使得连接着该两点的线段经过被检测体上面的点，也就是说，所述光源的移动轨迹的限定条件是对于被检测体上面的任何一点，都可以在轨迹上面找到两点，使得连接着两点的线段经过被检测物体相应的点。
所述光源和探测器可以安装在同一个旋转支架上，以便保持它们之间的相对方位，使光源发射的X射线束的方向始终正对平板探测器的探测面，同时还可以通过旋转支架的转动带动光源和探测器同步转动，光源和探测器之间的初始距离或平均距离可以根据本装置的用途(被检测体的状况)设定。在这种结构方式下，控制旋转支架的转动即可控制光源和探测器的转动，形成光源的圆弧形移动轨迹。因此，要使光源沿图3所示的轨迹移动，只要光源同旋转支架之间的连接方式采用光源可以沿着垂直于旋转平面的方向移动的活动连接方式即可。对于这种可以沿着垂直于旋转平面的方向移动的光源，可以采用两种方式使探测器有效地接收和探测光源发出的X射线一是使探测器的探测面足够大，在探测器不动的情况下就可以有效地接收光源在各个位置上的射线束(穿透被检测体后的投影)，二是探测器采用活动连接的方式连接旋转支架，使其能够跟光源一样做相应的沿着垂直于旋转平面的方向移动。
作为一种改进方案，所述探测器和旋转支架之间可以采用可径向移动的活动连接方式连接。通过探测器的径向移动，可以随时调节探测器同被探测体(人体)表面之间的距离，使探测器在检测过程中始终靠近被检测体表面，以提高数据采集效率和系统灵敏度，同时可以减小平板探测器的尺寸，降低成本。所述探测器可以设有距离传感器，该传感器将探测器至被探测体(人体)表面之间的距离信号传递给计算机系统，以控制探测器的径向移动。所述光源也可以采用相同的连接方式实现径向移动。这些竖向(垂直于旋转平面的方向)、径向等活动连接方式均可以采用相应的现有技术，并可以将多种不同的活动连接方式组合使用，以实现被连接件的多自由度移动。所述旋转支架的旋转可以采用现有技术实现，并可以设置旋转驱动电机及其传动机构带动支架转动。
本发明可以设有用于固定被检测人员的被检测部位的固定装置，以保证检测的顺利进行。以头颈部人体成像为例所述固定装置可以由两部分组成，第一部分为设有两束互相垂直的激光束的定位系统，在被检测人员进行检查之前，打开两束激光，调整被检测人员位置，使得两束激光束组成的坐标系与预设的被检测人员面部的坐标系重合，给头部定位；第二部分是牙齿固定装置，该牙齿固定装置固定连接在被检测人员的座椅上，并设有延伸出来的固定件，被检测人员在整个检查过程中，始终用牙齿咬住固定装置的固定件，以防止被检测人员的不自觉运动，同时也可以把不同人员成像的位置相对固定。
本发明一般应配有计算机系统，以进行运行控制和数据采集与成像处理。所述计算机系统包括中央控制系统3、操作台和图像显示系统4、图像重建、处理系统5和数据储存传输系统6，其中数据储存传输系统接收和储存探测器传来的运动数据和投影数据，并分送给中央控制器和图像重建、处理系统，图像重建、处理系统在中央控制系统的协调下，将送来的投影数据进行图像重建处理，生成图像信息，并将图像信息一路送至操作台和图像显示系统中的显示器显示，一路经中央控制系统送至数据储存传输系统的图像数据库存储，中央控制系统协调其他各系统的工作，接收操作台和图像显示系统送来的人工指令和传感器送来的传感信息，根据设定的工作程序向高压发生器、光源、转动支架和探测器发出工作指令。
所述图像重建、处理系统对投影数据进行处理后，生成的图像信息为针对低密度(软组织)和高密度(硬组织)的两个不同的成像信息，或者是将这两个成像合成为一个物体完整的成像信息，这样显示器显示出的图像可以是软组织和硬组织两个不同的成像，也可以是软硬组织构成的整体图像，根据人工输入指令，可以随意切换这三种不同的图像，或者同时显示其中的任意两种图像，或者同时显示这三种图像。
本发明计算机系统的运行可以采用现有技术和其他各种适宜的技术，例如对各机械机构的控制可以根据设定程序、人工指令和传感信息等进行电动机构的通断电。数据处理和图像重建等软件方面的设计也可以采用现有的数据处理和成像技术，其中三维成像的精确重建算法可以优选目前国际上最为先进的基于PI线段的三维精确重建算法，这个算法的最大特点是利用特定光源轨迹下产生的投影数据精确重建出各向同性的三维数据，在不进行完整的360°扫描的情况下，即可实现对被检测体图像的精确重建，从而减少人体接收的辐照剂量并且在扫描时避开对X射线敏感的人体组织。
根据成像理论，真三维容积成像(Volume CT，简称VCT)的空间分辨率受光源尺寸和平板探测器像元大小的限制，因此可以根据用户的需要为本发明设计出不同的空间分辨率。现有技术背景下，光源的最小尺寸已达50微米，将其与相应像元的平板探测器相配合，可以使最高本征空间分辨率达到0.001mm3，在这种分辨率下，可以看到最细小的骨裂、神经和血管的病变。本系统也可以用于不同密度的工业品内部微结构成像。
本发明采用高、低能谱X射线扫描人体同一部位的技术路线，通过数学计算可以很好地分解人体特殊部位的软、硬组织，使之分别达到最佳成像条件。可以同时生成软组织和硬组织的图像进行单独观察，也可以把这两种图像进行再整合，形成一个完整的图像。在整合的过程中，采用图像后处理技术，尽可能降低噪声，去除伪影，把图像信息在高分辨率和超高分辨率基础上实现三维空间图像的分割、配置、融合和显示。
本发明通过计算机技术，特别是采用以重建算法为核心的软件设计，可以利用探测器采集到不同角度的锥束X射线经过人体组织的投影值，重建出被探测人员特殊部位的三维图像，并且达到预先设计的分辨率和对比度的要求；可以对两个能谱重建出来的图像进行分割、配准、融合和显示，得到被检测人员特殊部位组织的完整的各向同性的真三维图像；可以对重建出来的三维图像进行任意角度的翻转，进行图像的局部分割和放大，察看任意平面切割三维图像之后得到的二维断层图像，以便同现有的断层CT图像进行比较；可以根据医生手工绘制的轨迹或者是自动生成的轨迹显示特殊组织的图像；可以根据医生要求进行图像上任意两点之间的测距和角度的测量；生成的图像数据符合国际通用的格式(例如DICOM3.0)标准，并在计算机系统上设置标准的输入、输出接口，以进行图像的传输，并进行不同图像之间的比较。
为进行操作，可以设置两方面的人工操作设施一是固定在设备主体上的各种开关和开关装置，其中包括定位用激光束开关、被检测人员位置调整装置、设备总电源开关和紧急关机开关等等，二是计算机系统的人机对话装置，例如键盘和鼠标系统，通过人工输出操作指令，对扫描和数据采集与处理的全过程进行操作和控制，在计算机软件的支持下，实现数据采集以及图像的重建、处理、分析和显示。
权利要求
1.一种双能谱真三维高能光子(能量范围10-14000keV)容积成像装置，其特征在于包括系统内可移动的双能谱X射线光源或者γ-射线同位素光源，和与其匹配的X射线平板探测器，所述光源和探测器之间留有可容纳被检测体的空间，所述光源的射线束方向朝向所述探测器的探测面。
2.如权利要求1所述的双能谱真三维容积成像装置，其特征在于所述光源的射线束形式为锥束，该锥束在横向覆盖整个被检测体。
3.如权利要求1所述的双能谱真三维容积成像装置，其特征在于所述光源配有高压发生器和滤波准直系统，两个能谱能量的平均值间隔主要决定于滤波器把连续谱能量光子分为两组能量的能力，但是两组能量之间的间隔要保持在20keV水平。
4.如权利要求3所述的双能谱真三维容积成像装置，其特征在于所述X-射线或者γ-射线光源的低能谱的能量范围设定在10-60keV，高能谱的能量范围设定在80-1400keV。
5.如权利要求1、2、3或4所述的双能谱真三维容积成像装置，其特征在于所述光源的移动轨迹的限定条件是对于被检测体上面的任何一点，都可以在轨迹上面找到两点，使得连接着两点的线段经过被检测物体内的点。
6.如权利要求5所述的双能谱真三维容积成像装置，其特征在于所述光源和探测器安装在同一个旋转支架上，所述光源和探测器同旋转支架之间采用可沿与旋转平面方向垂直的方向移动的活动连接方式连接，所述探测器同旋转支架之间采用可径向移动的活动连接方式连接，所述探测器设有距离传感器。
7.如权利要求6所述的双能谱真三维容积成像装置，其特征在于还设有用于固定被检测人员或者工业样品被检测部位的固定装置。
8.如权利要求1、2、3或4所述的双能谱真三维容积成像装置，其特征在于还配有计算机系统，所述计算机系统包括中央控制系统、操作台和图像显示系统、图像重建、据和投影数据，并分送给中央控制器和图像重建、处理系统，所述图像重建、处理系统在中央控制系统的协调下，将送来的投影数据进行图像重建处理，生成图像信息，对图像信息进行进一步处理，并将图像信息一路送至操作台和图像显示系统中的显示器显示，一路经中央控制系统送至数据储存传输系统的图像数据库存储，所述中央控制系统协调其他各系统的工作，接收操作台和图像显示系统送来的人工指令和传感器送来的传感信息，根据设定的工作程序向高压发生器、光源、转动支架和探测器发出工作指令。
9.如权力要求3所述的双能谱真三维容积成像装置，其特征在于所述图像重建、处理系统对投影数据进行处理后，生成的图像信息为针对低密度物质和高密度物质的两个成像信息，或者是将这两个成像合成为完整表达被成像物体的成像信息。
10.如权利要求9所述的双能谱真三维容积成像装置，其特征在于其三维成像的精确重建算法采用基于PI线段的三维精确重建算法。
全文摘要
本发明涉及一种双能谱高能光子(能量范围10－1400keV)真三维容积成像装置，其包括系统内部可移动的双能谱X射线光源或者γ－射线同位素光源和与其匹配的X射线平板探测器，所述光源和探测器活动连接在旋转支架上，两者之间留有容纳被检测体的空间，所述光源的移动轨迹可以是由两条平行圆弧线和分别连接这两条圆弧线两端的两条平行直线构成的闭合曲线，其发出的射线束为始终覆盖整个被检测体的锥束，朝向所述探测器的探测面，并在该探测面上形成将被检测体的投影。本发明可以获得被检测人员特殊部位软、硬组织的高分辨率的各向同性的真三维数据集，并通过计算机系统进行图像重建和图像处理，形成被检测部位的真三维容积成像，可用于人体的医学检测或者工业品内部结构的检测。
文档编号A61B6/02GK1827045SQ20061000179
公开日2006年9月6日 申请日期2006年1月26日 优先权日2006年1月26日
发明者包尚联, 贾鹏翔 申请人:北京海思威科技有限公司