三维x射线计算机断层扫描校准和验证设备和方法与流程

本专利申请与同一受让人拥有的、其全部内容以引用方式并入本文中的以下专利申请相关：

·2012年1月30日提交的、发明人名字为Jonathan J.O'Hare和Stephen Darrouzet的名称为“X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY DEVICE CALIBRATION AND VERIFICATION APPARATUS”的美国临时专利申请61/592,169；

·2013年1月29日提交的、发明人名字为Jonathan J.O'Hare和Steven Darrouzet的名称为“X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY DEVICE CALIBRATION AND VERIFICATION APPARATUS”的美国专利申请No.13/752,698；以及

·2014年5月19日提交的、发明人名字为Jonathan J.O'Hare和Stephen Darrouzet的名称为“X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY DEVICE CALIBRATION AND VERIFICATION APPARATUS”的美国专利申请14/281,006。

技术领域

本发明总体上涉及校准装置，更特别地，本发明涉及x射线计算机断层扫描装置/CT机器的校准。

背景技术：

使用坐标测量机器(CMM)准确测量各式各样不同类型的工件。例如，CMM可测量飞行器发动机部件、手术工具和枪管的关键尺寸。精确且准确的测量有助于确保它们的基础系统(诸如，就飞行器部件而言，飞行器)按规定进行操作。

不准确的测量会带来灾难性的后果。因此，为了确保CMM给出准确测量，CMM行业已提出清晰的准确性验证标准、过程和计量工具，以校准和验证进行这些测量的基础机器。出于这些目的，CMM验证过程通常需要硬测量仪器，硬测量仪器能被跟踪以进行不确定度计算，并且被设计为确保它们(即，测量仪器)在尺寸上是稳定的。

最近，本领域的人员已经开始使用计算机断层扫描(CT)系统作为用于尺寸计量的CMM。然而，不合意的是，发明人已知的许多这样的CT系统缺乏定义明确的验证标准以及被设计用于该目的的计量工具。

技术实现要素：

按照本发明的一个实施方式，一种用于校准x射线计算机断层扫描装置的设备具有由对于x射线而言可见的材料形成的第一球体、第二球体和第三球体。所述球体被构造成在不改变形状的情况下接收x射线，所述球体中的每个均具有对于x射线的球体衰减值。所述设备还具有底座，所述底座至少部分支撑所述球体，使得所述球体中的每个接触均其他球体中的至少一个。如同任何其他物理对象，所述底座具有对于x射线的底座衰减值。所述球体衰减值大于所述底座衰减值，所述球体中的每个均以防止球体平移移动的方式锁定就位在所述底座上。优选地，所述第二球体接触所述第一球体和所述第三球体。如同任何球体，所述第一球体具有第一中心，所述第二球体具有第二中心，所述第三球体具有第三中心。以对应方式，所述第一中心和所述第二中心形成第一线，所述第一中心和所述第三中心形成第二线，所述第二线与所述第一线叉开(即，它们是相交的)。

所述设备可包括第四球体，所述第四球体接触所述第一球体、所述第二球体和所述第三球体。例如，所述第四球体具有可与所述第一中心形成第三线的第四中心。该第一线和所述第三线可形成与所述第二线相交的平面。此外，所述第四球体可接触所述第一球体和所述第二球体二者，但不接触所述第三球体。

所述第一球体、所述第二球体和所述第三球体可在运动方面锁定在一起，或者用粘合剂固定在一起，所述底座可具有带有取向标记的杆。在一些实施方式中，所述第一球体接触所述第三球体。虽然并不必要，但在一个实现方式中，所述第一球体、所述第二球体和所述第三球体可至少部分由蓝宝石和红宝石材料中的至少一种形成。

在例证实施方式中，所述第一球体、所述第二球体和所述第三球体是精确磨光或抛光的球体。事实上，所述第一球体、所述第二球体和所述第三球体中的每个可包括尺寸性质中的至少一个(例如，其直径)的校准认证。

所述第一球体、所述第二球体和所述第三球体中的每个优选地是自立式球体(即，当不是设备的一部分时，为独立球体)。

按照另一个实施方式，一种用于校准x射线计算机断层扫描装置的设备具有由对于x射线而言可见的材料形成的多个对象。所述多个对象被构造成在不改变形状的情况下接收x射线，并且具有大体相同的形状。所述对象均具有对于x射线的对象衰减值和中心点，使得它们相对于其相应中心点是对称成形的。所述设备还具有底座，所述底座至少部分固定地支撑所述多个对象，使得所述多个对象中的每个均接触其他对象中的至少一个。如同诸如所述对象的其他物理对象，所述底座具有对于x射线的底座衰减值，并且该值大于所述底座衰减值。在一个实现方式中，所述多个对象的中心点一起形成三维体积。

按照本发明的其他实施方式，一种校准或验证x射线计算机断层扫描机器的尺寸准确性的方法：设置具有校准设置的x射线计算机断层扫描机器；并且使用所述x射线计算机断层扫描机器对测量仪器进行成像，以产生测量仪器重构。所述测量仪器具有对于x射线可见的第一球体、第二球体和第三球体，各球体均接触至少一个其他球体。所述第一球体和所述第二球体的中心形成第一线，而所述第一球体和所述第三球体的中心形成与所述第二线叉开的第二线。所述方法还：在所述测量仪器重构中，测量所述球体中的至少两个之间的距离，以生成测量的中心距离值；将所述测量的中心距离值与已知中心距离值进行比较。最终，所述方法使用比较结果来确定所述测量仪器重构中是否有距离误差。

附图说明

本领域的技术人员应该根据参照附图讨论的以下“具体实施方式”更充分地理解本发明的各种实施方式的优点，就在以下总结了附图。

图1A示意性示出可使用本发明的例证实施方式的x射线计算机断层扫描装置。

图1B示意性示出图1A的装置的内部部件。

图2A示意性示出按照本发明的例证实施方式构造的x射线校准和验证测量仪器的立体图。

图2B示意性示出图2A中示出的测量仪器的验证对象的侧投影图。

图2C示意性示出图2A中示出的测量仪器的验证对象的顶部投影图。

图3示意性示出按照本发明的例证实施方式构造的x射线校准和验证测量仪器的侧视图。

图4示意性示出按照本发明的其他实施方式构造的x射线校准和验证测量仪器。

图5示意性示出按照本发明的其他实施方式构造的x射线校准和验证测量仪器。

图6示出在图1的x射线计算机断层扫描装置中使用图2A的测量仪器的过程。

具体实施方式

在例证实施方式中，用于二维或三维校准(或验证)x射线计算机断层扫描机器的设备使得能够更准确地测量工件。这种设备可被改变比例，以精确测量较小尺寸的工件(例如，亚毫米级，诸如，直至微米或纳米级)。为此目的，该设备具有底座，该底座支撑多个精确定义/指定的对象，这些对象取向成使得它们的精确测量点(例如，球体的中心)形成二维面积或三维体积。这些面积或体积被重构和测量，以校准x射线计算机断层扫描机器。以下，讨论例证实施方式的细节。

图1A和图1B示意性示出可使用按照例证实施方式构造的校准测量仪器的x射线机器/计算机断层扫描装置10。应该注意，虽然本讨论主要涉及校准，但各实施方式的原理适用于验证x射线计算机断层扫描装置10的准确性。因此，关于校准的讨论不旨在限制本发明的所有实施方式。

x射线计算机断层扫描装置10可以是制作位于其内部的工件的三维模型(被称为“工件重构”)的计算机断层扫描系统(又称作“CT系统”或CT机器)，还有其他。出于这些目的，x射线计算机断层扫描装置10具有形成用于容纳以下部件(还有其他部件)的内部腔体的外壳12(参见图1B)：

·待测量的工件14，

·用于产生x射线的x射线枪16，

·用于旋转工件14的旋转台18，以及

·用于在通过x射线枪16将工件成像之后检测工件14的图像/投影图的检测器20。

可以由透明材料制成的通道门22提供进出内部的通道，以添加和去除工件14。例如，工件14可以是冠状动脉血管成形术中常用的心血管支架或用于军舰(例如，航空母舰)的推进器。机器10侧面的控制面板24充当操作人员的控制界面。

为了制作工件14的3D模型(“重构”)，计算机断层扫描机器10将工件14相对于x射线枪16有效移动。例如，计算机断层扫描机器10可将工件14在旋转台18上旋转整个360度，并且在旋转期间采集工件14的x射线图像(在本领域中被称为“投影图”或“投影角度”)。在旋转工件14期间和/或之后，模型构建模块(例如，在本地微处理器或微控制器上执行的后期处理软件)将所有投影图的数据转换成工件14的3D模型，即，所述重构。可测量可以是软件模型的这个3D模型来确认工件14的尺寸准确性。因此，如果工件14是小医疗装置(诸如，心血管支架)，则测量软件可精确测量支架的选定特征(诸如，其半径、壁厚度等)。

然而，如果计算机断层扫描机器10没有被正确校准，则这些工件测量有可能将是不准确的。一些不准确是可接受的，而其他会超出容差。因此，操作人员或某个其他人应该在使用之前校准计算机断层扫描机器10。然而，不合意的是，发明人得知市面上没有用于多维校准传统计算机断层扫描机器的高度可靠的有效技术。为了填补本领域的不足，发明人已经开发出高度准确、细小节距的校准测量仪器。

具体地，图2A示意性示出用于校准或验证计算机断层扫描机器10(诸如，图1A和图1B中示出的计算机断层扫描机器10)的例证测量仪器26。测量仪器26具有底座28，底座28支撑在校准过程中充当导向标的多个分立的对象30。更具体地，在例证实施方式中，对象30优选地包括被磨光或抛光成具有非常精确质量(精确的对称性、形状、大小、体积、中心、几何形状等)的三个或更多个球体(在这个示例中是四个球体并且用参考标号“30”标识)。在例证实施方式中，由一些可靠的熟知的第三方来证明球体30具有特定的预定测量质量。球体30中的每个是自立式独立结构—它们优选地不是一体的或者甚至不是彼此连接成一个布置。替代地，球体30仅仅彼此接触。如以下更详细讨论的，一些实施方式定位球体30，使得它们的中心形成平面或体积。

底座28支撑球体30。更具体地，在图2A中示出的实施方式中，底座28是碳纤维杆，该碳纤维杆支撑取向成锥体结构/角锥状物的四个球体30。底座28的一个或两个面具有取向标记32，取向标记32由x射线可见的材料形成。该取向标记应该使用户能够看到测量仪器取向；更具体地，它应该标识类似大小的球体并且在进行x射线重构时将校准后的值应用于正确识别的球体。

根据附图的取向，角锥状物在底部具有三个球体30并且在顶部具有一个球体30。球体30优选地受约束，使得它们不可相对于底座28平移移动或者相对于彼此平移移动—即在相对于X轴、Y轴或Z轴的方向上。一些实施方式也受约束，使得球体30不可以任何其他方式移动，例如，它们不可相对于底座28旋转。然而，其他实施方式可允许进行非平移运动(诸如，相对于底座28旋转)。

在理想的情况下，各球体30只在无限小的离散点接触其邻近的球体30。这样确保了球体30受最小程度的限制，从而提供最大稳定性。用更简化的术语，如果它受最小程度的限制，则球体30不应该摇晃或以其他方式相对于其他球体30线性移动—它在正常操作期间(没有被施加不常见力时)基本上不可移动。事实上，在实际使用时，球体30不可能在无线小的点接触。换句话讲，球体30的接触点具有最小量的表面积。

然而，通过使用更精细且准确制作的球体30，本领域的技术人员可趋于这种理想化点接触。优选地自立式独立球体30因此可被形成为具有非常细小的精度。例如，球体30可具有精度达到至少0.01毫米的直径。具体地，至少0.01毫米的精度可具有甚至更细小的精度(诸如，0.001毫米、0.005毫米、0.0001毫米、0.00001毫米等)。又如，球体30可具有10.0001毫米的直径，在诸如0.00005毫米的一定已知容差内。相同测量仪器26的所有球体30可具有相同大小或不同大小。在任一种情况下，已知球体30的直径达到所述精度。因此，例证实施方式可通过CT机器10检测读数的变化，变化量大约为球体30的精度—低至毫米或纳米级。球体30优选地包括来自可靠认证机构关于它们性质(例如，尺寸性质)的认证。

例证实施方式通过传统装置将球体30固定于底座28。例如，测量仪器26可具有将球体30固定于底座28的粘合剂或其他特征。本文中讨论的其他实施方式不需要这些装置并且可仅仅通过有效运动锁(kinematic lock)来保持。

为了校准计算机断层扫描机器10，校准模块(未示出)测量对象30的可识别区域之间的距离。例如，在球体实施方式中，校准模块可测量球体30的中心之间。如果对象30不是球体30的形式(例如，是突起、立方体、圆柱体、不规则形状等的形式)，则可识别区域可以是该成形对象30的中心、或该对象30的某个其他区域(诸如，端部、断点、拐角、两个部分的交叉处等)。即使对象30是球体30，可识别部分也可以是球体30的外部区域。

因此，重要的是球体30在x射线图像上是可见的。为此目的，球体30优选地由对于x射线的衰减高于底座28的衰减的材料形成。例如，出于提供低热膨胀和在计算机断层扫描机器10的强度值范围的中间附近提供低x射线衰减的目的，球体30可由红宝石、蓝宝石或其他材料形成。事实上，本领域的技术人员可选择具有所期望性质的其他材料。

除其他材料之外，底座28可由具有高刚度的碳纤维(如上所述)形成。在优选实施方式中，碳纤维具有当相比于球体30的材料时相对低的x射线衰减。衰减的这种差异应该提供所关注表面(即，球体30)和底座28之间的良好对比度和清晰分离。以与球体30类似的方式，本领域的人员应该理解，底座28可由具有类似性质的另一种材料形成。在例证实施方式中，球体30和底座28的热膨胀系数尽可能低(诸如，不大于钢的膨胀系数)。

如所述的，球体30允许用户一维、二维或三维校准基础的计算机断层扫描机器10。不同于现有技术的装置，不需要执行测量仪器26的完全扫描并随后重新定位测量仪器26以在另一个方向上进行扫描。替代地，例证性实施方式允许用户在不需要重新定位测量仪器26的情况下完全校准计算机断层扫描机器10。测量仪器26因此具有至少二维或三维上的可测量结构。例如，测量仪器26可具有X和Y平面或X、Y和Z平面上的可测量结构。因此，测量仪器26可被视为形成有助于这些测量的可测量面积或体积。

出于这些目的，在这个实施方式中，各球体30的中心可被视为与其他球体30中的每个的中心点形成直线。图2B示意性示出图2A的四个球体30的笔直的侧投影图，而图2C示意性示出图2A的四个球体30的笔直的顶投影图。

在这些图中，将球体30的中心标识为点A、B、C和D。这些中心形成图2B和图2C中示出的六条直线：A-B、A-C、A-D、B-C、B-D和C-D。如所示出的，每个线段与至少一个其他线段相交/叉开—在这种情况下，所有线段与其他线段全部相交/叉开。换句话讲，而非必要地，线段中没有一个平行于其他线段。

此外，如上所述，这些叉开的线段组合形成可测量面积和体积，从而有效形成二维或三维测量仪器26。例如，如图2C的顶视图中示出的，线B-C、C-D和B-D一起形成大体与Z轴正交的三角形区域。这个三角形区域允许在X维度和Y维度上进行校准和验证(即，二维校准)，而不必移动测量仪器26进行第二次扫描(以下讨论)。事实上，一些实施方式省略了顶部球体30，仅仅使用三个球体30进行二维校准和验证。不管怎样，这个实施方式形成二维测量仪器26。

以类似方式，当点B、C和D与顶部球体的点A形成线时，这个三角形面积形成锥体体积。图2B更清楚地示出Z方向上的这个体积的深度。这三个附加叉开线因此允许在X方向、Y方向和Z方向上进行校准和验证，从而有效形成三维测量仪器26。

一些实施方式具有不同类型的底座28。具体地，不同于使用杆28，这些实施方式可具有对于x射线而言是最少可见的相对刚性和热稳定的支撑板34。

图3示意性示出使用支撑板34和可选的固定构件36的这种布置的一个实施方式。如同其他实施方式，支撑板34和固定构件36优选地对于x射线而言是最少可见的。这个实施方式通过在所有三个维度上向球体30正常施加力，将球体30在运动方面锁定就位。以与球体-球体接触类似的方式，固定构件36理想地在仅仅一个点与球体30接触。

在这个运动锁定构造中，球体30不需要任何其他装置将它们保持接触并且不移动。换句话讲，不必用粘合剂、紧固件或其他装置将球体30保持在正确位置。不合意地，这些额外组件会影响球体30的实际位置，或者妨碍x射线下球体30的可视性。然而，其他实施方式可具有这些额外组件。

测量仪器结构优选地是能改变比例的并且可被适宜地确定大小来测量较大体积。例如，可改变球体30的大小、数量和布置来满足演变的计算机断层扫描标准，这些标准控制总测量体积的某个最小百分比覆盖率。图4示意性示出一个这样实施方式的侧视图，在该实施方式中，两组球体30(每组四个球体，所述球体如同图3中示出的球体)并排形成在支撑板34上。虽然未示出，但这个实施方式可包括固定构件36、或保持没有固定构件36。

为了在支撑板34上形成甚至更大测量仪器26，图5示意性示出使用三组如图3中布置的球体30的类似实施方式的侧视图。这个实施方式形成角锥状物结构，但没有顶部球体30。然而，一些实施方式可添加另一个球体30，以在角锥状物的顶部上形成单个测量点。另外，如同图3和图4的实施方式，这个实施方式可具有可选固定构件36。图3和图4的实施方式共同的但不同于图2的另一个特征是如下事实：没有球体30接触测量仪器26的所有球体30。

图6示出按照本发明的一个实施方式的使用测量仪器26的过程。该过程开始于步骤600，即选择测量仪器26在x射线计算断层扫描机器10内的预定取向。例如，如果测量仪器26进行二维校准/验证，则操作人员可将测量仪器26取向成平行于由X-Y轴形成的平面，或者由Z-X轴形成的平面。然而，如果测量仪器26进行三维校准/验证，则操作人员可将三维测量仪器26在任何随机取向上取向。

接下来，该过程以预定取向将测量仪器26物理定位在x射线计算断层扫描机器10内(步骤602)并且对测量仪器26成像(步骤604)。为此目的，测量仪器26可设置在旋转台18上，旋转台18优选地将测量仪器26旋转整个360度。在这个时间期间，x射线计算断层扫描机器10得到测量仪器26的顺序图像/投影，供后续处理。在例证实施方式中，这一次扫描可收集足够信息来完全校准并且验证x射线计算断层扫描机器10(例如，在三维测量仪器26的情况下)。其他实施方式可能需要两次扫描(例如，在二维测量仪器26的情况下)。不管怎样，相对于重复针对x射线计算断层扫描机器10的各维度进行处理的现有技术的一维测量仪器，有巨大的改进。

在x射线计算断层扫描机器10完成测量仪器26的成像之后，该过程构造测量仪器26的三维模型(“3D模型”)(步骤606)。模型引擎(或模型构建模块)因此使用来自连续图像中的数据来构造可被存储在存储器中的3D模型(测量仪器重构)。虽然不是必要的，但呈现软件可呈现3D模型，然后为了观众旋转或以其他方式移动最终3D模型，从而表现测量仪器26的细节。

步骤608随后测量3D模型要素来确定尺寸是否准确。为此目的，该过程测量测量仪器重构内的预选点之间的距离。例如，该过程可测量从球体的中心(例如，从一个球体30的中心)到其他球体30中的一个或更多个的中心。这个步骤因此产生供后续步骤中验证用的多个距离值。

具体地，预定点之间的实际距离是已知的；在优选实施方式中，这些距离被证明。例如，图5的两个球体30的中心之间的已知距离可以是10.0001毫米。图5中的两个其他球体30的中心之间的已知距离可以是20.0002毫米。

因此，步骤610将这些不同测量距离与已知距离进行比较，以确定是否存在误差(步骤612)。例如，该过程仅仅可确定各种测量和已知距离之间的差异。这个差异是计算断层扫描机器10的校准误差。使用以上的示例，如果头两个球体30之间的测量距离(已知距离10.0001毫米)是10.0004毫米，则计算断层扫描机器10具有0.0003毫米的误差，因此应该被适宜地改变或调节。

因此，如果该过程检测到超过某些预设极限或容差的误差(例如，检测到这个示例性0.0003毫米误差)，则步骤614通过改善计算断层扫描机器10的初始校准设置来校正误差，从而结束该过程。

例证性实施方式因此因需要更少的扫描而改进了校准和验证过程，从而节省了时间和资源。这些实施方式二维或三维使用细小节距细节进行校准和验证，从而最终能够更准确测量工件14。

虽然以上讨论公开了本发明的各种示例性实施方式，但应该清楚，本领域的技术人员可在不脱离本发明的真实范围的情况下进行将实现本发明的一些优点的各种修改。