专利名称：获取断层摄影和三维表面图像的x射线计算断层摄影装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于从通过用X射线扫描对象而检测到的数据来获取图像信息的X射线计算断层摄影装置，更为具体地涉及一种用于获取计算的断层摄影图像和固体表面图像的X射线计算断层摄影装置，其能够通过获取对象的断层摄影信息和该对象的表面颜色信息以形成对象的断层摄影图像和三维表面图像，从而向用户提供可视图像。
背景技术：
通常，X射线计算断层摄影装置包括用于将X射线投射到对象上的X射线管；用于检测穿过对象发射的X射线的检测器；其中安装了所述X射线管和所述检测器的旋转机械装置；以及用于将从检测器获得的数据重构成图像信息的计算机。
如上面所描述地构造的传统X射线计算断层摄影装置通过围绕对象旋转所述旋转机械装置来捕获对象的断层摄影。在每一分角度上执行对象的断层摄影的捕获，并且，通过诸如迭代方法、反投影、滤波反投影等等数学计算，来重构通过捕获而获得每个角度的X射线的投影数据。
存在各种X射线计算断层摄影装置的机械结构，并且这些机械结构将被简短描述如下。
作为第一种，最传统的X射线计算断层摄影装置的机械结构包括具有X射线管、X射线检测器、准直器和数据收集器的圆形旋转体，所述圆形旋转体围绕放置在该旋转体的内部空间中的对象旋转，以便获得对象的透射信息，并从由计算机重构的透射信息获得图像信息。
作为第二种，C型臂X射线计算断层摄影装置是开放型的X射线诊断装置，其中，X射线管被耦合到C臂型机械装置的一端，而X射线检测器被耦合到相对端，以便可以进行介入放射治疗。
作为第三种，牙科计算断层摄影(CT)装置，专门用于仅仅诊断诸如病人的头颅、喉咙、颌骨和牙齿之类的局部部位，用于牙科和上颌面手术(maxillofaxial surgery)领域。在牙科计算断层摄影中，X射线管被置于对象的右和左侧，而牙科计算断层摄影与地面平行地旋转，以便获得透射信息。
作为第四种的是对象旋转型X射线计算断层摄影装置。在这种装置中，代替X射线管和X射线检测器的旋转的是对象被放置于旋转体上并被旋转，这样，可以实现与在X射线管和X射线检测器旋转时同样的效果。这种对象旋转型X射线计算断层摄影装置通常应用于针对非破坏性测试有可能旋转对象的情况下。
在如上面描述的X射线计算断层摄影装置中，最传统使用的第一种将详细描述。
图1是说明常规的X射线计算断层摄影装置的方框图。
如图1中所示，传统X射线计算断层摄影装置包括扫描机架2、捕获台4和操作控制台6。扫描机架2具有X射线管20。通过准直器22，从X射线管20发射的X射线被改变为扇形X射线束，也就是说，扇形光束，并被投射到X射线检测器24。
X射线检测器24包括在扩展X射线的方向上作为阵列被安排在相同行上的多个检测器器件。稍后将详细描述X射线检测器24的结构。X射线管20、准直器22和X射线检测器24组成了如稍后描述的X射线辐射器-检测器。
X射线检测器24与数据收集器26相耦合。数据收集器26以数字数据的形式收集由X射线检测器24的各个检测设备检测的信号。通过X射线控制器28控制来自X射线管20的X射线的辐射。图中省略了X射线管20和X射线控制器28之间的连接。通过准直器控制器30控制准直器22。图中省略了准直器22和准直器控制器30之间的连接。
从X射线管20到准直器控制器30的组件被安装到扫描机架2的旋转部分34。通过旋转控制器36来控制旋转部分34的旋转。图中省略了旋转部分34和旋转控制器36之间的连接。
捕获台4被构造成将对象(未示出)移进和移出扫描机架2的X射线辐射空间。稍后将描述对象和X射线辐射空间之间的关系。
操作控制台6包括数据处理器60。例如，数据处理器60是计算机。数据处理器60被连接到控制接口62。控制接口62被连接到扫描机架2和捕获台4。数据处理器60通过控制接口62来控制扫描机架2和捕获台4。
通过控制接口62来控制扫描机架2的数据收集器26、X射线控制器28、准直器控制器30和旋转控制器36。图中省略了这些组件和控制接口62之间的相应关系。
而且，数据收集器60连接到数据收集缓冲器64。数据收集缓冲器64连接到扫描机架2的数据收集器26。通过数据收集器26收集的数据经由数据收集缓冲器64输入到数据处理器60。
数据处理器60使用针对通过数据收集缓冲器64收集的多个视点所发射的X射线数据来执行图像重构。例如，使用滤波反投影算法来执行图像重构。
而且，数据处理器60连接到存储器66。存储器66存储某些类型的数据和程序。通过用于执行存储在存储器66中的程序的数据处理器60来执行与捕获相关的某些类型的数据的处理。
数据处理器60还连接到显示器68和操纵设备70。显示器68显示从数据处理器60输出的重构图像和其他信息。操纵设备70由用户操纵，并将一些类型的指令和信息发送到数据处理器60。用户可以以交互方式使用显示器68和操纵设备70来操纵X射线计算断层摄影装置。
如上所述，根据外观，传统X射线计算断层摄影装置中使用的X射线检测器被分为单排X射线检测器、多排X射线检测器和平面类型的X射线检测器。
单排X射线检测器以扇形束的形式获得X射线透射信息，而多排X射线检测器以窄角锥形束的形式获得X射线透射信息。
平面类型的X射线检测器以宽角锥形束的形式获得X射线透射信息，并且，存在各种类型，比如图像增强器连接到电荷耦合器件(CCD)的平面类型的X射线检测器；使用CCD或CMOS传感器的平面类型的X射线检测器；直接检测X射线透射信息的、使用非晶硒(a-Se)的平面类型的X射线检测器；以及闪烁器连接到光电二极管以便间接检测X射线透射信息的平面类型的X射线检测器。
为了使各种X射线检测器获得重构计算断层摄影图像所必需的X射线透射信息，X射线检测器必须绕对象旋转360度或超过预定的角度，并且在每一分角度上获得X射线透射信息。
在单排X射线检测器中，单排X射线检测器的宽度在几毫米以下，由于针对一次旋转仅仅可以获得单个断层摄影图像，因此为了弥补上面的缺陷，目前使用了一种螺旋扫描X射线计算断层摄影装置，其中，使用单排X射线检测器的对象在Z轴方向上以固定速度前进，而X射线管和X射线检测器顺序地旋转，以便获得透射信息。
而且，作为X射线检测器的发展的结果，最近使用了一种新技术，其中，安装了多排X射线检测器，如四排X射线检测器、八排X射线检测器或十六排X射线检测器，以便在短时间内通过宽区域获得透射信息。同样地，在使用螺旋扫描方法中获得的一组透射信息来重构断层摄影图像的情况下，可以使用迭代方法、反投影和滤波反投影，并且反投影使用最广泛。
同样地，为了在螺旋扫描方法中重构断层摄影图像，使用数据排列和插值，以便获得与单元位置相对应的透射信息，其中，在所述位置上所获取的数据将在应用图像重构算法之前被重构。
而且，最近使用了具有比多排X射线检测器的检测面积更宽的检测面积的平面类型的X射线检测器，这样，可以更迅速地获得对象的透射信息。在使用平面类型的X射线检测器的情况下，螺旋扫描方法可被应用于重构图像，但是，使用锥形束透射信息来直接使用Feldkamp算法是更有效的。
由于如上所述的X射线计算断层摄影装置仅仅获得针对构成对象的材料的X射线衰减信息来重构图像，因此不能表示对象的表面的实际颜色信息和细节图像信息。
而且，由于不能获得对象的表面颜色信息和细节图像信息，因此就不能将可视的诊断图像提供给用户。换句话说，当同时分析人体的内部损伤和可见损伤时、或当同时诊断和分析对象的表面信息和内部信息时，传统的X射线计算断层摄影装置不能提供有效的诊断图像。
发明内容
技术问题因此，着眼于上面的问题而进行了本发明，并且，本发明的一个目的是提供一种用于获得计算断层摄影图像和固体表面图像的X射线计算断层摄影装置，其中，能够捕获对象表面的颜色信息的照像机被安装在所述X射线计算断层摄影装置的旋转体中，并且，由该照相机获得的对象的表面图像信息被重构，这样，对象的计算断层摄影和三维图像被同时形成，从而将可视的诊断图像提供给用户。
技术方案根据本发明的一个方面，通过提供一种能够同时获得断层摄影图像和固体表面图像的X射线计算断层摄影装置，可以实现本发明的上面的和其他目的，所述X射线计算断层摄影装置包括X射线管，用于根据X射线控制器的控制将X射线辐射到对象上；准直器，用于根据准直控制器的控制来调整从X射线管辐射的X射线的准直；X射线检测器，用于检测辐射穿过调整的准直器且透射穿过对象的X射线；数据收集器，用于将根据由X射线检测器检测的X射线量而产生的电压信号转换为数字信号并发送；图像照相机，面对对象安装，以便获得对象的表面颜色信息；图像获取和控制单元，用于控制图像照相机、存储和传送获得的表面颜色信息；以及旋转体，通过旋转控制器的控制而旋转，上述的组件被安装在该旋转体中。
优选通过图像获取和控制单元的控制来调整图像照像机的聚焦和角度。
图像相机包括电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选图像相机安装在旋转体的预定位置，如从X射线管辐射的X射线不投射的位置。
图像相机的中心对准旋转体的旋转中心。
当X射线计算断层摄影装置为C臂诊断装置时，图像相机被安装在C臂诊断装置的右侧和左侧、或C臂的预定位置处。
当X射线计算断层摄影装置为牙科计算断层摄影装置时，图像相机被安装在牙科计算断层摄影装置的X射线管的右侧和左侧、或C臂的预定位置处。
有益效果通过根据本发明的优选实施例的、能够获得计算断层摄影图像和固体表面图像的X射线计算断层摄影装置，可以同时获得对象的表面颜色信息，这样，对象的剖面信息和颜色信息被同时应用来构成对象的计算断层摄影图像和三维图像，从而给用户提供可视的诊断图像。而且，由于可以同时获得对象的表面颜色信息，因此当同时需要对象的表面信息和剖面信息时，可以精确地表示传统X射线计算断层摄影装置不能获得的表面颜色信息，从而，在同时分析对象的表面信息和内部信息之间的相关性的情况下，可以提供有效的诊断图像。而且，由于根据本发明的X射线计算断层摄影装置可以同时获得对象的表面颜色信息和X射线透射信息、并可以提供计算断层摄影图像和彩色的固体图像，因此，该X射线计算断层摄影装置可以有效地应用到诊断诸如牙科和整形外科之类的外部与内部之间的相关性的领域。
根据结合附图而进行的下列详细描述，本发明的上面和其他目的、特点和其他优点将被更清楚地理解，其中图1是说明传统的X射线计算断层摄影装置的方框图；图2是说明根据本发明的优选实施例的、能够同时获得断层摄影图像和固体表面图像的X射线计算断层摄影装置的系统方框图；图3是说明在个角度旋转和定位的、作为根据本发明的优选实施例的X射线计算断层摄影装置的组件的旋转体的状态的示例图；图4是说明根据本发明的优选实施例的X射线计算断层摄影装置中使用的各种X射线检测器的示例图；图5是说明作为X射线计算断层摄影装置的一个示例的、安装了图像相机的C臂型诊断装置的一个示例图；图6是说明作为X射线计算断层摄影装置的一个示例的、安装了图像相机的牙科计算断层摄影装置的一个示例图；图7是说明作为X射线计算断层摄影装置的一个示例的、安装了图像相机的对象旋转类型计算断层摄影装置的一个示例图。
具体实施例方式
下文将详细描述根据本发明的优选实施例的、能够同时获得断层摄影图像和固体表面图像的、如上面所描述地构成的X射线计算断层摄影装置及其操作。
图2是说明根据本发明的优选实施例的、能够同时获得断层摄影图像和固体表面图像的X射线计算断层摄影装置200的系统方框图。
如图2中所示，根据本发明的优选实施例的X射线计算断层摄影装置200包括X射线管210，用于通过X射线控制器215的控制来辐射X射线；准直器220，用于根据准直控制器225的控制来调整准直；X射线检测器，用于检测透射穿过对象213的X射线；数据收集器245，用于收集所检测的X射线；图像相机30，用于获得对象213的表面图像；图像获取和控制单元235，用于处理所获得的表面图像；以及旋转体250，其根据旋转控制器255的控制而旋转，并且，所有上述的组件被安装在该旋转体250中。
而且，X射线计算断层摄影装置还包括数据收集缓冲器260，用于临时存储由数据收集器245收集的断层摄影图像；数据处理器270，用于将从数据收集缓冲器260以及图像获取和控制单元235传送的断层摄影图像信息和表面图像信息重构成三维图像；显示器280，用于显示该三维图像；控制接口283，用于在数据处理器270控制旋转体250和安装在旋转体250中的组件(X射线管210、准直器220、图像相机230等)时作为接口；以及操纵设备281，具有用于用户的操纵按钮。
X射线控制器215、X射线管210、准直控制器225、准直器220、图像相机230、图像获取和控制单元235、X射线检测器240和数据收集器245安装在旋转体250中，并通过旋转控制器255的控制而旋转。换句话说，安装有这些组件的旋转体250绕对象213旋转，从而可以在每一分角度上获得对象213的X射线透射信息(断层摄影图像信息)和表面图像信息。
X射线管210根据X射线控制器215的控制而产生X射线，并将X射线投射到对象213。X射线通过用于根据准直控制器225的控制来调整准直的准直器220而投射、穿过对象123，并传播到X射线检测器240。
准直器220通过根据X射线检测器240的类型而正确调整准直来发送X射线。由X射线检测器240检测的X射线被数据收集器245收集。
数据收集器245将根据由X射线检测器240检测的X射线量而产生的一系列电压信号转换成数字信号，并将该数字信号传送到数据收集缓冲器260。然后，数据收集缓冲器260又将输入到数据收集缓冲器260的断层摄影图像的数字信号传送到数据处理器270。
此时，安装在旋转体250中的图像相机230获取对象213的表面颜色信息，并将该信息传送到图像获取和控制单元235。然后，图像获取和控制单元234临时存储由图像相机230获取的表面颜色信息，并依次将该表面颜色信息传送到数据处理器270。
为了精确地捕获对象213的表面颜色信息，图像相机230根据图像获取和控制单元235的控制而调整其聚焦和角度。换句话说，当对象213的尺寸和位置改变时，图像相机根据图像获取和控制单元235来调整聚焦和角度，以便精确地捕获对象213的表面颜色信息。
优选在图像相机230中使用的图像传感器从电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体场效应晶体管(CMOS)中选择。
而且，如图2中所示，图像相机230被安装在旋转体250的预定位置，使得从X射线管210发射的X射线不被投射到该预定位置。为了精确地捕获对象213的表面颜色信息，图像相机230的镜头优选对准旋转体250的旋转中心安装。
传送到数据处理器270的对象213的透射信息(断层摄影信息)和表面颜色信息可以通过图像重构算法转换成预定的断层摄影图像组、以及通过应用三维图像图像处理技术而重构的三维表面图像。
在各种角度由X射线检测器240检测的关于对象213的X射线透射信息被用于重构对象213的内部断层摄影图像或形状。与获取关于对象213的X射线透射信息同时由图像相机230获取的对象213的表面颜色信息被用于重构对象213的表面颜色信息。
这样，由数据处理器270重构的三维图像的表面可以用实际的颜色信息来描绘，而且人的眉毛、头发、以及化妆、一句话、一张图片，这些在X射线断层摄影图像中难以表达的可以以实际的颜色表现出来。
图3是说明在旋转体250的各种角度旋转和定位的、作为根据本发明的优选实施例的X射线计算断层摄影装置的组件的旋转体250的状态的示例图。
如图3中所示，旋转体250绕对象213旋转到每个预定的角度。尽管图3示出旋转体250绕对象213旋转到以30度增加的位置，而实际上旋转体250绕对象213旋转到每一分角度。
当旋转体250绕对象213旋转到每一分角度时，分别通过安装在旋转体250中的X射线管210和X射线检测器240获得对象213的透射信息，并且，通过图像相机230也同时获得了对象213的表面颜色信息。
此时，在旋转体250绕对象213旋转时获得的X射线透射信息的量和类型根据安装在旋转体250中的X射线检测器240的类型而改变。
当旋转体250绕对象213旋转360度(1周)并且在每一度获取X射线透射信息和图像信息时，由该类型的X射线检测器240检测的数据的量和类型为如下所述。
由于如图4a中所示的单排X射线检测器240具有N个检测单元，因此检测单元的数目N*360个检测数据被收集，以及由于在如图4b中所示的多排X射线检测器240的情况下，存在四排具有N个单元的阵列，因此，4*N*360个检测数据被收集。而且，在如图4c中所示的平面类型的X射线检测器240的情况下，由于阵列是具有M*N检测单元的平面，所以M*N*360个检测数据被收集。
这样，在单排X射线检测器240和多排X射线检测器240中，为了获得关于对象213的体积的断层摄影图像，执行螺旋类型的扫描方法，即对象213沿垂直于旋转体250的旋转平面的方向移动，且旋转体250旋转，以便获得X射线透射信息。然而，在平面类型的X射线检测器240中，当平面类型的X射线检测器240大到足以包容对象213的体积时，关于对象213的X射线透射信息可以仅仅通过一周旋转就被充分地获得。
在根据X射线检测器240的类型收集了关于对象213的X射线透射信息之后，通过诸如滤波反投影之类的图像重构算法，单排X射线检测器240和多排X射线检测器240可以获得对象213的期望的断层摄影图像，以及通过诸如Feldkamp算法之类的图像重构算法，平面类型的X射线检测器240可以获得期望的断层摄影图像。
通过将三维处理技术应用到根据上述方法获得的预定数目的重构的断层摄影图像组，可以获得重构的三维表面图像。在获得X射线透射信息的过程期间，通过使用由图像相机230获得的各个角度的图像信息，利用上述处理获得的三维表面图像可以表现和对象213的实际表面颜色一样的颜色信息。而且，通过应用立体图像处理技术或表面重构算法，在各个角度获得的对象213的图像信息可以被重构到三维图像中。
实际上，如上所述的能够获得断层摄影图像和固体表面图像的X射线计算断层摄影装置200可以应用到C臂型诊断装置、牙科中使用的牙科计算断层摄影装置、以及对象213旋转计算断层摄影装置。
图5是说明作为X射线计算断层摄影装置200的一个示例的、安装了图像相机230的C臂型诊断装置的一个示例图。
如图5中所示，C臂型诊断装置包括X射线管210，用于将X射线辐射到对象213；X射线检测器240，用于检测透射穿过对象213的X射线；图像相机230，用于捕获对象213的表面颜色信息；C型臂250，用作旋转体250；旋转控制器(未示出)，用于旋转C型臂250；以及其余设备290(包括X射线控制器，图像获取和控制单元，等等)。
在C臂型诊断装置中，图像相机230优选安装在图像相机230不暴露在从X射线管210辐射的X射线中的预定的位置。这样，图像相机230安装在X射线管210的右侧或左侧、或C型臂250的预定位置，以防止图像相机230被X射线照射。
而且，图像相机230优选安装成对准由X射线管210和X射线检测器240形成的圆的中心。通过将图像相机230安装到C臂型诊断装置，可以同时获得对象213的断层摄影图像和表面颜色信息。
图6是说明作为X射线计算断层摄影装置200的一个示例的、仅仅用于牙科的、安装了图像相机的X射线计算断层摄影装置的一个示例图。
如图6中所示，牙科X射线计算断层摄影装置包括X射线管210，用于将X射线辐射到对象213；X射线检测器240，用于检测透射穿过对象213的X射线；图像相机230，用于捕获对象213的表面颜色信息；C型臂250，用作旋转体250；旋转控制器(未示出)，用于旋转C型臂250；以及其余设备290(包括X射线控制器，图像获取和控制单元，等等)。
牙科X射线计算断层摄影装置的图像相机230优选安装在图像相机230不暴露在从X射线管210辐射的X射线中的预定位置。这样，图像相机230安装在X射线管210的右侧或左侧、或C型臂250的预定位置，以防止图像相机230被X射线照射。
而且，图像相机230优选安装成对准由X射线管210和X射线检测器240形成的圆的中心。通过将图像相机230安装到牙科X射线计算断层摄影装置，可以同时获得对象213的断层摄影图像和表面颜色信息。
图7是说明作为X射线计算断层摄影装置200的一个示例的、安装了图像相机230的、对象旋转类型的计算断层摄影装置的一个示例图。
如图7中所示，对象213-旋转类型的X射线计算断层摄影装置包括X射线管210，用于将X射线辐射到对象213；X射线检测器240(平面类型的X射线检测器240)，用于检测透射穿过对象213的X射线；图像相机230，用于捕获对象213的表面颜色信息；旋转盘250，用作旋转体250；旋转控制器(未示出)，用于旋转旋转盘250；以及其余设备290(包括X射线控制器，图像获取和控制单元，等等)。
对象213旋转类型的X射线计算断层摄影装置的图像相机230优选安装在图像相机230不暴露在从X射线管210辐射的X射线中的预定位置。这样，图像相机230安装在X射线管210的侧面、或X射线投射不到的预定位置。
而且，图像相机230优选安装成使得图像相机的镜头的中心对准旋转盘的旋转中心。如上所述，通过将图像相机230安装到牙科X射线计算断层摄影装置，可以同时获得对象213的断层摄影图像和表面颜色信息。
工业实用性如上所述，本发明的X射线计算断层摄影装置可以被应用到诸如牙科、整形外科(用于面部畸形的诊断)、在口腔和上颌面手术中的术前和术后的虚拟手术模拟和诊断模拟之类的医疗成像系统领域中，也可用于诸如机器和交通工具的组件的内部和外部的同时检查、逆向工程、以及对象的内部和外部的同时检查之类的非破坏性测试。
权利要求
1.一种能够同时获得断层摄影图像和固体表面图像的X射线计算断层摄影装置，包括X射线管，用于根据X射线控制器的控制将X射线辐射到对象上；准直器，用于根据准直控制器的控制来调整从所述X射线管辐射的X射线的准直；X射线检测器，用于检测辐射穿过所述经调整的准直器并透射穿过所述对象的X射线；数据收集器，用于将根据由所述X射线检测器检测的X射线量而产生的电压信号转换为数字信号并传送；图像相机，面对所述对象安装，以获得所述对象的表面颜色信息；图像获取和控制单元，用于控制所述图像相机、存储和传送所获得的表面颜色信息；以及旋转体，通过旋转控制器的控制而旋转，上述的组件被安装在该旋转体中。
2.如权利要求1所述的X射线计算断层摄影装置，其中，通过所述图像获取和控制单元的控制来调整所述图像相机的聚焦和角度。
3.如权利要求2所述的X射线计算断层摄影装置，其中，所述图像相机包括电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.如权利要求3所述的X射线计算断层摄影装置，其中，所述图像相机安装在所述旋转体的预定位置，如所述X射线管辐射的X射线不投射的位置。
5.如权利要求4所述的X射线计算断层摄影装置，其中，所述图像相机的中心对准所述旋转体的旋转中心。
6.如权利要求1所述的X射线计算断层摄影装置，其中，当所述X射线计算断层摄影装置是C臂诊断装置时，所述图像相机被安装在所述C臂型诊断装置的右侧和左侧、或C臂的预定位置处。
7.如权利要求1所述的X射线计算断层摄影装置，其中，当所述X射线计算断层摄影装置是牙科计算断层摄影装置时，所述图像相机被安装在所述牙科计算断层摄影装置的X射线管的右侧和左侧、或C臂的预定位置处。
全文摘要
本发明涉及一种用于从通过用X射线扫描对象而检测的数据获取图像信息的X射线计算断层摄影装置，更为具体地涉及一种用于获取计算断层摄影的图像和固体表面图像的X射线计算断层摄影装置，其能够通过获取对象的断层摄影信息和对象的表面颜色信息以形成对象的断层摄影的图像和三维表面图像，从而向用户提供可视图像。
文档编号A61B6/03GK101094609SQ200580045730
公开日2007年12月26日 申请日期2005年11月23日 优先权日2004年12月30日
发明者陈承吾, 许荣, 金钟旭, 姜旭, 裵秀真 申请人:韩国电气研究院