专利名称：具有可变的图像几何形状的层析x射线摄影仪的制作方法
具有可变的图像几何形状的
层析x射线摄影仪
本发明涉及一种用于制作一个序列的单张照片的方法，由这些单 张照片产生目标的三维-层析x射线图片，其中辐射源尤其是x射线辐
射源相对于该目标进行移动，其中所述辐射源以辐射锥体发出射线， 所述目标被加载了该射线，其中穿过该目标并且在强度方面得到减弱 的射线被检测器所吸收，该检测器关于所述辐射源在辐射锥体中布置 在所述目标的后面，其中所述辐射源和检测器合组装在辐射源-检测器-装置中，该辐射源-检测器-装置在制作序列的过程中在由所述目标确定 的参考系中围绕着旋转轴线旋转。本发明也涉及一种用于实施这样的 方法的装置。
层析X射线照片在医学中正是一项用于制作人体部位三维图片的
重要技术。在此，用辐射源尤其用x射线辐射源对身体部位进行照射， 该辐射源在可预先给定的轨道上、在多数情况下在圆或椭圆上围绕着 目标移动。在所述辐射源的辐射锥体中，在所述目标后面布置了一个 检测器，该检测器具有一个阵列的检测器元件并且所述目标被投影到 该检测器上。
通常这些在计算机层析x射线摄影术中以及在锥形辐射-层析x射
线摄影术("Cone-Beam")中得到应用的方法能够从分别来自单张照 片的吸收量度中重建所述被射线透射的目标的吸收系数的三维分布。 在此，所述方法的应用不仅仅局限于医学领域。
恰好在所公开的锥形辐射-层析X射线摄影仪中，所述辐射源及检 测器在椭圆形的轨道或圆形轨道上围绕着共同的等中心(Isozentrum ) 移动，有待成像的目标就处于该等中心中。在一种优选的布置方式中， 所述X射线辐射源及检测器分别布置在C形圆弧的端部，该C形圆弧 围绕着其中轴线围绕着所述目标旋转。在此拍摄了大量二维的投影， 从这些投影中以三维形式重建该目标。为重建三维的目标，可以利用 Feldkamp公司的初级辐射技术(L.A. Feldkamp公司的"Praktische Prim3rstrahlalgorithmen，， ， et al. J. Opt. Soc. Am. A/版本1，第6期， 1984年6月)。这种方法也在"滤波-反投影(filtered画backprojection )，，
(FBP)这个概念下众所周知，在该方法中，首先对所有的投影图片进 行滤波，并且而后返回投影成其空间形状。所述方法应用在商业上的 层析X射线扫描仪中，尤其应用在螺旋式计算机层析X射线摄影机中 或者初级辐射C形臂中。
一种所述的诊断设备比如在EP 1 000 582 A2中得到展示，其中这 种C形圆弧具有这样的特点，即其辐射源-检测器-装置设计用于对设备 的运动比如振动进行补偿，以便能够保证旋转轴线(等中心的旋转) 的保持相同的精确定向。通过传感器检测所述设备的运动，相应的执 行器则控制所述传感器的输出信号。
迄今公开的方法的缺点是，这些方法在其布置方面不太灵活并且 几乎无法与通过待检查的目标确定的空间情况相匹配。因此为不同的
影仪，"便对设备"成;:空间位置i求进行优化:尤其在已公^的
方法中很难对病人个人的人体结构加以考虑。因此在很多方面需要作 出妥协，照片质量、辐射负荷以及由此病人都必须遭受这些妥协的不 利影响。
现在，本发明的任务是提供一种所述类型的方法，该方法可以以 简单的手段和低廉的成本实现，并且该方法在辐射负荷很低的情况下 保证在有待检测的目标的几何形状方面具有很大的灵活性。此外，本
发明的任'务是提供一种用于实施所述方法的机械构造简单的装置。
该任务通过具有权利要求1所述特征性特征的方法以及按权利要
求8所述的装置得到解决。
本发明的特殊实施方式的特征在相应的从属权利要求中得到说明。
本发明本质上的基本构思在于，在本方法的框架内在拍摄过程中 在辐射源和检测器相对于有待拍摄的目标移动时有控制地利用尽可能 多的自由度，而没有随着这种移动的复杂性对分析程序的效率提出过 分要求。与此同时，本发明在于，将这种基本构思在一个结构简单的 并且在实际运行中可靠地进行工作的装置中予以实施。提供这种方案 的方法是，所述辐射源-检测器-装置围绕着旋转轴线旋转，该旋转轴线 本身在拍摄序列照片时主动地并且尤其关于所述有待拍摄的目标改 变，其中这种改变在于所述旋转轴线的平行移动和/或偏转。所述辐射
源-检测器-装置沿旋转轴线的移动-正如为产生螺旋线已知的-不符合这 种按本发明的"改变"，因为所述旋转轴线在这种情况下保持固定。
作为附加方案或替代方案，在产生序列照片时也就是在拍摄时， 所述辐射源和/或检测器在所述构造为结构单元的辐射源-检测器-装置 内部相对于彼此移动。所述可旋转支承的辐射源-检测器-装置由此形成 一个旋转的参考系，所述辐射源和/或检测器在该参考系中移动。在此， 这种移动可以相应地是一种偏转或者是一种平行于和/或径向于所述辐 射源-检测器-装置的旋转轴线的移动。所述辐射源也可以在扫描过程中 相对于检测器进行不同地布置。
换句话说，根据本发明-与传统的锥形辐射-层析x射线摄影仪相反
-所述旋转轴线在拍摄序列照片的过程中可以相对于有待检查的目标移 动和/或偏转。作为附加方案或替代方案，检测器和辐射源在拍摄过程 中可以径向于当前的旋转轴线朝当前的旋转轴线移动或者离开当前的 旋转轴线移动。在此也优选检测器和辐射源在拍摄过程中可以额外地 平行于当前的旋转轴线移动.利用本发明，在原则上可以产生任意的 轨道(扫描曲线)，所述辐射源和检测器就在所述轨道上移动。当然 应该注意，任何时候所述辐射源和检测器都要彼此对准，使得射线碰 到所述检测器的有效表面上。相应地应该设置为对沿着所述扫描曲线 产生的照片进行分析所必需的计算机功能。
在此相应的装置提供了多个关于辐射源、目标和检测器的相对位
置的自由度。所述按本发明的方法以及相应装置的优点十分明显例 如与传统的锥形辐射-层析X射线摄影仪相比，这些优点就是在重建的 体积内部有更高的分辨率及更好的对比度、对目标尤其对病人的辐射 负荷更低、可重建的体积的扩大以及所述层析X射线摄影仪的空间位
置需求更少。利用本发明可以在以下因素方面对每张单张照片的图像 几何形状进行优化例如可以根据有待成像的目标的几何形状选择序 列的设置值，其中不干扰所述辐射源和检测器的移动。所述移动由此 可以与目标尤其身体部位的轮廓相匹配。由于在目标的尺寸方面具有
较大的灵活性，可以设计具有紧凑的机械结构的装置，这就对所述层 析X射线摄影仪的费用及空间位置需求产生积极影响。
此外，利用本发明可以保证，在每次摄影时尽可能完整地由锥形 辐射检测所述目标的重要部位，在此要为这些部位编制三维分布图。
与此相反可以如此调节所述移动，使得所述目标的那些不重要的部位 尽可能不被所述锥形辐射所检测，在此不为这些不重要的部位编制三 维分布图。由此避免不必要的辐射量负荷和吸收，其中更少的辐射量 负荷对病人的健康是有好处的，并且更少的吸收可以显著降低图像噪 声并且由此提高图像质量。由此也可顺利地对具有高吸收系数的人体 结构进行检查。
本发明的另一个好处是，可以均匀地对重要的人体结构进行透 射，沿着辐射源的所有穿过检测器到达目标的单根射线的综合吸收程 度大致上相同大小。由此在辐射量最小时确保最大的动态性并且由此 确保最大的对比度。此外，通过所述几何布置方式，也就是说通过在 检测器与辐射源之间的间距和在辐射源与目标之间的间距的比例，可 以影响所述二维的单张照片的放大程度以及由此影响所述二维的单张 照片的分辨率并且由此再度影响在重建的三维体积中的分辨率。
此外，单张照片的分辨率还取决于所述辐射源的几何伸长.因此
所述辐射源的几何伸长在使用X射线辐射源的情况下就是在阳极上的 X射线焦点。所述辐射源的空间伸长的影响随着不断增加的放大程度
而增加并且相应地分辨率则下降。现在本发明的优点在于，根据对每
台锥形辐射-层析x射线摄影仪的要求可以找到最佳的图像几何形状，
因为所述移动没有局限在圆形和椭圆形上。
此外优选单个部件的移动和单张照片的拍摄位置以及光阑设置在 拍摄序列照片之前得到确定，并且在拍摄序列的过程中受计算机控制 的并且机动驱动地进行调节。为了将作用于所述装置的随部件的加速 出现的机械负荷降低到最低限度，优选在拍摄过程中持续进行所述由 电机尤其由步进电机引起的移动。不过对特定的应用情况来说，可以 优选逐步进行所述辐射源和检测器的移动，其中可以调节步距和一个 步骤之后的停留时间。因此必要时可以以不同的辐射量由序列制作单 张照片，这就会在所述有待检查的目标内部提高关于密度的分辨率并 且改进对比度。凭借所述的优点，所述按本发明的装置的优选的使用 领域就是牙齿和颌骨诊断。
优选事先在计算机上借助于模拟对利用按本发明的装置进行的拍 摄进行规划。在此，用传统的方法拍摄的病人的体积数据
(Volumendaten )是这种模拟的基础。而后将模拟的结果用于对按本 发明的装置的相应的驱动装置进行控制。
也可以执行病人所独有的流程，所述流程尤其对不同的个体的人 体结构如胖、瘦、高或矮加以考虑。这些流程可以借助于病人的外部 人体结构进行规划，所述外部的人体结构已事先进行检测(通过光学
方法或者使用设备的机械装置)。此外，可以事先手动勾画(abfahren) 出所述轨道并且直接加以保存用于以后的扫描。
为了在不给目标的不必要的局部区域增加负荷的情况下用发出的 锥形辐射理想地对所述检测器进行照射，此外优选给所述辐射源设置 适应性的光阑装置，可以按照机动驱动及计算机控制的方式对该光阑 装置的开口几何形状进行调节.
按本发明，优选如此选择单张照片的位置，从而可以应用其中一 种公开的重建方法尤其上述初级辐射技术，以便对三维分布图进行重 建。为此，需要为每张单张照片对几何形状进行校准，以便能够正确 地重建三维图。这种校准可以在扫描过程中在线或者离线进行，其中 用公开的几何形状一次性地借助于参考目标进行离线校准，比如在US 6 715 918中就对此进行过说明。
如早已提到的一样，另一个优点在于，利用得到提高的移动灵活 性并且利用随之而来的与人体结构情况更好的匹配效果，使特定的、 尤其敏感的或大量吸收射线的人体结构如颅底处于光路的外部。由此 避免由这些人体结构所造成的人为测量伤害。由此可以在图片质量相 同的情况下减少对病人的辐射量。
此外优选可以减少由金属目标产生的人为伤害。这样的金属人为 伤害刚好可以在C形圆弧上得到避免，所述C形圆孤因强烈的吸收(闭 塞)而产生，就象尤其由牙充填所引起的一样。因此强烈吸收的目标 会完全吸收X射线，这在记录的数据组中会产生如信息缺少一样的影 响。这种信息损失而后尤其产生人为伤害，如果使用传统的算法进行 重建，在所述传统的算法中反投影的过程由求和构成。在此，这种求 和在闭塞的情况下是不稳定的，并且数值在允许的范围之外饱和 (Sattigung)。总之，本发明的主要构思在于所述特殊的布置方式， 该布置方式允许在拍摄过程中有意识地使所述辐射源、检测器、旋转 轴线和/或等中心尤其在所有的自由度上相对于彼此移动。利用所述扫 描曲线的一种这样的任意的结构，就可以理想地与相应的要求尤其对
病人人体结构、均匀的透射、辐射负荷、图片质量、重建的体积及现 有位置空间的要求相匹配。所述旋转的等中心在本发明中不再是前 提。
下面借助于附图
对本发明的实施方式进行详细解释。
附图示意示出了 一个初级辐射-扫描系统，该初级辐射-扫描系统具
有一个X射线辐射源1。所述射线从所述辐射源1以具有中央射线3 的辐射锥体2射出。在这种情况下，所述辐射源1设有机动驱动的及 计算机控制的适应性的光阑8，该光阑8限制了所述辐射锥体2。用所 述辐射锥体2对目标4，这里是站立的病人的头部进行照射，其中在穿 过头部4时在强度方面减弱的射线碰到检测器5，该检测器5在其有效 的表面上具有大量单个的检测器元件。在此，每个这样的检测器元件 都吸收所述辐射锥体2的一部分减弱的射线。为产生头部4的三维重 建结构，所述由辐射源l和检测器5组成的装置围绕着轴线6旋转(箭 头A)，其中所述辐射源1和检测器5组装在与C形圆弧相同的可旋 转的辐射源-检测器-装置7中.在移动过程中，所述检测器制作通过在 目标中的吸收得到减弱的射线的单张照片。所述检测器可以是X射线 图像放大器或者"平板检测器"。
利用适应性的、可以构造为"多叶准直光管(Multi-Leaf-Kollimator)，，的光阑8可以在拍摄序列照片的过程中持续不断地在方 向及伸长方面对所述辐射锥体进行调节。优选在拍摄过程中如此调节 所述中央射线3的角度，使得其碰到所述检测器4的中心处。
按本发明，在所示出的装置上为所述部件辐射源1和检测器5的 相对运动在头部的参考系中给出多个自由度。在此，首先可以将完整 的、通过支架9固定在盖板10或支架上的辐射源-检测器-装置7在由 轴线B和C撑开的坐标系11中在机动驱动下在所述盖板IO的平面中 移动。所述盖板10不必强制性地为垂直定向。它也可以调节自己的倾 角。在拍摄序列照片的过程中也就是说在这种情况下在围绕着旋转轴 线6旋转的过程中进行在所述盖板10的平面中的移动。在这种情况下
所述移动就是所述旋转轴线的平行移动，在拍摄序列照片的准备阶段 中已规划和调节好这种移动。而后计算机在拍摄过程中控制预先确定 的移动。
此外，在这种情况下在所述辐射源-检测器-装置7的参考系中设置
了自由度。例如将所述辐射源1和检测器5分别安装在支臂12上，所 述支臂12可移动地悬桂在支架13上，其中所述共同的支架13关于所 述旋转轴线6垂直定向。因此，所述辐射源1和检测器5可以在所述 支架13的平面中沿着箭头D和E可以进行独立移动。所述辐射源1和 检测器5可分别沿着所述支架13 (箭头F和G)移动，由此实现附加 的自由度。
此外可以设想，倾斜地布置所述辐射源l和检测器5。利用翻转可 以选择所述辐射源8和检测器的倾角，使得下面的边缘射线水平延伸。 通过这种布置方式，可以避免对肩部的照射，并且可以将所述检测器5 拉近病人4。
在拍摄的准备阶段中对所述辐射源1和检测器5沿所述箭头D、 E、 F和G的运动或者翻转进行规划和调节，其中计算机也实现了在拍 摄过程中对预先给定的移动进行控制。
权利要求
1.用于产生目标(4)的三维-层析X射线摄影术图片的方法，其中辐射源(1)尤其X射线辐射源相对于所述目标(4)移动，其中所述辐射源(1)以辐射锥体(2)发出射线，所述目标(4)被加载了所述射线，其中穿过所述目标(1)的并且在其强度方面得到减弱的射线被检测器(5)所吸收，该检测器(5)关于所述辐射源(1)在辐射锥体(2)中布置在所述目标(4)的后面，其中所述辐射源(1)和检测器(5)形成辐射源-检测器-装置(7)，该辐射源-检测器-装置(7)在产生照片的过程中在由所述目标(4)确定的参考系中围绕着旋转轴线(6)旋转，其特征在于，在产生照片的过程中改变所述旋转轴线(6)并且/或者在产生照片的过程中使所述辐射源(1)和/或检测器(5)在由所述辐射源-检测器-装置(7)确定的参考系中移动。
2. 按权利要求l所述的方法，其特征在于，连续地移动所述旋转 轴线(6)和/或移动所述辐射源(1)和/或检测器(5)。
3. 按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述辐射源U) 在拍摄序列照片的过程中连续地平行于所述旋转轴线(6)并且相对于 所述目标移动。
4. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述检测 器(5)在拍摄序列照片的过程中连续地平行于所述旋转轴线(6)并 且相对于所述目标移动。
5. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述辐射 源(1)和/或检测器(5)在拍摄序列照片的过程中连续地沿垂直于所 述旋转轴线的方向并且相对于所述目标(4)进行移动。
6. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述辐射 锥体(2)通过适应性的光阑(8)在拍摄序列照片的过程中连续地在 其方向及伸长方面得到调节。
7. 按权利要求6所述的方法，其特征在于，在拍摄过程中对所述 中央射线(3)的角度进行调节，以便碰到所述检测器(5)的中心处。
8. 尤其用于执行按前述权利要求中任一项所述的方法的装置，该 装置具有辐射源(1)和检测器(4),其中所述辐射源(1)和检测器(4)组装成辐射源-检测器-装置(7)，并且其中该辐射源-检测器-装 置(7)可围绕着旋转轴线(6)旋转地得到支承，其特征在于， 所述辐射源-检测器-装置(7)可垂直于所述旋转轴线(6)移动地 得到支承并且/或者所述辐射源(1)和/或检测器(5)可移动地保持在所述辐射源-检测器-装置(7)上，其中设置了用于所述辐射源-检测器-装置(7)的驱动装置，所述 驱动装置实现了在拍摄序列照片的过程中的移动，并且/或者其中为所述辐射源(1)和/或检测器(5)设置了驱动装置，所述 驱动装置实现了在拍摄序列照片的过程中的移动，其中所述驱动装置由计算机控制。
9.按权利要求8所述的装置，其特征在于，所述检测器(5)是X 射线图片放大器或平板检测器。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生目标(4)的三维-层析X射线图片的方法，其中辐射源(1)尤其X射线辐射源相对于所述目标(4)移动，其中所述辐射源(1)以辐射锥体(2)中发出射线，所述目标(4)被加载了所述射线，其中穿过所述目标(1)的并且在强度方面得到减弱的射线被检测器(5)所吸收，该检测器(5)关于所述辐射源(1)在辐射锥体(2)中布置在所述目标(4)的后面，其中所述辐射源(1)和检测器(5)组装在辐射源-检测器-装置(7)中，该辐射源-检测器-装置(7)在产生照片的过程中在由所述目标(4)确定的参考系中围绕着旋转轴线(6)旋转，其中在产生照片的过程中改变所述旋转轴线(6)并且/或者其中所述辐射源(1)和/或检测器(5)在产生照片的过程中在由所述辐射源-检测器-装置(7)确定的参考系中移动。
文档编号A61B6/03GK101111192SQ200680003539
公开日2008年1月23日 申请日期2006年1月31日 优先权日2005年1月31日
发明者D·弗雷耶, G·朱恩多夫, J·海伊, M·利文, M·布鲁尔 申请人:塞隆纳牙科系统有限责任公司