一种X射线模拟摄像系统和方法与流程

本发明涉及X射线模拟摄像技术领域，尤其是涉及一种X射线模拟摄像系统和方法。

背景技术：

自从1895年伦琴发现X射线以来，X射线摄像方法一直是放射医学影像产生的基础。同样对X射线摄像方法的学习是掌握各类医学影像设备摄像的基础，是医学影像从业人员必须掌握的基本技能。

在实际影像设备操作培训时，产生X线的高压设备价格昂贵，操作时具有一定的高压危险性；同时由于X线的穿透性，操作者和被摄物体不可避免会接受一定剂量X射线，造成电离辐射损伤；由于X线球管运动自由度受机械安装的限制，获得特殊体位的影像也是一件很有挑战的工作，训练者需要重复实践多次才能理解相关的技术要领。

为了消除X线摄像方法的高压危险性和辐射损伤性，增强学习的灵活性，有方法先利用X线CT机扫描获取被摄物体的三维(体)数据，再设定虚拟X光源的位置和方向，根据X线穿透被摄物体的透射衰减模型，计算投影到虚拟成像元件上产生的X射线两维数字图像，完成X射线虚拟摄像方法。该方法虽然能产生X射线两维数字图像，但是整个摄像过程都是虚拟过程，受训者缺乏对实际设备的操作感知机会；同时虚拟产生的影像只限于数据库中存在的模型，系统不具有普适性。

为了让受训者能有更多的设备操作机会，有利用激光线投影到缩小的模体表面的方法，模拟X线断层扫描方式。根据激光线扫描的位置，断层图像可以从存储在电脑里已有的CT断层切片数据产生。由于激光定位与预先CT断层扫描角度不可能完全相同，调动显示的图像并不是真正的X射线图像，并且该方法不能产生其他角度下的射线摄像测量结果。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种X射线模拟摄像系统和方法，可以对任意物体进行无辐射的X射线模拟摄像，同时可以实现任意体位下的X线摄像模拟。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种X射线模拟摄像系统，包括X射线摄像设备，还包括安装于所述X射线摄像设备上的位置跟踪装置和模拟X光源，所述位置跟踪装置和模拟X光源设置于被摄物体上方，利用位置跟踪装置更新被摄物体的空间位置，利用模拟X光源模拟X射线的投影方向，计算虚拟X射线穿透被摄物体时产生的衰减，从而获得数字X射线摄像图像。

所述位置跟踪装置包括光学摄像机、磁跟踪设备或超声定位设备。

所述模拟X光源为通过可见光模拟X射线投影方向的光源，该光源包括十字型激光投影单元或由照明光源和光阑控制模块组合而成的模拟光源。

所述X射线摄像设备包括摄影床、立柱和原X光源，所述原X光源、位置跟踪装置和模拟X光源通过立柱设置于摄影床上方。

一种利用上述X射线模拟摄像系统实现的方法，包括以下步骤：

1)确定模拟X射线的投影方向和被摄物体的X射线CT断层扫描数据；

2)获取被摄物体与位置跟踪装置的相对位置关系，求得物体坐标系与位置跟踪装置坐标系之间的变换矩阵；

3)根据所述变换矩阵和模拟X射线的投影方向，获得模拟X射线在物体坐标系的方向；

4)根据所述模拟X射线在物体坐标系的方向计算X射线通过被摄物体的路径；

5)根据所述X射线CT断层扫描数据、X射线照射路径及X射线的衰减规律产生被摄物体的X射线摄像模拟图像。

所述步骤1)中模拟X射线的投影方向根据模拟X光源在位置跟踪装置中的相对空间位置关系获得。

所述步骤2)中，被摄物体与位置跟踪装置的相对位置关系通过被摄物体表面设定的标记获得，具体为：

被摄物体表面设有至少三个标记，从X射线CT断层扫描数据中获得各标记之间的相对位置关系，通过位置跟踪装置坐标系，计算出被摄物体与位置跟踪装置之间的相对位置关系。

还包括：

改变模拟摄像参数或被摄物体的体位，产生不同的X射线摄像模拟图像，所述模拟摄像参数包括决定光源强度特性的管电压和曝光时间，描述成像元件的光谱响应特性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明在现有X射线摄像设备的基础上，安装位置跟踪装置和模拟X光源，可以方便地建立模拟X线摄像系统，模拟X光源是一个和X射线源具有相似照射投影方向，且不具有任何电离辐射性，因此整个操作过程是安全的，可实现无辐射的X射线模拟摄像。

2)本发明位置跟踪装置能实时监视被摄物体相对于模拟X光源的空间位置，产生的X射线摄像模拟图像可以不断更新，这就允许操作者任意摆放被摄物体的体位，实现不同体位条件下的摄像练习目的，可以实现任意体位下的X线摄像模拟。

3)本发明还可以模拟改变曝光条件，产生不同管电压，管电流和曝光时间下的摄影结果，实现学习X线摄像基础理论的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作流程图；

图3模拟X光源(十字激光)与位置跟踪装置位置关系的标定示意图；

图4为模拟X射线数字图像生成过程示意图；

图5为管电压不同时产生的数字X射线模拟图像；

图6为同一物体不同体位下的数字X射线模拟图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种X射线模拟摄像系统，包括X射线摄像设备，还包括安装于X射线摄像设备上的位置跟踪装置1和模拟X光源2，位置跟踪装置1和模拟X光源2设置于被摄物体3上方，利用位置跟踪装置1更新被摄物体3的空间位置，利用模拟X光源2模拟X射线的投影方向，计算虚拟X射线穿透被摄物体时产生的衰减，从而获得数字X射线摄像图像。

位置跟踪装置1可以是光学摄像机，这样可以方便观察被摄物体的位置变化以及确定模拟的X射线源的相对位置，实际中也可以选用磁跟踪或超声定位等方法。

模拟X光源2为通过可见光模拟X射线投影方向的光源，可采用十字型激光投影单元，一方面容易确定光源投射方向，另一方面激光的亮度高，容易获得较高的信噪比。同样，X光源的模拟也可以考虑采取照明亮光源加上光阑控制的方式来模拟X光源束光器的功能。

X射线摄像设备包括摄影床4、立柱5和原X光源6，原X光源6、位置跟踪装置1和模拟X光源2通过立柱5设置于摄影床4上方。

位置跟踪装置1和模拟X光源2安装完成后，即可实现X射线模拟摄像方法，包括以下步骤：

1)确定模拟X射线的投影方向和被摄物体的X射线CT断层扫描数据。步骤1)中模拟X射线的投影方向根据模拟X光源在位置跟踪装置中的相对空间位置关系获得。本实施例中，模拟X光源采用十字型激光投影单元，位置跟踪装置采用光学摄像机，根据摄像机针孔投影模型确定模拟X光源的投影方向。

如图3所示，采用已知直径的球体或形状和尺寸已知的规则物体，照射在球体上的十字激光交叉点在图像中的位置可以通过图像处理的方法提取出来。假设位置跟踪装置的摄像机焦距等内部参数通过标定或生产商给定，可以计算出球体在跟踪装置单元中的相对空间位置关系。这样模拟X光源的投影方向L，也即十字交叉线的方向，可以通过图像中的交叉点计算获得。

2)获取被摄物体与位置跟踪装置的相对位置关系，求得物体坐标系与位置跟踪装置坐标系之间的变换矩阵。

被摄物体与位置跟踪装置的相对位置关系通过被摄物体表面设定的标记获得，具体为：被摄物体表面设有至少三个标记，从X射线CT断层扫描数据中获得各标记之间的相对位置关系，通过位置跟踪装置坐标系，计算出被摄物体与位置跟踪装置之间的相对位置关系。如三个标记可以确定物体坐标系X’，Y’，Z’(见图2)。通过位置跟踪摄像机坐标系XYZ，计算出物体与位置跟踪装置之间的相对位置关系,并通过变换矩阵T表示，即(X’,Y’,Z’,1)’＝T*(X,Y,Z,1)’。因此模拟光源在物体坐标系中的方向即为T*L。

3)根据变换矩阵和模拟X射线的投影方向，获得模拟X射线在物体坐标系的方向。

4)根据模拟X射线在物体坐标系的方向及X射线的衰减规律计算X射线通过被摄物体产生的像素灰度值。

理想情况下(在均匀介质中)，单能窄束X射线在物质中的衰减可表示为：

I＝I₀e^-μx

I是穿透厚度为x的均匀物质后X射线的强度，μ与物质的密度成正比。X射线在物质内传播过程中的强度减弱，由扩散衰减(能量的分散)和吸收衰减(与物质的相互作用)引起。

I₀穿过体素a₁，a₂，a₃(或b₁，b₂，b₃，或c₁，c₂，c₃……)衰减后的I对应着图像上的像素a(或b或c……)的灰度值。假设体素厚度x为单位长度，由衰减公式可知，矩阵上对应的每个元素的最终灰度值I可表示为：

I＝I₀e^{-(μ1+μ2+..+μn)}

如图4所示，简单而言，像素的灰度值是X射线经过像素的衰减系数之和的函数。在实际情况中，入射光线也可以是透视投影照射，或非单能束X射线源，或能量可以变化的X射线。另外，除了吸收引起的衰减，还可以模拟散射引起的衰减等X线图像产生的物理过程。

5)根据X射线CT断层扫描数据提供的衰减系数和虚拟X光源的投影特性产生被摄物体的X射线摄像模拟图像。

模拟X线摄像系统建立后，只要能获取被摄物体的X射线CT断层扫描数据，就可以对其进行X射线摄像模拟。实验时可以改变管电压和曝光时间等摄像参数(如图5)或被摄物体的体位(如图6)，产生不同的X射线摄像模拟图像。