專利名稱：雙能譜真三維容積成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種主要用于對人體組織進(jìn)行真三維容積成像的數(shù)字化醫(yī)用診療裝置。
背景技術(shù)：
在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，X射線(含放射性同位素發(fā)射的γ-射線)成像裝置占據(jù)著十分重要的地位，它是目前所有人體成像裝置中使用最廣泛、采集速度最快、空間分辨率最高的成像裝置，也是每個醫(yī)院必備的成像裝置之一。現(xiàn)有的X射線成像裝置分為X射線平面成像裝置和斷層三維成像裝置兩大類，其中斷層三維成像(CT，computed tomography)是目前實(shí)現(xiàn)三維空間成像的最主要方法。這種CT技術(shù)采用的是多層螺旋數(shù)據(jù)采集和重建算法，在垂直于人體的方向(定義為Z方向)上形成了成像中的層厚概念，在層厚之內(nèi)人體信息被取平均，丟失了在層厚范圍內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，因此其在Z方向的分辨率遠(yuǎn)小于在X-Y平面的分辨率，微小病灶容易被漏掉。
實(shí)用新型內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實(shí)用新型根據(jù)X射線成像理論，在現(xiàn)有CT技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供了一種雙能譜真三維容積成像裝置，這種裝置可以獲得被檢測人員低密度和高密度兩群組織的高分辨率的各向同性的真三維數(shù)據(jù)集，進(jìn)而通過圖像重建和圖像處理技術(shù)，形成被檢測部位的真三維容積成像。
本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是一種雙能譜真三維容積成像裝置，包括在系統(tǒng)中可移動的雙能譜X射線光源和與其匹配的X射線平板探測器，所述光源和探測器之間留有容納被檢測體的空間，所述光源的射線束方向朝向所述探測器的探測面。
所述光源的射線束形式可以為錐束，該錐束在橫向覆蓋整個被檢測體。
所述光源的移動軌跡可以是等距螺旋線軌跡、一個圓周外加一條線段的軌跡、兩個圓周垂直相交的軌跡、一個半圓加一條線段等等，只要保證對于被檢測體上面的任何一點(diǎn)，都可以在軌跡上面的找到兩點(diǎn)，使得連接著兩點(diǎn)的線段經(jīng)過被檢測體內(nèi)的點(diǎn)。
本實(shí)用新型的工作原理是在計算機(jī)系統(tǒng)的控制下，光源在設(shè)定軌跡上移動，其光束在橫向始終覆蓋被檢測體，探測器通過機(jī)械聯(lián)動方式或在計算機(jī)系統(tǒng)控制下與所述光源聯(lián)動，使其探測面始終朝向光源并接收光源發(fā)出的射線束，采集X射線束穿透被檢測體后的投影強(qiáng)度，在移動過程中形成分辨率各向同性的真三維數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集經(jīng)過計算機(jī)系統(tǒng)處理，生成被檢測體的真三維圖像。所用雙能譜光源發(fā)射的射線束具有高、低兩個X射線能譜，其中低能譜X射線同被成像物質(zhì)之間的作用機(jī)制主要是光電效應(yīng)，其截面和被成像物質(zhì)的平均原子系數(shù)的4次方成正比，主要用于對密度比較低的組織，例如血管、神經(jīng)和肌肉等軟組織成像，在以體素為單位的微小體積內(nèi)，物質(zhì)的平均原子系數(shù)的微小差別經(jīng)過4次方放大之后，形成非常好的對比度和空間分辨率；高能譜的X射線同被成像物質(zhì)之間的作用機(jī)制包括光電效應(yīng)和康普敦散射，后者占有相當(dāng)比例，康普敦散射的截面和被成像物質(zhì)的平均原子系數(shù)的1次方成正比，對物質(zhì)密度的分辨能力有所降低，但由于能量高，其穿透本領(lǐng)大大增加，能夠?qū)γ芏缺容^高的人體組織，例如骨骼、牙齒等硬組織(包括了骨密質(zhì)和骨松質(zhì)部分)形成非常好的對比度和空間分辨率。對探測器采集的不同能譜下的投影數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機(jī)系統(tǒng)處理后，既可以形成針對低和高兩類不同密度的組織形成的影像，也可以將這兩個影像在同一個坐標(biāo)系內(nèi)整合成為一個整體的影像，恢復(fù)物體的本來面目。
由于本實(shí)用新型采用了錐束光源，并采用光源和探測器同步移動的方式，利用探測器采集不同角度下X射線經(jīng)過人體組織的投影值，形成了用于重建人體被檢測部位的三維圖像的數(shù)據(jù)集，形成的真三維圖像在各方向均有相同的分辨率，避免了現(xiàn)有技術(shù)下Z方向細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)丟失的缺陷，改善了對疾病的診斷效果，消除了由于成像技術(shù)本身的缺陷造成漏診的可能性；由于本實(shí)用新型采用了高低兩個能譜的X射線進(jìn)行探測，對人體的軟硬組織均有很好的成像效果，適應(yīng)于人體各種組織的成像要求；由于本實(shí)用新型可以在計算機(jī)軟件的支持下，不需要進(jìn)行完整的360°掃描就可以獲得所需的三維成像數(shù)據(jù)，并且還可以根據(jù)具體被探測的人體部位，在光源軌跡的設(shè)置上避開人體的X射線敏感部位，最大限度地減少了X射線照射給被檢測人員帶來的損害。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的工作原理示意圖；圖3是本實(shí)用新型光源一種移動軌跡的立體示意圖；圖4是本實(shí)用新型光源一種移動軌跡和照射范圍的平面示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1-圖4，本實(shí)用新型提供的雙能譜真三維容積成像裝置包括系統(tǒng)內(nèi)可移動的雙能譜X射線光源1和與其匹配的X射線平板探測器7，所述光源和探測器之間留有可容納被檢測體8的空間，所述光源的射線束方向朝向所述探測器的探測面。
所述光源的射線束形式優(yōu)選錐束，該錐束覆蓋整個被檢測體，以形成被檢測體在探測器的投影。
所述光源可以采用現(xiàn)有技術(shù)下的X射線發(fā)光原理，配有高壓發(fā)生器2和濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)，其發(fā)出的X射線束的能譜寬度和范圍可以根據(jù)實(shí)際需要通過改變高壓發(fā)生器的參數(shù)和濾光片的參數(shù)等加以調(diào)節(jié)，兩個能譜能量的平均值以保持20keV左右的能量間隔為宜，例如能量間隔為20keV以上，低能譜的能量范圍為20-60keV，高能譜的能量范圍為80-1400keV，射線束的水平角和豎直角α應(yīng)保證射線束在整個掃描過程中都能夠覆蓋整個被檢測體(或檢測區(qū)域)。
參見圖3和圖4，所述光源的移動軌跡9優(yōu)選由兩條平行圓弧線和分別連接這兩條圓弧線兩端的兩條平行直線構(gòu)成的閉合曲線，該閉合曲線的各部分位于同一圓柱面上。在計算機(jī)軟件的支持下，在不進(jìn)行完整的360°掃描的情況下就可以獲得三維成像所需的數(shù)據(jù)集，有利于減少劑量，有利于簡化設(shè)備機(jī)構(gòu)，還有利于避開對人體敏感部位的直接照射，減少X射線照射對人體的損害。
所述光源的移動軌跡也可以采用其他任意適宜的形式，例如可以是等距螺旋線軌跡、一個圓周外加一條線段的軌跡、兩個圓周垂直相交的軌跡、一個半圓加一條線段等等，只要保證對于被檢測體上面的任何一點(diǎn)，都可以在軌跡上面找到兩點(diǎn)，使得連接著該兩點(diǎn)的線段經(jīng)過被檢測體上面的點(diǎn)，也就是說，所述光源的移動軌跡的限定條件是對于被檢測體上面的任何一點(diǎn)，都可以在軌跡上面找到兩點(diǎn)，使得連接著兩點(diǎn)的線段經(jīng)過被檢測物體相應(yīng)的點(diǎn)。
所述光源和探測器可以安裝在同一個旋轉(zhuǎn)支架上，以便保持它們之間的相對方位，使光源發(fā)射的X射線束的方向始終正對平板探測器的探測面，同時還可以通過旋轉(zhuǎn)支架的轉(zhuǎn)動帶動光源和探測器同步轉(zhuǎn)動，光源和探測器之間的初始距離或平均距離可以根據(jù)本裝置的用途(被檢測體的狀況)設(shè)定。在這種結(jié)構(gòu)方式下，控制旋轉(zhuǎn)支架的轉(zhuǎn)動即可控制光源和探測器的轉(zhuǎn)動，形成光源的圓弧形移動軌跡。因此，要使光源沿圖3所示的軌跡移動，只要光源同旋轉(zhuǎn)支架之間的連接方式采用光源可以沿著垂直于旋轉(zhuǎn)平面的方向移動的活動連接方式即可。對于這種可以沿著垂直于旋轉(zhuǎn)平面的方向移動的光源，可以采用兩種方式使探測器有效地接收和探測光源發(fā)出的X射線一是使探測器的探測面足夠大，在探測器不動的情況下就可以有效地接收光源在各個位置上的射線束(穿透被檢測體后的投影)，二是探測器采用活動連接的方式連接旋轉(zhuǎn)支架，使其能夠跟光源一樣做相應(yīng)的沿著垂直于旋轉(zhuǎn)平面的方向移動。
作為一種改進(jìn)方案，所述探測器和旋轉(zhuǎn)支架之間可以采用可徑向移動的活動連接方式連接。通過探測器的徑向移動，可以隨時調(diào)節(jié)探測器同被探測體(人體)表面之間的距離，使探測器在檢測過程中始終靠近被檢測體表面，以提高數(shù)據(jù)采集效率和系統(tǒng)靈敏度，同時可以減小平板探測器的尺寸，降低成本。所述探測器可以設(shè)有距離傳感器，該傳感器將探測器至被探測體(人體)表面之間的距離信號傳遞給計算機(jī)系統(tǒng)，以控制探測器的徑向移動。所述光源也可以采用相同的連接方式實(shí)現(xiàn)徑向移動。這些豎向(垂直于旋轉(zhuǎn)平面的方向)、徑向等活動連接方式均可以采用相應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)，并可以將多種不同的活動連接方式組合使用，以實(shí)現(xiàn)被連接件的多自由度移動。所述旋轉(zhuǎn)支架的旋轉(zhuǎn)可以采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并可以設(shè)置旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)及其傳動機(jī)構(gòu)帶動支架轉(zhuǎn)動。
本實(shí)用新型可以設(shè)有用于固定被檢測人員的被檢測部位的固定裝置，以保證檢測的順利進(jìn)行。以頭頸部人體成像為例所述固定裝置可以由兩部分組成，第一部分為設(shè)有兩束互相垂直的激光束的定位系統(tǒng)，在被檢測人員進(jìn)行檢查之前，打開兩束激光，調(diào)整被檢測人員位置，使得兩束激光束組成的坐標(biāo)系與預(yù)設(shè)的被檢測人員面部的坐標(biāo)系重合，給頭部定位；第二部分是牙齒固定裝置，該牙齒固定裝置固定連接在被檢測人員的座椅上，并設(shè)有延伸出來的固定件，被檢測人員在整個檢查過程中，始終用牙齒咬住固定裝置的固定件，以防止被檢測人員的不自覺運(yùn)動，同時也可以把不同人員成像的位置相對固定。
本實(shí)用新型一般應(yīng)配有計算機(jī)系統(tǒng)，以進(jìn)行運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)采集與成像處理。所述計算機(jī)系統(tǒng)包括中央控制系統(tǒng)3、操作臺和圖像顯示系統(tǒng)4、圖像重建、處理系統(tǒng)5和數(shù)據(jù)儲存?zhèn)鬏斚到y(tǒng)6，其中數(shù)據(jù)儲存?zhèn)鬏斚到y(tǒng)接收和儲存探測器傳來的運(yùn)動數(shù)據(jù)和投影數(shù)據(jù)，并分送給中央控制器和圖像重建、處理系統(tǒng)，圖像重建、處理系統(tǒng)在中央控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，將送來的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建處理，生成圖像信息，并將圖像信息一路送至操作臺和圖像顯示系統(tǒng)中的顯示器顯示，一路經(jīng)中央控制系統(tǒng)送至數(shù)據(jù)儲存?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)庫存儲，中央控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)其他各系統(tǒng)的工作，接收操作臺和圖像顯示系統(tǒng)送來的人工指令和傳感器送來的傳感信息，根據(jù)設(shè)定的工作程序向高壓發(fā)生器、光源、轉(zhuǎn)動支架和探測器發(fā)出工作指令。
所述圖像重建、處理系統(tǒng)對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，生成的圖像信息為針對低密度(軟組織)和高密度(硬組織)的兩個不同的成像信息，或者是將這兩個成像合成為一個物體完整的成像信息，這樣顯示器顯示出的圖像可以是軟組織和硬組織兩個不同的成像，也可以是軟硬組織構(gòu)成的整體圖像，根據(jù)人工輸入指令，可以隨意切換這三種不同的圖像，或者同時顯示其中的任意兩種圖像，或者同時顯示這三種圖像。
本實(shí)用新型計算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行可以采用現(xiàn)有技術(shù)和其他各種適宜的技術(shù)，例如對各機(jī)械機(jī)構(gòu)的控制可以根據(jù)設(shè)定程序、人工指令和傳感信息等進(jìn)行電動機(jī)構(gòu)的通斷電。數(shù)據(jù)處理和圖像重建等軟件方面的設(shè)計也可以采用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理和成像技術(shù)，其中三維成像的精確重建算法可以優(yōu)選目前國際上最為先進(jìn)的基于PI線段的三維精確重建算法，這個算法的最大特點(diǎn)是利用特定光源軌跡下產(chǎn)生的投影數(shù)據(jù)精確重建出各向同性的三維數(shù)據(jù)，在不進(jìn)行完整的360°掃描的情況下，即可實(shí)現(xiàn)對被檢測體圖像的精確重建，從而減少人體接收的輻照劑量并且在掃描時避開對X射線敏感的人體組織。
根據(jù)成像理論，真三維容積成像(Volume CT，簡稱VCT)的空間分辨率受光源尺寸和平板探測器像元大小的限制，因此可以根據(jù)用戶的需要為本實(shí)用新型設(shè)計出不同的空間分辨率?，F(xiàn)有技術(shù)背景下，光源的最小尺寸已達(dá)50微米，將其與相應(yīng)像元的平板探測器相配合，可以使最高本征空間分辨率達(dá)到0.001mm3，在這種分辨率下，可以看到最細(xì)小的骨裂、神經(jīng)和血管的病變。本系統(tǒng)也可以用于不同密度的工業(yè)品內(nèi)部微結(jié)構(gòu)成像。
本實(shí)用新型采用高、低能譜X射線掃描人體同一部位的技術(shù)路線，通過數(shù)學(xué)計算可以很好地分解人體特殊部位的軟、硬組織，使之分別達(dá)到最佳成像條件?？梢酝瑫r生成軟組織和硬組織的圖像進(jìn)行單獨(dú)觀察，也可以把這兩種圖像進(jìn)行再整合，形成一個完整的圖像。在整合的過程中，采用圖像后處理技術(shù)，盡可能降低噪聲，去除偽影，把圖像信息在高分辨率和超高分辨率基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三維空間圖像的分割、配置、融合和顯示。
本實(shí)用新型通過計算機(jī)技術(shù)，特別是采用以重建算法為核心的軟件設(shè)計，可以利用探測器采集到不同角度的錐束X射線經(jīng)過人體組織的投影值，重建出被探測人員特殊部位的三維圖像，并且達(dá)到預(yù)先設(shè)計的分辨率和對比度的要求；可以對兩個能譜重建出來的圖像進(jìn)行分割、配準(zhǔn)、融合和顯示，得到被檢測人員特殊部位組織的完整的各向同性的真三維圖像；可以對重建出來的三維圖像進(jìn)行任意角度的翻轉(zhuǎn)，進(jìn)行圖像的局部分割和放大，察看任意平面切割三維圖像之后得到的二維斷層圖像，以便同現(xiàn)有的斷層CT圖像進(jìn)行比較；可以根據(jù)醫(yī)生手工繪制的軌跡或者是自動生成的軌跡顯示特殊組織的圖像；可以根據(jù)醫(yī)生要求進(jìn)行圖像上任意兩點(diǎn)之間的測距和角度的測量；生成的圖像數(shù)據(jù)符合國際通用的格式(例如DICOM3.0)標(biāo)準(zhǔn)，并在計算機(jī)系統(tǒng)上設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出接口，以進(jìn)行圖像的傳輸，并進(jìn)行不同圖像之間的比較。
為進(jìn)行操作，可以設(shè)置兩方面的人工操作設(shè)施一是固定在設(shè)備主體上的各種開關(guān)和開關(guān)裝置，其中包括定位用激光束開關(guān)、被檢測人員位置調(diào)整裝置、設(shè)備總電源開關(guān)和緊急關(guān)機(jī)開關(guān)等等，二是計算機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)對話裝置，例如鍵盤和鼠標(biāo)系統(tǒng)，通過人工輸出操作指令，對掃描和數(shù)據(jù)采集與處理的全過程進(jìn)行操作和控制，在計算機(jī)軟件的支持下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及圖像的重建、處理、分析和顯示。
權(quán)利要求1.一種雙能譜真三維容積成像裝置，其特征在于包括系統(tǒng)內(nèi)可移動的雙能譜X射線光源或者γ-射線同位素光源，和與其匹配的X射線平板探測器，所述光源和探測器之間留有可容納被檢測體的空間，所述光源的射線束方向朝向所述探測器的探測面。
2.如權(quán)利要求1所述的雙能譜真三維容積成像裝置，其特征在于所述光源的射線束形式為錐束，該錐束在橫向覆蓋整個被檢測體。
3.如權(quán)利要求1所述的雙能譜真三維容積成像裝置，其特征在于所述光源配有高壓發(fā)生器和濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)，兩個能譜能量的平均值間隔主要決定于濾波器把連續(xù)譜能量光子分為兩組能量的能力，但是兩組能量之間的間隔要保持在20keV水平。
4.如權(quán)利要求3所述的雙能譜真三維容積成像裝置，其特征在于所述X-射線或者γ-射線光源的低能譜的能量范圍設(shè)定在10-60keV，高能譜的能量范圍設(shè)定在80-1400keV。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的雙能譜真三維容積成像裝置，其特征在于所述光源的移動軌跡的限定條件是對于被檢測體上面的任何一點(diǎn)，都可以在軌跡上面找到兩點(diǎn)，使得連接著兩點(diǎn)的線段經(jīng)過被檢測物體內(nèi)的點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求5所述的雙能譜真三維容積成像裝置，其特征在于所述光源和探測器安裝在同一個旋轉(zhuǎn)支架上，所述光源和探測器同旋轉(zhuǎn)支架之間采用可沿與旋轉(zhuǎn)平面方向垂直的方向移動的活動連接方式連接，所述探測器同旋轉(zhuǎn)支架之間采用可徑向移動的活動連接方式連接，所述探測器設(shè)有距離傳感器。
7.如權(quán)利要求6所述的雙能譜真三維容積成像裝置，其特征在于還設(shè)有用于固定被檢測人員或者工業(yè)樣品被檢測部位的固定裝置。
8.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的雙能譜真三維容積成像裝置，其特征在于還配有計算機(jī)系統(tǒng)，所述計算機(jī)系統(tǒng)包括中央控制系統(tǒng)、操作臺和圖像顯示系統(tǒng)、圖像重建、處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)儲存?zhèn)鬏斚到y(tǒng)，所述數(shù)據(jù)儲存?zhèn)鬏斚到y(tǒng)接收和儲存探測器傳來的運(yùn)動數(shù)據(jù)和投影數(shù)據(jù)，并分送給中央控制器和圖像重建、處理系統(tǒng)，所述圖像重建、處理系統(tǒng)在中央控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，將送來的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建處理，生成圖像信息，對圖像信息進(jìn)行進(jìn)一步處理，并將圖像信息一路送至操作臺和圖像顯示系統(tǒng)中的顯示器顯示，一路經(jīng)中央控制系統(tǒng)送至數(shù)據(jù)儲存?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)庫存儲，所述中央控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)其他各系統(tǒng)的工作，接收操作臺和圖像顯示系統(tǒng)送來的人工指令和傳感器送來的傳感信息，根據(jù)設(shè)定的工作程序向高壓發(fā)生器、光源、轉(zhuǎn)動支架和探測器發(fā)出工作指令。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種雙能譜真三維容積高能光子(能量范圍10－1400keV)成像裝置，其包括系統(tǒng)內(nèi)部可移動的雙能譜X射線光源或者γ－射線同位素光源和與其匹配的X射線平板探測器，所述光源和探測器活動連接在旋轉(zhuǎn)支架上，兩者之間留有容納被檢測體的空間，所述光源的移動軌跡可以是由兩條平行圓弧線和分別連接這兩條圓弧線兩端的兩條平行直線構(gòu)成的閉合曲線，其發(fā)出的射線束為始終覆蓋整個被檢測體的錐束，朝向所述探測器的探測面，并在該探測面上形成將被檢測體的投影。本實(shí)用新型可以獲得被檢測人員特殊部位軟、硬組織的高分辨率的各向同性的真三維數(shù)據(jù)集，并通過計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行圖像重建和圖像處理，形成被檢測部位的真三維容積成像，可用于人體的醫(yī)學(xué)檢測或者工業(yè)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測。
文檔編號A61B6/02GK2907545SQ20062000138
公開日2007年6月6日 申請日期2006年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月26日
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