專利名稱：雙能譜真三維容積成像裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種主要用于對人體組織進行真三維容積成像的數字化醫用診療裝置。
背景技術：
在醫學成像領域，X射線(含放射性同位素發射的γ-射線)成像裝置占據著十分重要的地位，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，也是每個醫院必備的成像裝置之一。現有的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)是目前實現三維空間成像的最主要方法。這種CT技術采用的是多層螺旋數據采集和重建算法，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，在層厚之內人體信息被取平均，丟失了在層厚范圍內的組織結構細節，因此其在Z方向的分辨率遠小于在X-Y平面的分辨率，微小病灶容易被漏掉。
實用新型內容為克服現有技術的上述缺陷，本實用新型根據X射線成像理論，在現有CT技術的基礎上，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據集，進而通過圖像重建和圖像處理技術，形成被檢測部位的真三維容積成像。
本實用新型實現上述目的的技術方案是一種雙能譜真三維容積成像裝置，包括在系統中可移動的雙能譜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，都可以在軌跡上面的找到兩點，使得連接著兩點的線段經過被檢測體內的點。
本實用新型的工作原理是在計算機系統的控制下，光源在設定軌跡上移動，其光束在橫向始終覆蓋被檢測體，探測器通過機械聯動方式或在計算機系統控制下與所述光源聯動，使其探測面始終朝向光源并接收光源發出的射線束，采集X射線束穿透被檢測體后的投影強度，在移動過程中形成分辨率各向同性的真三維數據集，該數據集經過計算機系統處理，生成被檢測體的真三維圖像。所用雙能譜光源發射的射線束具有高、低兩個X射線能譜，其中低能譜X射線同被成像物質之間的作用機制主要是光電效應，其截面和被成像物質的平均原子系數的4次方成正比，主要用于對密度比較低的組織，例如血管、神經和肌肉等軟組織成像，在以體素為單位的微小體積內，物質的平均原子系數的微小差別經過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射線同被成像物質之間的作用機制包括光電效應和康普敦散射，后者占有相當比例，康普敦散射的截面和被成像物質的平均原子系數的1次方成正比，對物質密度的分辨能力有所降低，但由于能量高，其穿透本領大大增加，能夠對密度比較高的人體組織，例如骨骼、牙齒等硬組織(包括了骨密質和骨松質部分)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據，經過計算機系統處理后，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系內整合成為一個整體的影像，恢復物體的本來面目。
由于本實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據集，形成的真三維圖像在各方向均有相同的分辨率，避免了現有技術下Z方向細節數據丟失的缺陷，改善了對疾病的診斷效果，消除了由于成像技術本身的缺陷造成漏診的可能性；由于本實用新型采用了高低兩個能譜的X射線進行探測，對人體的軟硬組織均有很好的成像效果，適應于人體各種組織的成像要求；由于本實用新型可以在計算機軟件的支持下，不需要進行完整的360°掃描就可以獲得所需的三維成像數據，并且還可以根據具體被探測的人體部位，在光源軌跡的設置上避開人體的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是本實用新型的結構示意圖；圖2是本實用新型的工作原理示意圖；圖3是本實用新型光源一種移動軌跡的立體示意圖；圖4是本實用新型光源一種移動軌跡和照射范圍的平面示意圖。
具體實施方式
參見圖1-圖4，本實用新型提供的雙能譜真三維容積成像裝置包括系統內可移動的雙能譜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有技術下的X射線發光原理，配有高壓發生器2和濾波準直系統，其發出的X射線束的能譜寬度和范圍可以根據實際需要通過改變高壓發生器的參數和濾光片的參數等加以調節，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(或檢測區域)。
參見圖3和圖4，所述光源的移動軌跡9優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。在計算機軟件的支持下，在不進行完整的360°掃描的情況下就可以獲得三維成像所需的數據集，有利于減少劑量，有利于簡化設備機構，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，都可以在軌跡上面找到兩點，使得連接著該兩點的線段經過被檢測體上面的點，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，都可以在軌跡上面找到兩點，使得連接著兩點的線段經過被檢測物體相應的點。
所述光源和探測器可以安裝在同一個旋轉支架上，以便保持它們之間的相對方位，使光源發射的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支架的轉動帶動光源和探測器同步轉動，光源和探測器之間的初始距離或平均距離可以根據本裝置的用途(被檢測體的狀況)設定。在這種結構方式下，控制旋轉支架的轉動即可控制光源和探測器的轉動，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，只要光源同旋轉支架之間的連接方式采用光源可以沿著垂直于旋轉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支架，使其能夠跟光源一樣做相應的沿著垂直于旋轉平面的方向移動。
作為一種改進方案，所述探測器和旋轉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，可以隨時調節探測器同被探測體(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，以提高數據采集效率和系統靈敏度，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系統，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現徑向移動。這些豎向(垂直于旋轉平面的方向)、徑向等活動連接方式均可以采用相應的現有技術，并可以將多種不同的活動連接方式組合使用，以實現被連接件的多自由度移動。所述旋轉支架的旋轉可以采用現有技術實現，并可以設置旋轉驅動電機及其傳動機構帶動支架轉動。
本實用新型可以設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，第一部分為設有兩束互相垂直的激光束的定位系統，在被檢測人員進行檢查之前，打開兩束激光，調整被檢測人員位置，使得兩束激光束組成的坐標系與預設的被檢測人員面部的坐標系重合，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動，同時也可以把不同人員成像的位置相對固定。
本實用新型一般應配有計算機系統，以進行運行控制和數據采集與成像處理。所述計算機系統包括中央控制系統3、操作臺和圖像顯示系統4、圖像重建、處理系統5和數據儲存傳輸系統6，其中數據儲存傳輸系統接收和儲存探測器傳來的運動數據和投影數據，并分送給中央控制器和圖像重建、處理系統，圖像重建、處理系統在中央控制系統的協調下，將送來的投影數據進行圖像重建處理，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中的顯示器顯示，一路經中央控制系統送至數據儲存傳輸系統的圖像數據庫存儲，中央控制系統協調其他各系統的工作，接收操作臺和圖像顯示系統送來的人工指令和傳感器送來的傳感信息，根據設定的工作程序向高壓發生器、光源、轉動支架和探測器發出工作指令。
所述圖像重建、處理系統對投影數據進行處理后，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成的整體圖像，根據人工輸入指令，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。
本實用新型計算機系統的運行可以采用現有技術和其他各種適宜的技術，例如對各機械機構的控制可以根據設定程序、人工指令和傳感信息等進行電動機構的通斷電。數據處理和圖像重建等軟件方面的設計也可以采用現有的數據處理和成像技術，其中三維成像的精確重建算法可以優選目前國際上最為先進的基于PI線段的三維精確重建算法，這個算法的最大特點是利用特定光源軌跡下產生的投影數據精確重建出各向同性的三維數據，在不進行完整的360°掃描的情況下，即可實現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，因此可以根據用戶的需要為本實用新型設計出不同的空間分辨率。現有技術背景下，光源的最小尺寸已達50微米，將其與相應像元的平板探測器相配合，可以使最高本征空間分辨率達到0.001mm3，在這種分辨率下，可以看到最細小的骨裂、神經和血管的病變。本系統也可以用于不同密度的工業品內部微結構成像。
本實用新型采用高、低能譜X射線掃描人體同一部位的技術路線，通過數學計算可以很好地分解人體特殊部位的軟、硬組織，使之分別達到最佳成像條件。可以同時生成軟組織和硬組織的圖像進行單獨觀察，也可以把這兩種圖像進行再整合，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，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上實現三維空間圖像的分割、配置、融合和顯示。
本實用新型通過計算機技術，特別是采用以重建算法為核心的軟件設計，可以利用探測器采集到不同角度的錐束X射線經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，并且達到預先設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行分割、配準、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行任意角度的翻轉，進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，以便同現有的斷層CT圖像進行比較；可以根據醫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；可以根據醫生要求進行圖像上任意兩點之間的測距和角度的測量；生成的圖像數據符合國際通用的格式(例如DICOM3.0)標準，并在計算機系統上設置標準的輸入、輸出接口，以進行圖像的傳輸，并進行不同圖像之間的比較。
為進行操作，可以設置兩方面的人工操作設施一是固定在設備主體上的各種開關和開關裝置，其中包括定位用激光束開關、被檢測人員位置調整裝置、設備總電源開關和緊急關機開關等等，二是計算機系統的人機對話裝置，例如鍵盤和鼠標系統，通過人工輸出操作指令，對掃描和數據采集與處理的全過程進行操作和控制，在計算機軟件的支持下，實現數據采集以及圖像的重建、處理、分析和顯示。
權利要求1.一種雙能譜真三維容積成像裝置，其特征在于包括系統內可移動的雙能譜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生器和濾波準直系統，兩個能譜能量的平均值間隔主要決定于濾波器把連續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定在10-60keV，高能譜的能量范圍設定在80-1400keV。
5.如權利要求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，都可以在軌跡上面找到兩點，使得連接著兩點的線段經過被檢測物體內的點。
6.如權利要求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支架上，所述光源和探測器同旋轉支架之間采用可沿與旋轉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，所述探測器設有距離傳感器。
7.如權利要求6所述的雙能譜真三維容積成像裝置，其特征在于還設有用于固定被檢測人員或者工業樣品被檢測部位的固定裝置。
8.如權利要求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系統，所述計算機系統包括中央控制系統、操作臺和圖像顯示系統、圖像重建、處理系統和數據儲存傳輸系統，所述數據儲存傳輸系統接收和儲存探測器傳來的運動數據和投影數據，并分送給中央控制器和圖像重建、處理系統，所述圖像重建、處理系統在中央控制系統的協調下，將送來的投影數據進行圖像重建處理，生成圖像信息，對圖像信息進行進一步處理，并將圖像信息一路送至操作臺和圖像顯示系統中的顯示器顯示，一路經中央控制系統送至數據儲存傳輸系統的圖像數據庫存儲，所述中央控制系統協調其他各系統的工作，接收操作臺和圖像顯示系統送來的人工指令和傳感器送來的傳感信息，根據設定的工作程序向高壓發生器、光源、轉動支架和探測器發出工作指令。
專利摘要本實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，其包括系統內部可移動的雙能譜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成的閉合曲線，其發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據集，并通過計算機系統進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，可用于人體的醫學檢測或者工業品內部結構的檢測。
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 優先權日2006年1月26日
發明者包尚聯, 賈鵬翔 申請人:北京海思威科技有限公司