專利名稱：醫用和工業用x射線實時立體成像裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫用和工業用X射線實時立體成像裝置，屬于醫學和無損檢測的 射線成像技術領域。
背景技術：
X射線成像設備已廣泛應用于醫學診斷、微創手術和工業無損檢測。目前國內外 生產的X射線成像設備，除CT外，多屬平面成像系統，獲取的都是兩維平面透視圖像，不能 識別人體或物體的深度結構。而介入人體的手術器械和人體器官的位置關系，對精確治療 關系重大；工業無損檢測同樣需要探知深度結構的信息。在原理上，采用CT技術可以精確 進行三維成像和定位，但CT設備龐大昂貴，而且劑量高，掃描時間長；不適于在手術中或現 場工業無損檢測中實時成像。為此，近年有的公司利用可旋轉和平移的X射線機(例如有 C形臂的)，開發了從3個正交方向各拍一幅兩維圖像，同時顯示在計算機屏幕上的技術；可 以提供一定的三維投影信息。但是醫生或無損檢測人員要像看工程圖紙那樣，從正視圖、頂 視圖和側視圖來自己綜合出三維信息，十分費力和不直觀。而且每次更新圖像都要使X射 線成像裝置進行三次大角度的精確對準指定中心旋轉，機構運動幅度大，定位要求高，還延 長了寶貴的手術時間和增加病人和醫生受到的輻射劑量。
發明內容
本發明的目的是提出一種醫用和工業用X射線實時立體成像裝置，用簡便、快速 和低劑量的辦法實現χ射線實時立體成像，以實現醫療手術和工業無損檢測上的動態立體 透視。本發明提出的醫用和工業用X射線實時立體成像裝置，包括雙視角X射線源，用于產生兩個視角的X射線，X射線對檢測目標進行立體成像；X射線圖像探測器，用于探測X射線對被測物體的透視圖像，并將探測的圖像發送 至計算機，X射線圖像探測器與計算機通過信號線相連；X射線機運動臺架，用于使所述的雙視角X射線源和X射線圖像探測器圍繞檢測目 標運動，所述的雙視角X射線源固定在X射線機臺架的一側，所述的X射線圖像探測器固定 在X射線機臺架的與檢測目標相對的另一側；計算機，用于驅動視角變換和同步獲取兩個視角的透視圖像，并根據透視圖像產 生驅動各種立體圖像顯示器的圖像數據和三維空間坐標；視角變換驅動電路，用于根據計算機產生的視角變換控制碼驅動雙視角X射線源 或X射線機運動臺架，視角變換驅動電路的輸入端與計算機相連，視角變換驅動電路的輸 出端與雙視角χ射線源或χ射線機運動臺架相連。上述立體成像裝置中，所述的雙視角X射線源，包括兩個X光管，兩個X光管的陽 極和陰極分別與高壓電源相連；所述的X光管由陽極、陰極和控制柵極組成，所述的陽極和 陰極分別固定在X光管的兩端管殼上，所述的控制柵極套在陰極上，并與管殼固定，兩個控制柵極的輸出管腳分別與脈沖發生器相連。上述立體成像裝置中，所述的雙視角X射線源，包括兩個X光管和斬波輪，所述的 X光管由陽極和陰極組成，所述的陽極和陰極分別固定在X光管的兩端管殼上；所述的斬波 輪置于兩個X光管靶點的前方。上述立體成像裝置中，所述的雙視角X射線源，包括兩個X光管，兩個X光管的陽 極和陰極分別與高壓電源相連；所述的X光管由陽極和陰極組成，所述的陽極和陰極分別 固定在X光管的兩端管殼上，兩個X光管的陽極和陰極分別連接到各自的高壓電源上。上述立體成像裝置中，所述的雙視角X射線源，包括一個X光管，X光管的陽極和 陰極分別與高壓電源相連；所述的X光管由陽極和陰極組成，所述的陽極和陰極固定在X光 管的兩端管殼上，X光管的陽極連接到高壓電源。本發明提出的醫用和工業用X射線實時立體成像裝置，其優點是1、本發明立體成像裝置的三維成像速度快，實時性強；可達到動態實時顯示。已有 的采用CT或三正交方向成像來獲取三維信息，圖像獲取時間以分計，而本發明的成像裝置 圖像獲取時間以幾十分之一秒計。2、本發明裝置的三維圖像視覺直觀。已有的CT重建的是平面顯示器上的三維圖 像，三正交方向成像顯示的只是三個正交的平面視圖，沒有立體視覺。而本發明利用了人的 立體視覺，可直觀看到浮在眼前的立體圖像和三維坐標。3、使用本發明裝置時輻射劑量低。已有的CT成像要進行幾百個視角的透視，三正 交方向成像也要進行三個視角的透視，照射時間長，輻射劑量高，對人體傷害較大。而本發 明只需進行兩個視角的透視，輻射劑量低得多。4、本發明裝置在操作過程中機械運動范圍小。已有的CT成像要使X射線源和X 射線探測器圍繞被檢目標作360度旋轉，比較難用于直視手術和現場應急安檢；已有的三 正交方向成像可用于直視手術和現場應急安檢，但成像系統的臺架要進行三個90度大轉 角運動。本發明采用雙視角X射線源的，完全沒有成像系統的臺架運動；本發明裝置若采用 單管X射線源，臺架僅需轉動幾度就可完成立體成像。5、本發明成像裝置的造價低，遠低于已有的CT掃描設備，降低設備成本易于推廣應用。
圖1是本發明提出的醫用和工業用X射線實時立體成像裝置的結構示意圖。圖2是圖1所示的立體成像裝置中雙視角X射線源的第一種結構示意圖，即安置 了控制柵極的X射線源。圖3是圖1所示的立體成像裝置中雙視角X射線源的第二種結構示意圖，即沒有 安置控制柵極的X射線源，其中圖3 (a)控制兩個X光管各自的高壓電源，圖3(b)用斬波輪 控制兩個X光管的輸出。圖4是圖3(b)所示的雙視角X射線源的工作示意圖。圖5是圖3(b)所示的雙視角X射線源中斬波輪的結構示意圖。圖6是本發明提出的醫用和工業用X射線實時立體成像裝置的第三種結構形式， 即采用單X光管三維成像裝置的結構示意圖。
圖7是用于觀察本發明提出的X射線實時立體成像裝置的頭箍式額前三維圖像顯 示器的結構示意圖。圖8是是視角變換驅動電路原理圖。圖8的FPGA像功率放大器一樣，是常用集成 電路。圖1-圖8中，1是雙視角X射線源，1-1是X光管，1-2是X光管陽極，1_3是X光 管陰極，1-4是X光管控制柵極(控柵)，1-5是X光管的高壓電源，1-6是X光管的控柵脈 沖發生器，1-7是雙視角X光源的斬波輪，1-7-1是開槽，1-8是斬波輪軸，1-9是斬波輪軸 承，1-10是驅動斬波輪的步進馬達；2是用于左眼成像的X射線；3是用于右眼成像的X射 線；4是X射線圖像探測器；5是同步獲取左右眼圖像并驅動三維圖像顯示和三維坐標顯示 的計算機；6是頭箍式額前X射線三維圖像顯示器，6-1是左眼圖像顯示屏，6-2是右眼圖像 顯示屏，6-3是頭箍；7是顯示補色三維圖像的顯示器；8是觀察補色三維圖像的紅青或紅綠 眼鏡；9是具有偏轉光柵的直視立體顯示器；10是視角變換驅動電路；11是運動臺架基座， 12是運動臺架高度調節柱，13是運動臺架旋轉軸，14是運動臺架旋轉臂。
具體實施例方式本發明提出的醫用和工業用X射線實時立體成像裝置，其結構如圖1所示，包括雙視角X射線源1，用于產生兩個視角的X射線2和3，X射線對檢測目標進行立 體成像；X射線圖像探測器4，用于探測X射線對被測物體的透視圖像，并將探測的圖像發 送至計算機，X射線圖像探測器與計算機通過信號線相連；X射線機運動臺架，用于使所述的雙視角X射線源和X射線圖像探測器圍繞檢測目 標運動，所述的雙視角X射線源固定在X射線機臺架的一側，所述的X射線圖像探測器固定 在X射線機臺架的與檢測目標相對的另一側；計算機5，用于驅動視角變換和同步獲取兩個視角的透視圖像，并根據透視圖像產 生驅動各種立體圖像顯示器的圖像數據和三維空間坐標；視角變換驅動電路，用于根據計算機產生的視角變換控制碼驅動雙視角X射線源 或X射線機運動臺架，視角變換驅動電路的輸入端與計算機相連，視角變換驅動電路的多 組輸出端與雙視角χ射線源或χ射線機運動臺架相連。本發明裝置中，X射線圖像探測器4，用于探測X射線對被測物體的透視圖像，并將 探測的圖像發送至計算機5，X射線圖像探測器與計算機通過信號線相連。X射線圖像探測 器4可以使用目前已有的各種X射線圖像探測器圖像增強器式的，閃爍屏+CCD式的或平 板式的。使用本發明裝置時，可以用多種不同的方法顯示得到的立體圖像。例如，可以使用 頭箍式額前X射線三維圖像顯示器6，其結構如圖7所示，與一般以視頻切換的眼鏡式立體 顯示器不同，左右眼液晶顯示屏6-1和6-2是互相獨立的，各自連接到計算機的I/O 口，顯 示計算機5送來的相對靜止的左右眼圖像和三維坐標，無閃爍感；刷新頻率由使用者控制。 此立體圖像顯示器通過頭箍6-3固定于額前，戴此顯示器的人可以抬眼觀察X射線三維圖 像，又可俯視實物，進行手術或其它操作。還可以使用補色三維圖像的顯示器7顯示立體圖像，這是普通的計算機顯示器，顯示計算機5送來的補色立體圖像(Anaglyph)，通過紅青或紅綠眼鏡8進行觀察。計算機 獲取到“左眼圖像”和“右眼圖像”后，用專門軟件將左右眼圖像進行互補色處理。左眼留紅 色通道，右眼留青色通道(或綠色通道)，然后疊加顯示在計算機的屏幕7上。用紅青濾色 眼鏡(或紅綠濾色眼鏡)8觀測時，左眼通過紅色鏡片只看到左眼圖像，右眼通過青色(或 綠色)鏡片只看到右眼圖像，就可形成立體視覺。這種顯示方式不要求左右眼圖像切換，所 顯示的立體圖像不閃爍傷眼。為了可以方便地在平面圖像和立體圖像間切換，本發明在屏 幕上提供“平面/立體”切換快捷鍵和可夾在日常眼鏡上的可翻動的紅青或紅綠鏡片。平 時不戴眼鏡的觀察者，可戴平光眼鏡和可翻動的紅青或紅綠鏡片。還可以使用具有偏轉光柵的直視立體顯示器9，用奇數列像素顯示左眼圖像，偶數 列像素顯示右眼圖像，由偏轉光柵分別送入人的左眼和右眼，直接產生立體視覺。計算機5 把獲取的左眼圖像和右眼圖像交叉編入顯示圖像的奇數列和偶數列。本發明裝置中的視角變換驅動電路10，根據計算機產生的視角變換控制碼，驅動 雙視角χ射線源或χ射線機運動臺架，視角變換驅動電路的輸入端與計算機相連，視角變換 驅動電路的多組輸出端與雙視角χ射線源或χ射線機運動臺架相連。本發明裝置中的X射線機運動臺架，其結構如圖1中所示，用于使所述的雙視角X 射線源和X射線圖像探測器圍繞檢測目標運動，其中11是運動臺架基座，12是運動臺架高 度調節柱，13是運動臺架旋轉軸，14是運動臺架旋轉臂。本發明提出的醫用和工業用X射線實時立體成像裝置，用三種結構來實現雙視角 X射線源第一種結構利用兩個有控柵的X光管。如圖2所示，由并排的兩個X光管1-1組 成X射線源1。調節兩個X光管的距離可以調節三維圖像的景深。由高壓電源1-5供給X 光管陽極1-2和陰極1-3間的高壓。兩管的錐束射線中線都對準圖像探測器4的中心。此 種X光管在陰極1-3前裝有控柵1-4，脈沖電壓源1-6輸出的極性相反的脈沖電壓分別加 在兩管控柵上，控制兩管交替發射X光；計算機5輸出控制碼到視角變換驅動電路10，通過 FPGA (可編程邏輯矩陣)轉換為三個脈沖序列(圖8自上至下第一組)，經過功率放大后控 制脈沖電壓源1-6和X射線高壓，在兩個視角分別發射X射線；并同步接收左眼圖像和右眼 圖像。控制脈沖的重復頻率可調，以適應手術或無損檢測對圖像更新速度的要求。這種電 控發射雙管X射線源沒有機械運動部件，沒有機械噪聲；立體圖像的更新可以達到每秒幾 十幅以上的實時動態顯示速度；例如可實時看到心臟的三維跳動，。第二種結構利用兩個普通的無控柵X光管，如圖3所示，由并排的兩個X光管1-1 組成X射線源1，調節兩個X光管的距離可以調節三維圖像的景深。兩管的錐束射線中線都 對準圖像探測器4的中心。由高壓電源1-5供給陽極1-2和陰極1-3間的高壓。圖3(a)兩 管陽極分別接到各自的高壓電源1-5，交替開通兩管陽極高壓來控制兩管交替輸出X射線。 圖3(b)兩管陽極共同接到同一個高壓電源1-5，兩管同時發射X射線。在靶點前裝一個旋 轉的機械斬波輪1-7，用于切換兩個X光管的射線交替輸出。斬波輪1-7裝在轉軸1-8上， 如圖4所示，轉軸一頭由軸承1-9支持，一頭由步進電機1-10驅動。斬波輪1-7由鉛合金 盤或鎢盤制成。斬波輪1-7上有奇數開槽1-7-1，如圖5所示。計算機5輸出控制碼到視 角變換驅動電路10，通過可編程邏輯矩陣(以下簡稱FPGA)轉換為圖8中第二組的兩個脈 沖序列，經過功率放大后，分別控制圖3(a)的兩個X射線高壓；或轉換為圖8中第三組的兩個脈沖序列，控制圖3(b)的步進電機1-10和X射線高壓，在兩個視角分別發射X射線。計 算機同步接收左眼圖像和右眼圖像。視角變換速率可調，以適應手術或無損檢測對圖像更 新速度的要求，立體圖像的更新速度也可以達到每秒幾十幅的實時動態成像要求。結構二 的優點是可以采用大量生產的普通X光管，但圖3(a)的兩套高壓電源使電氣結構復雜，圖 3(b)的斬波輪有機械旋轉噪聲。第三種結構利用已有的醫用或工業用X射線機，如圖6所示。整體轉動X射線源 和圖像探測器來獲得兩個視角的透視圖像。圖6中的X射線源1由單個普通X光管做成， 射束中線對準X射線圖像探測器4的中心。計算機5輸出控制碼到視角變換驅動電路10， 通過FPGA轉換為圖8第四組的三個脈沖序列，經過功率放大后，分別控制X射線機臺架的 轉動和X射線高壓，在兩個視角分別發射X射線，并同步接收左眼圖像和右眼圖像。這種結 構可以直接利用已有的醫用或工業用X射線機(例如有C形臂或其它轉動臺架的)。加上 圖1那樣的三維圖像獲取、處理和顯示部件(5、6、7、8、9、10)，即可進行雙視角X射線成像。 成本最低，也易于將已有的兩維成像射線機升級為三維成像射線機。但這種結構要整體轉 動X射線源和圖像探測器來獲取左右眼圖像，圖像更新時間需幾秒鐘，屬準實時成像。即使 如此，由于移動范圍僅幾度或幾厘米，比已有的通過獲取三個正交圖像來獲取三維信息的 系統運動范圍小得多，速度快得多。本發明能在直視手術和現場檢測中實時提供十分重要的肌體和物體深度信息，彌 補兩維X射線成像的不足。但看到的是一種浮在眼前的視覺圖像。不像兩維平面圖像或CT 三維圖像那樣易于對機體或物體的內部結構進行定位和測量。為此，本發明設計了三維坐 標和三維鼠標，可以在視覺的三維空間顯示鼠標所指部位的三維坐標參數。
權利要求
一種醫用和工業用X射線實時立體成像裝置，其特征在于，該裝置包括雙視角X射線源，用于產生兩個視角的X射線，X射線對檢測目標進行立體成像；X射線圖像探測器，用于探測X射線對被測物體的透視圖像，并將探測的圖像發送至計算機，X射線圖像探測器與計算機通過信號線相連；X射線機運動臺架，用于使所述的雙視角X射線源和X射線圖像探測器圍繞檢測目標運動，所述的雙視角X射線源固定在X射線機臺架的一側，所述的X射線圖像探測器固定在X射線機臺架的與檢測目標相對的另一側；計算機，用于驅動視角變換和同步獲取兩個視角的透視圖像，并根據透視圖像產生驅動各種立體圖像顯示器的圖像數據和三維空間坐標；視角變換驅動電路，用于根據計算機產生的視角變換控制碼驅動雙視角X射線源或X射線機運動臺架，視角變換驅動電路的輸入端與計算機相連，視角變換驅動電路的輸出端與雙視角X射線源或X射線機運動臺架相連。
2.如權利要求1所述的X射線實時立體成像裝置，其特征在于，其中所述的雙視角X射 線源，包括兩個X光管，兩個X光管的陽極和陰極分別與高壓電源相連；所述的X光管由陽 極、陰極和控制柵極組成，所述的陽極和陰極分別固定在X光管的兩端管殼上，所述的控制 柵極套在陰極上，并與管殼固定，兩個控制柵極的輸出管腳分別與脈沖發生器相連。
3.如權利要求1所述的X射線實時立體成像裝置，其特征在于，其中所述的雙視角X射 線源，包括兩個X光管和斬波輪，所述的X光管由陽極和陰極組成，所述的陽極和陰極分別 固定在X光管的兩端管殼上；所述的斬波輪置于兩個X光管靶點的前方。
4.如權利要求1所述的X射線實時立體成像裝置，其特征在于其中所述的雙視角X射 線源，包括兩個X光管，兩個X光管的陰極和陽極分別與高壓電源相連；所述的X光管由陽 極和陰極組成，所述的陽極和陰極分別固定在X光管的兩端管殼上，兩個X光管的陽極分別 連接到各自的可控高壓電源上。
5.如權利要求1所述的X射線實時立體成像裝置，其特征在于，其中所述的雙視角X射 線源，包括一個X光管，X光管的陰極和陽極分別與高壓電源相連；所述的X光管由陽極和 陰極組成，所述的陽極和陰極固定在X光管的兩端管殼上，X光管的陽極連接到高壓電源。
全文摘要
本發明涉及一種醫用和工業用X射線實時立體成像裝置。屬于射線成像設備技術領域。包括具有雙視角的X射線源，能快速交替發射兩個視角的X射線；用于接收X射線圖像并實現數字化的X射線圖像探測器，能同步獲取左右眼圖像進行立體化處理的計算機；用于觀測立體圖像的立體顯示器；以及使所述的X射線源和X射線圖像探測器在一定距離內產生移動或轉動的X光機臺架。本成像裝置可以在手術中實時顯示人體或物體的三維透視圖像，并通過三維坐標和三維鼠標對器官、手術器械進行三維定位；也可在無損檢測或安檢排爆中實時顯示被檢物體的X射線三維圖像和內中部件的三維定位。實時性好，成本低，照射量低。
文檔編號H05G1/08GK101953694SQ20101027177
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月3日 優先權日2010年9月3日
發明者宋征, 王經瑾 申請人:北京睿思厚德輻射信息科技有限公司;王經瑾