專利名稱：一種牙科x射線層析成像設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輻射成像領(lǐng)域，尤其涉及一種牙科X射線層析成像設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
X射線成像技術(shù)已經(jīng)成為牙科口腔疾病診斷中不可或缺的影像技木，依靠X射線透視成像、全景(Panoramic)、錐束CT (Cone-beam CT, CBCT)等X射線成像技術(shù)逐步滿足了多種牙科口腔疾病的診斷需求。X射線透視成像又存在三種不同的技術(shù)手段膠片成像、數(shù)字化X射線成像技術(shù)(Computed Radiography, CR)和直接數(shù)字化X射線成像技術(shù)(DigitalRadiography, DR)，這三種技術(shù)雖然只能夠針對特定的牙齒進(jìn)行局部X射線透視成像，但是由于技術(shù)簡單、操作簡便、設(shè)備價格便宜、劑量低等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前在口內(nèi)牙科X射線成像 中應(yīng)用廣泛。為了能夠一次完成口腔所有牙齒以及上頜骨等部位的成像，又開發(fā)出了 X射線全景成像技術(shù)，利用線陣列數(shù)字X光探測器，通過專門設(shè)計的掃描軌道，由X光機(jī)和探測器圍繞病人頭部旋轉(zhuǎn)掃描實現(xiàn)曲面斷層成像，全景成像的幾何學(xué)能夠部分克服X光透視在傳輸路徑上的重疊，消除由于成像層外部物體引起的多余陰影和偽影，提高了診斷價值和圖像質(zhì)量。但是，由于透視成像的本質(zhì)并沒有改變，全景成像仍然存在X射線路徑上前后重疊的問題，因此，CBCT技術(shù)被引入到口腔頜面成像中。1972年，Hounsfield發(fā)明了第一臺CT機(jī)，CT技術(shù)給醫(yī)學(xué)診斷和エ業(yè)無損檢測帶來了革命性的影響，已經(jīng)成為醫(yī)療、生物、航空航天、國防等行業(yè)重要的檢測手段之一。1989年，螺旋CT開始投入醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用，相對于以前的斷層CT :螺旋CT可以連續(xù)不間斷地采集投影數(shù)據(jù)，并通過專門設(shè)計的重建算法得到物體的三維體數(shù)據(jù)，使得CT掃描的時間大大縮短，提高了重建圖像的Z軸分辨率，減少了運(yùn)動偽跡。1991年，Elscint公司在單層螺旋CT基礎(chǔ)上，首先推出了雙層螺旋CT，從此揭開了多層螺旋CT (Multi-slice CT，MSCT)飛速發(fā)展的序幕。隨后，各大醫(yī)療設(shè)備公司陸續(xù)推出了 4層、8層、16層、64層、256層、320層螺旋CT, MSCT和單層螺旋CT相比在性能上有了很大的提升，大大增加了 X射線束的覆蓋范圍，有效地提高X射線的利用率，縮短了掃描時間，能夠得到更高質(zhì)量的三維重建圖像。目前，MSCT已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用于人體三維成像、血管造影成像、心臟成像、腦灌注成像等領(lǐng)域，在MSCT技術(shù)上還發(fā)展起來了計算機(jī)輔助手術(shù)、虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)和輔助放射治療等新技木。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著平板探測器技術(shù)的發(fā)展，使用大面積平板探測器的CBCT逐漸出現(xiàn)，特別是在口腔三維成像中得到了臨床認(rèn)可和推廣。在口腔臨床應(yīng)用中，CBCT解決了常規(guī)ニ維透視成像技術(shù)所固有的影像重疊、失真等問題，在牙齒種植計劃、阻生牙分析、牙體牙周病診斷等需要三維分辨能力的應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)CT相比，用CBCT進(jìn)行口腔三維成像具有檢查劑量低、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。特別是近年來隨著牙齒種植技術(shù)的興起，利用CBCT獲得三維圖像并進(jìn)行種植計劃和手術(shù)導(dǎo)板的設(shè)計已成為ー項新的研究方向。隨著技術(shù)的進(jìn)歩，CT掃描模式和成像方法也在不斷地改進(jìn)。牙科CBCT技術(shù)是在超過180°的角度范圍內(nèi)，從眾多角度位置分別圍繞口腔部位進(jìn)行X射線投影數(shù)據(jù)的采集，并通過專門的CT圖像重建算法實現(xiàn)口腔頜面的全三維成像，徹底解決了圖像的前后遮擋問題。但是，CBCT設(shè)備由于采用了大面積平板探測器，使得其成本較高，對于牙科診所和病人來講經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)都較大；并且CBCT的輻射劑量較大，對于控制公眾劑量平均劑量水平造成較大負(fù)面影響；最后，由于CBCT使用的平板探測器空間分辨率有限，使得CBCT的成像精度要遠(yuǎn)低于X射線CR或DR成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明g在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供ー種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的ー個目的在于提出ー種具有成本較小、成像速度快且成像效果好的牙科X射線層析成像設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明實施例的一種牙科X射線層析成像設(shè)備，包括以下部分掃描控制模塊，所述掃描控制模塊用于發(fā)出曝光脈沖信號控制X光機(jī)曝光，以及發(fā)出采集脈沖信號控制圖像采集控制模塊進(jìn)行采集工作；所述X光機(jī)，所述X光機(jī)與所述掃描控制模塊相連，用于根據(jù)所述曝光脈沖信號的發(fā)出X射線；機(jī)械掃描裝置，所述機(jī)械掃描裝置用于帶動所述X 光機(jī)運(yùn)動到不同位置，以完成層析掃描過程；X射線探測器，所述X射線探測器用于探測X射線；所述圖像采集控制模塊，所述圖像采集控制模塊與所述X射線探測器相連，用于根據(jù)所述采集脈沖信號對所述X射線探測器的探測結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換、數(shù)字化和傳輸，所述圖像采集控制模塊的采集結(jié)果為多張不同角度的X射線透視圖像；層析圖像重建模塊，所述層析圖像重建模塊用于將所述多張不同角度的X射線透視圖像進(jìn)行圖像重建，獲得待成像組織不同位置處的多張斷層圖像作為圖像重建結(jié)果；以及圖像顯示模塊，所示圖像顯示模塊用于將所述圖像重建結(jié)果顯示給用戶，其中，所述X射線探測器置于病人ロ中，以使待成像部位位于所述X光機(jī)和所述X射線探測器之間，所述X光機(jī)在隨著所述機(jī)械掃描裝置運(yùn)動過程中，發(fā)出的X射線始終經(jīng)過所述X射線探測器。在本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例中，所述曝光脈沖信號與所述采集脈沖信號的時序匹配。在本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例中，還包括病人信息管理模塊、圖像標(biāo)注與管理模塊和診斷報告生成模塊。在本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例中，所述機(jī)械掃描裝置進(jìn)ー步包括裝載臺，所述X光機(jī)安裝、固定在所述裝載臺上；和滑軌，所述滑軌用于限定所述裝載臺的運(yùn)動軌跡，其中，滑軌為圓弧形，并且所述滑軌的圓弧的圓心與所述X射線探測器位置重合。在本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例中，所述掃描控制模塊包括多個觸發(fā)器，多個所述觸發(fā)器安裝在所述滑軌的特定位置上，當(dāng)所述裝載臺帶著所述X光機(jī)經(jīng)過所述滑軌的特定位置時，所述觸發(fā)器發(fā)出所述曝光脈沖信號和所述采集脈沖信號。在本發(fā)明的設(shè)備的一個實施例中，所述層析圖像重建模塊中，通過求解最優(yōu)化方
程minl/l s.t. Af = PAi^Q獲得最終圖像重建結(jié)果，其中，定義/表示待重建的圖像，
&表示該圖像內(nèi)的第j個像素，A表示投影矩陣，聲表示投影數(shù)據(jù)，定義層析掃描過程中X射線曝光M次，而所述X射線探測器有N個像素単元，則投影數(shù)據(jù)聲的長度為MXN，所述層析圖像重建模塊進(jìn)一歩包括初始化模塊，其中，所述初始化模塊設(shè)置迭代圖像初值/上^為全O或全I(xiàn) ;和迭代計算模塊，其中，所述迭代計算模塊利用采集到的MXN個投影數(shù)據(jù)，按照每條射線依次進(jìn)行修正并加入非負(fù)約束，隨后進(jìn)行TV范數(shù)最小化處理，直到重建圖像/符合收斂條件。本發(fā)明的牙科X射線層析成像設(shè)備的性能介于透視和CT之間，其成本稍高于透視，但遠(yuǎn)低于CT，并且本發(fā)明能夠提供和透視成像一祥的DR圖像，同時還能夠提供通過專門的層析圖像重建算法得到的三維斷層圖像。因此，本發(fā)明為牙科臨床提供了一種便捷、強(qiáng)大的三維圖像診斷工具，可以應(yīng)用于牙科拔牙、補(bǔ)牙、種植、正畸、根管治療等，具有很高的市場應(yīng)用潛力。本發(fā)明的另ー個目的在于提出ー種具有成本較小、成像速度快且成像效果好的牙科X射線層析成像方法。根據(jù)本發(fā)明實施例的一種牙科X射線層析成像方法，包括以下步驟掃描控制模塊發(fā)出曝光脈沖信號控制X光機(jī)曝光，并且發(fā)出采集脈沖信號控制圖像采集控制模塊進(jìn)行采集工作；所述X光機(jī)隨機(jī)械掃描裝置運(yùn)動，所述X光機(jī)接收到所述曝光脈沖信號后發(fā)出X 射線，以完成不同角度的X射線掃描；所述圖像采集控制模塊接收到所述采集脈沖信號后，控制所述X射線探測器進(jìn)行X射線探測，并探測結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換、數(shù)字化和傳輸，所述圖像采集控制模塊的采集結(jié)果為多張不同角度的X射線透視圖像；層析圖像重建模塊從所述圖像采集控制模塊接收所述多張不同角度的X射線透視圖像，進(jìn)行圖像重建，獲得待成像組織不同位置處的多張斷層圖像作為圖像重建結(jié)果；以及圖像顯示模塊將所述圖像重建結(jié)果顯示給用戶，其中，所述X射線探測器置于病人ロ中，以使待成像部位位于所述X光機(jī)和所述X射線探測器之間，所述X光機(jī)在隨著所述機(jī)械掃描裝置運(yùn)動過程中，發(fā)出的X射線始終經(jīng)過所述X射線探測器。在本發(fā)明的方法的一個實施例中，所述曝光脈沖信號與所述采集脈沖信號的時序匹配。在本發(fā)明的方法的一個實施例中，還包括管理病人信息、對圖像進(jìn)行標(biāo)注和管理，以及生成診斷報告。在本發(fā)明的方法的一個實施例中，所述X光機(jī)隨機(jī)械掃描裝置運(yùn)動進(jìn)ー步包括將所述X光機(jī)安裝、固定在所述機(jī)械掃描裝置中的裝載臺上；所述裝載臺沿著所述機(jī)械掃描裝置中的滑軌運(yùn)動，其中，所述滑軌為圓弧形，并且所述滑軌的圓弧的圓心與所述X射線探測器位置重合。在本發(fā)明的方法的一個實施例中，當(dāng)所述裝載臺帶著所述X光機(jī)經(jīng)過所述滑軌的特定位置時，觸發(fā)所述掃描控制模塊發(fā)出所述曝光脈沖信號和所述采集脈沖信號。在本發(fā)明的方法的一個實施例中，所述層析圖像重建方法中，通過求解最優(yōu)化方
程min||テI U Af = p,f^0獲得最終圖像重建結(jié)果，其中，定義/表示待重建的圖像，
&表示該圖像內(nèi)的第j個像素，A表示投影矩陣，盧表示投影數(shù)據(jù)，定義層析掃描過程中X射線曝光M次，而所述X射線探測器有N個像素単元，則投影數(shù)據(jù)多的長度為M X N，所述層析圖像重建方法進(jìn)ー步包括設(shè)置迭代圖像初值為全O或全I(xiàn) ;和利用采集到的MXN個投影數(shù)據(jù)，按照每條射線依次進(jìn)行修正并加入非負(fù)約束，隨后進(jìn)行TV范數(shù)最小化處理，直到重建圖像/5符合收斂條件。本發(fā)明的牙科X射線層析成像方法是介于透視和CT之間的技木，其成本稍高于透視，但遠(yuǎn)低于CT，并且本發(fā)明能夠提供和透視成像一祥的DR圖像，同時還能夠提供通過專門的層析圖像重建算法得到的三維斷層圖像。因此，本發(fā)明為牙科臨床提供了一種便捷、強(qiáng)大的三維圖像診斷工具，可以應(yīng)用于牙科拔牙、補(bǔ)牙、種植、正畸、根管治療等，具有很高的市場應(yīng)用潛力。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明提出的牙科X射線層析成像設(shè)備的示意圖；·
圖2為機(jī)械掃描裝置與X光機(jī)以及X射線探測儀的安裝位置示意圖；圖3為觸發(fā)脈沖信號、曝光脈沖信號和采集脈沖信號的時序示意圖；圖4為本發(fā)明提出的牙科X射線層析成像方法的示意圖；圖5為本發(fā)明的計算機(jī)仿真得到的牙科X射線層析圖像重建結(jié)果；以及圖6為本發(fā)明技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)對離體單顆牙齒的X成像的對比實驗結(jié)果。
具體實施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，g在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括ー個或者更多個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表
示第一特征水平高度小于第二特征。本發(fā)明提出了一種牙科X射線層析成像設(shè)備和方法，包括ー套X光機(jī)、數(shù)字口內(nèi)面陣探測器和掃描裝置。成像過程中，數(shù)字口內(nèi)面陣探測器放置在待掃描的牙齒內(nèi)側(cè)，并固定不動，X光機(jī)在口腔外面圍繞探測器在一定角度范圍內(nèi)運(yùn)動并產(chǎn)生X射線通過探測器同步采集完成層析成像掃描過程；最后，通過專門設(shè)計的層析圖像重建算法，實現(xiàn)對口腔特定部位的局部層析(Tomosynthesis)成像。本發(fā)明的牙科口內(nèi)層析技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)口腔特定部位的三維斷層成像，相比X射線透視成像(膠片、CR或DR成像)能夠有效地消除X射線路徑上的組織影像前后重疊問題，實現(xiàn)真正的三維成像；而相比牙科錐束CT成像，本發(fā)明的口內(nèi)層析技術(shù)大大降低了設(shè)備成本和輻射劑量，能夠提供傳統(tǒng)的高分辨率口內(nèi)牙科DR圖像，以及層析三維斷層圖像。圖I為本發(fā)明提出的牙科X射線層析成像設(shè)備的示意圖。如圖I所示，牙科X射線層析成像設(shè)備，包括掃描控制模塊100、X光機(jī)200、機(jī)械掃描裝置300、圖像采集控制模 塊400、X射線探測器500、層析圖像重建模塊600和圖像顯示模塊700。其中，掃描控制模塊100用于發(fā)出曝光脈沖信號控制X光機(jī)200曝光，以及發(fā)出采集脈沖信號控制圖像采集控制模塊300進(jìn)行采集工作；X光機(jī)200與掃描控制模塊100相連，用于根據(jù)曝光脈沖信號的發(fā)出X射線；機(jī)械掃描裝置300用于帶動X光機(jī)200運(yùn)動到不同位置，以完成層析掃描過程；圖像采集控制模塊400與X射線探測器500相連，用于根據(jù)采集脈沖信號對X射線探測器500的探測結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換、數(shù)字化和傳輸，圖像采集控制模塊400的采集結(jié)果為多張不同角度的X射線透視圖像；X射線探測器500用于探測X射線；層析圖像重建模塊600用于將所述多張不同角度的X射線透視圖像進(jìn)行圖像重建，獲得待成像組織不同位置處的多張斷層圖像作為圖像重建結(jié)果；以及圖像顯示模塊700將所述圖像重建結(jié)果顯示給用戶，其中，所述X射線探測器置于病人口中，以使待成像部位位于所述X光機(jī)和所述X射線探測器之間，所述X光機(jī)在隨著所述機(jī)械掃描裝置運(yùn)動過程中，發(fā)出的X射線始終經(jīng)過所述X射線探測器。在該設(shè)備中，掃描控制模塊100可以在一定角度范圍內(nèi)，從不同角度位置觸發(fā)X光機(jī)200曝光，同時圖像采集控制模塊400控制X射線探測器500同步采集待成像組織(牙齒)在不同視角下的X光透視圖像；而層析圖像重建模塊600對采集到的一系列記錄了不同角度位置信息的透視圖像進(jìn)行圖像重建，獲得最終的三維斷層圖像，最后通過圖像顯示模塊700進(jìn)行顯示。為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的牙科X射線層析成像設(shè)備，現(xiàn)對各個部分做詳細(xì)介紹。I、X 光機(jī)X光機(jī)作為本發(fā)明層析成像裝置的X射線源，X光機(jī)可以根據(jù)事先設(shè)定的工作參數(shù)在外部觸發(fā)信號的觸發(fā)下完成一系列X射線曝光，產(chǎn)生的X射線穿過待成像組織部位入射到X光探測器中被采集到，完成X光透視圖像采集。X光機(jī)從功能上主要包括密封的X光機(jī)頭和高壓發(fā)生器兩部分，這兩部分可以是封裝在一起作為X光源一體機(jī)，也可以是分開的，作為兩個単獨(dú)封裝的器件。如果是分開的，則在層析掃描過程中只需要X光機(jī)頭部分作為活動部件，圍繞待成像組織部位運(yùn)動完成X光層析成像掃描即可。X光機(jī)頭內(nèi)包含ー個X光球管，由于冷卻的需要，一般球管需要嚴(yán)密地封裝在裝滿冷卻油的X光機(jī)頭內(nèi)。高壓發(fā)生器為X光機(jī)頭正常工作提供電源，負(fù)責(zé)將工作環(huán)境中的電壓轉(zhuǎn)換成X光機(jī)頭工作需要的高壓。X光機(jī)的工作參數(shù)，包括電壓、電流、曝光時間等，一般通過控制面板設(shè)置完成。如圖2所示，在本發(fā)明的設(shè)備在層析成像掃描過程中，X光機(jī)被固定、安裝在機(jī)械掃描裝置中的裝載臺上，裝載臺沿著滑軌從某一端到另一端作平穩(wěn)移動。當(dāng)X光機(jī)及裝載臺經(jīng)過事先設(shè)定的滑軌上的某個位置時，由掃描控制模塊時序匹配的曝光脈沖信號和采集脈沖信號，其中曝光脈沖信號發(fā)送到X光機(jī)控制其曝光，同時采集脈沖信號發(fā)送到圖像采集控制模塊，控制X射線探測器采集，完成一次X光透視圖像采集。機(jī)械掃描裝置持續(xù)移動，使得X光機(jī)陸續(xù)經(jīng)過其他滑軌上的觸發(fā)位置，完成一系列的X光機(jī)曝光和圖像采集直到運(yùn)動到滑軌另一端，層析掃描完成，獲得多張不同角度的待成像組織的X射線投射圖像。需要說明的是，本發(fā)明的X射線源并不僅限于傳統(tǒng)的X光機(jī)，也可以是其他可以作 為X射線源的物質(zhì)或裝置，例如放射性同位素、同步輻射光源、新型碳納米管X光機(jī)等，均可作為本發(fā)明的X射線源。2、X射線探測器X射線探測器又稱為X射線傳感器，作為X射線探測単元，負(fù)責(zé)完成X射線的傳感收集。本發(fā)明的設(shè)備中，X射線探測器一般需要放置在病人口內(nèi)，靠近待成像的組織部位，使得待成像部位在X光機(jī)和X射線探測器之間。在層析掃描過程中，X射線探測器保持位置不動，由掃描控制模塊接收到采集脈沖信號后觸發(fā)其完成一系列X射線圖像的采集。本發(fā)明使用的X射線探測器一般為小型面陣列CCD或CMOS探測器，主要由閃爍晶體、隔離層、CXD或CMOS探測陣列、外殼封裝、數(shù)據(jù)線等部分組成。口內(nèi)層析成像可以使用和目前已有的口內(nèi)X射線DR產(chǎn)品相同的X射線探測器，但是，為了提高層析成像的掃描速度，需要層析成像使用的探測器具有通過外觸發(fā)信號啟動圖像采集的功能，該功能一般通過分立的圖像采集控制模塊實現(xiàn)。圖像采集控制模塊和X射線探測器之間由一條數(shù)據(jù)線連接，該數(shù)據(jù)線既進(jìn)行X射線圖像的傳輸，也傳輸圖像采集控制模塊發(fā)給X射線探測器的控制信號。需要說明的是，本發(fā)明用到的X射線探測器也可以是無線的，既通過無線傳輸完成數(shù)據(jù)和控制信號的交換，并不一定必須是有線的。3、機(jī)械掃描裝置本機(jī)械掃描裝置主要起到兩個作用(I)將X光機(jī)安裝固定，并帶動X光機(jī)運(yùn)動到不同位置曝光，完成層析掃描過程；(2)將X光機(jī)和探測器的位置關(guān)系確定起來，使得X光機(jī)和探測器之間的相對位置能夠被準(zhǔn)確的測量，并且該相對位置關(guān)系的測量值能夠被準(zhǔn)確的記錄下來，傳遞給后端的圖像重建単元，作為重建算法的必備參數(shù)之一。為了滿足這兩個基本需求，本發(fā)明的層析機(jī)械掃描裝置如圖2所示，主要包括如下幾部分裝載臺301和滑軌302。X光機(jī)安裝、固定在裝載臺上，滑軌的作用是限定裝載臺的運(yùn)動軌跡，讓裝載臺沿滑軌實現(xiàn)既定軌跡的掃描路線。通?？赏ㄟ^設(shè)定傳動皮帶(未在圖中畫出)固定在裝載臺左右兩端，并將傳動皮帶隱藏在滑軌內(nèi)，由動カ輪轉(zhuǎn)動帶動傳動皮帶拉動裝載臺實現(xiàn)X光機(jī)沿滑軌的移動。一般地，滑軌是圓弧形的，X射線探測器就放置在滑軌的圓弧所在圓的圓心上，這樣就能夠確保固定在載物臺上的X光機(jī)沿滑軌移動時X光機(jī)發(fā)出的錐束X射線中心射束始終能夠入射到探測器中心上。需要說明的是本發(fā)明的圓弧形滑軌并不是必須的，只要能夠保證X光機(jī)在掃描過程中，其X射線束中心線始終經(jīng)過X射線探測器即可。例如，也可以使用直線滑軌，并在直線滑軌上安裝轉(zhuǎn)臺，使得X光機(jī)在直線滑軌上平移的同時能夠按設(shè)定角度轉(zhuǎn)動，保證在每個不同投影采集角度上X射線中心束都經(jīng)過X射線探測器即可。4、掃描控制模塊上文已經(jīng)提及，掃描控制模塊用于發(fā)出曝光脈沖信號控制X光機(jī)曝光，以及發(fā)出采集脈沖信號控制圖像采集控制模塊進(jìn)行采集工作。具體地如何同步發(fā)出曝光脈沖信號和采集脈沖信號可以有多種方法。比較簡便可行的的方法為將掃描控制模塊安裝在裝載臺內(nèi)，在滑軌內(nèi)側(cè)不同位置上安裝有多個紅外發(fā)射器件，該器件所在位置即為觸發(fā)X光機(jī)曝光的角度位置；掃描控制模塊上包含一個光電耦合器件，當(dāng)裝載臺沿滑軌移動經(jīng)過某個紅外發(fā)生器件時，光電耦合器件的紅外光接受器件接收到光信號并轉(zhuǎn)化成觸發(fā)脈沖電信號。該觸發(fā)脈沖電信號使掃描控制模塊同時傳送曝光脈沖信號給X光機(jī)，以及傳送采集脈沖信號給圖像采集控制模塊，同步觸發(fā)這兩個器件工作，即X光機(jī)曝光和探測器積分采集數(shù)據(jù)。X光機(jī)的曝光時間長度是根據(jù)不同病人和病變組織事先設(shè)定好的工作參數(shù)，探測器的積分 時間長度也是其內(nèi)部設(shè)定好的，并且保證探測器積分時間長于X光機(jī)曝光時間，即曝光脈沖信號與采集脈沖信號的應(yīng)該時序匹配，在本發(fā)明的一個實施例中，該時序匹配關(guān)系如圖3所示。當(dāng)經(jīng)過某個位置紅外發(fā)生器件發(fā)生作用，并完成X光機(jī)曝光和探測器數(shù)據(jù)采集后，裝載臺持續(xù)沿滑軌向前移動，運(yùn)動到下ー個位置的紅外發(fā)生器件位置處，觸發(fā)下ー個角度位置的X光機(jī)曝光和探測器數(shù)據(jù)采集，依次按照圖3時序完成后面一系列的X射線層析成像掃描過程。5、圖像采集控制模塊圖像采集控制模塊的作用是接收來自掃描控制模塊的采集脈沖信號，實現(xiàn)X射線探測器對X射線進(jìn)行收集、轉(zhuǎn)換、數(shù)字化和傳輸?shù)墓δ堋Ｒ虼?，圖像采集控制模塊需要與三個功能模塊有信息交互層析成像控制模塊、X射線探測器、層析圖像重建模塊(該模塊ー般由計算機(jī)硬件完成)。成像控制模塊和圖像采集控制模塊之間的信息傳遞較為簡単，只是傳遞單ー的采集脈沖信號；探測器和圖像采集控制模塊之間傳遞的信息既包括控制信號，還包括采集的X射線透視圖像；類似地，圖像采集控制模塊和層析圖像重建単元之間也既需要傳遞控制信號(啟動或關(guān)閉探測器)，也需要傳遞X射線透視圖像。目前的圖像采集控制模塊和層析圖像重建模塊之間一般使用USB線連接方式。6、層析圖像重建模塊如圖I所示，層析掃描的X射線投影數(shù)據(jù)采集完成后需要傳遞給后端的層析圖像重建模塊。層析圖像重建模塊對采集的不同角度的多張X射線透視圖像進(jìn)行處理，利用專門的口內(nèi)層析圖像重建算法進(jìn)行圖像重建，獲得待成像組織不同位置處的一系列斷層(切片)圖像。層析圖像重建模塊大致可分為初始化模塊和迭代計算模塊兩部分，其中，所述初始化模塊設(shè)置迭代圖像初值為全O或全I(xiàn) ;迭代計算模塊利用采集到的多個投影數(shù)據(jù)，按照每條射線依次進(jìn)行修正并加入非負(fù)約束，隨后進(jìn)行TV范數(shù)最小化處理，直到重建圖像符合收斂條件。具體的層析圖像重建方法見下文介紹。7、圖像顯示模塊圖像顯示模塊的作用是將層析重建后的三維斷層圖像通過編寫的專門的計算機(jī)軟件顯示給用戶。類似于其他的X射線影像設(shè)備，圖像顯示単元是本發(fā)明層析成像裝置不可缺少的一部分。需要說明的是，層析圖像重建模塊和圖像顯示模塊一般都通過計算機(jī)硬件實現(xiàn)。此外，優(yōu)選地，計算機(jī)中還可包括病人信息管理模塊、圖像標(biāo)注與管理模塊和診斷報告生成模塊等等，用于提供其他的輔助功能。圖4為本發(fā)明提出的牙科X射線層析成像方法的示意圖。如圖4所示，該方法包括以下步驟S101.掃描控制模塊發(fā)出曝光脈沖信號控制X光機(jī)曝光，并且發(fā)出采集脈沖信號控制圖像采集控制模塊進(jìn)行采集工作；S102. X光機(jī)隨機(jī)械掃描裝置運(yùn)動，X光機(jī)接收到曝光脈沖信號后發(fā)出X射線，以完成不同角度的X射線掃描；S103.圖像采集控制模塊接收到采集脈沖信號后，控制X射線探測器進(jìn)行X射線探測，并探測結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換、數(shù)字化和傳輸，圖像采集控制模塊的采集結(jié)果為多張不同角度的X射線透視圖像；S104.層析圖像重建模塊從圖像采集控制模塊接收多張不同角度的X射線透視圖像，進(jìn)行圖像重建，獲得待成像組織不同位置處的多張斷層圖像作為圖像重建結(jié)果；以及S105.圖像顯示模塊將圖像重建結(jié)果顯示給用戶，其中，X射線探測器置于病人ロ中，以使待成像部位位于X光機(jī)和X射 線探測器之間，X光機(jī)在隨著機(jī)械掃描裝置運(yùn)動過程中，發(fā)出的X射線始終經(jīng)過X射線探測器。在本發(fā)明的方法的一個實施例中，曝光脈沖信號與采集脈沖信號的時序匹配。在本發(fā)明的方法的一個實施例中，還包括管理病人信息、對圖像進(jìn)行標(biāo)注和管理，以及生成診斷報告。在本發(fā)明的方法的一個實施例中，X光機(jī)隨機(jī)械掃描裝置運(yùn)動進(jìn)ー步包括將X光機(jī)安裝、固定在機(jī)械掃描裝置中的裝載臺上；裝載臺沿著機(jī)械掃描裝置中的滑軌運(yùn)動，其中，滑軌為圓弧形，并且滑軌的圓弧的圓心與X射線探測器位置重合。在本發(fā)明的方法的一個實施例中，當(dāng)裝載臺帶著X光機(jī)經(jīng)過滑軌的特定位置吋，觸發(fā)掃描控制模塊發(fā)出曝光脈沖信號和采集脈沖信號。在本發(fā)明的方法的一個實施例中，層析圖像重建方法中，通過求解最優(yōu)化方程mm||/||rF n. Af = PAi彡O獲得最終圖像重建結(jié)果，其中，定義/表示待重建的圖像，f』
表示該圖像內(nèi)的第j個像素，A表示投影矩陣，聲表示投影數(shù)據(jù)，定義層析掃描過程中X射線曝光M次，而X射線探測器有N個像素単元，則投影數(shù)掘#的長度為MXN，層析圖像重建方法進(jìn)ー步包括設(shè)置迭代圖像初值又=為全O或全I(xiàn) ;和利用采集到的MXN個投影數(shù)據(jù)，按照每條射線依次進(jìn)行修正并加入非負(fù)約束，隨后進(jìn)行TV范數(shù)最小化處理，直到重建圖像J:符合收斂條件。下面詳細(xì)介紹本發(fā)明的基于TV (Total Variation)范數(shù)最小化約束的口內(nèi)X射線層析圖像重建算法。該方法通過求解下述最優(yōu)化方程獲得最終的圖像重建結(jié)果min / s.L Af ニ p，/,. > O(I)其中，/表示被掃描的物體或待重建的圖像，も表示該圖像內(nèi)的第j個像素，A表示投影矩陣，記錄了層析掃描過程中每一條X射線對其經(jīng)過的所有圖像像素的投影貢獻(xiàn)，A的計算與X射線光源點(diǎn)、探測器位置、探測單元尺寸等有關(guān)，可以根據(jù)層析掃描的幾何關(guān)系計算得到。多表示投影數(shù)據(jù)，存儲了每條X射線的投影值。假設(shè)在一次層析掃描過程中X射線曝光M次，即共采集了 M個角度的投影數(shù)據(jù)，而ロ內(nèi)數(shù)字傳感器有N個像素単元，因此，投影數(shù)據(jù)聲的長度為MXN。該層析圖像重建算法過程如下(I)設(shè)置迭代圖像初值/ =，一般為全零或全I(xiàn) ;(2)n=l，利用采集到的MXN個投影數(shù)據(jù)，按照每條射線進(jìn)行修正(2. I)根據(jù)反投影原理，依次取投影數(shù)據(jù)中的第k條射線投影值對重建圖像進(jìn)行修正，k取值從I到MXN，修正公式如下
權(quán)利要求
1.一種牙科X射線層析成像設(shè)備，其特征在于，包括以下部分 掃描控制模塊，所述掃描控制模塊用于發(fā)出曝光脈沖信號控制X光機(jī)曝光，以及發(fā)出采集脈沖信號控制圖像采集控制模塊進(jìn)行采集工作； 所述X光機(jī)，所述X光機(jī)與所述掃描控制模塊相連，用于根據(jù)所述曝光脈沖信號的發(fā)出X射線； 機(jī)械掃描裝置，所述機(jī)械掃描裝置用于帶動所述X光機(jī)運(yùn)動到不同位置，以完成層析掃描過程； 所述圖像采集控制模塊，所述圖像采集控制模塊與X射線探測器相連，用于根據(jù)所述采集脈沖信號對所述X射線探測器的探測結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換、數(shù)字化和傳輸，所述圖像采集控制模塊的采集結(jié)果為多張不同角度的X射線透視圖像； 所述X射線探測器，所述X射線探測器用于探測X射線； 層析圖像重建模塊，所述層析圖像重建模塊用于將所述多張不同角度的X射線透視圖像進(jìn)行圖像重建，獲得待成像組織不同位置處的多張斷層圖像作為圖像重建結(jié)果；以及圖像顯示模塊，所示圖像顯示模塊用于將所述圖像重建結(jié)果顯示給用戶， 其中，所述X射線探測器置于病人ロ中，以使待成像部位位于所述X光機(jī)和所述X射線探測器之間，所述X光機(jī)在隨著所述機(jī)械掃描裝置運(yùn)動過程中，發(fā)出的X射線始終經(jīng)過所述X射線探測器。
2.如權(quán)利要求I所述的牙科X射線層析成像設(shè)備，其特征在于，所述曝光脈沖信號與所述采集脈沖信號的時序匹配。
3.如權(quán)利要求I所述的牙科X射線層析成像設(shè)備，其特征在于，還包括病人信息管理模塊、圖像標(biāo)注與管理模塊和診斷報告生成模塊。
4.如權(quán)利要求I所述的牙科X射線層析成像設(shè)備，其特征在于，所述機(jī)械掃描裝置進(jìn)ー步包括 裝載臺，所述X光機(jī)安裝、固定在所述裝載臺上；和 滑軌，所述滑軌用于限定所述裝載臺的運(yùn)動軌跡， 其中，所述滑軌為圓弧形，并且所述滑軌的圓弧的圓心與所述X射線探測器位置重合。
5.如權(quán)利要求4所述的牙科X射線層析成像設(shè)備，其特征在于，所述掃描控制模塊包括多個觸發(fā)器，多個所述觸發(fā)器安裝在所述滑軌的特定位置上，當(dāng)所述裝載臺帶著所述X光機(jī)經(jīng)過所述滑軌的特定位置時，所述觸發(fā)器發(fā)出所述曝光脈沖信號和所述采集脈沖信號。
6.如權(quán)利要求I所述的牙科X射線層析成像設(shè)備，其特征在于，所述層析圖像重建模塊中，通過求解最優(yōu)化方程π ||/||π/ s.L Af = Pifj ^ O獲得最終圖像重建結(jié)果，其中，定義/表示待重建的圖像，&表示該圖像內(nèi)的第j個像素，A表示投影矩陣，聲表示投影數(shù)據(jù)，定義層析掃描過程中X射線曝光M次，而所述X射線探測器有N個像素単元，則投影數(shù)據(jù)聲的長度為MXN，所述層析圖像重建模塊進(jìn)一歩包括初始化模塊，其中，所述初始化模塊設(shè)置迭代圖像初值/=°為全O或全I(xiàn) ;和迭代計算模塊，其中，所述迭代計算模塊利用采集到的MXN個投影數(shù)據(jù)，按照每條射線依次進(jìn)行修正并加入非負(fù)約束，隨后進(jìn)行TV范數(shù)最小化處理，直到重建圖像/:'符合收斂條件。
7.一種牙科X射線層析成像方法，其特征在于，包括以下步驟掃描控制模塊發(fā)出曝光脈沖信號控制X光機(jī)曝光，并且發(fā)出采集脈沖信號控制圖像采集控制模塊進(jìn)行采集工作； 所述X光機(jī)隨機(jī)械掃描裝置運(yùn) 動，所述X光機(jī)接收到所述曝光脈沖信號后發(fā)出X射線，以完成不同角度的X射線掃描； 所述圖像采集控制模塊接收到所述采集脈沖信號后，控制所述X射線探測器進(jìn)行X射線探測，并探測結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換、數(shù)字化和傳輸，所述圖像采集控制模塊的采集結(jié)果為多張不同角度的X射線透視圖像； 層析圖像重建模塊從所述圖像采集控制模塊接收所述多張不同角度的X射線透視圖像，進(jìn)行圖像重建，獲得待成像組織不同位置處的多張斷層圖像作為圖像重建結(jié)果；以及 圖像顯示模塊將所述圖像重建結(jié)果顯示給用戶， 其中，所述X射線探測器置于病人ロ中，以使待成像部位位于所述X光機(jī)和所述X射線探測器之間，所述X光機(jī)在隨著所述機(jī)械掃描裝置運(yùn)動過程中，發(fā)出的X射線始終經(jīng)過所述X射線探測器。
8.如權(quán)利要求7所述的牙科X射線層析成像方法，其特征在于，所述曝光脈沖信號與所述采集脈沖信號的時序匹配。
9.如權(quán)利要求7所述的牙科X射線層析成像方法，其特征在干，還包括管理病人信息、對圖像進(jìn)行標(biāo)注和管理，以及生成診斷報告。
10.如權(quán)利要求7所述的牙科X射線層析成像方法，其特征在于，所述X光機(jī)隨機(jī)械掃描裝置運(yùn)動進(jìn)一歩包括 將所述X光機(jī)安裝、固定在所述機(jī)械掃描裝置中的裝載臺上；所述裝載臺沿著所述機(jī)械掃描裝置中的滑軌運(yùn)動，其中，所述滑軌為圓弧形，并且所述滑軌的圓弧的圓心與所述X射線探測器位置重合。
11.如權(quán)利要求10所述的牙科X射線層析成像設(shè)備，其特征在于，當(dāng)所述裝載臺帶著所述X光機(jī)經(jīng)過所述滑軌的特定位置時，觸發(fā)所述掃描控制模塊發(fā)出所述曝光脈沖信號和所述采集脈沖信號。
12.如權(quán)利要求7所述的牙科X射線層析成像設(shè)備，其特征在于，所述層析圖像重建方法中，通過求解最優(yōu)化方程s.t. Af = PAi > O獲得最終圖像重建結(jié)果，其中，定義/表示待重建的圖像，も表示該圖像內(nèi)的第j個像素，A表示投影矩陣，多表示投影數(shù)據(jù)，定義層析掃描過程中X射線曝光M次，而所述X射線探測器有N個像素単元，則投影數(shù)據(jù)聲的長度為MXN，所述層析圖像重建方法進(jìn)ー步包括 設(shè)置迭代圖像初值/=°為全O或全I(xiàn) ;和 利用采集到的MXN個投影數(shù)據(jù)，按照每條射線依次進(jìn)行修正并加入非負(fù)約束，隨后進(jìn)行TV范數(shù)最小化處理，直到重建圖像符合收斂條件。
全文摘要
本發(fā)明提出一種牙科X射線層析成像設(shè)備及方法，其中該設(shè)備包括掃描控制模塊，用于發(fā)出曝光脈沖信號控制X光機(jī)曝光，以及發(fā)出采集脈沖信號控制圖像采集控制模塊進(jìn)行采集工作；X光機(jī)；機(jī)械掃描裝置，用于帶動X光機(jī)運(yùn)動到不同位置以完成層析掃描過程；圖像采集控制模塊對X射線探測器的探測結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換、數(shù)字化和傳輸；X射線探測器；層析圖像重建模塊，用于將采集到的多角度的X射線透視圖像進(jìn)行圖像重建，獲得待成像組織多位置斷層圖像；以及圖像顯示模塊，其中，待成像部位位于X光機(jī)和X射線探測器之間，且X光機(jī)發(fā)出的X射線始終經(jīng)過X射線探測器。本發(fā)明具有成本較小、成像速度快且成像效果好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號A61B6/14GK102860838SQ201210340050
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者李亮, 陳志強(qiáng), 趙自然, 唐志宏, 張麗 申請人:清華大學(xué)