CN101953694A

CN101953694A - 医用和工业用x射线实时立体成像装置

Info

Publication number: CN101953694A
Application number: CN 201010271777
Authority: CN
Inventors: 王经瑾; 宋征
Original assignee: BEIJING RISEHOOD RADIATION INFORMATION SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING RISEHOOD RADIATION INFORMATION SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: CN101953694B

Abstract

本发明涉及一种医用和工业用X射线实时立体成像装置。属于射线成像设备技术领域。包括：具有双视角的X射线源，能快速交替发射两个视角的X射线；用于接收X射线图像并实现数字化的X射线图像探测器，能同步获取左右眼图像进行立体化处理的计算机；用于观测立体图像的立体显示器；以及使所述的X射线源和X射线图像探测器在一定距离内产生移动或转动的X光机台架。本成像装置可以在手术中实时显示人体或物体的三维透视图像，并通过三维坐标和三维鼠标对器官、手术器械进行三维定位；也可在无损检测或安检排爆中实时显示被检物体的X射线三维图像和内中部件的三维定位。实时性好，成本低，照射量低。

Description

医用和工业用X射线实时立体成像装置

技术领域

本发明涉及一种医用和工业用X射线实时立体成像装置，属于医学和无损检测的射线成像技术领域。

背景技术

X射线成像设备已广泛应用于医学诊断、微创手术和工业无损检测。目前国内外生产的X射线成像设备，除CT外，多属平面成像系统，获取的都是两维平面透视图像，不能识别人体或物体的深度结构。而介入人体的手术器械和人体器官的位置关系，对精确治疗关系重大；工业无损检测同样需要探知深度结构的信息。在原理上，采用CT技术可以精确进行三维成像和定位，但CT设备庞大昂贵，而且剂量高，扫描时间长；不适于在手术中或现场工业无损检测中实时成像。为此，近年有的公司利用可旋转和平移的X射线机(例如有C形臂的)，开发了从3个正交方向各拍一幅两维图像，同时显示在计算机屏幕上的技术；可以提供一定的三维投影信息。但是医生或无损检测人员要像看工程图纸那样，从正视图、顶视图和侧视图来自己综合出三维信息，十分费力和不直观。而且每次更新图像都要使X射线成像装置进行三次大角度的精确对准指定中心旋转，机构运动幅度大，定位要求高，还延长了宝贵的手术时间和增加病人和医生受到的辐射剂量。

发明内容

本发明的目的是提出一种医用和工业用X射线实时立体成像装置，用简便、快速和低剂量的办法实现X射线实时立体成像，以实现医疗手术和工业无损检测上的动态立体透视。

本发明提出的医用和工业用X射线实时立体成像装置，包括：

双视角X射线源，用于产生两个视角的X射线，X射线对检测目标进行立体成像；

X射线图像探测器，用于探测X射线对被测物体的透视图像，并将探测的图像发送至计算机，X射线图像探测器与计算机通过信号线相连；

X射线机运动台架，用于使所述的双视角X射线源和X射线图像探测器围绕检测目标运动，所述的双视角X射线源固定在X射线机台架的一侧，所述的X射线图像探测器固定在X射线机台架的与检测目标相对的另一侧；

计算机，用于驱动视角变换和同步获取两个视角的透视图像，并根据透视图像产生驱动各种立体图像显示器的图像数据和三维空间坐标；

视角变换驱动电路，用于根据计算机产生的视角变换控制码驱动双视角X射线源或X射线机运动台架，视角变换驱动电路的输入端与计算机相连，视角变换驱动电路的输出端与双视角X射线源或X射线机运动台架相连。

上述立体成像装置中，所述的双视角X射线源，包括两个X光管，两个X光管的阳极和阴极分别与高压电源相连；所述的X光管由阳极、阴极和控制栅极组成，所述的阳极和阴极分别固定在X光管的两端管壳上，所述的控制栅极套在阴极上，并与管壳固定，两个控制栅极的输出管脚分别与脉冲发生器相连。

上述立体成像装置中，所述的双视角X射线源，包括两个X光管和斩波轮，所述的X光管由阳极和阴极组成，所述的阳极和阴极分别固定在X光管的两端管壳上；所述的斩波轮置于两个X光管靶点的前方。

上述立体成像装置中，所述的双视角X射线源，包括两个X光管，两个X光管的阳极和阴极分别与高压电源相连；所述的X光管由阳极和阴极组成，所述的阳极和阴极分别固定在X光管的两端管壳上，两个X光管的阳极和阴极分别连接到各自的高压电源上。

上述立体成像装置中，所述的双视角X射线源，包括一个X光管，X光管的阳极和阴极分别与高压电源相连；所述的X光管由阳极和阴极组成，所述的阳极和阴极固定在X光管的两端管壳上，X光管的阳极连接到高压电源。

本发明提出的医用和工业用X射线实时立体成像装置，其优点是：

1、本发明立体成像装置的三维成像速度快，实时性强；可达到动态实时显示。已有的采用CT或三正交方向成像来获取三维信息，图像获取时间以分计，而本发明的成像装置图像获取时间以几十分之一秒计。

2、本发明装置的三维图像视觉直观。已有的CT重建的是平面显示器上的三维图像，三正交方向成像显示的只是三个正交的平面视图，没有立体视觉。而本发明利用了人的立体视觉，可直观看到浮在眼前的立体图像和三维坐标。

3、使用本发明装置时辐射剂量低。已有的CT成像要进行几百个视角的透视，三正交方向成像也要进行三个视角的透视，照射时间长，辐射剂量高，对人体伤害较大。而本发明只需进行两个视角的透视，辐射剂量低得多。

4、本发明装置在操作过程中机械运动范围小。已有的CT成像要使X射线源和X射线探测器围绕被检目标作360度旋转，比较难用于直视手术和现场应急安检；已有的三正交方向成像可用于直视手术和现场应急安检，但成像系统的台架要进行三个90度大转角运动。本发明采用双视角X射线源的，完全没有成像系统的台架运动；本发明装置若采用单管X射线源，台架仅需转动几度就可完成立体成像。

5、本发明成像装置的造价低，远低于已有的CT扫描设备，降低设备成本易于推广应用。

附图说明

图1是本发明提出的医用和工业用X射线实时立体成像装置的结构示意图。

图2是图1所示的立体成像装置中双视角X射线源的第一种结构示意图，即安置了控制栅极的X射线源。

图3是图1所示的立体成像装置中双视角X射线源的第二种结构示意图，即没有安置控制栅极的X射线源，其中图3(a)控制两个X光管各自的高压电源，图3(b)用斩波轮控制两个X光管的输出。

图4是图3(b)所示的双视角X射线源的工作示意图。

图5是图3(b)所示的双视角X射线源中斩波轮的结构示意图。

图6是本发明提出的医用和工业用X射线实时立体成像装置的第三种结构形式，即采用单X光管三维成像装置的结构示意图。

图7是用于观察本发明提出的X射线实时立体成像装置的头箍式额前三维图像显示器的结构示意图。

图8是是视角变换驱动电路原理图。图8的FPGA像功率放大器一样，是常用集成电路。

图1-图8中，1是双视角X射线源，1-1是X光管，1-2是X光管阳极，1-3是X光管阴极，1-4是X光管控制栅极(控栅)，1-5是X光管的高压电源，1-6是X光管的控栅脉冲发生器，1-7是双视角X光源的斩波轮，1-7-1是开槽，1-8是斩波轮轴，1-9是斩波轮轴承，1-10是驱动斩波轮的步进马达；2是用于左眼成像的X射线；3是用于右眼成像的X射线；4是X射线图像探测器；5是同步获取左右眼图像并驱动三维图像显示和三维坐标显示的计算机；6是头箍式额前X射线三维图像显示器，6-1是左眼图像显示屏，6-2是右眼图像显示屏，6-3是头箍；7是显示补色三维图像的显示器；8是观察补色三维图像的红青或红绿眼镜；9是具有偏转光栅的直视立体显示器；10是视角变换驱动电路；11是运动台架基座，12是运动台架高度调节柱，13是运动台架旋转轴，14是运动台架旋转臂。

具体实施方式

本发明提出的医用和工业用X射线实时立体成像装置，其结构如图1所示，包括：

双视角X射线源1，用于产生两个视角的X射线2和3，X射线对检测目标进行立体成像；

X射线图像探测器4，用于探测X射线对被测物体的透视图像，并将探测的图像发送至计算机，X射线图像探测器与计算机通过信号线相连；

计算机5，用于驱动视角变换和同步获取两个视角的透视图像，并根据透视图像产生驱动各种立体图像显示器的图像数据和三维空间坐标；

视角变换驱动电路，用于根据计算机产生的视角变换控制码驱动双视角X射线源或X射线机运动台架，视角变换驱动电路的输入端与计算机相连，视角变换驱动电路的多组输出端与双视角X射线源或X射线机运动台架相连。

本发明装置中，X射线图像探测器4，用于探测X射线对被测物体的透视图像，并将探测的图像发送至计算机5，X射线图像探测器与计算机通过信号线相连。X射线图像探测器4可以使用目前已有的各种X射线图像探测器：图像增强器式的，闪烁屏+CCD式的或平板式的。

使用本发明装置时，可以用多种不同的方法显示得到的立体图像。例如，可以使用头箍式额前X射线三维图像显示器6，其结构如图7所示，与一般以视频切换的眼镜式立体显示器不同，左右眼液晶显示屏6-1和6-2是互相独立的，各自连接到计算机的I/O口，显示计算机5送来的相对静止的左右眼图像和三维坐标，无闪烁感；刷新频率由使用者控制。此立体图像显示器通过头箍6-3固定于额前，戴此显示器的人可以抬眼观察X射线三维图像，又可俯视实物，进行手术或其它操作。

还可以使用补色三维图像的显示器7显示立体图像，这是普通的计算机显示器，显示计算机5送来的补色立体图像(Anaglyph)，通过红青或红绿眼镜8进行观察。计算机获取到“左眼图像”和“右眼图像”后，用专门软件将左右眼图像进行互补色处理。左眼留红色通道，右眼留青色通道(或绿色通道)，然后叠加显示在计算机的屏幕7上。用红青滤色眼镜(或红绿滤色眼镜)8观测时，左眼通过红色镜片只看到左眼图像，右眼通过青色(或绿色)镜片只看到右眼图像，就可形成立体视觉。这种显示方式不要求左右眼图像切换，所显示的立体图像不闪烁伤眼。为了可以方便地在平面图像和立体图像间切换，本发明在屏幕上提供“平面/立体”切换快捷键和可夹在日常眼镜上的可翻动的红青或红绿镜片。平时不戴眼镜的观察者，可戴平光眼镜和可翻动的红青或红绿镜片。

还可以使用具有偏转光栅的直视立体显示器9，用奇数列像素显示左眼图像，偶数列像素显示右眼图像，由偏转光栅分别送入人的左眼和右眼，直接产生立体视觉。计算机5把获取的左眼图像和右眼图像交叉编入显示图像的奇数列和偶数列。

本发明装置中的视角变换驱动电路10，根据计算机产生的视角变换控制码，驱动双视角X射线源或X射线机运动台架，视角变换驱动电路的输入端与计算机相连，视角变换驱动电路的多组输出端与双视角X射线源或X射线机运动台架相连。

本发明装置中的X射线机运动台架，其结构如图1中所示，用于使所述的双视角X射线源和X射线图像探测器围绕检测目标运动，其中11是运动台架基座，12是运动台架高度调节柱，13是运动台架旋转轴，14是运动台架旋转臂。

本发明提出的医用和工业用X射线实时立体成像装置，用三种结构来实现双视角X射线源：

第一种结构利用两个有控栅的X光管。如图2所示，由并排的两个X光管1-1组成X射线源1。调节两个X光管的距离可以调节三维图像的景深。由高压电源1-5供给X光管阳极1-2和阴极1-3间的高压。两管的锥束射线中线都对准图像探测器4的中心。此种X光管在阴极1-3前装有控栅1-4，脉冲电压源1-6输出的极性相反的脉冲电压分别加在两管控栅上，控制两管交替发射X光；计算机5输出控制码到视角变换驱动电路10，通过FPGA(可编程逻辑矩阵)转换为三个脉冲序列(图8自上至下第一组)，经过功率放大后控制脉冲电压源1-6和X射线高压，在两个视角分别发射X射线；并同步接收左眼图像和右眼图像。控制脉冲的重复频率可调，以适应手术或无损检测对图像更新速度的要求。这种电控发射双管X射线源没有机械运动部件，没有机械噪声；立体图像的更新可以达到每秒几十幅以上的实时动态显示速度；例如可实时看到心脏的三维跳动，。

第二种结构利用两个普通的无控栅X光管，如图3所示，由并排的两个X光管1-1组成X射线源1，调节两个X光管的距离可以调节三维图像的景深。两管的锥束射线中线都对准图像探测器4的中心。由高压电源1-5供给阳极1-2和阴极1-3间的高压。图3(a)两管阳极分别接到各自的高压电源1-5，交替开通两管阳极高压来控制两管交替输出X射线。图3(b)两管阳极共同接到同一个高压电源1-5，两管同时发射X射线。在靶点前装一个旋转的机械斩波轮1-7，用于切换两个X光管的射线交替输出。斩波轮1-7装在转轴1-8上，如图4所示，转轴一头由轴承1-9支持，一头由步进电机1-10驱动。斩波轮1-7由铅合金盘或钨盘制成。斩波轮1-7上有奇数开槽1-7-1，如图5所示。计算机5输出控制码到视角变换驱动电路10，通过可编程逻辑矩阵(以下简称FPGA)转换为图8中第二组的两个脉冲序列，经过功率放大后，分别控制图3(a)的两个X射线高压；或转换为图8中第三组的两个脉冲序列，控制图3(b)的步进电机1-10和X射线高压，在两个视角分别发射X射线。计算机同步接收左眼图像和右眼图像。视角变换速率可调，以适应手术或无损检测对图像更新速度的要求，立体图像的更新速度也可以达到每秒几十幅的实时动态成像要求。结构二的优点是可以采用大量生产的普通X光管，但图3(a)的两套高压电源使电气结构复杂，图3(b)的斩波轮有机械旋转噪声。

第三种结构利用已有的医用或工业用X射线机，如图6所示。整体转动X射线源和图像探测器来获得两个视角的透视图像。图6中的X射线源1由单个普通X光管做成，射束中线对准X射线图像探测器4的中心。计算机5输出控制码到视角变换驱动电路10，通过FPGA转换为图8第四组的三个脉冲序列，经过功率放大后，分别控制X射线机台架的转动和X射线高压，在两个视角分别发射X射线，并同步接收左眼图像和右眼图像。这种结构可以直接利用已有的医用或工业用X射线机(例如有C形臂或其它转动台架的)。加上图1那样的三维图像获取、处理和显示部件(5、6、7、8、9、10)，即可进行双视角X射线成像。成本最低，也易于将已有的两维成像射线机升级为三维成像射线机。但这种结构要整体转动X射线源和图像探测器来获取左右眼图像，图像更新时间需几秒钟，属准实时成像。即使如此，由于移动范围仅几度或几厘米，比已有的通过获取三个正交图像来获取三维信息的系统运动范围小得多，速度快得多。

本发明能在直视手术和现场检测中实时提供十分重要的肌体和物体深度信息，弥补两维X射线成像的不足。但看到的是一种浮在眼前的视觉图像。不像两维平面图像或CT三维图像那样易于对机体或物体的内部结构进行定位和测量。为此，本发明设计了三维坐标和三维鼠标，可以在视觉的三维空间显示鼠标所指部位的三维坐标参数。

Claims

1.一种医用和工业用X射线实时立体成像装置，其特征在于，该装置包括：

2.如权利要求1所述的X射线实时立体成像装置，其特征在于，其中所述的双视角X射线源，包括两个X光管，两个X光管的阳极和阴极分别与高压电源相连；所述的X光管由阳极、阴极和控制栅极组成，所述的阳极和阴极分别固定在X光管的两端管壳上，所述的控制栅极套在阴极上，并与管壳固定，两个控制栅极的输出管脚分别与脉冲发生器相连。

3.如权利要求1所述的X射线实时立体成像装置，其特征在于，其中所述的双视角X射线源，包括两个X光管和斩波轮，所述的X光管由阳极和阴极组成，所述的阳极和阴极分别固定在X光管的两端管壳上；所述的斩波轮置于两个X光管靶点的前方。

4.如权利要求1所述的X射线实时立体成像装置，其特征在于其中所述的双视角X射线源，包括两个X光管，两个X光管的阴极和阳极分别与高压电源相连；所述的X光管由阳极和阴极组成，所述的阳极和阴极分别固定在X光管的两端管壳上，两个X光管的阳极分别连接到各自的可控高压电源上。

5.如权利要求1所述的X射线实时立体成像装置，其特征在于，其中所述的双视角X射线源，包括一个X光管，X光管的阴极和阳极分别与高压电源相连；所述的X光管由阳极和阴极组成，所述的阳极和阴极固定在X光管的两端管壳上，X光管的阳极连接到高压电源。