CN102711621B - 用于牙科的计算机断层摄影设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种设计用于牙科用途的计算机断层摄影设备，其包括支撑成像装置并被布置为借助致动器可转动的第一臂部件，以及支撑第一臂部件并被布置为借助致动器可转动的第二臂部件。致动器被布置为是可受控制的，从而在成像处理期间，所述第一臂部件不旋转，而是相对于所述第二臂部件保持其位置，而所述第二臂部件围绕其旋转轴旋转。
Description
技术领域
本发明涉及一种设计用于牙科的计算机断层摄影设备，尤其涉及一种用于在成像处理期间控制成像设备的臂构造的运动的布置。
背景技术
医学X-射线成像历史悠久。最早的技术基于对正被成像的对象的透照。透照中，可能在辐射方向上重叠的正被成像的体积的所有解剖结构被逐个层叠地成像在胶片上。关于层成像，即所谓的断层摄影成像，在另一方面，可以通过使得对象的其他层模糊化，而使得对象的期望层得以更清楚地成像，以获得图像。根据成像过程，通过在辐射期间或各独立辐射间的成像事件期间以受控方式改变成像装置和对象的相对位置，以实现模糊化。尤其是随着计算机和数字成像的改进，已经发展了大量不同的断层摄影成像技术和设备。
在牙科领域，就成像技术而言，口腔内和头影测量成像由于通过透照成像实现因而更为简单，除此之外，通常还可以使用所谓的全景成像，其中通常在一个平面上成像包括整个齿弓的层。在常规基于胶片的全景成像中，使用窄射束扫描整个齿弓，从而在可转动臂部件被转动并且与臂部件一同移动的胶片以满足所述成像过程的成像条件的速度被传送通过由辐射源产生的窄射束的同时，所述臂部件的旋转中心被线性传送，其中成像装置已被大致定位在该臂部件的相对端。在数字全景成像中，在成像扫描期间从传感器读取图像数据的频率与该胶片移动速度相应。
在牙科领域，业已经开始采用早期主要地用于医院环境中的计算机断层摄影（CT）。由此，考虑到设备的尺寸，并且尤其考虑到其价格，无法将这些在医院使用的大型且昂贵的CT设备转用至典型的牙科诊所环境。
在成像技术上，现今已知若干不同的CT技术。在CT成像中，从不同的方向辐射待成像的体积，并且随后根据由此获得的数据重建期望的二维或三维图像。原则上，使用这种技术，尤其还能够重建在齿弓一部分、或者如果需要在整个齿弓的平面上展开的二维图像。至于计算机断层摄影的原理及其不同的应用，可以参考本领域的文献，诸如ComputedTomography:Principles,Design,ArtifactsandRecentAdvantages,JianHsich,SPIEPRESS,2003,Bellingham,Washington,USA.
计算机断层摄影的一种形式是所谓的锥形束CT（CBCT），其中作为与例如在全景成像和常规CT成像中使用的窄射束的区别，可以使用尺寸基本等于待成像的体积的波束，并且相应地采用尺寸对应于该射束尺寸的检测器，来代替槽传感器。相比于若干更为常规的CT成像技术，CBCT技术能够实现显著更小的辐射剂量以及更短的成像时间。
在略述和实施用于牙科的一些CT方案中的典型启始点已经将成像装置布置到相对大型的稳定支撑构造，其中将患者定位在成像装置之间的椅子上的就座位置，并且通过移动椅子实现患者位置和成像装置的可能相对运动，用于定位就绪以成像期望体积的成像装置。另一方面，例如，美国专利公开6,118,842概述了一种基于传统牙科全景设备的结构，能够借助于包括成像装置的臂部件的移动机构而关于旋转中心转动成像装置，并且改变旋转中心的位置。该设备的尺寸以及在该设备中使用的检测器的尺寸允许采集信息用于重建头骨特定部分的体积，但是如果需要通过设备重建较大的、若干或例如相邻的体积，则必须通过首先根据待成像的新目标区域来布置对象和成像装置的相对位置以进行重复成像。
能够通过成像装置的一次旋转而成像的体积尺寸可以随着所谓偏移成像而增加。实现这种成像的一种已知方式是在成像之前将可移动的成像传感器布置为相对于目标区域处于如下位置处：当旋转成像装置时，在每个时刻，期望被成像区域的仅一部分处于波束中，但是当完成整个旋转时，已经以实质上至少180度的角度范围覆盖了目标区域的所有局部区域。相应的结果也可通过移动成像装置的旋转中心的位置达到，诸如结合在美国专利文献7,486,759中所述的设备，该文献随附于此以更全面地描述根据现有技术的偏移成像的原理。然而，在美国专利文献7,486,759中所述设备的一个问题在于将旋转中心位置布置为移动需要复杂的机械设置。
本发明及其优选实施例的一个目的在于提供一种新颖的解决方案，其与以常规方式使用臂部件而实现成像时相比，可用于在一次成像中成像更大的体积；在该解决方案中，彼此相隔一定距离地布置辐射源和图像信息接收器，并且其中所述的臂部件的旋转中心以及射束的中心轴两者在图像处理的整个持续时间内都被布置以行进并保留在期望被成像的区域中间内。
发明内容
在所附专利权利要求中描述了本发明的本质特征。根据本发明的牙科CT设备实质上包括控制系统和一组臂，其在上述对称成像模式之外允许的成像处理期间，控制被布置以转动该设备的至少一个臂部件的致动器从而该组臂中支撑成像装置的第一臂部件不旋转，而是关于该组臂的第二臂部件维持其位置，同时所述第二臂部件围绕其自身的旋转轴旋转。当在这一布置中第一和第二臂部件的定向被不平行地设置时，与根据其中射束的旋转中心固定的现有技术的常规成像相比，可以采集更大目标体积的区域的信息。
相比于现有技术的一些布置，本发明允许成像更大的体积，而无需布置用于支撑辐射源和设备的成像传感器的臂部件的器件，以例如用来相对于支撑成像传感器的臂部件而移动成像传感器。另外，还可以避免由例如将射束非对称地准直在传感器上和/或当从第一成像模式改变成第二成像模式时对成像设备的再校准而引起的问题。同样地，无需在支撑成像装置的臂部件中布置器件以移动臂部件的旋转轴位置，并且仍然能够实现整个成像事件，而无需移动患者或患者支撑装置。本发明允许使用同一设备而进行牙科全景成像以及针对若干不同尺寸的体积的成像。
附图说明
接下来还将参考附图更详细地描述本发明、其优选实施例及其目的和优点，在附图中：
图1a-1c示出了根据现有技术的成像模式，其中臂部件支撑成像装置围绕所述臂部件的旋转中心转动，
图2a-2c示出了根据本发明的成像模式，其中成像期间的运动借助于用于对支撑成像装置的臂部件进行支持的臂部件的旋转运动实现，
图3a-3c示出了根据图2的布置的特定情况，其中支撑成像装置的臂部件的定向平行于用于对支撑成像装置的臂部件进行支持的臂部件，
图4示出了可用于本发明的计算机断层摄影设备的一个解决方案的简化侧视图，以及
图5a和5b示出了在根据本发明的不对称成像期间的辐射脉冲调制。
具体实施方式
图1a-1c示出了在一设备中根据现有技术的CT成像模式，其中所述设备包括具有成像装置（辐射源14和图像信息接收器15）的第一臂部件11以及支撑所述臂部件11的第二臂部件12。第一臂部件11被布置为相对于第二臂部件12围绕连接所述臂部件11、12的第一旋转轴21可转动。辐射源14和图像信息接收器15被彼此相隔一定距离地布置在第一臂部件11上并位于旋转轴21的相对侧。该设备包括未在附图中示出的控制系统，以及至少一个致动器31（参见图4），其被布置为至少驱动第一臂部件11围绕其旋转轴21转动。用于对支撑成像装置14、15的臂部件11进行支持的臂部件12，进一步由支撑臂13支撑在支撑结构10上。
图1a-1c例示了支撑成像装置14、15的臂部件11如何能够借助于致动器31而围绕被保持就位的旋转轴21旋转。通过使用具有期望宽度和高度的传感器15（图像信息接收器）以及如根据现有技术而准直至相应尺寸的射束，可以使得从不同方向对位于支撑成像装置14、15的臂部件11之下的成像器件处的对象曝光（为清楚和通用性起见，本文中的待成像的对象绘制成“骨”，而非头骨或牙齿，这是考虑本发明时的实际情况），随后以已知方式重建为对由此采集的图像信息的期望计算机断层摄影图像。
在根据图1a-1c的装置中，用于对支撑成像装置14、15的臂部件11进行支持的臂部件12经由第二旋转轴22而被布置在其支撑臂13上。这一布置还允许未在附图中示出的成像模式，例如全景成像，其中支撑成像装置的臂部件11的旋转中心21在成像期间移动。而且，当支撑臂13也被布置为关于其自身的旋转轴23可转动时，支撑成像装置14、15的臂部件11能被自由定位在一组臂部件11、12、13的操作范围内，这提供了用于实现各种成像几何形状的通用备选方案。
图2a-2c示出了如图1a-1c中所示的臂结构，但是现被布置为实现根据本发明的成像模式。在该布置中，支撑成像装置14、15的第一臂部件11被驱动关于第二臂部件12处于期望角度，并且在成像期间关于第二臂部件12保持固定，而成像装置14、15在成像期间的实际运动则通过驱动第二臂部件12围绕其旋转轴22实现。与图1a-1c的情况相反，在该布置中，射束不连续地覆盖期望被成像的整个区域，并且辐射源14产生的射束中心轴也不连续地行进通过期望被成像的区域中心，但是关于待成像的区域不对称，这是因为臂构造必须被整个360度地转动以覆盖期望被成像的整个体积。然而，与根据图1a-1c的对称情况相比，该非对称成像几何形状确保在360度旋转之后能从更大区域收集用于反投影的信息。
能够使用根据图2a-2c的成像模式成像的体积尺寸取决于第一臂部件11和第二臂部件12之间的角度，其中该第一臂部件11和第二臂部件12已被布置为在成像期间相对彼此不可旋转。图3a-3c示出了根据图2a-2c的布置的特定情况，其中第一臂部件11和第二臂部件12在成像期间被平行定向。但是，与根据图1a-1c的布置相比，根据图3a-3c的布置提供了对更大体积的成像，因为在正被成像的区域中的射束宽度大于根据图3a-3c的情况。这一差别的幅度取决于第二臂部件12的长度，即本文中正被成像的区域中心以相距辐射源14比图1a-1c的情况更远的第二臂部件12长度的距离而被定位。
在根据图3a-3c的成像中，放大率与根据第一臂部件11和第二臂部件12的长度的图1a-1c成像中的不同。然而，当在图3a-3c中所示的布置中正被成像体积的尺寸和放大率相比于根据图1a-1c的成像而有所增加时，如果第一臂部件11被转动180度至与图3a-3c中所示的不同位置，那么所述尺寸和放大率以相应地方式自然减少。
本发明的一个优选实施例（同样未附图中独立示出）包括在相反旋转方向上进行的两种运动，第一运动例如根据图2实现：具有第一臂部件11和第二臂部件12之间的恒定角“alpha”，但是现使用仅180度的转动角，而类似地进行具有相等转动角的返回运动，但是在所述臂部件之间具有角度“-alpha”。当以这一方式操作时，该组臂的旋转机构更易于实现，因为无需考虑360度旋转而引起的技术问题。更一般地，在该成像模式中，第一运动及其反向运动的旋转角度并非必须具体为180度，而是通过改变该旋转角以及另一方面以相应方式的所述角度“alpha”，能够实现相同的最终结果。自然地，使用与图2a-2c中所示不同的臂结构，也可以实现相同的原理。
根据本发明的设备可以如图4中简化地示出那样来实现。支撑结构10在图4中实现为垂直主体部件10，其对支撑臂13以及连接至其上的第一臂部件11和第二臂部件12进行支持。支撑成像装置14、15的第一臂部件11被布置为围绕支撑在第二臂部件12上的旋转轴21可旋转，而第二臂部件12则围绕支撑在支撑臂13上的旋转轴22可旋转。在图4中，第一致动器31和第二致动器32被布置为与旋转轴21、22连接，其能够在所述设备的控制系统的控制下驱动第一臂部件11和第二臂部件12。根据本发明，控制系统包括控制例程，用于至少根据图1a-1c以及另一方面根据图2a-2c而实现成像。原则上，仅由一个致动器进行的合适布置就能实现对第一臂部件11和第二臂部件12的驱动。在根据图4的布置中，支撑臂13还能被布置为在第三致动器33的驱动下相对于支撑结构10可转动。可以将外壳部件10布置为具有图4未示出的垂直运动。该设备典型地还包括患者支撑装置16，其在根据图4的布置中被布置在主体部件10内。支撑臂13还可以例如附连至天花板或墙，籍此患者支撑装置16可以相对于设备的一组臂11、12、13被布置在一些其他固定位置内。
在根据图4的具有垂直主体部件10的设备中，可以实现垂直运动，例如使得患者支撑装置16沿着臂结构11、12、13的垂直运动而移动，或者使得患者支撑装置16和臂结构11、12、13被提供有彼此独立的垂直移动自由度。使用这类构造，正被成像的体积的位置可被布置在位于该组臂11、12、13在水平和垂直方向上的操作范围内的期望点处，而无需移动患者。
根据本发明的成像设备能被布置为与独立的计算机连接，从而CT设备自身没有必要一定包括用于处理传感器15检测到的信息的装置。在设备中使用的传感器15例如可以是CMOS传感器或者基于所谓直接检测的传感器。可以使用由此已知的方法（所谓的滤波或迭代反投影算法）从传感器所检测到的信息重建图像。
在根据本发明的设备中，旋转轴21、22的期望坐标以及臂部件11、12、13的定向可被布置为经由用户界面可输入设备的控制系统，或者设备可以配备有例如已知为这种或一些其他相应布置的定位灯，期望坐标可被布置为经由这些定位灯自动传输至控制系统。控制系统还可以包括用于成像装置14、15的一个或多个预设位置以及可以覆盖一种以上体积的控制例程。在这种情况下，控制例程可以包括控制命令，用于将第一臂部件11和第二臂部件12驱动至被预设或输入控制系统中的成像起始位置。
根据本发明的CT设备的成像装置包括基本上在CBCT成像中使用的区域传感器，所谓的帧传感器（framesensor）。传感器的有效表面可以是圆形的、矩形的或者二次曲面，其直径或边长为10-20cm的量级。通过布置由辐射源产生的波束准直对应于这种传感器的尺寸并且通过使用例如50-60cm量级的SID（源像距离），根据本发明的设备可以成像位于齿弓区域中若干尺寸的图像体积。
在根据图2a-2c的布置中，当根据图1a-1c和3a-3c操作时，即使180度的运动给出了反投影的足够信息，也必须围绕期望被成像的区域旋转360度。较宽的旋转角导致了较长的成像时间，并且因而尤其导致了辐射源负荷的增加。由此，设备的控制系统优选地配备有控制例程以一方面允许辐射源14的脉冲操作，另一方面存储由成像传感器15检测到的信息和/或周期性地对其进行转发。优选地，传感器的信息被布置为每秒可读数次，诸如举例而言，每秒大于10次。优选的是，将辐射的周期性与传感器的操作同步化，从而始终在从传感器中读取信息时中断辐射。频率优选地被布置为至少使得辐射脉冲的持续时间对应于射束在正被成像体积中行进的最大距离，后者则对应于旨在于重建中使用的体素尺寸——或者换句话说，辐射脉冲的持续时间被布置为短于射束在正被成像的体积中转动一定距离所需的最大时间，所述距离对应于旨在于重建中使用的体素尺寸。辐射脉冲的持续时间也能被布置为更短，甚至比成像传感器在成像期间移动一个传感器像素的距离所需的时间显著要短。成像传感器的像素尺寸可被布置为200μm的量级，并且随着技术改进可以更小。成像传感器被布置为功能连接至计算机，该计算机包括用于根据传感器检测到的信息而重建二维和/或三维图像的装置。
根据本发明的一个优选实施例，代替常规使用的恒定周期脉冲调制，调整辐射源的脉冲调制，从而脉冲的起始频率保持恒定，但每个脉冲的持续时间则是基于某一时刻的相应阳极电流来确定的。这一布置是基于对辐射源产生的光谱并不是典型地作为时间的函数保持恒定这一技术问题的补偿。因而，在这一布置中，辐射源的阳极电流被测量并且根据现有技术的布置而有所不同，其中例如基于这种测量而调整辐射源的加速电压，而本文中控制脉冲的持续时间。所述控制被进行以使得每个脉冲产生的辐射剂量（mA×s）保持恒定，即脉冲在电流积分到达预设水平的瞬间被终止。这种控制要快于例如所述电压控制，并且关于成像，保持实际剂量恒定比间接影响剂量的电压更为相关。对辐射源的这种精确调整在根据本发明的偏移成像中尤为有利，在根据本发明的偏移成像中，成像过程会由于成像装置转动整个360度（这需要时间）而变得相当长，并且于是辐射源的负载变得大。
在图5a和5b中例示了上述控制。图5a示出了理想情况下作为时间函数的脉冲阳极电流，籍此辐射源以恒定频率产生幅度和持续时间恒定的脉冲。此外，图5b示出了根据本发明的实际脉冲调制，其中仍然以恒定频率产生脉冲，但是其中通过将脉冲的持续时间调整为更长或更短来补偿在阳极电流测量中检测到的与设定值的偏离值，从而如图5b中的区域所示，积分维持恒定。
图5b的最后一个脉冲例示了即使在单个脉冲期间，阳极电流也并非必须恒定，但是根据本发明的该实施例，通过根据每个脉冲期间阳极电流改变的方式而切断管电压，以补偿脉冲期间发生的改变。
对于本领域技术人员而言显见的是，尤其是随着技术的改进，本发明的基本概念可以以许多不同的方式实施，并且其不同的实施例不局限于上述示例，而是可在由所附权利要求限定的范围内变化。作为一个示例，能够注意到，本文中所使用的术语“旋转轴”并不旨在被狭义地理解为物理轴，而是其可以指代提供相应功能的任意虚拟轴或物理枢轴、轴承或一些其他结构。
Claims (15)
1.一种牙科计算机断层摄影设备，包括
-第一臂部件(11)，被布置为借助第一致动器(31、32、33)围绕第一基本竖直的旋转轴(21)可转动，辐射源(14)和图像信息接收器(15)彼此相距一定距离地布置在臂部件(11)上且位于所述旋转轴(21)的相对侧，
-第二臂部件(12)，被布置为围绕第二基本竖直的旋转轴(22)可转动，该第二臂部件(12)被布置为支撑所述第一臂部件(11)，以及
-控制系统，用于控制包括所述第一致动器的至少一个致动器(31、32、33)以驱动所述第一臂部件和所述第二臂部件(11、12)、辐射源以及图像信息接收器(15)，该控制系统包括第一控制例程，其在辐射正被生成的时段期间控制包括所述第一致动器的所述至少一个致动器(31、32、33)，从而第一臂部件(11)围绕所述第一基本竖直的旋转轴(21)旋转，
其特征在于
-该控制系统包括第二控制例程，其控制所述设备的包括所述第一致动器的所述至少一个致动器(31、32、33)，从而在辐射正被生成的时段期间，所述第一臂部件(11)不旋转，而是相对于所述第二臂部件(12)保持在其位置，而所述第二臂部件(12)围绕其旋转轴(22)旋转。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二控制例程包括在实际成像处理之前，将第一臂部件(11)关于第二臂部件(12)的定向驱动至期望角度的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第二控制例程包括围绕其旋转轴转动第二臂部件(12)基本达360度。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二控制例程包括在实际成像处理之前，将第一臂部件(11)驱动至与所述第二臂部件基本平行的步骤。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一臂部件(11)经由第一臂部件的旋转轴(21)而由所述第二臂部件(12)所支撑。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一臂部件(11)和所述第二臂部件(12)的旋转轴(21、22)基本平行，和/或两者之间的距离恒定。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制系统包括一控制例程，该控制例程包括控制命令，用于将所述第一臂部件(11)和第二臂部件(12)转移至成像的预设起始位置或预先输入控制系统中的位置。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述图像信息接收器(15)被布置在距所述辐射源(14)50至60cm量级的距离处。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述图像信息接收器(15)是区域传感器，其是圆形、矩形或者二次曲面的，并且其直径或边长为10至20cm的量级。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述图像信息接收器(15)被设置为每秒多次地保存和/或转发其已经接收到的信息。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述图像信息接收器(15)被设置为每秒多于十次地保存和/或转发其已经接收到的信息。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制系统被设置为控制所述辐射源(14)以产生脉冲辐射。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，至少所述第二控制例程包括调整辐射脉冲的持续时间以使得辐射源的阳极电流被测量并且脉冲始终在电流积分到达预设值的时间点终止。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述控制系统被设置为控制在辐射已被中断的那些时刻发生从所述图像信息接收器(15)的信息读取。
15.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，单个辐射脉冲的持续时间被设置为短于射束在正被成像的体积中转动与旨在于重建中使用的体素尺寸相对应的距离所需的最大时间，或者短于或显著短于在成像一个传感器像素的距离期间所述图像信息接收器(15)移动所经历的时间。
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