CN102711622B - 用于牙科的计算机断层摄影设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于牙科的计算机断层摄影设备，所述设备包括被布置为可转动的臂部件，辐射源和图像信息接收器彼此相距一定距离地被布置在该臂部件上，所述控制系统控制所述致动器（31、32、32）、辐射源（14）以及图像信息接收器（15）；在所述设备中，所述臂部件（11）被布置为定位或被转移至相对于期望被成像的体积处于这样一个位置以使得当所述臂部件在成像期间被转动至少基本经过角范围时，布置为要被成像的体积的仅一部分位于辐射束内；并且其中所述设备的控制系统包括于是控制辐射源产生脉冲调制辐射的控制例程。
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辐射源的所谓偏移成像及其相关布置。
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进步，已经开发出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所述射束尺寸的检测器，来代替槽传感器。相比于若干更为常规的CT成像技术，CBCT技术能够提供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，但是如果期望获取通过设备重建的较大的、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。
通过成像装置的一次旋转可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。
在上述美国专利文献7,486,759中，所述解决方案的一个基本想法是使用延长持续时间的一次曝光实现360度的成像扫描。这类曝光导致辐射源被证明是有问题的，尤其是在x射线设备被初始设计成导致辐射源更小的这类组合中。
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设备本质上包括使能偏移成像过程的控制系统，该偏移成像过程使得辐射源要少于例如在美国专利文献7,486,759中描述的布置。根据本发明，这可以通过脉冲调制实现，并且优选地，该脉冲调制被实现为受控，从而测量辐射源的阳极电流，并且基于该测量，在需要时调节脉冲的持续时间，以使得每个脉冲产生的辐射剂量总是实质上相同。
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-1b示出了在不对称成像期间根据本发明的辐射脉冲调制。
图2a-2c示出了一种成像模式，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，以及
图3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。
具体实施方式
于是，本发明实质上涉及通过脉冲辐射执行已知与CT成像有关的偏移成像。偏移成像可被定义为一种成像模式，其中，当成像装置在成像期间旋转时，在用于成像的基本或整个角范围上，被布置为要成像的所述体积仅有一部分位于射束中。在典型的偏移成像中需要关于要被成像的区域进行360度的旋转，而在不对称情况下，即便通过180度的运动也将获得用于反投影的足够信息。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。图1a示出了理想情况下在辐射源以规律频率生成幅度和持续时间恒定的脉冲时，作为时间函数的辐射源的脉冲阳极电流。
另一方面，图1b示出了本发明的优选实施例，其中脉冲仍然以恒定频率生成，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1b中的区域所示，积分维持恒定。
图1b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。
更一般的来说，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前述电压控制，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。
本发明中使用的设备的控制系统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检测器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。
辐射的脉冲调制还提供了一种优选方式来实现与偏移成像有关的所谓的双能成像。双能成像已被用于有关确定骨性质的场合。根据本发明，双能成像例如可以通过在成像装置的选择行进时在成像中交替使用由第一和第二电压生成的脉冲来实现，虽然用于改变电压的其他方法显然也是可以使用的。一种方法是以连续序列生成脉冲，其中始终首先由一电压生成若干脉冲，随后由另一电压生成相同个数的脉冲。
图2a-2c示出了用于实现根据本发明的偏移成像的一个优选布置。图中示出了CT设备，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3)，其被布置为至少驱动第一臂部件11和/或第二臂部件12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。(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，这是在考虑本发明时的实际情况。)
图2a-2c示出了根据本发明优选实施例的被布置以实现根据本发明的成像模式的臂结构。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，并且针对成像的持续时间关于第二臂部件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。在该布置中，根据偏移成像的原理，辐射束并非一直覆盖希望被成像的整个区域，由辐射源14生成的辐射束的中心轴也并非持续通过期望被成像的区域的中心，而是关于正被成像的区域不对称，由此使得臂构造必须进行完整的360度旋转以覆盖期望被成像的整个体积。然而，作为这一不对称成像几何结构的结果，在旋转经过360度之后，就能从比对称成像的情况下更宽的区域收集用于反投影的信息。
在根据图2a-2c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。
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。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3中简化地示出那样来实现。支撑结构10在图3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3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，控制系统包括用于实现根据图2a-2c的成像的控制例程。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3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3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3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3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检测器15检测到的信息的装置。在设备中使用的检测器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。
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摂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 (13)
1.一种用于牙科的计算机断层摄影设备，所述设备包括第一臂部件(11)和控制系统，所述第一臂部件(11)被布置为借助第一致动器(31)围绕第一旋转轴(21)可转动，辐射源(14)和成像检测器(15)彼此相距一定距离地被布置在该第一臂部件(11)上，所述控制系统控制所述第一致动器(31)、辐射源(14)以及成像检测器(15)，所述控制系统包括第一控制例程，其被设置为控制所述辐射源(14)产生脉冲辐射，并且在所述设备中，所述第一臂部件(11)被布置为被定位或能转移至相对于期望被成像的体积处于这样一个位置并且所述控制系统包括这样一个控制例程以使得：当所述第一臂部件(11)在成像期间被转动至少基本经过用于成像的角范围或经过整个所述角范围时，布置为要被成像的体积的仅一部分位于辐射束内，
其特征在于
所述设备包括测量辐射源的阳极电流的装置，并且所述第一控制例程包括调整辐射脉冲的持续时间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。
2.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在辐射已被中断的那些时刻发生从所述成像检测器(15)的信息读取。
3.根据权利要求1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，或者短于在成像期间所述成像检测器(15)移动一个检测器像素的距离所经历的时间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述成像检测器(15)是圆形、矩形或者二次曲面的区域传感器，并且其直径或边长为10至20cm的量级。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述成像检测器(15)被设置为以每秒多次地保存和/或转发其已经接收到的信息。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述成像检测器(15)被设置为以每秒多于十次地保存和/或转发其已经接收到的信息。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一控制例程包括控制辐射源使得所述脉冲的一部分以较大电压生成，而另一部分则以较低电压生成。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一控制例程包括交替以较大电压和较低电压生成脉冲，或者在连续周期内，始终首先由一电压生成若干脉冲，随后由另一电压生成相同个数的脉冲。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一旋转轴(21)是基本竖直的旋转轴，辐射源(14)和成像检测器(15)位于所述第一旋转轴(21)的相对侧，
所述设备还包括第二臂部件(12)，被布置为借助第二致动器(32)围绕基本竖直的第二旋转轴(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)，其中
-所述控制系统包括第二控制例程，用于控制所述设备的至少一个致动器(31、32)，从而在成像处理期间，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)围绕第二旋转轴(22)旋转。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述第二控制例程包括其中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。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，所述第二控制例程包括围绕第二旋转轴(22)转动第二臂部件(12)达360度。
12.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，所述第一臂部件(11)经由第一旋转轴(21)而由所述第二臂部件(12)所支撑。
13.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，第一旋转轴(21)和第二旋转轴(22)基本平行，和/或两者之间的距离恒定。
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