CN102860838B - 一种牙科x射线层析成像设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种牙科X射线层析成像设备及方法，其中该设备包括：扫描控制模块，用于发出曝光脉冲信号控制X光机曝光，以及发出采集脉冲信号控制图像采集控制模块进行采集工作；X光机；机械扫描装置，用于带动X光机运动到不同位置以完成层析扫描过程；图像采集控制模块对X射线探测器的探测结果进行转换、数字化和传输；X射线探测器；层析图像重建模块，用于将采集到的多角度的X射线透视图像进行图像重建，获得待成像组织多位置断层图像；以及图像显示模块，其中，待成像部位位于X光机和X射线探测器之间，且X光机发出的X射线始终经过X射线探测器。本发明具有成本较小、成像速度快且成像效果好的优点。

Description

一种牙科X射线层析成像设备和方法

技术领域

本发明涉及辐射成像领域，尤其涉及一种牙科X射线层析成像设备和方法。

背景技术

X射线成像技术已经成为牙科口腔疾病诊断中不可或缺的影像技术，依靠X射线透视成像、全景(Panoramic)、锥束CT(Cone-beam CT，CBCT)等X射线成像技术逐步满足了多种牙科口腔疾病的诊断需求。X射线透视成像又存在三种不同的技术手段：胶片成像、数字化X射线成像技术(Computed Radiography，CR)和直接数字化X射线成像技术(DigitalRadiography，DR)，这三种技术虽然只能够针对特定的牙齿进行局部X射线透视成像，但是由于技术简单、操作简便、设备价格便宜、剂量低等优点，因此，目前在口内牙科X射线成像中应用广泛。为了能够一次完成口腔所有牙齿以及上颌骨等部位的成像，又开发出了X射线全景成像技术，利用线阵列数字X光探测器，通过专门设计的扫描轨道，由X光机和探测器围绕病人头部旋转扫描实现曲面断层成像，全景成像的几何学能够部分克服X光透视在传输路径上的重叠，消除由于成像层外部物体引起的多余阴影和伪影，提高了诊断价值和图像质量。但是，由于透视成像的本质并没有改变，全景成像仍然存在X射线路径上前后重叠的问题，因此，CBCT技术被引入到口腔颌面成像中。

1972年，Hounsfield发明了第一台CT机，CT技术给医学诊断和工业无损检测带来了革命性的影响，已经成为医疗、生物、航空航天、国防等行业重要的检测手段之一。1989年，螺旋CT开始投入医学临床应用，相对于以前的断层CT：螺旋CT可以连续不间断地采集投影数据，并通过专门设计的重建算法得到物体的三维体数据，使得CT扫描的时间大大缩短，提高了重建图像的Z轴分辨率，减少了运动伪迹。1991年，Elscint公司在单层螺旋CT基础上，首先推出了双层螺旋CT，从此揭开了多层螺旋CT(Multi-slice CT,MSCT)飞速发展的序幕。随后，各大医疗设备公司陆续推出了4层、8层、16层、64层、256层、320层螺旋CT，MSCT和单层螺旋CT相比在性能上有了很大的提升，大大增加了X射线束的覆盖范围，有效地提高X射线的利用率，缩短了扫描时间，能够得到更高质量的三维重建图像。目前，MSCT已经广泛地被应用于人体三维成像、血管造影成像、心脏成像、脑灌注成像等领域，在MSCT技术上还发展起来了计算机辅助手术、虚拟内窥镜技术和辅助放射治疗等新技术。进入21世纪以来，随着平板探测器技术的发展，使用大面积平板探测器的CBCT逐渐出现，特别是在口腔三维成像中得到了临床认可和推广。在口腔临床应用中，CBCT解决了常规二维透视成像技术所固有的影像重叠、失真等问题，在牙齿种植计划、阻生牙分析、牙体牙周病诊断等需要三维分辨能力的应用中具有显著的优势。与传统CT相比，用CBCT进行口腔三维成像具有检查剂量低、空间分辨率高等优点。特别是近年来随着牙齿种植技术的兴起，利用CBCT获得三维图像并进行种植计划和手术导板的设计已成为一项新的研究方向。

随着技术的进步，CT扫描模式和成像方法也在不断地改进。牙科CBCT技术是在超过180°的角度范围内，从众多角度位置分别围绕口腔部位进行X射线投影数据的采集，并通过专门的CT图像重建算法实现口腔颌面的全三维成像，彻底解决了图像的前后遮挡问题。但是，CBCT设备由于采用了大面积平板探测器，使得其成本较高，对于牙科诊所和病人来讲经济负担都较大；并且CBCT的辐射剂量较大，对于控制公众剂量平均剂量水平造成较大负面影响；最后，由于CBCT使用的平板探测器空间分辨率有限，使得CBCT的成像精度要远低于X射线CR或DR成像。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有成本较小、成像速度快且成像效果好的牙科X射线层析成像设备。

根据本发明实施例的一种牙科X射线层析成像设备，包括以下部分：扫描控制模块，所述扫描控制模块用于发出曝光脉冲信号控制X光机曝光，以及发出采集脉冲信号控制图像采集控制模块进行采集工作；所述X光机，所述X光机与所述扫描控制模块相连，用于根据所述曝光脉冲信号发出X射线；机械扫描装置，所述机械扫描装置用于带动所述X光机运动到不同位置，以完成层析扫描过程；X射线探测器，所述X射线探测器用于探测X射线；所述图像采集控制模块，所述图像采集控制模块与所述X射线探测器相连，用于根据所述采集脉冲信号对所述X射线探测器的探测结果进行转换、数字化和传输，所述图像采集控制模块的采集结果为多张不同角度的X射线透视图像；层析图像重建模块，所述层析图像重建模块用于将所述多张不同角度的X射线透视图像进行图像重建，获得待成像组织不同位置处的多张断层图像作为图像重建结果；以及图像显示模块，所示图像显示模块用于将所述图像重建结果显示给用户，其中，所述X射线探测器置于病人口中，以使待成像部位位于所述X光机和所述X射线探测器之间，所述X光机在随着所述机械扫描装置运动过程中，发出的X射线始终经过所述X射线探测器。

在本发明的设备的一个实施例中，所述曝光脉冲信号与所述采集脉冲信号的时序匹配。

在本发明的设备的一个实施例中，还包括：病人信息管理模块、图像标注与管理模块和诊断报告生成模块。

在本发明的设备的一个实施例中，所述机械扫描装置进一步包括：装载台，所述X光机安装、固定在所述装载台上；和滑轨，所述滑轨用于限定所述装载台的运动轨迹，其中，滑轨为圆弧形，并且所述滑轨的圆弧的圆心与所述X射线探测器位置重合。

在本发明的设备的一个实施例中，所述扫描控制模块包括多个触发器，多个所述触发器安装在所述滑轨的特定位置上，当所述装载台带着所述X光机经过所述滑轨的特定位置时，所述触发器发出所述曝光脉冲信号和所述采集脉冲信号。

在本发明的设备的一个实施例中，所述层析图像重建模块中，通过求解最优化方程获得最终图像重建结果，其中，定义表示待重建的图像，fj表示该图像内的第j个像素，A表示投影矩阵，表示投影数据，定义层析扫描过程中X射线曝光M次，而所述X射线探测器有N个像素单元，则投影数据的长度为M×N，所述层析图像重建模块进一步包括：初始化模块，其中，所述初始化模块设置迭代图像初值为全0或全1；和迭代计算模块，其中，所述迭代计算模块利用采集到的M×N个投影数据，按照每条射线依次进行修正并加入非负约束，随后进行TV范数最小化处理，直到重建图像符合收敛条件。

本发明的牙科X射线层析成像设备的性能介于透视和CT之间，其成本稍高于透视，但远低于CT，并且本发明能够提供和透视成像一样的DR图像，同时还能够提供通过专门的层析图像重建算法得到的三维断层图像。因此，本发明为牙科临床提供了一种便捷、强大的三维图像诊断工具，可以应用于牙科拔牙、补牙、种植、正畸、根管治疗等，具有很高的市场应用潜力。

本发明的另一个目的在于提出一种具有成本较小、成像速度快且成像效果好的牙科X射线层析成像方法。

根据本发明实施例的一种牙科X射线层析成像方法，包括以下步骤：扫描控制模块发出曝光脉冲信号控制X光机曝光，并且发出采集脉冲信号控制图像采集控制模块进行采集工作；所述X光机随机械扫描装置运动，所述X光机接收到所述曝光脉冲信号后发出X射线，以完成不同角度的X射线扫描；所述图像采集控制模块接收到所述采集脉冲信号后，控制X射线探测器进行X射线探测，并探测结果进行转换、数字化和传输，所述图像采集控制模块的采集结果为多张不同角度的X射线透视图像；层析图像重建模块从所述图像采集控制模块接收所述多张不同角度的X射线透视图像，进行图像重建，获得待成像组织不同位置处的多张断层图像作为图像重建结果；以及图像显示模块将所述图像重建结果显示给用户，其中，所述X射线探测器置于病人口中，以使待成像部位位于所述X光机和所述X射线探测器之间，所述X光机在随着所述机械扫描装置运动过程中，发出的X射线始终经过所述X射线探测器。

在本发明的方法的一个实施例中，所述曝光脉冲信号与所述采集脉冲信号的时序匹配。

在本发明的方法的一个实施例中，还包括：管理病人信息、对图像进行标注和管理，以及生成诊断报告。

在本发明的方法的一个实施例中，所述X光机随机械扫描装置运动进一步包括：将所述X光机安装、固定在所述机械扫描装置中的装载台上；所述装载台沿着所述机械扫描装置中的滑轨运动，其中，所述滑轨为圆弧形，并且所述滑轨的圆弧的圆心与所述X射线探测器位置重合。

在本发明的方法的一个实施例中，当所述装载台带着所述X光机经过所述滑轨的特定位置时，触发所述扫描控制模块发出所述曝光脉冲信号和所述采集脉冲信号。

在本发明的方法的一个实施例中，所述层析图像重建方法中，通过求解最优化方程获得最终图像重建结果，其中，定义表示待重建的图像，fj表示该图像内的第j个像素，A表示投影矩阵，表示投影数据，定义层析扫描过程中X射线曝光M次，而所述X射线探测器有N个像素单元，则投影数据的长度为M×N，所述层析图像重建方法进一步包括：设置迭代图像初值为全0或全1；和利用采集到的M×N个投影数据，按照每条射线依次进行修正并加入非负约束，随后进行TV范数最小化处理，直到重建图像符合收敛条件。

本发明的牙科X射线层析成像方法是介于透视和CT之间的技术，其成本稍高于透视，但远低于CT，并且本发明能够提供和透视成像一样的DR图像，同时还能够提供通过专门的层析图像重建算法得到的三维断层图像。因此，本发明为牙科临床提供了一种便捷、强大的三维图像诊断工具，可以应用于牙科拔牙、补牙、种植、正畸、根管治疗等，具有很高的市场应用潜力。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明提出的牙科X射线层析成像设备的示意图；

图2为机械扫描装置与X光机以及X射线探测仪的安装位置示意图；

图3为触发脉冲信号、曝光脉冲信号和采集脉冲信号的时序示意图；

图4为本发明提出的牙科X射线层析成像方法的示意图；

图5为本发明的计算机仿真得到的牙科X射线层析图像重建结果；以及

图6为本发明技术和传统技术对离体单颗牙齿的X成像的对比实验结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。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，或仅仅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，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明提出了一种牙科X射线层析成像设备和方法，包括一套X光机、数字口内面阵探测器和扫描装置。成像过程中，数字口内面阵探测器放置在待扫描的牙齿内侧，并固定不动，X光机在口腔外面围绕探测器在一定角度范围内运动并产生X射线通过探测器同步采集完成层析成像扫描过程；最后，通过专门设计的层析图像重建算法，实现对口腔特定部位的局部层析(Tomosynthesis)成像。本发明的牙科口内层析技术能够实现口腔特定部位的三维断层成像，相比X射线透视成像(胶片、CR或DR成像)能够有效地消除X射线路径上的组织影像前后重叠问题，实现真正的三维成像；而相比牙科锥束CT成像，本发明的口内层析技术大大降低了设备成本和辐射剂量，能够提供传统的高分辨率口内牙科DR图像，以及层析三维断层图像。

图1为本发明提出的牙科X射线层析成像设备的示意图。如图1所示，牙科X射线层析成像设备，包括：扫描控制模块100、X光机200、机械扫描装置300、图像采集控制模块400、X射线探测器500、层析图像重建模块600和图像显示模块700。其中，扫描控制模块100用于发出曝光脉冲信号控制X光机200曝光，以及发出采集脉冲信号控制图像采集控制模块300进行采集工作；X光机200与扫描控制模块100相连，用于根据曝光脉冲信号的发出X射线；机械扫描装置300用于带动X光机200运动到不同位置，以完成层析扫描过程；图像采集控制模块400与X射线探测器500相连，用于根据采集脉冲信号对X射线探测器500的探测结果进行转换、数字化和传输，图像采集控制模块400的采集结果为多张不同角度的X射线透视图像；X射线探测器500用于探测X射线；层析图像重建模块600用于将所述多张不同角度的X射线透视图像进行图像重建，获得待成像组织不同位置处的多张断层图像作为图像重建结果；以及图像显示模块700将所述图像重建结果显示给用户，其中，所述X射线探测器置于病人口中，以使待成像部位位于所述X光机和所述X射线探测器之间，所述X光机在随着所述机械扫描装置运动过程中，发出的X射线始终经过所述X射线探测器。

在该设备中，扫描控制模块100可以在一定角度范围内，从不同角度位置触发X光机200曝光，同时图像采集控制模块400控制X射线探测器500同步采集待成像组织(牙齿)在不同视角下的X光透视图像；而层析图像重建模块600对采集到的一系列记录了不同角度位置信息的透视图像进行图像重建，获得最终的三维断层图像，最后通过图像显示模块700进行显示。为使本领域技术人员更好地理解本发明的牙科X射线层析成像设备，现对各个部分做详细介绍。

1、X光机：

X光机作为本发明层析成像装置的X射线源，X光机可以根据事先设定的工作参数在外部触发信号的触发下完成一系列X射线曝光，产生的X射线穿过待成像组织部位入射到X光探测器中被采集到，完成X光透视图像采集。X光机从功能上主要包括密封的X光机头和高压发生器两部分，这两部分可以是封装在一起作为X光源一体机，也可以是分开的，作为两个单独封装的器件。如果是分开的，则在层析扫描过程中只需要X光机头部分作为活动部件，围绕待成像组织部位运动完成X光层析成像扫描即可。X光机头内包含一个X光球管，由于冷却的需要，一般球管需要严密地封装在装满冷却油的X光机头内。高压发生器为X光机头正常工作提供电源，负责将工作环境中的电压转换成X光机头工作需要的高压。X光机的工作参数，包括电压、电流、曝光时间等，一般通过控制面板设置完成。

如图2所示，在本发明的设备在层析成像扫描过程中，X光机被固定、安装在机械扫描装置中的装载台上，装载台沿着滑轨从某一端到另一端作平稳移动。当X光机及装载台经过事先设定的滑轨上的某个位置时，由扫描控制模块时序匹配的曝光脉冲信号和采集脉冲信号，其中曝光脉冲信号发送到X光机控制其曝光，同时采集脉冲信号发送到图像采集控制模块，控制X射线探测器采集，完成一次X光透视图像采集。机械扫描装置持续移动，使得X光机陆续经过其他滑轨上的触发位置，完成一系列的X光机曝光和图像采集直到运动到滑轨另一端，层析扫描完成，获得多张不同角度的待成像组织的X射线投射图像。

需要说明的是，本发明的X射线源并不仅限于传统的X光机，也可以是其他可以作为X射线源的物质或装置，例如放射性同位素、同步辐射光源、新型碳纳米管X光机等，均可作为本发明的X射线源。

2、X射线探测器

X射线探测器又称为X射线传感器，作为X射线探测单元，负责完成X射线的传感收集。本发明的设备中，X射线探测器一般需要放置在病人口内，靠近待成像的组织部位，使得待成像部位在X光机和X射线探测器之间。在层析扫描过程中，X射线探测器保持位置不动，由扫描控制模块接收到采集脉冲信号后触发其完成一系列X射线图像的采集。本发明使用的X射线探测器一般为小型面阵列CCD或CMOS探测器，主要由闪烁晶体、隔离层、CCD或CMOS探测阵列、外壳封装、数据线等部分组成。口内层析成像可以使用和目前已有的口内X射线DR产品相同的X射线探测器，但是，为了提高层析成像的扫描速度，需要层析成像使用的探测器具有通过外触发信号启动图像采集的功能，该功能一般通过分立的图像采集控制模块实现。图像采集控制模块和X射线探测器之间由一条数据线连接，该数据线既进行X射线图像的传输，也传输图像采集控制模块发给X射线探测器的控制信号。

需要说明的是，本发明用到的X射线探测器也可以是无线的，既通过无线传输完成数据和控制信号的交换，并不一定必须是有线的。

3、机械扫描装置：

本机械扫描装置主要起到两个作用：(1)将X光机安装固定，并带动X光机运动到不同位置曝光，完成层析扫描过程；(2)将X光机和探测器的位置关系确定起来，使得X光机和探测器之间的相对位置能够被准确的测量，并且该相对位置关系的测量值能够被准确的记录下来，传递给后端的图像重建单元，作为重建算法的必备参数之一。为了满足这两个基本需求，本发明的层析机械扫描装置如图2所示，主要包括如下几部分：装载台301和滑轨302。X光机安装、固定在装载台上，滑轨的作用是限定装载台的运动轨迹，让装载台沿滑轨实现既定轨迹的扫描路线。

通常可通过设定传动皮带(未在图中画出)固定在装载台左右两端，并将传动皮带隐藏在滑轨内，由动力轮转动带动传动皮带拉动装载台实现X光机沿滑轨的移动。一般地，滑轨是圆弧形的，X射线探测器就放置在滑轨的圆弧所在圆的圆心上，这样就能够确保固定在载物台上的X光机沿滑轨移动时X光机发出的锥束X射线中心射束始终能够入射到探测器中心上。

需要说明的是：本发明的圆弧形滑轨并不是必须的，只要能够保证X光机在扫描过程中，其X射线束中心线始终经过X射线探测器即可。例如，也可以使用直线滑轨，并在直线滑轨上安装转台，使得X光机在直线滑轨上平移的同时能够按设定角度转动，保证在每个不同投影采集角度上X射线中心束都经过X射线探测器即可。

4、扫描控制模块：

上文已经提及，扫描控制模块用于发出曝光脉冲信号控制X光机曝光，以及发出采集脉冲信号控制图像采集控制模块进行采集工作。具体地如何同步发出曝光脉冲信号和采集脉冲信号可以有多种方法。比较简便可行的的方法为：将扫描控制模块安装在装载台内，在滑轨内侧不同位置上安装有多个红外发射器件，该器件所在位置即为触发X光机曝光的角度位置；扫描控制模块上包含一个光电耦合器件，当装载台沿滑轨移动经过某个红外发生器件时，光电耦合器件的红外光接受器件接收到光信号并转化成触发脉冲电信号。该触发脉冲电信号使扫描控制模块同时传送曝光脉冲信号给X光机，以及传送采集脉冲信号给图像采集控制模块，同步触发这两个器件工作，即X光机曝光和探测器积分采集数据。X光机的曝光时间长度是根据不同病人和病变组织事先设定好的工作参数，探测器的积分时间长度也是其内部设定好的，并且保证探测器积分时间长于X光机曝光时间，即曝光脉冲信号与采集脉冲信号的应该时序匹配，在本发明的一个实施例中，该时序匹配关系如图3所示。当经过某个位置红外发生器件发生作用，并完成X光机曝光和探测器数据采集后，装载台持续沿滑轨向前移动，运动到下一个位置的红外发生器件位置处，触发下一个角度位置的X光机曝光和探测器数据采集，依次按照图3时序完成后面一系列的X射线层析成像扫描过程。

5、图像采集控制模块：

图像采集控制模块的作用是接收来自扫描控制模块的采集脉冲信号，实现X射线探测器对X射线进行收集、转换、数字化和传输的功能。因此，图像采集控制模块需要与三个功能模块有信息交互：层析成像控制模块、X射线探测器、层析图像重建模块(该模块一般由计算机硬件完成)。成像控制模块和图像采集控制模块之间的信息传递较为简单，只是传递单一的采集脉冲信号；探测器和图像采集控制模块之间传递的信息既包括控制信号，还包括采集的X射线透视图像；类似地，图像采集控制模块和层析图像重建单元之间也既需要传递控制信号(启动或关闭探测器)，也需要传递X射线透视图像。目前的图像采集控制模块和层析图像重建模块之间一般使用USB线连接方式。

6、层析图像重建模块：

如图1所示，层析扫描的X射线投影数据采集完成后需要传递给后端的层析图像重建模块。层析图像重建模块对采集的不同角度的多张X射线透视图像进行处理，利用专门的口内层析图像重建算法进行图像重建，获得待成像组织不同位置处的一系列断层(切片)图像。层析图像重建模块大致可分为初始化模块和迭代计算模块两部分，其中，所述初始化模块设置迭代图像初值为全0或全1；迭代计算模块利用采集到的多个投影数据，按照每条射线依次进行修正并加入非负约束，随后进行TV范数最小化处理，直到重建图像符合收敛条件。具体的层析图像重建方法见下文介绍。

7、图像显示模块：

图像显示模块的作用是将层析重建后的三维断层图像通过编写的专门的计算机软件显示给用户。类似于其他的X射线影像设备，图像显示单元是本发明层析成像装置不可缺少的一部分。

需要说明的是，层析图像重建模块和图像显示模块一般都通过计算机硬件实现。此外，优选地，计算机中还可包括：病人信息管理模块、图像标注与管理模块和诊断报告生成模块等等，用于提供其他的辅助功能。

图4为本发明提出的牙科X射线层析成像方法的示意图。如图4所示，该方法包括以下步骤：S101.扫描控制模块发出曝光脉冲信号控制X光机曝光，并且发出采集脉冲信号控制图像采集控制模块进行采集工作；S102.X光机随机械扫描装置运动，X光机接收到曝光脉冲信号后发出X射线，以完成不同角度的X射线扫描；S103.图像采集控制模块接收到采集脉冲信号后，控制X射线探测器进行X射线探测，并探测结果进行转换、数字化和传输，图像采集控制模块的采集结果为多张不同角度的X射线透视图像；S104.层析图像重建模块从图像采集控制模块接收多张不同角度的X射线透视图像，进行图像重建，获得待成像组织不同位置处的多张断层图像作为图像重建结果；以及S105.图像显示模块将图像重建结果显示给用户，其中，X射线探测器置于病人口中，以使待成像部位位于X光机和X射线探测器之间，X光机在随着机械扫描装置运动过程中，发出的X射线始终经过X射线探测器。

在本发明的方法的一个实施例中，曝光脉冲信号与采集脉冲信号的时序匹配。

在本发明的方法的一个实施例中，还包括：管理病人信息、对图像进行标注和管理，以及生成诊断报告。

在本发明的方法的一个实施例中，X光机随机械扫描装置运动进一步包括：将X光机安装、固定在机械扫描装置中的装载台上；装载台沿着机械扫描装置中的滑轨运动，其中，滑轨为圆弧形，并且滑轨的圆弧的圆心与X射线探测器位置重合。

在本发明的方法的一个实施例中，当装载台带着X光机经过滑轨的特定位置时，触发扫描控制模块发出曝光脉冲信号和采集脉冲信号。

在本发明的方法的一个实施例中，层析图像重建方法中，通过求解最优化方程获得最终图像重建结果，其中，定义表示待重建的图像，f_j表示该图像内的第j个像素，A表示投影矩阵，表示投影数据，定义层析扫描过程中X射线曝光M次，而X射线探测器有N个像素单元，则投影数据的长度为M×N，层析图像重建方法进一步包括：设置迭代图像初值为全0或全1；和利用采集到的M×N个投影数据，按照每条射线依次进行修正并加入非负约束，随后进行TV范数最小化处理，直到重建图像符合收敛条件。

下面详细介绍本发明的基于TV(Total Variation)范数最小化约束的口内X射线层析图像重建算法。该方法通过求解下述最优化方程获得最终的图像重建结果：

$\min {\left|\right|\stackrel{\→}{f}\left|\right|}_{\mathrm{TV}}s.t.A\stackrel{\→}{f}=\stackrel{\→}{p},f_j\≥0---\left(1\right)$

其中，表示被扫描的物体或待重建的图像，f_j表示该图像内的第j个像素，A表示投影矩阵，记录了层析扫描过程中每一条X射线对其经过的所有图像像素的投影贡献，A的计算与X射线光源点、探测器位置、探测单元尺寸等有关，可以根据层析扫描的几何关系计算得到。表示投影数据，存储了每条X射线的投影值。

假设在一次层析扫描过程中X射线曝光M次，即共采集了M个角度的投影数据，而口内数字传感器有N个像素单元，因此，投影数据的长度为M×N。该层析图像重建算法过程如下：

(1)设置迭代图像初值一般为全零或全1，其中下标n表示迭代次数；

(2)n＝1，利用采集到的M×N个投影数据，按照每条射线进行修正：

(2.1)根据反投影原理，依次取投影数据中的第k条射线投影值对重建图像进行修正，k取值从1到M×N，修正公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\→}{f}}_n^k={\stackrel{\→}{f}}_n^{k-1}+\frac{p_k-H_k{\stackrel{\→}{f}}_n^{k-1}}{{\left|\right|H_k\left|\right|}^2}{H_k}^T& \left|\right|H_k\left|\right|\≠0\\ {\stackrel{\→}{f}}_n^k={\stackrel{\→}{f}}_n^{k-1}& \left|\right|H_k\left|\right|=0\end{array}\right.,\mathrm{for\; k}=1\·\·\·M*N---\left(2\right)$

所有M×N个投影数据计算完后，令：

${\stackrel{\→}{f}}_{n+1}^0={\stackrel{\→}{f}}_n^{M\×N}---\left(3\right)$

(2.2)加入非负约束：

$f_{n+1}^0\left(j\right)=\left\{\begin{array}{cc}{f}_{n+1}^0\left(j\right),& f_{n+1}^0\left(j\right)\&GreaterEqual;0\\ 0,& f_{n+1}^0\left(j\right)<0\end{array}\right.---\left(4\right)$

(2.3)对上述结果进行TV最小化处理：

${\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_{n+1}^0=\min {\left|\right|{\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_{n+1}^0\left|\right|}_{\mathrm{TV}}---\left(5\right)$

该步处理采用有限次的迭代处理，里面涉及的处理参数由数据决定。

(3)n＝n+1，进行下一步迭代，直到重建图像符合收敛条件。

下面我们分别利用计算机仿真数据和真实实验数据将本发明和现有技术进行对比验证。

1、计算机仿真

在计算机仿真中，系统设计如图2所示，X射线探测器置于口内静止不动，像素尺寸设为20μm×20μm，像素数为1000×1500。X光机从-29°～29°角度范围内沿半径300mm的圆弧轨道围绕X射线探测器做扫描运动，每隔2°采集一次投影数据，共29张投影图像。被扫描的物体是一组由锥束牙科CT数据重建三维体数据，投影数据的生成使用数值积分的计算方式。利用上述基于TV范数最小化约束的口内X射线层析图像重建算法，对计算机仿真的数据进行重建，重建的图像矩阵为：41×1200×500，体素尺寸为0.5mm×0.05mm×0.05mm，即平行于探测器方向的断层为41层，部分重建结果如图5所示。

图5(a,b,c,d,e,f,g,h)分别是从外向内不同断层位置处的典型断层重建图像，从一系列断层图像中可以发现：1)虽然该口内X射线层析成像采集的投影数据分布在约60°的角度范围，属于有限角度CT图像重建问题，无法满足CT精确重建的数据要求，但是在上述基于TV范数最小化约束的口内X射线层析图像重建算法下仍然能够很好地重建出各断层的图像；2)受层析成像的原理所限，层析成像无法实现各向同性的分辨率，层厚较厚，但是各层之间仍然能够清晰的显示出不同断层位置的图像差异；3)层析成像除了能够提供和牙科数字透视(DR)成像一样的透视图像之外，能够提供DR无法具备的三维成像功能，并且在各层内层析图像的密度分辨率明显优于DR图像。最后，虽然其图像质量还不能和CT相媲美，但以其低剂量、快速、低成本，和明显优于DR、接近CT的成像功能，仍然可以成为牙科临床诊断的有力工具。

2、真实实验结果

使用牙科X射线机和数字口内传感器，在图2所示成像系统上针对单颗的离体牙齿进行了X射线层析成像扫描。实验参数为：X光机电压65kV，电流7mA，单次曝光时间65ms，X光机在-29°～29°角度范围内沿圆弧轨道围绕牙齿和传感器做扫描运动，每隔2°采集一次投影数据，共29张投影图像。重建结果如图6所示，其中(a-k)是层析图像重建的结果，最后一张(l)是传统DR透视的图像，从重建结果可以发现：1)牙科X射线层析成像能够很好地实现被扫描部位的三维断层图像重建，其断层内图像的空间分辨率和DR图像相当，明显优于现有的牙科CT；2)层析断层图像的密度分辨率明显优于DR图像，以图6(c,j)和(l)对比为例，该牙齿上存在两条裂痕，在DR图像(l)上需要仔细分辨才能够发现，且无法获知该裂痕在牙齿的内侧还是外侧；而我们从层析断层图像(c,j)上可以清晰的发现存在两条裂痕，且该裂痕一条位于牙齿内侧，另外一条在牙齿外侧。

本发明提出了一种针对临床牙科影像诊断需求的X射线层析成像设备和方法。在牙科临床诊断中X射线透视和CT成像技术已经有了较为广泛的应用，但是这两种技术的优点和缺点同样突出：1)牙科X射线透视成像技术原理简单，硬件成本低，成像速度快，便于临床应用普及，目前在临床中已经应用的非常普遍，但是透视成像无法区分出射线透射路径上的物体重叠，密度分辨率有限。2)牙科CT成像技术较为复杂，能够实现三维断层成像，彻底消除前后的物体遮挡，但是价格昂贵，成像速度较慢。牙科CT虽然在欧美等发达国家临床中已经在逐步推广，但是在国内应用还较少，尤其是其昂贵的价格在很大程度上限制了在中小型牙科门诊的应用。

本发明的牙科X射线层析成像技术是介于透视和CT之间的一项技术，它的系统成本稍高于透视，但远低于CT；并且层析成像即能够提供和透视成像一样的DR图像，同时还能够提供通过专门的层析图像重建算法得到的三维断层图像。因此，本发明的牙科X射线层析成像装置和方法为牙科临床提供了一种便捷、强大的三维图像诊断工具，可以应用于牙科拔牙、补牙、种植、正畸、根管治疗等。因此，本发明具有很高的市场应用潜力。

需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种牙科X射线层析成像设备，其特征在于，包括以下部分:

扫描控制模块，所述扫描控制模块用于发出曝光脉冲信号控制X光机曝光，以及发出采集脉冲信号控制图像采集控制模块进行采集工作；

所述X光机，所述X光机与所述扫描控制模块相连，用于根据所述曝光脉冲信号发出X射线；

机械扫描装置，所述机械扫描装置用于带动所述X光机运动到不同位置，以完成层析扫描过程；

所述图像采集控制模块，所述图像采集控制模块与X射线探测器相连，用于根据所述采集脉冲信号对所述X射线探测器的探测结果进行转换、数字化和传输，所述图像采集控制模块的采集结果为多张不同角度的X射线透视图像；

所述X射线探测器，所述X射线探测器用于探测X射线；

层析图像重建模块，所述层析图像重建模块用于将所述多张不同角度的X射线透视图像进行基于以下迭代重建的图像重建，获得待成像组织不同位置处的多张断层图像作为图像重建结果，

其中，所述层析图像重建模块中，假设在一次层析扫描过程中X射线曝光M次，即共采集了M个角度的投影数据，而口内数字传感器有N个像素单元，因此，投影数据pr的长度为M×N，该层析图像重建算法过程如下：

(1)设置迭代图像初值其中下标n表示迭代次数；

(2)n＝1，利用采集到的M×N个投影数据，按照每条射线进行修正：

(2.1)根据反投影原理，依次取投影数据中的第k条射线投影值对重建图像进行修正，k取值从1到M×N，修正公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^k={\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^{k-1}+\frac{p_k-H_k{\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^{k-1}}{{\left|\right|H_k\left|\right|}^2}{H_k}^T& \left|\right|H_k\left|\right|\&NotEqual;0\\ {\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^k={\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^{k-1}& \left|\right|H_k\left|\right|=0\end{array}\right.,\mathrm{for\; k}=1\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;M*N$

所有M×N个投影数据计算完后，令：

${\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_{n+1}^0={\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^{M\&times;N}$

(2.2)加入非负约束：

$f_{n+1}^0\left(j\right)=\left\{\begin{array}{cc}{f}_{n+1}^0\left(j\right),& f_{n+1}^0\left(j\right)\&GreaterEqual;0\\ 0,& f_{n+1}^0\left(j\right)<0\end{array}\right.$

(2.3)对上述结果进行TV最小化处理：

${\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_{n+1}^0=\min {\left|\right|{\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_{n+1}^0\left|\right|}_{\mathrm{TV}}$

该步处理采用有限次的迭代处理，里面涉及的处理参数由数据决定；

(3)n＝n+1，进行下一步迭代，直到重建图像符合收敛条件；以及

图像显示模块，所示图像显示模块用于将所述图像重建结果显示给用户，

其中，所述X射线探测器置于病人口中，以使待成像部位位于所述X光机和所述X射线探测器之间，所述X光机在随着所述机械扫描装置运动过程中，发出的X射线始终经过所述X射线探测器。

2.如权利要求1所述的牙科X射线层析成像设备，其特征在于，所述曝光脉冲信号与所述采集脉冲信号的时序匹配。

3.如权利要求1所述的牙科X射线层析成像设备，其特征在于，还包括：病人信息管理模块、图像标注与管理模块和诊断报告生成模块。

4.如权利要求1所述的牙科X射线层析成像设备，其特征在于，所述机械扫描装置进一步包括：

装载台，所述X光机安装、固定在所述装载台上；和

滑轨，所述滑轨用于限定所述装载台的运动轨迹，

其中，所述滑轨为圆弧形，并且所述滑轨的圆弧的圆心与所述X射线探测器位置重合。

5.如权利要求4所述的牙科X射线层析成像设备，其特征在于，所述扫描控制模块包括多个触发器，多个所述触发器安装在所述滑轨的特定位置上，当所述装载台带着所述X光机经过所述滑轨的特定位置时，所述触发器发出所述曝光脉冲信号和所述采集脉冲信号。

6.如权利要求1所述的牙科X射线层析成像设备，其特征在于，所述层析图像重建模块中，通过求解最优化方程获得最终图像重建结果，其中，定义表示待重建的图像，fj表示该图像内的第j个像素，A表示投影矩阵，表示投影数据，定义层析扫描过程中X射线曝光M次，而所述X射线探测器有N个像素单元，则投影数据的长度为M×N，所述层析图像重建模块进一步包括：

初始化模块，其中，所述初始化模块设置迭代图像初值为全0或全1；和

迭代计算模块，其中，所述迭代计算模块利用采集到的M×N个投影数据，按照每条射线依次进行修正并加入非负约束，随后进行TV范数最小化处理，直到重建图像符合收敛条件。

7.一种牙科X射线层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤:

扫描控制模块发出曝光脉冲信号控制X光机曝光，并且发出采集脉冲信号控制图像采集控制模块进行采集工作；

所述X光机随机械扫描装置运动，所述X光机接收到所述曝光脉冲信号后发出X射线，以完成不同角度的X射线扫描；

所述图像采集控制模块接收到所述采集脉冲信号后，控制X射线探测器进行X射线探测，并探测结果进行转换、数字化和传输，所述图像采集控制模块的采集结果为多张不同角度的X射线透视图像；

层析图像重建模块从所述图像采集控制模块接收所述多张不同角度的X射线透视图像，进行基于以下迭代重建的图像重建，获得待成像组织不同位置处的多张断层图像作为图像重建结果，

其中，所述层析图像重建模块中，假设在一次层析扫描过程中X射线曝光M次，即共采集了M个角度的投影数据，而口内数字传感器有N个像素单元，因此，投影数据的长度为M×N，该层析图像重建算法过程如下：

(1)设置迭代图像初值其中下标n表示迭代次数；

(2)n＝1，利用采集到的M×N个投影数据，按照每条射线进行修正：

(2.1)根据反投影原理，依次取投影数据中的第k条射线投影值对重建图像进行修正，k取值从1到M×N，修正公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^k={\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^{k-1}+\frac{p_k-H_k{\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^{k-1}}{{\left|\right|H_k\left|\right|}^2}{H_k}^T& \left|\right|H_k\left|\right|\&NotEqual;0\\ {\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^k={\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^{k-1}& \left|\right|H_k\left|\right|=0\end{array}\right.,\mathrm{for\; k}=1\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;M*N$

所有M×N个投影数据计算完后，令：

${\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_{n+1}^0={\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_n^{M\&times;N}$

(2.2)加入非负约束：

$f_{n+1}^0\left(j\right)=\left\{\begin{array}{cc}{f}_{n+1}^0\left(j\right),& f_{n+1}^0\left(j\right)\&GreaterEqual;0\\ 0,& f_{n+1}^0\left(j\right)<0\end{array}\right.$

(2.3)对上述结果进行TV最小化处理：

${\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_{n+1}^0=\min {\left|\right|{\stackrel{\&RightArrow;}{f}}_{n+1}^0\left|\right|}_{\mathrm{TV}}$

该步处理采用有限次的迭代处理，里面涉及的处理参数由数据决定；

(3)n＝n+1，进行下一步迭代，直到重建图像符合收敛条件；以及

图像显示模块将所述图像重建结果显示给用户，

其中，所述X射线探测器置于病人口中，以使待成像部位位于所述X光机和所述X射线探测器之间，所述X光机在随着所述机械扫描装置运动过程中，发出的X射线始终经过所述X射线探测器。

8.如权利要求7所述的牙科X射线层析成像方法，其特征在于，所述曝光脉冲信号与所述采集脉冲信号的时序匹配。

9.如权利要求7所述的牙科X射线层析成像方法，其特征在于，还包括：管理病人信息、对图像进行标注和管理，以及生成诊断报告。

10.如权利要求7所述的牙科X射线层析成像方法，其特征在于，所述X光机随机械扫描装置运动进一步包括：

将所述X光机安装、固定在所述机械扫描装置中的装载台上；所述装载台沿着所述机械扫描装置中的滑轨运动，其中，所述滑轨为圆弧形，并且所述滑轨的圆弧的圆心与所述X射线探测器位置重合。

11.如权利要求10所述的牙科X射线层析成像方法，其特征在于，当所述装载台带着所述X光机经过所述滑轨的特定位置时，触发所述扫描控制模块发出所述曝光脉冲信号和所述采集脉冲信号。

12.如权利要求7所述的牙科X射线层析成像方法，其特征在于，所述层析图像重建方法中，通过求解最优化方程获得最终图像重建结果，其中，定义表示待重建的图像，f_j表示该图像内的第j个像素，A表示投影矩阵，表示投影数据，定义层析扫描过程中X射线曝光M次，而所述X射线探测器有N个像素单元，则投影数据的长度为M×N，所述层析图像重建方法进一步包括：

设置迭代图像初值为全0或全1；和

利用采集到的M×N个投影数据，按照每条射线依次进行修正并加入非负约束，随后进行TV范数最小化处理，直到重建图像符合收敛条件。