CN110831503A - 三维x射线成像系统 - Google Patents

Abstract

在本申请中描述了三维x射线成像系统。具体地，本申请描述了一种收集一系列2D图像投影的3D牙科口内成像(3DIO)系统。所述x射线成像系统包括：壳体；x射线源，其被附接到铰接机架或运动机架，所述铰接机架或运动机架被配置为使所述壳体内的所述源移动到多个位置；x射线检测器阵列，其被定位在待成像的物体的与所述x射线源相对的侧上，其中所述检测器阵列与所述x射线源同步，以当所述x射线源位于多个成像位置时捕获所述物体的2D图像；以及处理器，其被配置为接受所述2D图像并且重建3D图像。所述多个成像位置可以位于大体上平行于所述x射线检测器阵列的平面上。描述了其他实施方案。

Description

三维X射线成像系统

技术领域

本申请总体上涉及X射线装备。更具体地，本申请涉及用于三维成像的x射线设备和系统。

X射线成像系统通常包含X射线源和X射线检测器。X射线(或其他类型的用于成像的辐射)从该源发射并且撞击在该X射线检测器上，以提供放置在该X射线源与该检测器之间的一个或多个物体的X射线图像。该X射线检测器常常是图像增强器或甚至是平板数字检测器。

背景技术

X射线成像系统通常包含X射线源和X射线检测器。X射线(或其他类型的用于成像的辐射)从该源发射并且撞击在该X射线检测器上，以提供放置在该X射线源与该检测器之间的一个或多个物体的X射线图像。该X射线检测器常常是图像增强器或甚至是平板数字检测器。

口内射线照相术(intra-oral radiography)是牙科学中的标准成像技术，其中咬翼片和根尖周x射线被认为牙科实践中的标准护理。然而，牙齿解剖的许多特征在标准口内射线照片中不是可见的，因为标准口内射线照片是3D结构的2D投影。此外，虽然咬翼片射线照片非常擅长检测邻间龋齿，但是由于与邻近的牙齿重叠或其他因素，轻微的角度变化可能会妨碍恰当的诊断。牙齿断裂和/或小裂缝在射线照片中不是可见的，除非图像投影角度与裂缝方向巧合地一致。对于牙髓学，牙根的曲率并不总是可见的，因为射线照片仅示出投影，而未示出牙根的真实长度或矢量。在一些情况下，如果在2D图像中重叠，则额外的或附属的牙根管不是可见的。射线照片还用于种植计划。虽然锥形束计算的断层摄影(CBCT)常常用于种植计划，但是大多数种植是针对单个牙齿。因此，当仅需要单个牙齿的3D图像信息时，因为对整个口腔执行CBCT扫描，所以患者接收相对高的剂量。

发明内容

本申请总体上涉及三维(3D)x射线成像系统。具体地，本申请描述了一种收集一系列2D图像投影的3D牙科口内成像(3DIO)系统。所述x射线成像系统包括：壳体；x射线源，其被附接到铰接机架(gantry)或运动机架，所述铰接机架或运动机架被配置为使所述壳体内的所述源移动到多个位置；x射线检测器阵列，其被定位在待成像的物体的与所述x射线源相对的侧上，其中所述检测器阵列与所述x射线源同步，以当所述x射线源位于多个成像位置时捕获所述物体的2D图像；以及处理器，其被配置为接受所述2D图像并且重建3D图像。所述多个成像位置可以位于大体上平行于所述x射线检测器阵列的平面上。

该成像系统可以通过以下来形成物体的三维图像：将x射线源设置在运动机架上，所述运动机架被配置为定位壳体内的所述源，所述x射线源位于待成像的物体的一侧上；将x射线检测器阵列定位在所述物体的相对侧上；使所述壳体内的所述x射线源移动到多个位置，所述多个位置位于大体上平行于所述x射线检测器阵列的平面上；当所述x射线源位于所述多个位置时，收集所述物体的多个2D图像；以及使用所述多个2D图像重建3D图像。

这些x射线系统和方法提供了一种在使用低辐射剂量的同时对物体(诸如牙齿)进行成像的快速方法。

附图说明

根据示出成像系统的各实施方案和配置的附图，可以更好地理解以下描述。

图1示出了3DIO成像系统的一些实施方案的视图；

图2示出了由3DIO成像系统产生的图像的一些实施方案的另一个视图；

图3-图4示出了3DIO成像系统中的一些部件的几何结构的一些实施方案；

图5-图6示出了3DIO成像系统中的x射线源的移动的一些实施方案；

图7-图8示出了安装到牙科诊所中的装备的3DIO成像系统的一些实施方案；

图9示出了3DIO成像系统的壳体和壳体内包含的部件的一些实施方案；

图10例示了在3DIO成像系统的壳体内使用多个x射线源的一些实施方案；以及

图11描绘了3DIO成像系统的又一些其他实施方案。

连同以下描述，附图展示并且解释了本文所描述的结构和方法的原理。在附图中，为了清楚起见，部件的厚度和尺寸可以被夸大或以其他方式被修改。不同附图中的相同附图标记表示相同的元件，并且因此将不重复对它们的描述。此外，未示出或未详细描述众所周知的结构、材料或操作，以避免模糊所描述的设备的各个方面。

具体实施方式

以下描述提供了具体细节，以提供透彻理解。然而，技术人员将理解，可以不采用这些具体细节来实施和使用所描述的X射线系统。实际上，可以通过修改所描述的系统和方法将所描述的系统和方法付诸于实践，并且可以结合工业上常规使用的任何其他仪器和技术来使用所描述的系统和方法。例如，虽然以下描述专注于用于牙科成像的成像系统，但是所述成像系统可以用于其他目的，诸如医学成像、兽医学成像、工业检查应用、以及当前使用x射线照相装备来生成标准2D x射线图像的任何地方。

另外，如本文所使用的术语，诸如在…上(on)、安排在…上(disposed on)、附接到(attached to)、连接到(connected to)或耦合到(coupled to)等，一个物体(例如，材料、元件、结构、构件等)可以在另一个物体上、安排在另一个物体上、附接到另一个物体、连接到另一个物体、或耦合到另一个物体——不管所述一个物体是直接在所述另一个物体上、直接附接到所述另一个物体、直接连接到所述另一个物体、还是直接耦合到所述另一个物体，也不管在所述一个物体与所述另一个物体之间是否存在一个或多个中间物体。另外，方向(例如，在…的顶部上(on top of)、在…下方(below)、在…上方(above)、顶部(top)、底部(bottom)、侧(side)、上(up)、下(down)、在…下面(under)、在…上面(over)、上部的(upper)、下部的(lower)、侧向的(lateral)、边缘的(orbital)、水平的(horizontal)等)——如果提供的话——是相对的，并且是仅通过示例的方式和出于易于例示和讨论而不是通过限制方式提供的。在参考元件的列表(例如，元件a、b、c)的情况下，这样的参考意在包括单独的所列出的元件中的任何一个、少于所有所列出的元件的任何组合和/或所有所列出的元件的组合。此外，如本文所使用的，术语“一(a)”、“一(an)”和“一个(one)”可以各自与术语“至少一个”和“一个或多个”互换。

物体(诸如患者的牙齿)的当前的2D射线照片对于问题或缺陷的检测而言常常是模糊不清的，这是因为它们通常不能够可视化在牙齿中的断裂，并且因为它们使用平面投影，它们可能漏掉牙齿曲率和其他对于牙科诊断和治疗来说重要的异常。因此，锥形束计算的断层摄影(CBCT)正变得代替2D射线照片广泛地用在牙科学中。在CBCT中，患者的头部被定位在大型成像检测器和相对的x射线源之间。该检测器和源围绕头部旋转，同时拍摄多个2D图像。使用这些2D图像，可以重建患者的口和上颌面解剖的3D图像。此技术非常良好地工作以用于对整个口腔成像并且显示牙齿与位于患者的头部内的其他骨骼结构之间的空间关系。因此，CBCT技术常常用于牙种植和畸齿矫正手术，在牙种植和畸齿矫正手术中，这样的空间关系是重要的。

然而，将x射线投射穿过整个头部，如在CBCT过程中所需的，导致来自不可解析的解剖的高x射线散射和衰减。这可以导致CBCT图像中的空间分辨率比使用2D射线照片的口内射线照相术差得多，在该口内射线照相术中传感器紧挨着感兴趣的牙齿定位。另外，在CBCT过程中的患者剂量比在使用2D射线照片的口内射线照相术中高得多。此情形是特别令人关注的，因为大多数畸齿矫正手术是对儿童执行的，儿童比成年人更容易受辐射伤害影响。并且由于高辐射剂量，CBCT过程常常不用来对单个牙齿成像，也不用来仅对几个牙齿成像。因此，对于大多数仅涉及单个牙齿或几个牙齿的牙科手术来说，CBCT不是有效且安全的成像工具。

认识到CBCT过程和2D射线照片的限制，本文所描述的系统使用可以被呈现为高分辨率3D图像的口内成像技术。这些3DIO(三维、口内)系统提供了一种简单的3D成像技术，该3D成像技术使用在低辐射剂量下拍摄的2D射线照片来提供3D高分辨率图像。

在图1-图10中例示了3DIO系统的一些实施方案。在图1中，3DIO系统10包括成像检测器20，该成像检测器20位于患者的嘴内部并且相对地固定邻近患者的一个牙齿(或多个牙齿)40。3DIO系统10还包含x射线源30，该x射线源30位于壳体50内。壳体50可以连接到支撑臂60。

3DIO系统10可以包含任何X射线源30和X射线检测器20，该X射线检测器20允许系统10拍摄多个2D x射线图像或射线照片。X射线源30可以包含任何生成并且发射X射线的源——包括标准固定阳极X射线源、微焦点x射线源、旋转阳极x射线源、和/或荧光X射线源。在一些实施方案中，x射线源可以用大约40kV至大约90kV和大约1mA至大约10mA运行。在其他实施方案中，x射线源可以用大约75kV和大约2mA运行。在一些实施方案中，可以使X射线源和X射线检测器模块化，以使得可以使用不同尺寸和类型的X射线源和X射线检测器。

X射线检测器20可以包含任何检测X射线的检测器——包括图像增强器、CMOS摄像机、和/或数字平板检测器。在一些配置中，检测器可以具有大体上正方形的形状，该大体上正方形的形状具有在大约20cm至大约30cm的范围内的长度。然而，在其他配置中，x射线检测器20不需要具有大体上正方形的形状。

在一些配置中，x射线检测器20与X射线源30同步。因此，大体上在激活x射线源的同时激活x射线检测器，从而捕获由穿过患者的一个牙齿/多个牙齿并且传递到检测器上的x射线辐射生成的2D投影图像。

在一些配置中，X射线检测器20可以具有快速读出速度。在本文所描述的3DIO系统中，此读出速度可以在大约5帧每秒至大约6帧每秒的范围内。此快速速度允许在一合理的时间段内拍摄必需数目的帧。在其他实施方案中，检测器读出速度可以大于10帧每秒。在又一些其他实施方案中，检测器读出速度可以大于20帧每秒。在再一些其他实施方案中，检测器读出速度可以是大约30帧每秒。

在一些实施方案中，需要将x射线检测器中的像素的数目限制到合理的数目，诸如在100,000至190,000个像素的范围内。更多的像素不仅要求略微更长的读出时间，而且将更大的复杂度添加到用来从2D图像渲染3D图像的重建算法。但是，因为需要配合到患者的嘴内而造成的尺寸约束，以及降低重建图像所需的数学的复杂度，检测器中的像素的数目可以被保持在此范围内。因此，在这些实施方案中，因为检测器的尺寸，仅2到3个牙齿可以被适当地成像。

如图9中所详细示出的，X射线源30可以被包含在壳体50内。壳体50可以被配置有包封x射线源30的第一部分，如图9中所示出的。壳体50还包封有包含用于X射线源30的配重260的第二部分，该配重260便于源30的平稳无振动旋转运动。x射线源30以及其相关联的电力电子器件190和配重260位于旋转机械组件250的大体上相对的侧上。使用轴承以及电动马达组件230，旋转机械组件250被安装到具有旋转轴线240的轴220。

如图9中所示出的，壳体50可以被配置为使得它是既包封X射线源30又包封这些部件的单个部分。在其他配置中，该壳体可以被分成不同的部分以包含x射线源30和其他部件。如图9中所示出的，用于控制和功率调节的电子部件210可以就位于壳体50外部。在其他实施方案中，这些电子部件210可以位于支撑臂上或其他方便的位置。在又一些其他实施方案中，这些电子部件210可以位于壳体50内部。

在一些实施方案中，在3DIO系统中可以使用多个x射线源。在这些实施方案中，如图10中所示出的，多个x射线源(30、270)将实现对于覆盖生成3D图像所需的所有期望的源位置所要求的机械旋转速度的降低。这些源可以以交替方式激发或根据需要以其他方式激发，以从头部内的各x射线源位置获得所有期望的2D图像。图10中的其余部件可以与图9中所示出的那些部件类似，除了第二x射线源以及其相关联的高压电子器件270已经替换配重260之外。

在壳体50内使用多个源30还将提供减少所获得的x射线图像中的运动模糊的益处，因为x射线源以比单个源将需要的速度低的速度移动。使用多个大体上相同的源30还将消除对配重的要求，因为多个源可以被定位以产生平衡的旋转系统。不止两个x射线源可以被纳入3DIO系统内，其中整个360度的圆被所使用的源的数目划分，以使得多个源围绕它们安装到的圆形框架均匀地分布。当然，使用多个源将增加系统的总成本和复杂度，因此在选择将在特定的3DIO系统内包含的源的数目时，将需要考虑预期用途的需要和约束。

在一些配置中，3DIO系统可以包含可移除电力源(power source)(诸如电池)并且可选地包含电力供应(power supply)。在这些配置中，电力源和电力供应可以位于壳体内部。本文所描述的用于电力源和电力供应的支持电子器件，以及用于图像显示和用于无线数据上传的支持电子器件也可以位于壳体50内部或外部。因此，在这些配置中，系统10不包含外部电源线。将电力源(即，电池)、电力供应和支持电子器件全部纳入壳体50内允许减小设备的尺寸、重量和外部复杂度。通过这样的配置，可以容易地替换电力源，并且使用一次充电可以递送60个或更多个x射线图像。当然，如果需要的话，3DIO系统10可以被配置为使得使用来自插入壁式插座的电源线的外部电力对其进行替代地或附加地充电。在其他配置中，可以为源、检测器和控制电子器件提供多个电力供应，所述多个电力供应中的任何一个(或全部)可以位于壳体内部或外部。

支撑臂60可以具有允许壳体内的x射线源30以期望的角度引导x射线束穿过一个牙齿(或多个牙齿)并且到检测器20上的任何配置。在图1中所示出的实施方案中，支撑臂60具有大体上直的配置，其中壳体50连接到支撑臂60的一端。在其他配置中，支撑臂不需要是直的，并且可以具有连结的或铰接的部段。在又一些其他配置中，壳体50可以在除该端之外的任何位置连接到支撑臂60。

在其他实施方案中，3DIO系统10还包含可以连接到支撑臂60的框架。该框架可以被配置为在3DIO系统10的操作期间赋予使用者许多容易紧握的选项。该框架可以包含一个或多个交叉构件、一个或多个长度构件以及一个或多个把手。该框架中的各构件的长度和直径可以根据各个操作者的需要而改变。在一些实施方案中，该框架可以被配置为模块化单元，因此不同的交叉构件(或长度构件或把手)可以被用来替换现有的交叉构件(或长度构件或把手)。因此，如果需要的话，框架为使用者(或操作者)提供在操作之前紧握和定位3DIO系统10的能力。

该框架还可以包含可以用来操作3DIO系统10的按钮(或触发器)。在一些配置中，3DIO系统10可以被配置有两个或更多个触发器。在这些配置中，触发器可以设置在该框架上的多个位置，以使得不管3DIO系统10如何握在操作者的手中，触发器始终方便操作者使用。例如，触发器可以放置在交叉构件、长度构件和/或把手上。在另一个实施例中，触发器可以通过长缆线连接到3DIO系统的其余部分，从而实现远程触发过程。当将使用3DIO系统用于对患者进行分析时，这些多个触发器使3DIO系统更易于操作并且更易于握在使用者的手中。为了使触发器操作该设备，可以在该框架内部携带所需的内部电子器件。在其他配置中，这些触发器中的一个或多个可以是通过有线控制或无线控制连接的远程触发器。可选的按钮罩和/或强制推动序列可以用来防止意外的x射线发射。

外部结构的另一个实施例被例示在图8中。在此图中，具有框架150的3DIO系统10可以连接到支架300。支架300包含基座305和向上朝向延伸部310延伸的臂315。延伸部310连接到接头，该接头进而连接到3DIO系统10的框架150。在其他配置中，3DIO系统10可以连接到可移动支撑结构。在这样的配置中，可移动支撑结构可以被配置为在支撑3DIO系统10的同时在地板上移动。因此，可移动支撑结构可以包括一个或多个轮、架子、把手、监视器、计算机、稳定构件、肢状物、腿、支杆、缆线和/或重物(以防止成像臂和/或任何其他部件的重量使可移动支撑结构倾倒)。因此，可移动支撑结构可以包括连接到支架的有轮的结构，该支架包含连接到3DIO系统10的框架150的接头。

在一些配置中，3DIO系统可以安装到壁或椅子，如图7中所描绘的。为使3DIO系统可以安装到壁，期望的是3DIO系统应配合在小于40cm×40cm×60cm的矩形体积内，并且重量小于大约5Kg。在其他配置中，3DIO系统可以小于大约27cm×27cm×40cm，并且重量小于大约3Kg。如果它比这些量大或重，则它将难以是壁安装式的或椅子安装式的，操作者将难以定位，并且它将增加患者的焦虑感。

为了减小尺寸和/或重量，3DIO系统可以被配备有小且重量轻的部件。在过去十年中，在x射线管的小型化方面已经有重大创新。低功率x射线源组件是可得的，其已经使手持式x射线设备成为可能。这些重量轻的源可以大大简化本文所描述的3DIO系统的运动自动化的任务。此外，新的CMOS检测器更灵敏得多，导致与常规的CCD设计所需的剂量相比，施加给患者更少的剂量。新的CMOS检测器还具有非常高的读出速度，允许快速收集和传输多个2D图像。实际上，低功率x射线管和新的口内CMOS检测器可以结合，以实现在一些常规的断层合成系统所达到的相同成像效率。

在一些配置中，3DIO系统10可以包括任何合适的可以快速锁定和解锁支撑臂60或壳体50的移动的锁定机构。例如，锁定机构可以包括机动化锁、电动锁、无线电控制锁或缆线致动锁等。

3DIO系统10还可以包含可选的屏蔽物。当操作3DIO系统时，屏蔽物用来保护操作者免受反向散射的x射线。因此，屏蔽物可以由任何辐射屏蔽材料(包括含铅丙烯酸材料)制成并且可以被成形为使得它保护操作者。如果需要的话，屏蔽物可以被配置为从3DIO系统移除。

3DIO系统10还包含用户输入/输出(I/O)机构。在一些实施方案中，I/O机构包含组合在触摸屏监视器或显示器中的用户界面和显示器。此监视器可以使用球形接头或任何具有多个自由角度的接头连接到框架，以使得设备的使用者或操作者可以根据需要定位监视器。

3DIO系统10可以由操作者诸如临床医生、医生、放射科医生、牙科医生、技术员或其他经过医学训练的专业人员和/或工作人员使用I/O机构来控制。在一些实施方案中，操作者可以在中央系统控制器处或从中央系统控制器控制3DIO系统10，该中央系统控制器诸如是邻近设备的系统控制台。操作者可以通过与I/O机构集成的或与I/O机构保持分立的各种可选的用户界面与系统控制器交互。控制台、用户界面或二者410可以邻近3DIO系统10定位，如图11中所示出的。但是，在其他实施方案中，控制台和/或用户界面可以被定位在远处，诸如在邻近的房间内，以便保护操作者免于不必要地暴露于X射线。在又一些其他实施方案中，显示面板可以被定位在患者附近以方便在患者身边工作，但是控制台和成像序列触发器可以被定位在远处。

在一些配置中，壳体50内的x射线源30可以用铋(或其他重金属)填充的有机硅材料来屏蔽。可以在辐射屏蔽中使用铋代替常规的铅，因为铋被认为是毒性较小的重金属之一，因此是在环境上更可取的，并且提供比得上铅的辐射屏蔽。同样地，存在各种各样功能性的铋屏蔽材料源和制造这些材料的方法，它们在设计和制造上都提供了与铅或铅基材料相比而言增大的灵活性并且允许更大范围的功能和用途。因此，此屏蔽在防止泄漏辐射方面非常有效，从而在操作者使用3DIO系统10时保护操作者免受辐射暴露。

在一些实施方案中，辐射屏蔽的效力依赖于屏蔽材料的原子序数或Z值以及密度。具有较高的Z值的密度较大的屏蔽材料对于高能x射线和伽马射线而言是较好的屏蔽材料。因此，辐射屏蔽可以包含其他高Z的金属，诸如碘、钡、锡、钽、铯、锑、金和钨。

3DIO系统还可以通过有线连接或无线连接而连接到任何类型的电子设备。在这些实施方案中，3DIO系统可以包含将检测器连接到期望的电子设备诸如计算机的通信缆线，该电子设备可以用来分析来自检测器的x射线图像。然而，在其他实施方案中，检测器可以与任何可以与期望的电子设备配对的无线通信设备连接。

3DIO系统也可以被配置为与任何牙科站集成。因此，3DIO系统可以被配置为与第一牙科站连接或被移动到第一牙科站，并且被操作以拍摄第一患者的图像。然后，3DIO系统可以从第一牙科站移除，并且然后与第二(或第三、第四等)牙科站连接，以拍摄附加的患者的图像。

如图3-图4中所描绘的，3DIO系统也可以被修改以包含几何校准机构。在一些配置中，该校准机构使用牙齿特征作为基准标记。在其他配置中，几何校准可以使用图像数据进行校准而非基准标记。

在一些实施方案中，x射线源的机械运动可以是部分或完全自动化的，以使得几乎不需要操作者干预。在大多数实施方案中，自动化的运动将是恒定速度旋转，因为这是最简单的操作模式。然而，其他实施方案将使用停止-开始(stop-start)方法，其中X射线源在每次x射线曝光期间被保持固定，并且然后被快速移动或旋转到下一个位置。又一些其他实施方案可以使用如下操作模式：在该操作模式下，在旋转中在不同的点处使用不同的旋转速度。

旋转速度或停止-开始运动将与x射线源和检测器的操作同步，以使得当x射线源位于其移动或路径中的期望的位置时，适当地触发或操作x射线源和面板。

可以通过将重量轻的x射线源安装在运动机架上来实现此旋转自动化，该机架可以被包封在单个壳体内。如上所述，壳体将像现代的口内x射线源一样安装在壁装臂上，但是将不存在壳体本身的运动。部分或完全自动的系统将允许操作者使用操作者易于激活的技术来收集3D图像，以使得操作者和患者体验比得上常规的单个2D射线照片的体验和技术。理想地，将通过按压单个按钮或向计算机控制系统发出单个命令来激活整个成像序列。

使用x射线源的运动的部分或完全自动化允许3DIO系统在大体上连续的基础上操作。x射线源可以在再次移动之前仅暂停足够长的时间以提供期望的量的x射线，或x射线源可以被允许连续移动。在大多数配置中，x射线源仅需要暂停大约10ms至大约40ms毫秒，以将x射线束发送朝向牙齿。然后，在发送另一组x射线束之前，仅需要花费大约40ms至大约100ms毫秒以将壳体50内的x射线源重新定位。可以根据需要移动和重新定位x射线源多次。换句话说，成像过程平均可以在每个拍摄图像大约50ms至大约140ms的范围内。

生成将被处理成3D图像的2D图像数据所需的x射线曝光的时序和序列需要尽可能快。期望的是在大约5秒至10秒的时段内完成整个过程，由于患者舒适度的原因并且因为短时间使患者更容易在成像过程期间保持不运动，所以较短的时间是优选的。例如，如果成像序列需要在6秒内完成，并且在该6秒之内需要总共24个图像，则3DIO系统将每秒拍摄4个图像。在壳体内的x射线源将需要在这些6秒期间完成几乎一个完整的旋转，或将具有大约10rpm的旋转速度。由于在此实施例中可以使x射线源在全功率下产生脉冲10ms至20ms，因此它留出大约230ms至240ms可用于x射线检测器读出图像数据和准备接收下一个x射线脉冲，x射线脉冲将每250ms在x射线源的一个不同位置出现一次，并且因此生成下一个2D图像。因此，可以快速地(即，少于5-10秒)完成一个牙齿的整个成像过程，以使得患者的运动不影响成像过程，或简单的患者稳定设备(即，腮托)足以控制患者运动。

如果需要对另一个牙齿成像，则可以使壳体50和定位在患者的嘴内的检测器随后移动到另一个位置。在已经重新定位了壳体和检测器之后，可以以与上文所描述的类似的方式进行对附加的牙齿的成像。可以重复此过程，以对所期望的那么多的牙齿成像。

使用本文所描述的3DIO系统允许操作者显著减少拍摄多个2D图像和使用它们渲染3D图像所需的时间。通常，用于使用多个2D图像渲染3D图像的过程可以花费少于大约120秒。在其他实施方案中，此时间可以在大约30秒至大约90秒的范围内。考虑到上文所描述的拍摄2D射线照相图像所需的时间，用于拍摄2D图像和创建3D图像的整个过程可以在大约40秒到长达100秒或甚至长达140秒的范围内。

如所描述的，3DIO系统可以通过以下来创建3D图像：以第一角度捕获牙齿的第一2D射线照相图像，移动x射线源的位置以从不同的角度拍摄另一个图像，并且然后使用重建算法来从两个2D射线照相图像渲染3D图像。在许多配置中，将使用不止两个2D射线照相图像来创建3D图像。在一些实施方案中，2D射线照相图像的数目可以是在3到超过1000个图像的范围内的任何数目。在其他实施方案中，2D射线照相图像的数目可以是在6到超过32个图像的范围内的任何数目。在又一些其他实施方案中，2D射线照相图像的数目可以是在9至24个图像的范围内的任何数目。所使用的图像的实际数目将从一种情形到下一种情形变化，这取决于可用的时间和3D图像中所需的分辨率。所使用的2D射线照相图像越多，3D图像的分辨率就越高，但是由于x射线源必须从一个位置移动到另一个位置，因此成像过程将花费更长时间，施加于患者的辐射剂量更高，并且3D图像计算将需要的时间更多。另一方面，所使用的2D射线照相图像越少，3D图像的分辨率就越低，但是成像过程可以更快。

可以使x射线源在位于大致平行于检测器20的平面内的圆上以任意增量从大约0度到大约360度的角度到处移动(或旋转)，如图5-图6中所示出的。与x源围绕患者的头部水平旋转的CBCT过程不同，x射线源30在大体上平行于牙齿40的纵向轴线并且仅位于患者的头部的一侧的平面内的圆中旋转。检测器20固定在牙齿后面，并且在一些配置中大体上平行于牙齿的纵向轴线。因此，可以使用机械机架70来使x射线源30在与检测器的平面大致平行的平面内围绕旋转轴线80旋转。实际上，x射线源30在该平面内可以旋转通过在0度到大约360度的范围内的圆弧的任何部分，如果患者的牙齿在竖直方向上定向，则该平面是大体上竖直的。因此，使用本文所描述的3DIO系统，操作者可以想到通过改变极坐标中的位置、θ和φ而不是改变X和Y笛卡尔坐标来从该平行的平面内的任何位置拍摄2D图像。替代地，可以使用该平面内的由半径R和角度θ组成的圆形坐标来描述此同一组位置。因此，3DIO系统与用于乳房X线照相术或胸部X射线的常规的断层合成不同，在常规的断层合成中，源沿着垂直于检测器的面的平面在有限的弧中移动。

因为x射线源以此方式(即，以大体上圆形运动和大体上恒定旋转速度)移动，x射线源在如由检测器阵列所限定的X方向和Y方向上的表观瞬时移动速度将是正弦的，因为它在圆中移动。X和Y正弦移动也异相90度，以使得当在X方向上的速度在最大值时，Y移动为零，反之亦然。为了在所得到的3D图像中获得最大分辨率，跟踪X射线源在其运动中的位置，并且在图像重建期间为了X分辨率和Y分辨率而对像素进行适当地加权，以使得在X射线源示出零或少量的X位移时拍摄的图像在限定图像特征的X分辨率时被赋予较大的值，并且对于图像特征的Y分辨率方法相同，这将有助于重建算法减少或消除在2D图像捕获过程期间由x射线源的连续运动引起的运动模糊。

存在许多本领域中已知的3D重建系统或方法。这些系统或方法中的大多数在实践中已经失败了，因为要求操作者手动重新定位x射线源，并且恰与标准口内射线照相一样拍摄每个2D投影。操作者手动拍摄9至15个口内射线照片所需的大量的时间，以及这样的过程中固有的患者不适感，结合3D重建过程所需的延长的时间，使对于大多数牙科手术而言使用这些系统或方法不切实际。

3DIO系统使用快得多的图像捕获过程。这主要是由于自动化图像捕获，自动化图像捕获是通过简化x射线源运动和对于每个图像将检测器留在相同位置实现的，简化x射线源运动是通过将x射线源限制到在大体上平行于检测器的平面内的圆形运动实现的。此方法可以使图像捕获过程自动化。

图形处理单元(GPU)硬件的并行计算能力的提升已经允许用于断层扫描摄影术和断层合成的迭代和统计重建技术的临床实施。这些迭代技术使用基于变分的方法(variational-based methods)来使考虑到检测器测量结果描述重建图像的概率的似然函数最大化。这些提升当与2D图像数据的自动化捕获结合在一起时可以使得考虑提供一种比得上标准2D牙科X射线的易用性和工作流程的如所描述的3DIO系统是切实可行的。

在3D图像的生成中使用这些迭代技术提供了几个优点。首先，这些技术对于丢失数据和任意投影扫描(诸如具有非标准几何形状的扫描)是鲁棒的。其次，这些技术直接对成像系统的物理特性和噪声特性进行建模。第三，这些技术允许使用3D重建图像的先验概率，以减少算法收敛到正确的高分辨率图像上所需的时间。

本文所描述的3DIO系统表现出一些有益的特征。3DIO系统的一个有益的特征包括在采用x射线剂量最小化方案的同时获得高分辨率3D图像的能力。在本文所描述的3DIO系统之前，为了获得具有100微米或更好的分辨率的3D图像，通常需要在300μSv至1,000μSv的范围内的x射线剂量。本文所描述的3DIO系统允许操作者以在大约10μSv至大约45μSv的范围内的小得多的剂量获得类似的分辨率。

另一个有益的特征包括提高的成像效率。可以实现此效率，这是因为该系统使低功率x射线管与CMOS传感器交互和同步，并且该系统从多个角度收集2D图像，从而通过优化空间分辨率、噪声、对比度噪声比和几何精度减少了获得诊断质量图像所需的图像的数目。这将通过提供具有裂缝、邻间龋齿、根部重叠(在2D射线照片中观察时)以及牙科学中的其他异常解剖和诊断挑战的牙齿的更好的诊断图像来为执业牙科医生提供益处。

与调谐孔径计算的断层摄影术(tuned aperture computed tomography，TACT)系统相比，本文所描述的3DIO系统可以更快速地且更低成本地实施。TACT系统采用牙科断层合成和口内传感器，在检测一些牙齿断裂方面，TACT可以与CBCT一样精确。实际上，已经开发了用于使用TACT对断层合成数据进行3D重建的商业软件。不幸的是，此方法在临床实践中失败了，这主要是因为要求操作者手动重新定位x射线源并且拍摄类似于标准口内射线照相的每个2D图像。这例示了避免手动重新定位x射线源的要求的3DIO成像方法的重要性和价值。

本文所描述的3DIO系统的吸引人的特征是其对牙科实践的适应性。除了仅提供与现有的CBCT方法相比减少的x射线剂量和改进的分辨率之外，牙科成像必须满足许多约束才能在牙科实践中采用。CBCT过程以及一些常规的3D牙科成像系统和方法尚未成功获得标准牙科实践的认可，因为它们给患者和牙科学的实践造成了不可接受的负担。这些负担包括以下问题：不可接受的货币成本；患者所承受的不可接受的或不吸引人的负担，诸如个人不适、x射线剂量以及在牙医诊所处接收治疗的时间；以及牙科实践中的工作流程的中断。这些问题中的每个都需要被处理和解决，以创建对大多数牙科实践有意义的3D牙科成像系统。

作为解释，在牙科实践中用于拍摄牙齿的2D图像的典型的工作流程如下。牙科技师或牙科医生将将数字成像设备插入到患者的嘴内，该数字成像设备被定尺寸成以某种程度的舒适度配合到嘴内。然后将x射线源定位在患者的嘴外部，其中x射线辐射适当地瞄准检测器，并且然后触发x射线源并且获得图像。获得单个x射线图像的整个过程通常花费30-60秒，其中附加的图像要求更少的附加的时间，因为所需的装备已经位于大致正确的位置。

为了实现类似的用于3D牙科图像的工作流程，应满足几个要求。第一个要求是，x射线源必须重量低且相对小，以使得可以类似于标准牙科x射线装备那样将它安装在壁上，并且必要时可以将它容易地且轻松地定位。替代地，可以以其他提供适当定位的方式安装它。第二个要求是，在尺寸、感觉、患者舒适度程度等方面，口内检测器必须与现有的口内检测器类似。第三个要求是，整个成像过程必须能够在相对短的时间段(诸如5到10秒)内完成。第四个要求是，容易地且快速地完成x射线源相对于患者和口内检测器的定位。

同样地，除了口头要求在拍摄图像时保持不运动之外，获得典型的2D牙科图像，而对患者的运动或位置没有任何约束。通过安放头部限制设备或通过要求将大型x射线源设备定位在患者头部旁边而造成患者的显著不适感的3D牙科成像过程，将导致患者显著不适和随后患者对使用3D成像作为标准实践的抗拒。

满足对类似程度的患者舒适度的需要施加了以下对3D牙科成像系统的约束。首先，为了避免与简单的腮托或类似的方法相比将更不舒适的任何种类的头部运动限制，3D成像过程必须快速完成，大约少于5秒，并且一定少于10秒。由于精确的3D渲染所需的2D图像的数目通常在大约15个图像和50个图像之间，因此2D图像捕获速率需要至少是大约每秒5个图像或每秒更多个图像。

第二个约束是x射线源需要是小的并且看起来在尺寸和形状上与患者所熟悉的现有的x射线源类似。并且，由于成像过程必须快速完成，以及x射线源必须沿弧、圆或某个其他几何路径移动以获得所需的2D图像，因此必要的是x射线源是重量轻的以简化管理所需的机械运动、配重和其他工程关注的问题，并且x射线源也是物理体积小的。期望的是x射线源自身重量小于1.5Kg，并且一定小于5Kg，并且它的长度小于大约20cm、宽度小于大约8cm、并且高度小于8cm。

第三个约束涉及执行重建3D图像所需的数学上复杂的计算的计算机处理器的速度和能力。有帮助的是在采集2D图像数据之后在短时间内完成3D计算，同样为了满足对患者舒适度和接受度的要求，并且为了适合典型的牙科实践的工作流程。可以预期的是，随着计算机技术继续发展，此要求将变得更容易满足，但是向牙科医生呈现3D数据所需的时间不应超过大约90秒。

最后，满足货币成本的挑战对可以在3D成像系统中实施的技术施加了约束。一些方法使用x射线源阵列进行3D牙科成像，但是这造成了显著的成本，因为它未利用现有的、廉价的、很好地开发的、可靠的真空管x射线源。与较低成本的常规的x射线源相比，使用先进的x射线源阵列虽然是在技术上具吸引人的，但是在图像质量、x射线剂量或其他重要性能因素方面，几乎没有为牙科执业医生或牙科患者带来好处，常规的x射线源可以被轻松地移动并且可以快速产生脉冲，以在所期望的时间限制内生成所需的2D x射线图像。

除了任何先前指示的修改之外，在不脱离本描述的精神和范围的前提下，本领域技术人员可以设计出许多其他变体和替代布置，并且所附权利要求意在覆盖这样的改型和布置。因此，虽然上文已经结合当前被认为是最实用且优选的方面的内容具体且详细地描述了该信息，但是对于本领域的普通技术人员来说明显的是，在不脱离本文所阐述的原理和构思的前提下，可以做出许多改型，包括但不限于形式、功能、操作方式和用途。另外，如本文所使用的，实施例和实施方案在所有方面仅意在为例示性的并且不应被理解为以任何方式来限制。

Claims (21)

1.一种x射线成像系统，包括：

壳体；

x射线源，其被附接到运动机架，所述运动机架被配置为使所述壳体内的所述源移动到多个位置；

x射线检测器阵列，其被定位在待成像的物体的与所述x射线源相对的侧上，所述检测器阵列与所述x射线源同步，以当所述x射线源位于所述多个位置时捕获所述物体的二维(2D)图像；以及

处理器，其被配置为接受所述2D图像并且重建三维图像；

其中所述多个位置位于大体上平行于所述x射线检测器阵列的平面上。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述物体是单个牙齿或多个牙齿。

3.根据权利要求1所述的系统，其中多个x射线源被附接到所述运动机架。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置为使用断层合成算法来重建所述3D图像

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述断层合成算法包括迭代过程。

6.根据权利要求1所述的系统，其中在所述壳体内的所述x射线源的移动是部分或完全自动化的。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统收集多达1000个2D图像。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统收集6至32个2D图像。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统收集9至24个2D图像。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统在大约40ms至大约100ms毫秒内在所述多个位置之间重新定位所述x射线源。

11.一种用于形成物体的三维图像的方法，包括：

将x射线源设置在运动机架上，所述运动机架被配置为使壳体内的所述源移动，所述x射线源位于待成像的物体的一侧上；

将x射线检测器阵列定位在所述物体的相对侧上；

使所述壳体内的所述x射线源移动到多个位置，所述多个位置位于大体上平行于所述x射线检测器阵列的平面上；

当所述x射线源位于所述多个位置时，收集所述物体的多个二维(2D)图像；以及

使用所述多个2D图像重建三维(3D)图像。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述物体是单个牙齿或多个牙齿。

13.根据权利要求11所述的方法，其中处理器被配置为使用断层合成算法来重建所述3D图像

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述断层合成算法包括迭代过程。

15.根据权利要求11所述的方法，其中多个x射线源被附接到所述运动机架。

16.根据权利要求11所述的方法，其中在所述壳体内的所述x射线源的移动是部分或完全自动化的。

17.根据权利要求11所述的方法，其中所述系统收集多达1000个2D图像。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述系统收集6至32个2D图像。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述系统在大约40ms至大约100ms毫秒内在所述多个位置之间重新定位所述x射线源。

20.根据权利要求11所述的方法，其中用于单个牙齿的图像捕获和3D重建的整个过程能够在小于大约10秒内完成。

21.根据权利要求11所述的方法，其中用于单个牙齿的图像捕获和3D重建的整个过程能够在小于大约5秒内完成。

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