CN115209809A - 一种x射线传感器 - Google Patents

Abstract

为了生成3D X射线图像，有必要在X射线发射和探测期间补偿患者移动；这可以通过提供包括数字X射线探测器40的X射线传感器20和用于在X射线探测期间提供与X射线传感器的相对位置的变化有关的位置信息的惯性传感器50、60来实现。

Description

一种X射线传感器

本发明总体上涉及一种X射线传感器和一种生成X射线图像的方法，并且发现在口内X射线成像技术中特别有用，但这并不是唯一的用途。

已知数字口内X射线传感器与传统X射线源相结合用于生成口腔X光。这类设备产生低剂量的X射线。传感器的像素尺寸通常小至20X20μm。采集时间通常约为0.1-0.2秒，因此患者活动通常不会影响图像质量。但是，生成的图像是二维的。

在某些情况下，最好有三维图像。可以使用X射线源阵列和口内数字X射线传感器的组合来生成三维图像；处理得到的数据以使用数字断层合成生成三维口内图像。然而，为了实现这一点，采集时间通常在1-10秒的范围内。因此，患者活动会影响所得图像的质量。

在口腔外牙科X光检查中也是如此，例如全景或CBCT系统，根据系统和使用的协议，采集可能需要5-40秒。

更进一步，人们认识到，总是会出现一些患者运动，包括由于心动周期中血压的变化而导致的可能80μm的头部运动。

克服患者移动问题的一种方法是将口内传感器机械连接到X射线源。但是，这会影响操作员将传感器放置在正确位置的能力，进而导致患者舒适度降低。

因此，希望有一种使用口内传感器和外部X射线源生成牙科图像的系统，其中口内传感器和外部X射线源之间没有任何机械连接，从而即使在患者头部在采集阶段出现移动的情况下，也可以生成清晰度相对良好且不模糊的三维X射线图像。

第一方面，本发明提供了一种X射线传感器，包括数字X射线探测器，以及用于在探测X射线期间提供与X射线传感器的相对位置的变化有关的位置信息的惯性传感器。

X射线传感器可以配置为独立于一个或多个X射线发射器而物理地移动。替代地或另外地，X射线传感器可以配置为独立于一个或多个X射线发射器阵列而物理地移动。

惯性传感器可以包括至少一个加速度计和/或至少一个陀螺仪。惯性传感器可以与X射线探测器集成在一起或者可以可释放地附接到其上。这种惯性传感器相对较小且成本较低。例如，这些传感器可以小至2X2X1mm，以便它们可以很容易地集成到外部尺寸约为32X44X10mm的口内传感器中。

惯性传感器能够提供精确的3轴加速度和方向数据流，这些数据又可在获取每张图像时，跟踪惯性传感器的空间位置变化，从而跟踪X射线探测器的空间位置变化。

X射线传感器可以包括一个处理器或“发射器位移计算单元”，用于使用来自惯性传感器的数据流以及定时信号来计算(相对于起始位置的)位置偏移信息，从而校正惯性传感器数据误差，用于每次图像采集。处理器也可以是“图像重建单元”，用于使用探测到的X射线、X射线源的标称位置和位置偏移信息，从而计算得到的X射线图像。

处理器可以被布置为基于位置信息计算要应用于一个或多个X射线图像的运动校正因子。该计算可以由处理器执行，该处理器可以与采集控制系统同步并且可以执行惯性传感器数据的积分以及误差校正。

处理器可以包括采集控制系统。

处理器可以布置成通过在探测X射线期间考虑口腔内X射线传感器的相对位置的变化来创建二维和/或三维图像。

可以使用已知方法根据位置数据计算获取阶段期间传感器的位移。

处理器可以与传感器集成在一起。或者，处理器可以在传感器外部。另一种选择是由多个处理器进行处理，这些处理器位于传感器内部和传感器外部。例如，发射器位移计算单元可以与X射线传感器一起布置在板上，并且图像重建单元可以布置在X射线传感器外部且可与采集控制系统设置在一起。

X射线传感器还可以包括用于将由探测器获取的数据和位置信息传输到处理器的通信装置。这种通信装置包括有线和无线设备，例如射频发射器和接收器。

X射线传感器可以包括用于使其相对于感兴趣区域保持静止的装置。这可以包括带子、绳索和可将其临时附接和固定定位到在操作期间可能会移动的对象上的装置。

X射线传感器可以是布置成装配在人类嘴内的口内传感器。通过这种方式，可以创建口内X射线图像。X射线传感器的尺寸可以设置成适当地适合人类嘴巴。例如，它在任一正交轴上的最大尺寸可为3cm。X射线传感器还可以包括咬合杆，用于在使用期间将探测器与对象的嘴保持相对固定的关系。考虑了使其相对于牙齿保持静止的其它装置，例如夹具、钳子和包括模制成近似牙齿形状的部件的基板。这些装置，例如咬合杆，可以与X射线传感器集成在一起或可拆卸地连接。例如，它们可以形成框架的一部分，框架设在X射线传感器全部或部分周围。还可以设想，在一个示例中，框架可以包括惯性传感器。

一旦口内X射线传感器放置在口腔内，它通常不会在整个头部运动期间相对于牙齿移动。因此，任何口内X射线传感器相对于外部X射线源的运动也将直接应用于牙齿。因此，在图像创建过程中，计算得到的传感器(R)的平移和旋转可以作为该图像的标称X射线源位置和方向的倒数(R’)应用。这意味着图像创建过程不会创建牙齿的图像，因为如果没有运动，它们会从传感器位置出现。相反，该过程创建了牙齿从实际相对位置和相对方向出现的图像。在断层合成采集多幅图像的情况下，该位置信息随后被集成到重建算法中，以准确确定每个图像的发射器和探测器的相对位置。

此外，位置信息可用于确定在获取每个单独图像期间所经历的运动程度。处理器还可以布置成在口内传感器在使用期间的运动超过预定值时向操作者提供指示。此外，处理器可以布置成在口内传感器在使用期间的运动超过预定值时自动排除探测器获取的数据。口内X射线传感器还可以设置为自动发射和探测额外的X射线以“重新扫描”先前图像可能由于患者头部的这种过度运动而变得模糊的区域。

上述关于X射线传感器的计算平移和旋转、在获取每个单独的图像期间所经历的运动程度的确定以及向操作员提供指示的讨论也可以适用于X射线传感器，而非口内X射线传感器，其在使用期间放置在对象外部。

X射线传感器可以与一个或多个X射线发射器组合布置。发射器可以布置在面板中，该面板包括可单独激励的X射线发射器阵列，可将可单独激励的X射线发射器阵列称为X射线源的分布式阵列。X射线源的分布式阵列的使用可以允许每个发射器通过电子方式单独触发，这可能比必须物理移动单个X射线源快得多。

与CBCT不同，X射线可以在患者周围进行完整的360度扫描，数字断层合成可能只覆盖部分扫描。X射线传感器及其使用方法可用于固定断层合成(sDT)；可能无需物理移动X射线源即可实现部分扫描；相反，可能通过触发阵列中一系列空间分布的按顺序发射的固定源即可实现部分扫描。

X射线发射器阵列可以是单个平板源(FPS)。X射线探测器可以是平板X射线探测器(FPD)。预计在使用中，对于单个牙齿的成像，FPS可以相对于环境保持静止，并且假设对象不动，FPS可以相对于对象保持静止。假设探测器足够大，对于紧邻的牙齿组，也是这种情况。由于FPS包括发射器阵列，因此可以从不同位置发射X射线以创建足够的数据来生成3D图像。但是，如果使用单源X射线发射器，那么在需要3D图像的情况下，可能就必须在操作过程中移动X射线源；但是，如果只需要2D图像，情况可能并非如此。

第二方面，本发明提供了一种生成X射线图像的方法，该方法包括以下步骤：固定X射线传感器于相对于感兴趣区域的位置；从X射线源向X射线传感器发射X射线；操作X射线传感器以探测所述X射线；处理所述探测到的X射线以产生感兴趣区域的图像。

X射线传感器可以包括咬合杆，感兴趣区域可以包括至少一颗牙齿，并且固定X射线传感器于相对于感兴趣区域的位置的步骤可以包括将X射线传感器放置在对象的嘴中，且对象在他们的牙齿间保持住咬合杆。

惯性传感器提供的位置信息可用于确定每个图像的X射线源和数字X射线探测器的相对位置。

处理器可以针对每张图像基于X射线源和数字X射线探测器的相对位置计算运动校正因子。

所述X射线的探测可以在X射线传感器和X射线源之间没有任何机械连接的情况下发生。

X射线传感器及其使用方法允许精确的采集后运动补偿，其不受基于图像的运动补偿的限制，其中在尝试注册3D物体的不同位置的不同2D投影图像时，平行于X射线束中心轴的位移或围绕该束的旋转计算起来相对较难。它们不需要X射线源和X射线探测器之间存在任何机械连接，这又使图像采集相对更快，并且为操作员和患者提供了相对更大的便利。

精确的运动补偿可减少或消除由于运动引起的图像伪影。这可能会减少或消除误解或误诊。

还可以基于目前已知的图像分析和基于图像的运动补偿对所得图像进行进一步处理，以提供更精细水平的运动补偿。

通过结合附图所述的以下具体实施方式，本发明的上述和其它特征、特点和优点将变得显而易见，其中附图通过示例的方式说明了与口内X射线有关的本发明的原理。该描述仅作为示例，而不限制本发明的范围。以下附图标记指的是附图。

图1是患者口腔内的口内X射线传感器暴露于X射线下的示意图；

图2是口内X射线传感器的立体图；

图3是用于创建3D数字断层合成图像的一系列X射线图像的表示；

图4是正在进行X射线检查的牙齿的示意图；

图5和图6是牙齿在患者移动之前和之后进行X射线检查的示意图；和

图7是描绘X射线传感器的操作方法和随后图像生成的流程图。

本发明将参照某些附图进行描述，但本发明不限于此，而仅受权利要求的限制。所描述的附图只是示意性的并且是非限制性的。每张附图可能不包括本发明的所有特征，因此不应被认为是本发明的一个实施例。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸与本发明实践的实际缩减并不对应。

此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分相似的元件，并不一定用于描述时间、空间、排序或任何其他方式的顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且能够以不同于本文描述或图示的其他顺序进行操作。同样，以特定顺序描述或要求保护的方法步骤可以理解为以不同顺序操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上方、下方等用于描述目的，并不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且能够在不同于本文描述或图示的其他方向上进行操作。

需要注意的是，在权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为仅限于其后列出的装置；它不排除其他元素或步骤。因此，它被解释为指定所提及的所述特征、整体、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤或组件或其组。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应限于仅由组件A和B组成的设备。这意味着就本发明而言，设备的唯一相关组件是A和B。

类似地，应当注意，描述中使用的术语“连接”不应被解释为仅限于直接连接。因此，表述“连接到设备B的设备A”的范围不应限于其中设备A的输出直接连接到设备B的输入的设备或系统。这意味着A的输出和B的输入之间的路径可以是包括其他设备或装置的路径。“连接”可能意味着两个或更多个元件直接物理或电接触，或者两个或更多个元件彼此不直接接触但仍相互协作或相互作用。例如，考虑无线连接。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一个方面”的引用意味着结合该实施例或方面描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例或方面中。因此，在本说明书各处出现的短语“在一个实施例中”，或“在一个方面”不一定都指代相同的实施例或方面，而是可以指代不同的实施例或方面。此外，本发明的任何一个实施例或方面的特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式与本发明的另一实施例或方面的任何其他特定特征、结构或特性组合，这对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。

类似地，应当理解，在描述中，本发明的各种特征有时在单个实施例、图或对其的描述中组合在一起，目的是简化发明内容并帮助理解各种发明方面中的一个或多个方面。然而，这种公开方法不应被解释为表明要求保护的发明需要的特征要比每条权要中明确说明的特征多。此外，任何单独的附图或方面的描述不应被认为是本发明的实施例。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。因此，具体实施方式之后的权利要求在此明确并入该具体实施方式中，每个权利要求独立作为本发明的单独实施例。

此外，如本领域技术人员将理解的，虽然本文描述的一些实施例包括其他实施例中包含的一些特征，但是不同实施例的特征的组合意在在本发明的范围内，并且形成另外的实施例。例如，在以下权利要求中，可以以任何组合使用任何要求保护的实施例。

在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，为了不混淆对本描述的理解，没有详细示出公知的方法、结构和技术。

在本发明的讨论中，除非有相反的说明，否则参数的允许范围的上限或下限的替代值的公开，加上所述值之一比另一个更优选的指示，应被解释为隐含地表明，位于所述备选方案中更优选和次优选之间的所述参数的每个中间值本身优先于所述次优选值以及位于所述次优选值和所述中间值之间的每个值。

在某些情况下，“至少一个”一词的使用可能仅表示一个。在某些情况下，“任何”一词的使用可能意味着“所有”和/或“每个”。

现在将通过与示例性特征相关的至少一幅附图的详细描述来描述本发明的原理。很明显，在不脱离基本概念或技术教导的情况下，根据本领域技术人员的知识可以配置其他布置，本发明仅由所附权利要求的条款限制。

图1示出了一组牙齿10的示意性侧视图，该组牙齿10暴露于由X射线源70发射的X射线80下。患者的口中具有口内X射线传感器20。传感器20通过电缆25与处理器45连接，处理器45又通过电缆47与显示器55连接。

传感器20与两颗牙齿18、19相邻。在使用中，X射线源可以从布置在其中的各种发射器发射X射线流。X射线可以穿过牙齿18、19并且传感器20探测到X射线。探测器可以将得到的数字数据传递给处理器45进行处理以在显示器55上创建2D和/或3D图像。

图2中示出了口内传感器20的外观示例。传感器20包括外观为长方体的探测器部分40，以及相对平坦和平面的“咬合杆”30，“咬合杆”从探测器部分40的一端向外垂直延伸，由此在使用过程中，杆可以牢固地保持在患者的上牙和下牙之间，从而使传感器与牙齿保持固定关系。

探测器部分40包括加速度计50和陀螺仪60。设想还可以包括处理器65，用于处理由加速度计50、陀螺仪60和X射线探测器中的任何一个或全部产生的一些或全部数据。

如果需要，电缆25示出为用于与外部处理器45和/或显示器55通信。

处理器45、65布置成生成牙齿的2D和/或3D X射线图像，其由图3中的一系列图像75指示。

图4中示出了探测器40的示意图。探测器40包括布置在其中用于探测X射线的多个探测器像素41、42等。

加速度计50也显示在探测器40内。

牙齿19显示为遭受X射线发射器70发射的X射线80的锥形的照射。X射线80的锥形与探测器40中的多个像素41、42相遇，使得一旦数据处理完毕，就可以生成牙齿的X射线图像。该图像可能看起来与图6中所示的图像类似。

在图5中，同一颗牙齿19由于患者移动而略微旋转。新位置92与虚线所示的之前的位置90形成对比。由于保持传感器40相对于牙齿固定的咬合杆，可以看到传感器也如何移动；它之前的位置也用虚线表示。如果探测器40接收到的图像由于X射线发射器70发射的X射线而与牙齿未移动时拍摄的图像相结合，如图4所示，则生成的3图像将不正确。这是因为尽管牙齿和探测器已经移动，但X射线发射器仍然保持静止。因此，需要对图像进行处理以提供可以与图4图像组合的图像。

图6示出了该处理如何考虑牙齿19和传感器20的移动以创建相同或几乎相同的图像72。图5中的牙齿远离先前(图4)位置的移动由“R”表示。在图6中，对数据进行处理，以便创建图像，就好像X射线发射器70已被R’移动并位于位置73，而不是其实际位置72，如轮廓所示。所得图像71然后可以与其他图像组合。可以对每个图像进行处理和调整，从而可以补偿患者运动，进而可以组合所有图像，就好像没有发生患者运动一样。发射器R’的运动和牙齿R的运动彼此成比例，因此，R的测量值可用于计算R’。

牙齿的移动R由位于传感器20内的加速度计50和陀螺仪60发送的数据确定。

在图7中，描述了一种操作方法。在步骤100中，断层合成采集控制器开始操作。控制器发送110用于第一X射线发射的开始信号(t＝0)。在步骤120中，X射线源从发射器位置产生X射线。在步骤130中，口内传感器捕获第一X射线图像。在发射器发射X射线的同时，惯性传感器向发射器位移计算器发送105连续的数据流。发射器位移计算器记录115惯性传感器数据。发射器位移计算器确定140每次采集相对于起始位置的位移。发射器位移计算器停止150整合惯性传感器数据。发射器位移计算器向图像重建单元发送160数据。图像重建单元针对明显的发射器位置校正图像并生成170个最终X射线图像。

控制器为每个后续的X射线发射事件(用于创建新图像)发送180定时信号。X射线源为序列中的每个发射器位置生成190X射线。口内传感器捕获200图像序列中的每个图像，并将数据发送到图像重建单元，其中在已经针对明显的发射器位置进行校正之后生成170最终X射线图像。即，针对明显发射X射线的位置进行校正。例如，多个发射器，或更具体地是FPS，包括位于多个物理位置的发射器，并且从明显位置发射X射线，或包括这些发射器的组合，以创建数据，生成3D图像。这些不同的或明显的位置可以通过协同地激励一个以上发射器来形成。例如，同时或以重叠时间段激励一个以上发射器是协同地激励一个以上发射器。

应当理解，可能不需要知道X射线发射器相对于形成患者的一部分或患者外部的任何固定基准点的绝对位置，因为它只是患者相对于重要的起点的位置变化。然而，如果需要，可以记录起始位置，从而可以计算传感器相对于该位置的移动情况。

在上文中，单数“牙齿”的使用可以包括复数“牙齿”，反之亦然。

Claims (23)

1.一种用于断层合成成像的X射线传感器，包括数字X射线探测器，以及用于在X射线探测期间提供与所述X射线传感器的相对位置变化有关的位置信息的惯性传感器。

2.根据权利要求1所述的X射线传感器，其特征在于，所述惯性传感器包括至少一个加速度计和/或至少一个陀螺仪。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的X射线传感器，其特征在于，其与用于处理由所述探测器获取的数据和所述位置信息的处理器相结合，从而创建二维和/或三维图像。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述处理器布置成基于所述位置信息计算运动校正因子。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述处理器布置成通过在X射线探测期间考虑所述X射线传感器的相对位置的变化来创建所述二维和/或三维图像。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的X射线传感器，其特征在于，所述处理器与所述传感器集成在一起。

7.根据权利要求3至5中任一项所述的X射线传感器，其特征在于，所述处理器在所述传感器的外部。

8.根据权利要求3至5中任一项所述的X射线传感器，其特征在于，还包括用于将由所述探测器获取的数据和所述位置信息传输到所述处理器的通信装置。

9.根据权利要求8所述的X射线传感器，其特征在于，所述处理器布置成在所述传感器在使用期间的运动超过预定值时向操作者提供指示。

10.根据权利要求8和9中任一项所述的X射线传感器，其特征在于，所述处理器布置成在所述传感器在使用期间的运动超过预定值时自动排除由所述探测器获取的数据。

11.根据前述权利要求中任一项所述的X射线传感器，其特征在于，其与一个或多个X射线发射器相结合。

12.根据权利要求11所述的X射线传感器，其特征在于，所述一个或多个X射线发射器布置成X射线源的分布式阵列，并且其中每个发射器配置为通过电子方式单独地触发。

13.根据前述权利要求中任一项所述的X射线传感器，其特征在于，其是布置成刚好放入人嘴中的口内传感器。

14.根据权利要求13所述的X射线传感器，其特征在于，还包括咬合杆，用于在使用期间将所述探测器与对象的嘴保持相对固定的关系。

15.根据前述权利要求中任一项所述的X射线传感器，其特征在于，所述传感器配置为独立于一个或多个X射线发射器而物理地移动。

16.根据权利要求1所述的X射线传感器，其特征在于，包括发射器位移计算单元，该发射器位移计算单元配置为基于来自所述惯性传感器的定时信号和数据计算相对于起始位置的位置偏移信息。

17.根据权利要求16所述的X射线传感器，其特征在于，包括图像重建单元，该图像重建单元配置为基于探测到的X射线、X射线源的标称位置和所述位置偏移信息计算所得X射线图像。

18.一种生成X射线图像的方法，该方法包括以下步骤：提供根据前述权利要求中任一项所述的X射线传感器；

固定所述X射线传感器于相对于所述感兴趣区域的位置；

从X射线源向所述X射线传感器发射X射线；

操作所述X射线传感器以探测所述X射线；以及处理所述探测到的X射线以产生所述感兴趣区域的图像。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述X射线传感器包括咬合杆，所述感兴趣区域包括至少一颗牙齿，并且固定所述X射线传感器于相对于所述感兴趣区域的位置的步骤包括，将所述X射线传感器放在对象的口中且所述对象在它们的牙之间保持住所述咬合杆。

20.根据权利要求18和19中任一项所述的方法，其特征在于，由所述惯性传感器提供的位置信息用于确定每个图像的所述X射线源和所述数字X射线探测器的相对位置。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述处理器基于每个图像的所述X射线源和所述数字X射线探测器的相对位置计算运动校正因子。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述X射线的探测在所述X射线传感器和所述X射线源之间没有任何机械连接的情况下发生。

23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其特征在于，操作所述X射线传感器以探测所述X射线包括为序列中的每个发射器位置捕获图像；该方法包括

针对明显的发射器位置校正序列中每个发射器位置的图像；和

生成最终的X射线图像。

Images