CN1573321A - X光照相设备 - Google Patents

Abstract

获取和存储定标仿真器的投影图像。从在定标仿真器内的标志器上的投影图像和三维安置信息获取在X射线管和区域检测器上的三维位置信息。获取所有投影图像的三维位置信息，并存储在三维位置信息存储单元中。由X射线照像定标仿真器时同样的途径和同样的顺序获取检查的对象的投影图像。读出投影图像的X射线照像数据。基于在X射线管和相对于定标仿真器的区域检测器上的三维位置信息，执行对象的重建计算，建立断层图像或对象的选择位置的三维体数据。

Description

X光照相设备

技术领域

本发明涉及X光照相的设备，如用于医学或工业的荧光镜台、C-臂设备、X-射线CT设备、一般的照相设备等。设备包括照射设备，用于发射穿透要检查的患者或对象的发散型电磁波，平面的检测设备，跨过患者或对象对着照射设备，并有许多排列成阵列像素，用于检测通过患者或对象转送的电磁波，移动设备，同步的移动照射设备和平面的检测设备，图像建立设备，获得由移动设备的动作从各个方向发射的电磁波照射的患者或对象的投影图像，并实现患者或对象的投影图像的重建计算，建立断层图像和/或选择的位置的三维图像。

背景技术

此类型的X光照相的设备要求实现维护和定标，例如，当采集要检查的患者或对象的图像时，实现周期性的检查和对病灶的检查。下面已知的结构满足此要求。

根据常规的X光照相的设备，定标仿真器放在支撑要检查的患者或对象的顶板上，扫描设备使得照射设备和平面或区域检测器作一个扫描旋转，因此从获得的投影图像得到旋转截面轴的投影线。为了避免在断层图像中产生赝像，要求照射设备和平面检测器放在旋转截面轴精确的圆周轨道上。调整照射设备和平面检测器产生与旋转截面轴的投影线一致的预先确定的平面检测器像素的行(例如，见日本未经审查的专利公开号2003-61944)。

然而，常规的设备，当照射设备和平面检测器的轨道从旋转截面轴的圆周轨道上稍微移位时，严格的定标是不可能的。此外，为了确定旋转截面轴的投影线，照射设备和平面检测器至少必须旋转180度。例如，用小的40度扫描范围，必须实现宽范围的扫描，产生定标要求的时间和效果的障碍。

此外，也必须执行由平面检测器运动的细微的调整。在获得要求的图像前这种调整非常麻烦。

发明内容

本发明的目的是实现一种阻止产生赝像的严格的定标，有效地处理获得要求图像的定标。

根据本发明，从检测发射到要检查的患者或对象的电磁波获得的投影图像，由建立断层图像和/或三维图像的X光照相的设备完成以上的目标，设备包括：

照射设备，向对象发射发散型电磁波；

平面检测器，跨过对象对着照射设备，并有多个排列成阵列的像素，用于检测通过对象发送的电磁波；

移动设备，同步的移动照射设备和平面检测设备；

图像建立设备，由移动设备的动作从不同的方向发射电磁波到对象，获得对象的投影图像，并实现投影图像的重建计算，建立断层图像和/或对象的选择位置的三维图像；

其中，图像建立设备获得定标仿真器的投影图像作为检查的对象，并有至少四个放置在不同平面的三维的标志器，基于定标仿真器的投影图像和在定标仿真器内的标志器上的三维排列信息，获得在照射设备和相对于定标仿真器的平面检测器上的三维位置信息，并基于在照射设备和平面检测器上的三维位置信息执行对象的重建计算。

根据此发明，从在定标仿真器内的标志器上的已知的三维排列信息，获得在照射设备和相对于定标仿真器的平面检测器上的三维位置信息。因此，从什么方向和位置及如何关于定标仿真器投影图像是可能的。当用要检查的患者或对象代替定标仿真器时，可以以同样的条件获取图像。基于三维位置信息可以执行患者或对象的重建计算。

因此，可以获得各个投影图像在照射设备和相对于定标仿真器的平面检测器上的三维位置信息。即使当照射设备和平面检测器在不同于严格的圆周轨道的轨道上作扫描移动时可执行严格的定标。为了定标，可以扫描要检查的患者或对象同样的范围扫描定标仿真器。因此，比确定旋转截面轴的投影线常常要求宽范围扫描的当前技术，定标处理要求较少的麻烦和努力。

发明无需移动平面检测器的机械调整，使得预先确定的平面检测器的像素的列与投影线一致。因此，总的来说，定标处理要求有效的获得所需图像的时间和努力减少。

在上面描述的本发明中，优选的是定标仿真器包括由低X射线吸收器组成的支撑部件，由高X射线吸收器组成的球形标志器。用此结构，由从任何方向形成同一的投影图像的球形的标志器吸收X射线，而支撑标志器的支撑部件几乎不吸收X射线。因此，产生的投影图像在阴影处有明显的不同，使得能清楚的察觉到标志器，因此精确的获得高质量图像的三维位置信息。

上面的标志器优选的是钢球。

优选的定标仿真器包括至少排列在不同平面的四个标志器，包括作为坐标原点的标志器。用此结构，当沿着进动的轨道由扫描运动获取图像时，在标志器之间没有重叠发生，得到精确的三维位置信息的标志器的位置是容易检测的。因此，可以从沿着进动的轨道的扫描可获得高质量的图像。

优选的，定标仿真器包括至少一个安置在XYZ坐标X-轴、Y-轴和Z-轴原点的标志器。这实现定标仿真器的标志器的简单安置，并避免精确度的降低。

优选的，定标仿真器包括至少三组标志器，每一组包括安置在关于坐标原点点对称位置上的两个标志器，所有的标志器安置在不同的平面。用此结构，当沿着圆周或弓形轨道扫描运动获取图像时，在标志器之间没有重叠发生，得到精确的三维位置信息的标志器的位置是容易检测的。因此，可以从沿着圆周或弓形轨道的扫描可获得高质量的图像。

优选的，定标仿真器包括由圆柱形支撑部件支撑的标志器。这实现定标仿真器的简单和价廉的安置，并避免精确度的降低。

根据本发明的图像建立设备的优选例子包括三维位置信息检测单元，获得在照射设备和相对于定标仿真器的平面检测器上的三维位置信息，三维位置信息存储单元，存储获得的三维位置信息，重建计算单元，基于存储在三维位置信息存储单元的三维位置信息执行对象的重建计算，建立断层图像和/或对象选择的位置的三维图像。

安排三维位置信息检测单元的优选例子，通过解下述方程获得在照射设备和平面检测设备上的三维位置信息：把标志器上的三维安置信息和从结构仿真器的投影图像获得的标志器的投影图像上的两维位置信息代入标志器的位置、标志器的投影图像、照射设备和平面检测器之间关系的关系表达式。

安排重建计算单元的优选例子，将对象的投影图像背投射到虚拟设置到对象的的感兴趣区域的三维点阵组。

图像建立设备的优选例子包括断层图像和三维体数据存储单元，用于存储断层图像和/或建立的三维图像。因此，存储在断层图像和三维体数据存储单元的图像可根据请求读出。

优选的，安置移动设备沿着进动的轨道或弓形轨道旋转照射设备和平面检测器。

根据本发明的设备还包括图像显示器，显示由图像建立设备建立的断层图像和/或三维图像。因此，由可以显示由图像建立设备建立的图像。

优选的，照射设备发射X射线，平面检测器接收X射线。

附图说明

为了说明本发明，在附图中显示了几种优选的形式，然而应了解本发明不限于所显示的精确的安置和说明。

图1是显示根据本发明的照相的设备原理框图；

图2是三维位置信息的解释性视图；

图3是显示根据本发明的照相的设备的图像建立运行的流程图；

图4是说明确定在X射线管和区域检测器上的三维位置信息的解释性视图；

图5是显示说明建立三维体数据步骤的原理图；

图6是显示说明反投影方法的原理图；

图7是显示进动轨道的定标仿真器的原理图；

图8是显示说明进动轨道的原理图；

图9A是弓形轨道的定标仿真器的侧视图；

图9B是弓形轨道的定标仿真器旋转90°的侧视图；

图9C是弓形轨道的定标仿真器的俯视图；

图10是显示说明弓形轨道的原理图。

具体实施方式

下面参考附图详细描述本发明的优选实施例。

图1是显示本发明的照相设备原理框图。设备包括支撑要检查的患者或对象的顶板1，由C形臂4支撑的X射线管2和区域检测器3跨过顶板1互相相对。X射线管2作用为照射设备，向患者发射发散型X射线。区域检测器3作用为平面检测器，有多个排列成阵列的像素，用于检测通过患者发送的X射线。这些部件组成设备的图像获取单元5。

C形臂4连接到作为移动设备的激励器6，可在顶板1纵向延伸的水平轴周围旋转，并在垂直于先提到的水平轴的水平轴延伸处周围旋转。机械控制单元7连接到激励器6(图像获取单元5)，根据要成像的对象沿着进动轨道、圆周轨道或弓形轨道旋转C形臂4。激励器6移动C形臂4，一起移动X射线管2和区域检测器3。

X射线控制单元8连接到图像获取单元5，用于控制X射线管2的X射线发射。

图像建立单元9连接到图像获取单元5，建立断层和/或选择位置的三维图像。图像显示器10连接到图像建立单元9。图像显示器10相当于在此发明中的图像显示装置。

图像建立单元9包括数据采集器11图像存储单元12、三维位置信息检测单元13、三维位置信息存储单元14、重建计算单元15和断层图像及三维体数据存储单元16。

数据采集器11采集由定标仿真器[即后面要描述的进动轨道的定标仿真器FS或弓形轨道的定标仿真器FA(圆形轨道)]的区域检测器3获得的投影图像的数据，并采集由要检查的患者或对象的区域检测器3获得的投影图像的数据。

图像存储单元12存储由数据采集器11采集的定标仿真器和患者的投影图像的数据。

三维位置信息检测单元13从存储在图像存储单元12的定标仿真器的投影图像的数据中获得在定标仿真器的标志器[后面描述的]上的三维位置信息，并从在定标仿真器的内部结构的标志器上的三维安置信息中获得在X射线管2和相对于定标仿真器的区域检测器3中的三维位置信息。

三维位置信息存储单元14存储由三维位置信息检测单元13获得的在X射线管2和相对于定标仿真器的区域检测器3中的三维位置信息。

重建计算单元15读出在定标仿真器后获取的患者的投影图像的数据，并存储在图像存储单元12中，基于存储三维位置信息存储单元14中的在X射线管2和相对于定标仿真器的区域检测器3的三维位置信息，执行患者的重建计算，并建立断层图像和/或患者的选择的位置的三维体数据。

断层图像和/或患者的选择的位置的三维体数据存储单元16存储由重建计算单元15执行的重建计算建立的断层图像和/或患者的选择的位置的三维体数据，并在需要时输出数据到图像显示器10。

上面提到的三维位置信息包括九个自由度，如在图2的解释性视图中所示的，它们是作为一点的X射线管2三个自由度，区域检测器3的六个自由度(位置和倾斜方向)。下面陈述细节。交替的长短虚线G表示投影线到连接X射线管2和起始点SP轴的X-Y平面。

SOD：从起始点SP(即定标仿真器的起始点)到X射线管2的距离；

BP角：X射线管2的方位角；

LM角：X射线管2的仰角；

OID：从起始点SP到区域检测器3沿X射线通过起始点SP穿过的距离；

CENTER：X射线通过起始点SP穿过在区域检测器3上增大的点H的坐标u；

MIDDLE：X射线通过起始点SP穿过在区域检测器3上增大的点H的坐标v

σ角：沿区域检测器3的v轴的方向和沿定标仿真器的Z轴的投影图像之间的角(σ角＝θσ)；

u倾斜；关于X射线通过起始点SP穿过和区域检测器3的u轴的倾斜角(u倾斜＝θu-90°)；

v倾斜；关于X射线通过起始点SP穿过和区域检测器3的v轴的倾斜角(v倾斜＝θv-90°)。

下面，参考图3的流程图描述图像建立单元9的处理流程。

首先，当机械控制单元7旋转C形臂4时，X射线控制单元8控制X射线管2发射X射线，获取定标仿真器的投影图像(S1)。数据采集器11从区域检测器3采集投影图像，这存储在图像存储单元12中。三维位置信息检测单元13从投影图像和在定标仿真器内的标志器上的三维安置信息获得在X射线管2和区域检测器3中的三维位置信息(S2)。

从所有的投影图像获得三维位置信息后(S3)，三维位置信息存储在三维位置信息存储单元14中(S4)。

在X射线管2、区域检测器3、标志器的位置和标志器的投影图像之间建立固定的关系。这些位置是相对于定标仿真器的所有位置，特别是在显示在图2中的起始点SP的XYZ坐标上的坐标信息。X射线管2、标志器和标志器的投影图像是点位置，而区域检测器3的位置是平面位置。标志器安置在定标仿真器内，标志器的坐标是预先知道的。

上面固定的关系可由关于标志器的位置、标志器的投影图像、X射线管2和区域检测器3之间关系的关系表达式表示。通过把各个标志器的信息代入到关系表达式组成方程式。解各XYZ坐标分量方程式，对各个标志器组成三个方程式。获得的X射线管2和区域检测器3的三维位置信息包括上文中提到的九个未知信息。因此，解从四个标志器导出的12联立方程式组可以获得三维位置信息。

下面参考图4描述其例子。假设如图4所示三维的安置四个标志器m1，m2，m3和m4。在有起始点SP作为原点的XYZ坐标中，假设点M1，点M2，点M3和点M4坐标组成标志器m1，m2，m3和m4的三维安置信息。点M1到M4是已知的。假设X射线管2的XYZ坐标是点F。点F是未知的。还假设当X射线管2发射X射线时，标志器m1，m2，m3和m4的图像分别投影到区域检测器3的XYZ坐标点Q1，点Q2，点Q3和Q4。因为在区域检测器3上的位置信息本身是未知，点Q1到Q4的XYZ坐标是未知的。然而，从检测的投影图像获得在区域检测器3上的坐标(uv坐标)，这是组成标志器m1-m4的投影图像的二维位置信息，因此是已知的。

形成以下关于从起始点SP到点Q1-Q4的矢量 $\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_1}-\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_4}$ 的方程式组(1)，： $\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_1}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_1}+\stackrel{\‾}{M_1{Q}_1}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_2}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_2}+\stackrel{\‾}{M_2{Q}_2}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_3}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_3}+\stackrel{\‾}{M_3{Q}_3}\·\·\·\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_4}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_4}+\stackrel{\‾}{M_4{Q}_4}$

另一方面，假设通过点F和起始点SP延伸的直线到达在区域检测器3的点H，从起始点SP到点Q1-Q4的矢量 $\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_1}-\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_4}$ 可由下面的方程式组(2)表示：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_1}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SPH}}+\stackrel{\‾}{H{Q}_1}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_2}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SPH}}+\stackrel{\‾}{H{Q}_2}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_3}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SPH}}+\stackrel{\‾}{H{Q}_3}\·\·\·\left(2\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{Q}_4}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SPH}}+\stackrel{\‾}{H{Q}_4}$

从方程式组(1)和方程式组(2)，由方程式组(3)表示标志器，标志器的投影图像，X射线管2和区域检测器3之间的关系：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_1}+\stackrel{\‾}{M_1{Q}_1}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SPH}}+\stackrel{\‾}{H{Q}_1}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_2}+\stackrel{\‾}{M_2{Q}_2}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SPH}}+\stackrel{\‾}{H{Q}_2}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_3}+\stackrel{\‾}{M_3{Q}_3}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SPH}}+\stackrel{\‾}{H{Q}_3}\·\·\·\left(3\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_4}+\stackrel{\‾}{M_4{Q}_4}=\stackrel{\‾}{\mathrm{SPH}}+\stackrel{\‾}{H{Q}_4}$

在方程式组(3)中的各方程式有三个分量，即XYZ坐标的X分量，Y分量和Z分量，可对各分量分解为三个关系表达式。方程式可将已知点M1-M4的XYZ坐标和已知投影图像的uv坐标代入到此方程式组(3)中组成。当各方程式分解为三个各自XYZ坐标分量的方程式时，形成总共12个联立方程式。解这12个联立方程式，可以获得在X射线管2和区域检测器3上的三维位置信息。

详细描述显示在方程式组(3)中的关系表达式。首先，因为起始点SP和点M1-M4是预先已知的，矢量

-矢量 是已知的。对矢量

因为点Q1-Q4位于连接点F和点M1-M4的直线上，形成下面的方程式组(4)：

$\stackrel{\‾}{M_1{Q}_1}=(1-r_1)(\stackrel{\‾}{\mathrm{SPF}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_1})$

$\stackrel{\‾}{M_2{Q}_2}=(1-r_2)(\stackrel{\‾}{\mathrm{SPF}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_2})$

$\stackrel{\‾}{M_3{Q}_3}=(1-r_3)(\stackrel{\‾}{\mathrm{SPF}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_3})\·\·\·\left(4\right)$

$\stackrel{\‾}{M_4{Q}_4}=(1-r_4)(\stackrel{\‾}{\mathrm{SPF}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_4})$

这里，系数r₁-r₄是满足以下方程式组(5)的未知的实数：

$\stackrel{\‾}{F{Q}_1}=r_1\×\stackrel{\‾}{F{M}_1}$

$\stackrel{\‾}{F{Q}_2}=r_2\×\stackrel{\‾}{F{M}_2}$

$\stackrel{\‾}{F{Q}_3}=r_3\×\stackrel{\‾}{F{M}_3}\·\·\·\left(5\right)$

$\stackrel{\‾}{F{Q}_4}=r_4\×\stackrel{\‾}{F{M}_4}$

此外，矢量 SPF等于从起始点SP向点F的单位矢量

与从起始点SP到点F距离SOD的乘积。包括在方程式组(3)右边的矢量 SPH也等于从起始点SP向点H的单位矢量

与从起始点SP到点H距离OID的乘积。此外，形成关系 $\stackrel{\→}{U_{\mathrm{SPH}}}=-\stackrel{\→}{U_{\mathrm{SPF}}}.$ 因此，矢量 SPF和 SPH可由下面的方程式组(6)表达：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SPF}}=\mathrm{SOD}\×\stackrel{\→}{U_{\mathrm{SPF}}}=\mathrm{SOD}{\×R}_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right]\·\·\·\left(6\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SPF}}=\mathrm{OID}\×\stackrel{\→}{U_{\mathrm{SPH}}}=\mathrm{OID}{\×R}_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}\left[\begin{array}{c}-1\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

其中R_BP和R_LM是显示在下面方程式(7)和(8)的旋转矩阵：

$R_{\mathrm{BP}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BP}}& -{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{BP}}& 0\\ {\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{BP}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BP}}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\·\·\left(7\right)$

$R_{\mathrm{LM}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LM}}& 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LM}}\\ 0& 1& 0\\ {\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{LM}}& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LM}}\end{array}\right]\·\·\·\left(8\right)$

如从上面方程式看到的，旋转矩阵R_BP是关于直线FH的Z轴旋转BP角(θ_BP)，旋转矩阵R_LM是关于直线FH的Y轴旋转LM角(θ_LM)。SOD，OID，θ_BP和θ_LM都是未知的。

最后，描述矢量 $\stackrel{\→}{{\mathrm{HQ}}_1}-\stackrel{\→}{{\mathrm{HQ}}_4}.$ 假设标志器的投影图像的区域检测器3上的坐标(uv坐标)分别是(s₁，t₁)，(s₂，t₂)，(s₃，t₃)和(s₄，t₄)。也假设在点H的区域检测器3上的坐标(uv坐标)分别是(CENTER，MODDLE)。还假设沿区域检测器3的u轴和v轴的单位矢量分别是

和

因此，矢量 $\stackrel{\→}{{\mathrm{HQ}}_1}-\stackrel{\→}{{\mathrm{HQ}}_4}$ 可由以下方程式组(9)表示：

$\stackrel{\→}{{\mathrm{HQ}}_1}=(s_1-\mathrm{CENTER})\stackrel{\→}{U_u}+(t_1-\mathrm{MODDLE})\stackrel{\→}{U_v}$

$\stackrel{\→}{{\mathrm{HQ}}_2}=(s_2-\mathrm{CENTER})\stackrel{\→}{U_u}+(t_2-\mathrm{MODDLE})\stackrel{\→}{U_v}$

$\stackrel{\→}{{\mathrm{HQ}}_3}=(s_3-\mathrm{CENTER})\stackrel{\→}{U_u}+(t_3-\mathrm{MODDLE})\stackrel{\→}{U_v}\·\·\·\left(9\right)$

$\stackrel{\→}{{\mathrm{HQ}}_4}=(s_4-\mathrm{CENTER})\stackrel{\→}{U_u}+(t_4-\mathrm{MODDLE})\stackrel{\→}{U_v}$

在方程式组(9)中，s₁-s₄和t₁-t₄是已知的，CENTER，MODDLE和单位矢量

和

是未知的。

可以认为uv平面是平行于YZ平面的平面旋转的结果。因此，分别沿Y轴和Z轴旋转单位矢量 和 给出单位矢量。特别是，这些矢量由以下方程式组(10)表示：

$\stackrel{\→}{U_u}=R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}$

$\stackrel{\→}{U_v}=R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}{R}_v{R}_u{R}_{\mathrm{\σ}}\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -1\end{array}\right]\·\·\·\left(10\right)$

其中R_u是相当于区域检测器3的u倾角(θu-90°)的旋转矩阵(当θ_BP＝0和θ_LM＝0时关于平行于Y轴的轴)，这由以下方程式(11)表示。R_v是相当于区域检测器3的v倾角(θv-90°)的旋转矩阵(当θ_BP＝0和θ_LM＝0时关于平行于Z轴的轴)，这由以下方程式(12)表示。此外，Rσ是相当于区域检测器3的σ角(θσ)的旋转矩阵(当θ_BP＝0和θ_LM＝0时关于平行于X轴的轴)，这由以下方程式(13)表示。θu，θv，θσ都是未知的。

$R_u=\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_u& 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_u\\ 0& 1& 0\\ {\sin \mathrm{\θ}}_u& 0& {\cos \mathrm{\θ}}_u\end{array}\right]\·\·\·\left(11\right)$

$R_v=\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_v& {\sin \mathrm{\θ}}_v& 0\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_v& {\cos \mathrm{\θ}}_v& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\·\·\left(12\right)$

$\mathrm{R\σ}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& {\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{\σ}}& {\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{\σ}}\\ 0& -{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{\σ}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\σ}}\end{array}\right]\·\·\·\left(13\right)$

将获得的关于四个标志器的信息代入并重排列方程式组(3)形成十二个特殊的方程式。即，把方程式组(4)、方程式组(6)、方程式组(9)和方程式组(10)代入到在方程式组(3)中的四个关系表达式中，形成下面的四个方程式(14)，(15)，(16)和(17)：

$r_1\stackrel{\‾}{\mathrm{SP}{M}_1}+(1-r_1)(\mathrm{SOD}\×R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}\stackrel{\‾}{{\mathrm{SPM}}_1})$

$=[\mathrm{OID}\×R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}\left[\begin{array}{c}-1\\ 0\\ 0\end{array}\right]]+(s_1-\mathrm{CENTER})R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}{R}_v{R}_u{R}_{\mathrm{\σ}}\left[\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right]$

$+(t_1-\mathrm{MIDDLE})R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}{R}_v{R}_u{R}_{\mathrm{\σ}}\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -1\end{array}\right]\·\·\·\left(14\right)$

$r_2\stackrel{\‾}{{\mathrm{SPM}}_2}+(1-r_2)(\mathrm{SOD}\×R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}\stackrel{\‾}{{\mathrm{SPM}}_2})$

$=[\mathrm{OID}\×R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}\left[\begin{array}{c}-1\\ 0\\ 0\end{array}\right]]+(s_2-\mathrm{CENTER})R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}{R}_v{R}_u{R}_{\mathrm{\σ}}\left[\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right]$

$+(t_2-\mathrm{MIDDLE})R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}{R}_v{R}_u{R}_{\mathrm{\σ}}\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -1\end{array}\right]\·\·\·\left(15\right)$

$r_3\stackrel{\‾}{{\mathrm{SPM}}_3}+(1-r_3)(\mathrm{SOD}\×R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}\stackrel{\‾}{{\mathrm{SPM}}_3})$

$=[\mathrm{OID}\×R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}\left[\begin{array}{c}-1\\ 0\\ 0\end{array}\right]]+(s_3-\mathrm{CENTER})R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}{R}_v{R}_u{R}_{\mathrm{\σ}}\left[\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right]$

$+(t_3-\mathrm{MIDDLE})R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}{R}_v{R}_u{R}_{\mathrm{\σ}}\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -1\end{array}\right]\·\·\·\left(16\right)$

$r_4\stackrel{\‾}{{\mathrm{SPM}}_4}+(1-r_4)(\mathrm{SOD}\×R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}\stackrel{\‾}{{\mathrm{SPM}}_4})$

$=[\mathrm{OID}\×R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}\left[\begin{array}{c}-1\\ 0\\ 0\end{array}\right]]+(s_4-\mathrm{CENTER})R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}{R}_v{R}_u{R}_{\mathrm{\σ}}\left[\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right]$

$+(t_4-\mathrm{MIDDLE})R_{\mathrm{BP}}{R}_{\mathrm{LM}}{R}_v{R}_u{R}_{\mathrm{\σ}}\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -1\end{array}\right]\·\·\·\left(17\right)$

因为可以分解方程式各(14)，(15)，(16)和(17)为XYZ坐标的各分量的三个方程式，从方程式(14)-(17)获得总共十二个方程式。

这里，如在前面的描述中提到的，总共13个未知的，是组成在X射线管2和区域检测器3上的三维位置信息的九个(SOD，OID，CENTER，MIDDLE，θ_BP，θ_LM，θv，θu，θσ)，和四个系数r₁-r₄。

因此，联立方程式的数小于一的未知的数。在此情况中，用最小二乘法重复计算可以估计这13个未知的数。下文中详细描述其过程。

(过程1)

假设X光照相的设备无弯曲和失真，首先从设备的材料尺寸和从机械控制单元7到激励器6指示的旋转角导出以上13个未知数的理论值。13个未知数的理论值称为“初始值”。

(过程2)

组成在标志器m1，m2，m3和m4上的三维安置信息的点M1，M2，M3和点M4坐标代入到方程式(14)到(1 7)中。作为在区域检测器3上观察到的标志器m1-m4的投影图像的坐标(uv坐标)的s₁-s₄和t₁-t₄的值(下文中称为“测量值”)不作代入。

(过程3)

“初始值”分配到方程式(14)到(1 7)中的13个未知数，替代在标志器上的三维安置信息。解这些方程式的八个s₁-s₄和t₁-t₄值。此时，可从12个联立方程式分析确定所看到的八个值。获得的s₁-s₄和t₁-t₄值称为“反运算值”。

然后，确定s₁-s₄和t₁-t₄的“测量值”和“反运算值”之间的差。s₁，s₂，s₃和s₄的“测量值”和“反运算值”之间的差分别称为Δ1，Δ2，Δ3和Δ4。t₁，t₂，t₃和t₄“测量值”和“反运算值”之间的差分别称为Δ5，Δ6，Δ7和Δ8。

此外，从以下方程式(18)导出差的平方和。下文中此值称为“误差平方和a”。

$a=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{\Δi}\right)}^2----\left(18\right)$

(过程4)

下一步，由稍微改变的值重复显示在过程2中的计算获得各13个未知数的“误差平方和a”。因此，识别提供最小“误差平方和a”的情况。经验的获得作改变值的分级量有效值。

特别是，作为未知数之一的初始值CENTER是“C₀”，改变此值的分级量是“ΔC”，初始值的和分级量之和(C₀+ΔC)指派给在方程式(14)到(17)中的CENTER，初始值指派给其它的12个未知数。因此从方程式确定“误差平方和a”。下一步，初始值的和分级量之差(C₀-ΔC)指派给在方程式(14)到(17)中的CENTER，初始值指派给其它的12个未知数。因此从方程式确定“误差平方和a”。加和减分级量时成功的实现12个余下的未知数如MIDDLE的计算。因此，过程4产生26个不同的“误差平方和a”(即13个未知数的初始值加分级量获得13个，13个未知数的初始值减分级量获得13个)。

显示上面提到的改变“初始值”的方式为例子，可适当的选择和改变。而在上面的例子中获得的26个“误差平方和a”，当然，此数字是不限制的。

(过程5)

“误差平方和a”的值是从过程3和4中获得的所有的“误差平方和a”中最小的情况是可识别的。此时分配给13个未知数的值取代13个未知数的“初始值”。

当“初始值”如在过程4中描述的变化时，从过程3和4获得总数27个“误差平方和a”。当由初始值之和和分级量(C₀+ΔC)指派给CENTER和“初始值”指派给其它的未知数的情况提供最小的“误差平方和a”时，只是CENTER的初始值用C₀+ΔC替换。

下一步，可识别的最小的“误差平方和a”是与预先确定的比较，“误差平方和a”的指定值(下文中简单的称为“指定值”)确定最小的“误差平方和a”是否小于指定值。

当发现最小的“误差平方和a”的值等于或大于指定值时，运算回到过程3，用替换的13个未知数的初始值重复同样的计算，确定最小的“误差平方和a”的新的值，并替换13个未知数的初始值。用此方式的重复计算，“误差平方和a”的值渐渐变得更小。

另一方面，当发现最小的“误差平方和a”的值小于指定值时，假定13个未知数的初始值分别是13个未知值。因此，结束一系列的计算。

什么是合适的指定值，这是在计算可以结束的“误差平方和a”的值收敛点，是依赖于区域检测器3的分辩率的值。

例如，区域检测器3有方形排列的象元，s₁-s₄和t₁-t₄的差平均的小于相当于方形的一个边的象元之间距离D_D的一半，认为解满足X光照相的设备。因此，在此情况中，指定值可设置为2D_D ²。如果这满足以下的方程式(19)，可以结束一系列的计算：

$a_{\min }<2{D_D}^2={\left(\frac{1}{2}{D}_D\right)}^2\&times;8\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(19\right)$

其中a_min是在过程5中识别的最小的“误差平方和a”。

显示确定指定值的上面提到的方式作为例子，可适当的选择和改变。

上面是用最小二乘法重复计算估计13个未知数的步骤。

随着标志器数的增加，可以不依赖于用最小二乘法的重复计算，分析估计未知数。在此情况中，可以提高速度和提高精度的实现估计。

获得X射线管和区域检测器上三维位置信息的技术与后面描述的进动轨道的定标仿真器FS或弓形轨道的定标仿真器FA的情况是同样的。

参考图3进一步描述图像建立单元9的处理运作。随后，获取患者的投影图像，如X光照相定标仿真器，同样的途径和同样的顺序重建。投影图像存储在图像存储单元12中，或从图像存储单元12读出患者的投影图像的X光照相数据(S5)。

基于患者的投影图像的X光照相数据，和在存储在三维位置信息存储单元14中的X射线管2和相对于定标仿真器的区域检测器3中的三维位置信息，执行重建计算建立患者选择位置的断层图像或三维体数据(S6)。

参考图5概述建立三维体数据的一系列处理步骤。首先，一组投影数据以简单的背投影(简单的BP)为依据产生简单的BP中间的图像。下一步，简单的BP中间的图像以三维傅立叶变换为依据产生三维傅立叶分布图像，这是从实数空间数据变换的傅立叶空间数据(在图5中，三维傅立叶分布图像显示在三维傅立叶空间坐标中)。下一步，三维傅立叶分布图像接收滤波处理( 滤波(绝对值ω滤波)和低通滤波)。下一步，滤波的三维傅立叶分布图像以三维反傅立叶变换为依据改变傅立叶空间数据为实数空间数据，并产生三维体数据(在图5中，这相当于显示在右边的圆柱形物体，有几条虚线延伸的圆周)。在此方法中执行图像重建产生感兴趣区的三维体数据。操作者可以观测从三维体数据选择的任何断层平面(在图5中，这相当于显示在最右边的圆柱形物体)。如上面提到的，产生简单的BP中间的图像时，在傅立叶空间中对简单的BP中间的图像执行预先确定的滤波处理。此步骤称为F(傅立叶)空间滤波器方法。

当产生简单的BP中间的图像时，三维点阵K虚拟的建立在如在图6中所示的患者的感兴趣的X光照相区。区域检测器3上点D_p的检测数据是位于连接点D_p和X射线管2的直线上的三维点阵K的点阵点J的背投影。

三维点阵K虚拟的建立在如定标仿真器同样的位置。即，三维点阵K的XYZ坐标是与由下面同样的途径和同样的步骤X光照相的定标仿真器的XYZ坐标一致的。因此，基于在步骤S2中获得的在X射线管2和相对于定标仿真器和区域检测器3上的三维位置信息，从患者的X光照相中要求的点D_p的位置精确的导出点阵J的坐标。例如，由获得最接近于点D_p的四个象元d1-d2值的加权平均，确定在点D_p的检测数据。从不同的角度获得此检测数据并在点阵点上积累，因此，实现对点阵点的反投影。对三维点阵K的余下的点阵点执行同样的反投影。此外，对所有的扫描位置执行同样的反投影，因此产生简单的BP中间的图像。防止模糊的滤波处理等可预先作用到患者的X光照相图像上。

然后，建立的患者选择的位置的断层图像和/或三维体数据存储在三维体数据存储单元16中，并在需要时输出到图像显示器10(S7)。

在步骤S7后，对要存储和显示的断层图像和/或三维体数据执行进一步的图像处理。这些图像和/或数据可通过网络或媒介传送到其它设备。

下一步，描述用于上面实施例的进动轨道的定标仿真器FS和弓形轨道(圆形轨道)的定标仿真器FA。

(1)进动轨道的定标仿真器FS：

如显示在图7的原理图，进动轨道的定标仿真器FS包括由低X射线吸收器组成的支撑部件21并在三维XYZ方向延伸，安排在参考位置的高X射线吸收器的钢球形式的标志器m3作用为起始点或原点，类似标志器m3是钢球的标志器m1，m2，m4，m5，m6和m7，排列在从标志器m3的三维XYZ方向的正负位置。当X光照相进动轨道的定标仿真器FS时，标志器m1，m2，m4，m5，m6和m7的投影图像之间没有重叠发生。因此，定标仿真器FS提供容易检测标志器m1，m2，m4，m5，m6和m7的位置的优点。

进动轨道涉及X射线管2和区域检测器3沿着关于相交于在X射线管2和在区域检测器3上的给定点之间延伸的线段L的直线P(例如，与线段L15°角形成的)旋转的轨道，如在图8中原理性显示的。本发明不限于上面的进动轨道。例如，轨道可以是椭圆的或更复杂的轨道。在轨道的半路位置上，直线可以形成与在X射线管2和在区域检测器3上的给定点之间延伸的线段L的不同角度。从旋转轴P到X射线管2或区域检测器3的距离可以变化。机械的斜线可以取代各投影的不连续的轨道上的X射线管2和区域检测器3。

(2)弓形轨道(圆形轨道)的定标仿真器FA：

如在图9A，9B和9C中所示的，弓形轨道(圆形轨道)的定标仿真器FA包括由低X射线吸收器组成的圆柱形支撑部件31，四组八个标志器m1，m2，m3，m4，m5，m6，m7和m8，以安排在关于定标仿真器FA的中心点点对称的位置上的高X射线吸收器的钢球形式，作用为坐标的原点。

如在图10中原理性显示的，用此结构，当关于相交在X射线管2和在区域检测器3上的给定点之间延伸的线段L的直线旋转时，X射线管2和区域检测器3可以起X光照相作用。同时，如在图9A中所示的，可以确定在标志器m2和m7之间延伸的线段L1和在标志器m3和m6之间延伸的线段L2的交点。如在图9B中所示的，可以确定在标志器m1和m8之间延伸的线段L3和在标志器m4和m5之间延伸的线段L4的交点。在此方法中，计算通过弓形轨道(圆形轨道)的定标仿真器FA的中心C在穿过X射线的区域检测器3上的倾斜位置的坐标。因此提供在定标仿真器FA的中心C的标志器是不必需的。这提供了允许弓形轨道(圆形轨道)的定标仿真器FA简单的构建和价廉的优点，避免了精度的下降。

弓形轨道(圆形轨道)涉及X射线管2和区域检测器3沿着关于相交在X射线管2和在区域检测器3上的给定点之间延伸的线段L的直线旋转的轨道。X射线管2和在区域检测器3上的给定点不变地存在于垂直于旋转轴的平面中。在图9A和9B中，阴影的标志器是位于后面位置的那些标志器。

图10显示几十度的旋转角。然而，本发明不限于上面指出的角度。轨道可描述为如在CT设备中的整个360°。依赖于投影的位置，从旋转轴到X射线管2或区域检测器3的距离可以变化。轨道可以取代固定平面的X射线管2或区域检测器3。机械的斜线可以取代各投影的不连续的轨道上的X射线管2和区域检测器3。

X射线管2或区域检测器3可以有两个平行的直线或类似的线的形式的扫描轨道。简言之，只要从许多不同的方向获得患者的投影图像，任何轨道是可能的。

例如，这里三维位置信息包括不造成误差问题的机械精度指定的值，如从原点到X射线管2或区域检测器3的距离，当从定标仿真器的投影图像计算三维位置信息时，优选的使用这些指定的值。这是因为减小重建计算要求的变量数增加了处理的速度。

在上面的实施例中，使用发射X射线的X射线管2作为照射设备。本发明能使用发送各种电磁波的设备，如可见光，来自等离子体X射线源的X射线，来自放射性同位元素的伽马射线，来自电子的紫色光的X射线，或同步加速器轨道辐射源(SOR)的X射线。

上面的实施例使用区域检测器3作为平面检测设备。本发明可代替使用图像增强器或多线检测器。

在上面的实施例中，图像获取单元5有由C形臂4持有和机械连接的的X射线管2和区域检测器3。然而，本发明不限于有C形臂4的结构，只要激励器6能互相同步的移动X射线管2和区域检测器3。激励器6能互相同步的移动X射线管2和区域检测器3，例如，用各自持有X射线管2和区域检测器3并连接到共同的驱动轴的结构。此外，可采用互相同步的移动X射线管2和区域检测器3的结构，而在其中，X射线管2和区域检测器3，激励器6各自驱动X射线管2和区域检测器3并互相同步。

可用其它不离开本发明的精神和基本属性的特定形式实现本发明，因此，本发明的范围由所附权利要求确定。

Claims (14)

1.一种X光照相的设备，用于从检测发射到要检查的对象的电磁波获得的投影图像建立断层图像和/或三维图像，设备包括：

照射装置，向对象发射发散型电磁波；

平面检测装置，跨过对象对着照射设备，并有多个排列成阵列的像素，用于检测通过对象发送的电磁波；

移动装置，用于同步的移动照射设备和平面的检测设备；

图像建立装置，通过移动设备的动作从不同的方向发射电磁波，获得对象的投影图像，并实现投影图像的重建计算，建立对象的选择位置的断层图像和/或三维图像；

其中，图像建立装置获得定标仿真器的投影图像作为检查的对象，并有至少四个排列在不同平面的三维的标志器，基于定标仿真器的投影图像和在定标仿真器内的标志器上的三维安置信息，获得在照射装置和相对于定标仿真器的平面检测器上的三维位置信息，并基于在照射装置和平面检测器上的三维位置信息执行对象的重建计算。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于定标仿真器包括由低X射线吸收器组成的支撑部件，和高X射线吸收器组成的球形的标志器。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于标志器是钢球。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于定标仿真器包括至少四个标志器，包括安置在不同平面上的作为坐标原点的标志器。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于定标仿真器包括至少一个标志器放置在XYZ坐标、X轴、Y轴和Z轴的各原点。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于定标仿真器包括至少三组标志器，各组标志器包括两个安排在坐标的原点周围的点对称的位置上，所有标志器安置在不同平面上。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于定标仿真器包括由圆柱形支撑部件支撑的标志器。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于图像建立装置包括三维位置信息检测单元，获得在照射装置和相对于定标仿真器的平面检测器上的三维位置信息，三维位置信息存储单元存储获得的三维位置信息，重建计算单元基于存储在三维位置信息存储单元的三维位置信息执行对象的重建计算，建立断层图像和/或对象的选择的位置的三维图像。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于所述三维位置信息检测单元，通过把标志器的三维安置信息和从构建仿真器的投影图像获得的标志器的投影图像上的两维位置信息代入到标志器的位置，标志器的投影图像，照射装置和平面检测器之间关系的关系表达式，解此组成的大量方程，获得在照射装置和平面检测装置的三维位置信息。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于所述重建计算单元，将对象的投影图像背投射到虚拟设置到对象的的感兴趣区域的三维点阵组，产生三维体数据。

11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于图像建立装置有断层图像和三维体数据存储单元，用于存储建立的断层图像和/或三维图像。

12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述移动装置，沿进动轨道或弓形轨道旋转照射装置和平面检测装置。

13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于还包括图像显示装置，显示由图像建立装置建立的断层图像和/或三维图像。

14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述照射装置发射X射线，所述平面检测装置接收X射线。

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