TWI777397B - 電腦斷層掃描設備之自動定位系統與其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種電腦斷層掃描設備之自動定位系統，與一種自動定位電腦斷層掃描設備之方法。透過本發明之系統與方法，可於操作設備前先行對機構進行幾何對位校正，使電腦斷層掃描設備之X光管焦斑可與X光偵檢器的中心落於同一直線上，因此可得到接近真實狀況的投影影像，以避免後續3D建圖產生偏移或扭曲。
Description
本發明係關於一電腦斷層掃描設備之自動定位系統，與該系統之自動定位方法，其中該設備係包含一偵檢器固定治具、一供水平及垂直移動的XY線性移動軌與一X光偵檢器，更特別的，該自動定位方法係於電腦斷層掃描進行前，先行對掃描設備進行對位校正。
電腦斷層影像(computed tomography，CT)是利用X光射線旋轉照射人體，再透過電腦的數位幾何處理重建出的三維放射線醫學影像，在醫學領域中，醫師可透過CT得到病患的立體身體影像進行診斷，以利於在開刀前的治療計劃或是診斷病灶時達到更好的效果；於牙科的應用中，CT也扮演了非常重要的角色，可幫助牙科醫師診斷病人牙齒的狀況。
影像重建(reconstruction)一直以來是CT相關研究的重要領域，主要係透過收取不同角度的影像，經過計算後重建出一空間中的立體影像。在重建時，電腦斷層設備的幾何架構會嚴重影響到重建的影像品質。理想情況中，整個設備的X光管(X-ray tube)之焦斑(focal spot)以及偵檢器(detector)的中心會落於同一直線上，並且整個設備會繞著被照物的旋轉中心旋轉，而該旋轉中心亦會在
該直線上；然而，在實際情況中，常因人為量測誤差以及重力問題，導致設備的定位誤差會隨時間增加，而造成越來越大的幾何投影誤差。因此，在進行CT造影或重建之前，都需先經過幾何校正，才可得到接近真實狀況的投影影像。
幾何校正通常是透過一些影像上的方法找到幾何偏差與偏差的幾何參數，並代入重投影(re-mapping)的步驟後，將原本有偏差的投影影像(projection)進行校正，最後才代入影像重建，由此可見，幾何校正在立體影像重建的相關研究中是非常重要的一環，然而，就目前的技術，仍常會因人為或機械動作使已校正平面產生偏差，該些不確定因素大幅影響現有斷層掃描裝置的使用。
一般而言，斷層掃描設備大致上可分為兩種校正方法，一種為使用假體，另一種則為同步式的幾何校正，舉例來說，於許多領域中廣泛使用的錐狀射束電腦斷層掃描儀(CBCT)，可應用於獲得物體的剖面影像，其幾何校正主要有兩種方法，一種方法是利用特定假體的投影影像來解析式的計算出幾何參數，這種方法的缺點是需要在實驗前先計算出幾何參數，但在兩次的掃描間機構可能有幾何上的變化；另外一種方法是同步式的幾何校正，可以讓使用者掃描一次物體就可以算出幾何參數，但此種方法也有缺點，並無法計算完整的幾何參數。
現有斷層掃描設備在使用前均需使用一特定假體，以確認待測物位置所置之平面是否有偏離掃描軸心，若有偏離的現象，將可能導致後續3D建圖產生偏移或扭曲，而縱使完成校正或長時間使用，亦可能因人為或機械動作使已校正平面產生偏差，該些不確定因素大幅影響現有斷層掃描裝置的使用。
於現有技術中，多家相關廠商均研發出透過校正假體之對位校正系統，大部分皆透過以設計X光管陽極靶、旋轉中心與偵測器原點共線方式為依據，進行對位原點校正，但此方法不易做到很準確。
因此，為了解決上述之問題，本發明係提供一種電腦斷層掃描設備之自動定位系統與一種自動定位的方法，可用以進行幾何校正，更特別地，該方法係於操作設備前先行做機構進行對位校正，利用對位校正系統後，再針對各角度的物體投影進行影像重建，以彌捕影像缺損。
透過本發明所提供之裝置與方法，可快速且精準的校正電腦斷層掃描設備之原點。
首先，本發明提供一種用於定位電腦斷層掃描設備之自動定位系統，係包含一偵檢器固定治具、一校正珠、一低X光衰減的平板、一供水平及垂直移動的XY線性移動軌、一X光偵檢器、一控制模組、一驅動模組與一影像處理單元；其中該X光偵檢器係連動於該偵檢器固定治具上，並將該固定治具固定於該線性移動軌上，其中，該線性移動軌係安裝於一待定位的電腦斷層設備的偵檢器端，透過該待定位的電腦斷層設備的旋轉臂，與其X光管端連接，以供X光偵檢器進行水平與垂直方向移動。
於一實施例中，該偵檢器固定治具為長板狀耐重金屬，並連動於線性移動軌。
於一實施例中，該校正珠為一直徑小於1.0mm以下之高密度金屬球體，該校正珠嵌合於該低X光衰減的平板上，並以正對的方式置於X光出光口。
於另一實施例中，該影像處理單元係與該控制模組電性連接，可進行參考影像的定位程序以進行空間向量計算。計算出相對於該X光偵檢器中心點之位移向量，並將該位移向量發送至控制模組換算成一校正指令回饋至該控制模組，其中，該影像處理單元為一可進行影像的處理與計算的電腦。
於一實施例中，該驅動模組係與該控制模組電性連接，並根據該校正指令進行該X光偵檢器的位移與校正，其中，該驅動模組為一馬達，該控制模組為可為一具驅動程式之電腦系統。
本發明亦提供一種自動定位電腦斷層掃描設備的方法，其中包含以下步驟步驟S201：將一校正珠安裝於一電腦斷層掃描設備之X光管出光口前；步驟S202：啟動電腦斷層掃描設備，並使用X光照射該校正珠產生一校正用影像於一X光偵檢器上；步驟S203：透過一影像處理單元獲得該校正用影像於該X光偵檢器上之座標(X,Y)；步驟S204：計算該座標與該X光偵檢器之中心點的位移向量(ΔU,ΔV)；步驟S205：透過一影像處理單元計算該位移向量(ΔU,ΔV)，並產生一校正指令，以驅動一驅動模組調整該X光偵檢器的位置，使該X光偵檢器之中心點(Uc,Vc)與該校正用影像之校正珠座標(X,Y)重疊，以完成初步校正；步驟S206：確認校正用影像確實與X光偵檢器之中心點重疊後，即完成校正；若無則返回步驟S204再次進行該校正珠之校正用影像的擷取；與步驟S207：完成校正步驟。
100:電腦斷層掃描設備之自動定位系統
101:偵檢器固定治具
102:X光產生裝置
103:低X光衰減平板
104:校正珠
105:XY線性移動軌
106:X光偵檢器
107:控制模組
108:驅動模組
109:影像處理單元
201:步驟S201
202:步驟S202
203:步驟S203
204:步驟S204
205:步驟S205
206:步驟S206
207:步驟S207
301:投影理想狀態示意圖
302:投影到左下極點示意圖
303:投影到右上極點示意圖
304:投影在中線上非中心點的示意圖
401:毛細管假體投影影像
402:壓克力圓柱假體投影影像
403:校正珠投影影像
404:系統校正中點
405:同心圓的中點
406:同心圓的中點
圖1為本發明之電腦斷層掃描設備自動定位系統的構造圖；圖2為本發明之自動定位電腦斷層掃描設備之方法的流程圖；圖3為經本發明之電腦斷層掃描設備自動定位系統校準前與校準後的的相關位置示意圖；圖4為本發明之自動定位電腦斷層掃描設備之方法的實施的流程圖。
除非另外定義，否則本說明書所使用之技術名詞與科學名詞皆為本發明領域中具通常知識者一般所熟知之定義。
本發明可藉由下列實施例來進一步闡明，惟該等例舉性實施例僅用來進一步說明，而非限制本發明之應用與範圍。
請參照圖1，本發明提供一種可用於電腦斷層掃描設備之自動定位系統100，係包含係一偵檢器固定治具101、一X光產生裝置102、一低X光衰減平板103、一校正珠104、一供水平及垂直移動的XY線性移動軌(或滑軌)105、一X光偵檢器106、一控制模組107、一驅動模組108與一影像處理單元109；其中，該該偵檢器固定治具101係安裝於該XY線性移動軌105上，而X光偵檢器106係與該偵檢器固定治具101連動，且該XY線性移動軌105係安裝於一待定位的電腦斷層設備的偵檢器端，透過該待定位的電腦斷層設備的旋轉臂，與其X光管端連接，以供X光偵檢器進行水平與垂直方向移動。
其中，該校正珠104為一直徑小於1.0mm之鋼珠，該校正珠104嵌合於該低X光衰減的平板103上，並正對的置於該待定位的電腦斷層設備的X光產生裝置102出光口。
於本發明所提供之定位系統中，該影像處理單元109為可進行影像的處理與計算的電腦，其係與該控制模組107電性連接，可進行影像的定位程序與空間向量計算。計算出投射影像相對於該X光偵檢器106之中心點的位移向量，並將該位移向量發送至該控制模組107換算成一校正指令回饋至該控制模組107；該驅動模組108為一馬達，其係與該控制模組107電性連接，並根據該校正指令進行該X光偵檢器106的位移與校正。
請參照圖2，本發明亦提供一種自動定位電腦斷層掃描設備的方法，其中包含以下步驟：步驟S201：將一校正珠安裝於一電腦斷層掃描設備之X光管出光口前；步驟S202：啟動電腦斷層掃描設備，並使用X光照射該校正珠產生一第一校正用影像於一X光偵檢器上；步驟S203：透過一影像處理單元獲得該第一校正用影像於該X光偵檢器上之座標(X,Y)；步驟S204：計算該座標與該X光偵檢器之中心點的位移向量(ΔU,ΔV)；步驟S205：透過一影像處理單元計算該位移向量(ΔU,ΔV)，並產生一校正指令，以驅動一驅動模組調整該X光偵檢器的位置，使該X光偵檢器之中心點(Uc,Vc)與該第一校正用影像之校正珠座標(X,Y)重疊，以完成初步校正；
步驟S206：確認該第一校正用影像確實與該X光偵檢器之中心點重疊後，即完成校正；若無則返回步驟S204擷取一該校正珠之第二校正用影像；及步驟S207：完成校正步驟。
簡言之，首先，先將校正珠安裝於一電腦斷層掃描設備之X光管出光口前，啟動電腦斷層掃描設備以使用X光照射該校正珠產生一校正用影像於一X光偵檢器上，此時透過影像處理單元與控制模組進行影像的位置判斷與向量計算，係根據該校正用影像的邊界資訊判斷其位於該X光偵檢器上的座標位置，並偵測該校正用影像中的校正珠投影質心點座標位置，藉此計算其與偵檢器中心位置間的位移量，並進行座標轉換，此時，即可得知校正珠投影質心點的偏移情況，意即目前X光管之焦斑與偵檢器中心並未落於同一直線上，因此，再透過控制模組進行XY軸所需的位移量，並將此位移修正的校正指令傳送至驅動模組，驅動模組將根據該指令進行X光偵檢器的X與Y軸的位移調整，以使校正珠投影質心點座標位置可與偵檢器中心位置重疊，即X光管之焦斑與偵檢器中心落於同一直線上。以上，即完成第一次的初步校正，若於初步校正後仍無確實校正成功，或因其他任何原因需要再次進行校正或確認校正結果，皆可再重複上述步驟。
請參照圖3，圖3為電腦斷層掃描設備於校準前後的X光投影影像和這些影像與系統位置的關係的示意圖，如圖3A，其中S為X光中心，可將校正珠的位置C連線。理想狀態下，將S和C連線應該要與X光偵檢器中心點D三點共線即如圖3A所示，也就是本發明欲達成的目的，對應影像如圖3B。因此在尚未完成機構校準前，其相對關係圖分別為：圖3C中，對應校正珠投影在左下極限點，其所成影像如圖3D；圖3E中，對應校正珠投影在右上極限點，其所成影像
如圖3F；與圖3G中，對應校正珠投影在中線但非中心點，其所成影像如圖3H，最終皆可透過本發明之校準技術完成定位，而回復到理想狀態。
於此實施例中，使用現有技術中最常使用的兩種校準方法作為對照，分別為使用3毫米的毛細管假體401影像(圖4A-4C)或使用壓克力圓柱假體(圖4D-4F)進行定位校準方法的比較。
於毛細管假體的定位校準方法中，由於毛細管法係透過X光偵檢器收集在其中心點兩側相對位置的影像，如圖4A和4B，藉由尋找毛細管在兩張影像上端點位置，共取得四個位置後尋找其中心點位置即取得系統校正中點404，方法示意如圖4C。
而使用壓克力圓柱假體的方式為一般醫院X光機校準之標準程序，其係觀察壓克力假體前後兩圓孔因X光機放大倍率不同而造成投影影像呈現兩同心圓402，未經過校準的影像如圖4D，校準後的影像如圖4E，透過觀察的兩同心圓的中點405和406是否重合以用於進行校準，一直調整直到同心圓的中點405和406兩點完全重合於系統校正中點404點時即完成，但該方法不容易直觀觀察。
本發明所提供的方法，藉由校正珠的投影403，可以直接在影像中判斷投影位置是否在影像中心點，是相當直觀且有效的校準方法。透過和前述的兩種校準方法之驗證，證實校正珠投影的方式能有效改善前述方法的缺點。
100:電腦斷層掃描設備之自動定位系統
101:偵檢器固定治具
102:X光產生裝置
103:低X光衰減平板
104:校正珠
105:XY線性移動軌
106:X光偵檢器
107:控制模組
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109:影像處理單元
Claims (9)
- 一種用於定位電腦斷層掃描設備之自動定位系統，其包含一偵檢器固定治具、一校正珠、一低X光衰減的平板、一供水平及垂直移動的XY線性移動軌、一X光偵檢器、一控制模組、一驅動模組與一影像處理單元；其中，該校正珠可用於產生校正用影像，作為校正影像參考點。
- 如請求項1所述之系統，其中該X光偵檢器係連動於該偵檢器固定治具上，並將該固定治具固定於該線性移動軌上。
- 如請求項1所述之系統，其中該線性移動軌係安裝於一待定位的電腦斷層設備的偵檢器端，透過該待定位的電腦斷層設備的旋轉臂，與其X光管端連接，以供X光偵檢器進行水平與垂直方向移動。
- 如請求項1所述之系統，其中該校正珠嵌合於該低X光衰減的平板上，並以正對的方式置於一待定位之的腦斷層掃瞄設備之X光出光口。
- 如請求項4所述之系統，該校正珠為一直徑小於1.0mm以下之球體，並由鋼、銅、鎳、鉻等常見之高密度金屬製成。
- 如請求項1所述之系統，其中該影像處理單元係與該控制模組電性連接，而該驅動模組係與該控制模組電性連接。
- 如請求項6所述之系統，該影像處理單元可進行影像的定位程序以進行空間向量計算，並計算影像相對於該X光偵檢器中心點之位移向量，並將該位移向量發送至控制模組換算成一校正指令，再回饋至該控制模組，該驅動模組根據該校正指令進行該X光偵檢器的位移與校正。
- 一種自動定位電腦斷層掃描設備的方法，其包含：將一校正珠安裝於一電腦斷層掃描設備之X光管出光口前； 啟動該電腦斷層掃描設備，並使用其X光照射該校正珠產生一第一校正用影像於一X光偵檢器上；透過一影像處理單元獲得該校正用影像於該X光偵檢器上之座標，並計算該座標與該X光偵檢器之中心點的位移向量；透過一控制模組計算該位移向量，並產生一校正指令，以驅動一驅動模組調整該X光偵檢器的位置，使該X光偵檢器之中心點與該第一校正用影像重疊；擷取該校正珠之第二校正用影像；及確認該校正珠之第二校正用影像確實與該X光偵檢器之中心點重疊，即完成校正。
- 如請求項8所述之方法，其中，若該該校正珠之第二校正用影像並無與該X光偵檢器之中心點重疊，將再次計算該校正珠之第二校正用影像於該X光偵檢器上之座標與該X光偵檢器之中心點的位移向量。
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Citations (5)
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Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Projection-angle-dependent distortioncorrection in high-speed image-intensifier-based x-ray computed tomography；Joaquim G Sanctorum, Sam Van Wassenbergh, Van Nguyen, Jan De Beenhouwer, Jan Sijbers and Joris J J Dirckx；Published 15 December 2020. * |
Also Published As
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