专利名称：产生表面图像的x射线设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种具有支撑装置的X射线设备，在该支撑装置上设置了包括X射线放射源和射线探测器的X射线系统。此外，本发明还涉及一种利用所述X射线设备产生检查对象的表面图像的方法。
背景技术：
上述类型的X射线设备例如是C形X射线装置，如由US 5923727公知的装置等。在该C形支架上设置了相对放置的X射线放射源和X射线探测器。在拍摄2DX射线图像数据组序列(2D投影)期间，该C形支架例如沿着其圆周围绕患者运动。C形X射线装置的图像计算机根据该2D投影序列可以计算患者体内的立体数据组。
除了X射线拍摄外，光学形状采集(Formerfassung)尤其是在整形外科中具有重要意义。为此采用的光学3D传感器原理上可以分为两类被动方法(立体法、阴影法、轮廓法)和主动方法(激光扫描仪、波纹、相干雷达(Kohaerenzradar)、运行时间)。第一类一般在技术上更容易实现。相反，主动照明的方法则具有更高的精确度并更稳定。3D传感器例如公开在S.Blossey，G.Husler，F.Stockinger的“A Simple and Flexible CalibrationMethod for Range Sensors”，Int，Conf.Of the ICO，Kyoto，1994年4月，第62页，R.G.Dorsch，G.Husler，J.M.Herrmann的“Laser triangulationfundamentaluncertainty in distance measurement”，Applied Optics，Vol.33，No.7，1994年3月，第1306-1314页，T.Dresel，G.Husler，H.Venzke的“Three-dimensionalsensing of rough surfaces by coherence radar“，Applied Optics，Vol.31，No.7，1992年3月，第919-925页，K.Engelhardt，G.Husler的“Aquisition of 3-D databy focus sensing“，Applied Optics，Vol.27，No.22，1998年10月，第4684-4689页，M.Gruber，G.Husler的“Simple，robust and accurate phase-measuringtriangulation”，Optik，89，No.3，1992，第118-122页，G.Husler，W.Heckel，“Light Sectioning with Large Depth and High Resolution”，Applied Optics，Vol.27，No.24，1988年12月15日，第5165-5169页，G.Husler，D.Ritter，“ParallelThree-Dimensional Sensing by Color-coded Triangulation”，Applied Optics，Vol.32，No.35，1993年11月10日，第7164-7169页中。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，实现一种上述类型的X射线设备，利用该设备也可以产生检查对象的表面图像。
本发明要解决的另一技术问题在于，提供一种方法，可以利用上述类型的X射线设备产生检查对象的至少一部分表面的图像。
本发明的技术问题是通过一种具有支撑装置的X射线设备解决的，在该支撑装置上设置了包括X射线放射源和射线探测器的X射线系统，且在拍摄检查对象的2D投影序列期间可以相对于检查对象调整该支撑装置，其特征在于，-在该支撑装置上设置了3D传感器，-为了利用3D传感器拍摄图像数据组，可以相对于检查对象调整该支撑装置，其中，所述图像数据组对检查对象的至少一部分表面成像。
根据本发明的X射线设备包括支撑装置，其根据本发明的实施方式实现为C形，其上设置了具有X射线源和射线探测器的X射线系统。如果X射线设备用于产生从中例如可以计算出检查对象的立体数据组的2D投影序列，则在拍摄2D投影序列期间相对于检查对象、例如患者调整支撑装置。如果该支撑装置是C形支架，则在拍摄2D投影序列期间根据本发明的变形沿着其圆周轨道运动)调整该C形支架，或者在旋转运动(Angulationsbewegung)期间拍摄2D投影序列。根据本发明的优选实施方式，本发明的X射线设备是同心的C形X射线设备。
除了X射线系统，根据本发明还在支撑装置上设置了3D传感器。利用该3D传感器拍摄对检查对象的至少一部分表面成像的图像数据组。与拍摄2D投影序列类似，在拍摄图像数据组期间相对于检查对象调整支撑装置。其中，关闭X射线放射源。但也可以同时拍摄2D投影序列和图像数据组，也就是在支撑装置相对于检查对象的一次调整运动中拍摄2D投影序列和图像数据组。
3D传感器原理上例如由背景技术中提到的文献公知。3D传感器是必要的，以便在空间上对检查对象的表面采集几何数据。其中，光学3D传感器通过其快速性和无接触的测量原理尤为突出(参考例如S.Blossey，G.Husler，“Optische 3D-Sensoren und deren industrielle Anwendung”，Messtec，1/96，1996年3月，第24-26页)。对象识别和定位算法用于检查对象的全景采集(Rundumerfassung)。为了获得信息，作为2D灰度值图像的另一选择的3D数据不依赖于对象的反射性、照明、颜色和透视，并因此可以稳定地处理。根据要解决的任务，所采用的传感器类型的效率特征根据以下定义确定数据率t被理解为每秒测量的对象点的数量。在此，区分点状(例如距离传感器)、线状(例如光交叉传感器(Lichtschnittsensor))或多平面(例如编码的光附件(Lichtansatz))3D传感器，根据分析方法它们可以在一个测量周期内分别对一个测量点、一条测量线或一个大小约为768*512像素的测量场进行分析。在最后一种情况中目前的数据率可以达到5Mhz。
纵向的测量可靠度δz表明标准偏差，利用该偏差可以准确测量δz上的绝对距离z。该距离涉及待测量平面上的不同对象点。与此相反，纵向分辨率1/Δz表明一个对象点的相对最小可分辨距离变化Δz。根据传感器原理，目前可以实现的测量可靠度达到2μm，而分辨能力可以明显更大。对于稳定的对象识别任务，该值相对来说并不苛刻，但精确的定位方法则需要尽可能准确的表面数据。
水平分辨率1/Δx涉及两个对象点的最小距离Δx，该距离是区别这两点所必需的。对于多平面3D传感器，在实践中相应光学地调谐的传感器结构中，通过将CCD照相机芯片像素化为拍摄传感器确定Δx＝Δy。
测量区域Δx、Δy、Δz给出了可利用的测量场的大�。⑼ü饬靠煽啃院退椒直媛实榷ㄒ�。在实践中，可区分的距离的数目目前是Δz/δz＝500...2000，测量空间的量度从大约1003μm3到大约5003mm3。
为了通过光对3D信息进行编码，可以利用不同的特性，如强度、颜色、极化、相关、相位、对比度、位置或运行时间。在实践中最重要的方法分为四种分析方法。
主动三角测量法是最常用的方法。用一个发光点从一个方向上对待测量对象进行照射，并与该方向成一角度地观察该对象。对象在该被照射位置上的高度h由探测器上的成像位置给出。该方法记载在R.G.Dorsch，G.Husler，J.M.Herrmann，“Laser triangulationfundamental uncertainty indistance measurement“，Applied Optics，Vol.33，No.7，1994年3月，1306-1314页。
实际方法借助激光扫描仪线性地(参考G.Husler，W.Heckel，“LightSectioning with Large Depth and High Resolution“，Applied Optics，Vol.27，No.24，1988年12月15日，第5165-5169页)或通过将编码的光学模式投影到对象上多平面地(平行地)进行测量。在G.Husler，D.Ritter，“ParallelThree-Dimensional Sensing by Color-coded Triangulation”，Applied Optics，Vol.32，No.35，1993年11月10日，第7164-7169页中描述了一种方法，其中规划了单色频谱，其中，通过颜色标识相邻的各扫描线。在M.Gruber，G.Husler，“Simple，robust and accurate phase-measuring triangulation”，O ptik，89，No.3，1992，118-122页中描述了一种测量相位的三角测量法，其中，通过四次连续曝光测量正面投影的正弦光栅的相位，并由此确定高度。
在干涉测量方法中，将一个具有已知相位的基准波和一个相位未知的对象波相关地叠加。由干涉图可以(平行地)再现检查对象的高度。对于短暂相关的光源，可以通过对相关图进行分析来绝对测量表面形状。干涉测量方法虽然精确，但只能测量光学上光滑的表面。利用特殊的分析方法，如在T.Dresel，G.Husler，H.Venzke的“Three-dimensional sensing of roughsurfaces by coherence radar“，Applied Optics，Vol.31，No.7，1992年3月，第919-925页中公开的，也可以测量粗糙的对象。
在主动的焦点寻找中，用一个光点或一个结构照射检查对象并对其成像。原理上有两种分析方式。对于第一种，机械地再聚焦在待测量的对象点上，由此可以直接确定距离。第二种方法测量与对象至照相机距离相关的对比度，并由此计算出对象形状(参考K.Engelhardt，G.Husler，“Aquisition of 3-D data by focus sensing“，Applied Optics，Vol.27，No.22，1998年10月，第4684-4689页)。
运行时间测量系统采用光的传播速度，通过测量反射的短光脉冲的持续时间，可以计算出距离。对于高位置分辨率所需的短时间测量可以用电方法、振幅或频率调制方法实现(参考I.Moring，T.Heikkinen，R.Myllyl，“Acquisition of three-dimensional image data by a scanning laser range finder“，Opt.Eng.28(8)，1989，第897至902页)。
在一特别优选的实施方式中，根据本发明的X射线设备是这样实施的，即该X射线设备根据在拍摄图像数据组之前、之后或期间拍摄的2D投影序列，计算检查对象的立体数据组，并与图像数据组融合或叠加。
本发明的第二个技术问题是通过一种利用X射线设备产生检查对象的表面图像的方法解决的，该X射线设备具有支撑装置，用于一包括X射线源和射线探测器的X射线系统，所述支撑装置在拍摄检查对象的2D投影序列期间相对于检查对象可调，其特征在于，所述支撑装置在利用安装在该支撑装置上的3D传感器拍摄图像数据组期间相对于检查对象可调，其中，图像数据组对检查对象的至少一部分表面成像。
附图中作为例子示出了一实施方式。其中示出了图1是具有患者的C形X射线设备，图2是图1中所示的C形X射线设备，但没有患者。
具体实施例方式
图1示意性地示出了同心的C形X射线设备1。该C形X射线设备1在本实施方式中具有可以在滚轮2上移动的设备车3。C形X射线设备1包括图1中示意性示出的具有柱子5的升降装置4。在柱子5上设置了保持部件6，在其上设置了用于支撑C形支架8的支撑部件7。C形支架8具有X射线放射源9和射线探测器10，它们这样相对设置在C形支架8上，使得由X射线放射源9发射出的X射线的中心光束ZS大致落在射线探测器10的探测器平面的中间。作为射线探测器10，例如可以采用如一般公知的平面图像探测器或X射线图像放大器。
支撑部件7以公知的方式可围绕保持部件6和支撑部件7的公共轴A旋转(参考双箭头a，转动)，并在轴A的方向上可移动地支撑在保持部件6上。C形支架8沿着其圆周，在双箭头o方向上围绕C形支架8的同心I相对于支撑部件7可移动地支撑在支撑部件7上(轨道运动)。
借助升降装置4，可以相对于设备车3垂直调节通过支撑部件7和保持部件6与升降装置4的柱子5连接的C形支架8。
在图1中示意性示出的患者P躺在同样示意性示出的、对X射线光束透明的台子T上，该台子T可以用未示出的升降装置垂直调节。通过前面提到的调节C形X射线设备1和台子T的方法，可以不同方式对患者P进行放射检查，其中，由X射线放射源9发射出的具有中心光束ZS的X射线光束透过患者P，并落在射线探测器10上。
C形X射线设备1尤其是用于产生患者P身体部分的立体数据组。在本实施方式中，在设备车3中设置了计算机11，其以图1中未示出的方式与射线探测器10相连，并以公知方式根据用X射线放射源9和射线探测器10获得的2D投影序列再现待显示身体部分的立体数据组，其中，该2D投影序列是在围绕要在图像中显示的患者P的身体部分调整C形支架8获得的。在此，C形支架8可以沿着其圆周在双箭头o的方向上相对于支撑部件7转动，也可以围绕转动轴A转动大约190°，其中，在转动期间可获得大约50至100个2D投影。在本实施例中，计算机11借助设置在支撑部件7上的电传动装置12或借助设置在保持部件6中的电传动装置13控制对C形支架8的调整。计算机11以未示出的方式与电传动装置12和13连接。
为了由2D投影序列再现立体数据组，在电传动装置12和13中分别集成了一个路径纪录器(Wegaufnehmer)14和15，它们将待拍摄身体部分的每个2D投影都与C形支架8相对于该待显示的身体部分的一个位置相对应。然后由这些位置确定再现所需的投影几何。
由于C形支架8有限的稳定性和扭转刚性使得X射线放射源9和射线探测器10一般根据C形支架8的位置互相有轻微的不同调整，因此在本实施方式中，借助离线校准、例如利用校准仿真或投影矩阵，至少补偿大部分由于C形支架8的扭转所产生的涉及C形支架几何形状的误差。离线校准例如在C形X射线设备1投入运行期间或在拍摄2D投影序列之前不久进行。离线校准的例子描述在开始部分提到的US 5923727中。
在本实施方式中，通过C形支架8如上所述地沿着其圆周调整并产生患者P头部K的2D投影序列，从而产生患者P头部K的立体数据组。也就是进行所谓的轨道扫描。计算机11从中计算出立体数据组，其所属的X射线图像可以利用以电导线17与计算机11连接的监视器16显示。
在C形支架8上还设置了3D传感器。对于3D传感器的功能方式，除了图1之外还涉及图2。在图2中同样示出了图1的C形X射线设备1。但是在台子T上没有患者P。
在本实施方式中，3D传感器包括激光器21、偏转镜22和CCD摄像机23。激光器21这样设置在C形支架8上，即由激光器21射出的激光束落在偏转镜22上。偏转镜22在C形支架8上这样可旋转地设置并在本实施方式中与图中未示出的电动机一起这样运动，即对于C形支架8相对于设备车3的每次调整，都从激光束24中产生平行于C形支架8的轨道旋转轴的所谓“光直线”25，其投射在台子T上(参见图2)。该光直线由以三角形测量角α固定在C形支架8上的CCD摄像机23拍摄。
如果在台子上有一个对象，在本实施方式中是患者P或其头部K，则由光直线25(图2)产生投射在患者P头部K的对象高度线26(参见图1)。CCD摄像机21以三角形测量角α扫描该对象高度线26。接着，对应于该扫描的电信号被发送到与CCD摄像机21以未示出的方式电连接的计算机11中。计算机11又根据这些信号计算出对象高度线26与C形支架8的每个位置所属的光直线25的偏差。
为了获得患者P头表面的3D高度图像，也就是患者P头部K的表面图像，C形支架8沿着其圆周与未接通的X射线源一起运动(轨道扫描)。在此，在轨道扫描期间，对于C形支架8相对于设备车3的不同位置拍摄对象高度线，并将其对应的信号传递到计算机11。接着，计算机11根据各对象高度线计算出可以用监视器16显示的表面图像。
为了计算各表面高度线或表面图像，必须已知3D传感器的位置。由于如已经提到的C形支架8的在实际中的轻微扭转，因此在本实施方式中对C形支架8进行已描述过的离线校准。由此对于C形支架8的每个位置都已知3D传感器的位置，因此可以计算出表面图像。
如果为了进行用于产生立体数据组和表面图像的轨道扫描同时调整患者P，则可以用更简单的方式重叠表面图像和对应于立体数据组的X射线图像。
也可以设想，在恰好一次轨道扫描期间，用激光器21进行产生立体数据组的2D投影序列以及对患者P进行扫描。
附带说明，本实施方式只具有示例性的特性。
权利要求
1.一种具有支撑装置(8)的X射线设备，在该支撑装置(8)上设置了包括X射线源(9)和射线探测器(10)的X射线系统，在拍摄检查对象(P，K)的两维投影序列期间，可以相对于检查对象(K，P)调整该支撑装置(8)，其特征在于，-在该支撑装置(8)上设置了三维传感器(21-23)，-为了利用三维传感器(21-23)拍摄图像数据组，可以相对于检查对象(K，P)调整该支撑装置(8)，其中，所述图像数据组对该检查对象(K，P)的至少一部分表面成像。
2.如权利要求1所述的X射线设备，其中，所述支撑装置包括一个C形支架(8)。
3.如权利要求2所述的X射线设备，其中，所述C形支架(8)在拍摄所述图像数据组期间沿着其圆周可调。
4.如权利要求2所述的X射线设备，其中，所述图像数据组是在所述C形支架(8)的旋转运动期间拍摄的。
5.如权利要求2至4中任一项所述的X射线设备，其中，该X射线设备是同心的C形X射线设备(1)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的X射线设备，其中，该X射线设备是这样实施的，即其根据所述两维投影序列计算检查对象(K，P)头部的立体数据组，并将该立体数据组与所述图像数据组融合或叠加。
7.一种利用X射线设备(1)产生检查对象(K，P)的表面图像(OB)的方法，该X射线设备具有用于包括X射线源(9)和射线探测器(10)的X射线系统的支撑装置(8)，该支撑装置(8)在拍摄检查对象(K，P)的两维投影序列期间相对于该检查对象(K，P)可调，其特征在于，该支撑装置(8)在利用安装在该支撑装置(8)上的三维传感器(21-23)拍摄图像数据组期间相对于检查对象(K，P)可调，其中，所述图像数据组对检查对象(K，P)的至少一部分表面成像。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述支撑装置包括一个C形支架(8)。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述C形支架(8)在拍摄所述图像数据组期间沿着其圆周可调。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述图像数据组是在C形支架(8)旋转运动期间拍摄的。
11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，所述X射线设备是同心的C形X射线设备(1)。
12.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，在拍摄所述图像数据组之前、之后或期间产生检查对象(K，P)的两维投影序列，根据该两维投影序列计算立体数据组，并将该立体数据组与所述图像数据组融合或叠加。
全文摘要
本发明涉及一种利用X射线设备(1)产生检查对象的表面图像(OB)的方法，该X射线设备具有用于包括X射线放射源(9)和射线探测器(10)的X射线系统的支撑装置(8)。该支撑装置(8)在拍摄检查对象的2D投影序列期间相对于该检查对象(K，P)可调。此外在该支撑装置(8)上安装了3D传感器(21－23)，其在相对于检查对象(K，P)调整支撑装置(8)期间拍摄该检查对象(K，P)的图像数据组。该图像数据组对检查对象(K，P)的至少一部分表面成像。本发明还涉及一种X射线设备(1)，可以用来实施根据本发明的方法。
文档编号G01N23/04GK1538461SQ20041003437
公开日2004年10月20日 申请日期2004年4月14日 优先权日2003年4月14日
发明者迪特尔·里特, 迪特尔 里特 申请人:西门子公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
