一种准确定位的无图像失真X射线数字成像装置和成像方法.pdf

一种可准确定位的无图像失真X射线数字成像装置和成像方法，在移动板上装有X方向位移传感器和步进电机，在固定板上装有Y方向位移传感器和步进电机，在移动板上置有探测器，在探测器底座上安装一长杆，长杆上安装有横杆，横杆上固定X射线源，其上有数字光学摄像头，长杆上装有Z方向步进电机和位移传感器。成像方法是：通过长杆上的步进电机调节探测器距离，调节移动板和固定板上的步进电机，使探测器从透视区域位置的起始点扫描至结束点，探测器将测量到的电子信号，传输给主机，主机将电子信号转化为数字图像中区域色块的灰度值。本发明成像快速，可对图像进行各种数字化处理，实现远程诊断；局部区域透视扫描，减少射线对人体的损伤。

1、  一种可准确定位的无图像失真X射线数字成像装置，其特征是：在固定板(15)上装有二根竖直导轨(14)，在二根竖直导轨(14)上装有移动板(10)，在移动板(10)上固定有X方向位移传感器(13)，移动板(10)上安装有X方向步进电机(11)，X方向步进电机(11)接有X方向丝杠(12)，X方向丝杠(12)通过螺纹与探测器底座(2)相互啮合，在固定板(15)上固定有Y方向位移传感器(18)，固定板(15)上安装有Y方向步进电机(16)，Y方向步进电机(16)接有Y方向丝杠(17)，Y方向丝杠(17)通过螺纹与移动板(10)相互啮合，在移动板(10)上装有二根水平导轨(9)，在二根水平导轨(9)上装有探测器底座(2)，探测器(1)置于探测器底座(2)上，在探测器底座(2)一侧上安装一长杆(3)，长杆(3)的另外一端安装有横杆(4)，横杆(4)上固定着X射线源(5)，X射线源(5)上自身带有准直设施，在X射线源(5)上固定有数字光学摄像头(19)，长杆(3)上固定有Z方向步进电机(6)，Z方向步进电机(6)接有Z方向丝杠(7)，Z方向丝杠(7)通过螺纹与横杆(4)啮合，在长杆(3)上固定有Z方向位移传感器(8)，探测器(1)信号输出线缆联接主机(20)，主机(20)下方设有判断及控制电路系统箱(21)。

2、  使用权利要求1所述的一种可准确定位的无图像失真X射线数字成像装置的成像方法，其特征是：当对人体透视时，使人体处于X射线源与探测器之间的位置，通过调节长杆上的步进电机，使得X射线源处于距离探测器更近的位置，调节分别安装在移动板和固定板上的二个步进电机，使得探测器处于对应期望透视区域位置的起始点，开启X射线源和探测器的电源，X射线源发出的X射线穿过人体被衰减一定的强度后被探测器接收到，探测器将测量到的X射线的强度转化为电子信号，传输给主机，主机按预先设定的探测器信号转换为图像灰度值的方法，将接收到的电子信号转化为最终形成数字图像中某区域色块的灰度值，数字光学摄像头将X射线源前方的景物拍摄成数码照片，传输给主机。

3、  根据权利要求2所述的成像方法，其特征是：探测器信号转换为图像灰度值的具体方法为：设定计数率为0时对应灰度值为0，测量探测器与X射线源之间无任何遮挡物时探测器的计数率N₀对应灰度值为255，则探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝(N_t÷N₀)×255。

4、  根据权利要求2所述的成像方法，探测器信号转换为图像灰度值的方法，其特征是：设定扫描过程中，最小计数率对应灰度值为0，最大计数率对应灰度值为255，即在整个扫描过程结束后，主机程序判断出所有数据中的最小计数率N_min与最大计数率N_max，则探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝(N_t-N_min)÷(N_max-N_min)×255。

5、  根据权利要求2所述的成像方法，探测器信号转换为图像灰度值的方法，其特征是：根据物质对射线的吸收规律，有射线在投射物质前的强度I0与投射后的强度I满足公式：I＝I₀·e^(-μd)，式中μ为物质对射线的吸收系数，d为物质的质量厚度；若设定物质的质量厚度无穷大时对应灰度值为0，物质的质量厚度为0时对应灰度值为255，则有探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝[Ln(N_t)-Ln(N_bd)]÷[Ln(N₀)-Ln(N_bd)]×255
式中，N₀为探测器与X射线源之间无任何遮挡物时探测器的计数率，N_bd为X射线源无电源时探测器测量到的计数率。

6、  根据权利要求2所述的成像方法，探测器信号转换为图像灰度值的方法，其特征是：设定扫描过程中，被透射区域的质量厚度最大时对应灰度值为0，质量厚度最小时对应灰度值为255，即在整个扫描过程结束后，主机程序判断出所有数据中的最小计数率N_min与最大计数率N_max，则探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝[Ln(N_t)-Ln(N_min)]÷[Ln(N_max)-Ln(N_min)]×255。

一种准确定位的无图像失真X射线数字成像装置和成像方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗设备，具体说来是一种X射线数字成像装置。
背景技术：
X射线图像占医院中全部医学图像的70％，X射线透视机是医院必需的常规设备，而X射线的透视图像也成为医学诊断的重要依据。但是由于目前常规的X射线透视机多采用平板式屏或线探测器移动扫描的方式来形成图像，而X射线源却采用点源的形式，这样一来，就会相成图像的失真，如图3：医生为诊断所需要的是射线以虚线所示形式成的透视图像，而实际得到的透视图像却是X射线以实线形式投射而成的。另外，被透视的病人的躯体，为不规则截面。因此，由图示可见，越是距离射线轴心位置远的区域，图像失真程度则越大。
另外，目前X射线数字成像的方法一般为两种。一种是通过平板式暗室荧光屏将接受到的X射线转化为可见光，光的明暗对应着X射线的强弱，然后通过数字光学摄像系统转化为数字图像。但是该种方式结构复杂，而且荧光屏上的光影微弱，再经过一次光学-数字的转化，极易丢失一些微弱的对比信息，造成医生的误诊漏诊。另外一种则是采用板式探测器直接拍摄或线式探测器扫描拍摄的方法，该方法是探测器将接收到的X射线的不同区域的强度情况转化为电子信号传输给主机，最终形成数字化图像，但是没有给出逐点区域的探测器信号转换为图像灰度值的具体算法，并且对探测器的精度以及分辨率要求很高，使得成本昂贵。
并且以上两种方式都还存在一个弊端，就是无法针对某特定的局部区域进行透视扫描，使得病人的一些不需要透视扫描的区域也接受到了X射线的辐射伤害。
发明内容：
针对现有X射线的透视图像设备存在的缺点，本发明提供一种无失真成像并可进行局部位置成像，减少射线伤害的X射线数字化成像装置及成像方法。
本发明的具体技术方案是：一种可准确定位的无图像失真X射线数字成像装置和成像方法，其特征是：在固定板(15)上装有二根竖直导轨(14)，在二根竖直导轨(14)上装有移动板(10)，在移动板(10)上固定有X方向位移传感器(13)，移动板(10)上安装有X方向步进电机(11)，X方向步进电机(11)接有X方向丝杠(12)，X方向丝杠(12)通过螺纹与探测器底座(2)相互啮合，在固定板(15)上固定有Y方向位移传感器(18)，固定板(15)上安装有Y方向步进电机(16)，Y方向步进电机(16)接有Y方向丝杠(17)，Y方向丝杠(17)通过螺纹与移动板(10)相互啮合，在移动板(10)上装有二根水平导轨(9)，在二根水平导轨(9)上装有探测器底座(2)，探测器(1)置于探测器底座(2)上，在探测器底座(2)一侧上安装一长杆(3)，长杆(3)的另外一端安装有横杆(4)，横杆(4)上固定着X射线源(5)，X射线源(5)上自身带有准直设施，在X射线源(5)上固定有数字光学摄像头(19)，长杆(3)上固定有Z方向步进电机(6)，Z方向步进电机(6)接有Z方向丝杠(7)，Z方向丝杠(7)通过螺纹与横杆(4)啮合，在长杆(3)上固定有Z方向位移传感器(8)，探测器(1)信号输出线缆联接主机(20)，主机(20)下方设有判断及控制电路系统箱(21)。
当对人体透视时，使人体处于X射线源与探测器之间的位置，并且使期望得到图像所对应的区域处于探测器可移动的范围之内，以及该截面垂直于X射线的方向，通过调节长杆上的步进电机，使得X射线源处于距离探测器更近的位置，调节分别安装在移动板和固定板上的二个步进电机，使得探测器处于对应期望透视区域位置的起始点，开启X射线源和探测器的电源，X射线源发出的X射线穿过人体被衰减一定的强度后被探测器接收到，探测器将测量到的X射线的强度转化为电子信号，传输给主机，主机按预先设定的探测器信号转换为图像灰度值的方法，将接收到的电子信号转化为最终形成数字图像中某区域色块的灰度值，探测器信号转换为图像灰度值的具体方法如下四种供选择：
方法一：设定计数率为0时对应灰度值为0，测量探测器与X射线源之间无任何遮挡物时探测器的计数率N₀对应灰度值为255。则探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝(N_t÷N₀)×255；
方法二：设定扫描过程中，最小计数率对应灰度值为0，最大计数率对应灰度值为255。即在整个扫描过程结束后，主机程序判断出所有数据中的最小计数率N_min与最大计数率N_max。则探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝(N_t-N_min)÷(N_max-N_min)×255；
方法三：根据物质对射线的吸收规律，有射线在投射物质前的强度I₀与投射后的强度I满足公式：I＝I₀·e^(-μd)，式中μ为物质对射线的吸收系数，d为物质的质量厚度。若设定物质的质量厚度无穷大时对应灰度值为0，物质的质量厚度为0时对应灰度值为255，则有探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝[Ln(N_t)-Ln(N_bd)]÷[Ln(N₀)-Ln(N_bd)]×255
式中，N₀为探测器与X射线源之间无任何遮挡物时探测器的计数率，N_bd为X射线源无电源时探测器测量到的计数率；
方法四：设定扫描过程中，被透射区域的质量厚度最大时对应灰度值为0，质量厚度最小时对应灰度值为255。即在整个扫描过程结束后，主机程序判断出所有数据中的最小计数率N_min与最大计数率N_max。则探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝[Ln(N_t)-Ln(N_min)]÷[Ln(N_max)-Ln(N_min)]×255；
数字光学摄像头将X射线源前方的景物拍摄成数码照片，传输给主机。
本发明的有益效果是：成像快速，可方便对图像进行各种数字化处理，通过网络传输，还可以实现远程诊断；通过对探测器扫描轨迹和速度的控制，可以实现不同精细度的透视效果的数字化图形，可以实现先粗略对大面积区域进行透视扫描，然后根据所出现的结果进行初步诊断，迅速确定可疑的或重点的透视扫描区域，立即对该局部区域进行细致的透视扫描；由于不用对物体进行扇面辐射，因此X射线源可以尽可能的接近人体，并且以接近单束射线的形式出射，大大降低射线的辐射剂量，减少对人体的损伤；而通过X射线源上固定的数字光学摄像头，可以直接形成扫描区域的人体外观图像，便于与透视结果图进行对比诊断。
附图说明：
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明的电控系统框图。
图3为原有X射线透视机原理效果示意图。
图中：1探测器，2探测器底座，3长杆，4横杆，5X射线源，6Z方向步进电机，7Z方向丝杠，8Z方向位移传感器，9二根水平导轨，10移动板，11X方向步进电机，12X方向丝杠，13X方向位移传感器，14二根竖直导轨，15固定板，16Y方向步进电机，17Y方向丝杠，18Y方向位移传感器，19数字光学摄像头，20主机，21判断及控制电路系统箱
具体实施方式
结合附图说明本发明的装置结构和成像方法。
本发明的装置结构如图1所示：
探测器1被安置于探测器底座2上，在距离探测器50cm处，安装一长杆3，长杆3的另外一端，安装有横杆4，横杆4上固定着X射线源5，X射线源5上自身带有准直设施，确使X射线源5发出的X射线以单束的形式出射，并正对探测器1。并且横杆4可以在长杆3上滑动，从而调节X射线源到探测器的距离。横杆在滑动过程中，始终保持X射线源正对探测器，并且可调整的X射线源到探测器距离变化范围为300mm至700mm。长杆3上固定有Z方向步进电机6，Z方向步进电机6接有Z方向丝杠7，Z方向丝杠7通过螺纹与横杆4啮合。
通过Z方向步进电机6的转动以及Z方向丝杠7的传动，带动横杆4在长杆3上滑动，从而调节X射线源5到探测器1的距离。横杆4在滑动过程中，始终保持X射线源5正对探测器1，并且可调整的X射线源5到探测器1的距离变化范围为300mm至700mm。在长杆3上固定有Z方向位移传感器8，通过Z方向位移传感器8能够测量到横杆4在长杆3上相对位置。
而探测器底座2则通过二根水平导轨9安装在一块移动板10上，并且探测器底座2能够在二根水平导轨9上滑动。移动板10上安装有X方向步进电机11，X方向步进电机11接有X方向丝杠12，X方向丝杠12通过螺纹与探测器底座2相互啮合。通过X方向步进电机11的转动以及X方向丝杠12的传动，可以使探测器底座2在二根水平导轨9上做水平方向的滑动，最远可走行距离为700mm。在移动板10上固定有X方向位移传感器13，通过X方向位移传感器13能够测量出探测器底座2在二根水平导轨9上的相对位置。
移动板10则通过二根竖直导轨14安装在固定板15上，并且移动板10能够在二根竖直导轨14上滑动。固定板15上安装有Y方向步进电机16，Y方向步进电机16接有Y方向丝杠17，Y方向丝杠17通过螺纹与移动板10相互啮合。通过Y方向步进电机16的转动以及Y方向丝杠17的传动，可以使移动板10在二根竖直导轨14上做竖直方向的滑动，最远可走行距离为1800mm。
在固定板15上固定有Y方向位移传感器18，通过Y方向位移传感器18能够测量出移动板10在二根竖直导轨14上的相对位置。这样就可以通过分别安装在移动板和固定板上的二个步进电机来调整探测器的位置，并且可以使探测器在700mm×1800mm的平面内自由运动。并且移动的速度在水平和竖直方向上的分量可以通过调节二个步进电机的转动方向和速度来实现。
在X射线源5上固定有数字光学摄像头19。
本发明中，位移传感器可以选用工业级激光位移传感器，该传感器的测量量程大，而且精度能够达到1mm以内。本发明中，数字光学摄像头选用普通的高分辨率可变焦数字摄像头即可。
本发明是通过步进电机的调节，使得带有输出准直器的X射线源与探测器保持相对位置不变的前提下，可以在X、Y轴两个方向上形成一定的运动轨迹，在运动过程中，探测器所接收到穿过被成像体的射线计数率，折算为最终所成数字图像中，探测器所在当时位置的对应点的灰度值，当整个扫描过程结束后，即可形成一幅反映透射情况的数字图像来。
本发明装置的电控系统如图2所示，其控制电路均按常规电源电路和控制电路组成：
判断及控制电路系统箱21为Z方向位移传感器8、X方向位移传感器13、Y方向位移传感器18三个位移传感器提供工作电源，而三个位移传感器则将检测到的位移信号传输给判断及控制电路系统箱21，经判断及控制电路系统整合后送主机20，通过程序判断探测器以及X射线源的具体位置。判断及控制电路系统箱21还为探测器1以及X射线源5、数字光学摄像头19提供电源，探测器1及数字光学摄像头19的信号则直接传输给主机20，主机结合探测器以及X射线源的具体位置信息构成图形在显示器上显示，并依据设定的运行程序向判断及控制电路系统箱21给出进一步的运行指令。判断及控制电路系统根据主机20发来的运行指令，对位移传感器、探测器、X射线源、数字光学摄像头的电源进行管理，判断及控制电路系统箱21内的三个步进电机控制系统对Z方向步进电机6、X方向步进电机11、Y方向步进电机16三个步进电机的转速、转动方向、转动圈数进行控制。
具体的应用方法如下：
将人体位于探测器与X射线源之间的位置，并且尽量贴近探测器。控制Z方向步进电机的转动，使横杆尽量向人体靠近，保证探测器、人体、X射线源三者的相互位置，在不妨碍装置的正常运行的前提下，令X射线源与探测器之间的距离尽可能短。
根据需要对人体进行透视的区域所对应在固定板上的投影位置，在主机上设定扫描区域与扫描轨迹方式。扫描轨迹通常为“弓”字形或“之”字形，亦可通过程序设定特定的扫描轨迹。
扫描区域与扫描轨迹方式设定完成之后，装置在整个电控系统的指令操作下自动运行。首先探测器及X射线源运行到扫描起始位置，X射线源、探测器、数字光学摄像头的电源开启，X射线源开始发出准直的X射线束，X射线透射过人体后强度衰减并被探测器接收到，探测器将接收到的X射线强度信息转化为电子信号，以计数率的形式传输给主机，并且数字光学摄像头将拍摄到的画面传输给主机。
主机将接收到的探测器的电子信号转化为最终形成数字图像中某区域色块的灰度值，而该区域色块则对应着探测器所在整个扫描轨迹中当时的位置。主机通过三个位移传感器的测量结果信号来确定探测器的目前位置，同时根据设定的扫描区域与扫描轨迹方式，给出进一步的运行指令，传输给判断及控制电路系统。
在透视扫描过程中，Z方向步进电机则不再转动，保证在整个透视扫描过程中，探测器与X射线源的相对位置不变。而扫描轨迹的实现则通过X方向步进电机与Y方向步进电机的转动而最终实现。
当扫描过程完成后，一张体现透视结果的数字图像亦形成完毕。并且可以与数字光学摄像头所拍摄的反映扫描区域外观的图像进行对比。而在X射线源上，安装有普通的数字光学摄像头，可以将X射线源前方的景物拍摄成数码照片，传输给主机，即可实现透视扫描区域的人体外观图像与透视结果图像同时并排显示或交迭显示，或通过数字图像处理工具软件进行整合处理，使显示更为直观，为医生提供更多的诊断信息。
探测器信号转换为图像灰度值的具体方法如下：由于图像的灰度值范围为0～255，因此只要在确定分别对应灰度值0和255的计数率即可。
方法一：设定计数率为0时对应灰度值为0，测量探测器与X射线源之间无任何遮挡物时探测器的计数率N₀对应灰度值为255。则探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝(N_t÷N₀)×255
该方法的好处是可以随着扫描过程，逐步显示出透视结果图像。
方法二：设定扫描过程中，最小计数率对应灰度值为0，最大计数率对应灰度值为255。即在整个扫描过程结束后，主机程序判断出所有数据中的最小计数率N_min与最大计数率N_max。则探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝(N_t-N_min)÷(N_max-N_min)×255
该方法只能在整个扫描过程结束后才能显示出最终的透视效果图像，但是对比效果要比方法一明显。
方法三：根据物质对射线的吸收规律，有射线在投射物质前的强度I₀与投射后的强度I满足公式：I＝I₀·e^(-μd)，式中μ为物质对射线的吸收系数，d为物质的质量厚度。若设定物质的质量厚度无穷大时对应灰度值为0，物质的质量厚度为0时对应灰度值为255。则有探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝[Ln(N_t)-Ln(N_bd)]÷[Ln(N₀)-Ln(N_bd)]×255
式中，N₀为探测器与X射线源之间无任何遮挡物时探测器的计数率，N_bd为X射线源无电源时探测器测量到的计数率。该方法与方法一相比，都能够随着扫描过程同步逐渐显示出透视结果图像，但是更能反映出不同位置的组织器官性质上的差异。
方法四：设定扫描过程中，被透射区域的质量厚度最大时对应灰度值为0，质量厚度最小时对应灰度值为255。即在整个扫描过程结束后，主机程序判断出所有数据中的最小计数率N_min与最大计数率N_max。则探测器在某位置的计数率N_t所对应的灰度值H_t为：
H_t＝[Ln(N_t)-Ln(N_min)]÷[Ln(N_max)-Ln(N_min)]×255
该方法同样只能在整个扫描过程结束后才能显示出最终的透视效果图像，但是对比效果要比方法三明显。
设备操作人员可以根据实际情况以及诊断需要，选择四种方法中的一种，来将探测器信号转换为图像灰度值，最终形成一幅完整的体现透视结果的数字图像。而形成的数字图像，依照常规的图片格式保存后，还可以通过AutoCAD或Photoshop等常用图像处理软件来进一步对图像进行处理，例如与数字光学摄像头所拍摄的图像进行叠放组合等处理。