X射线计算机断层摄影装置校准和验证设备 |
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| 申请号 | CN201380004192.7 | 申请日 | 2013-01-29 | 公开(公告)号 | CN103987319B | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 海克斯康测量技术有限公司; | 发明人 | J·J·奥黑尔; S·达鲁泽; | ||||
| 摘要 | 一种用于校准x射线计算机 断层 摄影成像装置的设备具有由对于x射线来说可见的材料形成的多个物体以及至少部分地固定地 支撑 所述多个物体使得多个物体中的每一个 接触 其它物体中的至少一个的基底。多个物体中的每一个：(1)被构造为接收x射线而没有改 变形 状；(2)与其它物体具有基本上相同的形状和大小；(3)具有针对x射线的衰减值(“物体衰减值”)；以及(4)具有相对于其中心点对称的形状。与物体类似地，基底也具有针对x射线的衰减值(“基底衰减值”)。物体衰减值大于基底衰减。多个物体中的每一个被运动学地约束在基底上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于校准x射线计算机断层摄影装置的设备，所述设备包括： |
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| 说明书全文 | X射线计算机断层摄影装置校准和验证设备[0001] 优先权 [0002] 本申请要求2012年1月30日提交的发明人为Jonathan J.O’Hare和Stephen Darrouzet的题目为“X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY DEVICE CALIBRATION AND VERIFICATION APPARATUS”的临时美国专利申请编号61/592169的优先权，其公开通过引用整体并入这里。 技术领域[0003] 本发明一般地涉及校准装置，并且更具体地，本发明涉及x射线计算机断层摄影装置/CT机的校准。 背景技术[0004] 坐标测量机(CMM)是用于准确地测量各种不同种类的工件的黄金标准。例如，CMM能够测量航空引擎组件、手术器具和枪支弹药的重要尺寸。精确且准确的测量有助于确保他们的当前系统(例如，在航空组件的情况为航空器)如所规定的那样运行。 [0005] 不准确的测量能够具有灾难性的影响。因此，为了确保CMM传递准确的测量，CMM行业已经开发了良好定义的准确的验证标准、过程和计量工具来对进行这些测量的底层机器进行校准和验证。为此，CMM验证过程通常要求可靠的计量器，其是可追踪的以用于不确定度计算并且被设计为确保它们(即，计量器)在尺寸上是稳定的。 [0006] 近来，本领域技术人员已经开始使用计算机断层摄影(CT)系统作为用于坐标计量的CMM。然而，不想要的是，发明人所了解的这样的CT系统缺乏良好定义的验证标准，以及为此目的设计的计量工具。 发明内容[0007] 根据本发明的一个方面，一种用于校准x射线计算机断层摄影成像装置(例如，CT装置)的设备具有由对于x射线来说可见的材料形成的多个物体以及至少部分地固定地支撑所述多个物体使得多个物体中的每一个接触其它物体中的至少一个的基底。多个物体中的每一个：(1)被构造为接收x射线而没有改变形状；(2)与其它物体具有基本上相同的形状和大小；(3)具有针对x射线的衰减值(“物体衰减值”)；以及(4)具有相对于其中心点对称的形状。与物体类似地，基底也具有对于x射线的衰减值(“基底衰减值”)。物体衰减值大于基底衰减。多个物体中的每一个被运动学地约束在基底上。 [0008] 此外，多个物体中的每一个可以包括红宝石材料，并且基底可以包括陶瓷。此外，设备还可以具有紧固部件，其通常将力施加到多个物体。紧固部件与基底协作以将多个物体固定地紧固为基本上不可移动，或者至少最低程度地约束。 [0009] 在优选实施方式中，多个物体都具有基本上精确的球形形状、相同的精确的直径/尺寸和低热膨胀系数(例如，低于钢的热膨胀系数)。此外，为了确保准确的测量，多个物体可以被取向为成直线，从而多个物体的累积距离可以从他们的直径/尺寸的和而直接获得。 [0010] 为了更高效地稳定物体，每个物体可以被运动学地锁定而在物体之间没有任何外部锁定组件。这还排除了在物体之间使用结合剂，例如环氧树脂或胶水(其可能干扰成像)。例如，每个物体可以在与其它物体和基底存在不超过四个接触点的情况下被最低程度地约束。在所示的实施方式中，该运动学锁定确保了物体的中心都形成直线，其具有不大于大约 1微米的误差/偏离。在替选实施方式中，该误差/偏离可以超过大约例如1微米，其可以为大约1.5微米，大约2微米或者大约3微米。然而，每个较大的误差导致确定物体之间的距离的较大的不确定性，因此影响了准确性。因此，本领域技术人员能够基于待校准的当前应用/机器所要求的准确性来选择适合的偏离。 [0011] 为了以该方式约束物体，基底可以具有沟槽，其具有基本上直且平的表面。例如，沟槽可以形成V形状，其具有大约60度至120度的角度。另外，多个物体中的每一个可以具有不超过大约10毫米的相同的最大尺寸(例如，如果物体为球形状，则尺寸是直径)。例如，物体的最大尺寸可以为大约1毫米，并且能够为0.1毫米或更小。 [0012] 多个物体可以是研磨后的或层叠的物体，并且/或者可以包括其尺寸性质中的至少一个的第三方验证。此外，多个物体中的每一个优选地是独立式物体(例如，单独的球形状的独立的未连接的物体)。一些实施方式使用三个或更多个物体。 [0013] 根据本发明的另一实施方式，一种校准或验证x射线计算机断层摄影机的尺寸准确性的方法提供了具有校准设置的x射线计算机断层摄影机，并且使用x射线机来对计量器进行成像以产生计量器重建(计量器的3D重建)。计量器具有至少部分地支撑三个或更多个物体的基底，其中，多个物体中的每一个具有基本上相同的形状和大小并且被运动学地紧固在基底上。物体中的每一个具有中心，并且每个物体的中心之间的距离是已知的(“已知的中心距离值”)。该方法然后在计量器的重建的三维体或获得的表面(“计量器重建”)中测量至少两对物体之间的距离以产生测量中心距离值，将测量中心距离值与已知的中心距离值进行比较，并且使用比较来确定在计量器重建中是否存在距离错误。 [0014] 该方法然后可以在比较确定在计量器重建中存在距离错误的情况下修改x射线计算机断层摄影机的校准设置。此外，为了产生计量器重建，该方法可以从多个不同的投影中产生多个计量器重建，并且使用多个投影形成计量器的三维模型。该方法然后可以测量计量器的三维模型。 [0015] 根据另一实施方式，一种用于校准x射线计算机断层摄影装置的设备具有由对于x射线可见的材料形成的至少三个物体。至少三个物体中的每一个：(1)被构造为接收x射线而没有改变形状；(2)具有针对x射线的物体衰减值；以及(3)具有可识别区域。与该设备还具有基底，该基底至少部分地固定地支撑物体使得每个物体接触其它物体中的至少一个。基底具有对于x射线的基底衰减值，并且至少三个物体的可识别区域在基底上基本上成直线。物体衰减值大于基底衰减值，并且物体中的每一个被以防止物体平移运动的方式锁定在基底上。 [0016] 至少三个物体可以是独立式物体并且以允许物体相对于基底旋转的方式锁定在基底上。物体均可以具有至少0.01毫米的精度(例如，他们可以具有0.0001毫米的精度)。此外，至少三个物体均可以具有相对于中心点对称的形状，并且在该情况下，每个物体的可识别区域可以是中心点。附图说明 [0017] 根据下面的参考在下面概括的附图讨论的“具体实施方式”，本领域技术人员将更完全地了解本发明的各种实施方式的优点。 [0018] 图1A示意性地示出了可以使用本发明的示出实施方式的x射线计算机断层摄影装置。 [0019] 图1B示意性地示出了图1A的装置的内部组件。 [0020] 图2示意性地示出了根据本发明的示出实施方式构造的x射线校准和验证计量器。 [0021] 图3示意性地示出了其顶部被移除以示出内部球的图2的计量器的平面图。 [0022] 图4A示意性地示出了沿着截面线4-4的图2的计量器的截面图。 [0023] 图4B示意性地示出了图4A中所示的视图的放大简化视图。 [0024] 图5示意性地示出了沿着截面线5-5的图2的计量器的纵向截面图。 [0025] 图6示意性地示出了图2中所示的计量器的末端保持部。 [0026] 图7示出了图1的x射线计算机断层摄影装置中使用图2的计量器的处理。 具体实施方式[0027] 在所示的实施方式中，用于校准(或验证)x射线计算机断层摄影机的设备提供了精细的节距细节以允许工件的更准确的测量，特别地，较小尺寸的工件的更准确的测量(例如，亚毫米级，例如到微米或纳米级)。为此，该设备具有通过将多个物体运动学地锁定到沿着内部细部或沟槽的平面来支撑多个物体。下面讨论所示实施方式的细节。 [0028] 图1A和图1B示意性地示出了可以使用根据所示实施方式构造的校准计量器的x射线机/计算机断层摄影装置10。应注意的是，虽然该讨论主要涉及校准，但是各实施方式的原理可应用于x射线计算机断层摄影机10的准确性的验证。因此，校准的讨论不意在限制本发明的所有实施方式。 [0029] 此外，x射线计算机断层摄影机10可以是计算机断层摄影系统(a/k/a“CT系统”或CT机)，其产生工件内部的三维模型(称为“工件重建”)。为此，x射线计算机断层摄影机10具有壳体12，该壳体12形成内部腔室，用于容纳例如(参见图1B)(1)待测量工件49；(2)用于生成x射线的x射线枪51；(3)用于旋转工件49的旋转台53；以及(4)用于在由x射线枪51成像之后检测工件的图像的检测器55。可以由透明材料制成的进入门14提供对于内部的接触，以添加或移除工件。例如，工件可以是冠状动脉成形术过程中通常使用的心血管支架。机器10的侧面的控制面板16用作用于操作者的控制接口。 [0030] 为了产生工件的3D模型(“重建”)，CT系统将工件相对于x射线枪51移动。例如，CT系统可以将工件在旋转台53上旋转完整的360度，并且在旋转过程中获取工件的多个x射线图像(在本领域中已知为“投影”或“投影角”)。在旋转工件期间和/或之后，模型建立模块(例如，在本地微处理器或微控制器上执行的后续处理软件)将所有投影的数据转换为工件的3D模型，即重建。该3D模型(其可以为软件模型)可以被测量以确认工件的尺寸准确性。因此，如果工件是小的医疗装置(例如，心血管支架)，则测量软件可以精确地测量支架的所选择的特征，例如，其半径，壁厚度等等。 [0031] 然而，如果CT系统没有被适当地校准，则这些工件测量很可能是不准确的。因此，操作者或其它人员需要在使用之前对CT系统进行校准。然而，不想要的是，本发明人了解到没有高度可靠的且精细的节距机制或技术能够将传统的CT系统校准到精细的节距细节。本发明人因此开发出了满足现有技术中的该缺陷的高度准确的精细节距校准的计量器。 [0032] 具体地，图2示意性地示出了用于校准或验证CT机10的示例性计量器18。计量器18具有基底20，其支撑在校准处理中用作路标的多个分立的物体22。更具体地，在所示的实施方式中，物体22包括三个或更多个球(也由附图标记“22”表示)，其被研磨或层叠以具有非常精确的量(精确的对称性、形状、大小、体积、中心、几何性等等)。在所示的实施方式中，球22由一些可靠的已知的第三方验证为具有特定的测量量。球22是独立式的独立的结构，其没有彼此形成一体或甚至彼此连接。替代地，球22仅在基底20上彼此接触。如下面更详细地讨论的，一些实施方式将球22放置为他们的中心成直线。 [0033] 如上所述和下面更详细地讨论的，基底20将球22运动学地锁定在沿着内部细部或准确地形成的沟槽24的平面中。特别地，球22被约束为使得它们不能够相对于基底20平移，即，在相对于基底20的X轴、Y轴或Z轴的方向上平移。一些实施方式还约束为使得球22不能够以任何其它方式移动，例如，它们不能够相对于基底20旋转。然而，其它的实施方式可以允许非平移移动，例如，相对于基底20的旋转。在任一情况下，计量器18仅使用点或区域接触来将球22约束在基底20内。计量器18因此不要求额外的紧固组件、粘合剂或特征来将球22保持在其适合的位置。 [0034] 为此，为了确保球22留在基底20上，计量器18还具有紧固部件26，其紧固到基底20以通常向球22施加向下的偏置力。例如，紧固部件26的底表面可以具有软材料层27(例如，泡沫)以向球22提供最小的向下施加的力(例如，预加载)。这确保了球22留在预定位置，因此保持了测量的准确。其它实施方式不具有软材料层27。在该情况下，紧固部件26被示出为与每个球22的非常小的区域接触。理想地，该小区域是点。即使使用可以与球22接触相对较大的区域的材料层27的实施方式也仍然有效地在穿过每个球22的中心并且朝向基底20的纵轴的方向上产生力矢量。 [0035] 计量器18的每个末端还可以具有端帽28，其将基底20紧固到紧固部件26，并且准确地将球22定位在计量器内部。因此，在所示的实施方式中，下述元件中的至少一些使用点接触来运动学地将球22锁定到位：端帽28、紧固部件26、基底20的沟槽和球22本身。 [0036] 为了校准CT系统，校准模块测量物体的一些可识别区域之间的距离。例如，在球实施方式中，校准模块可以测量球22中的一个或多个的中心之间的距离。如果物体不具有球形式(例如，形状为凸起、立方体、柱体、不规则形状等等)，则可识别区域能够是中心或一些其它区域(例如，末端、不连续部、角部、两个部分的交叉处等等)，即使物体22是球形，则可识别部分也能够是外侧区域。 [0037] 因此，对于球22来说最重要的是在x射线图像中可见。为此，球22优选地由对于x射线的衰减度高于基底20的衰减度的材料形成。例如，球22可以由红宝石、蓝宝石或用于提供低热膨胀和处于CT系统的强度值范围的中间的x射线衰减的其它材料形成。基底20可以由具有高硬度和低热膨胀但是具有与球22的材料相比相对较低的x射线衰减的陶瓷材料形成。该衰减方面的差异应该提供了所关注的物体(即，球22)与基底20的表面之间的良好的对比度和清晰的分离。本领域技术人员能够理解的是，基底20可以由具有类似性质的另外的材料形成。 [0038] 在所示的实施方式中，球22和基底20的热膨胀系数尽可能地低，例如不大于钢的热膨胀系数。基底20的另一个重要的考虑是其特定的形式，该形式是为了以精确的直线准确地支撑三个或更多个球22同时使其彼此接触。如这里所提到的，该线应该是预定误差(例如，1微米)内的直线。 [0039] 图3、图4A、图4B和图5都示出了完整的计量器18的细节。具体地，图3示意性地示出了其紧固部件26被移除的情况下的计量器18的平面图。应注意的是，一些实施方式不具有紧固部件26并且仅将球22定位在基底20上而没有在其顶部进行约束。在该情况下，作为独立式结构，球22在成像期间被固定，但是他们可以在成像之前移动。图3的视图示出了沿着基底20内的沟槽24基本上成直线的球22。如所示的，在球22之间没有空间，他们理想地具有点接触，该点接触部分地运动学地将球22锁定在基底20上。该视图还示出了从端帽28突出的一对可选间隔物30。在一些实施方式中，一个间隔物30被固定为提供硬停止，而其它间隔物30与弹簧31连接以提供软停止和确保所有球22接触的最小施加力。一些实施方式使用具有或不具有点接触的提供硬停止的间隔物30。其它实施方式具有使用弹簧31的间隔物30。 [0040] 为了基本上成直线，球22和沟槽24的表面应该被精确地构造。具体地，如图4A和图4B中所示，沟槽表面应该是非常平面、光滑且直的。由沟槽24形成的角度能够由设计者选择以确保准确性。例如，沟槽24可以在一些实施方式中形成大约60度至120度的角度。 [0041] 图4B示出了球22的运动学锁定。具体地，如上所述，在理想的情况下，每个球22仅在两个无限小的分立的点处接触沟槽24。事实上，在示出的实施方式中，这两个沟槽的点有效地形成了与基底20的纵轴方向垂直的方向上的单力矢量。以对应的方式，每个球22(理想地)仅在一个无限小的点处接触各相邻的球22，这提供了沿着基底20的纵轴的力矢量。这确保了球22被最小程度地约束，从而提供了最大的稳定性。在更简化的方面，如果被最小程度地约束，则球22不会滚动或移动，其在正常操作期间(没有施加意外的力)基本上是不可移动的。事实上，在实际使用中，球22不能够在无限小的点处接触。 [0042] 然而，本领域技术人员通过使用更精细地更准确地生产的球22来为此而努力。球22因此可以形成为具有非常好的精确度。例如，求22具有精度为至少0.01毫米的直径。具体地，如这里使用的，至少0.01毫米的精度可以具有甚至更好的精度，例如0.001毫米、0.005毫米、0.0001毫米、0.00001毫米等等。作为另一示例，球22可以具有10.0001毫米的直径，其处于一些已知的公差(例如，0.00005毫米)内。同一计量器18的所有球22都可以具有相同的尺寸或不同的尺寸。在任一情况下，球22的直径被已知到所述的精度。因此，所示的实施方式能够以球22的精度的量级(直)到微米或纳米级别)的量来检测CT机10的读取的变化。 [0043] 在该运动学锁定构造中，球22不要求任何其它的装置来将其保持为接触。换言之，不需要粘合剂、紧固器或其它装置来将球22保持在适合的位置。这样的额外的组件不想要地影响了球22的实际位置，或者阻碍了x射线下的球22的可见性。 [0044] 图6示意性地示出了端帽28的平面图，其可以与本发明的示出性实施方式一起使用以至少部分地将球22紧固到基底20。如该附图和其它服务中所示出并且在上面讨论的，端帽28具有间隔物30，例如杆或轴，其具有尖端，用于利用硬停止精确地约束最后的球22中的一个(即，仅具有一个相邻的球)。类似地，提供软停止的类似的端帽28被添加到该行球的另一侧以提供将所有球22保持为彼此接触所需的最小预加载，因此使得球22隔开。该预加载应该有效地在理想地沿着由球22的中心形成的线的方向上产生力矢量。 [0045] 图7示出了使用根据本发明的一个实施方式的计量器18的处理。该处理开始于步骤700，以选择x射线计算机断层摄影机10内的计量器18的规定取向。接下来，处理将x射线计算机断层摄影机10内的计量器18物理地定位在规定的取向上(步骤702)并且对计量器18进行成像(步骤704)。为此，计量器18可以位于旋转台53上，旋转台53优选地将计量器18旋转完整的360度。在该时间期间，x射线计算机断层摄影机10拍摄计量器18的顺序的图像/投影，以用于后续处理。 [0046] 在x射线计算机断层摄影机10完成了对计量器18的成像之后，处理构建计量器18的三维模型(“3D模型”)(步骤706)。模型引擎(或模型建立模块)因此使用来自连续的图像的数据来构建3D模型-计量器重建，其能够存储在存储器中。虽然不必要，但是渲染软件可以对3D模型进行渲染，并且然后为观看者旋转或以其它方式移动获得的3D模型，从而示出计量器18的细节。 [0047] 步骤708然后测量3D模型元素以确定其尺寸上是否准确。为此，处理在计量器重建内的预先选择的点之间进行测量。例如，处理可以从每个球22的中心到其它球22中的一个或多个的中心进行测量。该步骤因此产生了用于后续步骤中的验证的多个值。 [0048] 具体地，已知规定点之间的实际距离；在优选实施方式中，对这些距离进行验证。例如，已知的两个球的中心之间的距离能够为10.0001毫米。已知的两个其它球22的中心之间的距离能够为20.0002毫米。 [0049] 因此，步骤710将这些不同的测量距离与已知的距离进行比较并且确定是否存在误差(步骤712)。例如，处理可以确定各种测量值与已知的距离之间的差。该差是机器10的校准误差。使用上述示例，如果测量的头两个球22之间的距离(已知的距离10.0001毫米)为10.0004毫米，则CT机10具有0.0003毫米的误差并且因此，应该进行适当的调整。 [0050] 因此，如果处理检测到超过某些预置限制或公差的误差(例如，检测到该示例性0.0003毫米误差)，则步骤714通过改进机器的初始校准设置来对误差进行校正。在步骤714对误差进行校正之后，或者如果在步骤712没有误差，则处理继续到步骤716以确定校准或验证是否完成。如果完成，则处理结束。如果没有完成，则处理可以改变计量器18的规定取向。例如，规定取向能够移动为与初始规定取向正交。由此，操作者能够测试机器内的各种不同的轴。 [0051] 虽然上面的讨论公开了本发明的各种示例性实施方式，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不偏离本发明的真实范围的情况下，能够进行各种改变，其将实现本发明的优点中的一些。 |
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