[發明專利]一種X光成像的牙科治療系統

有效

• 申請號: 201910032405.6
• 申請日: 2019-01-14
• 公開（公告）號: CN109481042B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 韓遠卓;楊梅
• 申請（專利權）人: 韓遠卓
• 主分類號: A61C1/00
• 分類號: A61C1/00;A61B6/14
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 孟雪

1.一種X光成像的牙科治療系統，包括工作平臺、X光成像部分、激光治療部分，X光成像部分、激光治療部分安裝在工作平臺上，

其中，X光成像部分包括X射線源和探測器，

X射線源包括X射線管、燈絲變壓器、逆變器、燈絲電源板、旋轉陽極轉啟動器、X射線源控制模塊以及X射線管組合機頭，X射線管、燈絲變壓器、逆變器、燈絲電源板、旋轉陽極轉啟動器、X射線源控制模塊安裝在X射線管組合機頭內部，

探測器包括非晶硅平板接收器、CMOS成像器、同步接口、用戶接口以及電源接口，

工作平臺包括計算機、轉臺、控制箱、升降椅、頭部固定架、U型臂、底座、立柱和轉臺，

計算機對X射線源控制模塊、平板探測器模塊和U型臂運動控制模塊的初始化、參數設置以及運行狀態的監測；計算機保證X射線發射、U型臂轉動、圖像采集三者之間的時序配合；計算機對圖像的存儲、簡單的預處理、歸檔；計算機通過通信接口與控制箱進行串口通信；計算機實現包括鍵盤和鼠標在內的設備管理，實現人機交互；計算機實現系統狀態的顯示、控制指令的發送以及外部信號的監控；

激光治療部分實現醫生對病人牙齒的修復和牙神經激光燒灼，其包括激光器和控制電路；

X光成像部分的圖像采集過程如下：

步驟1、系統初始化參數，計算機監控系統各個部位的運行狀態；

步驟2、判斷系統各個部位的運行狀態是否正常，是則進入步驟3，否則提示用戶異常，用戶確認后進入步驟15結束；

步驟3、是否開始采集圖像，是則進入步驟4，否則進入步驟15；

步驟4、設置曝光時間、X射線管電壓、X射線管電流、轉臺預設角度；

步驟5、控制轉臺轉動；

步驟6、轉臺是否到達轉動預設角度，是則進入步驟7，否則進入步驟5；

步驟7、控制X射線源發射X射線，啟動探測器；

步驟8、控制X射線源與探測器同步；

步驟9、是否同步，是則進入步驟10，否則進入步驟8；

步驟10、是否結束發射X射線，是則進入步驟11，否則進入步驟7；

步驟11、探測器采集圖像；

步驟12、采集是否結束，是則進入步驟13，否則進入步驟5；

步驟13、轉臺返回原點，X射線源和探測器復位；

步驟14、圖像存儲到計算機；

步驟15、結束；

圖像采集的圖像數據需要進行相應的數據處理生成三維圖像，具體過程如下：

步驟1、圖像預處理，

顯示橫斷面、冠狀面與矢狀面的圖像數據，橫斷面用來將人體分為頂部與底部的一個虛構面，人體正常站立時平行于足底面的平面，X光成像部分所輸出的圖像信號為橫斷面上的圖像，是醫護人員臨床診斷中使用較多的一種圖像；冠狀面是從正對人體面部方向觀察所產生的平面，將人體分為前后兩部分的一個虛構面；矢狀面是將人體分為左右兩部分的虛構面，從人體側向觀察所產生的平面，將人體對等分為左右兩部分的面也稱正中矢狀面；

橫斷面預處理的過程為讀取數據，按比例縮放，建立顏色映射，數據重采樣并設定交互方式，選擇斷層圖像層數并顯示圖像；為了顯示冠狀面與矢狀面上的圖像，將原始數據所組成的體數據進行旋轉，從不同方向觀察圖像；

步驟2、圖像調節，

步驟3、三維重建，

圖像調節后，頜骨與牙齒的灰度值相對于其他組織差別較大，分割閾值是決定三維重建后模型精確與否的關鍵；由于患者個體情況的差異，每個病人頜骨與牙齒的灰度值存在較大差別，根據自行設定分割閾值，重建精確的三維模型；

步驟2、圖像調節具體為：

步驟2.1、調節圖像顯示的層數，

在系統交互界面中設置橫斷面滑動條、冠狀面滑動條與矢狀面滑動條，并在相應的滑動條下設置了編輯控件顯示圖像的總層數與當前層數，實現滑動條動作與圖像顯示層數之間的關聯，圖像預處理之后，將數據中橫斷面圖像的總層數賦予橫斷面滑動條的最大位置，相應的，把每層圖像的像素值分別賦予冠狀面滑動條與矢狀面滑動條的最大位置；通過拖動橫斷面滑動條、冠狀面滑動條與矢狀面滑動條進行調整，并重新繪制圖像，完成橫斷面、冠狀面與矢狀面的圖像顯示層數的調整；

步驟2.2、窗位與窗寬調節，

選擇合適的窗位與窗寬可以獲得某一組織或病變結構細節的最佳顯示效果，窗寬是圖像顯示的灰度值范圍，在此范圍內的組織和病變都能以不同的灰度進行顯示，灰度值大于此范圍的組織和病變均顯示為白色，相反則顯示為黑色，窗寬的大小決定了圖像的對比度，窗寬增大時，圖像顯示的灰度值范圍相應變大，能夠顯示的不同組織結構增多，但各組織之間的灰度值差別變小；窗寬減小時，能夠顯示的組織結構變少，但灰度值差別變大，窗位是指窗寬的中心位置，同樣的窗寬在窗位不同時所包含的灰度值范圍也不同；

步驟2.3、圖像轉換，

X光成像部分通過識別不同位置處的密度輸出灰度圖像，圖像的灰度值為2000階，灰度圖進行偽彩轉換，偽彩轉換通過把灰度圖像中的不同灰度值按照線性或非線性映射函數轉變為彩色，賦予灰度圖像以偽彩色能夠增強圖像細節的可辨識力；

肉眼對于灰度圖像的分辨能力較低，通常情況下只能辨別出16階，而對彩色圖像的辨識能力極高，可以分辨出數百種不同的顏色，幫助醫護人員分辨圖像中的不同組織，同時，因顧及醫護人員診斷習慣，系統仍保留灰度顯示方式；

控制電路包括整流濾波電路、DC-DC變換器、輸出整流儲能電路、放電開關、氙燈、脈沖調制器、電壓比較器、電壓檔位預設器、I/O接口、狀態燈、單片機、按鍵、A/D轉換器、LED顯示器、D/A轉換器、汽水水泵，脈沖調制器受電壓比較器控制產生脈沖信號，電壓比較器的狀態由儲能電容的電壓取樣和電壓檔位預設器輸出的基準電壓決定，而基準電壓的選擇則由I/O接口決定，通過按鍵控制單片機改變電壓檔位，脈沖調制器向DC-DC變換器提供信號，控制輸出整流儲能電路的工作，根據需要改變輸出的電壓和功率，通過按鍵經I/O接口，控制氙燈觸發脈沖頻率，在經過放電開關的閉合，控制放電，以改變激光輸出頻率，通過單片機，經D/A轉換器，控制汽水水泵，提供設備所需的汽和水；設備的狀態和電壓、功率參數經A/D轉換器在LED顯示器上顯示；

U型臂安裝于立柱的最上端，兩端分別連接X射線源、探測器，病人頭部位于U型臂的中央凹部，保證探測器、X射線源以及病人頭部三者中心共線，轉臺安裝在U型臂的上方帶動U型臂轉動，轉臺由步進電機通過蝸輪蝸桿帶動，通過U型臂圍繞病人頭部旋轉，從而實現在特定角度對頭部進行X射線成像，U型臂的啟動、正轉、定位、回原點、反轉控制由轉臺完成；

X射線管為高真空高壓二極管，由燈絲、陰極、陽極以及真空管組成，燈絲變壓器產生的燈絲電壓加于燈絲上，電流加熱燈絲后使其產生熱電子，在電位差作用下高速撞向陽極靶面，與靶內原子相互作用，產生X射線；X射線通過管壁、管窗向外輻射，其余的能量轉化為熱，陽極采用旋轉陽極，形狀為邊緣傾斜的圓盤，四周嵌有環狀鎢面，陽極的圓盤后面與轉子相連，可以旋轉；

燈絲電源板用于給X射線管的燈絲提供電源，旋轉陽極轉啟動器用于在規定時間內使X射線管的旋轉陽極轉速達到3000轉；

逆變器用于驅動X射線管；

非晶硅平板接收器把入射X射線光子轉換為電荷并讀出每個像元的數字信號，照射在CMOS成像器像元上的X射線光子數量與像元轉換得電荷數為線性關系，讀出每個像元的數字信號，所有像元的數字信號組成二維的數字信號，形成X射線的數字圖像；電源接口與電源連接，同步接口與X射線源控制模塊連接，在閃爍照射方式下，X射線以脈沖形式發出，探測器通過同步接口和X射線源在時序同步配合，用戶接口為以太網接口，探測器通過網線與計算機的千兆網卡接口相聯；

非晶硅平板接收器具有閃爍晶體的表面涂層以及把可見光轉換成電壓信號的晶體管，X射線照射在表面涂層上轉換成可見光，表面涂層材料為碘化銫或硫氧化釓，可見光通過晶體管轉換成電壓信號，晶體管為TFT陣列，其與表面涂層面積相同；

控制箱對步進電機進行控制，控制箱是基于PCI總線的上位控制單元，與計算機構成主從式控制結構，控制箱完成步進電機的運動控制的所有動作，包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位信號的檢測，控制箱輸出脈沖信號和方向信號，作為步進電機的控制信號，脈沖信號的頻率決定步進電機的轉速，脈沖信號的個數決定步進電機的轉角，方向信號決定步進電機的運動方向，控制箱接收來自計算機的包括原點、速度、限位在內的開關指令，實現回原點、加速、減速、保護的功能，控制箱根據梯形升降速曲線控制步進電機，實現步進電機的平穩運行，控制箱帶有編碼器反饋端口，適用于閉環的步進電機控制；

頭部固定架由圓箍和圓弧狀的凹槽組成，分別固定病人的額頭和下巴的作用，二者又通過支架連在底座上，使用時頭部固定架位于升降椅上部；

激光器包括激光棒、泵浦燈、聚光器、諧振腔，

激光棒的棒長和直徑的比在10∶1-20∶1之間，摻雜濃度為50％的Er：YAG激光晶體，激光棒的圓柱側面磨毛，以避免寄生振蕩和增加泵浦光的均勻性；

泵浦燈為氙燈；聚光器將泵浦燈的輻射能傳輸到激光棒上，激勵激光棒產生激光，聚光器為雙泵橢圓柱聚光器，聚光器的聚光腔的橫截面是一橢圓，橢圓有兩個焦點，激光棒和泵浦燈分別配置在兩個焦點上，使一個焦點上的泵浦燈發出的光線經橢圓反射面反射后，會聚到位于第二個焦線上的激光棒；

諧振腔提供光學正反饋，在諧振腔內產生和維持自激振蕩，從而產生激光，在穩定振蕩條件下，通過調節諧振腔的幾何參數控制腔內振蕩模的參數，提高光子的簡并度，獲得單色性好，方向性強的相干光，諧振腔包括一個全反射鏡和一個半反射鏡，半反射鏡的輸出窗口為反射率87％的膜片，膜片的基片選用白寶石，表面鍍稀土材料，全反射鏡采用白寶石基片，表面鍍稀材料，反射率為99％。