本專利申請與同一受讓人擁有的、其全部內(nèi)容以引用方式并入本文中的以下專利申請相關(guān)：

·2012年1月30日提交的、發(fā)明人名字為Jonathan J.O'Hare和Stephen Darrouzet的名稱為“X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY DEVICE CALIBRATION AND VERIFICATION APPARATUS”的美國臨時專利申請61/592,169；

·2013年1月29日提交的、發(fā)明人名字為Jonathan J.O'Hare和Steven Darrouzet的名稱為“X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY DEVICE CALIBRATION AND VERIFICATION APPARATUS”的美國專利申請No.13/752,698；以及

·2014年5月19日提交的、發(fā)明人名字為Jonathan J.O'Hare和Stephen Darrouzet的名稱為“X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY DEVICE CALIBRATION AND VERIFICATION APPARATUS”的美國專利申請14/281,006。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及校準裝置，更特別地，本發(fā)明涉及x射線計算機斷層掃描裝置/CT機器的校準。

背景技術(shù)：

使用坐標測量機器(CMM)準確測量各式各樣不同類型的工件。例如，CMM可測量飛行器發(fā)動機部件、手術(shù)工具和槍管的關(guān)鍵尺寸。精確且準確的測量有助于確保它們的基礎(chǔ)系統(tǒng)(諸如，就飛行器部件而言，飛行器)按規(guī)定進行操作。

不準確的測量會帶來災(zāi)難性的后果。因此，為了確保CMM給出準確測量，CMM行業(yè)已提出清晰的準確性驗證標準、過程和計量工具，以校準和驗證進行這些測量的基礎(chǔ)機器。出于這些目的，CMM驗證過程通常需要硬測量儀器，硬測量儀器能被跟蹤以進行不確定度計算，并且被設(shè)計為確保它們(即，測量儀器)在尺寸上是穩(wěn)定的。

最近，本領(lǐng)域的人員已經(jīng)開始使用計算機斷層掃描(CT)系統(tǒng)作為用于尺寸計量的CMM。然而，不合意的是，發(fā)明人已知的許多這樣的CT系統(tǒng)缺乏定義明確的驗證標準以及被設(shè)計用于該目的的計量工具。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

按照本發(fā)明的一個實施方式，一種用于校準x射線計算機斷層掃描裝置的設(shè)備具有由對于x射線而言可見的材料形成的第一球體、第二球體和第三球體。所述球體被構(gòu)造成在不改變形狀的情況下接收x射線，所述球體中的每個均具有對于x射線的球體衰減值。所述設(shè)備還具有底座，所述底座至少部分支撐所述球體，使得所述球體中的每個接觸均其他球體中的至少一個。如同任何其他物理對象，所述底座具有對于x射線的底座衰減值。所述球體衰減值大于所述底座衰減值，所述球體中的每個均以防止球體平移移動的方式鎖定就位在所述底座上。優(yōu)選地，所述第二球體接觸所述第一球體和所述第三球體。如同任何球體，所述第一球體具有第一中心，所述第二球體具有第二中心，所述第三球體具有第三中心。以對應(yīng)方式，所述第一中心和所述第二中心形成第一線，所述第一中心和所述第三中心形成第二線，所述第二線與所述第一線叉開(即，它們是相交的)。

所述設(shè)備可包括第四球體，所述第四球體接觸所述第一球體、所述第二球體和所述第三球體。例如，所述第四球體具有可與所述第一中心形成第三線的第四中心。該第一線和所述第三線可形成與所述第二線相交的平面。此外，所述第四球體可接觸所述第一球體和所述第二球體二者，但不接觸所述第三球體。

所述第一球體、所述第二球體和所述第三球體可在運動方面鎖定在一起，或者用粘合劑固定在一起，所述底座可具有帶有取向標記的桿。在一些實施方式中，所述第一球體接觸所述第三球體。雖然并不必要，但在一個實現(xiàn)方式中，所述第一球體、所述第二球體和所述第三球體可至少部分由藍寶石和紅寶石材料中的至少一種形成。

在例證實施方式中，所述第一球體、所述第二球體和所述第三球體是精確磨光或拋光的球體。事實上，所述第一球體、所述第二球體和所述第三球體中的每個可包括尺寸性質(zhì)中的至少一個(例如，其直徑)的校準認證。

所述第一球體、所述第二球體和所述第三球體中的每個優(yōu)選地是自立式球體(即，當不是設(shè)備的一部分時，為獨立球體)。

按照另一個實施方式，一種用于校準x射線計算機斷層掃描裝置的設(shè)備具有由對于x射線而言可見的材料形成的多個對象。所述多個對象被構(gòu)造成在不改變形狀的情況下接收x射線，并且具有大體相同的形狀。所述對象均具有對于x射線的對象衰減值和中心點，使得它們相對于其相應(yīng)中心點是對稱成形的。所述設(shè)備還具有底座，所述底座至少部分固定地支撐所述多個對象，使得所述多個對象中的每個均接觸其他對象中的至少一個。如同諸如所述對象的其他物理對象，所述底座具有對于x射線的底座衰減值，并且該值大于所述底座衰減值。在一個實現(xiàn)方式中，所述多個對象的中心點一起形成三維體積。

按照本發(fā)明的其他實施方式，一種校準或驗證x射線計算機斷層掃描機器的尺寸準確性的方法：設(shè)置具有校準設(shè)置的x射線計算機斷層掃描機器；并且使用所述x射線計算機斷層掃描機器對測量儀器進行成像，以產(chǎn)生測量儀器重構(gòu)。所述測量儀器具有對于x射線可見的第一球體、第二球體和第三球體，各球體均接觸至少一個其他球體。所述第一球體和所述第二球體的中心形成第一線，而所述第一球體和所述第三球體的中心形成與所述第二線叉開的第二線。所述方法還：在所述測量儀器重構(gòu)中，測量所述球體中的至少兩個之間的距離，以生成測量的中心距離值；將所述測量的中心距離值與已知中心距離值進行比較。最終，所述方法使用比較結(jié)果來確定所述測量儀器重構(gòu)中是否有距離誤差。

附圖說明

本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)參照附圖討論的以下“具體實施方式”更充分地理解本發(fā)明的各種實施方式的優(yōu)點，就在以下總結(jié)了附圖。

圖1A示意性示出可使用本發(fā)明的例證實施方式的x射線計算機斷層掃描裝置。

圖1B示意性示出圖1A的裝置的內(nèi)部部件。

圖2A示意性示出按照本發(fā)明的例證實施方式構(gòu)造的x射線校準和驗證測量儀器的立體圖。

圖2B示意性示出圖2A中示出的測量儀器的驗證對象的側(cè)投影圖。

圖2C示意性示出圖2A中示出的測量儀器的驗證對象的頂部投影圖。

圖3示意性示出按照本發(fā)明的例證實施方式構(gòu)造的x射線校準和驗證測量儀器的側(cè)視圖。

圖4示意性示出按照本發(fā)明的其他實施方式構(gòu)造的x射線校準和驗證測量儀器。

圖5示意性示出按照本發(fā)明的其他實施方式構(gòu)造的x射線校準和驗證測量儀器。

圖6示出在圖1的x射線計算機斷層掃描裝置中使用圖2A的測量儀器的過程。

具體實施方式

在例證實施方式中，用于二維或三維校準(或驗證)x射線計算機斷層掃描機器的設(shè)備使得能夠更準確地測量工件。這種設(shè)備可被改變比例，以精確測量較小尺寸的工件(例如，亞毫米級，諸如，直至微米或納米級)。為此目的，該設(shè)備具有底座，該底座支撐多個精確定義/指定的對象，這些對象取向成使得它們的精確測量點(例如，球體的中心)形成二維面積或三維體積。這些面積或體積被重構(gòu)和測量，以校準x射線計算機斷層掃描機器。以下，討論例證實施方式的細節(jié)。

圖1A和圖1B示意性示出可使用按照例證實施方式構(gòu)造的校準測量儀器的x射線機器/計算機斷層掃描裝置10。應(yīng)該注意，雖然本討論主要涉及校準，但各實施方式的原理適用于驗證x射線計算機斷層掃描裝置10的準確性。因此，關(guān)于校準的討論不旨在限制本發(fā)明的所有實施方式。

x射線計算機斷層掃描裝置10可以是制作位于其內(nèi)部的工件的三維模型(被稱為“工件重構(gòu)”)的計算機斷層掃描系統(tǒng)(又稱作“CT系統(tǒng)”或CT機器)，還有其他。出于這些目的，x射線計算機斷層掃描裝置10具有形成用于容納以下部件(還有其他部件)的內(nèi)部腔體的外殼12(參見圖1B)：

·待測量的工件14，

·用于產(chǎn)生x射線的x射線槍16，

·用于旋轉(zhuǎn)工件14的旋轉(zhuǎn)臺18，以及

·用于在通過x射線槍16將工件成像之后檢測工件14的圖像/投影圖的檢測器20。

可以由透明材料制成的通道門22提供進出內(nèi)部的通道，以添加和去除工件14。例如，工件14可以是冠狀動脈血管成形術(shù)中常用的心血管支架或用于軍艦(例如，航空母艦)的推進器。機器10側(cè)面的控制面板24充當操作人員的控制界面。

為了制作工件14的3D模型(“重構(gòu)”)，計算機斷層掃描機器10將工件14相對于x射線槍16有效移動。例如，計算機斷層掃描機器10可將工件14在旋轉(zhuǎn)臺18上旋轉(zhuǎn)整個360度，并且在旋轉(zhuǎn)期間采集工件14的x射線圖像(在本領(lǐng)域中被稱為“投影圖”或“投影角度”)。在旋轉(zhuǎn)工件14期間和/或之后，模型構(gòu)建模塊(例如，在本地微處理器或微控制器上執(zhí)行的后期處理軟件)將所有投影圖的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工件14的3D模型，即，所述重構(gòu)?？蓽y量可以是軟件模型的這個3D模型來確認工件14的尺寸準確性。因此，如果工件14是小醫(yī)療裝置(諸如，心血管支架)，則測量軟件可精確測量支架的選定特征(諸如，其半徑、壁厚度等)。

然而，如果計算機斷層掃描機器10沒有被正確校準，則這些工件測量有可能將是不準確的。一些不準確是可接受的，而其他會超出容差。因此，操作人員或某個其他人應(yīng)該在使用之前校準計算機斷層掃描機器10。然而，不合意的是，發(fā)明人得知市面上沒有用于多維校準傳統(tǒng)計算機斷層掃描機器的高度可靠的有效技術(shù)。為了填補本領(lǐng)域的不足，發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)出高度準確、細小節(jié)距的校準測量儀器。

具體地，圖2A示意性示出用于校準或驗證計算機斷層掃描機器10(諸如，圖1A和圖1B中示出的計算機斷層掃描機器10)的例證測量儀器26。測量儀器26具有底座28，底座28支撐在校準過程中充當導向標的多個分立的對象30。更具體地，在例證實施方式中，對象30優(yōu)選地包括被磨光或拋光成具有非常精確質(zhì)量(精確的對稱性、形狀、大小、體積、中心、幾何形狀等)的三個或更多個球體(在這個示例中是四個球體并且用參考標號“30”標識)。在例證實施方式中，由一些可靠的熟知的第三方來證明球體30具有特定的預(yù)定測量質(zhì)量。球體30中的每個是自立式獨立結(jié)構(gòu)—它們優(yōu)選地不是一體的或者甚至不是彼此連接成一個布置。替代地，球體30僅僅彼此接觸。如以下更詳細討論的，一些實施方式定位球體30，使得它們的中心形成平面或體積。

底座28支撐球體30。更具體地，在圖2A中示出的實施方式中，底座28是碳纖維桿，該碳纖維桿支撐取向成錐體結(jié)構(gòu)/角錐狀物的四個球體30。底座28的一個或兩個面具有取向標記32，取向標記32由x射線可見的材料形成。該取向標記應(yīng)該使用戶能夠看到測量儀器取向；更具體地，它應(yīng)該標識類似大小的球體并且在進行x射線重構(gòu)時將校準后的值應(yīng)用于正確識別的球體。

根據(jù)附圖的取向，角錐狀物在底部具有三個球體30并且在頂部具有一個球體30。球體30優(yōu)選地受約束，使得它們不可相對于底座28平移移動或者相對于彼此平移移動—即在相對于X軸、Y軸或Z軸的方向上。一些實施方式也受約束，使得球體30不可以任何其他方式移動，例如，它們不可相對于底座28旋轉(zhuǎn)。然而，其他實施方式可允許進行非平移運動(諸如，相對于底座28旋轉(zhuǎn))。

在理想的情況下，各球體30只在無限小的離散點接觸其鄰近的球體30。這樣確保了球體30受最小程度的限制，從而提供最大穩(wěn)定性。用更簡化的術(shù)語，如果它受最小程度的限制，則球體30不應(yīng)該搖晃或以其他方式相對于其他球體30線性移動—它在正常操作期間(沒有被施加不常見力時)基本上不可移動。事實上，在實際使用時，球體30不可能在無線小的點接觸。換句話講，球體30的接觸點具有最小量的表面積。

然而，通過使用更精細且準確制作的球體30，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可趨于這種理想化點接觸。優(yōu)選地自立式獨立球體30因此可被形成為具有非常細小的精度。例如，球體30可具有精度達到至少0.01毫米的直徑。具體地，至少0.01毫米的精度可具有甚至更細小的精度(諸如，0.001毫米、0.005毫米、0.0001毫米、0.00001毫米等)。又如，球體30可具有10.0001毫米的直徑，在諸如0.00005毫米的一定已知容差內(nèi)。相同測量儀器26的所有球體30可具有相同大小或不同大小。在任一種情況下，已知球體30的直徑達到所述精度。因此，例證實施方式可通過CT機器10檢測讀數(shù)的變化，變化量大約為球體30的精度—低至毫米或納米級。球體30優(yōu)選地包括來自可靠認證機構(gòu)關(guān)于它們性質(zhì)(例如，尺寸性質(zhì))的認證。

例證實施方式通過傳統(tǒng)裝置將球體30固定于底座28。例如，測量儀器26可具有將球體30固定于底座28的粘合劑或其他特征。本文中討論的其他實施方式不需要這些裝置并且可僅僅通過有效運動鎖(kinematic lock)來保持。

為了校準計算機斷層掃描機器10，校準模塊(未示出)測量對象30的可識別區(qū)域之間的距離。例如，在球體實施方式中，校準模塊可測量球體30的中心之間。如果對象30不是球體30的形式(例如，是突起、立方體、圓柱體、不規(guī)則形狀等的形式)，則可識別區(qū)域可以是該成形對象30的中心、或該對象30的某個其他區(qū)域(諸如，端部、斷點、拐角、兩個部分的交叉處等)。即使對象30是球體30，可識別部分也可以是球體30的外部區(qū)域。

因此，重要的是球體30在x射線圖像上是可見的。為此目的，球體30優(yōu)選地由對于x射線的衰減高于底座28的衰減的材料形成。例如，出于提供低熱膨脹和在計算機斷層掃描機器10的強度值范圍的中間附近提供低x射線衰減的目的，球體30可由紅寶石、藍寶石或其他材料形成。事實上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可選擇具有所期望性質(zhì)的其他材料。

除其他材料之外，底座28可由具有高剛度的碳纖維(如上所述)形成。在優(yōu)選實施方式中，碳纖維具有當相比于球體30的材料時相對低的x射線衰減。衰減的這種差異應(yīng)該提供所關(guān)注表面(即，球體30)和底座28之間的良好對比度和清晰分離。以與球體30類似的方式，本領(lǐng)域的人員應(yīng)該理解，底座28可由具有類似性質(zhì)的另一種材料形成。在例證實施方式中，球體30和底座28的熱膨脹系數(shù)盡可能低(諸如，不大于鋼的膨脹系數(shù))。

如所述的，球體30允許用戶一維、二維或三維校準基礎(chǔ)的計算機斷層掃描機器10。不同于現(xiàn)有技術(shù)的裝置，不需要執(zhí)行測量儀器26的完全掃描并隨后重新定位測量儀器26以在另一個方向上進行掃描。替代地，例證性實施方式允許用戶在不需要重新定位測量儀器26的情況下完全校準計算機斷層掃描機器10。測量儀器26因此具有至少二維或三維上的可測量結(jié)構(gòu)。例如，測量儀器26可具有X和Y平面或X、Y和Z平面上的可測量結(jié)構(gòu)。因此，測量儀器26可被視為形成有助于這些測量的可測量面積或體積。

出于這些目的，在這個實施方式中，各球體30的中心可被視為與其他球體30中的每個的中心點形成直線。圖2B示意性示出圖2A的四個球體30的筆直的側(cè)投影圖，而圖2C示意性示出圖2A的四個球體30的筆直的頂投影圖。

在這些圖中，將球體30的中心標識為點A、B、C和D。這些中心形成圖2B和圖2C中示出的六條直線：A-B、A-C、A-D、B-C、B-D和C-D。如所示出的，每個線段與至少一個其他線段相交/叉開—在這種情況下，所有線段與其他線段全部相交/叉開。換句話講，而非必要地，線段中沒有一個平行于其他線段。

此外，如上所述，這些叉開的線段組合形成可測量面積和體積，從而有效形成二維或三維測量儀器26。例如，如圖2C的頂視圖中示出的，線B-C、C-D和B-D一起形成大體與Z軸正交的三角形區(qū)域。這個三角形區(qū)域允許在X維度和Y維度上進行校準和驗證(即，二維校準)，而不必移動測量儀器26進行第二次掃描(以下討論)。事實上，一些實施方式省略了頂部球體30，僅僅使用三個球體30進行二維校準和驗證。不管怎樣，這個實施方式形成二維測量儀器26。

以類似方式，當點B、C和D與頂部球體的點A形成線時，這個三角形面積形成錐體體積。圖2B更清楚地示出Z方向上的這個體積的深度。這三個附加叉開線因此允許在X方向、Y方向和Z方向上進行校準和驗證，從而有效形成三維測量儀器26。

一些實施方式具有不同類型的底座28。具體地，不同于使用桿28，這些實施方式可具有對于x射線而言是最少可見的相對剛性和熱穩(wěn)定的支撐板34。

圖3示意性示出使用支撐板34和可選的固定構(gòu)件36的這種布置的一個實施方式。如同其他實施方式，支撐板34和固定構(gòu)件36優(yōu)選地對于x射線而言是最少可見的。這個實施方式通過在所有三個維度上向球體30正常施加力，將球體30在運動方面鎖定就位。以與球體-球體接觸類似的方式，固定構(gòu)件36理想地在僅僅一個點與球體30接觸。

在這個運動鎖定構(gòu)造中，球體30不需要任何其他裝置將它們保持接觸并且不移動。換句話講，不必用粘合劑、緊固件或其他裝置將球體30保持在正確位置。不合意地，這些額外組件會影響球體30的實際位置，或者妨礙x射線下球體30的可視性。然而，其他實施方式可具有這些額外組件。

測量儀器結(jié)構(gòu)優(yōu)選地是能改變比例的并且可被適宜地確定大小來測量較大體積。例如，可改變球體30的大小、數(shù)量和布置來滿足演變的計算機斷層掃描標準，這些標準控制總測量體積的某個最小百分比覆蓋率。圖4示意性示出一個這樣實施方式的側(cè)視圖，在該實施方式中，兩組球體30(每組四個球體，所述球體如同圖3中示出的球體)并排形成在支撐板34上。雖然未示出，但這個實施方式可包括固定構(gòu)件36、或保持沒有固定構(gòu)件36。

為了在支撐板34上形成甚至更大測量儀器26，圖5示意性示出使用三組如圖3中布置的球體30的類似實施方式的側(cè)視圖。這個實施方式形成角錐狀物結(jié)構(gòu)，但沒有頂部球體30。然而，一些實施方式可添加另一個球體30，以在角錐狀物的頂部上形成單個測量點。另外，如同圖3和圖4的實施方式，這個實施方式可具有可選固定構(gòu)件36。圖3和圖4的實施方式共同的但不同于圖2的另一個特征是如下事實：沒有球體30接觸測量儀器26的所有球體30。

圖6示出按照本發(fā)明的一個實施方式的使用測量儀器26的過程。該過程開始于步驟600，即選擇測量儀器26在x射線計算斷層掃描機器10內(nèi)的預(yù)定取向。例如，如果測量儀器26進行二維校準/驗證，則操作人員可將測量儀器26取向成平行于由X-Y軸形成的平面，或者由Z-X軸形成的平面。然而，如果測量儀器26進行三維校準/驗證，則操作人員可將三維測量儀器26在任何隨機取向上取向。

接下來，該過程以預(yù)定取向?qū)y量儀器26物理定位在x射線計算斷層掃描機器10內(nèi)(步驟602)并且對測量儀器26成像(步驟604)。為此目的，測量儀器26可設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺18上，旋轉(zhuǎn)臺18優(yōu)選地將測量儀器26旋轉(zhuǎn)整個360度。在這個時間期間，x射線計算斷層掃描機器10得到測量儀器26的順序圖像/投影，供后續(xù)處理。在例證實施方式中，這一次掃描可收集足夠信息來完全校準并且驗證x射線計算斷層掃描機器10(例如，在三維測量儀器26的情況下)。其他實施方式可能需要兩次掃描(例如，在二維測量儀器26的情況下)。不管怎樣，相對于重復(fù)針對x射線計算斷層掃描機器10的各維度進行處理的現(xiàn)有技術(shù)的一維測量儀器，有巨大的改進。

在x射線計算斷層掃描機器10完成測量儀器26的成像之后，該過程構(gòu)造測量儀器26的三維模型(“3D模型”)(步驟606)。模型引擎(或模型構(gòu)建模塊)因此使用來自連續(xù)圖像中的數(shù)據(jù)來構(gòu)造可被存儲在存儲器中的3D模型(測量儀器重構(gòu))。雖然不是必要的，但呈現(xiàn)軟件可呈現(xiàn)3D模型，然后為了觀眾旋轉(zhuǎn)或以其他方式移動最終3D模型，從而表現(xiàn)測量儀器26的細節(jié)。

步驟608隨后測量3D模型要素來確定尺寸是否準確。為此目的，該過程測量測量儀器重構(gòu)內(nèi)的預(yù)選點之間的距離。例如，該過程可測量從球體的中心(例如，從一個球體30的中心)到其他球體30中的一個或更多個的中心。這個步驟因此產(chǎn)生供后續(xù)步驟中驗證用的多個距離值。

具體地，預(yù)定點之間的實際距離是已知的；在優(yōu)選實施方式中，這些距離被證明。例如，圖5的兩個球體30的中心之間的已知距離可以是10.0001毫米。圖5中的兩個其他球體30的中心之間的已知距離可以是20.0002毫米。

因此，步驟610將這些不同測量距離與已知距離進行比較，以確定是否存在誤差(步驟612)。例如，該過程僅僅可確定各種測量和已知距離之間的差異。這個差異是計算斷層掃描機器10的校準誤差。使用以上的示例，如果頭兩個球體30之間的測量距離(已知距離10.0001毫米)是10.0004毫米，則計算斷層掃描機器10具有0.0003毫米的誤差，因此應(yīng)該被適宜地改變或調(diào)節(jié)。

因此，如果該過程檢測到超過某些預(yù)設(shè)極限或容差的誤差(例如，檢測到這個示例性0.0003毫米誤差)，則步驟614通過改善計算斷層掃描機器10的初始校準設(shè)置來校正誤差，從而結(jié)束該過程。

例證性實施方式因此因需要更少的掃描而改進了校準和驗證過程，從而節(jié)省了時間和資源。這些實施方式二維或三維使用細小節(jié)距細節(jié)進行校準和驗證，從而最終能夠更準確測量工件14。

雖然以上討論公開了本發(fā)明的各種示例性實施方式，但應(yīng)該清楚，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不脫離本發(fā)明的真實范圍的情況下進行將實現(xiàn)本發(fā)明的一些優(yōu)點的各種修改。