专利名称：牙科计算机断层摄影设备的制作方法医学X射线成像的历史几乎追溯到发现X辐射之时。对于许多先进的成像方式，例如全景X射线成像在牙科领域的发展于约半个世纪前就已开始。尤其是在20世纪90年代数字成像的发展也将数字X射线成像装置带入牙科实践。牙科领域中的最新发展是设计用于对颅部骨骼结构进行三维成像的锥形束计算机断层摄影设备的推广。关于其提供的新的可能性，值得一提的是例如涉及植入物连接和其他治疗计划的应用。 随着照相机和信息技术(诸如计算机计算能力)的发展，已经有可能创建不同表面的虚拟三维表面模型。在牙科领域，例如可以结合牙科正畸治疗利用面部表面模型，这是因为牙科正畸治疗同样会对面部形状产生影响。这种表面模型有时还与表面纹理信息(即表面/表面结构的细节的信息)相结合。现有技术还包括在无需单独创建表面三维形状的模型的情况下创建虚拟三维纹理模型的技术。尤其地，对获得用于特定成像目的的单独装置的需求已经限制了面部纹理模型在牙科领域的使用。获得单独装置不仅是成本问题，还涉及空间问题，因为每个装置总是需要安装和/或存储和/或使其能被使用的空间。另一方面，每次单独成像也总是占用一定的时间量。而且，就数据处理而言，也存在一定的布置的挑战，在所述布置中，创建模型需要组合在不同时间获取的图像信息、由不同成像装置获取的图像信息和/或获取的已经以不同方式定位以便于成像的解剖结构的图像信息。
本发明的一个目的在于一种通用的牙科计算机断层摄影设备，借助该设备可以至少从关于患者颅骨结构的X射线图像信息以及进一步的关于患者面部的颜色、疤痕、头发、胎记的信息创建用于患者头颅的虚拟三维建模。根据本发明的设备包括用于不仅产生计算机断层摄影图像还产生包括面部表面纹理的三维图像的单元。优选地，该设备被设置为能够使用相同的患者定位和成像事件、关于面部软组织表面形状和表面纹理的信息创建颅骨结构和/或牙的3D图像。在所附专利权利要求中更详细地限定了本发明的实质特征。本发明提出了一种用于患者颅骨解剖结构的通用建模的新布置。本发明尤其允许使用现有成像装置并且避免对使用现有技术特定布置的需要，所述现有技术特定布置会降低牙医采用虚拟3D模型提供的可能性的阈值。下面，还将参考所包括的附图更为详细地描述本发明及其优选实施例。图I示出了根据本发明的一种计算机断层摄影设备，其基本结构包括底部构造和支持成像单元的臂部件。图2示出了可应用于根据图I的设备中的图像信息的接收器模块。图3示出了将来自根据图2的模块的激光束引导朝向定位于成像位置处的患者。图4示出了在根据本发明的设备中使用的激光扫描的操作原理。图5a和5b示出了根据本发明一个优选实施例的信号路径，该路径从x射线检测器和至少一个彩色相机经帧接收器至计算机。图6a_6c示出了各个虚拟三维面部模型的示例。图7示出了根据本发明一个优选实施例而用于控制该设备的特定操作的原理。

图I示出了根据本发明的一个计算机断层摄影设备。该设备包括垂直支持结构
(11)，从其上水平地延伸支持患者支持单元的臂(12)以及支持用于支持设备的成像单元的结构(即臂部件(14))的臂部件(13)。支持成像单元的臂部件(14)被设置为可旋转。支持成像单元的臂部件(14)上，布置有彼此相隔一定距离的X射线源(15)和X射线图像信息接收器(21)，两者关于患者支持单元(17)而定位在设备上，由此创建位于X射线源(15)和X射线图像信息接收器单元(21)之间的设备的成像位置(18)，从而可以引导由X射线源(15)形成的波束通过所述成像位置(18)朝向X射线图像信息接收器单元(21)。所述设备包括控制单元，图I示出了其设置在支持构造(11)上的控制面板(16 )以及其中附属的操作模式选择单元(19)。在根据图I的设备中，X射线图像信息接收器单元(21)被设置作为经由线缆连接至计算机(30)的图像信息接收器模块(20)的一部分。在计算机中设有用于处理图像信息的单元，以及呈现由计算机创建的图像的显示器(31)。图2示出了可应用于根据图I的设备中的图像信息接收器模块(20)。该模块包括两个彩色照相机(22)，其水平地设置在X射线检测器(21)的相对两侧并对准成像位置。而且，模块(20)上设有优选产生白光以照亮成像位置(18)的光源(23)和两个激光器(24)。这些激光器基本上位于模块(20)中部，并且实际上靠近模块(20)的上下边缘。激光器(24)被设置为在成像位置(18)处发射并引导狭窄的垂直平面扇形束，其在患者面部投射激光图案。图3示出了如何在成像位置(18)处引导由图2所示的两个激光器(24)产生的激光扇形束，以在垂直方向覆盖患者面部，而不具有阴影区域。本发明可以采用相同颜色的两个激光器(24)，或者它们可以具有不同的颜色，SP，第一激光器可被设置为产生第一颜色的激光，而另一激光器产生第二颜色的激光。当使用相同颜色的激光器时，在实践中该结构的实现可能具有挑战，即激光器(24)产生精确重叠的波束。这从制造技术的观点而言已经非常困难，而且，在之后使用所述装置时也可能出现对准问题。至于不同颜色的激光器，可以将其设置为指向不同方向，并且例如可以由机器视觉基于对所述的色彩的图像的搜索而在图像中识别。如果在使用期间，不同颜色激光器的相互对准改变，则作为重新对准激光器(这可能需要在工厂进行维护)的代替，可通过重新校准而解决该状况。设在设备上的光源(23)也可被设置为产生除白色之外的其他一种或多种颜色的光。漫射箔可被设置在光源(23)之前(参考图2中的表面(23))，由此光从更大的区域发射且基本均匀，并且目标区域的照明将是均匀的。此外，光源(23)可以配备有偏光器(参考图2中的表面(23))，偏光器可以消除否则会在第二相机的图像中可见的、因结合第一相机定位的光源所引起的并且反之亦然的、来自皮肤表面的镜面反射。还可以在设备中设置两个以上或仅一个彩色照相机(22)，而所述一个或多个照相机(22)可被设置为不仅作为照像机，还作为持续操作的视频摄像机。引导至患者面部的光图案可由除激光器外的一些其他光源产生，并且这一光图案的颜色也可被设为可变，并且甚至在由激光器产生时，其颜色也可以是常规红色以外的一些其他颜色，诸如尤其优选为绿色。在支持根据图I的设备的成像单元(14)的结构被设置为可旋转的情况下，一个或多个彩色照相机(22)可设在图像信息接收器模块(20)上，以从不同方向拍摄位于成像位置(18)的患者面部的图像。于是，还可以用激光图案扫描患者面部。当使用例如根据图2的其中照相机(22)和激光器(24)彼此相距一定距离定位的设置时，可以使用激光线扫描位于成像位置(18)的患者面部，同时以与激光束方向呈一定角度(小于90度的角度)拍摄面部图像。根据如此获取的图像信息，可以产生患者面部形状的三维表面模型，如下将以更 详细的方式呈现。在本发明的一个优选实施例中，设备的控制系统配备有控制功能，以在扫描期间总是暂时关闭激光器达期望持续时间，在该持续时间内，可以在没有激光图案的情况下拍摄患者面部的彩色图像，并且根据由此获取的图像信息产生患者面部的纹理模型。然而，原理上也可以操作使得激光器始终不关闭，但是在对于程序化成像中产生的图像信息进行处理期间，从正形成的纹理模型移除该激光线。图4示出了在根据本发明的设备中使用的激光扫描的操作原理。扇形射束被引导至位于成像位置(18)的患者面部处以在所述面部形成窄垂直激光图案，所述面部将由二维照相机(22)相对于激光扇束的方向以O到90度之间的角度成像。从照相机(22)拍摄的图像中识别激光线，由此该图像中位于激光线上的每个点(x，y)是引导至患者面部的激光线在传感器上的点P的投影。在照相机(22)相对于成像位置(18)的位置以及该照相机的光学性质为已知的情况下，可以在此三维坐标系中确定相对于照相机(22)的每个像素(点X, y)的点P’的定位。点P在空间中的三维定位通过解析激光扇束的平面和该射束通过照相机(22)对象中心O的相交点T以及点P’而被确定。通过将激光器(24)和照相机(22)从患者面部的一侧转移到另一侧并且通过在激光线位于面部不同位置时拍摄的激光线的图像，可以构造面部表面形状的虚拟三维模型。图5a示出了在本发明一个优选实施例中使用的从图像信息接收器模块(20)至计算机(30)的信号路径。由X射线检测器(21)和一个或多个彩色照相机(22)检测到的图像信息至计算机(30)的信号路径可被设置为共用的，从而从其获取的图像信息经由同一帧接收器而被引导至计算机(30)。优选地，信号路径也可在所述设备中被设置为经由与从照相机至计算机的信号路径相同的以太网线缆，至少位于移动成像单元的控制单元和/或X射线源的控制单元与计算机之间。这可以例如借助于可设置在设备上的以太网开关部件或以太网网络集线器部件而实现。图4b示出了用于在设备中设置信号路径的另一优选实施例，其也仅需要位于成像单元和计算机之间的一条以太网线缆。根据本发明，设在计算机(30)上的、用于处理对位于成像位置(18)处的患者面部进行成像时所获取的图像信息的单元包括用于至少处理从X射线检测器(21)获取的图像信息以及用于处理从一个或多个彩色照相机(22)获取的图像信息以创建患者面部的虚拟三维纹理模型的算法。在产生纹理模型期间，利用被包括在图像处理单元中的、用于根据在患者面部上引导激光线的图像信息创建面部表面模型的单元。优选地，图像处理单元包括可以产生同时以三维示出面部纹理以及患者颅部的牙和/或骨骼结构的至少一部分的模型的单元。图6a示出了使用根据本发明的设备可实施的面部三维模型，其中在面部纹理模型中集成有患者颅部的骨骼结构和牙的信息。图6b再次示出了可使用根据本发明的上述设备产生的面部表面模型的一个示例，而图6c是根据图6b的模型的不同投影，其仅由可从患者面部上的激光线图案获取的信息产生。图6b和6c的比较例示了根据本发明的设备可产生的面部纹理模型与纯面部表面模型是如何不同。图7示出了一个图示，其例示了控制根据上述实施例的设备的特定操作的原理。在附图中，假设同时使用X射线曝光或者其自身的成像来对患者面部进行成像，从而使得支持成像单元的臂部件(14)旋转，由此图像信息接收器模块(20)从患者面部一侧至少180度地移动至另一侧，诸如移动至少200度，诸如约260度。在该移动期间，通过规律地脉冲调制图像信息接收器模块(20)的光源(23)来照明患者面部，然而保持激光器光持续打开，但其在扫描期间被暂时关闭以便能够在没有激光图案的情况下拍摄位于成像位置(18)的 患者面部的图像。设备的操作被同步以包括两类时段，在第一时段，激光器光关闭，而在籍此照明患者面部的这类光脉冲序列期间拍摄面部图像，而在第二时段，再次保持激光器光打开，籍此在支持成像单元的臂部件(14)旋转时，激光线沿着患者面部移动，并且在因此没有照明患者面部的这类光脉冲时段内拍摄面部图像。在成像采用根据上述本发明的两个彩色照相机(22)时，关于图7中所示的操作模式，实施如上所述的控制，从而第一和第二照相机(22)总是在连续的光脉冲期间拍摄图像。在图像信息没有被集成的情况下，总是可以在这些光脉冲时段内读取由照相机(22 )集成的图像信息。根据本发明的一个优选实施例，该设备包括用于实现成像从而使用约200度的旋转角实现计算机断层摄影成像而使用约260度的旋转角实现照相的单元。于是，这在实践中可以通过进行260度的操控而实现，在进行此260度的操控期间，仅在30度的移动之后开始X射线成像，并且相应地早于照相而停止，或者通过在第一方向上约200度的操控期间首先拾取X射线图像信息，在该第一方向上继续移动至照相的起始位置，随后在相反方向上进行的260度的操控期间来实现照相。后一种备选方案的优点在于在纯照相的操控可被尽快实现(即具有比X射线成像更高的角速度)，而不是限制角速度的计算机断层摄影中所需的速度，这减少了在曝光期间患者表情改变或其他运动的风险。图7的图示因而示出了可应用于本发明中的一个原理。然而，如果期望防止位于成像位置的患者感觉到由面部照明脉冲调制引起的光闪烁，必须将照明的脉冲频率设置为至少50-60HZ。当以图6所示的方式精确操作时，这样的脉冲调制将导致并非实践本发明实施所必须的大量图像信息。上述原理确实可以应用，例如诸如在上述时段内，第一和第二照相机不在每次光脉冲单元而是仅例如以每十个脉冲一次的量级来拍摄图像，籍此还存在有更多的时间以从照相机中读取图像信息。因而，在本发明的一个优选实施例中，照明患者面部的单元被控制以在短脉冲(优选地至少频率为50-60HZ)中照明患者面部，一个或多个激光器则被控制在患者面部上产生激光图案，所述激光图案本应连续产生但却在臂部件旋转期间存在有其间没有激光图案被产生的多个时段(诸如，小于10个时段)，并且一个或多个彩色照相机被控制以在将激光图案引导至面部上时以及用于照明患者面部的单元没有照明面部时以第一脉冲步进拍摄图像，并且在没有将激光图案引导至面部上以及用于照明患者面部的单元的确照明面部时，以第二脉冲步进拍摄图像。实现根据上述操作的实践模式的拍摄图像的序列的一种实践方式包括在移动成像单元期间将第一和最后时段实现作为在其间成像面部而没有激光线的时段，并且对于所述移动的持续期间，这类时段被设为均匀间隔的共五个时段。根据本发明的这样的实施例，患者面部的总计十幅彩色图像于是会在没有激光图案的情况下从不同方向拍摄，并且成像单元从患者面部一侧移动至另一侧的角速度可被设为使得在落入这些时段之间的四个时段，使用引导至面部的激光线拍摄300幅量级的图像。对于本领域技术人员而言仍然显见的是，例如并非必须以均匀间隔拍摄激光图案的图像，并且其数量以及拍摄激光线的图像的位置可以例如根据表面构造的期望水平分辨率而改变。同样并非必须以均匀地间隔拍摄不具有激光线的照片，且其数量和位置也可以根据任何特定需要而改变，由此为从不同方向拍摄的局部面部图像创建三维纹理模型实现合适的连接点和足够的覆盖。根据本发明的设备及其操作模式选择开关(19)可被设置为使得X射线成像和对患者面部的成像能够单独地或在本发明一个优选实施例中与相同的成像事件一起、甚至是 同时发生。与X射线成像同时从不同方向对面部拍照消除了对单独成像的需要，因此尤其不再需要校准一些其他成像装置，并且无需将患者定位至该其他装置而进行单独的面部成像。因而，在可以与X射线成像同时进行面部成像的情况下，麻烦得以免除且时间得到节省。同样地，如果希望集成以不同成像方式获取的图像信息，例如用于在同一三维模型中呈现，那么由于成像时已成像的解剖结构已经位于相同的位置并且位于根据相同成像装置的坐标系中，由此组合更为容易。该设备允许使用激光线以通过传递激光线位于面部上的位置、拍摄由面部表面上的激光线所产生的轮廓以及根据这些轮廓计算面部表面的形状，而以更多的细节来增强面部形状的显现。如上，已经参考所公开的附图主要地描述了本发明，但是本发明的实施例的所有上述细节并非必须，也并非是考虑实施本发明时的唯一方案。在设备中使用的彩色照相机的数量可以不是两个，并且如果该设备允许改变照相机关于成像位置的定位，那么甚至可以使用一个照相机来从不同方向拍摄患者面部的图像。在本发明一个优选实施例中，该设备被设置为具有照明装置，其发射白光以照明患者面部，这对于考虑成像面部色彩是有利的，但是也可以认为本发明在不具有集成在设备中的一个或多个白光光源并且还具有其他颜色的光的情况下仍是可利用的。可应用于所述设备中的图像信息接收器模块根据上述实施例可包括从水平方向上看被设置为基本位于模块中部的X射线图像信息接收器(21)、两个激光器(24)、以及被设置为基本位于模块(20)相对两端上的，一方面具有第一和第二彩色照相机(22)，而另一方面具有第一和第二照明结构(23)。当在垂直方向上观察模块(20)时，其可以包括如下布置所述激光器(24)被设置为基本位于图像信息接收器模块(20)的边缘处，而所述照明设备(23)在成像位置(18)处从所述彩色照相机(22)之上和之下引导光。然而，可以认为也可采用其他类型的布置而实现根据本发明用于对面部的至少部分进行建模的功能，诸如采用使用两条光线和仅一个照相机的布置。属于根据本发明的设备的彩色照相机还可以用于除了上述目的之外的其他目的。一个或多个照相机可被设置为作为视频摄像机进行操作，由此可以例如在X射线成像之前和/或曝光期间监视和/或保存患者的表情和可能的移动，其中合适的布置也是3D的。在上述实施例中，一个或多个彩色照相机位于支持成像单元的臂部件上，基本位于X射线检测器的附近，但是该一个或多个彩色照相机也可被设置为例如基本位于X射线源附近。通常有利的是，将该一个或多个彩色照相机以及属于该设备的一个或多个激光器定位在该设备的这样的结构上其出于设备进行X射线成像的目的已被设置为关于成像位置可移动。属于该设备的计算机没有必要必须是与成像单元物理分开的装置，而是该计算机也可被集成作为实际成像装置的一部分。该设备的X射线成像单元允许计算机断层摄影成像，尤 其是已知用于牙科领域的锥形束计算机断层摄影成像，在该设备中使用的支持X射线成像单元的臂部件的路径典型地被设置为允许臂部件关于穿过成像位置的固定虚拟垂直轴旋转，该运动也可以直接用于产生图像信息以创建三维面部纹理模型。成像设备的这一属性使得面部激光束扫描的实施非常简单，因为X射线成像设备已经包括实施可应用于在激光扫描中使用的移动的单元。在许多情况下，与使用仅从面部的彩色照相获取的信息相比，激光扫描显著地便利了患者面部三维表面形状的检测。于是在本发明的一个优选实施例中，存在例如这样一种设置其中所述X射线图像信息接收器单元(21)包括检测器，其接收图像信息区域的尺寸至少是厘米量级，所述支持成像单元的结构(14)被设置为关于穿过固定成像位置(18)的垂直虚拟旋转轴可旋转，使得X射线源(15)和X射线图像信息接收器单元(21)在成像位置(18)的相对两侧上移动，其中该设备的控制系统包括控制例程，其一方面控制支持所述成像单元的结构(14)、X射线源(15)和X射线图像信息接收器单元(21)的旋转运动以产生图像信息，能够使用处理由X射线图像信息接收器(21)检测到的信息的单元(30)来重建三维X射线图像，并且另一方面，至少控制所述彩色照相机(22)以在所述旋转运动期间拍摄位于成像位置(18)处的患者面部的彩色图像，并且其中功能上属于该设备的图像信息处理单元
(30)被设置为创建可在显示器(31)呈现的位于成像位置(18)处的患者的三维模型，该模型示出了患者颅部的骨骼结构和/或牙的至少一部分，以及患者面部纹理的至少一部分。


本发明涉及一种牙科计算机断层摄影设备，其包括x射线成像单元；至少一个彩色照相机，用于从不同方向对位于该设备的成像位置处的患者面部进行照相；适于将光图案引导至位于所述成像位置(18)的患者面部上的不同位置处的至少一个激光器(24)或其他照明装置；被设置为与所述至少一个彩色照相机(22)功能性连接的、用于从位于所述成像位置(18)的患者面部上的不同位置处引导的光图案信息创建虚拟三维表面模型的单元；以及用于将由所述至少一个彩色照相机检测到的所述面部图像信息与患者面部的所述表面模型相组合以创建患者面部的虚拟三维纹理模型的单元。