专利名称：一种复合滤波补偿光谱调制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及乳腺成像技术领域，尤其涉及一种复合滤波补偿光谱调制装置。
背景技术：
目前，乳腺疾病是女性疾病中最为常见的，乳腺癌的致死率居于女性肿瘤中的第二位。对乳腺癌的早期检查是提高其治愈率的有效手段，为了减少乳腺切片活检的诊断，产生了大量针对乳腺疾病的无损诊断方法，主要包括钥靶乳腺X射线摄影，超声乳腺检查，磁共振(MRI)乳腺检查及其他功能成像方法。其中钥靶乳腺X射线摄影是当前使用最广泛也是最有效的乳腺癌早期检测方法，但是其将三维的乳腺结构信息叠加到二维的平面上，导致检测灵敏度相对较低，除此以外，钥靶摄影对于致密性的乳腺诊断成功率也很低。为了提高对乳腺疾病的诊断成功率，近年来兴起了一种新的乳腺成像技术，SP乳 腺专用CT技术(DBCT)，其通过乳腺在不同方向的投影数据来重建乳腺内部三维结构。DBCT系统能在与两帧钥靶摄影相同的剂量下提供较高的图像对比度和空间分辨率，具备可以分辨100到200微米量级的微钙化点及几毫米病灶(肿块)的能力，与传统的钥靶摄影相比，DBCT系统有很多优点，如能提供乳腺三维结构图，能对较致密的乳腺组织成像，成像时乳腺腺体剂量分布更均匀，病人检测时舒适度提高，同时能为病理检测及治疗提供更高的空间定位精度等等。但上述DBCT系统存在的不足之处就是对于微钙化点的检测还不如钥靶摄影，为了进一步改善对微钙化点的检测能力，提高DBCT系统对乳腺疾病的诊断性能，需要在有限的射线剂量下充分利用光子信息。一种可行的办法就是对入射的X射线光谱进行调制优化，即通过改变光谱的分布强度来提高成像时的剂量效率和成像质量，这种能对光谱进行调制的装置称为光谱调制器。但DBCT系统作为一种新型的乳腺成像设备，针对其使用的光谱调制器研制尚处于初步阶段，故有必要针对乳房这种特殊的成像构型进行光谱调制器的设计，以提高DBCT系统的整体性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合滤波补偿光谱调制装置，能够针对DBCT系统在保证重建图像质量的前提下，降低病人接受的剂量，同时显著提高系统对乳腺疾病的诊断成功率，并提供更适合乳腺成像的光谱分布。本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种复合滤波补偿光谱调制装置，所述装置包括由具有特征吸收边材料制作而成的高密度滤波优化片，由与乳腺线性衰减系数接近的材料制作而成的低密度滤波补偿片，滤片连接装置及外部支撑支架，其中所述滤片连接装置将所述高密度滤波优化片和所述低密度滤波补偿片连接在一起形成复合光谱调制器，且所述低密度滤波补偿片位于靠近X射线光源的一侧；所述外部支撑支架将所述复合光谱调制器支撑设置在X射线光源与待检测乳房之间的特定位置，且所述外部支撑支架固定在支撑板上；
从所述X射线光源发出的X射线经过所述复合光谱调制器调制后穿过待检测乳房，并携带所述待检测乳房的结构信息被X光探测器接收。所述复合光谱调制器的结构大小及位置根据X射线光源和X光探测器的位置及待检测乳房的形状确定，使不同的X射线在所述复合光谱调制器和所述待检测乳房中总的贯穿长度保持不变。所述低密度滤波补偿片的结构为一带有凹槽的长方体，所述凹槽与所述待检测乳房的姿态和形状有关，所述凹槽的截面为CT旋转轴所在垂直平面的二维对称曲面，凹槽面所在的一侧为接近待检测乳房的一侧；从所述X射线光源发出的不同发射角内的X射线经过所述低密度滤波补偿片，被厚度不同的滤片调制补偿。所述高密度滤波优化片的结构为厚度均等的薄片，其厚度由入射X射线光谱的衰 减比例及所述待检测乳房成像时允许接受的剂量来决定；所述高密度滤波优化片通过其材料原子的K层电子对入射光子的共振吸收实现对入射X射线光谱的调制，且所述高密度滤波优化片吸收由所述低密度滤波补偿片通过康普顿Compton散射产生的光子,实现复合滤波。所述高密度滤波优化片由铈或钆材料制作而成；所述低密度滤波补偿片由有机玻璃制作而成。由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述装置包括由具有K层特征吸收边材料制作而成的高密度滤波优化片，由与乳腺线性衰减系数接近的材料制作而成的低密度滤波补偿片，滤片连接装置及外部支撑支架，其中所述滤片连接装置将所述高密度滤波优化片和所述低密度滤波补偿片连接在一起形成复合光谱调制器，且所述低密度滤波补偿片位于靠近X射线光源的一侧；所述外部支撑支架将所述复合光谱调制器支撑设置在X射线光源与待检测乳房之间的特定位置，且所述外部支撑支架固定在支撑板上；从所述X射线光源发出的X射线经过所述复合光谱调制器调制后穿过待检测乳房，并携带所述待检测乳房的结构信息被X光探测器接收。通过该装置能够针对DBCT系统在保证重建图像质量的前提下，降低病人接受的剂量，同时显著提高系统对乳腺疾病的诊断成功率，并提供更适合乳腺成像的光谱分布。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图I为本发明实施例提供的复合滤波补偿光谱调制装置在乳腺专用CT系统中应用的结构不意图；图2为本发明实施例提供的复合光谱调制器的结构示意图；图3为本发明实施例中入射光谱被具有K层特征吸收边的高密度滤波优化片调制后的分布示意图；图4为同种强度的入射光谱穿过不同厚度有机玻璃后的出射光谱示意图5为同种强度光谱穿过现有技术中所采用铝材料后的出射光谱示意图；图6为入射光谱穿过两种材料后后平均能量的变化示意图。
具体实施例方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例所提供的复合滤波补偿光谱调制装置结合待检测乳房成像时的姿态和形状，通过高密度滤波优化片和低密度滤波补偿片对入射X射线光谱同时实现水平方向和旋转轴所在垂直面的调制，两种滤片组成的复合光谱调制器通过对连接光源和探测器像素的不同X射线束的滤波补偿和共振吸收，达到对扫描待检测乳房的入射X射线光谱的调制和优化，实现降低乳房接受剂量、提高成像质量的目的。下面将结合附图对本发明实施 例作进一步地详细描述，如图I所示为本发明实施例提供的复合滤波补偿光谱调制装置在乳腺专用CT系统中应用的结构示意图，如图2所示为本发明实施例提供的复合光谱调制器的结构示意图，结合图I和图2，所述复合滤波补偿光谱调制装置主要包括由具有特征(例如K层特征)吸收边材料制作而成的高密度滤波优化片2，由与乳腺线性衰减系数接近的材料制作而成的低密度滤波补偿片1，滤片连接装置及外部支撑支架7，其中所述滤片连接装置将高密度滤波优化片2和低密度滤波补偿片I连接在一起形成复合光谱调制器4，且低密度滤波补偿片I位于靠近X射线光源3的一侧；所述外部支撑支架7将所述复合光谱调制器4支撑设置在X射线光源3与待检测乳房5之间的特定位置，且所述外部支撑支架固定在支撑板8上；从所述X射线光源3发出的X射线经过所述复合光谱调制器4调制后穿过待检测乳房5，并携带所述待检测乳房5的结构信息被X光探测器6接收，在具体实现中还可利用电机9转动获取待检测乳房5在不同角度的投影，最终利用重建算法重建乳房的三维结构影像进而诊断乳腺疾病。在具体实现中，上述低密度滤波补偿片I使用同乳房衰减系数接近的材料，除了使用有机玻璃外，还可使用其他易成型的低密度材料，如聚氯乙烯(PVC)等；上述高密度滤波优化片2使用具有K特征吸收边的材料，且吸收边对应的特征能量在30keV到60keV之间，除了使用铈以外，还可使用其他材料，如钆等。具体实现中，所述复合光谱调制器4的结构大小及位置根据X射线光源3和X光探测器6的位置及待检测乳房5的形状确定。对于不同的乳腺CT设备，复合光谱调制器设计的原则是保证待检测乳房在X光探测器上的投影最终几乎是不变的，即不同的X射线在复合光谱调制器和待检测乳房中总的贯穿长度几乎保持不变，且入射光子能量被优化至最适合待检测乳房成像的能量段。如图2所示低密度滤波补偿片I的结构为一带有凹槽的长方体，所述凹槽与所述待检测乳房的姿态和形状有关，所述凹槽的截面为CT旋转轴所在垂直平面的二维对称曲面，凹槽面所在的一侧为接近待检测乳房的一侧；从所述X射线光源3发出的不同发射角内的X射线经过所述低密度滤波补偿片I，被厚度不同的滤片调制补偿。具体来说，X射线从远端的X射线光源发出，不同发射角内的X射线经过所述低密度滤波补偿片被厚度不同的滤片调制补偿，调制补偿的原则是当X射线需要在待检测乳房中贯穿较长距离时，X射线在所述低密度滤波补偿片中衰减的长度就较小，当X射线在待检测乳房中贯穿长度较小时，其在所述低密度滤波补偿片中的衰减长度就较大，以保证总的衰减长度几乎保持不变，例如在水平面内靠近胸腔的乳房组织，中心射线在其中的贯穿长度最长，则X射线在低密度滤波补偿片中衰减的长度就最小。图2中高密度滤波优化片2的结构为厚度均等的薄片，其厚度由入射X射线光谱的衰减比例及所述待检测乳房成像时允许接受的剂量来决定；高密度滤波优化片2通过其材料原子的K层电子对入射光子的共振吸收实现对入射X射线光谱的调制，且高密度滤波优化片2吸收由所述低密度滤波补偿片通过康普顿散射Compton散射产生的光子，实现复合滤波，进一步提高乳腺成像质量；具体来说，对于乳腺专用CT设备，入射光子为多色谱，仅当入射光子为某种特定的能量时，系统成像时能获 得最大的剂量效率，高密度滤波优化片2的作用就是将多色的入射光谱调制为最适合乳房成像的能量范围。下面以具体的实例来对上述复合滤波补偿光谱调制装置的具体工作过程进行描述，结合图I和图2来说低密度滤波补偿片I的基底为大小为70mmX IOOmmX 130mm的有机玻璃长方体，在面向乳房的一侧，去掉一对称凹槽，凹槽截面为二维曲面ABCD，该二维曲面可通过如下方式来确定首先在水平面内，根据乳房成像时截面为圆形的条件确定不同射线发射角对应的补偿厚度，补偿的终点在有机玻璃上形成曲线ACB ;其次在过中心的垂直平面内，根据乳房成像时截面为椭圆形的条件确定不同射线垂直张角时对应的补偿厚度，确定补偿曲线CD ；然后在平行于X射线探测器平面用同样的方法确定有机玻璃对应的补偿曲线ADB，最终根据这三条曲线利用二维曲面插值的方法得到整个补偿曲面ABCD。在本实例中，最薄的补偿厚度为20mm，对应乳房中最大的贯穿长度。图2中在上述有机玻璃靠近乳房的端面连接高密度滤波优化片2，在本实施例中，该高密度滤波优化片2采用K吸收边特征能量对应40. 4keV的铈(Ce)材质，其厚度(由入射X光强度和乳腺成像要求决定)为O. 15mm，在实际使用过程中，可以根据成像条件对厚度进行调节。由于不同能量的光子对乳房成像时的剂量效率不同，因此成像时希望剂量效率最大的光子在光谱中所占的比分最大，通过铈材质的优化过滤，可将用于入射光谱中40keV附近光子所占的比分显著提高，如图3所示为本发明实施例中入射光谱被具有K层特征吸收边的高密度滤波优化片调制后的分布示意图，从图3中可知优化后的光谱能在保证成像质量的情况下，乳房接受的辐射剂量最小，从而实现最高的光子剂量效率。图I中X射线光源到X射线探测器和旋转中心的距离分别为740mm，560mm,复合光谱调制器靠近光源一侧到光源焦点的距离为280mm。在本实施例中，该复合光谱调制器没有安装在X射线光源出射口，因此对于微小的位移误差并不敏感，降低了安装的难度。除本实施例所述的结构以外，还可以根据不同的乳腺专用CT设备，设计不同尺寸的复合光谱调制器。本发明实施例所提供的复合滤波补偿光谱调制装置有利于提供空间一致性更好的光谱，如图4所示为同种强度的入射光谱穿过不同厚度有机玻璃后的出射光谱示意图，如图5所示为同种强度光谱穿过现有技术中所采用铝材料后的出射光谱示意图，如图6所示为入射光谱穿过两种材料后后平均能量的变化示意图，从上述图4、图5和图6中可知本发明实施例对不同衰减长度的光谱影响更小，也就是说能提供一致性更好的成像光谱，有利于降低成像伪影，提高成像质量。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种复合滤波补偿光谱调制装置，其特征在于，所述装置包括由具有特征吸收边材料制作而成的高密度滤波优化片，由与乳腺线性衰减系数接近的材料制作而成的低密度滤波补偿片，滤片连接装置及外部支撑支架，其中 所述滤片连接装置将所述高密度滤波优化片和所述低密度滤波补偿片连接在一起形成复合光谱调制器，且所述低密度滤波补偿片位于靠近X射线光源的一侧； 所述外部支撑支架将所述复合光谱调制器支撑设置在X射线光源与待检测乳房之间的特定位置，且所述外部支撑支架固定在支撑板上； 从所述X射线光源发出的X射线经过所述复合光谱调制器调制后穿过待检测乳房，并携带所述待检测乳房的结构信息被X光探测器接收。
2.如权利要求I所述复合滤波补偿光谱调制装置，其特征在于，所述复合光谱调制器的结构大小及位置根据X射线光源和X光探测器的位置及待检测乳房的形状确定，使不同 的X射线在所述复合光谱调制器和所述待检测乳房中总的贯穿长度保持不变。
3.如权利要求I所述复合滤波补偿光谱调制装置，其特征在于， 所述低密度滤波补偿片的结构为一带有凹槽的长方体，所述凹槽与所述待检测乳房的姿态和形状有关，所述凹槽的截面为CT旋转轴所在垂直平面的二维对称曲面，凹槽面所在的一侧为接近待检测乳房的一侧； 从所述X射线光源发出的不同发射角内的X射线经过所述低密度滤波补偿片，被厚度不同的滤片调制补偿。
4.如权利要求I所述复合滤波补偿光谱调制装置，其特征在于， 所述高密度滤波优化片的结构为厚度均等的薄片，其厚度由入射X射线光谱的衰减比例及所述待检测乳房成像时允许接受的剂量来决定； 所述高密度滤波优化片通过其材料原子的K层电子对入射光子的共振吸收实现对入射X射线光谱的调制，且所述高密度滤波优化片吸收由所述低密度滤波补偿片通过康普顿Compton散射产生的光子,实现复合滤波。
5.如权利要求I所述复合滤波补偿光谱调制装置，其特征在于，所述高密度滤波优化片由铈或钆材料制作而成； 所述低密度滤波补偿片由有机玻璃制作而成。
全文摘要
本发明公开了一种复合滤波补偿光谱调制装置。所述装置包括由具有K层特征吸收边材料制作而成的高密度滤波优化片，低密度滤波补偿片，滤片连接装置及外部支撑支架，其中所述滤片连接装置将所述高密度滤波优化片和所述低密度滤波补偿片连接在一起形成复合光谱调制器，且所述低密度滤波补偿片位于靠近X射线光源的一侧；所述外部支撑支架将所述复合光谱调制器支撑设置在X射线光源与待检测乳房之间的特定位置，且所述外部支撑支架固定在支撑板上。通过该装置能够针对DBCT系统在保证重建图像质量的前提下，降低病人接受的剂量，同时显著提高系统对乳腺疾病的诊断成功率，并提供更适合乳腺成像的光谱分布。
文档编号A61B6/03GK102961160SQ20121042501
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者赵维, 杨胜宇, 舒航, 唐晓, 曹大泉, 王哲, 魏存峰, 王燕芳, 孙翠丽, 阙介民, 史戎坚, 魏龙 申请人:中国科学院高能物理研究所