具有分布式x射线源阵列的固定台架计算机断层扫描系统和方法
【专利说明】具有分布式X射线源阵列的固定台架计算机断层扫描系统 和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求提交于2012年8月17日、序列号为61/684, 575的美国临时专利申请 的权益和优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。
[0003] 政府利益
[0004] 本发明是在政府支持下依据由美国国立卫生研宄院给予的编号为R01CA134598 和U54CA119343的授予进行的。政府对本发明拥有一定权利。
技术领域
[0005] 本文中所公开的主题通常与用于X射线成像的系统和方法有关。更具体地，本文 中所公开的主题涉及用于对受验者成像，且具体地用于对受验者的头部、脊柱和颈部成像 的非旋转的、固定台架和可移动的X射线计算机断层扫描系统和方法。
【背景技术】
[0006] X射线成像被广泛应用于包括医学诊断和治疗、工业检验和测试、安全筛查和检测 在内的许多领域。X射线成像的一种形式，非造影计算机断层扫描（CT)在包括例如诊断缺 血性中风的许多医疗应用中都是有用的。每40秒，在美国就有一人中风。一年发生超过 795, 000起中风，导致每年超过410亿美元的直接和间接的卫生保健费用。
[0007] 目前的CT扫描仪是无法便携或轻松移动的大型的复杂设备。这样，需要CT扫描 的患者就必须被运送至最近的CT扫描仪，有时在很远的距离处。对于诸如缺血性中风的一 些医学病症，早期诊断和治疗对降低发病率和死亡率是极其重要的。遗憾的是，用于最佳治 疗的时间窗会由于运送至配备有CT扫描仪的场所、医院或医疗机构的转移时间而被显著 地缩小。
[0008] 因此，将成像系统运送至患者处是有利的，由此能够缩短治疗时间并改善患者的 治疗效果。因而，理想的是拥有便携的且可移动的CT系统和方法，使得能够轻松地运送它 们至需要CT扫描的患者处。
[0009] 目前的CT扫描仪包括旋转的台架设计，其中，X射线管和检测器对围绕着患者在 圆周运动中旋转以产生用于CT重构所需要的投影视图。非旋转固定台架CT系统将降低机 械复杂性从而使设备或系统更易便携。还可以减少对这样系统的保养和维护。先前在设计 诸如动态空间重构器（DSR)和电子束CT (EBCT)的非旋转台架CT方面的尝试已取得有限的 成功。DSR和EBCT系统的与成本、尺寸、复杂性和维护有关的问题通常都是难以解决的。 [0010] 因此，仍然存在对于用于对受验者成像，且特别地，用于对受验者的头部、脊柱和 颈部成像的可移动的X射线CT系统和方法的未满足的需要。
【发明内容】
[0011] 根据本公开，提供了用于对受验者成像，且具体地用于对受验者的头部、脊柱和颈 部成像的非旋转固定台架和可移动的X射线计算机断层扫描系统和方法。
[0012] 在一个方案中，提供了一种非旋转固定台架和可移动的X射线计算机断层扫描成 像系统。所述成像系统可以包括用于发射X射线辐射的一个或多个空间分布X射线源阵列、 用于检测来自一个或多个X射线源阵列的X射线辐射的一个或多个X射线检测器阵列，以 及用于控制来自具有可编程光子通量和脉冲序列的一个或多个空间分布X射线源阵列的 各个X射线焦斑的X射线以使X射线曝光与一个或多个X射线检测器阵列的数据收集同步 的电子控制单元。
[0013] 尽管在上文已经陈述了本文中所公开的主题的一些方案，且其全部或部分通过本 公开的主题来实现，但当在下文最好结合附图进行描述时随着描述继续进行其他方案将是 显而易见的。
【附图说明】
[0014] 从以下应当结合附图来充分了解的详细的说明书中将更加容易理解本主题的特 征和优点，所述附图仅仅通过解释性和非限制性的示例来给出，且在附图中：
[0015] 图1是根据本文中所述主题的一个方案用于获得对象的多射束图像的示例性系 统的结构图；
[0016] 图2是根据本文中所述主题的另一个方案用于获得对象的多投影图像的示例性 系统的结构图；
[0017] 图3是根据本文中所述主题的方案的多像素场发射X射线源的示意性的、横截面 侧视图；
[0018] 图4A是根据本文中所述主题的实施例的包括用来将二进制多路复用X射线照相 术应用于对象的X射线发生器设备的X射线成像系统的立体图；
[0019] 图4B和图4C是在用于产生脉冲的X射线辐射的时间段内施加给X射线像素的脉 冲电流和所产生的X射线强度的示例的曲线图；
[0020] 图5A至图5C是从不同的投影角度顺序地对对象成像的常规的扫描顺序成像系统 的不意图；
[0021] 图6A至图6C是根据本文中所述主题的对对象成像的示例性BMXR系统的示意图；
[0022] 图7是根据本文中所述主题的实施例的二进制多路复用X射线照相术的示例性过 程的流程图；
[0023] 图8是根据本文中所述主题的实施例的可操作以产生包括基于预定的哈达马德 二进制变换（Hadamard binary transform)的信号的多路复用的合成X射线束并使用所述 合成X射线束照射对象的示例性BMXR系统的示意图；
[0024] 图9是根据本文中所述主题的实施例的具有多射束场发射像素的示例性CT成像 系统的不意图；
[0025] 图10常规的旋转台架CT扫描设备的示意图；
[0026] 图11是常规的旋转台架CT扫描设备的图示；
[0027] 图12是根据本文中所述主题的实施例的具有非旋转固定台架设计的示例性CT扫 描系统的示意图；
[0028] 图13是根据本文中所述主题的实施例的具有非旋转固定台架设计的示例性CT扫 描系统的示意图；以及
[0029] 图14是在显著减少剂量的情况下获得的来自ACR鉴定人体模型的固定头部CT实 体模型的重构单切片的图示。
【具体实施方式】
[0030] 本文中所公开的主题涉及便携式的、非旋转固定台架计算机断层扫描（CT)扫描 仪和方法。如本文中所公开的CT扫描仪在一些实施例中可以利用一个或多个空间分布的 X射线源阵列来产生用于CT重构所需的投影图像。在一些实施例中，可以设计用于可移动 应用的专门对头部、脊柱和颈部成像的CT扫描仪。在一些方案中，CT扫描仪可以配备用于 发送图像至一个或多个集中的或期望的地点以供由医学专业人员分析的无线通信能力。
[0031] 在一些实施例中，本文中所公开的主题涉及利用多射束X射线源、X射线检测器和 二进制变换技术的多路复用X射线照相技术、设备和方法。根据一个方案在本文中所公开 的射线照相技术是指诸如在序列号11/804, 897的美国专利申请，现在为编号8, 189, 893的 美国授权专利中所公开的二进制多路复用X射线照相术（BMXR)，其全部内容通过引用合并 于此。按照本文中所公开的BMXR技术，在数据收集过程中，多射束X射线源的开/关状态 (也被称为"二进制状态"）遵从预定的二进制变换的形式。X射线源的开-关状态能够产 生包括基于预定的二进制变换的信号的X射线束。可以利用所产生的X射线束来照射对象， 或在一些实施例中可以利用所产生的X射线束来照诸如患者的受验者。照射对象之后，可 以由记录对应于X射线源的二进制状态的多路复用X射线信号的X射线强度的X射线检测 器来检测所发送的或荧光的X射线束。然后，可以通过逆二进制变换来处理所记录的X射 线强度数据以恢复从多射束X射线源中的每一个射束所产生的原始的X射线信号。
[0032] BMXR使许多新的X射线成像和X射线分析应用得以实现。通过使用不同形式的二 进制变换，BMXR能够缩短数据收集时间，提高信噪比（SNR)，并提供数字射线照相术和荧光 光谱学中X射线源的更好的功率分配。通过利用多射束X射线源，BMXR能够允许从同时使 用单个检测器的多个X射线束进行对象的并行成像/光谱分析。BMXR能够提高在计算机断 层扫描（CT)、层析X射线照相组合、X光透视检查、血管造影术、多能射线照相术以及X射线 荧光光谱学分析的成像速度。BMXR适合的应用包括，例如，医学诊断和治疗、工业无损探伤 (NDT)和X射线荧光（XRF)分析，以及安全筛查和检测。
[0033] 如这里所指，术语"纳米结构的"或"纳米结构"材料指定诸如纳米管（例如，-碳 纳米管）的包括具有小于IOOnm颗粒尺寸的纳米颗粒的材料。已经表明这些类型的材料呈 现出已提升在多种应用中的重要性的某些特性。
[0034] 如这里所指，术语"多射束X射线源"指定能同时产生多个X射线束的设备。例如， "多射束X射线源"可以包括具有电子场发射器的基于场发射的多射束X射线源。电子场发 射器可以包括基于纳米结构的材料。
[0035] 如这里所指，术语"二进制变换"指的是多路复用技术的概念，包括Hadamard变换 和其他适合的二进制变换。通常，可以通过分别代表信号源的开或关状态的元素为1或〇 的二进制变换矩阵来表示二进制变换。诸如Hadamard变换的二进制变换可以适用于包括 显微镜、光谱学、质谱学，以及磁共振成像（MRI)的各种应用中。
[0036] 图1是根据本文中所述主题的一个方案的通常指定为100的用于获得对象的多射 束图像的示例性BMXR系统的结构图。参照图1，二进制变换函数BTF能够控制具有多个像 素的X射线产生设备XGD以产生包括基于预定的二进制变换的信号的且被配置为使X射线 信号XS指向对象O用于照射所述对象的多个合成X射线束XB。在该示例中，X射线束XB 基本上从单一方向射向对象0。此外，在该示例中，每一个X射线束XB都具有不同的X射线 能量谱。例如，通过针对不同的X射线束像素使用不同的阳极