用于固定的数字化胸部断层融合成像的系统及相关方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求于2014年10月20日提交的序列号为62/066，091的美国临时申请 的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
[0003] 政府利益
[0004] 本公开的主题依据美国国家癌症研究所授予的第U54CA151652批准号由美国政府 支持而做出。因此，美国政府享有本公开的主题的某些权利。
技术领域
[0005] 本文所描述的主题涉及X射线照相术和X射线断层照相术。更具体地，本文所公开 的主题涉及用于固定的数字化胸部断层融合（stationary digital chest tomosynthes is，s-DCT)成像的系统及相关方法。
【背景技术】
[0006] 肺癌一直是世界上癌症死亡的首要原因。在美国每年超过20万个新的肺癌病例被 确诊，并且肺癌的死亡人数超过乳腺癌、前列腺癌和结肠癌的总的死亡总数。尽管几十年来 对诊断和治疗进行了研究，但存活率仍然很低。可能的肺癌筛检包括胸部X射线照相术 (CXR)和计算机断层扫描(CT)。众所周知，由于病变尺寸小和醒目性差，CXR成像在小癌症肿 瘤的筛选和鉴别方面表现不佳。CT成像是目前用于对肺部病变成像的最高标准，因为它可 以消除任何重叠的解剖结构，并揭示隐藏的肺结节。然而，CT成像引起高成本和高辐射剂 量，这可能导致辐射诱发的癌症。因此，不建议对一般人群进行肺癌的CT成像。
[0007] 数字化断层融合是一种提供从一系列受限角度的投影图像重构切片图像的三维 (3D)成像技术。数字断层融合通过减少来自重叠的正常解剖组织的视觉混乱来提高解剖结 构的可见性。目前临床的断层融合应用的一些示例包括胸部、腹部、肌肉骨骼和乳腺成像。 当与CXR成像比较时，数字化胸部断层融合(DCT)成像提高了诸如肺血管、支气管壁、小气 道、血管树和支气管扩张的解剖结构的可见性。当与传统的轴向CT成像比较时，DCT成像在 具有连续切片的冠状平面中显示肺部，并给出更好的支气管树的概观。DCT成像在图像平面 上具有比CT成像更好的分辨率，因为它产生冠状图像，并且相较于CT成像而使用更高分辨 率的检测器，而CT成像的空间分辨率在很大程度上受到其检测器的z轴分辨率限制。DCT成 像通过减少来自重叠的正常解剖组织的视觉混乱还增强了对小的肺结节的检测。同样显著 的是，在DCT成像中使用的辐射剂量比CT成像低约10-40倍之间，并且它的成本只是CT成像 的一小部分(即，大约十分之一）。
[0008] 存在的若干个商业数字化断层融合系统包括，例如，用于胸部成像的V0LUMERAD? 和RADSPEED?，用于乳腺成像的SELENIA?D頂ENSI0N?和西门子MAMMOMAT INSPIRATION? 。现有的商业断层融合系统的设计都是相似的，在设计中，使用具有单个X射线生成的焦斑 的X射线管通过在与待成像的受验者有关的大约10-50度的圆弧角上移动X射线源来采集投 影图像。由于台架旋转和机械的不稳定性，在图像获取期间的有效的焦斑尺寸比降低图像 分辨率的静态值大。因此，期望提供一种不需要X射线源的机械运动的数字化断层融合成像 系统。
[0009] 更重要的是，沉重的X射线源台架在直线轨迹或圆弧轨迹上的机械运动需要台架 的加速和减速。与加速相关的不稳定性限制了台架能够移动的最高速度，因此本质上限制 了断层融合图像获取的速度。典型地，对于现有的移动台架式胸部断层融合系统的最少扫 描时间为5秒以上;典型的成人呼吸周期为三到五秒，而儿童的呼吸周期为一至三秒。因此， 传统的断层融合成像系统由于患者的生理运动通常产生非常差的图像质量。现有的移动台 架式胸部断层融合系统要求为成像而屏气，并且通常不适用于儿科的成像。对于许多肺部 疾病患者和儿童，屏住他们的呼吸达五秒钟以上可能是困难的。因此，期望提供用于使患者 运动无关紧要的固定的数字化断层融合成像的系统及相关方法。
【发明内容】
[0010] 公开了用于固定的数字化胸部断层融合(S-DCT)成像的系统及相关方法。在一些 方案中，所述系统及相关方法使彻底降低由呼吸和心血管运动引起的运动模糊的s-DCT成 像能够实现，该系统及相关方法可以例如用于除了胸部断层成像以外的其他应用。
[0011] 在一些方案中，系统可以包括固定的X射线源阵列，所述固定的X射线源阵列包括 配置为相对于固定的待成像受验者产生处于不同视角的X射线束的空间分布的X射线像素 的阵列；固定的区域X射线检测器，其被定位为基本上平行于所述X射线源阵列的平面，并配 置为记录来自所述不同视角的受验者的X射线投影图像以用于断层融合重构；生理门控装 置，其用于监测受验者的至少一个生理信号，所述生理门控装置基于所述至少一个生理信 号限定生理相位和时间窗，在所述时间窗内能够获得来自不同视角的受验者的X射线投影 图像；以及计算平台，其包括存储器和至少一个硬件处理器，所述计算平台配置为基于所述 生理相位和时间窗且当从生理门控装置接收到至少一个生理信号时来激活所述X射线像 素，以使X射线曝光与受验者的至少一个生理信号同步。
[0012] 在一些方案中，方法可以包括:提供固定的X射线源阵列，所述固定的X射线源阵列 包括配置为相对于固定的待成像受验者产生处于不同视角的X射线束的空间分布的X射线 像素的阵列；并提供固定的区域X射线检测器，其被定位为基本上平行于所述X射线源阵列 的平面，并配置为记录来自不同的视角的受验者的X射线投影图像以用于断层融合重构；由 生理门控装置监测受验者的至少一个生理信号，所述生理门控装置基于所述至少一个生理 信号限定生理相位和时间窗，在所述时间窗内能够获得来自不同视角的受验者的X射线投 影图像；当接收到所述至少一个生理信号时，由计算平台激活X射线像素，以使X射线曝光与 受验者的至少一个生理信号同步；以及记录来自不同视角的受验者的X射线投影图像。
[0013] 在一些方案中，用于产生人体胸部或躯干的一个或多个断层图像的方法可以包 括:提供具有关于待成像对象的空间分布的X射线生成焦斑阵列的固定场致发射X射线源阵 列；用由X射线生成焦斑所产生的X射线束照射该对象;在五秒钟或更少的时间内检测对象 的投影图像;并基于对象的投影图像来重构所述对象的一个或多个断层图像。
[0014] 在一些方案中，提供了使用单色和准单色X射线束中的至少其中一种X射线束来产 生对象的一个或多个图像的方法，所述方法可以包括提供具有关于待成像对象的空间分布 的焦斑的场致发射X射线源;用由X射线源产生的单色和准单色X射线束中的至少其中一种X 线束照射所述对象，以产生所述对象的投影图像;检测所述对象的投影图像;并基于对象的 投影图像来重构所述对象的一个或多个可显示图像。
[0015] 本文公开的主题可通过软件与硬件和/或固件的组合来实现。例如，本文描述的主 题可以通过由处理器执行的软件来实现。在一个示例性实施例中，本文描述的主题可以使 用计算机可读介质来实现，在所述计算机可读介质上存储有当由计算机处理器执行时控制 该计算机执行步骤的计算机可执行指令。适于实现本文公开的主题的示例性计算机可读介 质包括非暂时性设备，如磁盘存储设备、芯片存储设备、可编程逻辑设备和专用集成电路。 此外，实现本文所描述的主题的计算机可读介质可以位于单一设备或计算平台上，或者可 以跨多个设备或计算平台而分布。
[0016] 虽然上面已经描述了本文所公开的主题的一些方案，并且其全部或部分由目前公 开的主题来实现，但是随着下面结合本文所描述的附图进行说明，其他方案将变得显而易 见。
【附图说明】
[0017] 从下面的应结合附图来阅读的详细描述中将更容易理解本主题的特征和优点，附 图仅通过说明性而非限制性的示例的方式给出，在附图中：
[0018] 图1是示出根据本主题的一些方案的包括线性多束X射线源阵列的示例性固定的 数字化胸部断层融合(s-DCT)系统的示意图；
[0019] 图2A是示出用于根据本主题的一些方案的s-DCT系统的包括阴极和圆柱形旋转阳 极的示例性X射线源阵列的示意图；
[0020] 图2B是示出根据本主题的一些方案的图2A的示例性X射线源阵列的一部分的详细 视图；
[0021] 图3A-图3C均是分别示出用于根据本主题的一些方案的S-DCT系统的多束准直器 和线性X射线源阵列的正视图、侧视图和正视立体图的示意图；
[0022] 图4是示出用于根据本主题一些方案的s-DCT系统的示例性位置感测设备的示意 图；
[0023] 图5是示出根据本主题的一些方案的用于处于卧姿的受验者的示例性s-DCT系统 的不意图；
[0024] 图6是示出根据本主题的一些方案的用于处于站姿的受验者的示例性s-DCT系统 的不意图；
[0025] 图7是示出使用根据本主题的一些方案的s-DCT系统获取快速断层图像的示例性 过程的流程图；
[0026]图8是示出使用根据本主题的一些方案的s-DCT系统获取呼吸门控断层图像的示 例性过程的流程图；
[0027] 图9是示出使用根据本主题的一些方案的s-DCT系统获取双能量门控断层图像的 示例性过程的流程图；
[0028] 图10是示出使用根据本主题的一些方案的s-DCT系统适于在获取断层图像中使用 的示例性通用计算机系统的高层次方框图；
[0029] 图11是示出根据本主题的一些方案的用于固定的数字化断层融合成像的示例性 方法的流程图。
【具体实施方式】
[0030]本主题涉及用于固定的数字化胸部断层融合(s-DCT)成像的系统及相关方法。在 一个方案中，本主题提供具有X射线源阵列和/或区域X射线检测器的s-DCT系统，所述s-DCT 系统能够实现固定的断层融合成像，即，无需移动X射线源或检测器而成像。值得注意的是， 如本文所公开的用于s-DCT成像的系统及相关方法可用于另外的应用，诸如，例如牙齿、乳 腺、腹部成像。例如，本文公开的系统及相关方法可以用于如在2008年7月18日提交的编号 为7，751，528的美国专利中公开的固定的X射线数字化乳腺断层融合成像，其阐述的全部公 开内容通过引用合并于此。
[0031]传统上的数字化胸部断层融合(DCT)系统包括X射线检测器和均保持固定的对象， 而X射线源沿着线性轨迹机械地移动并