专利名称：用焦点探测器组合产生周期运动物体断层造影图像的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生具有周期性交替的周期阶段的、例如具有运动和静止阶段的周期运动对象的断层造影断面图像、尤其是X射线CT图像的方法，其中，为了扫描该周期运动的对象，使焦点-检测器组合在一个圆形轨道上围绕检查对象运动，同时测量用于确定检查对象的周期阶段或者运动和静止阶段的检测器输出信号和运动信号并与检测器输出信号相关地进行存储。然后，在所存储的检测器输出信号的基础上，借助于反向投影、通过再现和整形来建立断层造影图像。
背景技术：
德国专利公开文献DE 19957082A1公开了一种类似的建立运动对象的断层图像的计算机断层造影方法。在此，为了显示跳动的心脏，平行于扫描过程通过EKG记录心脏的运动信号，以便由此确定心脏的静止阶段并且仅对在静止阶段的图像进行分析，其中，在该文献中X射线源仅在静止阶段工作。
此外，参看T.Flohr，B.Ohnesorge的文章“Heart-Rate AdaptiveOptimization of Spatial and Temporal Resolution for ECG-Gated MultisliceSpiral CT of the Heart”，JCAT vol.25，No.6，2001。在该文章中公开了对于围绕心脏螺旋型运动的多行CT的焦点-检测器组合的心脏的相位精确的体积再现算法。
该一般公知的心脏螺旋再现算法的问题在于，由于焦点的螺旋运动被扫描的区域产生条纹影响，由此使所得到的CT照片的图像质量受到极大损失。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供这样一种用于产生周期运动对象的断层造影断面图像的方法，该方法使得能够避免图像显示的条纹外观。
发明者发现，为了解决上述的技术问题，可以将德国专利申请DE10207623 A1中描述的用于顺序采集CT数据的门控AMPR方案的变形(AMPR＝adaptive multiplanare Rekonstruktion，自适应多平面再现)进行适应。在此，在心脏应用的情况下，平行于患者EKG的记录在多个相继的心脏周期中测量顺序的多层投影，并回溯地计算为在一个所选择的心脏阶段的心脏体积的图像数据，其中还考虑了锥形的射线变化。
为了再现各再现层(页)可以按照公知的方式从待再现的片段中使用各再现片段的图像堆，按专业术语称为片段图像堆或者“小册子”。再现片段的中心通过一个参考投影角度Φref确定，其借助于与一个所选择的心脏阶段(多数为静止阶段中的一个区域)平行记录的EKG设置。该再现片段的最小长度为θscan≥π。再现层的平面按照参考投影角度在转动焦点的圆形轨道上聚积，并相对于N行检测器倾斜，使得在再现M(M≥N)个等距离的再现层时所有检测器数据都得到应用。
一般地，由图像堆构成的再现层(小册子的页)也可以是弯曲的结构。在再现图像堆之后，可以按照对应于目标图像平面的统一取向在系统轴方向上进行整形。例如，该整形可以通过公知的加权方法实现。
为了改善时间分辨率，可以将再现所需要的长度θscan的数据间隔细分为多个互补的扇面。下面，将对于两个片段再现的情况对其进行详细解释，其中，长度θscan的数据间隔由在两个相继的心脏周期中获得的扇面组合而成。在此，这样确定这些扇面s1，s2，使得其对于长度θscan的一个数据间隔来说互补。其中，在相继的心脏周期中的时间位置根据在数据采集期间所记录的EKG数据精确地相位相同地确定。通常片段s1，s2由此产生不同的长度。
在此，所确定的CT图像的时间分辨率Δt取决于局部心脏频率，并且在两个扇面s1和s2的长度相同的最有利的条件下为Δt=θscan4π·Trot,]]>在最不利的情况下为Δt=θscan2π·Trot.]]>在后一种情况下两个扇面之一具有长度零。
对于每一个扇面s1和s2确定前后相继的、整形的、优选为轴向的片段图像堆，其所属的参考投影角度包含在扇面s1和s2中。然后，将将片段图像逐层相加成完整的CT图像。
在触发控制焦点的情况下，也可以相应于所选择的心脏阶段只扫描长度为θscan的数据流。然后可以按照上面已给出的方式来对此确定一个分段图像堆。然后以与上述方法类似地进行再现和整形。
对应于上面描述的基本思路，发明者提出了一种用于产生至少部分地具有周期性重复的周期阶段的、例如具有交替的运动阶段和静止阶段的周期运动检查对象(优选为生命体、特别是患者的心脏)的断层造影断面图像，尤其是X射线CT图像的方法，其至少具有下列的方法步骤·为了扫描检查对象，使产生锥形(锥形＝在两个相互垂直的平面中构成扇形)射线束的焦点和与该焦点相对设置的多行检测器在一个围绕该检查对象的圆形轨道上移动，其中，·连同射线的空间取向数据一起收集表示由所述焦点发出的射线在通过检查对象时的衰减的检测器输出数据，和·射线束的扇形化宽度使得，对运动的检查对象的体积在没有附加的侧向移动的条件下仍能完全通过圆形扫描采集，·同时，测量检查对象的运动信号(优选为EKG信号)以检测周期阶段，优选为运动阶段和静止阶段，其中，将运动数据和检测器输出信号之间的时间相关进行存储，·然后，对每个检测器行的各子片段的检测器输出信号回溯地进行综合，这些子片段分别共同给出一个至少覆盖180°的完整片段并且代表该运动的检查对象的一个静止阶段，·其中，根据所希望的时间分辨率，对每个检测器行从运动的检查对象的n个相互跟随的周期的n个(优选地n＝2)子片段综合出完整的片段，知·利用这些完整片段进行通过2D再现和整形进行反向投影。
也就是说，在多行检测器的圆形运动中采集关于多个运动周期的数据并且顺序正确地及互补地综合为完整的数据组。然后可以利用依靠2D反向投影方法的公知的再现方法对这种数据组进行计算，并且按照公知的方式产生断层造影断层图像。在此，测量的运动周期越多，得到的时间分辨率就越高。不过，在所使用的运动周期数目过高的情况下，至少在对患者进行检查时自然会产生其它限制。例如，由于其它运动或者呼吸而产生伪影，或者由于过长的照射时间而形成剂量问题。因此在大多数情况下仅将两个至三个运动周期相加是有利的。
基本上优选的是，在观察运动的心脏时仅采用来自心脏静止阶段的数据，以便得到尽可能清晰的成像。不过，CT越来越短的转动时间使得也可以在心脏的任意周期阶段(也可以在活动阶段的一个间隔中)进行关注，或者甚至在完整的心脏周期中记录一种“3D图像序列”。
为了使随后的计算操作容易，在按照本发明的方法中可以在反向投影之前优选地逐行进行并行重装(Parallel-Rebinning)。
在该按照本发明的方法中优选的是，从检测器数据中分别为多个(M个)等距离的再现层建立图像堆(一般称为小册子)，其中，再现层的数目应该大于或者等于所使用的多行检测器的检测器行的数目(N)，并且在平行和等距离的图像平面上进行整形。
此外，优选的可以是，选择完整片段的子片段的长度不同，不过，其中这些子片段相对于所覆盖的扫描角度至少互补为覆盖180°的扇面，并且在时间上相对于检查对象的运动情况处在相同的周期阶段中，优选地处在回溯地确定的静止阶段的相同间隔中。
为了减小患者的剂量负担，可以直接或者间接通过所测量的运动信号的控制在运动周期的至少大部分期间减小从焦点发出的射线。
在对来数据组进行综合时，为了改善图像质量和避免在不同周期的不同扇面的数据的过渡处的伪影，有利的是在数据组之间进行过渡加权。
此外，为了防止图像伪影可以对数据组进行窦腔X线照相加权。
由于时间分辨率对心脏运动的周期长度以及支架转动速度的依赖性，必要时优选的是，根据所测量的脉搏速率这样匹配焦点的转动频率，使得设置理论上可以达到的最佳时间分辨率。
为了改善时间分辨率，可以部分优选的是，不仅对两个心脏周期而是对三个或者四个心脏周期进行数据采集，其中，所使用的心脏周期的数目过大又会导致不清晰。
需要补充指出的是，本发明既包括具有一同转动的焦点-检测器组合的应用，也包括具有旋转焦点和按2π包围的圆柱形固定的多行检测器的应用。
以下借助附图以优选实施例来对本发明进行详细描述，其中采用以下附图标记1CT设备；2X射线管；3多行检测器；4患者卧榻；5系统轴/z轴；6支架；7患者；8EKG测量导线；9控制/测量导线；10控制/分析单元；11显示器；12键盘；13焦点；14射线束；15心脏；16EKG线；17.x截面；18静止阶段；19焦点的圆形轨道；20.x射线平面；21.x平行射线；22物理检测器；23R锯齿；24静止阶段的开始；m检测器行的数目；n每检测器行检测器元件的数目；Θ1第一扫描扇面；Θ2第二互补扫描扇面；Θ3第三互补扫描扇面；Θ4第四互补扫描扇面。
图中图1为计算机断层造影仪的示意图；图2为计算机断层造影仪的截面示意图；图3为按照纵断面表示的计算机断层造影仪的示意图；图4示出对两个心脏周期按扇面的数据收集的本发明的扫描方法；图5示出在多个扇面上可能的数据收集的示意图，以便利用在两个心脏周期上两个等长的扇面中的数据收集计算完整的CT图像；图6示出在两个心脏周期的两个相同长度的扫描扇面中的数据逐行进行综合的示意图；图7示出对在两个心脏周期的两个不同长度的扫描扇面的数据收集的可能的扇面综合的示意图；图8示出对于在z方向上进给的序列扫描的情况按照本发明的扫描方法；图9示出在四个心脏周期中利用按扇面的数据收集的本发明的扫描方法；图10示出对于具有在四个周期的四个相同长度的扇面的数据收集的完整CT图像可能的扇面综合的示意图；图11示出在圆形扫描中按照平行几何的再现层堆的示意图。
具体实施例方式
图1示出了具有支架6的计算机断层造影仪1，其中有圆形转动的X射线管2和处于其相对位置上的多行检测器3。此外，示出了患者7，其躺在患者卧榻4上并驶入CT1的开口中以便进行扫描过程，其中，在X射线管圆形围绕患者运动的扫描过程中，在系统轴5的方向上不发生患者的相对运动。对于计算机断层造影仪1的控制通过控制/分析单元10、经过控制/测量导线9实现，其中还通过控制/测量导线9传送所采集的数据。
此外，在控制/分析单元10中还集成了一个EKG，其通过EKG测量导线8测量由心脏引起的位流，以便识别心脏的当前运动情况。控制/分析单元10拥有内部存储器和计算处理器，通过该内部存储器和计算处理器实现用于控制计算机断层造影仪和用于对所采集的数据进行分析的程序P1至Pn。此外，在该控制/分析单元上连接了用于输入数据的键盘12和用于显示数据的显示器11。
图2示出了图1计算机断层造影仪的截面示意图。在X射线管2中有焦点13，从该焦点扇形扩展地发出射线束14并到达对面的多行检测器3。在X射线通过患者7时，该X射线对应于透视不同的组织而不同地衰减，并且该衰减通过nxm行矩阵形式的检测器的各个检测器得到测量并通过测量导线9传递到控制/分析单元10。按照本发明，在测量过程中还将关于支架6的当前转动位置的位置数据以及EKG数据通过EKG测量导线存储在控制/分析单元10中，由此可以再现周期阶段和检测器输出数据之间的相关性。
图3再次示出了图1中的计算机断层造影仪1，不过这次是按照纵截面示出的。在此，示意地示出了对患者7跳动的心脏15进行的透视。为了清楚起见在图2和3中仅示出了具有很少几行且每行很少检测器元件的检测器。不过，按照本发明涉及的是拥有大量检测器行和每行具有很多检测器元件的检测器，使得不用在同时将患者在系统轴方向上进给的条件下利用一个圆形扫描过程就可以至少完全扫描运动的心脏。
图4示意地示出了对心脏的按照本发明的圆形扫描过程的时间变化。在此，横轴表示时间轴，而纵轴一方面表示系统轴或者z轴、另一方面表示EKG记录仪按毫伏(mV)测量的心脏活动。
EKG线采用附图标记16，其中，按照本发明，在R锯齿23的基础上回溯地确定静止阶段24的开始。静止阶段本身表示在方格18中。为了分析断面17.x中的CT图像，采用多个相互跟随的心脏跳动周期。在图4中共示出了四个心脏周期，其中将两个具有静止阶段18的相邻心脏周期用于数据采集。
图5中示出按扇形方式的数据收集。在此，在第一静止阶段18期间焦点以及射线束经过第一圆扇面Θ1，而在下一个静止阶段18经过第二圆扇面Θ2。这里，在理想的情况下这样设置焦点的转动速度，使得两个扇面分别覆盖90°，并且如图5中示出的那样互补，以便共同扫描过一个至少180°的完整扇面，并且可将该两个扇面的数据综合为一个完整的数据组，以便从中再现出所希望的CT图像和在轴向进行整形。为此，可以根据焦点转动时间与当前心脏周期长度的关系，使用紧接在第一圆扇面Θ1之后或者在其之前的第二圆扇面Θ2。这基本上分别取决于焦点的现有转动时间和心脏周期的长度。
图6对应于图4和5示出了如何从多行检测器由两个扇面Θ1和Θ2所获得的数据中进一步为了再现进行综合出。这样，每个行17.x包括来自第一圆扇面Θ1数据的第一部分，和来自第二圆扇面Θ2数据的第二部分，其中，每个圆扇面在另一个心脏周期中获得。
对于没有将支架的转动时间优化调谐到心脏频率的情况，数据采集对应于图7中示出的情形实现。在此，转动速度设置得相对高，使得第一圆扇面Θ1覆盖超过90°的角度。对应地对于第二圆扇面Θ2采用一个相邻的小于90°的角度，使得可以再次共同测量一个完整的半周并用于再现。
对于尽管扫描射线束的宽扇面角和在z轴方向上多行检测器的大的延伸而不能通过一次圆形扫描完全扫描检查对象的情况，还可以顺序排列多个本发明的圆形扫描并在各次扫描之间在系统轴方向上进给。图8示意地示出了这种过程。
在图9和10中示出了对时间分辨率的进一步提高。这些附图示出了对于四个心脏周期和四个圆扇面Θ1-Θ4的扫描。对应于扫描扇面的加倍在静止阶段内覆盖的时间间隔也较小，由此可以更好地与心脏的实际静止阶段进行匹配，从而可以由于较高的时间分辨率而明显地改善图像质量。图9示意地示出了在四个心脏周期中按扇面方式的数据采集的本发明的扫描，其中，在图10中示出了可能的互补扇面综合，为了得到用于再现的总的完整数据组，该扇面综合是必需的。如果针对在此填充有“1”的起始扇面，至少在180°之后测量填充有“2”的第二扇面，则该扇面的投影数据通道正确地按180°与第二扇面成镜像，从而依次设置的扇面共同互补为180°。分别相互构成镜像地可交换的扇面分别填充有相同的数字“2”、“3”和“4”。可以理解，示出的例子仅表示了利用相同大小的扇面进行数据收集的可能形式，其它的顺序和不同的扇面大小同样也是可能的。
图11示出了在扇面的圆形扫描中按照平行几何的再现层堆。在此，为了清楚起见也仅示出了六个扇面形的再现层。再现片段共有长度π并且从在多个心脏周期中依次排列的测量数据的数据综合而成。在此，可以很好识别的是物理检测器22在并行重装(Parallel-Rebinning)之后凹形地弯曲。
如图11所示，在所有上面示出的数据采集方法中，从每个扫描扇面中将来自各扇面的数据综合成完整的π-扇面，并且按照本发明应该再现这样的扇形图像堆20.1-20.n，并随后按公知的方式从完整的CT图像整形为轴向的图形层。该轴向的图像示出了待检查对象的层的完整表示。
总之，本发明示出了通过对运动的检查对象进行圆形扫描而得到较高分辨率的CT图像的方法和计算机断层造影设备，其中，在多个相互跟随的循环周期中扫描部分片段，对这些部分片段分别进行再现和整形，以便随后将这些部分片段的各个层析图像进行相加，其中，部分片段的和共同再现了焦点围绕检查对象圆形转动的互补的半个片段，而运动的检查对象由所使用的射线束在没有侧向移动的条件下而得到完全扫描。
权利要求
1.一种用于产生具有周期重复的周期阶段的、至少部分地周期运动检查对象的断层造影断面图像、尤其是X射线CT图像的方法，其至少具有下列方法步骤1.1.为了扫描所述检查对象(15)，在围绕该检查对象(15)的圆形轨道上，移动产生锥形射线束(14)的焦点(13)和与该焦点相对设置的多行检测器(3)，其中，1.1.1.连同射线的空间取向数据收集表示由所述焦点(13)发出的射线在通过所述检查对象(15)时的衰减的检测器输出数据，和1.1.2.所述射线束(14)的扇形化宽度使得，对运动的检查对象(15)的体积可以在没有附加的侧向移动的条件下完全通过圆形扫描采集，1.2.同时测量所述检查对象(15)的运动信号以检测周期阶段，其中，将运动数据和检测器输出数据之间的时间相关进行存储，1.3.然后，对每个检测器行的各子片段的检测器输出信号回溯地进行综合，这些子片段分别共同给出一个至少覆盖180°的完整片段并且代表该运动的检查对象(15)的周期中的特定阶段扇面，1.3.1.其中，根据所希望的时间分辨率，对每个检测器行从运动的检查对象的n个相互跟随的周期的n个子片段综合出所述完整片段，和1.3.2.利用这些完整片段通过2D再现和整形进行反向投影。
2.根据上述权利要求1所述的方法，其特征在于，扫描生命体、特别是患者(7)的运动的心脏(15)。
3.根据上述权利要求2所述的方法，其特征在于，作为运动信号测量EKG信号，优选地用于检测运动和静止阶段。
4.根据上述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在进行所述反向投影之前进行并行重装。
5.根据上述利要求4所述的方法，其特征在于，按行进行所述并行重装。
6.根据上述权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述完整片段由来自运动的检查对象的两个相互跟随的周期的两个子片段综合而成。
7.根据上述权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，从所述检测器数据中分别为M个等距离的再现层建立图像堆(小册子)，其中，M≥N，而N是检测器行的数目，并且在平行和等距离的图像平面上进行整形。
8.根据上述权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，完整片段的子片段的长度不同，但是对于所覆盖的扫描角度互补并且在时间上相对于检查对象的运动情况处在相同的周期阶段中。
9.根据上述权利要求8所述的方法，其特征在于，完整片段的子片段处于回溯地确定的静止阶段的相同间隔内。
10.根据上述权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在对数据组进行综合时，为了改善图像质量和避免在不同周期的不同扇面的数据的过渡处的伪影，在数据组之间进行过渡加权。
11.根据上述权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，为了防止图像伪影对数据组进行窦腔X线照相加权。
12.根据上述权利要求2至11中任一项所述的方法，其特征在于，为了减小检查对象的剂量负担，直接或者间接通过所测量的运动信号控制在心脏运动周期的至少大部分期间将从至少一个焦点发出的射线断开。
13.根据上述权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，这样设置所述焦点(13)的转动频率，使得检查对象的每个有关的周期阶段或者每个有关的周期阶段间隔、优选地为每个静止阶段、优选为每个静止阶段中的每个间隔覆盖两个或者三个子片段，这些子片段互补为一个完整片段。
14.一种用于产生具有周期性交替的周期阶段的至少部分周期运动的检查对象的断层造影断面图像、尤其是X射线CT图像的计算机断层造影设备，包括14.1.一个用于扫描检查对象(15)的焦点(13)，其产生锥形射线束(14)，和一个与该焦点相对设置的多行检测器(3)，其中，至少将所述焦点设置在一个围绕该检查对象的圆形轨道上，其中，14.1.1.存储装置(10)，用于连同射线的空间取向数据一起收集表示由所述焦点(13)发出的射线在通过所述检查对象(15)时的衰减的检测器输出数据，和14.1.2.所述射线束(14)的扇形化宽度使得，对运动的检查对象(15)的体积在没有附加的侧向移动的条件下可以完全通过圆形扫描采集，14.2.采集和存储装置(10)，用于同时采集所述检查对象(15)的运动信号以检测运动阶段和静止阶段，其中，将运动数据和检测器输出信号之间的时间相关进行存储，14.3.用于对每个检测器行的各子片段的检测器输出信号回溯地进行综合的装置(Px)，这些子片段分别共同给出一个至少覆盖180°的完整片段并且代表该运动的检查对象(15)的特定周期阶段，14.3.1.其中，根据所希望的时间分辨率，对每个检测器行从运动的检查对象的n个相互跟随的周期的n个子片段综合出所述完整片段，以及利用这些完整片段通过2D再现和整形进行反向投影。
15.根据上述权利要求14所述的计算机断层造影设备，其特征在于，设置了用于实施方法权利要求2至13的附加装置，优选地是程序装置(Px)。
全文摘要
本发明涉及一种通过对运动的检查对象进行圆形扫描而得到较高分辨率的CT图像的方法和计算机断层造影设备，其中，在心脏的多个相互跟随的周期中扫描部分片段，对这些部分片段分别进行再现和整形，以便随后将这些部分片段的各个层析图像进行相加，其中，这些部分片段的和共同再现了焦点围绕检查对象的圆形转动的互补的半个片段，而运动的检查对象由所使用的射线束在没有侧向移动的条件下得到完全扫描。
文档编号A61B6/00GK1644167SQ20051000558
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月21日 优先权日2004年1月22日
发明者赫伯特·布鲁德尔, 托马斯·弗洛尔, 卡尔·施蒂尔斯托弗 申请人:西门子公司