专利名称：用于x射线断层造影合成的系统和方法
用于X射线断层造影合成的系统和方法
背景技术：
经常期望根据一组投影放射线照片来重建存在于所成像对象中的结构的图像。在医疗应用中，可以对诸如器官、血管和骨骼的解剖结构进行成像。用于提供这样的图像的现有系统通常利用计算机断层造影(CT)技术。在CT中，χ射线源和X射线检测器在围绕公共轴的环形路径上运动，并且获得非常高数量的投影放射 线照片(或图像)。相反，在X射线断层造影合成过程中，由于变化的χ射线源位置而获得比较少的放 射线照片。典型地，X射线源采取基本上在对象的一侧的位置，而检测器(或胶片)采取该 对象的相对侧的位置。数字X射线断层造影合成(DT)是根据3D主体的2D放射线照相投影来重建该3D 主体的横截面的方法，该方法比用于获得横截面的CT方法要快得多。在CT中，必须从至少 180度加围绕对象的扇形角来获取投影以产生对该对象的准确重建。然而，DT采取从有限 的角度进行的投影来重建对象的横截面。尽管该重建不那么精确并且重建的平面被限制在仅一个方位，但是DT具有使用 更少数量的投影的益处。这意味着更快的数据获取并且提供在空间和大小限制妨碍从所有 角度获取投影的地方能够重建对象的优点。在一些临床状况中，精确的重建是没有必要的， 这使得快速DT成为理想选择。通常，DT图像的获取、重建和读取由处理单元执行，从而这样的处理所需的时间是 有限的。成像时间取决于对光子量的检测，因此依赖于图像屏幕的效率以及容许的信噪比 二者。常规的图像检测屏幕可以以每秒15-30个图像的速度产生图像。图像获取所需的时 间可以通过使用更高效的成像屏幕以增加成像容量来被最佳地减小。类似地，DT重建可以 通过专用硬件来加速，使得其占总处理时间的份额可以忽略不计。然而，这样的时间特性占总的成像过程时间的份额比较小，因为该时间特性主要 依赖于使X射线源相对于待成像对象进行定位所需的机械运动。因此，期望提供一种减小了成像时间的DT系统和方法。
通过参照附图，本领域的技术人员可更好地理解本发明的许多目的和优点，在附 图中图1描绘χ射线系统的操作；图2描绘χ射线源的旋转运动；图3描绘断层造影成像系统；图4描绘断层造影成像系统的傅立叶空间覆盖；图5描绘不同的断层造影成像系统的傅立叶空间覆盖；图6描绘断层造影成像系统；图7描绘断层造影成像系统。
具体实施例方式提出以下论述以使得本领域的技术人员能够实现并使用本教导。对所示实施例的 各种修改对本领域技术人员来说是显而易见的，并且本文中的一般原理可以在不脱离本教 导的情况下适用于其它实施例和应用。因而，本教导将被授予与在本文中所公开的原理和 特征相一致的最宽范围。参照附图阅读以下详细说明，其中不同附图中的相似元素具有相 似的参考标记。不一定成比例的附图描绘所选择的实施例并且不意图限制本教导的范围。 技术人员将认识到，本文中所提供的示例具有许多有用的替换方式并且落入本教导的范围 内。本发明针对用于X射线断层造影合成的系统和方法。本发明的附加特征在附图所 示的示例中提供。参照图1，所呈现的是χ射线系统100的一般操作。χ射线源101可以产生一组平行的X射线102，该组X射线102穿过对象103投影，因此导致X射线吸收投影104。吸收 投影104上的每点构成χ射线吸收沿相应射线102的线积分105。例如，射线102A、102B 和102C的吸收可以分别导致线积分值105A、105B和105C(由于对象103的厚度，线积分值 105AU05B和105C中的每个都具有渐进增大的积分值)。根据投影断层定理，投影104的傅立叶变换106对应于对象103的傅立叶变换的 横截面断层(slice)，该横截面断层与原点相交成垂直于χ射线102的角度θ 107。参照图2，在常规DT中，χ射线源201经过圆弧202，并且在沿着弧202的各个点上 获取对象204的吸收投影203。每个源位置都得出投影203，该投影的傅立叶变换205表示 对象204的傅立叶变换的横截面。如在图2的右侧所示出的那样，投影203Α和203Β的傅 立叶变换205Α和205Β的绘图207A和207Β被用于构造对象204的傅立叶空间表示206。源运动弧202的更大范围的覆盖将引起傅立叶空间覆盖范围增大。当源运动弧 202到达其自然极限180°时，该傅立叶空间的采样完成并且对象204可以被准确地重建， 并且DT图像的分辨率将接近CT图像的分辨率。然而，这样的大范围采样过程是费时的并 且可能在要求较小角度的覆盖范围时达不到预期。参照图3，所呈现的是用于获取DT图像的系统。该系统可以包括多个静态地相对 于彼此定位并且以环形配置来布置的X射线源301，使得每个X射线源都聚焦在共同的等角 点(iSOCenter)302上。χ射线检测器303可以被置于如下位置处该要被成像的对象304 在多个χ射线源301与检测器303之间对齐。该系统还可以包括处理单元305，该处理单元 305包括χ射线控制系统306和χ射线检测系统307。所述χ射线控制系统306可以包括 被配置为在微处理器上运行以控制所述χ射线源301的发射的特定用途集成电路(ASIC)、 固件或者软件。所述χ射线检测系统307可以包括被配置为对来自χ射线检测器303的信 号进行采样并且基于这些采样执行X射线断层造影合成计算的ASIC、固件或者软件。在本发明的特定实施例中，多个静态定位的χ射线源301中的每个射线源都可以 由X射线源控制器306来控制以顺序地发射，从而得到相应的断层造影图像。这样的方法 使得可以在没有任何物理源运动的情况下从多个源位置获取放射线照相投影。所述χ射线源301可以包括碳纳米管场致发射电子源。这样的电子源及其生 产方法在文献中有所描述，例如在 S. lijimia, Nature (London) 354, 56 (1991) ；W. A. deHeer 等人，Science, 270,1179-1180(1995)；和 Q. H. Wang 等人，App 1. Phys. Lett. 70(24)， 3308-3310,1997年6月16日等文献中有所描述，这些文献的内容通过引用结合于此。在 前述类型的χ射线管中使用这样的场致发射电子源已经被发现使得该χ射线管能够被微型 化，从而在要求高的管输出而又没有过热的许多医学应用中是有用的。这样的由碳纳米管 实现的χ射线源的一个特征是它们能够以非常高的速率在启用状态和禁用状态之间切换。 这样的快速切换使得可以对所得到的χ射线图像进行频率调制。多个χ射线源301中的每个χ射线源可以以不同频率在启用状态和禁用状态之间切换。例如，源S1-SJOl可以以已知频率f\-fn切换，其中< f2 < . . . < fn，其中fn是 峰值切换频率。X射线检测器303可以用大于2fn的频率(即Nyquist频率)进行采样，使 得可以同时地从所有源Sn 301获取一系列图像。可以将源切换频率择为使得没有 单独的切换频率A是任何其它切换频率的谐波。这样，可以使用傅立叶分析和带通滤波技 术_诸如在频率复用中通常使用的那些技术_将与每个源相关联的图像分离出来。参照图4，所呈现的是单个源401的傅立叶空间采样400和处于环形配置的多个源 451的组合傅立叶空间采样450的合成视图。每个源位置401对应于对象傅立叶空间中的 一个平面402。这样的环形配置导致傅立叶空间的各向同性的采样。这样的采样特性与弧形的源配置形成对比。参照图5，所呈现的是处于环形配置 501的多个χ射线源的傅立叶采样500和处于弧形配置551的多个χ射线源的傅立叶采样 550。如可以看到的那样，对于弧形配置551来说，沿着χ轴的更高空间频率将导致ζ方向 上的更好采样。然而，沿着y轴的更高空间频率对于ζ方向上的采样没有效用。这样，对于 给定的跨度角Φ，环形配置导致更完整的傅立叶空间覆盖。应该注意到，虽然上述说明是关于被置于环形配置中的χ射线源来提供的，但是 完全可以设想将X射线源以任何使得由所述源所发射的X射线具有共同的等角点的形状来 配置。可以使用椭圆形、矩形或不规则形的配置。参照图6，可以用基本上环绕治疗放射源602-诸如直线粒子加速器(LINAC)-的环 形配置来布置多个静态定位的χ射线源601。所述χ射线源601和治疗放射源602可以被 调整为使得χ射线603和治疗放射线604具有共同的等角点605。这样的配置使得可以沿 着治疗束604的主轴实现最优成像质量。另外，将环形χ射线源601和相关的成像检测器 面板606合并到能够围绕垂直于该治疗放射线的轴608作旋转运动607的LINAC使得可以 在成像方位方面具有更大的灵活性。参照图7，χ射线源701的环可以被设置在基本上与治疗放射源702相对的方向 上。在这种情况下，成像面板(未示出)将被设置在治疗放射线703的路径中(即，MV放 射线将必须穿过该面板传递)。这样的配置将允许在放射治疗会议期间实时地进行断层造 影成像。参照图8，所呈现的是用于生成断层造影图像的方法800。在步骤801，可以将多 个X射线源相对于彼此布置在静态位置中，使得所述X射线源生成的X射线具有共同的等 角点。所述X射线源的配置可以是圆形、椭圆形、矩形或者不规则形。在步骤802，可以由χ射线源生成χ射线。可以用不同频率将所述多个χ射线源 中的每个X射线源在启用状态和禁用状态之间切换。例如，可以以已知频率1-4来切换源 S「Sn，其中f！ < f2 < ... < fn，其中fn是峰值切换频率。
在步骤803，可以对对象吸收χ射线的程度进行采样。这些采样可以以大于2fn的频率(即Nyquist频率)进行，从而可以同时从所有源Sn获取一系列图像。可以将源切换 频率f\-fn选择为使得没有单独的切换频率A是任何其它切换频率的谐波。在步骤804，可以生成对象的断层造影图像。该图像生成可以通过针对给定采样计 算X射线吸收投影的线积分来实现。然后可以计算出相应投影的傅立叶变换，由此得出该 对象的傅立叶变换的横截面断层。如果在步骤803进行的采样使得没有单独的切换频率是任何其它切换频率的 谐波，则在步骤805可以分离出与给定χ射线源有关的断层造影图像。这样的分离可以使 用傅立叶分析和带通滤波技术来进行。类似地，方法800的步骤可以被实施为可以存储在计算机可读介质上的计算机可 读指令。这些计算机可读指令可以包括固件或者软件，并且可以由诸如ASIC或微处理器的 处理设备来执行。
权利要求
一种用于断层造影成像的系统(300)，所述系统包括多个被静态地相对于彼此定位的x射线源(301)；x射线检测器(303)；以及处理设备(304)，其中由所述多个x射线源(301)所发射的x射线具有共同的等角点(302)。
2.根据权利要求9所述的系统，还包括具有放射源(602)的直线粒子加速器(LINAC)。
3.根据权利要求2所述的系统，其中由所述放射源(602)所发射的放射线(604)被调整为与所述等角点(302)相交。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述放射源(602)被置于关于所述等角点(704)基本上与所述多个χ射线源 (701)相对的位置中。
5.根据权利要求9所述的系统， 其中所述χ射线源(301)还包括 碳纳米管场致发射电子源。
6. 一种用于断层造影成像的方法，包括下列步骤将多个X射线源布置在相对于彼此的静态位置中，使得所述X射线源具有共同的等角 点(801)；从多个χ射线源生成χ射线(802)； 对对象吸收χ射线的程度进行采样(803)；以及 生成对象的断层造影图像(804)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述从多个χ射线源生成χ射线的步骤还包括步骤 将所述多个X射线源中的每一个在启用状态和禁用状态之间切换。
8.根据权利要求7所述的方法，其中以不同切换频率切换所述多个χ射线源中的每一个χ射线源。
9.根据权利要求8所述的方法，其中以峰值切换频率切换所述多个χ射线源中的χ射线源，其中以大于或等于峰值频率两倍的频率对所述对象吸收X射线的程度进行采样。
10.根据权利要求8所述的方法，其中没有切换频率是另一切换频率的谐波。
11.根据权利要求6所述的方法，还包括步骤 分离出与所述多个χ射线源的χ射线源有关的图像。
12.—种计算机可读介质，包括存储在其上以便由处理器执行来实现断层造影成像方 法的计算机可读指令，所述方法包括下列步骤从多个相对于彼此被静态定位的χ射线源生成χ射线(801，802)； 对对象吸收χ射线的程度进行采样(803)；以及 生成对象的断层造影图像(804)。
13.根据权利要求12所述的计算机可读介质，其中所述从多个X射线源生成X射线的步骤还包括步骤 将多个X射线源中的每一个在启用状态和禁用状态之间切换。
14.根据权利要求13所述的计算机可读介质，其中以不同切换频率切换所述多个χ射线源的每个χ射线源。
15.根据权利要求14所述的计算机可读介质，其中以峰值切换频率切换所述多个χ射线源中的χ射线源，其中以大于或等于峰值频率两倍的频率对所述对象吸收χ射线的程度进行采样。
16.根据权利要求14所述的计算机可读介质， 其中没有切换频率是另一切换频率的谐波。
17.根据权利要求14所述的计算机可读介质，还包括步骤 分离出与所述多个χ射线源的χ射线源有关的图像(805)。
全文摘要
本发明针对用于X射线断层造影合成的系统和方法。X射线断层造影合成系统可以包括a)相对于彼此被静态定位的多个x射线源(301)；b)x射线检测器(303)；和c)处理设备(304)，其中由所述多个x射线源(301)所发射的x射线具有共同的等角点(302)。用于X射线断层造影合成的方法可以包括a)将多个相对于彼此处于静态位置中的x射线源布置为使得所述x射线源具有共同的等角点(801)；b)从多个x射线源生成x射线(802)；c)对对象吸收x射线的程度进行采样(803)；和d)生成对象的断层造影图像(804)。
文档编号A61N5/10GK101808582SQ200880109124
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月24日 优先权日2007年9月28日
发明者A·巴尼哈舍米, J·S·马尔茨 申请人:美国西门子医疗解决公司