专利名称：X射线计算机断层摄影系统和方法
技术领域：
本发明涉及医学成像领域，尤其涉及一种X射线计算机断层摄影系统和方法。
背景技术：
在X射线计算机断层成像(CT)系统中，剂量特性是一项非常重要的性能指标。使扫描剂量尽可能低已经成为当前CT系统发展的一个通用规则。在CT系统中，测量域(field of measurement, F0M)定义为在单次旋转扫描中，X射线管旋转360度的过程中待检对象得到全辐射的横截面区域，其决定了直接对待检对象施加的扫描剂量和X射线照射区域的大目前大多数CT系统采用固定圆形FOM和不变开口的phi准直器(即，扇束准直器)对待检对象进行扫描，其中Phi平面为机架中人体横截面所在的平面，这种方法将会带来对待检对象周围区域的额外辐射，尽管人体此时接受的X射线仍在安全剂量范围内，但是我们总是希望在不影响成像质量的前提下，进一步减少待检对象周围区域接受到的X射线剂量。如图1所示，为待检对象为脊柱时，采用固定圆形FOM和不变开口的phi准直器进行CT扫描，对脊柱周围区域带来额外曝光的示意图。图中，当X射线管1发出的X射线对一脊柱横截面13进行扫描时，由于采用固定F0M(如图中圆形区域3所示，其直径为50cm) 和不变开口的Phi准直器2，从而带来额外的曝光区域4。实际上，如果准直器的开口能根据待检对象各横截面的不同大小对X射线管发出的X射线进行调整，则FOM就能与准直器的开口宽度同步调整，这样就可以进一步减少待检对象周围区域接受到的额外曝光。基于动态准直器的预先定义感兴趣区(Region of Interest, R0I)来确定FOM的大小方法是一种现有技术，其中ROI通常是指病变部位所在的人体区域，相当于本发明的待检对象。但是这种方法仅对单次旋转扫描中用固定FOM提出了解决方案，而没有考虑ROI 在扫描方向上的大小变化和形状变化，其中扫描方向为CT系统中检查床进出机架的水平方向，与Phi平面垂直，通常为ζ轴方向。公开号为CN 1446517A的专利申请公开了一种X射线数据采集系统，其采用椭圆形截面或圆形截面，根据图像的标准偏差的目标值、图像的标准偏差的预计值和厚度因子计算出透过待检对象体轴方向的预定角度范围内的X射线的剂量值，并通过改变X射线管的管电流大小得以实现，但却没有改变准直器的开口，也没有根据待检对象在扫描方向的大小变化来相应地调整待检对象的曝光区域。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种X射线计算机断层摄影系统和方法，以减少对待检对象周围区域的额外曝光，同时减少病人接受的X射线剂量。同权利要求书由于本发明根据待检对象在扫描方向上复数个圆形截面的不同大小来调整准直器的开口宽度，形成覆盖待检对象的复数个圆形F0M(即圆形截面)，从而对待检对象进行X射线断层摄影，这就减小了对待检对象周围区域的额外曝光，同时减少了病人接受的X射线剂量。同时，本发明的圆形截面与基于轮廓识别技术的定位像相结合，从而能依据不同的待检对象得到减少X射线剂量的最佳设置，即设置准直器的开口宽度和圆形截面的大小。 同时，本发明圆形截面的直径还能由用户(如X射线学技术人员)根据待检对象的解剖学结构来修正，从而进一步修正准直器的开口宽度，避免对待检对象的过投影。另外，由于本发明可采用遮光板来调整准直器的开口，基于现有的CT系统容易实现。
图1为在常规CT扫描中用固定圆形FOM和不变开口的phi准直器对脊柱进行CT 扫描，对脊柱周围区域带来额外曝光的示意图。图2为模拟人体平躺时脊柱的定位像及其外轮廓示意图，其中图2A是脊柱的前后位定位像及其外轮廓的示意图，图2B是脊柱的侧位定位像及其外轮廓的示意图。图3为分别为图2的前后位定位像和侧位定位像生成的关于扫描中心线对称的外包络示意图，其中图3A是为图2A的前后位定位像生成的关于扫描中心线对称的外包络示意图，图3B是为图2B的侧位定位像生成的关于扫描中心线对称的外包络示意图。图4为根据图3得到脊柱各圆形截面的直径的投影值的示意图。图5为根据一脊柱圆形截面的直径的投影值来计算准直器的开口宽度的几何关系示意图。图6为用本发明的系统和方法对图1所示的脊柱进行扫描，相比图1减少的额外曝光示意图。图7是本发明CT系统的组件示意图。图8是本发明CT系统的计算组件的组成示意图。图9是本发明CT摄影方法的流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。本发明根据待检对象在扫描方向上复数个圆形截面的不同大小来计算准直器的开口宽度，并根据所述开口宽度来调整所述准直器的开口，从而对待检对象进行CT扫描， 以减少对待检对象周围区域的额外曝光，同时减少病人接受的X射线剂量。在本发明中，待检对象可以是人体的某个区域，也可以是人体的某个器官或组织。 本发明的实施例中待检对象为脊柱，扫描方向(即检查床进出机架的水平方向)为ζ轴方向。由于目前CT系统中通常采用phi准直器，因此本发明的所有实施例中，以phi准直器为例进行说明。本发明的CT系统用于对脊柱在扫描方向上的复数个圆形截面进行摄影，如图7所示是本发明CT系统的组件示意图，包括计算组件30、调整组件31、准直器32和图7中未示出的X射线管和探测器，其中X射线管、准直器和探测器围绕脊柱同步旋转，探测器包括复数个探测器通道，准直器32为一开口可调的准直器，计算组件30用于计算分别照射每一圆形截面所需扇束准直器的开口宽度，并将所述开口宽度传送给调整组件31，调整组件31用于根据所述开口宽度来调整准直器32的开口。这里的准直器32也就是实施例中开口可调的phi准直器。图8是本发明CT系统的计算组件的组成示意图。图8中计算组件30包括圆形截面计算模块310和开口宽度计算模块320。其中圆形截面计算模块310用于分别计算每一圆形截面的直径在探测器上的投影值，并将所述直径的投影值传送给开口宽度计算模块 320 ；开口宽度计算模块320用于根据所述直径的投影值，计算分别照射每一圆形截面所需扇束准直器的开口宽度，并将所述开口宽度传送给调整组件31。具体地，圆形截面计算模块 310又包括通道数目计算单元311和比较单元312。其中通道数目计算单元311，用于根据脊柱的前后位定位像和侧位定位像，计算脊柱在 ζ轴方向上的复数个横截面在两幅定位像上分别覆盖的探测器通道数目，并作为宽度投影值和厚度投影值传送给所述比较单元312。图2示意了待检对象为脊柱时，模拟了人体平躺时脊柱的前后位定位像及其外轮廓和侧位定位像及其外轮廓。其中图2A为人体平躺时，X射线管在90度或270度(即竖直方向)对脊柱进行照射，得到脊柱的前后位(A.P)定位像的示意图。图2B为人体平躺时，X 射线管在0度或180度(即水平方向)对脊柱进行照射，得到脊柱的侧位(Lat)定位像的示意图。这两幅图的横坐标都是沿ζ轴方向的扫描位置，单位是mm，纵坐标为在探测器上覆盖的通道数目，单位为通道个数。这两幅图中的区域16为脊柱，区域18为胸腔。另外，图 2A中脊柱16的A. P定位像的外轮廓19和图2B中脊柱16的Lat定位像的外轮廓17都是由CT系统基于轮廓识别技术得到的，相比医生根据A. P定位像和Lat定位像来粗略估计脊柱轮廓的方法，CT系统的轮廓识别技术能得到更为精确的脊柱轮廓，从而使对脊柱进行CT 扫描时能较佳地减少X射线对脊柱周围区域的额外曝光。在得到脊柱16的A. P定位像的外轮廓19和Lat定位像的外轮廓17后，就可以按照下式(1)来计算在ζ轴方向上脊柱16的每一横截面在两幅定位像上分别覆盖的探测器通道数目。Vap (ζ) = ηΑΡ, υ (ζ) _nAP, L (ζ) +1VLat(z) =nLatjU(z)-nLat,L(z)+l(1)其中Vap(Z)是宽度投影值，VLat(z)是厚度投影值，ζ为脊柱16的每一横截面在ζ 轴方向的位置坐标。如图5所示，为根据一脊柱圆形截面的直径的投影值来计算准直器的开口宽度的几何关系示意图。图5中的区域13即图1所示的脊柱横截面13，该脊柱横截面 13所在的圆形FOM即圆形截面12。宽度投影值Vap(Z)是根据A. P定位像的外轮廓19得到在ζ轴方向上脊柱16的一横截面13在探测器上覆盖的通道数目，Iitu(Z)和nAP,Jz)分别是该横截面13所覆盖的探测器通道的上端通道编号51和下端通道编号52。比较单元312，用于比较所述横截面各自的宽度投影值和厚度投影值，取二者中的较大者作为所述直径的投影值，并将所述直径的投影值传送给开口宽度计算模块320。按下式(2)来获取所述直径的投影值。 We (z) = max {VAP (ζ)，VLat (ζ)}(2) 其中max为求最大值的函数，We(Z)为所述直径的投影值。从图5可以看出，脊柱横截面13的宽度投影值Vap(Z) >厚度投影值Vw (ζ)(尽管图5中未示出脊柱横截面13的厚度投影值)，所以Vap(Z)为与该横截面13对应的圆形截面12的直径的投影值We(Z)，即通道编号51和通道编号52之间所包括的通道，如附图标记14所示。另外，由于每个横截面都对应一个圆形截面，所以横截面所在的ζ坐标也就是与该横截面对应的圆形截面所在的ζ坐标。进一步，圆形截面计算模块310又包括外包络生成单元313，用于为脊柱的前后位定位像和侧位定位像分别生成一个关于扫描中心线对称的外包络，并将前后位定位像的外包络作为所述前后位定位像、侧位定位像的外包络作为所述侧位定位像传送给通道数目计算单元311。如图2所示，为脊柱的前后位定位像及其外轮廓和侧位定位像及其外轮廓的示意图。由于前后位定位像外轮廓和侧位定位像外轮廓不一定关于扫描中心线对称，如图2B所示，脊柱的侧位定位像的外轮廓17关于扫描中心线(如图2B中的点划线所示)并不是对称的，图2A中脊柱的前后位定位像的外轮廓19关于扫描中心线(如图2A中的点划线所示) 大致是对称的，而通常X射线管发出的X射线束关于扫描中心线是对称的，于是当关于扫描中心线对称的X射线束对如图2B所示的待检对象进行扫描时，就会导致一部分待检对象的周围区域接受了 X射线的额外曝光，而另一部分待检对象则仍有一小部分没有接受到X射线的曝光。因此有必要为前后位定位像和侧位定位像分别生成一个关于扫描中心线对称的外包络。这种对称外包络可通过CT系统的一个外包络函数或程序来实现，以能更完整地包含待检对象。外包络生成单元313分别为图2的前后位定位像和侧位定位像生成的关于扫描中心线对称的外包络如图3所示。其中图3A是为图2A的前后位定位像生成的关于扫描中心线对称的外包络示意图，图3B是为图2B的侧位定位像生成的关于扫描中心线对称的外包络示意图。图3A和3B的横坐标都是沿ζ轴方向的扫描位置，单位是mm，纵坐标都是在探测器上覆盖的通道数目，单位是通道个数。图3A的虚线是CT系统为脊柱的前后位定位像生成的关于扫描中心线对称的外包络Bap，图3B的点线是CT系统为脊柱的侧位定位像生成的关于扫描中心线对称的外包络Bw。接着，外包络生成单元313将前后位定位像的外包络Bap作为所述前后位定位像、 侧位定位像的外包络Bap作为所述侧位定位像传送给通道数目计算单元311。通道数目计算单元311根据来自外包络生成单元313的前后位定位像和侧位定位像来计算每一横截面在两幅定位像上分别覆盖的探测器通道数目，并作为宽度投影值和厚度投影值传送给所述比较单元312。比较单元312根据式(2)比较宽度投影值和厚度投影值的结果如图4所示，为根据图3得到脊柱各圆形截面的直径的投影值的示意图。其中横坐标为沿ζ轴方向的扫描位置，单位为mm，纵坐标为在探测器上所覆盖的通道数目，单位为通道个数，实线为脊柱的圆形截面在探测器上的直径的投影值We (ζ)，虚线为脊柱前后位定位像的外包络Bap，点线为脊柱侧位定位像的外包络&at。当脊柱横截面的宽度投影值Vap(Z) >厚度投影值Iat(Z)时，直径的投影值曲线We(Z)取外包络生成单元313中前后位定位像的外包络、，当脊柱横截面的宽度投影值Vap(Z) <厚度投影值Vw (Ζ)时，直径的投影值 We(Z)的曲线取外包络生成单元313中侧位定位像的外包络&at。图4中只是在直观上示意 TWe(Z)的曲线变化趋势与Bap或—致，实际上根据式(2)We(Z)应该与与Bap的宽度投影值Vap(Z)或的厚度投影值Vw (Ζ)相等，不过在图示中会导致这三条曲线无法清楚地区分，因此这里只对We(ζ)的曲线变化趋势进行图示。
开口宽度计算模块320，用于根据所述比较单元312的直径的投影值，计算分别照射每一圆形截面所需扇束准直器的开口宽度，并将所述开口宽度传送给调整组件31。在图5中示意了根据一脊柱圆形截面的直径的投影值来计算准直器的开口宽度的几何关系。开口宽度计算模块320首先根据We(ζ)按下式(3)来计算照射圆形截面12的 X射线扇形束角度β_η(ζ)。β。》β·^ψ·(3)其中，β_η(ζ)为所述X射线扇形束角度，如图5中的角度7所示，N是探测器5的通道总数，β是X射线束的最大扇形角度，如图5中的角度6所示，其覆盖探测器的N个通道。接着，开口宽度计算模块320再根据β open(z)按下式(4)来计算phi准直器21的开口宽度W。pm(z)。
权利要求
1.一种包括X射线管、准直器和探测器的X射线计算机断层摄影系统，用于对待检对象在扫描方向上的复数个圆形截面进行摄影，所述探测器包括复数个探测器通道，所述X射线管、准直器和探测器围绕待检对象同步旋转，其特征在于，所述准直器为一开口可调的准直器，所述系统还包括计算组件和调整组件，其中所述计算组件，用于计算分别照射每一圆形截面所需准直器的开口宽度，并将所述开口宽度传送给所述调整组件；所述调整组件，用于根据所述开口宽度来调整所述准直器的开口。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算组件包括圆形截面计算模块和开口宽度计算模块，其中所述圆形截面计算模块，用于分别计算每一圆形截面的直径在探测器上的投影值，并将所述直径的投影值传送给所述开口宽度计算模块；所述开口宽度计算模块，用于根据所述直径的投影值，计算分别照射每一圆形截面所需准直器的开口宽度，并将所述开口宽度传送给所述调整组件。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述圆形截面计算模块包括通道数目计算单元和比较单元，其中所述通道数目计算单元，用于根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像，计算待检对象在扫描方向上的复数个横截面在两幅定位像上分别覆盖的探测器通道数目，并作为宽度投影值和厚度投影值传送给所述比较单元；所述比较单元，用于比较所述横截面各自的宽度投影值和厚度投影值，取二者中的较大者作为所述圆形截面的直径的投影值，并将所述直径的投影值传送给所述开口宽度计算模块。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述圆形截面计算模块进一步包括外包络生成单元，用于为待检对象的前后位定位像和侧位定位像分别生成一个关于扫描中心线对称的外包络，并将前后位定位像的外包络作为所述前后位定位像、侧位定位像的外包络作为所述侧位定位像传送给所述通道数目计算单元；
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述计算组件进一步包括修正模块，用于接收所述开口宽度计算模块的开口宽度，计算所述圆形截面的直径，并将所述直径与待检对象在该圆形截面的解剖学结构中的最大宽度进行比较，根据比较结果来修正所述开口宽度，并将修正的开口宽度传送给所述调整组件。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述准直器包括复数个叶片，所述叶片的间距通过调整组件来调整。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述准直器包括遮光板，所述遮光板通过调整组件来调整。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调整组件进一步用于根据所述准直器开口的开合速率和减少的额外曝光之间的关系来调整所述开口的开合速率。
9.一种X射线计算机断层摄影方法，所述方法对待检对象在扫描方向上的复数个圆形截面进行摄影，包括如下步骤计算分别照射每一圆形截面所需准直器的开口宽度；根据所述开口宽度来调整所述准直器的开口。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述计算开口宽度包括 分别计算每一圆形截面的直径在探测器上的投影值；根据所述直径的投影值来计算分别照射每一圆形截面所需准直器的开口宽度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述计算直径的投影值包括根据待检对象的前后位定位像，分别计算待检对象在扫描方向上的复数个横截面所覆盖的探测器通道数目，得到复数个宽度投影值，根据待检对象的侧位定位像，分别计算所述横截面所覆盖的探测器通道数目，得到复数个厚度投影值；比较所述横截面各自的宽度投影值和厚度投影值，取二者中的较大者作为所述圆形截面的直径的投影值。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述计算直径的投影值进一步包括 为待检对象的前后位定位像和侧位定位像分别生成一个关于扫描中心线对称的外包络，将前后位定位像的外包络作为所述前后位定位像、侧位定位像的外包络作为所述侧位定位像。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，根据下述公式来计算所述准直器的开口宽度，^opct(Z) =夕 ^^ 乃允，其中，ζ为一圆形截面在扫描方向上的位置坐标，Wopen(z)为所述准直器的开口宽度， We(Z)为该圆形截面的直径的投影值，N为探测器的通道总数，β为覆盖N个探测器通道的 X射线扇形束角度，Dfc为X射线管焦点到所述准直器的距离。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述计算开口宽度进一步包括计算所述圆形截面的直径，并将所述直径与待检对象在该圆形截面的解剖学结构中的最大宽度进行比较，根据比较结果来修正所述开口宽度。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调整包括通过改变所述准直器的叶片的间距或加在所述准直器上的遮光板来调整所述开口。
16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调整进一步包括根据所述准直器开口的开合速率和减少的额外曝光之间的关系来调整所述开口的开合速率。
全文摘要
本发明公开了一种X射线计算机断层摄影系统，其包括X射线管、准直器和探测器，用于对待检对象在扫描方向上的复数个圆形截面进行摄影，所述探测器包括复数个探测器通道，所述X射线管、准直器和探测器围绕待检对象同步旋转，所述准直器为一开口可调的准直器，所述系统还包括计算组件和调整组件，所述计算组件用于计算分别照射每一圆形截面所需准直器的开口宽度，并将所述开口宽度传送给所述调整组件；所述调整组件用于根据所述开口宽度来调整所述准直器的开口。本发明还公开了一种X射线计算机断层摄影方法。采用本发明的系统和方法，能减少对待检对象周围区域的额外曝光，并减少病人接受的X射线剂量。
文档编号A61B6/03GK102397080SQ201010286360
公开日2012年4月4日 申请日期2010年9月19日 优先权日2010年9月19日
发明者田毅, 陈马昊 申请人:上海西门子医疗器械有限公司