血管成像系统设备和方法与流程

本申请涉及一种医疗器械设备，尤其涉及一种血管成像系统设备和方法。

背景技术：

血管成像系统设备(可称作“血管机”)是一种辅助医生进行检查或者手术的医疗影像设备，其通过x射线动态地显示受检体的检查部位的组织图像，特别是血管的图像。由于血管在x射线照射下与其它组织的区别不够明显，为了提高血管在图像中的显示对比度，通常需要在血管内注射造影剂。然后利用数字减影的方法，将注射造影剂后采集的图像(称作“动片”)和没有注射造影剂时采集的图像(称作“蒙片”)相减，得到基本仅有血管清晰显示的减影图像。数字减影的方法的前提是动片和蒙片中的受检体的检查部位的位置是相同的，这样减影之后的图像才能将动片和蒙片上相同的背景减掉，只留下造影剂增强的血管图像。但在实际检查时，由于受检体的呼吸、心跳、移动等运动的影响，蒙片和动片的背景不能完全相同，获得的减影图像中会出现较多的背景残留，干扰血管的显示。

技术实现要素：

本申请的一个方面提供一种血管成像系统。该血管成像系统包括：射线源，用来向受检体发射包括第一能谱射线和第二能谱射线的x射线；双能谱探测器，与所述射线源相对设置，用来探测穿过所述受检体的第一能谱射线，响应所述第一能谱射线产生第一电信号并根据所述第一电信号生成第一能谱图像，并且探测穿过所述受检体的第二能谱射线，响应所述第二能谱射线产生第二电信号并根据所述第二电信号生成第二能谱图像；及图像处理装置，用来处理所述第一能谱图像和所述第二能谱图像生成所述受检体的血管图像。

本申请的另一个方面提供一种血管成像方法。该血管成像方法包括：向受检体发射包括第一能谱射线和第二能谱射线的x射线；探测穿过所述受检体的第一能谱射线，响应所述第一能谱射线产生第一电信号并根据所述第一电信号生成第一能谱图像；并且探测穿过所述受检体的第二能谱射线，响应所述第二能谱射线产生第二电信号并根据所述第二电信号生成第二能谱图像；及处理所述第一能谱图像和所述第二能谱图像生成所述受检体的血管图像。

附图说明

图1所示为本申请血管成像系统的一个实施例的结构示意图；

图2所示为本申请血管成像系统的一个实施例的模块框图；

图3所示为本申请血管成像系统的双能谱探测器的一个实施例的示意图；

图4所示为本申请血管成像方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1所示为血管成像系统设备10的一个实施例的结构示意图。血管成像系统设备10可用来获得血管的增强图像，例如心脏血管或受检体其他部位的血管的增强图像，还可用来重建血管三维图像，和/或实现下肢动脉跟踪造影。图1中的血管成像系统设备10包括图像采集装置12、图像处理装置14和图像显示装置16。

图像采集装置12包括射线源120和双能谱探测器122。射线源120和双能谱探测器122相对设置于机械臂124的两端。射线源120和双能谱探测器122由机械臂124定位于检查床18上的受检体100的相对侧上。在图示实施例中，机械臂124为c形臂。在其他实施例中，机械臂124可以是g形臂。机械臂124可旋转地安装在固定机架126上并可相对于固定机架126沿机械臂124的轨道滑动，从而可以根据实际应用调整射线源120和双能谱探测器122相对于受检体100的位置和角度。

图像处理装置14可包括处理器和存储器。存储器可用来存储图像处理等可读指令，处理器可用来读取存储器存储的可读指令来执行图像处理等。存储器还可用来存储参数、图像等数据，处理器还可读取存储器存储的数据进行处理。图像显示装置16包括一个或多个显示器，可用来显示图像和/或参数等。

图2所示为血管成像系统设备10的一个实施例的模块框图。血管成像系统设备10包括射线源120、双能谱探测器122和图像处理装置14。射线源120用来向受检体100发射包括第一能谱射线和第二能谱射线的x射线。双能谱探测器122，与射线源120相对设置，用来探测穿过受检体100的第一能谱射线，响应第一能谱射线产生第一电信号并根据第一电信号生成第一能谱图像，并且探测穿过受检体100的第二能谱射线，响应第二能谱射线产生第二电信号并根据第二电信号生成第二能谱图像。图像处理装置14用来处理第一能谱图像和第二能谱图像生成受检体100的血管图像。下面结合图进行详细地说明。

射线源120可由射线源驱动器20驱动来发射x射线，射线源驱动器20可由控制器22控制来驱动射线源120发出期望能谱的x射线。典型地，第一能谱射线为低能谱射线，例如，x射线光子能量为60kev-80kev范围内的x射线，第二能谱射线为高能谱射线，例如，x射线光子能量为110kev-150kev范围内的x射线。低能谱射线和高能谱射线可根据受检体100的体厚和部位来选择。

x射线照射到血管中注射有造影剂的受检体100产生衰减，造影剂可为碘制剂。血管中的造影剂和受检体100的其他组织对低能谱射线的衰减程度不同，且对高能谱射线的衰减程度不同。合适的造影剂可由造影剂注射器21注射于受检体100。典型地，造影剂注射器21将含有造影剂的受控流体由静脉内注射到受检体100的血流中。在一个实施例中，造影剂注射器21可以由控制器22控制注射造影剂。

双能谱探测器122探测穿过受检体100的x射线，即探测携带有受检体100信息的x射线。双能谱探测器122吸收部分x射线的光子并产生可见光，且将可见光转换为电信号，并将电信号转换为数字信号，即能谱图像。双能谱探测器122在一次曝光中可探测第一能谱射线和第二能谱射线，产生第一电信号和第二电信号，生成第一能谱图像和第二能谱图像。

双能谱探测器122产生的第一能谱图像和第二能谱图像提供给图像处理装置14，图像处理装置14用来处理第一能谱图像和第二能谱图像生成受检体100的血管图像。本文中的“图像”广义地指可视图像和表示可视图像的数据。在一个实施例中，图像处理装置14可生成血管增强图像，例如，跳动的心脏的血管的增强图像，呼吸运动的肺部的血管的增强图像，或静止部位的血管的增强图像。血管增强图像中仅清晰地显示注射有造影剂的血管的图像，其他组织的图像(或称为“背景图像”)完全或基本上被消除。在另一个实施例中，图像处理装置14获得血管的增强图像的序列，再进行重建或拼接处理获得血管的三维图像，或对下肢动脉跟踪造影。在一次曝光中，第一能谱射线和第二能谱射线均被双能谱探测器122探测，第一电信号和第二电信号均产生，第一电信号和第二电信号反映同一时刻下受检体100在不同能谱射线照射下的信息，第一能谱图像和第二能谱图像显示同一时刻下的受检体100，因此可以消除图像中的运动伪影，而且降低曝光剂量，节省图像采集时间。

在一个实施例中，图像处理装置14获得第一能谱图像的对数和第二能谱图像的对数，将第一能谱图像的对数和第二能谱图像的对数加权相减获得血管的增强图像。

例如，造影剂为碘制剂，受检体100体内由血管和其他组织组成，因此可认为受检体100体内由碘和其他组织两种物质组成。第一能谱为低能谱，第二能谱为高能谱。高能谱图像ih(即第二能谱图像)可表达为表达式(1)：

其中，表示入射到受检体100的高能谱射线的密度；表示血管中碘对高能谱射线的衰减系数；表示其他组织对高能谱射线的衰减系数，可通过实验测得；td表示血管的厚度；tr表示其他组织的厚度。

低能谱图像il(即第一能谱图像)可表达为表达式(2)：

其中，表示入射到受检体100的低能谱射线的密度；表示血管中碘对低能谱射线的衰减系数；表示其他组织对低能谱射线的衰减系数，可通过实验测得。

对高能谱图像ih求对数可以得到表达式(3)：

且对低能谱图像il求对数可以得到表达式(4)：

将高能谱图像ih的对数与低能谱图像il的对数加权相减可得到血管的增强图像id(即只含有碘物质的图像)，表达为表达式(5)：

在本实施例中，第一能谱图像和第二能谱图像在一次曝光中生成，两图像的对数加权相减之后，背景图像可消掉，如此避免因心脏跳动、呼吸运动或受检体的移动等运动造成的运动伪影的产生，而且曝光剂量低，图像采集时间短。

在另一个实施例中，建立关于第一能谱图像的像素值、第二能谱图像的像素值、模体对的厚度的查找表；根据获得的受检体100的第一能谱图像的像素值、第二能谱图像的像素值在查找表中查找模体对的厚度；根据模体对的厚度确定血管的增强图像。可建立不同曝光条件下的一系列上述查找表，不同曝光条件下成像时，查找对应的查找表，获得该曝光条件下第一能谱图像的像素值、第二能谱图像的像素值对应的模体对的厚度。

具体地，用不同已知厚度的多个模体对作为不同的多个受检体。模体对可以包括两种材料，例如铝和有机玻璃。血管成像系统10分别对每一个模体对进行曝光成像，分别记录每一个模体对的第一能谱图像的像素值和第二能谱图像的像素值，生成查找表。查找表的已知项是第一能谱图像的像素值和第二能谱图像的像素值，被查找项是模体对的厚度，其包括模体对的第一材料(例如铝)的厚度和模体对的第二材料(例如有机玻璃)的厚度。改变曝光条件，例如，射线源120的电压kv、铜滤过等，分别对每一个模体对进行曝光成像，可在每个曝光条件下生成一个上述第一能谱图像的像素值和第二能谱图像的像素值对应模体对的厚度的查找表。如此获得一系列关于第一能谱图像的像素值、第二能谱图像的像素值和模体对的厚度的查找表。查找表可以在系统校准时生成，以避免不同系统之间的差别。查找表可以在系统校准时生成，以避免不同系统之间的差别。在另一个实施例中，为了快速地生成查找表，可以设计两个校准模体，第一模体由第一材料组成，第二模体由第二材料组成，第一模体和第二模体分别设计成台阶形状，每一阶为不同的厚度，这样两个模体叠放在一起可以实现多个不同的厚度组合，获得具有不同厚度的模体对，一次曝光即可以生成第一能谱图像的像素值、第二能谱图像的像素值和对应的不同厚度的查找表。在其他实施例中，还可通过其他方式设置模体对使其具有不同的厚度，一次曝光即可获得包含多个不同厚度的查找表。

在血管成像系统设备10对受检体100进行曝光成像时，找到此时血管成像系统设备10的曝光条件对应的查找表。在该查找表中，根据此时获得的受检体100的第一能谱图像的像素值和第二能谱图像的像素值查找对应的模体对的厚度。如果查找表中没有与第一能谱图像的像素值和第二能谱图像的像素值匹配的值，可以利用多个最接近的值进行插值计算获得对应的模体对的厚度。对第一能谱图像和第二能谱图像中的每一个像素都进行上述查表或插值计算的操作获得每一个像素对应的模体对的厚度，即可得到一张反映模体对的第一材料(例如铝)的厚度的图i1，和一张反映模体对的第二材料(例如有机玻璃)的厚度的图i2。图i1和i2可体现厚度的数值、分布和变化。可以根据表达式(6)计算血管的增强图像id：

id＝sinθ·i1-cosθ·i2(6)

其中，θ是一个常量，由造影剂(例如碘)的性质决定，可以通过实验测得。

在其他实施例中，还可以用其他图像处理方法处理第一能谱图像和第二能谱图像获得血管的增强图像，或包括其他图像处理方法对第一能谱图像、第二能谱图像和/或血管的增强图像进行处理以获得更加清晰的血管的增强图像。

在一个实施例中，图像处理装置14还对来自双能谱探测器122的第一能谱图像和第二能谱图像进行校正处理，例如，消除坏线、坏点等，获得校正的第一能谱图像和校正的第二能谱图像，再对校正的第一能谱图像和校正的第二能谱图像进行对数加权相减等处理生成血管的增强图像。可选择地，对第一能谱图像和第二能谱图像进行校正处理的动作可由双能谱探测器122内的处理模块(未图示)执行。

图像处理装置14生成的图像可以提供给图像显示装置16来显示。控制器22还可以控制射线源驱动器20、图像处理装置14、图像显示装置16。血管成像系统设备10的射线源驱动器20、造影剂注射器21、控制器22、图像处理装置14、图像显示装置16可以包括硬件和/或软件。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。例如，射线源驱动器20可与射线源120整合在一起；控制器22和图像处理装置14在物理上可以都位于计算机内；图像显示装置16、图像处理装置14可以和图像采集装置12位于同一个地方，或位于不同的地方，可直接连接，或都连接至同一个网络或总线。血管成像系统设备10还可包含其他未图示的元件，例如输入装置、存储器等。也可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部部件来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

图3所示为双能谱探测器122的一个实施例的示意图。双能谱探测器122包括层叠设置的第一层探测器123和第二层探测器124。第一层探测器123用来探测第一能谱射线且产生第一电信号，第二层探测器124用来探测第二能谱射线且产生第二电信号。穿过受检体100的x射线到达第一层探测器123，部分x射线被第一层探测器123吸收并产生第一电信号，剩余的x射线穿过第一层探测器123到达第二层探测器124，至少部分到达第二层探测器124的x射线被其吸收并产生第二电信号。

第一层探测器123包括荧光层1232和光电转换层1233，第二层探测器124包括荧光层1242和光电转换层1243。荧光层1232、1242设置于光电转换层1233、1243上。荧光层1232、1242用来吸收至少部分x射线并产生可见光，光电转换层1233、1243用来将荧光层1232、1242产生的可见光转换成电信号。本实施例中，荧光层1232、1242包括碘化铯(csi)、碘化铯掺铊(csi:ti)和硫氧化二钆(gdo2s)中的至少一种。在其他实施例中，可根据期望被吸收的x射线的能谱选择荧光层1232、1242的材料。荧光层1232、1242的厚度可以根据期望被吸收的x射线的能谱来设置，以使得荧光层1232、1242能够吸收期望能谱的x射线。第一层探测器123的荧光层1232的厚度与第二层探测器124的荧光层1242的厚度可以不相同，也可以相同。第一层探测器123的荧光层1232的厚度设置得较薄，以吸收部分x射线且保证部分x射线穿过荧光层1232到达第二层探测器124。例如，在本实施例中，第一层探测器123的荧光层1232的厚度为100～300um，第二层探测器142的荧光层1242的厚度为400～600um，但不限于此。

光电转换层1233、1243可包括薄膜晶体管(thinfilmtransistor，tft)阵列或光电二级管(photodiode)阵列。第一层探测器123的荧光层1232吸收x射线中的第一能谱射线的光子，并产生可见光，光电转换层1233将可见光转换为第一电信号。第二层探测器124的荧光层1242吸收x射线中的第二能谱射线的光子，并产生可见光，光电转换层1243将可见光转换为第二电信号。

在一个实施例中，第二层探测器124还包括滤光器(称作“第二层滤光器”)1241，用来滤除至少部分无需被探测的x射线以允许第二能谱射线通过。第二层滤光器1241放置于第二层探测器124的荧光层1242之上。第二层滤光器1241滤除穿过第一层探测器123的x射线中至少部分不需要被第二层探测器124的荧光层1242吸收的x射线，让需要被第二层探测器124的荧光层1242吸收的x射线穿过。在本实施例中，第二层滤光器用来将穿过第一层探测器123的x射线中的低能谱射线滤除，保留高能谱射线。如此，可以使得第二层探测器124的荧光层1242能更好地吸收需要探测的x射线，减少其他x射线的干扰。

在图示实施例中，第一层探测器123也包括滤光器(称作“第一层滤光器”)1231，用来滤除至少部分无需被探测的x射线以允许第一能谱射线和第二能谱射线通过。第一层滤光器1231放置于第一层探测器123的荧光层1232之上。

滤光器1231、1241可以包括铜、铝、钼、铑或其合金中的至少一种，也可以包括其他材料，滤光器1231、1241的材料可以根据期望通过的x射线的能谱来设置。另外，可以根据期望通过的x射线的能谱来设置滤光器1231、1241的厚度。例如，在本实施例中，第一层探测器123的滤光器1231可以采用铝，厚度可设置为0.1mm，第二层探测器124的滤光器1241可采用铜，厚度可设置为0.9mm，但不限于此。

双能谱探测器122还包括a-d转换电路125，用来将光电转换层1233、1243产生的电信号转换为数字信号，即能谱图像。在一些实施例中，双能谱探测器122还可包括处理模块(未图示)，用来对能谱图像进行校正等处理，将处理后的能谱图像提供给图像处理装置14。

双能谱探测器122可以是双能谱平板探测器。第一层探测器123和第二层探测器124为平板状。光电转换层1233、1243可设置为平板状，将光电转换管阵列安置于平板上。

图4所示为血管成像方法40的一个实施例的流程图。血管成像方法40包括步骤401-404。其中，

步骤401中，向受检体发射包括第一能谱射线和第二能谱射线的x射线。

第一能谱射线可以是低能谱射线，第二能谱射线可以是高能谱射线。第一能谱射线和第二能谱射线同时发出。

步骤402中，探测穿过受检体的第一能谱射线，响应第一能谱射线产生第一电信号并根据第一电信号生成第一能谱图像。

x射线穿过血管中注射有造影剂的受检体被衰减，穿过受检体的x射线携带受检体的信息。吸收穿过受检体的x射线的第一能谱射线产生第一电信号，且剩余部分x射线。穿过受检体的x射线的第一能谱射线被吸收，第一能谱射线的光子被转换成可见光，可见光被转换成第一电信号，将第一电信号转换成第一能谱图像。第一能谱射线被吸收后剩余的x射线包括第二能谱射线。

步骤403中，探测穿过受检体的第二能谱射线，响应第二能谱射线产生第二电信号并根据第二电信号生成第二能谱图像。

吸收剩余的x射线的第二能谱射线产生第二电信号。类似于第一能谱射线，第二能谱射线的光子被转换成可见光，可见光被转换成第二电信号，将第二电信号转换成第二能谱图像。如此将特定能谱的信息捕获。

步骤404中，处理第一能谱图像和第二能谱图像生成受检体的血管图像。

在一个实施例中，可以获得第一能谱图像的对数和第二能谱图像的对数，将第一能谱图像的对数和第二能谱图像的对数加权相减获得血管的增强图像。在另一个实施例中，建立关于第一能谱图像的像素值、第二能谱图像的像素值、模体对的厚度的查找表；根据获得的受检体的第一能谱图像的像素值、第二能谱图像的像素值在查找表中查找模体对的厚度；根据模体对的厚度确定血管的增强图像。可建立不同曝光条件下的一系列上述查找表，不同曝光条件下成像时，查找对应的查找表，获得该曝光条件下第一能谱图像的像素值、第二能谱图像的像素值对应的模体对的厚度。在其他实施例中，可通过其他图像处理方法对图像进行处理。

在一个实施例中，血管成像方法40进一步包括：在探测穿过受检体的第二能谱射线的步骤403之前，滤除至少部分无需被探测的x射线以允许第二能谱射线通过。在另一个实施例中，血管成像方法40进一步包括：在探测穿过受检体的第一能谱射线的步骤402之前，滤除至少部分无需被探测的x射线以允许第一能谱射线和第二能谱射线通过。且在探测穿过受检体的第二能谱射线的步骤403之前，滤除至少部分无需被探测的x射线以允许第二能谱射线通过。如此在x射线被吸收之前对x射线进行剪裁，使得吸收的x射线更准确，减少不需被探测的x射线的干扰。

血管成像方法40的动作以模块的形式图示，图中所示的模块的先后顺序和模块中的动作的划分并非限于图示的实施例。例如，模块可以按照不同的顺序进行；一个模块中的动作可以与另一个模块中的动作组合，或拆分为多个模块。在一些实施例中，图中的血管成像方法40的步骤之前、之中或之后可包括其他步骤。

对于方法实施例而言，由于其基本对应于装置实施例，所以相关之处参见装置实施例的部分说明即可。上述方法可通过本文中所述的装置实现，也可通过其他装置实现。方法的实施例和装置的实施例互为补充。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。