一种新型降低辐射剂量的CT扫描系统、设备及方法与流程

、技术领域

本发明是一种新型降低辐射剂量的ct扫描系统、设备及方法。

2、

背景技术：

ct技术（x-raycomputedtomography）是一种临床上广泛采用的医学影像技术。与磁共振技术（magneticresonanceimagine，mri）相比较，ct技术具有成像速度快，适用范围广，造价和维护费用低等优势。但是ct成像过程中的x射线辐射对病人的安全隐患，以及对患者长期健康的潜在影响是ct技术的一个重要的不足。其中，动态ct扫描，包括ct血流灌注（ctperfusion）、ct血管造影（ctangiography）等过程在整个扫描周期（例如，约1分钟）一直施加x射线辐射，因此会施加给患者较大的辐射剂量；

如图1所示，标准的ct扫描需要x-射线源围绕病人连续旋转并辐射成像。根据奈奎斯特准则，需要一个完整的π/2*xres（基本分辨率）投影视窗来形成ct图像。对于动态ct扫描来说，则需要π/2*xres*nframe（时帧的数量，一般约为45—60次ct），这样就导致了较高的辐射剂量；

近年来，不少因为ct辐射剂量过大产生的不良事件见诸报端，辐射剂量已成为公共健康领域的重要话题。为了改变此现状，本发明提供了一种新型降低辐射剂量的ct扫描系统、设备及方法。

3、

技术实现要素：

本专利的目的是提供一种新型的降低x-射线辐射剂量的ct系统、设备和方法，达到降低对被扫描物体的辐射，并拓宽了应用范围，可以用于以往因辐射剂量过大无法应用普通ct扫描技术检查的部位；

本专利降低ct扫描辐射剂量的原理是：通过控制x-射线源在预先指定的旋转角度时由连续施加辐射（continuousx-ray）变为脉冲施加（pulsedx-ray），（动态）ct图像可利用投影视窗共享技术重建获得。比起传统ct扫描方法，此方法获得的图像质量保持了原有的高时间及空间分辨率。

4、附图说明

图1是标准ct扫描原理示意图

图2是本专利内提到的x-射线源示意图

图3是系统实施例二中的低辐射剂量ct扫描系统原理示意图

图4是系统实施例三中的低辐射剂量ct扫描系统流程示意图

图5是交叉角策略示意图

图6是角平分策略示意图

图7是黄金角策略示意图

图8是小黄金角策略示意图

图9是具体实施例一中的重建图像对比图

图10是具体实施例二中的滤过反向投影技术与投影视窗共享技术的对比图

图11是具体实施例二中的定量脑血流量的滤过反向投影技术与投影视窗共享技术对比图

图12是具体实施例三中的全剂量滤过反向投影技术与减小剂量的压缩感知稀疏重构技术重建图像对比图。

5、具体实施方案

下文将结合本专利实施例，以及实施例中的附图，对本专利中的系统、装置和方法进行清楚、完整的描述。在实际使用过程中，具体的实施步骤将会根据不同应用场景的需要，在本专利声明内的系统、装置和方法有一定的选择与变化，但是基本概念不变。显然，本专利所描述的实施例仅是本专利所发明的系统、装置、方法的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不能限制本发明。基于本发明中的实施例，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进及未做出创造力劳动前提下所获得的所有其他实施例，均包含在本专利保护的范围内；

系统实施例一：

本专利包括一种低辐射剂量的ct扫描系统，其特征在于，该系统包括：

（1）脉冲生成器，脉冲生成器与ct扫描仪的x-射线放射源相偶联；x-射线源安置在机架上，并且可以在ct扫描仪的圆柱形筒内壳内旋转；

脉冲生成器配置在圆形内壳内，周期性的关闭x-射线源释放x-射线；

（2）应用软件，应用软件与脉冲生成器偶联；

此应用软件包括指令，此指令控制脉冲生成器的计时，使被测物间断的暴露于按照一组特定旋转角度进行辐照的x-射线下:

如（1）所述，脉冲生成器包括一个与x-射线源偶联的机械性快门，一般为铅质；快门包括断开状态和导通状态两种状态。快门的断开状态限制x-射线从x-射线源释放出来；快门的导通状态，能够确保x-射线可在圆柱形筒内部由x-射线源释放。快门与应用软件相偶合，以接收指令。指令中包括对快门导通状态的计时，使x-射线能够按照一组特定的旋转角度进行辐照。即快门能够以超高速度（毫秒级别）打开/关闭x-射线;

进一步，脉冲生成器包括断开状态和导通状态。断开状态限制x-射线从x-射线源释放出来；导通状态允许x-射线在圆柱形筒内部由x-射线源释放；脉冲生成器与x-射线源偶合，并通过电磁屏蔽在断开状态屏蔽x-射线的释放。指令中包括对脉冲生成器导通状态的计时，使x-射线能够按照一组特定的旋转角度进行辐照。即脉冲生成器通过电磁控制x-射线辐射源的快速开关，利用电磁场使电子束与x-射线管的阴极产生偏向或抑制，以实现超高速度（毫秒级别）打开/关闭x-射线;

这样的硬件设计可以让用户有很大的自由度来控制脉冲x射线辐射的角度和数量（基于本专利实施例中详述的优化重建软件的需求），以实现调整辐射的剂量;

在本专利范围内，x-射线源由阴极、阳极和在两者之间的网格电极组成，如图2所示；脉冲生成器可用来改变网格电极的负电势，从而形成电磁场屏蔽以阻止阴极与阳极之间的电流，即在断开状态阻止了x-射线的释放;

如（2）所述，应用软件与ct扫描仪的输出偶合，用来接收ct扫描仪的脉冲图像，脉冲图像与x-射线在预先设定的旋转角度下的对被测物的辐照有关;

进一步，预先设定的旋转角度是一组旋转角度，旋转角度通过旋转策略获得。通常的，旋转策略包括：交叉角策略、角平分策略、黄金比例策略、小黄金比例策略等;

应用软件还用以重建每一次暴露所产生的图像，从而形成最终的重建图像。更进一步，重建图像需要使用投影试图共享技术实现。其他的重建技术还包括压缩感知技术，若利用这种技术，则需要通过伪随机策略进行采样。深度学习神经网络是另一种重建技术，由多层卷积神经网络构成。神经网络的连接参数由基于大量数据的深度学习决定;

系统实施例二：

本专利所示的一种低辐射剂量的ct扫描系统原理图如图3所示

如图3，ct扫描系统包括圆柱形外壳，紧邻外壳的内侧有一个静态的圆环，其上安装有一组检测器，检测器可以安置多个。另外，沿外壳内侧的径向方向上可以安装多个装有探测器的静态圆环;

在圆柱形外壳内侧，有一个可在外壳内侧圆周旋转的机架，其上安装有一个x-射线源。如图3显示x-射线源采取了4个方向（从12点方向至3点方向）。x-射线脉冲生成器与x-射线源整合或附加在一起，以控制x-射线在壳体内的释放。图3显示脉冲生成器安置在x-射线源前方，但在实际使用时，脉冲生成器优先安装在x-射线源内;

脉冲生成器在断开状态和导通状态之间来回切换，在断开状态，无x-射线的辐照，在导通状态，脉冲生成器允许x-射线在壳体内部对待测物进行辐照;

脉冲生成器可以有不同的结构特点和执行原理;

一种情况，脉冲生成器可以是机械的开关或者铅质的挡板，以超高的速度（毫秒级别）打开/关闭以允许/阻止x-射线的辐照。在整个过程中，x-射线源持续工作;

另一种情况，脉冲生成器通过电磁场的方式，打开/关闭以允许/阻止x-射线的辐照;

一台商用ct扫描仪装配的脉冲生成器既可以是与x-射线源组合的机械快门，也可以是通过电磁感应脉冲状态，来控制x-射线源的开关/闭合;

系统实施例三：

本专利所示的一种低辐射剂量的ct扫描系统流程图如图4所示;

本ct扫描系统中计算机或者服务器控制的应用软件包括图像重建软件，同步控制软件，存储软件和可操作性处理器;

同步控制软件包括控制脉冲生成器的指令，用于控制快门，进而控制了x-射线的脉冲时长。同时，同步控制软件还控制机架上x-射线源在机壳内的旋转;

图像重建软件包括从ct扫描仪获取输出数据的指令，还包括重建x-射线激发后检测器得到的数据，并形成重建图像;

预先设定的旋转角度是一组通过旋转策略获得的旋转角度。通常的，旋转策略包括：交叉角策略、角平分策略、黄金比例策略、小黄金比例策略等。在本实施例中，获得流程如图5至图8所示;

交叉角策略如图5所示，针对每一个n投射角（n=1,2,3,4……），增幅为一固定值，如图5所示，为180°/10=18°;

角平分策略使得x-射线采取一定的旋转角，策略如图6所示:完整的投射角是通过隔行扫描（a，b，c，d）的形式获得的。在第一个机架旋转过程中，只能在a位置（例如，以60°为间隔）获得一组偶数分布的投影。在下一个机架旋转过程中，获取的新的投影是落在上一组投影的角平分线上（位置b插在起点与a位置中，位置c在a和b位置中，位置d在位置b和a之中），直到完成所有的投射角;

黄金角策略所采取的投射顺序，每一个投射的增幅为111.25°，如图7所示。应用此策略时，x-射线源的旋转角度通过180°/1.618=111.25°计算得到，能够保证图像重建时所选取的任意投射角都落在最优分布上;

小黄金角策略所采取的投影顺序，每一个投射的增幅是23.62°，如图8所示。应用此策略时，x-射线源的旋转角间隔为23.62°，在投影的次数大于7时，能保证最优的投影分布;

重建完整的动态ct图像，图像重建软件需要包括投影视窗共享技术。投影视窗共享技术可以使用在角平分策略，黄金角策略，或小黄金角策略中任意一种策略。使用投影视窗共享技术，中心2d傅里叶变换空间决定了图像的对比图，在所研究的时间范围内，通过投影视窗共享进行采样，而外部2d傅里叶变换空间则充满相邻时间范围的投影视窗。由于投影视窗共享技术通过成比例增加了编码了的投影数，便于较高空间频率区域进行2d傅里叶变换，可以较好的保持采样不足的ct图像质量，故投影视窗共享技术在黄金角、小黄金角以及角平分任意策略中使用，都可以获得高空间、时间分辨率。与标准技术相比，图像重建软件引入投影视窗共享技术，能够减少10倍投影视窗，即在动态ct扫描过程中，可减少10倍的辐射剂量;

其他的重建技术还包括压缩感知技术，利用这种技术，则需要通过伪随机策略进行采样;

设备实施例：

本专利包括一种低辐射剂量的ct扫描装置。其特征在于，该装置包括：

（1）ct扫描仪。扫描仪包括：

i.扫描仪的圆柱形内部安装有x-射线源，圆柱形内部有一组检测器用来检测x-射线从x-射线源释放的辐照；x-射线源安装在机架上，所以可以在ct扫描仪内部旋转;

ii.与x-射线源偶合的脉冲生成器，脉冲生成器周期性的改变x-射线从x-射线源在ct扫描仪内部的辐照;

iii.与脉冲生成器偶联的应用软件，应用软件包括对脉冲计时器计时的指令，所以脉冲生成器能够间断的将物体暴露于预先设定的一定旋转角度下接受辐照;

该装置的特征在于，该装置包括：

（2）与ct扫描仪偶合的计算机处理器;

（3）可由计算机处理器处理的永久性计算机可读内存存储指令;

（4）该指令在由计算机处理器处理时，步骤包括：

i.通过对脉冲生成器的计时，间断的将物体暴露于预先设定为一定旋转角度的x-射线下；

ii.从ct扫描仪接收脉冲图像，脉冲图像与在预先设定的一定旋转角度的暴露下有关；

iii.重建每一次暴露，并生成一个重建图像;

脉冲生成器包括一个与x-射线源偶联的机械性快门，一般为铅质；快门包括断开状态和导通状态两种状态。快门的断开状态限制x-射线从x-射线源释放出来；快门的导通状态，能够确保x-射线可在圆柱形筒内部由x-射线源释放。快门与应用软件相偶合，以接收指令。指令中包括对快门导通状态的计时，使x-射线能够按照一组特定的旋转角度进行辐照。即快门能够以超高速度（毫秒级别）打开/关闭x-射线;

进一步，脉冲生成器包括断开状态和导通状态。断开状态限制x-射线从x-射线源释放出来；导通状态允许x-射线在圆柱形筒内部由x-射线源释放；脉冲生成器与x-射线源偶合，并通过电磁屏蔽在断开状态屏蔽x-射线的释放。指令中包括对脉冲生成器导通状态的计时，使x-射线能够按照一组特定的旋转角度进行辐照。即脉冲生成器通过电磁控制x-射线辐射源的快速开关，利用电磁场使电子束与x-射线管的阴极产生偏向或抑制，以实现超高速度（毫秒级别）打开/关闭x-射线;

x-射线源由阴极、阳极和在两者之间的网格电极组成；脉冲生成器可用来改变网格电极的负电势，从而形成电磁场屏蔽以阻止阴极与阳极之间的电流，即在断开状态阻止了x-射线的释放;

预先设定的旋转角度是一组旋转角度，旋转角度通过旋转策略获得。通常的，旋转策略包括：角平分策略、黄金比例策略、小黄金比例策略等;

应用软件还用以重建每一次暴露所产生的图像，从而形成最终的重建图像。更进一步，重建图像需要使用投影视窗共享技术实现。其他的重建技术还包括压缩感知技术，利用这种技术，则需要通过伪随机策略进行采样。深度学习神经网络是另一种重建技术，由多层卷积神经网络构成。神经网络的连接参数由基于大量数据的深度学习决定;

方法实施例：

本专利包括一种低辐射剂量的ct扫描方法。其特征在于，该方法应用于ct扫描仪，扫描仪包括：扫描仪的圆柱形壳体内安装有x-射线源，x-射线源安装在机架上，所以可以在ct扫描仪内部旋转;

该方法包括：

（1）间断的将物体暴露于预先设定的特定旋转角度下接受辐照;

（2）从ct扫描仪接收脉冲图像，脉冲图像与在预先设定的特定旋转角度下的暴露有关；

（3）重建每一次暴露，并生成一个重建图像;

ct扫描仪包括与x-射线源偶合的机械性快门；快门包括断开状态，以限制x-射线从x-射线源的释放；并包括导通状态，允许x-射线源在ct扫描仪内壳内释放x-射线；并且间断将物体暴露于预先设定为一定旋转角度的x-射线下，在此过程中，对快门的导通状态进行计时;

x-射线源由阴极、阳极和在两者之间的电流产生x-射线，通过电磁场使电流在阳极发生偏移，从而间断的辐照被测物体，并且严格的控制x-射线在ct扫描仪圆柱形壳体内部仅能按照预先设定的特定的旋转角度辐照被测物体;

x-射线源进一步在阴极与阳极之间还存在一个网格状电极，网格状电极可以产生足够的负电势形成电磁屏蔽阻止电子束由阴极向阳极流动，即阻止了x-射线源释放x-射线;

预先设定的旋转角度是一组旋转角度，旋转角度通过旋转策略获得。通常的，旋转策略包括：交叉角策略、角平分策略、黄金比例策略、小黄金比例策略等;

应用软件还用以重建每一次暴露所产生的图像，从而形成最终的重建图像:更进一步，重建图像需要使用投影视窗共享技术和压缩感知稀疏重构技术以及深度学习神经网络实现;

具体实施例一：

本实施例为利用本文所述系统产生的实例，使用角平分策略，重建过程使用投影视窗共享技术:投影视窗共享能够根据空间频率成比例增加编码了的投影，便于较高空间频率区域进行2d傅里叶变换，可以维持采样不足的ct图像质量。在forbildct头部模体使用此技术，同时使用临床ct扩散数据集，可以在不影响图像质量和扩散参数量化准确性的前提下，与标准的滤过反向投影（filteredbackprojection）重建所需要的完整辐射剂量相比，模拟降低4-8倍的辐射剂量;

重建后的图像如图9所示，图示为针对一个5mm被测物（白色点状物）的动态的模拟ct模体重建，分别使用滤过反向投影和投影视窗共享技术;可以看到机架旋转数量在全剂量的12.5%时，对于利用滤过反向投影技术所获得图像质量会受明显影响。投影视窗共享重建比起滤过反向投影技术在重建过程中能够更有效的保护图像质量;

具体实施例二：

图10、11所示的是一个临床实例，在辐射剂量分别为标准状态时的50%，25%，12.5%（均在ct血流灌注重建时使用投影视窗共享技术）以及标准状态时的滤过反向投影技术对比;滤过反向投影重建图像质量随着辐射剂量的减少而下降，而使用投影视窗共享技术的图像在辐射剂量为原始剂量的25%时，也几乎没有受到影响;

图10与标准过滤反向投影（fbp）技术在辐射剂量分别为标准状态时的50%，25%，12.5%的对比图像，以及标准状态时的滤过反向投影图像。滤过反向投影质量随着辐射剂量的减少而下降，而使用投影视窗共享技术的图像在辐射剂量减小时，几乎不受影响;

图11为定量脑血流量的对比图，由辐射剂量为100%，50%，25%及12.5%的使用投影视窗共享技术的ct灌注扩散重建而来，以及标准的全剂量过滤反向投影（fbp）技术重建的图像。使用投影视窗共享技术仅需要25%的辐射剂量就能达到全剂量fbp投影技术的成像效果;

具体实施例三：

图12所示图像为通过全剂量fbp技术和分别使用50%，25%和12.5%辐射剂量的压缩感知（compressedsensing）稀疏重构技术的重构产生的。这种技术是在黄金角度下使用稀疏采样策略，即使在剂量为全剂量的12.5%时，图像质量仍未降低;

本发明所提出的低剂量ct扫描系统、设备和方法能够大幅度降低病人在接收ct扫描时接受的辐射剂量，尤其对于接受动态ct血流灌注及血管成像检查的患者。从另一个角度来看，病人可以接受多次的低剂量ct血流灌注以及ct血管成像检查，以便更稳定的控制病情，提高患者的治疗成效。另外，针对肝脏、肾脏这类器官，传统的检查技术需要非常高的辐射剂量，无法在临床上应用，此类低剂量ct检查使身体的这些部位接受ct检查成为可能。