用于减小辐射剂量的系统和方法

专利名称:用于减小辐射剂量的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及成像系统，并且更加具体地讲，涉及用于减小入射到对象上的
辐射剂量的系统和方法。
技术背景
第三代计算机断层造影(CT)扫描仪包括x射线源和检测器，它们一起围绕着病人 转动。X射线束穿过病人并且在检测器上测量x射线束的强度。在某些CT成像系统中，使 用x射线管来产生x射线。当电子在x射线管的阳极和阴极之间高压差的作用下，加速撞 击在焦斑或阳极上时，就会产生x射线。这些x射线一般来说是成圆锥状从焦斑发散出来 的，并且这些发散的x射线一般会穿过一个病人之前的准直器，以限定在检测器上的x射线 轮廓。某些CT成像系统包括检测器单元，这些检测器单元排列在距离辐射源恒定半径的圆 弧上。如果准直器是线形或者矩形的，检测上的x射线轮廓将沿着检测器的扇面弯曲，因为 准直器的孔径是沿着z轴张开的。这一弯曲将造成x射线剂量未完全使用和由弯曲的x射 线束轮廓形成的CT图像的质量降低。

发明内容
按照一个方面，给出了一种成像系统。所述成像系统包括辐射源，构成为用于产 生射束；准直器，构成为用于对所述射束进行准直，以产生经准直的射束；和检测器，构成 为用于检测所述经准直的射束。所述准直器是下述之一 第一准直器，具有与检测器的轮廓 成比例的弯曲轮廓；第二准直器，带有闸刀片，其中所述闸刀片中的至少一个的两个相面对 的表面的斜度彼此不同；和第三准直器，具有至少两组板，一组中的所述板彼此相对枢转。 按照另一个方面，给出了一种计算机断层造影成像系统。该计算机断层造影成像 系统包括x射线源，构成为用于产生射束；准直器，构成为用于对所述x射线束进行准直， 以产生经准直的X射线束；和检测器，构成为用于检测所述经准直的X射线束。所述准直器 是下述之一 第一准直器，具有与检测器的轮廓成比例的弯曲轮廓；第二准直器，带有闸刀 片，其中所述闸刀片中的至少一个的两个相对面对的表面的斜度彼此不同；和第三准直器， 具有至少两组板，一组中的所述板彼此相对枢转。
按照再一个方面，给出了一种减小入射在对象上的辐射剂量的方法。该方法包括 朝向所述对象发送辐射束，在所述射束到达所述对象之前对所述辐射束进行准直，然后检 测所述经准直的辐射束。所述准直是由下述准直器之一进行的第一准直器，具有与检测器 的轮廓成比例的弯曲轮廓；第二准直器，带有闸刀片，其中所述闸刀片中的至少一个的两个 相面对的表面的斜度彼此不同；和第三准直器，具有至少两组板，一组中的所述板彼此相对 枢转。


附图1是实施了用于减少辐射剂量的系统和方法的计算机断层造影(CT)成像系
3统的实施方式的立体图。
附图2是附图1中的CT成像系统的框图。
附图3是准直器和CT成像系统的局部的实施方式的示意图。
附图4是表示可应用于CT成像系统中的各种不同类型的准直器的实施方式和各 种不同类型的准直器的应用效果的示意图。
附图5是表示用于减少辐射剂量的系统的实施方式并且表示该系统的效果的示 意图。
附图6是用在附图1的CT成像系统中的准直器的实施方式的示意图。 附图7是用在附图1的CT成像系统中的准直器的实施方式的示意图。 组件列表
10 :计算机体层造影(CT)成像系统;12 :门架;14 :X射线源;16 :X射线束;18 : 检测器阵列；20 :检测器元件或单元；22 :对象；24 :旋转中心；26 :控制机构；28 :X射线控 制器；30 :门架电机控制器；32 :数据采集系统(DAS) ;34 :图像重构器；36 :计算机；38 :大 容量存储器；40 :控制台；42 :阴极射线管显示器；44 :平台电机控制器；46 :电动平台；48 : 门架开口 ；50 :装置；52 :计算机可读介质；60 :焦点；62 :患者前准直器；64 :经校准的扇形 射束；66 :对象；70 :矩形孔径；72 :X射线束轮廓；74 :X射线束轮廓；76 :阴影部分；78 :阴 影部分；80 :距离；82 :点；84 :距离；86 :点；88 :X射线束轮廓；90 :阴影部分；92 :阴影部 分；94 :锥形或斜面形孔径；96 :X射线束轮廓；98 :X射线束轮廓；100 :阴影部分；102 :阴 影部分；104 :阴影部分；106 :阴影部分；108 :X射线束轮廓；110 :阴影部分；112 :阴影部 分120 :用于减少辐射剂量的系统；122 :准直器；124 :孔径；126 :经校准的射束；128 :X射 线束轮廓;130 :点;132 :距离;134 :点;136 :距离;150 :准直器;152 :闸刀片或板;154 :闸 刀片或板；156 :外表面；158 :外表面；160 :内表面；162 :内表面；163 :枢轴臂；164 :立体 图；165 :枢轴臂；166 :缝；168 :轴；170 :轴；172 :电机；174 :电机；180 :准直器；182 :第一 组；184 :板或闸刀片；186 :板或闸刀片；188 :第二组；190 :板或闸刀片；192 :板或闸刀片； 194 :铰链;196 :箭头;198 :箭头;200 :方块;202 :方块;204 :箭头;206 :箭头;208 :箭头; 210 :箭头；212 :方块；214 :方块；216 :方块；218 :方块
具体实施方式
按照某些公知的CT成像系统的结构，x射线源投射扇形射束，这一扇形射束得到 准直，以致平展在笛卡儿坐标系的X-Y平面内，该平面一般称为"成像面"。X射线束穿过一 个要进行成像的对象，比如病人。射束由对象进行了衰减之后，照射在辐射检测器阵列上。 在检测器阵列上接收到的经过衰减之后的辐射束的强度取决于对象对x射线束造成的衰 减量。所述阵列的每个检测器单元产生产生一个独立的电信号，该信号为在该检测器位置 上的射束衰减的测量结果。来自所有检测器的衰减测量结果是独立地获取的，以产生一个 传输轮廓。
在第三代CT成像系统中，x射线源和检测器阵列与成像面内的门架一起并且围绕 着所要成像的对象转动，从而x射线与对象相交的角度不断地改变。从检测器阵列得到的 一个门架角度下的一组x射线衰减测量结果，S卩，投影数据称为一个"视图"。对象的一次 "扫描"包括在x射线源和检测器的一次旋转期间，不同门架角度或视角下得出的一组视图。[0017] 在轴向扫描中，对投影数据加以处理，以构成一个与贯穿对象截取的二维切片相 应的图像。现有技术中，通过一组投影数据重构图像的一种方法称为滤光背面投影技术。这 一处理方法将由一次扫描得到的衰减测量值转换为整数，称为"CT数"或"豪恩斯弗尔德单 位"，这些整数用于控制阴极射线管显示器上的相应像素的亮度。
为了减少整个扫描时间，可以进行"螺旋"扫描。为了进行"螺旋"扫描，要在获取 与指定数量的切片相对应的数据的同时，使对象移动。这种系统通过一次扇形射束螺旋扫 描产生了一个单螺旋线。由扇形射束绘制出的螺旋线产生投影数据，通过这些投影数据，可 以重构每个指定切片中的图像。
用于螺旋扫描的重构算法一般使用螺旋加权算法，这种算法将所采集到的数据加 权为视角和检测器通道指数的函数。具体来说，在进行滤光背面投影处理之前，依据螺旋加 权系数对数据进行加权，该螺旋加权系数是门架角度和检测器角度的函数。螺旋加权算法 还依照縮放系数对数据进行縮放，该縮放系数是x射线源与对象之间距离的函数。然后对 经过加权和縮放的数据进行处理，以产生CT数，并构造与贯穿对象采集的二维切片相对应 的图像。
如本文所使用的那样，以单数形式列举并且前面带有词"一"或"一个"的元件或 步骤，应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非精确表明了这种排除。而且，参照本发明 的"一种实施方式"的意思不要解释为排除了同样含有所列举的特征的其它的实施方式的 存在。
而且如本文钟所使用的那样，词组"重构图像"的意思并不排除本发明的产生了代 表图像的数据而没有产生可视的图像的实施方式。不过，很多实施方式都产生(或构成得 能够产生)至少一个可视的图像。
参照附图l和2，给出了一个多切片扫描成像系统，例如，一个计算机断层造影 (CT)成像系统10，由于包括一个门架12，因此表示"第三代"CT成像系统。门架12具有一 个x射线源14，该x射线源14朝向位于门架12的相对一侧上的检测器阵列18投射x射线 束16。检测器阵列18是由多个检测器行(未示出)构成的，这些检测器行包括多个检测器 元件或单元20，这些检测器元件20共同检测穿过对象22(比如内科病人)的投射x射线。 作为例子，每个检测器元件20沿z轴的宽度大于40毫米(mm)，这是根据x射线束16的等 角点估算的。每个检测器元件20产生一个电信号，这个电信号代表照射x射线的强度，并 且因此代表x射线在穿过对象22时的衰减。在获取x射线投影数据的扫描期间，门架12 以及安装在其上的元件围绕旋转中心24转动。附图2仅表示单行检测器元件20 (即， 一个 检测器行)。不过，多切片检测器阵列18包括检测器元件20的多个平行的检测器行，从而 在一次扫描期间能够同时获得与多个准平行或平行的切片相应的投影数据。 门架12的转动和x射线源14的工作是由CT成像系统10的一个控制机构26管 理的。控制机构26包括一个x射线控制器28和一个门架电机控制器30，其中x射线控制 器28向x射线源24提供电源和定时信号，门架电机控制器30控制门架12的转速和位置。 控制机构26中的数据采集系统(DAS)32对来自检测器元件20的模拟数据进行采样，并且 将所述数据转换为用于后续处理的数字信号。图像重构器34从DAS 32接收采样得到的并 且经过数字化的x射线数据，并且进行高速图像重构。重构得到的图像作为输入信号供应 给计算机36，该计算机36将该图像存储在一个大容量存储装置38中。[0024] 计算机36还接收由操作者经带有键盘的控制台40发出的命令和扫描参数。 一个 相连的阴极射线管显示器42使得操作者能够观察重构得到的图像和来自计算机36的其它 数据。操作者给出的命令和参数由计算机36使用，以向DAS 32、x射线控制器28和门架电 机控制器30提供控制信号和信息。此外，计算机36操纵一个平台电机控制器44，该平台电 机控制器44对一个电动平台46进行控制，以定位对象22在门架12中的位置。特别是，平 台46移动着对象22的一些部分穿过门架开口 48。
按照一种实施方式，计算机36包括一个用于从计算机可读介质52 (比如软盘、 CD-R0M、 DVD或诸如网络或因特网之类的其它数字源)读取指令和/或数据的装置50，例 如，软盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)驱动器或任何其它包括网络连接 装置的数字装置(比如以太网装置)，以及待开发的数字装置。按照另一种实施方式，计算 机36执行保存在固件(未示出)中的指令。对计算机36进行程控，以执行本文所介绍的 和本文所用到的功能，术语"计算机"并不仅限于本领域中称为计算机的集成电路，而是广 义地指计算机、处理器、微控制器、微型计算机、可程控逻辑控制器、专用集成电路和其它的 可程控电路，并且这些术语在本文中可互换使用。
附图3是患者前准直器62和CT成像系统10的门架12局部的实施方式的示意 图。X射线束16从焦点60发出，x射线源14位于该焦点60上。X射线束16由准直器62 准直，并且经准直的扇形射束64沿着中心位于该经准直射束64中的扇形射束轴经过对象 66朝向检测器阵列18投射。检测器阵列18是以距离焦点60的固定半径弯曲的。 附图4是表示可应用于CT成像系统10中的各种不同类型的准直器的实施方式并 且表示不同类型的准直器的应用效果的示意图。如果准直器62给出小尺寸(比如沿着z 轴的宽度)的线形或矩形孔径70，那么经准直的射束64的投影将会在检测器阵列18上形 成x射线束轮廓72。如果准直器62的孔径宽度沿z轴增大，那么x射线束轮廓72将会沿 着x轴扩展为中凸的曲线，以致产生了 x射线束轮廓74。经准直射束64中的每条x射线照 射在z轴位置上的检测器阵列18中的检测器元件20上。不过，由于检测器元件20 —般是 矩形的，因此x射线束轮廓74的阴影部分76和78不会照射在检测器元件20上。因此，对 象66不必要地受到了造成无用部分76和78的x射线束16的照射。
而且，部分76和78还可能会在由x射线束轮廓74重构的图像上产生假象。焦点 60与准直器62之间的距离80与x射线束轮廓74上的点82相对应，而焦点60与准直器 62之间的距离84与x射线束轮廓74上的点86相对应。距离80短于距离84，其结果造成 了假象的产生。而且，随着准直器62的孔径70的宽度进一步沿着z轴增大，形成了具有阴 影部分90和92的x射线束轮廓88，与x射线束轮廓74相比，这些阴影部分引入了更高数 量的假象。
当准直器62包括一个具有例如沿着x轴的斜面的锥形或斜面孔径94时，经准直 射束64的投影在检测器阵列18上形成了一个x射线束轮廓96。对孔径94的锥度进行设 置，使得x射线束轮廓96对应于孔径94的预定尺寸(比如沿着z轴的宽度)是矩形的。而 且，可以针对孔径94的各种不同的尺寸，改变孔径94的锥度，以使该锥度最佳。不过，制造 具有可变锥度的孔径94是很困难的，因为孔径94表面的光滑程度不是很容易就能达到的。 如果x射线束轮廓98是由借助不具有所述光滑程度的准直器62加以准直的x射线束16 产生的，那么x射线束轮廓98将会包括阴影部分100、 102、 104和106。部分100、 102、 104
6和106会在由x射线束轮廓98产生的图像中引入假象。
而且，随着准直器62的孔径94尺寸的增加，将会产生具有阴影部分110和112的 x射线束轮廓108。部分IIO和112具有比部分100、102、104和106大的面积。与由x射 线束轮廓98产生的图像相比，部分110和112会在由x射线束轮廓108产生的图像中引入 更多的假象。随着准直器的孔径尺寸增大而造成的假象的引入，致使很难提供准直器62的 孔径94尺寸的适当范围。而且，随着孔径70和94尺寸的增大，用于吸引x射线束16的准 直器62的质量将会变得过大。
附图5表示用于减小辐射剂量的系统120的实施方式。系统120包括位于焦点60 上的x射线源14、准直器122和检测器阵列18。准直器122在沿着y轴的方向上等高。准 直器122包括沿着z轴受到线性驱动的凸轮，用于产生不同尺寸的孔径，比如不同宽度的孔 径。孔径124是由准直器122的凸轮形成的孔径的一个例子。在进行扫描之前，由一个线 性驱动机构(比如螺杆)将凸轮驱动到一个预设位置上，以形成凸轮之间的预设孔径。为 了在扫描期间改变预设孔径的尺寸，使用了一个压电驱动机构来定位所述凸轮。 X射线源14朝向准直器122发射x射线束16。准直器122对x射线束16进行准 直或约束，以产生经准直的射束126。经准直的射束126落在检测器元件20上并且形成一 个x射线束轮廓128。 X射线束轮廓128是经准直的射束126的投影。对于所有的尺寸，比 如宽度，由准直器122的凸轮形成的孔径的x射线束轮廓128的曲率都是最小的。 准直器122的曲率半径与检测器阵列18的曲率半径成比例。作为例子，检测器 阵列18在点130上的曲率半径是x+y厘米(cm)，其中x是准直器122在距离焦点60为距 离132处的曲率半径，并且其中x和y是大于零的实数。在这个例子中，检测器阵列18在 点134处的曲率半径是m+y cm，其中m是准直器122在距离焦点60为距离136处的曲率半 径，并且其中m是大于零的实数。准直器122和检测器阵列18的曲率半径是从焦点60测 得的。与距离80和84不同，距离132近似等于距离136，因为准直器122的轮廓与检测器 阵列18的轮廓相匹配。
附图6表示在用于辐射剂量的系统和方法中使用的准直器150的实施方式。准直 器150包括闸刀片或板152和154。闸刀片152和154可以具有诸如正方形、矩形、多边形、 圆形和椭圆形之类的形状。每个闸刀片152和154具有各自的外表面156和158以及各自 的内表面160和162。闸刀片152的内表面160具有与外表面156不同的锥度或斜度，并 且闸刀片154的内表面具有与外表面158不同的锥度。按照另外一种实施方式，表面156、 158、160和162中的任何一个都具有与其余的表面不同的锥度。闸刀片152和154可以具 有相同或不同的尺寸。枢轴臂163支撑着闸刀片152，而枢轴臂165支撑着闸刀片154。 闸刀片152和514局部闭合，但是彼此之间并不重叠，如立体图164所示，以在闸 刀片152和154的内表面160和162之间形成具有大宽度的孔径。具有大宽度的孔径的一 个例子是这样一个孔径其x射线束轮廓在检测器阵列18上具有大于30mm的宽度。当闸 刀片152和154局部闭合以获得具有大宽度的孔径时，外表面156和158之间的距离大于 内表面160和162之间的距离。可以针对具有大宽度的孔径对内表面160和162的锥度进 行优化。
另一种方案是，闸刀片152和154局部闭合而不彼此重叠，以在闸刀片的外表面 156和158之间形成具有中等宽度的孔径。如果闸刀片152和154处于立体图164中所示的位置上，这些闸刀片是彼此重叠的，并且彼此跨接，从而在这些闸刀片的外表面156和158 之间形成了具有中等宽度的孔径。具有中等宽度的孔径的一个例子是这样一个孔径其x 射线束轮廓在检测器阵列18上具有lmm到30mm的宽度。当闸刀片152和154局部闭合以 获得具有中等宽度的孔径时，内表面160和162之间的距离大于外表面156和158之间的 距离。可以针对中等宽度的孔径对外表面156和158的外表面的锥度进行优化。 按照再有的另外一种实施方式，闸刀片154包括一个缝166，或者一个具有小宽度 的孔径，x射线束16穿过该孔径或缝，以在检测器阵列18上形成x射线束轮廓。具有小宽 度的孔径的一个例子是这样一个孔径其x射线束轮廓在检测器阵列18上具有大约lmm的 宽度。另外一种可选方案是，凸轮162具有缝166。
每个闸刀片152和154与各自的轴168和170相连接，这两个轴168和170与各 自的电机172和174相连。电机172和174为闸刀片152和154提供旋转运动，从而使得 这些闸刀片能够彼此重叠和跨接。另外一种可选方案是，使用线性驱动机构来操纵闸刀片 152和154。不过，电机172和174与线性驱动机构相比，不易发生磨损和损伤。 附图7表示在用于减小辐射剂量的系统和方法中使用的准直器180的另一种可选 实施方案。准直器180包括板或闸刀片184和186的第一组182和板或闸刀片190和192 的第二组188。板184和186可以具有诸如正方形、矩形、多边形、圆形和椭圆形之类的形 状。板184与186借助一个铰链194彼此相连，从而使得板184和186彼此相对运动。板 190和192按照与板184和186相同的方式相连。内部驱动器(由箭头196和198以及方 块200和202表示)控制组182和组188之间形成的孔径的额定宽度，例如，末端的宽度。 外部驱动器(由箭头204、206、208和210以及方块212、214、216和218表示)，例如沿着z 轴，调整组182和组188之间形成的孔径的锥度或斜度。对于在组182和188之间形成的 所有额定孔径，可以在检测器阵列18上产生最佳的x射线束轮廓。
本文介绍的系统和方法的技术效果包括，在支持大范围孔径的同时，减小形成在 检测器阵列18上的x射线束轮廓的弯曲度。例如，准直器150在减小x射线束轮廓的弯曲 度的同时，提供了大、中、小三种宽度的孔径。要注意，虽然本文所介绍的CT成像系统10是 x射线源14和检测器阵列18都随门架12 —起旋转的"第三代"系统，但是也可以使用很多 其它的CT成像系统(包括检测器是完整环形静态检测器并且x射线源与门架一起旋转的 "第四代"系统)。还要注意，虽然在附图1、2、3、4和5中给出了成弯曲状的检测器阵列，但 是也可以取而代之，使用线性或直线形的检测器阵列。例如，准直器150将x射线束16准 直成在线性检测器阵列上投影出x射线束轮廓。按照另一种情况，准直器180将x射线束 16准直成在线性检测器阵列上投影出x射线束轮廓。
虽然本发明是依据各种不同的具体实施方式
加以介绍的，但是本领域的技术人员 将会发现，本发明可以按照处于权利要求
书的思想和范围之内的修改方案来具体实现。
权利要求
一种成像系统，包括门架；辐射源，构成为用于产生射束；准直器，构成为用于对所述射束进行准直，以产生经准直的射束；和检测器阵列，构成为用于检测所述经准直的射束，其中所述辐射源、准直器和检测器阵列安装在所述门架上；其中所述准直器与所述检测器阵列分隔开并且包括凸轮，并且所述准直器被成形为具有与所述检测器阵列的曲率半径成比例的曲率半径；检测器阵列在该检测器阵列上的一点(130)上的曲率半径是x+y厘米，其中x是准直器在距离成像系统的焦点(60)为一距离(132)处的曲率半径，并且其中x和y是大于零的实数，检测器阵列在该检测器阵列上的另一点(134)处的曲率半径是m+y厘米，其中m是准直器在距离焦点(60)为另一距离(136)处的曲率半径，并且其中m是大于零的实数，其中所述准直器的曲率半径和所述检测器阵列的曲率半径是从焦点(60)测得的，其中所述一距离(132)等于所述另一距离(136)，因为准直器的轮廓与检测器阵列的轮廓相匹配。
2. 按照权利要求
l所述的成像系统，其中，所述准直器(122)的弯曲轮廓和所述检测器 阵列(18)的弯曲轮廓是同心的。
3. 按照权利要求
l所述的成像系统，还包括线性驱动机构，构成为用于在进行扫描之前驱动所述凸轮以形成所述凸轮之间的预设 孔径(124)，其中所述预设孔径(124)具有一个尺寸；禾口压电驱动机构，构成为用于在扫描期间改变所述凸轮之间的预设孔径(124)的尺寸。
4. 按照权利要求
1所述的成像系统，其中，所述准直器位于对象与所述辐射源之间。
5. 按照权利要求
1所述的成像系统，其中，所述准直器构成为在垂直于由所述辐射源 的射束形成的平面的方向上移动。
专利摘要
本发明公开了一种成像系统，该成像系统包括辐射源，构成为用于产生射束；准直器，构成为用于对所述射束进行准直，以产生经准直的射束；和检测器(18)，构成为用于检测所述经准直的射束。所述准直器是下述之一第一准直器(122)，具有与检测器(18)的轮廓成比例的弯曲轮廓；第二准直器(150)，带有闸刀片(152，154)，其中所述闸刀片(152，154)中的至少一个的两个相面对的表面(160，162，156，158)的斜度彼此不同；和第三准直器(180)，具有至少两组板(184，186，190，192)，一组中的所述板(184，186，190，192)彼此相对枢转。
文档编号A61B6/03GKCN1618402 B发布类型授权 专利申请号CN 200410089991
公开日2010年5月26日 申请日期2004年10月28日
发明者史蒂文·G·罗斯, 威利·W·汉普尔, 布鲁斯·M·邓纳姆, 托马斯·L·托特 申请人:Ge医药系统环球科技公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (2),