在x射线系统中的散射补偿的制作方法

专利名称：在x射线系统中的散射补偿的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及在X射线系统中的散射补偿，更特定地，涉及到用于实时补偿在单平面和双平面X射线系统中由散射造成的对比度损失的方法和设备。
X射线成像系统通常被用于医疗诊断目的和用于非破坏性地检查各种结构的内部组成。参照

图1，典型的单平面X射线成像系统包括X射线源2和图像检测器3。X射线源2由包括高压发生器5和控制单元6的X射线生成器馈送。位于X射线源2和图像检测器3之间的病人或试样4被X射线束1照射，以及试样4的各个组成部分将使辐射衰减。图像检测器检测被衰减的辐射，并且代表透过试样4的辐射的强度分布的电信号被生成。电信号然后被用来在适当的监视器上(未示出)建立试样4的受到曝光的部分的图像。自动曝光控制(AEC)装置(未示出)通常被用于影响对象4所接受的辐射剂量的自动控制。
参照图2，典型的双平面X射线成像系统被安排成在两个通常(近似)垂直的方向上得到对象4的图像即，前(前-后或AP)视图和侧(横向)视图。因此，所显示的系统包括前X射线源2a和横向X射线源2b，其每个生成相应的X射线束1a，1b，这些射线束的轴基本上互相垂直。对象4受到X射线束1a，1b照射，以及相应的图像检测器3a，3b检测透过对象4的辐射的强度，并生成代表它们的相应的电信号7a，7b。然后利用电信号7a，7b建立图像，并在适当的监视器(未示出)上显示。
在所有的X射线成像系统中，检测到的辐射的总通量不单包含未与被成像的衰减对象4的各组成部分交互作用的光子，而且也包含辐射散射。因此，参照图1和3，透过被成像对象4并入射到图像检测器3的X射线8不单包含主X射线，而且也包含由所检查的对象4散射的X射线。这样的散射至少在原理上发生在所有的方向，所散射的X射线构成了在透过的X射线图像中使对比度和分辨率恶化的主要原因之一。在图1所示的单平面系统中，当X射线束1透过对象4时，就发生了主散射10。在诸如参照图2描述的和在图3上显示的双平面系统中，当X射线束1透过对象4时，也发生主散射10a(10b)。然而，另外，在入射到图像检测器3a上的波束8a中散射的X射线也包括从相反的X射线束1b发源的散射(“后向散射”)10b，以及在入射到图像检测器3b上的波束8b中散射的X射线也包括从相反的X射线束1a发源的散射10a。这会引起附加的问题，特别是如果前向平面和横向平面同时起作用，包括由主散射和后向散射造成的对比度的降低。
减小X射线散射的最通常的方法是抗散射网格，它是具有一系列平行地排列的铅叶片的装置，该叶片优先吸收散射的辐射，并基本上传送通过非散射的辐射。对于在双平面系统中由散射引起的问题的另一个已知的解决方案是在每个面上交替地照射对象，由此避免在两个X射线束之间的相互作用，和因此减小对比度损失。然而，对于具有固定的整体化窗口的检测器，有效的帧速度或最大曝光时间被减小，由此减小信号噪声比。
在替换的已知的解决方案中，散射可以通过使用基于散射模型的软件仿真而被补偿。沿类似的方向，美国专利No.6,633,626建议使用散射校正算法来消除在X射线乳房照相成像中使用抗散射网格的需要。描述了一种用于去除图像上的散射体的方法，包括以下步骤获取感兴趣的目标的数据和使用迭代公式，包括与厚度有关的核心调制因子以重建要被成像的对象的图像。
然而，这种类型的散射补偿在实现时可能相对较慢，所以，通常不特别适用于实时应用。
本发明的目的是提供在X射线成像系统(和相应的X射线成像方法)中使用的、用于补偿X射线成像系统中的散射的方法和系统，它适合于在单平面和多平面系统中使用，以实施在实时条件下的散射补偿。
按照本发明，提供了一种X射线成像系统，包括X射线源，用于生成主X射线束；图像检测器，用于检测和生成代表透过位于所述X射线源与所述图像检测器之间要被成像的对象的辐射的电信号；和校直装置，被提供在所述X射线源与要被成像的所述对象之间，用于校直所述主X射线束，所述图像检测器具有规定的工作区域和所述校直装置被安排和被配置成校直所述主X射线束，以使得透过所述对象的所述辐射入射到所述图像检测器的所述工作区域的一部分；以及用于根据处在所述透射的辐射所入射的所述工作区域的区域的外面相对于所述图像检测器的所述工作区域的一部分生成的信号来确定散射水平的装置。
本发明提供一种机制，由此在单平面X射线成像系统中由主散射造成的和在双平面X射线成像系统中由主散射和后向散射造成的有害的影响(包括最重要的对比度减小)可以被实时地补偿，并具有这样的附加的优点在双平面系统中，各平面可以(至少部分地)同时被驱动，以使得能够使用更大的曝光时间或更高的帧速度。
因此，X射线成像系统可包括单平面或多平面(例如，双平面)X射线成像系统。在本发明的一个示例性实施例中，校直装置可包括一个或多个快门，它们规定一个可选择地闭合的开孔，X射线束传送通过该开孔去照射对象。优选地，由一个或多个快门规定的开孔具有小于图像检测器的工作区域。在优选实施例中，透过对象的辐射被安排成基本上集中地入射在图像检测器的工作区域，由此规定在图像检测器的工作区域的边缘处的工作边界，它可以或不一定具有基本上均匀的宽度，其中在所述工作边界内测量散射或以其它方式确定散射。散射水平可以通过获取由所述图像检测器在所述工作边界处生成的一个或多个电信号，然后或者确定平均值或者对所述信号应用迭代算法而被确定。事实上，用来确定图像上散射分布的工作区域的部分的形状取决于散射分布本身、被使用来确定图像上这样的散射分布的算法、和所需要的补偿的程度和精度。作为例子，球形目标可以引起相当均匀的散射图案，在这种情形下，有可能测量散射分布以用作为补偿算法的输入。事实上，对于每种应用可以确定一个最佳解决方案。
X射线成像系统有利地包括用于显示所述对象的图像的装置，由此用于确定所述散射水平的图像检测器的工作区域的部分在所述显示装置上从用户的视野中被屏蔽。
另外，按照本发明，提供了一个用于补偿在使用以上规定的X射线成像系统而得到的图像上的散射的系统，该图像包括从入射到图像检测器的工作区域的辐射所产生的多个画面单元，该系统包括用于接收代表由所述散射水平确定装置确定的散射水平的数据的装置，和用于按照所述散射水平调节每个所述画面单元的装置。
再次地，按照本发明，提供了补偿在通过使用以上规定的X射线成像系统得到的图像上的散射的方法，图像包括从入射到图像检测器的工作区域的辐射所产生的多个画面单元，该方法包括接收代表由所述散射水平确定装置确定的散射水平的数据，和按照所述散射水平调节每个所述画面单元。
在本发明的一个示例性实施例中，散射水平测量可以直接施加到各画面单元以便实施散射补偿。因此，系统可包括用于生成代表散射水平的电信号，和用于从代表透过对象的辐射的所述电信号中减去该电信号的装置。
替换地，或附加地，由散射水平测量装置实施的散射水平测量值可被用来生成和/或改进散射补偿值以便在3D图像处理算法中使用，该3D图像处理算法具有在最终得到的三维图像重建中减小人工产物的附加好处(即，较小的翘曲，较少的条纹)。因此，在第一示例性实施例中，可以提供用于得到相对于所述图像的单一散射水平的装置和调节至少某些(和优选地，每个)所述画面单元以补偿所述单一散射水平的装置。替换地，可以提供这样的装置以用于生成规定在所述图像相对于每个所述画面单元的估计散射水平的图案的散射分布图，和按照由所述散射水平确定装置所确定的一个或多个散射水平来调节所述所述分布图。正如本领域技术人员将会看到的，这样的散射分布图例如可以通过使用代表由X射线源施加到对象的辐射剂量的数据和一个算法的散射模型而生成。
通过参照这里描述的实施例将明白和阐述本发明的这些和其它方面。
现在参照附图和仅仅作为例子描述本发明的实施例，其中图1是显示单平面X射线成像系统的主要部件的示意图；图2是显示双平面X射线成像系统的主要部件的示意图；图3是图2的双平面系统的示意图，显示在其中发生的散射的成分；图4是显示按照本发明的示例性实施例的X射线成像系统的主要部件的示意性正视图；图5是图4所示的部件的示意性平面图；以及图6是显示在按照本发明的示例性实施例的X射线成像系统中主要采用的散射补偿的示意性流程图。
参照图4和5，按照本发明的示例性实施例的X射线成像系统包括用于生成X射线束1的X射线源2，由此一个平的图像检测器3被提供来用于检测透过要被成像的对象4的辐射8，正如参照现有技术描述的。
形成校直器装置的部件的快门12是在X射线源2与要被成像的对象4之间提供的，用于校直X射线束1。图像检测器3具有工作区域14，用于接收辐射和生成代表辐射的图像强度的电信号。包括快门12的校直装置被安排成和被配置成生成其面积略小于图像检测器3的工作区域14的面积的照射的X射线束。因此，经衰减的X射线束8的图像强度在图像检测器3的工作区域14的基本上中心部分14a被测量。图像检测器的工作区域14的其余的边界14b被用来测量相对于入射在其上的经散射的辐射10的散射水平。纯粹作为例子，设想用于心脏X射线成像应用的适当的辐射测量面积14a可以是约为2cm2，具有比如说1个像素的散射测量边界14b。本领域技术人员将会看到，当X射线系统相对于对象改变角度时，测量边界14b相对于图像检测器的工作区域14的位置也可以随之改变，处理这个问题的补偿技术(例如，机械或电子的读出补偿技术)是已知的。
这个散射水平例如可以根据平均值，或通过使用迭代算法进行计算。然而，其它适当的方法对于本领域技术人员也是显而易见的。在任何情况下，和另外参照图6，一个代表在图像检测器3的工作区域14中被检测的辐射的图像矩阵100被接收，并且被划分成两个组成部分从在图像检测器3的工作区域14的中心部分14a上检测到由辐射产生的主要部分100a，和从在图像检测器3的边界14b上检测到由散射产生的散射部分100b。主要部分100a被处理以便生成电的图像信号7，如现有技术那样。散射部分被处理(在102)以便测量散射水平(使用任何适当的方法，如上所述)，并随之生成代表该散射水平的电信号104。散射信号104从图像信号7中被减去以生成经散射补偿的图像信号106，它被用来建立一个被显示的图像，其中图像检测器3的工作区域14的散射测量边界14b在最后显示的图像上优选地从用户的视野中(使用图像处理技术)被屏蔽。测量在测量边界14b上的散射(强度)水平的适当的方法是计算这个信息的平均值和从视频图像中(至少部分地)减去这个平均值。更复杂的可能性包括确定散射图像(空间散射成分)和从图像中减去它。这可以使用或不用来自系统的附加信息而完成。
从旋转扫描的三维(3D)目标重建具有它的目的，即从图像检测器3的工作区域14中检测到的辐射产生的二维投影来确定它的3D立体像素的每个立体像素的衰减。这种类型的三维图像重建也受到在投影中存在的散射的影响散射把直流(或低频)分量附加到投影中，以及由于衰减通常通过对投影取对数被确定，因此非线性散射分量破坏衰减测量[即，log(主辐射+散射辐射)，而不是log(主辐射)]，引起对病人衰减的低估，特别是在病人的中心部分，尽管在边界处不太严重(由于在边界处，主辐射＞＞散射)。特别地，软组织成像(这非常像CT成像)受到由在二维投影中存在的散射引起的不精确性的影响，因为它的目的是要显示在例如脂肪与肌肉或血管与大脑物质之间的发生的衰减的细小差别。上述对衰减的低估使得它非常难以选择一个灰度窗口以观看允许在整个切片上看到的小的衰减差别的重建图像。这种影响(即，在中间部分比起边缘处灰度级别更低)被称为“翘曲”。另外，散射给投影增加了噪声，这导致重建图像中的噪声，也使得在最终得到的3D重建图像中更难看出衰减的差别。
上面建议的散射测量技术可被用来为散射分量校正从在图像检测器3的工作区域14的中心部分14a检测的辐射产生的二维投影，以便实施更加精确的3D图像重建。然而，虽然在散射补偿中散射测量和测量值的直接应用会减小上述的“翘曲形状”效应，但噪声没有很大的减小。在3D图像重建领域中至少与噪声减小一样重要的是人工产物的减小(即，在3D图像中达到较少的条纹和较小的翘曲形状)，所以，处理这个问题的更复杂的可能性包括在3D图像处理技术中使用基于图像的散射算法。最简单的方法例如可包括取单一散射强度值(在图像检测器3的工作区域14的边界处测量)和对散射应用图像处理技术来校正二维投影中所有的像素。这是相当精确的技术，因为散射只在投影的暗的像素中是主要的。由辐射直接照到的像素的散射作用是相当小的。更复杂的可能性包括确定“散射图像”或散射分布图(代表在整个图像的像素上的空间散射成分)，以及使用在图像检测器3的边界14b上检测到的散射强度，以改进这个散射分布图。例如，与已知的引入(辐射)剂量和(已知的)散射模型相组合的二维投影可用来估计散射，该散射模型可以通过从图像的边缘(即，边界14b)得到的测量值加以改进。
在本发明的一个示例性实施例中，可能希望从图像信号7中减去整个散射水平信号104以得到散射补偿的图像信号106。另一方面，可能宁愿只对散射作部分补偿。在全部或部分散射补偿之间的选择多半取决于与用于测量散射分布的工作区域的该部分的形状相同的因素，包括图像内容和所采用的散射测量算法，正如本领域技术人员将会看到的。对采取全部还是部分散射补偿的考虑主要根据补偿的可达到的精度。换句话说，如果散射补偿的精度是有限的，则部分补偿将避免图像中的人工产物。
本发明相对于现有技术提供了散射补偿的重大的优点。特别是对于仅可得到非常短的X射线曝光窗口的双平面X射线成像系统，通过本发明的机制，有可能(在两个面)达到同时辐射(因为来自相反的面的辐射也可以被补偿)，由此能以较小的噪声和较低的kV电源要求提供较大的曝光时间。然而，本发明对于单平面成像系统，特别是在其中需要用相对较高的分辨率和对比度为相对较小的特征的儿科医学(paediatric)成像应用的情形下，提供同样宝贵的优点。在这两种情形下，都不需要附加信息来实施散射补偿，而且本发明提供实施实时散射补偿的能力，这使得它同样适用于例如在荧光透视等的处理过程中图像内容在运行期间会发生改变的各种应用。
所建议的散射补偿的方法也可用来把散射排除在自动厚度校正(ATC)之外，该ATC是一个用来在辐射期间(例如在荧光透视法期间)确定病人的厚度的系统的一部分，该确定过程是通过以下步骤实现的测量病人输入剂量水平(由X射线管电压和电流以及曝光时间确定)、测量病人输出剂量水平(由检测器剂量水平确定)、使用实际的X射线管电压作为参数来计算病人厚度(按水的等效物)、然后计算下一个辐射序列(运行或单次照射)的最佳开始参数(管电压、管电流等等)，同时考虑一个确定的检测器剂量水平、X射线管能力等等。同样地，所建议的散射补偿的方法也可以用于组合存储效应校正应用，在其中特别是当荧光透视运行通过高的剂量曝光运行进行时，在荧光透视中具体可看见的、在平面X射线检测器中的存储效应得到补偿。
通过相对于X射线图像估计散射分布的形状(即，不用得到绝对值或散射水平测量值)而实现散射校正的系统是已知的。例如，欧洲专利No.0358268描述一种系统，其中根据由模拟X射线检测器图像信号产生的数字图像信号生成图像矩阵，然后，图像矩阵通过与点扩展函数进行卷积而被变换，并根据局部强度值施加加权因子，并且从图像矩阵中减去经变换的图像矩阵(它代表估计的散射分布)。本发明还可另外地通过直接使用从测量边界14b得到的散射水平测量值而实施散射补偿和/或通过使用藉助于本发明可得到的绝对值来更精确地产生加权因子和/或点扩展函数从而进一步改进或补充这种类型的技术。
应当指出，上述的实施例是显示而不是限制本发明，以及本领域技术人员将能够设计许多替换实施例而不背离如由所附权利要求规定的本发明的范围。在权利要求中，在括号中的任何标号不应当认为限制权利要求。单词“包括”等不排除除了在任何权利要求或技术说明书中作为整体地列出的单元或步骤以外的单元或步骤的存在。一个单元的单独的标号并不排除这样的单元的多个标号以及反之亦然。本发明可以藉助于包括几种不同的元件的硬件和藉助于适当地编程的计算机来实施。在枚举几个装置的设备权利要求中，几个这样的装置可以由同一个硬件项被实施。某些措施在互相不同的附属权利要求中被引述的事实，并不表示这些措施的组合不能被用来获得好处。
权利要求
1.一种X射线成像系统，包括X射线源(2)，用于生成主X射线束(1)；图像检测器(3)，用于检测和生成代表透过位于所述X射线源(2)与所述图像检测器(3)之间要被成像的对象(4)的辐射(8)的电信号(7)；校直装置(12)，被提供在所述X射线源(2)与要被成像的所述对象(4)之间，用于校直所述主X射线束(1)，所述图像检测器(3)具有规定的工作区域(14)且所述校直装置(12)被安排成和被配置成校直所述主X射线束，以使得透过所述对象(4)的所述辐射(8)入射到所述图像检测器(3)的所述工作区域(14)的一部分(14a)；以及用于根据处在所述透射的辐射(8)所入射的所述工作区域的该区域(14a)的外面相对于所述图像检测器(3)的所述工作区域(14)的一部分(14b)生成的信号(100b)来确定散射水平的装置(102)。
2.按照权利要求1的系统，其中所述校正装置包括一个或多个快门(12)，它们规定可选择地闭合的开孔，X射线束(1)透过该开孔而照射对象(4)。
3.按照权利要求2的系统，其中由所述一个或多个快门(12)规定的所述开孔具有小于图像检测器(3)的工作区域(14)的面积。
4.按照权利要求1的系统，其中透过对象(4)的辐射(8)被安排成基本上集中地照射在图像检测器(3)的工作区域(14)，由此规定了在图像检测器(3)工作区域(14)边缘处的工作边界(14b)，散射在所述工作边界(14b)内被测量或以其它方式被确定。
5.按照权利要求1的系统，包括用于显示所述对象(14)的图像的装置，由此用于确定所述散射水平的图像检测器(14)的工作区域(14)的该部分(14b)在所述显示装置上从用户的视野中被屏蔽。
6.一种用于补偿在通过使用按照权利要求1的X射线成像系统得到的图像上的散射的系统，所述图像包括从入射到所述图像检测器(3)的工作区域(14)的辐射产生的多个画面单元，该系统包括用于接收代表由所述散射水平确定装置确定的散射水平的数据(100b)的装置(102)，和用于按照所述散射水平调节每个所述画面单元的装置。
7.按照权利要求6的系统，包括用于生成代表所述散射水平的电信号(104)的装置(102)，和用于从代表透过所述对象(4)的所述辐射(8)的所述电信号(7)中减去代表所述散射水平的电信号(104)的装置。
8.按照权利要求6的系统，包括用于得到相对于所述图像的单独的散射水平，和调节至少某些所述画面单元以补偿所述散射水平的装置。
9.按照权利要求6的系统，包括一种装置，该装置用于生成规定了相对于所述图像的每个所述画面单元的估计的散射水平的图案的散射分布图，以及按照由所述散射水平确定装置确定的一个或多个散射水平来调节所述散射分布图。
10.按照权利要求9的系统，其中散射分布图是通过使用代表由所述X射线源(2)施加到所述对象的辐射剂量的数据和一个算法散射模型而生成的。
11.一种补偿在通过使用按照权利要求1的X射线成像系统得到的图像上的散射的方法，所述图像包括从入射到所述图像检测器(3)的工作区域(14)的辐射产生的多个画面单元，该方法包括接收代表由所述散射水平确定装置确定的散射水平的数据(100b)，和按照所述散射水平调节每个所述画面单元。
全文摘要
在X射线成像系统中，散射补偿是这样达到的提供具有快门(12)形式的校直装置以校直主X射线束(1)使得透过要被成像的对象(4)的辐射(8)基本上在中心入射到所述图像检测器(3)的工作部分(14)，以便规定一个工作边界(14b)，相对于该工作边界(6)可以测量散射水平。从代表透过对象的辐射(8)的电信号(7)中减去代表散射水平的电信号(104)，得到散射补偿的图像信号(106)。
文档编号G01T1/164GK101065685SQ200580040154
公开日2007年10月31日 申请日期2005年11月17日 优先权日2004年11月23日
发明者J·H·M·朱斯滕, N·努尔德霍克, H·斯特格休斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司