基于CT球管中灯丝电流校准的CT系统及其校准方法与流程

本发明属于医疗系统领域，具体涉及计算机断层成像系统中的 CT球管中的灯丝电流的校准方法和系统。

背景技术

X射线是一种波长极短，能量很大的电磁波，X射线的波长比可见光的波长更短，它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。X 射线目前广泛应用于医学成像诊断。

CT球管放射X射线，X射线经过人体衰减到达探测器，通过计算机断层成像技术实现了由投影数据到人体断层图像的重建。

CT球管是计算机断层成像系统中最核心的关键部件之一，CT球管实际上是一个大的高真空的阴极射线二极管，具有阴极和阳极，在阴极上设置有灯丝。在CT球管的工作过程中，通过向阴极灯丝加电流，使得灯丝加热并产生自由电子云集，再向阴阳两极加高电压，由于阴阳两极电势差陡增，在高压强电场驱动下，阴极灯丝上处于活跃状态的自由电子束将向阳极钨靶撞击并发生能量转换，一部分电能被转换成X射线由窗口发射，另一部分电能被转换成热能由散热系统散发。其中，供给阴极灯丝的电流称为灯丝电流，阴阳两极之间的电压称为球管电压，而灯丝加热产生的电子在阴阳两极高压电场作用下向阳极高速运动而形成的电流称为球管电流(也称mA)。

每个CT球管在使用之前，需要对管电流与灯丝电流之间的对应关系进行校准，目前常用的方法包括如下：

一是通过在灯丝电流的每个工作点上进行曝光，测试得到相应的管电流值，由于工作点数量多，所以需要通过大量的测试才能获得管电流与灯丝电流之间的对应关系，实现X射线管的灯丝电流的校准，因此目前的这种方法存在曝光点太多、数据量太大等的缺点，存在浪费X射线管的寿命的问题；

二是直接使用厂商提供的相关参数，该参数相对于上面过程，无需校正，但准确度、精度方面略差，因为球管厂家提供的灯丝电流配合的高压系统与医疗器械厂商自己使用的高压系统很可能不同，因此在高压系统中灯丝电流的调制方式也有所区别；

三是使用部分扫描条件进行计算，但是仍然将系统的预热、训管与灯丝电流校正作为不相干涉的独立系统使用，同时，随着前面灯丝电流的收敛情况，后续的独立灯丝电流校正条件应该更加精准，迭代速度更快，但是目前看到的设计方案中没有对应的相关优化方案。

技术实现要素：

本发明目的包括如下：解决实际扫描重建时，灯丝电流稳定时间过长导致的病人遭受的额外剂量；解决传统灯丝电流对厂家参数的过度依赖，同时对灯丝电流的校正曝光次数过多的问题；从系统级别优化解决灯丝电流校正的流程与效率；从系统级别解决系统在临床使用过程中如何在灯丝电流出现问题时及时预警的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于CT球管中灯丝电流校准的CT系统，包括

主机，负责系统与用户的交互，将用户需要的工作流下发到整个系统，并将结果反馈给用户；

CT机架固定端，负责接收主机下发的指令，负责控制整个硬件系统的工作；

CT机架旋转端，接收经过滑环传递过来的CT机架固定端下发的指令；

校正系统，负责CT系统的整体校正和校准工作，通过对CT系统各部件的调整，使CT系统工作在一个良好的状态，同时根据CT系统的特性，校正产生一系列校正表，校正表用于重建系统的预处理阶段，使得CT系统产生具有低噪声、高对比度的断层图像；

数据采集系统，负责接收主机的数据采集指令，负责接收硬件通过DMS产生的原始生数据，并存储到硬盘上；

建像系统，负责接收主机的重建指令，读取数据采集系统采集得到的原始生数据，使用校正系统产生的校正表，通过计算机断层成像技术重建图像，反馈给主机；

工作站，主机在接收到重建系统重建的图像后可以根据用户的需求发送到工作站上，用于诊断。

优选地，主机下发扫描工作流给CT机架固定端，下发建像工作流给建像系统；下发校正工作流给校正系统；并对以上各部件的反馈显示给用户，存储结果到数据库、文件、服务器。

优选地，所述CT机架固定端包括扫描床系统和旋转电机，是CT 硬件的核心大脑，负责整体的调度工作；所述CT机架旋转端包括准直器控制系统、DMS数据采集系统、高压控制系统、球管，CT机架旋转端作为CT硬件的核心计算单元，通过高压控制系统的曝光及DMS 系统的数据采集，产生重建系统所需要的数据，经过滑环，再经过数据采集卡传递给数据采集系统，进而应用于重建系统进行图像预处理以及重建。

一种CT球管中灯丝电流的校准方法，包括下述步骤：

1)获取第一校正条件；

2)根据第一校正条件曝光并计算合适的灯丝电流数值；

3)采样处理得到一系列合适的灯丝电流数值；

4)根据部分灯丝电流数值拟合得到系统所有的灯丝电流数值；

5)通过CT系统中的训管优化灯丝电流校正时间；

6)通过CT系统中的日常扫描预热协议进行灯丝电流校正预警显示。

优选地，所述步骤1)获取的第一校正条件具体是指球管电压数值、球管电流数值和初始灯丝电流数值；所述步骤2)具体是指根据设定的球管电压数值、球管电流数值、初始灯丝电流数值进行曝光，并根据反馈的灯丝电流数值曲线，计算实际的合适的灯丝电流数值。

优选地，所述步骤3)中对系统中所有曝光条件，包括球管电压和球管电流进行采样，选取少量点进行曝光计算，并分别得到对应的合适的灯丝电流数值；所述步骤4)中根据采样曝光计算得到的合适的灯丝电流数值，对其进行非线性拟合，进而得到系统所有曝光条件下的灯丝电流数值。

优选地，所述步骤5)中CT球管的训管操作是系统初始化装机不可缺少的一个环节，将灯丝电流校正的数据采集结合到该过程中，可以将灯丝电流的校正时间大幅度减少；所述步骤6)中CT球管的日常扫描预热协议是系统中使用最频繁的部分之一，将系统在预热时进行灯丝电流部分必要的数据采集，通过判定此时灯丝电流的数值来判定是否需要提示用户进行灯丝电流校正的更新。

一种CT球管中灯丝电流的校准方法，具体步骤如下：

获得球管厂家提供的球管电压、球管电流、球管焦点大小、灯丝电流曲线，统计多台硬件初始的曲线数值，并进行平均计算，作为初始灯丝电流表数值；

获取第一扫描条件，包括球管电压，球管电流、焦点大小和灯丝电流数值，进行曝光，并采集对应的灯丝电流反馈数值，作为第一数据，采集对应的球管电流反馈数值，作为第二数据；

根据第一数据，分析第一数据中的曲线特点，获取第一数据曲线的波峰波谷，记录波峰波谷对应的时间信息；

根据第一数据及第二数据，分析第一数据和第二数据中的曲线特点，获取第一数据中灯丝电流的平稳开始对应的第一时间点，第二数据中的球管电流的平稳开始对应的第二时间点，将第一时间点和第二时间点进行对比，取时间点更早的作为系统曝光稳定的开始时间点；

判定曝光稳定的开始时间点是否小于理想数值，默认为40ms，如果小于，则该灯丝电流已经达到要求，认定该条件下灯丝电流数值合格；

判定曝光稳定的开始时间点是否小于理想数值，默认为40ms，如果大于，则该灯丝电流尚未达到要求，需要迭代曝光以达到收敛条件；

迭代曝光时，灯丝电流数值每次需要进行更新，通过判断波峰波谷出现的位置以及与平稳灯丝电流的绝对差值，判定下一灯丝电流进行调整的方向；

迭代曝光时，灯丝电流每次调整的幅值使用二分法，以保证灯丝电流校正流程收敛和校正速度；

当前条件灯丝电流校正合格后，对系统中的所有采样点进行同样操作，以得到所有采样点的合适灯丝电流；

对所有采样点的灯丝电流进行非线性拟合，得到所有条件下的合适灯丝电流，此处的非线性拟合一般为多项式拟合、指数拟合或者幂函数拟合。

优选地，CT球管中灯丝电流的校准方法，还包括以下步骤：

CT系统中，CT球管按照后需要进行训管操作，已排除球管中的杂气；

训管操作需要进行大量曝光操作，该操作时的曝光条件，包括球管电压，球管电流，曝光次数，能够涵盖多个采样点，其中单个条件下曝光次数的数量保证了在该次数内能够得到收敛；

训管操作时，需要控制数据采集系统，采集与灯丝电流校正同样的曝光数据，并进行迭代计算，获得不同条件下合适的灯丝电流数值；

训管操作结束后，需要根据训管过程中使用的采样点，以及对应的灯丝电流收敛数值，进行非线性拟合，以得到全部条件下的合适灯丝电流；

该方法独创的将灯丝电流校正融入到了其他必不可少的系统校正环节，减少了系统校正时间，节约了校正步骤，优化了系统初始安装时的工序。

优选地，CT球管中灯丝电流的校准方法，还包括以下步骤：

CT系统中，预热是系统进行扫描成像前的必不可少的一个日常步骤；

在预热过程中进行灯丝电流校正相关数据的采集；

对采集到的灯丝电流数据进行判断该灯丝电流是否满足条件，当灯丝电流不满足条件，需要进行迭代更新时，对用户进行预警提示，预警信息为，当前灯丝电流已经出现偏差，对系统进行校正。

本发明具有以下有益效果及优点：

通过灯丝电流校正，使系统扫描快速达到稳定状态，从射线源上保证图像质量；通过对系统的所有扫描条件采样，进行部分扫描条件的灯丝电流校正，然后拟合到所有扫描条件，进而解决传统灯丝电流校正曝光次数过多，校正时间过长的问题；从系统级别优化灯丝电流校正效率，灯丝电流校正和球管训管操作都是CT系统初始安装时必不可少的过程之一，传统情况下，大家都是将二者分开来处理，这样既浪费了使时间，又浪费了球管的曝光次数，将二者进行有机的结合使得灯丝电流过程结合到训管过程中；在系统使用过程中，可以通过对每天的预热过程进行监控，当发现灯丝电流出现问题时，及时告知用户，避免病人接收到额外的不能达到图像质量要求的曝光。

附图说明

图1为本发明中CT系统的部件连线图；

图2为本发明中CT球管灯丝电流的校准方法流程图；

图3为本发明中单条件灯丝电流校正流程图；

图4为本发明中多条件灯丝电流校正流程图；

图5为本发明中训管流程与灯丝电流校正结合流程图；

图6为本发明的预热流程图；

具体实施方式

为更明确的说明本发明的技术方案，实现过程以及相关因素，下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本系统涉及计算机断层成像技术中CT球管灯丝电流的校正方法 (如图2所示)及优化校正流程方案，该方法可以应用于CT系统的灯丝电流校正。

如图1所示，图1展示了第三代CT系统的几个重要组成部分，包括：

主机101，负责系统与用户的交互，将用户需要的工作流下发到整个系统，并将结果反馈给用户；典型的包括下发扫描工作流给CT 机架固定端102，下发建像工作流给建像系统106；下发校正工作流给校正系统104；并对以上系统的反馈显示给用户，必要的存储结果到数据库、文件、服务器等；

CT机架固定端102，负责接收主机101下发的指令，负责控制整个硬件系统的工作，包括CT机架旋转端103，扫描床系统、旋转电机等，是CT硬件的核心大脑，负责整体的调度工作；

CT机架旋转端103，接收经过滑环传递过来的CT机架固定端102 下发的指令，旋转端包括准直器控制系统、DMS数据采集系统、高压控制系统、球管等，CT机架旋转端103相当于CT硬件的核心计算单元，通过高压控制系统的曝光及DMS系统的数据采集，产生重建系统 106所需要的数据，经过滑环，再经过数据采集卡传递给数据采集系统105，进而应用于重建系统106进行图像预处理以及重建；

校正系统104，负责CT系统的整体校正和校准工作，相当于通过对各种CT系统子部件的调整，使CT系统工作在一个良好的状态，同时根据CT系统的特性，校正产生一系列校正表，这些校正表用于重建系统106的预处理阶段，使得CT系统产生具有低噪声、高对比度的断层图像；

数据采集系统105，负责接收主机101的数据采集指令，负责接收硬件通过DMS产生的原始生数据，并存储到硬盘上；

建像系统106，负责接收主机101的重建指令，读取数据采集系统105采集得到的原始生数据，使用校正系统104产生的校正表，通过计算机断层成像技术重建图像，反馈给主机101；

工作站108，主机101在接收到重建系统106重建的图像后可以根据用户的需求发送到工作站108上，用于诊断。

如图3所示，单条件的灯丝电流校正流程包括如下步骤：

S1，获取系统中存储的平均灯丝电流表，该表格是以往系统的经验所得202，一般来说，可以取同样高压系统、同样球管系统的10 台左右样机，获取每台机器的校正后的灯丝电流，然后对这些机器的灯丝电流表进行平均，这个作为整个系统的初始的、存储在系统中的平均灯丝电流表；

S2,获取第一组扫描条件，包括球管电压、球管电流、焦点大小、灯丝电流原始数值，作为第一校正条件。

S2中，需要注意的是，灯丝电流不仅仅是与球管电压、球管电流相关，也与焦点大小由直接关系，一般地，同样球管电压、球管电流条件下，小焦点对应的灯丝电流会比大焦点对应的灯丝电流更大；

S3，对第一校正条件进行曝光，并采集反馈数据，至少包括积分时间，灯丝电流曲线，mA曲线，kV曲线，通常，积分时间单位为毫秒或者更高精度，灯丝电流曲线包括了灯丝电流的振荡期和灯丝电流的稳定期，灯丝电流曲线可以侧面的反应初始灯丝电流设置的好坏，震荡幅度越大，振荡期越长，可以认为第一校正条件下的灯丝电流数值设置的离理想数值偏离越大；

S4，计算灯丝电流曲线的稳定值，并记录最开始稳定时的时间戳，记为第一计算，在第一计算中，首先选对灯丝电流进行平滑，消除毛刺的影响，之后选取灯丝电流曲线后面30％的数据的均值作为平稳期的灯丝电流数值，并读取灯丝电流误差阈值，计算得到灯丝电流最开始稳定时的时间戳；

S5，判定第一计算结果是否达到稳定状态，如果达到稳定状态，说明当前的灯丝电流数值合适，校正结束，当前数值即为合适的灯丝电流数值；如果未达到稳定状态，则需要继续后面的迭代校正。

S5中，判定是否达到稳定状态的标准在于，灯丝电流稳定的时间戳是否小于系统预期，如系统设计的为40ms或是更低，该系统预期与具体系统有关。

S6，计算灯丝电流的波峰值和波谷值，以及对应的时间戳，记为第二计算；灯丝电流曲线在达到稳定状态前，会有类似于阻尼运动的曲线，通过简单的对比运算或者求导运算，均可以找到系统中的多个波峰波谷，第二计算中需要记录波峰波谷的位置和对应的时间戳。

S6中，特别的注意事项在于，虽然灯丝电流曲线在前面经过了平滑处理，但是仍然有一些小的波峰波谷不应该被计入到系统当中，因此需要考虑波峰幅值最大和波谷幅值最小的两个点作为重点考虑，记为灯丝电流曲线特征点；

S7，根据第二计算结果和灯丝电流曲线特征点，可以调整灯丝电流调整方向，作为第三计算。

S7中，当灯丝电流曲线特征点中，波峰对应的时间戳小于波谷对应的时间戳，说明原始进行曝光采集时的灯丝电流数值可能偏小，因为高压控制系统发现其设置的条件偏小，系统特性会先将其数值拉高，以快速达到稳定的灯丝电流，进而达到稳定的球管电流。

相反的，S7中，当灯丝电流曲线特征点中，波峰对应的时间戳大于波谷对应的时间戳，说明原始进行曝光采集时的灯丝电流数值可能偏大，因为高压控制系统发现其设置的条件偏大，系统特性会先将其数值拉低，以快速达到稳定的灯丝电流，进而达到稳定的球管电流。

S8，使用二分法，结合第三计算，计算得到新的灯丝电流。使用二分法的目的在于，使该条件下的灯丝电流数值校正迅速收敛。

S8计算完成后，需要进入步骤S3，迭代该过程。

S9，结合S8和S5的计算方法，判定迭代过程是否完成。

S3到S9，如果达到收敛，校正成功结束。如果达到最大迭代次数，校正仍未收敛，则说明该条件校正失败。

如图4所示，多条件的灯丝电流校正流程包括如下步骤：

S11，对系统所有扫描条件进行采样，获取部分校正条件列表。

S11中所指的所有扫描条件为对影响灯丝电流部分数值的条件，包括球管电压、球管电流和焦点大小，不包括其他成像系统106所对应的条件，如准直系统参数。

S11中，对所有条件采样，一般的CT系统中，kV的数量为3到 5种，焦点为1到2种，球管电流变化范围为5mA到670mA，因此优先的采样对象为球管电流，根据最后拟合曲线的类型一般采样点数为 3到5种mA即可；

S12，获取第一组扫描条件，包括球管电压、球管电流、焦点大小、灯丝电流原始数值，作为第二校正条件。

S13，按照S1到S9的过程对第二校正进行校正计算，得到第二校正结果；

S14，根据第二校正结果，对比初始灯丝电流校正表，更新后续灯丝电流默认数值。

S14中，更新后续灯丝电流默认数值的目的在于使后续的灯丝电流校正更快的收敛每减少扫描次数。其根本原因在于，灯丝电流曲线形状一般固定，当一个点发生了偏移，其他点也会由类似偏移。

S14中，更新其他灯丝电流表数值的公式如下：

Filame ntnew＝Filame ntold+Filame ntoffset

其中：Filame ntoffset为第二校正结果与默认灯丝电流数值的差值；

Filame ntold为其他条件的默认灯丝电流数值；

Filamentnew为其他条件的更新后的灯丝电流数值；

S15，获取后续的扫描条件，包括球管电压、球管电流、焦点大小、灯丝电流原始数值，作为第三校正条件。

S16，通过迭代扫描计算得到第三校正的灯丝电流校正结果，作为第三校正结果。

S17，根据第二灯丝校正结果和第三校正结果，对比初始灯丝电流校正表，更新后续灯丝电流默认数值。更新的方式也参考S14中的公式。

S15到S17过程结束后，相应的，需要参考S12到S14过程中对灯丝电流表数值的更新方式继续对未扫描的其他灯丝电流数值做更新，其目的也在于更快的收敛，减少系统曝光次数，节约曝光时间。

S18，根据所有采样条件下的灯丝电流校正结果，拟合计算，得到所有扫描条件的合适的灯丝电流；S18中，根据以往的经验和数据拟合结果来看，一般三种方式都可以进行拟合，拟合的效果与选用的采样点个数有关，拟合公式可以使用下面的公式。

f(x)＝an*xⁿ+an-1*x^n-1+an-2*x^n-2+...+a0

f(x)＝a*x^b+c

f(x)＝a*e^bx+c

上述公式中的a，b，c，an均为拟合系数；S18中，提到了三种拟合的公式，不同的CT系统，不同的球管，不同的高压，适用的公式可能不尽相同，但是原理类似，因此需要根据实际采用的数据进行适配选择。

如图5所示，训管流程与灯丝电流校正结合流程图包括如下步骤：

S21，与多条件的灯丝电流校正类似，获取训管曝光条件列表。

S21中，每个训管的曝光条件需要执行若干次，这些次数大于灯丝电流校正一般的迭代次数，因此可以借用该单个条件减少灯丝电流校正曝光时间和曝光次数。

S21中，整体的曝光条件组合有很多，部分条件下可以完全满足 S18的需求，这样可以大幅度减少灯丝电流校正时间。

S22，按照曝光条件列表指定的顺序曝光，保证训管流程的正确性，这里面的流程是为了借用训管操作来达到灯丝电流校正的目的，因此首先要保证的是训管流程。

S23，需要注意的是，当前曝光条件未达到次数上限，并且当前灯丝电流校正仍然没有获得合适结果，此时可以迭代进行计算，进而获得下一次曝光时使用的灯丝电流数值。

S23中，需要注意的是，每次曝光时需要保留必要的数据，然后进行计算，这个计算和保存数据的时间不能影响正常的训管工作流。

S24，需要注意的是，当前曝光条件达到次数，应保留此轮曝光条件对应的灯丝电流数据，用于后续整体的拟合，数据可以保存到文件、数据库或者服务器上，以防止数据丢失。

S25，在训管结束，统计所有进行过的灯丝电流校正的条件及校正结果，结合S18，进行整体灯丝电流校正结果拟合计算。

S26，对部分未能达到S18计算数据量要求的条件，可以进行单独条件的补充扫描，即使这样，也能大幅度减少灯丝电流曝光的次数。

如图6所示，CT系统球管预热流程图包括如下步骤。

S31，与多条件的灯丝电流校正类似，获取预热曝光条件列表。

S32，获取列表中的曝光条件，并按照指定顺序曝光，曝光同时注意保存灯丝电流需要的生数据。

S33，曝光的同时获取当前曝光条件灯丝电流并结合数据继续灯丝电流校正分析。

S34，计算当前灯丝电流数值是否合格，公式如下：

Delta＝abs(Filame ntcurrent-Filame ntconfig)

其中Filame ntcurrent为当前计算得到的合适灯丝电流，Filame ntconfig为配置文件中之前通过灯丝电流校正得到的灯丝电流，Delta为二者的绝对值之差。

S34中，判定灯丝电流是否合格的阈值需要合理设置，如果设置的过于苛刻，可能会对用户造成不必要的困扰。

S35，当S34中的计算结果Delta超过阈值设置，系统提示用户需要进行灯丝电流校正更新，否则可能会对图像有影响。