专利名称：球管电流调制方法和球管电流调制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机断层扫描成像(computerized tomography, CT)设 备中球管电流调制(tube current modulation, TCM)的技术，特别是一种 球管电流调节方法和一种球管电流调制系统。
背景技术：
由于CT设备在扫描时发出的X射线对人体有害，所以对CT扫描中 辐射剂量的优化成为CT设备最重要的性能之一。球管电流直接决定了辐 射剂量和图像质量，因此一种有效的优化辐射剂量的方法就是调制球管 电流。人们已经提出了多种球管电流调制方法，并且通过将角度TCM和 纵向(Z轴方向)TCM相结合，来实现4D剂量调制技术。
角度TCM利用机架旋转一圈中前半圈投影的在线反馈来计算后半圈 所用的球管电流，从而实现2D剂量调制。纵向TCM通常利用在CT检 查开始时拍摄的定位像来估算沿Z轴方向变化的球管电流水平。
现有的自动曝光控制方法都要依赖于定位像才能提供4D剂量调制。 因此，能够有效降低剂量的扫描方案都受限于事先定位扫描的效果和正 确性。如果没有得到定位像或者没有得到正确的定位像，那么只能进行 2D的角度剂量调制，甚至不能进行剂量调制。
因此，急需一种能够不依赖于定位像来实现纵向TCM的技术。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种球管电流调制方法，其目的在于，在 不使用定位像的条件下实现纵向TCM。本发明还提出一种球管电流调制 系统，以便在不使用定位像的条件下实现纵向TCM。
4为了实现上述目的，本发明提供了一种球管电流调制方法，包括 计算两幅先前扫描所得图像的标准差；
根据所述两幅图像的标准差来计算当前扫描的纵向调制因子；
根据初始球管电流和所述当前扫描的纵向调制因子，计算当前扫描 所需的球管电流水平。
计算图像的标准差的步骤包括利用整幅图像来计算标准差。
优选地，计算图像的标准差的步骤包括在所述图像中预先选定的 一个区域作为感兴趣区，利用所述感兴趣区来计算标准差。
计算所述当前扫描的纵向调制因子的步骤包括将前一圈扫描所得 图像的标准差的平方除以第一圈扫描所得图像的标准差的平方，得到所 述当前扫描的纵向调制因子。
计算所述当前扫描的纵向调制因子的步骤包括将前一圈扫描所得 图像的标准差的平方除以再前一圈扫描所得图像的标准差的平方，得到 所述当前扫描的纵向调制因子。
所述球管电流调制方法进一步包括根据当前扫描所需的球管电流 水平和当前扫描的角度调制因子，计算当前扫描在不同角度所需的球管 电流。
本发明还提供了一种球管电流调制系统，包括
一个标准差计算模块，用于计算两幅先前扫描所得图像的标准差；
一个纵向调制因子计算模块，用于根据所述两幅图像的标准差来计
算当前扫描的纵向调制因子；
一个球管电流计算模块，用于根据初始球管电流和所述当前扫描的 纵向调制因子计算当前扫描所需的球管电流水平。
该球管电流调制系统进一步包括一个感兴趣区选定模块，用于在先 前扫描所得图像中选定一个区域作为感兴趣区，以供所述标准差计算模 块计算所述图像的标准差。
所述纵向调制因子计算模块包括一个第一子模块，该第一子模块用 于将前一圈扫描所得图像的标准差的平方除以第一圈扫描所得图像的标 准差的平方，得到所述当前扫描的纵向调制因子。
所述调制因子计算模块包括一个第二子模块，该第二子模块用于将 前一圈扫描所得图像的标准差的平方除以再前一圈扫描所得图像的标准差的平方，得到所述当前扫描的纵向调制因子。
所述球管电流计算模块进一步用于根据当前扫描所需的球管电流水 平和当前扫描的角度调制因子，计算当前扫描在不同角度所需的球管电 流。
从上述方案中可以看出，由于本发明的球管电流调制方案根据先前
扫描所得图像的标准差来进行纵向TCM，而不依赖于定位像，所以能够 在不使用定位像的条件下实现纵向TCM。在采用本发明的球管电流调制 方案时，可以省略扫描方案中的拍摄定位像的步骤，不仅縮短了CT设备 扫描的时间，并且能够减少人体所受到的X射线剂量。本发明尤其能够 应用于来不及拍摄定位像的紧急应用场合，以及患者不能安静地拍摄定 位像(例如儿童、抽搐的患者等)的场合。
图1为所用圆锥形水模(waterphantom)的示意图，其中(a)为水 模的立体图，(b)显示了水模尺寸以及扫描的位置。 图2为根据本发明实施例的方法的流程示意图。 图3为在一个实施例中每圈扫描的总剂量。
图4为在一个实施例中每圈扫描所得图像中部感兴趣区内的标准差， 感兴趣区的直径为相应图像直径的1/10。
图5为在一个实施例中扫描所得到的图像，其中(al)、 (a2)、 (a3) 和(a4)为采用本发明球管电流调制方法得到的图像，标准差分别为2.54、 2.50、 2.59、 2.50; (bl) 、 (b2) 、 (b3)禾B (b4)为采用恒定总剂量 方法的图像，标准差分别为1.53、 2.22、 3.12、 4.29。 (al)和(bl)为 第10圈扫描的图像，感兴趣区半径为16.4mm; (a2)和(b2)为第20 圈扫描的图像，感兴趣区半径为17.6mm; (a3)和(b3)为第30圈扫 描的图像，感兴趣区半径为18.9mm; (a4)禾Q (b4)为第40圈扫描的 图像，感兴趣区半径为20.2mm。
图6为在另一个实施例中每圈扫描的总剂量。
图7为在另一个实施例中每圈扫描所得图像中部感兴趣区内的标准差。
图8为在另一个实施例中第40圈扫描所得到的图像，其中(Cl)为 采用本发明球管电流调制方法得到的图像，标准差为5.49; (dl)为采
用恒定总剂量方法的图像，标准差为6.50。
图9为根据本发明实施例的球管电流调制系统的结构示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本 发明进一步详细说明。
自动曝光控制(AEC)通常通过使用角度调制因子和纵向调制因子
来调制初始球管电流I。的方式来实现，如公式(1)所示
/(z，")二/。.、《(z)./^g(z，") (1)
其中，I(z，ot)表示调制得到的球管电流，Io表示初始球管电流，k。ng(z)
表示纵向调制因子，Ung(Z，(X)表示角度调制因子。
几乎所有的现有自动曝光控制技术都使用预先扫描得到的定位像来
估算纵向调制因子lL。ng(Z)。而角度调制因子lAng(Z,(X)通常是在机架旋转过
程中利用从前半圈扫描数据得到反馈信息在线计算得到。
在本发明实施例中，将基于先前扫描所得图像的噪声等级来在线调
制z轴方向球管电流水平，这里的噪声等级用图像的标准差或图像中感
兴趣区的标准差来表示。本发明实施例的方法基于如下事实当在旋转 扫描过程中沿Z轴采用很薄的横向片层时，人体的解剖结构是连续的。 为了保持不同片层的图像的均匀性，可以将先前扫描所重建的图像的标 准差d用作后继扫描时球管电流调制的在线反馈。这种方法可以表示为 公式(2):
、(z ) = /("z —,), cr(z"—2 )，…，( 2 ) 其中，n表示当前一圈扫描在一个扫描序列中的第多少圈，ci(z^)，
d(Zn.2)…CJ(Z,)表示先前各圈扫描所得图像的标准差，函数f()表示利用标 准差(J(Zn》，a(Zn-2)…CJ(Z,)计算纵向调制因子ILong(Zn)W函数。
例如，标准差d与一圈扫描的总剂量mAsT°tal之间的关系可以采用平方反比的关系，表示为下面的公式(3):
其中， 一圈扫描的总剂量mAsT。t"可以是球管电流mA和时间s的乘积。
一种较为简单的计算方法是，利用第一圈扫描所得图像的标准差CJ(Z,) 和上一圈扫描所得图像的标准差O(ZM)来计算纵向调制因子lL。ng(Zn)，此 时的函数f()如公式(4)所示
本发明实施例使用一个如图1所示的圆锥形水模作为扫描对象来具 体描述球管电流调制方法。图1所示的圆锥形水模的两个底面的半径分 别为100mm禾n 200mm，两个底面之间的距离为80mm。本实施例从水模 中部开始到半径较大的底面结束共扫描40圈，相邻两圈扫描的间距为 lmm，在扫描中采用单排检测器采集信号。
图2为根据本发明实施例的球管电流调制方法的流程示意图。如图2 所示，球管电流调制方法包括以下步骤
步骤S01，根据设定的初始球管电流，开始第一圈扫描和第二圈扫描。 在扫描过程中，利用每一圈扫描所得的数据，重建一幅图像。
步骤S02，计算先前扫描所得图像的标准差o。在第一次执行该步骤
时，计算第一圈和第二圈扫描所得图像的标准差C5(Z,)和CJ(Z2);在以后执
行该步骤时，可以只计算调制球管电流所需、并且此前未计算的图像的 标准差。
对于一幅图像，可以使用整幅图像来计算标准差o，也可以使用图像 中的一部分来计算标准差ci。例如，在本实施例中，选定图像中部的一个 圆形感兴趣区(ROI)来计算该感兴趣区内的标准差cj，该感兴趣区的直 径为相应水模图像直径的1/10。
步骤S03，对于第三圈之后的任意一圈扫描(包括第三圈扫描)，不 妨记为第n圈(nS)扫描，利用第一圈扫描所得图像的标准差(J(z,)和当 前圈之前一圈扫描所得图像的标准差"Zn.,)，根据公式(4)计算当前第 n圈扫描的纵向调制因子lL。ng(zn)。
8步骤S04，根据初始球管电流Ic和计算得到的当前第n圈扫描的纵向
调制因子 )，计算当前扫描所需的球管电流水平1。' lL。ng(Zn)。
进一步，可以根据角度调制因子I^g(Zn,(X)，利用公式(1)对当前第
n圈球管电流水平进行角度调制，计算当前第n圈扫描在不同角度a所需
的球管电流。这里的角度调制因子Ung(Zn, (X)可以通过现有技术的方法获
得，本发明对此不作限制。
由于在本实施例中扫描对象是圆锥形的水模，该圆锥形水模在不同
角度的衰减是相同的，所以在此不考虑角度调制因子Ung(Zn， Ot)的作用， 公式(1)可以简化为I(Zn，cO-I(TUZn)。因此，可以计算得到当前第n 圈扫描在不同角度a所需的球管电流I(Zn,(X)，如公式(5)所示
步骤S05，根据计算得到的当前第n圈扫描在不同角度a所需的球管 电流I(z。)，进行第n圈扫描。
进一步，利用第n圈扫描的结果，重建一幅图像，然后执行步骤S02， 计算第n圈扫描所得图像的标准差o(zn)，以用于调制第n+l圈扫描所需 的球管电流。
作为对比，本专利申请的发明人还进行了另外一种方法的扫描，在 这方法中每圈扫描釆用相同的总剂量mAsT。ta'，即采用恒定的mAs。两种
方案在整个扫描过程中累积的总剂量相等。
图3显示了两种方法中每圈扫描的总剂量，图4显示了两种方法中 每圈扫描所得图像中部感兴趣区内的标准差，其中一条曲线中的标准差 是采用了本实施例的纵向球管电流调制方法得到的，另一条曲线没有采 用纵向球管电流调制，而是对每一圈扫描采用了相同的总剂量mAs。从 图3可以看出，随着水模直径的增大，采用本实施例纵向球管电流调制 的球管电流增大，具体表现为每圈扫描的总剂量在增大。从图4可以看 出，采用本实施例纵向球管电流调制方案的图像的标准差稳定在2.5%附 近，表明图像的噪声等级相对平稳。在没有采用本实施例纵向球管电流 调制方案的情况下，随着水模直径的增大，图像的标准差在增大，表明 图像的噪声等级在上升，导致图像的质量下降。更为重要的是，如果要 在整个扫描过程中实现相同的图像质量，与每圈扫描采用恒定剂量的方案相比，采用本实施例的纵向球管电流调制方案只需要较少的累计总剂 量即可。
图5显示了采用两种不同方案得到的图像，其中图像(al) 、 (a2)、 (a3)和(a4)采用了本实施例的纵向球管电流调制方案，图像(bl)、 (b2) 、 (b3)和(b4)采用了恒定总剂量的方案。从图5可以清楚地 看出，不管每次扫描的水模的直径是大还是小，采用本实施例纵向球管 电流调制方案得到的图像的噪声等级相对比较稳定。而釆用恒定总剂量 方案时，在水模直径较大的情况下噪声等级明显高于采用本实施例纵向 球管电流调制方案。在每圈扫描采用恒定总剂量方案时，如果要将大部 分图像的噪声等级控制在较低的噪声等级，需要大幅提高恒定总剂量的 值，这会给直径较小的部位带来不必要的过多剂量。
本发明可以用多种方法来计算纵向调制因子k。ng(z)。例如，在另一 实施例中，利用前一圈扫描所得图像的标准差CJ(Z^)和再前一圈扫描所得
的图像的标准差C5(Z^)来计算当前圈扫描所用的纵向调制因子iL。ng(Zn)， 此时的函数f()如公式(6)所示
w"=/(o(z —2))=4^ (6)
在本实施例中，仍使用如图1所示的圆锥形水模作为扫描对象，并
且扫描相同的位置。此时的球管电流调制方法的流程与图2所示的流程 相似，不同的是步骤S03和步骤S04。
在步骤S03中，对于第三圈之后的任意一圈(n23)扫描，利用前一 圈扫描所得图像的标准差(J"-,)和再前一圈扫描所得图像的标准差
CJ(Zn.2)，根据公式(6)计算当前第n圈扫描的纵向调制因子lL。ng(Zn)。
在步骤S04中，根据初始球管电流Io和计算得到的当前第n圈扫描
的纵向调制因子IL。ng(Zn)，计算当前扫描所需的球管电流水平IL。ng(Zn)。 同样由于在本实施例中扫描对象是圆锥形的水模，在不同角度的衰减是 相同的，所以在此不考虑角度调制因子Ung(Zn，(X)的作用，公式(1)可以
简化为I(zn， a)=I。 'lr^g(Zn)。因此，当前第n圈扫描在不同角度cx所需的 球管电流I(Zn, a)如公式(7)所示
10<formula>formula see original document page 11</formula>
作为对比，本专利申请的发明人还进行了另外一种方法的扫描，在
这方法中每圈扫描采用相同的总剂量mAsT。ta1，即采用恒定的mAs。两种 方法在扫描的过程中累积的总剂量相等。
图6显示了两种方法中每圈扫描的总剂量，图7显示了两种方法中 每圈扫描所得图像中部感兴趣区内的标准差，其中一条曲线中的标准差 是采用了本实施例的纵向球管电流调制方法得到的，另一条曲线没有采 用纵向球管电流调制，而是对每一圈扫描采用了相同的总剂量mAs。从 图6可以看出，随着水模直径的增大，经过本实施例调制的球管电流增 大，具体表现为每圈扫描的总剂量在增大。从图7可以看出，采用本实 施例纵向球管电流调制方案所得图像的标准差与采用恒定总剂量方案相 比，变化范围相对较小。
图8显示了采用两种不同方案得到的图像，其中左侧图像(cl)采 用了本实施例的纵向球管电流调制方案，右侧图像(dl)采用了恒定总 剂量的方案。从图8可以清楚地看出，采用本实施例纵向球管电流调制 方案得到的图像与采用恒定剂量方案相比，噪声相对较小。
本发明还提出了一种球管电流调制系统。如图9所示，该球管电流 调制系统100包括一个标准差计算模块110、 一个纵向调制因子计算模块 120和一个球管电流计算模块130。球管电流调制系统IOO还可以进一步 包括一个感兴趣区选定模块140。
在图9所示的球管电流调制系统100中，标准差计算模块110用于 计算两幅先前扫描所得图像的标准差，并由此得到两幅图像的标准差。 例如，标准差计算模块110可以计算得到第一圈扫描所得图像的标准差
O(Z,)和当前圈的前一圈扫描所得图像的标准差C5(Zn-0，或者当前圈的前一 圈扫描所得图像的标准差C5(Z^)再前一圈扫描所得图像的标准差C5(Zn-2)等。
纵向调制因子计算模块120用于根据先前两幅图像的标准差来计算 当前扫描所需的纵向调制因子。该纵向调制因子计算模块120可以包括
一个或多个子模块(图中未显示)，每个子模块使用不同的计算方法来计算纵向调制因子。例如，第一子模块用于利用第一圈扫描所得图像的 标准差cr(zO和前一圈扫描所得图像的标准差a(z^)，根据公式(4)来计 算纵向调制因子lL。ng(Zn)。第二子模块用于利用前一圈扫描所得图像的标 准差d(Z^)和再前一圈扫描所得图像的标准差CJ(Zn.2)，根据公式(6)来 计算纵向调制因子lL。ng(Zn)。
球管电流计算模块130用于根据初始球管电流1。和当前扫描的纵向 调制因子iL。。g(Zn)计算得到当前扫描所需的球管电流水平。如果要考虑角
度调制因子lA。g(z，a)，球管电流计算模块130则相应地进一步根据当前扫
描所需的球管电流水平和角度调制因子1^g(Z，a)计算当前扫描在不同角
度a所需的球管电流I(zn，a)。
球管电流调制系统100还可以进一步包括一个感兴趣区选定模块 140，该感兴趣区选定模块140用于在先前扫描所得图像中选定一个区域 作为感兴趣区，并提供给标准差计算模块110，标准差计算模块110则利 用所选定的感兴趣区来计算标准差ci。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。
1权利要求
1、一种球管电流调制方法，包括计算两幅先前扫描所得图像的标准差；根据所述两幅图像的标准差来计算当前扫描的纵向调制因子；根据初始球管电流和所述当前扫描的纵向调制因子，计算当前扫描所需的球管电流水平。
2、 根据权利要求1所述的球管电流调制方法，其特征在于，计算图像 的标准差的步骤包括利用整幅图像来计算标准差。
3、 根据权利要求1所述的球管电流调制方法，其特征在于，计算图像 的标准差的步骤包括在所述图像中预先选定的一个区域作为感兴趣区，利用所述感兴趣区来 计算标准差。
4、 根据权利要求1所述的球管电流调制方法，其特征在于，计算所述 当前扫描的纵向调制因子的步骤包括将前一圈扫描所得图像的标准差的平方除以第一圈扫描所得图像的标 准差的平方，得到所述当前扫描的纵向调制因子。
5、 根据权利要求1所述的球管电流调制方法，其特征在于，计算所述 当前扫描的纵向调制因子的步骤包括将前一圈扫描所得图像的标准差的平方除以再前一圈扫描所得图像的 标准差的平方，得到所述当前扫描的纵向调制因子。
6、 根据权利要求1所述的球管电流调制方法，其特征在于，进一步包 括根据当前扫描所需的球管电流水平和当前扫描的角度调制因子，计算当 前扫描在不同角度所需的球管电流。
7、 一种球管电流调制系统，包括一个标准差计算模块，用于计算两幅先前扫描所得图像的标准差； 一个纵向调制因子计算模块，用于根据所述两幅图像的标准差来计算当前扫描的纵向调制因子；一个球管电流计算模块，用于根据初始球管电流和所述当前扫描的纵向调制因子计算当前扫描所需的球管电流水平。
8、 根据权利要求7所述的球管电流调制系统，其特征在于，该球管电流调制系统进一步包括一个感兴趣区选定模块，用于在先前扫描所得图像中 选定一个区域作为感兴趣区，以供所述标准差计算模块计算所述图像的标准差。
9、 根据权利要求7所述的球管电流调制系统，其特征在于，所述纵向 调制因子计算模块包括一个第一子模块，该第一子模块用于将前一圈扫描所 得图像的标准差的平方除以第一圈扫描所得图像的标准差的平方，得到所述 当前扫描的纵向调制因子。
10、 根据权利要求7所述的球管电流调制系统，其特征在于，所述调制 因子计算模块包括一个第二子模块，该第二子模块用于将前一圈扫描所得图 像的标准差的平方除以再前一圈扫描所得图像的标准差的平方，得到所述当 前扫描的纵向调制因子。
11、 根据权利要求7所述的球管电流调制系统，其特征在于，所述球管 电流计算模块进一步用于根据当前扫描所需的球管电流水平和当前扫描的 角度调制因子，计算当前扫描在不同角度所需的球管电流。
全文摘要
本发明公开了一种球管电流调制方法，包括计算两幅先前扫描所得图像的标准差；根据所述两幅图像的标准差来计算当前扫描的纵向调制因子；根据初始球管电流和所述当前扫描的纵向调制因子，计算当前扫描所需的球管电流水平。本发明还公开了一种球管电流调制系统。本发明能够在不使用定位像的条件下实现纵向球管电流调制。
文档编号H05G1/34GK101686596SQ20081021174
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月24日 优先权日2008年9月24日
发明者毅 田, 陈马昊 申请人:上海西门子医疗器械有限公司