专利名称：计算机x－射线心脏层析成象系统的制作方法
一般来说，本发明涉及计算机X-射线层析(CT)成象，更具体地说，本发明涉及心脏CT系统。
在至少一种已知的计算机X-射线层析(CT)成象系统构造中，一个X射线源投射一扇形X-射线束，所说射线束经过准直处于笛卡尔坐标系统的X-Y平面中，这个平面通常被称为“成象平面”。X-射线束穿过被成象的物体，例如病人身体。经过该物体的衰减之后，射线束入射到一个辐射探测器阵列。在探测器阵列处接收的经过衰减的射线束辐射强度依赖于物体对于X-射线的衰减程度。探测器阵列中的每个探测器单元产生一个独立的电信号，该信号是在探测器位置处射线束衰减的量度。分别采集所有探测器的衰减测量结果以生成一个传输分布(图象)。
在已知的第三代CT系统中，X-射线源和探测器阵列都随着机架在成象平面内围绕着成象物体旋转，使得X-射线束与物体的相交角度始终在变化。探测器阵列在一个机架角度获得的一组衰减测量值，即投影数据，被称为一个“视图”。对于成象物体的一次“扫描”包括在X-射线源和探测器转动一周的过程中在不同的机架角度，或视角获得的一组视图。在轴向扫描中，处理投影数据以构成相当于在物体上切取的一个两维切片的一个图象。在本领域中，有一种用于从一组投影数据重构一个图象的方法被称为滤波反向投影技术。这种方法将在一次扫描中获取的衰减测量数据转换为被称之为“CT数”或“Hounsfield单位”的整数，这些整数用于控制对应象素在阴极射线管显示器上的亮度。
为了缩短总的扫描时间，可以采用“螺旋”扫描。为了实施“螺旋”扫描，在获取规定数量片层的数据过程中需要移动病人。这种系统在一次扇形束螺旋扫描中生成一条螺旋线。由扇形束绘出的螺旋线生成用于重构每个规定片层图象的投影数据。
利用已知的CT系统，通过螺旋线扫描或轴向扫描采集投影数据以生成病人体内某一区域或器官的多帧连续图象。一帧图象相应于在成象物体，例如病人身体上所取的一个两维片层。一般来说，操作者会努力使生成每帧图象所需的时间最短，以使得由于成象物体运动造成的图象质量下降减至最小。
在至少一种已知的CT系统中，通过生成和检查病人心脏的图象来识别某些类型的病状。但是，由于心脏和血液的运动，使得心脏图象十分模糊。而模糊的图象使得难以辨别心脏内的状况。
为了提高图象质量，需要提供能够在心动周期的一个选定时间段内采集数据的一种成象系统。还需要提供能够控制X-射线的发射以减少对病人的辐射剂量的这样一种系统。
通过在一个实施例中使X-射线的发射和数据采集与一个心动周期的选定时间段同步以提高图象质量的一种成象系统可以实现这些和其它发明目的。在一个示例性实施例中，所说成象系统利用一个同步装置确定心动周期的选定时间段，并在所选定的时间段产生X-射线束的短脉冲。当向探测器阵列发射所说X-射线束时，采集某一视角的数据。随着心脏不断地周期搏动，采集一组不同视角的数据，从而生成在所选定时间段内心脏的完整图象。
上述成象系统在心动周期的选定时间段内获取数据，提高了图象质量。此外，所说成象系统可以控制X-射线束的发射，从而减少了对病人的X-射线辐射剂量。
图1为一个CT成象系统的示意图。
图2为图1所示系统的方框示意图。
图3表示心电图信号波形。
图4表示本发明的一个实施例的同步电路。
参见图1和图2，图中表示一个计算机X-射线层析成象系统10包括代表“第三代”CT扫描仪的一个机架12。机架12包括一个X-射线源14，该X-射线源向设置在机架12相反一侧上的一个探测器阵列18投射X-射线束16、探测器阵列18由许多探测器单元20组成，这些探测器单元共同检测穿过正在接受医疗的病人22的投射X-射线。探测器阵列18可以构成单片层或多片层结构。每个探测器单元20产生表示入射X-射线束的强度，进而表示穿过病人身体22的射线束衰减程度的电信号。为了在扫描过程中获取X-射线投影数据，机架12和安装在其上的各个部分围绕着旋转中心24转动。
机架12和转动和X-射线源14的工作由CT系统10的一个控制机构操纵。控制机构26包括向X-射线源14提供电力和时序信号的一个X-射线控制器28和控制机架12的转动速度和位置的一个机架马达控制器30。控制机构26中的一个数据采集系统(DAS)32对探测器单元30输出的模拟数据进行采样，并将这些数据转换为数字数据，以备进一步处理。一个图象重构装置34从DAS 32中接收经过采样和数字化处理的X-射线数据，并执行高速图象重构。将重构的图象输入到计算机36中，由所说计算机存储在一个大容量存储器38中。
计算机36还接受由操作者利用带有键盘的控制台40发出的命令和扫描参数。操作者可以通过一台相连的阴极射线管显示器42观察重构的图象和来自计算机36的其它数据。计算机36使用操作者输入的命令和参数向DAS 32、X-射线控制器28和机架马达控制器30发出控制信号和信息。此外，计算机36操纵一个工作台马达控制器44，该控制器44控制带有马达的工作台46将病人22在机架12中定位。确切地说，工作台46用于移动病人身体22穿过机架开孔48。
在本发明的一个实施例中，利用一个同步单元或同步电路100使X-射线束短脉冲同步产生于病人心动周期的选定时刻或时间段。然后，使用由一系列这种X-射线短脉冲获取的数据产生该物体的图象。这个图象提供了在心动周期的选定时间段中物体的完整图象。结果，通过例如在心动周期的静止时间段内采集所说数据，提高了图象质量。
更具体地说，电路100测量、或检测病人心脏22的心电活动以确定病人心脏的搏动周期。在一个实施例中，将连接在病人身体22上的至少一个电极的输出信号传输到一个电子放大器(未示出)中，产生心动周期信号。如本领域技术人员所熟知的，这种心动周期信号可以由例如心电图系统或专用监视器生成。例如，如图3所示，一个心电图系统利用至少一个所说电极输出信号产生心动周期信号波形。心动周期信号波形表示一个心动周期，所说周期包括心收缩状态期和心舒张状态期，标有Q、R和S的信号部分被称为QRS复合波，其中R-特征，或R-波是整个信号中最主要的、幅值最高的特征。心动周期通常定义为从一个R-波开始，到下一个R-波结束。
心脏功能的特征在于被称为收缩期和舒张期的两个不同阶段。在收缩期，心肌压缩左心室，将其中的血液通过主动脉瓣泵出。在舒张期，或心舒张阶段，通过二尖瓣充满左心室。在收缩期结束时，由于左心室已经收缩以将血液泵出，所以这时它的体积最小。在舒张期结束时，由于左心室充满血液并准备泵出，所以这时它的体积最大。在舒张期中，心脏相对来说不发生运动，所以利用在这个时期采集的数据生成的图象由于运动受限而较为清楚。
利用所说心动周期信号，电路100产生一个X-射线启动或选通信号，以确定数据采集的时刻和持续时间。在一个实施例中，电路100在从表示心动周期中选定部分的心动周期延迟选定时间长度之后转换X-射线启动信号的状态。由于X-射线启动信号的转换，X-射线束16在所说心动周期的选定时期内发射X-射线束16。更确定地说，将电路100输出的X-射线启动选通信号传输到控制器28以控制在所说心动周期内从X-射线源14发射X-射线束16的时刻和持续时间。更具体地说，在一个实施例中，控制器28包括用于向X-射线源14提供高压阳极-阴极信号的一个电源。利用电路100的X-射线启动信号，可以快速切换电源的高压阳极-阴极信号，从而相应地从X-射线源14发射和停止发射X-射线束。
参见图4，在一个实施例中，电路100利用一个可调节电平探测器110和一个可调节定时器，或延时器112，通过在出现心动周期中的一个事件，即R-波之后延迟选定或限定时间长度来转换所说X-射线启动信号的电平。例如，利用具有能够在检测到R-波之后以大约每秒75000000伏特的速率变化的高压输出的一种已知电源，电路100延迟0.5秒，然后转换施加到控制器28的所说X-射线启动信号的电平，从而从X-射线源14持续0.1秒发射X-射线束16。结果，所说电源的高压阳极-阴极输出在大约0.002秒时间里从大约0伏特转换到大约150000伏特，在大约150000伏特保持大约0.1秒钟，并在大约0.002秒钟的时间里恢复到大约0伏特。在所说阳极-阴极电压大约为150000伏特的时间内，向探测器18发射X-射线束16。
当发射X-射线束16时，在心动周期的选定时间段采集投影数据。更具体地说，在一个实施例中，在由例如操作者确定心动周期的选定部分或一个预定部分之后，当从X-射线源14发射X-射线束16时利用探测器阵列18采集投影数据。特别是，在机架12转动过程中，电路100向控制器28施加X-射线启动信号，从而以选定心动周期内的至少一个视角，或辐射角度向探测器18发射X-射线束16。在一个实施例中，根据所说X-射线启动信号的时序改变X-射线源14与探测器阵列18之间的视角或辐射角度，从而能够从一组，或多个视角采集投影数据，从而生成在选定时期内心脏的完整图象。更具体地说，随着心脏速率在每次搏动过程中的正常变化，采集一组视角不同的视图扇区扫描数据，并存储在例如计算机36中，直到已经采集足够的数据为止，以产生在心动周期选定时间里心脏的完整横截面视图。在采集数据完成之后，利用已知的方法，即已知的加权-滤波-反向投影方法生成心脏的图象。
例如，在一个实施例中，当心脏处于最小运动状态时，即处于舒张期时，发射X-射线束16，并采集数据。由于心脏的正常搏动变化，和机架12的转动，X-射线束16相对于病人22是以不同的角度发射的。所以，数据是在多个角度采集的，从而可以生成在最小运动状态下心脏的完整图象。
在另一个实施例中，在心动周期的选定时间段内生成血液循环系统其它部分的图象。利用心动周期，生成选定心动周期内血液循环系统中目标的图象。例如，利用心动周期，可以生成在心动周期选定时间段内的动脉图象。
上述的成象系统在心动周期的选定时间段内获取数据，从而提高了图象质量。此外，这种成象系统可以控制X-射线束的发射，从而减少了对于病人的X-射线辐射剂量。
从以上对于本发明各个实施例的介绍可以看出，显然实现了本发明的目的。尽管已经详细描述和解释了本发明，但是应当理解，这只是以说明和举例的方式，而不是以限定的方式给出的。此外，这里所述的CT系统是一个“第三代”系统，其中X-射线源和探测器都随着机架转动。但是，如果各个探测器单元经过校正对于给定的X-射线束能够产生基本均匀的响应，则可以使用许多其它类型的CT系统，包括“第四代”系统，在这种系统中，探测器是一个整环形固定探测器，只有X-射线源随着机架转动。此外，这里所述的系统执行轴向扫描，但是，本发明还可以用于螺旋线扫描，尽管需要多于360°的数据。因此，本发明的构思和范围仅仅由所附的权利要求限定。
权利要求
1.用于在计算机X-射线层析(CT)成象系统中生成一个物体的图象的一种方法，所说CT系统包括用于发射X-射线束的一个X-射线管和一个探测器阵列，所说探测器阵列包括与所说X-射线管相对用于接收所说X-射线束的多个探测器，所说方法包括以下步骤确定心动周期；在所说心动周期的至少一个选定时间段生成所说物体的图象视图数据；根据所说图象视图数据生成所说物体的至少一个图象。
2.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于在所说心动周期的至少一个选定时间段内生成所说物体的图象视图数据包括在所说心动周期的每个选定时间段向所说探测器阵列发射X-射线束的步骤。
3.如权利要求2所述的一种方法，其特征在于在所说心动周期的每个选定时间段内向所说探测器阵列发射X-射线束的步骤包括在至少一个视角向所说探测器阵列发射X-射线束的步骤。
4.如权利要求3所述的一种方法，其特征在于在所说心动周期的每个选定时间段内向所说探测器阵列发射X-射线束包括从多个视角向所说探测器阵列发射X-射线束的步骤。
5.如权利要求3所述的一种方法，其特征在于根据所说图象视图数据生成所说物体的至少一个图象的步骤包括根据每个视角的视图数据生成物体的一个图象。
6.如权利要求3所述的一种方法，其特征在于根据所说图象视图数据生成所说物体的至少一个图象的步骤包括对所说视图数据进行加权、滤波和反向投影处理的步骤。
7.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于确定心动周期的步骤包括确定心脏的至少一个最小运动状态的步骤。
8.如权利要求7所述的一种方法，其特征在于在所说心动周期的至少一个选定时间段内生成所说物体的图象视图数据的步骤包括生成在心脏的最小运动状态下所说物体的图象视图数据的步骤。
9.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于所说物体是心脏。
10.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于所说物体包括血液循环系统中的至少一部分。
11.用于生成一个物体的图象的一种成象系统，所说成象系统包括用于发射X-射线束的一个X-射线管和一个探测器阵列，所说探测器阵列包括与所说X-射线管相对用于接收所说X-射线束的多个探测器，所说系统配置用于确定心动周期；在所说心动周期的至少一个选定部分生成所说物体的图象视图数据；根据所说图象视图数据生成所说物体的至少一个图象。
12.如权利要求11所述的一种成象系统，其特征在于为了在所说心动周期的至少一个选定部分生成所说物体的图象视图数据，所说系统配置用于在所说心动周期的每个选定时间段内向所说探测器阵列发射X-射线束。
13.如权利要求12所述的一种成象系统，其特征在于为了在所说心动周期的每个选定时间段内向所说探测器阵列发射X-射线束，所说系统配置用于从至少一个视角向所说探测器阵列发射X-射线束。
14.如权利要求13所述的一种成象系统，其特征在于为了在所说心动周期的每个选定时间段内向所说探测器阵列发射X-射线束，所说系统配置用于从多个视角向所说探测器阵列发射X-射线束。
15.如权利要求13所述的一种成象系统，其特征在于为了根据所说图象视图数据生成所说物体的至少一个图象，所说系统配置用于根据每个视角的视图数据生成所说物体的一个图象。
16.如权利要求13所述的一种成象系统，其特征在于为了根据所说图象视图数据生成所说物体的至少一个图象，所说系统配置用于对所说视图数据进行加权、滤波和反向投影处理。
17.如权利要求11所述的一种成象系统，其特征在于为了确定心动周期，所说系统配置用于确定心脏的至少一种最小运动状态。
18.如权利要求17所述的一种成象系统，其特征在于为了在所述心动周期的每个选定时间段内生成所说物体的图象视图数据，所说系统配置用于生成所说物体在心脏最小运动状态下的图象视图数据。
19.如权利要求11所述的一种成象系统，其特征在于所说物体是心脏。
20.如权利要求11所述的一种成象系统，其特征在于所说物体包括所说血液循环系统的至少一部分。
全文摘要
本发明从一种形式上来说是一种成象系统,该系统使X－射线的发射和数据的采集与心动周期同步,以提高图象质量。在一个实施例中,所说图象系统利用一个同步装置确定心动周期中一个选定的时间段,并在这个选定时间段内控制X－射线束的产生。当向一个探测器发射X－射线束时,采集一个视角的数据。随着心脏的不断搏动,采集一组视角的数据,从而生成在所说选定时间段内心脏的图象。
文档编号H05G1/62GK1257693SQ9912652
公开日2000年6月28日 申请日期1999年12月22日 优先权日1998年12月22日
发明者J·A·布拉克, R·F·森兹格 申请人:通用电气公司