CN100500094C - 确定射线摄影成像的管电流调制曲线的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种方法和装置，用于获取对象(22、116)的探测扫描数据并对其进行分析以便确定表示对象(22、116)大小和形状的归一化波形(86)的峰-峰调制幅度。探测扫描数据代表患者(22、116)的大小和形状，患者的大小和形状与理想的管电流调制波形(86)或曲线相关。然后，可以在不同的点(88-94)对理想的管电流调制曲线(84)进行采样和近似，以便确定在不损失图像质量的情况下减小剂量实现CT数据获取的管电流调制曲线(84)。
Description
技术领域
本发明一般涉及诊断成像，更准确地说，涉及射线摄影成像(例如，计算机断层摄影(CT))的管电流调制的方法和装置。
背景技术
一般地说，在计算机断层摄影(CT)成像系统中，X射线源向对象或物体(例如，患者或一件行李)发射扇形射线束。下面，术语”对象”和”物体”将包括能够成像的任何实体。被对象衰减后的射线束成像在辐射检测器阵列上。检测器阵列接收的衰减后的射线束的强度通常依赖于对象对X射线束的衰减情况。检测器阵列的每一个检测器元件产生单独的电信号，所述单独的电信号表示由每一个检测器接收的衰减后的射线束。所述电信号被传送给数据处理系统，生成用于分析的图像。
一般地说，X射线源和检测器阵列围绕成像平面中的台架和对象旋转。X射线源通常包括X射线管，它在焦点上发射X射线束。X射线检测器通常包括用于准直检测器接收的X射线束的准直仪、用于将X射线转换成光能量的闪烁体(它与准直仪相邻)和用于接收来自相邻的闪烁体的光能量并产生电信号的光电二极管。
一般地说，闪烁体阵列中的每一个闪烁体都能将X射线转换成光能量。每一个闪烁体可以将光能量注入相邻的光电二极管中。每一个光电二极管检测光能量并产生相应的电信号。然后，光电二极管的输出传送给数据处理系统用于重构图像。
如上所述，CT成像是一种基于射线摄影成像(例如，X射线)投射、并根据对象对投射X射线的衰减重构对象图像的成像模式。一般地说，以较高的电流驱动X射线源可以产生低噪音的图像。相反，极低的X光管电流会在重构图像中引起严重的失真(artifact)。可以把X光管电流描述为直接与对象(例如，患者)接收的X射线摄影能量的剂量有关。这样，随X光管电流的增加，对象接收的辐射剂量也增加。由于较高的X光管电流将得到较低的噪音图像，因此，较高的管电流使辐照对象的X射线的剂量增加。这样，在为给定对象确定成像方案时，应在管电流和对象承受的剂量之间权衡。理想的是，最好使用最小的辐射剂量产生对诊断有价值的图像。
已经开发出一些用于确定管电流调制曲线的技术，所述管电流调制曲线实现两个要求目标：(1)对诊断有价值的图像和(2)给对象辐照的辐射最小。这些技术中的一些是基于对探测扫描数据的获取和分析，使管电流的调制曲线形成满足上述目的的形状。尽管使用这些先有技术可以实现一些改进，但是已经证明，辐射的辐照过度和辐照不足仍然是悬而未决的问题，因此，对对象的辐照会遭受不必要的辐射或导致高噪音图像，甚至需要对对象重新扫描。
已经开发出一些利用来自一次或多次探测扫描的投射数据，增强波形成形和X射线产生的管电流调制技术。这些技术假设管电流调制曲线在单个台架旋转的整个周期中都是对称的。然而已经证明，理想的管电流调制波形是不对称的。就是说，确定管电流调制的这些先有技术都考虑理想调制波形的不对称性。这种不对称性导致对象被辐射辐照过度或辐照不足，这取决于扫描的诊断目的。
因此，需要设计一种用于管电流调制的方法和装置，它考虑到管电流调制曲线的不对称性。
发明内容
本发明直接涉及克服上述缺点的管电流调制方法和装置。获取和分析对象的探测扫描数据以便确定表示对象大小和形状的归一化波形的峰-峰调制幅度。探测扫描数据表示患者大小和形状，使得可以开发理想的管电流调制波形或曲线。然后，可以在各个点上对理想的管电流调制曲线进行采样或近似，以便确定用于实施的管电流调制曲线。通过增加采样点数目，可以缩小用于实施的管电流调制曲线和理想的管电流调制曲线之间的差别。
因此，根据本发明的一个方面，提供一种射线摄影数据获取的管电流调制方法。所述方法包括在表示对象大小和对象形状中的至少一个的波形上标识多个调制点，确定多个调制点上的调制因子。所述方法还包括根据多个调制点的调制因子产生调制管电流波形，所述调制管电流波形基本上近似于表示对象大小和对象形状中的至少一个的波形。
根据本发明的另一方面，公开一种CT系统。所述CT系统包括具有接纳被扫描对象的孔道的可旋转台架和高频电磁能量投射源，所述高频电磁能量投射源配置成将高频电磁能量射线束投射到对象上。还这样设置具有多个闪烁体单元的闪烁体阵列，使得每一个闪烁体单元配置成检测穿过对象的高频电磁能量。CT系统还包括光电二极管阵列，所述光电二极管阵列以光学方式连接到闪烁体阵列并包括检测相应的闪烁体输出光的多个光电二极管。设置一种数据获取系统(DAS)，将它与光电二极管阵列连接并将其配置成接收光电二极管的输出。所述CT系统还包括图像重构器，所述图像重构器与DAS连接并配置成根据由DAS接收的光电二极管输出重构对象的图像。所述CT系统还包括具有用于以下操作的程序的计算机：确定理想管电流调制波形，以便控制高频电磁投射源的用于获取对象的CT数据的高频电磁能量的投射。所述计算机还具有用于以下操作的程序：估算多幅度条件下的理想管电流调制波形并根据所述多个幅度确定近似的管电流调制波形。
根据本发明的另一方面，提供一种存储计算机程序的计算机可读存储媒体。所述计算机程序代表一组指令，计算机执行所述指令时命令X射线摄影数据获取系统进行探测扫描，以便获取表示对象大小和对象形状的预扫描数据。还使所述计算机根据预扫描数据确定对于所述对象大小和对象形状的理想的第一管电流调制波形。所述一组指令还使计算机估算第一管电流调制波形的与台架旋转90度对应的部分并所述第一调制波形的所述部分确定近似于所述第一管电流调制波形的第二管电流调制波形。
从以下的详细描述和附图，本发明的各种其它特征、目的和优点将变得更加明显。
附图说明
以下附图图解说明当前设想的实现本发明的一个最佳实施例。
附图中：
图1是CT成像系统的实物视图。
图2是图1图解说明的系统的方框图。
图3是CT系统检测器阵列的一个实施例的透视图。
图4是检测器的一个实施例的透视图。
图5以四片方式说明图4中检测器的各种配置。
图6是一对波形，图解说明按照本发明的基于对象的形状和对象的大小的理想管电流调制波形和用于实施的与所述理想管电流调制波形近似的管电流调制波形。
图7是按照本发明的管电流调制曲线。
图8是供非侵入性的包裹检查系统使用的CT系统的实物视图。
具体实施方式
下面参照四片计算机断层摄影(CT)系统描述本发明的运行环境。但是本专业的技术人员将会明白，本发明同样可供单片或其它多片配置系统使用。而且，将参照X射线的检测和转换说明本发明。然而，本专业的技术人员将明白，本发明同样适用于其它高频电磁能量的检测和转换。我们将参照”第三代”CT扫描仪说明本发明，但是同样适应于其它CT系统。
参见图1和图2图中示出计算机断层摄影(CT)成像系统10，它包括代表”第三代”CT扫描仪的台架12。台架12具有将X射线束16投射到位于台架12的相对侧的检测器阵列18上的X射线源14。检测器阵列18由多个检测器20构成，它们一起检测穿过医学患者22的投射的X射线。每一个检测器20产生表示照射的X射线束(因而是穿过患者22的衰减后的射线束)的强度的电信号。在获取X射线的投射数据的扫描期间，台架12和安装在其上的部件围绕旋转中心24旋转。
台架12的旋转和X射线源14的操作由CT系统的控制机构26操纵。控制机构26包括X射线控制器28，它将电源和时序信号提供给X射线源14和控制台架12的旋转速度和位置的台架电动机控制器30。控制机构26的数据获取系统(DAS)32对检测器20的模拟数据采样，并将所述数据转换成后面处理的数字信号。图像构成器34从DAS32接收采样后的并数字化的X射线数据，然后执行高速重构。重构的图像作为输入加给计算机36，计算机将所述图像存储在大容量存储装置38中。
计算机36还接收操作员通过具有键盘的操作控制台40发出的命令和扫描参数。相关联的阴极射线管显示器42使操作员可以观察计算机36重构的图像和其它数据。提供命令和参数的操作员通过计算机36将控制信号和信息提供给DAS 32、X射线控制器28和台架电动机控制器30。此外，计算机36操作工作台电动机控制器44，工作台电动机控制器44控制自动工作台46，以便确定患者22和台架12的位置。具体地说，工作台46移动患者22的各个部分通过台架孔道48。
如图3和图4所示，检测器阵列18包括构成闪烁体阵列56的多个闪烁体57。定位在闪烁体阵列56上部的准直仪(未示出)将X射线束16准直，然后将其照射到闪烁体阵列56上。
在图3所示的一个实施例中，检测器阵列18包括57个检测器20，每一个检测器20具有16x16大小的检测器阵列。这样，阵列18具有16行和912列(16x57个检测器)，台架12每旋转一周可以同时收集16片数据。
开关阵列80和82(图4)是连接在闪烁体阵列56和DAS 32之间的多维半导体阵列。开关阵列80和82包括按多维阵列排列的多个场效应晶体管(FET)(未示出)。FET阵列包括分别与各个光电二极管60连接的一些电引线和通过柔性电接口84与DAS 32连接的一些输出引线。具体地说，大约一半光电二极管的输出电连接到开关80，而另一半光电二极管的输出电连接到开关82。此外，可以在每一个闪烁体57之间插入反射层(未示出)，以便减小相邻闪烁体的散射光。每一个检测器20通过安装托架79固定在检测器框架77上(图3)。
开关阵列80和82还包括译码器(未示出)，所述译码器根据所需的片数和每一片的片分辨率允许、禁止或组合光电二极管的输出。在一个实施例中，译码器是先有技术中已知的译码器芯片或FET控制器。译码器包括连接到开关阵列80和82以及DAS 32的的多个输出端和控制线。在一个被称为16片方式的实施例中，译码器启动开关阵列80和82，使得光电二极管阵列52的所有行都被激活，同时得到由DAS 32处理的16片数据。自然，可以有许多其它片组合。例如，译码器也可以从其它片方式(包括1、2和4片方式)中选择。
如图5所示，通过传送合适的译码器指令，可以将开关阵列80和82配置成4片方式，以便从光电二极管阵列52的一行或多行的4片收集数据。根据规定的开关阵列80和82的配置，就能允许、禁止或组合光电二极管60的各种组合，使得片的厚度可以由闪烁体元件57的1、2、3或4行组成。其他实例包括包含片厚度范围从1.25mm厚至20mm厚的1片的单片方式和包含片厚度范围从1.25mm至10mm厚的2片的2片方式。可以设想上述方式以外的其他方式。
本发明针对确定适合于特定对象的管电流调制波形曲线以便在不损失图像质量的情况下减少对象对辐射的暴露的方法和装置。通过产生将遇到的各种对象范围的理想管电流调制曲线和沿曲线的分析点，本发明能够开发和产生与这样的辐射剂量分布一致的X射线，所述辐射剂量分布与给定对象的理想分布基本上近似。本发明对CT扫描、或计算机模拟期间获取的数据进行分析，以便提供所述对象的椭圆形式的模型。虽然使用基本的X射线物理方程进行实验和计算机模拟，但是可以证明，理想的管电流调制波形具有随椭圆形对象模型变化的形状或曲线。具体地说，理想管电流调制波形随对象的短轴直径和椭圆比值而变。最好从一对探测确定所述椭圆比值和短轴直径。然而，可以设想，除了使用探测投射外，其他技术也可以用来确定对象的模型。
现在参见图6，它示出对于特定的椭圆情况、相对于近似的管电流调制波形86的归一化理想管电流波形或曲线84，它将用于确定获取CT数据的高频电磁能量投射源的X射线的产生。沿二维将波形84归一化。首先，将波形归一化为峰-峰调制幅度，或者换句话说，设置为1值的高管电流和设置为0值的低管电流。还将所述波形归一化为四分之一调制周期，即，把台架旋转90度设置为1值。对于一组椭圆的情况，在被扫描的各种对象范围内产生归一化波形。更准确地说，每一个波形都表示由探测扫描期间从对象获取的短轴直径和椭圆比值数据确定的对象的形状和大小。如将要说明的，可以对归一化波形进行分析以便确定在获取CT数据期间使用的近似的管电流调制波形86。
例如，理想的管电流调制波形84可以在一些点上采样和估算，以便确定近似的管电流调制波形86。在图6说明的例子中，估算了88-94中的四个点。具体地说，在点88上的幅度与最低的管电流调制值对应，图6中的所述调制值与曲线的原点对应。相反，在点90上的幅度则与归一化的最大管电流值对应。可以设想，归一化管电流值的最小值和最大值可以用于近似理想的管电流调制波形，最好估算沿理想波形84的附加点。
如图6所示，在点92上的幅度与百分之十的峰-峰调制对应。在说明的例子中，除了在百分之十的峰-峰调制的条件下估算波形84外，还在点94上估算与百分之五十的峰-峰调制幅度对应的点。根据这些值或调制因子88-94，可以确定理想管电流调制波形的线性或分段近似，并用于控制电磁能量投射源的高频。本专业的技术人员将明白，为了进一步逼近理想的管电流调制波形84，可以估算附加调制点或幅度(例如，百分之九十的峰-峰调制幅度)。
现在参考图7，图中示出利用理想管电流调制波形的各估算点的多项式表达式产生的管电流调制波形。图7所示的管电流调制波形86基于理想管电流调制波形的三个点近似。在这方面，估算了与百分之十的峰-峰调制幅度对应的点92的幅度，并将其拟合到作为根据一次或多次探测扫描确定的短轴直径(投射度量)的函数的多项式表达式。在点92上的幅度与百分之十的峰-峰调制幅度对应并可以由以下方程式确定：
p10＝a0+a1O+a2D+a3OD+a4O2+a5D2+a6O2D+a7OD2+a8D3(1)
方程式系数变量
a0 常数
a1 椭圆比(ovr)
a2 短轴直径(diam)
a3 0VR*di am
a4 ovr2
a5 diam2
a6 oVr2*diam
a7 diam2*ovr
a8 diam3
另外，与百分之百的峰-峰调制幅度对应的点90上的调制因子可以由以下方程式确定
p100＝b0+b1O+b2D+b3O)+b4O2+b5D2+b6O2D+b7OD2+b8D3 (2)
方程式系数 变量
b0 常数
b1 椭圆比(ovr)
b2 短轴直径(diam)
b3 0VR*diam
b4 ovr2
b5 diam2
b6 ovr2*diam
b7 diam2*ovr
b8 diam3
此外，为了避免辐照过度或辐照不足，可以设想，可以利用误差容限来补偿在估算的调制点上确定的值。例如，在一个实施例中，对计算或确定的值进行负值的时间(在x轴)补偿，或者进行正值的幅度(y轴)补偿。调整的典型值为0.02，并且在特定调制点上的波形斜率小于1的情况下用于y轴，而在特定调制点上的波形斜率大于1的情况下用于x轴。在由管电流调制波形86确定的理想管电流调制波形的线性近似的情况下，将命令高频电磁能量投射源产生X射线或其它x射线摄影能量。
还可以设想，可以通过以下方法来确定近似管电流调制波形：单一参考点(例如百分之十的峰-峰调制)表示理想波形的低管电流的平坦区域，而以适当程度的多项式表达式(例如，四点函数)表示所述波形的剩余部分。可以以类似于单独描述的与分段近似有关的方式将所述多项式表达式拟合为最小直径和椭圆比的函数。此外，也可以使用其它函数，例如，合适的正弦、椭圆、圆、抛物线或其它合适的解析连续函数，所述函数的参数被拟合为最小直径和/或椭圆比的函数。
上述技术指定在不损失图像质量的情况下，用于减少使用X光管和照射在对象上的辐射。上述技术还应用于单别化的扫描协议，以便每一次扫描考虑到扫描对象总体的物理变化。然而，可以设想，可以开发各种波形以便考虑扫描对象总体的变化并且将其存储在可访问的数据库中。在进行扫描期间，要根据探测扫描估算患者的椭圆比和直径，并且把诸如由方程式1和2确定的函数或关系式用于产生相应的管电流调制曲线，以便控制用于获取患者的CT数据的X射线的产生。本专业的技术人员将会明白，其它函数或方程式(不是上述专门标识的那些函数)可以用于产生合适的管电流调制曲线。
现在参看图8，包裹/行李检查系统100包括具有孔道104的可旋转的台架102，包裹或行李可以通过所述孔道。可旋转台架102装有高频电磁能源106及检测器组件108。设置传送系统110，它包括由机构114支撑的传送带112，以便自动和连续地使一件件包裹或行李116穿过被扫描孔道104。通过传送带112把对象116送过孔道104，然后获取成像数据，传送带112以受控和连续的方式从孔道104移走包裹116。结果，邮政检查员、行李员和其它安全人员可以不必开箱检查包裹116的内容，就可以查出爆炸物、刀具、枪支、走私物品等，系统100包括能够实现上述技术的计算机。
已经就成像技术方面描述了本发明，所述成像技术用于在获取CT数据期间将辐射剂量最佳化，它确定作为一组模型(phantom)的投射角的函数的理想调制波形。显然，可以对所述一组模型扫描，并且可以根据轴向的衰减数据来确定理想的调制波形。可以确定沿理想的调制波形的各调制点的系数，并截获或显示模型的大小和形状与合适的调制波形的形状之间的关系。这样，当扫描对象时，以0度和/或90度的固定角进行探测扫描可以用来确定投射面积和投射范围。根据确定的系数及投射面积和投射范围，可以将用于具体对象的、使辐射剂量最佳的适当的管电流调制波形确定为z轴对象位置和扫描期间的台架角的函数。
因此，根据本发明的一个实施例，提供一种用于射线摄影数据获取的管电流调制方法。所述方法包括在表示对象大小和对象形状中的至少一个的波形上标识多个调制点，并确定多个调制点上的调制系数。所述方法还包括根据所述多个调制点的调制因子产生调制管电流波形，所述管电流波形基本上近似于表示对象大小和对象形状中的至少一个的波形。
根据本发明的另一个实施例，公开一种CT系统。所述CT系统包括可旋转台架，所述可旋转台架具有接纳待扫描的对象的孔道和配置成将高频电磁能射线束投射到对象的高频电磁能量透射源。还这样设置具有多个闪烁体单元的闪烁体阵列，使得每一个闪烁体单元配置成检测穿过对象的高频电磁能量。所述CT系统还包括与闪烁体阵列光学连接的光电二极管阵列，所述光电二极管阵列包括多个检测对应的闪烁体输出光的光电二极管。设置数据获取系统(DAS)，所述数据获取系统与光电二极管阵列连接并配置成接收光电二极管的输出。CT系统还包括与DAS连接的图像重构器，所述图像重构器配置成根据由DAS接收的光电二极管的输出重构对象的图像。所述CT系统还包括具有用于以下操作的程序的计算机：确定理想的管电流调制波形，以便控制高频电磁投射源的、用于获取对象的CT数据的高频电磁能量的投射。所述计算机还具有用于以下操作的程序：估算多幅度条件下理想的管电流调制波形，并根据所述多种幅度确定近似的管电流调制波形。
根据本发明的另一个实施例，提供一种能够存储计算机程序的计算机可读存储媒体。所述计算机程序代表一组指令，计算机执行这些指令可以命令X射线摄影数据获取系统实现探测扫描，获取表示对象大小和对象形状的预扫描数据。还可以使所述计算机根据所述预扫描数据确定对于对象大小和对象形状来说理想的第一管电流调制波形。所述指令组还使所述计算机估算与台架旋转90度对应的第一管电流调制波形，并根据第一调制波形部分，确定与第一管电流调制波形近似的第二管电流调制波形。
已经就最佳实施例描述了本发明，但应该明白，除了那些清楚地说明的以外，本发明的同等物、替代方案和修改都是可能的，并且都在后附的权利要求书的范围内。
Claims (10)
1.一种用于获取射线摄影数据的管电流调制方法，所述方法包括以下步骤：
在表示对象(22、116)大小和对象(22、116)形状中至少一个的波形(84)上标识多个调制点(88-94)；
确定所述多个调制点(88-94)处的调制因子；以及
根据所述多个调制点(88-94)上的调制因子产生基本上近似于表示对象(22、116)大小和对象(22、116)形状中的至少一个的波形(84)的调制管电流波形(86)。
2.如权利要求1所述的方法，其中还包括以下步骤：进行对象(22、116)的探测扫描，以便确定表示对象大小和对象形状中的至少一个的波形(84)。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述标识步骤包括检查四分之一调制周期的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述标识步骤包括根据台架(12、102)旋转四分之一周获取的数据标识所述多个调制点(88-94)。
5.如权利要求1所述的方法，其中还包括以下步骤：利用取决于相应的调制点(88-94)上波形(86)的斜率的误差值来修改每一个调制因子。
6.如权利要求5所述的方法，其中还包括以下步骤：如果相应的调制点(88-94)上的所述斜率大于1.0，则增大作为时间函数的调制因子，而如果相应的调制点(88-94)上的所述斜率小于1.0，则增大作为幅度函数的调制因子。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个调制点(88-94)包括波形(86)幅度的百分之十、百分之九十和百分之百。
8.如权利要求1所述的方法，其中还包括以下步骤：根据在每一个调制点(88-94)上对象(22、116)大小和对象(22、116)形状的多项式表达式确定每一个调制点(88-94)的调制因子。
9.一种CT系统，它包括：
台架，它具有接纳被扫描对象的孔道；
高频电磁能量投射源，它配置成将高频电磁能量射线束投射到所述对象上；
闪烁体阵列，它具有多个闪烁体单元，其中，每一个闪烁体单元配置成检测穿过所述对象的高频电磁能量；
光电二极管阵列，它与所述闪烁体阵列光学连接并且包括配置成检测从对应的闪烁体单元输出的光的多个光电二极管；
数据获取系统，它与所述光电二极管阵列连接并且配置成接收所述光电二极管的输出；
图像重构器，它与所述数据获取系统连接并且配置成根据由所述数据获取系统接收的所述光电二极管的输出重构所述对象的图像；以及
具有用于以下操作的程序的计算机：
确定理想的管电流调制波形，以便控制所述高频电磁能量投射源的、用于从所述对象获取CT数据的高频电磁能量的投射；
在多个幅度上估算理想的管电流调制波形；
生成拟合到在所述多个幅度上估算的值的至少一个多项式表达式；以及
从所述至少一个多项式表达式确定近似的管电流调制波形。
10.如权利要求9所述的CT系统，其中，所述计算机还具有用于以下操作的程序：控制所述高频电磁能量投射源，使得向所述对象的高频电磁能量投射与所述近似的管电流调制波形一致。
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