CN101495886B - 立体管计算机断层摄影 - Google Patents
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Abstract
一种计算机断层摄影系统包括至少两个X射线源(108)，至少一个共同探测器(124)和重建系统(136)。至少两个X射线源(108)在不同的z轴位置上以大约相同的角位置进行排列并同时发射辐射穿过成像区域(116)。至少一个探测器(124)探测由至少两个X射线源(108)发射的辐射，并生成指示所探测到的辐射的复合数据。重建系统(136)对复合数据进行重建以生成一幅或多幅图像。
Description
本发明涉及医疗成像系统。其特别应用于计算机断层摄影(CT)，更具体地应用于立体管CT成像技术。
示例性的CT系统可以包括与一个或多个探测器相对地安装在机架上的X射线管。在扫描期间，X射线管发射的辐射穿过成像区域并击中一个或多个探测器，所述探测器生成指示所探测到的辐射的信号。对得到的信号进行重建以生成体数据，所述体数据用于产生一幅或多幅受检者位于成像区域内的被扫描区域的图像。
轴位扫描协议可与这类系统结合使用，以便顺次捕获受检者的有限区域或切片。然而，探测器的宽度限制了受检者中在每次扫描期间进行成像的区域的宽度。例如当想要捕获大于探测器宽度的一部分结构或整个结构时，这可能是覆盖范围所不容许的。为了捕获代表相对更大的受检者区域的数据，采用螺旋(或螺线)扫描。在使用螺旋扫描的情况下，可以经由可移动支架或床榻将受检者连续移动通过成像区域，同时X射线管围绕成像区域进行旋转并收集数据。所得数据代表大小超过(各)探测器宽度的结构。然而，由于床榻加强了延迟、进行多个X射线源旋转等，螺旋数据采集可能比轴位数据采集花费更多的时间。
在一些CT应用中，常常需要在相对短的时间段内捕获相对大的解剖结构区域(例如，整个器官)，从而以更高的时间分辨率重建该解剖结构。在使用上述系统的情况下，轴位扫描协议不可能提供在单次轴位扫描中采集期望的感兴趣体积的覆盖范围。螺旋扫描协议可以提供期望的覆盖范围，然而却以时间为代价。结果，时间分辨率可能降低并且相对于轴位扫描增加了运动伪影。
使用一个或多个大面积探测器的锥束CT系统能够利用轴位扫描协议进行相对更大解剖结构体积(例如，整个器官)的扫描。然而，数据采集受到限制，因为常规轴位锥束CT扫描技术不能提供完整的采样。结果，由这种数据生成的图像可能包括诸如拖尾的固有伪影。通过使用立体管构造中的两个X射线源并将探测数据进行结合，从理论上或算术上能确定并减轻数据缺乏。
在立体管构造中，沿不同的z轴位置以相同的角位置定位至少两个X射线源，所述至少两个X射线源共享用于数据采集的共同(各)探测器。由于(各)探测器被共享，因而可以将各X射线源顺序(交替)切换为“开”和“关”，使得在任何给定的时间上仅由其中一个X射线源的辐射照射所述共享的(各)探测器。在使用立体管系统的情况下，两个X射线源在一部分轴位扫描期间内移出图像平面。然而，通过恰当地组合所探测到的数据，可以生成具有供传统锥束CT重建算法进行重建而言足够数据的数据集。该数据集可以进行重建并用于生成一幅或多幅图像。
然而，以这种顺序方式运行各X射线源具有多项缺点。例如，使用滤线栅开关、闸门、遮光器或类似物来快速精确地将各管切换成“开”和“关”。这些设备，连同它们所需的控制系统会增加系统的成本和复杂性。另外，由于每个X射线源仅在大约一半的时间内有效，因此由每个X射线源生成的平均光子通量可能仅是相对于连续“开”的X射线源而言最大光子通量的大约一半。结果，不得不增大(例如，加倍)功率以实现与具有连续“开”的X射线源的系统相类似的光子通量和信噪比(SNR)，而这可能由于常规X射线源通常功率有限而行不通。此外，在顺序模式中驱动的X射线源通常不能完全切换成“关”，使得没有辐射发射。结果，来自“关”的X射线源的剩余光子通量可能污染“开”的X射线源的信号。而且，(各)探测器的余辉可能有相对更大的影响，因为不同X射线源的时间串扰可能相对更强。
本申请的各个方面致力于上面提到的各种问题以及其他。
根据一个方面，一种计算机断层摄影系统包括至少两个X射线源、至少一个共同探测器和重建系统。至少两个X射线源在不同的z轴位置上以大约相同的角位置进行排列并同时发射辐射穿过成像区域，其中，所述至少两个X射线源同时发射辐射穿过成像区域，并且其中，来自所述至少两个X射线源的辐射重叠。至少一个共同探测器探测由至少两个X射线源发射的辐射，并生成指示所探测到的辐射的复合数据。所述重建系统对复合数据进行重建以生成一幅或多幅图像。
根据另一方面，阐述了一种立体管计算机断层摄影方法。所述计算机断层摄影方法包括由以围绕成像区域大约相同的角位置定位在不同的z轴位置上的两个X射线源同时发射辐射穿过成像区域，其中，来自所述至少两个X射线源的辐射重叠；用至少一个共同探测器探测来自至少两个X射线源的辐射；生成指示所探测到的辐射的复合数据；以及对所述复合数据进行重建以形成图像。
根据另一方面，一种计算机断层摄影成像系统包括用于由在立体管构造中排列的至少两个X射线源同时发射辐射的器件，其中，来自所述至少两个X射线源的辐射重叠；用于同时对来自至少两个X射线源的辐射进行探测的器件；用于生成指示来自至少两个X射线源的所探测到的辐射的器件；以及用于对具有来自至少两个X射线源贡献的信号进行重建以生成图像的器件。
本发明可以具体化为多种部件和部件的布置，以及多种步骤和步骤的安排。各附图仅为了图示各优选实施例，不应解释为对本发明的限制。
图1示出了采用立体管构造中布置的进行同时发射的X射线源的多源医学成像系统；
图2示出了利用采用立体管构造中布置的进行同时发射的X射线源的多源医学成像系统进行成像的示例性方法；
图3示出了立体管构造中的两个X射线源，所述两个X射线源发射重叠并击中共同探测器的射束；
图4示出了示例性的迭代重建技术。
参照图1，医学成像系统100包括具有N个X射线源1081、108N(本文统称之为X射线源108)的扫描器104，其中，N是大于1的整数。X射线源108可以用来生成锥束、扇束或其他射束几何结构。另外，每个X射线源108可以产生并发射具有相似或不同的谱分布、强度和/或其他特征的辐射。
如图所示，X射线源108驻留在关于成像区域112大约相同的角位置上，并沿z轴116被偏置。应当领会到的是，在另一实施例中至少两个X射线源108可以位于不同的角位置上并沿z轴116被偏置。在又一实施例中，至少两个X射线源112可以位于不同的角位置上并在z轴116上大约相同的位置处。
在一个实例中，X射线源108围绕旋转机架120进行设置。在该实例中，将机架120围绕成像区域112旋转使X射线源108围绕成像区域112进行旋转。应当领会到的是，这种X射线源108可以源自在物理上附接到机架120的分立X射线管内。可以按上述定位这种X射线管，例如使得X射线源108在大约相同的角位置上并沿z轴116被偏置。常规射束控制电子器件可以用于精确控制X射线源108，以便补偿相对于X射线管的角定位的相对物理位置的任何差。
在另一实施中，X射线源108可以源自在相同管内的不同焦点上。类似地，该管可物理上附接到机架120，并且相应地通过用于精确定位X射线源108的电子器件控制从每个焦点发射的辐射以精确定位X射线源108。在另一实例中，系统112可以具有多个管的组合，其中一个或多个管可以具有单一一个X射线源108，且一个或多个管可以具有多个X射线源108。在另一实例中，由与机架120分立的(各)设备生成的X射线源108。例如，从电子束生成器或通过电子偏转控制电子束(e-beam)位置的枪或类似物可产生X射线源108。
扫描器104还包括一个或多个探测器124(“探测器124”)，其中，每个探测器124具有至少一个探测器元件。应当领会到的是，每个探测器124在尺寸、能量分辨率、形状等方面可以不同或相似。在一个实例中，其中至少一个探测器124是大面积探测器。同样，探测器124可以包括具有两个或多个探测器元件的二维探测器。使用这类探测器124相对于一维探测器能够使受检者体内使用轴位扫描协议扫描的体积、宽度、感兴趣区域或类似物更大。
这种扫描能力能够受到杠杆作用调节以便在单次轴位扫描中快速采集代表更大面积或整个器官的数据。如果需要，这便于以相对宽的覆盖范围采集相对高时间分辨率的数据。另外，这种扫描可以与功能成像(诸如其中(各)造影剂或其他(各)制剂快速移动通过感兴趣组织的灌注成像、代谢成像等)结合使用。
其中每个探测器124可以基于不同或相似的探测器技术。合适技术的示例包括但不限于间接转换技术(例如，并入硫氧化钆(GOS)闪烁体)、直接转换技术(例如，并入碲锌镉(CZT)晶体材料)或其他技术。
如图所示，探测器124对着与X射线源108相对的一角弧，而在探测器124和X射线源108之间限定了成像区域112。在一个实例中，其中每个探测器124随同X射线源108一起旋转，例如像第三代CT系统那样。在另一实例中，探测器124驻留在关于静止机架的静态角位置上。在该实例中，由X射线源108的角位置确定探测器124在任意时刻探测的辐射，例如像第四代CT系统那样。
探测器124探测由X射线源108发射的辐射。可以使用抗散射滤线栅或类似物来减少对散射辐射的探测。
支架128在成像区域112内支撑受检者，例如人类。支架128可以是可移动的以便在执行螺旋、轴位和/或其他扫描之前、期间和/或之后，例如通过将支架128沿z轴116和/或一个或多个其他轴移动，而将受检者引导到成像区域112中的合适位置上。
控制部件132控制其中每个X射线源108。这种控制包括但不限于，激活X射线源108以便在扫描期间发射辐射和停用X射线源108以终止这种发射。在一个实例中，控制部件132控制X射线源108，使得其中至少两个X射线源108在数据采集期间同时发射辐射。在数据采集期间，同时发射的X射线源108通常用大约相同的功率进行驱动，例如每个X射线源用单个连续发射的X射线源的系统中所用的相同功率进行驱动。
由于其中每个X射线源108被连续驱动以发射辐射，因此对于其中每个X射线源108而言光子通量的峰值功率和信噪比(SNR)好像只有一个X射线源在发射辐射似的。在使用常规方法的情况下，典型地交替激活各X射线源，这会导致光子通量降低以及在相同功率水平下噪声增加。另外，在不必切换X射线源108时，不需要滤线栅开关、闸门、遮光器或类似物以在数据采集期间将X射线源108切换为“开”和“关”。然而，在需要或想要时可以实现这种部件。而且，由于在大约相同的时间量上获得更多的数据，交替运行所述源可相对提高时间分辨率。
然而，当多个X射线源108同时发射辐射时，各辐射束重叠并且其中每个探测器124同时探测其中不止一个X射线源108发射的辐射。由于各X射线源108位于沿z轴116的不同位置上，因而发射的辐射通过不同路径传播穿过成像区域116，并代表不同的信息。
上述在图3中进行示出，其中，X射线源304和308位于沿z轴312的不同位置上。由X射线源304发射的射束316通过准直器320进行准直并照射共同探测器324中的一部分。同时，由X射线源308发射的射束328通过准直器332进行准直并照射共同探测器324中的一部分。如图所示，射束304和308在共同探测器324上重叠。
回到图1，如果需要，基于同时发射辐射的X射线源108数量通过常规技术可以对探测器124的动态范围进行适当的配置，因为每个X射线源108都对探测器124所观察的X射线强度有所贡献。
在对来自X射线源108的辐射进行探测时，其中每个探测器124生成指示所探测到的辐射的信号。由于同时对来自多个X射线源108的辐射进行探测，因此所生成的信号具有对应于其中每个发射的X射线源108的贡献或组分。
将这种信号提供给重建系统136，以用于对指示所述对象的体数据进行重建。正如下面更详细所述的那样，重建系统136具有多源重建器140，其考虑到来自与探测器124重叠位置对应的信号的每个信号是具有来自N个X射线源108中的每一个的贡献的合成信号。应当领会到的是，重建器140可以是硬件或软件。在一个实例中，重建器140包括计算机处理器，其运行存储在计算机可读介质上的计算机可读指令。
图像处理器144对重建数据进行处理以生成一幅或多幅图像。生成的图像可以进行显示、成片、归档、(例如以电子信函的方式等)转送给治疗医生、与来自其他成像模态的图像进行融合、(例如，经测量和/或可视化实用程序和/或专用可视化系统)进一步处理、存储等。
计算系统(或控制台)148方便操作者与扫描器104交互和/或控制扫描器104。由计算系统148运行的软件应用程序能够使操作者配置和/或控制扫描器104的运行。例如，操作者可以与计算系统148进行交互以选择扫描协议，启动、中止和停止扫描，观看图像，处理体图像数据，测量所述数据的多项特征(例如，CT值、噪声等)等。计算系统148还给控制部件132传送多种信息。
图4示出了由重建器140采用的示例性重建方法400。可以作为N个X射线源108的函数对系统100进行建模。在一个实例中，这可通过对衰减图中的未知衰减系数进行求解而实现。例如，根据线积分或其他方法来描述和求解未知衰减系数。所得函数是对N个X射线源108求和并解释其中每个探测器124上任意重叠的X射线束。该模型可以与以下迭代重建方法结合使用。
在404，生成对于同时发射辐射的立体管CT系统的初始图像估计。在408，将该图像估计进行正向投影以生成投影数据。在412，将正向投影数据与目标函数进行比较。在一个实例中，目标函数是上述系统模型的对数似然，其考虑到对应于多个射束重叠的信号。在416，将所述比较用于调整所述图像估计。可以使用多种已知技术使所述函数最大化，以便随着每次迭代增大所述似然。例如，可以使用期望最大化方法单调地增大所述似然。其他合适的技术包括但不限于坐标下降(coordinated ascent)、有序子集和抛物面法。
作为示例，在一个非限定性实现中使用最大似然函数，根据N个X射线源的贡献在每次迭代期间顺次更新体素。在该示例情况下，多源重建器140每次迭代为N个X射线源108中的每一个进行数据正向投影。将正向投影的数据进行调整并分配给N个X射线源108中的每一个。这可以通过计算所述正向投影数据的合计与所测数据间的差，并根据该差对所述正向投影数据进行缩放而实现。然后按X射线源的贡献对合计贡献的加权函数，为每个X射线源对所述数据进行反投影。这解释了N个X射线源108。每次迭代在顺次更新体素后结束，并且随着每次迭代，对数据的分配进行更新和会聚。
使正向投影所估计的图像、将正向投影数据与目标函数进行比较以及更新所估计的图像这一过程持续进行，直到实现符合正向投影数据的期望水平。
在“Maximum Likelihood Transmission Image Reconstruction forOverlapping Transmission Beams”(Tessler等人，IEEE Transaction on MedicalImaging，第19卷，第11期，2000年11月)中讨论了与单光子发射断层摄影(SPECT)系统结合使用的这种技术的示例。
图2示出了同时使用立体管构造中的至少两个X射线源108对受检者进行成像的非限制性方法200。类似于系统100，在第三、第四或其他代系统中可以将X射线源108与探测器124配对。在使用立体管构造的情况下，可以这样定位X射线源108，以使它们关于成像区域112处于大约相同的角位置上并沿z轴116被偏置。然而，本文还预见到有如上所述的其他构造。另外，各X射线源108可以附接到旋转机架120并随之旋转。
在附图标记204处，至少两个X射线源108同时生成并发射辐射穿过成像区域112。这种辐射可以是锥束、扇束或具有其他几何构形的射束。另外，其中每个X射线源108可以发射具有相似或不同谱分布、强度、和/或其他特征的辐射。在208，来自其中每个X射线源108的辐射穿透成像区域112。由于X射线源108驻留在不同的z轴位置上，因此由其中每个X射线源108发射的辐射经不同的路径穿过成像区域116。
当穿过成像区域112时，在212处所述辐射击中其中至少一个探测器124。一个或多个探测器124中的每一个可具有一个或多个探测器元件。另外，各探测器或其上的探测器元件可以具有不同或相似的尺寸、能量分辨率、形状等。在一个实例中，探测器124是大面积二维探测器，相对于一维探测器其可用于探测与多个切片、更大体积、宽度或感兴趣区等对应的数据。在一次轴位扫描中，这种探测器124可以用于采集对应于更大面积或整个器官的数据。
在216，其中每个探测器124生成指示所探测到的辐射的信号。由于同时对来自多个X射线源108的辐射进行探测，因此所生成的信号具有来自其中每个发射的X射线源108的辐射贡献。在220，将这些信号提供给重建系统136，其使用多种重建技术对所述信号进行重建，以产生指示受检者的被扫描区域的体数据。如上所述，重建系统136使用重建器140对所述信号进行重建。在224，对所述体数据进行处理以生成能够进行显示、成片、归档、融合或其他处理的一幅或多幅图像。
本文描述的系统和方法可以与CT应用结合使用，其中在期望在相对短的时期内捕获更大的体积。这种应用包括心脏CT，其中常常希望相对快速地对整个或大部分心脏进行成像以提高时间分辨率。其他应用的示例包括灌注扫描、功能性扫描、代谢扫描等。
参考各优选实施例已经描述了本发明。在阅读并理解了说明书之后，别人能够想到有修改和变更。只要它们在权利要求或其等同物的范围内，本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变更。
Claims (20)
1.一种计算机断层摄影系统(100)，包括：
在不同的z轴位置上以大约相同的角位置进行排列的至少两个X射线源(108)，其中，所述至少两个X射线源(108)同时发射辐射穿过成像区域(116)，并且其中，来自所述至少两个X射线源(108)的辐射重叠；
至少一个探测器(124)，其探测由所述至少两个X射线源(108)发射的辐射并生成指示所探测到的辐射的复合数据；以及
重建系统(136)，其对所述复合数据进行重建以生成图像。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述重建系统(136)采用重建器(140)解释所述复合数据中来自所述至少两个X射线源(108)中的每一个的贡献。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述重建器(140)采用迭代重建法。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述重建器(140)在每次迭代期间针对所重建的数据中的每个体素，更新来自所述至少两个X射线源(108)中的每一个的部分贡献。
5.如权利要求3所述的系统，其中，所述迭代重建法包括通过期望最大化、坐标下降、有序子集和抛物面技术中的至少一种使对数似然最大化。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少两个X射线源(108)发射具有大约相同光子通量或不同光子通量的辐射。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个探测器(124)在单次轴位扫描期间探测所述辐射。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少两个X射线源(108)与不同X射线管、相同X射线管及其组合中的一种相关联。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述探测到的数据对应于人类心脏的一部分。
10.如权利要求1所述的系统，还包括至少一个以不同的角位置在不同的z轴位置上布置的附加X射线源(108)。
11.如权利要求1所述的系统，还包括至少一个以不同的角位置在大约与所述至少两个X射线源(108)中的一个相同的z轴位置上布置的附加X射线源(108)。
12.如权利要求1所述的系统，其中，由所述至少两个X射线源(108)发射的所述辐射具有不同的辐射谱特征。
13.如权利要求1所述的系统，还至少包括第二探测器(124)，其中，所述至少一个探测器(124)与所述第二探测器(124)具有相似或不同的能量分辨率。
14.一种立体管计算机断层摄影成像方法，包括：
由围绕成像区域(112)以大约相同的角位置定位在不同z轴位置上的至少两个X射线源(108)同时发射辐射穿过所述成像区域(112)，其中，来自所述至少两个X射线源(108)的辐射重叠；
用至少一个共同探测器(124)探测来自所述至少两个X射线源(108)的所述辐射；
生成指示所探测到的辐射的复合数据；以及
对所述复合数据进行重建以形成图像。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少两个X射线源(108)发射具有基本相似光子通量的辐射。
16.如权利要求14所述的方法，还包括使用迭代重建技术解释所述复合数据中来自所述至少两个X射线源(108)中的每一个的贡献。
17.如权利要求16所述的方法，其中，对于每次迭代中的每个体素，对所述复合数据进行重建的步骤包括：
计算来自所述至少两个X射线源(108)中的每一个的贡献；
基于所测得的数据调整每个贡献；
对前一次迭代的结果进行更新；以及
对更新的结果进行反投影。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述反投影按X射线源对合计贡献的函数进行加权，以解释所述至少两个X射线源(108)中的每一个。
19.如权利要求17所述的方法，还包括通过使对数似然函数最大化来更新所述结果。
20.一种计算机断层摄影成像系统(10)，包括：
用于由在立体管构造中排列的至少两个X射线源(108)同时发射辐射的器件，其中，来自所述至少两个X射线源(108)的辐射重叠；
用于同时对来自所述至少两个X射线源(108)的所述辐射进行探测的器件；
用于生成指示所探测到的辐射的信号的器件；以及
用于对所述信号进行重建以生成图像的器件。
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