CN101641589A - 用于产生断层合成三维x射线图像的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于产生一种断层合成三维X射线图像的方法，其中，借助一种固定的X射线源(2)为一个待检对象(6)摄制复数个二维投影图像。所述X射线源(2)包括复数个并排布置、可单独控制的发射器(4)，所述发射器(4)用于从不同方向(16)分别发射一个单剂量，所述不同方向(16)分配有所述各个发射器(4)。在所述各个二维投影图像的基础上重建所述断层合成三维X射线图像，其中，至少一个二维投影图像由复数个单幅图像构成。
Description
技术领域
本发明涉及一种特别适用于乳房X射线摄影术的方法和一种用于产生一种断层合成三维X射线图像的装置。在这种断层合成法中，要从不同方向摄制一个待检对象的复数幅X射线图像。随后根据用这种方法获得的二维投影图像计算出所述断层合成三维X射线图像。
背景技术
一种断层合成三维X射线图像是一个由复数个断层图像构成的图像数据集。这种通过二维投影图像的重建获得的图像数据集在下文中称作“断层合成三维X射线图像”或“三维断层合成图像”。
乳房X射线摄影术是对乳房进行的X射线检查，其目的是尽早检测出恶性肿瘤。通过不断改进成像方法，人们力求生成有更好的X射线图像，以便区分良性变化和恶性变化，从而减少误诊次数。不是由恶性变化引起的不可靠诊断的数量和未检测到的恶性肿瘤的数量都认为是误诊的数量。传统的乳房X射线摄影检查方法只在单个投影方向上对待检对象(通常为一女性乳房)进行透视，产生一幅处于压缩状态的乳房的二维投影图像。在这种投影图像中，对沿X射线束方向一层接一层排列的组织层进行叠加表示，因此恶性肿瘤可能会被吸收能力很强的良性结构遮住，从而难以检测出来。
为了克服这些缺点，Med.Phys.(物理医学)30，365(2003)中Tao Wu等人的“Tomographic mammography using a limited number of low-dosecone-beam projection images(使用少量低剂量锥束投影图像的断层乳房X射线摄影术)”，提出一种称为“断层合成术”的乳房X射线摄影检查法。在这种方法中，从复数个不同的方向上分别摄制一幅女性乳房的投影的一个单幅数字图像。如上所述，将这些从不同方向摄制的二维投影图像处理成一幅断层合成三维X射线图像。这种三维X射线图像可对从X射线的传播方向上看所处位置较深的组织结构进行显示。
在传统的断层合成法中，X射线源(视情况还有检测器)相对于待检对象如在一个轨道上转动。新式X射线源包括复数个并排布置的发射器，因而X射线源自身无需转动。作为由X射线源进行转动这一方案的替代方案，依次激发各个发射器进行发射，从而达到从不同方向对待检对象进行照射的目的。
特别有利的X射线源是其各个发射器借助场致发射阴极进行工作。如Medical Imaging(医学成像)，Vol.6142，614204(2006)中J.Zhang等人的“A multi-beam x-ray imaging system based on carbon nanotube fieldemitters(基于碳纳米管场发射器的多束X射线成像系统)”，提出过这种X射线源及其在断层合成术领域的可能应用。
由多个发射器构成的X射线源可实现极高的扫描速度，这是因为扫描速度不受X射线管的机械运动的限制。但各个发射器的辐射功率比传统X射线管的辐射功率相对较低。这使得所获得的二维投影图像和计算所得的三维X射线图像的信噪比都很小。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于产生一种断层合成三维X射线图像的方法和装置，以允许对一个待检对象进行较高剂量的照射。
上述目的通过根据权利要求1所述的一种方法和根据权利要求10所述的一种装置实现。
根据本发明的用于产生一种断层合成三维X射线图像的方法中，借助一种固定的X射线源摄制复数幅二维投影图像，所述X射线源包括复数个并排布置且可单独控制的发射器。从分配有各个发射器的不同方向对待检对象进行照射；用一种数字X射线检测器接收所产生的各幅二维投影图像。随后在这些二维投影图像的基础上重建所述断层合成三维X射线图像。至少一个二维投影图像由复数个单幅图像构成。这些单幅图像通过用一个发射器所发射的一个单剂量照射所述待检对象产生。通过由同一个发射器发射多个单剂量，可产生复数个单幅图像。
本发明的方法特定而言具有以下优点：由于所述X射线源的单个发射器所能产生的最大单剂量有限，可通过对同一个发射器重复进行控制来产生复数个单幅图像，借此增大用于照射二维投影图像的剂量。此外，通过对各个发射器的重复控制，增加了对所述X射线源所发射的总剂量的分布进行调节的可能性。例如，借此可以较高剂量为待检对象摄制几幅投影图像，从而使随后经计算得到的断层合成三维X射线图像的质量得到改善。此外通过对这些发射器单独进行控制，还可对三维断层合成图像中由于照射的几何形状导致的不均匀剂量分布进行补偿。借助下文的实施例进行说明。待检对象通常是一个固定在两块压板之间的女性乳房。与上述加板的表面法线之间夹一小角度的发射器所发出的X射线在所述待检对象中行进一段相对较短的距离。而与所述表面法线之间夹一大角度的发射器所发出的X射线在所述待检对象中则行进一段相对较长的距离。因此，这些与所述表面法线之间夹一大角度的发射器所发射的单剂量会受到极大的削弱。其结果是剂量分布不均匀，对此的补偿方式是由那些与所述表面法线之间夹一大角度的发射器发射多个单剂量以产生一幅二维投影图像。
本发明的方法的有利设计方案可从权利要求1的从属权利要求中获得。据此，本发明的方法还可具有以下其他特征：
在一种由复数个可单独控制的发射器构成的X射线源中，单个发射器所能发射的X射线剂量会受到限制，尤其是由于相对较小的X射线发射器存在过热危险而使X射线剂量受到限制。本发明针对该次要问题提出的解决方案是，在控制一个第一发射器发射一个第一单剂量之后，且在再次控制该第一发射器发射一个其他单剂量之前，先对一个不同于该第一发射器的其他发射器进行控制。借此可使第一发射器具有至少相当于其他发射器的发射时间的冷却时间。同样也可为第一发射器提供更长的冷却时间。为此，可在某个发射器的各个独立的发射过程之间对尽可能多的的其他发射器进行控制，这些其他发射器的单剂量同样用于产生所述三维断层合成图像。借此可使第一个受到控制的发射器具有最长的冷却时间，而不会延长整个断层合成三维X射线图像的曝光时间。
如果需要对所述X射线源的所有发射器进行重复控制来产生一个(如取决于所述三维断层合成图像的预定分辨率的)预期总剂量，最简单的处理方式是依次对这些发射器重复进行控制。从而在第一次扫描时按一定顺序对所述X射线源的所有发射器进行控制。在随后几次扫描中，仍是按这一顺序对发射器再次进行控制。这样单个发射器所具有的冷却时间就相当于一次完整扫描的持续时间。在此情况下，所有用于重建该断层合成三维X射线图像的二维投影图像均由复数个单幅图像构成。最简单的处理方式是从所述X射线源的一端到另一端按顺序依次对上述发射器进行控制。例如，如果一种X射线源有N个发射器，就可按顺序(即1、2、...、N；1、2、...、N)对这些发射器进行控制。
根据另一实施方式，使所述X射线源所发射的总剂量达到可预定分布的方案是，仅对选定的各个发射器(而非对所有的发射器)进行超过一次的控制。简化控制起见，对这些选定的发射器进行分组。其中，将控制频率相同的发射器分在同一组内。为了简化控制过程，可对这些选定的发射器进行分组控制。对同一组内的发射器按顺序(如依次)单独进行控制。特别有利的方案是对不同的组总是依次进行控制。借此可使每一组的发射器总是具有大致相当于另一组的总发射时间的冷却时间。
根据另一实施方式，在两次连续的断层合成X射线检查的过程中或在两次连续的断层合成X射线检查之间为患者施加一种X射线造影剂，以提高对患病组织的诊断效果。在此情况下，须以不同的X射线能量进行该检查，所述X射线能量选定为，一个第一X射线能量高于所述X射线造影剂的吸收限，另一个X射线能量低于所述X射线造影剂的吸收限。为了产生一种断层合成三维X射线差分图像，须以一种方式对所述X射线源的发射器进行控制，使这些发射器所发射的各个单剂量具有不同的X射线能量。先使所述X射线源的各个发射器以一个第一能量进行工作，以便产生第一组二维投影图像，再使这些发射器以一个第二X射线能量进行工作，以便产生另一组二维投影图像。利用所获得的两组二维投影图像计算出两幅不同的三维X射线图像或一幅三维X射线差分图像。积聚有所述X射线造影剂的组织在这样一种三维X射线差分图像中可很好地显示。产生不同X射线能量的二维投影图像时，用较大强度来摄制这些二维投影图像也是可行的。为达到此目的，可如上文所述对所述X射线源的发射器进行单独重复控制或分组重复控制。
根据另一实施方式，为所述X射线源的所有发射器规定一个恒定的电流-发射时间之积，以进一步简化控制过程。其优点在于，只需通过所需各个单剂量的数量就可对一种二维投影图像的曝光进行控制。
上述目的还可通过一种根据权利要求10所述的装置而达成，该装置用于实施根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的方法。所述装置的X射线源包括至少一个发射器，所述发射器具有一种包括复数个碳纳米管的场致发射阴极。此外，所述装置还具有一个低固有噪声的X射线检测器。借助由碳纳米管构成场发射器的场致发射阴极，可几乎以任意一种时间形式产生各个X射线剂量。此外，这种阴极还可以很容易地实现小型化。低固有噪声的X射线检测器特别有利，这是因为在计算一幅二维投影图像时须将多个单幅图像相加。所述X射线检测器的低固有噪声可避免所获得的二维投影图像由于将各幅图像相加而具有较差的信噪比。
所述装置的其他重要优点在上文对本发明方法的说明中已被提及。
所述装置优选为一种乳房X射线摄影装置。
附图说明
下面借助附图对本发明进行说明，其中：
图1为用于产生断层合成三维X射线图像的乳房X射线摄影装置的示意图。
具体实施方式
附图所示的具有一种X射线源2的乳房X射线摄影装置，所述X射线源具有复数个发射器4。附图中的X射线源2具有N个发射器41至4N。各个发射器4以一种阵列的方式并排布置，并产生用于对一个待检对象6(在本实例中为一个女性乳房)进行照射的X射线3。各个发射器4所采用的布置方式可使其在不同的角度α下对待检对象6进行照射。其中，第i个发射器4i的照射方向16″与一表面法线9之间的夹角为角度αi。为能对照射方向16、16′、16″、16″′进行调节，这些发射器4可在X射线源2中以彼此相对稍微偏转的方式布置。
待检对象6固定在一块压板8与一块承重板10之间。在待检对象6远离X射线源2的一侧布置有一种X射线检测器12，该X射线检测器由复数个分立的检测器14以矩阵形式构成。X射线检测器12基本上平行于压板8和承重板10来定向，因此，这些组件共用表面法线9。
X射线源2基本上沿垂直于表面法线9的方向延伸。X射线源2的各个发射器4可以分别与表面法线9的夹角为角度α的方式布置，以便从不同方向16、16′、16″和16″′对待检对象6进行照射。清楚起见，附图仅对三个独立的发射器4、4N-i和4N进行了图示。如未详细图示的第i个发射器4i与表面法线9之间的夹角应该为角度αi。X射线源2的各个发射器4彼此相对稍微偏转，以调节照射方向16。当检测器12与X射线源2之间的距离较大时，各个发射器4也可采用使其照射方向16基本平行的定向方式。
为了产生一种断层合成三维X射线图像，以升序方式控制各个发射器4。当然也可用任意一种其他顺序对所述发射器4进行控制。X射线检测器12在每个照射方向16上或在每个照射角αi下均检测到一个相应的单幅图像数据集Ei。通过一种信号线S将包含关于照射角αi和相应单幅图像数据集Ei的信息的数据发送至一个控制和处理设备18。单幅图像数据集Ei在此处被处理成一幅断层合成三维X射线图像，随后借助各种输入元件和显示元件(附图以一个键盘20与一台监视器22为例示意了这些元件)对所述断层合成三维X射线图像进行分析和处理。一幅断层合成三维X射线图像由复数个独立的断层图像构成，这些断层图像分别重现待检对象6的一个垂直于法线9定向的断层。清楚起见，附图对穿过待检对象6中的几个断层层面24进行了图示。
X射线源2的发射器4优选是带有一个场致发射阴极的发射器4，该场致发射阴极包括复数个碳纳米管。为避免X射线源2的各个发射器4发生热过载，须按如下方式对其进行控制：
根据第一方案，依次(即从第一个发射器41开始)对X射线源2的发射器4进行控制。当用在待检对象6上的总剂量不够时，按相同顺序(即仍然从第一个发射器41开始)对各个发射器4再次进行控制。为了将单个发射器4的热负荷控制在最低限度，任何情况下均应避免对单个发射器4连续控制两次。
根据另一方案，以不同的频率对各个发射器4进行控制。通过这种方式可使X射线源2所发射的总剂量达到预期分布。
简化控制起见，优选地对发射器4进行分组。以相同频率发射一个单剂量的发射器4分在同一组内。对发射器4进行分组控制，其中，对同一组内的发射器4依次单独进行控制。为了使各个发射器4获得最长冷却时间，不同的组总是依次进行控制。
为了对这一方案进行详细说明，假定附图所示的X射线源2如包括N＝11个发射器4。要得到一种三维断层合成图像，其中，中部投影所用的剂量须高于边缘投影所用的剂量。编号为1、2、3、9、10和11的发射器4控制一次，编号为4和8的发射器4控制两次，编号为5、6和7的发射器4控制三次。相应地，将编号为1、2、3、9、10和11的发射器4分配给A组，编号为4和8的发射器4分配给B组，编号为5、6和7的发射器4分配给C组。随后可按以下顺序对A组至C组依次进行控制：C、A、B、C、B、C。由于这样一个对组的控制顺序，可使每一组的发射器的冷却时间总是至少相当于另一组的总照射时间。
为了简化对X射线源2的控制，可为各个发射器4确定一个固定的管电流值和一个固定的发射时间值。例如，这样一个单剂量的电流-时间之积可以为2.5mAs。此后可通过单剂量的数量对检查待检对象6所需的总剂量进行控制。如果一个单剂量的电流-时间之积为2.5mAs，则一个有N＝25个发射器4的X射线源2的总剂量就是62.5mAs。如果对待检对象6进行成像所需的总剂量为125mAs，就进行两次扫描，每次扫描所用的剂量均为62.5mAs。
为了扩展检查可能性，可在两次独立的断层合成摄影之间或在获取一幅断层合成三维X射线图像的过程中为患者施加一种X射线造影剂。X射线造影剂通常会积聚在患病组织内以使该组织显影。以不同的X射线能量照射待检对象6得到两幅图像，在图像中的对比度就显现出来。其中，第一幅图像的X射线能量低于该X射线造影剂的吸收限，而第二幅图像的X射线能量高于该X射线造影剂的吸收限。典型的是将吸收限为33keV的碘用作造影剂。如果在各个发射器4中使用钨阳极，就可通过X射线韧致辐射谱的位移来达到所发射的X射线的能量。通过改变加速电压，可实现韧致辐射谱的位移。为获得一种三维X射线差分图像，以不同的能量摄制计算所述三维X射线差分图像所需的二维投影图像。例如，进行第一次扫描时，用一个第一加速电压驱动X射线源2的发射器4，进行第二次扫描时，用一个第二管电压驱动X射线源2的发射器4。将以这种方式获得的两组二维投影图像相减，并借助控制和分析单元18将其处理成一幅三维X射线差分图像。为了产生这些不同X射线能量的二维投影图像，还须根据待检对象6所需的X射线剂量摄制多个单幅图像，再通过这些单幅图像计算出一幅二维投影图像。
Claims (10)
1.一种用于产生一种断层合成三维X射线图像的方法，其中，借助一种固定的X射线源(2)从不同的方向(16)为一个待检对象(6)依次摄制复数个二维投影图像，并在这些二维投影图像的基础上重建所述断层合成三维X射线图像，其中，所述X射线源具有复数个并排布置且可单独控制的发射器(4)，所述发射器用于发射一个单剂量，所述不同方向(1 6)分配有所述各个发射器(4)，所述二维投影图像用一种数字X射线检测器(12)接收，其中，
至少一幅二维投影图像由复数个单幅图像构成，这些单幅图像分别通过用同一个发射器(4)所发射的单剂量照射所述待检对象(6)产生。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
在控制一个第一发射器(4)发射一个第一单剂量之后，并在再次控制所述第一发射器(4)发射一个其他单剂量之前，先对一个第二发射器(4)进行控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，
所有用于重建所述断层合成三维X射线图像的二维投影图像均由复数个单幅图像构成，其中，在复数个发射器(4)分别发射一个第一单剂量之后，按照与发射所述第一单剂量相同的顺序依次控制所述发射器来发射一个其他单剂量。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，
根据相应发射器(4)所发射的单剂量的数量，将发射复数个单剂量以产生一种二维投影图像的那些发射器(4)分成复数个组，并对这些发射器(4)按组依次进行控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，
依次对不同的发射器(4)组进行控制。
6.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，
单个发射器(4)发射的单剂量的数量由所述待检对象(6)所需的剂量分布预先规定。
7.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，
生成一种断层合成三维X射线差分图像，作为一种三维X射线图像，在所述三维X射线图像中，用于产生一种二维投影图像的单剂量具有不同的X射线能量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，
一个第一单剂量的X射线能量低于一种X射线造影剂的吸收限，另一个单剂量的X射线能量高于一种X射线造影剂的吸收限。
9.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，
为所有发射器(4)预先规定一个恒定的电流-发射时间之积，作为一个用于产生一个单剂量的参数。
10.一种装置，其用于实施根据上述任一权利要求所述的方法，其中，所述X射线源(2)的至少一个发射器(4)具有一种场致发射阴极，所述场致发射阴极包括复数个碳纳米管，所述装置的X射线检测器(12)具有低的固有噪声。
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