CN101730372B - 球管电流调制方法和球管电流调制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球管电流调制方法，该球管电流调制方法包括：计算两个先前的半圈扫描中各自的最大衰减平均值，获取其中一个半圈扫描的球管电流水平；根据所述最大衰减平均值以及所述球管电流水平，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。

Description

球管电流调制方法和球管电流调制系统

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。

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：

计算两个先前的半圈扫描中各自的最大衰减平均值，获取其中一个半圈扫描的球管电流水平；

根据所述最大衰减平均值以及所述球管电流水平，计算当前扫描所需的球管电流水平。

计算半圈扫描中的最大衰减平均值的步骤包括：计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值；计算这些最大衰减值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值。

计算半圈扫描中的最大衰减平均值的步骤包括：计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值；确定这些最大衰减值当中的最大值和最小值，并计算所述最大值和最小值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值。

获取半圈扫描的球管电流水平的步骤包括：直接读取该半圈扫描的球管电流水平；或者，读取该半圈扫描中球管电流对时间的积分，然后除以该半圈扫描的时间。

计算当前扫描所需的球管电流水平的步骤包括：

利用如下公式 $I_M\left(z_n\right)=I_M\left(z_{n-1}\right)\·\frac{\exp \left({\left(A_{n-1}^{\mathrm{mean}}\right)}^{\mathrm{\α}}\right)}{\exp \left({\left(A_{n-2}^{\mathrm{mean}}\right)}^{\mathrm{\α}}\right)}$ 来计算所述当前扫描所需的球管电流水平，

其中I_M(z_n)为当前扫描所需的球管电流水平，I_M(z_n-1)为前一个半圈扫描的球管电流水平，为前一个半圈扫描中的最大衰减平均值，

为再前一个半圈扫描中的最大衰减平均值，α为控制参数。

优选地，所述α取大于等于0.5且小于等于1的值。

该方法还包括：在当前扫描所需的球管电流水平的基础上进行角度调制。

本发明还提供了一种球管电流调制系统，包括：

一个最大衰减平均值计算模块，用于计算两个先前半圈扫描中各自的最大衰减平均值；

一个球管电流水平获取模块，用于获取所述两个半圈扫描中的最近一个半圈扫描的球管电流水平；

一个纵向调制模块，用于根据所述最大衰减平均值以及所述球管电流水平，计算当前扫描所需的球管电流水平。

所述最大衰减平均值计算模块包括：一个投影中衰减值计算模块，用于计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值；一个第一平均值计算模块，用于计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值。

所述最大衰减平均值计算模块包括：一个投影中衰减值计算模块，用于计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值；一个极值确定模块，用于确定半圈扫描中每次投影的最大衰减值当中的最大值和最小值；一个第二平均值计算模块，用于计算所述最大值和最小值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值。

所述球管电流水平获取模块包括：一个读取模块，用于直接读取该半圈扫描的球管电流水平。

所述球管电流水平获取模块包括：一个除法模块，用于读取该半圈扫描中球管电流对时间的积分，然后除以该半圈扫描的时间，作为该半圈扫描的球管电流水平。

所述纵向调制模块包括：

第一纵向调制子模块，用于利用公式 $I_M\left(z_n\right)=I_M\left(z_{n-1}\right)\·\frac{\exp \left({\left(A_{n-1}^{\mathrm{mean}}\right)}^{\mathrm{\α}}\right)}{\exp \left({\left(A_{n-2}^{\mathrm{mean}}\right)}^{\mathrm{\α}}\right)}$ 来计算所述当前扫描所需的球管电流水平，

其中I_M(z_n)为当前扫描所需的球管电流水平，I_M(z_n-1)为前一个半圈扫描的球管电流水平，

为前一个半圈扫描中的最大衰减平均值，

为再前一个半圈扫描中的最大衰减平均值，α为控制参数。

所述球管电流调制系统还包括：一个角度调制模块，用于在当前扫描所需的球管电流水平的基础上进行角度调制。

从上述方案中可以看出，由于本发明的球管电流调制方案利用先前多个半圈扫描中的衰减值来调制球管电流水平，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，不仅缩短了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。

附图说明

图1为所用锥柱形水模(water phantom)的示意图，其中(a)为水模的立体图，(b)显示了水模尺寸。

图2为根据本发明实施例的方法的流程示意图。

图3为在本发明实施例中每次投影的最大衰减值。

图4为在本发明实施例中每个半圈的总剂量，其中一条曲线表示采用本发明实施例纵向球管电流调制方案的总剂量，另一条曲线表示采用恒定总剂量方案的总剂量。两条曲线积分的面积相同，即两种方案对于整个扫描过程累积的总剂量相同。

图5为本发明实施例中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6为在本发明实施例中以相同累计剂量扫描图1水模所得到的图像，其中(a1)、(a2)、(a3)和(a4)为采用本发明纵向球管电流调制方法得到的图像，标准差分别为0.66、1.05、1.78、2.79，(b1)、(b2)、(b3)和(b4)为采用恒定总剂量方法得到的图像，标准差分别为0.56、1.09、2.06、4.43。(a1)和(b1)的直径为250mm，感兴趣区半径为12.5mm；(a2)和(b2)的直径为300mm，感兴趣区半径为15.1mm；(a3)和(b3)的直径为350mm，感兴趣区半径为17.6mm；(a4)和(b4)的直径为400mm，感兴趣区半径为20.2mm。

图7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I₀的方式来实现，如公式(1)所示：

I(z，α)＝I₀·I_Long(z)·I_Ang(z，α)     (1)

其中，I(z，α)表示调制得到的球管电流，I₀表示初始球管电流，I_Long(z)表示纵向调制因子，I_Ang(z，α)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I_Long(z)。而角度调制因子I_Ang(z，α)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，将基于先前扫描中X射线的衰减值来在线调制Z轴方向球管电流水平。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。为了保持相邻片层的图像的均匀性，可以将先前扫描中的衰减值用作后继扫描时球管电流调制的在线反馈。

本发明实施例使用一个如图1所示的锥柱形水模作为扫描对象来具体描述球管电流调制方法。图1所示的锥柱形水模包括7个共轴的圆柱体，按照半径从小到大顺序依次排列，最小圆柱体的底面半径为50mm，最大圆柱体的底面半径为200mm，锥柱形水模两个底面的距离为35mm，每个圆柱体两个底面的间距为5mm。本实施例从最小圆柱体开始到最大圆柱体结束共扫描7圈，相邻两圈扫描的间距为5mm，在扫描中采用单排检测器采集信号，扫描层厚为1mm。

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，根据设定的初始总剂量(以50mAs为例)，进行第一个半圈扫描和第二个半圈扫描。

步骤S02，因为在每个半圈扫描中，从0到180度(π)会曝光投影多次，根据每次投影的对数正弦图数据可以计算得到该次投影的最大衰减值A^max。检测器在X-Y平面内可以分为多个检测单元，一次投影的最大衰减值A^max是指在一次投影中这些检测单元所检测到的X射线的最大衰减值。

图3显示了从正弦图中得到的每次投影的最大衰减值。

步骤S03，根据半圈扫描中的各次投影的最大衰减值A^max(m)，来计算该半圈扫描中的最大衰减平均值A^mean，其中m表示在这半圈扫描中的投影序号。

可以采用多种方法来计算半圈扫描中的最大衰减平均值。例如，可以对半圈扫描中每次投影的最大衰减值A^max(m)求和，然后除以投影次数，得到该半圈扫描中每次投影的最大衰减值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值A^mean。再例如，可以先确定半圈扫描中每次投影的最大衰减值A^max(m)当中的最大值A^upper和最小值A^lower，然后计算最大值A^upper和最小值A^lower的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值A^mean。

步骤S04，获取纵向调制所需的先前半圈扫描的球管电流水平I_M。

如果是获取第一个或第二个半圈扫描的球管电流水平，由于这两个半圈扫描采用的是设定的总剂量或初始球管电流，因此可以直接读取它们的设定值。

如果是获取第三个或之后的半圈扫描的球管电流水平I_M(z_n)，其中n大于等于3，如果有可供读取的球管电流水平(例如由先前纵向调制得到的球管电流水平)，则直接读取该球管电流水平I_M(z_n)；如果存在该半圈扫描的总剂量(球管电流对时间的积分)mAs_n，则读取该半圈扫描的总剂量mAs_n，然后除以该半圈扫描的时间s，作为该半圈扫描的球管电流水平I_M(z_n)。

需要注意的是，计算半圈扫描中最大衰减平均值的步骤和获取半圈扫描的球管电流水平的步骤并没有严格的先后顺序，可以先后执行，也可以同时执行。

步骤S05，对于第三个半圈之后的任意的半圈扫描(包括第三圈扫描)，不妨记为第n个半圈(n≥3)扫描，可以利用两个先前半圈扫描中的最大衰减平均值和其中一个半圈扫描的球管电流水平，来计算得到当前扫描所需的球管电流水平。

例如，根据前一个半圈扫描中的最大衰减平均值

再前一个半圈扫描中的最大衰减平均值

以及前一个半圈扫描的球管电流水平I_M(z_n-1)，采用下面的公式(2)来计算当前半圈扫描所需的球管电流水平I_M(z_n)：

$I_M\left(z_n\right)=I_M\left(z_{n-1}\right)\·\frac{\exp \left({\left(A_{n-1}^{\mathrm{mean}}\right)}^{\mathrm{\α}}\right)}{\exp \left({\left(A_{n-2}^{\mathrm{mean}}\right)}^{\mathrm{\α}}\right)}--\left(2\right)$

其中，exp()为指数函数，α为控制参数，一般可以取0.5≤α≤1，在本实施例中以取α＝0.6为例。

步骤S06，在需要的情况下，进一步对当前扫描所需的球管电流水平I_M(z_n)进行角度调制，利用公式(1)的变形I(z_n，α)＝I_M(z_n)·I_Ang(z_n，α)，计算得到当前扫描在不同角度的球管电流。由于在本实施例中扫描对象是锥柱形的水模，该锥柱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I_Ang(z_n，α)的作用，则I(z_n，α)＝I_M(z_n)。

然后，利用本实施例调制后的球管电流进行第n个半圈的扫描。

接着，可以转到步骤S02及其后续步骤，调制得到下一个半圈扫描的球管电流水平I_M(z_n+1)。

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，在这方法中每个半圈扫描采用相同的总剂量mAs，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4显示了两种方法中每个半圈扫描的总剂量，图5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，而是对每个半圈扫描采用相同的总剂量mAs。从图4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，具体表现为每个半圈扫描的总剂量在逐渐增大。从图5可以看出，采用本实施例纵向球管电流调制方案和每个半圈恒定总剂量方案的图像的标准差都随着水模半径的增加而上升，但是采用本实施例纵向球管电流调制方案得到的标准差明显小于采用恒定总剂量方案，即图像质量优于每个半圈采用恒定总剂量方案。

图6显示了采用两种不同方案得到的图像，其中图像(a1)、(a2)、(a3)和(a4)采用了本实施例的纵向球管电流调制方案，图像(b1)、(b2)、(b3)和(b4)采用了每个半圈恒定总剂量的方案。(a1)和(b1)的扫描位置相同，标准差分别为0.66和0.56；(a2)和(b2)的扫描位置相同，标准差分别为1.05和1.09；(a3)和(b3)的扫描位置相同，标准差分别为1.78和2.06；(a4)和(b4)的扫描位置相同标准差分别为2.79和4.43。

从图6的结果可以清楚地看出，随着水模直径的增大，在保持整个扫描过程累计总剂量相同的前提下，采用本实施例纵向球管电流调制方案所得图像的噪声等级明显小于采用恒定总剂量方案所得图像的噪声等级，保证了图像的质量。

除了公式(2)外，本发明可以用多种方法来计算当前扫描所需的球管电流水平。例如，根据第一个半圈扫描的球管电流水平I_M(z_n)(等于初始球管电流I₀)、前一个半圈扫描中的最大衰减平均值

以及第一个半圈扫描中的最大衰减平均值

利用下面的公式(3)来计算当前扫描所需的球管电流水平I_M(z_n)：

$I_M\left(z_n\right)=I_0\·\frac{\exp \left({\left(A_{n-1}^{\mathrm{mean}}\right)}^{\mathrm{\α}}\right)}{\exp \left({\left(A_1^{\mathrm{mean}}\right)}^{\mathrm{\α}}\right)}--\left(3\right)$

其中，exp()为指数函数，α为控制参数，一般可以取0.5≤α≤1。

本发明还提出了一种球管电流调制系统。如图7所示，该球管电流调制系统100包括一个最大衰减平均值计算模块110、一个球管电流水平获取模块120和一个纵向调制模块130。球管电流调制系统100还可以进一步包括一个角度调制模块140。

最大衰减平均值计算模块110用于计算两个先前半圈扫描中各自的最大衰减平均值，并将结果提供给纵向调制模块130。

在一个实施方案中，最大衰减平均值计算模块110包括一个投影中衰减值计算模块和一个第一平均值计算模块(图中未显示)。其中，投影中衰减值计算模块用于计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值，第一平均值计算模块用于计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值。

在另一个实施方案中，最大衰减平均值计算模块110包括一个投影中衰减值计算模块、一个极值确定模块和一个第二平均值计算模块(图中未显示)。其中，投影中衰减值计算模块用于计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值；极值确定模块用于确定半圈扫描中每次投影的最大衰减值当中的最大值和最小值；第二平均值计算模块用于计算最大值和最小值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值。

球管电流水平获取模块120用于获取最大衰减平均值计算模块110所计算的两个半圈扫描中的一个半圈扫描的球管电流水平，并提供给纵向调制模块130。

球管电流水平获取模块120可以包括一个读取模块(图中未显示)，该读取模块用于直接读取该半圈扫描的球管电流水平。

球管电流水平获取模块120也可以包括一个除法模块(图中未显示)，该出发模块用于读取该半圈扫描中球管电流对时间的积分，然后除以该半圈扫描的时间，作为该半圈扫描的球管电流水平。

纵向调制模块130用于根据来自最大衰减平均值计算模块110的两个半圈扫描中的最大衰减平均值、以及来自球管电流水平获取模块120的一个半圈扫描的球管电流水平，计算当前扫描所需的球管电流水平。

纵向调制模块130可以包括一个或多个纵向调制子模块，每个纵向调制子模块使用不同的计算方法来计算当前扫描所需的球管电流水平。例如，第一纵向调制子模块用于利用公式(2)来计算当前扫描所需的球管电流水平，第二纵向调制子模块用于利用公式(3)来计算当前扫描所需的球管电流水平。

如图7所示的球管电流调制系统100可以进一步包括一个角度调制模块140，角度调制模块140用于在当前扫描所需的球管电流水平的基础上进行角度调制，得到当前扫描在不同角度的球管电流。

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。

Claims (12)

1.一种球管电流调制方法，包括：

计算两个先前的半圈扫描中各自的最大衰减平均值，获取其中一个半圈扫描的球管电流水平；

根据所述最大衰减平均值以及所述球管电流水平，计算当前扫描所需的球管电流水平；

其中，计算当前扫描所需的球管电流水平的步骤包括：

利用公式

来计算所述当前扫描所需的球管电流水平，

其中I_M(z_n)为当前扫描所需的球管电流水平，I_M(z_n-1)为前一个半圈扫描的球管电流水平，

为前一个半圈扫描中的最大衰减平均值，为再前一个半圈扫描中的最大衰减平均值，α为控制参数。

2.根据权利要求1所述的球管电流调制方法，其特征在于，计算半圈扫描中的最大衰减平均值的步骤包括：

计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值；

计算这些最大衰减值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值。

3.根据权利要求1所述的球管电流调制方法，其特征在于，计算半圈扫描中的最大衰减平均值的步骤包括：

计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值；

确定这些最大衰减值当中的最大值和最小值，并计算所述最大值和最小值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值。

4.根据权利要求1所述的球管电流调制方法，其特征在于，获取半圈扫描的球管电流水平的步骤包括：

直接读取该半圈扫描的球管电流水平；或者，读取该半圈扫描中球管电流对时间的积分，然后除以该半圈扫描的时间。

5.根据权利要求1所述的球管电流调制方法，其特征在于，所述α取大于等于0.5且小于等于1的值。

6.根据权利要求1所述的球管电流调制方法，其特征在于，该方法还包括：在当前扫描所需的球管电流水平的基础上进行角度调制。

7.一种球管电流调制系统，包括：

一个最大衰减平均值计算模块，用于计算两个先前半圈扫描中各自的最大衰减平均值；

一个球管电流水平获取模块，用于获取所述两个半圈扫描中的最近一个半圈扫描的球管电流水平；

一个纵向调制模块，用于根据所述最大衰减平均值以及所述球管电流水平，计算当前扫描所需的球管电流水平；

其中，所述纵向调制模块包括：

第一纵向调制子模块，用于利用公式

来计算所述当前扫描所需的球管电流水平，

其中I_M(z_n)为当前扫描所需的球管电流水平，I_M(z_n-1)为前一个半圈扫描的球管电流水平，

为前一个半圈扫描中的最大衰减平均值，

为再前一个半圈扫描中的最大衰减平均值，α为控制参数。

8.根据权利要求7所述的球管电流调制系统，其特征在于，所述最大衰减平均值计算模块包括：

一个投影中衰减值计算模块，用于计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值；

一个第一平均值计算模块，用于计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值。

9.根据权利要求7所述的球管电流调制系统，其特征在于，所述最大衰减平均值计算模块包括：

一个投影中衰减值计算模块，用于计算半圈扫描中每次投影的最大衰减值；

一个极值确定模块，用于确定半圈扫描中每次投影的最大衰减值当中的最大值和最小值；

一个第二平均值计算模块，用于计算所述最大值和最小值的平均值，作为该半圈扫描中的最大衰减平均值。

10.根据权利要求7所述的球管电流调制系统，其特征在于，所述球管电流水平获取模块包括：

一个读取模块，用于直接读取该半圈扫描的球管电流水平。

11.根据权利要求7所述的球管电流调制系统，其特征在于，所述球管电流水平获取模块包括：

一个除法模块，用于读取该半圈扫描中球管电流对时间的积分，然后除以该半圈扫描的时间，作为该半圈扫描的球管电流水平。

12.根据权利要求7所述的球管电流调制系统，其特征在于，还包括：一个角度调制模块，用于在当前扫描所需的球管电流水平的基础上进行角度调制。

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