CN101902965B - 立体管衰减滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种计算机断层摄影装置(10)，包括间隔开的辐射源(82、84)，诸如阳极，每个辐射源将锥束辐射(40、50)传播进入检查区域(14)。探测器(22)探测已经穿过检查区域的辐射。衰减系统(55)插入在辐射源和检查区域之间，用于对锥束进行取决于锥角的滤波。该衰减系统允许对重建图像几乎没有贡献的射线与贡献较大的射线相比受到更多的衰减。

Description

立体管衰减滤波器
技术领域
本申请涉及计算机断层摄影成像。其尤其可与衰减系统联合使用来可变地过滤辐射束，从而在对对象进行辐照时，使得对重建成像对象贡献较小的辐射衰减。
背景技术
在典型的计算机断层摄影(CT)成像装置中，将x射线管安装在旋转扫描架上，该扫描架限定了其中设置有成像对象的检查区域。x射线管围绕旋转扫描架上的对象旋转，并且投射楔形、扇形、锥形或其他形状的x射线束通过检查区域。跨越检查区域设置在旋转扫描架上的二维x射线探测器从x射线管接收通过检查区域后的x射线束。合适的电子器件根据所探测的x射线强度估计x射线吸收数据，并且图像重建处理器基于吸收数据重建图像表示。
在锥束重建方法中，对于适于通过相同体素的反投影的多束射线(pi partners)，根据它们的锥角进行加权。与较不倾斜射线相比，倾斜射线被更强烈地降加权(downweighted)。这导致这些射线之间的剂量效用不匹配。受辐照的对象因而不必要地完全暴露于对最终图像几乎没有贡献的射线。
本申请提供了一种新的和改进的装置和方法，其克服了前述及其他问题等。
发明内容
根据一方面，计算机断层摄影装置包括间隔开的辐射源，每个辐射源将锥束辐射传播进入检查区域。探测器探测已经通过检查区域的辐射。衰减系统插入辐射源和检查区域之间，用于对锥束进行取决于锥角的滤波。
根据另一方面，一种计算机断层摄影成像方法包括朝向检查区域投射第一和第二锥束辐射，并且在检查区域之前衰减第一和第二锥束以形成经衰减的第一和第二锥束，该衰减取决于锥角。从检查区域采集辐射数据。
根据另一方面，成像装置包括辐射源，其将锥束辐射传播进入检查区域。探测器探测已经通过检查区域的辐射。由使辐射衰减的材料形成的滤波器插入在辐射源和检查区域之间，滤波器提供对锥束的取决于锥角的滤波，由此与倾斜角较小的射线相比，倾斜角较大的射线受到更多的滤波。
一个优点是患者较少暴露于对最终图像几乎没有贡献的x射线。
另一优点是来自立体x射线管的辐射更平均地散布在沿扫描方向的视场中。
本领域普通技术人员在阅读和理解下列详细说明之后，将意识到本发明的更进一步优点。
附图说明
本发明可以实现为各种部件和部件的排列，以及各种步骤和步骤的排列。附图仅用于说明优选实施例，而不应理解为限制本发明。
图1示出了根据典型实施例一方面的计算机断层摄影成像装置；
图2示出了根据典型实施例另一方面的由取决于锥角的滤波器衰减之后的辐照对象的双锥束；
图3是根据典型实施例的另一方面的对于取决于锥角的滤波器的x射线强度和锥角的示意图线；
图4是根据典型实施例的另一方面的对于取决于锥角的滤波器的x射线强度和锥角的示意图线；
图5是根据典型实施例的另一方面的具有取决于锥角的滤波器的立体x射线管的示意性横截面；
图6是图2的取决于锥角的滤波器的透视图；
图7是取决于锥角的滤波器的另一实施例的透视图；
图8示意性地示出了在旋转过程中产生x射线的立体x射线管；
图9示意性地示出了在旋转过程中产生x射线的立体x射线管，其中取决于锥角的滤波使得倾斜x射线比较不倾斜x射线衰减得更多；
图10示意性地示出了在立体x射线管旋转期间视场中的剂量。
具体实施方式
参考图1，计算机断层摄影成像扫描仪10包括对象支撑装置12，用于将诸如医学患者、正经受安全扫描的一件行李等移入由旋转扫描架16限定的检查区域14中或者在其中移动。诸如布置在扫描架16上的x射线管20的辐射源将至少一束锥形x射线束(“锥束”)投射进入检查区域14，在检查区域中其与成像对象相互作用。一些部分x射线被成像对象吸收，以产生对锥束通常空间改变的衰减。跨越检查区域14设置在扫描架16上的二维x射线探测器22从x射线管20测量x射线束穿过检查区域14之后的x射线束的空间改变的强度。通常，x射线探测器22安装在旋转扫描架16上。探测器22因而在成像期间相对于对象移动。在另一合适的布置中，探测器圆周地布置在围绕旋转扫描架的固定扫描架上。
在螺旋计算机断层摄影成像中，扫描架16旋转的同时对象支撑装置12在z方向上线性移动，以实现x射线管20围绕检查区域14的螺旋轨迹。对于该应用，驱动系统24包括用于控制扫描架旋转的旋转控制器26和用于控制线性推进的线性推进控制器28。在轴向计算机断层摄影成像中，扫描架16旋转的同时对象支撑装置12保持固定，以实现x射线管20围绕检查区域14的环形轨迹。在测定体积的轴向成像中，对象支撑装置12重复地线性步进，其中对每一步执行轴向扫描以沿着轴向采集多个图像切片。
所采集的成像投影数据具有锥形顶点和锥形内轨迹的索引，该数据从探测器22传送，并且存储在数字数据存储器30中。重建处理器32使用经滤波的反投影或另一重建方法重建所采集的投影数据，以生成对象或其所选部分的三维图像表示，该三维图像表示存储在图像存储器34中。该图像表示由视频处理器36绘制或者以其他方式操作以产生人类可视的图像，该图像显示在图形用户界面38或另一显示设备、打印设备等上以便于操作者观察。在一个实施例中，图形用户界面38被编程以使得放射学家能够与计算机断层摄影扫描仪10交互，以允许放射学家执行和控制计算机断层摄影成像过程。
在锥束40中，如图2中以横截面视图示意性所示，射线从焦点42发出。射线具有最大波束角α，从而射线在通常圆形区域46中通过对象44，所述圆形区域46具有在z方向具有一大小的中心轴。最大波束角α的值决定了该区域的大小。图2示出了双波束布置，其中第一和第二锥束40、50从焦点42、52发出，其在z方向上间隔有例如大约10-20cm、例如12cm的距离d。双锥束40、50辐照对象的同一基本区域。正如可见的，两波束40、50在探测器22的视场54中的覆盖区中重叠。在一个实施例中，波束40、50交替脉动，从而在给定时间，对象和探测器22仅接收来自两波束40、50中之一的辐射。脉冲重复率可以高于扫描架的旋转速度，例如，至少约20000转/秒。在一个实施例中，波束以及因而得到的焦点对于每个采样阶段能够改变。
如图2中所示的双波束扫描系统10的一个优点是可以在每个圆弧中采集更大量的数据。这在例如心脏扫描中尤其有利，在心脏扫描中心肌的有节奏的跳动引起在扫描期间正扫描的特征位置有节奏地改变。这种系统的另一优点是可以采用第二通过锥束伪影校正方案。
典型的探测器22具有等于与两个焦点42、52(两者与探测器间距相等)的距离的曲率半径，并且包括多段。每段包括多个探测器元件，其输送入射其上的两个辐射束的成对射线(pi-partners)的测量值。任选地在初始预处理之后，所累积的测量值形成发送至重建处理器32的数据。
继续参考图2，衰减系统55插入在焦点42、52和检查区域14之间，用于对锥束40、50进行取决于锥角的滤波。一般地，使用本文所述的衰减系统55可执行的计算机断层摄影成像方法包括将第一和第二辐射锥束40、50投射向检查区域14。在到达检查区域之前，第一和第二锥束被衰减以形成经衰减的第一和第二锥束。衰减的程度取决于锥角。从检查区域采集辐射数据，并且基于辐射数据重建图像。
继续参考图2，在一个实施例中，衰减系统55包括第一和第二滤波器56、58。滤波器56、58由能够衰减x射线、而不显著地影响射线行进的光谱或角度的任意合适的材料形成。用于形成滤波器56、58的典型材料包括铝、石墨和全氟化聚合体、诸如特氟隆
Figure BPA00001160120900041
典型的滤波器是物理(硬件)滤波器，其借助于它们改变的厚度而可变地使辐射衰减(与软件滤波器相比)。
所示的锥束40、50彼此成镜像，并且典型的滤波器56、58同样彼此成镜像。
每个滤波器56、58向各个波束40、50提供取决于锥角的滤波。特别地，随着射线的锥角增加，滤波器56、58逐渐增多地衰减z方向(线性扫描方向)上的波束。锥角是如从平面确定的波束中给定射线的角度，焦点位于所述平面中且该平面的方向与z方向垂直(90°)。滤波器56、58的衰减对于射线R1最低，对于射线R2最高，其中射线R1以最小的波束倾斜角接近对象，而射线R2以最大的波束倾斜角接近对象。在图2中，最小倾斜角为0°，即垂直于z方向，而最大倾斜角与z方向的法向成最大波束角α。
衰减指的是随着x射线束穿过滤波器56、58，x射线束的强度减少的程度。因而，当滤波器衰减最低时，透过的辐射强度最大，I最大。进入视场54的x射线的滤波器56、58的最大衰减对应于透过的辐射的最小强度，I最小。滤波器56、58对进入视场的那些x射线所提供的最小衰减(在I最大)可以是约0％(基本上无衰减，因而I最大＝I0，入射在滤波器上的辐射强度)。滤波器56、58对进入视场的那些x射线所提供的最大衰减(在I最小)可以高达100％(全部衰减，无x射线透过)。在一个实施例中，适于360°全扫描，位于I最小的衰减为0％I最大。在其他实施例中，适于局部扫描，I最小＞0％I最大，例如，至少约20％，而在一些实施例中，高达约I最 大的80％，例如，约50％I最大。在两个极值之间，衰减可以随着角度的倾斜度而线性改变，例如，如图3中所示。例如，如果最大锥角α是15°，位于法向(0°)的强度I是100％(I最大)，而在15°的全角α时，强度I约为I最大的50％(I最小)，而在7.5°时，其约为I最大的75％。在其他实施例中，例如如图4中所示，透射在上下值I最大和I最小之间非线性、例如对数地改变。
虽然图2示出了两个间隔开的滤波器56、58，应当理解可以备选地使用单一组合滤波器60，如图5中所示，其组合了上述的两个滤波器56、58的功能。组合滤波器60包括第一和第二滤波器62、64，其连接在一起形成一件，并且以与分离的滤波器56、58相同的方式实现功能。
一般地，由滤波器56、58、62、64提供的衰减是滤波器的厚度t(正如穿过的射线所经历的，即在与各个锥束交叉的方向上经历的)的函数。因此，在典型实施例中，滤波器的厚度t在z方向上改变，其中最大的厚度位于最接近倾斜射线处，而最小厚度可能为零或接近零，其最接近最不倾斜射线。在另一实施例中，滤波器中衰减物质的浓度可以随着锥角改变，并且因而滤波器厚度不需在z方向上改变。
如图6中所示，在透视图中，取决于锥角的滤波器56、58是楔形的，其上下表面66、68在公共边沿70和侧面72接触，所述侧面72在上下表面66、68之间与边沿70相对延伸。所示的表面66、68是弯曲的，即朝向焦点凹入，但是在其他实施例中，一个或两个表面66、68是平面的。滤波器56、58的横截面沿着其长度1是均匀的(即，在垂直于z方向延伸的方向上)。图2的组合滤波器60可以进行类似配置，但是两个滤波器62、64接触，并且因而不具有侧面。
在另一实施例中，如图7中所示，取决于锥角并且领结(bowtie)组合的滤波器74将组合滤波器60与领结滤波器结合，从而组合的滤波器74沿z方向和xy平面两者而厚度改变。这样，将要经受辐照的对象、诸如横截面在xy平面上改变的人类患者，可以接收与对象的横截面厚度最紧密相关的剂量。在另一实施例中，扫描装置10包括领结滤波器，其与取决于锥角的滤波器56、58分离。
在图5的实施例中，双波束40、50由单一立体x射线管20提供。立体x射线管20包括一对公共驱动旋转钨阳极82、84。所示的阳极82、84安装在同一可旋转轴86上。同样可预期地，阳极可以安装在各个轴上，并且可以在x射线管80中分别驱动。分别对应于每个阳极82、84的阴极灯丝88、90关于阳极负向偏置。阴极杯92、94局部地围绕灯丝88、90，并且被负向偏置以将电子聚焦至电子束中。由热电子发射在阴极灯丝88、90处产生的电子由电压差加速，并且撞击各个旋转阳极82、84，从而产生x射线束。x射线穿过x射线管80的外壳80中的每个窗口96从而作为锥束40、50。虽然图5示出了双窗口96，在一个实施例中存在一个通用窗口，每个波束40、50具有其自身的准直仪。在所示实施例中，通过交替激活各个栅极100、102，例如通过在安装至阴极杯92、94的电极之间施加电压，来自相对的灯丝88、90的电子交替脉动，所述阴极杯92、94容纳各个灯丝88、90。栅极100、102和/或灯丝电源104、106(图1)处于公共脉冲控制器108的控制下。
正如将意识到的，在其它实施例中，两个波束40，50可以从位于各个x射线管中的焦点42、52投射，第一管的阳极产生第一锥束40，而第二管的阳极产生第二锥束50。在该实施例中，正如在立体管实施例中，两个阳极的焦点42、52在z方向上对齐。
在图5的实施例中，滤波器62、64(或者备选地，滤波器58、60或74)定位在外壳98外部以对各个波束40、50进行滤波。随着波束围绕对象旋转，滤波器维持与波束成固定方向。在一个实施例中，滤波器固定地安装在外壳98上，或者安装在x射线管20的另一部件上，以最小化焦点42、52和各个滤波器62、64之间的任何相对移动。在另一实施例中，滤波器56、58、62、64安装在承载x射线管20的扫描架上。在一个实施例中，滤波器相对于各个锥束40、50的位置或方向可调整以提供取决于不同锥束角度的滤波(例如，更高或更低的最大和/或最小透射)。例如，在图2的实施例中，滤波器56、58可以垂直于和/或平行于波束移动，以改变波束所经历的厚度。在又一实施例中，滤波器可以替换为不同形状的滤波器，这取决于所需的最大和/或最小透射。例如，在图6的实施例中，壁72的高度可以改变。
一般地，每个滤波器56、58、62、64仅接收位于锥束40、50中相应的一个的射线。每个滤波器56、58、62、64因而用以仅衰减在波束40、50之一中的射线。例如，如图2和5中所示，滤波器56、58、62、64定位在相应波束的焦点42、52和两个波束40、50开始彼此重叠的点110之间。
如图8中所示，在缺少如本文中所述的衰减系统的立体锥束CT装置中，多条射线(pi-partners)适于通过相同体素112的反投影。重建处理器根据射线的角度加权射线。与诸如射线R1的较不倾斜射线相比，诸如射线R2的倾斜射线更强烈地被降加权。射线R1、R2具有相同的强度，但是在软件重建中，倾斜射线R2事实上将由于其大锥角而被放弃。在典型实施例中，可见到重建栅格中的每个体素位于其下的立体管20的可预测固定锥角范围有助于使用固定硬件滤波器56、58、62、64，以用于进行射线强度最优化。如图9中所示，滤波器56、58根据锥角而对射线R1、R2进行衰减。与较不倾斜射线R1相比，倾斜射线R2接受更多的滤波。本文公开的典型衰减系统55因而允许减少对象接收的总x射线剂量，同时对重建期间产生的图像质量几乎不或完全不产生不利的影响，因为由滤波器对其强度产生最大衰减的射线是在软件重建中倾向于被降加权的那些射线。
在一个实施例中，滤波器的最大衰减T最大是扫描覆盖度的函数。例如，对于360°全扫描，最大衰减可能高于局部扫描(小于360°，例如180°)。这是由于剂量分布对于全扫描和局部扫描是不同的。在图10所示的360度全扫描中，标注为A的区域经受仅一个阳极的x射线辐照，区域B经受两个阳极的局部x射线辐照，而区域C经受两个阳极的完全360°x射线辐照。正如图2中可见的，在局部扫描中，两个波束重叠的视场区域接收的剂量高于仅由一个波束进行x射线辐照的两个相邻区域。因而，为了减少噪声的影响，对于180°的局部扫描，最大滤波器衰减可以是例如约50％。
再次参考图1，探测器22对于每个锥束脉冲采集的成像投影数据由重建处理器32处理。在典型实施例中，对分别相应于每个锥束40、50的第一和第二数据集120、122在重建图像之前分别进行处理。典型重建处理器32包括校准部件124，其允许在无对象的情况下采集基线数据，用于校准成像投影数据。数字滤波部件126处理成像投影数据，以根据从其获得数据的所确定的射线锥角，对重建栅格中体素的数据进行滤波(例如，降加权)。由于校准部件124使得扫描仪测量输出强度I输出(具有对象)与输入强度I输入(无对象)的比率，取决于锥角的滤波器的影响被抵偿，并且在重建算法中使用的线积分，无论有无滤波器都相同(除了在任何噪声的范围内)。因此，用于处理数据的重建算法需要与无衰减系统55所使用的相同。
虽然根据两个锥束40、50讨论了典型实施例，应当意识到，可以使用单一锥束。在其他实施例中，两个以上的锥束可以从各自的焦点辐照对象，所述焦点在z方向上线性间隔开。多个锥束中每一个具有其自身相关的取决于锥角的滤波器。
虽然根据单一探测器22讨论了典型实施例，但是在另一实施例中，可以采用在z方向上间隔开的多个探测器，例如分别对应于每个锥束。
已经参考优选实施例描述了本发明。对于本领域技术人员而言，在阅读和理解前述详细说明书之后，易于进行修改和改变。其目的是，本发明应当理解为包括迄今落入随附权利要求或其等效范围中的所有这种修改和改变。

Claims (16)

1.一种计算机断层摄影装置（10），包括： 
双波束辐射源，其将两束锥束辐射（40、50）传播进入检查区域（14），所述两束锥束辐射在扫描方向（z）上间隔开并且具有从所述扫描方向的法向发散一锥角（α）的射线，来自所述两束锥束辐射的射线在所述检查区域（14）中重叠； 
探测器（22），其探测已经穿过所述检查区域的辐射；以及 
衰减系统（55），其插入在所述辐射源和所述检查区域之间，用于对所述锥束进行取决于锥角的滤波，其特征在于， 
所述衰减系统（55）向在所述扫描方向（z）以最小锥角进入所述检查区域的射线提供最小衰减并向在所述扫描方向（z）以最大锥角进入所述检查区域的射线提供最大衰减，使得朝向所述检查区域的中心的所述射线的衰减较大并且朝向所述检查区域的边缘的所述射线的衰减较小。 
2.根据权利要求1所述的计算机断层摄影装置，其中，所述衰减系统包括对第一锥束进行滤波的第一滤波器（56、62）和对第二锥束进行滤波的第二滤波器（58、64）。 
3.根据权利要求2所述的计算机断层摄影装置，其中，每个滤波器（56、58、62、64）的厚度（t）在最大厚度和最小厚度之间沿所述扫描方向（z）改变。 
4.根据权利要求3所述的计算机断层摄影装置，其中，所述最大厚度位于最倾斜的最大锥角（α）处。 
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的计算机断层摄影装置，其中，所述衰减系统（55）对以倾斜角穿过所述检查区域的第一射线（R2）进行的滤波多于以较不倾斜角穿过所述检查区域的第二射线（R1）。 
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的计算机断层摄影装置，其中，所述最大衰减至少为20％。 
7.根据权利要求6所述的计算机断层摄影装置，其中，所述最大衰减至少为50％。 
8.根据权利要求6所述的计算机断层摄影装置，其中，所述最大和最小锥角之间的射线衰减随着所述锥角在所述扫描方向（z）上改变。 
9.根据权利要求1-4中任意一项所述的计算机断层摄影装置，其中，所述双波束辐射源包括第一和第二阳极（82、84）。 
10.根据权利要求9所述的计算机断层摄影装置，其中，所述第一和第二阳极是共用立体x射线管（20）的阳极。 
11.根据权利要求9所述的计算机断层摄影装置，还包括脉冲控制器（108），用于交替地使所述第一和第二阳极（82、84）产生脉冲。 
12.根据权利要求1-4中任意一项所述的计算机断层摄影装置，还包括重建处理器（32），其从所述探测器接收图像数据，所述重建处理器对所述图像数据数字地施加取决于锥角的加权。 
13.一种计算机断层摄影成像方法，包括： 
朝向检查区域（14）投射在扫描方向（z）上间隔开的第一和第二锥束辐射（40、50），所述锥束具有从所述扫描方向的法向发散一锥角（α）的射线，来自所述第一和第二锥束辐射的射线在所述检查区域（14）中重叠； 
在所述辐射到达所述检查区域之前： 
使所述第一和第二锥束衰减，以形成经衰减的第一和第二锥束；以及从所述检查区域采集辐射数据， 
其特征在于， 
所述衰减取决于所述锥角（α），从而使得朝向所述检查区域的中心的所述射线的衰减较大并且朝向所述检查区域的边缘的所述射线的衰减较小。 
14.根据权利要求13所述的方法，还包括： 
基于所采集的辐射数据重建图像。 
15.根据权利要求13或14所述的方法，还包括： 
围绕所述检查区域同时旋转所述锥束辐射。 
16.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述衰减包括使得每束锥束通过沿所述扫描方向具有变化厚度的相应滤波器（56、58、62、64）。 
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