CN101945614B

CN101945614B - 具有平板探测器的多源成像系统

Info

Publication number: CN101945614B
Application number: CN2009801050344A
Authority: CN
Inventors: H·维乔雷克; G·福格特米尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-02-02
Also published as: US8891726B2; WO2009101543A1; CN101945614A; EP2244635A1; US20100322498A1

Abstract

当在患者上执行核(例如，SPECT或PET)和CT扫描时，成像系统(10)包括三个或更多碳纳米管X射线源(20)，该碳纳米管X射线源沿着可旋转扫描架(16)的弧圆周地间隔开，可旋转扫描架横跨大于要被成像的患者(14)的截面的最大横截面尺寸的距离。对X射线源顺序地发脉冲以发射X射线，以便扫描包括感兴趣体积(VOI)(13)的患者(14)的截面。一次只有一个源(20)处于ON状态以创建占空比，这减少了相应的源的冷却时间以及对受试者的辐射剂量。在平板X射线探测器(22)处接收横过患者(14)的X射线，该平板X射线探测器具有小于最大横截面尺寸的宽度，这进一步减少系统(10)的重量和尺寸。

Description

具有平板探测器的多源成像系统

本创新特别应用于诊断成像系统，特别是涉及锥形束计算机断层摄影(CT)。然而，还将意识到，所描述的技术还可以应用于混合或其他医学方案或其他医学技术。

在CT扫描中，典型地横过被成像患者的例如躯干的整个横截面而收集数据。如果照射和数据收集集中到躯干内的感兴趣区域，则所重建的图像由于感兴趣区域周围的区域的截断所引起的缺失数据而具有伪影。因此，CT扫描器典型地使用沿圆周方向充分地延伸的探测器，其中，完全地探测到横跨患者躯干的最宽的部分的X射线束。

对使用平板CT探测器、特别是组合的核/CT系统有兴趣。然而，平板探测器太小，并且仅仅可以从横跨患者躯干的大约一半宽度的源接收辐射。例如，虽然CT探测器具有100cm的典型的圆周长度，但平板典型地具有大约40cm的最大长度。其他人通过在第一次180°的旋转期间收集一半患者数据并且在随后的180°的旋转期间收集另一半而解决该问题。这是不利的，因为要求完整的旋转以收集数据集，在两个数据集相遇的交界可能出现错误，并且，出现潜在的散射问题和移动伪影。

在旋转阳极X射线管中，常常将焦斑在阳极上的两个邻近位置之间快速地来回移动(例如)探测器宽度的一半，以改进分辨率。

其他人提出了具有一对全尺寸旋转阳极X射线管的立体X射线系统，该对全尺寸旋转阳极X射线管彼此紧邻地安装在旋转扫描架上，例如，相隔大约10-20cm。每个X射线管生成扇形束，该扇形束横跨整个患者躯干并由相对侧的全尺寸的探测器探测。交替地将这两个X射线管门控为ON和OFF，从而基本上同时收集偏移的数据集。虽然提出了这些系统，但由于旋转阳极X射线管及其相关联的冷却系统的很大的尺寸和重量，构建这样的系统是已证明为难以达到的。就是说，典型地将每个X射线管装入壳体中，使冷却液体从冷却液体储存器穿过该壳体而循环。在返回储存器之前，来自壳体的冷却液由热交换器冷却。由于当前的CT扫描器在旋转扫描架上仅具有用于单个X射线管及其相关联的冷却系统(其占据旋转扫描架上可用空间的大部分)的足够的空间，因而使所要求的不动产的尺寸加倍已证明为成问题。此外，X射线管以及相关联的冷却装备很重，从而引起涉及平衡、支承等的机械问题。而且，从旋转扫描架去热也很困难。使将冷却液供给至热交换器的能力加倍也成问题。

本申请提供新型改进的混合核医学/CT系统和方法，该系统和方法改进图像采集和重建时间，具有改进患者扫描速度和质量的优点，并且，克服上面所提到的问题及其他。

根据一个方面，一种患者成像系统包括：多个圆周地间隔开的X射线源，其安装在可旋转扫描架上；以及平板X射线探测器，其安装在扫描架上，与X射线源大致相对。使X射线源顺序地发脉冲，以在计算机断层摄影(CT)采集期间，随着扫描架围绕感兴趣体积(VOI)旋转而生成横过包括VOI的患者的截面的连续的X射线扫描带。所述X射线源的脉冲序列是根据由一个或多个传感器、手动输入或所述感兴趣体积的扫描的初始部分确定的感兴趣体积剖面图的。

根据另一方面，一种CT成像的方法包括：使耦合至可旋转扫描架的多个圆周地间隔开的X射线源顺序地发脉冲，以生成横过包括VOI的患者的横截面的连续的X射线扫描带；在耦合至扫描架并与X射线源相对的平板探测器处接收X射线，以采集CT扫描数据；以及将CT扫描数据重建成CT图像数据，其中，所述X射线源的脉冲序列是根据由一个或多个传感器、手动输入或所述感兴趣体积的扫描的初始部分确定的感兴趣体积剖面图的。

根据又一方面，一种用于CT成像的装置包括：用于使耦合至可旋转扫描架的多个圆周地间隔开的CNTX射线源顺序地发脉冲以生成横过VOI的连续的X射线的器件；用于接收X射线以采集CT扫描数据的器件；以及用于将CT扫描数据重建成CT图像数据的器件。

根据又一方面，一种CT成像的装置包括：用于使耦合至可旋转扫描架的多个圆周地间隔开的X射线源顺序地发脉冲以生成穿过包括感兴趣体积的患者的横向截面的连续的X射线扫描带的模块；用于在耦合至所述扫描架并与所述X射线源相对的平板探测器处接收X射线以采集CT扫描数据的模块；以及用于将所述CT扫描数据重建成CT图像数据的模块，其中，所述X射线源的脉冲序列是根据由一个或多个传感器、手动输入或所述感兴趣体积的扫描的初始部分确定的感兴趣体积剖面图的。

一个优点是增加数据采集速度。

另一优点在于使用小型探测器，特别是平板探测器。

另一优点在于辐射剂量减少。

另一优点在于系统适应不同的受试者尺寸的适应能力。

另一优点在于改进的运动校正。

另一优点在于减少的X射线拖影。

另一优点在于减少的系统成本和重量。

在阅读并理解下列详细描述的基础上，本领域普通技术人员将意识到本主题创新的更进一步的优点。

本创新可以采取各种部件和部件的布置的形式，并且可以采取各种步骤和步骤的布置的形式。附图仅用于图示说明各种方面的目的，并不应当解释为限制本发明。

图1图解说明一种成像系统，该成像系统包括诸如工作台或躺椅的受试者支架，该受试者支架12可选择性地上下定位和沿着工作台的轴定位，以将正在被成像或检查的受试者定位在期望的高度处，例如，从而患者的感兴趣体积(VOI)以成像系统的纵轴为中心；

图2是显示CNT X射线发射器的重叠的视场的系统的图解说明；

图3图解说明X射线发射器还轴向地偏移的实施例。

本文所描述的系统和方法通过提供多个小的X射线源而克服小尺寸的平板探测器的问题，其中多个小的X射线源分布在围绕与平板探测器相对的旋转扫描架的弧中。参考图1，图解说明了成像系统10，并且，该成像系统10包括诸如工作台或躺椅的受试者支架12，该受试者支架12可选择性地上下定位并沿着工作台的轴定位，以将正在被成像或检查的受试者定位在期望的高度和纵向位置处，例如，从而患者14的例如心脏的感兴趣体积(VOI)13以成像系统的纵轴为中心。工作台包括托盘15，该托盘15可平行于穿过可旋转扫描架16的纵轴而移动，从而可以将患者的VOI平移到成像系统的视场(FOV)中以便由探测器18以及任选地由诸如具有电子发射器(未示出)的碳纳米管(CNT)X射线源20的多个X射线源和平板CT或X射线探测器22进行成像。可以与任何适当的或期望的成像模态共同采用探测器18。在一个实施例中，探测器18是诸如在SPECT成像系统中采用的伽马相机等。

诸如电机的动力源(未示出)选择性地驱动平行于纵轴的托盘，以将VOI定位在FOV中。所探测的患者图像数据(例如核数据和/或CT数据)由工作站(未示出)接收，该工作站包括用于执行图像重建的合适的硬件和软件等，以生成用于由操作者在用户界面24上查看的图像。

内部扫描架结构26可旋转地安装在外部扫描架结构28上，以便进行分步旋转或连续旋转。随着旋转扫描架结构26的旋转，核探测器头18作为一组而围绕受试者旋转。可径向地、圆周地且横向地调整核探测器头18，以改变核探测器头18离受试者的距离和在旋转扫描架16、26上间隔开的距离，从而以任意各种的围绕中心轴的角取向和离中心轴的位移定位探测器头。例如，提供单独的平移设备，诸如电机和驱动组件，以独立地沿与受试者相切的方向(例如，沿着线性轨道或其他合适的导轨)径向地、圆周地且横向地平移探测器头。可以在二探测器系统、三探测器系统等上实现本文所描述的采用两个核探测器头的实施例。同样地，还预期使用三重对称以使所图解说明的实施例适应三探测器系统。

系统10还包括数据存储器30，该数据存储器耦合至扫描架16，存储原始图像数据(例如CT、SPECT、PET等)。数据存储器耦合至重建处理器32，该重建处理器重建所扫描的VOI 13的图像体积表示。在一个实施例中，重建处理器32重建多个图像体积表示(例如，CT以及核扫描数据)。然后，采用CT图像体积数据来校正核图像体积数据中的衰减，CT图像体积数据单独地显示、与核图像结合等。

然后，将体积图像数据存储在体积图像存储器34中，图像体积处理器36采用CT图像体积数据，以生成用于校正核图像体积数据中的衰减的衰减图。然后，在用户界面24上对操作者呈现经校正的PET或SPECT图像体积。另外，在用户界面上显示CT图像体积。

用户界面24还耦合至控制处理器38，该控制处理器根据CT采集期间的期望的或预定的脉冲模式而激活CNT X射线源20。此外，例如，当患者的横截面足够小从而需要使用少于的所有源以利用扫描架16的180°的旋转来进行CT数据采集，例如头扫描时，控制处理器可以在少于所有X射线源中选择性地交替。VOI体积的测定可以是诸如通过采用一个或多个传感器(未示出)而自动的，或者可以是用户输入的(例如，使用用户界面等)。在另一实施例中，VOI体积可以基于VOI的CT扫描的初始部分，从而提供脉冲模式的实时优化。

X射线源20所横跨的弧是足够的，从而由平板探测器接收的来自多个源的X射线横跨患者的整个最大横截面尺寸(例如，患者的躯干等)。更具体地说，在源20中采用小型固定阳极X射线管，该X射线管比较大的常规管要求少得多的冷却。X射线管上的碳纳米管发射器(未示出)具有快速的切换速率(例如，以微秒的数量级)，这使得与扫描架的旋转速度相比，激活的X射线管能够快速扫描。还注意到，由于一次只有一个X射线管为ON，因而每个X射线管只有在总X射线时间的一部分期间为ON。例如，在具有五个X射线管的系统中，每个管仅在总X射线照射周期的1/5期间为ON，这使相应的源的冷却简化。然而，还将意识到，尽管图1描绘了五个CNT源20，但可以采用任何适当的数量的CNT源。

X射线无需均匀地覆盖患者躯干。更确切地说，作为一般主张，X射线通量越大，可以重建的图像的图像质量越高。由于VOI典型地定位在旋转中心，因此有利的是，穿过被成像的VOI的中心的X射线密度比周边更高。这在使患者辐射剂量最小化的同时避免截断。另外，可以根据患者或者被成像的身体部分的尺寸选择性地激活X射线源。例如，在扫描大型或成人患者时，可以激活全部五个源，然而，在扫描小型或小儿患者、成人头部等期间，可以激活三个中心源，而两个外部源保持不激活。

可以结合或聚集探测器22所探测的信号以促进读出。例如，可以将探测器22分成网格等，并且，可以对给定的时间段t中的给定的区域(例如，1mm×1mm等)中的所有探测到的X射线进行求和，以对探测到的X射线能量进行积分，以便分析。

在一个实施例中，核探测器头是SPECT探测器头。在SPECT成像中，由在探测器头上的每个坐标处接收的辐射数据定义投影图像表示。在SPECT成像中，准直器定义射线，沿着该射线接收辐射。

在另一实施例中，核探测器头是PET探测器头。在PET成像中，针对两个头或探测器环上的重合辐射事件而监测探测器头输出。根据头的定位和取向以及接收重合辐射的面上的位置，计算重合事件探测点之间的响应射线或响应线(LOR)。该LOR定义线，沿着该线发生辐射事件。然后，在PET和SPECT这两者中，将来自多种多样的头的角取向的辐射数据重建成感兴趣体积的体积图像表示。

在另一实施例中，与磁共振成像(MRI)系统共同采用多个CNT源以及探测器。

CNT源20围绕FOV旋转，从而利用托盘15的受限的运动或无运动使CT和发射成像FOV这两者重合或者重叠。平板探测器22相对于旋转中心而以对称的几何结构放置，从而来自端源的组合的CT FOV足以对患者进行成像而不截断。另外，平板探测器促进生成可以解释为放射照片的高分辨率放射线数据。因而，系统10是多模态系统，该多模态系统消除或减少核成像(例如，SPECT、PET等)和CT或其他模态图像之间的配准的问题，因为与同轴系统相比，显著地减少或消除两个成像平面之间的位移，以系统的核成像和CT成像部分的不同的纵向位置为特征。这还降低了对组合的扫描器的房间尺寸的要求，因为患者支架无需延伸至两个单独的成像系统，例如，与核和CT扫描架邻近。从而降低场地准备的复杂性和成本，促进现有的设施中的SPECT/CT或PET/CT系统的追溯(retroactive)安装。另外，可以根据期望而增加源20的脉冲频率，以增加时间分辨率(而且还增加空间分辨率，因为与常规的X射线源相比，可以降低焦斑尺寸)。

通过在比被成像患者的最大尺寸更宽的距离上展开X射线源，可以降低平板探测器22的尺寸，从而促进核探测器18的常规运动的调节、缓解在使用较大的CT探测器等情况下可能出现的间隙问题等等。而且，没有与患者工作台相关联的额外成本，因为不要求在现有的SPECT或PET成像工作台配置上对其进行修改(例如，因为核成像FOV和CT成像FOV相重合)。

在一个实施例中，使用CNT源20和探测器22来执行螺旋扫描。在另一实施例中，源轴向地偏移，以在多种旋转路径中在由于多种多样的源而产生的大约180°旋转中提供完整的VOI的扫描数据。

在另一实施例中，在探测器22和患者之间采用抗散射格栅(未示出)，以降低X射线散射。

每个源20向阳极上的光斑(未示出)发脉冲，并且，相应的源的顺序的发脉冲生成连续的X射线扫描带，同时，相应的源具有降低的占空比，这相对于常规的系统而改进系统的冷却特性。

在另一实施例中，相应的源交代地使阳极上的两个或更多光斑(例如，相隔1-2mm)发脉冲，这降低了局部阳极温度并且进一步改进系统的冷却特性。

存在着系统10优于常规的CT成像系统的若干个优点。例如，系统10通过从180°的CT轨道而不是360°的CT轨道重建衰减图来改进体积图像数据采集速度。由于来自不同的X射线源20的扇形或锥形束投影的大量重叠而改进运动校正，这许可对在不同的时间测量的透射投影的运动校正，诸如呼吸运动校正。系统还适于不同的患者尺寸，因为可以取决于患者尺寸和扫描架几何结构而选择实际上使用的X射线源的数量。在图1的示例中，对于小型患者，可以使用三个X射线源代替全部五个。系统10的另一优点是其降低对患者的辐射剂量。通过合适地选择成像时间或每次扫描激活的X射线源的数量，可以取决于应用而选择系统所获得的图像质量，该应用例如仅用于衰减校正或高质量图像配准。通过针对一个或多个X射线源选择更高的辐射剂量，可以产生身体的特别选取的部分的高质量CT图像，从而以更好的信噪比或更高的计数率重建与诊断有关的身体的器官或部分，而无高得多的患者剂量。沿轴向方向延伸至大量源避免在锥形束成像中重叠并且允许总剂量减少。

图2是显示CNT X射线源20的重叠的视场的系统的图解说明。使用多个小型CNT X射线源代替一个标准的X射线或CT源降低对患者的X射线剂量和相应的CNT X射线管的冷却时间。在每个X射线帧期间将X射线源20接通很短的时间，从而使作为结果的扇形束或锥形束交错。在180°旋转期间，作为结果的数据可以覆盖整个患者和VOI横截面，从而避免截断或针对透射测量使用360°轨道的需要。

若干个液冷式X射线管的放置受到扫描架处的空间限制的阻碍。另外，液冷式管的移动很复杂且相当昂贵。对该问题的有效的解决方案是固定阳极X射线源的布置，尤其是图2中所图解说明的CNT源(例如，CNT场发射器)20的布置，该布置包括若干个具有以顺序的方式切换的固定阳极靶的小型CNT X射线管的放置。与旋转阳极X射线管相比，由于若干个X射线源上的剂量分布并且由于更长的成像时间，对这些X射线源的每个X射线源中的阳极电流的要求显著地降低。这继而允许不具有液冷系统的小型固定阳极源的应用，以避免大量热负荷。

快速切换的CNT源的开发允许这样的X射线源的紧凑的设计。该布置的一个优点是很短的切换时间，具有几微秒的范围中的X射线脉冲，从而若干个源20与探测器采集序列的同步是可能的。以灵活的方式对X射线脉冲的序列进行编程，并且，源的数量和序列的选取可以适于具体的成像要求。另外，可以单独地对从每个单源发射的剂量进行编程，并且，由于每个源的很短的脉冲时间而减少移动伪影。利用多脉冲和精确的触发编程可以满足更高的剂量要求。在另一实施例中，采集随着时间的推移的具有若干个投影的运动图可以给出另外的校正信息。

在任何种类的计算机断层摄影系统中都可以采用系统10，其中，视场由于诸如平板探测器22的小型X射线探测器而受限。可以采用系统10用于体积成像，例如，使用诸如Philips Medical Systems所提供的平板探测器来执行的计算机断层摄影。

图3图解说明X射线源20圆周地且轴向地偏移的实施例。这促进在单次旋转中扫描轴向板或以更快的间距进行螺旋扫描。在该实施例中，三组源20在沿着扫描架16的轴向方向上彼此偏移，并且，这三组相对于彼此而圆周地偏移。这样的X射线源的矩阵对于图像重建是有利的，因为它在不具有轴向患者移动的单次旋转或部分旋转中为体积重建提供完整的图像数据，从而减少锥形束CT中的患者剂量。将意识到，尽管图3描绘三组三个源20，但在每组中可以包括任何适当的数量的源，并且，可以采用任何适当的数量的组的源。

已参考若干个实施例来描述本创新。在阅读并理解先前的详细描述的基础上，其他人可以进行修改和变更。意在将本创新解释为包括所有这样的修改和变更，只要它们落在所附权利要求书或其等同物的范围内。

Claims

1.一种患者成像系统（10），包括：

多个圆周地间隔开的X射线源（20），其安装在可旋转扫描架（16）上；以及

平板X射线探测器（22），其安装在所述扫描架上，与所述X射线源（20）大致相对；

其中，使所述X射线源顺序地发脉冲，以在计算机断层摄影（CT）采集期间，随着所述扫描架围绕感兴趣体积（VOI）（13）旋转而生成穿过包括所述感兴趣体积（13）的患者（14）的截面的连续的X射线扫描带，并且

其中，所述X射线源（20）的脉冲序列是基于由一个或多个传感器、手动输入或所述感兴趣体积（13）的扫描的初始部分确定的感兴趣体积剖面图的。

2.如权利要求1所述的系统，其中，相应的X射线源（20）将锥形X射线束定向到所述X射线探测器（22）。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中，相应的X射线源（20）包括碳纳米管（CNT）X射线管。

4.如权利要求1或2所述的系统，还包括：

核探测器（18），其安装到所述扫描架（16），所述核探测器是单光子发射计算机断层摄影（SPECT）探测器或正电子发射断层摄影（PET）探测器中的至少一个；和

处理器（36），其采用所述平板X射线探测器（22）所探测的CT数据来校正所述核探测器（18）所探测的衰减扫描数据。

5.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述多个X射线源（20）以包括轴向地间隔开的多排碳纳米管X射线源（20）的矩阵模式布置，所述排彼此圆周地间隔开。

6.如权利要求1或2所述的系统，其中，进行以下中的至少一个：

使每个X射线源在大约1μs的数量级的时段内发脉冲；和

根据预编程的调度使每个X射线源发脉冲。

7.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述X射线源（20）包括横跨大于所述患者（14）的最大横截面尺寸的距离的至少三个X射线源；并且

其中，所述平板X射线探测器（22）具有大约所述最大横截面尺寸的一半的宽度。

8.如权利要求1或2所述的系统，其中，使相应的电子发射器发脉冲，以顺序地靶向定位在所述电子发射器和所述感兴趣体积（13）之间的阳极上的多个焦斑。

9.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述X射线扫描带具有穿过所述感兴趣体积（13）的更高的X射线强度和穿过所述感兴趣体积（13）的外部的所述患者（14）的区域的更低的强度。

10.一种CT成像的方法，包括：

使耦合至可旋转扫描架（16）的多个圆周地间隔开的X射线源（20）顺序地发脉冲，以生成穿过包括感兴趣体积（13）的患者（14）的横向截面的连续的X射线扫描带；

在耦合至所述扫描架（16）并与所述X射线源（20）相对的平板探测器（22）处接收X射线，以采集CT扫描数据；以及

将所述CT扫描数据重建成CT图像数据，

11.如权利要求10所述的方法，还包括：

同时收集核图像数据，将所述核图像数据重建成核图像；以及

采用所述CT图像数据以校正所述核图像数据中的衰减。

12.如权利要求10或11所述的方法，还包括在所述感兴趣体积（13）具有低于预定的阈值体积的体积时，采用少于所有所述多个X射线源（20）的X射线源。

13.如权利要求10或11所述的方法，其中，所述X射线源（20）的脉冲序列是基于期望的图像分辨率的。

14.一种CT成像的装置，包括：

用于使耦合至可旋转扫描架（16）的多个圆周地间隔开的X射线源（20）顺序地发脉冲以生成穿过包括感兴趣体积（13）的患者（14）的横向截面的连续的X射线扫描带的模块；

用于在耦合至所述扫描架（16）并与所述X射线源（20）相对的平板探测器（22）处接收X射线以采集CT扫描数据的模块；以及

用于将所述CT扫描数据重建成CT图像数据的模块，

15.如权利要求14所述的装置，还包括：

用于同时收集核图像数据将所述核图像数据重建成核图像的模块；以及

用于采用所述CT图像数据以校正所述核图像数据中的衰减的模块。

16.如权利要求14或15所述的装置，还包括用于在所述感兴趣体积（13）具有低于预定的阈值体积的体积时采用少于所有所述多个X射线源（20）的X射线源的模块。

17.如权利要求14或15所述的装置，其中，所述X射线源（20）的脉冲序列是基于期望的图像分辨率的。