CN102824186A - 计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的x射线准直器及其扫描成像方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器，其特征是包括2组调制器刀片，2组调制器刀片由电机分别控制，并能跟踪小感兴趣区域（8）随照射角度变化而产生的位移；2组调制器刀片对X射线有一定的透明度，调制器刀片允许一部分X射线透过，并在穿过成像物体后被探测器接受，使得这部分X射线不直接参与成像。本发明的调制器刀片对X射线有一定的透明度。调制器允许一部分X射线透过，并在穿过成像物体后被探测器接受。这部分X射线不直接参与成像，但是可以提高成像区域的图像质量。

Description

计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器及其扫描成像方法

技术领域

本发明涉及计算机断层扫描（CT）技术领域，尤其是一种计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器及其扫描成像方法。

背景技术

目前，在牙科锥束计算机断层扫描中，如图1，主要组成部件包括旋转机架，升降立柱，X射线源，探测器，以及X射线准直器。这些部件由系统软件通过控制单元控制。

在这些部件中，X射线源的准直器控制X射线的照射范围，以便在对小感兴趣区域成像的同时降低对病人的辐射剂量。准直器一般由四个刀片状的平板组成，如图2所示。这些片状准直器对X射线有很强的阻挡效果，因此病人和探测器只被未阻挡部分照射，从而避免对感兴趣区域之外的组织的过度辐射。

一般情况下，如图3，这四个刀片平板由两个电机控制，每个电机分别控制左右和上下两组平板。每组平板分别固定在一个正反丝杆上。因此电机转动时，每组中的两块平板分别向上下或者左右运动，从而达到放大和缩小准直器窗位的目的。在每次扫描中，感兴趣区域必须被预先确定，射线准直器窗口大小也被调整到相应大小，并在整个扫描过程中始终保持不变。

然而，上面所描述的牙科CT准直器设计主要存在两个问题：

1.当感兴趣区域不在系统旋转中心时的过量辐射问题；

2.小感兴趣区域重建时的数据缺失问题；

准直器必须打开到能确保X射线照到整个感兴趣区域。因为射线准直器在扫描过程中并不移动，如果小感兴趣区域不在系统旋转中心，如图4所示，当准直器刀片1打开到感兴趣区域能被X射线照到时，准直器刀片2也必须跟着打开相同的幅度，以保证当射线旋转到相反方向时，小感兴趣区域仍在扫描范围中。因此此类准直器设计的扫描区域远远大于小感兴趣区域，从而造成对病人不必要的辐射。

当小感兴趣区域处于系统旋转中心时，准直器能很好地控制X射线的照射区域，从而保证扫描区域和小感兴趣区域一致，如图5所示。但是由于病人的大部分身体结构处于小感兴趣之外，并且这些身体结构并没有被X射线完整地扫过，因此在图像重建时，会造成数据缺失的问题并对小感兴趣区域之内的图像造成伪影。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器及其扫描成像方法，针对牙科锥束CT上述存在的问题，解决了现有计算机断层扫描系统中过量辐射和数据缺失的问题。

本发明的技术方案是：

一种计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器，包括上下2组准直器刀片和左右2组调制器刀片。2组调制器刀片由电机分别控制，并能跟踪小感兴趣区域8随照射角度变化而产生的位移；2组调制器刀片对X射线有一定的透明度，调制器刀片允许一部分X射线透过，并在穿过成像物体后被探测器接受，使得这部分X射线不直接参与成像。

所述计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器包括电机B2、与电机B2连接的丝杆B20、由丝杆B20驱动移动的调制器刀片B4、电机C3、与电机C3连接的丝杆C30、由丝杆C30驱动移动的调制器刀片C5，所述调制器刀片B4和调制器刀片C5分别在同一个平面或相互平行的平面内做水平移动。

所述调制器刀片B4靠近调制器刀片C5的一侧为调制器刀片B不完全阻挡部分40，调制器刀片C5靠近调制器刀片B4的一侧为调制器刀片C不完全阻挡部分50。

所述调制器刀片B不完全阻挡部分40对X光的透视率大于调制器刀片B4对X光的透视率。

所述调制器刀片C不完全阻挡部分50对X光的透视率大于调制器刀片C5对X光的透视率。

所述调制器刀片B不完全阻挡部分40的厚度小于调制器刀片B4的厚度，或者当选取不同材料时，B不完全阻挡部分40的对X射线的阻挡率小于调制器刀片B4的阻挡率。

所述调制器刀片C不完全阻挡部分50的厚度小于调制器刀片C5的厚度，或者当选取不同材料时，C不完全阻挡部分50的对X射线的阻挡率小于调制器刀片C5的阻挡率。

所述计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器还包括电机A1、与电机A1连接的丝杆A10、由丝杆A10驱动的可张开或闭合的一组准直器刀片A7，该组准直器刀片A7、准直器刀片B4和准直器刀片C5之间合成的窗口为照射区域6。准直器刀片A7在扫描过程中并不移动。

平板探测器9始终位于X光源的一定位置，并与之垂直。

一种计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线扫描成像方法，包括以下步骤：

a)预扫描：在预扫描过程中，机架在两个方向（0°和90°）分别通过如权利要求1至7任意之一所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器采集两幅静态的X射线透视图，这两幅图经过处理后显示病人的平面组织结构；

b)确定小感兴趣区域：当预扫描完成后，两幅预扫描图被同时显示给操作员，操作员在这两幅图上标记出小感兴趣的区域，系统软件根据操作员在这两幅二维图上的标记，自动计算出感兴趣区域在三维空间中的位置；

c)开始扫描：在此过程中，操作员还应当根据扫描应用的要求确定其他扫描参数；

移动调制器刀片：系统在扫描过程中，可以实时知道扫描的方向，根据这个方向及相应计算得到的调制器刀片位置信息，系统控制模块驱动准直器电机以使得两个调制器刀片移动到对应的位置；

d)数据采集：在一定的时间范围内，射线源发出X射线，穿过被扫描的病人后被探测器接受；探测器将这一段时间内接受的X射线能量都收集起来，转化成电信号，并进行数字化处理，该数字化的信号被传输到系统存储装置等待被处理和重建；数据采集过程中，调制器刀片上调制器刀片不完全阻挡部分的数据被一并读出；

e)旋转机架：在当前位置的数据采集完成后，系统进行是否扫描完成的判断，如果已完成则断开X射线并退出扫描；如果需要继续扫描，系统控制模块驱动机架旋转电机以使得机架旋转到下一个采集位置，这个旋转过程可以是连续的也可以是脉冲式的，机架到达下一个采集位置后，重复上述步骤d和步骤e。

所述小感兴趣区域是一个圆柱体，根据这个感兴趣区域的三维位置，系统进一步计算出在系统旋转过程中，调制器刀片处于的相应的位置，以使得在任意方向，X射线源只照射到感兴趣区域。

所述步骤4中，系统控制模块驱动准直器电机以使得两个准直器刀片移动到对应的位置的过程是连续的或者是脉冲式的。

所述步骤e中，射线源发出X射线的发射方式是连续式的或者是脉冲式的。

在发明的技术方案中，左右方向的调制器刀片由两个电机B和电机C分别控制。这样，当小感兴趣区域不在系统选择中心时，两个调制器刀片可以被调节到任意位置，从而让X射线只覆盖小感兴趣区域（如图7所示）。小感兴趣区域由操作员在预扫描中定义。一旦需要扫描的小感兴趣区域被确定后，在任意源方向上需要照射的区域可以被实时计算出来。调制器刀片B和调制器刀片C即有电机B和电机C实时移动到相应的位置，从而保证在任意源方向，X射线只覆盖小感兴趣区域。由此，这样的设计可以避免当小感兴趣区域不在中心时，系统对病人的过量辐射。

另外，调制器本身也从单一的阻挡变成对X射线有一定的透明度，如图8所示。在感兴趣之外，调制器在一定长度上并不完全阻挡X射线。在这部分区域，从球管出来的X射线有一定的穿透率（比如10%）。这个穿透率不必要是常数，可以随离感兴趣区域的远近作相应调整，比如将调制器做成楔形。这样，在感兴趣区域之外，探测器也能接收到一部分穿透病人的X射线，而这部分信号可以用在图像重建算法中，从而消除感兴趣区域中的伪影。由于这部分射线已经被预先减弱，对病人辐射剂量的增加并不大，但是可以大幅提高图像质量，从而帮助医生作出更准确的诊断。

这个源调制器的设计并不局限在牙科锥束CT中。在普通CT上，可以同样应用这样的调制器设计并达到同样的降低辐射和消除伪影的效果。

在全扫描（360度扫描）的过程中，由于探测器尺寸的限制，平板探测器采集的投影只能在某些角度在旋转平面内覆盖整个物体（比如头颅）。这就会造成投影数据在旋转平面方向有截断（横向截断）。它会引起重建结果的低频信息失真（像素的CT值不准）。为了得到更加准确的重建结果，我们提出了一种基于投影数据一致性定律的解析延拓办法。投影数据的一致性定律是这样的，物体的2维平行束投影在每个角度的积分是恒定的。这样，我们就可以根据那些探测器可以覆盖整个头颅的角度的投影得到这个恒定的积分值，然后用这个恒定积分值来决定解析延拓的范围和大小，来保证比较准确的CT值。

本发明的有益效果是：

本发明的一种计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器及其扫描成像方法，其2组调制器刀片由电机分别控制，并能跟踪小感兴趣区域随照射角度变化而产生的位移。本发明的调制器刀片对X射线有一定的透明度。调制器允许一部分X射线透过，并在穿过成像物体后被探测器接受。这部分X射线不直接参与成像，但是可以提高成像区域的图像质量。

附图说明

图1是现有技术的牙科锥束CT示意图。

图2是现有技术的牙科锥束CT中的X射线准直器示意图。

图3是现有技术的牙科锥束CT中准直器刀片的控制示意图。

图4是现有技术的当感兴趣区域不在中心时的过扫描问题示意图。

图5是现有技术的感兴趣区域在系统旋转中心时的数据缺失问题示意图。

图6是本发明的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器的结构示意图。

图7是本发明的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器的工作状态示意图，图中左右方向的两个调制器刀片由两个电机分别控制，从而保证在任意源方向，X射线能动态覆盖感兴趣区域。

图8是本发明的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器的另一种结构示意图，图中调制器刀片与不完全阻挡部分的X射线穿透率不同。

图9是本发明的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线扫描成像方法的工作流程示意图

图10是本发明的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线扫描成像方法的系统数据处理流程示意图。

图中：1为电机A、10为丝杆A、2为电机B、20为丝杆B、3为电机C、30为丝杆C、4为调制器刀片B、40为调制器刀片B不完全阻挡部分、5为调制器刀片C、50为调制器刀片C不完全阻挡部分、6为照射区域、7为准直器刀片A、8为小感兴趣区域、9为平板探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图6、图7、图8，一种计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器，包括上下2组准直器刀片和左右2组调制器刀片。2组调制器刀片由电机分别控制，并能跟踪小感兴趣区域8随照射角度变化而产生的位移；2组调制器刀片对X射线有一定的透明度，调制器刀片允许一部分X射线透过，并在穿过成像物体后被探测器接受，这部分X射线射线可被用于解决小感兴趣区域扫描的数据缺失问题，从而改善小感兴趣区域内部的图像质量。本发明中的调制器对X射线进行两个方面的调制，一个是空间上对小感兴趣区域的跟踪，一个是X射线在小感兴趣区域外的通量分布。。

所述计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器包括电机B2、与电机B2连接的丝杆B20、由丝杆B20驱动移动的调制器刀片B4、电机C3、与电机C3连接的丝杆C30、由丝杆C30驱动移动的调制器刀片C5，所述调制器刀片B4和调制器刀片C5分别在同一个平面或相互平行的平面内做水平移动。

所述调制器刀片B4靠近调制器刀片C5的一侧为调制器刀片B不完全阻挡部分40，调制器刀片C5靠近调制器刀片B4的一侧为调制器刀片C不完全阻挡部分50。

所述调制器刀片B不完全阻挡部分40对X光的透视率小于调制器刀片B4对X光的透视率。

所述调制器刀片C不完全阻挡部分50对X光的透视率小于调制器刀片C5对X光的透视率。

所述调制器刀片B不完全阻挡部分40的厚度小于调制器刀片B4的厚度，或者当选取不同材料时，B不完全阻挡部分40的对X射线的阻挡率小于调制器刀片B4的阻挡率。

所述调制器刀片C不完全阻挡部分50的厚度小于调制器刀片C5的厚度，或者当选取不同材料时，C不完全阻挡部分50的对X射线的阻挡率小于调制器刀片C5的阻挡率。

所述计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器还包括电机A1、与电机A1连接的丝杆A10、由丝杆A10驱动的可张开或闭合的一组准直器刀片A7，该组准直器刀片A7、调制器刀片B4和调制器刀片C5之间合成的窗口为照射区域6。准直器刀片A7在扫描过程中并不移动。

平板探测器9始终位于X光源的一定位置，并与之垂直。

本发明提供一种计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线扫描成像方法，包括以下步骤：

a)预扫描：在预扫描过程中，机架在两个方向（0°和90°）分别通过如权利要求1至7任意之一所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器采集两幅静态的X射线透视图，这两幅图经过处理后显示病人的平面组织结构；

b)确定小感兴趣区域：当预扫描完成后，两幅预扫描图被同时显示给操作员，操作员在这两幅图上标记出小感兴趣的区域，系统软件根据操作员在这两幅二维图上的标记，自动计算出感兴趣区域在三维空间中的位置；

c)开始扫描：在此过程中，操作员还应当根据扫描应用的要求确定其他扫描参数；

移动调制器刀片：系统在扫描过程中，可以实时知道扫描的方向，根据这个方向及相应计算得到的调制器刀片位置信息，系统控制模块驱动准直器电机以使得两个调制器刀片移动到对应的位置；

d)数据采集：在一定的时间范围内，射线源发出X射线，穿过被扫描的病人后被探测器接受；探测器将这一段时间内接受的X射线能量都收集起来，转化成电信号，并进行数字化处理，该数字化的信号被传输到系统存储装置等待被处理和重建；数据采集过程中，调制器刀片上调制器刀片不完全阻挡部分的数据被一并读出；

e)旋转机架：在当前位置的数据采集完成后，系统进行是否扫描完成的判断，如果已完成则断开X射线并退出扫描；如果需要继续扫描，系统控制模块驱动机架旋转电机以使得机架旋转到下一个采集位置，这个旋转过程可以是连续的也可以是脉冲式的，机架到达下一个采集位置后，重复上述步骤d和步骤e。

小感兴趣区域是一个圆柱体，根据这个感兴趣区域的三维位置，系统进一步计算出在系统旋转过程中，调制器刀片处于的相应的位置，以使得在任意方向，X射线源只照射到感兴趣区域。

步骤4中，系统控制模块驱动准直器电机以使得两个准直器刀片移动到对应的位置的过程是连续的或者是脉冲式的。

步骤e中，射线源发出X射线的发射方式是连续式的或者是脉冲式的。

本发明的工作流程为：

关于CT的工作原理请参见CN200910003449.2,CN201010625184.2,CN201110207998.9等。

a）预扫描。在预扫描过程中，机架在两个方向（0°和90°）分别采集两幅静态的X射线透视图。这两幅图经过处理后显示病人的平面组织结构。预扫描实际上是一个锥状X射线源在探测器上的投影，因此需要两个方向才能确定一个组织在三维空间中的实际位置。

b）确定感兴趣区域。当预扫描完成后，两幅预扫描图被同时显示给操作员。操作员在这两幅图上标记出感兴趣的区域。系统软件根据操作员在这两幅二维图上的标记，自动计算出感兴趣区域在三维空间中的位置。由于计算机断层扫描系统的特点，这个感兴趣区域一般是一个圆柱体。根据这个感兴趣区域的三维位置，系统软件进一步计算出在系统旋转过程中，调制器刀片应该处于的相应的位置，以使得在任意方向，X射线源只照射到感兴趣区域。

c）开始扫描。在此过程中，操作员还应当根据扫描应用的要求确定其他扫描参数。当系统和病人都完成准备后，操作员可以下达开始扫描的指令。系统随即进入扫描状态。

d）移动调制器刀片。系统在扫描过程中，可以实时知道扫描的方向。根据这个方向及相应计算得到的调制器刀片位置信息，系统控制模块驱动调制器电机以使得两个调制器刀片移动到对应的位置。这个过程可以是连续的，也可以是脉冲式的。

e）数据采集。在一定的时间范围内，射线源发出X射线，穿过被扫描的病人后被探测器接受。这个X射线的发射同样可以是连续或者是脉冲式的。探测器将这一段时间内接受的X射线能量都收集起来，转化成电信号，并进行数字化。这个数字化的信号被传输到系统存储装置等待被处理和重建。数据采集过程中，调制器刀片上半透明部分的数据被一并读出。

f）旋转机架。在当前位置的数据采集完成后，系统进行是否扫描完成的判断。如果已完成则断开X射线并退出扫描。如果需要继续扫描，系统控制模块驱动机架旋转电机以使得机架旋转到下一个采集位置。这个旋转过程可以是连续的也可以是脉冲式的。机架到达下一个采集位置后，重复上述步骤4和步骤5。

本发明系统的数据处理流程参见图10。当原始数据被传输到系统软件平台的存储器之后，数据被分割成成像区域数据和非成像区域数据两部分。这两部分区域的数据经过相应的校正算法处理后，被重新合并。合并后的数据被送往图像重建软件以生成最终图像。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (12)

1.一种计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器，其特征是包括上下2组准直器刀片和左右2组调制器刀片；2组调制器刀片由电机分别控制，并能跟踪小感兴趣区域（8）随照射角度变化而产生的位移；2组调制器刀片对X射线有一定的透明度，调制器刀片允许一部分X射线透过，并在穿过成像物体后被探测器接受，这部分X射线可被用于解决小感兴趣区域扫描的数据缺失问题，从而改善小感兴趣区域内部的图像质量；本发明中的调制器对X射线进行两个方面的调制，一个是空间上对小感兴趣区域的跟踪，一个是X射线在小感兴趣区域外的通量分布。

2.根据权利要求1所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器，其特征在于所述计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器包括电机B（2）、与电机B（2）连接的丝杆B（20）、由丝杆B（20）驱动移动的调制器刀片B（4）、电机C（3）、与电机C（3）连接的丝杆C（30）、由丝杆C（30）驱动移动的调制器刀片C（5），所述调制器刀片B（4）和调制器刀片C（5）分别在同一个平面或相互平行的平面内做水平移动。

3.根据权利要求1所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器，其特征在于所述调制器刀片B（4）靠近调制器刀片C（5）的一侧为调制器刀片B不完全阻挡部分（40），调制器刀片C（5）靠近调制器刀片B（4）的一侧为调制器刀片C不完全阻挡部分（50）。

4.根据权利要求3所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器，其特征在于所述调制器刀片B不完全阻挡部分（40）对X光的透视率大于调制器刀片B（4）对X光的透视率。

5.根据权利要求3所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器，其特征在于所述调制器刀片C不完全阻挡部分（50）对X光的透视率大于调制器刀片C（5）对X光的透视率。

6.根据权利要求4所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器，其特征在于所述调制器刀片B不完全阻挡部分（40）的厚度小于调制器刀片B（4）的厚度，或者当选取不同材料时，B不完全阻挡部分（40）的对X射线的阻挡率小于调制器刀片B（4）的阻挡率。

7.根据权利要求5所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器，其特征在于所述调制器刀片C不完全阻挡部分（50）的厚度小于调制器刀片C（5）的厚度，或者当选取不同材料时，C不完全阻挡部分（50）的对X射线的阻挡率小于调制器刀片C（5）的阻挡率。

8.根据权利要求1至7任意之一所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器，其特征在于所述计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线调制器还包括电机A（1）、与电机A（1）连接的丝杆A（10）、由丝杆A（10）驱动的可张开或闭合的一组准直器刀片A（7），该组准直器刀片A（7）、调制器刀片B（4）和调制器刀片C（5）之间合成的窗口为照射区域（6）。准直器刀片A（7）在扫描过程中并不移动。

9.一种计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线扫描成像方法，其特征是包括以下步骤：

a)预扫描：在预扫描过程中，机架在两个方向（0°和90°）分别通过如权利要求1至7任意之一所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线准直器采集两幅静态的X射线透视图，这两幅图经过处理后显示病人的平面组织结构；

b)确定小感兴趣区域：当预扫描完成后，两幅预扫描图被同时显示给操作员，操作员在这两幅图上标记出小感兴趣的区域，系统软件根据操作员在这两幅二维图上的标记，自动计算出感兴趣区域在三维空间中的位置；

c)开始扫描：在此过程中，操作员还应当根据扫描应用的要求确定其他扫描参数；移动调制器刀片：系统在扫描过程中，可以实时知道扫描的方向，根据这个方向及相应计算得到的调制器刀片位置信息，系统控制模块驱动准直器电机以使得两个调制器刀片移动到对应的位置；

d)数据采集：在一定的时间范围内，射线源发出X射线，穿过被扫描的病人后被探测器接受；探测器将这一段时间内接受的X射线能量都收集起来，转化成电信号，并进行数字化处理，该数字化的信号被传输到系统存储装置等待被处理和重建；数据采集过程中，调制器刀片上调制器刀片不完全阻挡部分的数据被一并读出；

e)旋转机架：在当前位置的数据采集完成后，系统进行是否扫描完成的判断，如果已完成则断开X射线并退出扫描；如果需要继续扫描，系统控制模块驱动机架旋转电机以使得机架旋转到下一个采集位置，这个旋转过程可以是连续的也可以是脉冲式的，机架到达下一个采集位置后，重复上述步骤d和步骤e。

10.根据权利要求9所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线扫描成像方法，其特征是所述小感兴趣区域是一个圆柱体，根据这个感兴趣区域的三维位置，系统进一步计算出在系统旋转过程中，调制器刀片处于的相应的位置，以使得在任意方向，X射线源只照射到感兴趣区域。

11.根据权利要求9所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线扫描成像方法，其特征是所述步骤4中，系统控制模块驱动准直器电机以使得两个准直器刀片移动到对应的位置的过程是连续的或者是脉冲式的。

12.根据权利要求9所述的计算机断层扫描系统中小感兴趣区域的X射线扫描成像方法，其特征是所述步骤e中，射线源发出X射线的发射方式是连续式的或者是脉冲式的。

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