CN103110423A - 一种估计成像剂量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种估计成像剂量的方法，包括通过计算物体在成像探测器上的投影范围来预估成像剂量的过程。本发明还公开了一种估计成像剂量的系统。在本发明的具体实施方式中，由于采用计算扫描物体在探测器上的投影范围来预估成像剂量，可在射线源的电流、电压、曝光时间、锥束范围等条件固定的情况下，根据投影范围估计辐射剂量，可不用考虑具体的剂量建成、散射等复杂因素，方便实用地获得估计结果。

Description

一种估计成像剂量的方法和系统

技术领域

本申请涉及一种估计成像剂量的方法和系统。

背景技术

计算机断层成像（CT）是通过无损方式获取物体内部结构信息的一种重要成像手段，它拥有高分辨率、高灵敏度以及多层次等众多优点，被广泛应用于各个医疗临床检查领域。随着CT检查的大量应用，CT辐射剂量正日益受到人们的关注，相对于常规的放射检查，虽然CT检查量只占整个X光检查的一小部分，但CT的剂量水平却是相当高，其集体有效剂量的贡献份额也是相当高。

现有估计成像剂量的方法较为复杂，而且不是解析方法，难于实际应用。

发明内容

本申请要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种简单实用的估计成像剂量的方法。

本申请要解决的另一技术问题是提供一种估计成像剂量的系统。

本申请要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决：

一种估计成像剂量的方法，包括通过计算物体在成像探测器上的投影范围来预估成像剂量的过程。

所述过程包括：

设置扫描物体的外接矩形区域P₁P₂P₃P₄；

根据光源从起始位置运动到终止位置，计算所述外接矩形区域投影所占据的像素数的和；

通过所述像素数的和预估成像剂量。

所述根据光源从起始位置运动到终止位置，计算所述外接矩形区域投影所占据的像素数的和包括：

分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4，

根据光源所在位置与所述外接矩形区域的位置关系，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数的和。

所述分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4可通过下式计算：

其中，P为任意点，其相应的投影点坐标为U_p，S为光源到探测器的距离，R为光源到旋转轴的距离，φ为过P点矢量与X轴的夹角，β为光源在探测器上垂直投影与X轴的夹角，r为P点到坐标原点的距离。

所述根据光源所在位置与所述外接矩形区域的位置关系，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数的和包括：

光源从起始点开始每1度做一次投影，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数；

直到光源的终止点，将所有的像素数累加起来。

一种估计成像剂量的系统，包括投影范围计算模块，用于计算物体在成像探测器上的投影范围来预估成像剂量。

所述投影范围计算模块还用于设置扫描物体的外接矩形区域P₁P₂P₃P₄，根据光源从起始位置运动到终止位置，计算所述外接矩形区域投影所占据的像素数的和，通过所述像素数的和预估成像剂量。

所述投影范围计算模块还用于分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4，根据光源所在位置与所述外接矩形区域的位置关系，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数的和。

所述投影范围计算模块还用于通过下式计算分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4：

其中，P为任意点，其相应的投影点坐标为U_p，S为光源到探测器的距离，R为光源到旋转轴的距离，φ为过P点矢量与X轴的夹角，β为光源在探测器上垂直投影与X轴的夹角，r为P点到坐标原点的距离。

所述投影范围计算模块还用于光源从起始点开始每1度做一次投影，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数，直到光源的终止点，将所有的像素数累加起来。

由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：

⑴在本申请的具体实施方式中，由于采用计算扫描物体在探测器上的投影范围来预估成像剂量，可在射线源的电流、电压、曝光时间、锥束范围等条件固定的情况下，根据投影范围估计辐射剂量，可不用考虑具体的剂量建成、散射等复杂因素，方便实用地获得估计结果。

⑵在本申请的具体实施方式中，采用扫描物体的外接矩形作为预估对象，在误差允许的范围内，简化了计算，提高了效率。

⑶在本申请的具体实施方式中，采用投影点的坐标来计算投影范围，该解析方法进一步提高了实用性，减少了对实际测量数据的依赖。

附图说明

图1为本申请估计成像剂量方法一个实施例的CT几何结构示意图；

图2为本申请估计成像剂量方法一个实施例XOY平面示意图；

图3为本申请估计成像剂量方法一个实施例的投影范围示意图；

图4为本申请估计成像剂量方法一个实施例的估计和实际的投影范围示意图；

图5为本申请估计成像剂量系统一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

根据本申请估计成像剂量的方法的一个实施例，其包括通过计算物体在成像探测器上的投影范围来预估成像剂量的过程。

一种实施方式，该过程包括：

步骤102：设置扫描物体的外接矩形区域P₁P₂P₃P₄；

步骤104：根据光源从起始位置运动到终止位置，计算外接矩形区域投影所占据的像素数的和；

步骤106：通过像素数的和预估成像剂量。

一种实施方式，步骤104具体包括：

步骤S01：分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4，

步骤S02：根据光源所在位置与所述外接矩形区域的位置关系，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数的和。

一种实施方式，步骤S01可通过下式计算：

其中，P为任意点，其相应的投影点坐标为U_p，S为光源到探测器的距离，R为光源到旋转轴的距离，φ为过P点矢量与X轴的夹角，β为光源在探测器上垂直投影与X轴的夹角，r为P点到坐标原点的距离。

一种实施方式，步骤S02包括：光源从起始点开始每1度做一次投影，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数；直到光源的终止点，将所有的像素数累加起来。

根据本申请估计成像剂量方法的另一个实施例，一般的CT系统结构如图1所示，其中S₀为光源，D₀为探测器，定义坐标系XYZ，Z为旋转轴，(u₀,v₀)表示光源S₀在探测器平面的投影中心点坐标。R为光源—旋转轴的距离，S为光源—探测器的距离，U和V为探测器上像素的排列方向，定义探测器的左下角为坐标原点。可在XOY平面，来推导扫描物体中的任意点P在探测器上的投影点u_p坐标，如图2所示,其中S₀为光源，D₀为探测器，固定坐标系XOY的原点为O，以S₀为原点的旋转坐标系{u,w}用单位矢量

和

表示；u_o为光源S₀在探测器上的垂直投影，设定u_o为探测器的坐标原点；ou_o与X轴的夹角为β；u_p为扫描物体中的任意点P在探测器上的对应投影，

表示通过点P的矢量，与X轴的夹角为φ，点P在ou_o上的垂点为N，光源S₀到旋转轴的距离OS₀用R表示，光源S₀到探测器的距离u₀S₀用S表示。。对于Z≠0的其它平面，推导方法类似。

由直角三角形ΔNPS₀和Δu_ou_pS₀相似，可以得到

$\frac{\mathrm{NP}}{R+\mathrm{ON}}=\frac{u_p}{S},---\left(1\right)$

进一步

$\frac{\stackrel{\→}{r}\·{\hat{e}}_u}{R+\stackrel{\→}{r}\·(-{\hat{e}}_w)}=\frac{u_p}{S},---\left(2\right)$

由于在固定坐标系｛x,y｝中，单位矢量和

可以表示为如下形式

${\hat{e}}_u={(-\sin \mathrm{\β},\cos \mathrm{\β})}^T$

${\hat{e}}_w={(\cos \mathrm{\β},\sin \mathrm{\β})}^T---\left(3\right)$

$\stackrel{\→}{r}={(r\cos \mathrm{\φ},r\sin \mathrm{\φ})}^T,$

将公式（3）代入公式（2）有，

$\frac{(-r\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\β}+r\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\β})}{R-(r\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\β}+r\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\β})}=\frac{u_p}{S},$

$\frac{r\sin (\mathrm{\φ}-\mathrm{\β})}{R-r\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\β})}=\frac{u_p}{S},---\left(4\right)$

对于扫描物体中的任意点P，其对应的投影点u_p可用公式（5）表示，

$u_p=S\×\frac{r\sin (\mathrm{\φ}-\mathrm{\β})}{R-r\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\β})},---\left(5\right)$

因此，公式（5）可以在CT扫描之前，用来估计感兴趣区域（ROI）的投影范围。因为在射线源的电流、电压、曝光时间、锥束范围等条件固定的情况下，扫描物体在探测器上的投影范围越大，表明物体所受到的辐射剂量相应也越大，即，根据“扫描物体在探测器上的投影范围”来间接表明“物体的辐射剂量”大小。

本实施例中，以口腔CT原型系统，进行如下实验：首先，实验采集真实头模数据进行CT重建研究。采用BPF算法对于感兴趣区域（牙齿）进行重建。在2π圆周上均匀采集360幅头模(RS-108T，RSD，USA)投影图像，管电压为60kVp，管电流为0.2mA，探测器(PaxScan2520D，Varian，USA)尺寸1920x1536，探测器像元0.127x0.127mm²，光源到扫描物体距离460mm，光源到探测器距离600mm，对投影图像进行4x4像素合并。

此处，应用公式（5），针对图4中P₁,P₂,P₃,P₄所围成的矩形区域（即，扫描物体），计算当光源从λ₁位置运动到λ₆位置时（光源沿着圆轨道，从λ₁位置运动到λ₆，每次运动1度，拍摄一幅投影图像），分别计算每次投影图像所占的像素数，再求和。

然后，针对该实际问题进行预估CT辐射剂量操作，采用公式（5），并比较估计的辐射剂量与真实辐射剂量的差异，具体步骤如下：

根据扫描头模以及CT系统的几何结构关系，得到估计ROI（感兴趣区域）在探测器上的投影范围示意图，如图3所示。当光源在不同旋转角度λ∈[λ₁,λ₂]，[λ₂,λ₃]，[λ₃,λ₄]，[λ₄,λ₅]，[λ₅,λ₆]时，相对应的感兴趣区域投影范围依次可以表示为(u_p2-u_p1)，(u_p3-u_p1)，(u_p3-u_p2)，(u_p4-u_p2)，(u_p4-u_p3)。其中，阴影区域表示“实际的重建感兴趣区域”，由P₁,P₂,P₃,P₄所构成的矩形区域为“估计的重建感兴趣区域”，A和B区域表示两者之间的差异。点o表示CT扫描的旋转中心。P₁,P₂,P₃,P₄在探测器上的投影点分别用u_p1,u_p2,u_p3,u_p4表示。λ₁,λ₂,λ₃,λ₄,λ₅,λ₆分别表示光源运动轨迹上的不同位置。OP₁,OP₂,OP₃,OP₄,P₁P₄,P₁P₂的长度分别为64.69mm，109.43mm，110.65mm，66.74mm，117.99mm，63.49mm。

估计的（实线）和实际的（虚线）感兴趣区域在探测器上的投影范围如图4所示，横坐标为投影角度，纵坐标为探测器像素。从图4中可以看出，在位置A和B区域，估计的投影区域比实际的要大。定量统计显示，实际数据的投影范围为50254像素。

图5示出根据本申请估计成像剂量系统的一个实施例的结构示意图，包括投影范围计算模块，用于计算物体在成像探测器上的投影范围来预估成像剂量。

一种实施方式，投影范围计算模块还用于设置扫描物体的外接矩形区域P₁P₂P₃P₄，根据光源从起始位置运动到终止位置，计算外接矩形区域投影所占据的像素数的和，通过像素数的和预估成像剂量。

一种实施方式，投影范围计算模块还用于分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4，根据光源所在位置与外接矩形区域的位置关系，基于投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数的和。

一种实施方式，投影范围计算模块还用于通过下式计算分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4：

其中，P为任意点，其相应的投影点坐标为U_p，S为光源到探测器的距离，R为光源到旋转轴的距离，φ为过P点矢量与X轴的夹角，β为光源在探测器上垂直投影与X轴的夹角，r为P点到坐标原点的距离。

一种实施方式，投影范围计算模块还用于光源从起始点开始每1度做一次投影，基于投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数，直到光源的终止点，将所有的像素数累加起来。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种估计成像剂量的方法，其特征在于，包括通过计算物体在成像探测器上的投影范围来预估成像剂量的过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过程包括：

设置扫描物体的外接矩形区域P₁P₂P₃P₄；

根据光源从起始位置运动到终止位置，计算所述外接矩形区域投影所占据的像素数的和；

通过所述像素数的和预估成像剂量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据光源从起始位置运动到终止位置，计算所述外接矩形区域投影所占据的像素数的和包括：

分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4，

根据光源所在位置与所述外接矩形区域的位置关系，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数的和。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4可通过下式计算：

其中，P为任意点，其相应的投影点坐标为U_p，S为光源到探测器的距离，R为光源到旋转轴的距离，φ为过P点矢量与X轴的夹角，β为光源在探测器上垂直投影与X轴的夹角，r为P点到坐标原点的距离。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据光源所在位置与所述外接矩形区域的位置关系，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数的和包括：

光源从起始点开始每1度做一次投影，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数；

直到光源的终止点，将所有的像素数累加起来。

6.一种估计成像剂量的系统，其特征在于，包括投影范围计算模块，用于计算物体在成像探测器上的投影范围来预估成像剂量。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述投影范围计算模块还用于设置扫描物体的外接矩形区域P₁P₂P₃P₄，根据光源从起始位置运动到终止位置，计算所述外接矩形区域投影所占据的像素数的和，通过所述像素数的和预估成像剂量。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述投影范围计算模块还用于分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4，根据光源所在位置与所述外接矩形区域的位置关系，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数的和。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述投影范围计算模块还用于通过下式计算分别计算P₁、P₂、P₃、P₄在成像探测器上的投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4：

其中，P为任意点，其相应的投影点坐标为U_p，S为光源到探测器的距离，R为光源到旋转轴的距离，φ为过P点矢量与X轴的夹角，β为光源在探测器上垂直投影与X轴的夹角，r为P点到坐标原点的距离。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述投影范围计算模块还用于光源从起始点开始每1度做一次投影，基于所述投影点坐标u_p1、u_p2、u_p3、u_p4计算外接矩形区域投影所占据的像素数，直到光源的终止点，将所有的像素数累加起来。

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