CN103462630A

CN103462630A - Ct系统及ct扫描方法

Info

Publication number: CN103462630A
Application number: CN2013104199560A
Authority: CN
Inventors: 桂建保; 郑海荣; 陈垚; 胡战利; 洪序达
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Shen Tech Advanced Cci Capital Ltd; Shenzhen National Research Institute of High Performance Medical Devices Co Ltd
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-13
Also published as: CN103462630B

Abstract

本发明涉及一种CT系统及CT扫描方法。所述CT系统，包括多个射线管、图像探测器和驱动控制器，所述驱动控制器分别与所述图像探测器和多个射线管相连；每个射线管具有多个发射的焦点，焦点空间分布构成一个多边形或圆环或部分圆环；所述图像探测器包括多个探测器单元，多个探测器单元构成一个圆环或部分圆环，与所述焦点构成的圆环同心，且两个圆环在轴向方向偏置布置；所述驱动控制器用于控制多个射线管中各个射线管的多个焦点切换发射，并控制图像探测器采集焦点发射扫描物体后形成的投影数据。通过控制多个焦点切换发射，可实现静态扫描，提高了扫描速度，不需专门的旋转部件，降低了成本，且利用多焦点射线管取代单焦点射线管，降低了封装成本。

Description

CT系统及CT扫描方法

技术领域

本发明涉及医学成像设备，特别是涉及一种CT系统及CT扫描方法。

背景技术

CT（Computed Tomography，计算机断层成像）依赖于多个视角的射线成像，然后通过重建算法获得物体的三维数据。

传统的CT系统，为了实现断层成像，获得多角度投影图像主要方案是采用单个射线球管围绕扫描物体做旋转运动，按照旋转角度依次获得投影图像。由于CT系统中球管的旋转受到离心力的制约，扫描速度受到限制，无法满足心血管、冠状动脉等运动器官成像要求或工业、安检中对近乎实时成像的要求。此外，因CT球管和探测器旋转的成像方式导致系统电力输送和数据传输都存在困难，需要采用专门的旋转部件（如旋转机架与导电滑环）实现，增加了系统的复杂程度与成本。

发明内容

基于此，有必要针对现有的CT系统扫描速度不够及需采用专门的旋转部件成本高的问题，提供一种快速扫描且能降低成本的CT系统。

此外，还有必要提供一种CT扫描方法。

一种CT系统，包括多个射线管、图像探测器和驱动控制器，所述驱动控制器分别与所述图像探测器和多个射线管相连；每个射线管具有多个发射的焦点，焦点空间分布构成一个多边形或圆环或部分圆环；所述图像探测器包括多个探测器单元，多个探测器单元构成一个圆环或部分圆环，与所述焦点构成的圆环同心，且两个圆环在轴向方向偏置布置；所述驱动控制器用于控制多个射线管中各个射线管的多个焦点切换发射，并控制所述图像探测器采集焦点发射扫描物体后形成的投影数据。

一种CT扫描方法，包括：

发射射线步骤，控制多个射线管中各个射线管的多个焦点切换发射，其中，每个射线管具有多个发射的焦点，焦点空间分布构成一个多边形或圆环或部分圆环；

采集数据步骤，通过图像探测器采集所述焦点发射扫描物体后形成的投影数据，其中，所述图像探测器包括多个探测器单元，多个探测器单元构成一个圆环或部分圆环，与所述焦点构成的圆环同心，且两个圆环在轴向方向偏置布置。

上述CT系统及CT扫描方法，通过控制多个焦点切换发射，实现多角度的CT投影数据采集，相比于传统的单射线源旋转扫描，可实现快速静态扫描，不需专门的旋转部件，降低了成本，且利用多焦点射线管取代单焦点射线管，使得在有限长的圆周上可布置更多的发射焦点，同时降低了封装成本。

另外，采用每个射线管的焦点扫描次序为每一个射线管当前发射的焦点位置与该射线管前一个发射的焦点位置及该射线管后一个发射的焦点位置间隔至少大于或等于2倍的第一预设距离，以及控制该每相邻两次发射由相邻的两个射线管相同的焦点位置或者非相邻的两个射线管相同的焦点位置完成，可减小射线管热载荷，延长其使用寿命；多个焦点同时被激活可提高扫描速度。

附图说明

图1为一个实施例中CT系统的结构示意图；

图2为一个实施例中射线管的结构示意图；

图3为另一个实施例中射线管的结构示意图；

图4为另一个实施例中射线管控制器132的结构示意图；

图5为CT系统包括5个射线管扫描物体的示意图；

图6为CT系统采用多个焦点同时扫描物体的示意图；

图7为多个焦点同时扫描大物体时采用频分复用的示意图；

图8为一个实施例中CT扫描方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为一个实施例中CT系统的结构示意图。该CT系统，包括多个射线管110、图像探测器120和驱动控制器130，其中，驱动控制器130分别与图像探测器120和多个射线管110相连。

每个射线管110具有多个发射的焦点112，焦点112空间分布构成一个多边形或圆环或部分圆环。焦点112空间分布构成的多边形或圆环或部分圆环以扫描轴线作为中心。每个焦点112发射对应于CT系统扫描的一个投影视角，发射方向经多孔准直器（图未示）后指向扫描轴心。焦点112可分布于整个圆环或部分圆环，为了节省成本和加快扫描，可采用短扫描方案，利用解析重建算法，让焦点（即发射源）分布角度范围在180度加上β，其中，β为单个焦点发射角度。在其他实施例中，可采用迭代重建算法，焦点分布角度范围为60度至100度，如此很大程度节省了焦点和图像探测器成本，并提高扫描速度。

相邻焦点112间隔为第一预设距离d。相邻射线管110间隔为第二预设距离D。第二预设距离D大于第一预设距离d。第一预设距离d和第二预设距离D可根据需要设定。

本实施例中，射线管110可为基于场致发射的“冷阴极”射线源，或者，具有栅极控制或快门控制的基于热电子发射的“热阴极”射线源。

图像探测器120包括多个探测器单元（图未示），多个探测器单元构成一个圆环或部分圆环，该探测器单元构成的圆环与焦点构成的圆环同心，且两个圆环在轴向方向偏置布置。每个探测器单元朝向轴心。探测器单元构成的圆环直径可大于或等于或小于焦点构成的圆环，具体可根据系统的分辨率决定。将两个圆环在轴向方向偏置布置，是为了避免距离发射焦点最近端的探测器单元阻挡出射光速经物体500后被最远端的探测器单元接收。每一个出射光束用到的探测器单元数目取决于出射光束的发射角度β。

驱动控制器130用于控制多个射线管中各个射线管110的多个焦点112切换发射，并控制图像探测器120采集焦点发射扫描物体500后形成的投影数据。

驱动控制器130包括射线管控制器132和探测器控制器134。射线管控制器132用于控制多个射线管中各个射线管110的多个焦点112切换发射。探测器控制134用于控制图像探测器120采集焦点发射扫描物体500后形成的投影数据。

此外，CT系统还包括图像重建模块140、图像显示模块150和主控制器160。图像重建模块140用于接收探测器控制器134控制图像探测器120采集的投影数据，并根据该投影数据进行图像重建。图像显示模块150用于显示重建的图像。主控制器160用于控制驱动控制器130、图像重建模块140和图像显示模块150工作。

上述CT系统，通过控制多个焦点切换发射，实现多角度的CT投影数据采集，相比于传统的单射线源旋转扫描，可实现快速静态扫描，不需专门的旋转部件，降低了成本，且利用多焦点射线管取代单焦点射线管，使得在有限长的圆周上可布置更多的发射焦点，同时降低了封装成本。

图2为一个实施例中射线管的结构示意图。如图2，射线管110包括阴极210、栅极220、聚焦极230和阳极240。阴极210包括多个分离的可独立控制的发射阴极单元212，且栅极220和聚焦极230设有多个与发射阴极单元212位置对应的透射孔250，在栅极220透射孔入口处装有金属栅网（图未示），栅网可提供较为均匀的电场并保证大部分电子可透过网格，发射阴极单元212发射的电子通过该透射孔250聚焦至阳极240的焦点上。该焦点包括焦点1、焦点2至焦点N，N为大于等于2的自然数。发射阴极单元1、2至N，N为大于等于2的自然数。栅极220、聚焦极230和阳极240均为一个整体。该透射孔250可为圆孔、三角形孔、多边形孔或椭圆形孔等。

本实施例中，结合图1和图2，射线管控制器132包括聚焦控制单元1322、阴极控制单元1324和高压控制单元1326。聚焦控制单元1322用于控制聚焦极的电压；阴极控制单元1324用于控制各个独立的发射阴极单元212的电压；高压控制单元1326用于提供阳极高压与发射阴极单元212的电源功耗。该阴极控制单元1324为多路阴极控制单元，每一路控制单个独立的发射阴极单元212的电压。

图3为另一实施例中射线管的结构示意图。图3中，射线管110包括阴极310、栅极320、聚焦极330和阳极340。栅极320包括多个分离的可独立控制的栅极单元322，每个栅极单元322中央具有透射孔，透射孔入口处装有金属栅网（图未示），聚焦极330设有多个与栅极单元322透射孔位置对应的透射孔。阴极310发射的电子通过对应的栅极单元322及聚焦极330的透射孔聚焦至阳极340。阴极310、聚焦极330和阳极340均为一个整体。该透射孔可为圆孔、三角形孔、多边形孔或椭圆形孔等。本实施例中，如图4所示，射线管控制器132包括聚焦控制单元1321、栅极控制单元1323和高压控制单元1325。聚焦控制单元1321用于控制聚焦极的电压；栅极控制单元1323用于控制各个独立的栅极单元322的电压；高压控制单元1325用于提供阳极340高压与阴极310的电源功耗。

CT系统扫描时，物体沿着轴向方向运动，由射线管110发射光束直接通过物体。在每一个扫描周期，所有射线管的每一个焦点被用一次，随着物体轴向运动，扫描周期不断重复。每个焦点出射光束通过物体后，被多个探测器单元接收。射线管110的发射次序以及每个射线管110的焦点发射次序由驱动控制器130根据主控制器160发出的时序指令进行控制。

因每个射线管110的多个焦点共用一个阳极，为减小射线管热载荷，每个射线管110中每个焦点发射不是采用顺序发射，而是非相邻发射，即当前焦点位置与上一次发射的焦点位置及下一次发射的焦点位置具有一定的间隔。在时间上，每相邻两次发射不是来源于同一个射线管，而是来源于相邻的两个射线管相同的焦点位置或者非相邻的两个射线管相同的焦点位置。

具体的，可由驱动控制器120控制每个射线管的焦点扫描次序为每一个射线管当前发射的焦点位置与该射线管前一个发射的焦点位置及该射线管后一个发射的焦点位置间隔至少大于或等于2倍的第一预设距离d，优选的，驱动控制器120控制每一个射线管当前发射的焦点位置与该射线管前一个发射的焦点位置及该射线管后一个发射的焦点位置间隔达到最大。且驱动控制器120还用于控制该每相邻两次发射由相邻的两个射线管相同的焦点位置或者非相邻的两个射线管相同的焦点位置完成。

需要说明的是，本实施例中，当一次完整的射线管扫描后，每个射线管只用到一个焦点位置，然后更换一个不同的焦点位置重复扫过所有的射线管，如此循环再重复进行，直到所有射线管中的所有焦点都扫过一次。完成一次完整的物体扫描，然后改变物体的轴向位置，重复上面的扫描过程。

在一个实施例中，驱动控制器120还用于控制每个发射周期每个射线管只有一个焦点被激活。

如图5所示，CT系统包含5个射线管110，标号分别为1、2、3、4、5，每个射线管110具有5个焦点位置，对于单个射线管110，最好的焦点扫描次序是1、3、5、2、4，再依据时间上相邻两次发射来源于相邻的两个射线管110，可获得所有焦点优化的扫描顺序如表1所示，采用表1的扫描顺序扫描物体500。

表1

扫描序号	射线管	射线管中焦点位置	焦点在扫描中的位置
				1	1	1	1
2	2	1	6
				3	3	1	11
4	4	1	16
				5	5	1	21
6	1	3	3
				7	2	3	8
8	3	3	13
				9	4	3	18
10	5	3	23
				11	1	5	5
12	2	5	10
				13	3	5	15
14	4	5	20
				15	5	5	25
16	1	2	2
				17	2	2	7
18	3	2	12
				19	4	2	17
20	5	2	22
				21	1	4	4
22	2	4	9
				23	3	4	14
24	4	4	19
				25	5	4	24

此处仅描述了具有5个射线管的扫描次序，对于具有更多射线管及每个射线管具有更多焦点的系统，可采用上述方式获得优化的扫描次序。

在另一个实施例中，为了加快扫描速度，可采用多个射线管同时开启扫描，且为了使探测器单元采集数据不发生重叠混淆，在同一时刻工作的相邻射线管之间具有一定的间隔。因此，驱动控制器120还用于控制每个发射周期多个射线管相同位置处的焦点同时被激活，且焦点同时被激活的多个射线管中相邻两个射线管之间的间隔大于或等于2倍的第二预设距离D。优选的，多个射线管同时被激活时，各焦点投影数据在探测器单元构成的圆环上不发生数据重叠时相邻射线管的间隔最小。这样可使在同一时刻工作的射线管数最多，以便获得最高的扫描速度。

如图6所示，为CT系统采用多个焦点同时扫描物体的示意图。图6中，CT系统包含24个焦点620，24个探测器单元640，每个焦点620发射射线经物体660后被4个探测器单元640接收。由图6可知，从正交的a、b、c、d四个位置同时扫描，探测器单元640接收的数据不会发生重叠，如此可从正交的四个位置同时启动扫描，使得扫描时间缩短为单个焦点工作的1/4。若需要更快的速度，可每隔4个焦点同时启动扫描，同一时刻可同时启动的焦点数目为6，工作的相邻焦点角度为60度，总扫描时间为单个焦点工作的1/6，每个扫描时刻正好所有的探测器单元640都同时接收数据。

当扫描物体大于预定体积时，在保证相邻射线管投影数据在探测器圆环上不发生数据重叠条件下，可同时工作的射线管很少，如2个，此时为了增加可同时工作的射线管数，采用频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）。让每个射线管工作在不同的脉冲频率，由于数据存在重叠，有些探测器单元数据来源于2个或更多个射线管，利用解多路复用（Demultiplexing）可恢复出来源于单个射线管的投影数据。

图7为多个焦点同时扫描大物体时采用频分复用的示意图。在图7中，焦点720、探测器单元740和物体760。每个焦点发出射线经过物体760后被10个探测器单元740接收，在保证投影数据在探测器圆环上不发生数据重叠条件下，可同时工作的源点数为2，成180度分布。采用频分多路复用与解复用技术后，让正交分布的4个源点分别工作在f₁、f₂、f₃和f₄后，即实现了同时工作的源点数为4。当然，采用更多的工作频率，也可实现同时工作的源点数大于4。

本发明还提供了一种CT扫描方法。如图8所示，该CT扫描方法，包括：

步骤802，发射射线步骤，控制多个射线管中各个射线管的多个焦点切换发射，其中，每个射线管具有多个发射的焦点，焦点空间分布构成一个多边形或圆环或部分圆环。

步骤804，采集数据步骤，通过图像探测器采集该焦点发射扫描物体后形成的投影数据，其中，该图像探测器包括多个探测器单元，多个探测器单元构成一个圆环或部分圆环，与该焦点构成的圆环同心，且两个圆环在轴向方向偏置布置。

在一个实施例中，相邻焦点间隔为第一预设距离，步骤804包括：控制该每个射线管的焦点扫描次序为每一个射线管当前发射的焦点位置与该射线管前一个发射的焦点位置及该射线管后一个发射的焦点位置间隔至少大于或等于2倍的第一预设距离，优选的，控制该射线管的焦点扫描次序为每一个射线管当前发射的焦点位置与该射线管前一个发射的焦点位置及该射线管后一个发射的焦点位置间隔达到最大。

在一个实施例中，步骤804包括：控制该每相邻两次发射由相邻的两个射线管相同的焦点位置或者非相邻的两个射线管相同的焦点位置完成。

在一个实施例中，步骤804包括：控制每个发射周期每个射线管只有一个焦点被激活。

在一个实施例中，相邻射线管间隔为第二预设距离，步骤804包括：控制每个发射周期多个射线管相同位置处的焦点同时被激活，且所述焦点同时被激活的多个射线管中相邻两个射线管之间的间隔大于或等于2倍的第二预设距离。

在一个实施例中，步骤804包括：多个射线管同时被激活时，各焦点投影数据在探测器单元构成的圆环上不发生数据重叠时相邻射线管的间隔最小。

在一个实施例中，步骤804包括：采用频分多路复用增加同时工作的射线管数。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种CT系统，其特征在于，包括多个射线管、图像探测器和驱动控制器，所述驱动控制器分别与所述图像探测器和多个射线管相连；每个射线管具有多个发射的焦点，焦点空间分布构成一个多边形或圆环或部分圆环；所述图像探测器包括多个探测器单元，多个探测器单元构成一个圆环或部分圆环，与所述焦点构成的圆环同心，且两个圆环在轴向方向偏置布置；所述驱动控制器用于控制多个射线管中各个射线管的多个焦点切换发射，并控制所述图像探测器采集焦点发射扫描物体后形成的投影数据。

2.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述射线管包括阴极、栅极、聚焦极和阳极，所述阴极包括多个分离的可独立控制的发射阴极单元，且所述栅极和聚焦极设有多个与发射阴极单元位置对应的透射孔，所述栅极的透射孔入口处装有金属栅网，所述发射阴极单元发射的电子通过所述栅网与所述透射孔聚焦至所述阳极。

3.根据权利要求2所述的CT系统，其特征在于，所述驱动控制器包括射线管控制器和探测器控制器，所述探测器控制器用于控制所述图像探测器；所述射线管控制器包括聚焦控制单元、阴极控制单元和高压控制单元，所述聚焦控制单元用于控制聚焦极的电压，所述阴极控制单元用于控制各个独立的发射阴极单元的电压，所述高压控制单元用于提供阳极高压与发射阴极单元的电源功耗。

4.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述射线管包括阴极、栅极、聚焦极和阳极，所述栅极包括多个分离的可独立控制的栅极单元，每个栅极单元中央具有透射孔，透射孔入口处装有金属栅网，所述聚焦极设有多个与栅极单元透射孔位置对应的透射孔，所述阴极发射的电子通过对应所述的栅极单元的透射孔及所述聚焦极的透射孔聚焦至所述阳极。

5.根据权利要求4所述的CT系统，其特征在于，所述驱动控制器包括射线管控制器和探测器控制器，所述探测器控制器用于控制所述图像探测器；所述射线管控制器包括聚焦控制单元、栅极控制单元和高压控制单元，所述聚焦控制单元用于控制聚焦极的电压，所述栅极控制单元用于控制各个独立的栅极单元的电压，所述高压控制单元用于提供阳极高压与阴极的电源功耗。

6.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述多个射线管的发射焦点分布角度范围为180度加单个焦点发射角度。

7.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述多个射线管的发射焦点分布角度范围为60度至100度。

8.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述相邻焦点间隔为第一预设距离，所述驱动控制器还用于控制所述每个射线管的焦点扫描次序为每一个射线管当前发射的焦点位置与所述射线管前一个发射的焦点位置及所述射线管后一个发射的焦点位置间隔至少大于等于2倍的第一预设距离或间隔达到最大。

9.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述驱动控制器还用于控制所述每相邻两次发射由相邻的两个射线管相同的焦点位置或者非相邻的两个射线管相同的焦点位置完成。

10.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述驱动控制器还用于控制每个发射周期每个射线管只有一个焦点被激活。

11.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述相邻射线管间隔为第二预设距离，所述驱动控制器还用于控制每个发射周期多个射线管相同位置处的焦点同时被激活，且所述焦点同时被激活的多个射线管中相邻两个射线管之间的间隔大于或等于2倍的第二预设距离。

12.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，多个射线管同时被激活时，各焦点投影数据在探测器单元构成的圆环上不发生数据重叠时相邻射线管的间隔最小。

13.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，采用频分多路复用增加同时工作的射线管数。

14.一种CT扫描方法，其特征在于，包括：

15.根据权利要求14所述的CT扫描方法，其特征在于，所述相邻焦点间隔为第一预设距离，所述发射射线步骤包括：

控制所述每个射线管的焦点扫描次序为每一个射线管当前发射的焦点位置与所述射线管前一个发射的焦点位置及所述射线管后一个发射的焦点位置间隔至少大于等于2倍的第一预设距离或间隔达到最大。

16.根据权利要求14所述的CT扫描方法，其特征在于，所述发射射线步骤包括：

控制所述每相邻两次发射由相邻的两个射线管相同的焦点位置或者非相邻的两个射线管相同的焦点位置完成。

17.根据权利要求14所述的CT扫描方法，其特征在于，所述发射射线步骤包括：

控制每个发射周期每个射线管只有一个焦点被激活。

18.根据权利要求14所述的CT扫描方法，其特征在于，所述相邻射线管间隔为第二预设距离，所述发射射线步骤包括：

控制每个发射周期多个射线管相同位置处的焦点同时被激活，且所述焦点同时被激活的多个射线管中相邻两个射线管之间的间隔大于或等于2倍的第二预设距离。

19.根据权利要求14所述的CT扫描方法，其特征在于，所述发射射线步骤包括：

多个射线管同时被激活时，各焦点投影数据在探测器单元构成的圆环上不发生数据重叠时相邻射线管的间隔最小。

20.根据权利要求14所述的CT扫描方法，其特征在于，所述发射射线步骤包括：

采用频分多路复用增加同时工作的射线管数。