CN103648393A - 动态准直 - Google Patents

Abstract

一种方法，包括执行对定位于检查区域中的对象或受检者的部分中的感兴趣区域的三维体积扫描，所述三维体积扫描包括动态准直被用于执行所述扫描的辐射束，使得在所述扫描期间，所述辐射束的几何形状和/或位置追踪所述感兴趣区域的几何形状和/或位置，其中，所述感兴趣区域为所述检查区域中的所述对象或受检者的所述部分的子区域。

Description

动态准直

技术领域

以下大体涉及基于在正被扫描的对象或受检者的部分中的感兴趣区域的几何形状，在扫描期间动态地准直由成像系统的辐射源发射的辐射，并且具体参考对计算机断层摄影（CT）的应用进行描述。然而，以下也可用于其他成像模态。

背景技术

计算机断层摄影（CT）扫描器一般包括由固定机架可旋转地支撑的旋转机架。所述旋转机架被配置为关于检查区域旋转，并且支撑与其一起旋转的X射线管。所述X射线管被配置为至少在朝向所述检查区域的方向发射电离辐射。源准直器准直所述辐射，产生辐射束，所述辐射束具有预定形状，穿过所述检查区域以及所述检查区域中的对象或受检者的部分。对象支撑体支撑所述检查区域中的所述对象或受检者。探测器阵列，其被定位为与所述X射线管相对并位于所述检查区域对面，探测穿过所述检查区域以及所述对象或受检者的辐射，并且生成指示其的投影数据。重建器重建所述投影数据并生成三维体积图像数据。

典型地，在上文讨论的对所述对象或受检者的三维体积扫描之前，执行一个或多个预扫描（例如平片扫描（surview scan）、侦察扫描（scout scan）、引导扫描（pilot scan）等等）。对于典型的预扫描，所述旋转机架以及因此所述X射线管被旋转到（如果尚不处于的话）并被保持或维持在静态角位置。然后，所述对象支撑体将所述对象或受检者平移通过所述检查区域，同时所述X射线管发射辐射并且所述探测器探测辐射。所述重建器针对每个预扫描从所采集的数据重建二维（2D）投影图像。所述2D投影图像（一个或多个）被用于帮助创建成像检查规划，用于对所述对象或受检者的三维体积扫描。这已包括使用所述2D投影图像，以识别感兴趣区域（ROI），识别开始扫描位置，以及识别结束扫描位置（或扫描长度），以扫描所述ROI。

通过非限制性范例的方式，图1和图2分别从患者102的侧视图和前视图示出了患者102以及患者102的ROI104。注意，ROI104在该范例中被描绘为球形。然而，要理解，ROI104可以为其他几何形状，包括但不限于，不规则形状。图3示出示范性地2D投影图像302，为了使该讨论清楚，从患者102内视觉上去除了ROI104之外的解剖结构。图3还示出了针对ROI104的三维体积扫描成像规划304，包括开始扫描位置306和结束扫描位置308（或扫描长度310）。图4、图5和图6分别示出了辐射源400、具有固定准直的准直器402以及在三个不同视角406、408和410的对应辐射束404，用于基于图3中的规划304对患者102中的ROI104进行体积扫描。图4、图5和图6中所示的切片对应于在图1、图2和图3中所示的切片106。

注意在该范例中，ROI104的尺寸小于在所述扫描器件每个视图辐照的解剖结构的十分之一。因此，患者102在每个视图中接收比要成像ROI104所需要的实质上更多的剂量。遗憾的是，CT扫描器发射电离辐射，其可能损伤或杀死细胞和/或增加癌症的风险。因此，存在着对用于扫描患者内的ROI的其他途径的待解决需要。

发明内容

本发明的各方面解决上述问题以及其他问题。

根据一个方面，一种方法，包括执行对定位于检查区域中的对象或受检者的部分中的感兴趣区域的三维体积扫描；包括动态地准直用于执行所述扫描的辐射束，使得所述辐射束的几何形状和/或位置在所述扫描期间追踪所述感兴趣区域的几何形状和/或位置，其中，所述感兴趣区域为所述检查区域中的所述对象或受检者的所述部分的子区域。

在另一方面中，一种成像系统，包括辐射源，所述辐射源以朝向检查区域的方向发射辐射。所述成像系统还包括准直器，所述准直器具有至少一个准直构件，所述准直构件准直所发射的辐射，产生具有预定形状并且穿过所述检查区域的辐射束。所述准直器根据设置在所述检查区域中的对象或受检者的部分中的感兴趣区域的几何形状和/或位置，针对一个或多个视角，动态调节所述辐射束的几何形状和/或位置。所述感兴趣区域为被设置在所述检查区域中的所述对象或受检者的所述部分的子区域。所述系统还包括探测器阵列，所述探测器阵列被定位为与所述源相对并位于所述检查区域对面，其探测穿过所述检查区域的辐射，并生成指示探测到的辐射的信号。

在另一方面中，一种用于优化成像检查中的剂量的方法，包括在对象或受检者的二维投影图像中识别要扫描的所述对象或受检者的感兴趣区域；准直所发射的辐射，使得辐射穿过所述检查区域的辐射基本上仅辐照所述感兴趣区域，同时不辐照所述对象或受检者的剩余部分；以及根据需要调节所述准直用于所述成像检查，使得所述辐射继续基本上仅辐照所述感兴趣区域而不辐照所述剩余部分。

本领域普通技术人员在阅读和理解以下详细描述时，将认识到本发明更进一步的方面。

附图说明

本发明可以采取各种部件与部件的布置以及各种步骤与步骤的安排的形式。附图仅是出于图示优选的实施例的目的，并且不应被解释为对本发明的限制。

图1和图2示意性地图示了患者以及要被用成像系统扫描的所述患者内的感兴趣区域。

图3示意性地图示了2D投影图像和基于2D投影图像规划的3D体积扫描规划。

图4、图5和图6示意性地图示了基于现有技术的源准直的3D体积扫描规划的运行。

图7结合准直器控制参数确定器示意性地图示了示范性成像系统。

图8图9和图10示意性地图示了准直器的非限制性范例。

图11、图12和图13示意性地图示了基于使束几何形状追踪感兴趣区域几何形状的动态准直的3D体积扫描规划的运行。

图14、图15和图16示意性地图示了用于使用使束几何形状追踪感兴趣区域几何形状的动态准直扫描的各种方法。

具体实施方式

图7图示了诸如计算机断层摄影（CT）扫描器的成像系统700。

成像系统700包括固定机架702和旋转机架704，旋转机架704由固定机架702可旋转地支撑。旋转机架704被配置为关于纵轴或z轴绕检查区域706旋转。

成像系统700还包括辐射源708，例如X射线管，其由旋转机架704支撑，并与旋转机架704一起绕检查区域706旋转。辐射源708被配置为至少在朝向检查区域706的方向发射电离辐射。

成像系统700还包括准直器710，其准直所发射的辐射并产生辐射束712，辐射束712具有预定形状（例如扇形、楔形锥形或其他形状）并穿过检查区域706以及其中对象或受检者的部分。准直器710被配置为准直所述辐射，以将所述束限定在x（横）和/或z（纵）方向的几何形状和/或位置。基于所述束沿x方向的外部射线之间的角α确定所述束在所述x方向的几何形状，并且基于所述束沿z方向的外部射线之间的角β确定所述束在z方向的几何形状。本文中所用的束位置是参考假想线714的，假想线714垂直地从源708延伸通过检查区域706的中心。

如下文更详细地描述，所图示的准直器710被配置为在扫描期间，动态改变所述束的几何形状和/或位置，例如，以使所述辐射束的几何形状和/或位置追踪正被扫描的对象或受检者内的感兴趣区域（ROI）的几何形状和/或位置。这包括，但不限于，基于指示周期性移动的解剖结构（例如心、肺等等）的移动的信号（例如经由EKG、呼吸带等获得的），使所述辐射束的几何形状和/或位置追踪所述周期性移动的解剖结构。在一个例子中，使辐射束712的几何形状和/或位置追踪，以使得产生通过基本上仅穿过所述ROI的路径而穿过所述对象或受检者的束，同时缓解了不穿过所述ROI的穿过路径，相对于以下构造减少了总体患者剂量，在所述构造中，准直器710准直束712，使得所述束通过穿过检查区域706中的对象或受检者的整体部分的路径而穿过所述对象或受检者（例如，如在图4、图5和图6中所示的）。

成像系统700还包括控制准直器710的准直器控制器716。所图示的控制器716基于准直器控制参数控制准直器710，以限定束几何形状和/或位置。

成像系统700还包括辐射敏感探测器阵列718，辐射敏感探测器阵列718也由旋转机架704支撑并随旋转机架704旋转，并且定位为与辐射源708相对并位于检查区域706对面。合适的探测器阵列包括一维和二维阵列，其分别具有单行或多行的探测器元件。探测器阵列718探测穿过检查区域706的辐射，并生成指示探测到的辐射的信号。

成像系统700还包括重建器720，其重建所述信号并生成指示检查区域706的数据。这样的数据可以包括二维（2D）投影数据（例如一个或多个定位扫描或引导扫描）和/或三维3D体积图像数据（例如轴向扫描或螺旋扫描）。联系美国专利7,697,658，讨论了能被用于重建扫描期间在使所述束的几何形状和/或位置动态追踪所述ROI的几何形状和/或位置时采集的数据的3D重建算法的范例。其他重建算法也能被重建器720采用。

成像系统700还包括对象支撑体722，例如躺椅，其在检查区域706中支撑诸如人类或动物患者的对象，并且可与旋转机架704协同地沿x、y和/或z轴移动，以便于预扫描和/或螺旋、轴向或其他期望的扫描轨迹。

成像系统700还包括充当操作者控制台724的通用计算系统，并且包括诸如显示器的输出设备和诸如键盘、鼠标等等的输入设备。控制台724允许用户操作系统700，例如开始2D投影预扫描，规划3D体积扫描、开始规划的3D体积扫描等等。

准直器控制参数确定器726确定由准直器控制器716使用的控制参数，以控制准直器710限定所述束几何形状和/或位置。图示的准直器控制参数确定器726被配置为至少基于包括所述ROI的表示的一个或多个2D投影图像来确定这样的控制参数。在一个实例中，这包括确定如下控制参数，所述控制参数将造成准直器710在扫描期间调节准直，使得束712的几何形状和/或位置动态地追踪所述ROI的几何形状和/或位置。

准直器控制参数确定器726能将确定的准直器控制参数存储在准直器控制参数存储器728和/或其他存储器中，包括本地的、远程的、分布式的和/或其他存储器。被存储在准直器控制参数存储器728中的参数也能被用于规划后续的3D体积扫描。使用所存储的参数缓解了不得不执行另一次2D投影扫描，这可以减少用于研究的总体患者剂量。准直器控制参数确定器726能从重建器720和/或数据存储库730获得所述一个或多个2D投影图像，数据存储库730例如为数据库、服务器、图片归档与通信系统（PACS）、放射科信息系统（RIS）、医学信息系统（HIS）和/或其他电子存储设备或存储器。

图像处理器732处理重建的图像数据。在一个实例中，这包括将所述ROI的图像与先前生成的所述患者的图像叠加。这允许提供针对所述ROI的参考解剖框架，因为所述ROI的所述图像可能不包括具有足够或期望细节的这种信息。备选地，可以将所述ROI的所述图像与来自具有类似生理属性的不同患者的图像、图形解剖模型和/或其他数据相叠加。额外的或备选地，图像处理器732可以出于对比的目的，视觉显示具有对应的ROI和/或来自先前扫描的其他图像的所述ROI图像，例如，用于例如在跟进研究中对所述ROI的大小和/或位置的改变的视觉观察。

在图7中，准直器控制参数确定器726、准直器控制参数存储器728、数据存储库730和图像处理器732被示为与系统700分离。在另一实施例中，部件726-732中的一个或多个可以为系统700的部分，例如控制台724的部分。在任一种情形中，一个或多个处理器运行被编码在计算机可读存储介质（例如物理存储器）上的一个或多个计算机可读和可执行指令，以实现部件726-732中的一个或多个。额外的或备选地，由所述一个或多个处理器运行的所述计算机可读和可执行指令中的至少一个由信号或载波承载。

上文联系第三代CT扫描器描述了系统700，在所述第三代CT扫描器中，辐射敏感探测器阵列718为弧形探测器阵列，其与旋转的辐射源708协同旋转。然而，要理解，本文中也预期第四代CT扫描器。一般地，在第四代CT扫描器中，所述辐射敏感探测器阵列为被保持在静止位置并且不旋转的闭合环。

从上文可知，准直器710被配置为在x和/或z方向准直由源108发射的辐射，以产生具有这样的几何形状和/或位置的辐射束712，其在扫描期间追踪ROI的几何形状和/或位置。图8、图9和图10图示准直器710的非限制性范例，从y方向俯视准直器710到检查区域706。

在图8中，准直器710包括第一和第二一般为矩形的准直构件802和804。构件802和804包括辐射衰减材料并且沿x方向相对于彼此定位。构件802和804中对每个均被可移动安装在小车806内，并且能沿x方向移动。构件802和804中的每个均被配置为朝向另一构件802或804和远离另一构件802和804移动。

能使用相同的驱动系统或不同的驱动系统移动构件802和804，并且能同步地、异步地和/或各自地移动。任选地，整个小车806也被配置为沿x方向移动。移动构件802和804改变所述束的孔径（或几何形状）和/或所述束的位置，并且移动小车806改变所述束的位置。

图9基本上类似于图8，但还包括第三和第四一般为矩形的准直构件902和904。构件902和904包括辐射衰减材料，并且沿z方向相对于彼此定位。构件902和904中的每个均被可移动地安装在小车806内，并且能沿z方向移动。每个构件902和904均被配置为朝向另一构件902或904和远离另一构件902或904移动。

类似地，可以使用相同的驱动系统或不同的驱动系统移动构件902和904，并且能同步地、异步地和/或各自地移动。任选地，小车806也被配置为沿z方向移动。移动构件902和904改变所述束的孔径（或几何形状）和/或所述束的位置，并且移动小车806改变所述束的位置。

在图10中，准直器710包括可调节的椭圆形准直构件1002，其包括辐射衰减材料。准直构件1002由小车806支撑，并且被配置为增大或减小直径（或半径），其同时调节在x-z平面中的准直。类似于图8和图9，小车806也可以被配置为在x和/或z方向移动。调节构件1002改变所述束的孔径（或几何形状），并且移动小车806改变所述束的位置。

要认识到，联系图8、图9和图10描述的实施例为非限制性的，并且是出于解释的目的提供的，并且本文中预期其他已知的和/或其他准直器和/或准直器构造。

图11、图12和图13分别示出了准直器710，其准直束712，使得束712的几何形状和/或位置追踪患者1102中的ROI1104的几何形状和/或位置而非检查区域706中的患者1102的完整部分（如图4、图5和图6）。出于对比的目的，图11、图12和图13示出了联系图4、图5和图6示出的在三个不同视角406、502和602的束712。为了清楚，仅在x-y平面中示出束712；然而，要理解，束712能同时或备选地在y-z平面追踪ROI1104的几何形状和/或位置。此外，ROI1104可以包括一个或多个子ROI。

如在该范例中可见，束712相对于线714的角度α及位置至少在图11、图12和图13中的观察角之间改变，并且不同于在图4、图5和图6中的。注意，在这些图中的束712被准直为使得所述束的外部射线1106穿过ROI1104的周界或恰在所述周界的外侧。这样，通过将束712聚焦在ROI1104，相对于以图4、图5和图6的束配置的扫描，对受试者或对象1102的总体剂量更低，对ROI1101有更高剂量（例如全剂量），并在束712没有被聚焦到的ROI1104的外侧有更低剂量。

在其他实施例中，所述波束角能被调节为使得ROI1104的所述周界与外部射线1106之间的空间或预定边缘大于所示的，但没有辐照检查区域706中的所述患者的全部部分。当然，所述波束角也能被设定为使得所述束覆盖范围类似于在图4、图5和图6中所示的。

图14、图15和图16图示了用于准直辐射束712的各种方法，以使其几何形状和/或位置追踪患者的ROI的几何形状和/或位置。

要认识到，以下行为的顺序仅是出于解释的目的而非限制性的。这样，本文中也预期其他顺序。此外，可以省略所述动作中的一个或多个，和/或可以包括一个或多个其他动作。

首先参考图14，在1402在患者上执行一个或多个2D投影扫描。在执行多重2D投影扫描时，所述扫描可以在类似的或不同的平面中（例如轴向、矢状和/或冠状）。

在1404，重建所采集的数据，生成一个或多个2D投影图像。

在1406，在所述一个或多个2D投影图像中的至少一个中识别ROI。要认识到，这可以由用户使用在运行分割软件中提供的各种分割工具（例如自由手绘、预定义的几何形状等等）手动完成，和/或经由所述运行分割软件自动完成。

在1408，针对所述一个或多个2D投影图像中的所述至少一个，识别开始扫描位置以及停止扫描位置或扫描范围。类似于所述ROI，这可以手动和/或自动完成。

在1410，基于所识别的ROI和所述一个或多个2D投影图像，确定准直器控制参数的集合。如本文中所描述，所述准直器控制参数的集合造成所述准直器在所述x和/或z方向中扫描器件，产生并动态调节所述辐射束的几何形状和/或位置，以追踪所述ROI的几何形状和/或位置。

在1412，使用所述参数的集合扫描所述患者，以控制所述准直器并因此控制所述辐射束的所述几何形状。

在1414，重建所采集的数据，产生指示所述ROI的3D体积图像数据。

在1416，以各种方式处理图像数据。如本文中所描述，这可以包括将所述图像数据与来自先前研究的图像数据合并和/或进行比较，视觉显示所述数据，拍摄所述数据，等等。

转到图15，在1502获得针对患者的一个或多个2D投影图像。如本文中所讨论，这些投影图像可以是联系先前执行的成像研究生成的存储的图像。

在1504，在所述一个或多个2D投影图像中的至少一个中识别ROI。

在1506，针对所述一个或多个2D投影图像中的所述至少一个，识别开始扫描位置以及停止扫描位置或扫描范围。

在1508，基于所识别的ROI和所述一个或多个2D投影图像，生成准直器控制参数的集合。

在1510，使用所述参数的集合扫描所述患者，以控制所述准直器并因此控制所述辐射束的所述几何形状。

在1512，重建所采集的数据，产生指示所述ROI的3D体积图像数据。

关于图16，在1602，获得针对患者的ROI的先前确定的准直器控制参数的集合。如本文中所描述，可以从计算机存储器获得所述集合。

在1604，将所述参数的集合用于规划对所述患者的后续体积扫描。如本文中所描述，这可以使用新采集的或先前采集的2D投影图像完成。

在1606，基于所述规划扫描所述患者。

在1608，重建所采集的数据，产生指示所述ROI的3D体积图像数据。

以上可以经由运行被编码或体现在计算机可读存储介质上的一个或多个计算机可读指令的一个或多个处理器来实施，所述计算机可读存储介质例如物理存储器，其令所述一个或多个处理器进行各种动作和/或其他功能和/或动作。额外的或备选地，所述一个或多个处理器能运行由诸如信号或载波的易失性介质承载的指令。

已经参考各个实施例描述了本发明。他人在阅读本文中的描述时可以进行修改和变型。本发明意图被解释为包括所有这样的修改和变型，只要它们落入权利要求书或其等价方案的范围之内。

Claims (21)

1.一种方法，包括：

执行对定位于检查区域中的对象或受检者的部分中的感兴趣区域的三维体积扫描，包括动态地准直被用于执行所述扫描的辐射束，使得在所述扫描期间所述辐射束的几何形状和/或位置追踪所述感兴趣区域的几何形状和/或位置，其中，所述感兴趣区域为所述检查区域中的所述对象或受检者的所述部分的子区域。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述辐射束的所述几何形状在所述扫描的第一视角为第一几何形状并且在所述扫描的不同视角为不同几何形状。

3.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述辐射束中基本上所有的射线仅沿穿过所述感兴趣区域的路径穿过所述对象或受检者的所述部分。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述辐射束中基本上没有射线沿不穿过所述感兴趣区域的路径穿过所述对象或受检者的所述部分。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，对于每个视角，所述感兴趣区域被辐照并且所述对象或受检者的所述部分的至少部分未被辐照。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述辐射束的外部射线穿过如下路径，所述路径穿过所述感兴趣区域的周界。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述辐射束的外部射线穿过如下路径，所述路径穿过关于所述感兴趣区域的所述周界的预定边缘，其中，所述边缘为使得所述辐射束不穿过所述对象或受检者的全部部分。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括：

基于一个或多个二维投影图像来确定准直器控制参数的集合，所述二维投影图像包括指示所述感兴趣区域的数据；以及

采用所述准直器控制参数的集合来控制准直所述辐射束的准直器，以提供如下准直，所述准直导致所述辐射束的所述几何形状和/或位置追踪所述感兴趣区域的所述几何形状和/或位置而非所述检查区域中的所述对象或受检者的所述部分。

9.如权利要求8所述的方法，还包括：

沿所述准直器的横向调节所述准直。

10.如权利要求8至9中任一项所述的方法，还包括：

沿所述准直器的纵向调节所述准直。

11.如权利要求9至10中任一项所述的方法，其中，调节所述准直包括调节准直孔径的大小。

12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，调节所述准直包括调节所述准直器相对于所述辐射的位置。

13.如权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，调节所述准直包括调节所述准直器的位置以基于指示所述对象或受检者的周期性移动的解剖结构的移动的信号来追踪所述周期性移动的解剖结构。

14.一种成像系统（700），包括：

辐射源（708），其以朝向检查区域（706）的方向发射辐射；

准直器（710），其具有至少一个准直构件（802、806、902、906、1002），所述准直构件准直所发射的辐射，产生具有预定形状并且穿过所述检查区域的辐射束（712），其中，所述准直器根据被设置在所述检查区域中的对象或受检者的部分中的感兴趣区域的几何形状和/或位置，针对一个或多个视角动态地调节所述辐射束的几何形状和/或位置，其中，所述感兴趣区域为被设置在所述检查区域中的所述对象或受检者的所述部分的子区域；以及

探测器阵列（718），其被定位为与所述源相对并位于所述检查区域的对面，其探测穿过所述检查区域的辐射并生成指示所探测到的辐射的信号。

15.如权利要求14所述的系统，还包括：

准直器控制参数确定器（726），其确定准直器控制参数，所述准直器控制参数造成所述准直器中的至少一个或所述至少一个准直构件物理移动以调节所述辐射束的所述几何形状和/或位置。

16.如权利要求15所述的系统，其中，所述准直器控制参数确定器基于包括所述感兴趣区域的表示的二维投影图像来确定所述准直器控制参数。

17.如权利要求13至16中任一项所述的系统，其中，所述辐射束中几乎所有的射线仅沿穿过所述感兴趣区域的路径穿过所述对象或受检者的所述部分。

18.如权利要求14至17中任一项所述的系统，其中，所述辐射束中几乎没有射线沿不穿过所述感兴趣区域的路径穿过所述对象或受检者的所述部分。

19.如权利要求14至18中任一项所述的系统，其中，对于每个视角，所述感兴趣区域被辐照并且所述检查区域中的所述对象或受检者的所述部分的剩余区域中的第一子区域不被辐照，其中，所述第一子区域小于所述剩余区域。

20.如权利要求19所述的系统，其中，只有所述检查区域中的所述对象或受检者的所述部分的所述剩余区域的第二子区域受到辐照，其中，所述第一子区域和第二子区域为不同的子区域。

21.一种用于在成像检查中优化剂量的方法，包括：

识别要在对象或受检者的二维投影图像中扫描的所述对象或受检者的感兴趣区域；

准直所发射的辐射，使得穿过所述检查区域的辐射基本上仅辐照所述感兴趣区域而不辐照所述对象或受检者的剩余部分；并且

针对所述成像检查根据需要调节所述准直，使得所述辐射继续基本上仅辐照所述感兴趣区域，而不辐照所述剩余部分。

Images