CN103829964A - X射线检测器、准直仪、ct设备及其所用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供X射线检测器、准直仪、CT设备及方法。X射线检测器包括多个检测器模块，它们沿着相互正交的切片方向和信号通道方向排列成阵列，所述阵列至少包括在信号通道方向上毗连的左检测区、中心检测区和右检测区，其中，在切片方向上，左检测区的覆盖范围与右检测区的覆盖范围是互补的并且两者之和等于中心检测区的覆盖范围。准直仪包括一对活动遮挡片和固定遮挡片，固定遮挡片中窗口的形状与上述阵列的形状相同。CT设备包括所述检测器和所述准直仪。这种CT设备降低了成本、减少了患者所受的X辐射剂量，并且通过与不对称算法或内插算法配合使用，能够达到与全阵列检测器同样或类似的图像质量。
Description
技术领域
一般来说，本发明涉及CT设备和用于CT设备的方法。具体来说，本发明涉及具有独特结构的X射线检测器和准直仪、包含这种检测器和准直仪的CT设备及其所用的方法。
背景技术
计算机断层扫描（CT）设备在医疗诊断领域及其它领域得到越来越多的应用。通常，CT设备主要包括扫描台架及相关控制器、X射线源、准直仪、X射线检测器、数据采集系统（DAS）和数据处理系统。当前的X射线检测器及其相关的DAS组件占用了CT系统成本的很大部分。由于大多数X射线检测器采用检测器模块的全阵列布局（即对于每层切片，信号通道都是全的），这是成本很高的。
另外，在CT扫描期间，患者所受的X射线剂量越少，对其健康越有利。随着技术的进步，降低患者所受的X射线剂量已经成为CT设备生产领域中的关键问题。
美国专利申请US2002/0071517A1公开了一种检测器阵列，整个阵列在切片方向和信号通道方向都是对称的，并且分成三个区域，左右两侧区域沿切片方向的检测器模块的数量相对于中间区域有所减少，从而降低了成本，但是同时也减少了左右两侧区域中的图像的层数。另外，在扫描期间，患者所受的X射线剂量并没有减少。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一是降低CT设备的成本。本发明要解决的另一技术问题是降低CT扫描期间患者所受的X射线剂量。本发明要解决的又一技术问题是在降低CT设备的成本和/或降低患者所受的X射线剂量的同时，不降低获得的图像质量和图像的层数。本发明要解决的再一技术问题是增强扫描对象的重点关注部位相对于常规关注部位的图像质量。
按照本发明的第一方面，提供一种用于CT设备的X射线检测器，包括多个检测器模块，所述多个检测器模块沿着相互正交的切片方向和信号通道方向排列成阵列，所述阵列至少包括在所述信号通道方向上毗连的左检测区、中心检测区和右检测区，其中，在所述切片方向上，所述左检测区的覆盖范围与所述右检测区的覆盖范围是互补的并且两者之和等于所述中心检测区的覆盖范围。
在本发明的一个实施例中，所述阵列还包括位于最左端且与所述左检测区毗连的左参考区，和位于最右端且与所述右检测区毗连的右参考区。
在本发明的一个实施例中，所述左检测区中沿所述切片方向的检测器模块的数量与所述右检测区中沿所述切片方向的检测器模块的数量之和为M，在所述中心检测区、所述左参考区和所述右参考区中沿所述切片方向的检测器模块的数量均为M，其中M为大于或等于2的整数。
在本发明的一个实施例中，所述多个检测器模块都是相同的，其中，在所述左检测区和所述右检测区中沿所述切片方向的检测器模块的数量均为N，在所述中心检测区、所述左参考区和所述右参考区中沿所述切片方向的检测器模块的数量均为2N，其中N是大于或等于1的整数。
在本发明的一个实施例中，所述多个检测器模块分成长模块和左、右短模块，所述长模块沿切片方向的长度是所述左、右短模块沿切片方向的长度之和，而所述长模块和所述左、右短模块沿信号通道方向的宽度相同或不相同。
在本发明的一个实施例中，所述长模块沿切片方向的长度是所述左、右短模块中的每个短模块沿切片方向的长度的二倍，而所述长模块和所述左、右短模块沿信号通道方向的宽度是相同的。
在本发明的一个实施例中，在所述左检测区和所述右检测区中仅包含所述短模块并且沿所述切片方向的短模块的数量为N，在所述中心检测区、所述左参考区和所述右参考区中仅包含所述长模块并且沿所述切片方向的长模块的数量也为N，其中N是大于或等于1的整数。
在本发明的一个实施例中，所述中心检测区沿所述信号通道方向的宽度远远小于所述左检测区和所述右检测区沿所述信号通道方向的宽度。
在本发明的一个实施例中，所述中心检测区沿所述信号通道方向的宽度被缩减为零。
在本发明的一个实施例中，所述阵列的数量是多个并且沿着所述切片方向叠放，每个阵列的两端对齐。
在本发明的一个实施例中，所述中心检测区沿所述信号通道方向的宽度取决于扫描对象的重点关注部位的尺寸。
在本发明的一个实施例中，基于所述X射线检测器获取的扫描对象的原始数据或用软件算法得来的数据，采用不对称算法来补充缺少检测器模块的区域中的数据。
在本发明的一个实施例中，基于所述X射线检测器获取的扫描对象的原始数据或用软件算法得来的数据，采用不对称算法和/或内插算法来补充缺少检测器模块的区域中的数据。
按照本发明的第二方面，提供一种用于CT设备的准直仪，包括：一对活动遮挡片，用于限定扫描对象的需要扫描的范围；以及固定遮挡片，其中开有窗口，所述窗口的形状与如权利要求1-13中任一项所述的X射线检测器中的阵列的形状相同，使得仅有要投射到所述阵列上的X射线才能穿过所述窗口。
按照本发明的第三方面，提供一种CT设备，包括：如权利要求1-13中任一项所述的X射线检测器和如权利要求14所述的准直仪。
在本发明的一个实施例中，所述CT设备还包括图像重建器，其中，所述图像重建器包括：用于基于所述X射线检测器获取的扫描对象的原始数据或用软件算法得来的数据，采用不对称算法和/或内插算法来补充缺少检测器模块的区域中的数据的部件；以及用于基于所述原始数据或所述用软件算法得来的数据以及所补充的数据来重建所述扫描对象的图像的部件。按照本发明的第四方面，提供一种用于CT设备的方法，包括：通过如本发明的第一方面中所述的X射线检测器获取扫描对象的原始数据；采用不对称算法和/或内插算法来补充缺少检测器模块的区域中的数据；以及基于所述原始数据和所补充的数据来重建所述扫描对象的图像。
本发明的优点在于，降低了CT设备的成本，降低了患者所受的X射线剂量，而且还能获得与全阵列检测器同样或类似的图像质量，特别是增强了扫描对象的重点关注部位的图像质量。
附图说明
通过以下结合附图对本发明进行的详细描述，本发明的其它目的、优点和新颖特征将变得更加清楚，附图中：
图1示意示出一种CT设备的简化立体图；
图2示意示出如图1所示的CT设备的功能框图；
图3示意示出按照本发明的第一实施例的X射线检测器的简化结构图；
图4示意示出按照本发明的第二实施例的X射线检测器的简化结构图；
图5示意示出按照本发明的第三实施例的X射线检测器的简化结构图；
图6示意示出按照本发明的第四实施例的X射线检测器的简化结构图；
图7示意示出按照本发明的第五实施例的X射线检测器的简化结构图；
图8示意说明X射线检测器阵列的构成；
图9示意说明按照本发明的一个实施例在视场（FOV）中提供的两种图像范围；
图10示意示出按照本发明的一个实施例的准直仪的简化立体图；
图11-12示意示出按照本发明的一个实施例的准直仪中的固定遮挡片和与之配合使用的检测器阵列；
图13示意示出按照本发明的另一个实施例的准直仪中的固定遮挡片；
图14示意说明按照本发明的一个实施例的准直仪中的活动遮挡片所起的作用；以及
图15示意说明按照本发明的一个实施例的用于CT设备的方法。
具体实施方式
下面参照一些实施例和附图更详细地描述本发明。为了便于举例说明而不是进行限定，本文中提供了诸如特定结构、系统和组件之类的具体细节，以便本领域技术人员能够容易地理解本发明。但是，本领域技术人员应当清楚，也可以在不具有本文所述具体细节的其它实施例中实施本发明。本领域技术人员会理解，本文所述方案全部或部分可使用硬件和/或软件（包括嵌入式软件）来实现。本发明并不局限于硬件和软件的任何特定组合。
图1示意示出其中可实现本发明的一种示例CT设备10的简化立体图。所示CT设备10包括扫描台架14；安装在扫描台架上的X射线源18、准直仪（未示出）和X射线检测器20；用于承载扫描对象12（例如患者）的扫描支撑平台22；以及其它组件。
如图所示，通常沿着扫描对象12的体轴的方向称为切片方向（或Z方向）；X方向（或称信号通道方向是处于绕X射线发生器的焦斑的圆弧、或弦面上）和Y方向相互垂直并限定X射线束所在的平面，并且它们均与Z方向正交。
图2示意示出如图1所示的CT设备10的功能框图。扫描支撑平台22在平台电动机控制器54的控制下沿Z轴平移扫描对象，并使其受检部位定位在适当的位置。在X射线控制器38和扫描台架电动机控制器40的控制下，X射线源18透过准直仪（图中未示出）投射X射线束32，该X射线束32经过扫描对象的受检部位的衰减之后，照射到X射线检测器20上。X射线检测器20包括排列成阵列的多个检测器模块34（如图3-5、7中所示的每一小格代表一个检测器模块）。每个检测器模块34由通常排列成二维子阵列的多个检测元件（例如传感器）构成（如图8中所示的每一小格代表一个检测元件）。每个检测元件接收所投射的X射线并相应地产生电信号。数据采集系统（DAS）42接收所述电信号并进行诸如放大、模数转换之类的处理而形成原始数据，也可包括用软件算法得来的数据作为原始数据的一部分，并将这些原始数据送到图像重建器44，用于重建扫描对象的图像。在本发明的一个实施例中，所述图像重建器包括：用于基于X射线检测器获取的扫描对象的原始数据，采用不对称算法和/或内插算法来补充缺少检测器模块的区域中的数据的部件；以及用于基于原始数据和所补充的数据来重建扫描对象的图像的部件。CT设备10还包括用来控制上述各个控制器的主控制器46；与主控制器46相连的操作员控制器50、显示器52和存储器48；等等。
按照本发明的X射线检测器中的检测器模块排列成独特的阵列。具体来说，多个检测器模块沿着相互正交的切片方向（Z方向）和信号通道方向排列成阵列，所述阵列至少包括在信号通道方向上毗连的左检测区、中心检测区和右检测区，其中，在切片方向（Z方向）上，左检测区的覆盖范围与右检测区的覆盖范围是互补的，并且两者之和等于中心检测区的覆盖范围。在实际的实现中，通常，为了校准和确定边界等目的，所述阵列还可包括位于最左端且与左检测区毗连的左参考区，和位于最右端且与右检测区毗连的右参考区。
图3－7示出按照本发明的检测器模块的阵列的各种实施方式。
图3示意示出按照本发明的第一实施例的检测器模块的阵列，其中每个检测器模块都是相同的，在左检测区和右检测区中沿切片方向的检测器模块的数量为N，在中心检测区、左参考区和右参考区中沿切片方向的检测器模块的数量为2N，其中N是大于或等于1的整数。例如，如图3所示，上面的阵列中N＝1，下面的阵列中N＝2。N还可以是更大的整数，例如3、4、5、8、10、16、32、64、128等等。
按照本发明，左检测区和右检测区中沿切片方向的检测器模块的数量也可以不相等，但二者之和等于中心检测区的沿切片方向的模块数。例如，左检测区中沿切片方向的检测器模块的数量与右检测区中沿切片方向的检测器模块的数量之和为M，在中心检测区、左参考区和右参考区中沿切片方向的检测器模块的数量均为M，其中M为大于或等于2的整数。
图4示意示出按照本发明的第二实施例的检测器模块的阵列，其中，多个检测器模块分成长模块和短模块，长模块沿切片方向的长度是短模块沿切片方向的长度的二倍，而长模块和短模块沿信号通道方向的宽度是相同的。
按照本发明，长短模块之间的其它分配比例也是可以的，并不局限于图4所示的情况。例如，长模块沿切片方向的长度是左、右短模块沿切片方向的长度之和，而长模块和左、右短模块沿信号通道方向的宽度相同或不相同。
而且，图3中所示的阵列可通过长、短模块的组合来实现。例如，图3中的任意两个相邻模块可以用一个长模块来代替。
如图4所示，其中，在左检测区和右检测区中仅包含短模块并且沿切片方向的短模块的数量为N，在中心检测区、左参考区和右参考区中仅包含长模块并且沿切片方向的长模块的数量也为N，其中N是大于或等于1的整数。
图5示意示出按照本发明的第三实施例的检测器模块的阵列，其中，中心检测区沿信号通道方向的宽度远远小于左检测区和右检测区沿信号通道方向的宽度。这样，所用的检测器模块的数量明显减少，从而相应地显著减少了X射线检测器的制造成本。但是应当指出，通常，中心检测区沿信号通道方向的宽度不应当小于某个阈值，这个阈值主要取决于图像重建要求。
图6示意示出按照本发明的第四实施例的检测器模块的阵列，其中，中心检测区沿信号通道方向的宽度被缩减为零，使得该阵列仅仅包含左半阵列和右半阵列。在实际的实现中，左半阵列和右半阵列通常在Z方向上会有小交迭。
图7示意示出按照本发明的第五实施例的检测器模块的阵列，它实际上是完全同样结构的多个阵列的组合。对于第一至第四实施例中的每种阵列，可将每种阵列复制成多个，然后将多个同样的阵列两端对齐地沿着切片方向叠放。
图8示意说明X射线检测器阵列的构成。图中所示的每一小格可代表一个检测元件（最小的检测单元），通常，多行多列的检测元件排列成二维子阵列，从而构成一个检测器模块。
沿Z方向的检测元件的数量表示成像时的切片数量。通常，切片数量越多，图像质量越高。如图所示，按照本发明，中心检测区的切片数量最多可以根据需要设计（例如2，4，8，10，…，64，128，320，…个），本图中用了20个，左、右检测区的切片数量之和等于中心检测区的切片数量，本图中分别为7个和13个，而左、右参考区的切片数量可以选择与中心检测区的切片数量相同。应当指出，切片数量不限于图8中的示例，而是可以为2、3、4、5、6、……16、……32、64、128等等。
按照本发明的原则，在切片方向（Z方向）上，左检测区的覆盖范围（第1-7切片）与右检测区的覆盖范围（第8-20切片）是互补的，并且两者之和（第1-7切片与第8-20切片的并集）等于中心检测区的覆盖范围（第1-20切片）。
应当指出，左、右检测区的切片数量可以相等或不相等。当左、右检测区的切片数量相等时，按照上述原则可以知道，左、右检测区的切片数量均为中心检测区的切片数量的一半。
由此可见，本发明的X射线检测器与全阵列X射线检测器（每个信号通道中的切片数量都是完整的切片数量）相比，由于显著地减少了所用检测器模块的数量，大大节省了CT设备的成本。
图9示意说明按照本发明的一个实施例在视场（FOV）中提供的两种图像范围，即，核心图像范围和常规图像范围。
如图所示，核心图像范围处于视场中核心的位置，其直径D1取决于中心检测区的大小，例如在信号通道方向上从点B至点C的宽度。通常，核心图像范围应当覆盖扫描对象的重点关注部位（诸如心脏、肝脏、肺部之类的主要器官）。换言之，在设计检测器的过程中，在确定中心检测区沿信号通道方向的宽度时，主要考虑大多数扫描对象的重点关注部位的尺寸。
常规图像范围是视场内、核心图像范围以外的区域。它的大小取决于左、右检测区的大小。通常，常规图像范围应当覆盖扫描对象的常规关注部位。换言之，在设计检测器的过程中，在确定左、右检测区沿信号通道方向的宽度时，主要考虑大多数扫描对象的整个身体的尺寸。
核心图像范围所覆盖的重点关注部位将成像于切片数量最多的中心检测区，图像质量较好；而常规图像范围所覆盖的常规关注部位将成像于切片数量较少的左、右检测区。然而，通过结合本发明的图像重建方法（稍后详述），可以补足左右两侧缺失的切片的数据，使得左、右检测区中重建的图像也具有与中心检测区基本上同样的图像质量。
在这里要指出，美国专利申请US2002/0071517A1中公开的检测器阵列也包含切片数量不等的中心检测区和左、右检测区，而且扫描对象的重点关注部位也成像于切片数量最多的中心检测区。但是，由于它的整个阵列在切片方向和信号通道方向都是对称的，这使得无法采用本发明的独特的图像重建方法来补足左右两侧缺失的数据，因而无法弥补左右两侧区域中的图像的层数比中心检测区层数少的缺陷。
系统做平扫时，单纯非对称探测器需要两次扫面，完成平扫。而本发明的探测器一次扫描就能完成平扫。
图10示意示出按照本发明的一个实施例的准直仪的简化立体图。所示用于CT设备的准直仪包括：一对活动遮挡片，用于限定扫描对象的需要扫描的范围；以及一个固定遮挡片，其中开有窗口，窗口的形状可与上述任一种X射线检测器阵列（例如，图3-7中的阵列）的形状相同，使得仅有要投射到所述阵列上的X射线才能穿过所述窗口。在检测器上，无检测单元之处的X射线将被阻挡。
图11-12示意示出按照本发明的一个实施例的准直仪中的固定遮挡片和与之配合使用的检测器阵列，固定遮挡片可安装在准直仪底面上。图11中的空白部分代表固定遮挡片的窗口，图12中的未加阴影线的方格代表检测器阵列中能够接收到X射线的检测器模块，有阴影线的方格代表无法接收到X射线的检测器模块。
图13示意示出按照本发明的另一个实施例的准直仪中的固定遮挡片，它可与图7中所示的X射线检测器阵列配合使用。
图14示意说明按照本发明的一个实施例的准直仪中的活动遮挡片所起的作用。活动遮挡片可通过电动机来驱动，也可手动调节，从而沿着X方向左右移动，遮挡住投向不需扫描的部位的X射线。图中所示的A1至A2、B1至B2的区域是能够受到X射线照射的区域。通常，由于从X射线源发出的X射线束呈扇形投射下来，B1至B2的宽度会大于A1至A2的宽度。
采用本发明的准直仪，通过活动遮挡片和独特设计的固定遮挡片的配合使用，使得扫描对象（例如患者）所受到的X射线剂量显著地减少，这有利于患者的健康。
图15示意说明按照本发明的一个实施例的用于CT设备的方法，所述方法包括：通过本发明的X射线检测器获取扫描对象的原始数据（步骤1502）；采用不对称算法和/或内插算法来补充缺少检测器模块的区域中的数据（步骤1504）；基于原始数据和所补充的数据来重建扫描对象的图像（步骤1506）。
具体来说，内插算法主要用于多个阵列叠加的情况（例如图7中所示的情况，或者图6中所示阵列的多个相叠加的情况）。没有检测器模块的区域中缺少的图像数据可基于其相邻上下两行模块所获取的数据来插值。
不对称算法主要用于如图3-5中所示的阵列，将每个阵列沿Z方向分成上下两半，每一半采用不对称算法补足缺失信号通道中的数据。例如，对于图3中所示的每个阵列，将其沿Z方向分成上半阵列和下半阵列，上半阵列左侧的数据采用不对称算法补足，下半阵列右侧的数据采用不对称算法补足。
不对称算法也可用于多个阵列如图7那样叠加起来的情况，以代替上面所说的内插算法或者与内插算法结合使用。
关于不对称算法，申请号为201010530606.8的中国专利申请中有详细介绍，这里通过引用将其全部内容结合于本文中。
由此可见，通过本发明的检测器、准直仪、CT设备及方法，能够获得如下技术效果：
- 降低了CT设备的成本；
- 降低了患者所受的X射线剂量；
- 获得了与全阵列检测器基本上同样的图像质量；
- 特别增强了扫描对象的重点关注部位的图像质量。
以上提及的和描述的实施例仅作为示例给出，而不应当视为对本发明的限制。虽然本文中可能采用了具体术语，但是它们仅以一般性和描述性意义来使用，而不是用于限制的目的。本发明的范围仅由所附权利要求及其等效物来限定。
Claims (17)
1.一种用于CT设备的X射线检测器，包括多个检测器模块，所述多个检测器模块沿着相互正交的切片方向和信号通道方向排列成阵列，所述阵列至少包括在所述信号通道方向上毗连的左检测区、中心检测区和右检测区，其中，在所述切片方向上，所述左检测区的覆盖范围与所述右检测区的覆盖范围是互补的并且两者之和等于所述中心检测区的覆盖范围。
2.如权利要求1所述的X射线检测器，其中，所述阵列还包括位于最左端且与所述左检测区毗连的左参考区，和位于最右端且与所述右检测区毗连的右参考区。
3.如权利要求2所述的X射线检测器，其中，所述左检测区中沿所述切片方向的检测器模块的数量与所述右检测区中沿所述切片方向的检测器模块的数量之和为M，在所述中心检测区、所述左参考区和所述右参考区中沿所述切片方向的检测器模块的数量均为M，其中M为大于或等于2的整数。
4.如权利要求3所述的X射线检测器，其中，所述多个检测器模块都是相同的，其中，在所述左检测区和所述右检测区中沿所述切片方向的检测器模块的数量均为N，在所述中心检测区、所述左参考区和所述右参考区中沿所述切片方向的检测器模块的数量均为2N，其中N是大于或等于1的整数。
5.如权利要求2所述的X射线检测器，其中，所述多个检测器模块分成长模块和左、右短模块，所述长模块沿切片方向的长度是所述左、右短模块沿切片方向的长度之和，而所述长模块和所述左、右短模块沿信号通道方向的宽度相同或不相同。
6.如权利要求5所述的X射线检测器，其中，所述长模块沿切片方向的长度是所述左、右短模块中的每个短模块沿切片方向的长度的二倍，而所述长模块和所述左、右短模块沿信号通道方向的宽度是相同的。
7.如权利要求5所述的X射线检测器，其中，在所述左检测区和所述右检测区中仅包含所述短模块并且沿所述切片方向的短模块的数量为N，在所述中心检测区、所述左参考区和所述右参考区中仅包含所述长模块并且沿所述切片方向的长模块的数量也为N，其中N是大于或等于1的整数。
8.如权利要求1所述的X射线检测器，其中，所述中心检测区沿所述信号通道方向的宽度远远小于所述左检测区和所述右检测区沿所述信号通道方向的宽度。
9.如权利要求8所述的X射线检测器，其中，所述中心检测区沿所述信号通道方向的宽度被缩减为零。
10.如权利要求1-9中任一项所述的X射线检测器，其中，所述阵列的数量是多个并且沿着所述切片方向叠放，每个阵列的两端对齐。
11.如权利要求1-7中任一项所述的X射线检测器，其中，所述中心检测区沿所述信号通道方向的宽度取决于扫描对象的重点关注部位的尺寸。
12.如权利要求1-8中任一项所述的X射线检测器，其中，基于所述X射线检测器获取的扫描对象的原始数据或用软件算法得来的数据，采用不对称算法来补充缺少检测器模块的区域中的数据。
13.如权利要求10所述的X射线检测器，其中，基于所述X射线检测器获取的扫描对象的原始数据或用软件算法得来的数据，采用不对称算法和/或内插算法来补充缺少检测器模块的区域中的数据。
14.一种用于CT设备的准直仪，包括：
一对活动遮挡片，用于限定扫描对象的需要扫描的范围；以及
固定遮挡片，其中开有窗口，所述窗口的形状与如权利要求1-13中任一项所述的X射线检测器中的阵列的形状相同，使得仅有要投射到所述阵列上的X射线才能穿过所述窗口。
15.一种CT设备，包括：如权利要求1-13中任一项所述的X射线检测器和如权利要求14所述的准直仪。
16.如权利要求15所述的CT设备，还包括图像重建器，其中，所述图像重建器包括：
用于基于所述X射线检测器获取的扫描对象的原始数据或用软件算法得来的数据，采用不对称算法和/或内插算法来补充缺少检测器模块的区域中的数据的部件；以及
用于基于所述原始数据和所补充的数据来重建所述扫描对象的图像的部件。
17.一种用于CT设备的方法，包括：
通过如权利要求1-13中任一项所述的X射线检测器获取扫描对象的原始数据；
采用不对称算法和/或内插算法来补充缺少检测器模块的区域中的数据；
基于所述原始数据和所补充的数据来重建所述扫描对象的图像。
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