CN106562797A - 单次曝光数字减影血管造影成像系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了单次曝光数字减影血管造影(DSA)成像系统与方法，该系统由x射线发生器、多能光子计数探测器、DSA图像产生单元、图像存储与显示器、病床、旋转机架和控制器构成。x射线发生器产生连续能谱x射线；多能光子计数探测器探测透过人体后的x光子，并对x光子的能量进行判别和计数；DSA图像产生单元采集多能光子计数探测器的输出信号，形成高能量区和低能量区的两幅透射图像数据，对它们进行减影计算得到DSA图像，进行求和计算得到常规x射线图像。该系统通过一次曝光即可获得DSA图像，可避免运动伪影，减少造影剂用量及辐射剂量，提高设备效率，为动态目标的DSA成像提供更有效手段，具有重要的临床应用价值。
Description
技术领域：
本发明涉及针对医学x射线成像系统与方法，确切地说是涉及单次曝光数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)成像系统与方法，为血管病变的诊疗提供低剂量成像的有效手段。
背景技术：
心血管疾病是导致全球死亡的主要原因之一，获得心血管病人的精确图像对于诊疗意义重大。血管造影成像(DSA)是大型实时影像诊断设备，尤其在冠状动脉造影诊断等方面是必备的设备，同时也是介入治疗的平台，是介入微创手术最主要依赖的实施影像引导的设备。主要用于冠脉支架植入术、微创瓣膜植入术、肿瘤介入治疗、脑血管畸形及动脉瘤的介入治疗、子宫肌瘤介入治疗以及肾动脉交感神经损毁治疗高血压等方面，同时也是现代杂交手术室的必备设备。
目前，数字减影血管造影有时间减影、能量减影、混合减影等方式。时间减影是DSA常用的方式，在注入的造影剂进入感兴趣区之前将一帧或多帧影像作为掩模图像存储，并与按时间顺序出现的造影图像一一相减，两帧图像中相同的影像部分被消除，而造影剂通过血管时形成的高密度部分被突出地显示。这种工作方式因掩模图像和造影图像获得的时间先后不同，故称为时间减影。它的不足之处是，在摄影过程中由于病人自主或不自主的运动，使掩模图像和造影图像不能精确匹配，导致影像出现配准不良的伪影或模糊。
能量减影也称双能减影。造影剂如碘的总体衰减系数在K边缘附件(碘的k边缘能量为33KeV)出现跃变，而软组织的衰减系数曲线无此特征。当分别用高于和低于造影剂的K边缘能量的两种X线光谱曝光时，所获得影像中的碘信号存在较大的差别。两帧不同能量的影像通常是在瞬间相继获得的，时间差别很小可忽略不计，二者减影主要依赖的是能量变化，减影后可得到保留碘信息而消除了软组织背景的减影像，故称此种减影方式为能量减影。从原理上看，能量减影是一种较好的减影方法，但在实施中要求管电压能在两种能量之间进行高速切换，增加了X线机的复杂性，而且两次曝光大大增加了辐射剂量，两次曝光的时间间隔虽然短，但也可能存在运动伪影。
混合减影是将两种物理变量的减影方法相结合的减影技术。目前常用的是基于时间与能量两种物理变量的混合减影。该方法首先进行高于和低于K缘的双能曝光及每个曝光对的能量减影，消除大部分软组织背影，但保留碘信号及大部分骨骼影。然后对能量减影后的影像再进行时间减影，可进一步消除骨骼信号和软组织信号，仅保留碘信号。混合减影对消除软组织的运动伪影与配准不良很有效，但其缺点是在能量减影阶段碘信号(对比剂)有所丢失，混合减影信噪比低，对信号值低的小血管显示较为不利，与能量减影类似，这种方式中两次曝光大大增加了辐射剂量，两次曝光的时间间隔内也可能存在运动伪影。
利用光子计数探测器，不仅可以探测光子的强度，还可以区分光子的能量，利用该特性，通过一次曝光即可获得高、低两个能量区间的光子计数，即高、低能量区间的两幅图像，能量区间的阈值根据所选用的造影剂K边缘能量选取，非常便捷灵活。双能成像时，采用两种不同的管电压进行成像，设备复杂，能谱存在差异和重叠，从而降低了减影图像的质量。与双能成像不同，基于光子计数探测器得到的高低能量区间的光子计数不存在能量重叠，有利于提高图像质量，将高低能量的图像进行加权减影，就可以得到减影图像，进行合并相加就可以得到包含所有组织的常规x线图像。因此，这种减影方式避免了时间减影带来的运动伪影；相比于双能成像，设备简单，有效减少了曝光剂量，消除了运动伪影，可改善图像质量，且可获得实时的减影图像；进一步地，由于可同时获得光子的强度和能量信息，因此可为后续图像处理及定性定量分析提供了便利，可望进一步提高图像质量。因此本发明对临床诊疗具有重要意义。
发明内容：
本发明提供一种单次曝光DSA成像的系统与方法，有效减少曝光剂量，避免运动伪影，满足临床低剂量高质量成像的需求。
本发明采取了以下的技术方案：一种单次曝光DSA成像的系统与方法，由x射线发生器、多能光子计数探测器、DSA图像产生单元、图像存储及显示单元、检查床、机架和控制单元构成，所述x射线发生器用来产生x射线；所述多能光子计数探测器探测透过人体后的x光子，对探测到的x光子的能量进行判别和计数；所述DSA图像产生单元接受多能光子计数探测器输出的信号，形成高能量区和低能量区的两幅透射图像数据，进行减影计算得到血管减影图像，进行求和计算得到包含所有组织的常规x射线图像；所述图像存储及显示单元接受来自DSA图像产生单元的图像，进行存储和显示，并可通过网络与其它设备进行数据通讯；所述检查床用来承载患者；所述机架用来控制射线发生器的位姿；所述控制单元为x射线发生器、多能光子计数探测器、DSA图像产生单元、图像存储及显示单元、检查床、机架提供控制信号及通讯。
所述x射线发生器用来产生连续能谱x射线，并利用过滤器去除有害的低能x射线，然后投照到含造影剂的被检体。
所述多能光子计数探测器包含若干辐射探测单元、校正单元、幅度分析单元和计数单元，辐射探测单元的大小和数量确定了图像的空间分辨率和图像的尺寸，辐射探测单元探测透射x光子形成电信号，校正单元对信号进行校正，减少信号失真，幅度分析单元对信号的幅度进行分析判别，识别其能量信息，根据能量阈值，产生不同幅度的脉冲信号，计数单元对信号进行分能量区计数；对于数字减影血管造影，分成高低两个能量区间，每个能量区间的上阈和下阈根据使用的造影剂的性质确定，低能区的上阈位于造影剂k吸收边能量的附近，但小于造影剂k吸收边能量，低能区的下阈可根据实际需要进行调节，但小于低能区的上阈；高能区的下阈位于造影剂k吸收边能量的附近，但大于造影剂k吸收边能量，高能区的上阈可根据实际需要进行调节，但大于高能区的下阈。
所述DSA图像产生单元采集多能光子计数探测器输出的信号，经过对数处理后得到高、低能量区间的图像IH、IL，对IH、IL施加不同的加权系数(加权系数与所采用的造影剂有关)，进行减影计算得到血管减影图像I，如公式(1)所示。
I＝αIH-βIL (1)
其中α、β为加权系数。
所述图像存储及显示单元接受来自DSA图像产生单元的图像，存储到存储介质中，显示于显示器上，并可通过网络与其它设备进行数据通讯。
所述检查床可以做平移、旋转、倾斜运动，以满足患者拍片的需要。
所述机架用来持有射线发生器，根据拍片的需要进行平移和旋转运动，调整拍片的视角，并保持射线发生器与探测器在检查床两侧正对放置。
所述控制单元给射线发生器提供控制信号，来控制x射线的强度、射线产生及中止；为检查床提供控制信号，调整检查床的位姿；为多能光子计数探测器提供控制信号，控制数据采集的执行；为机架提供控制信号，控制机架的运动；为DSA图像产生单元提供控制信号、控制DSA图像的形成；为图像存储及显示单元提供控制信号，控制图像的存储与显示。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明利用光子计数探测器，对一次曝光产生的多能量段图像数据进行处理，即可获得DSA图像。与时间减影方式相比，该方法可避免运动伪影；与双能或多能DSA相比，该方法只需要一次曝光，即可获得减影图像，降低了设备的复杂性，减少了受检目标和/或医师的辐射剂量，提高了诊断效率和设备利用率；特别地，受DSA成像原理的限制，目前冠状动脉难以进行时间减影或能量减影DSA成像，而采用本技术只需要利用一次曝光产生的信息就可以实现DSA成像，因此可进行这类运动目标的实时DSA成像，有效避免运动伪影，减少造影剂的用量，减少对病人的辐射损伤，为这类目标的血管疾病提供了更有效的临床诊疗手段。
附图说明：
图1为单次曝光数字减影血管造影成像系统框图。
具体实施方式：
请参照图1所示，本发明单次曝光数字减影血管造影(digital subtractionangiography，DSA)成像系统由x射线发生器、多能光子计数探测器、DSA图像产生单元、图像存储与显示器、病床、旋转机架和控制器构成。x射线源产生连续能谱x射线，并利用过滤器去除有害的低能x射线；多能光子计数探测器探测透过人体后的x光子，对探测到的x光子能量进行判别和计数；DSA图像产生单元采集多能光子计数探测器输出的信号，形成高能量区和低能量区的两幅透射图像数据，对这两幅图像施加不同的加权系数，进行减影计算即可得到血管减影图像，进行求和计算可得到包含血管造影、软组织和骨骼等组织的常规x线图像。该系统利用多能光子计数探测器，对一次曝光产生的多能量段图像数据进行处理，即可获得DSA图像。与时间减影方式相比，该方法可避免运动伪影；与双能DSA相比，该方法只需要一次曝光，即可获得减影图像，降低了设备的复杂性，减少了受检目标和/或医师的辐射剂量，提高了诊断效率和设备利用率；特别地，受DSA成像原理的限制，目前冠状动脉难以进行时间减影或能量减影DSA成像，而采用本技术只需要利用一次曝光产生的信息就可以实现DSA成像，因此可进行这类运动目标的DSA成像，从而有效减少造影剂的用量，减少对病人的辐射损伤，为该类目标的血管疾病提供了更有效的临床诊疗手段。
下面通过一个实施例分别介绍单次曝光数字减影血管造影(DSA)成像系统与方法。
实施例1：心血管DSA成像
(1)将被检体置于检查床上，调整其位姿，并调整x射线发生器和探测器的位姿，以适合被检部位心血管的DSA成像；
(2)根据造影剂的性质设定光子计数探测器的能量阈值，以及高、低能量段图像的权重α和β；
(3)在控制单元的控制下，启动x射线发生器，使其产生x射线透过被检体心血管部位，透射x射线被多能光子计数探测器接受并分能量段计数；DSA图像产生单元采集多能光子计数探测器输出的信号，经过对数处理后得到高、低能量区间的图像IH和IL，并施加相应的加权系数α和β，进行减影计算得到心血管DSA图像I＝αIH-βIL；心血管DSA图像被传送到图像存储及显示单元，进行图像的存储与显示。上述过程可单次、多次或连续进行，获得单帧、多帧以及连续的DSA图像，以满足实际临床的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.单次曝光数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)成像系统与方法，该系统由x射线发生器、多能光子计数探测器、DSA图像产生单元、图像存储及显示单元、检查床、旋转机架和控制单元构成。x射线发生器用来产生x射线，照射含造影剂的血管组织；多能光子计数探测器探测透过人体后的x光子，对探测到的x光子的能量进行判别和计数；DSA图像产生单元采集多能光子计数探测器输出的信号，形成高能量区和低能量区的两幅透射图像数据，对这两幅图像施加不同的加权系数，进行减影计算即可得到血管减影图像，进行求和计算可得到包含血管造影、软组织和骨骼等组织的常规x线图像。与时间减影方式相比，该方法可避免运动伪影；与双能或多能DSA相比，该方法只需要一次曝光，即可获得减影图像，降低了设备的复杂性，减少了受检目标和/或医师的受照剂量，提高了诊断效率和设备利用率；特别地，受DSA成像原理的限制，目前心脏这类运动幅度大的目标难以进行有效的时间减影或能量减影DSA成像，而采用本技术只需要利用一次曝光产生的信息就可以实现DSA成像，因此可对冠状动脉这类运动器官进行高质量的DSA成像，从而为这类目标的血管疾病诊疗提供了更有效的手段。
2.如权利要求1所述的单次曝光数字减影血管造影成像系统与方法，其特征是：多能光子计数探测器包含若干辐射探测单元、校正单元、幅度分析单元和计数单元，辐射探测单元的大小和数量确定了图像的空间分辨率和图像的尺寸，辐射探测单元探测x光子形成电信号，校正单元对信号进行校正，减少信号失真，幅度分析单元对信号的幅度进行分析判别，识别其能量信息，计数单元根据能量阈值对信号进行分能量区计数；对于数字减影血管造影，分成高低两个能量区间，每个能量区间的上阈和下阈根据使用的造影剂的性质确定，低能区的上阈位于造影剂k吸收边能量的附近，但小于造影剂k吸收边能量；高能区的下阈位于造影剂k吸收边能量的附近，但大于造影剂k吸收边能量。
3.如权利要求1所述的单次曝光数字减影血管造影成像系统与方法，其特征是：DSA图像产生单元采集多能光子计数探测器输出的信号，经过对数处理后得到高、低能量区间的图像。对高、低能区的两幅图像施加不同的加权系数(加权系数与所采用的造影剂有关)，进行减影计算即可得到血管减影图像，进行求和计算可得到包含血管造影、软组织和骨骼等组织的常规x线图像。
4.如权利要求1所述的单次曝光数字减影血管造影成像系统与方法，其特征是：图像存储及显示单元接受来自DSA图像产生单元的图像，存储到存储介质中，显示于显示器上，并可通过网络与其它设备进行数据通讯。
5.如权利要求1所述的单次曝光数字减影血管造影成像系统与方法，其特征是：检查床可以做上下、左右、前后、旋转、倾斜等多方位移动，以满足患者拍片的需要。
6.如权利要求1所述的单次曝光数字减影血管造影成像系统与方法，其特征是：旋转机架根据拍片的需要可调整拍片的视角，并保持射线发生器与探测器在检查床两侧正对放置。
7.如权利要求1所述的单次曝光数字减影血管造影成像系统与方法，其特征是：控制单元给x射线发生器提供控制信号，来控制x射线的强度、射线产生及中止；为检查床提供控制信号，调整检查床的位姿；为多能光子计数探测器提供控制信号，控制数据采集的执行；为旋转机架提供控制信号，控制旋转机架的运动。为DSA图像产生单元提供控制信号、控制DSA图像的形成，为图像存储及显示单元提供控制信号，控制图像的存储与显示。
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