CN106618622B - 扫描方法和扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种扫描方法，包括：向被检体发射X射线；探测穿过所述被检体的X射线并产生扫描数据；预处理单元利用查表法近似计算至少部分扫描数据的对数值以获得若干衰减域数据；处理器根据所述衰减域数据调制辐射剂量；根据调制的所述辐射剂量发射X射线。本申请还公开一种扫描装置，可执行扫描方法。

Description

扫描方法和扫描装置
技术领域
本申请涉及一种扫描方法和扫描装置，尤其涉及一种计算机断层扫描(ComputedTomography，CT)的方法和装置。
背景技术
CT机在线剂量调制通常需要实时采集扫描数据参与计算，并根据实时扫描数据的信息对预估剂量进行修正。通常将采集的扫描数据送到处理器中进行计算，由于使用的采集数据很多，而且含有对数运算等复杂计算，一次对数运算需要几十微妙，因此一次剂量计算可能会占用处理器至少几十毫秒时间，使剂量调制的实时性降低，调制效果不能达到最佳，同时处理器对其他实时任务的调度效率也会降低。
发明内容
有鉴于此，本申请的一个方面提供一种扫描方法。该扫描方法包括：向被检体发射X射线；探测穿过所述被检体的X射线并产生扫描数据；预处理单元利用查表法近似计算至少部分扫描数据的对数值以获得若干衰减域数据；处理器根据所述衰减域数据调制辐射剂量；及根据调制的所述辐射剂量发射X射线。
本申请的另一个方面提供一种扫描装置。该扫描装置包括：射线源，用来向被检体发射X射线；探测器，与所述射线源相对，包括若干排探测器单元，用来探测穿过被检体的射线并将接收的X射线转换为电信号；数据采集系统，用来采集所述探测器的电信号，并将所述电信号转换为扫描数据；预处理单元，用来通过查表法近似计算至少部分扫描数据的对数值以获得若干衰减域数据；及处理器，用来根据所述衰减域数据调制辐射剂量使得所述射线源根据调制的辐射剂量发射X射线。
附图说明
图1为扫描装置的一个实施例的立体示意图；
图2为图1的扫描装置的一个实施例的示意框图；
图3为扫描方法的一个实施例的流程图；
图4为图3的扫描方法的获得衰减域数据的步骤的子步骤的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
图1所示为一个实施例的扫描装置10的立体示意图。图2所示为图1的扫描装置10的示意框图。本实施例中的扫描装置10为CT机。扫描装置10包括机架12。机架12内设有射线源14和与射线源14相对的探测器16，射线源14和探测器16被收容腔15隔开。被检体，例如患者17，放置于承载台18上，且与承载台18一起可位于收容腔15内。射线源14和探测器16可相对于机架12和被检体17旋转进行扫描。
射线源14用来向被检体17发射X射线20。射线源14可以发射扇形或锥形的射线束，每一射线束包括若干条X射线20。射线源14包括球管(未图示)和高压发生器(未图示)，高压发生器提供高压电给球管，球管产生X线辐射。
探测器16包括若干排探测器单元21，用来探测穿过被检体17的X射线20，并将接受的X射线20转变为电信号。探测器单元21包括至少一个闪烁体(未图示)和感光器(未图示)。在一些实施例中，感光器包括光电二极管或光电晶体管，但不限于此。当X射线20穿过被检体17，被检体17使X射线20发生衰减。因被检体17内部的组织和结构，穿过被检体17的若干X射线20的衰减程度基本不同，因此该些穿过被检体17的若干X射线20的强度基本不等。衰减的X射线20被探测器单元21的闪烁体吸收，闪烁体将吸收的X射线转换为可见光。感光器将可见光转换为电信号，其为代表穿过被检体17的X射线20的强度的信号。每一个感光器产生的电信号与闪烁体接收的衰减的X射线20的强度成正比。
扫描装置10包括控制单元23，其包括承载台控制单元231、扫描控制单元232和数据采集系统(Data Acquisition System，DAS)233。
承载台控制单元231控制承载台18的运动。扫描控制单元232控制机架内的射线源14和探测器16的旋转速度和角度方位。数据采集系统233连接于探测器16，用来接收来自探测器16的电信号，且将电信号转换为数字信号，即扫描数据，提供给图像重建单元24。图像重建单元24根据扫描数据重建图像。
在本实施例中，扫描装置10还包括预处理单元22。预处理单元22对至少部分扫描数据进行预处理，预处理的结果提供给处理器25，处理器25根据预处理的结果调节辐射剂量。在本发明中由于大部分的处理运算在预处理单元22中进行，减少处理器25的运算处理的工作负担，使得处理器25对其他实时任务的调度效率提高。具体地，所述预处理单元22通过查表法近似计算至少一排探测器单元21对应的扫描数据的对数值以获得若干衰减域数据。衰减域数据可表示X射线20穿过被检体17后的衰减程度。处理器25可根据衰减域数据调制辐射剂量。在一个实施例中，处理器25调制射线源14的球管的管电流mA来调制辐射剂量。在另一个实施例中，处理器25可调制射线源14的球管的管电压来调制辐射剂量。
在一个实施例中，处理器25将调制的辐射剂量提供给预处理单元22，预处理单元22将辐射剂量提供给射线源14。预处理单元22包括能与射线源14的高压发生器连接的接口。在另一个实施例中，处理器25可直接将调制的辐射剂量提供给射线源14。射线源14的高压发生器根据处理器25调制的辐射剂量提供高压电给球管来发射相应辐射强度的X射线20，如此X射线20的辐射强度被调制。在一个实施例中，预处理单元22还可提供时序信号给射线源14。在另一个实施例中，控制单元23包括射线控制单元(未图示)，用来提供时序信号给射线源14。
预处理单元22为独立于处理器25的元件。在一个实施例中，预处理单元22包括现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPAG)，FPGA的数据处理速度较快，且采集的扫描数据可同时进行处理。但不限于此，预处理单元22还可包括单片机、数字处理器、其他可编程器件等。预处理单元22可以通过处理器25获得数据采集系统233的扫描数据，也可直接从数据采集系统233获得扫描数据。预处理单元22的具体功能和操作将在后续段落结合扫描方法进行进一步的说明。
图像重建单元24重建的图像可存储于数据存储装置26。在一个实施例中，数据存储装置26也可存储图像重建过程中的中间处理数据。在一些实施例中，数据存储装置26可以是磁存储介质或光存储介质，例如，硬盘、存储芯片等，但不限于此。输入装置27用来接收来自使用者的输入，可包括键盘和/或其他用户输入装置。显示装置28可显示重建的图像和/或其他数据。显示装置28可包括液晶显示仪、阴极射线管显示仪、等离子显示仪等。
处理器25可接收通过输入装置27输入的指令和扫描参数等。处理器25可向数据采集系统233、承载台控制单元231、扫描控制单元232和预处理单元22提供控制信号和信息。
扫描装置10的处理器25、控制单元23、图像重建单元24可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。扫描装置10还可包含其他未图示的元件。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部部件来实现本申请方案的目的。
图3所示为一个实施例的扫描方法30的流程图。扫描方法30可为CT方法。扫描方法30包括步骤31-35，其中，
步骤31中，向被检体发射X射线。
通过射线源14发射一定强度的X射线至被检体17。在初始扫描时，初始的X射线的强度，即初始的辐射剂量，可根据被检体17的特性来设定。例如，可根据扫描的患者的身体部位、患者的年龄和/或体形等来设定初始辐射剂量。可设置初始的辐射剂量为通常扫描时一般经验值，或低于一般经验值。
步骤32中，探测穿过被检体的X射线并产生扫描数据。
探测器16探测穿过被检体17的射线，产生代表穿过被检体17的X射线强度的电信号。电信号被采样且转换为数字的扫描数据。
扫描数据可用来重建图像或辐射剂量的调制。射线源14在圆周的一个位置上扫描可获得一个视野(view)，射线源14在多个位置上扫描获得多个视图。在一个实施例中，扫描获得多个视野后对X射线的辐射剂量进行调制。在另一个实施例中，也可以间隔固定的视野数，例如20个视野，对辐射剂量进行一次调节，该次扫描产生的扫描数据用于重建图像和辐射剂量的调制。在一个圆周上的多个位置扫描后，调节辐射剂量，在圆周的多个其他位置可以根据调节后的辐射剂量进行扫描。
步骤33中，预处理单元利用查表法近似计算至少部分扫描数据的对数值以获得若干衰减域数据。
预处理单元可以是图2所示的预处理单元22。在一个实施例中，预处理单元接收两排探测器单元的电信号转换成的扫描数据。在另一个实施例中，预处理单元还可以只接收一排或两排以上的探测器单元的电信号转换成的扫描数据。在用于剂量调制的扫描前可预先将选定的探测器单元16的排数和位置作为参数提供给预处理单元22。一排探测器单元的电信号转换成的扫描数据以下简称一排扫描数据。在一个非限制的例子中，射线源14在一个位置上的扫描，每排可有672个扫描数据。可通过查表法近似计算接收到的扫描数据以2为底的对数值。
结合参考图4，图4所示为一个实施例的步骤33的方法的流程图。步骤33包括子步骤331-335，其中，
子步骤331中，确定扫描数据的对数值的整数部分。
扫描数据Z的二进制数可表示为zn-1zn-2…z0，扫描数据Z共n位，n为大于0的正整数。其中zc是Z的第一个非零位，c为0和n-1之间(包括0和n-1)的一个正整数。扫描数据Z可表示为表达式(1)：
Figure BDA0001203681380000061
其中，0≤X＜1。因此，扫描数据Z的以2为底的对数可表示为表达式(2)：
log2Z＝c+log2(1+X) (2)
其中，c为扫描数据Z的对数值的整数部分，log2(1+X)为扫描数据Z的对数值的小数部分。
确定扫描数据的二进制数的从最高位开始的第一个非零位的位置，且根据该位置确定扫描数据的对数值的整数部分。扫描数据的二进制数的末位称作第0位，末位的高一位(即左边一位)为第1位，如此位数依次递增至最高位。扫描数据Z的位数为第0位至第n-1位。例如，24位二进制数的位数为第0位至第23位。从最高位向末位(即从左向右)依次判断位数上的值是否为1，直至第一个数值为1的位，该位为第一个非零位，该位数c为第一个非零位的位置。该扫描数据的以2为底的对数值的整数部分为该第一个非零位的位置c。
以扫描数据的十进制数为5为例进行说明。5的二进制数为101，从末位向高位分别是：第0位为1，第1位为0，第2位为1。若表示成24位的二进制，101的左边的高位有21个0。从高位向末位判断，第一个非零位为第2位，因此第2位为5的二进制数的第一个非零位的位置。如此确定5以2为底的对数值log25的整数部分为2。
子步骤332中，确定扫描数据的对数值的小数部分。
通过查表法近似计算扫描数据的对数值的小数部分log2(1+X)。
将扫描数据Z的第一个非零位zc后面的数划分成多个部分，例如，4个部分、5个部分，但不限于此。若扫描数据Z的第一个非零位zc后面的数的位数少于n-1位，在末位后面补0补到n-1位，将n-1位的数分成多个部分。每个部分的位数可不尽相等，可根据实际应用且能保证最终近似计算获得的对数值在一定的误差范围内来划分部分。例如，对于24位二进制的扫描数据，第一个非零位后面的数为23位或补0补到23位，23位的数分成5个部分，5个部分的位数分别为10、3、3、3和4。
继续以扫描划分成位数分别为10、3、3、3和4的5个部分，分别为0100000000、000、000、000、0000。
划分出的多个部分包括从高位开始划分出的第一部分和第一部分后面划分出的若干其他部分，通过查表法获得第一部分分别与各个其他部分的函数的值，且根据该些函数的值确定对数值的小数部分。
查找表可在扫描之前建立。使用泰勒(Taylor)级数的前两项来计算小数部分log2(1+X)，可表示为表达式(3)：
log2(1+X)＝log2(1+X0)+(log2(1+X0))'(X-X0) (3)
其中，(log2(1+X0))'可表示为表达式(4)：
Figure BDA0001203681380000081
因此，log2(1+X)可进一步表示为表达式(5)：
Figure BDA0001203681380000082
X为第一个非零位后面的数，为n-1位的二进制的小数。将X分成m+1个部分，则
Figure BDA0001203681380000083
其中，m为正整数。下面以分成5个部分(即m＝4)为例进行解释说明。5个部分分别为x0、x1、x2、x3和x4，X＝x0+x1+x2+x3+x4。设X0＝x0+x1+δ2+δ3+δ4≈x0+δ1+δ2+δ3+δ4，其中δ1、δ2、δ3和δ4分别为x1、x2、x3和x4的最大值和最小值的中点值。例如，23位二进制小数的5个部分的位数分别为10、3、3、3、4时，δ1＝2-11-2-14、δ2＝2-14-2-17、δ3＝2-17-2-20、δ4＝2-20-2-24。
对数值的小数部分log2(1+X)的表达式(5)可进一步表示为表达式(6)：
Figure BDA0001203681380000084
对数值的小数部分log2(1+X)可近似表示为第一部分x0分别与其他部分x1、x2、x3和x4的函数之和。x0与x2的函数
Figure BDA0001203681380000085
x0与x3的函数
Figure BDA0001203681380000086
和x0与x4的函数
Figure BDA0001203681380000087
分别具有特定数量的最高位为1或最高位为0的值。且对于相同的x0的值和从大到小依次排列的x2的值，x0与x2的函数的值具有对称性。例如，相同的x0的值，x2的最大值和最小值分别对应的函数值相等，x2仅次于最大值和最小值的两个值分别对应的函数值相等，依次类推。类似地，x0与x3的函数、x0与x4的函数均具有对称性。如此，查找表的存储容量可大大减小。
通过查表法分别获得第一部分x0与其他部分x1、x2、x3和x4的函数值。根据x0和x1的值查表获得log2(1+x0+x1+δ2+δ3+δ4)的值，根据x0和x2的值查表获得
Figure BDA0001203681380000091
的值，根据x0和x3的值查表获得
Figure BDA0001203681380000092
的值，根据x0和x4的值查表获得
Figure BDA0001203681380000093
的值。可建立四个查找表分别对应前述四个函数。该查找法可称作多体查找法，查找表可称作多体查找表。
在一个实施例中，通过查表获得前述函数的中间值，对中间值进行运算处理获得前述函数的最终值。在一个非限制的例子中，将函数的最终值扩大2n作为查找表中的函数的中间值，查找到相应的中间值后除以2n获得最终值，如此将小数扩大后获得整数存储在查找表中。例如，可将函数的最终值扩大224存储于查找表中。前述x0分别与x2、x3和x4的函数值为负数，查找表中可用对应的正数作为中间值用于查表，查表获得的正数取反获得负数的函数值。在一个实施例中，x0与x1位与的值、x0与x2位与的值、x0与x3位与的值、x0与x4位与的值分别作为对应的查找表中的值，根据位与的值查找对应的函数的中间值。将x0分别与x2、x3和x4的函数的最终值相加得到对数值的小数部分的近似值。
下面继续以十进制的5为例来说明对数值的小数部分的确定。按照前述描述，将5分成5个部分，分别为0100000000、000、000、000、0000，x0为0100000000、x1为000、x2为000、x3为000、x4为0000。分别根据x0和x1、x0和x2、x0和x3、x0和x4查表获得函数的中间值分别为5402237、1292、161、21。将x0和x2、x0和x3、x0和x4分别对应的函数的中间值取反得到负数-1292、-161、-21。该些个负数与x0和x1对应的函数的中间值5402237一并相加得到5400763，为扩大了224倍的对数值的小数部分。将这个数除以224获得小数部分0.32191。
将第一个非零位后面的数划分为其他多个部分后的函数、多体查找表和多体查找法类似于上述划分成5个部分后的函数、多体查找表和多体查找法。
子步骤333中，确定扫描数据的对数值。
将对数值的整数部分和小数部分相加获得扫描数据的对数值。例如，十进制的5的对数值为2.32191。
子步骤334中，根据扫描数据的对数值获得衰减域数据。
在一个实施例中，扫描数据的对数值为衰减域数据。在另一个实施例中，可将获得的对数值扩大2m倍作为衰减域数据。可四舍五入法取扩大后数值的整数作为衰减域数据。例如，24位二进制数据时，因为该数据取2为底的对数值的最大值小于25，将对数值扩大211倍作为衰减域数据，如此提高分辨率。例如，十进制的5的对数值扩大211倍为4755.27，取整数为4755，为16位的衰减域数据。
子步骤335中，将若干衰减域数据划分为若干块，且计算每一块衰减域数据的平均值。
对每一排扫描数据处理后获得的衰减域数据分块，计算每一块衰减域数据的平均值，如此减小数据量。例如，对一排672个扫描数据进行处理，去除两端的各6个数据，将剩下的660个数据平均分成33块，计算每块20个衰减域数据的平均值。如此两排共672*2个24比特的扫描数据被处理后得到20个16比特的衰减域数据的平均值。划分的块数可作为参数在用于剂量调制的扫描前由处理器提供给预处理单元。
步骤34中，通过处理器根据衰减域数据调制辐射剂量。
在一个实施例中，处理器可根据衰减域数据的平均值调制辐射剂量。根据衰减域数据增大辐射剂量或减小辐射剂量。
通过多体查找法利用FPGA的预处理单元，所有扫描数据一次剂量计算仅需十几微妙，大大减少了计算时间。
步骤35中，根据辐射剂量发射X射线。
调制后的辐射剂量提供给射线源，射线源根据调制后的辐射剂量发射X射线进行扫描，该次扫描可用于重建图像。多次用于重建图像的扫描后对辐射剂量进行再次调制。如此在线实时对辐射剂量进行修正，在保证图像质量的同时使被检体受到的辐射尽量少。
扫描方法10的动作以模块的形式图示，图中所示的模块的先后顺序和模块中的动作的划分并非限于图示的实施例。例如，模块可以按照不同的顺序进行；一个模块中的动作可以与另一个模块中的动作组合，或拆分为多个模块。
扫描方法30可以在图1和图2所示的扫描装置10上执行，但不限于此。图2所示的预处理单元22可用来执行步骤33及其子步骤331-335的动作，处理器25可用来执行步骤34的动作，具体的功能和作用的实现过程具体详见上述扫描方法30中对应步骤的实现过程。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种扫描方法，其特征在于：其包括，
向被检体发射X射线；
探测穿过所述被检体的X射线并产生扫描数据；
预处理单元利用查表法近似计算至少部分扫描数据的对数值以获得若干衰减域数据，其中，确定所述扫描数据的对数值的整数部分，且通过查表法近似计算所述扫描数据的对数值的小数部分，获得所述扫描数据的对数值；其中，将所述扫描数据的二进制数的第一个非零位后面的数划分为第一部分和若干其他部分，多个查找表分别对应第一部分分别与各个其他部分的函数，通过查表法获得第一部分分别与各个其他部分的函数的值，且根据该些函数的值确定所述对数值的小数部分；
处理器根据所述衰减域数据调制辐射剂量；及
根据调制的所述辐射剂量发射X射线。
2.如权利要求1所述的扫描方法，其特征在于：还包括，
将所述若干衰减域数据划分为若干块，且计算每一块衰减域数据的平均值，且所述调制辐射剂量的步骤包括根据所述衰减域数据的平均值调制辐射剂量。
3.如权利要求1所述的扫描方法，其特征在于：所述确定扫描数据的对数值的整数部分的步骤包括：确定所述扫描数据的二进制数的从最高位开始的第一个非零位的位置，且根据所述位置确定所述扫描数据的对数值的整数部分。
4.一种扫描装置，其特征在于：其包括：
射线源，用来向被检体发射X射线；
探测器，与所述射线源相对，包括若干排探测器单元，用来探测穿过被检体的X射线并将接收的X射线转换为电信号；
数据采集系统，用来采集所述探测器的电信号，并将所述电信号转换为扫描数据；
预处理单元，用来通过查表法近似计算至少部分扫描数据的对数值以获得若干衰减域数据，其中，确定所述扫描数据的对数值的整数部分，且通过查表法近似计算所述扫描数据的对数值的小数部分，获得所述扫描数据的对数值；其中，将所述扫描数据的二进制数的第一个非零位后面的数划分为第一部分和若干其他部分，多个查找表分别对应第一部分分别与各个其他部分的函数，通过查表法获得第一部分分别与各个其他部分的函数的值，且根据该些函数的值确定所述对数值的小数部分；及
处理器，用来根据所述衰减域数据调制辐射剂量使得所述射线源根据调制的辐射剂量发射X射线。
5.如权利要求4所述的扫描装置，其特征在于：所述预处理单元包括现场可编程门阵列。
6.如权利要求4所述的扫描装置，其特征在于：所述预处理单元用来将所述若干衰减域数据划分为若干块，且计算每一块衰减域数据的平均值，且所述处理器用来根据所述衰减域数据的平均值调制辐射剂量。
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