CN107661113A - 用于设置x 射线束的空间强度分布的方法和设备 - Google Patents

用于设置x 射线束的空间强度分布的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于设置X射线束的空间强度分布的方法和设备。在该方法中，X射线束由X射线管生成，其中X射线束的射束路径通过具有多个薄片板的形状过滤器在传播方向上被引导，多个薄片板朝向焦点渐缩，使得对于每个薄片板来说至少一条直线与焦点对准，该至少一条直线通过该相应薄片板行进并且形成该薄片板的第一优选方向，其中形状过滤器的薄片板的第一优选方向关于射束路径对准，其中由于薄片板在第一优选方向上对准，X射线束的部分会被吸收，并且其中，在传播方向上，X射线束的空间强度分布被薄片板所引起的吸收来设置。该设备具有形状过滤器和控制单元，并且被适配为执行该方法。

Description

用于设置X射线束的空间强度分布的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于设置X射线束的空间强度分布的方法，其中X射线束由X射线管生成，其中该X射线束的射束路径由形状过滤器在一个传播方向上引导，并且其中该X射线束的空间强度分布在此传播方向上被设置。本发明还涉及一种用于设置X射线束的空间强度分布的设备，该设备包括形状过滤器和控制单元。
背景技术
在计算机断层扫描仪(CT)中，用于医学成像的辐射由X射线管生成。用于成像的X射线辐射在物理上生成于X射线管的阳极空间区域中相对于CT的尺寸和患者待检查的身体区域的尺寸而言，可以假设该空间区域几乎是点状的。X射线辐射的射束路径基本上以扇形方式从这样定义的生成点径向地辐射，其中X射线辐射的照射主要出现于一个立体角范围中，该立体角范围可能受到阳极几何形状的影响或限制，并且可能受到后续隔膜布置的影响或限制。
在CT中，X射线管被布置在回转环上，该回转环在CT操作期间绕轴线进行旋转运动。待CT成像的患者身体区域沿该轴线定位。然后，X射线管的射束路径以扇形形状从生成点被引导到回转环所围绕的内部空间中，可选地，这种引导借助于适当的隔膜来进行。
为了CT能够获得最佳的高图像分辨率，期望的是在每个图像记录中，在任何情况下都具有最优的锐利对比度，该图像记录是通过X射线束产生的，该X射线束在生成点的特定角位置处或者较窄的角度范围中被生成。一方面，单次扫描的对比度的产生取决于待成像的各组织层对X射线辐射的不同吸收水平，并且每次在扫描期间待成像的组织都是被精确定义的，因此期望入射X射线辐射的强度尽可能高以便提高对比度并降低噪声。然而，另一方面，出于医学原因的考虑，对身体特定区域的辐射强度应当受到限制，至少应该是随时间平均的。
为了限制X射线辐射的强度，CT通常具有布置在生成点附近的多个吸收过滤器，并因此从开始即限制了对患者照射的强度。然而，由此获得的恒定吸收曲线和附随的对辐射强度的预定限制通常无法充分考虑到待检查的身体区域的解剖特征。特别地，在CT运行期间，在X射线管围绕待成像的患者身体区域旋转的背景下，更需要考虑到这一点。因此，解剖特性不仅可由例如身体区域关于旋转轴的偏心位置而产生，而且还可能由以下事实导致：对患者正面进行照射的辐射覆盖距离患者较近的范围，因此与对患者侧面进行照射的辐射(其例如从一侧肩部到相对侧肩部传播)相比，其经历的吸收明显更少。仅由于以不同距离来覆盖患者身体而导致的吸收水平差异即可能达到100倍以上。原有的吸收过滤器无法对这一问题提供令人满意的解决方案。此外，由于上述原因，目前没有、也无法提供期望的空间吸收曲线的变化，特别是在CT扫描期间的这种变化。
发明内容
因此，本发明的目的是公开一种能够可变地设置X射线束的空间强度分布的方法。此外，本发明还基于如下目的，即，可以借助何种手段来针对X射线束设置空间强度分布。
第一个目的通过一种用于设置X射线束的空间强度分布的方法来以创造性方式实现，在该方法中，X射线束由X射线管生成，由具有多个薄片板的形状过滤器在传播方向上引导X射线束的射束路径，该多个薄片板朝向焦点渐缩，以使得对于这些薄片板中的每一个而言，都有至少一条直线与焦点对准，该至少一条直线通过相应薄片板而行进、并且形成薄片板的第一优选方向，其中形状过滤器的这些薄片板的多个第一优选方向关于射束路径而对准，其中由于这些薄片板在这些第一优选方向上对准，所以X射线束的若干部分会被吸收，并且其中在传播方向上，X射线束的空间强度分布被这些薄片板所引起的吸收来设置。
第二个目的通过一种用于设置X射线束的空间强度分布的设备来实现，该设备包括：具有第一组多个薄片板的形状过滤器，该第一组多个薄片板朝向焦点渐缩，以使得对于这些薄片板中的每一个而言，都有至少一条直线与焦点对准，该至少一条直线通过相应薄片板而行进、并且形成薄片板的第一优选方向；以及控制单元，其被适配为通过关于射束路径而对准形状过滤器的这些薄片板的多个第一优选方向，来设置薄片板对部分X射线束的吸收，从而能够设置X射线束的空间吸收分布。有益的且部分独立的创造性实施例是从属权利要求和以下描述的主题。
特别地，在此，X射线束的空间强度分布应当被设置为：与X射线束生成位置在传播方向上相距给定距离的X射线束的强度分布。特别地，薄片板应当被设置为如下平面工件，该平面工件的局部厚度至少在与另一尺寸相比时可忽略。优选地，薄片板的局部厚度小于与相邻薄片板之间距离的一半。在X射线束沿传播方向到达形状过滤器之前，该传播方向也可以由多个隔膜来限制。
薄片板原则上可以被设计为扁平，或具有沿两个局部表面方向中的至少一个局部表面方向的弧度。因此，薄片板的第一优选方向应当被设置为：在至少一个局部表面方向上通过薄片板的较长部分行进的直线(所涉及的薄片板不仅是切向上触及弧度)，其中该直线朝向焦点渐缩。优选地，通过薄片板行进的大量直线(特别优选地为连续直线集合)分别与每个薄片板的优选点对准。薄片板关于焦点对准意味着：至多在极小的前边缘处，从焦点以放射状方式或以锥形方式传播的X射线束会撞击与焦点对准的薄片板。
目前，如果待被形状过滤器过滤的X射线束的射束路径被引导，以使得X射线束从形状过滤器的焦点进行大幅放射状传播，则通过形状过滤器不会出现X射线束强度的明显衰减。然而，形状过滤器关于X射线束的生成位置的相对运动意味着：薄片板所对准的焦点不再与放射状传播的X射线束的来源区域重合。由于薄片板与焦点对准，所以这些薄片板吸收部分X射线辐射，至此，至少一些薄片板不再与射束路径局部平行地延伸，而是关于该射束路径具有非递减的法向分量。
根据相对运动的类型，在整个形状过滤器上非常均匀的吸收可以被设置，或者射束路径的特定中心区域可以被选择，在该特定中心区域中，X射线辐射的辐射强度的吸收变低，而随着距中心区域的距离增加，强度的衰减变大。以此方式并通过薄片板构造中的个体变化，在形状过滤器下游的X射线辐射的空间强度分布可以被调节。
优选地，形状过滤器由尽可能均匀吸收预期光谱中的X射线束的材料制成，优选具有高原子序数的元素，例如铅、钽、钨或具有相当吸收性能的材料，一方面以便能够直接借助于形状过滤器中的薄片板的几何形状吸收来设置强度分布，并在过程中最小化射束硬化，另一方面以便防止薄片板对特高能量X射线辐射表现为透明，从而使得吸收不再能够得到有效控制。
优选地，在X射线管中，至少部分X射线辐射在生成点处被生成，其中通过将各薄片板的第一优选方向分别关于该生成点对准，来设置空间强度分布，并且其中通过这些薄片板的第一优选方向与该生成点的对准，来定义形状过滤器的初始位置。特别地，对于处于初始位置的每个薄片板，大量直线(每条直线均形成第一优选方向)都与焦点对准，并且因此也与生成点对准。继而，第一优选方向关于生成点的对准可以通过对应的焦点定位来特别容易地实现，这特别易于控制。
由此，有利地，由形状过滤器在初始位置来设置具有最大强度的空间强度分布。在初始位置，X射线辐射每次至多在极窄的前边缘处撞击薄片板，从而形状过滤器的强度衰减最小，最大强度由此得以设置。
有利地，由于形状过滤器关于生成点而从初始位置的轴向位移，和/或由于形状过滤器在维持薄片板的至少一个第一优选方向与生成点对准时的旋转，该强度被形状过滤器的外边界区域减小。特别地，该强度被形状过滤器的中心区域所减小到的程度低于被外边界区域所减小到的程度。
通过沿形状过滤器的薄片板的第一优选方向之一的轴向位移，形状过滤器的焦点与X射线辐射的生成点分离为以下程度：对于与位移方向几乎平行对准的薄片板而言，该位移没有影响或具有很少的影响，因此，强度衰减在此保持较低水平。然而，由于与焦点对准，较远的薄片板与位移方向不再平行，因此，较远的薄片板关于生成点具有非递减的法向分量。这意味着在这些区域中，对从生成点出发的X射线进行吸收。类似的效果可以通过形状过滤器以如下方式围绕轴线旋转来实现，即，在中心区域中，这些薄片板与射束路径保持在较大程度上平行对准。
此外，已经证明如下方式是有利的，即，在不维持薄片板的第一优选方向与生成点对准的情况下，由形状过滤器的旋转来减小形状过滤器的整个区域上的强度。对于平面薄片板而言，这种旋转可以通过例如围绕平行于多个薄片板的轴线的旋转来实现。通过这种旋转，任何薄片板都不保持与射束路径平行、甚至近似平行，由此，X射线辐射的强度的衰减由各个薄片板来实现，并且从而强度较低的空间强度分布得以设置。
对于该设备，还已经证明有利的是，在形状过滤器中，第一组多个薄片板以如下方式被构造和对准：在每个薄片板中，可以使用通过相应薄片板行进的直线，来定义垂直于该优选方向的第二优选方向，其中对于每两个薄片板，它们的第二优选方向彼此平行。具体地，这意味着：特定的第一优选方向趋向一个薄片板中的焦点，并且可以找到第二优选方向，其由再次通过薄片板行进的直线形成，并且垂直于第一优选方向。因此，例如，第二优选方向可以由薄片板的前边缘中的直线来给出。如果对于第一组多个薄片板，各薄片板的第二优选方向相应地彼此平行，则形状过滤器具有一种扇状结构。
还已经证明，对于设备有利的是：形状过滤器包括第二组多个薄片板，该第二组多个薄片板朝向焦点渐缩，使得对于第二组多个薄片板中的每个薄片板而言，通过相应薄片板行进并且形成薄片板的第一优选方向的至少一条直线与该焦点对准，其中第一组多个薄片板与第二组多个薄片板相交。优选地，第一组多个薄片板与第二组多个薄片板的相交所形成的相交线沿焦点的方向行进。由此，在形状过滤器中，第一组多个薄片板和第二组多个薄片板形成格子状结构，由于形状过滤器的这种较为复杂的几何形状，而改善了空间强度分布的设置。
在该设备的另一有利实施例中，形状过滤器的薄片板描述一组同心截锥的周向表面。特别地，这里也包括具有椭圆形基部区域的截锥。优选地，每个截锥对应于顶点位于焦点中的锥体。薄片板的各个优选方向沿截锥在焦点方向上的表面线行进。在预过滤器之前，如果X射线辐射的射束路径没有过早地被限制到极扁平的立体角度范围内，形状过滤器的这种可选几何形状是特别有利的。
附图说明
下面将参考附图更详细地说明本发明的示例性实施例，在附图中在每种情况下示意性地：
图1以截面示出了具有用于设置X射线辐射的空间强度分布的设备的CT；
图2以截面示出了图1中的设备的形状过滤器的实施例；
图3以截面示出了用以设置空间强度分布的、图2中的形状过滤器与初始位置的轴向位移；
图4以截面示出了用以设置空间强度分布的、图2中的形状过滤器距离初始位置的另一轴向位移；
图5以截面示出了用以设置空间强度分布的、图2中的形状过滤器在图像平面中的旋转；
图6以截面示出了用以设置空间强度分布的、图3中的形状过滤器的位移与图5中的形状过滤器的旋转的组合；
图7以截面示出了用以设置空间强度分布的、图2中的形状过滤器围绕图像平面中的轴线的旋转；
图8以纵截面示出了图1中形状过滤器的一个可能实施例；
图9以纵截面示出了图1中形状过滤器的另一实施例；
图10以截面示出了具有与焦点径向间隔开的薄片板的图1中的形状过滤器的实施例；以及
图11以框图示出了用于设置X射线束的空间强度分布的方法。
相互对应的部件和变量在所有图中分别具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1以截面示意性地示出了具有回转环2和安装框架4的CT 1。回转环2关于轴线6以可旋转方式被安装。在CT 1的操作期间，以轴线6通过患者身体8行进的方式，使患者身体8被定位在回转环2所包围的空间中。特别地，X射线管10被布置在回转环2上，并且在生成点12中生成X射线14。在患者身体8的方向上，X射线14的射束路径16从生成点12以扇形方式行进。相应地，CT 1具有用于设置X射线14的空间强度分布的设备18。设备18包括形状过滤器20和控制单元22，形状过滤器20在射束路径16中紧邻生成点12处而被定位。控制单元22以将借助于形状过滤器20关于射束路径16的适当定位来描述的方式，来设置X射线14的期望空间强度分布，以使得在CT 1操作期间的任何时间，照射患者身体8的辐射强度在图像分辨率方面以及医学标准方面均最佳。
图2以截面示意性地示出了形状过滤器20的实施例。形状过滤器20应当被定位在图1中的CT 1中，以使得轴线6垂直于图像平面。形状过滤器20包括第一组多个薄片板30。每个薄片板30均被形成为扁平状，并且均与焦点32对准。每个薄片板30具有第一优选方向34，该第一优选方向34由通过相应的薄片板30而行进至焦点32的直线形成。在初始位置36，形状过滤器20被定位在射束路径16中，以使得X射线管10的生成点12与形状过滤器20的薄片板30所对准的焦点32重合。当形状过滤器20进入初始位置36时，在形状过滤器20的所有下游处，X射线14都可能具有最大强度，这是因为：薄片板30与生成点12直接对准，并且由于薄片板30的扁平形状而不会影响X射线14的传播。在此，同样可以忽略当X射线14照射薄片板30的前边缘38时的效应，诸如在薄片板30中与图像平面成横向的方向上没有弧度，这是因为在许多CT应用中，X射线14借助于隔膜而被引导到立体角范围中，与立体角范围在回转环2的旋转平面中的扩展相比，其在CT 1的轴线6的方向上的扩展几乎可忽略。
图3和图4分别以截面示意性地示出了如何通过形状过滤器20与初始位置36的位移，而在射束路径16中设置具有衰减强度的区域。在图3中，在朝向X射线管10的生成点12的法线方向40上，形状过滤器20关于初始位置36而被推动。在射束路径16的中心区域42中，这种沿法线方向40的位移没有任何明显的效果，这是因为在生成点12的方向上，此处的薄片板仍然是近似对准的。然而，在射束路径16的边界区域44中，薄片板30的对准具有明显变化，在边界区域44中，X射线14在传播期间被薄片板30更为频繁地吸收，因此随着与中心区域42的距离的增加，边界区域44中的强度衰减。图4示出了如何通过在与法线方向40相反的方向上的位移来实现类似的效果。
图5以截面示意性地示出了如何通过形状过滤器20的旋转在整个射束路径16中实现X射线强度的衰减。将形状过滤器20关于旋转轴线46旋转。旋转轴线46与薄片板30中的每个单个薄片板平行，并且应当将旋转轴线选择为在形状过滤器20中关于生成点12尽可能居中。图6以截面示意性地示出了如何通过组合图3所示的位移与图5所示的旋转，使X射线14的强度在整个射束路径16的区域中得以衰减。
此外，也可以通过围绕与薄片板30的轴线不平行的旋转，来设置整个射束路径16的区域中的强度衰减。在形状过滤器20中，例如由于对称性，纵向方向50可以由薄片板30来定义，并且该纵向方向垂直于镜面52，薄片板20关于该镜面52被对称地布置。对于射束路径16的边界区域44，关于纵向轴线54的旋转能够实现具有衰减强度的空间强度分布，该纵向轴线54在纵向方向50上行进。这在图7中示以截面示意性地示出。
图8以纵截面示意性地示出了具有多个薄片板30的形状过滤器20，这多个薄片板30的前边缘38各自垂直于轴线6，回转环2在CT1的操作期间围绕该轴线6旋转。扁平的薄片板30与焦点32对准，在形状过滤器20处于初始位置36时，该焦点32与用以生成X射线14的X射线管10的生成点12重合。薄片板30的这种对准意味着，X射线14的最大可能强度可以由初始位置36的形状过滤器20来设置。射束路径16中的强度的局部衰减可以通过以下方式来实现：形状过滤器沿法线方向40或沿与该法线方向40相反的方向位移，以及关于具有与图像平面垂直的至少一个子分量的旋转轴线而旋转。
这里，也可以设想具有两组薄片板30的形状过滤器20，用以设置X射线14的空间强度分布。第一组多个薄片板30以其前边缘38平行于轴线6的方式而被对准，回转环2在CT 1的旋转期间围绕该轴线6旋转，第二组多个薄片板30以其前边缘38垂直于轴线6的方式而被对准。
图9以纵截面示意性地示出了具有薄片板30的形状过滤器20，每个薄片板30关于对准而具有不同高度。强度的衰减可以根据关于旋转轴线66的旋转角度α而被设置，该旋转角度α是由形状过滤器20上的薄片板的高度变化引起的。对于其前边缘38平行于轴线6的薄片板而言，薄片板30在对准方向上的这种高度变化也是可应用的。
图10以截面示意性地示出了形状过滤器20的另一可能的实施例。这里，每个薄片板30被径向地布置在与焦点32距离相同的位置处，并且每个薄片板30在对准方向上具有相同高度。在此，薄片板30可以为平面式，或者也可以由同心截锥的周向表面形成。
图11以框图示意性地示出了用于设置X射线束14的空间强度分布的方法100。在第一步骤110中，由X射线管10生成X射线束14。在第二步骤120中，包括多个薄片板30的形状过滤器20关于X射线束14的射束路径16而对准。在下一步骤130中，由于薄片板30的对准，部分X射线束14被吸收，从而X射线束14的空间强度分布在X射线束14的传播方向上得以设置。
虽然已经通过优选的示例性实施例更详细地示出和描述了本发明，但是本发明不限于该示例性实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以得出其它变化。

Claims (9)

1.一种用于设置X射线束(14)的空间强度分布的方法(100)，
-其中由X射线管(10)生成(110)X射线束(14)，
-其中由形状过滤器(20)在传播方向上引导所述X射线束(14)的射束路径(16)，所述形状过滤器(20)具有多个薄片板(30)，所述多个薄片板(30)朝向焦点(32)渐缩，使得对于所述薄片板(30)中的每个薄片板，至少一条直线与所述焦点(32)对准，所述至少一条直线通过相应的薄片板(30)行进、并且形成所述薄片板(30)的第一优选方向(34)，
-其中所述形状过滤器(20)的所述薄片板(30)的所述第一优选方向(34)关于所述射束路径(16)对准(120)，
-其中由于所述薄片板(30)在所述第一优选方向(34)上的对准，所述X射线束(14)的部分被吸收，以及
-其中通过由所述薄片板(30)所导致的吸收，在所述传播方向上设置所述X射线束(14)的空间强度分布。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，
其中在所述X射线管(10)中的生成点(12)处生成所述X射线辐射(14)中的至少一些X射线辐射，
其中通过将所述薄片板(30)的所述第一优选方向(34)各自关于所述生成点(12)对准，来设置空间强度分布，以及
其中通过所述薄片板(30)的所述第一优选方向(34)与所述生成点(12)的对准，来定义所述形状过滤器(20)的初始位置(36)。
3.根据权利要求2所述的方法(100)，
其中由所述初始位置(36)中的所述形状过滤器(20)来设置具有最大强度的空间强度分布。
4.根据权利要求2或3所述的方法(100)，
由于所述形状过滤器(20)关于所述生成点(12)而从所述初始位置(36)的轴向位移，和/或由于所述形状过滤器(36)在维持所述薄片板(30)的至少一个所述第一优选方向(34)与所述生成点(12)对准时的旋转，所述强度被所述形状过滤器(20)的外边界区域(44)减小。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法(100)，
其中由所述形状过滤器(20)的旋转来减小所述形状过滤器(20)的整个区域上的强度，而不维持所述薄片板(30)的第一优选方向(34)与所述生成点(12)的对准。
6.一种用于设置X射线束(14)的空间强度分布的设备(18)，包括：
形状过滤器(20)，具有第一组多个薄片板(30)，所述第一组多个薄片板(30)朝向焦点(32)渐缩，使得对于所述薄片板(30)中的每个薄片板，至少一条直线与所述焦点(32)对准，所述至少一条直线通过相应的薄片板(30)行进、并且形成所述薄片板(30)的第一优选方向(34)，以及
控制单元(22)，被适配为通过所述形状过滤器(20)的所述薄片板(30)的所述第一优选方向(34)关于所述射束路径(16)的对准，来设置由所述薄片板(30)对所述X射线束(14)的部分的吸收，以作为所述X射线束的空间吸收分布。
7.根据权利要求6所述的设备(18)，
其中所述第一组多个薄片板(30)被设计和对准为，使得在每个薄片板(30)中，能够使用通过相应的所述薄片板(30)行进的直线来定义垂直于所述第一优选方向(34)的第二优选方向，
其中对于每两个薄片板(30)，其第二优选方向彼此平行。
8.根据权利要求6或7所述的设备(18)，包括第二组多个薄片板(30)，所述第二组多个薄片板(30)朝向所述焦点(32)渐缩，使得对于所述第二组多个薄片板(30)中的每个薄片板(30)，至少一条直线与所述焦点(32)对准，所述至少一条直线通过相应的薄片板(30)行进、并且形成所述薄片板(30)的第一优选方向(34)，
其中所述第一组多个薄片板(30)与所述第二组多个薄片板(30)相交。
9.根据权利要求6所述的设备(18)，
其中所述薄片板(30)形成一组同心截锥的周向表面。
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