CN110327069A - 一种缩小ct螺旋扫描范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种缩小CT螺旋扫描范围的方法，即先断层半扫；然后，螺旋扫描；最后再断层半扫。对于一段重建范围来说，本发明扫描开始时，CT床不动，球管和探测器以断层半扫形式进行曝光扫描，然后CT床开始水平匀速运动，球管和探测器以螺旋扫描形式同步绕CT床旋转扫描完重建范围的中间部分，在扫描结束阶段，CT床停止运动，球管和探测器再以断层半扫形式进行扫描。本发明的优点：1避免非必要部位的辐射；2、降低螺旋扫描整体的扫描曝光剂量；3、螺距越小，该方案降低的整体扫描曝光剂量越多。

Description

一种缩小CT螺旋扫描范围的方法

技术领域

本发明涉及一种CT扫描方法，具体地说，本发明涉及一种缩小CT螺旋扫描范围的方法。

背景技术

如图1所示，第三代CT机(Computed Tomography)可以简化认为由两部分组成：旋转机架1与床2，其中，旋转机架上安装有用于发射X射线的球管3和用于采集数据的探测器，床负责承载被扫描者。所述旋转机架为一环型结构，可以高速旋转，球管和探测器采用相对180°的位置固定在旋转机架的滑环上。扫描进行时，被扫者被放置在床上，床平移将被扫者送入滑环内。旋转机架、床和被扫描的患者之间建立的三维直角坐标系如下：被扫者仰躺在床板上，头部靠近旋转机架位置，x轴为平行于旋转机架旋转平面，方向从被扫者右肩指向左肩；y轴为平行于旋转机架旋转平面，方向垂直向上；z轴为垂直旋转机架旋转平面，方向从被扫者头部指向足部。

第三代CT机普遍支持的诊断扫描方式分为断层扫描与螺旋扫描两种。断层扫描指的是球管自开始曝光到结束曝光期间，床不动，旋转机架匀速旋转一圈，探测器采集一圈内探测到的数据，最后数据经过后续的算法处理重建出诊断用的图像。螺旋扫描指的是球管自开始曝光到结束曝光期间，旋转机架匀速旋转，床沿着z轴正方向或负方向匀速移动，探测器采集该曝光时间内探测到的数据，经过后续的算法处理重建出诊断用的图像。

目前CT机上的探测器基本上为多排探测器，在一次采样中能够覆盖z向范围比较宽。探测器的z向采样覆盖范围指的是旋转机架上的球管发生的射线在旋转机架旋转中心位置的z向覆盖范围。

在传统的螺旋扫描方式中，在球管曝光期间，床的移动速度是均匀的，如图2所示，中间长条圆柱区域代表扫描任务需要重建的重建范围4。为了得到充足的扫描数据，球管3射线的覆盖范围5与重建范围4有交集时，球管保持曝光状态。如果将三维坐标系固定在床板上，那么在螺旋扫描的过程中，旋转机架上的球管3(光源)相对被扫描者的运动轨迹为螺旋线6。

图3和图4是在yz平面内，扫描刚开始和扫描刚结束时刻，光源3与CT机扫描任务需要重建被扫者采样数据的重建范围4的位置关系图。扫描开始时(参见图3)，此时球管3将从左向右沿着螺旋线轨迹6运动。球管3发出的x射线覆盖范围5恰好与待重建范围4相交，此时球管3开始曝光并沿螺旋轨迹6向右运动，直到球管发出的x射线覆盖范围恰好与待重建范围不相交时(参见图4)，球管结束曝光。由图3和图4可知，球管3在开始曝光和结束曝光时，球管发出的x射线覆盖范围5脱离待重建范围4。

由图3、图4可知，这种传统的螺旋扫描方案，曝光开始的一段时间内和曝光结束的一段时间内，球管发出的射线覆盖了非必须的被扫者部位。其弊端：1、增加了患者非必要部位的x光照射带来的额外辐射，对人体有害；2、曝光开始与结束时候的非必须被扫部位延长了球管的曝光时间，导致整个扫描任务中曝光剂量的增加。当扫描螺距越小时，额外增加的曝光剂量会更多。曝光剂量越大对人体的损害越大！

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种缩小CT螺旋扫描范围的方法。该方法在保证完成一次完整的扫描任务基础上，有效地避免非必要部位的额外辐射，降低探测器螺旋扫描整体的扫描曝光剂量，尽量减少对被扫描者人体的损害。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种缩小CT螺旋扫描范围的方法，其特征在于：对于一次扫描任务来说，先第一次断层半扫；然后，螺旋扫描；最后第二次断层半扫；

所述第一次断层半扫开始点为：CT机球管的旋转平面位置相对于重建范围的开始位置向重建范围结束位置方向偏移半个准直宽度；

所述第二次断层半扫开始点为：CT机球管的旋转平面位置相对于重建范围的结束位置前移半个准直宽度；

所述螺旋扫描范围为：一个完整的重建范围减去一个准直宽度。

在所述第一次、第二次断层半扫阶段，球管曝光时间和探测器采集数据时间为：CT机架旋转180°加一个探测器弧度所需的时间。

在本发明较佳实施例中，所述球管曝光时间和探测器采集数据时间为机架旋转4π/3度所需时间。

附图说明

图1是第三代CT机探测器传统的单一螺旋扫描方式示意图；

图2是第三代CT机探测器和光源与扫描重建范围之间的位置关系图；

图3是第三代CT机螺旋扫描，球管开始曝光发出X射线时刻光源与扫描重建范围之间的位置关系图；

图4是第三代CT机螺旋扫描，球管结束曝光时光源与扫描重建范围之间的位置关系图；

图5是本发明缩小CT螺旋扫描范围光源与扫描重建范围之间的位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

本发明对现有CT机的物理结构不进行任何改变，只是将探测器的扫描方式进行改变，将传统的单一的螺旋扫描改为：先断层半扫，然后，螺旋扫描，最后再断层半扫。

断层扫描是指CT机球管曝光时，床不动，只有机架旋转带动球管和探测器旋转，球管曝光、探测器采样时间为机架旋转一周所花的时间。所谓断层半扫是指CT机球管曝光时，床不动，只有机架旋转带动球管和探测器旋转，球管曝光、探测器采样时间为机架旋转180°加一个探测器弧度所需的时间。CT机探测器为弧形结构，一个探测器弧度指的是整个探测器探测的角度范围。

本发明与传统的螺旋扫描方式不同，曝光期间，球管和探测器的运动轨迹不再是传统的单一的螺旋线，而是螺旋线与两个弧线的结合。对于一次完整的扫描任务来说，扫描开始阶段，CT床不动，球管和探测器以断层半扫形式进行扫描；扫描中间阶段，CT床开始水平匀速运动，球管和探测器以螺旋扫描形式同步绕CT床旋转扫描完重建范围的中间部分；扫描结束阶段，CT床停止运动，球管和探测器再以断层半扫形式进行扫描。

例如，如图5所示，可以将一次扫描任务(即一次扫描任务需要完成一个完整的扫描重建范围4)划分为三个阶段：

扫描开始阶段41，探测器的扫描方式为断层半扫，即床处于静止状态，机架匀速旋转，球管处于曝光状态，探测器处于数据采集状态；

扫描中间阶段42，探测器的扫描方式为螺旋扫描，即床沿Z轴匀速运动状态，机架匀速旋转，球管处于曝光状态，探测器处于数据采集状态；

扫描结束阶段43，探测器的扫描方式为断层半扫，即床处于静止状态，机架匀速旋转，球管处于曝光状态，探测器处于数据采集状态。

如图5所示，扫描开始阶段41的开始点A为：球管3的旋转平面位置相对于重建范围4的开始位置B向重建范围结束位置C方向偏移半个准直宽度。在扫描开始阶段，球管曝光时间和探测器数据采集时间为：机架旋转180°加一个探测器弧度所需的时间。

扫描结束阶段43的开始点D为：球管3的旋转平面位置相对于重建范围的结束位置C前移半个准直宽度(球管在重建范围的结束位置为靠近重建范围开始位置的一侧)。在扫描结束阶段，球管曝光时间和探测器数据采集时间为：机架旋转180°加一个探测器弧度所需的时间。

扫描中间阶段42为探测器螺旋扫描阶段，球管一直处于曝光状态，探测器一直处于数据采集状态。螺旋扫描范围为：一个完整的重建范围4减去一个准直宽度。

所述一个准直宽度指：球管发出的射线在旋转中心位置的Z向覆盖范围。所述旋转中心指螺旋线围绕的中心轴。

参见图5，本发明也可以理解为：螺旋扫描开始时刻，球管刚刚结束了在xy平面内的旋转并将要从左向右沿螺旋线运动(通过床的匀速移动来实现)；螺旋扫描结束时刻，球管刚刚结束了在从左向右沿螺旋线的运动并将要开始xy平面内的旋转(通过床的停止匀速移动来实现)。

为了简化描述，我们认为床从静止状态到匀速运动或从匀速运动到静止状态之间是瞬间转换的。实际应用中，床从静止到匀速运动或从匀速运动到静止存在加减速过程。考虑到加减速过程，螺旋扫描轨迹并不是严格的规则螺旋线，而是螺距从0逐渐变到指定值再逐渐变为0。

考虑螺旋扫描结束时，从床停止运动时刻开始，机架继续以原转速旋转扫描——此时已经自动变为断层扫描模式。保守考虑，断层扫描的角度范围可以设置为断层半扫所需的扫描角度范围，不过考虑到实际情况，在螺距变为0的过程后半段，螺距已经很小接近于0，可以近似认为已经在进行近似的断层扫描，所以最后从床真正停止运动时刻开始的断层扫描角度范围可以比单纯的断层半扫角度范围小。从这个角度可以认为本发明中所说，为了缩小螺旋扫描范围而在扫描起始、结束增加的断层扫描段为一种额外的补偿扫描过程，就是为了解决在缩小螺旋扫描范围后导致的首末采集数据量的缺失问题。至于该补偿扫描应该扫描多少角度的数据，最大不超过断层半扫的数据量，也存在减少的余地，减少到多少合适，可根据需要实验来决定。

下面通过计算，进一步验证本发明提出的先断层半扫，然后，螺旋扫描，最后再断层半扫的缩小CT螺旋扫描范围的方法比传统的单纯的螺旋扫描能够节省曝光时间，进而减少扫描曝光剂量，减少对人体的损害。

设定一些常数：

旋转中心：螺旋线围绕的中心轴；

Z向：螺旋线围绕的中心轴的指向；

L：准直宽度；球管发出的射线在旋转中心位置的Z向覆盖范围；

D：最大扫描视野直径，即CT机设计时，其横断面能够重建出的最大范围直径；

P：螺距，光源旋转一圈，床的运动距离与一个准直宽度的比值；

R：光源到旋转中心距离；

T：机架旋转一圈的时间；

H：实际断层半扫机架所需要的旋转角度，H≈4π/3。

考虑扫描结束，以重建范围的边界为参考位置；

传统方案扫描结束时，球管相对于参考位置的偏移量为：(D/2+R)/R*(L/2)＝L*(D+2R)/(4R)；

本发明中，扫描结束阶段的开始点(即第二个断层半扫开始点T₂)，球管相对于参考位置的偏移量为：-L/2；

传统扫描方法与本发明相比两者的差值为：L*(D+4R)/(4R)；

对应的扫描时间为：T*L*(D+4R)/(4R)/(LP)＝T*(D+4R)/(4RP)；

减去断层半扫花费的时间即为本发明相比传统扫描方案节省的扫描时间：

T*(D+4R)/(4RP)–T*(H/2π)＝T*((D+4R)/(4RP)-(H/2π))>T*((1/P)-(H/2π))

分析公式可以知道，(H/2π)小于1，大概为2/3。当P小于1.5时，本发明获得的曝光时间小于传统方案，螺距P越小，节省的曝光时间越多，扫描过程中，被扫描者接受的曝光剂量越少，受到的辐射量越少，对人体的损害越小。

通过上述分析可知，本发明的优点：1避免非必要部位的辐射；2、降低螺旋扫描整体的扫描曝光剂量；3、螺距越小，该方案降低的整体扫描曝光剂量越多。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种缩小CT螺旋扫描范围的方法，其特征在于：对于一次扫描任务来说，先第一次断层半扫；然后，螺旋扫描；最后第二次断层半扫；

所述第一次断层半扫开始点为：CT机球管的旋转平面位置相对于重建范围的开始位置向重建范围结束位置方向偏移半个准直宽度；

所述第二次断层半扫开始点为：CT机球管的旋转平面位置相对于重建范围的结束位置前移半个准直宽度；

所述螺旋扫描范围为：一个完整的重建范围减去一个准直宽度。

2.根据权利要求1所述的缩小CT螺旋扫描范围的方法，其特征在于：在所述第一次、第二次断层半扫阶段，球管曝光时间和探测器采集数据时间为：CT机架旋转180°加一个探测器弧度所需的时间。

3.根据权利要求2所述的缩小CT螺旋扫描范围的方法，其特征在于：所述球管曝光时间和探测器采集数据时间为机架旋转4π/3度所需时间。