CN110974275A - 飞焦点切换和x射线滤波器实现双能扫描的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种飞焦点切换和X射线滤波器实现双能扫描的设备和方法，涉及医学影像技术领域，设备包括X射线球管，能从两个不同X光焦点发出两束X射线线束；X射线滤波器，安装于CT探测器阵列与X光焦点之间，并设有周期分布的狭缝，其中一个X光焦点照射的X光使得奇数通道的X光是直接穿过滤波器而没有衰减，偶数通道的X光经过了滤波器材料衰减改变了X射线能谱。另外一个X光焦点照射的X光使得偶数通道的X光是直接穿过滤波器没有衰减，而奇数通道的X光经过了滤波器材料衰减改变了X射线能谱。因而本发明可以达到双能CT扫描的目的。该扫描方式可以在心脏快速扫描时结合飞焦点和能谱CT扫描两种方式，对滑环带宽要求不高。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像技术领域，尤其涉及一种飞焦点切换和X射线滤波器实现双能扫描的设备和方法。
背景技术
第三代CT系统的主要组成部分包括Tube(球管)，Collimator(限束器)，Detector(探测器)。X射线球管发出X光，经过限束器限制形成一个锥形的光束。锥形光束照射到探测器上经过探测器转化为电信号并经过数据采集和转换单元转换为数字信息存储在图像处理系统中。图像处理系统经过一系列的校正算法和图像重建算法生成图像显示在显示器上。从成本和技术成熟程度来说，主流探测器都采用了由很多个探测器模块排列在一个弧形或者多边形的面上来形成整个探测器，每个探测器模块中规则排列一个探测器单元形成的矩阵。
目前的能谱CT主要有以下方式：
1）双层探测器。双层探测器通常是在一块电路基板的两侧贴两种探测器。离X射线焦点近的一层能吸收低能X射线，而高能X射线不能吸收。在电路基板的另一层探测器能够吸收剩余的高能X射线。两层探测器可以进行合成和分解生成能谱CT图像。
2）单一球管高低压切换。采用能够瞬间快速切换球管KV的高压发生器，在每个奇数采样使用一个KV值而在偶数采样使用另外一个KV值。通过对两个KV所对应的数据进行合成分解生成能谱CT图像。
3）双球管采用不同的KV。两个相距90度的球管分别采用不同的KV数值同时曝光，球管对应的两个探测器同时接收数据。两个探测器的数据进行重建生成能谱CT成像。
4）光子计数探测器。能够在不同的X射线能量间隔内对X射线光子进行计数生成不同能量区间间隔的采样数据，进一步重建生成能谱CT图像。
5）改变X射线滤过方式来改变能谱。通过改变X射线滤过来机械式的改变能谱，不同采样时刻得到不同能谱对应的采样数据。
6）两个多半圈的CT扫描方式。两个半圈扫描分别采用两个不同的KV进行扫描。
比较以上多种扫描方式，方式3和6容易受到运动伪影的影响。方式1的探测效率较低因而图像噪声过大。方式2的扫描需要昂贵的高压因而实现较为困难。方式5现有技术中采用机械运动方式来控制一个周期性的滤波器，加工工艺复杂而且切换速度慢。本技术方案采用了第5中方式，但是采用了特殊的设计来使用电场和磁场切换能够使得加工工艺较为简单并且切换速度达到方式2相同或者更高的切换速度。
为了扫描心脏，CT机架转子必须以非常高的速度旋转以此做到“冻结”心脏运动的目的。目前最快的CT转速已经达到了0.23s和0.25s每圈。同时，探测器的宽度也达到了覆盖16cm扫描长度共256排或者320排探测器。探测器每排的像素数一般在900左右，每个像素的数据一般为16位或者24位二进制数据。为了适应飞焦点扫描模式或者高低kV扫描模式，一圈的采样率通常要达到4096左右。因此在飞焦点模式下，滑环所需要的传输带宽至少为320*900*24*4096/0.23/(1024*1024*1024)=114.6Gbps。这是目前的滑环设计所无法达到的，即使采用16bit编码，256排探测器，每圈2048采样率，也需要28.1Gbps的滑环带宽，在心脏扫描中现有技术几乎很难实现高低KV扫描模式和飞焦点扫描模式结合的方式。
基于此，做出本申请。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种飞焦点切换和X射线滤波器实现双能扫描的设备和方法，增加X射线滤波器，采用飞焦点模式切换使X光在同一时刻一半的探测器通道接收直接穿过滤波器没有衰减的X光，另一半探测器通道接收经过滤波器衰减而能谱发生改变的X光，因而达到了双能CT扫描的目的，同时此种扫描方式可以在心脏快速扫描时结合飞焦点和能谱CT扫描两种方式，而不要求滑环带宽有超越现有条件的要求。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种利用飞焦点切换和X射线滤波器栅结合实现双能CT扫描的设备，包括
X射线球管，能从两个不同X光焦点发出两束X射线线束；
X射线滤波器，安装于CT探测器阵列与X光焦点之间，吸收低能或高能X射线，并设有周期分布的狭缝，狭缝用于直接透过X射线；
其中一个X光焦点照射的X光使得奇数通道的X光是直接穿过滤波器而没有衰减，偶数通道的X光经过了滤波器材料衰减改变了X射线能谱。另外一个X光焦点照射的X光使得偶数通道的X光是直接穿过滤波器没有衰减，而奇数通道的X光经过了滤波器材料衰减改变了X射线能谱。
所述两个不同X光焦点为Z向飞焦点或X向飞焦点。
作为本发明X射线滤波器形状选择的一种优选方案，所述X射线滤波器采用Z向滤线栅或X向滤线栅；X滤波器为平板栅格或整体具有弧度的Z向滤过。
作为本发明X射线滤波器材质选择的一种优选方案，所述X射线滤波器采用钼、铜、铝、铂、锌及其合金中的任意一种或者采用陶瓷材料，或者其它能显著改变X射线能谱的吸收材料。
作为本发明X射线球管的一种优选方案，所述X射线球管包括阴极灯丝、电子束位置控制装置和阳极靶；阴极灯丝通过高电流产生一束热电子，热电子经过阴极和阳极之间的高压电场加速撞击阳极靶形成一个焦点。球管中有一个偏转磁场线圈可以控制电子束打在阳极靶上的位置，形成两个焦点位置。两个焦点位置可以沿X向分布或者Z向分布。
本发明一种利用飞焦点切换和滤线栅结合实现双能CT扫描的方法，包括如下步骤：
（1）安装X射线球管和X射线滤波器并进行机械位置对准；
（2）扫描时通过控制电子束偏转装置使得焦点位置发生高频瞬间切换；
（3）探测器采集时刻和电子束偏转频率相配合使得每个采样内不同探测器单元均对应两种X射线能谱中的一种；
（4）按照能谱成像图像重建算法对采集到的数据进行分解并最终重建出单能图像以及水基和碘基图像，并进而重建出众所周知的其它类型的能谱成像应用图像。
所述步骤（3）中，控制CT机架旋转一周，使每个探测器通道均测量到被扫描患者的两种X射线能谱下的吸收系数。
本发明的工作原理：球管的阳极靶附近增加一个X射线滤波器，滤波器中的结构是周期分布的。球管使用电场或磁场来快速切换阴极发出的电子束位置来改变X射线焦点在阳极靶上的位置。两个焦点发出的X光穿过滤线栅后，滤线栅的周期性结构在探测器上的投影对于两个焦点是交错的。因此在每一个采样角度，探测器上奇数标号的单元数和偶数标号的单元数收到的X射线的能谱不相同。到下一个采样角度时，探测器上奇数标号的单元数的X射线能谱和上一个角度的探测器偶数标号的单元数的X射线能谱相同；偶数标号的单元数收到的X射线能谱和上一个角度的奇数标号单元数收到的X射线能谱相同，得到所有角度的采样数据后，进行通常的双能CT图像重建就可以重建出所需的各种参数图。
本发明能实现如下技术效果：
（1）本发明通过制造一个特定的缝隙结构的X射线过滤装置安装在CT系统的前准直器中，采用飞焦点扫描使得两个不同焦点位置时，同一个探测器单元收到两个滤过不同的X射线限束（因而X射线能谱不同）来实现同时采集到两种X射线能谱的CT设备。结合轴扫扫描以及螺旋扫描的全部数据就可以分别重建出两种X射线能谱下的被扫描物体的各个方向的总滤过，然后使用通常的双能CT能谱图像重建方法就可以重建出能谱CT所需要的各种参数的图像。
（2）本发明与现有技术相比，能够做到与高低压瞬切能谱技术同样的瞬时切换避免切换过程运动伪影的影响。
（3）本发明与现有技术相比，由于采用了电子控制方式控制焦点位置避免了滤线栅的高精度机械控制，而焦点位置控制已经是非常成熟的技术，控制方式和制造成本更加简单实用。
附图说明
图1为普通的Z向飞焦点球管的侧面示意图（第二个实施例）；
图2为普通的X向飞焦点球管的正面示意图（第一个实施例）；
图3为第一个实施例X向滤线栅和X向飞焦点结合的三维结构示意图
图4为第一个实施例X向滤线栅和X向飞焦点结合的结构示意图（机架前正视图）；
图5为第二个实施例Z向滤线栅和Z向飞焦点结合的结构示意图（机架旁侧视图）；
图6为第一个实施例X向滤线栅的结构示意图（平板栅格）；
图7为第二个实施例Z向滤线栅的结构示意图（Z向滤过）；
图8为第二个实施例Z向滤线栅的结构示意图（平板栅格）。
标注说明：阳极靶1，热电子束2和3，电子束2和3，X光焦点4和5，X射线束6和7，阴极灯丝8，电子束位置控制装置9，阳极靶转轴10，狭缝准直器（滤线栅/ X射线滤波器）11，探测器阵列12。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了2个实施例，并结合附图作如下详细说明：
实施例1
如图2、图3、图4和图6所示，本实施例的一种利用飞焦点切换和X射线滤波器栅结合实现双能CT扫描的设备，包括X射线球管，能从两个不同X光焦点发出两束X射线线束；X射线滤波器，安装于CT探测器阵列与X光焦点之间（可以安装在在球管内或球管外，可以安装在CT系统的前准直器中），吸收低能或高能X射线，并设有周期分布的狭缝，狭缝用于直接透过X射线；其中一个X光焦点照射的X光使得奇数通道的X光是直接穿过滤波器而没有衰减，偶数通道的X光经过了滤波器材料衰减改变了X射线能谱。另外一个X光焦点照射的X光使得偶数通道的X光是直接穿过滤波器没有衰减，而奇数通道的X光经过了滤波器材料衰减改变了X射线能谱。两个不同X光焦点为X向飞焦点，且X射线滤波器采用X向滤线栅。X射线滤波器可以是Z向滤过，也可以是平板栅格。
X射线球管剖面的示意图如图1所示，10为阳极靶转轴，X射线球管由阴极灯丝8、阳极靶1、电子束位置控制装置9组成。阴极灯丝8通过高电流产生热电子发射2和3，热电子经过阴极和阳极之间的高压电场加速撞击阳极靶1产生X射线束6和7。电子束位置控制装置9可以采用静电场方式偏转电子束，也可以采用通电线圈形成的静磁场对电子束进行偏转。不同的电子束偏转参数设置产生了两束电子束2和3，在高压电场加速作用下分别撞击阳极靶上的X光焦点4和5，对应产生两束X光6和7（图1中的X光焦点4和5为Z向飞焦点，图2中的X光焦点4和5为X向飞焦点）。通过控制电子束位置9控制装置，控制产生本实施例所需的X向飞焦点。
本实施例的一种利用飞焦点切换和滤线栅结合实现双能CT扫描的方法，包括如下步骤：
（1）安装X射线球管和X射线滤波器并进行机械位置对准；
（2）扫描时通过控制电子束偏转装置使得焦点位置发生高频瞬间切换；
（3）探测器采集时刻和电子束偏转频率相配合使得每个采样内不同探测器单元均对应两种X射线能谱中的一种；
通过电子束偏转装置9控制两束X光在不同时刻分别照射。本发明提出在CT机器前准直器中增加一个可有狭缝的准直器装置（即X射线滤波器，对应本实施例中图6所示的X向滤线栅），此装置采用较高吸收系数的材料制成如钼、铜、铝、铂、锌以及其合金，也可以是能够吸收低能X射线的陶瓷材料。如图4所示，当焦点4曝光时，有些射线穿过了高吸收材料照射到奇数标号的探测器通道上，有些射线通过狭缝直接照射到偶数标号的探测器通道上。由于此两种X射线穿过的狭缝准直器吸收不同，因而造成了奇数通道和偶数通道的X射线能谱不同，实现了同时采集到两种能谱的X射线吸收数据。当焦点位置切换到5时，此时情况正好和焦点4时相反，偶数通道的X射线经过了准直器材料吸收而奇数通道的X射线直接照射。
（4）按照能谱成像图像重建算法对采集到的数据进行分解并最终重建出单能图像以及水基和碘基图像。当CT机架旋转一周后，每个探测器通道都测量到了被扫描患者的两种X射线能谱下的吸收系数。因此可以采用此两组数据来使用众所周知的双能谱重建方法重建出各种能谱CT的参数图像。本发明不仅限于机架旋转一周的情况，对于螺旋扫描情况、180度的断层扫描情况、以及角度少于180度的部分区域扫描重建算法均适用。
实施例2
本实施例参照图3提供了一个遵照本发明方案在Z方向的一个实例。
如图1、图5、图7和图8所示，本实施例的一种利用飞焦点切换和X射线滤波器栅结合实现双能CT扫描的设备，包括X射线球管，能从两个不同X光焦点发出两束X射线线束；X射线滤波器，安装于CT探测器阵列与X光焦点之间，吸收低能或高能X射线，并设有周期分布的狭缝，狭缝用于直接透过X射线；其中一个X光焦点发出的X射线束穿过狭缝照射到探测器奇数通道，另一个X光焦点发出的X射线束穿过狭缝照射到探测器偶数通道；两个不同X光焦点为X向飞焦点，且X射线滤波器采用X向滤线栅。
X射线球管剖面的示意图如图1所示，阴极灯丝8通过高电流产生热电子发射2和3，热电子经过阴极和阳极之间的高压电场加速撞击阳极靶1产生X射线束6和7。不同的电子束偏转参数设置产生了两束电子束2和3，在高压电场加速作用下分别撞击阳极靶上的X光焦点4和5，对应产生两束X光6和7。通过控制电子束位置9控制装置，控制产生本实施例所需的X向飞焦点。
本实施例的一种利用飞焦点切换和滤线栅结合实现双能CT扫描的方法，包括如下步骤：
（1）安装X射线球管和X射线滤波器并进行机械位置对准；
（2）扫描时通过控制电子束偏转装置使得焦点位置发生高频瞬间切换；
（3）探测器采集时刻和电子束偏转频率相配合使得每个采样内不同探测器单元均对应两种X射线能谱中的一种；
通过电子束偏转装置9控制两束X光在不同时刻分别照射。本发明提出在CT机器前准直器中增加一个可有狭缝的准直器装置（即X射线滤波器，对应本实施例中图6所示的X向滤线栅），此装置采用较高吸收系数的材料制成如钼、铜、铝、铂、锌以及其合金，也可以是能够吸收低能X射线的陶瓷材料。如图5所示，当焦点4曝光时，有些射线穿过了高吸收材料照射到奇数标号的探测器通道上，有些射线通过狭缝直接照射到偶数标号的探测器通道上。由于此两种X射线穿过的狭缝准直器吸收不同，因而造成了奇数通道和偶数通道的X射线能谱不同，实现了同时采集到两种能谱的X射线吸收数据。当焦点位置切换到5时，此时情况正好和焦点4时相反，偶数通道的X射线经过了准直器材料吸收而奇数通道的X射线直接照射。
（4）按照能谱成像图像重建算法对采集到的数据进行分解并最终重建出单能图像以及水基和碘基图像。当CT机架旋转一周后，每个探测器通道都测量到了被扫描患者的两种X射线能谱下的吸收系数。因此可以采用此两组数据来使用众所周知的双能谱重建方法重建出各种能谱CT的参数图像。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种利用飞焦点切换和X射线滤波器栅结合实现双能CT扫描的设备，其特征在于：包括
X射线球管，能从两个不同X光焦点发出两束X射线线束；
X射线滤波器，安装于CT探测器阵列与X光焦点之间，设有周期分布的狭缝，狭缝用于直接透过X射线；
其中一个X光焦点发出的X射线束部分光纤穿过狭缝照射到探测器奇数通道，部分X射线束经过狭缝材料的吸收照射到探测器偶数通道；另一个X光焦点发出的X射线束部分穿过狭缝照射到探测器偶数通道，部分X射线束经过狭缝材料的吸收照射到探测器奇数通道；所述两个不同X光焦点为Z向飞焦点或X向飞焦点。
2.如权利要求1所述的一种利用飞焦点切换和X射线滤波器栅结合实现双能CT扫描的设备，其特征在于：所述X射线滤波器采用Z向滤线栅或X向滤线栅；X滤波器为平板栅格或整体具有弧度的Z向滤过。
3.如权利要求1所述的一种利用飞焦点切换和X射线滤波器栅结合实现双能CT扫描的设备，其特征在于：所述X射线滤波器采用钼、铜、铝、铂、锌及其合金中的任意一种或者采用陶瓷材料。
4.如权利要求1所述的一种利用飞焦点切换和X射线滤波器栅结合实现双能CT扫描的设备，其特征在于：所述X射线球管包括阴极灯丝、电子束位置控制装置和阳极靶；阴极灯丝通过高电流产生一束热电子，热电子经过阴极和阳极之间的高压电场加速撞击阳极靶形成一个焦点；球管中有一个偏转磁场线圈可以控制电子束打在阳极靶上的位置，形成两个焦点位置；两个焦点位置沿X向分布或者Z向分布。
5.一种利用飞焦点切换和滤线栅结合实现双能CT扫描的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）安装X射线球管和X射线滤波器并进行机械位置对准；
（2）扫描时通过控制电子束偏转装置使得焦点位置发生高频瞬间切换；
（3）探测器采集时刻和电子束偏转频率相配合使得每个采样内不同探测器单元均对应两种X射线能谱中的一种；
（4）按照能谱成像图像重建算法对采集到的数据进行分解并最终重建出单能图像以及水基和碘基图像，并进而重建出能谱成像应用图像。
6.如权利要求5所述的一种利用飞焦点切换和滤线栅结合实现双能CT扫描的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，控制CT机架旋转一周，使每个探测器通道均测量到被扫描患者的两种X射线能谱下的吸收系数。
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