CN1119664C - 对施加到诊断用x射线管上的电压的间接测量 - Google Patents

Abstract

一个CT系统包括一对位于其检测器阵列中的检测器，其对来自射线源的穿过X射线差厚过滤器之后的X射线强度进行测量。把这两个检测器部件产生的信号之比输入给一个KV计算器，该KV计算器产生一个代表X射线管电压的信号。

Description

对施加到诊断用X射线管 上的电压的间接测量

发明的背景

本发明涉及X射线管电压的测量，更具体地讲，涉及的是在计算机控制X射线断层扫描(CT)成像系统中的管电压的测量。在现有的计算机控制X射线断层照像系统中，一个X射线源发射一束扇形射线束照射到一个称为“成像平面”的某一直角坐标系的X-Y平面上。X射线束透过所要成像的物体，例如一个被医病人，并在一个射线检测器的阵列上成像。透射射线的强度取决于成像物体对X射线束的衰减，每个检测器产生一个分开的电信号，该电信号即是对射线束衰减测量的结果。从所有检测器分别得到衰减测量结果以产生透射分布图。

在传统的CT系统中，射线源和检测器阵列在成像平面内在一个台架上围绕成像物体转动，以便连续不断地改变X射线束穿过成像物体的角度。由检测器阵列在一个给定角度上进行的一组X射线衰减测量被称为一个“视角”，对成像物体的“扫描”包括在X射线源和检测器的一圈转动中在不同的角度取向上所实现的一组视角。在一个2D扫描中，对数据进行处理以获得一个与经成像物体所取的两维切片相对应的画像。这种由2D数据重新构成图像的普遍使用的方法在本领域称为透过式背部投射技术。这种技术把由扫描得到的衰减测量结果转换成称为“CT数”或“Hounsfield单位”的整数，其用于控制阴极射线管显示器中的相应像素的亮度。

由任何X射线仪器，特别是由CT系统所产生的画像质量部分取决于在X射线管阳极和阴极之间所施加的加速电压。这个电压通常称为峰值千伏特(KVp)，其数值随采用射线管的具体仪器而定。例如在乳房X射线照像中，用30KVp左右的相对小的电压可以获得更好的组织对比，但是，传统的X射线仪器和CT系统采用的是80KVp到140KVp的更高的电压。所有X射线仪器都会因管电压不正确而产生误差和图像人造现象。由于CT系统依靠一个已知的KVp对象射线束硬化这样的现象所获得的数据进行校正，所以，CT系统特别容易受到管KVp变化的影响。而且，象骨骼矿质密度检测这样的特殊操作需要一个精确的KVp以获得所需的图像对比再现性。象长久部件漂移，或由X射线管“飞溅”所产生的部件应力可以降低X射线仪器的KVp稳定性(或绝对的KVp的数值)。其结果是要定期由维修人员重新校准KVp，这是一种非常费时的工作。

现有的出售的仪器可以通过X射线束的不同过滤来测量KVp，但是，这些仪器昂贵，不方便，而且精度不高。此外，现有仪器在没有维修人员存在的情况下不能把测量装置设置在射线束中以进行测量，而且，在用扫描仪对病人进行扫描时也不能进行射线束测量。

发明概述

本发明涉及一种用于测量施加到一个X射线管上的电压的间接测量装置，具体地讲，涉及的是通过对X射线束自身的测量来测量管电压。管电压测量装置包括两个X射线检测器，这两个X射线检测器设置在X射线束中，并进行检测以产生各个与照射在其上面的X射线束的强度成比例的信号，在两个X射线检测器的前面设置一个差厚过滤器，过滤器进行工作以使照射在一个X射线检测器上的X射线强度比照射在另一个X射线检测器上的X射线强度得到更加明显的衰减；用于计算检测器信号比值的装置，并根据这个比值，把X射线管电压作为这个比值的对数函数来进行计算。

本发明的总的目的是提供一个用于间接测量X射线管电压的高精度装置。本发明的发明点是，对于任何给定的X射线管和差厚过滤器，在管电压和两个检测器信号的比值之间都存在一种指数关系。通过校准程序精确确定这种关系，其中指数曲线对应于一组在不同的，已知的X射线管电压处测量的信号之比。电压测量精度可以在±0.5％之内。

本发明的另一个目的是提供一种管电压测量装置，该装置可以和一种X射线仪结合在一起并在照射病人时使用。一旦计算出检测器信号之比，就可以很容易地从反映对数关系的公式中计算出管电压，或从存贮有对数关系的近似值的查寻表中读取数值。原则上，当获得患者数据时，上述过程可以在线进行，计算出的管电压可以用来控制扫描操作或图像再现处理。

附图的简要描述

图1是可以采用本发明的CT成像系统的示意图；

图2是该CT成像系统的框图；

图3是构成图2所示的CT成像系统一部分的图像再现部分；和

图4是实现本发明最佳实施例而在图2所示的CT成像系统中采用的过滤后的X射线检测器的示意图；

图5表示分别设置在检测器D_A和D_B之前的X射线过滤器。

本发明的总体描述

参照图5，本发明采用了两个位于过滤器F_A和F_B后面的相同的X射线检测器D_A和D_B。对于CT系统，过滤器F_A和F_B可以包括不同厚度的象铜、锡或钼这样的衰减材料。

过滤器之一可以无限地薄(即，没有附加的过滤器—只有空气)，而基本上没有衰减。两个检测器由一个到两个检测器的源—检测器路径长度相同的单独的X射线源x照射，以便使所检测到的能量差只与两个过滤器的有无和特性有关。此外，过滤器紧挨着检测器以使检测器大量地获取来自过滤器的散射的射线。

由检测器D_A和D_B进行的辐射测量取决于几个不同的因素。管输出具有公知的韧致辐射谱(Kramers谱)。这种韧致辐射谱是管所固有的；典型的X射线管的有用谱是在经管玻璃、冷却油、阿尔特母(altem)或相似的管出口窗材料，和一个薄过滤器(典型的是钼或铝)过滤之后，由韧致辐射所产生的。由管单元产生的有用X射线束的谱取决于这些管部件总的过滤结果。这种有用的射线束I₀然后照射在两个过滤器上，在这里射线束按公知原理被衰减。在由F_A和F_B过滤之后，由检测器的闪烁仪把所发射的X射线光子变换成光频光子。由X射线光子产生的光频光子的数量与X射线光子能量成比例(即认为140KeV X射线光子产生的光频光子是70keV X射线光子产生的光频光子的两倍)。不能100％地俘获高能级的X射线的光子，从而产生已知的“击穿”现象，这等效于高能传输损耗。光频光子经检测器的光电二极管变换成电荷被认为是一种线性过程。由X射线光子直接产生电流的直接变换检测器是以相似的方式进行工作的。

这些因素以及所谓的线性衰减系数μ实际上是作为X射线能量的函数来变化的，并在X射线管电压和被测检测器强度I_A和I_B之间呈现出一种非常复杂的关系。

过滤器F_A和F_B将分别产生两个具有检测器D_A和D_B的被测强度I_A和I_B的信号。假设过滤器F_A和F_B采用相同的材料，并假设F_A的厚度大于F_B的厚度。现在形成两个检测器读数的比值R $R=\frac{I_A}{I_B}\·\·\·\·\left(1\right)$

当假设F_A的厚度大于F_B的厚度的时候，我们可以看到I_A≤I_B，而且0≤R≤1。

本发明的一个重要发现是在70KV≤KV≤150KV的诊断有用范围上，KV和比值R之间的关系符合一种简单的指数函数关系，其形式为 $R=K_0+K_1{e}^{-K_2\mathrm{KV}}\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$ 因此，通过使用下面的对数关系式就可以由所测量的比值R来很简单地确定所施加的KV $\mathrm{KV}=-\frac{1}{K_2}\ln \left(\frac{R-K_0}{K_1}\right)\·\·\·\·\·\left(3\right)$

当然，常数K₀、K₁和K₂的数值必须依每一种具体情在初始系统校准过程中是很容易得到的。对于任何给定的过滤器组F_A和F_B，实际的KV和相应于KV所测量的比值R构成曲线拟合程序的输入。CT系统一般是在80KV、100KV、120KV和140KV处进行校准，因此，提供四个与由三个未知点确定的曲线相拟合的测量结果。采用“斜率搜索”或其他适合的方法来使由公式(2)表示的曲线与R的四个测量结果相拟合。

本发明的另一个发现是可以选择差厚过滤器F_A和F_B，以便可以在不同的X射线管中采用相同的系数K₀、K₁和K₂。

如上所述，射线管包括许多部件，这些部件对X射线进行衰减，而且由于存在制造容差，这些部件在管和管之间本来就是不同的。如果选择过滤器F_A和F_B使其具有的衰减量明显地大于因这些管部件而造成的衰减的不同，那么，即使当变换射线管时也可以进行始终一致的K V测量。用F_A＝0.6mm钼和F_B＝0.2mm钼的一个过滤器组，在80KV到140KV的CT系统工作范围进行实验，以提供几乎是(每百万分之)500ppm，或±0.05％再现性的日常KV测量，而且不同的射线管平均相差0.12％。F_A＝0.4mm钼和F_B＝0.2mm钼的第二过滤器组会使精度有所提高，但是，由于X射线管结构上的差别，会使结果的变化略大一致。

优选实施例的描述

先参照图1和图2，一个计算机控制断层扫描(CT)成像系统10包括一个由一个“第三代”CT扫描仪表示的台架12。台架12具有一个X射线源13，X射线源13向台架对面的检测器阵列16发射锥形X射线束14。检测器阵列16由许多检测器18构成，这些检测器18一起对穿过被诊断患者15的发射的X射线进行探测。每个检测器18产生一个电信号，这个电信号代表了照射的X射线束的强度，因此，也就代表了射线束穿过患者后的衰减量。在为获得X射线发射数据而进行的扫描期间，台架12和安装在其上的部件绕位于患者15体内的旋转中心19进行旋转。

台架的旋转和X射线源13的工作由一个CT系统的控制机构20控制。控制机构20包括一个向X射线源13提供电源和时间信号的X射线控制器22，和一个控制台架12的旋转速度和位置的台架电动机控制器23。

控制机构20中的一个数据存取系统(DAS)24从检测器18取样模拟数据，并把模拟数据转换成数字数据以供后面处理所用。一个成像器25从DAS24接收取样和数字化的X射线数据并实现高速图像再现。再现的图像作为输入信号提供给计算机26，计算机26把图像存贮在大容量存贮装置29中。

计算机26还经过具有键盘的控制台30接收来自操作者的指令和扫描参数。一个相联的阴极射线管显示器32可以使操作者观察到来自计算机26的再现图像和其他数据。通过计算机26使用由操作者发出的指令和参数，以向DAS24，X射线控制器22和台架电动控制器23提供控制信号和信息。此外，计算机26对工作台电动机控制器34进行控制，工作台电动机控制器34控制机动工作台36位于台架12内患者15所在的位置。

特别参照图4，为在这种CT成像系统中采用本发明，位于检测器阵列16一端的检测器18被一个差厚过滤器40所覆盖。过滤器40由钼构成，而在一个检测器表面上的厚度为0.6mm，而在第二个检测器18表面上的厚度为0.2mm。可以采用象铜这样的另外的过滤材料，而且厚度也要改变。由于钼衰减量高以及因此其可以在很薄的薄片中使用，所以选择了钼，对于衰减小的检测器选择0.2mm的厚度，这是因为其足以使在象X射线管的玻璃外壳这样的X射线管自身上的变化的影响减至最小。如果没有这种变化，则从理论上讲薄片可以薄到没有厚度，以使差厚过滤器40不对到达两个检测器18中的一个的X射线进行衰减。

特别参照图3，随着在扫描过程中所获得的每一个视角，DAS24把代表由检测器18所检测到的X射线光子的数量的一组扫描数据数值传输给成像器25。这些强度数值中的两个I_A和I_B是由位于差厚过滤器40后面的检测器18产生的，并把它们提供给电压计算装置41。通过总线42把剩余的扫描数据数值提供给一个校正装置43，校正装置43关于象在检测器和DAS通道增益上的变化，无照电流偏差和射线束硬化这样的各种已知的误差，对扫描数据进行调整。后面的校正对于本发明是特别适当的，即这取决于作为计算准确的校正值的基础的关于X射线管电压的知识。这个信息由电压计算装置41经线44提供。校正之后，以公知的方式在45处，通过取其负对数而对扫描数据进行处理，以关于每一个视角产生投影。把这些投影提供给一个再现处理器46，再现处理器46对这些投影进行过滤和背后投射以产生切片图像，这些切片图象在47处输出给计算机26。

电压计算装置41计算出两个检测器读数之比(I_A/I_B)，并根据这个比值直接计算出X射线管电压： $\mathrm{KV}=-\frac{1}{K_2}\ln \left(\frac{R-K_0}{K_1}\right)$ 如上所述，常数K₀、K₁和K₂是在CT系统的初始校准过程中确定的，而且实验表明即使当变换X射线源13时，也不需要重新计算这些常数。这些常数的确主要是由差厚过滤器40确定的。把电压计算装置41所产生的KV数值提供给上述的校正装置43，而且，还可以通过线48把其提供给计算机26，以便在其它的象对比研究，骨骼矿物质密度测量，或精细的射线束硬化校正这样的成像应用中使用。这个信号还可以由维修人员来监测，以便现场或通过电话线遥控地对大数值发生器的工作进行检测。

虽然如最佳实施例所述，本发明特别适合于在X射线CT系统中在线使用，但是，本发明也可以在其它的X射线仪中使用。还可以用本发明构成一个独立装置，在工厂中当第一次对X射线仪进行校准，或在现场对其进行重新校准的时候，把这个独立装置插在X射线仪的X射线的路径中。虽然对数曲线与在不同的管电压处测量的R的数值拟合得最好，但是这些测量值也能够和使用一般最小平方拟合的二次多项式相拟合。而且，虽然所示的差厚过滤器40安装在其所覆盖的检测器18上，但是，差厚过滤器40也可以设置在X射线束中的其他地方。例如，其可以作为弓形带过滤器的一部分来形成，或作为其他耐久性过滤器的一部分来形成，或者其可以是一种只在校准扫描期间插到射线束中的分离部件。

Claims (10)

1.一种对施加给X射线管的电压进行测量的装置，它包括：

一对X射线检测器(18)，设置在X射线管(13)所产生的X射线束中，并进行工作以产生代表所检测的X射线的强度的各自的信号I_A和I_B；

一个差厚过滤器(40)，设置在X射线束中，以便对由所说的X射线检测器(18)中的一个所检测的X射线强度的衰减量明显大于对由所说的X射线检测器(18)的另一个所检测的X射线强度的衰减量；和

电压计算装置(41)，连接该电压计算装置(41)以接收检测器信号I_A和I_B，并用检测器信号I_A和I_B的比值(R)来计算管电压(KV)，其中按照如下关系式计算管电压(KV)： $\mathrm{KV}=-\frac{1}{K_2}\ln \left(\frac{R-K_0}{K_1}\right)$

其中K₀、K₁和K₂是常数。

2.如权利要求1所述的装置，其中这对检测器(18)构成X射线仪中的检测器阵列(16)的一部分，而且电压计算装置(41)产生代表所计算的管电压(KV)的信号，这个信号被X射线仪所采用以产生图像。

3.如权利要求1所述的装置，其中管电压信号被X射线仪所采用以对X射线扫描数据进行射线束硬化校正(43)。

4.如权利要求1所述的装置，其中在校准过程中计算出系数K₀、K₁和K₂，在校准过程中在一组已知的X射线管电压处测量比值(R)，而且一条曲线与这些测量值相拟合。

5.如权利要求1所述的装置，其中差厚过滤器(40)由在到达所说X射线检测器(18)中的一个的X射线束中具有第一厚度而在到达另一个X射线检测器(18)的X射线束中具有第二厚度的钼构成。

6.如权利要求6所述的装置，其中第一和第二厚度至少相差两倍。

7.如权利要求1所述的装置，其中把差厚过滤器(40)安装在一对X射线检测器(18)上。

8.一种计算X射线断层照像的系统，其中包括权利要求1-7中任何一个所述的装置。

9.如权利要求8所述的系统，其中校正装置接收管电压值(KV)，并且在使用扫描数据进行图象构造之前，用所述值调整每个扫描图象的扫描数据。

10.根据权利要求9所述的系统，其中X-射线检测器被安装在检测器阵列上而差厚过滤器被安装在X射线检测器对上。

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