CN1209999C - 在多片层计算机层析摄影系统中将探测器元联组的装置 - Google Patents

Abstract

一种双探测器元联组和三探测器元联组组合方案，它解决了探测器信道数与较少DAS信道数之间的冲突，而无需对硬件和软件进行较大的改变。在一个具体实施例中，在FOV以外探测器的一侧至少一部分探测器元用导线联接成对，即联组，以形成一组2毫米信道，而在FOV以外探测器的另一侧至少一部分探测器元联组，以形成一组3毫米信道。探测器元的这种联组避免了对已知的多片层CT系统的硬件和软件作较大的改变。

Description

在多片层计算机层析摄影系统中 将探测器元联组的装置

技术领域

一般来说，本发明涉及计算机层析摄影(CT)成象技术，更具体地说，本发明涉及CT系统中探测器配置和图像重构技术。

背景技术

在至少一种已知的CT系统中，一个X-射线源发射出扇形射线束，射线束经过平行校正位于笛卡尔坐标系的X-Y平面中，这个平面通常被称为“成象平面”。X-射线束穿过被成象的物体，例如病人。射线束被成象物体衰减之后投射到一个辐射探测器阵列上。探测器阵列所接收的经过衰减的射线束辐射强度依赖于成象物体对X-射线束的衰减程度。探测器阵列中的每个探测元件产生一个表示在该探测器位置射线束衰减测量值的独立电信号。CT系统分别采集所有探测器的衰减测量值以构成一个透射分布。

在已知的第三代CT系统中，X-射线源和探测器阵列跟随CT机架在一个成象平面内围绕被成象物体旋转，使得X-射线束与物体的相交角度总是在变化。由探测器阵列在一个机架角度产生的一组X-射线衰减测量值，即投影数据被称为一个“视图”。对于物体的一次“扫描”包括在X-射线源和探测器转动一周过程中在不同的机架角度获得的一组视图。通过一次轴向扫描，对投影数据进行处理以构成对应于从成象物体截取的一个两维片层的图像。在本领域中有一种利用一组投影数据重构图像的方法被称为滤波背投影技术。这种方法将在一次扫描中获得的衰减测量值转换成被称为“CT数”或“Hounsfield单位”的整数，这些整数用于控制阴极射线管显示器上对应象素的亮度。

为了减少全部扫描时间，可以采用一种“螺旋”扫描方式。为了进行“螺旋”扫描，在采集预定片层的数据过程中病人移动。这种系统相对于一次扇形束螺旋扫描产生一条螺旋线。由扇形束形成的这条螺旋线生成了可以用于重构每个预定片层的图像的投影数据。

多片层CT系统用于在一次扫描过程中获得增多片层的数据。已知的多片层系统通常包括一般称之为二维探测器的探测器。利用这种二维探测器，一组探测器元构成独立的列，或信道，这些探测器列排列成行。每一行探测器构成一个独立的片层。例如，一个两片层探测器包括两行探测器元，一个四片层探测器包括四行探测器元。在多片层扫描过程中，X-射线束同时照射到多行探测器元上，从而获得多个片层的数据。

迄今为止，人们相信，要在CT系统中增加探测器元行，必须对硬件和软件配置进行较大的修改。特别是，数据采集系统一般从各个探测器元中采样模拟数据，并将该数据转换成数字信号以便进行后续处理。所以，当在探测器阵列中增加若干行探测器元时，必须对系统进行修改，以使之从增加的探测器元采样数据。例如，对于两片层系统，必须修改数据采集系统以使之对两倍于单片层系统的探测器元进行采样。同样，对于四片层系统，必须修改数据采集系统以使之对四倍于单片层系统的探测器元进行采样。

通过增加探测器元的数量，增加了必须通过机架滑动环传输的数据量。可取的是将这些增加的数据在用于传输具有较少探测器元的系统采集的数据的相同时间帧中通过滑动环传输，所以，当增加探测器元时，通常必须增大滑动环的数据传输速率。

在CT系统中增加探测器元而无需对已知系统的软件和硬件进行大的修改是十分需要的。此外，还有必要在不降低整个图像质量的前提下提供这样一种多行系统。

发明内容

本发明的这些目的和其它目的可以通过双探测器元联组和三探测器元联组组合来实现，这种组合无需对硬件和软件进行任何大的改变就可以解决探测器信道数与较少的DAS信道数的冲突。在一个具体实施例中，探测器元(视图号1(FOV1)的中心区域外侧宽度为1毫米)在探测器的一侧用导线成对联接，即联组，以形成2毫米信道组，在FOV外侧探测器的另一侧，将一些探测器元用导线联接在一起，即联组，构成3毫米信道组，而将另一些探测器元联组形成2毫米信道组。探测器元的这种联组方式避免了对已知的多片层CT系统进行任何硬件和软件的改变。

此外，为了避免在如上所述的双探测器元联组和三探测器元联组组合中产生不利的虚象和分辨率下降，在数据采集中应用冗余采样模式。具体地说，在利用360°机架旋转过程所采集的任何数据组中，存在两套完整的数据组，如下文中所解释的，经过加权处理之后，看不到清晰的边界。可以应用一种加权算法，按照这种算法，对于三探测器元联组分布给予不足加权，而对于相应的双探测器元分布给予过加权。例如，对于三探测器元信道可以指定一个加权因子α(0≤α＜1)，对于相应的双探测器元信道可以指定一个加权因子2-α。在γ方向的权重应当是连续和可微分的以避免虚象。所以，在双探测器元的加权与相邻的三探测器元加权之间应当存在平滑的过渡区域。类似的加权可以应用于单-双探测器元区域。

上述的双探测器元联组和三探测器元联组组合使得能够在CT系统中增加若干行探测器元，而无需对已知系统的硬件和软件进行较大的改变。此外，通过采用上述加权方法，这种双探测器元联组和三探测器元联组组合不会明显地降低整个图像质量。

附图说明

图1为一个CT成象系统的示意图。

图2为图1所示系统的方块示意图。

图3以示意形式表示根据本发明的一个实施例构成的探测器元联组。

图4表示加权曲线的一个实施例。

具体实施方式

参照图1和图2，图中所示的计算机层析摄影(CT)成象系统10包括一个机架12，代表一台“第三代”CT扫描仪。机架12装备有一个X-射线源14，该X-射线源向位于机架另一侧的一个探测器阵列18发射一束X-射线16。探测器阵列18由若干探测单元20组成，这些探测元件共同探测穿过接受治疗病人22的投射X-射线。每个探测元件20产生一个表示照射的X-射线强度，亦即射线束穿过病人22时的衰减的电信号。在采集X-射线透射数据的扫描过程中，机架12和安装在其上的部件围绕旋转中心旋转。

机架12的旋转和X-射线源的操作由CT系统10的一个控制机构26控制。控制机构26包括一个X-射线控制器28和一个机架马达控制器30，所说X-射线控制器向X-射线源提供电源和时序信号，而所说机架马达控制器控制机架12的旋转速度和位置。控制机构26中的一个数据采集系统(DAS)32从探测元件20中采样模拟数据，并将这些数据转换成数字数据以备后续处理。一个图像重构器34从DAS32中接收经过采样和数字化的X-射线数据，并进行高速图像重构。重构的图像输入到一台计算机36中，该计算机将这些图像存储在一个主存储器38中。计算机36包括一个处理器，在本发明的一个实施例中，该处理器对由DAS32采集的数据进行加权处理，其详细内容如下所述。

计算机36还接收操作者通过包括一个键盘的控制台40输入的命令和扫描参数。操作者通过一台阴极射线管显示器42可以看到重构的图像和其它来自计算机36的数据。计算机36根据操作者输入的命令和参数向DAS32、X-射线控制器28和机架马达控制器30发出控制信号和信息。此外，计算机36还控制一个工作台马达控制器44，该控制器控制一个电动工作台46以使病人22在机架12中定位。具体地说，工作台46移动病人22的一部分穿过机架开口48。

已知的螺旋重构算法一般可以分为螺旋外插算法(HE)或螺旋内插算法(HI)。这些算法通常对投影数据施加一个加权因子以重构一个图像。这个加权因子通常是根据扇形角度和视角确定的。

在对联组探测器阵列的以下描述中，有时特别称之为多片层CT扫描仪，它一般包括由两行、四行、或多行探测元件、或探测器元构成的一个探测器阵列。但是，联组的探测器阵列和信号测量并不仅仅局限于两片层或四片层扫描仪，而是可以应用于具有更多或更少行探测器元的其它多片层CT扫描仪。此外，下述的探测器元联组可以用于单片层探测器中以降低DAS的成本，探测器元联组还可以用于轴向扫描，即步进-摄像模式。

根据本发明的一个实施例，在一个多片层探测器中，探测器信道数和较少的DAS信道数之间的冲突通过将探测器信道联组得到解决，而无需对硬件和软件进行较大的改变。更具体地说，参照图3，区域1中的探测器元在FOV外侧探测器的一侧用导线联接成对，即联组，以构成2毫米信道组。在区域2中位于FOV外侧的探测器另一侧用导线联接在一起，即联组，以构成2毫米信道组和3毫米信道组。这种双探测器元联组和三探测器元联组组合避免了对已知的多片层CT系统的硬件和软件进行任何较大的改变。

具体地说，重构的第一步是将探测器元“解联组(un-gang)”以获得单探测器元数据。这个步骤是在某些初步的标定步骤，例如偏移校正之后进行的。这种“解联组”方法基本上是一种内插方法。例如，可以应用Lagrange内插算子。尽管单探测器元数据可以从双/三探测器元中估算出来，但是会导致分辨率的明显下降。结果，可能出现一些假象。

为了避免在上述的双探测器元联组和三探测器元联组组合中出现不利的虚象和分辨率降低，在数据采集中应用了冗余采样模式。仍然参照图3，位于区域1与FOV之间的边界上的探测器元A和位于区域2与FOV之间的边界上的探测器元B到均匀中心(ISO)之间的距离不同。结果，经过加权之后不会看到清晰的边界。具体地说，在360°机架旋转过程中采集的任何数据组中，都存在两个完整的数据组。加倍的采样数据对满足下列关系式：

其中β₁和β₂为视角，γ₁和γ₂为两个采样值的扇形角。采样对总是位于探测器的相反两侧。与探测器右手侧的三探测器元对应的互补采样对为位于左手侧的双探测器元。

所以，可以应用对三探测器元分布作不足加权和使相应的双探测器元过加权的加权方案。例如，对于三探测器元信道可以指定一个加权因子α(0≤α＜1)，对于相应的双探测器元信道可以指定一个加权因子2-α。在γ方向的权重应当是连续和可微分的以避免虚象。所以，在双探测器元的加权与相邻的三探测器元加权之间应当存在平滑的转换变化。

例如，图3表示了加权曲线的一个实施例。构成互补采样对的双信道具有2-w的权重。为了从双探测器元信道(w＝1)转换(transition)到三探测器元信道，可以指定以下加权因子：

$w\left(x\right)=1-(1-\mathrm{\α})[3{\left(\frac{x}{\mathrm{\δ}}\right)}^2-2{\left(\frac{x}{\mathrm{\δ}}\right)}^3],0\≤x\≤\mathrm{\δ}---\left(2\right)$

其中δ为过渡区宽度，x经过选择使得在双-三探测器元临界处x＝δ。三探测器元到双探测器元的转换只是上述方程的一个简单映射。对于双/单探测器元对可以应用类似的加权方法。

上述双探测器元联组和三探测器元联组组合使得使得能够在CT系统中增加若干行探测器元，而无需对已知系统的硬件和软件进行较大的改变。此外，通过采用上述加权方法，这种双探测器元联组和三探测器元联组组合不会明显地降低整个图像质量。

从以上对于本发明的各个实施例的描述可以看出，显然可以实现本发明的目的。虽然已经详细地解释和图示了本发明，但是很容易理解，上述内容只是以示例的形式描述本发明，而不是以限制的方式描述本发明。例如，这里所述的CT系统是“第三代”系统，在这种系统中X-射线源和探测器都随机架一起旋转。还可以使用许多其它包括“第四代”系统的CT系统，在这种系统中探测器是全环形静止探测器，只有X-射线源随机架旋转。因此，本发明的构思和范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (17)

1.用于计算机层析摄影系统的一种探测器，所说探测器包括：

多个探测器元；其中

位于一个视场中的第一组探测器元；

位于所说视场第一侧的第二组探测器元，所说第二组探测器元中至少一部分探测器元是N联组的，其中N大于或等于1；和

位于所说视场第二侧的第三组探测器元，所说第三组探测器元中至少一部分探测器元是M联组的，其中M大于N。

2.如权利要求1所述的一种探测器，其特征在于在所说第三组探测器元中的至少一部分探测器元是N联组的。

3.如权利要求1所述的一种探测器，其特征在于N＝2和M＝3。

4.如权利要求1所述的一种探测器，其特征在于N＝1和M＝2。

5.如权利要求1所述的一种探测器，其特征在于所说探测器元的信道宽度为1毫米，所说N联组的探测器元的信道宽度为N毫米，所说M联组的探测器元的信道宽度为M毫米。

6.如权利要求1所述的一种探测器，其特征在于所说探测器是一种多片层探测器。

7.如权利要求6所述的一种探测器，其特征在于所说多片层探测器阵列包括2行探测器元。

8.如权利要求6所述的一种探测器，其特征在于所说多片层探测器阵列包括4行探测器元。

9.如权利要求1所述的一种探测器，其特征在于所说探测器是一个单片层探测器。

10.一种计算机层析摄影系统，它包括：

包括多个探测器元的一个探测器，位于一个视场中的第一组探测器元，位于所说视场第一侧的第二组探测器元，所说第二组探测器元中至少一部分探测器元是N联组的，其中N大于或等于1，和位于所说视场第二侧的第三组探测器元，所说第三组探测器元中至少一部分探测器元是M联组的，其中M大于N；和

与所说探测器相连的一个数据采集系统。

11.如权利要求10所述的一种计算机层析摄影系统，其特征在于它还包括与所说数据采集系统相连的一个处理器，所说处理器对于来自所说M联组探测器元的数据分布给予不足加权，而对来自所说N联组探测器元的数据分布给予过加权。

12.如权利要求10所述的一种计算机层析摄影系统，其特征在于它还包括与所说数据采集系统相连的一个处理器，所说处理器对于所说M联组的探测器元应用一个加权因子α，对于所说N联组探测器元应用一个加权因子2-α，其中0≤α＜1。

13.如权利要求12所述的一种计算机层析摄影系统，其特征在于在所说N联组探测器元的加权因子与所说M联组探测器元的加权因子之间存在一个平滑的过渡区域。

14.如权利要求13所述的一种计算机层析摄影系统，其特征在于对于所说N联组探测器元与所说M联组探测器元之间的过渡区域，应用如下式所示的一个加权因子：

$w\left(x\right)=1-(1-a)[3{\left(\frac{x}{\mathrm{\δ}}\right)}^2-2{\left(\frac{x}{\mathrm{\δ}}\right)}^3]---0\≤x\≤\mathrm{\δ}$

其中δ为过渡区宽度，x是经过选择的，使得在N-M探测器元边界处x＝δ。

15.如权利要求10所述的一种计算机层析摄影系统，其特征在于所说探测器元具有1毫米的信道宽度，所说N联组探测器元具有N毫米的信道宽度，所说M联组探测器元具有M毫米的信道宽度。

16.如权利要求10所述的一种计算机层析摄影系统，其特征在于所说探测器是一种多片层探测器阵列。

17.如权利要求10所述的一种计算机层析摄影系统，其特征在于所说探测器是一种单片层探测器。

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