CN1335497A - 计算机层析x射线摄影装置 - Google Patents

Abstract

一种计算机层析X射线摄影装置,其包括一个X射线源(10)、一个滤光装置(16)、一个检测装置(18)以及一个电子分析单元(22),它存储有与变量z有关的校正函数k(z)的信息,并对于每个总衰减值g可按p=g－f－k(αg+βf)分别计算出相应的病人衰减值(p),其中,g表示总衰减值,f是滤光衰减值,它表示射线束在各投影分区内通过滤光装置(16)理论上产生的线性衰减,α与β是常数,k(αg+βf)是表示z=αg+βf时的校正函数值,它可按照本发明的一系列方法计算出。

Description

计算机层析X射线摄影装置

本发明涉及在计算机层析X射线摄影装置中的射束硬化校正。

由于实际物体的光束衰减比的光谱关系，在多色X射线放射时，可观察到穿透物体所射出的X射线的平均能量会移动达到较高能量值。该效应就称作射束硬化。和射线与光谱无关地线性衰减这一理论情况相比较，这一射束硬化效应会在物体的重现图象中通过灰度值偏差显现出来。该灰度值偏差或射线束硬化现象，在重现图象中，会妨碍对图象的准确判断，并且在最坏的情况下，会导致检查医生作出错误的判读。

为了校正因射线束硬化引起的图象假影，在有关文献中提出了许多解决方法。例如，US4709333所公开的一种解决方法是所谓的多项式校正法。其中，从一个通过测量获得的、真实地反映射线穿透物体附带有射束硬化效应的射线衰减程度的衰减值出发，通过该将衰减值插入一个在校准阶段求得的适当的多项式中，可计算出一个校正的衰减值，以此作为重现图象的基础。

本发明提供了另一种用以进行射线束硬化校正的方案。它采用一台计算机层析X射线摄影装置，其包括一个X射线源，一个设置在由X射线源所射出的X射线射束路径上的射束滤光装置以及一个检测装置和一个电子分析单元。其中，该检测装置检测穿透受检病人射出的X射线，并且对病人的每层投影提供一组强度测定值，其中的每个测定值表示在每层投影的投影分区内所测得的X射线的强度。电子分析单元可对于每个强度检测值计算出一个总的衰减值，它表示各投影分区内的X射线束在穿透射束滤光装置和病人后产生的实际总衰减，电子分析单元还对于每个总衰减值求出一个对射束硬化校正后的病人衰减值，该衰减值表示X射线束在各投影分区内穿透病人时理论上产生的线性衰减。

按照本发明，在分析单元中存储与变量z有关的校正函数k(z)的信息，并且分析单元可以被设计成，对于每个总衰减值可按下式分别计算出相应的病人衰减值：

p＝g-f-k(αg+βf)              (1)

其中，p表示计算出的病人衰减值，g表示总衰减值，f是滤光衰减值，它表示射线束在各投影分区内通过滤光装置的理论上的线性衰减，k(αg+βf)是表示z＝αg+βf处的校正函数值，α与β是常数，其中，校正函数k(z)可按照下列方法计算出：

a)首先，对于射线束滤光装置的滤光材料与基准材料的材料组合计算出一组基准总衰减值，其表示至少将射线硬化效应考虑在内的、X射线在滤光材料和基准材料的不同厚度情况下通过该材料组合时所产生的总衰减；

b)然后，按照下式对每个基准总衰减值计算出一个相应的衰减误差值：

e(d_w，d_t)＝g′(d_w，d_t)-w(d_w)-t(d_t)           (2)

其中，e(d_w，d_t)是基准材料的厚度为d_w和滤光材料的厚度为d_t时的衰减误差值，g′(d_w，d_t)是在基准材料的厚度为d_w和滤光材料的厚度为d_t时的基准总衰减值，w(d_w)是第一单项衰减值，其表示X射线在穿透厚度为d_w的基准材料时的理论线性衰减，t(d_t)是第二单项衰减值，其表示X射线在穿透厚度为d_t的滤光材料时的理论线性衰减；

c)接着，这样来确定常数α和β，即，使得变量x的数值按下式

x＝αg′(d_w，d_t)+βt(d_t)       (3)

沿着垂直于衰减误差特性曲线族(g′(d_w，d_t)，t(d_t))内的衰减误差为常数的特性曲线的方向变化；

d)然后，计算与变量x有关的误差函数u(x)的信息，该误差函数表示衰减误差沿一条在衰减误差特性曲线族中的基准曲线v(x)的变化；

e)最后，按照下式计算出校正函数k(z)：

k(z)＝u(x＝z)                  (4)

按照本发明的解决方法，当校正值k等于总衰减值g和线性滤光衰减值f与线性病人衰减p的总和之间的衰减误差时，按等式(1)中得出对于线性病人衰减p的校正值。目前在检查病人时，由于不知道在各受检查的身体层面上衰减系数的局部分布，自然不知道该衰减误差值。因此，在本发明的解决方法中使用一个衰减误差作为校正值k，可利用在检查某种特别均匀的基准材料时已公知的衰减特性来得到这一校正值。为此相宜地选择一种基准材料，其衰减特性近似于人体组织的特性，因此优选采用水作为基准材料。病人的概念在这里代表任意受检查的对象。

为了获得关于衰减误差的信息，可在一个校正阶段中，对前后设置的基准材料以及在射束滤光装置中采用的滤光材料这一材料组合求出其衰减特性。这可以通过计算机模拟来进行；还可以设想，在实验范围内进行具体的测量。由此，可对于滤光材料的多个不同的厚度和对于基准材料的多个不同的厚度计算出基准-总衰减值，它表示X射线通过各种厚度的滤光材料和基准材料的材料组合附带射线硬化效应所产生的总衰减。不言而喻，在这种情况下，作为滤光材料或者基准材料的厚度，指的是对射线束起到有效衰减的材料厚度，也就是在X射线的射束通路方向上的材料厚度。人们可以获得这样一组基准-总衰减值g′(d_w，d_t)，其取决于基准材料的厚度d_w和滤光材料的厚度d_t，并且分别与由基准材料的厚度d_w和滤光材料的厚度d_t组成的一对厚度组合相对应。衰减误差可按照等式(2)由基准-总衰减g′(d_w，d_t)与通过基准材料的线性衰减w(d_w)和通过滤光材料的线性衰减t(d_t)的和之间的差来计算。对于后面两个线性衰减适用下列公式：

w(d_w)＝μ_wd_w                    (5)

t(d_t)＝μ_td_t                    (6)

其中μ_w表示X射线通过基准材料线性衰减的有效衰减系数，μ_t则相应表示X射线通过滤光材料的有效衰减系数。

人们目前可能在尝试，在计算机层析X射线装置的使用中，对一个投影分区中总衰减g的实际数值和滤光衰减f的相关实际数值，计算出衰减误差数值，其中在基准-总衰减g′和通过滤光材料的衰减t具有相等数值的情况下，可得出该衰减误差值，并且由此计算出的衰减误差值e可作为校正值k用于各自的投影分区。然而这可能需要，衰减误差值e依据两个变量，即基准-总衰减g′和滤光材料衰减t制成表格。为了足够精确，这样的衰减误差数值表必须包括很大数目的数值对(g′，t)。为此需要相当大的费用。

采用本发明的解决方案，就可以成功地使衰减误差值e减小到只取决于唯一一个变量。对此，可按照等式(3)导出变量x，其可以表示为一个矢量(α，β)与矢量(g′(d_w，d_t)，t(d_t))的标积。因此，变量x的数值是矢量(g′(d_w，d_t)，t(d_t))在矢量(α，β)方向上的长度值。为了使变量x与衰减误差值e之间形成一一对应，可如此确定矢量(α，β)，即，使矢量(α，β)垂直于衰减误差e的(g′，t)特性曲线族中的衰减误差e为恒定值的特征曲线。这等于是变量x的数值从一条衰减误差值为常数的特性曲线变化到另一条衰减误差值为常数的特性曲线。

为了更好地理解上述关系，可参见图1，其示出了一示例性的关于(g′，t)的衰减误差特性曲线族，其中示出了许多条衰减误差值为恒定值的特性曲线，并且对每条特性曲线还分别标出了相关的衰减误差值。需要注意的是，由于衰减误差按照等式(2)来确定，其值总是负的。衰减误差绝对值随g′和t的增大一直增长。由图1所示，衰减误差值在一族平行直线上近似保持恒定。这一意外的认识有助于按等式(3)进行坐标转换。

对所述矢量(α，β)这样来确定，即，使其基本上垂直于上述直线。就α值来说，要选择这法向矢量在(g′，t)特性曲线族的g′轴方向上的长度，就β值来说，则选择该法向矢量在(g′，t)特性曲线族的t轴方向上的长度。在此，为简便起见，可假设α＝1。对于在上述直线族的每条直线上的每对数据对(g′，t)来说，变量x基本上具有相等值。这意味着，在该情况下，按照上述等式(3)进行坐标变换可以使直线族中的每条直线与一个x值一一对应，从而使每个x值与一个衰减误差值一一对应起来。为了清楚表示这一点，在图1所示实施例中绘出一个垂直于直线或特性曲线e＝-0.06的法向矢量n。此外还示出了另一个矢量g，它属于在直线e＝-0.06上的一数值对g′和t。从图中很容易看出，每个指向直线e＝-0.06的矢量在法向矢量n方向上均具有相同的投影长度，因而具有相同的x数值。

在按照等式(3)经过坐标转换将两个变量g′和t减少到一个变量x之后，还要找到衰减误差值e的数值与变量x的数值之间的联系。为此可以定义一个取决于变量x的基准曲线v(x)，沿着这条基准曲线可以求出衰减误差e的外形轮廓。v(x)应如此选择，其中每个x数值均对应于一个独自的函数值v(x)。此外，还应将基准曲线v(x)设置在(g′，t)特性曲线族中，使之穿过特性曲线族的一定区域，在这一区域中预计会出现检查某个病人所得到的由总衰减值g和滤光衰减值f组成的所有数值对中的绝大部分。基准曲线v(x)尤其应位于最重要的g和f数值对附近。在最简单的情形下，人们将基准曲线v(x)固定设置为直线，亦即

v(x)＝Cx                    (7)

其中C是一常数。该常数值C根据前述对基准曲线v(x)位置的要求来选择。

可以理解，原则上还可以选择任何其它形式的基准曲线v(x)来代替直线形式的基准曲线。人们可以用下式来定义一个直角x-y坐标系统：

y＝-βg′(d_w，d_t)+αt(d_t)                        (8)

并且通过下式来描述基准曲线：

y＝v(x)                               (9)

由此通常对于误差函数u(x)有下式，其沿基准曲线v(x)给出衰减误差值e： $u\left(x\right)=e\left(g^{,}(x,v(x)\right)$ $(x,v\left(x\right)))$ $\frac{\mathrm{\αx}-\mathrm{\βv}\left(x\right)}{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}$ $\frac{\mathrm{\βx}+\mathrm{\αv}\left(x\right)}{{\mathrm{\α}}^{2+}{\mathrm{\β}}^2}$ $---\left(10\right)$

在上述等式(10)中，e的第一项自变数表示衰减误差按图1沿特性曲线族的g′轴的坐标值，而第二项自变数则表示t坐标值。误差函数u(x)可以作成查找表的型式。还可以考虑，借助于一个数学公式来表示衰减误差e沿基准曲线v(x)的变化。多项式近似法在这里可以得到好的结果。已经表明，通常采用一个如下的四级多项式：

u(x)＝a₄x⁴+a₃x³+a₂x²+a₁x             (11)

就足以用可接受的精度对衰减误差沿基准曲线v(x)的变化走向进行近似。

需要注意的是，衰减误差e为常数的特性曲线实际上在通常情况下并不是精确的直线，而且它们也不是精确地相互平行。由于这个原因，虽然人们可以对于位于一条基准曲线v(x)上的(g′和t)数值对获得一个函数值u(x＝αg′+βt)，该函数值基本上精确相应于衰减误差值e在数值对(g′，t)时的值。然而对于不位于基准曲线v(x)上的(g′和t)数值对，人们却只能获得相对于有关数值对(g′，t)时的误减误差e实际数值可能会有微小偏差的函数值u(x＝αg′+βt)。在那些衰减误差e为恒定值的特性直线附近(对于这些特性直线分别确定出其法向矢量n以及相应的α和β值)，函数值u(x)和衰减误差e的实际数值之间的一致性特别高。

本发明因此建议，对于这样一条衰减误差e为恒定值的直线来确定法向矢量，即，该直线穿过检查病人所得到的绝大部分数值对(g，t)预计所在的区域。在图1的特性曲线族中，例如，最佳的选择是直线或特性曲线e＝-0.2。

在图2和图3示出的(g′，t)特性曲线族中示出了剩余误差为常数的特征曲线，其中，剩余误差是通过相对于各g′和t数值对所计算出来的函数值u(x)和由图1的特性曲线族中获取的衰减误差e的实际数值之间的差来确定。图2示出了其中一个实施例，其中函数u(x)可制成查找表，而在图3的实施例中，函数u(x)可制成四级多项式。人们可以看到，在这两种情况下，在特性曲线族范围内剩余误差的量较小，可以忽略，尤其是在图2中，人们可以看得更清楚，剩余误差近似沿着直线g′＝(l/γ)t(其中γ大约为0.1)而消失，该直线g′＝(l/γ)t可用作计算衰减误差图形的基准曲线。

此外，在图2和图3中还示出了取数值对(g′，t)的各点，其通过对三个10，20或30cm直径的同心水模型投影照射来获得，其中，P1表示的点划线是在10cm直径的水模型情况下所得；P2表示的点划线在20cm直径的水模型情况下所得；而P3表示的点划线则是在30cm直径的水模型情况下所得。可以清楚地看到，对于所有三个水模型所获得的g′和t数值对都位于特性曲线族的一个区域中，在该区域中，不仅在将误差函数u(x)制成查找表的情况下而且在通过多项式函数模拟误差函数u(x)情况下，剩余误差均非常小。

在图1-3所示结果中，是在使用水作为基准材料和使用聚四氟乙烯(Teflon)作为滤光材料的情况下而获得的。然而已表明，即使在其他滤光材料情况下(如铝)，衰减误差e为常数的特性曲线在(g′，t)特性曲线族中也近似可认定为是一族相互平行的直线，因此在使用其他滤光材料的情况下也可按上面所述来计算误差函数u(x)。同样地，也可采用其它不同于水的基准材料。

图4示出一个计算机层析X射线摄影装置的基本结构。其中用10表示X射线源，用12表示照射在病人14上的扇形X射线。在X射线源10与病人14之间所设置的成型滤光器16将针对射线扇面12的边缘区域的X射线放射进行衰减，主要是考虑到让病人14的所有透射区域都有均匀的辐射负荷。在病人14后面的辐射路径上所设置的检测装置18可检测透射过病人14的X射线的强度。检测装置18由许多在射线扇面12扇形角的方向上相邻设置的检测元件20构成，这些元件分别覆盖了整个由射线扇面12代表的投影区域的各投影分区。每个检测元件20均可向一个电子分析单元22提供一个表示各相应投影分区内的辐射强度的辐射强度测值。分析单元22由所得强度值可以以公知的方式计算出前述总衰减值g，该总衰减值g表示X射线通过病人14和成型滤光器16在各投影分区内所产生的实际总的衰减。图象再现所必需的线性病人衰减值p可按等式(1)由分析单元22来计算。对于校正值k(z＝αg+βt)，按照等式(4)可很容易地引用误差函数值u(x＝z)。误差函数u(x＝z)为此可存储到分析单元22中，也就是说，如前面所述或是以表的形式或是以算式的形式存储。不言而喻，相宜地可以针对制成成型滤光器16的某种滤光材料来求出误差函数u(x)。

另外还需补充一下，在模拟基准-总衰减误差值g′(d_w，d_t)的情况下，除了可模拟光束硬化效果以外还可模拟光束散射效果。如果在一系列测试范围内通过实验计算出基准-总衰减误差值g′(d_w，d_t)，那么光束散射效应自然就会影响到测量值。

Claims (12)

1.一种计算机层析X射线摄影装置，其包括：

一个X射线源(10)；

一个设置在由X射线源(10)所放射出的X射线的光束路径上的滤光装置(16)；

一个检测装置(18)，它用以检测穿透受检病人(14)射出的X射线光，并且对病人(14)的每层投影提供一组强度测定值，其中的每个测定值表示在每层投影的投影分区内所测得的X射线的强度；

一个电子分析单元(22)，它可对于每个强度检测值计算出一个总的衰减值(g)，该总衰减值表示各投影分区内的X射线束在穿透射线束滤光装置(16)和病人(14)后所产生的实际总衰减，该电子分析单元(22)还对于每个总衰减值(g)求出一个对射束硬化校正后的病人衰减值(p)，该衰减值表示X射线束在各投影分区内穿透病人(14)时理论上产生的线性衰减，

其特征在于，在分析单元(22)中存储与变量z有关的校正函数k(z)的信息，并且该分析单元(22)被设计成，对于每个总衰减值(g)可按下式分别计算出相应的病人衰减值：

p＝g-f-k(αg+βf)                          (1)

其中，p表示计算出的病人衰减值，g表示总衰减值，f是滤光衰减值，它表示射线束在各投影分区内通过滤光装置(16)理论上产生的线性衰减，k(αg+βf)是表示z＝αg+βf时的校正函数值，α与β是常数，其中，校正函数k(z)可按照下列方法计算出：

a)首先，对于射线束滤光装置(16)的滤光材料与基准材料的材料组合计算出一组基准总衰减值(g′)，其表示至少将射线硬化效应考虑在内的、X射线在滤光材料和基准材料的不同厚度情况下通过该材料组合所产生的总衰减；

b)然后，按照下式对每个基准-总衰减值(g′)计算出一个相应的衰减误差值(e)：

e(d_w，d_t)＝g′(d_w，d_t)-w(d_w)-t(d_t)    (2)

其中，e(d_w，d_t)是基准材料的厚度为d_w和滤光材料的厚度为d_t时的衰减误差值，g′(d_w，d_t)是在基准材料的厚度为d_w和滤光材料的厚度为d_t时的基准总衰减值，w(d_w)是第一单项衰减值，其表示X射线在穿透厚度为d_w的基准材料时的理论线性衰减，t(d_t)是第二单项衰减值，其表示X射线在穿透厚度为d_t的滤光材料时的理论线性衰减；

c)接着，这样地确定常数α和β，即，使得变量x的数值按下式

x＝αg′(d_w，d_t)+βt(d_t)              (3)

沿着垂直于衰减误差特性曲线族(g′(d_w，d_t)，t(d_t))内的衰减误差为常数的特性曲线的方向变化；

d)然后，计算与变量x有关的误差函数u(x)的信息，该误差函数表示衰减误差沿一条设在衰减误差特性曲线族中的基准曲线v(x)的变化；

e)最后，按照下式计算出校正函数k(z)：

k(z)＝u(x＝z)                    (4)

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基准-总衰减值(g′)可通过计算机模拟来求得。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基准-总衰减值(g′)可通过测量来求得。

4.按照权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，采用水作为基准材料。

5.按照权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，α和β可作为一个矢量(n)的坐标来确定，该矢量(n)在衰减误差特性曲线族图中基本上与一条衰减误差为常数的特性曲线正交，其中，α是该矢量(n)沿特性曲线族的g′(d_w，d_t)轴的坐标，β是该矢量(n)沿特性曲线族的t(d_t)轴的坐标。

6.按照权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，基准曲线v(x)至少部分地位于衰减误差值-特性曲线族的一个区域中，在该区域中预计会出现检查病人(14)所产生的由总衰减值(g)和滤光衰减值(f)所组成的数值对中的绝大部分。

7.按照权利要求1-6中任一项所述的装置，其特征在于，选择v(x)＝Cx形式的一条直线作为基准曲线v(x)。

8.按照权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，误差函数u(x)可作为数学公式求出，并存储在分析单元(22)中。

9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，所述误差函数u(x)通过多项式近似来求出。

10.按照权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，误差函数u(x)可作为表格形式求出，并存储在分析单元(22)中。

11.按照权利要求1-10中任一项所述的装置，其特征在于，采用聚四氟乙烯作为滤光材料。

12.按照权利要求2-10中任一项所述的装置，其特征在于，使用铝作为滤光材料。

Images