CN1517073A - 带有至少两组辐射源-检测器组件的成像断层造影设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像断层造影设备(1)，尤其是一种X射线计算机断层造影设备，其具有两台可绕一个共同的旋转轴(9)上的旋转中心(D)转动、且彼此之间保持不变的方位角间隔的拍摄系统。每台拍摄系统具有一个带有焦点(F1或F2)的辐射源(11或15)以及一个各带有多个检测元(13a，13b，13c…，17a，17b，17c…)的检测器(13或17)，使得两台拍摄系统作了一个将想像的“第一焦点(F1)－旋转中心(D)”的连接线移送到“第二焦点(F2)－旋转中心(D)”的想像连接线的先前位置这样的共同转动后，至少使第一检测器(13)的一些检测元(13a，13b，13c…)处在相对于第二检测器(17)的检测元(17a，17b，17c…)的先前位置偏转了一个偏移角。

Description

带有至少两组辐射源-检测器组件的成像断层造影设备

技术领域

本发明涉及一种成像断层造影设备，尤其是一种X射线计算机断层造影设备，其带有至少

-一台第一拍摄系统，包括一个第一辐射源和一个以多个排成行的检测元来检测由该第一辐射源的第一焦点发出的射线的第一检测器，和

-一台第二拍摄系统，包括一个第二辐射源和一个以多个排成行的检测元来检测由该第二辐射源的第二焦点发出的射线的第二检测器，

其中，这两台彼此间具有一个沿方位角方向不变的角度间隔的拍摄系统可绕一个共同的旋转轴上的旋转中心转动。

背景技术

这种断层造影设备例如由美国专利说明书US 4 991 190、US 4 384 359、US 4 196 352、US 5 966 422和US 6 421 412 B1公开。这种具有多台拍摄系统的断层造影设备相对于一种带有一台单一拍摄系统的设备的优点在于：增大了数据接收速率，这会导致较短的拍摄时间；和/或提高了时间分辨率。缩短拍摄时间是有利的，因为这样一来由于患者的自愿或非自愿的运动和或由于心律失常而在重建图像上产生的运动伪影减少了。如果例如借助螺旋扫描来对一个如心脏这样较大的体积进行扫描时，这是特别有意义的。提高时间分辨率例如对于描述运动过程是必要的，因为必须在尽可能短的时间内接收那些为重建图像所利用的数据。迄今为止，这一点试图通过提高拍摄系统的转动速度来达到，然而随着转动速度加快该加速力及由此而引起的机械问题大大增加了。这类问题可以通过采用本说明书开始部分所提到的、具有多个沿方位角方向彼此间隔设置的(即彼此可旋转的)断层造影设备(也就是辐射源-检测器组件)来解决。对于将这样的螺旋重建算法用于从检测器获取的原始数据来重建图像的情况，这只需要角度间隔为180°的投影数据，则尤其优选本说明书开始部分所描述的断层造影设备，因为在例如存在两台拍摄系统时拍摄时间会减少到对整圈旋转所需要的测量时间的四分之一。这样一种运行方式对本发明是十分有利的。

在德国专利申请公开说明书DE 199 53 613 A1和DE 198 32 972 A1中分别描述了一种所谓的“弹性-焦点”，利用它在相同的检测分辨率条件下能增加用于图像计算的数据量，从而可作精细扫描和提高图像质量。对此要求用于电子束的偏转器件，这将改变X射线管中的焦点位置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是改善本说明书开始部分所提到的那一类断层造影设备，使其有可能进行特别精细的扫描。

按照本发明，上述技术问题是在本说明书开始部分所提到的那类断层设备的基础上通过下述方式来解决的：这些检测器这样安装在各自的拍摄系统上，使得在两台拍摄系统作了一个将想像的“第一焦点-旋转中心”的连接线移送到“第二焦点-旋转中心”的想像连接线的先前位置这样的共同转动后至少使第一检测器的一些检测元处在相对于第二检测器的检测元的先前位置偏转了一个偏移角。

因而，本发明涉及一种带有两台或多台用于记录来自多个不同投影装置的投影数据、尤其用于对检测对象进行层析拍摄和/或三维扫描的拍摄系统的断层造影设备的改进发展。本发明基于下述基本构思：通过将拍摄系统的检测器彼此相对地以特定的方式安装，可以用一个带有多台拍摄系统的断层造影设备来实现一种“弹性焦点”的功能而不必在X射线管中使用昂贵的偏转手段。本发明的另一种理解基于：在一种十分快速转动的CT设备中实现一种通用的“弹性焦点”时会出现问题，因而在一个多管系统中实现“弹性焦点”的功能是特别有利的。

使用本发明的断层造影设备在保持相同的检测器分辨率(即沿方位角方向排列的检测元的数量和间隔保持不变)时可以对检测对象或患者进行相当于所述弹性焦点作用的精细扫描。由此也就减少了扫描错误(伪影)。本发明的这种有利作用尤其在涉及所探测的X射线扇面的边缘射线时甚至可以超过通用的弹性焦点的作用，从而在最有利的情况甚至可以在图像重建时省去一个为抑制伪影而设置的低通滤波器。

为了测量两台拍摄系统之间不变的角间隔，尤其引入了在各自的焦点和该旋转轴上共同的旋转中心之间的想像连接线。在这两条连接线之间相对于旋转中心测量该角间隔。

所提到的为将一台拍摄系统移送到另一拍摄系统先前位置而进行的共同旋转运动的旋转角，可以与两台拍摄系统之间不变的角间隔是相同的。所提到的共同旋转运动不必强制性地为一种有始有终的运动，它宁可置入于一个连续运行的扫描旋转运动中。这也不必强制在所提到的共同旋转运动之前和/或之后的位置获取投影数据。

两台拍摄系统的检测器分别具有多个沿方位角方向排列的检测元。按照一种优选的结构，第一检测器的检测元彼此间具有一个与第二检测器的检测元彼此间相同的检测元间隔。至少在局部区域实现相同的以角度或弧长度量的检测元间隔。

在另一种优选的结构中，偏移角等于所述检测元间隔的一部分1/n，其中n是拍摄系统的数量。尤其对于n＝2情况优选偏移角等于半个检测元间隔。

在本发明的断层造影设备中，两检测器是准偏移组装，从而在进行共同旋转运动后第一拍摄系统基本上位于第二拍摄系统的先前位置，但第一拍摄系统的位置出现了一个偏移。于是，第一拍摄系统可以在位于由第二拍摄系统先前所作扫描的中间位置获取投影数据。

偏移不是指拍摄系统本身，而宁可是检测器相对于拍摄系统的布置，其角位置分别通过“焦点-旋转中心”的连线(基本上与中心射线相同)来定义。

按照另一种优选的结构，对于两个检测元(尤其特别优选至少为最靠近各自中心射线的两个检测元)的两个角位置之差，适用的是其为半个检测元间隔的奇数整数倍，其中

-两角位置之一表示第一检测器的一个检测元的位置，其在该“第一焦点-旋转中心”想像连接线和一条“第一焦点-检测元”想像连接线之间环绕第一焦点进行测量，

-另一个角位置表示第二检测器的一个检测元的位置，其在该“第二焦点-旋转中心”想像连接线和一条“第二焦点-检测元”想像连接线之间环绕第二焦点进行测量。

在这里，检测元的位置可以在任意的、但各自在相同的位置(例如在检测元的中央)进行测量。

所提到的关于两角位置之差的测量规则也可应用于在一检测行内部检测元间隔不是常数的情况。在这种情况下，必须彼此相互满足至少为同类测量元的测量规则。

本发明在一种包括两台或多台带有不同尺寸扇面角或测量场的拍摄系统的断层造影设备中也是有优点的。尤其在这种情况下，由这两台拍摄系统绕旋转轴转动扫描的最大测量场具有不同的尺寸，和/或可将这两台拍摄系统的测量场调节到不同的尺寸。这可以是，两台拍摄系统的最大扇面开口角具有不同的尺寸和/或两台拍摄系统的扇面开口角可调节到不同的尺寸。也可以是两检测器沿方位角方向测量的长度具有不同的尺寸。在对一名患者进行医疗诊断时，如果将第一测量场用于对患者整个身体横截面进行扫描，第二测量场用于对该患者身体横截面的一部分(尤其是心脏区域)进行扫描，则特别有利。

优选在本发明的断层造影设备中将两台拍摄系统设置在一个共同的平面内。这样一来，尤其减少了因患者的一种非故意运动(呼吸等)而造成的伪影。

但是还可想到这样的结构，其中两台拍摄系统沿着旋转轴的方向彼此有间隔和/或彼此可以有间隔地定位。如果对一个较大体积的拍摄应当在尽可能短的时间内无辐射源的冷却间歇地进行，则这种优选的结构特别有利。在这种情况下，优选两台拍摄系统的轴向间隔等于一台拍摄系统沿轴向(即平行于旋转轴的方向)扫描的物体区域或其整数倍。这就意味着：如果两台拍摄系统彼此沿轴向偏离一个距离d，则在一个扫描区或患者卧塌装置的移动行程为d时扫描一个2d区域。

按照一种优选的改进结构，本发明的断层造影设备具有一台可用于控制辐射源的控制和/或成像计算机，且其这样构成，使得可以在利用两台拍摄系统的投影数据或原始数据和考虑检测元之间的偏移角的条件下完成一幅图像的重建。

优选该图像的重建可以用比无偏移角方式更精细的分辨率来完成。

按照另一种优选的改进结构，该断层造影设备具有一个这样构成的操作装置或操作单元，使得一个操作人员(例如一个医生或一个护士)至少可在一个带有正常分辨率的第一扫描模式和一个考虑了偏移角和带有提高了的分辨率的第二扫描模式之间进行选择。

附图说明

下面结合图1至图6对本发明断层造影设备的三种实施方式作详细说明：

图1是本发明的一种断层造影设备的第一种实施方式的整体透视图；

图2图1所示断层造影设备的两台拍摄系统的横断面图；

图3示出了图2的另一些细节；

图4示出了本发明断层造影设备第二种实施方式的两台拍摄系统的横断面图；

图5示出了本发明断层造影设备第三种实施方式的两台拍摄系统的横断面图，尤其用于说明角度定义；

图6示出了本发明断层造影设备第三种实施方式的两台拍摄系统的横断面图，用于说明其它的角度定义。

具体实施方式

图1示出了断层造影设备1的第一种实施方式，在那里为一台用于对患者5进行拍摄的X射线计算机断层造影设备和一个供患者5躺卧的卧塌装置3。借助该卧塌装置3的一块可运动的台板可以将患者5要检查或扫描的部位送到该断层造影设备1的壳体8中的一个开口7(直径70cm)内。此外，在进行螺旋扫描时还要将卧塌装置3作连续轴向送进。

在壳体8的内部，一个在图1中不可看到的支架(测量车)可围绕一个通过患者5的旋转轴9按较高速度旋转。

设置了一台操作单元10，以供一名医生或类似人员来操作此断层造影设备1。

为了实现短时间扫描和/或提高分辨率，在支架上安装了多台拍摄系统，例如两台拍摄系统(n＝2)。两拍摄系统的第一台具有一个X射线管作为第一辐射源11和一个八行(八排)X射线检测阵作为第一检测器13。第二拍摄系统具有一个另外的X射线管作为第二辐射源15和一个另外的八行(八排)X射线检测阵作为第二检测器17。两个辐射源11、15和两个检测器13、17在支架上的布置在断层造影设备的运行期间是固定的，因而在运行期间它们的相对距离是不变的。

X射线检测阵是在一个可以电子读出的闪烁陶瓷(即一个所的UFC-陶瓷)的基础上建立的。还可以采用所谓的表面检测器，例如带有256行或更多行的表面检测器。

两个连续扫描的拍摄系统的投影数据在一个控制和成像计算机18中利用一个图像重建算法加工成CT相片。在此，两台拍摄系统的投影数据首先综合(混合)成一个共有的投影原始数据组。

图2和图3示出了图1中两台拍摄系统的详细情况。尤其描述了两个辐射源11、15(焦点F1或F2)如何在一个共同的环行轨道19上沿箭头方向围绕旋转轴9的旋转中心D旋转，为下一个图像重建获取来自不同投影角度的原始数据。在图2的横断面图上，该检测器13或17的一行分别用各自的检测单元13a、13b、13c或17a、17b、17c，…来表示。两个检测器13、17的检测分度是相同的。投影角度间隔可以、但不是必须与检测分度相同。

弯曲的检测器13或17的相应辐射源11或15各自聚焦的弧长或长度L1或L2是不同的，从而在图2中对两台拍摄系统形成不同尺寸的可检测X射线射束。第一拍摄系统为了形成图像可以利用一个带有边缘射线21、中心射线23和一个最大扇形开口角2β_1max为约55°的X射线束。相应，第二拍摄系统可以利用一个带有边缘射线25、中心射线27和一个最大扇形开口角2β_2max为约25°的X射线束。鉴于由两台测量系统进行旋转扫描，由此对第一测量系统产生一个约为50cm直径的最大测量场31，对第二拍摄系统产生一个仅为25cm直径的相对较小的最大测量场35。

第一测量场31布置成扫描该患者5整个身体的横截面，第二测量场35布置成仅扫描该患者的心脏区域。

一个操作人员可以在操作装置10上选择下述运行模式：

在该断层造影设备1的一种身体运行模式中，下一个图像重建的原始数据由第一拍摄系统的第一测量场31来获取。该第二拍摄系统、尤其是第二辐射源15在这种模式中可以是不起作用的。则该患者5的整个身体横截面以通常的时间分辨率进行扫描。

按照本发明，在该断层造影设备1的一种心脏运行模式中，由两台拍摄系统来获取原始数据。在这种模式中，第二测量场35以相对于仅有一台拍摄系统的设备而言提高了时间分辨率和提高了数据速率的方式进行扫描。在这种情况下，第一检测器13仅利用一个相对于其整个长度L1来说缩短了的长度L1′，其基本上与该较小检测器17的长度L2相同。在两测量场31、35的两边界之间的环形区域通过患者5的X射线即可能未被利用，从而可能具有这样的优点：在心脏运行模式时将第一拍摄系统实际扇形开口角2β₁调节到一个小于该第一拍摄系统最大扇形开口角2β_1max的值，尤其是调节到与第二拍摄系统的最大扇形开口角2β_2max相同。在图2中示出了相应的边界射线37。

为了使由辐射源11或15的X射线束聚焦到旋转轴方向，也就是选择一个或多个检测行，分别在两者的辐射源侧为第一拍摄系统配置一个第一聚焦装置41和为第二拍摄系统配置一个第二聚焦装置45。例如，这两个聚焦装置41、45可以分别具有两个可沿着平行于旋转轴9的方向移动的光阑(Blendenbacke)。

为了满足不同尺寸扇面开口角的可调节性，尤其是为了将第一拍摄系统的扇面开口角减小到2β₁值，设置了一个在图3中示意表示的、用于减少两测量场边界之间环形区内射线的组件51。该组件例如是另一个附属于第一聚焦装置41的、带有图中示意表示的可沿着与旋转轴9相垂直的方向(即在等高面内)移动的光阑(双箭头54)。作为替换方式，该组件51或者附加设计成形状过滤装置55，或者具有这样一个形状过滤装置。图中示意表示了两个不同的形状过滤器56、57，其中一个用于所提到的身体运行模式，另一个用于所提到的心脏运行模式。

正如由图2观察通过检测器13或17的线23或27的走向时已可看到，两检测器13、17不仅具有不同的尺寸，而且对于各自的拍摄系统而言以不同的方式组装。这将在下面结合图3作详细说明。在图3中引入了等距的检测分度或检测元间隔Δβ。

下面，对每台拍摄系统的位置用一个想像的“第一焦点F1与旋转中心D”的连接线和“第二焦点F2与旋转中心D”的连接线来定义。在该实施方式中这两条线与中心射线23或27(见图2)是同一条。

在拍摄系统为n台时，拍摄系统之间至少在拍摄期间保持不变的方位角间隔α基本上优选为360°/(2n)，即在图1至图3中的实施方式(n＝2)基本上为90°，从而在转过了整个旋转行程的1/(2n)后累积扫描了一个180°的角度区域，这个区域对大多数下面所述的图像重建算法来说是足够了。与本发明相联系，优选采用半周投影数据就已够用的螺旋重建算法。

第一拍摄系统的检测器13相对于“第一焦点F1-旋转中心D”的连接线安装成与第二拍摄系统相比沿方位角方向偏移了半个元间隔Δβ或半个检测分度的奇数整数倍。最优选的情形是偏移Δβ/2。

对单个的检测元而言允许拟定一个类似的安装规则。在此，γ₁表示第一检测器13的一个任意检测元13a、13b、13c…在该“第一焦点F1-旋转中心D”想像连接线和一条“第一焦点F1-检测元13a、13b、13c…”想像连接线之间测得的环绕第一焦点F1的角位置，γ₂表示第二检测器17的一个任意检测元17a、17b、17c…在该“第二焦点F2-旋转中心D”想像连接线和一条“第二焦点F2-检测元17a、17b、17c…”想像连接线之间测得的环绕第二焦点F2的角位置。检测元13a、13b、13c、…，17a、17b、17c…在图3中分别以检测元边缘侧来测量。

两检测器13、17这样安装，使得两角位置γ₁、γ₂之差γ₁-γ₂是半个检测元间隔Δβ的奇数整数倍2N+1：

γ₁-γ₂＝(2N+1)×Δβ/2  ，其中N＝0，1，2，3…  (公式1)

所提到的安装规则起到这样的作用，使得支架转过了角间隔α后，第一检测器13的检测元13a、13b、13c…相对于转动前第二检测器17的检测元17a、17b、17c…的先前位置偏移半个检测分度。这在图4中示意地对一个第二种实施方式作了描述，其中为清楚起见每个检测器排或检测器行仅有8个检测元。在这种实施方式中，检测器13和17以及因此最大可能的扇面角或测量场相对于第一种实施方式的尺寸相同。

在第一时刻，该CT设备的旋转部件位于用实线表示的位置。在支架顺时针转动了α＝90°后在约为1/4秒的稍晚的时刻到达了用虚线表示的位置。检测元13a、13b、13c…位于先前由第二检测器17的检测元17a、17b、17c…占有的角位置的中间位置。第一阵列的检测元也就偏移了半个检测元间隔Δβ，也就处于准“先前间隙”。这就允许对患者5作特别精细的扫描，否则仅在带有一个划分更细的、难于制造的检测器单元分布才有可能。

第一检测器13的虚线位置当然也可以不遵照公式1的安装规则在通过在该虚线位置拍摄一个附加的投影数据组(附加的照射)来达到，然而相应的焦点F1则不位于所示的位置。这就表示本发明首先针对的是精细扫描(“虚拟的精细检测分布)，而不是首先着眼于细分或增加不同的投影装置。

在图4中仅出于清楚原因将检测元13a、13b、13c…表示成处于径向向外位置。优选它们与第二检测器17的检测元17a、17b、17c…处于相同的环形轨道上。

在上述公式1中，N＝0表示两检测元具有相同的位置，例如各自的第一或中间检测元彼此相关。在图5中的第三个实施方式中，对于两个尺寸相同、每个检测排或检测行各带有14个检测元的检测器13、17描述了N＝0的情况。分别按顺时针计数观察第八个检测元，其中该检测元的中点作为每个检测元的位置。在图6中，对与图5相同的设备描述了N＝4的情况，即彼此相关的检测元设置在其检测器中的不同位置。

重要的是角位置γ₁、γ₂相对于各自的F1或F2、也就是相对于各自的拍摄系统、而不是相对于公用的旋转中心D测量。

如果将检测器13或17的两个任意检测元13a、13b、13c…、17a、17b、17c…沿方位角的角间隔用一个共同的相关点给出，则应该注意到对于图6中引入的角δ适用：δ＝α+(γ₁-γ₂)，从而由公式1得出：

            δ＝α+(2N+1)×Δβ/2    (公式2)

但是，相应的相关点从实际考虑意义很小。在一定条件下有用的是相对于旋转中心D的量度。在假定较小的角度γ₁、γ₂情况以及假定焦点和检测元分别与旋转中心D具有大体相同的间隔，对于相应的角间隔δ′来说适用δ′≈α+2×(γ₁-γ₂)。由公式1得到的安装规则为：

              δ′≈α+(2N+1)×Δβ   (公式3)

这里的角间隔δ′基本上也为该整个检测元间隔Δβ的奇数整数倍，即2N+1倍。

在图1至图6所示的断层造影设备1的实施方式中两台拍摄系统、即尤其是各自辐射源和检测器之间的连接线(于是如各自的中央部位的射线23或27)设置在一个由图2至图6示出的共同平面内。在这种结构中，CT设备尤其适用于描述高时间分辨率的运动过程。

虽然在实施方式中仅描述了带有两台拍摄系统的断层造影设备，作为本发明基本的构思还可用于带有三台或更多拍摄系统的断层造影设备。

Claims (9)

1.一种成像断层造影设备(1)，尤其是一种X射线计算机断层造影设备，其带有至少

-一台第一拍摄系统，包括一个第一辐射源(11)和一个以多个排成行的检测元(13a，13b，13c…)来检测由该第一辐射源(11)的第一焦点(F1)发出的射线的第一检测器(13)，

-一台第二拍摄系统，包括一个第二辐射源(15)和一个以多个排成行的检测元(17a，17b，17c…)来检测由该第二辐射源(15)的第二焦点(F2)发出的射线的第二检测器(17)，

其中，这两台彼此间具有一个沿方位角方向不变的角度间隔(α)的拍摄系统可绕一个共同的旋转轴(9)上的旋转中心(D)转动，其特征在于：所述检测器(13，17)这样安装在各自的拍摄系统上，从而在两台拍摄系统作了一个将想像的“第一焦点(F1)-旋转中心(D)”的连接线移送到“第二焦点(F2)-旋转中心(D)”的想像连接线的先前位置这样的共同转动后，至少使第一检测器(13)的一些检测元(13a，13b，13c…)处在相对于第二检测器(17)的检测元(17a，17b，17c…)的先前位置偏转了一个偏移角。

2.按照权利要求1所述的断层造影设备(1)，其特征在于：所述第一检测器(13)的检测元(13a，13b，13c…)彼此间具有一个与第二检测器(17)的检测元(17a，17b，17c…)彼此间相同的检测元间隔(Δβ)。

3.按照权利要求2所述的断层造影设备(1)，其特征在于：所述偏移角等于所述检测元间隔(Δβ)的一部分1/n，其中n是拍摄系统的数量。

4.按照权利要求2或3所述的断层造影设备(1)，其特征在于：所述偏移角等于半个检测元间隔(Δβ)。

5.按照权利要求1至4中任一项所述的断层造影设备(1)，其特征在于：对于所述第一检测器(13)的一个任意检测元(13a、13b、13c…)在该“第一焦点(F1)-旋转中心(D)”想像连接线和一条“第一焦点(F1)-检测元(13a、13b、13c…)”想像连接线之间测得的环绕第一焦点(F1)的角位置(γ₁)，和对于所述第二检测器(17)的一个任意检测元(17a、17b、17c…)在该“第二焦点(F2)-旋转中心(D)”想像连接线和一条“第二焦点(F2)-检测元(17a、17b、17c…)”想像连接线之间测得的环绕第二焦点(F2)的角位置(γ₂)，适用的是两个角位置(γ₁，γ₂)之差(γ₁-γ₂)是半个检测元间隔(Δβ)的奇数整数倍(2N+1)。

6.按照权利要求1至5中任一项所述的断层造影设备(1)，其特征在于：所述两台拍摄系统设置在一个共同的平面内。

7.按照权利要求1至6中任一项所述的断层造影设备(1)，其特征在于：这样构成一台控制和/或成像计算机(18)，使得一幅图像的重建可以在利用两台拍摄系统的投影数据或原始数据和考虑检测元(13a，13b，13c…，17a，17b，17c…)之间的偏移角的情况下完成。

8.按照权利要求7所述的断层造影设备(1)，其特征在于：所述图像的重建可以用一个比无偏移角的方式更精细的分辨率来完成。

9.按照权利要求7或8所述的断层造影设备(1)，其特征在于：这样构成一个操作单元(10)，使得一个操作人员至少可以在一个带有正常分辨率的第一模式与一个考虑了偏移角和带有较高分辨率的第二模式之间进行选择。