CN1579331A - 用于对器官成像的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种借助绕角度(α)旋转的拍摄设备(3)对人体或动物(5)的器官进行成像的方法，其中，根据表示待成像器官的当前运动状态的参考信号(9)来调制旋转的拍摄设备(3)的转速。此外，或作为另一种选择，可以借助参考信号(9)分别将其中在旋转期间拍摄器官的测量时间间隔(Δt)与待成像器官的运动周期的持续时间(T_rr)相匹配。此外还描述了一种实施所述方法的设备(1)。

Description

用于对器官成像的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种借助旋转拍摄设备对人体或动物器官、尤其是对跳动的心脏进行成像的方法和设备。

背景技术

在现代医学中公知多种用于对器官成像的最小介入方法，如X射线方法。这些方法的目的在于，基本上在不对身体动手术的情况下获得各器官及其状态的全面知识。在一种公知应用中，具有X射线管和X射线探测器的X射线设备的C臂例如以恒定的旋转速度或角速度ω围绕患者(一般围绕体长轴)旋转例如300度。取代通过带有摄像机等的导管进行的仅仅点式的显示，利用上述成像方法和相应的设备可以从不同的空间方向上拍摄有关器官的多幅照片，最后在这些照片的基础上产生三维图像或其它显示，尤其是任意的横截面。利用这些方法可以例如在没有导管的情况下检查心肌和心脏冠状血管。

但是对于3D再现，可以只使用那些显示器官不变状态的图像。在优选和最重要的应用情况、即心脏的拍摄中，将充盈阶段或心脏舒张期选为心脏的相对静止阶段，并作为显示状态。对活人来说，该静止阶段持续的时间在舒张的静止状态下也小于200毫秒。但是，在拍摄期间，运动的拍摄设备在时间窗Δt内对心脏的上述静止阶段只能采集很少的用于3D再现和建立模型的投影。而由于心脏搏动的缘故，在该拍摄时间窗Δt之外收集的数据不能用于成像。这些数据缺失导致在投影角α空间中形成很大空隙，并由此导致整个器官的显示基础不完整。不管怎样，在这些显示空隙内可以利用相对不可靠的假设来进行内插。类似问题也出现在形状和/或状态随时间变化的其它器官中。但是，由于可以保持的总放射负担是很小的，因此在X射线管持续运转时，拍摄设备不允许为了在有利的拍摄时刻从不同空间方向上获得尽可能多的照片而具有任意慢的旋转速度。出于同样的原因，也不能任意频繁地重复测量。

由于该原因，在US6324254B1中建议，为了拍摄有节奏运动的血管，C臂虽然以尽可能慢的旋转速度(优选为＜每秒2度)移动，但通过血管运动或引起血管运动的器官运动来触发各图像的拍摄。也就是说，X射线管仅在确定的时间才发射射线束并进行拍摄，而与此同时C臂以尽可能缓慢和恒定的速度围绕患者运动。在此，在测量之前优选根据有节奏的血管运动或器官运动的频率确定该恒定的旋转速度，从而保证在测量期间可以产生最小照片数。但是该过程具有测量持续时间相对较长的缺陷。在这段时间内，必须保证患者处于绝对静止的状态。因为极少的位置改变也可能影响测量。

在US6370217B1中提出了一种利用计算机断层造影设备测量周期运动的对象的类似方法。在利用这种计算机断层造影系统进行测量时，X射线管以非常大的速度(例如数量级为1s/转)围绕患者多次旋转。其中为了总是以相同的状态拍摄周期性改变的对象，通过运动周期触发控制X射线管何时来短时发射X射线束，以进行各次拍摄。在此，同样优选地在测量之前根据有节奏的血管运动或器官运动的频率来确定恒定的旋转速度。其中这样设置旋转速度，即在测量期间尽可能从所有的空间方向上产生照片。但是，该方法不能用于利用C臂或类似拍摄装置进行的测量，因为与成本明显更高的计算机断层造影设备不同，在相对简单的拍摄设备中X射线管和探测器不能任意快速和频繁地围绕患者运动。通常只具有最大300度的旋转角。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，改进本文开始所述的方法及设备，使角度空隙和有用的角度间隔之间的比例得到改善，从而提高整个测量的可靠性和精确度。

该技术问题在本发明中是通过本文开始所述的一种方法解决的，其中根据表示待成像对象的当前运动状态的参考信号来调制拍摄设备旋转的转速。

通过对转速的匹配调制，可以将旋转运动与待拍摄器官的位置/形状改变相匹配，并由此优化拍摄。在此，该调制优选这样进行，即增大有用的角度间隔与角度空隙之间的比例。由此，尽可能密集地覆盖了围绕待检查身体的、具有“有效”、即有用图像数据的角度。

一种用于实施该拍摄方法的设备必须一方面具有可以围绕身体旋转至少一个角度的拍摄设备，以及合适的传动装置，从而在测量期间使拍摄设备以预定转速围绕身体旋转。此外，根据本发明，该设备还具有用于发送合适的参考信号的测量装置和与所述传动单元连接的控制设备，参考信号表示待成像器官的当前运动状态，而控制设备相应地根据参考信号调制拍摄设备旋转的转速。

本方法尤其是可以用于开始所述的C臂拍摄设备，该拍摄设备具有可围绕身体旋转的C臂，在该C臂的一端设置一个X射线源，而在另一端与该X射线源相对地设置X射线探测器。本方法在原理上也适用于其它类似的拍摄设备。

如果待拍摄器官的运动是周期性的，例如在心脏拍摄中的心律，则本方法能特别好地适用。在器官周期性运动时，优选同样周期性地调制转速。但是，转速的调制也可以理解为恒速运动的其它每一种偏差，例如非周期的偏差。

在理论上最简单的情况中，可以在确定时刻，例如在器官的静止阶段之间完全停止旋转。但由于拍摄设备的重量或惯性，在多数情况下这在技术上只能以极大的成本实现。因此，优选这样进行调制，使得拍摄设备交替地较快和较慢地旋转。在此，在测量或拍摄时间间隔Δt期间以第一角速度进行较快速的旋转。在两个相互跟随的测量时间间隔之间以第二角速度进行较慢速的旋转。

作为参考信号，根据具体的应用情况采用不同的信号。在优选对心脏和/或其血管的观察和成像情况中，优选对患者的EKG(心电图)信号进行分析。作为另一种选择或补充，在此还可以使用患者脉搏和/或超声波信号等等。

如果将具有有用器官照片的测量时间间隔与待成像器官的周期运动的周期持续时间进行匹配，例如在心脏拍摄中与心脏周期长度T_rr进行匹配，则特别有利。对周期持续时间例如可以优选预先在一定数量的运动周期上求平均值。在此，测量间隔时间的长度可以例如以该周期持续时间的百分比给出。如果借助参考信号确定周期持续时间在拍摄期间发生了改变，则可以对测量时间间隔进行同步匹配。

优选不依赖拍摄设备的转速调制而借助参考信号将测量时间间隔与待成像器官运动的周期持续时间进行这种匹配，从而增大有用角度间隔与角度空隙之间的比值，并因此看作是本发明的独创点。

优选的，根据机电控制装置的效率利用不同加速度曲线或制动曲线建立不同转速阶段之间的过渡区。根据本发明的扩展方式，优选连续和正弦地建立该过渡区。当然也可以采用另外建立的过渡曲线。例如，在一个实施方式中，在预先给定时间间隔的情况下借助能量优化函数，例如立方样条函数形成过渡曲线。利用已有的各边界值，可以由计算机装置实时计算调整参数。根据一个或多个上述预先给定的参数由计算机单元确定T_rr、Δt、ω₁、ω₂和其它可能的参数。接着将这些参数作为预先给定的调整参数发送到拍摄设备的控制单元。

优选的，在测量时间间隔之外切断X射线束，或至少将发出的射线束减少到尽可能小的强度或剂量。为此，根据本发明的方法，即使在设备仅运行一次时也可以有效减少患者的总放射负担。

在本发明的另一个实施方式中，还为使用者提供了另一种可能，即在较晚对拍摄数据进行分析时在时间轴上回顾地移动测量时间间隔，从而补偿较大的心律波动或心律不齐。就这点来说，这些措施是很有意义的，因为一般来说测量期间在一次运行中获得的所有图像数据反正都要进行中间存储，从而该图像数据无论如何都会用于后处理。由此，必要时甚至将那些在实际预定的“有效”测量时间间隔Δt之外拍摄的数据用于后处理。在这种情况下，根据公知的控制曲线自动匹配有关的角度间隔Δα。

优选的，根据本发明的控制装置及其组件可以主要地按照软件的形式在拍摄设备的以计算机支持的传统控制装置的处理器中实现。通过这种方式也可以在现有设备中以计算机程序产品的形式装载上述方法，尤其是以更新的形式。

附图说明

下面参照附图借助实施方式详细解释本发明，其中示出了：

图1是根据本发明的成像设备的实施方式的示意图，

图2是根据现有技术的在角速度恒定时角度随时间变化的显示图，

图3是理想的角度-时间变化过程的显示图，

图4是实际的角度-时间变化过程的显示图，

图5是图4示意图中的一个片段的细节放大。

具体实施方式

图1按照示意图的形式示出成像检查设备1，其中在所谓的C臂3上的X射线管2与在C臂3上与其相对设置的平面探测器4一起围绕待检查患者的身体5旋转一个角度α。在此，患者位于患者卧榻6上。C臂3的旋转围绕患者的身体长轴进行。平面探测器4可以是例如图像放大器或一个平面探测器(FPD)。

在C臂3围绕待检查患者的身体5运动α(t)期间，在不同的空间方向上拍摄X射线照片。在这种仅持续10至15s的检查中，可以对患者的内部器官进行三维模型成像。作为重要的应用情况，下面在不限制本发明方法的应用和/或采用本发明设备的情况下只描述心脏检查。

为了使C臂3旋转，该C臂具有电动传动单元7。控制装置8在对参考信号9分析和处理的情况下控制传动单元7，其中该参考信号9再现这里拍摄的心脏的运动状态。由测量装置10、在此一般为EKG(心电图)拍摄装置获得参考信号9。

对于设备1及其组件的详细结构，后面将根据用于3D模型化的方法及其特殊问题的原理流程图来讨论。

如果在C臂3上的X射线管2和平面探测器4以恒定的旋转速度或角速度ω围绕患者身体5运动，则在时间窗Δt内在心脏的静止阶段、即充盈阶段或心脏舒张期，只能采集到很少的用于3D再现的投影。由于心脏的运动，在时间窗Δt外获得的图像和其它数据11一般不能用于成像。这种原理性选择使得在投影角α的空间中形成很大的空隙。

这可以用具体的数字来说明：

在根据现有技术的一般恒定转速ω下，投影角α(t)和时间t之间的关系由下面的函数表示：

α(t)＝α₀+ω·t其中α₀是t＝0时刻的初始值。

图2中示出该关系式以及与心脏运动的关系，通过在患者身上获得的、EKG信号9形式的参考信号来表示。

对于α_max＝300度的总旋转角和T＝10s的总旋转时间或采集时间来说，角速度ω＝30度/s。对于心脏成像所需的典型时间分辨率，用于拍摄的测量时间间隔处于Δt＜200ms的数量级。因此，可采用的投影的角间隔Δα是

Δα＝ω·Δt＝30度/s·0.2s＝6度

在心律1/T_rr为60bpm(每分钟心跳次数)时，心脏跳动周期的长度T_rr(在此定义为一个EKG的连续r锯齿之间的时间)恰好为1秒，也就是T_rr＝1s。这意味着，C臂3继续旋转T_rr-Δt＝0.8s的时间，并拍摄由于心脏搏动的缘故在原理上不能用于成像的数据。

在投影角空间中，这意味着Δα_L的空隙：

Δα_L＝0.8s·30度/s＝24度

因此，有用的角间隔Δα与角间隙Δα_L的比例R是非常不利的。在本实施方式中R等于：

$R=\frac{\mathrm{\Δ\α}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_L}=25\%.$

换句话说，只使用了为形成待成像心脏的模型提供尽可能可靠基础的扫描平面中五分之一的有用空间方向。

对于有用数据的理想获取来说，角度间隙应当为0，也就是可以使用来自每个空间方向的照片。由此比例R就可以为任意大小。但是，只要C臂以恒定角速度旋转，比例R就与转速无关。

因此，在围绕患者的旋转期间这样调制转速，即增大R。由此，尽可能紧密地覆盖具有“有效”或有用数据的全部角度。

如果在两个测量时间间隔Δt之间的旋转在心脏连续搏动时中断，则可以实现一种理想情况。该理想情况将图3中所示的投影角度的变化作为时间函数给出。由于α_L等于0，因此R无限大，由此绝对紧密地覆盖具有“有效”数据的角度。

但是，可通过C臂3运动的装置具有不能忽略的质量。由此，为了有意义地限制C臂3的传动单元7的装置或机电开销，对实际的实施来说不完全中断旋转显然更为有利。更可取的是，对于该运动选择在较快旋转和较慢旋转之间交替地进行调制。在此，在测量时间间隔Δt期间以第一角速度ω₁较快地旋转，而在两个相互跟随的测量时间间隔之间以第二角速度ω₂较慢地旋转。

可以根据机电控制装置和传动单元7的效率利用不同的加速度曲线或制动曲线来建立过渡区。在图4中示出可能的角度-时间图。图5示出图4的一个放大的片段。其中，虚线表示根据图3的理想变化过程，实线表示根据图4的可相对简单实现的变化过程。

对于角关系下式成立：

Δα＝ω₁·Δt

Δα_L＝ω₂·(T_RR-Δt)

$R=\frac{{\mathrm{\ω}}_1\·\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ω}}_2\·(T_{\mathrm{RR}}-\mathrm{\Δt})}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}\·\frac{1}{(\frac{T_{\mathrm{RR}}}{\mathrm{\Δt}}-1)}$

在下面两种边界情况下R无限大：

a)ω₂＝0，即在测量时间间隔Δt外完全停止旋转的理论边界情况下。

b)Δt＝T_RR，即不依赖心脏的运动状态来考虑所有的测量值，因为是在

一个心脏周期的整个周期长度内进行测量。在这种情况下，在图像

中相应得到没有减少的运动伪影。

在此，调制应当根据心律1/T_rr和测量或拍摄时间间隔的长度Δt这样进行，使得在C臂3的机电控制装置的范围内比例R最大。

为此，下面考虑另一个例子：

心律1/T_rr＝60bpm对应于60min^-1的脉冲。从中给出心脏周期T_rr＝1s的长度。此外，对于Δt＝200ms的测量时间间隔，选择ω₁＝3·ω和ω₂＝ω/3。由此下式成立：

$R=\frac{3\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ω}/3}\·\frac{200}{800}=9\·\frac{1}{4}=2.25$

也就是说，与本实施方式的未调制的情况相对，可以将比例R提高9倍。

利用ω＝30度/s给出角度范围：

Δα＝90度/s·0.2s＝18度

Δα_L＝10度/s·0.2s＝6度

也就是说，可以显著增加有用角度范围Δα，该范围明显减小了角空隙Δα_L。

在该调制中，平均角速度为26度/s。因此，旋转300度的总拍摄时间约为12s。这与C臂3以恒定角速度旋转时10s的拍摄时间相比，总共只是不太明显的更长些而已。

在考虑设备1的各机电装置的情况下建立不同角速度ω₁、ω₂区域之间的过渡。在快速交替时的制动和加速意味着对设备1的较重负担。在此，传动单元7吸收很多的电能，并在制动时以热量的形式释放出去。因此，在不同角速度ω₁、ω₂之间过渡时，优选选择一个时间间隔Δi，在该时间间隔内将角速度从原有阈值调整到新的阈值。作为额定曲线，在考虑当前边界参数的情况下选择一个能量优化的曲线形式。在此，选择立方样条函数，如在图5中表现的片断放大。或者，也可以选择正弦形的过渡曲线。由于制动和加速的快速交替而可能产生影响的整个系统的机械起振可以由专业人员通过公知的防止措施消除。

所描述的方法是基于作为参考信号9的EKG信号实施的。在此，始终在拍摄进行期间通过控制单元8监控和控制设备1。为此，在控制单元8内具有一个用于对由测量装置10提供的EKG信号9进行分析的分析单元12。该分析单元12向内部处理单元13提供数据。在处理单元13中，必要时在用户指定的预定参数14下产生用于C臂3的传动单元7以及用于X射线源2或其控制装置和探测器4的控制信号。在此，还可以在不用于测量的时间段T_rr-Δt内(即测量时间间隔Δt之外)切断X射线束或将其减小到尽可能少的剂量或强度。

为了改善测量结果，可以例如以预运转测量的方式在分析单元12中由EKG信号9计算调整C臂3的待计划运动所需参数的平均值。这些参数主要是心律1/T_rr和心脏舒张期的时间窗Δt。还可以在测量期间在确定的时间间隔内跟踪这些平均值，从而在调整中随时考虑每个变化。

在测量中以及在测量后显示的原始图像数据11存储在存储器16中。可以在普通的图像计算机17中对这些原始数据进行各种公知形式的对图像材料的后处理。由此可以事后在时间轴上回顾地移动测量时间间隔，以补偿较大的心律1/T_rr波动或心律不齐。心律不齐改变了各拍摄时间间隔Δt。通常，在心脏的静止阶段中由于心律不齐的不规则性s而使得拍摄间隔Δt至少在有关心脏周期中缩短。借助在实际采集时间T结束之后用同样标示的参考信号9实施的检查可以识别这种效果。然后必要时又在用户指定的预定参数15下例如通过遮盖在不规则阶段内采集的图像数据，来进行图像的校正。由此，尽管图像信息有所损失，后面还是可以再现总体上得到改善的3D模型，因为经过处理的数据更为可靠。

在心律不齐或心律1/T_rr强烈波动时，必要时也在包括用户指定的其它预定参数14的条件下，在测量期间自动匹配受不规则性影响的角间隔Δα。在此要考虑到，已知的不规则以确定的间隔周期性出现，和/或包含同样使图像信息变得无用的前部和后部信号分量。

本发明提供了一种可能，即用非常简单和成本低廉的方法显著改善了利用旋转C臂进行的对跳动的心脏的成像。在此，还提供利用控制装置和合适的探测器控制装置改装已具有电动的、可运动到任意位值的X射线源2和相应X射线探测器4的现有X射线设备，从而也根据本发明方法使用这些设备。只要这些设备已具有带合适处理器的控制装置，必要时用合适的控制软件模块来更新控制软件就足以。

Claims (18)

1.一种借助绕角度(α)旋转的拍摄设备(3)对人体或动物(5)的器官进行成像的方法，其特征在于，根据表示待成像器官的当前运动状态的参考信号(9)来调制所述旋转的拍摄设备(3)的转速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为拍摄设备(3)，采用可围绕身体旋转至少所述角度(α)的C臂(3)，在该C臂(3)上具有一个X射线源(2)和一个与该X射线源(2)相对设置的X射线探测器(4)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以确定的时间间隔临时保持或至少推迟所述拍摄设备(3)的旋转运动。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述拍摄设备(3)的旋转运动交替地较快或较慢地进行。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，较快的旋转分别在测量时间间隔(Δt)期间以第一角速度(ω₁)进行。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在相互跟随的测量时间间隔(Δt)之间分别以第二角速度(ω₂)进行较慢的旋转。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，借助旋转的拍摄设备(3)拍摄跳动心脏的照片，并在表示心跳的参考信号的基础上对转速进行调制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，为了获得参考信号(9)而测量EKG信号。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，将测量时间间隔(Δt)与待成像器官的运动的周期持续时间(T_rr)匹配，在多个运动周期上对该周期持续时间的长度求平均值。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在不同转速(ω₁，ω₂)的两个阶段之间的过渡区域(Δi)中，根据预先给定的加速曲线或制动曲线进行旋转运动。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，在测量时间间隔(Δt)之外的区域中，切断用于测量的X射线束，或至少减小X射线束的强度。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，在对测量进行后处理时，将测量时间间隔(Δt)回顾地在时间轴上移动，以补偿器官运动的波动或心律不齐。

13.一种用于对人体或动物器官进行成像的设备(1)，其具有可围绕身体(5)旋转至少一个角度(α_max)的拍摄设备(3)和传动装置(7)，用于在测量期间使该拍摄设备(3)以预定的转速围绕身体旋转，其特征在于，

用于获得参考信号(9)的测量装置(10)，该参考信号(9)表示待成像器官的当前运动状态，以及

与所述传动装置(7)连接的控制装置(8)，用于根据该参考信号(9)来调制旋转的拍摄设备(3)的转速。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述拍摄设备包括可围绕身体旋转至少所述角度(α_max)的C臂(3)，该C臂(3)具有一个X射线源(2)和一个与该X射线源(2)相对设置的X射线探测器(4)。

15.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述控制装置(8)包括用于预处理所述参考信号(9)的分析单元(12)。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制装置(8)与用于测量的X射线源(2)的控制装置连接，以便在测量时间间隔(Δt)之外的区域内切断或减小X射线放射束。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的设备，其特征在于，具有一个存储器(16)，用于存储所拍摄的原始图像数据(11)，以及一个计算单元(17)，用于在考虑所述参考信号(9)的条件下对该原始图像数据(11)进行后处理。

18.一种具有程序代码块的计算机程序产品，用于实施根据权利要求1至12中任一项所述的方法步骤，如果该程序在计算机支持的用于对人体或动物器官成像的拍摄设备的控制装置中运行的话。

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