CN1647767A - 利用断层造影设备进行图像数据记录和分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用断层造影设备(1)进行图像数据记录和分析的方法，其中，从对象(3)的检查区域在不同的频谱分布下记录至少两次拍摄，并且对该两次拍摄中包含的测量数据这样进行分析，使得从该不同频谱分布得到关于检查区域的附加信息和/或检查区域的特殊的图像显示。该方法的特征在于，断层造影设备(1)采用至少两个分离的拍摄系统(8－11)并且这样运行，使得所述两个拍摄系统(8－11)利用不同的频谱分布工作。利用该方法可以在减小扫描时间的同时得到附加信息以及专门的图像显示。

Description

利用断层造影设备进行图像数据记录和分析的方法

技术领域

本发明涉及一种利用断层造影设备进行图像数据记录和分析的方法，其中，从对象的检查区域在不同频谱分布条件下记录至少两个拍摄，并且对该两个拍摄中包含的测量数据这样进行分析，使得从该不同频谱分布得到关于检查区域的附加信息和/或检查区域的特殊的图像显示。

背景技术

放射摄影方法的结果，如计算机断层造影、乳腺造影、血管造影、X射线检查技术等类似方法的结果，首先显示的是投影图像中X射线从X射线源至X射线检测器的路径上的衰减。这种衰减是由于放射路径上被透射的物质造成的，因此，这种衰减也被认为是对放射路径上所有体素(Voxel)的衰减系数的线性积分。特别是在断层造影方法中，例如在X射线计算机断层造影(CT)中，通过再现方法可以从投影的衰减数据计算出各体素的衰减系数μ，并由此得到较之对投影图像纯观察的方法敏感得多的检查。

为了显示衰减分布，代之以使用衰减系数μ通常采用对水的衰减系数标准化的值，即所谓的CT数。CT数根据通过测量确定的当前衰减系数μ和参考衰减系数μ_H2O按照下式计算得出：

$C=1000\×\frac{\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_{H2O}}{{\mathrm{\μ}}_{H2O}}\left[\mathrm{HU}\right]$

CT数C以[HU](Hounsfield)为单位。对于水来说，其值C_H2O＝0HU，而对于空气，该值C_L＝-1000HU。由于两种表示相互可以转换或等同，以下所一般选用的衰减值或衰减系数的概念既指衰减系数μ又指CT值。

对于为了显示三维衰减分布的图像数据记录和分析，采用当代的X射线计算机断层造影设备或者C型设备。X射线计算机断层造影设备通常具有拍摄系统，该系统带有X射线管和与该X射线管相对设置的、用于检测由X射线管发出并穿透对象的射线的检测器。在拍摄期间拍摄系统多次围绕检查对象转动。经常用于在外科手术中成像的C型设备，包括一个或者两个所谓的C型系统作为拍摄系统，其在记录图像数据期间分别围绕待检查的对象移动≥180°的角度。由拍摄系统提供的测量数据在分析单元中被进一步处理，以便得到检查区域的所希望的层图像或者体积图像。

US4991190A中也公开了一种X射线计算机断层造影设备，其具有多个可以围绕共同的转动轴转动的拍摄系统。这种具有多个拍摄系统的断层造影设备与只有一个拍摄系统的设备相比的优点是，其导致较短的拍摄时间和/或较高的时间分辨率。缩短的拍摄时间是有优势的，因为由此减小了在再现的图像中的运动伪影，该伪影例如在图像拍摄期间可能由于患者或者患者器官(例如心脏)的运动而引起。例如，如果必须在尽可能短的时间内拍摄待再现的图像，则提高的时间分辨率对于显示运动过程是必需的。例如，在随后公开的DE10302565中公开了一种具有至少两个拍摄系统的成像断层造影设备。

但是，根据这种X射线拍摄的衰减值分布并不能确定检查对象的物质组成，因为X射线的吸收既取决于物质的有效原子序数也取决于物质的厚度。因此，不同的化学及物理组成的物质或组织在X射线图像中可能具有相同的衰减值。

因此，为了提高基于局部衰减系数的X射线图像的说服力，例如在US4247774A中公开了采用不同的X射线频谱或不同的X射线量子能量来产生X射线图像的方法。这种应用于计算机断层造影领域、通常也称为双频谱CT的方法利用的是原子序数较高的物质对较低能量的X射线的吸收要远大于原子序数较低的物质。反之，在较高X射线能量的情况下，衰减值得到平衡并且主要是物质厚度的函数。因此，通过计算利用不同X射线管电压拍摄的X射线图像中的区别，可以获得关于各图像区域所基于的物质的附加信息。

如果在X射线拍摄时还附加地采用所谓的基本物质分解方法，则还可以得到更具体的结论。在该方法中，利用较低能量和较高能量的X射线来测量检查对象的X射线衰减值，并将所获得的值分别与两种基本物质的相应参考值进行比较，如对于骨骼物质的钙和柔软部分组织的水进行比较。在此假设每个测量值都表示这两种基本物质的测量值的线性叠加。因此，对于图像显示的检查对象的每种元素，可以通过与基本物质的值比较而计算出骨骼部分和软组织部分，从而可以将原始拍摄转换为对这两种基本物质的显示。

在德国专利申请文献DE10143131A1中也公开了一种方法，其敏感性和说服力超过基本物质分解方法，并且例如可以进行高说服力的功能CT成像。利用该方法，可以通过分析X射线设备影响频谱的测量数据(以下也称为ρ-Z投影)计算出厚度ρ(r)和有效原子序数Z(r)的空间分布。通过对厚度和有效原子序数的分布的组合分析，可以量子地确定人体组成部分，如碘等，以及例如将钙化所基于的原子序数分离出来。

上面最后提到的方法所要求的利用不同频谱分别对图像数据进行记录经常如下实现：依次利用不同的X射线电压运行拍摄系统的X射线源。此外，公知的是采用不同的射线滤波器或者能量敏感的检测器。但是，这些技术导致对于患者运动的干扰影响、要求扫描时间的延迟以及在造影剂支持的CT检查中造影剂用量的提高。

发明内容

从该现有技术出发，本发明要解决的技术问题是，提供一种利用断层造影设备进行图像数据记录和分析的方法，该方法使得可以按照提到的方法利用不同的频谱分别记录用于图像数据分析的图像数据，并且避免上述的缺点。

在该利用断层造影设备进行图像数据记录和分析的方法中，从对象的检查区域在不同的频谱分布下记录至少两次拍摄，并且对该两次拍摄中包含的测量数据这样进行分析，使得从该不同的频谱分布中得到关于检查区域的附加信息和/或检查区域的特殊的图像显示。该方法的特征在于，断层造影设备采用至少两个分离的拍摄系统并且这样运行，使得所述两个拍摄系统利用不同的频谱分布工作。

通过使用具有至少两个拍摄系统的断层造影设备，如在本说明书开始部分提到的现有技术中公开的那样，按照本发明的方法可以在一次扫描中采集频谱测量数据，从这些测量数据中例如借助于双频谱方法或者ρ-Z投影可以获得检查区域的定量的附加信息，特别是关于其中包含的物质的附加信息。因为配置给两个拍摄系统的两个X射线管的检测器同时采集测量或衰减数据，因此消除了患者运动的问题。与常规的采集频谱测量数据的方法相比扫描时间为一半，因为例如在一次螺旋扫描中获得所要求的频谱体积数据。作为断层造影设备也可以使用具有至少两个C臂的C型系统。不过，优选地采用具有至少两个拍摄系统的X射线计算机断层造影设备，以下也称为双管-检测器CT系统。

在本发明的另一个应用中，将同时获得的频谱测量数据用于在例如骨骼或者柔软部分组织的图像显示中对检查区域的成分进行分段，以便得到没有特定成分的专门图像显示。这点将在更后面详细说明。

优选地，在本发明的方法中利用每个管不同的管电压和/或不同的射线滤波器运行两个拍摄系统。不过，也可以采用这样的结构，其中两个拍摄系统具有频谱上不同选择的检测器，从而在拍摄中通过检测器的不同频谱灵敏度实现不同的频谱分布。

在本发明的方法中对频谱测量数据的分析可以得到检查区域的厚度ρ(r)和原子序数Z(r)的分布，如在本文开始部分提到的DE10143131A1中公开的那样，其针对选择频谱分布以及进行分析的公开内容明示地包括在本发明申请中。其它用于这种图像拍摄和分析的基础例如见B.Heismann等的“Densityand Atomic Number Measurements with Spectral X-Ray Attenuation Method”，J.ofAppl.Phys.，Vol.94，No.3，2003，2073-2079。

在本发明的方法中自然也可以采用按照公知的双频谱方法的分析，该双频谱方法同样如在本说明书的开始部分所提到的那样。

在本发明方法的一种实施方式中，从利用两个拍摄系统所采集测量数据中分别按照公知的方式再现分开的图像，特别是衰减值分布的2D层图像或者3D体积图像。通过对两个图像的图像数据进行适当的加权和随后的相减，可以从相减图像中消除在图像显示中检查对象的特定成分，例如在图像中可见的骨骼。在骨骼的例子中可以这样地选择加权，使得在相减图像中抑制骨骼对比度。在此，加权系数基本独立于实际的骨骼组成，即钙部分的含量。图像中柔软部分的对比度同样应该在加权的相减中消失，因为在利用两个拍摄系统进行的拍摄所采用的不同电压或者不同预滤波的条件下可以忽略柔软部分组织的对比度差别。

因此，利用本发明方法的该变形首先可以优选地实施血管的CT检查，其中为了显示骨骼相邻的血管要求对骨骼进行分段。如果在注入造影剂的血管中的对比度/噪声系数相对很小的话，则同样希望对柔软部分组织的图像信号进行抑制。

迄今为止，对骨骼的分段要求部分地对图像数据的集中后处理。在相减CT血管造影(CTA)中迄今借助于附加的本色扫描(Nativ-Scan)的图像数据消除柔软部分对比度。在此，首先在没有加入造影剂的条件下拍摄检查区域的图像，以便随后将该掩模图像从利用造影剂拍摄的图像中减去。不过，这里在本色扫描和随后的图像拍摄之间的患者移动会导致图像结果的恶化。这种问题在本发明方法的上面的实施方式中不再出现，因为相减的拍摄的图像数据是同时采集的。

在CTA中提供了最后提到的相减方法的另一种用于显示肺部灌注的应用，其中，为了消除柔软部分的背景迄今同样要求附加的本色扫描。其结果是，肺部血管的运动可能极大地影响相减CTA的质量。因为在本发明的方法中配置给两个X射线管的检测器同时获取衰减数据，频谱数据同时得到测量，由此避免了由于血管运动造成的问题。

在另一个本发明方法的实施方式中，其中通过抑制检查区域的个别图像成分可以同样获得特殊的图像显示，首先根据已经提到的ρ-Z投影从频谱数据中计算出平均厚度ρ(r)和有效原子序数Z(r)的空间分布。然后，可以通过设置阈值在ρ，Z(r)图表中对柔软部分组织和骨骼进行分段。在该分段之后将检查体积中这样的体素进行显示(作为衰减值图像)，即该体素在ρ，Z(r)图表中被识别为含有碘。由于碘的相对高的原子序数，这使得可以单独显示注入有血造影剂的血管。因此，该方法变形首先为血管造影CT检查提供了避免患者运动的影响或者避免附加的本色扫描。

附图说明

下面对照附图所示的实施方式对本发明的方法再次作进一步的说明。其中，

图1以透视总体图示出具有两个拍摄系统的断层造影设备的例子，如在本发明的方法中所使用的那样；

图2以横断面图示出图1的断层造影设备的两个拍摄系统；

图3示出用于实施本发明方法的流程图的第一例子；

图4示出用于实施本发明方法的流程图的第二例子；和

图5示出用于实施本发明方法的流程图的第三例子。

具体实施方式

图1示出了带有附设的用于接纳和安置患者3的支撑装置2的断层造影设备1，在该例子中是X射线计算机断层造影设备。借助于支撑装置2的可以移动的桌面可以将患者3的所希望的检查区域送入断层造影设备1机壳5中的开口4中。此外，在螺旋扫描中利用支撑装置2还进行连续的轴向进给。在机壳5内一个在图1中看不到的支架可以以较高的速度围绕通过患者3延伸的转动轴6转动。此外，为了操作断层造影设备1还有一个操作单元7。

示出的断层造影设备1具有两个在支架上的拍摄系统，它们分别包括一个X射线管8或10以及一个多行X射线检测器9或11。两个X射线管8，10和两个检测器9，11在支架上的安装在断层造影设备1的运行中是固定的，从而它们的相对距离在运行期间也是常数。

X射线检测器9，11是在电可读的闪烁体陶瓷(所谓的UFC陶瓷)的基础上制造的。也可以采用所谓的平面检测器，例如具有256或者更多行的。

在本发明的方法中利用不同的频谱分布，即利用不同的管电压和/或在X射线管8，10和所属的检测器9，11之间的射线路径上的不同的频谱滤波器，运行两个拍摄系统。自然也可以采用检测器9和检测器10的不同的频谱灵敏度。

将两个连续扫描的拍摄系统的投影数据，在控制和图像计算机12中按照本发明的方法进一步处理，并且在利用图像再现算法的条件下处理为所希望的图像。在此，可以是CT图像或者按照下面实施方式的厚度或原子序数的分布的显示。

图2再次详细示出了两个拍摄系统。特别明显的是，两个X射线管8，10是如何按箭头方向在公共的转动轨道13上围绕转动轴6转动的，与此同时从不同的投影角度产生用于后续图像再现的原始数据。在图2的横断面图中分别示出了分别具有多个检测器元件9a，9b，9c，...以及11a，11b，11c，...的检测器9以及11的一行。此外，从图中可以看出从X射线管8以及10发出的X射线束的边沿射线14以及15。在示出的例子中，在两个拍摄系统的X射线束中设置了滤波器16以及17，这些滤波器按照本发明方法的一种实施方式具有不同的频谱滤波特性。另外，用U₁和U₂表示不同的管电压，利用这些管电压可以运行X射线管8以及10。

在本发明的方法中，利用不同的管电压U₁/U₂和/或滤波器16以及17的不同频谱滤波特性运行这种断层造影设备，使得在每次测量扫描的同时记录具有不同频谱分布的图像数据和测量数据。这些数据由图像计算机12按所希望的方式进一步处理，以便得到附加信息，例如厚度和有效原子序数的空间分布。

图3示出了本发明方法的流程的一个例子，其中，在第一步骤100中利用在图1和2中示出的计算机断层造影设备1记录X射线拍摄。通过该对待检查对象的检查区域的图像记录在不同的频谱分布下得到两个分开的原始数据组。

然后，在下一个关于图像再现的步骤101中，在所得到的对于每个频谱分布的原始数据的基础上，在横向层图像内产生具有坐标x和y的衰减系数μ的衰减值分布μ₁(x，y)以及μ₂(x，y)。

在步骤102，在计算机支持下将衰减系数分布变换为原子序数分布Z(x，y)和厚度分布ρ(x，y)。该计算机支持的将衰减值分布变换为原子序数分布和厚度分布的变换例如可以利用DE10143131A1中的方法进行，引用该方法作为详细的参考。

然后，在步骤103中可以将按照该方式得到的分布以适当的方式显示在监视器上。

在上述方法中对两个拍摄系统的不同频谱分布的选择如下实现，即使得所希望的附加信息以及所希望的图像分析和显示尽可能地具有说服力。在此，拍摄系统的X射线频谱优选地具有量子能，其相对另一个拍摄系统的量子能通过光电效应有利于X射线吸收，使得在确定原子序数时得到高的分辨率。

图4和5示出了用于实施本发明方法的其它例子，这些例子尤其在CT血管造影领域中具有优势。在此，在图像拍摄之前为患者注射造影剂以便在CT图像中明显地突出血液轨迹。

在图4示出的本发明方法的实施方式中，按和图3同样的方式执行步骤100至102。在步骤103中可以通过设置一个阈值在ρ，Z图表中对柔软部分组织和骨骼的原子序数进行分段。由此，由于含碘造影剂相对高的原子序数可以单独显示注入了造影剂的血管。这在步骤105中实现，其中，仅显示检查体积中这样的体素，即该体素在ρ，Z图表中由于高原子序数而被识别为含有碘。因此，图像显示显示出衰减值的CT图像，其中仅有注入造影剂的血管是可见的。

最后，图5示出了用于实施本发明方法另一个例子，其中，在步骤100中记录图像数据之后，在步骤106中从两个拍摄系统的分开的原始数据中再现出两个分开的图像I_1(x，y)和I_2(x，y)。在下一个步骤107中，将两个图像中的一个图像I_1(x，y)的图像数据与加权系数G相乘，该加权系数是这样选择的，即，在将加权后的图像数据从未加权的图像数据(或者反之)相减之后在相减图像中骨骼不再可以看出。然后，在步骤108中将该相减图像在监视器上显示。

Claims (7)

1.一种利用断层造影设备(1)进行图像数据记录和分析的方法，其中，从对象(3)的检查区域在不同的频谱分布下至少记录两次拍摄，并且对该两次拍摄中包含的测量数据这样进行分析，使得从不同频谱分布得到关于检查区域的附加信息和/或检查区域的特殊的图像显示，

其特征在于，所述断层造影设备(1)采用至少两个分离的拍摄系统(8-11)并且这样运行，使得所述两次拍摄系统(8-11)利用不同的频谱分布工作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用不同的管电压运行所述两个拍摄系统(8-11)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过不同的频谱滤波器设置所述两个拍摄系统(8-11)的不同频谱分布。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述两个拍摄系统(8-11)采用具有不同频谱灵敏度的检测器(9，11)。

5.根据利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对两次拍摄的测量数据这样进行分析，从而得到检查区域的空间厚度分布和/或原子序数分布。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述厚度分布和/或原子序数分布使用阈值方法，以便对骨骼和/或柔软部分组织进行分段。

7.根据利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，首先，对所述两次拍摄的测量数据相互独立地进行分析，再现检查区域的第一和第二衰减值图像，然后将第一衰减值图像的图像数据从第二衰减值图像中加权地减去，以便在通过相减得到的相减图像中抑制特定的图像成分，特别是骨骼的显示。

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