CN1766591B - X射线系统中的自适应形态x射线束的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供采用x射线束的动态自动空间调制的x射线系统及方法。该系统包括向待成像对象发射空间调制后的射束的x射线源、接收射束并测量射束上的多个强度的x射线检测器、控制射束强度分布的射束处理器以及产生输出图像信号的图像处理器。检测器至少基于检测器上测量的强度来产生残留图像。射束强度分布可基于以下各项中至少一些：(a)来自x射线检测器的残留图像，(b)当前射束强度，(c)图像中的受关注区域，以及(d)图像中预测或测量的对象运动。系统的输出图像基于所述残留图像和所述射束强度信号其中的一个或多个。

Description

X射线系统中的自适应形态X射线束的系统及方法

相关申请

不适用。

联邦资助研发

不适用。

技术领域

本发明一般涉及x射线成像系统。具体来说，本发明涉及采用x射线束的空间调制的x射线成像的系统及方法。

背景技术

传统的x射线成像系统包括使对象暴露于基本均匀的x射线束的x射线源。当射束经过对象时，整个对象上变化的射线照相密度使x射线通量的变化部分在对象中被衰减(例如被吸收或散射)。在经过对象之后，剩余射束到达检测器。当检测器接收变化强度的射束时，检测器测量射束强度并将其传递给数据采集系统。数据采集系统则可使用射束强度来创建影像。

在这种传统的方法中存在若干基本问题。例如，成像对象的整体与整个对象上变化的射线照相厚度无关地接收较高x射线剂量，而不管成像对象中是否存在运动和/或各种对象体积受观察者关注的程度。

大剂量通常用来确保使最大量射束衰减的对象体积接收足够的光子通量以便提供那些体积的图像。如果照射具有大射线照相厚度的对象体积的射束没有足够强度来使足够数量的x射线光子到达检测器，则所得影像可能不会产生对象体积中的特征的充分对比度。足够数量的光子必须到达检测器，以便允许区分对象的射线照相厚度变化与所检测光子数量的波动。这些波动称作量子噪声或斑点。

但是，高x射线剂量也照射具有较小射线照相厚度的对象体积，它们要求小得多的剂量来进行充分成像。细小对象体积的过度曝光可能是有害的。另外，它们可能导致附加的成像问题，例如：(a)增加的x射线散射，(b)增加的杂光，以及(c)检测器饱和。当前高性能x射线检测器可允许无饱和地对具有大的以及小的射线照相厚度的对象体积成像。但是，这类系统仍然可能使具有较小射线照相密度的对象体积暴露于不必要的大x射线剂量。另外，这类高性能检测器对x射线系统增加了相当大的费用。

伴随传统x射线成像的另一个问题是对于仅供参考而无需高空间和灰度级分辨率所成像的对象体积的高剂量。这些体积可采用减小的剂量率来成像并且仍然提供足够的信息，而要求高灰度级和空间分辨率的对象体积可能仍然需要暴露于常见剂量。

伴随传统荧光透视检查的另一个问题是对于对象体积的过度曝光率，在其中出现极少的逐帧变化，因而存在极少的新信息。如果图像区域已知为包含极小的对象运动，则可能减小剂量并增加来自先前帧的信息再使用，从而呈现对象的精确表示。移动或变化的对象体积可能仍然需要暴露于常规剂量率，以便提供足够的图像质量。

已经提出若干射束调制技术。这些技术可根据它们追求的目标分为两大类：(a)射束均衡方法尝试使检测器曝光量在空间上均衡或均化；以及(b)受关注区域射线照相和荧光透视检查方法尝试减小对临床不太关注的解剖体积的曝光量。下面将给出其中每个的一些实例。

射束调制方法的另一个分类基于是否为引入的亮度调制而对显示图像进行补偿。在许多应用中，这种补偿是不必要的，因为未补偿图像对于用户作为未补偿图像具有相等或更大价值。在其它应用中，可能需要呈现精确表示成像对象中的真实射线照相厚度的图像强度，以及在呈现输出图像之前，系统可能需要反转引入到x射线束中的强度变化。

射束调制方法还可根据射束调制是自动还是手动配置及调用来分类。因此，区别自动和手动射束调制方法。

为了剂量减小、x射线散射减小或者防止检测器饱和，已经提出若干技术来使对于x射线检测器的曝光量均衡或均匀。这些技术通常包括在x射线源与成像对象之间放置均衡射束过滤器。例如，在Sirvin的标题为“包括均化过滤器的X射线设备”的美国专利No.5185775中，匹配成像对象的形态的过滤器放置在x射线源和成像对象之间，以便均化检测器曝光量以及提高血管造影图像的质量。

已经提出若干技术来迅速产生匹配任意对象的形态的过滤器。在Boone的标题为“射线照相均衡设备及方法”的美国专利No.5107529中公开了一种这样的技术。Boone描述了用于x射线束过滤的多个并置盘的应用。每个盘包括复杂衰减图案，并且是单独可旋转的，以便获取大量衰减图案。根据单个搜索图像，盘被旋转，从而创建最佳衰减图案。衰减图案在与预备图像的过度曝光区域对应的成像对象的区域中提供增加的射束衰减。这样，Boone描述了用于均衡在检测器所接收的x射线束强度的x射线过滤设备及方法。

在Edholm等人的标题为“射线照相设备的曝光补偿装置”的美国专利No.3755672中公开了另一个建议的解决方案。Edholm描述了可改变x射线吸收量的x射线过滤器。过滤器具有可变形状，使得过滤器的不同部分中的x射线吸收量可独立地改变。另外，过滤器的若干部分的x射线吸收量响应基于设置在成像平面下方的辐射检测部件所检测的预备或搜索图像的信号而自动调整。因此，Edholm描述了一种x射线过滤器，它可根据在预备图像期间所检测的x射线强度来自动改变x射线衰减量。

在Dobbins，III的标题为“放射学影像的可变补偿方法及设备”的美国专利No.4868857和No.5081659中公开了另一个所建议的解决方案。Dobbins描述了基于预备或搜索低剂量x射线图像的x射线束的调制。如同以上关于Boone和Edholm的情况一样，Dobbins为此描述了一种静态x射线过滤方法及设备。调制基于提供在检测器上接收时经过均衡的x射线束的数字射束衰减器屏蔽。Dobbins的数字射束衰减屏蔽以数字方式与所检测x射线强度结合以便形成最终x射线图像。

已经提出受关注区域荧光透视检查(“ROIF”)来解决对次要对象体积的过度曝光的问题(例如Rudin等人的“受关注区域荧光透视检查”，J.of Med.Phys.，1992年9月-10月；19(5)：第1183-9页)。在ROIF中，过程特定的过滤器放置在x射线源与成像对象之间，以便有选择地衰减临床不太关注的区域中的x射线束。在此过程之前，补偿屏蔽图像通过单独提取衰减过滤器的图像来获取。在此过程中，屏蔽图像以类似于数字减法血管造影技术的方式通过数字方式被减去，从而恢复成像对象的实际衰减。

所建议的系统之中许多要求人类干预以便产生或选择射束过滤器，从而将其定位在射束中，以及执行图像补偿。已经提出若干解决方案来使部分或全部射束均衡过程自动化。这些解决方案统称为计算机均衡射线照相。这类解决方案的一些分类为：(a)扫描或光栅系统(例如Vlasbloem等人的“AMBER：胸腔射线照相的扫描多射束均衡系统”，Radiology，vol.169，No.1，第29-34页)，(b)利用x射线吸收液体或者其体积形状可机械或电气控制的可变形物质的解决方案(例如Tang、Mather和Zhou的“数字血管造影的区域x射线束均衡”，J.ofMed.Phys.，1999，26(12)：第2684-92页)，(c)采用x射线吸收墨水打印预期衰减图案(Hasegawa等人的“数字射束衰减器系统的几何属性”，Med.Phys.14：3，314-21，1987年5月-6月)，(d)采用其位置可独立调整以便产生预期衰减图案的可变厚度的多叶或多层半透明过滤器的解决方案(例如Boone的标题为“射线照相均衡设备及方法”的美国专利No.5107529)。

上述参考文献描述了射束调制技术，在其中，所需x射线强度场从预备搜索图像中计算或者进行人工编程。但是，由于许多x射线过程可能要求来自多个视图的数百或数千个连续帧，因此这些解决方案未提供一种用于采用优化射束调制的不中断即点即拍成像的机制。

一些所建议的解决方案、例如光栅射束或狭缝射束扫描系统(如AMBER)极大地增加了x射线管负荷要求，因为在任何时间仅使用小部分x射线束。

采用半透明物质来有选择地衰减射束的解决方案对x射线束中的光子能量敏感。设计成衰减具有大约35keV的有效x射线光子能量的x射线束的过滤器在有效光子能量下降到例如20keV时对于有意义的射束调制太不透明，而在有效光子能量增加到例如70keV时则太透明。解决与低和高能量射束配合工作的专用过滤器所存在的问题将要求这类系统的复杂度的实质增加。当x射线技术经过重大改变时，这些x射线吸收物质的数量或厚度需要按有效因数改变。为了让这类系统在各种各样的x射线技术中提供有意义的射束调制因数，其设计可能是惊人地复杂。

另外，以上参考文献中提出的自动射束调制系统对于提供使它们在成像应用的宽谱中有用的高速、分辨率和动态范围，可能过于笨重、缓慢和昂贵。

为了使射束调制系统在诸如医疗干预成像之类的动态成像环境中有用，需要一种改进的系统及方法，它允许在没有用户干预以及无需搜索拍摄的情况下对x射线束连续调制。这样一种系统及方法可在x射线束到达成像对象之前控制视野上的x射线束强度。变化程度可能需要足够高、例如达到一个或两个数量级，同时分辨各种各样x射线技术中的足够数量的中间强度值。此系统及方法还可自动减小对于在其中较小剂量足以充分呈现受关注特征的成像对象的区域、例如在射线照相的细小、静态或不太关注区域的x射线曝光量。该系统还可呈现所显示图像，而没有损害图像质量的各个方面、分散观察者的注意力或者使所显示图像失真。简言之，这种系统可提供射束均衡和受关注区域荧光透视检查的益处(例如减小的剂量、减小的x射线散射、减小的闪光以及减小的饱和)，同时使所显示图像看起来好像采用均匀高曝光量射束产生的一样。另外，这样一种系统及方法可通过采用较高剂量来照射受关注对象体积、具有高射线照相厚度的对象体积以及具有预期运动的对象体积，提供改进的图像质量。

发明内容

本发明提供一种x射线系统，它采用对x射线束的空间调制以及随后从输出图像中数字消除由射束调制所引入的亮度或噪声失真。系统包括x射线源、x射线检测器、射束处理器和图像处理器。源向待成像对象发射x射线束。射束包括至少基于射束强度信号的射束强度场。检测器接收射束，并测量射束的多个强度。检测器还至少基于所测量强度来产生残留图像信号。射束处理器不断地或定期地更新射束强度信号以保持最佳射束强度场。图像处理器基于残留图像信号和射束强度信号其中的一个或多个而产生输出图像信号。

本发明还提供采用x射线束的空间调制的x射线成像方法。该方法包括向待成像对象发射空间调制后的x射线束，在x射线检测器上接收射束，在检测器上测量多个射束强度，根据所测量强度创建残留图像信号，以及产生输出图像信号。使初始射束上的x射线强度至少基于射束强度信号而在空间上改变。射束强度信号基于以下各项中的至少一些：(a)成像对象中的所测量或预测的射线照相厚度，它又可由当前残留图像和射束强度场来确定，(b)成像对象中的所测量或预测的射线照相厚度，以及(c)所检测或预测的对象运动。输出图像信号基于残留图像信号和射束强度信号其中的一个或多个。

本发明还提供用于“x射线遮挡”的系统及方法，即一种用于基于射束强度信号的x射线束的自动动态空间调制的技术。X射线遮挡包括设置射束中的x射线阻挡元件的布置。元件的一部分可不同程度地重叠，从而改变射束的阻挡部分的面积。然后，使整个布置经过高频周期运动，同时使射束强度在时间上与周期运动同步地变化。这个过程的组合效果使射束的阻挡部分平滑，从而产生具有大数量及范围的层次等级的连续变化的平滑半透明衰减图案。

附图说明

图1说明根据本发明的一个实施例、采用x射线束调制的x射线系统的示意图。

图2说明根据本发明的一个实施例、按照基于上述反馈环产生输出图像信号的方法的流程图。

图3说明根据本发明的一个实施例的射束强度场的实例。

图4说明采用根据本发明的一个实施例所使用的x射线束的空间调制的x射线系统的示意图。

图5说明根据本发明的一个实施例、按照基于采用射束调制过滤器的上述反馈环产生输出图像信号的方法的流程图。

图6和图7说明根据本发明的一个实施例的射束调制过滤器的一个实施例。

图8说明根据本发明的一个实施例的x射线遮挡的效果。

图9说明根据本发明的一个实施例，x射线管电流波形、如920可用来平滑谐振荡、如910所产生的运动模糊。

图10说明根据本发明的一个实施例、通过采用元件间闭塞来调整局部衰减等级的更灵活方式。

图11说明根据本发明的一个实施例所使用的、与传统荧光透视检查成像系统1105结合工作的附加射束调制系统1100。

通过结合附图进行阅读之后，将会更好地理解上述内容以及以下对本发明的某些实施例的详细描述。为了说明本发明，附图中表示了某些实施例。但是，应当理解，本发明不限于附图所示的布置和工具。

具体实施方式

图1说明根据本发明的一个实施例、采用x射线束调制的x射线系统100的示意图。系统100包括产生空间调制后的射束110的x射线源105、成像对象120、x射线检测器140、x射线束处理器160、图像处理器170以及显示装置195。调制射束110经过成像对象120，被其特征衰减到不同程度，以及形成残留射束130。检测器140测量残留射束130中的射束强度，并将残留图像150传递给射束处理器160和图像处理器170。射束强度信号180可从射束处理器160传递到x射线源105以及传递到图像处理器170。图像处理器产生显示图像信号190，并传递给显示装置195。

如上所述，源105能够向成像对象120发射空间调制后的射束110。更具体来说，源105能够根据射束强度信号不均匀地改变射束110上的x射线强度。射束强度信号是空间调制后的x射线束110的强度场的数字表示。

源105能够根据若干实施例的任一个改变射束110中的x射线强度场。例如，通过在对象120的特定区域上在光栅图案中来回移动窄射束110，同时在时间上改变射束强度并将图像结合到检测器140中，系统100可使用光栅射束110。在另一个实施例中，源105可包括多个射束源，其中每个对成像对象120的不同部分进行曝光。源105则可通过控制各个x射线源的输出在空间上调制射束110。

空间调制的x射线束110可构造成匹配对象120的射线照相厚度的分布。例如，对象120可具有已知的所测量或预测的厚度分布(例如根据荧光透视检查序列中的先前帧)。至少根据这个分布，可创建射束强度信号，以便增加对成像对象120的射线照相厚区域的曝光量和/或减少对射线照相薄区域的曝光量，从而例如可能产生残留射束130中的强度的近似均衡。例如，残留射束130在已经至少被成像对象120衰减之后可包括x射线束。

空间调制的x射线束110可构造成匹配对象120中受关注区域的分布。受关注区域可以是系统100的用户希望成像的对象120中的区域或体积。对象120中的受关注区域可以是来自先前扫描或一般图表集的已知先验知识、经过编程、推理或预期。至少基于这些受关注区域的分布，可创建射束强度信号，它例如产生对非常关注的区域增加的x射线曝光量和/或对不太关注的区域减小的x射线曝光量。

空间调制的x射线束110还可被建立为匹配对象120中持续运动的区域的分布。对象120可具有可能相对成像系统100移动的区域或体积。其它区域更可能保持静止。例如，如果对象120为人类患者的胸腔，则可能包括相对胸腔的其余部分活动的患者的心脏。对象120中的运动区域可以是用户编程的、已知的先验知识、测量的或预期的。在具有极少运动的区域中，图像处理技术可用来再用来自先前帧的信息以产生这些静态区域的优质表示，较小曝光量是必要的。至少基于运动的预期分布，可创建射束强度信号，它产生对于具有运动的区域增加的x射线曝光量和/或对于具有极少或没有运动的区域减小的x射线曝光量。

最后，空间调制x射线束110可建立为匹配上述三种分布的组合，例如：(a)射线照相厚度，(b)受关注区域，以及(c)对象运动的区域可经过结合以产生改进的射束强度信号。

一旦射束110经过对象120，则检测器140接收残留射束130。检测器140是能够测量或记录残留图像130所投射的强度图案的装置。例如，检测器140可以是固态x射线检测器或者与电荷耦合器件数字摄像机耦合的图像增强器。

至少基于残留射束130中的所测量强度，检测器140可创建残留图像150。例如，残留图像150可包括表示检测器140所接收的各个残留射束130强度的电子数据。检测器140将残留图像150传送给射束处理器160和图像处理器170其中至少一个。

射束处理器160是系统100的一个图像处理组件。射束处理器160可以是能够从检测器140接收残留图像150、创建射束强度信号180以及将射束强度信号180传递给源105和图像处理器170其中至少一个的任何处理器。射束处理器160可实施为例如计算机通用微处理器、软件组件或者专用数字信号处理(“DSP”)电路。射束处理器160可嵌入为系统100提供处理的系统，它还可为系统100执行附加任务、例如由图像处理器170所执行的那些任务。

在射束处理器160接收残留图像150之后，射束处理器150检查残留图像150以确定射束强度信号180需要如何被修改。因此，射束处理器160完成了可至少基于成像对象120中的变化来定期或不断更新射束110强度场的反馈环。由于射束处理器160可能“知道”什么射束110强度场被施加以产生所接收残留图像130，因此射束处理器160可能不需要均匀射束搜索拍摄来估算成像对象120中的射线照相厚度，以及还能够当成像对象120在整个成像会话期间移动或改变时定期和/或不断地更新射束强度信号180。

当射束强度信号180主要基于成像对象120中的射线照相厚度时，反馈环可能在x射线源105的射束调制性能限制内产生基本上均匀的残留图像130。这就是说，在一些情况下，x射线源105中的射束调制的空间分辨率限制、动态范围限制或灰度级分辨率限制将不允许射束的完全均衡，即使可能因部分均衡而产生明显改进。这些限制包括空间分辨率、强度分辨率以及动态范围。残留图像可包括对象移动或其它变化的信息以及x射线源105中的射束调制器未分辨的细节。如果x射线源105的射束调制能力接近x射线检测器140的相应图像获取能力，则残留图像140只可包括噪声和运动(若有的话)。因此，与成像对象有关的大量有用信息可包含在射束强度信号180中。

当射束强度信号180还基于运动的预期区域以及对象120的受关注区域时，射束处理器160可创建射束强度信号180，引起这些区域中增加的射束强度。因此，残留图像140可能是非均匀的，并且可能不精确地表示成像对象120中的射线照相厚度。

如上所述，射束处理器160还可将射束强度信号180传递给图像处理器170。图像处理器170可以是能够采用图像代数运算符将两个或两个以上图像信号结合到第三图像信号中的任何处理器。例如，图像处理器170可以是专用硬件组件、可编程装置或者是例如在通用微处理器中运行的嵌入式软件组件。

图像处理器170从残留图像150中减去射束强度信号180，从而创建输出图像190。这种减法例如可能逐个像素地发生。减法运算的特定含义取决于应用于构成图像的灰度级变换。例如，如果对数灰度级变换已经应用于残留图像以及应用于射束强度信号，则可采用简单算术减法。例如，组合图像190则可精确地表示对象120中的真实射线照相厚度，好像采用均匀x射线束获取的一样。信号延迟可能需要嵌入系统内，以便确保射束强度信号180与匹配的残留图像150组合。

图像处理器170还可根据用于在射束处理器160中产生射束强度信号180的相同受关注区域信息和运动区域信息来调整其处理。这些调整可包括空间过滤、时间过滤、特征增强、噪声抑制等等。例如，当射束处理器160引起对不太受关注区域的剂量减小时，图像处理器170可增加相应图像区域中的噪声减小。作为另一个实例，当射束处理器160引起对于预计极少对象运动的区域的剂量减小时，则增加的时间过滤可用来增加先前帧的再用，以便呈现优质图像。多标度图像处理方案可有助于这些解决方案。

在本发明的另一个实施例中，本发明可实施为现有成像系统的外部附加装置。在图11中，系统1100包括现有的传统系统1105，它由虚线框划分，其中又包括x射线源405和x射线检测器140。外部射束调制装置包括外部附加处理器1130、射束调制器1115和显示装置1140。传统系统的视频输出1110连接到附加处理器1130。射束调制器1115连接到传统系统1115的x射线源405。附加处理器1130起到图4中的射束处理器160和图像处理器170的作用。射束配置信号420沿调制器连接1120传送到射束调制1115。视频信号1110将残留图像信号传送给附加处理器1130。

传统数字荧光透视检查x射线成像系统通常包括x射线源105、检测器140，并且能够产生视频输出信号1110。在操作中，源105向对象120发射x射线束110。在射束110经过对象120并成为残留射束130之后(如上所述)，检测器140测量残留射束130的x射线强度。系统1105则将这个残留射束转换成视频信号1110，它可馈入其它系统。

但是，在这个实施例中，外部射束调制装置1115可添加到这种系统中，以便对现有成像系统增加本发明的功能性。装置1115由附加处理器1130控制。

在操作中，处理框从传统系统1105接收到视频输出1110。附加处理器1130则用来实现射束处理器160和图像处理器170的相同功能性，如上所述。例如，一旦附加处理器1130接收到残留图像1110，与射束处理器160相似的射束处理器检查残留图像视频信号1120，以便确定射束110中的射束强度需要如何被修改。附加处理器1130的射束处理器完成了可至少基于成像对象120中的变化来定期地或不断地更新射束110强度场的反馈环，如上所述。装置1120则可经由射束调制器连接1120将射束强度信号180传递给射束调制器。

另外，一旦附加处理器1130的射束处理器确定射束强度信号，则附加处理器1130还可将射束强度信号传递给类似于系统100的图像处理器170的内部图像处理器。附加处理器1130的图像处理器则从残留图像150中减去射束强度信号180，从而创建输出图像190。这种减法例如可能逐个像素地发生。装置1120则可将图像190传递给外部显示装置1140，用于向系统1100的用户显示。因此，当前描述的实施例提供射束调制装置1120到现有x射线成像系统的简单添加，以便实现本发明的功能性。

图2说明根据本发明的一个实施例、按照基于上述反馈环产生输出图像信号190的方法200的流程图。首先，在步骤210，x射线源105向对象120发射x射线束110。接下来，在步骤220，空间调制的射束110经过对象120并被其衰减。对象120的另一侧存在的所得射束为残留射束130。在步骤230，检测器140测量残留射束130中的x射线强度，以便创建残留图像150。接下来，在步骤240，检测器140将残留图像150传递给射束处理器160和图像处理器170。随后，在步骤250，射束处理器160产生射束强度信号180，并将信号180传递给源105和图像处理器170。接下来，在步骤260，图像处理器170将残留图像150与射束强度信号180结合，以便产生图像输出信号190。例如，这个输出信号190则可在显示装置195上显示。随后，方法200可重新进入步骤210。这样，方法200可以反馈环方式进行。

射束处理器160可在定期重复或连续基础上、例如以每秒30、15或7.5帧的荧光透视检查帧速率来创建及传递射束强度信号180。

除了将两个成分结合到输出图像中之外，射束处理器170还可执行其它图像处理任务，例如特征增强、动态范围抑制、噪声降低、数字减法血管造影(“DSA”)以及灰度级变换。图像处理器170中的这些处理任务可与射束处理器160中的射束调制任务相关。例如，没有预期包含运动的区域可由射束处理器160控制来接收减小的x射线曝光量，但它们还可在图像处理器170中在时间上更大地被平均以便减小图像噪声。作为另一个实例，不太受关注的区域可接收减小的x射线曝光量，但例如也可在图像处理器170中在空间上更多地被平均以减小噪声。

显示装置195从图像处理器170接收输出图像190，并将它呈现给观察者。

图3说明反馈环已经产生准最优射束强度场之后的根据本发明的一个实施例的空间调制射束110、残留图像150以及显示图像信号190的实例。在图3中，射束处理器被编程为使残留图像均衡，而没有考虑受关注或预期对象运动的区域。另外，射束调制器的空间分辨率在图3中被限制，因此射束强度信号只包含低频图像信息，以及残留图像包含剩余高频图像信息。当实际上，对于成像对象的平均剂量明显减小时，组合的输出图像190看起来好像采用均匀射束系统以高剂量和高分辨率所得到的一样。

图4说明采用根据本发明的一个实施例所使用的x射线束110的空间调制的x射线系统400的示意图。系统400包括发出基本均匀的x射线束410的x射线源405、射束调制过滤器415、成像对象120、x射线检测器140、射束处理器160、图像处理器170以及显示装置195。初始射束410可能例如因Heel效应而不是完全均匀的。射束调制过滤器415放置在x射线源405与成像对象120之间。X射线源405向调制过滤器415、成像对象120和检测器140发射基本均匀的x射线束410。均匀射束410的至少某部分经过调制过滤器415以便形成调制射束110。调制射束110经过成像对象120，被其特征衰减到不同程度，以及形成残留射束130。X射线检测器140测量残留射束130中的强度，形成残留图像150，并将它传递给射束处理器160和图像处理器170。射束处理器160形成射束强度信号180，并将信号180传递给图像处理器170。射束处理器160则将射束强度信号180转换为调制器配置信号420，并将它传递给射束调制过滤器415。这样，射束强度信号180和调制器配置信号420都用来确定x射线束的空间调制。图像处理器170创建输出图像190，并将它传递给显示装置195。图像处理器170可通过结合强度信号180和调制器配置信号420来创建输出图像190，与以上针对图1所述相似。

射束调制过滤器415可根据调制器配置信号420将初始射束410衰减到射束场上的不同程度。射束调制过滤器415可以是能够有选择地将初始射束410的量衰减改变为射束场上的不同程度、从而创建空间调制射束110的任何装置。与图1的空间调制射束110相似，射束调制过滤器415可衰减初始射束410，从而创建预期射束110强度场，如上所述。

在一个实例中，射束调制过滤器415有选择地改变射束场上的射束衰减的能力可与液晶显示器(“LCD”)装置相比。例如，LCD装置可通过对液晶矩阵施加电流来控制光线经过像素。通过施加适当的电流，LCD的各像素可改变为允许可变量的光线通过LCD。类似地，例如，射束调制过滤器415可采用基于调制器配置信号420可改变为允许各种量的x射线束410通过的像素矩阵。

系统400的其余组件的功能与图1所示及上述的系统100的那些组件相似。系统400的功能性、应用和益处与图1的系统100的功能性相似。例如，源105和405、对象120、检测器140、射束处理器160、图像处理器170和显示装置195可与图1和图4中类似地工作。

图5说明根据本发明的一个实施例、按照基于采用射束调制过滤器的上述反馈环产生输出图像信号190的方法500的流程图。首先，在步骤505，x射线源405向过滤器或射束衰减器415发送x射线束410，如上所述。接下来，在步骤510，射束衰减器(或过滤器)415衰减射束410，如上所述。例如，衰减器415可根据调制器配置信号420不均匀地衰减射束410。一旦射束410已经从衰减器415出来，射束410成为调制射束110，如上所述。调制射束110则经过成像对象120，并成为残留射束130，如步骤520所述。残留射束130则到达检测器140。在步骤530，检测器140测量残留射束130的x射线强度，以便创建残留图像150。接下来，在步骤540，检测器140将残留图像150传递给射束处理器160和图像处理器170，如上所述。在步骤550，射束处理器160产生射束强度信号180，并将强度信号180传递给图像处理器170。随后，在步骤560，射束处理器160如上所述将射束强度信号180转换为配置信号420，并将信号420传递给射束衰减器415。接下来，在步骤570，图像处理器170将残留图像150与射束强度信号180结合，以便产生输出图像信号190，如上所述。这个图像信号190则可传递给显示装置195供显示。随后，方法500可进入步骤505。这样，方法500可以反馈环方式进行。

根据本发明的射束调制过滤器的一个可行实施例的基础称作“x射线遮挡”。此术语源自暗房光线摄影中的遮挡和氧化(burning)技术。为了控制对照片一部分的曝光量，摄影师可在所计算的曝光时间部分将不透明屏蔽插入光束。为了进一步锐化照片中的屏蔽边缘，摄影师可水平或垂直摇动屏蔽。相纸随着时间过去结合曝光，使得在图像上对于相纸的总曝光量变化可根据该区域保持由屏蔽阻挡的持续时间来控制。

先前公开(例如，如上所述)的射束调制过滤器通过改变放置在x射线束中的半透明物质的厚度来调制射束。相反，x射线遮挡采用射线照相上不透明的元件完全阻挡射束，但仅用于帧结合周期的控制部分。这个策略为射束调制器提供了灵活性、大量层次等级、高空间分辨率以及大动态范围。另外，与先前尝试的解决方案(如上所述)不同，只要x射线阻挡元件保持射线照相上不透明，采用x射线遮挡的射束调制对x射线光子能量不敏感。在用于干预医疗荧光透视检查和诊断射线照相的x射线技术的范围内，由0.8-1.5mm的钨制成的元件可足以有效地阻挡x射线束。

为了控制曝光时间，x射线阻挡元件可以以高精度高速或高频地移动、旋转和/或振荡。为了帮助降低运动的复杂度，均匀射束的强度可与x射线阻挡元件的运动同步地变化。实际上，在时间上定期进行这些运动和射束强度变化可能更容易。因此，x射线遮挡技术可定义为经过与定期时间x射线束调制和检测器帧结合周期同步的高频定期运动的x射线束中的x射线阻挡元件的受控布置的使用，以便产生x射线束的预期空间调制。

图8说明根据本发明的一个实施例的x射线遮挡的效果。在这个实施例中，曝光区域615分为图像单元720。射线照相不透明元件710可插入任何图像单元。当元件710在垂直于x射线束的平面中经过具有大约一个单元宽的幅度的高频振荡运动810时，可产生半透明模糊衰减图案800。在这里，振荡810被假定为谐波或正弦振荡。振荡运动810可能不会从衰减图案800中完全消除锐化特征。这些锐化特征可能将伪像引入输出图像190。为了消除这些锐化特征，系统可与振荡运动810的相位同步地改变初始均匀射束410的强度。

例如，设φ_k(θ，ρ)∈[0，1]为以极坐标θ，ρ定义的第k个基盘的衰减函数，使得盘旋转的中心630处于ρ＝0。系统则将各盘k的相位640移动适当的角偏移Ψ_k，以便产生整个叠层的预期组合衰减函数 $\mathrm{\Φ}(\mathrm{\θ},\mathrm{\ρ})=\underset{k}{\mathrm{\Π}}{\mathrm{\φ}}_k(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\ψ}}_k,\mathrm{\ρ}).$ 表示一个或多个相移的指示符640包含在图6中，仅用于说明。使整个盘叠层610经过旋转振荡，使得其角偏移ε如下变化： $\mathrm{\ϵ}=\mathrm{\λ}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πt}}{T}\right),$ 其中t为时间，T为振荡周期，以及λ为角度振荡幅度(例如 $\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\π}}{64}$ )。这时，盘叠层的一部分暴露于具有时变强度I₀(t)的均匀射束。然后，在任何时间点t，调制射束的强度将为I(θ，ρ，t)＝I₀(t)·Φ(θ+ε(t)，ρ)。每个半周期中的平均强度为： $I(\mathrm{\θ},\mathrm{\ρ})=\frac{2}{T}\underset{0}{\overset{\frac{T}{1}}{\∫}}{I}_0\left(t\right)\·\mathrm{\Φ}(\mathrm{\θ}+\mathrm{\ϵ}\left(t\right),\mathrm{\ρ})\·\mathrm{dt}.$ 将结合变量代入ε，这个表达式变为 $I(\mathrm{\θ},\mathrm{\ρ})=\frac{2}{T}\underset{-\mathrm{\λ}}{\overset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}}{I}_0\left(\frac{T}{2\mathrm{\π}}\mathrm{co}{s}^{-1}\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}}\right)\·\mathrm{\Φ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\ρ})\·\frac{T}{2\mathrm{\π\λ}}\·\frac{1}{\sqrt{1-{(\mathrm{\ϵ}/\mathrm{\λ})}^2}}\mathrm{dt}.$ 这可写作卷积积分I(θ，ρ)＝h(θ)*Φ(θ，ρ)，其中 $h\left(\mathrm{\θ}\right)=I_0\left(\frac{T}{2\mathrm{\π}}{\cos }^{-1}\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)\·\frac{T}{2\mathrm{\π\λ}}\·\frac{1}{\sqrt{1-{(\mathrm{\θ}/\mathrm{\λ})}^2}}.$ 这时可表明，通过修改均匀x射线束410的时间强度波形I₀(t)，可沿θ轴有效地对衰减图案Φ(θ，ρ)与任意函数g(θ)求卷积。例如，可将g(θ)选择为平滑限带核心、如高斯或汉宁核心。则h(θ)＝g(θ)，以及射束强度波形可计算为 $I_0\left(t\right)=g\left(\mathrm{\λ}\cos \frac{2\mathrm{\πt}}{T}\right)\·\frac{2\mathrm{\π\λ}}{T}\·\sin \frac{2\mathrm{\πt}}{T},$ 其中 $t=[0,\frac{T}{2}]$ (单脉冲)。脉冲可展开或在序列中相互跟随，如成像应用所需的那样。

图9说明可对应于上述谐振荡函数ε(t)的振荡偏移函数910以及如上所述产生比例均匀射束410的强度I₀(t)的x射线管电流波形920(mA)的实例。x射线管波形920使平滑核心h(θ)成为高斯核心，从而产生如图8所示的平滑效应。

注意，图8中的运动模糊仅沿振荡810的方向使衰减图案平滑。沿径向轴的平滑因x射线阻挡元件710的宽度的平滑变化而实现。当一列x射线阻挡元件830由与图9的射束强度调制920同步的振荡810平滑时，至少部分因限带卷积核心h(x)而可使所得射束调制图案840沿振荡810的方向完全均匀。射束阻挡元件850的行至少部分因x射线阻挡元件710的限带宽度变化而可产生与振荡810正交的均匀衰减。这样，与定期运动810和时间射束强度调制结合的x射线阻挡元件710可用来产生平滑变化的衰减图案。这些图案对于避免图像伪像是关键的或者对于完善的射束校准是必要的。

运动模糊和时间射束调制从衰减图案中消除锐化特征。射束阻挡元件710所阻挡的区域将构成它所在的图像单元中产生的衰减。系统可通过从各种宽度的一组可能的射束阻挡元件中选择来调节局部衰减。图10说明根据本发明的一个实施例、通过采用元件间闭塞来调整局部衰减等级的更灵活方式。两个射束阻挡元件1001和1002可放置在射束中。元件1001、1002的大小和/或形状可能不同。如果这些元件1001、1002设置在不同平面，则它们可能会彼此闭塞。因此，总射束阻挡面积可能逐渐变化，其中的衰减等级数量仅受机械精度的限制。

例如，当两个元件1001、1002没有彼此闭塞时，例如在元件布置1010中，所得衰减单元1020可能比元件1001、1002彼此闭塞到不同程度时更暗，例如在元件布置1030、1050以及相应的衰减单元1040、1060中。另外，也可采用改变射束阻挡元件的投射面积的其它方式，例如元件的旋转或者将元件移动到更接近聚焦点或远离聚焦点。

x射线阻挡元件的设计也可考虑相邻单元交互的方式。例如，可能希望具有完全阻挡x射线束的一部分的能力。为了进行这种操作，元件的行和/或列可密切啮合，使得x射线束完全被阻挡。射束阻挡元件设计成与来自相邻行的元件互锁，以便可配置成没有间隙地阻挡整个区域。例如，为最大衰减设置的元件的两个相邻列单元1070和1075在组合时可能紧密地锁定，例如在布置1080中。在它们通过运动变模糊之后，平滑的衰减图案1085包含射束完全被阻挡的区域。

元件间闭塞只是采用一个或若干射束阻挡元件来阻挡x射线束的变化部分的若干可能方法之一。例如，可采用旋转或滚动元件或者将它们朝x射线源移动或从其移开。元件间闭塞也不需要限制为两个元件。各种布置中相互闭塞的多个元件可提供创建预期衰减图案方面的更大灵活性。

图6和图7各说明根据本发明的一个实施例的射束调制过滤器415的一个实施例。x射线源105产生基本均匀的x射线束410，如上所述。均匀的x射线束410穿过盘状基本过滤器620的层叠。基本过滤器620由射线照相半透明材料组成，并且包含x射线阻挡元件710的布置。

基本盘的相对角偏移640将各盘的不同部分放置在曝光区域615中。例如，给定盘的角偏移640可由特定x射线阻挡元件710的角偏移640或者由参考635表示的其它已知位置标记来确定。盘的角偏移可独立控制。通过改变盘620的数量、元件710的各种布置以及各个盘620的各种角位移，曝光区域615中的x射线阻挡元件的大量可能的布置是可行的。

可使整个盘叠层经过与均匀射束410的周期时间调制同步的围绕轴630的高频旋转振荡。

基本盘的旋转偏移可由源自射束处理器160的调制器配置信号420来控制，如上所述。驱动这些偏移的电动机和机械在图6中未示出，但例如可实现为本领域的技术人员已知的步进电动机配置。

在本发明的一个实施例的实例中，基本过滤器620的圆形曝光区域615可分为单元720的列和行，如图7所示。例如，在图7中，曝光圆形区域615分为五个7-单元中心列和两个3-单元边界列。41个单元的每个的射束衰减等级可采用它们之间的平滑过渡来独立控制。

两个基本盘分配给图像单元的五个中心列的每个(共十个基本盘)。各盘620可旋转到这样一种位置，使得曝光列中的各单元720将或者包含某个x射线阻挡元件或者没有包含一个。对于七单元列，2⁷＝128个这类七元组是可行的。如果1表示存在x射线阻挡元件，而0表示不存在x射线阻挡元件，则根据128-元件图案0000111000011011111011001001111111001100010101011110001100111010110110101001101000100100011110100101110111001010000101100000100围绕基本盘成圆形地排列元件可允许将盘620旋转到产生任何可能的这种七元组的位置。由于两个盘可分配给各列，因此对于35个中心单元的每个，四种可能的配置是可行的：(1)没有x射线阻挡元件存在，(2)来自第一基本盘的一个x射线阻挡元件存在，(3)来自第二基本盘的一个x射线阻挡元件存在，以及(4)两个x射线阻挡元件存在，一个来自第一基本盘以及一个来自第二基本盘。例如，如果从来自第一盘的元件所得的单元衰减为0.33，以及来自第二盘的元件所得的单元衰减为0.67，则当两个元件在此单元中存在时，通过调整元件间闭塞的程度，衰减可在从0.67至1.0的连续层次中变化。

其它许多图案设计是可行的，不一定基于单元矩阵。例如，在诸如图7中615的圆形曝光区域中，垂直边界列仅包含三个单元。不是采用具有如上所述的射束阻挡元件715的二元图案的两个盘来提供四个独立的衰减等级，五级衰减图案可用于独立提供各单元中的五个衰减图案的任一个。这种125-单元圆形图案的一个实例是00111222333444113300224422003311443322110044012340230134124034342323121202424131303020101414203140410213243042143103204321040。在这个图案中，可找到数字0至4的任何邻接三元组。如果与这些数字对应的五种射束阻挡元件在盘上以圆形排列，则这类元件的任何组合可选择到三个曝光单元中。

虽然已经表示和描述了本发明的特定元件、实施例和应用，但是，大家理解，本发明不限于此，因为修改可由本领域的技术人员具体根据上述理论来进行。因此，所附权利要求被认为涵盖这类修改，并结合了本发明的精神和范围之内的那些特征。

配件表

X射线系统	100
		X射线源	105，405
空间调制射束	110
		成像对象	120
X射线检测器	140
		X射线束处理器	160

图像处理器	170
		显示装置	195
残留射束	130
		射束强度信号	180
残留图像	150
		输出图像	190
流程图	200
		射束调制过滤器	415
调制器配置信号	420
		流程图	500
盘叠层	610
		曝光区域	615
盘状基本过滤器	620
		轴	630
参考	635
		指示符	640
射线照相不透明元件	710
		图像单元	720

衰减图案	800
		振荡运动	810
X射线阻挡元件的列	830

射束调制图案	840
		射束阻挡元件的行	850
振荡偏移函数	910
		X射线管电流波形	920
系统	1100
		射束阻挡元件	1001和1002
衰减单元	1040和1060
		元件布置	1030和1050
现有传统系统	1105
		附加处理器	1130
射束调制器	1115
		显示装置	1140
视频输出	1110

Claims (10)

1.一种采用x射线束的空间调制的x射线成像系统，所述系统包括：

x射线源(105，405)，向待成像的对象(120)发射所述x射线束(110)，所述x射线源产生所述x射线束，使得所述x射线束(110)包含至少基于射束强度信号(180)在空间和时间上变化的多个x射线强度；

x射线检测器(140)，在所述x射线束(110)与所述对象(120)之间交互作用之后接收所述x射线束(130)，所述检测器(140)测量所述x射线束的多个残留强度并至少基于所述残留强度来产生残留图像信号(150)；

射束处理器(160)，基于先前射束强度信号(180)、所述残留强度、所述对象(120)中的受关注区域以及预期对象运动其中至少一个来创建当前射束强度信号(180)；以及

图像处理器(170)，产生输出图像信号(190)，所述输出图像信号(190)基于所述残留图像信号(150)和所述当前射束强度信号(180)其中的一个或多个。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个x射线强度被动态改变。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个x射线强度被改变以匹配所述对象(120)中的预期射线照相厚度的分布、所述对象(120)中的所述受关注区域的分布以及所述对象(120)中的运动区域的分布其中的一个或多个。

4.一种采用x射线束的空间调制的x射线成像方法，所述方法包括：

向待成像的对象(120)发射所述x射线束，所述x射线束(110)的x射线强度场在所述x射线束(110)上变化，所述x射线强度场至少基于射束强度信号(180)；

在x射线检测器(140)上接收所述x射线束；

在所述检测器(140)上测量所述x射线束(110)的多个强度；

至少基于在所述检测器(140)上测量的所述强度来创建残留图像信号(150)；以及

产生输出图像信号(190)，所述输出图像信号(190)基于所述残留图像信号(150)和所述射束强度信号(180)其中的一个或多个，

其中所述射束强度信号(180)基于预测信息密度和所述检测器(140)上测量的所述强度其中的一个或多个。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于还包括动态改变所述x射线强度场。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述x射线强度场包括对象(120)中的射线照相厚度的分布、受关注区域的分布以及预期对象(120)运动的区域的分布其中的一个或多个。

7.一种采用x射线束的空间调制来创建x射线图像的系统，所述系统包括：

x射线源(105，405)，向待成像的对象产生所述x射线束(110)，其中所述对象包括至少一个预测信息密度，所述预测信息密度包括射线照相厚度、受关注区域以及对象运动的区域其中至少一个，所述x射线束(110)包括不断变化的x射线强度场；

待成像的对象(120)，包括至少一个预测信息密度，所述预测信息密度包括射线照相厚度、受关注区域以及对象(120)运动的区域其中至少一个；

检测器(140)，至少基于在所述检测器(140)上所接收并由所述对象(120)和所述预测信息密度其中一个或多个所衰减的所述x射线束(110)的x射线强度来创建残留图像(150)；以及

射束处理单元(160)，检查所述残留图像(150)，以便确定对于在所述源(105，405)所发射的至少一个后续x射线束(110)中发射的所述不断变化的x射线强度场的至少一个修改。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述射束处理单元(160)将对于所述不断变化的x射线强度场的所述修改传递给所述源(105，405)以及设置在所述源(105，405)与所述对象(120)之间的过滤器(415)其中的一个或多个。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述射束处理单元(160)不断地修改所述源(105，405)所发射的后续射束(110)中的所述不断变化的x射线强度场。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述射束处理单元(160)和图像处理单元(170)包含在外部射束修改装置(1130)中，以便提供动态射束调制能力。

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