CN1857164B

CN1857164B - 计算对象的正交x射线衰减的方法及相应的装置

Info

Publication number: CN1857164B
Application number: CN200610077855.XA
Authority: CN
Inventors: 雷纳·劳佩克; 安德烈亚斯·沙勒; 克里斯托弗·苏斯; 海科·沃尔夫
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2026-05-08
Also published as: US7289595B2; US20060269039A1; JP2006312047A; DE102005021020A1; CN1857164A

Abstract

本发明涉及一种简单的、特别是节省时间并同时是精确的方法，用来根据沿参考投影方向(P₀)测量的参考X射线衰减(A_ap)计算位于计算机断层造影仪(1)的对象台(6)上的对象(13)的正交X射线衰减(A_lat)。在此，将参考X射线衰减(A_ap)和正交X射线衰减(A_lat)作为计算机断层造影仪(1)的剂量自动装置(7)的输入量。按照该方法，通过采集对象台(6)的台高(h_t)来考虑对象(13)相对于计算机断层造影仪(1)旋转轴(12)的垂直定位。

Description

计算对象的正交X射线衰减的方法及相应的装置

技术领域

本发明涉及一种根据在计算机断层造影照片的前视场中测量的参考X射线衰减来计算对象的正交X射线衰减的方法，以及一种相应的装置。

背景技术

特殊的医疗技术计算机断层造影通常包括X射线拍摄单元，后者带有一个X射线辐射器和一个与该辐射器相对设置的X射线检测器。X射线拍摄单元被可围绕旋转轴旋转地支撑，使得可以在X射线拍摄单元转动的条件下在不同投影方向上拍摄相对于转动轴大致中央设置的对象的X射线投影图像(放射照片)。然后，从这些X射线投影图像中通过数字反投影方法产生出对象的一个或多个断层的图像(层析照片)。在医学计算机断层造影中待检查的对象是患者的身体部位。

为了安置对象、特别是患者，计算机断层造影仪通常在X射线拍摄单元的射线路径上包括一个可以调节高度的对象台。

患者的待进行计算机断层造影检查的身体部位一般会造成对于不同投影方向的不同强度的X射线衰减(下面简称为衰减)。当代的计算机断层造影仪(CT)经常配备有剂量自动装置，其根据投影方向使射线强度与各衰减值相匹配，使得在特别小的X射线剂量下可以实现尽可能好的图像质量。为了对剂量自动装置设置参数，典型地测量在两个相互正交的参考投影方向上、特别是在前-后向(ap)和横向上的衰减，例如借助于两幅在实际断层造影之前拍摄的概貌放射照片进行测量。将ap衰减和横向衰减的测量值作为参考值引入剂量自动装置，后者借助于这些参考值在CT拍摄期间根据投影方向调整射线强度。ap衰减和横向衰减尤其是按照轴向衰减特征的形式、即作为轴向身体位置的函数上升并输入到剂量自动装置中，以便还考虑在身体纵向上衰减的不同。

为了加速与医学CT拍摄相关的工作流程，还可以仅在一个投影方向上、特别是在ap投影方向上进行对衰减的参考测量；而根据对象在X射线检测器上的阴影投射来对正交衰减、即特别是与之垂直的横向衰减进行估计。但是，如果对象在投影方向上被精确地相对于旋转轴在中央定位，这种方法通常才带来对正交衰减的正确估计，并从而带来对X射线剂量的精确调整。但是，不可能总能将对象相对于旋转轴精确定位，特别是不能同时在整个轴向身体长度上进行精确定位。而在对对象的不精确调整的情况下，通过通常的方法会使正交衰减被低估或高估，其结果是，产生的X射线投影图像具有不足的信噪比，或者在CT拍摄期间施加了不必要多的X射线剂量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种特别简单、特别节省时间并且同时精确的方法，其用来根据在计算机断层造影照片的前视场中测量的参考(X射线)衰减计算对象的正交(X射线)衰减。该技术问题的一个特别的方面在于，提供一种可以对按照常规方法估计的正交衰减进行校正的方法。本发明要解决的技术问题还在于，提供一种用于实施该方法的装置。

按照本发明的方法，根据沿参考投影方向所测量的参考(X射线)衰减导出位于对象台上的对象的正交(X射线)衰减，其中，在该计算过程中通过采集对象台的台高来考虑在垂直方向上对象相对于旋转轴的垂直定位、特别是对象的平面中心相对于旋转轴的偏差。

由于对台高的采集和在对正交衰减的计算以及校正中对其加以考虑，即使待检查的对象相对于旋转轴不是垂直地精确位于中心，按照本发明的方法也能够仅在参考测量的基础上精确地进行剂量计算。由此，对台高进行精确地调整。这尤其对于下列事实是具有巨大优势的：通过调整台高通常不能同时将对象的所有轴向区域对中(zentriert)。

本发明的方法尤其用来对这样的正交衰减值进行校正，即，如在常规方法的框架中、在假设对象相对于旋转轴在垂直地对中的条件下估计的衰减值。在该应用中将(例如由常规CT按照标准提供的)估计的正交衰减作为对于该方法的输入量引入，并且在引入台高的条件下计算校正的正交衰减。

在本发明的优选实施方式中，将对象台和旋转轴之间构成的距离作为台高引入。合适的是，由台高和对象在参考投影方向的厚度导出对象的垂直定位。而在这种情况下，对象厚度又是由参考衰减确定的。

与这类的常规方法一样，在医学应用中优选测量前-后向衰减作为参考衰减，并且计算横向上的衰减作为正交衰减。

优选地，按照下列公式计算正交衰减：

(公式1)

在公式1中

-A_lat是待计算的(相对于由于未调节的台高而造成变形的)校正的正交衰减，

-A′_lat是未校正的正交衰减，

-r_f是X射线拍摄单元的焦点轨道半径，即在旋转轴和X射线辐射器的焦点之间的距离，

-h_t是作为台高的度量的对象台至旋转轴的距离，以及

-d₀＝μ^-1log(A_ap)是在参考投影方向上的对象厚度，其中

-μ是预先给定的对象物质的平均衰减系数，以及

-A_ap是在参考投影方向上所测量的参考衰减。

如果对于对象的多个轴向位置存在参考衰减，或者参考衰减是作为一个(与计算机断层造影仪的旋转轴平行的)轴向坐标的函数测量的，则合适的是，还对应于该轴向位置或者作为该轴向坐标的函数来计算正交衰减。

本发明的关于装置的技术问题是通过一种校正模块和一种(特别是在剂量自动装置框架中)包括这样的校正模块的计算机断层造影仪来解决的。该模块构造来实施根据本发明的方法。这种校正模块尤其可以用来装备现有的常规计算机断层造影仪。

附图说明

下面对照附图对本发明的实施方式作进一步的说明。图中：

图1以示意性框图示出了带有校正模块的计算机断层造影仪，该校正模块用于根据所测量的参考衰减自动地计算对象的正交衰减，

图2以截面图的方式示出了图1的计算机断层造影仪的X射线拍摄单元和对象台，并且

图3以图表示出了根据台高按照本发明的方法利用台高计算出的检查对象的横向衰减与在没有台高校正的条件下所测量的横向衰减的比较。

在所有附图中相互对应的部件和参数总是标有相同的附图标记。

具体实施方式

图1和图2示意地示出的医疗技术的计算机断层造影仪1包括：X射线拍摄单元2，X射线发生器3，图像分析单元4，其带有后接的显示设备5、特别是显示屏，对象台6以及剂量自动装置7。图像分析单元4和剂量自动装置7尤其是作为软件模块构成的并且实现在(没有详细示出的)计算机断层造影仪1的计算机设备中。

X射线拍摄单元2包括(X射线管形式的)X射线辐射器8和X射线检测器9。X射线辐射器8和X射线检测器9设置在图1中仅简单勾画的转动框架10(也被称为支架)上，使得X射线辐射器8和X射线检测器9关于该转动框架10的隧道形的开口11相互相对地固定，并且可以通过转动框架10的转动在转动方向上共同地围绕旋转轴12(也被称为同心轴)旋转。在此，从X射线辐射器8发出的、穿过旋转轴12并到达X射线检测器9的中心的射线路径一般地定义了依赖于转动框架10以及固定在其上的X射线拍摄单元2的位置的投影方向P。

在按照图1和图2的表示中例如垂直地朝向下方的投影方向P，在下面被称为参考投影方向P₀。在参考投影方向P₀和任意的第二个参考投影方向P之间构成的角度被称为投影角α(图2)。参考投影方向P₀是对应于投影角α＝0设置的。

为了进行断层造影检查，可以将待检查的对象13放置在对象台6上，并且可与该对象台6一起移入转动框架10的开口11中。在此，对象13尤其是指患者的头部或躯干(在图1中示意地通过带有阴影的椭圆形示出)，或者是模拟人体的检查对象、例如水模型。为了进行对象13的高度调整，可以通过电机将对象台6沿着调整方向Y相对于转动框架10以及其上固定的X射线拍摄单元2进行高度调整。此外，对象台6可以与旋转轴12平行地在纵向上移动。相对于通常在对象台6上仰卧的患者，参考投影方向P₀相当于前-后(ap)投影。

在计算机断层造影仪1的运行中，X射线辐射器8产生至少基本上相对于投影方向P居中的X射线扇形辐射R，由该辐射在图1中用虚线表示的辐射片段S通过对象13传送，并在此由于对象13内的X射线吸收而被衰减。这样形成的X射线扇形辐射R的衰减模式由在投影方向P上设置在对象13之后X射线检测器9记录为(一维)X射线投影图像B(放射照片)，并且引入到图像分析单元4。在CT拍摄过程中，图像分析单元4从多个在不同投影方向P上拍摄的X射线投影图像B中计算出对象13的一个或者多个层的断层造影T。该断层造影T尤其可以作为三维立体表示或者作为任意的二维截面表示被显示在显示设备5上。

由于对象13通常不具有旋转对称的横截面，由对象13引起的平均X射线衰减A(下面简称衰减A)取决于投影方向P和由此的投影角α。

一般地，(X射线)衰减A是通过在给定的投影角α下按照每检测器面积占有的对象13测量的射线强度与在对应的条件下没有对象13时所测量的射线强度的比值给出的。

为了节省X射线剂量，通过调整由X射线辐射器8产生的射线强度来(至少部分地)补偿衰减A的依赖于投影角的波动。在此，如下地调整射线强度：通过相应的控制信号S_I将用于X射线辐射器8的管电流I的大小调整到产生该管电流I的X射线发生器3的电流的大小。

管电流I的调整是通过剂量自动装置7的控制模块14进行的。该控制模块14根据预定的投影角α的函数来确定电流大小I，其中，作为该函数的参数输入前-后向衰减A_ap(下面简称为ap衰减A_ap)和横向衰减A_lat。ap衰减A_ap表示在参考投影方向P₀中出现的衰减A，横向衰减A_lat表示沿与其垂直的第二投影方向P₁的衰减A(图2)，该第二投影方向相对于患者在身体横向方向上延伸。ap衰减A_ap和横向衰减A_lat作为尤其是从轴向对象台位置导出的轴向坐标的函数出现。由此，ap衰减A_ap和横向衰减A_lat反映出了在对象13的预先给定的轴向片段上衰减的变化。

对ap衰减A_ap以及横向衰减A_lat的确定是在对对象13的实际计算机断层造影拍摄的前期用于使剂量自动装置与患者几何关系匹配的准备步骤中进行的。在此，首先在参考投影方向P₀上拍摄参考X射线投影图像B₀，图像分析单元4据此确定作为参考衰减的ap衰减A_ap，并且将其输入到剂量自动装置7的匹配模块15中。

匹配模块15根据常规技术在假设对象相对于旋转轴12中央定位的条件下估计出横向衰减A′_lat，其中根据对象13在X射线检测器9上的阴影投射(在图2中通过射线横截面b″_p示出)换算回估计的对象宽度、即在旋转中心12的高度上的射线横截面b′_p。

匹配模块15尤其根据下列公式计算出横向衰减A′_lat：

A′_lat＝exp(μ·b′_p)，(公式2)

其中，引用了作为常数存放的、实验确定的衰减系数μ。

对象13相对于旋转轴12越偏心地定位，则这样估计出的横向衰减A′_lat与实际由对象13引起的横向衰减偏差就越大。对于对象13相对于旋转轴12的垂直定位的量度，尤其是通过对象13的横截面的平面中心点16与旋转轴12的垂直距离h₀给出。

在构成本发明方法核心的随后的校正步骤中，针对对象13的实际定位对或多或少错误的横向衰减A′_lat进行校正。

该校正步骤由校正模块17实施，该校正模块在数据流技术上连接在匹配模块15和控制模块14之间。

校正模块17根据上述公式1计算校正后的横向衰减A_lat。在公式1中给出的焦点轨道半径r_f是通过计算机断层造影仪1的大小来确定的并且作为常数预先给定。通过对象台6和旋转轴12之间的垂直距离给出的台高h_t由(没有详细示出的)设备控制器提供给匹配模块15。如前面所述，在参考投影方向P₀上的对象厚度d₀是从ap衰减A_ap和衰减系数μ中导出的。

校正模块17将校正后的横向衰减A_lat以及ap衰减A_ap提供给控制模块14。

与上面描述的校正方法不同，还可以直接从ap衰减A_ap、射线横截面b′_p和台高h_t中计算出校正后的横向衰减A_lat，其中，使用在附录中介绍的、在数学上等效的公式4来替代公式1。

为了说明上面所描述的方法，在图2中作为其它的几何参数还给出了焦点-检测器距离d以及垂直于参考投影方向P₀测量的对象宽度b_p。从图2中尤其还可以看出，距离h₀是根据h₀＝h_t-1/2·d₀通过台高h_t确定的。

公式1的数学推导参见附录。

图3示出了根据校正后的横向衰减A_lat的图表(线18)、按照上面描述的方法实验的结果与未校正的横向衰减A′_lat(线19)的比较。两个量A_lat和A′_lat分别是相对于台高h_t记录的。

对于该实验将一个直径为30cm的圆柱形水模型作为对象13引入。在根据图1放置在对象台6上的水模型上，分别对于八个不同台高h_t的设置从在参考投影方向P₀上进行的参考测量中确定ap衰减A_ap和未校正的横向衰减A′_lat。从中根据本发明的方法在使用公式1、即考虑台高h_t的条件下，计算出校正后的横向衰减A_lat。

从图3中可以看出，在使用本发明的方法的条件下对于不同的(对应于实际的比例)台高h_t的横向衰减A_lat(线18)被确定为极好地接近于恒定，而未校正的横向衰减A′_lat(线19)具有明显取决于台高h_t的误差。

附录：公式1的数学推导

从公式A1出发

A(α)＝exp(μ·d_p(α))，(公式A1)

通过其确定了对于任意投影角α衰减A对一般的对象厚度d_p的依赖性。对象厚度d_p一般地表示在投影角α下确定的射线在对象13的内部经历的最大路径长度。对于横向投影方向P₁(即，α＝90°)有d_p(α＝90°)＝b_p，见图2。从公式A1中对于横向衰减得出

A_lat＝A(α＝90°)＝exp(μ·b_p)。(公式A2)

从几何考虑(见图2)对于b_p得出

b_{p} = \frac{r_{f} + h_{t} - \frac{1}{2} \cdot d_{0}}{r_{f}} \cdot \overset{\cdot}{b_{P}} .

(公式A3)

将公式A3带入公式A2有

A_{lat} = \exp (μ \cdot \frac{r_{f} + h_{t} - \frac{1}{2} \cdot d_{0}}{r_{f}} \cdot b_{P}^{'}) = \exp (μ \cdot b_{P}^{'}) (\frac{r_{f} + h_{t} - \frac{1}{2} \cdot d_{0}}{r_{f}}) .

(公式A4)

将公式2带入公式4得到公式1。

因此，在公式4以及公式1右侧的指数中的括号表达式r_f ^-1(r_f+h_t-1/2·d₀)

表示校正，通过该校正(与公式2比较)考虑了对象13的偏心定位、即不等于零的距离h₀＝h_t-1/2·d₀。

对于ap衰减A_ap(即，α＝0°以及d₀＝d_p(α＝90°))从公式A1中给出

A_ap＝A(α＝0°)＝exp(μ·b₀)。(公式A5)

由此，对于在公式4中给出的对象厚度d₀有

d_{0} = \frac{1}{μ} \cdot \log (A_{ap}) .

(公式A6)

在公式1中给出的射线横截面b′_P可以简单的近似根据下式

b_{P}^{'} = \frac{r_{f}}{d} \cdot b_{P}^{'}

(公式A7)

从对象13在X射线检测器9上的阴影投影中估计出，其中，在此将X射线检测器9简单地假设为平坦的。实践中在确定b′_P时还尤其考虑X射线检测器9的弯曲。

注释：

exp(....)表示指数函数

log(....)表示自然对数。

Claims

1.一种用于计算在位于计算机断层造影仪(1)的对象台(6)上的对象(13)的横向上且垂直于参考投影方向(P₀)的正交X射线衰减(A_lat)的方法，该计算根据沿参考投影方向(P₀)测量的参考X射线衰减(A_ap)进行，在该计算中，通过采集所述对象台(6)的对象台高度(h_t)来考虑所述对象(13)关于该计算机断层造影仪(1)的旋转轴(12)的垂直定位，其中，该对象(13)的垂直定位由所述对象台高度(h_t)和从所述参考X射线衰减(A_ap)中确定的对象厚度(d₀)在参考投影方向(P₀)上确定，在此参考投影方向(P₀)相当于前-后投影。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将根据所述对象(13)在所述参考投影方向(P₀)上的阴影投射(b″_p)以及在假设该对象(13)相对于该计算机断层造影仪(1)的旋转轴(12)中央定位的条件下根据所述参考X射线衰减(A_ap)估计出的正交X射线衰减(A′_lat)作为输入量引入，并且在考虑所述对象台高度(h_t)的条件下从该估计出的正交X射线衰减(A′_lat)中导出校正后的正交X射线衰减(A_lat)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述对象台(6)和旋转轴(12)之间的距离作为所述对象台高度(h_t)。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，按照下列公式确定所述校正后的正交X射线衰减(A_lat)：

A_{lat} = {A_{lat}^{'}}^{\frac{1}{r_{f}} \cdot (r_{f} + h_{t} - 1 / 2 d_{0})}

其中，

-A_lat是待计算的校正正交X射线衰减，

-A′_lat是在假设该对象(13)相对于旋转轴(12)在中央定位的条件下估计出的正交X射线衰减，

-r_f是计算机断层造影仪(1)的X射线拍摄单元(2)相对于旋转轴(12)的焦点轨道半径，

-h_t是作为对象台高度的度量的对象台(6)至旋转轴(12)的距离，

-d₀＝μ^-1log(A_ap)是在参考投影方向P₀上的对象厚度，

-μ是预先给定的平均衰减系数，以及

-A_ap是所测量的参考衰减。

5.一种用于计算机断层造影仪(1)的校正模块(17)，该模块构造用来实施根据权利要求1所述的方法。

6.一种计算机断层造影仪(1)，包括可以围绕旋转轴(12)转动的X射线拍摄单元(2)和与该旋转轴(12)按照距离(h_t)定位的对象台(6)以及校正模块(17)，该模块构造用来实施根据权利要求1所述的方法。