CN1973771A - X－射线计算机断层扫描设备和控制该设备的方法 - Google Patents

X－射线计算机断层扫描设备和控制该设备的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够在扫描期间对心搏的变化进行寻址的X－射线计算机断层扫描设备和一种控制该设备的方法。该X－射线计算机断层扫描设备包括：数据采集装置(100，200)，用于通过与心搏同步的螺旋扫描采集受检者的投影数据；图像重建设备，用于基于所收集的投影数据重建图像；以及控制器，用于控制数据采集装置和图像重建设备。该控制器(300)包括：第一控制装置，用于根据心搏在螺旋扫描期间的变化而改变螺距；以及第二控制装置，用于基于投影数据而在间隔相等的多个切片位置重建图像，该投影数据还包括在螺距变化期间所收集的投影数据。

Description

X-射线计算机断层扫描设备和控制该设备的方法
技术领域
本发明涉及一种X-射线CT(计算机断层扫描)设备和一种控制该设备的方法。更确切地说，本发明涉及一种用于通过与心搏同步的螺旋扫描来采集受检者的图像的X-射线CT设备并且涉及一种控制该设备的方法。
背景技术
在由X-射线CT设备对心脏成像的情况下，执行扫描的同时收集心搏信号，并且通过使用所期望的心搏相位中的多次半扫描(half-scan)的投影数据来重建图像。该扫描被执行为螺旋扫描，并且多排X-射线检测器被用于采集投影数据。使用多排X-射线检测器的X-射线CT设备还被称作MDCT(多排检测器CT)。
由MDCT对心脏成像时，根据心搏设置螺距(helical pitch)，使得多个连续切片位置的切片图像中的所有心搏相位变成相同，并且在相邻切片位置之间不发生投影数据的丢失(例如，参考日本专利公开No.2005-137390)。
为了改进图像采集的时间分辨率，在多次心搏中收集多次半扫描的投影数据。基于以这种方式所收集的投影数据的图像重建也被称为多扇区重建(multi-sector reconstruction)。
发明内容
在如上所述的执行螺旋扫描的情况下，当心搏在扫描期间变化时，螺距变得与心搏异步，使得由于数据丢失等而不能获得高质量的切片图像。
本发明的目的是实现能够在扫描期间对心搏的变化进行寻址的X-射线CT设备和控制该设备的方法。
在用于实现该目的的方面中的本发明提供了一种X-射线CT设备，该X-射线CT设备包括：数据采集装置，用于通过与心搏同步的螺旋扫描采集受检者的投影数据；图像重建设备，用于基于所采集的投影数据重建图像；以及控制器，用于控制数据采集装置和图像重建装置；并且该X-射线CT设备的特征在于该控制器包括：第一控制装置，用于根据心搏在螺旋扫描期间的变化而改变螺距；和第二控制装置，用于基于投影数据在间隔相等的多个切片位置重建图像，该投影数据还包括在螺距变化期间所采集的投影数据。
在用于实现该目的的另一方面的本发明涉及一种控制X-射线CT设备的方法，该X-射线CT设备用于通过与心搏同步的螺旋扫描来采集受检者的投影数据并且基于所收集的投影数据重建图像，该方法的特征在于包括以下步骤：根据心搏在螺旋扫描期间的变化而改变螺距；并且基于投影数据在间隔相等的多个切片位置重建图像，该投影数据还包括在螺距变化期间所收集的投影数据。
优选地，通过改变X-射线焦点在螺旋扫描的轴向上的相对线性行进速度来改变螺距，因为仅控制圆周方向和轴向上的两个速度分量中的一个就足够了。
优选地，通过改变支撑受检者的工作台的行进速度来改变相对线性行进速度，因为容易控制X-射线焦点的相对线性行进速度。
优选地，数据采集装置采集二维投影数据，因为该二维投影数据使得在间隔相等的多个切片位置重建图像更为便利。优选地，数据采集装置经由多排X-射线检测器采集投影数据，因为能够容易地获得二维投影数据。
根据任意方面的本发明，控制X-射线CT设备，使得根据心搏在螺旋扫描期间的变化来改变螺距，并且基于投影数据重建间隔相等的多个切片位置的图像，该投影数据还包括在螺距变化期间所收集的投影数据。因而，可以实现能在扫描期间对心搏中的变化进行寻址的X-射线CT设备和控制该X-射线CT设备的方法。
附图说明
图1是示出作为用于实现本发明的最佳模式的例子的X-射线CT设备的构造的框图。
图2是示出作为用于实现本发明的最佳模式的例子的X-射线CT设备中的X-射线照射/检测设备的构造的图。
图3是示出作为用于实现本发明的最佳模式的例子的X-射线CT设备中的X-射线检测器的X-射线入射平面的构造的图。
图4是示出螺距概念的图。
图5是示出作为用于实现本发明的最佳模式的例子的X-射线CT设备的操作的例子的流程图。
图6是示出心搏与光学螺距之间的对应关系的流程图。
图7是示出响应于心搏的变化的螺距变化的例子的图。
图8是作为图像重建的主要部分的三维反向投影过程的流程图。
图9是示出图像重建区域与穿过该图像重建区域的X射线之间的几何关系的图。
图10是示出被投射到X-射线检测器的X-射线入射平面的图像重建区域的图。
图11是示出数据Dr在图像重建区域中的排列的图。
图12是示出数据D2在图像重建区域中的排列的图。
图13是示出数据D2在图像重建区域中的相加的图。
具体实施方式
下面将参考附图描述用于实现本发明的最佳模式。然而，本发明不限于该用于实现本发明的最佳模式。图1示意性地示出了X-射线CT设备的构造。该设备是用于实现本发明的最佳模式的例子。就该设备的构造而言，将描述涉及X-射线CT设备的用于实现本发明的最佳模式的例子。通过操作该设备，将描述关于控制该X-射线CT设备的方法的用于实现本发明的最佳模式的例子。
如图1中所示，该设备具有台架100、工作台200、操作者控制台300和心电图仪400。台架100通过X-射线照射/检测设备110扫描由工作台200所负载的受检者10，并且采集多个视角(view)的投影数据。通过旋转台架100中的X-射线照射/检测设备110而执行扫描。下文中，X-射线照射/检测设备110的旋转将还被称作台架100的旋转。
由台架100所收集的投影数据被输入到操作者控制台300。心搏信号经由心电图仪400也被输入到操作者控制台300。操作者控制台300在其中还具有诸如计算机的数据处理器并且将输入数据和心搏信号存储到存储器中。操作者控制台300基于投影数据和心搏信号来执行图像重建。操作者控制台300是本发明中的图像重建设备的例子。
通过使用预定心搏相位中的多次半扫描的投影数据，执行图像重建。该多次半扫描的投影数据是在一次心搏中所收集的数据或者是多次心搏中的数据。所重建的图像被显示在显示器302上。
操作者控制台300控制台架100和工作台200。在操作者控制台300的控制下，台架100以预定参数执行扫描，并且工作台200执行将受检者10定位在图像采集空间中，以便扫描预定区域。工作台200的位置信息被反馈到操作者控制台300。操作者控制台300是本发明中的控制器的例子。
通过被设置在内部的位置调整机构调整顶板202的高度和顶板202上的托架204的水平行进距离，定位受检者10。通过围绕被连到作为中心的底座208的部分摆动支架206而调整顶板202的高度。
通过在托架204停止的状态下执行扫描，执行轴向扫描。通过在连续移动托架204的同时执行扫描，执行螺旋扫描。台架100和工作台200是本发明中的数据采集装置的例子。
在其中台架100能够沿着工作台200线性移动的结构的情况下，通过线性移动台架100而不是托架204可以执行螺旋扫描。
简而言之，螺旋扫描的轴向上的线性行进可以是在台架100与工作台200之间的相对行进。虽然下文中将描述移动托架204的例子，但是移动台架100的情况与该例子相似。
图2示意性地示出了X-射线照射/检测设备110的构造。X-射线照射/检测设备110通过X-射线检测器150检测从X-射线管130的焦点132所发射的X-射线134。
由未示出的准直仪将X-射线134形成为锥束X-射线。X-射线检测器150具有与锥束X-射线的扩散一致地进行二维扩展的X-射线入射平面152。X-射线入射平面152是弯曲的，以便构造部分圆柱。圆柱的中心轴穿过焦点132。
X-射线照射/检测设备110围绕穿过图像采集中心(即等角点O)的中心轴旋转。该中心轴平行于由X-射线检测器150所形成的部分圆柱的中心轴。
旋转的中心轴的方向被设置为z方向，连接等角点O和焦点132的方向被设置为y方向，而垂直于z方向和y方向的方向被设置为x方向。x、y和z轴是使用z轴作为中心轴的直角坐标系的三个轴。z轴还是螺旋扫描的轴。
图3是X-射线检测器150的X-射线入射平面152的示意性平面视图。在X-射线入射平面152中，检测单元154二维地被布置在x和y方向上。即，X-射线入射平面152是检测单元154的二维阵列。
每个检测单元154用作X-射线检测器150中的检测通道。因此，X-射线检测器150采取多通道X-射线检测器的形式。通过例如组合闪烁体和光电二极管来构造检测单元154。
这种X-射线检测器150还被称作多排X-射线检测器，该多排X-射线检测器使用x方向作为通道方向并且使用z方向作为列方向。通道的数量例如是1024并且列的数量例如是64。通过使用多排X-射线检测器作为X-射线检测器150，可以立刻采集二维投影数据并且能够执行有效的扫描。
图4示出螺距的概念。图4示出了一状态，其中在螺旋扫描的一次旋转中，X-射线焦点132在z轴方向上仅移动距离“d”。距离“d”是台架100与工作台200之间的相对线性行进距离。螺距被给出为通过利用X-射线检测器150的z轴方向上的宽度D对距离“d”进行标准化而获得的值。即，螺距被给出为d/D。
将描述该设备的操作。图5示出了设备操作的流程图。如图5中所示，在步骤501，输入图像采集参数。图像采集参数通过由操作者对操作者控制台300的操作而被输入。通过该操作，输入X-射线管电压、X-射线管电流、台架转速、扫描起始和结束位置、图像采集的心搏相位、图像重建参数等。
在步骤503，输入心搏。基于来自心电图仪400的输入信号，心搏被显示在显示器302上，并且操作者根据该显示输入心搏。心搏由例如心率来表达。可替换地，心搏还可以由心动周期来表达。在心率与心动周期之间存在相反的关系。虽然下文中将描述关注心率的情况，但是在关注心动周期的情况下，使用心率的倒数就足够了。
在步骤505，设置螺距。螺距由操作者控制台300与心率的输入联锁地被自动设置。操作者控制台300预存储心率与最优螺距之间的对应关系并且基于该对应关系设置螺距。
心率与最优螺距之间的对应关系例如如图6A和6B中所示。通过从以往的图像采集记录归纳等来确定这种对应关系。图6A示出了其中在一次心搏中收集多次半扫描的投影数据的情况。图6B示出了其中在两次心搏中收集多次半扫描的投影数据的情况。如图6A和6B中所示，心搏越高，最优螺距越高。
关于相同心搏的最优螺距根据台架转速变化。因此，使用台架转速作为参数，存在多种对应关系。在图6A和6B中，台架转速被表达为每次旋转的旋转时间。这种对应关系作为数学用表或者数值表达式被存储在存储器中。
在步骤507，执行螺旋扫描。螺旋扫描从扫描起始位置开始并且收集投影数据。该螺旋扫描在其中患者屏住他/她的呼吸的状态下被执行。
螺旋扫描以最优螺距来执行。特别地，控制在其上放置受检者10的托架204的行进速度，以便该行进速度是与最优螺距相对应的速度。在本说明书中，托架204的行进速度还被称作工作台行进速度。当托架被固定而台架移动时，对台架行进速度进行控制。
在步骤509，执行心搏测量。与螺旋扫描并行地测量心搏。通过该操作，获得心搏在螺旋扫描期间的当前值。
在步骤511，确定螺距对于当前心搏是否为最优。针对该确定，使用图6A和6B中所示的对应关系。
当确定螺距为最优时，在步骤513，确定扫描是否已经完成。当螺旋扫描达到扫描结束位置时，扫描完成。如果螺旋扫描没有达到扫描结束位置，则确定扫描还没有完成，而且该设备返回到步骤509并测量心搏。在确定期间，持续螺旋扫描。
在其中螺距对于当前心搏为最优并且扫描还没有完成的时期期间，重复步骤509到513的操作。以该方式，以初始设置的螺距持续扫描。
在扫描期间，心搏常常变化。当心搏变化时，初始设置的螺距从最优值开始变化。在这种情况下，在步骤511确定，螺距对于当前心搏不是最优的。
基于该确定，在步骤515，螺距被改变。通过根据图6A和6B中所示的对应关系规定对于心搏当前值为最优的螺距并且控制工作台速度来改变螺距，使得该螺距变成最优螺距。
通过该操作，螺旋扫描以新的螺距来执行。在操作者控制台300的控制下改变螺距。用于控制螺距变化的操作者控制台300是本发明中的第一控制装置的例子。
优选地，随着心搏变得越高，步骤509、511和515的循环操作以越短的时间周期重复，使得该设备能够以高速对心搏的变化进行寻址。
图7示出了对应于心搏变化的螺距变化的例子。在图7中，心搏随着时间的转变由实线曲线来表达，并且对应于心搏随着时间的转变的螺距转变由虚线曲线来表达。
在患者屏住他/她的呼吸期间执行扫描。当患者开始屏住他/她的呼吸时，心搏常常变化。螺距变化，以便跟随心搏。投影数据也在这样的螺距变化期间被收集。
当时，X-射线管电流可以根据螺距的增加/减少而增加/减少。因此，能够使受检者10的X-射线暴露剂量不考虑螺距而恒定，因为随着螺距的增加，必须提供更大的X-射线管电流。
当螺旋扫描到达扫描结束位置时，在步骤513确定扫描的完成，并且在步骤517执行等间隔图像重建。基于在步骤501所输入的图像重建参数执行等间隔图像重建。
通过还使用在螺距变化期间所收集的投影数据而执行等间隔图像重建。对于还使用在螺距变化期间所收集的投影数据的等间隔图像重建，使用在日本专利公开No.2005-40582中所公开的公知的可变节距重建的技术。
该技术的要点是，当螺距由于工作台的加速/减速而连续变化时，基于工作台位置坐标的每个瞬时值也获得以相等间隔设置的多个图像重建位置中的每个位置的X-射线透射方向，并且通过使用适于X-射线透射方向的投影数据来执行图像重建。
图8是示出作为图像重建的主要部分的三维反向投影过程的细节的流程图。
在垂直于z轴的xy平面中，将图像重建为三维图像。重建平面P平行于xy平面。
在步骤S61，注意重建切片图像所必需的所有视角(即，例如半扫描的视角)之一，并且提取对应于重建区域P中的每个像素的投影数据Dr。
如图9A和9B中所示，平行于xy平面的512×512个像素的正方形区域被设置为重建区域P。使用平行于y＝0的x轴的y＝0的像素行L0、y＝63的像素行L63、y＝127的像素行L127、y＝191的像素行L191、y＝255的像素行L255、y＝319的像素行L319、y＝383的像素行L383、y＝447的像素行L447、和y＝511的像素行L511作为例子。通过提取如图10中所示的行T0到T511上的投影数据，这些行是通过将像素行L0到L511投影到X-射线透射方向上的多切片X-射线检测器150的平面上而获得的，所提取的数据被用作像素行L0到L511中的投影数据Dr(视角，x，y)。在此，x、y对应于切片图像的像素(x，y)。
由X-射线管130的X-射线焦点、每个像素和多排X-射线检测器150之间的几何位置确定X-射线透射方向。由于X-射线检测器数据D0(视角，j，i)的z坐标z(视角)作为工作台线性行进z-方向位置Ztable(视角)而附着于X-射线检测器数据并且是已知的，所以在加速/减速期间能够从X-射线检测器数据D0(视角，j，i)准确获得多排X-射线检测器的数据收集几何系统中的X-射线焦点和X-射线透射方向。
在其中行的部分延伸到多排X-射线检测器150的通道方向的外部的情况下，像通过在X-射线透射方向上将像素行L0投影到多排X-射线检测器150的平面上所获得的行T0，相对应的投影数据Dr(视角，x，y)被设置为“0”。在其中该行延伸到z方向的外部的情况下，通过外推法获得投影数据Dr(视角，x，y)。
如上所述，如图11中所示的那样，能够提取对应于重建区域P中的每个像素的投影数据Dr(视角，x，y)。
再参考图8，在步骤S62，投影数据Dr(视角，x，y)乘以锥束重建加权系数，由此生成如图12所示的投影数据D2(视角，x，y)。
锥束重建加权系数w(i，j)如下。一般地，在扇束图像重建的情况下，当在连接X-射线管130的焦点和在视角＝βa的(在xy平面上的)重建区域P上的像素g(x，y)的直线与X-射线束的中心轴Bc之间所形成的角度为γ并且相对的视角为视角＝βb时，获得下列表达式。
βb＝βa+180°-2γ    ...公式1
当在穿过重建区域P上的像素g(x，y)的X-射线束与该重建平面P之间所形成的角度是αa并且在与上述X-射线束相对的X-射线束和重建平面P之间所形成的角度是αb时，角度αa和αb乘以取决于角度的锥束重建加权系数ωa和ωb并且相加这些结果，由此获得反向投影像素数据D2(0，x，y)。在这种情况下，获得下列表达式。
D2(0，x，y)＝ωa·D2(0，x，y)_a+ωb·D2(0，x，y)_b    ...公式2其中D2(0，x，y)a表示视角βa的反向投影数据，而D2(0，x，y)b表示视角βb的反向投影数据。
相对射束的锥束重建加权系数的总和被表达如下。
ωa+ωb＝1    ...公式3
通过执行乘以锥束重建加权系数ωa和ωb并进行相加，锥角伪像能够被减少。
例如，能够使用由下列等式所计算的锥束重建加权系数ωa和ωb。在此，ga表示视角βa的加权系数，并且gb表示视角βb的加权系数。
当扇束角的1/2被设置为γmax时，获得下列表达式。
ga＝f(γmax，αa，βa)
gb＝f(γmax，αb，βa)
xa＝2·gaq/(gaq+gbq)
xb＝2·gbq/(gaq+gbq)
wa＝xa2·(3-2xa)
wb＝xb2·(3-2xb)    ...公式4
(例如，q＝1)
例如，作为ga和gb的例子，当max[ ]为取较大值的函数时，获得下列表达式。
ga＝max[0，{(π/2+γmax)-|βa|}]·|tan(αa)|
gb＝max[0，{(π/2+γmax)-|βb|}]·|tan(αb)|    ...公式5
此外，在扇束图像重建的情况下，重建区域P上的每个像素与距离系数相乘。当从X-射线管130的焦点到对应于投影数据Dr的多排X-射线检测器150的检测器列j和通道i的距离是r0，并且从X-射线管130的焦点到对应于投影数据Dr的重建区域P上的像素的距离是r1时，距离系数被表达为(r1/r0)2。
在步骤S63，如图13中所示，投影数据D2(视角，x，y)被增加到预先以像素对应的方式被清除的反向投影数据D3(x，y)。
在步骤S64，相对于重建切片图像所需的所有视角(即，例如多次半扫描的视角)，重复步骤S61到S63，并且如图13中所示，获得反向投影数据D3(x，y)。
通过使用如上所述的二维投影数据执行三维反向投影，能够获得等间隔的多个重建图像，而不考虑螺距在扫描期间的变化。由于螺距动态优化，以便跟随心搏变化，所以多个图像的心搏相位变成相同并且此外不会发生数据丢失。
等间隔图像重建在操作者控制台300的控制下被执行。控制等间隔图像重建的操作者控制台300是本发明中的第二控制装置的例子。
在该设备中，通过改变X-射线焦点在螺旋扫描轴向上的相对线性行进速度，改变螺距。因此，仅控制螺旋扫描在圆周方向和轴向上的两个速度分量中的一个就足够了。
由于通过改变支撑受检者的工作台的移动速度而改变相对线性行进速度，所以容易控制X-射线焦点的相对线性行进速度。

Claims (8)

1、一种X-射线计算机断层扫描设备，其包括：
数据采集装置(100，200)，用于通过与心搏同步的螺旋扫描来采集受检行的投影数据；
图像重建装置(300)，用于基于所采集的投影数据重建图像；以及
控制器(300)，用于控制数据采集装置和图像重建装置，
其中，所述控制器(300)包括：
第一控制装置，用于根据心搏在螺旋扫描期间的变化而改变螺距；以及
第二控制装置，用于基于投影数据而在间隔相等的多个切片位置重建图像，该投影数据还包括在螺距变化期间所采集的投影数据。
2、根据权利要求1所述的X-射线计算机断层扫描设备，其中，通过改变X-射线焦点在螺旋扫描的轴向上的相对线性行进速度来改变螺距。
3、根据权利要求2所述的X-射线计算机断层扫描设备，其中，通过改变支撑受检者的工作台的行进速度来改变相对线性行进速度。
4、根据权利要求1至3中的任意一项所述的X-射线计算机断层扫描设备，其中，所述数据采集装置(100，200)采集二维投影数据。
5、根据权利要求1至3中的任意一项所述的X-射线计算机断层扫描设备，其中，所述数据采集装置(100，200)经由多排X-射线检测器(150)采集投影数据。
6、一种控制X-射线计算机断层扫描设备的方法，用于控制X-射线计算机断层扫描设备，该X-射线计算机断层扫描设备用于通过与心搏同步的螺旋扫描而采集受检者的投影数据，并基于所收集的投影数据而重建图像，该方法包括以下步骤：
根据心搏在螺旋扫描期间的变化而改变螺距，(515)；以及
基于投影数据在间隔相等的多个切片位置重建图像，(517)，该投影数据还包括在螺距变化期间所采集的投影数据。
7、根据权利要求6所述的控制X-射线计算机断层扫描设备的方法，其中，通过改变X-射线焦点在螺旋扫描的轴向上的相对线性行进速度来改变螺距。
8、根据权利要求7所述的控制X-射线计算机断层扫描设备的方法，其中，通过改变支撑受检者的工作台的行进速度来改变相对线性行进速度。
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