CN211381407U

CN211381407U - 具有成对射线源环的静态实时ct成像系统

Info

Publication number: CN211381407U
Application number: CN201921520291.1U
Authority: CN
Inventors: 李运祥; 崔志立
Original assignee: Nanovision Technology Beijing Co Ltd
Current assignee: Nanovision Technology Beijing Co Ltd
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2029-09-12

Abstract

本实用新型公开了一种具有成对射线源环的静态实时CT成像系统，包括成对的射线源环和探测器环，其中，在Z轴上，左射线源环和右射线源环对称设置在探测器环的左右两侧，两个射线源环共用一个探测器环；左射线源环和右射线源环分别是具有多个X射线源的环形多焦点X射线源，左射线源环和右射线源环上均匀布置相同个数的焦点，同时左射线源环和右射线源环的焦点相对交错布置。在静态实时CT成像系统中设置的两个射线源环中的多个焦点可以等效为同一等效射线源环的多个焦点，且等效射线源环的焦点总数是左射线源环和右射线源环的焦点总和；从而在一定程度上降低了对射线源环中各射线源的体积要求，并有效扩大设备的FOV，提高CT成像精度和质量。

Description

具有成对射线源环的静态实时CT成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种具有成对射线源环的静态实时CT成像系统，属于医疗影像技术领域。

背景技术

CT(Computed Tomography)是电子计算机断层扫描技术的简称。它的成像原理是这样的：利用X射线束与灵敏度极高的X射线探测器围绕人体的某一部位进行逐层的断面扫描，由X射线探测器上的闪烁材料接收透过该层面的X射线，转变为可见光后，由光电转换器转变为电信号，放大后再经模拟/数字转换转为数字信号，输入计算机进行处理。在计算机中，将选定层面分成若干个体积相同的立方体，称之为体素(Voxel)。逐层断面扫描所得到的信息经计算后，获得每个体素的X射线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即体素数字矩阵。将体素数字矩阵中的数字信息转为由黑到白不等灰度的小方块，在二维投影上称为像素(Pixel)，按照断层方式排列即构成CT图像。

为了提高扫描速度，提升成像精度和速度，并避免机械旋转所带来的离心力的影响，降低高速旋转时信号拖尾效应及重叠串扰程度，申请人在专利号为ZL 201410425061.2的中国专利中，公开了一种静态实时CT成像系统。该静态实时CT成像系统包括环形光子计数探测器、环形扫描X射线源和扫描时序控制器。其中，在扫描时序控制器的控制下，环形扫描X射线源发射窄束X射线，透过被测物体后投照到对应的环形光子计数探测器上。环形光子计数探测器将相应的曝光信息通过扫描主机和主控制单元送入数据采集处理单元及人机交互单元，在数据采集处理单元及人机交互单元中完成图像重建。上述静态实时CT成像系统，在扫描过程中，环形扫描X射线源不需要大幅度旋转，通过电子控制依次切换X射线投照位置，使扫描速度提高数十倍，可以获得动态三维立体图像：采用光子计数探测器，可以获得吸收数据和能量数据，并由此实现实时数据重建。

为了满足大视野的实际需求，在公开号为WO2018/153382A1的专利文献中公开了一种适应大视野要求的静态实时CT成像系统，该静态实时CT成像系统包括多焦点环形X射线源和环形光子探测器；其中，多焦点环形X射线源由排列成环形的多个扫描X射线源组成，环形光子计数探测器由排列成环形的多个光子计数探测器模组组成；各扫描X射线源轮流发射宽束X射线，透过被测物体后投照到对应的光子计数探测器模组上，扫描X射线源与对应的光子计数探测器模组之间采用非反向几何成像方式，各光子计数探测器模组以交叠方式进行工作，将相应的曝光信息送入数据采集处理单元，在数据采集处理单元中完成图像的实时重建和可视化再现。该静态实时CT成像系统由多焦点环形X射线源发射宽束X射线，配合射线源与探测器之间采用非反向几何成像方式，能够适应大视野(即视场角FOV达到450～500左右)的要求。

为了提高CT成像的精度，在静态实时CT成像系统中，对设置在多焦点环形X射线源中的X射线源的数量具有一定的要求，然而当将大量X射线源全部排列在多焦点环形X射线源中，这对射线源的体积提出了更高的要求，需要将X射线源的体积缩小，而这给X射线源的制造带来了很大的难度。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种具有成对射线源环的静态实时CT成像系统。

为了实现上述技术目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种具有成对射线源环的静态实时CT成像系统，其特征在于包括成对的射线源环和探测器环，其中：

在Z轴上，左射线源环和右射线源环对称设置在探测器环的左右两侧，两个射线源环共用一个探测器环；

左射线源环和右射线源环分别是具有多个X射线源的环形多焦点X射线源，左射线源环和右射线源环上均匀布置相同个数的焦点，同时左射线源环和右射线源环的焦点相对交错布置。

其中较优地，所述探测器环由排列成环形的多个光子计数探测器组成，其中对应于同一X射线源的多个光子计数探测器构成一个光子计数探测器模组；

所述静态实时CT成像系统还包括扫描时序控制器；左射线源环和右射线源环中的多个焦点的发射时序和所述探测器环中对应光子计数探测器模组的采集时序由所述扫描时序控制器进行控制。

其中较优地，所述左射线源环和所述右射线源环中的多个X射线源按照预定的发射时序发射X射线，相对应的所述光子计数探测器模组以交叠方式采集所述X射线透过被测物体后在光子计数探测器模组上的曝光信息。

其中较优地，在所述扫描时序控制器的作用下，所述左射线源环和所述右射线源环中的多个X射线源以下列任一方式进行轴扫：

①左侧一个射线源曝光，右侧一个射线源曝光，然后再左侧一个射线源曝光，这样左右交替实现所有射线源的轮流曝光，获得所有射线源的投影图；

②左侧射线源轮流曝光，然后右侧射线源轮流曝光，获得所有射线源的投影图；

③左侧射线源轮流曝光，仅获得左侧射线源的投影图；

④右侧射线源轮流曝光，仅获得右侧射线源的投影图。

其中较优地，左射线源环中的多个焦点使用一种能级，右射线源环中的多个焦点使用另一种能级，一次扫描实现两个能级的能谱图像。

其中较优地，所述静态实时CT成像系统在长Z向扫描方式上采用步进扫描，弥补空档区域。

其中较优地，所述静态实时CT成像系统在长Z向扫描方式上采用螺旋扫描方式。

本实用新型所提供的具有成对射线源环的静态实时CT成像系统，在探测器环左右两侧对称设置有射线源环，左射线源环和右射线源环共用探测器环，两个射线源环中的多个焦点可以等效为同一等效射线源环的多个焦点，且等效射线源环的焦点总数是左射线源环和右射线源环的焦点总和；从而在一定程度上降低了对射线源环中各射线源的体积要求，并有效扩大设备的FOV，提高CT成像精度和质量。

附图说明

图1是本实用新型所提供的具有成对射线源环的静态CT成像系统的结构示意图；

图2是理想状态下，具有成对射线源环的静态CT成像系统的FOV的示意图；

图3是菱形FOV的示意图；

图4是长方形FOV的示意图；

图5是采用步进扫描方式补偿空档区域的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行进一步地详细描述。

本实用新型所提供的静态实时CT成像系统，在扫描架单元中包括成对的射线源环、探测器环3和扫描时序控制器。如图1所示，在Z轴上，左射线源环1和右射线源环2对称设置在探测器环3的左右两侧，两个射线源环共用一个探测器环3。左射线源环1和右射线源环2分别是具有多个X射线源的环形多焦点X射线源，左射线源环1和右射线源环2上均匀布置相同个数的焦点，同时左射线源环1和右射线源环2的焦点相对交错布置。探测器环3由排列成环形的多个光子计数探测器组成，其中，对应于同一X射线源的多个光子计数探测器构成一个光子计数探测器模组。左射线源环1和右射线源环2中的多个焦点的发射时序和探测器环3中对应光子计数探测器模组的采集时序由同一扫描时序控制器进行控制；左射线源环1和右射线源环2中的多个X射线源按照预定的发射时序发射X射线，探测器环3中与之相对应的光子计数探测器模组以交叠方式采集X射线透过被测物体后在光子计数探测器模组上的曝光信息。

本实用新型所提供的静态实时CT成像系统，通过将多个焦点相对交错布置在分别位于探测器环3左右两侧的两个射线源环上，使得静态实时CT成像系统中的两个射线源环可以等效为一个具有多焦点的等效射线源环，等效射线源环的焦点数量两倍于单个射线源环的焦点个数。例如，假设左射线源环1和右射线源环2分别均匀布置60个焦点，每个焦点的角度间隔为6°，同时左射线源环1和右射线源环2中的焦点相对交错布置，则等效为一个具有120个焦点的等效射线源环，且每个焦点间的角度间隔为3°。通过上述改进，在不增加X射线源制造难度的前提下，极大地增加了静态实时CT成像系统中用于成像的焦点个数，可以大幅度提高成像精度和质量。

在本实用新型所提供的静态实时CT成像系统中，扫描架单元除去包括成对的射线源环、探测器环3和扫描时序控制器之外，还可以进一步包括使左射线源环1和右射线源环2沿着圆周方向进行小角度摆动的辅助机构。上述小角度摆动是为了精细重建而进行的角度插值，本质上不属于普通CT那样的旋转成像方式。小角度摆动的角度幅度近似于两个焦点间的角度间隔。

上述静态实时CT成像系统由左射线源环1和右射线源环2中的多焦点依照时序发射X射线，配合射线源与光子计数探测器模组之间采用非反向几何成像方式，就可以适应大视野的要求。下面对此展开具体说明。

在上述静态实时CT成像系统中，左射线源环1、右射线源环2和探测器环3安装在旋转支架上，且三者处在同一轴线上，该轴线即为CT领域通称的Z轴。在扫描时序控制器的控制下，左射线源环1和右射线源环2中的多个X射线源依照某种时序发射X射线，对应的光子计数探测器模组以交叠(over lap)方式进行工作，其中，对应于同一X射线源的多个光子计数探测器可以视为一个光子计数探测器模组。例如1号X射线源对应1、2、3、4、5号光子计数探测器进行工作，2号X射线源对应2、3、4、5、6号光子计数探测器进行工作，3号扫描X射线源对应3、4、5、6、7号光子计数探测器进行工作，依此类推。对应的工作模式为整环读出，即一次读出对应多个焦点的投影区域。左射线源环1和右射线源环2的焦点面在Z向上分别位于探测器环3的Z向中心面的左右两侧，左射线源环1和右射线源环2中的焦点所发射的x射线是斜射向探测器表面的(即探测器环3中的各光子计数探测器模组不垂直于对应的入射X射线),在成像时需要进行必要的几何校正。具体的几何校正算法是本领域技术人员普遍掌握的常规技术手段，在此就不赘述了。

左射线源环1和右射线源环环2中的X射线源可以由紧密、均匀排列成环形的多个独立的扫描X射线源组成，也可以由均布多个阴极的具有多个焦点的环形X射线源组成，还可以由几组均布多个阴极的具有多个焦点的弧形X射线源组成。探测器环3优选由紧密、均匀排列成环形的多个光子计数探测器组成。对应于同一X射线源的多个光子计数探测器构成一个光子计数探测器模组，多个焦点与对应的光子计数探测器模组之间采用非反向几何成像方式。排列在圆周上的多个焦点的数量和光子计数探测器的数量可以一致、也可以不一致。如上所述，组成探测器环3的光子计数探测器也可以由直接转换、能量区分式或基于闪烁体的积分式X射线探测器所替代。

该静态实时CT成像系统在工作时，左射线源环1和右射线源环2中的X射线源受扫描时序控制器控制，按照某种时序沿着圆周方向发射X射线，其效果等同于现有螺旋CT的圆周转动。

左射线源环1和右射线源环2中的X射线源(即多个焦点)可以通过下述多种方式实现一次轴扫，可以同时获得左环FOV 6和右环FOV 7，也可以仅获得左环FOV 6或者右环FOV7。具体来说，包括如下四种轴扫方式：

③左侧射线源轮流曝光，仅获得左侧射线源的投影图；

④右侧射线源轮流曝光，仅获得右侧射线源的投影图。

此外，在轴扫方式①②③④中，单个射线源环中不同区域内的单个或者多个焦点的发射时序还可以采用同时或分时工作、逐点或者隔点、逐行或者隔行发射X射线的扫描时序。左射线源环1和右射线源环2中的各X射线源可以沿着圆周方向依次顺序发射X射线，也可以间隔若干个X射线源顺序发射X射线。左射线源环1和右射线源环2中的X射线源可以仅在单一X射线源发射X射线，也可以同时在多个X射线源并行发射X射线。并行发射X射线的X射线源的最大数量以满足并行发射的X射线在光子计数探测器上互不干涉为前提，并行发射X射线的X射线源的圆周分布以圆周均匀分布为佳。

左射线源环1和右射线源环环2中的X射线源发射的X射线透过被测物体后照射到探测器环3中对应的光子计数探测器模组上。数据采集处理单元由多个分布式子系统组成，子系统里集成有嵌入式GPU。光子计数探测器将接收到的X射线信息由数据采集处理单元采集并进行重建处理，重建处理后的图像信息再传递给图像数据存储单元及人机交互单元，在图像数据存储单元及人机交互单元中完成图像的存储和可视化再现。当然，也可以按照现有CT的数据采集处理方式:数据采集处理单元只采集数据，然后将数据资料传输给图像数据存储单元进行重建和存储。

在现有技术中，多焦点环形X射线源中的焦点数量决定了静态扫描时圆周最大投影密度。这个投影密度有时无法满足一些要求更高的医学成像需求。为增加圆周最大投影密度，一方面本实用新型所提供的静态实时CT成像系统通过设置两个射线源环增加了用于成像的焦点个数，另一方面本实用新型所提供的静态实时CT成像系统还可以采用插值扫描方式增加扫描焦点数。通过插值扫描方式使圆周投影密度更高，能够实现能谱扫描功能，多焦点并行扫描速度更快。在进行插值扫描时，多焦点环形X射线源匀速转过不小于两个相邻焦点之间的夹角范围，在通过这个夹角范围的运动时间内，多焦点环形X射线源完成多次发射X射线，相当于在两个焦点之间增加了多个焦点，在转动过程中，单个焦点几次发射X射线即为几个插值扫描。在进行插值扫描时，可以只有左射线源环1和右射线源环2沿着圆周方向进行小角度的摆动，也可以由左射线源环1、右射线源环2和探测器环3沿着圆周方向相对摆动，还可以是旋转支架整体不运动，扫描床携带人体沿着圆周方向进行摆动。

该静态实时CT成像系统可以利用左射线源环1和右射线源环2中的多焦点实现多种方式的能谱扫描。首先，左射线源环1和右射线源环2可以利用单个X射线源的能量瞬时切换进行能谱扫描，可以瞬时切换多种能级(例如100kV、120kV、140kV之间的切换)，具体切换的能级数量由设计需求决定。某一个X射线源通过能量瞬时切换进行能谱扫描后，在扫描时序控制下的下一个X射线源采用同样方式进行能谱扫描，直到整个扫描工作完成。其次，左射线源环1和右射线源环2可以采用圆周间歇式能量切换进行能谱扫描，即左射线源环1和右射线源环2的各X射线源在时序控制下以同一能级完成一个圆周扫描后，再全部切换到另一个能级，重复完成下一个圆周扫描，直至完成所有的能级切换。再次，左射线源环1和右射线源环2也可以采用圆周多能谱扫描方式进行能谱扫描，即将分布在圆周上的扫描X射线源分成几组，每组统一为一种能级，在时序控制下完成一个圆周扫描后，各组扫描X射线源的能级再分别切换到对应的下一个能级，重复完成下一个圆周扫描，直至完成所有的能级切换。最后，左射线源环1和右射线源环2还可以同时使用两个不同的能级，具体地，左射线源环1中的多个焦点使用一种能级(A kV)，右射线源环2中的多个焦点使用另一种能级(B kV，B≠A)，一次扫描实现两个能级的能谱图像。

需要说明的是，本实用新型中的光子计数探测器也可以用积分式探测器替代，用于实现相同的功能。只是积分式探测器成像的效果相对于光子计数探测器较差，但是由于积分式探测器技术比较成熟，其功能也相对稳定一些。

上面对本实用新型所提供的具有成对射线源环的静态实时CT成像系统的结构及扫描方式进行了介绍。下面对具有成对射线源环的静态实时CT成像系统的FOV进行具体介绍。

如图1所示，在左射线源环1和探测器环3之间以及在右射线源环2和探测器环3之间分别不可避免地存在一个不能感光的边缘区5，两个边缘区5分别位于探测器环3的感光区4的两侧，该边缘区5大小由探测器环3实现时采用的具体设计决定。由于边缘区5的存在，该结构下重建得到FOV并不连续，分为左环FOV 6、空档区域8和右环FOV 7，其中，空档区域8是由于左射线源环1和右射线源环2均没有X射线覆盖而形成的空白区域。在实际设计时，边缘区5越小越好，边缘区5越小，空档区域8的面积越小。理想情况下，将边缘区5消除后，设备的FOV将由左环FOV 6和右环FOV 7构成，此时不存在空档区域8，如图2所示。

在算法上进行FOV补偿算法处理，可以将左环FOV 6和右环FOV 7由非对称菱形(如图3所示)修成为长方形(如图4中的左侧方框和右侧方框)。如果使用解析算法比如传统的滤波反投影，需要通过补偿算法把菱形修正为长方形，具体一种补偿算法参见Zikuan Chen等人发表的《Compensating the intensity fall-off effect in cone-beam tomographyby an empirical weight formula》[J]，Appl Opt.2008November 10；47(32):6033–6039。如果使用迭代算法，则直接重建出来的FOV就是截面为长方形的圆柱，不需要进行算法补偿。

如图1所示，由于在左射线源环1和探测器环3之间以及在右射线源环2和探测器环3之间分别不可避免地存在一个不能感光的边缘区5，重建得到FOV并不连续，在左环FOV 6和右环FOV 7之间存在空档区域8。上述空档区域8可以通过不同的扫描方式进行消除。

例如，如图5所示，当静态实时CT成像系统在长Z向扫描方式上，采用步进扫描，可以弥补空档区域8。具体来说：当步进长度与左环FOV 6、右环FOV 7和空档区域8的平均宽度近似时，在每次扫描时，左环FOV 6和右环FOV 7分别近似位于下列位置。

①第一次扫描S-1，完成左环FOV 6、空档区域8和右环FOV 7的扫描。

②病床配合左移一段距离进行第二次扫描S-2，此时对应的第一次扫描的左环FOV6移出扫描区，第一次扫描的空档区域8位于左环FOV 6位置，第一次扫描的右环FOV 7位于空档区域8。

③病床配合左移一段距离进行第三次扫描S-3，此时对应第一次扫描的左环FOV 6移出扫描区，第一次扫描的空档区域8也移出了扫描区，第一次扫描的右环FOV 7位于左环FOV 6，由于左右射线源环中的相邻焦点之间间隔单个射线源环中二分之一个射线源间隔角度，因此两次扫描可以增加重建图像质量。

④按照上述顺序进行扫描，获得更长的Z向扫描。

对应上述扫描流程获得左环FOV 6和右环FOV 7的位置如下表1所示，将Z向划分为连续的A、B、C、D……段，那么在长Z向扫描过程中，A、B、C、D……段中除了A、B段外其他段均被左环FOV 6和右环FOV 7分别覆盖一次，从而实现连续的Z向扫描。

表1每次扫描时左环FOV和右环FOV所在的位置

另外，当静态实时CT成像系统在长Z向扫描方式上，采用螺旋扫描方式，成像效果完全不受空档区域的影响。

综上所述，本实用新型所提供的具有成对射线源环的静态实时CT成像系统，在探测器环左右两侧对称设置有射线源环，左射线源环和右射线源环共用探测器环，两个射线源环中的多个焦点可以等效为同一等效射线源环的多个焦点，且等效射线源环的焦点总数是左射线源环和右射线源环的焦点总和；从而在增加焦点数的同时在一定程度上降低了对射线源环中各射线源的体积要求，并有效扩大设备的FOV，提高CT成像精度和质量。本发明所提供的用于上述静态实时CT成像系统的成像控制方法，通过对扫描方式的控制，可以消除可能存在于左环FOV和右环FOV之间的空档区域，从而使得本发明所提供的静态实时CT成像系统满足使用需求。

以上对本实用新型所提供的一种具有成对射线源环的静态实时CT成像系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims

1.一种具有成对射线源环的静态实时CT成像系统，其特征在于包括成对的射线源环和探测器环，其中：

2.如权利要求1所述的静态实时CT成像系统，其特征在于：

所述探测器环由排列成环形的多个光子计数探测器组成，其中对应于同一X射线源的多个光子计数探测器构成一个光子计数探测器模组；

3.如权利要求2所述的静态实时CT成像系统，其特征在于：

所述左射线源环和所述右射线源环中的多个X射线源按照预定的发射时序发射X射线，相对应的所述光子计数探测器模组以交叠方式采集所述X射线透过被测物体后在光子计数探测器模组上的曝光信息。

4.如权利要求1所述的静态实时CT成像系统，其特征在于：

所述左射线源环和所述右射线源环中的多个X射线源以下列任一方式进行轴扫：

③左侧射线源轮流曝光，仅获得左侧射线源的投影图；

④右侧射线源轮流曝光，仅获得右侧射线源的投影图。

5.如权利要求1所述的静态实时CT成像系统，其特征在于：

左射线源环中的多个焦点使用一种能级，右射线源环中的多个焦点使用另一种能级，一次扫描实现两个能级的能谱图像。

6.如权利要求1所述的静态实时CT成像系统，其特征在于：

所述静态实时CT成像系统在长Z向扫描方式上采用步进扫描，弥补空档区域。

7.如权利要求1所述的静态实时CT成像系统，其特征在于：

所述静态实时CT成像系统在长Z向扫描方式上采用螺旋扫描方式。