CN100381102C - X射线计算断层摄影设备 - Google Patents

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Abstract

X射线计算断层摄影设备，包括架台、重现部分以及管电流值确定部分。架台通过连续移动对象所躺的桌面并绕所述对象连续旋转X射线管来采集身体轴向上任意范围的投影数据。重现部分根据操作者从多种重现处理类型中选择的重现处理从采集的投影数据重现图像数据。管电流值确定部分根据所选的重现处理类型和操作者所指定或选择的图像质量等级确定分别相应于范围中多个分立位置的多个管电流值。

Description

X射线计算断层摄影设备
相关申请的交叉参考
本申请基于并要求先前于2003年4月9日提出的日本专利申请No.2003-104834的优先权的利益，后者的所有内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及X射线计算断层摄影设备。
背景技术
正如已知的，X射线计算断层摄影设备是根据对象身体所吸收的X射线数量计算CT数空间分布的设备。CT数定义为组织——例如器官——的X射线吸收系数，指示相对于作为参考物质的水的X射线吸收系数的相对值(CT数)。
重现图像含有图像噪声。图像噪声的程度通常作为均匀模型(homogeneous phantom)的一幅图像中CT数的标准偏差而给出。为了通过观察重现图像来进行诊断，必须确定，例如，图像上的小块阴影是噪声还是肿块。为此，必须考虑所观察的图像的图像SD(标准偏差)。
图像SD强烈依赖于X射线的传输剂量，主要由管电流和对象之间的关系来确定。
然而，射线管流和图像SD之间的实际关系并非简单的一一对应关系，而是随着对象的身体结构和许多其它因素而变化。因此，难以精确推断图像SD以随图像SD适当校正管电流值。而且，在螺旋扫描情形中，对象的组织结构和身体厚度在不同区域都不同，从而传输剂量也不同，导致图像SD随着重现位置而改变。这使得难以在诊断上阅读图像或者将图像SD提高到了远超过要进行的诊断所需的程度。
发明内容
因此本发明的目的在于帮助设置最佳管电流值。
根据本发明某一方面，给出X射线计算断层摄影设备，包括架台、重现部分以及管电流值确定部分。架台通过连续移动对象所躺的桌面并绕对象连续旋转X射线管来采集身体轴向上任意范围的投影数据。重现部分根据操作者从多种重现处理中选择出来的重现处理来从所采集的投影数据中重现图像。管电流值确定部分根据所选择的重现处理类型和操作者所指定或选择的图像质量等级，分别对范围中不连续的多个位置确定多个管电流值。
本发明的其它目的和优点将在下面的描述中给出，并且从描述中将显见其中的一部分，或可通过本发明的实践来获得。本发明的目的和优点可通过以下特别指出的手段和组合来实现和获得。
附图说明
加入并构成本说明书一部分的附图当前示出本发明的优选实施方案，并与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于说明本发明的原理。
图1示出根据本发明某一实施方案的X射线计算断层摄影设备；
图2示出由图1的程序辅助系统构成的扫描程序屏幕的实施例；
图3为一流程图，详细示出由图1的管电流计算部分所进行的管电流计算；
图4A和4B示出图3的S1中所用的常数的实施例；
图5为图3的S1中的水等效厚度计算方法的补充视图；
图6示出在图2的扫描程序屏幕上点击“mA”项时出现的下拉菜单；
图7示出点击图6的“Auto”项时出现的下拉菜单；
图8示出点击图6的“Auto”项时出现的弹出菜单；
图9示出选择图7的“SD5.0”项时的状态；
图10示出点击(执行选择)图9的“SD5.0”项时出现的弹出窗口中显示的mA-位置图以及样本图像；
图11示出图10的mA-位置图的实施例；
图12示出重选图11的“SD7.0”项时的状态；
图13示出点击(执行选择)图12的“SD7.0”项时出现的弹出窗口中显示的mA-位置图以及样本图像；
图14示出图13的mA-位置图的实施例；
图15为一流程图，详细示出图1的扫描控制器所进行的用于图像SD常数控制的处理程序。
具体实施方式
现在将参考附图描述根据本发明的X射线计算断层摄影设备的某一实施方案。X射线计算断层摄影设备包括各种类型，例如：旋转/旋转型，其中包含X射线管和X射线探测器的单元围绕对象旋转；固定/旋转型，其中许多探测元件排列成环形列阵，X射线管单独围绕对象旋转，本发明适用于任一类型。这里，将描述当前最普遍的旋转/旋转型。此外，为了对某一切片重现断层摄影数据，必须对对象的整个一圈获得大约360°的投影数据，即使在半扫描方法中，也需要180°加上观察角的投影数据。本发明可适用于任一重现方法。这里，前一方法将作为实施例进行描述。此外，将入射X射线转换为电荷的普遍方法有：间接转换方式，首先由荧光材料——例如闪烁体——将X射线转换成光，然后由光电转换元件——例如光电二极管——将光转换成电荷；直接转换方式，利用了X射线在半导体中产生电子-空穴对并且电子空穴对移动到电极处，即光电现象。采用任一方式的X射线探测元件都可使用，这里，将描述采用前一间接转换方式的那些。另外，最近已经可以买到所谓的多管型X射线计算断层摄影设备，其中在旋转框上安装了许多对X射线管和X射线探测器，外围技术也正处于研究之中。本发明可适用于传统单管型X射线计算断层摄影设备，也可适用于多管型X射线计算断层摄影设备。这里，将描述单管型X射线计算断层摄影设备。
图1示出根据这一实施方案的X射线计算断层摄影设备的结构。X射线计算断层摄影设备包括用于采集与对象相关的投影数据的架台1。架台1包括X射线管10和X射线探测器23。X射线管10和X射线探测器23都安装在环形转动框12上，由架台驱动器件25驱动它绕Z轴转动。转动框12的中心有一个开孔，躺在诊断桌2的桌面2a上的对象P置于开孔中。在X射线管10和开孔之间放置用于根据切片厚度改变X射线的照射宽度的狭缝22。诊断桌2具有桌面驱动部分2b，沿主轴方向(平行于旋转轴)移动桌面2a。桌面驱动部分2b包括桌面位置探测部分，例如旋转编码器，用以探测桌面2a的位置。
来自高电压变压组件21的管电压施加在X射线管10的阴极和阳极之间，来自高电压变压组件21的灯丝电流通到X射线管10的灯丝上。通过施加管电压和通入灯丝电流而产生X射线。
X射线探测器23为单片型或多片型探测器。在单片型情形中，X射线探测器23包括元件的列阵，其中，在沿通道方向的行上排列了多于一个，例如，916个X射线探测元件，每个元件具有，例如，0.5mm×0.5mm的方形受光表面。在多片型情形中，X射线探测器23包括沿切片方向排成40行的互相平行的元件列阵。
数据采集器件2——一般称作DAS(数据采集系统)——将每个通道中从探测器23输出的信号转换成电压信号、放大电压信号并将放大的电压信号转换成数字信号。将这样获得的数据(行数据)输送给安装在架台外侧的计算机单元3。计算机单元3的预处理单元34对从数据采集器件24输出的行数据进行补偿处理，例如灵敏度补偿，并输出投影数据。然后将投影数据送至并存储在计算机系统3的数据存储器件35中。
除了预处理单元34和数据存储器件35之外，计算机系统3还包含系统控制器29，带有键盘、鼠标等的输入器件39、显示器38、扫描控制器30、重现单元36、程序辅助系统43、样本图像保存部分42、管电流计算部分37以及参数保存部分42。重现单元36预安装了几种类型的重现方法，由操作者所选择的重现方法来重现图像数据。几种类型的重现方法包括，例如，扇形波束重现方法(也称作扇形波束卷积背投影方法)；Feldkamp方法，作为投影射线与重现平面对角交叉的情形中的重现方法，其中认为波束为扇形投影波束而进行卷积，假设锥角较小，在扫描时沿射线方向进行背投影；锥形波束重现方法，与Feldkamp方法相比能抑制锥角所引入的误差，其中对射线相对于重现平面的角度对投影数据进行补偿。
程序辅助系统42具有在操作者确定扫描程序时对其进行交互引导所必须的功能。例如，程序辅助系统42构成并显示一个屏幕要求操作者输入像患者信息、检查目的、要检查的区域等这样的信息。当操作者在屏幕上输入必须的信息时，程序辅助系统42就准备好最适合该信息的建议扫描程序，并构成并显示一个屏幕要求操作者选择或改进建议扫描程序。图2示出了扫描程序屏幕的一个实例。在扫描程序屏幕的上部显示了患者信息、架台信息和扫描图像，在下部显示了扫描条件的细节。扫描条件包括很多项，例如扫描图像上螺旋扫描关于框线的开始位置和终止位置、扫描模式、扫描数、管电压(kV)、管电流(mA)、表示X射线管10旋转一次所需的时间(圆括号中的时间表示成像时间)的扫描速度、重现模式、视场(FOV)以及表示桌面以扫描速度移动的距离的螺距。
对于管电流(mA)项，准备了下拉菜单和单元格，操作者可以在单元格中直接输入数字值作为管电流值(见图6和图7)。下拉菜单中的选项包括许多管电流值以及自动设置“Auto”。管电流值的自动设置在此处定义为使得系统自动设置获得操作者所指定的图像SD作为用作图象质量指标的图像SD的管电流值。
样本图像保存部分42保存分别相应于许多SD的许多样本图像的数据。样本图像通常为人体断层图像或身体仿制品模型(phantom)。当操作者选择所需图像SD时，显示相应于所选图像SD的样本图像。
管电流计算部分37计算获得由操作者所选的图像SD所需的管电流值。实际中，管电流计算部分37是一个ROM，根据必需的参数的输入，它计算并输出相应于输入参数的管电流值。管电流值Ib根据下式计算：
Ib＝(SDa2/SDinput2)×(mAs/t)×PkV×Psl×PHP×PFW×PFC×Pmode×exp(-μ(Dpa-DPb))
其中SDa为具有用作参考的水等效厚度DPa的水模型(waterphantom)的图像的图像SD，通过使用参考管电流、参考管电压、参考成像切片厚度、参考图像切片厚度以及参考重现函数来获取并重现，
SDinput为操作者希望作为最终图像得到的所需图像SD，
mAs为用作参考的时间积分管电流(sec)，
t为扫描速度(sec)，
PkV为相应于管电压的系数，
Psl为相应于成像切片厚度的系数，
PHP为相应于螺距的系数，
PFC是相应于重现函数的系数，
PFW为相应于图像切片厚度与成像切片厚度之比的系数，
Pmode为相应于关于X射线曝光的常规模式和低剂量模式的系数，
μ为水的X射线吸收系数，
DPa为用作参考的水等效厚度(mm)，以及
DPb为等效于对象身体厚度的水等效厚度(mm)。
对于管电流值Ib的计算来说，在所有前述参数中，SDa、mAs、DPa和μ预先作为指定值给出。SDinput由操作者输入。因为t和PkV在扫描程序中设置，因此管电流计算部分37从程序辅助系统43输入既定的t和PkV。Psl、PHP、PFC和Pmode分别根据扫描程序中设置的成像切片厚度、螺距、重现函数以及曝光模式来确定。Psl、PHP、PFC和Pmode预先分别根据成像切片厚度、螺距、重现函数和曝光模式来确定，并保存在参数保存部分42中。管电流计算部分37从程序辅助系统43输入既定的成像切片厚度、螺距、重现函数和曝光模式，从而从参数保存部分42接收相应的系数Psl、PHP、PFC和Pmode。此外，PFW根据扫描程序中设置的成像切片厚度和图像切片厚度来确定。PFW预先根据成像切片厚度和图像切片厚度的各种组合来确定，并保存在参数保存部分42中。管电流计算部分37从程序辅助系统43输入成像切片厚度和图像切片厚度，从而从参数保存部分42接收相应的系数PFW。
特定地，在所有前述参数中，预先对各种类型的重现方法——例如扇形波束重现方法、Feldkamp方法和锥形波束方法——确定成像切片厚度系数Psl、螺距系数PHP以及相应于图像切片厚度与成像切片厚度之比的系数PFW，并将它们保存在参数保存部分42中。如此管电流计算部分37从程序辅助系统43输入既定的成像切片厚度、螺距、重现函数和曝光模式以及重现方法的类型，从而从参数保存部分42接收相应于它们各自的值的系数Psl、PHP、PFC和Pmode以及重现方法的类型。如此，根据所选重现处理类型，有可能确定能获得所选的具有高精度的图像SD的管电流值。
对于许多桌面位置中的每一个，由管电流计算部分37利用扫描图像数据确定等效于对象身体厚度的水等效厚度DPb，桌面位置相应于X射线管10在螺旋扫描过程中重复的参考旋转位置(例如，0°位置)。下面将描述寻找水等效厚度DPb的方法。
预备具有如图4A所提出的不同直径的几种类型的圆柱形水模型。例如，预备了直径DW为24cm的水模型S、直径DW为40cm的水模型L和直径DW为50cm的水模型LL。这些水模型S、L和LL以如下方式置于视场中：每个圆柱体的中轴都与X射线管10的旋转轴重合，对每个模型(phantom)获取参考旋转位置(例如，0°位置)处的扫描图像。对水模型S、L和LL中的每一个得到扫描图像中心附近预定尺寸的矩形区域(m×n像素)中多个像素的像素值的积分值SW。这里，m为通道方向上覆盖除了扫描图像两端屏罩部分的模型图像的预定像素数，n为身体轴向(切片方向)上的预定像素数。
用n除对水模型S、L和LL中的每一个得到的积分值SW，以对某一线(包含通道方向的m个像素×身体轴向的1个像素的线)计算平均积分值AW。对水模型S、L和LL中的每一个得到某一线的平均积分值AW。此外，以相同的方式得到不同管电压下的AW(见图4B)。实际中，这些AW都是预先得到的，其数据保存在参数保存部分42中。
随后，如图5所示，在通过使要检查的对象在参考旋转位置(例如，0°位置)处成像而得到的扫描图像中设置多个区段。每个区段的尺寸为M×N像素。M为扫描图像中除了两端屏罩部分之外的区域中的像素数，等于m。N根据身体轴向上的螺旋扫描过程中的旋转周期来确定，也就是说，它设为相应于螺距HP的像素数。得到了每个区段中的像素值的积分值SP。
对象的水等效厚度DPb根据下式得到：
DPb＝DW×((SP/N)/AW)1/2
其中AW为积分值，DW为直径最接近于对象身体结构的水模型S、L或LL的直径，SP为对象的扫描图像的区段中的积分值，N为相应于螺距HP的像素数。换句话说，水模型某一线的积分值AW与对象的积分值SP/N的比值为面积比，为了将面积比转换成直径比，需要进行开方，并乘以用作参考的水模型的直径DW。
通过对每个区段进行相同的计算来计算每个区段中扫描范围内身体轴向上间隔等于螺距的多个分立位置的每一个处的水等效厚度DPb。然后，基于相应于这些多个位置的水等效厚度DPb和其它参数计算分别相应于根据旋转周期的扫描范围内身体轴向上的多个分立位置的多个管电流值Ib。当进行螺旋扫描时，扫描控制器根据这样计算的多个管电流值I动态控制X射线管10的管电流。如此有可能对身体轴向上的图像SD保持操作者指定的图像SD。
现在将描述这一实施方案中的管电流设定程序。如图2所示由程序辅助系统43构成的扫描程序屏幕显示在显示器38上。如图6所示，当操作者点击管电流(mA)项时，显示下拉菜单。操作者或者选择所需的管电流值或者点击下拉菜单中的“Auto”。“Auto”相应于自动地相应于指定的图像SD设置管电流值的功能的激活命令。当点击“Auto”时，显示出图7中所示的下拉菜单以选择图像SD，或在弹出窗口中显示图8所示的菜单以选择图像SD。图7所示的下拉菜单包括“高质量”、“低剂量”和用于图像SD的值的多个选项。除了包括“高质量模式”、“低剂量模式”和“SD模式”的选项之外，图8的菜单还包括用于直接输入低剂量模式中的X射线剂量与高质量模式中的X射线剂量之比的单元格、用于直接输入图像SD的值的单元格、用于直接输入管电流最大值的单元格以及用于直接输入管电流最小值的单元格。这里，将基于使用图7所示的下拉菜单的假设给出说明。
如图9所示，当相应于根据图像SD5.0自动设置管电流值的动作的“SD5.0”被选择并点击时，在弹出窗口中显示mA-位置图(曲线)，它通过将管电流值与桌面位置和相应于从样本图像保存部分41选择读出的图像SD5.0的样本图像关联而指出管电流值的空间变化，如图10所示。
为了制定如图3所详细示出的mA-位置曲线，如上所述，管电流计算部分37利用扫描图像数据对多个桌面位置中的每一个计算等效于对象身体厚度的水等效厚度DPb，这些桌面位置相应于X射线管10在螺旋扫描过程中重复的参考旋转位置(例如，0°位置)(S1)。随后，从参数保存部分42向管电流计算部分37读出相应于重现模式——例如锥形波束重现模式——并在扫描程序屏幕上设置的参数，例如管电压系数PkV(S2)。然后将图像SD输入到管电流计算部分37，根据这些参数——例如算得的水等效厚度DPb和输入的管电压系数PkV——计算管电流值，输入的图像SD5.0保持在各个桌面位置(S4)。将如此算得的管电流值中的每一个与所指定的与安全标准相一致的最大电流值或初始设置最大电流值相比较(S5)。当算得的管电流值大于最大电流值时，用最大电流值代替算得的管电流值与这一桌面位置关联(S6)。当算得的管电流值等于或小于最大电流值时，将算得的管电流值与这一桌面位置关联。类似地，将算得的管电流值中的每一个与初始设置最小电流值相比较(S7)。当算得的管电流值小于最小电流值时，用最小电流值代替算得的管电流值与这一桌面位置关联(S8)。当算得的管电流值等于或大于最小电流值时，将算得的管电流值与这一桌面位置关联。
然后管电流计算部分37根据多个管电流值与多个桌面位置的对应来制定mA-位置图，指示相应于与关于桌面位置的图像SD5.0的管电流值，例如，如图11所示(S9)。应当指出，mA-位置图包括指示与关于桌面位置的图像SD的图像SD图。在用最大电流值代替算得的管电流值的桌面位置处，图像SD高于5.0。此外，在用最小电流值代替算得的管电流值的桌面位置处，图像SD小于5.0。然后管电流计算部分37根据替代的最大或最小管电流值计算发生替代的桌面位置处的图像SD。
程序辅助系统43在显示器38的弹出窗口中显示相应于从样本图像保存部分41输入的图像SD5.0的水模型的样本图像(S10)，以及管电流计算部分37中制定的mA-位置图(S11)。当操作者点击“重选”按钮时(S12)，显示出下拉菜单，如图12所示。当相应于根据图像SD7.0自动设置管电流值的动作的“SD7.0”被从下拉菜单中重选并点击时，通过从S4至S10的处理，在弹出窗口中显示相应于图像SD7.0的mA-位置图(见图14)和相应于图像SD7.0的水模型样本图像，如图13所示。
当操作者确认了mA-位置图和样本图像并点击“确认”按钮(S12)时，从程序辅助系统43向扫描控制器30提供涉及多个桌面位置和相应于各位置的管电流值的数据(S13)。
如图15所详细描述的，当起动螺旋扫描时(S21)，不时地从诊断桌2的桌面驱动部分2b中的桌面位置探测部分向扫描控制器30提供桌面位置信号(S22)。然后扫描控制器30选择读出相应于桌面位置的管电流值(S23)，并根据这样读出的管电流值控制高电压变压组件21。实际中，扫描控制器30调整高雅变压组件21中的灯丝电流以使X射线管10的管电流与所选的管电流值相一致。因为，如上所述，对间距等于螺距的分立桌面位置中的每一个确定管电流值，所以有可能出现不存在相应于给定桌面位置的管电流值的情形。在这种情形中，保持当前的管电流。继续从S22到S24的处理直到桌面位置到达预定终端位置(S25)。在这一实施方案中，因为对间距等于螺距的分立桌面位置中的每一个确定管电流值，所以在螺旋扫描过程中，在X射线管10每旋转一次时，与旋转周期同步对管电流值进行动态调节。然而，通过对间距小于螺距的分立桌面位置中的每一个确定管电流值，有可能在一次旋转中更精细地以更小的间距——例如5°和10°——调节管电流。
如上所述，根据这一实施方案，因为确定了管电流值以获得操作者所指定的图像质量(图像SD)，操作者能够以预期的图像质量得到图像，这反过来减少了像重新进行扫描这样的操作的次数。另外，因为确定管电流值时考虑了水等效厚度、重现处理的类型以及螺距，所以能够以更高的精度获得预期的图像质量。此外，当操作者设置图像质量时，显示了指示关于多个位置的管电流值的曲线、指示关于多个位置的图像质量的曲线以及样本图像。从而操作者能够直观地了解图像质量，使得图像质量设置工作更简单。此外，通过根据分别相应于所确定的多个桌面位置的多个管电流值动态控制X射线管10的管电流，有可能将身体轴向上的图像质量保持在或基本保持在恒定水平。
对于本领域技术人员来说，将很容易得到其它的优点和调整。因此，本发明在其更宽的范围中并不局限于此处示出并描述的特定细节和代表性实施方案。因此，只要不超出所附权利要求及其等效所规定的一般发明概念的精神或范围，各种调整都是可行的。

Claims (10)

1.X射线计算断层摄影设备，包含：
X射线管；
架台，被构成用于通过连续移动对象所躺的桌面并绕所述对象连续旋转所述X射线管来采集沿对象体轴方向上任意范围的投影数据；
重现部分，被构成用于根据操作者从多种重现处理类型中选择的重现处理从所述采集到的投影数据重现图像数据；以及
管电流值确定部分，被构成用于根据所述所选的重现处理类型和所述操作者指定或选择的图像质量等级来确定分别相应于所述范围内分立的、多个位置的多个管电流值，
其中，特定的管电流值Ib如下确定：
Ib＝(SDa2/SDinput2)×(mAs/t)×PkV×Ps1×PHP×PFW×PFC×Pmode×exp(-μ(Dpa-DPb))
其中SDa为具有用作参考的水等效厚度DPa的水模型的图像的图像SD，通过使用参考管电流、参考管电压、参考成像切片厚度、参考图像切片厚度以及参考重现函数来获取并重现，
SDinput为操作者希望作为最终图像得到的所需图像SD，
mAs为用作参考的时间积分管电流，
t为扫描速度，
PkV为相应于管电压的系数，
Psl为相应于成像切片厚度的系数，
PHP为相应于螺距的系数，
PFC是相应于重现函数的系数，
PFW为相应于图像切片厚度与成像切片厚度之比的系数，
Pmode为相应于关于X射线曝光的常规模式和低剂量模式的系数，
μ为水的X射线吸收系数，
DPa为用作参考的水等效厚度，以及
DPb为等效于对象身体厚度的水等效厚度。
2.根据权利要求1的X射线计算断层摄影设备，进一步包含：
控制部分，其根据所述所确定的多个管电流值与所述桌面的移动相关联地动态地控制所述X射线管的管电流。
3.根据权利要求1的X射线计算断层摄影设备，其中：
所述管电流值在从一个最大管电流值到一个最小管电流值之间的范围确定。
4.根据权利要求1的X射线计算断层摄影设备，其中：
所述多个位置之间的间隔设为等于所述X射线管旋转一次时所述桌面移动的距离。
5.根据权利要求1的X射线计算断层摄影设备，其中：
所述管电流值以如下方式确定：在所述范围内的多个位置处保持所述操作者所指定或选择的所述图像质量等级。
6.根据权利要求1的X射线计算断层摄影设备，其中：
从所述对象的扫描图像的数据估算的水等效厚度被用来确定所述管电流值。
7.根据权利要求1的X射线计算断层摄影设备，进一步包含：
样本图像显示部分，被构成用于显示相应于所述操作者所指定或选择的所述图像质量等级的样本图像。
8.根据权利要求7的X射线计算断层摄影设备，进一步包含：
样本图像存储部分，被构成用于存储相应于多个图像质量等级的多个样本图像。
9.根据权利要求1的X射线计算断层摄影设备，其中：
所述管电流值确定部分根据所述X射线管旋转一次时所述桌面移动的距离或其刻度，以及所述重现处理类型和所述图像质量等级来确定所述管电流值。
10.根据权利要求1的X射线计算断层摄影设备，进一步包含：
显示部分，被构成用于显示示出对应于所述多个管电流值的管电流值的空间变化的曲线图以及示出所述图像质量等级的空间变化的曲线图。
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