斷層合成應用中用於掃描對象的系統和方法
2023-05-31 16:24:06
專利名稱：斷層合成應用中用於掃描對象的系統和方法
技術領域：
本發明通常涉及成像領域，更具體而言涉及斷層合成(tomosynthesis)領域。具體而言，本發明涉及斷層合成系統和方法，其採用用於X射線源的新掃描軌跡和用於檢測器的圖像採集點以得到對象的經改進的圖像。
背景技術：
斷層照相對於工業和醫學應用兩者均是眾所周知的。常規斷層照相基於X射線源、檢測器和對象的相對運動。典型地，X射線源和檢測器在圓圈上同步移動或者簡單地在相對方向上平移。由於這個相關運動，對象內的點的投影圖像的位置也移動。僅來自特定片層的點，典型地被稱為焦點片層，將總是在相同的位置處被投影到檢測器上並因此被清晰地成像。焦點片層以上和以下的對象結構將被永久地投影在不同位置處。因此，它們不被銳利地成像並將作為背景強度而被疊加給焦點片層。使用離散數量的投影來產生具有焦點對準的一個片層(焦點片層)的3D圖像的該原理被稱為斷層合成。
用於醫學應用的斷層合成系統典型地使用這樣的X射線源，其用於產生扇形或錐形X射線束，該束被準直並經過病人然後由一組檢測器元件來檢測。檢測器元件基於X射線束的衰減而產生信號。該信號可被處理以產生射線照相投影。所述源、病人或檢測器然後典型地通過移動X射線源而相對於彼此移動以便於接下來的曝光，從而使每個投影在不同角度處被採集。
通過使用重構技術，如經濾波的反投影，所採集的投影組然後可被重構以產生診斷上有用的三維圖像。由於三維信息在斷層合成期間從數字上被獲得，圖像可被重構於操作者選擇的任何觀察平面中。典型地，表示待成像的對象的某個興趣體積的片層組被重構，其中每個片層都是表示與檢測器平面平行的平面中的結構的經重構的圖像，並且每個片層都對應於所述平面與檢測器平面的不同距離。
另外，由於斷層合成從投影來重構三維數據，與使用單個X射線射線照相相比，它提供了一種快速且成本有效的技術用於去除所疊加的解剖結構並用於增強焦點對準的平面中的對比度。此外，由於斷層合成數據由通常在病人上的X射線源的單個掃動(sweep)中迅速採集的相對少的投影射線照相組成，由病人接收的總X射線劑量與單個常規X射線曝光的劑量是相當的，並且典型地明顯小於從計算斷層照相(CT)檢查而接收的劑量。另外，斷層合成中採用的檢測器的解析度典型地大於在CT檢查中使用的檢測器的解析度。這些品質使斷層合成對於諸如檢測肺結節的放射學任務或成像病理學的其它難題是有用的。
儘管斷層合成提供了這些顯著的益處，與斷層合成關聯的技術亦具有缺點。
斷層合成中經重構的數據集常常顯示出在被用於採集斷層合成數據的投影的方向上的結構的模糊。這是以3D重構的差的深度解析度或深度模糊來表示的。與成像結構關聯的這些假象將根據相對於採集幾何結構的結構取向而變化。例如，與線性X射線斷層合成系統的線性運動對準的線性結構將在興趣體積的整個深度上看起來模糊。而這種結構將通過圓形X射線斷層合成系統的圓形運動而模糊得少的多。在重構成像體積的過程中，結構的模糊可產生不理想的圖像假象並抑制位於不同高度處的結構的分離。
因此，需要改變當前的斷層合成系統以提供新的掃描軌跡和圖像採集點以解決成像對象的深度模糊。
發明內容
用於掃描對象中的區域的斷層合成系統包括輻射源，其被配置成穿過(traverse)多個位置以得到多個掃描方向。所述多個位置的每個對應於相應的掃描方向。此外，所述多個掃描方向包括至少沿第一軸的掃描方向和沿第二軸的方向，所述第二軸橫向於所述第一軸。
用於使用斷層合成系統來掃描對象中的區域的方法包括沿第一軸並沿第二軸掃描對象中的區域，所述第二軸橫向於所述第一軸。此外，所述掃描包括將輻射源橫穿多個位置，所述多個位置的每個對應於相應的掃描方向。所述方法亦包括通過使用被放置在與對象的預定距離處的檢測器來採集對象中的區域的多個投影圖像。
基於閱讀以下詳述並參照附圖，本發明的以上和其它優點以及特點將變得顯而易見，在附圖中圖1是依照本技術的方面用於掃描對象的斷層合成系統形式的示例成像系統的示意圖；圖2是圖1的斷層合成系統的物理實施的示意圖；圖3是常規斷層合成系統和其中的關聯問題的頂視圖；圖4是解決圖3中說明的問題的本技術的實施例的頂視圖；圖5是本技術的另一個實施例的頂視圖，其說明了沿病人的長軸並橫向於長軸的X射線源的移動；圖6是依照本技術的方面的X射線源的多個掃描方向的頂視圖的集合；並且圖7是依照本技術的方面的藉助檢測器的採集點的頂視圖的集合。
具體實施例方式
圖1示意性地說明了可被用於採集並處理圖像數據的成像系統10。在所說明的實施例中，系統10是斷層合成系統，其被設計成採集原始圖像數據並處理圖像數據以便於依照本技術來顯示和分析。在圖1中說明的實施例中，成像系統10包括輻射源12，所述輻射典型地是斷層合成中的X射線輻射，源12通常在平面內可自由移動。在該示例實施例中，X射線輻射源12典型地包括X射線管和關聯的支持和過濾部件。
輻射流16由源12發射並照射對象18，例如醫學應用中的病人。輻射的一部分20經過或繞過對象並衝擊由參考數字22概括表示的檢測器陣列。陣列的檢測器元件產生表示入射X射線束的強度的電信號。這些信號被採集並處理以重構對象內的特徵的圖像。準直器14可限定從X射線源12出現的X射線束16的尺寸和形狀。
源12由系統控制器24來控制，該控制器提供功率和控制信號兩者，用於斷層合成檢查序列，包括相對於對象18和檢測器22來定位源12。而且，檢測器22被耦合於系統控制器24，其命令採集在檢測器22中產生的信號。系統控制器24亦可執行各種信號處理和濾波功能，如用於動態範圍的初始調節，數字圖像數據的交錯等等。一般而言，系統控制器24命令成像系統的工作以執行檢查協議並處理所採集的數據。在此情況下，系統控制器24亦包括信號處理電路，其典型地基於通用或特定用途數字計算機；關聯的存儲器電路，用於存儲由所述計算機執行的程序和例行程序以及配置參數和圖像數據；接口電路等等。
在圖1中說明的實施例中，系統控制器24被耦合於位置子系統26，其相對於對象18和檢測器22而定位X射線源12。在可替換的實施例中，位置子系統26可移動檢測器22或甚至對象18而不是源12或者與源12一起移動。在又一個實施例中，通過位置子系統26的控制，多於一個的部件是可移動的。這樣，依照以下詳細說明的各個實施例，通過藉助位置子系統26改變源12、對象18和檢測器22的相對位置，射線照相投影通過對象18在各個角度可被獲得。
另外，如本領域的技術人員將理解的，輻射源可由放置在系統控制器24內的X射線控制器30來控制。具體而言，X射線控制器30被配置成提供功率和時序信號給X射線源12。馬達控制器32被用於控制位置子系統26的移動。
此外，系統控制器24亦被示出包括數據採集系統34。檢測器22典型地被耦合於系統控制器24，更具體而言是數據採集系統34。數據採集系統34接收由檢測器22的該出電子器件收集的數據。數據採集系統34典型地接收來自檢測器22的經採樣的模擬信號並將該數據轉換成數位訊號以便於隨後由計算機36來處理。
計算機36典型地被耦合於系統控制器24。由數據採集系統34收集的數據可被發送給計算機36而且發送給存儲器38。應理解，適合於存儲大量數據的任何類型的存儲器可被這樣的示例系統10利用。計算機36亦被配置成通過典型地被配備有鍵盤和其它輸入設備的操作者工作站40來接收來自操作者的命令和掃描參數。操作者可通過輸入設備來控制系統10。這樣，操作者可觀察經重構的圖像和來自計算機36的與系統有關的其它數據、初始成像等。
被耦合於操作者工作站40的顯示器42可被用於觀察經重構的圖像並控制成像。另外，圖像亦可被列印到印表機44上，該印表機可被耦合於計算機36和操作者工作站40。此外，操作者工作站40亦可被耦合於圖片歸檔和通信系統(PACS)46。應指出，PASC46可被耦合於遠距離系統48、放射科信息系統(RIS)、醫院信息系統(HIS)，或者內部或外部網絡，從而使不同位置處的其他人可獲得對圖像和對圖像數據的訪問。
應進一步指出，計算機36和操作者工作站46可被耦合於其它輸出設備，這些設備可包括標準或專用計算機監視器以及關聯處理電路。一個或多個操作者工作站40可被進一步連結於系統中以便於輸出系統參數、請求檢查、察看圖像等。一般而言，在系統內提供的顯示器、印表機、工作站和類似設備對於數據採集部件可以是本地的，或者可以與這些部件是遠距離的，如在機構或醫院的其它地方，或者在完全不同的位置，通過一個和多個可配置的網絡，如網際網路、虛擬私人網絡(virtualprivate network)等連結於圖像採集系統。
概括地參考圖2，在本實施例中利用的示例成像系統可以是斷層合成成像系統50。在類似於以上所述的安排中，斷層合成成像系統50被示出具有源12和檢測器22，其間可放置被示出為病人18的對象。輻射源12典型地包括X射線菅，其發射來自焦點52的X射線輻射。輻射流被導向病人18的特定區域54。應指出，病人18的特定區域54典型地由操作者選擇從而可進行對區域的最有用的掃描。
在典型的操作中，X射線源12被置於病人18以上的預定距離處並從焦點52將X射線束投影向檢測器陣列22。檢測器22被放置得處於與相對於源12的間隔開的關係並處於與病人18的預定距離處。檢測器22通常由通常對應於像素的多個檢測器元件形成，所述檢測器元件感測經過和繞過興趣對象54，如特定身體部分，例如胸部、肺等的X射線。在一個實施例中，檢測器22由元件的2,048×2,048矩形陣列組成，其對應於200μm×200μm的像素尺寸，儘管檢測器22和像素兩者的其它配置和尺寸是當然可能的。每個檢測器元件產生表示所述束衝擊檢測器時該元件位置處的X射線束的強度的電信號。此外，源12可通常被移動於第一平面56內，其基本上平行於第二平面58，其是檢測器22的平面，因此來自不同視角的多個射線照相察看可由計算機36來收集。X射線源的移動在以下參照圖4的討論而被詳述。在一個實施例中，源12和檢測器22之間的距離近似為180cm，並且源12的運動的總範圍在13.5cm和131cm之間，其轉變為從±5°到±20°，其中0°是中心位置。在該實施例中，典型地至少11個投影被採集，從而覆蓋了全角度範圍。
計算機36典型地被用於控制整個斷層合成系統50。控制系統工作的主計算機可適合於控制由系統控制器24使能的特徵。此外，操作者工作站40被耦合於計算機36以及顯示器，從而使經重構的圖像可被察看。
在X射線源12通常在平面56內移動時，檢測器22收集經衰減的X射線束數據。從檢測器22收集的數據然後典型地經歷預處理和校準以將數據調整成表示掃描對象的衰減係數的線積分。一般被稱為投影的經處理的數據然後典型地被反投影以規劃掃描區域的圖像。在斷層合成中，有限數量的投影被採集，典型地是三十個或以下，每個都處於相對於對象和檢測器的不同角度處。重構算法典型地被用於執行對該數據的重構以再現初始圖像。
一旦被重構，圖1和2的系統產生的圖像揭示了病人18的內部特徵的三維關係。圖像可被顯示以示出這些特徵及其三維關係。儘管經重構的圖像可包括表示成像體積內對應位置處的結構的單個經重構的片層，多於一個片層是典型的。
現在參考圖3，其說明了典型的線性斷層合成系統和與之關聯的問題的頂視圖。典型地，源12在病人18以上的平面中線性地移動以對區域54成像，投影圖像由固定檢測器22來捕獲。源12沿第一軸60移動，該軸是病人18的長體軸，並且在該運動期間，它對由參考數字74概括描述的體外區域成像並且不包括由參考數字76概括描述的區域54的一部分。這樣，在這些常規系統中，來自區域54以外(以上和以下)的數據將被包含在投影中並因此被包含在重構中，從而將不合理性注入到重構問題中並降級圖像質量。
圖4和圖5說明了解決圖3中描述的問題的不同實施例。參考圖4，其說明了用於掃描病人18中的區域54的斷層合成系統50的視圖的頂部。系統50包括輻射源12，其被配置成橫穿多個位置70，從而得到多個掃描方向72。在該配置中，所述多個位置的每個對應於相應的掃描方向。在示例實施例中，所述多個位置70的至少一個由沿第一軸60即長體軸的方向上的檢測器22的邊緣64來限定。在該配置中，由於X射線源12一直移動到檢測器22的邊緣64，它克服了圖3中所示的問題在掃描過程中包括體外區域，即重疊區域54的組織。在另一個示例實施例中，所述多個位置70的至少兩個由檢測器22的兩個邊緣64來限定。
此外，在如圖5中所示的又一個示例實施例中，所述多個掃描方向包括至少沿第一軸60即長體軸的掃描方向和沿第二軸62即短體軸的方向，所述第二軸橫向所述第一軸。在此情況下，由於在掃描方向上沒有身體組織超出(beyond)檢測器，來自興趣區域以外的組織的問題被完全消除。這樣，掃描到由參考數字60描述的體長軸方向上的檢測器邊緣並在由參考數字62描述的垂直方向上的較長掃描路徑上掃描的二維掃描配置實現了z方向上的銳利解析度和消除來自興趣區域以外的重疊組織的問題兩者的益處。所述實施例將有用的實例包括但不局限於病人18中的興趣區域54在一個方向上(例如沿軸60)延伸超出檢測器22。
在具有180cm的源到檢測器距離的、掃描位於有效檢測器表面之前7cm的25cm厚度和與檢測器(41cm×41cm)相同橫向尺度的對象的斷層合成系統中，由於對象與檢測器一樣寬，並且X射線束是從焦點發散的錐形束，對於在常規斷層合成系統中僅沿長體軸(軸60)的掃描，對象的側面的近似11％的區域不被覆蓋於任何X射線的投影中。通過使用以上所述的實施例，包括檢測器邊緣處的橫向(lateral)方向上的點的掃描確保了重構中的每個成像元件包含來自至少一個X射線測量的信息並因此得到較好質量的圖像。
如本領域的技術人員所將理解的，以上實施例經歷幾種有用的掃描配置和藉助檢測器22的相關採集。在此，這些所說明的非限制實例在以下參照圖6和圖7而被討論，幾個其它配置是可能的。
圖6說明了用於以上所述的各種實施例的由參考數字86、88、90、92、94和96概括描述的掃描配置的示例集合。在一個實例中，所述多個掃描方向72包括覆蓋分別由檢測器22的多個預定尺度限定的多個面積。在示例實施例中，所述多個預定尺度包括至少檢測器22的寬度66和高度68。在另一個實例中，所述多個面積包括至少由檢測器22的寬度66和高度68限定的面積。在又一個實例中，所述多個面積包括至少由檢測器的寬度和檢測器的高度的一部分的而限定的面積。另一個實例包括至少由檢測器的高度和檢測器的寬度的一部分而限定的面積。又一個實例包括至少由檢測器的寬度和檢測器的高度的倍數而限定的面積。另一個實例包括至少由檢測器的高度和檢測器的寬度的倍數而限定的面積。又一個實例包括至少由檢測器的寬度的部分和高度的部分而限定的面積。
圖7說明了採集由參考數字98、100、102、104、106和108概括描述的多個投影圖像的檢測器22處的多個採集點78的示例集合。在一個實例中，所述多個預定採集點包括檢測器22的兩個相對角80處的至少兩個點78。在另一個實例中，所述多個預定採集點78包括檢測器的兩個相對角80處的至少兩個點78和檢測器22的中心82處的點。在又一個實例中，所述多個預定採集點包括檢測器22的四個角80處的至少四個點78。另一個實例包括檢測器的四個相對角80處的至少四個點78和檢測器22的中心82處的點。另一個實例包括檢測器的每個邊緣的至少中心點84和檢測器22的中心82處的點。又一個實例包括檢測器22的每個邊緣的至少中心點84。另一個實例包括沿檢測器邊界的至少多於四個的點。又一個實例包括至少由檢測器的中心82和檢測器的邊緣限定的變化距離的點。在另一個實例中，所述多個預定採集點78包括檢測器22以外的至少多個點，其中檢測器以外的所述多個點對應於沿在與病人18的第一軸橫向的方向的第二軸的掃描方向期間的輻射源位置70。
另一個示例實施例(未示出)包括檢測器22，其被配置成在平面58中的多個方向上橫穿(traverse)，所述多個方向的每個分別對應於輻射源12的所述多個位置70的每個。如本領域的技術人員所將理解的，以上所述的掃描配置和採集可等同地適用於該實施例，其中檢測器被配置成是移動的。
所述技術的另一個方面是用於使用斷層合成系統50來掃描對象18中的區域54的方法。該方法包括沿第一軸60並沿第二軸62掃描對象18中的區域54，所述第二軸橫向於所述第一軸。所述掃描進一步包括將輻射源12橫移多個位置70，所述多個位置的每個對應於相應的掃描方向72；以及通過使用被放置在與對象的預定距離處的檢測器22來採集對象中的區域的多個投影圖像。
以上方法的另一個方面包括通過使用被放置在與對象的預定距離處的檢測器22來採集對象18中的區域54的多個投影圖像。在該方面中，所述多個位置的至少一個由沿第一軸60的方向上的檢測器的邊緣來限定。
如本領域的技術人員所將理解的，所述技術亦包括用於使用以上所述的本發明的各個實施例來掃描和採集圖像的方法。
如本領域的技術人員所將理解的，以上實施例在其它成像形態中亦是有用的，這些的非限制實例包括立體定向(stereotaxy)、立體成像，例如在乳房X線照相術成像系統中。此外，除了在醫學成像中有用，以上實施例在工業成像中亦是有用的，例如在檢驗諸如多層印刷電路板的平部件或大部件中的焊縫的過程中。
儘管本發明可容許各種修改和可替換形式，已通過附圖中的實例示出並已在此詳述了特定的實施例。然而，應理解，本發明並不旨在局限於所公開的特定形式，相反，本發明應覆蓋屬於如以下所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍內的所有修改、等效形式和可替換形式。
元件清單10成像系統12輻射源14準直器16照射對象的X射線束18對象20由對象衰減的X射線束22檢測器24系統控制器30X射線控制器32馬達控制器34數據採集系統36計算機38存儲器40操作者工作站42顯示器44印表機46PACS48遠距離客戶50斷層合成系統52X射線源焦點54區域56第一平面58第二平面60第一軸62第二軸
64檢測器的邊緣66檢測器的寬度68檢測器的高度70X射線源的多個位置72多個掃描方向74解剖學上的額外區域76從解剖學錯過的區域78多個採集點80檢測器的角82檢測器的中心84檢測器側上的中間點86-96多個掃描方向98-108多個採集點
權利要求
1.一種用於掃描對象(18)中的區域(54)的斷層合成系統(50)，該系統包括輻射源(12)，其被配置成橫穿多個位置(70)以得到多個掃描方向(72)，其中所述多個位置的每個對應於相應的掃描方向，並且其中所述多個掃描方向包括至少沿第一軸(60)的掃描方向和沿第二軸(62)的方向，所述第二軸橫向於所述第一軸。
2.權利要求1的系統，進一步包括檢測器(22)，其被配置成從通過對象衰減的輻射束(20)而採集對象(18)中的區域(54)的多個投影圖像，其中檢測器被放置得處於相對於源(12)的間隔開的關係並處於與對象的預定距離處。
3.權利要求2的系統，其中所述多個位置(70)的至少一個由沿第一軸(60)的方向上的檢測器(22)的邊緣(64)來限定。
4.權利要求2的系統，其中所述多個位置(70)的至少兩個由檢測器(22)的兩個邊緣(64)來限定。
5.權利要求2的系統，其中對象(18)中的區域(54)延伸超過檢測器(22)。
6.權利要求2的系統，其中所述多個掃描方向(72)包括覆蓋分別由檢測器(22)的多個預定尺度限定的多個區域，其中所述多個預定尺度包括至少檢測器的高度(68)和寬度(66)。
7.權利要求2的系統，其中檢測器(22)被配置成在檢測器的多個預定採集點(78)採集所述多個投影圖像。
8.權利要求7的系統，其中所述多個預定採集點(78)包括至少處於由檢測器的中心(82)和檢測器的邊緣(64)限定的變化距離的點。
9.權利要求7的系統，其中所述多個預定採集點(78)包括至少檢測器(22)以外的多個點，其中檢測器以外的所述多個點對應於在沿第二軸(62)的方向掃描期間的輻射源位置(70)。
10.權利要求2的系統，其中檢測器(22)被配置成橫穿多個方向上，所述多個方向的每個分別對應於輻射源(12)的所述多個位置(70)的每個。
全文摘要
一種用於掃描對象(18)中的區域(54)的斷層合成系統(50)包括輻射源(12)，其被配置成橫穿多個位置(70)以得到多個掃描方向(72)。所述多個位置的每個對應於相應的掃描方向。此外，所述多個掃描方向包括至少沿第一軸(60)的掃描方向和沿第二軸(62)的方向，所述第二軸橫向於所述第一軸。
文檔編號A61B6/02GK1575761SQ20041006201
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月28日 優先權日2003年6月26日
發明者J·埃伯哈德, A·阿爾-哈利迪 申請人:通用電氣公司