連續掃描rad層析x-射線照相合成系統及方法

2023-12-10 04:36:11

專利名稱：連續掃描rad層析x-射線照相合成系統及方法
技術領域：
本發明通常涉及RAD層析X-射線照相合成系統，更特別的是涉及一種用於在RAD層析X-射線照相合成系統中連續掃描的系統和方法。
背景技術：
RAD層析X-射線照相合成系統通常用在醫學領域來產生一個物體的三維(3D)圖像，一種典型的層析X-射線照相合成系統包括一個X-射線源、一個X-射線檢測器、一個運動控制裝置和一個處理電路。典型地是，X-射線源沿線形路徑移動並且將X-射線(X-射線輻射)投射到物體上，通常是患者。該X-射線檢測器檢測X-射線並產生一個對應的層析X-射線照相合成的數據集，該數據集包括投影X-射線照片。該處理單元將該投影X-射線照片進行處理形成該物體的一個3D圖像。
一種用於將X-射線投射到物體上的方法是分步拍攝方法。在該方法中，該X-射線源沿一線形路徑移動並且指向該物體上的一個位置。X-射線投射到該位置處並且獲得一張投影X-射線照片。之後該X-射線源移向第二位置並且獲得第二張投影X-射線照片。該X-射線源這樣相對於物體移向幾個位置從而獲得一組投影X-射線照片。然後該投影照片經過處理形成一個三維圖像。
通常在獲取投影X-射線照片時希望將被拍照物體保持在一個靜止位置。為了減小物體運動，需要減小採集投影X-射線照片所需的時間(「採集時間」)。在該分步拍攝的方法中，由於採集時間是每一位置曝光時間和X-射線源移動到不同位置所用時間的總和，因此採集時間相當長。
該分步拍攝方法的另一問題是由於系統振動所以產生的圖像是模糊的。為了減小系統振動，在採集投影X-射線照片之前需要有一短暫時間來將剩餘振動降低到一個可以接受的水平。該短暫時間進一步增加了採集時間，這也是不希望的。
因此希望在減小系統振動的同時通過一個層析X-射線照相合成系統來減小生成3D圖像的採集時間。

發明內容
簡要地，根據本發明的一個實施例，一種用於在一個物體的一個區域上進行層析X-射線照相的成像系統包括一個X-射線源、運動控制裝置、一個X-射線檢測器和一個處理單元。該X-射線源位於距所述物體為一預定距離處並且沿一線性路徑相對於所述物體連續移動。該X-射線源在其沿所述路徑相對於該物體移動時，在沿該路徑的許多預定位置處發送X-射線穿過所述物體的區域。運動控制裝置與X-射線源連接並且使所述X-射線源沿所述路徑相對於所述物體連續移動。由於連續移動，X-射線源的運動控制使所述成像系統中的振動減到最小。X-射線檢測器與所述X-射線源相距預定距離。該X-射線檢測器檢測穿過所述物體的所述區域射出的X-射線，從而採集表示所述物體的所述區域的X-射線圖像數據。處理單元與所述X-射線檢測器連接，用於將X-射線圖像數據處理成一個所述物體的所述區域的至少一個層析X-射線照相合成圖像。
本發明的另一實施例提供了一種採用一成像系統生成一個物體的一個區域的層析X-射線照相合成圖像的方法。該方法包括第一步驟，沿一與所述物體成預定距離的線性路徑連續移動X-射線源，其中連續移動X-射線源使成像系統中的振動減到最小。在第二步驟中，當X-射線源沿所述路徑相對於物體連續運動時，X-射線在沿所述路徑的許多預定位置處被發射穿過該物體的該區域。第三步驟包括檢測穿過物體該區域射出的X-射線以及第四步驟包括採集表示該物體的該區域的X-射線圖像數據。第五步驟包括將X-射線圖像數據處理成該物體的該區域的至少一個層析X-射線照相合成圖像。
在另一實施例中，提供了一個用於在一個物體的一個區域上進行層析X-射線照相合成的成像系統。該成像系統包括一個X-射線源，該X-射線源位於距該物體為一預定距離處並且當在許多預定位置處發送X-射線穿過該物體的該區域時沿一線性路徑相對於該物體連續移動。一個運動控制裝置與該X-射線源連接並且使所述X-射線源沿所述路徑連續移動。連續地移動X-射線源使該成像系統中的振動減到最小。一個X-射線檢測器與所述X-射線源相距預定距離並且檢測穿過所述物體的所述區域射出的X-射線。所述X-射線檢測器採集表示所述物體的所述區域的X-射線圖像數據。一個與所述X-射線檢測器連接的處理單元，用於將X-射線圖像數據處理成所述物體的所述區域的至少一個層析X-射線照相合成圖像。
一個可選擇的實施例中提供了一種採用一成像系統生成一個物體的一個區域的層析X-射線照相合成圖像的方法。該方法包括沿一與所述物體成預定距離的線性路徑連續移動X-射線源的步驟，其中連續移動X-射線源使成像系統中的振動減到最小。下一步驟包括當X-射線源沿所述路徑相對於物體連續移動時，在沿所述路徑的許多預定位置處發射X-射線穿過該物體的該區域。該方法進一步包括檢測穿過物體該區域射出的X-射線、採集表示該物體的該區域的X-射線圖像數據並將該X-射線圖像數據處理成該物體的該區域的至少一個層析X-射線照相合成圖像。


本發明的這些和其它特徵、方面、和優點將通過參考附圖來閱讀下面的詳細描述更容易理解，其中在整個附圖中相同的符號代表相同的部分，其中圖1是根據本發明的一個方面實施的成像系統的一個實施例的簡圖；圖2是在成像系統的一個實施例中，表示X-射線源相對於物體運動的一個簡圖；以及圖3是一個表示用於生成一個層析X-射線照相合成圖像的一般方法的流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，一個成像系統100包括一個與一運動控制裝置120相連接的X-射線源110。一個處理單元170連接於運動控制裝置120、X-射線檢測器150和圖像顯示單元190之間。應當理解的是處理單元可以包括一個微處理器、中央處理單元、一個個人計算機、一個工作站、一個微型計算機、一個大型計算機或者一個巨型計算機。還應當理解的是該運動控制裝置120可以作為用命令語言來移動X-射線源110的軟體而包括在處理單元170中。進一步應當理解的是理單元170可以通過，例如電話機或者電纜網、乙太網、區域網(LAN)、廣域網(WAN)、綜合業務數字網(ISDN)、數字用戶路(DSL)與運動控制裝置120、X-射線檢測器150和圖像顯示單元190連接。還應理解的是該圖像顯示單元可以包括，例如，一個視頻監視器、一個液晶顯示器或者其它的監視器。由於在X-射線的掃描和傳輸期間該成像系統100連續地移動X-射線源110，因此有關這種成像系統100構造和組件的成本一般低於常規成像系統，例如分步拍攝系統(STEP AND SHOOT)。
在一個操作實施例中，該X-射線源110位於一個位置上，該位置與X-射線檢測器150和物體130的一個平面的距離是預定的。例如，該預定距離是一個在整個X-射線成像(掃描)過程中保持不變的固定距離。在另一個實施例中，該預定距離在X-射線源110沿路徑200移動時可以相對於X-射線檢測器150和/或物體130變化。例如，如果該物體130相對於路徑200有不規則的或不同的形狀/輪廓，該預定距離在X-射線源110沿路徑200移動時相對於物體130而變化。該X-射線源110受運動控制裝置120的控制沿路徑200相對於物體130連續運動並且將X-射線輻射(X-射線)發射到物體130的不同區域。運動控制裝置120與X-射線源110連接並且控制X-射線源110沿路徑200相對於物體130做連續運動。在一個實施例中，X-射線源110是活動連接的，其中X-射線源110指向物體130上的或與物體130相關的一個公共點和/或固定點。可以理解的是，該物體可以包括人、動物或其它物體(有機的或無機的)，例如，機械/金屬部件或行李。進一步可以理解的是通過改變物體130和/或成像系統100彼此之間的位置可以使X-射線源110適於沿任何軸線相對於物體130移動。例如，物體130為一患者時，路徑200可以是從頭到腳移動或從肩到肩移動。既然X-射線源110相對於物體130連續運動，因此與X-射線源110在不同點處的啟動和停止有關的成像系統100內的震動基本消除。系統100的另一個優點是X-射線源110的連續運動減少了掃描物體130的時間。因此在曝光過程中由物體130運動引起的任何圖像數據的失真減少了，這是因為相對於常規系統，例如分步拍攝系統來說總的採集時間減少了。
當X-射線源110在物體130上方連續運動時，X-射線檢測器150檢測從X-射線源110發送並穿過物體130不同區域的X-射線。相應地，X-射線檢測器150採集代表物體130該區域的X-射線圖像數據。典型地，X-射線檢測器110處於與X-射線源150相距為一預定距離處。在一個實施例中，在物體130相對於來自X-射線源110的X-射線曝光前、後和/或曝光過程中，X-射線檢測器150相對於物體130是固定不動的。在另一實施例中，在物體130相對於來自X-射線源110的X-射線曝光前、後和/或曝光過程中，X-射線檢測器150能夠相對於物體130移動。在該實施例中，X-射線檢測器150與運動控制裝置120連接。另外，在該實施例中，X-射線檢測器150可以適合於隨X-射線源110線性移動或者以其他方式移動，例如以相對於X-射線源110的一維、兩維和/或三維路徑移動。可以理解的是該X-射線檢測器150可以包括一數字X-射線檢測器、一個PAD檢測器或者一個平板檢測器。
處理單元170與X-射線檢測器190相連接並處理X-射線檢測器150所檢測到的X-射線圖像數據(例如，大量的X-射線投影)來生成一個與物體130的該區域和/或多區域對應的層析X-射線照相合成圖像。層析X-射線照相合成圖像的產生包括將X-射線圖像數據(X-射線投影)重組成一個表示所掃描物體130的三維(3D)體積。在一個實施例中，該層析X-射線照相合成圖像通過一個圖像顯示單元190顯示給用戶。通常如以上所述，處理單元170也向運動控制裝置120產生控制信號來控制X-射線源110的運動。運動控制裝置120能夠沿路徑200相對於物體130移動X-射線源110的一些示範性的方式將在下文中進一步詳細描述。
在圖2中，X-射線源110相對於物體130的運動設置成X-射線源110在物體130上方移動。應理解的是X-射線源110沿其移動的路徑200可以包括一個在物體130之上的線性路徑(直線)。在物體130包括一病人的實施例中，X-射線源110沿患者的長軸(頭到足尖)線性移動。如圖2所示，在一個實施例中，X-射線檢測器150處於物體130下面。進一步可以理解，在其它實施例中，在掃描過程中X-射線源110也可以在一維、兩維和/或三維路徑上相對於X-射線檢測器150運動。
X-射線源110處於相對於物體130有預定距離的位置處。在一個實施例中，該預定距離大約等於180釐米(cm)。X-射線源110沿路徑200相對於物體130連續移動。在一個實施例中，X-射線源110以一個預定的速度從點S1到點S2連續運動。可以理解的是術語連續運動定義為X-射線源110由點S1到點S2不停地運動。在一個實施例中X-射線源從點S1到點S2之間行進的距離為130cm。當X-射線源110沿路徑200從點S1到點S2相對於物體130連續運動時，X-射線源110分別沿路徑200在預定的位置A、B、C處將X-射線發送穿過物體130的區域。在該實施例中，當X-射線源110處於除預定位置A、B、C之外的其他位置時，X-射線源110不被指示發送X-射線。例如，在一個實施例中，X-射線源110從點S1移動到點S2所需的掃描時間大約是5秒。如圖2進一步示出的，在一個實施例中，物體130具有25cm的深度或厚度並且X-射線檢測器150處於物體下面7cm處。在該實施例中，X-射線源110在掃描過程中的平均速度大約是26cm/秒。在每一預定位置處X-射線源110發送X-射線穿過物體130的時間(曝光時間)大約是2.5毫秒(msec)，該時間相應於在曝光過程中X-射線源移動0.65mm。在具有上述速度和尺寸的該實施例中，當X-射線檢測器130包括一個RAD檢測器時，在X-射線檢測器150上的一個最大模糊度(blurring)大約是0.12毫米(mm)或者粗略地為二分之一(1/2)像素。可以理解的是這種數量的模糊程度(大約0.12mm或1/2像素)實際上對X-射線圖像數據的質量沒有影響。該X-射線檢測器150從在預定位置A、B、C處發送的穿過物體130的X-射線中檢測X-射線圖像數據。可以進一步理解的是X-射線源110可以在比圖2所示的多或少的預定位置處發送X-射線。在另一個實施例中，X-射線檢測器150在X-射線源110從點S1到點S2連續運動的過程中在預定的時間間隔內獲得X-射線圖像數據。可以理解的是，在該實施例中，該X-射線檢測器150獲得X-射線圖像數據的預定時間間隔可以對應於X-射線源位於預定位置處時的時間，例如，點A、B、C。
在另一實施例中，當X-射線源110從點S1到點S2連續運動時，控制器120以不同的速度移動X-射線源110。在該實施例中，該X-射線源110以第一速度從點S1運動到點A。當該X-射線源110到達點A時，該X-射線源以第二速度運動一段預定的時間。在一個實施例中，在每一點的曝光時間大約為2.5msec。另外，在X-射線源110已經以第二速度運動預定時間後，X-射線源110可以再以第一速度從點A運動到點B。此外，一旦X-射線源110到達點B，X-射線源110可以以第二速度運動一段預定時間。當該預定時間過後，該X-射線源110可以以第一速度從點B移動到點C。一旦X-射線源110到達點C，X-射線源110以第二速度移動一段預定時間。在預定時間過後，X-射線源110可以以第一速度從點C移動到點S2，之後X-射線源110可以停在點S2處。在一個實施例中，在以第二速度運動時X-射線源110可以發送X-射線，並且X-射線檢測器150在X-射線源以第二速度運動時獲取X-射線圖像數據。在另一實施例中，X-射線源110在其沿路徑200運動時連續地發送X-射線。在該實施例的一個方面，當X-射線源110沿路徑200移動發射X-射線時，X-射線檢測器150連續地獲取X-射線圖像數據。在該實施例的另一個方面，X-射線檢測器150在各預定時間獲取圖像，並且該預定時間對應於X-射線源110以第二速度運動時的時間。在一個實施例中，第一速度大於第二速度。可以理解的是，在其他實施例中，X-射線源110當其從點S1連續運動到點S2時可以以不同的速度運動。在一個實施例中，該第一速度可以在約20cm/sec到約26cm/sec的範圍內並且第二速度可以為第一速度的大約一半。在另一個實施例中，該第一速度有一個約大於26cm/sec的速度(26cm/sec加一個預定的增量(delta))，第二速度有一個約為13cm/sec的速度。在其他實施例中，第一速度和第二速度在沿路經200的不同的預定位置處不必相同。可以進一步理解的是在其他的實施例中第一速度向第二速度和第二速度向第一速度之間的轉變分別包括X-射線源110的轉變減速和加速以便減小成像系統100中的震動。
在其他實施例中，第一速度和第二速度在沿路經200的不同預定位置處不必相同。在一個實施例中，來自X-射線源110的X-射線的發射之間的時間至少對應於X-射線檢測器150的讀出時間。例如，X-射線檢測器150的讀出時間可以在125到180msec之間，並且，因此，第一速度可以減小大約2倍或更多以在X-射線傳送期間獲得第二速度，這對各發送之間的速度影響最小。在另一實施例中，一個高功率的X-射線源110也可以減小當發送X-射線時由移動X-射線源110而產生的模糊，這是因為該高功率X-射線源110允許所需的X-射線曝光在少於2.5msec時間內完成。一種高功率X-射線源110的例子可以包括一個具有一個約20到約30千瓦(kw)功率範圍的X-射線管。在另一實施例中，一個高功率X-射線源110包括一個功率約為64kw的X-射線管。
如圖3所示，提供了一種用於在物體130周圍連續地移動一X-射線源110以獲得X-射線圖像數據的方法。該X-射線源110相對於檢測器200(步驟310)沿一線性路徑作連續運動。該X-射線源110處於一個相對於物體130預定的距離處。通過連續運動，X-射線源110沿路徑200線性移動，因為X-射線源110沿路徑200不停止和重新啟動，成像系統100內的震動減小。X-射線穿過物體130的一個區域發送(步驟330)。在一個實施例中，當X-射線源110到達沿路徑200的多個預定位置時發送該X-射線。在另一實施例中，在X-射線源110沿路徑200相對於物體130連續運動時，X-射線從X-射線源110中發射並且穿過物體130的區域。X-射線檢測器150檢測穿過物體130透射出的X-射線(步驟350)。一個處理單元170獲得表示物體130的該區域的X-射線圖像數據(步驟370)。該處理單元170將該X-射線圖像數據處理成物體130該區域的至少一個層析X-射線照相合成圖像(步驟390)。
如上文所述，與常規的分步拍攝系統和方法相比，由成像系統100的震動所引起的圖像模糊減小。另外，模糊可能是在X-射線檢測器130採集X-射線圖像數據時由X-射線源110移動引起的，但這種模糊可以通過降低掃描期間X-射線的發射時間來減少或消除。然而產生的層析X-射線照相合成圖像可能會由其它各種不同的因素引起模糊，如在掃描過程中由X-射線源110運動引起的震動、由X-射線檢測器130運動引起的震動、以及物體130的運動。有代表性地，當物體130為一個患者時，表現為在三種運動類型中的掃掃描過程中物體130的運動。這種運動可以定義為總體運動(患者的大動作)、心臟運動(心跳)和呼吸運動(肺運動)。所有這些類型的運動都可能在算法重組中引起患者結構的錯誤表示，但是總體運動麻煩最大。成像系統100利用X-射線源110的連續運動來減少總的採集時間，並且因此，減少患者運動所用的總時間。同樣的，通過減少總的採集時間，其可減少由於患者運動造成的患者結構錯誤表示的數量，成像系統100提供了比其它系統更大的優勢。
如上文所述，X-射線圖像數據中的這種模糊可以通過改變X-射線檢測器130採集X-射線圖像數據時X-射線源110行進的速度來減小。有代表性的，由X-射線源110運動引起的模糊可利用該移動X-射線源110的速度、成像系統100的幾何形狀和已成像物體的已知特性，例如，X-射線吸收特性來表徵。有代表性地，移動X-射線檢測器150消除和/或可以控制掃描期間由X-射線源110的移動引起的掃描期間的模糊。在一個實施例中，移動X-射線檢測器150和X-射線源110可以減少由X-射線源110的運動引起的模糊。在一個實施例中，當X-射線源110發送X-射線時，X-射線檢測器150被移動。在另一實施例中，X-射線檢測器150可以隨X-射線源110連續運動。在再一實施例中，用採集到的X射圖像數據產生的層析X-射線照相合成圖像和/或最終的層析X-射線照相合成圖像可以用不同的數據重組技術來使其清晰。
本發明前面的論述已經體現了例示和說明的目的。另外，該說明不將本發明限制於在此所公開的形式。因此，與上述教導和相關領域的技術和知識相應的改變和改進都在本發明的範圍之內。在此描述的上述實施例意欲進一步解釋目前所知的實施本發明的最佳方式，並使本領域其它技術人員能夠照此，或者在其他實施例中，以及他們的特殊應用或本發明的使用所需要的各種改進來利用本發明。要達到的意圖是所附的權利要求被解釋為包括現有技術允許範圍的可選擇的實施例。
權利要求
1.一種用於在物體(130)的一個區域上進行層析X-射線照相合成的成像系統(100)，所述成像系統包括一個X-射線源(110)，該X-射線源(110)位於距所述物體(130)一預定距離處並且沿一線性路徑(200)相對於所述物體(130)連續移動，當所述X-射線源(110)沿所述路徑(200)相對於所述物體(130)連續移動時，所述X-射線源(110)在沿所述路徑(200)的多個預定位置處發射X-射線穿過所述物體(130)的所述區域；一個運動控制裝置(120)，連接於X-射線源(110)並且沿所述路徑(200)相對於所述物體(130)連續移動所述X-射線源(110)，其中連續地移動X-射線源(110)使所述成像系統(100)中的振動減到最小；一個與所述X-射線源(110)相距預定距離的X-射線檢測器(150)，該X-射線檢測器(150)檢測穿過所述物體(130)所述區域所射出的X-射線，所述X-射線檢測器(150)採集表示所述物體(130)的所述區域的X-射線圖像數據；以及一個處理單元(170)，連接於所述X-射線檢測器(150)，用於將所述X-射線圖像數據處理成所述物體(130)的所述區域的至少一個層析X-射線照相合成圖像。
2.如權利要求1所述的成像系統(100)，其中所述運動控制裝置(120)在沿路徑(200)的所述多個預定位置處以一第一速度移動所述X-射線源(110)並且所述運動控制裝置(120)在沿路徑(200)的所述多個預定位置之外以一第二速度移動所述的X-射線源(110)。
3.如權利要求2所述的成像系統(100)，其中所述第二速度大於所述第一速度。
4.如權利要求1所述的成像系統，其中所述的X-射線圖像數據包括多個低劑量投影X-射線圖象。
5.如權利要求1所述的成像系統(100)，其中所述處理單元(170)在至少一個層析X-射線照相合成圖像上執行一個去模糊操作以減少至少由連續地移動X-射線源(110)所引起的模糊的影響。
6.如權利要求1所述的成像系統(100)，其中在所述多個預定位置處發射所述X-射線穿過所述物體(130)的所述區域的曝光時間是一預定時間。
7.如權利要求6所述的成像系統(100)，其中所述的預定時間為2.5毫秒。
8.如權利要求1所述的成像系統(100)，其中該X-射線檢測器(150)包括一個RAD X-射線檢測器。
9.如權利要求1所述的成像系統(100)，其中所述X-射線檢測器(150)與該與運動控制裝置(120)連接並且可選擇地相對於所述物體(130)移動。
10.如權利要求1所述的成像系統(100)，其中所述X-射線檢測器(150)相對於所述物體(130)是固定的。
全文摘要
一種用於在一物體(130)的一個區域上進行層析X－射線照相的成像系統(100)，包括一個X－射線源(110)、運動控制裝置(120)、一個X－射線檢測器(150)和一個處理單元(170)。該X－射線源(110)位於距所述物體(130)一預定距離處並且沿一線性路徑(200)相對於該物體(130)連續移動。該X－射線源(110)在多個預定位置處發送X－射線穿過所述物體(130)的該區域。運動控制裝置(120)與X－射線源(110)連接並且使所述X－射線源(110)沿所述路徑(200)相對於所述物體(130)連續移動。由於連續運動X－射線源(110)使所述成像系統(100)中的振動減到最小。X－射線檢測器(150)與所述X－射線源(110)相距預定距離並且檢測穿過所述物體(130)所述區域射出的X－射線，從而採集表示所述物體(130)的所述區域的X－射線圖像數據。處理單元(170)與所述X－射線檢測器(150)連接，用於將X－射線圖像數據處理成所述物體(130)的所述區域的至少一個層析X－射線照相合成圖像。
文檔編號G01N23/00GK1496711SQ20031011961
公開日2004年5月19日 申請日期2003年10月7日 優先權日2002年10月7日
發明者傑弗裡·W·埃伯哈德, 伯恩哈德·E·H·克勞斯, 阿布杜拉曼·A·阿爾克哈利迪, 詹姆斯·T·多賓斯第三, 德文·J·戈德弗雷, T 多賓斯第三, J 戈德弗雷, 德 E H 克勞斯, 拉曼 A 阿爾克哈利迪, 傑弗裡 W 埃伯哈德 申請人:通用電氣公司, 杜克大學