X射線計算層析攝影的裝置和方法
2023-10-22 18:04:32
專利名稱：X射線計算層析攝影的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及X射線計算層析攝影的裝置和方法。
背景技術：
X射線計算層析攝影裝置(也稱作CT掃描儀)基於已經通過受檢者的X射線的強度以圖像形式提供受檢者的信息，並且在包括疾病診斷、治療和操作計劃等許多醫學實踐中扮演重要的角色。螺旋掃描的出現使得能夠在短時間內完成寬範圍的數據採集。
患者吞吐量已經變成與這種完成相關的關鍵問題之一。因為近年來X射線管的超速掃描以及重量減輕，螺旋掃描的廣泛應用，檢測器陣列的數目遞增，和檢測靈敏度的增強，患者吞吐量受受檢者預掃描設置所需時間的影響比受掃描時間的影響更多。受檢者背部躺在診斷臺的檯面上，並且按照放射科醫師的指導來細微調節體位。但是，僅有限時間允許用於體位的細微調節。因此，如圖1A中所示，經常掃描被執行，而受檢者的體軸相對於掃描範圍的中心線(Z軸，X射線管的旋轉軸)傾斜。這導致事件，即如圖1B和1C中所示，受檢者的中心從圖像的中心偏移並且偏移的程度從圖像到圖像各不相同，這使得觀察十分困難。
發明內容
因此，本發明的目的在於針對這種事件，即掃描被執行，而受檢者的體軸相對於掃描範圍的中心線(Z軸，X射線管的旋轉軸)傾斜。
本發明的X射線計算層析攝影裝置包括顯示部分，在屏幕上顯示與受檢者相關的掃描圖以及指定重構(reconstruction)範圍的四邊形框架線；輸入部分，輸入命令以將指定重構範圍的框架線變形為平行四邊形或者旋轉指定重構範圍的框架線；臺架，在與重構範圍相對應的掃描範圍中執行掃描；以及重構部分，基於掃描所獲取的投影數據，逐個切片地重構與彼此平行且包括於重構範圍中的多個切片相關的圖像數據。
本發明的另外目的和優點將在下面的描述中提出，並且部分地將從描述中變得明顯，或者可以通過本發明的實踐來學習。本發明的目的和優點可以通過特別在下文指出的手段和組合來實現和獲得。
包括於說明書中並構成說明書一部分的附隨附圖，本發明的說明目前優選實施方案，以及與上面給出的一般描述和下面給出的優選實施方案詳細描述一起，用來說明本發明的原理。
圖1A，圖1B，和圖1C是用來說明相關技術中的問題的視圖；圖2是顯示根據本發明實施方案的X射線計算層析攝影裝置的結構的視圖；圖3A和3B是圖2的X射線檢測器的透視圖；圖4是顯示圖2的X射線管的螺旋路徑的視圖；圖5是顯示由圖2的掃描程序系統構造的掃描程序屏幕的實例的視圖；圖6是顯示使用圖5「變形圖標」上的點擊而變形的、指定重構範圍的框架線的視圖；圖7是顯示使用圖5「旋轉圖標」上的點擊而旋轉的、指定重構範圍的框架線的視圖；圖8A，圖8B，和圖8C是用來說明與圖6的變形後重構範圍相對應的重構處理的視圖；
圖9A，圖9B，和圖9C是用來說明與圖7的旋轉後重構範圍相對應的重構處理的視圖；以及圖10A和圖10B是顯示與圖7的旋轉後重構範圍相對應的兩種類型的掃描範圍的視圖。
具體實施例方式
本發明的X射線計算層析攝影裝置的實施方案現在將參考附隨附圖來描述。X射線計算層析攝影裝置包括各種類型，例如旋轉/旋轉型，其中包括X射線管和輻射檢測器的單元都關於受檢者旋轉，以及靜止/旋轉型，其中許多檢測元件以環形陣列排列，而僅X射線管關於受檢者旋轉，並且本發明可適用於任何類型。在這裡，目前最通行的旋轉/旋轉型將被描述。而且，為了對一個切片重構(reconstruct)層析攝影數據，必須獲得受檢者的全圓、大約360°的投影數據，並且180°加上視角的投影數據是需要的，即使在半掃描方法中。本發明可適用於二者中任何一種重構方法。在這裡，前者方法將作為實例來描述。而且，將入射的X射線轉換成電荷的通行機理是間接轉換模式，通過該模式，X射線首先由螢光材料例如閃爍劑轉換成光，然後光由光電轉換元件例如光電二極體轉換成電荷；以及直接轉換模式，通過該模式，半導體中的電子-空穴對由X射線產生並且它們運動到電極。也就是，利用光電現象。採用二者中任何一種模式的X射線檢測元件可以使用，並且在這裡，採用前者間接轉換模式的那些將被描述。另外，所謂多管型X射線計算層析攝影裝置，其中多對X射線管和X射線檢測器安裝到旋轉環，最近已經變得在市場上可買到，並且外圍技術也正在研製中。本發明可適用於常規單管型X射線計算層析攝影裝置或者多管型X射線計算層析攝影裝置。在這裡，單管型X射線計算層析攝影裝置將被描述。
圖2顯示根據本實施方案的X射線計算層析攝影裝置的結構。X射線計算層析攝影裝置包括臺架1，其配置以獲取與受檢者相關的投影數據。臺架1包括X射線管10和X射線檢測器23。X射線管10和X射線檢測器23都安裝到環形旋轉框架12上，該環形旋轉框架12由臺架驅動設備25驅動以關於Z軸旋轉。旋轉框架12在其中心處提供有孔徑，並且躺在診斷臺2的臺面2a上的受檢者P插入到孔徑中。用來依賴於切片厚度改變X射線照射寬度的裂縫22位於X射線管10和孔徑之間。
來自高壓變壓器裝配21的管電壓施加在X射線管10的陰極和陽極之間，同時來自高壓變壓器裝配21的燈絲電流供給到X射線管10的燈絲。X射線由管電壓的施加和燈絲電流的供給來產生。
如圖3A和圖3B中所示，X射線檢測器23包括多個X射線檢測元件100，每個具有例如0.5mm×0.5mm四方形光接收表面。在圖3A的情況下，例如，916個X射線檢測元件100沿著通道方向以陣列排列。在圖3B的情況下，圖3A的陣列例如沿著切片方向平行地以40行來提供。圖3A的檢測器稱作單切片型，而圖3B的檢測器稱作多切片型。X射線檢測器23可以是二者中任何一種類型。
數據採集設備24，通常稱作DAS(數據採集系統)，將從檢測器23輸出的每個通道中的信號轉換成電壓信號，放大該電壓信號，並且將放大後的電壓信號轉換成數位訊號。這樣獲得的數據(原始數據)供給到安裝在臺架外部的計算機單元3。計算機單元3的預處理單元34基於從數據採集設備24輸出的原始數據執行補償處理，例如靈敏度補償，並且輸出投影數據。然後，投影數據發送到並存儲於計算機系統3的數據存儲設備35中。
除前述預處理單元34和存儲設備35之外，計算機系統3包括系統控制器29，提供有鍵盤、滑鼠等的輸入設備39，顯示器38，掃描控制器30，重構單元36，和掃描程序系統42。重構單元36能夠根據下面二者中任何一種選擇性地執行重構處理典型的扇形射束重構方法(也稱作扇形射束卷積背面投影方法)；以及在不同於螺旋插值，投影射線象錐面射束一樣與重構平面相交的情況下的一種重構方法，其通過從例如兩個旋轉的投影數據中插值，可以與扇形射束重構方法一起在重構平面上探測投影數據中使用，該方法包括Feldkamp方法，即近似圖像重構方法，通過該方法，假設在掃描的時候錐角小並且背面投影沿著射線執行，卷積通過將射束視為扇形投影射束來執行，以及錐面射束重構方法，即與Feldkamp方法相比較能夠抑制錐角導致的誤差的方法，通過該方法，投影數據響應射線相對於重構平面的角度而補償。
掃描程序系統42提供以在確定掃描程序的工作中幫助操作員，並且構造用來設置掃描條件的掃描程序屏幕，掃描條件例如如圖4中所示指示當X射線管10旋轉一次時臺面移動距離的螺矩(HP)，以及指示X射線管10旋轉一次所需時間的掃描速度(SS)。
圖5顯示掃描程序屏幕的實例。掃描程序屏幕包括患者信息，臺架信息，和屏幕底部的掃描條件詳細信息，以及掃描圖像99。掃描圖像99以使得其Z軸(旋轉中心)平行於屏幕的垂直方向(在某些情況下，可能是水平方向)的方向來顯示。因此，當掃描成像被執行而受檢者的體軸相對於Z軸傾斜時，掃描圖像99同樣相對於屏幕的垂直方向傾斜地顯示在屏幕上。
掃描條件包括激活(手動觸發器與自動觸發器之間起動掃描的區別)，掃描起動時間(起動時間)，螺旋掃描的起動位置，掃描間的間歇，螺旋掃描的終點位置，掃描方式(單切片/多切片/螺旋之間的區別)，掃描的起動位置，掃描的終點位置，管電壓kV，管電流mA，掃描速度(圓括號中的時間指示整個掃描所需的時間)，切片的數目(使用的陣列數目)，螺距，重構方式，以及FOV(重構範圍的寬度)。
指定重構範圍的四邊形框架線101顯示在掃描圖像99上。指定與重構範圍相對應的掃描範圍、通常為虛線的框架線在某些情況下與指定重構範圍的框架線101一起顯示。指定重構範圍的四邊形框架線101最初提供為其中心線109平行於Z軸(旋轉的中心軸)的長方形。
並且，用於垂直地按比例放大/縮小範圍的菱形圖標102和水平地按比例放大/縮小範圍的菱形圖標103顯示在指定重構範圍的框架線101的四角，使得操作員能夠通過使用例如輸入設備39的滑鼠移動指針104到圖標102和103的任何一個並且拖動指針104，按照需要按比例放大/縮小重構範圍。並且，操作員能夠通過使用例如輸入設備39的滑鼠移動指針104到框架線101上並且拖動指針104，垂直地和/或水平地平行移動重構範圍。
此外，在掃描圖像99上，疊加有變形圖標105和106以及旋轉圖標107和108。變形命令使用變形圖標105上的點擊來輸入。當輸入變形命令時，如圖6中所示，指定重構範圍的框架線101變形為平行四邊形。變形的程度，也就是中心線109相對於屏幕垂直方向的傾斜，由例如點擊的數目來確定。例如，2.5°的傾斜用一次點擊來給出。使用另外一個變形圖標106上的點擊，指定重構範圍的框架線101在與圖6的方向相反的方向上變形。變形的程度也由點擊的數目來確定。
旋轉命令使用旋轉圖標107上的點擊來輸入。當輸入旋轉命令時，如圖7中所示，指定重構範圍的框架線101關於其中心旋轉。旋轉的程度，也就是中心線109相對於屏幕垂直方向的傾斜，由例如點擊的數目來確定。例如，2.5°的旋轉用一次點擊來給出。使用另外一個旋轉圖標108上的點擊，指定重構範圍的框架線101在與圖7的方向相反的方向上旋轉。旋轉的程度也由點擊的數目來確定。基本上，變形和旋轉二者擇一地執行。
如已經描述的，掃描圖像99以使得其Z軸(旋轉中心)平行於屏幕垂直方向的方向來顯示。因此，當掃描成像被執行而受檢者相對於Z軸傾斜時，傾斜如圖6和圖7中所示反映在屏幕上的掃描圖像99上。
因此，操作員平行地拖動和移動指定重構範圍的框架線101，並且按照需要多次點擊正向的變形圖標105或者反向的變形圖標106，使得指定重構範圍的框架線101的中心線109變得平行於並且儘可能地與傾斜的掃描圖像99上受檢者的體軸一致。而且，操作員平行地拖動和移動指定重構範圍的框架線101，並且按照需要多次點擊正向的旋轉圖標107或者反向的旋轉圖標108，使得指定重構範圍的框架線101的中心線109變得平行於並且儘可能地與呈現在傾斜的掃描圖像99上的受檢者的體軸一致。作為選擇，能夠使用變形圖標105或106以及旋轉圖標107或108一起來變形和旋轉指定重構範圍的框架線101。
圖6和圖7的實例之間在圖像重構方面存在輕微差別。當指定重構範圍的框架線101如圖6中所示變形時，掃描程序系統42如圖8A中所示確定重構範圍111以對應於框架線101，並且確定掃描範圍112以對應於重構範圍111。掃描範圍112設置成圓柱形狀，其縱向橫截面是Z軸(旋轉軸)位於中心處並且覆蓋重構範圍111的長方形。
如圖8B中所示，重構單元36從掃描所獲取的投影數據中提取與各個切片相對應的投影數據，並且基於這樣提取的投影數據重構圖像數據。各個切片的寬度根據指定重構範圍的框架線101的水平寬度來設置，並且各個切片的中心設置在指定重構範圍的框架線101的中心線109上。因為重構範圍的中心線109被設置具有相對於掃描範圍的中心線的傾斜，各個切片的水平位置，也就是從掃描範圍的中心線到每個切片的中心的距離從切片到切片各不相同。但是，各個切片的中心都位於受檢者的體軸上。
因為切片的中心可以以上述方式響應受檢者的傾斜體位為每個切片而設置，即使當掃描被執行而受檢者的體軸相對於Z軸傾斜時，受檢者的體軸也可以如圖8C中所示位於幾乎圖像的中心上。這消除圖像上的位置與受檢者上的位置之間的偏移，使得觀察十分容易。而且，通過基於框架線101的傾斜將受檢者的水平距離轉換成實際距離，能夠減少距離或體積測量中的誤差。
然後，在指定重構範圍的框架線101如圖7中所示旋轉的情況下，掃描程序系統42如圖9A中所示確定與框架線101相對應的重構範圍111，以及掃描範圍112。在這種情況下，掃描範圍112設置成圓柱形狀，其縱向橫截面是Z軸(旋轉軸)位於中心處並且覆蓋重構範圍111的長方形。
掃描範圍112可以從圖10A中所示的範圍以及比圖10A中所示的範圍寬的圖10B中所示的範圍中選擇。在螺旋重構中，眾所周知，切片位置處的投影數據通過從兩個，前面和後面的旋轉的投影數據中插值來產生。換句話說，螺旋重構需要覆蓋較寬範圍113的投影數據，該範圍113比重構範圍111內的最外切片向外寬至少一個旋轉。圖10B顯示當掃描範圍112被設置以獲取該較寬範圍113的全部投影數據時的實例。相反，圖10A顯示窄掃描範圍112的實例，其中由對角線表現陰影的投影數據的部分通過外插法插值補充。操作員可以在這兩種類型之間做選擇，或者可以依賴於待成像的區域的各種條件自動地做選擇。
如圖9B中所示，重構單元36基於掃描所獲取的投影數據，通過錐面射束重構方法或者傾斜重構方法，為與響應受檢者體軸的傾斜而旋轉的重構範圍中心線109正交的多個切片(重構平面)的每個來重構圖像數據。換句話說，相對於掃描範圍的中心軸傾斜的切片內每個象素的象素值被計算，作為與每個象素對角相交的多個X射線路徑的投影數據的過濾器整數值。
每個切片的寬度根據指定重構範圍的框架線101的寬度來設置，並且每個切片的中心設置在指定重構範圍的框架線101的中心線109上。因為重構範圍的中心線109被設置具有相對於掃描範圍中心線的傾斜，各個切片的水平位置，也就是從掃描範圍的中心線到每個切片的中心的距離，從切片到切片各不相同。
因為切片的中心可以以上述方式響應受檢者的傾斜體位為每個切片而設置，即使當掃描被執行而受檢者的體軸相對於Z軸傾斜時，受檢者的體軸也可以如圖9C中所示位於幾乎圖像的中心上。而且，在該實例中，正交於受檢者體軸的平面的圖像可以獲得，這減少與體軸相對於Z軸的傾斜相關的水平距離的誤差。簡而言之，能夠基本上消除受檢者的體軸相對於Z軸傾斜的情況。因為距離的誤差不僅可以垂直地而且可以水平地消除，距離或體積測量中的誤差可以減少；而且，MPR(多平面重構)處理或3D處理可以直接執行，而不需要特殊的補償處理。
本發明可以適用於例如PET(正電子發射計算層析攝影)，作為基於在多個方向上獲取的受檢者的數據重構平面圖像的一種類型的圖像診斷裝置，如同X射線計算層析攝影裝置一樣。
另外的優點和修改將容易由本領域技術人員想到。因此，本發明在其更廣泛的方面並不局限於這裡顯示並描述的具體細節和代表實施方案。因此，可以不背離由附加的權利要求及其等價物所定義的一般發明概念的本質或範圍而做各種修改。
權利要求
1.一種X射線計算層析攝影裝置，包括顯示部分，在屏幕上顯示與受檢者相關的掃描圖以及指定重構範圍的四邊形框架線；輸入部分，輸入命令以將指定所述重構範圍的框架線變形為平行四邊形或者旋轉指定所述重構範圍的框架線；掃描部分，在與所述重構範圍相對應的掃描範圍中執行掃描；以及重構部分，基於由所述掃描獲取的投影數據，逐個切片地重構圖像數據，該圖像數據與彼此平行且包括於所述重構範圍中的多個切片相關。
2.根據權利要求1的X射線計算層析攝影裝置，其中所述變形或旋轉後的重構範圍的中心線相對於所述掃描範圍的中心線傾斜。
3.根據權利要求2的X射線計算層析攝影裝置，其中從所述掃描範圍的中心線到所述多個切片的每一個的中心的距離從切片到切片各不相同。
4.根據權利要求2的X射線計算層析攝影裝置，其中所述切片相對於所述變形後的重構範圍的中心線傾斜。
5.根據權利要求4的X射線計算層析攝影裝置，其中所述切片與所述掃描範圍的中心線正交。
6.根據權利要求2的X射線計算層析攝影裝置，其中所述切片與所述旋轉後的重構範圍的中心線正交。
7.根據權利要求6的X射線計算層析攝影裝置，其中所述切片相對於所述掃描範圍的中心線傾斜。
8.根據權利要求1的X射線計算層析攝影裝置，其中與變形或旋轉相對應的圖標顯示在指定所述重構範圍的框架線的附近。
9.根據權利要求1的X射線計算層析攝影裝置，其中所述掃描範圍設置成圓柱形狀，其縱向橫截面是旋轉軸位於中心處並且覆蓋所述變形或旋轉後的重構範圍的長方形。
10.根據權利要求1的X射線計算層析攝影裝置，其中所述掃描範圍覆蓋所述變形或旋轉後的重構範圍。
11.根據權利要求10的X射線計算層析攝影裝置，其中所述掃描範圍具有相對於平行於其中心軸的方向、比所述變形或旋轉後的重構範圍長的長度。
12.根據權利要求10的X射線計算層析攝影裝置，其中所述掃描範圍具有相對於與其中心軸正交的方向、與所述變形或旋轉後的重構範圍幾乎相等的寬度。
13.一種X射線計算層析攝影的方法，包括在屏幕上顯示與受檢者相關的掃描圖以及指定重構範圍的四邊形框架線；輸入命令以將指定所述重構範圍的框架線變形為平行四邊形或者旋轉指定所述重構範圍的框架線；在與所述重構範圍相對應的掃描範圍中執行掃描；以及基於由所述掃描獲取的投影數據，逐個切片地重構圖像數據，該圖像數據與彼此平行且包括於所述重構範圍中的多個切片相關。
14.根據權利要求13的X射線計算層析攝影的方法，其中所述變形或旋轉後的重構範圍的中心線相對於所述掃描範圍的中心線傾斜。
15.根據權利要求14的X射線計算層析攝影的方法，其中從所述掃描範圍的中心線到所述多個切片的每一個的中心的距離從切片到切片各不相同。
16.根據權利要求14的X射線計算層析攝影的方法，其中所述切片相對於所述變形後的重構範圍的中心線傾斜。
17.根據權利要求16的X射線計算層析攝影的方法，其中所述切片與所述掃描範圍的中心線正交。
18.根據權利要求14的X射線計算層析攝影的方法，其中所述切片與所述旋轉後的重構範圍的中心線正交。
19.根據權利要求18的X射線計算層析攝影的方法，其中所述切片相對於所述掃描範圍的中心線傾斜。
20.根據權利要求13的X射線計算層析攝影的方法，其中與變形或旋轉相對應的圖標顯示在指定所述重構範圍的框架線的附近。
21.根據權利要求13的X射線計算層析攝影的方法，其中所述掃描範圍設置成圓柱形狀，其縱向橫截面是旋轉軸位於中心處並且覆蓋所述變形或旋轉後的重構範圍的長方形。
22.根據權利要求13的X射線計算層析攝影的方法，其中所述掃描範圍覆蓋所述變形或旋轉後的重構範圍。
23.根據權利要求22的X射線計算層析攝影的方法，其中所述掃描範圍具有相對於平行於其中心軸的方向、比所述變形或旋轉後的重構範圍長的長度。
24.根據權利要求22的X射線計算層析攝影的方法，其中所述掃描範圍具有相對於與其中心軸正交的方向、與所述變形或旋轉後的重構範圍幾乎相等的寬度。
全文摘要
本發明的X射線計算層析攝影裝置包括顯示部分，在屏幕上顯示與受檢者相關的掃描圖以及指定重構範圍的四邊形框架線；輸入部分，輸入命令以將指定重構範圍的框架線變形為平行四邊形或者旋轉指定重構範圍的框架線；臺架，在與重構範圍相對應的掃描範圍中執行掃描；以及重構部分，基於掃描所獲取的投影數據，逐個切片地重構與彼此平行且包括於重構範圍中的多個切片相關的圖像數據。
文檔編號A61B6/03GK1541618SQ20041003129
公開日2004年11月3日 申請日期2004年3月26日 優先權日2003年3月28日
發明者塚越伸介, 越伸介 申請人:株式會社東芝, 東芝醫療系統株式會社