用于計算機斷層成像(ct)輻射劑量的一致性和可驗證的優化方法

用于計算機斷層成像(ct)輻射劑量的一致性和可驗證的優化方法
【專利摘要】公開了用于在臨床環境中一致性地和可驗證地優化計算機斷層成像(CT)輻射劑量的系統和方法。數學模型允許根據數字圖像數據和放射科醫生的偏好來估算患者體型、圖像噪聲、特定體型的輻射劑量和圖像質量目標值。預測模型估算掃描儀的管電流調制并在一定的患者體型范圍內預測圖像噪聲和特定體型的輻射劑量。優化模型計算以可行的最小輻射劑量獲取目標圖像質量所需的具體掃描儀設置。自動系統根據數學模型處理圖像和劑量數據并存儲和顯示信息，實現一致性劑量優化的驗證和持續監測。
【專利說明】用于計算機斷層成像(CT)輻射劑量的一致性和可驗證的優化方法
[0001]相關串請的參見
[0002]本申請要求2011年9月30提交的申請號為61/541,671的美國臨時申請的受益權，在此以參見方式將其引入。
【技術領域】
[0003]本公開涉及用于優化輻射劑量的計算機斷層成像(CT)方法。本公開還涉及一種集成系統，用于在組織機構中始終基于個體患者通過最小化與定量圖像質量目標值的偏差來提供一致性的CT輻射劑量優化。
【背景技術】
[0004]醫院已經響應頒布的健康指引而開始監測CT輻射劑量。在接受包括計算機斷層成像(CT)在內的醫療福射照射時,指導原則是合理可行盡量低(As Low As ReasonablyAchievable，ALARA)。因此，成像儀需要使用實現診斷圖像質量所必需的最小輻射劑量。過低的輻射劑量生成的圖像質量不佳。過高的輻射劑量將患者置于危險中且并未提高診斷質量。因此，CT中的ALARA問題可以被視為圖像質量優化問題再加上輻射劑量優化問題。具體地，成像儀的優化劑量的能力取決于在CT檢查之前準確地預測圖像質量以及按預期使用輻射劑量參數從而得到恰好高于診斷閾值的圖像質量的能力。
[0005]所有其他條件相同時，CT掃描儀的輻射劑量越高，得到的圖像就越清楚。在操作人員的直接控制下影 響輻射劑量的兩個主要因素是:測量為管電壓(kV)的射束能級，以及測量為管電流和時間的函數(mAs)的量子注量。輸送至患者的輻射劑量與注量成正比且與管電流的平方大致成正比。降低劑量會減少到達檢測儀的量子數量并導致圖像更粗糙或噪聲更大。對體型較胖的患者保持圖像質量所需的劑量水平較高，且對體型較瘦的患者所需的劑量水平較低。對于操作人員來說，目標是使用盡可能最低的輻射劑量來生成診斷質量的圖像。至今，用于臨床檢查的圖像質量測量手段對于放射科醫生來說通常都不可用。
[0006]對于低對比度應用例如腹部/骨盆CT來說，限制圖像質量的特征可能是結合了空間分辨率和對比度分辨率估算的低對比度可檢測性(LCD)。用于本公開的測量圖像質量的方法是圖像噪聲，圖像噪聲由于提供了單一的圖像質量量度而能夠用作LCD的代表。CT參數必須在檢查之前設置；因此，如果參數是基于最低圖像質量，那么用戶必須知曉應該使用哪些參數才能得到可用于生成診斷質量圖像的最低輻射劑量的先驗知識。
[0007]包括劑量調制在內的若干種輻射減少技術被結合到大多數的現代CT掃描儀中。但是，輻射劑量仍然在操作人員的控制之下，操作人員保留了設置劑量調制檢查所用的掃描參數例如kV、mA和可接受的“噪聲系數”等參數的能力。然而放射科醫生當前仍然在很多方面受限，包括以下的內容:
[0008]a)圖像質量即使是通過目視檢查也難以量化；因此標準的圖像質量體系尚未很
好地建立。[0009]b)圖像質量取決于掃描參數和患者體型；關于這些因素的互相作用如何影響圖像質量的量化模型尚未很好地建立。
[0010]C)即使是能夠無預測模型地測量，圖像質量也只能在掃描完成之后評估，限制了其有效性。
[0011]d)最小的圖像質量閾值尚未建立。
[0012]此外，CT的使用在近年來顯著增加。很多掃描儀每天都要由CT技術人員操作、由放射科醫生監督、在康復醫生(physicist)的幫助下執行很多次檢查，目前這些人都沒有針對優化圖像質量或放射劑量獲得補償。希望這些人投入大量的時間來確保圖像質量/劑量優化是不合理的。因此，即使開發出量化圖像質量的方法，除非是將其以最小的干擾集成到當前的工作流程中并且易于使用，否則也不太可能得到廣泛的采用。
[0013]很多當前圍繞CT劑量優化的挑戰都涉及圖像質量和劑量驗證的問題。如果沒有自動系統，那么由于獲取、分析、匯總和報告來自個體掃描的數據方面的困難，確信或聲稱自己已優化劑量的放射科醫生即使可行也只能以很高的代價來進行驗證。
[0014]因此，盡管量化圖像質量的評估是一項重要因素，但是系統還必須要實用。具體地，系統應該滿足以下幾項原則:
[0015]1、預測:系統應該根據掃描參數和患者體型來預測圖像質量。
[0016]2、優化:系統應該推薦預計以最少的可行劑量生成期望質量圖像(ALARA)的掃描參數。 [0017]3、評估:系統應該評估個體掃描與其他掃描相比多好地實現了 ALARA的目標。
[0018]4、監測:系統應該使管理器能夠確保對組織機構中所有掃描儀的所有學習都一致性地實現ALARA。
[0019]5、驗證/報告:系統應該使企業能夠以可量化的方式報告其性能。
[0020]6、自動化/集成:在可行的范圍內，系統應該自動工作，只需最小的人工數據輸入。
[0021]7、透明性:同時，系統應該盡可能透明，告知操作人員和管理人員個體和總體的學習性能。
[0022]8、可控性:盡管系統應該自動工作，但是也應該隨時允許操作人員超馳控制。
[0023]9、便于使用:系統應該直觀且盡可能地使用簡單。

【發明內容】

[0024]示范性實施例提供了一種在組織機構中用于計算機斷層成像(CT)掃描儀的一致性基礎上利用量化的圖像質量評估和輻射劑量估算來實現合理可行盡量低(ALARA)的輻射劑量水平的系統和方法。
[0025]在一個實施例中，公開了一種用于生成CT掃描儀所用的掃描參數的方法。所述方法首先獲取患者體型數據。接下來，所述方法建立用于單個放射科醫生或放射科醫生群組的圖像質量偏好曲線，所述圖像質量偏好曲線是圖像質量和患者體型數據的函數。接下來，所述方法建立根據所述圖像質量偏好曲線導出的目標噪聲公式。接下來，針對測量噪聲公式應用所述目標噪聲公式以導出用于指定掃描的掃描參數，所述測量噪聲公式是患者體型數據的函數。在一個更加詳細的實施例中，針對測量噪聲公式應用目標噪聲公式以導出用于指定掃描的掃描參數的步驟可以包括設置目標噪聲公式與用于患者體型數據的測量噪聲公式相等并求解輻射劑量參數的步驟。在進一步的詳細實施例中，已知其他的掃描儀參數，則輻射劑量參數可以包括mAs。在進一步的詳細實施例中，所述圖像質量偏好曲線的公式可以是:
【權利要求】
1.一種用于生成CT掃描儀所用的掃描參數的方法，包括: 獲取患者體型數據； 建立目標噪聲公式，所述目標噪聲公式是患者體型數據的函數；并且針對測量噪聲公式應用目標噪聲公式以導出用于指定CT掃描的CT掃描參數，所述測量噪聲公式是患者體型數據的函數。
2.如權利要求1所述的方法，其中針對測量噪聲公式應用目標噪聲公式以導出用于指定CT掃描的CT掃描參數的步驟包括設置目標噪聲公式與用于患者體型數據的測量噪聲公式相等并求解輻射劑量參數的步驟。
3.如權利要求2所述的方法，其中輻射劑量參數包括mAs。
4.如權利要求3所述的方法，其中目標噪聲公式是:
5.如權利要求1所述的方法，其中患者體型數據Dw是患者體重和患者水當量直徑中的一種。
6.如權利要求4所述的方法，其中測量噪聲公式是:

7.如權利要求4所述的方法，其中測量噪聲公式是:
8.如權利要求2所述的方法，其中求解輻射劑量參數的步驟是迭代處理。
9.如權利要求1所述的方法，其中目標噪聲公式至少部分地根據一名或多名放射科醫生對合適的圖像質量的主觀評估來建立。
10.如權利要求1所述的方法，其中: 測量噪聲公式是劑量調制噪聲公式； 針對測量噪聲公式應用目標噪聲公式以導出用于指定CT掃描的CT掃描參數的步驟包括設置目標噪聲公式與用于患者體型數據的劑量調制噪聲公式相等并求解輻射劑量參數的步驟。
11.如權利要求10所述的方法，其中劑量調制噪聲公式是:

12.如權利要求1所述的方法，其中測量噪聲公式根據取自水假體的噪聲測量數據導出。
13.如權利要求12所述的方法，其中水假體是錐形水假體、人形水假體和橢圓形水假體中的一種。
14.如權利要求1所述的方法，其中目標噪聲公式和測量噪聲公式選自根據期望的CT應用組織的相應公式組。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述公式組包括用于一種或多種下述CT應用的公式: 身體目標應用； 肺部目標應用；和 骨骼目標應用。
16.如權利要求1所述的方法，其中患者體型數據是在掃描軸上針對患者獲取的水當量直徑的平均值。
17.如權利要求16所述的方法，其中水當量直徑的平均值通過沿掃描軸針對每一個剖面等級執行信息位置圖示圖像數據的逐行集成而導出。
18.如權利要求1所述的方法，其中CT掃描參數包括kV、mAs和劑量調制設置中的一種或多種。
19.如權利要求1所述的方法，進一步包括利用一個或多個導出的CT掃描參數執行CT掃描的步驟。
20.如權利要求19所述的方法，進一步包括在跟CT掃描相關聯的數據庫記錄中存儲導出的CT掃描參數和患者體型數據用于后續數據分析的步驟。
21.如權利要求1所述的方法，進一步包括發信號指示是否有一個或多個導出的CT掃描參數落在選擇的CT掃描參數集合以外的步驟。
22.一種用于在使用掃描儀的計算機斷層成像(CT)掃描中掃描患者的方法，包括以下步驟: 估算患者體型； 至少部分地基于患者體型建立用于掃描的目標圖像質量參數； 從數據庫中檢索掃描儀參數信息； 基于目標圖像質量參數和掃描儀參數信息確定掃描協議； 推薦掃描協議； 利用一定的輻射劑量掃描患者； 顯示掃描圖像； 測量掃描圖像以獲取噪聲信息；并且 更新數據庫。
23.如權利要求22所述的方法，其中確定掃描協議包括確定特定體型的輻射劑量估算值(SSDE)。
24.如權利要求23所述的方法，其中輻射劑量至少部分地基于確定的SSDE。
25.如權利要求22所述的方法，其中確定掃描協議包括確定掃描儀的設置。
26.如權利要求22所述的方法，其中掃描患者的步驟包括以確定的掃描儀設置來設置掃描儀。
27.如權利要求22所述的方法，進一步包括通過掃描水假體處理水假體圖像以得到掃描儀參數并在數據庫中保存圖像噪聲信息和掃描儀參數。
28.如權利要求22所述的方法，其中掃描患者的步驟包括管理已確定的SSDE。
29.如權利要求22所述的方法，進一步包括基于目標圖像質量參數確定掃描儀參數。
30.如權利要求22所述的方法,其中估算Dw的步驟包括利用定位掃描(scoutscan)來掃描患者，以及利用定位掃描來創建信息位置圖示。
31.如權利要求30所述的方法，進一步包括: 由掃描儀執行信息位置圖示的逐行集成以針對沿z軸的每一個剖面等級確定用于分塊的水當量直徑(Dwnrt);并且將Dw nrt映射至信息位置圖示。
32.如權利要求31所述的方法，進一步包括在每一個分塊計算以算出估算噪聲并將估算噪聲映射至信息位置圖示。
33.如權利要求22所述的方法，其中估算患者體型的步驟通過以下步驟完成: 利用定位掃描來掃描患者以獲取患者的厚度Tw ;并且 隨后將Tw用于從數據庫中交叉引用表達為水當量直徑Dw的對應患者體型。
34.如權利要求22所述的方法，其中更新數據庫的步驟包括利用SSDE信息、噪聲信息、掃描儀參數和患者體型中的至少一種來匯總數據庫中的參數。
35.如權利要求22所述的方法，其中掃描儀參數包括掃描儀常數和掃描儀性能數據。
36.如權利要求35所述的方法，進一步包括: 通過利用至少一種掃描儀設置和模式執行至少一次水假體掃描而導出掃描儀參數； 測量噪聲； 利用合適的公式求解選定的常數；并且 將設置參數和圖像噪聲存入數據庫。
37.如權利要求36所述的方法，其中掃描儀特征通過掃描水假體并測量噪聲值而導出，其中水假體是臺上式和離臺式中的一種。
38.如權利要求36所述的方法，其中水假體是填充水的對象。
39.如權利要求38所述的方法，其中水假體是錐形水假體、人形水假體和橢圓形水假體中的一種。
40.如權利要求38所述的方法，其中水假體是錐形假體，具有約5cm至50cm的直徑范圍。
41.如權利要求22所述的方法，其中掃描儀參數針對至少一種模式和一種設置包括以下參數中的至少一種: Cscout ;放大系數(m.f.)；目標噪聲常數cT、aT和bT ;噪聲常數(^、c。、r。、cr> rr和cem ;a、b ;對比靈敏度；以及空間分辨率；和 劑量kV、mA、mAs ;劑量CTDIvtjl ；CTDIvol與有效mAs的比值；劑量長度乘積(DLP)。
42.如權利要求41所述的方法，其中掃描儀設置包括電壓電位、領結式濾波和焦點尺寸中的至少一種。
43.如權利要求41所述的方法，進一步包括: 通過掃描具有已知厚度Tw的水假體導出用于掃描儀的cs_t ； 求解Tw = CscoutDU時的cs_t，其中DU是密度單位，并將cs_t存入數據庫；并且將常數cs_t用于通過水當量直徑Dw確定患者體型，其中
44.如權利要求41所述的方法，其中4、&1和bT通過以下步驟導出: 掃描具有直徑Dw的水假體； 測量水假體掃描中的噪聲； 求解公式:
45.如權利要求41所述的方法，其中常數C(l、c。、!.。、Cpiv和通過以下步驟導出: 掃描具有直徑Dw的水假體； 測量水假體掃描中的噪聲； 求解公式:
46.如權利要求21所述的方法，進一步包括: 提供顯示輸出以圖形化示出用于掃描的CT圖像質量的量度。
47.如權利要求22所述的方法，其中目標圖像質量參數基于目標視覺噪聲參數。
48.如權利要求47所述的方法，其中建立用于CT掃描的目標視覺噪聲參數的步驟包括確定劑量調制噪聲曲線與目標噪聲曲線相等的點。
49.如權利要求48所述的方法，其中劑量調制噪聲曲線根據以下公式建模:
50.如權利要求48所述的方法，其中測量噪聲公式是:
51.如權利要求48所述的方法，其中目標圖像噪聲曲線根據以下公式建立:
52.如權利要求47所述的方法，進一步包括: 根據目標圖像曲線向操作人員推薦掃描參數。
53.如權利要求22所述的方法，其中確定SSDE的步驟包括使用表達為水當量直徑Dw的患者體型并求解以下公式:
SSDE = (α.e——————b'Dw)CTDlvoi
54.如權利要求53所述的方法，進一步包括計算劑量-長度乘積(DLP)，其中DLP是根據針對每一個分塊η計算的CTDIvtjl而得出的CTDIvtjl和掃描長度的乘積，然后將DLP存入數據庫。
55.如權利要求22所述的方法，進一步包括: 針對下述的一個或多個參數計算包括最小值、平均值和最大值在內的統計數據用于學習: 劑量中的量子流量(HiA)、表達為水當量直徑(Dw)的患者體型、用于分塊的水當量直徑(Dw net)、輻射劑量估算值(CTDIvJ、劑量長度乘積、CTDIvtjl和掃描長度的乘積(DLP)、SSDE和噪聲； 將一個或多個參數送入數據庫；以及 從DICOM文件頭信息中檢索包括患者姓名、編號、病歷編號、出生日期、檢查日期、掃描儀、醫療中心和檢查名稱之一的數據。
56.如權利要求22所述的方法，進一步包括: 接收用于可接受的 圖像質量參數范圍的操作人員輸入； 結合表達為水當量直徑Dw的患者體型和掃描儀參數以計算用于可接受的圖像質量數值范圍的SSDE ； 推薦將生成具有可接受圖像質量參數的圖像的SSDE ； 允許操作人員人工設置SSDE ;并且 顯示關于預期圖像質量是否落在可接受的圖像質量參數內的輸出。
57.如權利要求56所述的方法，進一步包括: 接收用于目標圖像質量參數的輸入； 利用輸入的圖像質量參數計算學習值；并且 推薦具體的掃描參數，包括以下的至少一種:kV、mA以及用于實現輸入圖像質量的劑量調制設置。
58.如權利要求56所述的方法，進一步包括: 在SSDE高于或低于推薦的SSDE時提供報警；并且 如果預期圖像質量落在可接受的圖像質量參數以外則提供報警。
59.如權利要求56所述的方法，進一步包括: 顯示落在預期圖像質量參數以內的掃描與落在預期圖像質量參數以外的掃描的對比圖。
60.如權利要求22所述的方法，進一步包括: 在核心數據庫中維護用于多個掃描儀的掃描協議； 將核心協議管理器與多個掃描儀對接以更新用于多個掃描儀的協議改變。
61.如權利要求22所述的方法，進一步包括: 根據先前獲取的數據推薦用于患者體型的協議。
62.一種能夠執行如權利要求22所述的方法的系統，用于最小化輻射劑量同時實現構成CT掃描的圖像質量，包括: 協議管理器，所述協議管理器包括處理器； 與掃描儀通信 的學習性能數據庫，所述數據庫包括掃描儀參數； 能夠定位掃描和CT斷層掃描的掃描儀； 劑量登記庫；以及 協議數據庫。
【文檔編號】A61C15/00GK104039262SQ201280057495
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年10月1日 優先權日:2011年9月30日
【發明者】大衛·B.·拉森 申請人:兒童醫院醫療中心