計算的層析x射線成像裝置的制作方法

專利名稱：計算的層析x射線成像裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種計算的層析X射線成像裝置。
這種計算的層析X射線成像裝置(在下文也稱為CT裝置)由EP0981 955 A2被公知。在此計算的層析X射線成像裝置中掃描軌跡形成一個螺旋線而且錐形的輻射束橫穿待檢查物體，例如，病人的檢查區。在引用的出版物中也提議選擇探測器窗口的大小(或其中用于重建的部分)使之大于該螺旋線相鄰匝之間距離的3，5，7..倍。當選取了這樣的幾何時，檢查區中的每個體元當它穿過輻射錐時從3π，5π，7π，...的角度范圍受到精確地輻照。因此Radon域至少局部地被例如3，5，7倍的多倍冗余度所填充。這樣的數據獲取最終能使圖象質量得到提高。
在心臟區使用計算的層析X射線成像來成象經常產生含有贗象的圖象，它是由于在數據獲取期間心臟的運動造成的。為了減少這種贗象，常使用重建方法，在此方法中對心臟運動信號進行估計，例如，在測量數據獲取期間另外獲取的心電圖(ECG)信號，以便將此重建只基于小運動的心臟的相(phase)中已經獲取的測量數據之上。然而，必須確保從心臟小運動的這樣的心臟運動相中有適當數目的數據的確可以用于重建，否則就根本不能進行3維圖象數據組的重建。
遇到的另一問題在于所感興趣的病人的檢查區大于由環形軌跡所能掃描的體積。因此，螺旋形軌跡常用于測量數據的獲取；在必須以某一冗余度來獲取測量數據，以便能使所描述的具有心臟運動信號評價的重建(所謂的選通重建)得以實現。
此目的的實現在于提供一種心臟運動信號探測裝置用于探測代表心臟運動的心臟運動信號，和在于配置重建單元，根據心臟運動信號，從局部冗余地填充Radon域的測量數據中選擇這樣的測量數據以使該Radon域完全地和均勻地被來自盡可能小運動的心臟運動的相的測量數據填充。
本發明基于認可這樣的事實，即根據在測量數據獲取期間探測到的心臟運動信號，能夠從冗余的數據中選出適當的數據，以使Radon空間能夠均勻地和完全地被填充和盡可能沒有冗余，于是能使3D數據組的精確重建成為可能。例如，在ECG中發生R偏轉之前很短的時間從盡可能小運動的心臟運動相中，有利地選擇獲取的測量數據。然后例如，利用IEEE Transaction and Medical Imaging，Vol.19，No.9，2000中由R.Proksa，T.Khler，M.Grass，J.Timmer在“Then-PI-Methodfor Helical Cone Beam CT”(“螺旋錐束CT的n-PI-方法”)中公開的重建方法，能夠進行重建。
在相關的權利要求中公開了計算的層析X射線成像裝置的優選實施方案。根據權利要求2的優選實施方案，其中參數n值最好是1或2，探測器窗口邊緣之間的距離相當于螺旋線兩匝之間距離的3倍或5倍。像在已知的計算的層析X射線成像裝置中那樣，該探測器窗口能夠通過適當地成形探測器單元和/或通過輻射源準直器形成錐形輻射束來實現。
最好，在測量數據獲取期間使用心電計作為心臟運動信號探測單元來測量心電圖。另外，心臟運動信號也能夠從獲取的測量數據直接確定。例如，大家知道獲取的測量數據分布或圖象，的重心保留在重建的投影數據中。然而，重心的空間位置一般地作為運動的函數變化，例如，根據心臟運動而變化。這種情況能夠有利地用于從各種投影數據或圖象的重心位置的變化導出心臟運動信號。
在根據本發明的計算的層析X射線成像裝置中并非所有的Radon域區域都用等高的冗余來填充。具有同輻射源螺旋形軌跡橫切的區域相關的數目的所有Radon平面都位于各個區域內。換句話說，同螺旋線單一橫切的所有Radon平面都位于一個區域而同螺旋線三次橫切的所有Radon平面則都位于另一個區域等。這樣就能區別不同類型的區域。因此，在優選的實施方案中安排了在具有單一的和多重冗余的各區域中，意在選擇適合觀察小的心臟運動的測量數據之后，取適當的測量數據的平均值以便用減少的冗余來填充Radon域的此區域。在另一方面，如果用選擇小運動觀察應該顯示出在有關區域局部地根本沒有測量數據能夠用于填充Radon域，那么也能夠由相鄰的測量數據實行內插。
根據本發明的另一種實施方案，用于填充Radon域的測量數據以這樣的一種方式來選擇，即將Radon域的冗余區再分成子區，最好是分成n個子區，并且根據心臟運動信號選擇子區，其相關的來自盡可能小運動的心臟運動相的測量數據完全地和均勻地填充Radon空間。該Radon域最好分成各三角形區，它們自己再分成各個區域。這些子區的每一個同探測器窗口的各部分相關，這些部分是由螺旋軌跡形成的。于是各個三角形區再被分成較小的三角形，即，最好成n個三角形。由于各子區重疊在Radon域的各個冗余區上，導致所謂的冗余，按照此實施方案根據心臟運動信號以這樣的方式即Radon域最終再被完全地和均勻地填充來選擇子區。在三角形子區情況下于是以適當的三角形子區完全填充Radon域。
在另一種優選的實施方案中可以進行根據對多個測量數據的平均來加權測量數據，該加權則取決于在各個測量數據獲取期間所探測的心臟運動的強度。因此，這意味著在較小的心臟運動情況下取平均期間所獲取的測量數據的加權大于來自心臟運動較強的心臟運動相的測量數據。最終，這再次導致改善重建和提高圖象質量。
本發明也涉及如在權利要求8中公開的計算的層析X射線成像方法。此方法可以像所描述的根據本發明的計算的層析X射線成像裝置那樣，以同樣的或相似的方式作進一步詳述。


本發明在下文將參照附圖作詳細的描述。其中圖1是根據本發明的計算的層析X射線成像裝置的圖解表示，圖2說明螺旋形掃描軌跡的結構，圖3說明探測器單元的演變，圖4說明具有若干輻射源位置的Radon域的Radon平面，以及圖5說明具有幾個子區的Radon平面。
然后輻射束4的角孔徑αmax(孔徑角被限定為束4的一束射線所包圍的角，此束射線位于相對于由輻射源S和旋轉軸14所限定的一個平面的x-y平面的邊緣)決定檢查區13的直徑，在測量值獲取期間待檢查的物體必須出現在檢查區之內。例如，安排在檢查區13的診療臺上的病人能夠沿平行于旋轉軸14的方向，或z軸，借助于馬達5能夠移動。
將探測器16獲取的測量數據施加到重建單元10上，它由此重建檢查區13被輻射錐4輻照部分的吸收分布，以便將它顯示，例如，在監視器11上。由適當的控制單元7來控制兩個馬達2和5、重建單元10、輻射源S和將測量數據從探測器單元16傳送到重建單元10。
馬達2和5能以這樣的方式來控制，即檢查區13的推進速度和臺架1的角速度之比是恒定的，使得輻射源S和檢查區13沿著一條所謂軌跡的螺旋形路徑彼此之間相對移動。無論由輻射源S和探測器單元16組成的掃描單元還是檢查區13實行旋轉運動或是推進運動原則上都是無關的；只有所述的相對運動重要。
如本發明的實施方案中所示，借助于心電圖12和裝在病人身上的傳感器15，探測心臟運動信號同時獲取測量數據。此信號也被加到重建單元10上以便這樣地選擇適合于重建的測量數據，即只使用在弱運動心臟運動的相中獲取的測量數據。再要注意的是心臟運動信號也能夠以某一方式而不是用ECG得到；例如，它能夠直接或間接地從由掃描單元獲取的測量數據中導出。
圖2示出螺旋形軌跡17，輻射源S和探測器單元16(未示出)沿著此軌跡圍繞檢查區13(未示出)移動。由輻射源S發射的錐形輻射束可以認為是由許多扇形束組成的，這些扇形束位于平行于旋轉軸14延伸的平面內并在輻射源S上彼此相交。盡管此輻射束在其他平面上也含有呈扇形的分組射線，但下文只將位于平行于旋轉軸14的平面內的射線組合，像扇形束400，稱做扇形束。按比例調整輻射束4的孔徑角αmax以便使其外層扇形束正好同檢查區正切。如果αmax＝30°，那么檢查區13的半徑正好等于螺旋形軌跡半徑的一半。成形準直器裝置的孔徑3以便使螺旋線17的兩匝同輻射束4的上邊緣射線和下邊緣射線相重合，這二個螺旋線匝面對輻射源并且彼此之間相互偏移距離3p(p相當于輻射源S在繞整個一圈過程中在z方向的推進)。
在探測器單元上，探測器窗口的上邊緣和下邊緣同螺旋線17的各匝的投影，或同它的面對輻射源的各部分相重合；這意味著從輻射源到上述邊緣的連線同上述各匝橫切。
圖3示出探測器窗口160從由螺旋線17所限定的圓柱面演變為圖上的平面。該演變具有平形四邊形的形狀，它的側邊161，162沿平行于z方向延伸，上述側邊之間的距離像輻射束的角孔徑αmax一樣大。至于這些邊的長度，即，對探測器窗口高度h，則有h＝3p。探測器窗口160的上邊緣163和下邊緣164圍成相對垂直于旋轉軸14的角ε，此角可以根據關系式tanε＝p/2πR來計算，這里R是輻射源和旋轉軸之間的距離。在這方面假設推進速度和旋轉速度是恒定的。圖3也示出了探測器窗口160的中心165；虛線166和167分別表示兩個匝的投影，它們位于螺旋線17的與上邊緣163和下邊緣164相重合的匝之間。
檢查區中的每一點在進入錐形輻射束4時投影在下邊緣164上并且在離開輻射束4時投影在上邊緣163上。可以證明其投影從下邊緣164行進到上邊緣163時輻射源S圍繞相關點正好旋轉3π。然而，相對于旋轉軸14，由輻射源S執行的旋轉運動也可以大于或小于3π。關于此n-PI方法的更多詳情參看上文引用的EP 0981 955 A2，其描述被認為包含在本申請中。
所描述的計算的層析X射線成像裝置適合于實現該n-PI方法，其中Radon域的各個區域借助于所獲取的測量數據，即，依賴于n的選擇，以不同的冗余度來填充。在本實例中n＝3，因此各個區域有三重冗余。根據n-PI方法Radon域的各Radon平面再細分成各三角形區。圖4展示有這樣的三角形區20的單個Radon平面。以剖面側視圖的形式展示螺旋形軌跡，因此對3π掃描來說Radon平面和軌跡的橫切點都表示在位置S1到S13。受到輻射源輻照的三角形區域20通過實例展示在位置S7。如在引用的文章中由R.Proksa等人證明那樣，由單獨的輻射源輻照的所有三角形區域的組合正好三次覆蓋所示的Radon平面。
一般來說，n-PI方法需要計算Radon域的一階徑向導數。這些值可以從和Radon平面橫切的、發散的各二維(2D)扇形束投影部分算出。下文將解釋如何獲得所有Radon平面的準完整的和均勻的，盡可能多的非冗余區域。然而，根據冗余度，可能會出現并非所有必須的Radon值都能從所獲取的測量數據中算出的情況。然而，設想Radon域以某一種密度填充，此密度足以使丟失的Radon值的簡單內插成為可能。
如上所述，設想用n-PI方法已首先獲取了測量數據。Radon域再被細分成區。在各區都存在Radon平面，它們都有同輻射源的螺旋形軌跡橫切的區域相關的數目。換句話說，同螺旋線有一個橫切點的所有Radon平面都位于第一區，而有三個橫切點的所有Radon平面都位于第二區，等等。橫切點數用標記m來表示。那樣的話能夠區別三種不同類型的區域。
A)m＝1的區域這些Radon平面只被輻照一次。當心臟運動信號能夠使用所獲取的數據時，即，此測量數據的獲取發生在足夠小的心臟運動的心臟運動的相中時，使用此測量數據。否則丟失的Radon值必須從相鄰的值內插。
B)1≤m≤n的區域此Radon平面被所有m個輻射源位置全部輻照。首先確定能夠使用哪些測量數據，由此數據根據心臟運動信號定位輻射源。如果沒有輻射源能夠使用，那么丟失的Radon值從相鄰的值內插。當來自一個或更多輻射源位置的測量數據能夠使用時，求測量數據平均值是有益的。
C)m≥n的區域在這些區域首先進行測量數據的更細的分割。每個三角形區域進一步分成n個獨立的子區。圖4也展示三角形區域20的這樣的子區21，22，23。因這些子區的每個都有探測器的相關部分，它們通過螺旋形軌跡由探測器的細分構成。換句話說，探測器再分成內PI窗口，相對于3-PI窗口的上部分和下部分，等，直到最終形成n個子區。在細分的基礎上選擇適當的測量數據和尋找子區的可行的結合以使Radon平面完全地和均勻地被填充。如果再次發現沒有可行的結合，就內插丟失的Radon值。在測量數據能夠使用幾次的情況下，可以再求平均值。
圖5展示一種Radon平面，它被適當的三角形子區31到36的結合所完全覆蓋。填充這些子區31到36的數據來自在輻射源位置S1，S4，S7，S8，S10和S11所獲取的測量數據。能容易看出，并非在每個輻射源位置獲取的測量數據都被使用；例如，在輻射源位置S11所獲取的測量數據中只使用了位于子區35的測量數據來填充Radon平面。
選擇測量數據的方法可以這樣來修改，即能夠使用的輻射源位置或測量數據在估價關于它們靠近心臟的相的程度，即，基于相關測量數據獲取期間心臟運動強度給予不同的優先級。心臟運動越強，測量數據的權重越小，即一直實行測量數據的結合以便將Radon平面填滿。
計算的層析X射線成像裝置和根據本發明的方法能使Radon域完全填滿以便獲得精確的3D數據組重建。根據本發明從盡可能小運動的心臟運動的相選擇測量數據以便達到盡可能高的圖象質量。然后用已知的方法能夠實行重建本身。此類重建方法公開在引用的EP0981 995A2以及在由R.Proksa等人引用的文章中，通過參考文獻它顯然結合于此中。
權利要求
1.計算的層析X射線成像裝置，該裝置包括-帶有輻射源(S)的掃描單元和與掃描單元相連的探測器單元(16)以便探測由該輻射源(S)發射的錐形輻射束，這是在其穿過位于輻射源和探測器單元之間的病人的檢查區(13)的通路之后進行的，-用于在掃描單元和病人之間產生相對運動(17)的驅動單元(2，5)，所述相對運動構成圍繞著旋轉軸(14)的螺旋線，和-用于重建檢查區(13)的三維(3D)圖象數據組的重建單元(10)，此數據組來自由探測器單元(16)在由此螺旋線(17)所限定的探測器窗口之內獲取的測量數據，輻射源到探測器窗口(160)兩個邊緣(163，164)的連線，在旋轉軸方向彼此相對偏移，在旋轉軸(14)方向橫切該螺旋線(17)偏移了距離(2n+1)p的兩部分，其中n為大于或等于1的小整數以及p對應于該螺旋線(17)兩個相鄰匝之間的軸向偏移，因此Radon域被測量數據不同的冗余度局部地填充，其特征在于設置有心臟運動信號探測裝置(12，15)用于探測代表心臟運動的心臟運動信號，和在于配置重建單元(10)以根據心臟運動信號，從局部冗余地填充Radon域的測量數據中選擇這樣的測量數據以使該Radon域完全地和均勻地被盡可能小運動的心臟運動的相的測量數據填充。
2.如權利要求1的計算的層析X射線成像裝置，其特征在于n＝1或2。
3.如權利要求1的計算的層析X射線成像裝置，其特征在于該心臟運動信號探測裝置(12，15)是心電計。
4.如權利要求1的計算的層析X射線成像裝置，其特征在于該心臟運動信號探測裝置包括從所獲取的測量數據導出心臟運動信號的裝置。
5.如權利要求1的計算的層析X射線成像裝置，其特征在于以這樣的方式來選擇用于填充Radon域的測量數據如果能夠使用多個測量數據就求平均值，而如果沒有可用的測量數據就進行相鄰測量數據的內插。
6.如權利要求1的計算的層析X射線成像裝置，其特征在于選擇用于填充Radon域的測量數據，使得將Radon域的冗余區再細分成子區，最好是分成n個子區，以及根據心臟運動信號選擇子區，其有關的來自盡可能小運動的心臟運動的相的測量數據完全地和均勻地填充Radon域。
7.如權利要求1的計算的層析X射線成像裝置，其特征在于按照對多個測量數據的平均來加權測量數據，該加權取決于在單獨測量數據獲取期間探測到的心臟運動的強度。
8.計算的層析X射線成像方法，該方法包括以下步驟-當利用帶有輻射源(S)的掃描單元和連接于該掃描單元的探測器單元(16)時，探測由輻射源(S)發射的錐形輻射束，這是在其穿過位于輻射源(S)和探測器單元(16)之間的病人檢查區(13)的通路之后進行的，-通過驅動單元(2，5)在掃描單元和病人之間產生相對運動，所述相對運動構成圍繞旋轉軸(14)的螺旋線，和-在由螺旋線(17)所限定的探測器窗口內從探測器單元(16)獲取的測量數中，通過重建單元(10)重建檢查區(13)的3D圖象數據組，從輻射源(S)到探測器窗口兩個邊緣的連線，在旋轉軸(14)方向相互偏移，在旋轉軸(14)方向橫切螺旋線(17)的偏移了距離(2n+1)p的兩部分，其中n是大于或等于1的小整數以及p相當于兩個相鄰的螺旋線(17)匝之間的軸向偏移，因此Radon域被測量數據的不同的冗余度局部地填充，其特征在于代表心臟運動的心臟運動信號被心臟運動信號探測裝置(12，15)探測，和根據心臟運動信號從局部冗余地填充Radon域的測量數據中選擇這樣的測量數據以使Radon域被盡可能小運動的心臟運動的相中的測量數據完全地和均勻地填充。
全文摘要
本發明涉及計算的層析X射線成像裝置，在其中通過錐形輻射束沿著一種螺旋形軌跡獲取病人的測量數據。然而探測器窗口的大小比螺旋線相鄰匝間的距離大3，5，7…倍。為了從獲取的冗余數據中選擇適合于完全填充Radon域的數據以便實現精確的重建，根據本發明建議提供一種心臟運動信號探測裝置以探測代表心臟運動的心臟運動信號以及配置重建單元以便從局部冗余地填充Radon域的測量數據中選擇這樣的測量數據以使Radon域被盡可能小運動的心臟運動相中的測量數據完全地和均勻地填充。
文檔編號G01T1/161GK1426763SQ02156388
公開日2003年7月2日 申請日期2002年12月17日 優先權日2001年12月20日
發明者R·普羅克薩 申請人:皇家菲利浦電子有限公司