專利名稱：在x射線系統中的散射補償的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及在X射線系統中的散射補償，更特定地，涉及到用于實時補償在單平面和雙平面X射線系統中由散射造成的對比度損失的方法和設備。
X射線成像系統通常被用于醫療診斷目的和用于非破壞性地檢查各種結構的內部組成。參照
圖1，典型的單平面X射線成像系統包括X射線源2和圖像檢測器3。X射線源2由包括高壓發生器5和控制單元6的X射線生成器饋送。位于X射線源2和圖像檢測器3之間的病人或試樣4被X射線束1照射，以及試樣4的各個組成部分將使輻射衰減。圖像檢測器檢測被衰減的輻射，并且代表透過試樣4的輻射的強度分布的電信號被生成。電信號然后被用來在適當的監視器上(未示出)建立試樣4的受到曝光的部分的圖像。自動曝光控制(AEC)裝置(未示出)通常被用于影響對象4所接受的輻射劑量的自動控制。
參照圖2，典型的雙平面X射線成像系統被安排成在兩個通常(近似)垂直的方向上得到對象4的圖像即，前(前-后或AP)視圖和側(橫向)視圖。因此，所顯示的系統包括前X射線源2a和橫向X射線源2b，其每個生成相應的X射線束1a，1b，這些射線束的軸基本上互相垂直。對象4受到X射線束1a，1b照射，以及相應的圖像檢測器3a，3b檢測透過對象4的輻射的強度，并生成代表它們的相應的電信號7a，7b。然后利用電信號7a，7b建立圖像，并在適當的監視器(未示出)上顯示。
在所有的X射線成像系統中，檢測到的輻射的總通量不單包含未與被成像的衰減對象4的各組成部分交互作用的光子，而且也包含輻射散射。因此，參照圖1和3，透過被成像對象4并入射到圖像檢測器3的X射線8不單包含主X射線，而且也包含由所檢查的對象4散射的X射線。這樣的散射至少在原理上發生在所有的方向，所散射的X射線構成了在透過的X射線圖像中使對比度和分辨率惡化的主要原因之一。在圖1所示的單平面系統中，當X射線束1透過對象4時，就發生了主散射10。在諸如參照圖2描述的和在圖3上顯示的雙平面系統中，當X射線束1透過對象4時，也發生主散射10a(10b)。然而，另外，在入射到圖像檢測器3a上的波束8a中散射的X射線也包括從相反的X射線束1b發源的散射(“后向散射”)10b，以及在入射到圖像檢測器3b上的波束8b中散射的X射線也包括從相反的X射線束1a發源的散射10a。這會引起附加的問題，特別是如果前向平面和橫向平面同時起作用，包括由主散射和后向散射造成的對比度的降低。
減小X射線散射的最通常的方法是抗散射網格，它是具有一系列平行地排列的鉛葉片的裝置，該葉片優先吸收散射的輻射，并基本上傳送通過非散射的輻射。對于在雙平面系統中由散射引起的問題的另一個已知的解決方案是在每個面上交替地照射對象，由此避免在兩個X射線束之間的相互作用，和因此減小對比度損失。然而，對于具有固定的整體化窗口的檢測器，有效的幀速度或最大曝光時間被減小，由此減小信號噪聲比。
在替換的已知的解決方案中，散射可以通過使用基于散射模型的軟件仿真而被補償。沿類似的方向，美國專利No.6,633,626建議使用散射校正算法來消除在X射線乳房照相成像中使用抗散射網格的需要。描述了一種用于去除圖像上的散射體的方法，包括以下步驟獲取感興趣的目標的數據和使用迭代公式，包括與厚度有關的核心調制因子以重建要被成像的對象的圖像。
然而，這種類型的散射補償在實現時可能相對較慢，所以，通常不特別適用于實時應用。
本發明的目的是提供在X射線成像系統(和相應的X射線成像方法)中使用的、用于補償X射線成像系統中的散射的方法和系統，它適合于在單平面和多平面系統中使用，以實施在實時條件下的散射補償。
按照本發明，提供了一種X射線成像系統，包括X射線源，用于生成主X射線束；圖像檢測器，用于檢測和生成代表透過位于所述X射線源與所述圖像檢測器之間要被成像的對象的輻射的電信號；和校直裝置，被提供在所述X射線源與要被成像的所述對象之間，用于校直所述主X射線束，所述圖像檢測器具有規定的工作區域和所述校直裝置被安排和被配置成校直所述主X射線束，以使得透過所述對象的所述輻射入射到所述圖像檢測器的所述工作區域的一部分；以及用于根據處在所述透射的輻射所入射的所述工作區域的區域的外面相對于所述圖像檢測器的所述工作區域的一部分生成的信號來確定散射水平的裝置。
本發明提供一種機制，由此在單平面X射線成像系統中由主散射造成的和在雙平面X射線成像系統中由主散射和后向散射造成的有害的影響(包括最重要的對比度減小)可以被實時地補償，并具有這樣的附加的優點在雙平面系統中，各平面可以(至少部分地)同時被驅動，以使得能夠使用更大的曝光時間或更高的幀速度。
因此，X射線成像系統可包括單平面或多平面(例如，雙平面)X射線成像系統。在本發明的一個示例性實施例中，校直裝置可包括一個或多個快門，它們規定一個可選擇地閉合的開孔，X射線束傳送通過該開孔去照射對象。優選地，由一個或多個快門規定的開孔具有小于圖像檢測器的工作區域。在優選實施例中，透過對象的輻射被安排成基本上集中地入射在圖像檢測器的工作區域，由此規定在圖像檢測器的工作區域的邊緣處的工作邊界，它可以或不一定具有基本上均勻的寬度，其中在所述工作邊界內測量散射或以其它方式確定散射。散射水平可以通過獲取由所述圖像檢測器在所述工作邊界處生成的一個或多個電信號，然后或者確定平均值或者對所述信號應用迭代算法而被確定。事實上，用來確定圖像上散射分布的工作區域的部分的形狀取決于散射分布本身、被使用來確定圖像上這樣的散射分布的算法、和所需要的補償的程度和精度。作為例子，球形目標可以引起相當均勻的散射圖案，在這種情形下，有可能測量散射分布以用作為補償算法的輸入。事實上，對于每種應用可以確定一個最佳解決方案。
X射線成像系統有利地包括用于顯示所述對象的圖像的裝置，由此用于確定所述散射水平的圖像檢測器的工作區域的部分在所述顯示裝置上從用戶的視野中被屏蔽。
另外，按照本發明，提供了一個用于補償在使用以上規定的X射線成像系統而得到的圖像上的散射的系統，該圖像包括從入射到圖像檢測器的工作區域的輻射所產生的多個畫面單元，該系統包括用于接收代表由所述散射水平確定裝置確定的散射水平的數據的裝置，和用于按照所述散射水平調節每個所述畫面單元的裝置。
再次地，按照本發明，提供了補償在通過使用以上規定的X射線成像系統得到的圖像上的散射的方法，圖像包括從入射到圖像檢測器的工作區域的輻射所產生的多個畫面單元，該方法包括接收代表由所述散射水平確定裝置確定的散射水平的數據，和按照所述散射水平調節每個所述畫面單元。
在本發明的一個示例性實施例中，散射水平測量可以直接施加到各畫面單元以便實施散射補償。因此，系統可包括用于生成代表散射水平的電信號，和用于從代表透過對象的輻射的所述電信號中減去該電信號的裝置。
替換地，或附加地，由散射水平測量裝置實施的散射水平測量值可被用來生成和/或改進散射補償值以便在3D圖像處理算法中使用，該3D圖像處理算法具有在最終得到的三維圖像重建中減小人工產物的附加好處(即，較小的翹曲，較少的條紋)。因此，在第一示例性實施例中，可以提供用于得到相對于所述圖像的單一散射水平的裝置和調節至少某些(和優選地，每個)所述畫面單元以補償所述單一散射水平的裝置。替換地，可以提供這樣的裝置以用于生成規定在所述圖像相對于每個所述畫面單元的估計散射水平的圖案的散射分布圖，和按照由所述散射水平確定裝置所確定的一個或多個散射水平來調節所述所述分布圖。正如本領域技術人員將會看到的，這樣的散射分布圖例如可以通過使用代表由X射線源施加到對象的輻射劑量的數據和一個算法的散射模型而生成。
通過參照這里描述的實施例將明白和闡述本發明的這些和其它方面。
現在參照附圖和僅僅作為例子描述本發明的實施例，其中圖1是顯示單平面X射線成像系統的主要部件的示意圖；圖2是顯示雙平面X射線成像系統的主要部件的示意圖；圖3是圖2的雙平面系統的示意圖，顯示在其中發生的散射的成分；圖4是顯示按照本發明的示例性實施例的X射線成像系統的主要部件的示意性正視圖；圖5是圖4所示的部件的示意性平面圖；以及圖6是顯示在按照本發明的示例性實施例的X射線成像系統中主要采用的散射補償的示意性流程圖。
參照圖4和5，按照本發明的示例性實施例的X射線成像系統包括用于生成X射線束1的X射線源2，由此一個平的圖像檢測器3被提供來用于檢測透過要被成像的對象4的輻射8，正如參照現有技術描述的。
形成校直器裝置的部件的快門12是在X射線源2與要被成像的對象4之間提供的，用于校直X射線束1。圖像檢測器3具有工作區域14，用于接收輻射和生成代表輻射的圖像強度的電信號。包括快門12的校直裝置被安排成和被配置成生成其面積略小于圖像檢測器3的工作區域14的面積的照射的X射線束。因此，經衰減的X射線束8的圖像強度在圖像檢測器3的工作區域14的基本上中心部分14a被測量。圖像檢測器的工作區域14的其余的邊界14b被用來測量相對于入射在其上的經散射的輻射10的散射水平。純粹作為例子，設想用于心臟X射線成像應用的適當的輻射測量面積14a可以是約為2cm2，具有比如說1個像素的散射測量邊界14b。本領域技術人員將會看到，當X射線系統相對于對象改變角度時，測量邊界14b相對于圖像檢測器的工作區域14的位置也可以隨之改變，處理這個問題的補償技術(例如，機械或電子的讀出補償技術)是已知的。
這個散射水平例如可以根據平均值，或通過使用迭代算法進行計算。然而，其它適當的方法對于本領域技術人員也是顯而易見的。在任何情況下，和另外參照圖6，一個代表在圖像檢測器3的工作區域14中被檢測的輻射的圖像矩陣100被接收，并且被劃分成兩個組成部分從在圖像檢測器3的工作區域14的中心部分14a上檢測到由輻射產生的主要部分100a，和從在圖像檢測器3的邊界14b上檢測到由散射產生的散射部分100b。主要部分100a被處理以便生成電的圖像信號7，如現有技術那樣。散射部分被處理(在102)以便測量散射水平(使用任何適當的方法，如上所述)，并隨之生成代表該散射水平的電信號104。散射信號104從圖像信號7中被減去以生成經散射補償的圖像信號106，它被用來建立一個被顯示的圖像，其中圖像檢測器3的工作區域14的散射測量邊界14b在最后顯示的圖像上優選地從用戶的視野中(使用圖像處理技術)被屏蔽。測量在測量邊界14b上的散射(強度)水平的適當的方法是計算這個信息的平均值和從視頻圖像中(至少部分地)減去這個平均值。更復雜的可能性包括確定散射圖像(空間散射成分)和從圖像中減去它。這可以使用或不用來自系統的附加信息而完成。
從旋轉掃描的三維(3D)目標重建具有它的目的，即從圖像檢測器3的工作區域14中檢測到的輻射產生的二維投影來確定它的3D立體像素的每個立體像素的衰減。這種類型的三維圖像重建也受到在投影中存在的散射的影響散射把直流(或低頻)分量附加到投影中，以及由于衰減通常通過對投影取對數被確定，因此非線性散射分量破壞衰減測量[即，log(主輻射+散射輻射)，而不是log(主輻射)]，引起對病人衰減的低估，特別是在病人的中心部分，盡管在邊界處不太嚴重(由于在邊界處，主輻射＞＞散射)。特別地，軟組織成像(這非常像CT成像)受到由在二維投影中存在的散射引起的不精確性的影響，因為它的目的是要顯示在例如脂肪與肌肉或血管與大腦物質之間的發生的衰減的細小差別。上述對衰減的低估使得它非常難以選擇一個灰度窗口以觀看允許在整個切片上看到的小的衰減差別的重建圖像。這種影響(即，在中間部分比起邊緣處灰度級別更低)被稱為“翹曲”。另外，散射給投影增加了噪聲，這導致重建圖像中的噪聲，也使得在最終得到的3D重建圖像中更難看出衰減的差別。
上面建議的散射測量技術可被用來為散射分量校正從在圖像檢測器3的工作區域14的中心部分14a檢測的輻射產生的二維投影，以便實施更加精確的3D圖像重建。然而，雖然在散射補償中散射測量和測量值的直接應用會減小上述的“翹曲形狀”效應，但噪聲沒有很大的減小。在3D圖像重建領域中至少與噪聲減小一樣重要的是人工產物的減小(即，在3D圖像中達到較少的條紋和較小的翹曲形狀)，所以，處理這個問題的更復雜的可能性包括在3D圖像處理技術中使用基于圖像的散射算法。最簡單的方法例如可包括取單一散射強度值(在圖像檢測器3的工作區域14的邊界處測量)和對散射應用圖像處理技術來校正二維投影中所有的像素。這是相當精確的技術，因為散射只在投影的暗的像素中是主要的。由輻射直接照到的像素的散射作用是相當小的。更復雜的可能性包括確定“散射圖像”或散射分布圖(代表在整個圖像的像素上的空間散射成分)，以及使用在圖像檢測器3的邊界14b上檢測到的散射強度，以改進這個散射分布圖。例如，與已知的引入(輻射)劑量和(已知的)散射模型相組合的二維投影可用來估計散射，該散射模型可以通過從圖像的邊緣(即，邊界14b)得到的測量值加以改進。
在本發明的一個示例性實施例中，可能希望從圖像信號7中減去整個散射水平信號104以得到散射補償的圖像信號106。另一方面，可能寧愿只對散射作部分補償。在全部或部分散射補償之間的選擇多半取決于與用于測量散射分布的工作區域的該部分的形狀相同的因素，包括圖像內容和所采用的散射測量算法，正如本領域技術人員將會看到的。對采取全部還是部分散射補償的考慮主要根據補償的可達到的精度。換句話說，如果散射補償的精度是有限的，則部分補償將避免圖像中的人工產物。
本發明相對于現有技術提供了散射補償的重大的優點。特別是對于僅可得到非常短的X射線曝光窗口的雙平面X射線成像系統，通過本發明的機制，有可能(在兩個面)達到同時輻射(因為來自相反的面的輻射也可以被補償)，由此能以較小的噪聲和較低的kV電源要求提供較大的曝光時間。然而，本發明對于單平面成像系統，特別是在其中需要用相對較高的分辨率和對比度為相對較小的特征的兒科醫學(paediatric)成像應用的情形下，提供同樣寶貴的優點。在這兩種情形下，都不需要附加信息來實施散射補償，而且本發明提供實施實時散射補償的能力，這使得它同樣適用于例如在熒光透視等的處理過程中圖像內容在運行期間會發生改變的各種應用。
所建議的散射補償的方法也可用來把散射排除在自動厚度校正(ATC)之外，該ATC是一個用來在輻射期間(例如在熒光透視法期間)確定病人的厚度的系統的一部分，該確定過程是通過以下步驟實現的測量病人輸入劑量水平(由X射線管電壓和電流以及曝光時間確定)、測量病人輸出劑量水平(由檢測器劑量水平確定)、使用實際的X射線管電壓作為參數來計算病人厚度(按水的等效物)、然后計算下一個輻射序列(運行或單次照射)的最佳開始參數(管電壓、管電流等等)，同時考慮一個確定的檢測器劑量水平、X射線管能力等等。同樣地，所建議的散射補償的方法也可以用于組合存儲效應校正應用，在其中特別是當熒光透視運行通過高的劑量曝光運行進行時，在熒光透視中具體可看見的、在平面X射線檢測器中的存儲效應得到補償。
通過相對于X射線圖像估計散射分布的形狀(即，不用得到絕對值或散射水平測量值)而實現散射校正的系統是已知的。例如，歐洲專利No.0358268描述一種系統，其中根據由模擬X射線檢測器圖像信號產生的數字圖像信號生成圖像矩陣，然后，圖像矩陣通過與點擴展函數進行卷積而被變換，并根據局部強度值施加加權因子，并且從圖像矩陣中減去經變換的圖像矩陣(它代表估計的散射分布)。本發明還可另外地通過直接使用從測量邊界14b得到的散射水平測量值而實施散射補償和/或通過使用藉助于本發明可得到的絕對值來更精確地產生加權因子和/或點擴展函數從而進一步改進或補充這種類型的技術。
應當指出，上述的實施例是顯示而不是限制本發明，以及本領域技術人員將能夠設計許多替換實施例而不背離如由所附權利要求規定的本發明的范圍。在權利要求中，在括號中的任何標號不應當認為限制權利要求。單詞“包括”等不排除除了在任何權利要求或技術說明書中作為整體地列出的單元或步驟以外的單元或步驟的存在。一個單元的單獨的標號并不排除這樣的單元的多個標號以及反之亦然。本發明可以藉助于包括幾種不同的元件的硬件和藉助于適當地編程的計算機來實施。在枚舉幾個裝置的設備權利要求中，幾個這樣的裝置可以由同一個硬件項被實施。某些措施在互相不同的附屬權利要求中被引述的事實，并不表示這些措施的組合不能被用來獲得好處。
權利要求
1.一種X射線成像系統，包括X射線源(2)，用于生成主X射線束(1)；圖像檢測器(3)，用于檢測和生成代表透過位于所述X射線源(2)與所述圖像檢測器(3)之間要被成像的對象(4)的輻射(8)的電信號(7)；校直裝置(12)，被提供在所述X射線源(2)與要被成像的所述對象(4)之間，用于校直所述主X射線束(1)，所述圖像檢測器(3)具有規定的工作區域(14)且所述校直裝置(12)被安排成和被配置成校直所述主X射線束，以使得透過所述對象(4)的所述輻射(8)入射到所述圖像檢測器(3)的所述工作區域(14)的一部分(14a)；以及用于根據處在所述透射的輻射(8)所入射的所述工作區域的該區域(14a)的外面相對于所述圖像檢測器(3)的所述工作區域(14)的一部分(14b)生成的信號(100b)來確定散射水平的裝置(102)。
2.按照權利要求1的系統，其中所述校正裝置包括一個或多個快門(12)，它們規定可選擇地閉合的開孔，X射線束(1)透過該開孔而照射對象(4)。
3.按照權利要求2的系統，其中由所述一個或多個快門(12)規定的所述開孔具有小于圖像檢測器(3)的工作區域(14)的面積。
4.按照權利要求1的系統，其中透過對象(4)的輻射(8)被安排成基本上集中地照射在圖像檢測器(3)的工作區域(14)，由此規定了在圖像檢測器(3)工作區域(14)邊緣處的工作邊界(14b)，散射在所述工作邊界(14b)內被測量或以其它方式被確定。
5.按照權利要求1的系統，包括用于顯示所述對象(14)的圖像的裝置，由此用于確定所述散射水平的圖像檢測器(14)的工作區域(14)的該部分(14b)在所述顯示裝置上從用戶的視野中被屏蔽。
6.一種用于補償在通過使用按照權利要求1的X射線成像系統得到的圖像上的散射的系統，所述圖像包括從入射到所述圖像檢測器(3)的工作區域(14)的輻射產生的多個畫面單元，該系統包括用于接收代表由所述散射水平確定裝置確定的散射水平的數據(100b)的裝置(102)，和用于按照所述散射水平調節每個所述畫面單元的裝置。
7.按照權利要求6的系統，包括用于生成代表所述散射水平的電信號(104)的裝置(102)，和用于從代表透過所述對象(4)的所述輻射(8)的所述電信號(7)中減去代表所述散射水平的電信號(104)的裝置。
8.按照權利要求6的系統，包括用于得到相對于所述圖像的單獨的散射水平，和調節至少某些所述畫面單元以補償所述散射水平的裝置。
9.按照權利要求6的系統，包括一種裝置，該裝置用于生成規定了相對于所述圖像的每個所述畫面單元的估計的散射水平的圖案的散射分布圖，以及按照由所述散射水平確定裝置確定的一個或多個散射水平來調節所述散射分布圖。
10.按照權利要求9的系統，其中散射分布圖是通過使用代表由所述X射線源(2)施加到所述對象的輻射劑量的數據和一個算法散射模型而生成的。
11.一種補償在通過使用按照權利要求1的X射線成像系統得到的圖像上的散射的方法，所述圖像包括從入射到所述圖像檢測器(3)的工作區域(14)的輻射產生的多個畫面單元，該方法包括接收代表由所述散射水平確定裝置確定的散射水平的數據(100b)，和按照所述散射水平調節每個所述畫面單元。
全文摘要
在X射線成像系統中，散射補償是這樣達到的提供具有快門(12)形式的校直裝置以校直主X射線束(1)使得透過要被成像的對象(4)的輻射(8)基本上在中心入射到所述圖像檢測器(3)的工作部分(14)，以便規定一個工作邊界(14b)，相對于該工作邊界(6)可以測量散射水平。從代表透過對象的輻射(8)的電信號(7)中減去代表散射水平的電信號(104)，得到散射補償的圖像信號(106)。
文檔編號G01T1/164GK101065685SQ200580040154
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月17日 優先權日2004年11月23日
發明者J·H·M·朱斯滕, N·努爾德霍克, H·斯特格休斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司