CN101031240A - 带有旋转探测模块的计算机断层摄影成像 - Google Patents
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Abstract
一种计算机断层摄影成像装置包括具有探测模块(18)的辐射探测器(16)，所述探测模块在轴向方向(OZ)倾斜选定角α。辐射源(12)在至少两个点(FS1，FS2)之间提供焦点调制以增加横向于轴向方向(OZ)的采样速率从而获得更各向同性的分辨率。
Description
本申请涉及诊断成像领域。它特别应用于三维多切片、锥形或楔形束，尤其应用于螺旋计算机断层摄影成像，并且将特别参考其进行描述。然而，它也应用于SPECT、PET和利用x射线探测器的其他成像装置和方法。
CT扫描器典型地包括x射线源和分别固定到机架(gantry)的直径相对侧上的x射线探测器的阵列。在扫描位于机架的腔孔中的患者期间，该机架绕着旋转轴旋转，同时x射线从x射线源的焦点穿过患者到达探测器。同时采集投影的阵列并且维度沿着机架旋转的方向，例如OX方向，和沿着轴向方向，例如OZ方向。增加带有大轴向覆盖度的多切片CT扫描器中的分辨率涉及成本的显著增加，原因是这样的***中的分辨率取决于探测器的分辨率和数据采集的速率。
已提出了几种具有成本效益的技术。增加沿着OX方向的分辨率的一种技术是利用双焦点调制，其中焦点在空间上沿OX方向被调制。增加沿OX方向的分辨率的另一方式是通过组合具有四分之一探测器移位的相反射线。通过使用双焦点调制和四分之一探测器移位，在沿OX方向的数据采样中可以获得四倍提高。
为了消除带有大轴向覆盖度的扫描器中的伪像以及精确地解析被扫描对象中的较小图案，增加沿着OZ方向的分辨率是重要的。然而，类似于沿OX方向的提高，通过使用焦点调制和组合相反射线获得沿OZ方向的数据采样的提高是困难的。对于OZ方向来说通常没有与四分之一探测器移位技术类似的技术，并且沿OZ方向的焦点调制被x射线管阳极几何形状复杂化。对于各向同性x射线探测器阵列，沿OX方向利用双焦点调制和四分之一探测器移位而没有沿OZ方向应用的类似数据采样提高技术导致高各向异性数据采样，这对于临床应用是不利的。
增加沿着OZ方向的分辨率的一种方案是使用交错奇异阵列探测器。然而，探测器阵列制造领域中当前技术的状态使交错奇异阵列的制造成为复杂和昂贵的任务。该困难可以通过将晶片的切口加倍成像素然后在希望的交错阵列中将每两个小像素(在光电二极管上)组合成一个像素来加以克服。然而，由于原始小像素之间的附加间隔，有效探测面积将减小大约10-13％并且扫描器性能将被减小。如果整个数据测量***(DMS)由单个小模块(沿着OX和OZ这二者)构造，则产生另一问题。在任何两个模块边缘上的交错像素(沿着OZ)必须由两个分离部分构造，一个来自每个模块(通过求和单个电信号)。这将需要附加电通道并且也会增加组合像素的噪声，潜在地导致扫描器性能的降低。
本发明设想了克服前述和其他局限性的改进装置和方法。
根据本申请的一个方面，公开了一种放射照相成像装置。辐射探测器具有探测模块，所述探测模块相对于轴向方向成角度地倾斜大于0°小于90°的预定角。探测模块沿着横向于轴向方向的横向方向彼此对准。
根据另一方面，公开了一种放射照相成像方法。安装辐射探测器的探测模块，使得探测模块相对于轴向方向倾斜大于0°小于90°的预定角。探测模块沿着横向于轴向方向的横向方向彼此对准。
本申请的一个优点在于增加沿轴向方向的分辨率。
另一优点在于通过使用标准矩形模块在沿着OX和OZ方向实现了近乎各向同性分辨率。
另一优点在于通过使用标准矩形探测器模块以低成本增加分辨率。
又一优点在于图像伪像减少和图像质量提高。
对于本领域的普通技术人员而言，在阅读以下优选实施方式的具体描述之后，许多附加优点和益处将变得非常清楚。
本发明可以采用各种部件和部件的布置以及各种过程操作和过程操作的安排的形式。附图仅仅用于图示优选实施方式而不应当被理解成限制本发明。
图1显示了计算机断层摄影成像***的示意表示；
图2显示了旋转了第一角度的辐射探测器模块的一部分的示意表示；
图3显示了旋转了第二角度的辐射探测器模块的一部分的示意表示；
图4示意地图示了焦点调制；
图5示意地图示了位于球表面区段上的模块列；
图6A示意地图示了相对于焦点直的旋转模块列；
图6B示意地图示了探测器阵列的侧视图；
图7示意地图示了旋转辐射探测器模块的一部分，在该部分中像素被组合成第一配置的探测区段；
图8示意地图示了旋转辐射探测器模块的一部分，在该部分中像素被组合成第二配置的探测区段；
图9示意地图示了旋转辐射探测器模块的一部分，在该部分中像素被组合成第三配置的探测区段；
图10示意地图示了旋转辐射探测器模块的一部分，在该部分中像素被组合成第四配置的探测区段；
图11示意地图示了旋转辐射探测器模块的一部分，在该部分中像素被组合成第五配置的探测区段；和
图12示意地图示了旋转辐射探测器模块的一部分，在该部分中像素被组合成第六配置的探测区段。
参考图1，计算机断层摄影扫描器10容纳或支撑辐射源12，在一个实施方式中所述辐射源是x射线源，其将辐射束投影到扫描器10所限定的检查区14中。当穿过检查区14之后，辐射束由二维辐射探测器16探测，所述辐射探测器被布置成当辐射束穿过检查区14之后探测辐射束。辐射探测器16包括多个探测模块或探测元件18。每个模块18绕着其对称轴旋转预定角α，该角α在下面详细进行论述。典型地，x射线管产生具有锥形束、楔形束或其他束几何形状的发散x射线束，当x射线束穿过检查区14时，x射线束扩大以基本上充满辐射探测器16的面积。
将成像受检者放置在检查台22或放置在将成像受检者移动到检查区14中的其他支撑物上。检查台22可沿着轴向方向OZ(在图1中被指定为Z方向)线性移动。辐射源12和辐射探测器16相对于检查区14相对地被安装在旋转机架24上，使得机架24的旋转实现辐射源12绕着检查区14旋转以提供视图的角范围。采集的数据被称为投影数据，原因是每个探测器元件探测与沿着线、窄锥或从源延伸到探测器元件的其他基本上线性投影进行的衰减线积分对应的信号。
在一个实施方式中，随旋转机架24旋转而检查台22固定时，采集轴向投影数据集。轴向投影数据集包括与横向于轴向或Z方向的探测器元件的行或列对应的多个轴向切片。可选地，通过执行重复的轴向扫描和在每个轴向扫描之间移动检查台22来采集附加轴向切片。
在另一实施方式中，通过与检查台22的连续线性移动同时旋转机架24来采集螺旋投影数据集，以产生辐射源12绕着放置在检查台22上的成像受检者的螺旋轨迹。
在扫描期间，沿着每个投影通过的辐射的某一部分由成像受检者吸收以产生大体上空间变化的辐射衰减。辐射探测器16的探测器元件采样横过辐射束的辐射强度以生成辐射吸收投影数据。当机架24旋转从而辐射源12绕着检查区14旋转时，采集投影数据的多个角视图，它们一起限定存储在缓冲存储器28中的投影数据集。
对于多切片扫描器中的源聚焦采集几何形状，衰减线积分的读数或存储在缓冲存储器28中的投影数据集的投影可以用参数表示为P(γ，β，n)，其中γ是旋转机架24的位置所确定的辐射源12的源角，β是扇内的角(β∈[-Φ/2，Φ/2]，其中Φ是扇角)，n是沿OZ方向的探测器行数目。优选地，重组(rebinning)处理器30将投影数据重组成正则经轴坐标的平行、非等距光栅。重组可以被表达为P(γ，β，n)→P(θ，l，n)，其中θ用参数表示投影数目，该投影数目由用l参数表示的平行读数组成，l指定读数和等角点之间的距离，n是沿OZ方向的探测器行数目。
重组的平行射线投影数据集P(θ，l，n)存储在投影数据集存储器32中。可选地，在将投影数据P(θ，l，n)存储到投影数据集存储器32中之前投影数据由内插处理器34内插到等距坐标中或其他希望的坐标间隔中。重建处理器36应用过滤背投影或另一图像重建技术来将投影数据集重建成存储在重建的图像存储器38中的一个或多个重建的图像。重建的图像由视频处理器40处理并且显示在用户界面42上或以另外方式被处理或利用。在一个实施方式中，用户界面42也使放射科医师、技术人员或其他操作者能够与计算机断层摄影扫描器控制器44对接以实现选定的轴向、螺旋或其他计算机断层摄影成像对话。
参考图2，参考探测器坐标方向(OX，OZ)描绘了矩形探测模块18的一部分，例如16×16模块，其中OZ方向平行于图1的轴向或Z方向，OX横向于轴向方向或平行于旋转机架24的旋转方向。优选地，如通常在CT扫描器中使用的，每个单一模块18包括矩形或方形探测像素50的阵列，所述探测像素优选地布置在简单的矩形或方形矩阵n×m中。优选地，模块具有相同的尺寸。然而，可以预见模块可以具有不同尺寸。每个模块18被旋转以沿着平行于旋转方向OX的相关联行52对准示例性像素5042，5034，5026，5018的中心。示例性像素5042，5034，5026，5018被选择成让第一对准像素与位于沿着平行于OX的相邻行52上的第三像素共享公共边；和让第二对准像素以与第三像素共享公共拐角。例如，第一对准像素5042与第三像素5043共享公共边54；第二对准像素5034与第三像素5043共享公共拐角56。在带有方形像素的这种配置中，旋转角α等于arctan(0.5)或近似等于26.565°。当然，当像素不是方形时，旋转角取决于像素尺寸。行52沿着轴向方向OZ被相等地间隔；并且所对准的像素的中心沿着旋转轴OX被相等地间隔。如果像素50的宽度d被定义为一或1(采用任意单位)，则行52之间的距离dz与沿着轴向方向OZ的分辨率成反比并且等于1/√5。沿着行52对准的两个像素的中心之间的距离dx与沿着旋转方向OX的分辨率成反比并且等于√5。
参考图4，通过沿OX方向使用辐射源12的焦点调制使沿着旋转方向OX的分辨率或采样速率提高两倍。焦点在辐射源12的阳极72的倾斜表面70上的两个位置FS1和FS2之间移位。在阳极72的焦点FS1，FS2的分离被选择成使在子午面74(图1中所示)的投影移位一段距离，该距离与沿着行52对准的两个像素的中心之间的距离dx的一半成比例。子午面74上的实心圆表示使用焦点FS1采集的样本，子午面74上的方框表示使用焦点FS2采集的样本。
可替换地，通过沿OX方向使用辐射源12的三或四焦点调制能够使沿着旋转方向OX的采样速率提高三或四倍。图4中的位置FS3和FS4以虚线显示可能的四个焦点。然后在阳极72的焦点的分离被选择成使在子午面74的投影移位一段距离，该距离相应地与沿着行52对准的两个像素的中心之间的距离dx的一半、三分之一或四分之一成比例。
再次参考图2，为了实现近乎各向同性的分辨率，优选地利用带有四个点的焦点调制。例如，如果沿着行52的两个像素的中心之间的距离dx等于√5，则采样距离的比率等于
R＝(dx/4)/dz＝(√5/4)/(1/√5)＝1.25，
这提供了近乎各向同性的分辨率。
在一个实施方式中，更有利的是挑选一个组合，该组合不同于提供各向同性分辨率以实现其他目标的组合。例如，在一个实施方式中，更有利的是使用三个位置而不是四个位置的焦点调制。在这种***中，沿OX方向的分辨率被提高得相对较少，但是最大旋转时间与使用在四个位置焦点调制的***相比较而言则不怎么受到限制。
参考图3，类似于图2的实施方式，旋转探测模块18以沿着平行于旋转方向OX的相关联行52对准示例性像素5071，5062，5053，5044，5035，5026，5017的中心。像素5071，5062，5053，5044，5035，5026，5017被选择成让第一对准像素以与第二对准像素共享公共拐角。例如，第一对准像素5035与第二对准像素5026共享公共拐角58。在图3的配置中，旋转角α等于45°。当然，当像素不是方形时，旋转角取决于像素尺寸。行52沿着轴向方向OZ被相等地间隔；并且沿着行52对准的像素的中心沿着旋转轴OX被相等地间隔。行52之间的距离dz限定沿着轴向方向OZ的分辨率并且等于1/√2。位于沿着行52上的两个像素的中心之间的距离dx限定沿着旋转方向OX的分辨率并且等于√2。
继续参考图3并且再次参考图4，优选地，通过使用带沿着旋转轴OX的二、三或四个不同位置进行焦点调制使沿着旋转方向OX的采样速率提高二、三或四倍。如果使用带有四个点的焦点调制，例如采样距离＝dx/4＝√2/4，那么采样距离的比率为
R＝(dx/4)/dz＝(√2/4)/(1/√2)＝0.5。
参考图5，在大面积锥形束实施方式中，探测模块18被合并到模块列76中，所述模块列以一种配置被组装到DMS摇架上，其中DMS总体形状优选地沿着OX和OZ方向这两个方向都弯曲，使得每个模块18直接面对位于球体78的中心中的焦点平均位置(未显示)。模块18在DMS摇架上相对于轴向方向OZ旋转角α以提供横过整个DMS的连续覆盖度。每列76中模块18的数目由模块尺寸和沿着轴向方向OZ的所需覆盖度确定。每列76的中心线80与球体78相切，并且两个中心线80的交叉点82对于每两个相邻列76来说是不同的。尤其是，模块18不弯曲。
可选地，例如对于楔形束来说，DMS形状沿着OZ方向不弯曲，不过沿着轴向方向OZ的DMS的曲率相对于沿着轴向方向OZ的大覆盖度而言是相当有利的；主要原因是需要朝着焦点位置对准模块以便消除与优选用于提高图像质量的二维防散射栅格的使用有关的问题。然而，可以预见可以使用标准的一维ASG。由于DMS表面沿着OX和OZ方向的曲率的缘故，在模块列76之间就引入了小间隔84。间隔84的宽度对于在等角点覆盖大约80mm(例如，128个切片)的DMS来说大约为50μm的量级。应当理解的是当带有大轴向覆盖度的DMS由“非旋转”模块构造时，为了消除与二维防散射栅格的使用有关的问题，沿着OX和OZ方向这两个方向都引入曲率是相当可能的。在该情况下，模块之间的间隔与旋转模块配置中的间隔相比具有类似的数量级。
参考图6A和6B，模块16沿着旋转模块对称轴倾斜以便相对于视图的焦点86产生直探测器列76。防散射栅格88平行于模块18方向被定向。单一长防散射栅格(ASG)单元可以组装到模块列76上。如果小的分离ASG单元在使用中，则沿着列76的倾斜不是强制的。在模块列76的布置中，长ASG的薄片(一维或二维栅格)并不需要任何机械扭曲，因而可以使用标准ASG制造技术。
参考图7-10，CT扫描器包括通过电力或通过其他手段将两个或以上相邻像素50组合成探测区段90的选择。模块18转过旋转角α以沿着平行于旋转方向OX的相关联行52对准探测区段901，902，…，90n的中心，在方形像素的情况下，所述角α优选等于arctan(0.5)。
继续参考图7，两个相邻像素的组合形成探测区段90。在该配置中，行52沿着轴向方向OZ不被相等地间隔，但是探测区段901，902，…，90n的中心沿着旋转轴OX被相等地间隔。如果假设像素50的宽度d为1(采用任意单位)，则行52之间的最大距离dZ一般来讲与沿着OZ的分辨率成反比并且等于3/√5。沿着行52的探测区段901，902，…，90n的中心之间的距离dx与沿着OX的分辨率成反比并且等于√5。通过用沿着旋转轴OX的二、三或四个位置进行焦点调制可以提高沿着旋转方向OX的分辨率或者采样速率。
再次参考图8，两个相邻像素的组合形成探测区段90。在该配置中，行52沿着轴向方向OZ被相等地间隔，并且探测区段901，902，…，90n的中心沿着旋转轴OX被相等地间隔。行52之间的距离dz与沿着轴向方向OZ的分辨率相关并且等于2/√5。沿着行52的探测区段901，902，…，90n的中心之间的距离dx与沿着旋转方向OX的分辨率相关并且等于√5。通过用沿着旋转轴OX的二、三或四个位置进行焦点调制可以使沿着旋转方向OX的分辨率或采样速率提高二、三或四倍。
再次参考图9，四个相邻像素50的组合形成探测区段90。行52沿着轴向方向OZ被相等地间隔；并且探测区段901，902，…，90n的中心沿着旋转轴OX被相等地间隔。行52之间的距离dz与沿着轴向方向OZ的分辨率相关并且等于4/√5。沿着行52的探测区段901，902，…，90n的中心之间的距离dx与沿着旋转方向OX的分辨率相关并且等于√5。通过用沿着旋转轴OX的二、三或四个位置进行焦点调制可以使沿着旋转方向OX的分辨率或采样速率提高二、三或四倍。
再次参考图10，四个相邻像素50的组合形成矩形探测区段90。行52沿着轴向方向OZ被相等地间隔；并且探测区段901，902，…，90n的中心沿着旋转轴OX被相等地间隔。行52之间的距离dz与沿着轴向方向OZ的分辨率相关并且等于4/√5。沿着行52的探测区段901，902，…，90n的中心之间的距离dx与沿着旋转方向OX的分辨率相关并且等于√5。通过用沿着旋转轴OX的二、三或四个位置进行焦点调制可以使沿着旋转方向OX的分辨率或采样速率提高二、三或四倍。
参考图11-12，模块18转过角α以沿着平行于旋转方向OX的相关联行52对准探测区段901，902，…，90n的中心，所述角α优选等于45°(在方形像素的情况下)。
继续参考图11，两个相邻像素的组合形成探测区段90。在该配置中，行52沿着轴向方向OZ被相等地间隔，并且探测区段901，902，…，90n的中心沿着旋转轴OX被相等地间隔。行52之间的距离dz与沿着轴向方向OZ的分辨率相关并且等于√2。沿着行52的探测区段901，902，…，90n的中心之间的距离dx与沿着旋转方向OX的分辨率相关并且等于√2。通过用沿着旋转轴OX的二、三或四个位置进行焦点调制可以使沿着旋转方向OX的分辨率或采样速率提高二、三或四倍。
再次参考图12，四个相邻像素50的组合形成矩形探测区段90。行52沿着轴向方向OZ被相等地间隔；并且探测区段901，902，…，90n的中心沿着旋转轴OX被相等地间隔。行52之间的距离dz与沿着轴向方向OZ的分辨率相关并且等于√2。沿着行52的探测区段901，902，…，90n的中心之间的距离dx与沿着旋转方向OX的分辨率相关并且等于2√2。通过用沿着旋转轴OX的二、三或四个位置进行焦点调制可以使沿着旋转方向OX的分辨率或采样速率提高二、三或四倍。
在另一实施方式中，提供核子(例如SPECT或PET)照相机。x射线源是注射到受检者中的放射性药物。扫描头具有上述构造的固态探测器。
在另一实施方式中，投影x射线设备带有上述的在角向移位的固态探测器。
已经参考优选实施方式描述了本发明。显然，他人可以在阅读和理解前面的具体描述的基础上进行修改和变化。本发明应当被理解成包括所有落在后附权利要求及其等效替换的范围内的这样的修改和改变。
Claims (20)
1.一种放射照相成像装置，包括：
具有探测模块(18)的辐射探测器(16)，所述探测模块相对于轴向方向(OZ)成角度地倾斜大于0°小于90°的预定角(α)并且沿着横向于轴向方向(OZ)的横向方向(OX)彼此对准。
2.如权利要求1中所述的放射照相成像装置，其中每个模块(18)包括多个像素(50)，所述像素被对准以将像素(50)的中心点放置到平行于横向方向(OX)的直行(52)上。
3.如权利要求2中所述的放射照相成像装置，其中在第一行(52)中对准的第一像素(5035)仅仅与在第一行(52)中对准的第二相邻像素(5026)共享公共拐角(58)。
4.如权利要求2中所述的放射照相成像装置，其中在第一行(52)中对准的第一像素(5042)与在平行于第一行(52)的第二行(52)中对准的第三相邻像素(5043)共享公共边(54)，并且在第一行(52)中对准的第二像素(5034)与第三像素共享公共拐角(56)。
5.如权利要求2中所述的放射照相成像装置，进一步包括：
提供焦点调制的辐射源(12)，所述焦点调制增加平行于横向方向(OX)的采样速率。
6.如权利要求5中所述的放射照相成像装置，其中焦点调制产生由相应的第一、第二或第三距离中的一个所分离的二、三和四个投影中的一个，每个相应距离与沿横向方向(OX)对准的像素(50)的中心之间的距离成比例。
7.如权利要求6中所述的放射照相成像装置，其中角(α)等于arctan(0.5)，并且焦点调制产生四个投影以实现基本上各向同性的分辨率。
8.如权利要求6中所述的放射照相成像装置，其中角(α)等于45°，并且焦点调制产生二和三个投影中的一个。
9.如权利要求1中所述的放射照相成像装置，其中每个探测模块(18)包括：
与第一和第二正交轴对准的探测器元件(50)的矩形阵列，第一和第二正交轴中的一个轴从轴向方向(OX)成角度地倾斜预定角(α)。
10.如权利要求9中所述的放射照相成像装置，其中预定角(α)是26.565°和45°中的一个。
11.如权利要求9中所述的放射照相成像装置，进一步包括：
带有焦点调制的辐射源(12)，所述焦点调制增加沿横向方向(OX)的采样速率。
12.如权利要求1中所述的放射照相成像装置，进一步包括：
辐射源(12)；
用于绕着轴向方向(OZ)旋转源(12)的机架(24)；
用于移动平行于轴向方向(OZ)的相关联的成像受检者的装置(22)。
13.一种放射照相成像方法，包括：
安装辐射探测器(16)的探测模块(18)，使探测模块相对于轴向方向(OZ)倾斜大于0°小于90°的预定角(α)；和
沿着横向于轴向方向(OZ)的横向方向(OX)彼此对准探测模块。
14.如权利要求13中所述的方法，进一步包括：
安装辐射源(12)以随着探测器旋转；和
在横向于轴向方向(OZ)间隔开的至少两个焦点位置之间调制辐射源(12)。
15.如权利要求14中所述的方法，进一步包括：
基于沿着轴向方向(OZ)的分辨率选择多个焦点位置以实现更各向同性的分辨率。
16.如权利要求13中所述的方法，其中探测模块(18)包括多个像素(50)，并且其中安装步骤包括：
对准像素的中心点以与横向于轴向方向(OZ)的直行(52)一致。
17.如权利要求13中所述的方法，其中探测模块(18)均包括沿着第一和第二正交轴对准的探测元件(50)的矩形阵列，并且其中安装步骤包括：
对准每个探测模块，使得第一和第二正交轴中的一个轴从轴向方向(OZ)倾斜预定角(α)。
18.如权利要求17中所述的方法，进一步包括：
在横向于轴向方向(OZ)间隔开的至少两个焦点位置之间调制辐照探测器(16)的辐射源(12)。
19.如权利要求13中所述的方法，其中安装步骤包括：
将探测模块布置成列(90)；和
将所述列放置到一表面上，所述表面沿着横向方向(OX)和沿着轴向方向(OZ)都弯曲。
20.一种用于执行权利要求13的方法的放射照相成像装置。
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