CN101516268B - 飞掠扫描 - Google Patents
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Abstract
一种计算机断层扫描***(100)包括围绕检查区域(108)旋转并沿纵轴(120)平移的X射线源(112)。所述X射线源(112)在围绕所述检查区域(108)旋转的同时在所述纵轴(120)上保持在第一位置处，加速到扫描速度，并对感兴趣区域(220)执行其中获取至少180度加上一个扇形角度的数据的飞掠扫描。至少一个探测器(124)用于探测由所述X射线源(112)辐射的、贯穿所述检查区域(108)的X射线的并生成指示其的信号。重建器(132)用于对所述信号进行重建从而生成体积图像数据。
Description
技术领域
此申请通常涉及成像***。具体来说，它涉及计算机断层扫描技术(CT)，更具体些，涉及数据采集。
背景技术
传统的锥束CT***包括多层探测器，与CT***的单层***先驱相比，这一设计可以使得这种***在较短的时间段内对较大的感兴趣区域/体积进行扫描。这种扫描可以被应用于快速地对整个器官或者器官的绝大部分进行扫描，同时提高了时间分辨率。
举一个例子，对于心脏CT，通常期望在心动周期中的平稳或静息期期间对心脏进行扫描。通过使用预期的门控，在扫描过程中可以同时监测心脏的电活动。在感测到电活动中的已知标记，如R波时，可以在一个数据获取时期内开启X射线源，在该数据获取时期内，在预期的心脏相位期间对心脏进行扫描。
但是，遵循圆周轨道的传统锥束CT的轴位扫描受到限制，这是因此它无法获取完整的采样来进行重建(或者说它无法充足地对所扫描的感兴趣区域或体积的各部分进行采样)。一般而言，180度的重建至少需要180度加上一个扇形角度(总共约240度)的数据。不完整的采样也会导致重建数据中包含锥束伪影。
将在下面讨论两种利用锥束CT获取完整数据的方法。一种方法是在X射线源围绕检查区域旋转的同时，经由患者支架或长椅使患者运动通过检查区域。但是扫描架旋转速度和探测器排数的增加需要相对较大的长椅速度。这使得长椅运动的机械实现方式变得复杂，而且也使其不能为某些患者所容忍。
另一种方法是对焦斑进行鞍形轨道扫描。通过这种方法，可以沿Z轴方向以扫描架每旋转一周(360度)进行两个(2)周期的频率对焦斑进行循环地、连续地扫描。不幸的是，这导致相对较大的源轨迹，从而可能需要较大的探测器。另外，鞍形轨道需要焦斑具有相对较快的加速度和减速度。
发明内容
本申请的各方面针对以上提到的问题和其它问题。
根据一方面，计算机断层扫描***包括围绕检查区域旋转并沿纵轴平移的X射线源。该X射线源在围绕检查区域旋转的同时在纵轴保持在第一位置处，加速到扫描速度，并且对感兴趣区域执行飞掠(fly by)扫描，在扫描中至少获取180度加上一个扇形角度的数据。至少一个探测器探测由X射线源所辐射的横贯检查区域的X射线，并由此生成指示其的信号。重建器对这些信号进行重建以生成体积图像数据。
根据另一方面，计算机断层扫描***包括围绕检查区域旋转并沿纵轴平移的X射线源。由此，该X射线源的运动和X射线的发射与设置在检查区域内的解剖结构的运动状态相协同并且由该运动状态门控。与X射线源相对设置在检查区域的不同侧上的至少一个探测器探测由X射线源所辐射的横贯检查区域的X射线。
根据另一方面，计算机断层扫描方法包括在X射线源围绕检查区域旋转的同时使其保持在Z轴上的一静态纵向位置处。在接收到指示预期运动状态的触发信号时使X射线源在设置在检查区域内的解剖结构的预期运动状态期间在沿Z轴的方向上运动，并且激活该X射线源以在该解剖结构的预期运动状态期间在进行平移的同时对设置在检查区域内的解剖结构进行辐照。
根据另一方面，计算机断层扫描***执行由正在被扫描的器官的周期运动门控的飞掠扫描。
附图说明
本发明可以采用各种部件及部件的排列，和各种步骤及步骤的排列的形式。附图仅仅是为了说明优选实施例而并非解释为对本发明的限制。
图1说明了典型的成像***；
图2说明了典型的X射线源的运动；
图3以图示说明了典型的X射线管/源随时间的运动；
图4说明了典型的飞掠扫描时序图；
图5以图示说明了多次飞掠扫描的典型的X射线管/源的运动；
图6说明了用于根据重建数据生成数据的典型技术；
图7说明了使用图1的***进行扫描的典型方法。
具体实施方式
参考图1，CT成像***100包括可以围绕检查区域108旋转的旋转扫描架部分104。旋转扫描架104上支撑X射线源112，该射线源所辐射的X射线束可准直成大致圆锥形几何形状。在所说明的实施例中，X射线源112源自X射线管116。驱动机构118使X射线管116沿z轴120纵向运动，进而使X射线源112运动。在一种实现方式中，X射线管116的运动和X射线源112的辐射发射与设置在检查区域108中的如解剖结构的对象的运动相协同，或者与造影剂等通过设置在检查区域108中的对象或解剖结构的流动相协同。如以下所述，例如，可以将这种协同过程与飞掠扫描一起使用，其中，在预期的运动状态期间对对象进行扫描或者跟踪通过对象的制剂的流动。
旋转扫描架部分104同样支撑围绕旋转扫描架部分104设置以对向与X射线源112对应的角度弧线的X射线敏感探测器阵列124。探测器阵列124包括多层探测器，该多层探测器具有在轴向和横向方向上延伸的多个探测器元件。每个探测器元件检测由X射线源112发射的横贯检查区域108的辐射，并生成指示探测到的辐射的对应输出信号或投影数据。如所述的，将探测器阵列124布置为第三代配置。但是，在此也可以预期如***的其它配置。
CT成像***100还包括长椅或者患者支架128，其支撑检查区域108内的人或对象。支架128是可以运动的，这使得操作者或***可以将受检者适当定位在检测区域108内以便进行扫描。一旦适当定位在检查区域108中，患者支架128一般就在扫描期间保持静止。但是，当执行定位、引导或其它扫描时，如果需要，患者支架128可以运动。
由探测器阵列124生成的投影数据被传输到重建器132，重建器由此重建投影并生成体积图像数据。图像数据经过处理可以生成一个或多个感兴趣扫描区域的图像或其子集。
操作者控制台136便于用户与扫描仪100交互。操作者控制台136执行的软件应用程序允许用户配置和/或控制扫描仪100的操作。比如，用户可以与操作者控制台136交互来选择扫描协议，并启动、暂停和终止扫描。控制台136还允许用户查看图像，对数据进行操作，测量该数据的不同特征(如，CT值，噪音等)等。
针对涉及使解剖结构和示踪剂周期性运动的扫描应用来配置所说明的实施例。可选的生理监测仪140监测对象的心脏运动、呼吸运动或其它运动。在这个实例中，监测仪140包括用于监测心脏电活动的心电图(ECG)或其他设备144。这些信息可用于触发一个或多个飞掠扫描，或用于使飞掠扫描与心脏电活动同步。可选的注射器148或类似物用于将如造影剂的制剂引入受检者体内。同样，制剂的引入可用于触发一个或多个飞掠扫描。
图2说明了在飞掠扫描期间X射线源112沿Z轴120的典型运动以及对应的X射线几何形状。在这个实例中，示出了X射线源112从第一位置204，通过第二位置208，到达第三位置210的运动。在X射线源112在第一位置204和第三位置210之间平移的同时，X射线源112也围绕检查区域108旋转并发射X射线。在执行初始或随后的扫描时，X射线源也可以从第三位置210，通过第二位置208，到达第一位置204。X射线管116和X射线源112的物理运动延伸出了由第一位置204和第三位置210所限定的区域，从而允许在扫描前使X射线管116加速或升高到合适的速度，同时在扫描后使其减速或下降。
飞掠扫描期间，在旋转的同时X射线管116沿Z轴保持在位置204(或210)以外的位置。之后使X射线管116升高到合适的扫描速度并且在位置210(或204)的方向上运动。一旦到达初始扫描位置204(或210)，就发射X射线并且持续一个采样时期，在该采样时期内执行用于遍布该体积的每个体素的180度重建的完整采样。应该领会的是在飞掠扫描期间，X射线管116可以恒定速度或变化的速度运动。一旦到达位置210(或204)，X射线就被关闭，X射线管116减速到位置210(或204)以外的另一位置处。
锥束几何形状由准直仪212限定。准直仪212与X射线源112的运动协同地以固定的准直方式运动。可选的静止准直仪224和228分别位于沿Z轴112的第一区域232和第二区域236。当X射线源112接近第一位置204和第三位置210时，静止准直仪224和228则会过滤或阻挡部分X射线束。在X射线源112在旋转的同时在第一位置204和第三位置210之间运动时，将静止准直仪224和228配置为准直X射线束216使得X射线束216辐照感兴趣区域220的子区域240、244、248和252。这种配置提供了完整的采样。通过由准直仪224和228阻挡部分X射线束216使得照射探测器阵列124的X射线束216的外部投影256和260分别穿过感兴趣区域220的角264和268，减少了横贯感兴趣区域220以外的路径的X射线对患者的辐射暴露量。
图3以图示说明了X射线管116沿Z轴120随时间的典型运动。轴304代表了沿Z轴120的运动。在这个实例中，位于路径312上的位置308代表了X射线管120随时间运动的初始Z轴位置。这一位置可以在Z轴120的任何一侧。路径312的第一部分316代表了X射线管116加速到合适速度的区域。通常，在X射线管116通过部分316行进时不发射X射线。路径312的第二部分320代表了X射线管116减速到路径312上的位置324处的区域。同样，通常在X射线管116通过部分320行进时不生成X射线。路径312的第三部分328代表了执行飞掠扫描的区域，这一区域可为也直线也可以不为直线。在部分328期间，获取感兴趣区域220(如图2所示)的完整采样。
图4说明了X射线管运动的时序图504和辐射发射的时序图508，两者都与ECG信号512相协同。如所述，ECG信号512内的R波516提供了触发器520(显示在触发时序图524中)，该触发器在第一延迟532之后的X射线管运动窗528期间引起X射线管的运动，并在第二延迟540之后的扫描窗536期间引起X射线的发射。应领会的是，可以将ECG信号512内的其他波形交替地用作触发器520。
扫描窗536的位置，其宽度544和延迟532通常基于预期的心脏相位限定。例如，在所说明的实例中，将扫描窗536，宽度544和延迟532限定为基于ECG信号512扫描心动周期内的平稳相位548或低运动相位。在心脏收缩时期，设备152测量指示其的电活动，包括R波516。由于心脏跳动通常是周期性的，因此R波512或其它的波形均可以用作平稳相位548和随后心动周期的基准。
同样，扫描窗536和宽度544可以围绕平稳相位548限定，延迟540可以由R波516限定。在确定这些参数之前可以观察多个心动周期。将宽度544限定为使得对于180度重建获取180度加上一个扇形角度的信息。较大的宽度可以用于扫描相对更大的范围，其中，从中选择合适量的数据来对被扫描对象的不同部分进行重建。通常，较靠近窗544末端并常常远离平稳区域的数据包含更多的运动。
X射线管运动窗528的位置，它的宽度568和第一延迟532基于扫描窗536和R波516限定，从而使得X射线管116在飞掠扫描之前有充足的时间升高到某个速度，在飞掠扫描期间保持合适的速度，并且如果需要在飞掠扫描之后及时下降，为下一次飞掠扫描做准备。
举例说明，在扫描架旋转速度大约为每次旋转0.27秒，节距系数为1.5，源准直设为160毫米(mm)，且在Z轴方向上有256个探测器元件的情况下，宽度540大约为0.36秒，这得到在480度上的大约160mm的扫描覆盖，或大约1.33个回转。在这种设置下，X射线管116的振动约为350mm，频率约为1.02Hz，且g力(g-force)约为0.73g。宽度约为0.18s的滑动窗被用来从480度数据中选择合适的180度加上一个扇形角度的数据用于每层的重建。应领会的是，这个实例只用于说明的用途，在此也可以预期各种其它参数配置。
图5以图示说明了用于多个飞掠扫描的X射线源112的运动。X射线管116保持在初始位置504处，直到在旋转扫描架部分104旋转、并由此X射线管116和X射线源112旋转的同时接收到感兴趣生物事件或者激发信号为止。X射线管116处于该位置的时间量取决于很多因素，如病人的心动周期的频率，扫描之前观测到的心动周期的数量等。当接收到事件时，X射线管116能过路径512的第一部分508进行加速。对于路径512的第二部分516的至少子部分，在解剖结构的预期状态期间开启X射线以对该解剖结构进行飞掠扫描。扫描之后，X射线管116在路径512的第三部分520内减速，并在路径512的第四部分524保持速度。
不同飞掠扫描之间的等待时间(wait time)可能不同，并且该等待时间取决于诸如患者的心动周期的频率、执行另一次飞掠扫描之前所观测到的周期的数量等因素。一旦接收到随后的感兴趣事件，X射线管116就通过路径512的第五部分528在与Z轴相反的方向进行加速，并且在路径512的第六部分532期间，开启X射线并且至少保持第六部分532的一子部分。然后，X射线管116在路径512的第七部分536内减速，并对于感兴趣的下一个事件在路经512的第八部分540处保持此速度。对于每一次飞掠扫描重复此过程。
通常，一次飞掠扫描所提供的数据足够用来重建所期望的相位。但是一些情况下则需要多于一次扫描。例如，通过用X射线管116的每次飞掠来扫描不同的相位，从而对心脏的多个相位成像。在另一种情况下，可以使用随后的飞掠来重复认为不可接受或失败的扫描。例如，心律不齐可能会触发X射线管116运动并辐照感兴趣区域。在这种情况下，因为心律不齐表现为心动周期节律的异常，因此停止X射线的发射。之后，可以调用另一飞掠扫描来对相同的心脏相位进行扫描。在另一个例子中，可以组合多次扫描的数据来提高时间分辨率。在又一个例子中，为了随着制剂通过受检者运动而追踪该制剂，可以在不同时间对对象进行扫描，例如，可以对同一对象进行一系列顺序的飞掠扫描，其中，每次飞掠扫描对特定时刻制剂在对象中的状态或位置进行成像。所得到的数据可以用来跟踪制剂通过对象的流动。
图6说明了用于生成经相位校正的图像数据的方法。如图所示，对于不同飞掠扫描的图像数据604、608、612中的每个具有根据沿Z轴的层位置的各层之间的相位差。结果，每层与不同相位相关。由数据604、608、612生成新数据616、620、624，从而降低用于每个飞掠扫描的各层之间的相位差。在这个例子中，插值技术被用来产生经相位校正的数据616、620、624。例如，使用数据640和644经由插值产生新数据628、632、和636。使用数据656和660经由插值产生新数据648和652，并使用数据660和668经由插值产生新数据636。另一个例子中，数据672被用作新数据676，这是因为数据672和图像数据676有相同的相位。通过这种方法，每个新数据集628、632和636中的一个或多个层有相同的相位。在这个例子中，说明了来自三次飞掠扫描的数据。但是，应领会的是，来自N次飞掠扫描的重建图像数据也可用来生成任意数量的经相位校正的数据集。另外，在此可以预期根据重建飞掠扫描数据使用两个或多个数据点的各种插值技术，诸如但不限于线性，多项式和样条插值。
图7说明了使用***100进行扫描的方法700。在参考数字704时，X射线源112位于Z轴120上的初始位置处，同时旋转扫描架104围绕检查区域108旋转。在708处，接收到诸如触发器的感兴趣事件。在712处，X射线源112加速到合适的速度。在716处，激活X射线源112来发射辐射。在720处，横贯感兴趣区域的辐射由探测器阵列124探测。在724处，X射线源112终止发射X射线。在728处，X射线管116减速到另一位置。
现在呈现其他变形。
在另一个实施例中，X射线管116连续地沿Z轴120来回振动。在这个实施例中，通过与心电活动同步，飞掠扫描被自动调用。
在另一个实施例中，任意执行多次飞掠扫描，并且基于所记录的心电活动使用回顾性门控来随后选择用于180度重建的数据。
在一种实现方式中，使用基于弹簧或者其它机构来使X射线管116沿Z轴来回运动。
在另一种实现方式中，将X射线管116安装在线性轴承上并且使用其来运动。如果需要，与X射线管116协同运动的一个或多个可选的平衡锤用来减轻由于X射线管116运动所导致的扫描架摆动或其它不良影响。
***100使用100千瓦(KW)或其它额定功率的X射线管。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解之前详细说明的基础上其他人可以进行修改和变更。意欲将本发明构建为包括所有这种修改和变更，只要它们落在本发明随附权利要求或其等同的范围内。
Claims (33)
1.一种计算机断层扫描***(100)，包括：
围绕检查区域(108)旋转并且沿纵轴(120)平移的X射线源(112)，所述纵轴(120)是所述计算机断层扫描***(100)的z轴，其中，所述X射线源(112)在围绕所述检查区域(108)旋转的同时在所述纵轴(120)上保持在第一位置处，在对感兴趣区域进行扫描之前沿所述纵轴(120)加速，并且然后对所述感兴趣区域(220)执行其中获取至少180度加上一个扇形角度的数据的飞掠扫描；
用于探测由所述X射线源(112)辐射的、横贯所述检查区域(108)的X射线并生成指示所述X射线的信号的至少一个探测器(124)；以及
用于对所述信号进行重建从而生成体积图像数据的重建器(132)。
2.如权利要求1所述的***，其中，在获取所述数据之后关闭X射线，并且所述X射线源(112)停止在所述纵轴(120)上的第二位置处。
3.如权利要求2所述的***，其中，所述X射线源(112)在围绕所述检查区域(108)旋转的同时保持在所述第二位置处，在扫描之前沿所述纵轴加速到扫描速度，并且然后对所述感兴趣区域(220)执行另一飞掠扫描。
4.如权利要求1所述的***，其中，在获取所述数据之后关闭所述X射线，并所述X射线源(112)反转方向，且在沿所述纵轴(120)的反方向上加速。
5.如权利要求4所述的***，其中，所述X射线源(112)在沿所述反方向运动的同时对所述感兴趣区域(220)执行随后的飞掠扫描。
6.如权利要求1所述的***，其中，所述X射线源(112)沿所述纵轴(120)振动，并且与所述检查区域内的对象的运动同步。
7.如权利要求1所述***，其中，所述X射线源(112)以大约1Hz沿所述纵轴(120)运动。
8.如权利要求1所述的***，其中，所述X射线源(112)保持在所述位置处直到接收到触发信号。
9.如权利要求8所述的***，其中，所述触发信号是ECG信号。
10.如权利要求1所述的***，其中，所述X射线源(112)在心脏相位内执行所述飞掠扫描。
11.如权利要求1所述的***，其中，所述X射线源(112)在不同心脏相位期间执行多次飞掠扫描。
12.如权利要求1所述的***，其中，所述X射线源(112)在同一心脏相位期间在不同时间执行多次飞掠扫描。
13.如权利要求12所述的***，其中，将来自所述多次飞掠扫描的数据组合，从而生成具有较高时间分辨率的数据集。
14.如权利要求1所述的***，其中，将分别来自多次飞掠扫描并且在各层之间具有相位差异的图像数据用来生成新的、在各层之间不具有相位差异的图像数据。
15.如权利要求14所述的***，其中，通过对在来自所述多次飞掠扫描的图像数据中的同一层进行插值而生成新的层。
16.如权利要求1所述的***，还包括静止准直仪(224，228)，其降低患者从X射线的暴露量，所述X射线横贯所述检查区域(180)内的感兴趣区域(220)外的路径。
17.如权利要求1所述的***，还包括注射器(148)，其中，所述X射线源(112)的运动和由此的X射线发射通过由所述注射器(148)将制剂引入所述对象内而门控。
18.如权利要求1所述的***，其中，顺序执行多次飞掠扫描以随着制剂通过所述对象流动追踪所述制剂。
19.如权利要求1所述的***，其中，随着所述X射线源(112)沿所述纵轴(120)在一个方向上平移，所述飞掠扫描获取数据。
20.一种计算机断层扫描***(100)，包括：
围绕检查区域(108)旋转并且沿纵轴(120)平移的X射线源(112)，其中，所述纵轴(120)是所述计算机断层扫描***(100)的z轴，所述X射线源(112)的运动和由此的X射线发射与设置在所述检查区域(108)内的解剖结构的运动状态相协同并由其门控；以及
用于探测由所述X射线源(112)辐射的、贯穿所述检查区域(108)的X射线的至少一个探测器(124)；
其中，所述X射线源(112)在旋转的同时在一纵轴位置处等待，直到所述解剖结构的预期运动状态为止，所述预期运动状态触发飞掠扫描，其中，所述X射线源(112)沿所述纵轴(120)加速到合适的速度并且激活所述X射线源(112)，从而在所述预期运动状态期间对所述解剖结构进行扫描。
21.如权利要求20所述的***，其中，所述X射线源(112)沿所述纵轴(116)物理地平移。
22.如权利要求20所述的***，其中，所述X射线源(112)的运动和由此的X射线发射由所述解剖结构的周期运动门控。
23.如权利要求20所述的***，其中，触发所述X射线源(112)运动，并在至少两个不同心脏相位期间发射X射线。
24.如权利要求20所述的***，其中，来自多次扫描的图像数据用来生成没有相位差异的图像数据，所述多次扫描中的每次具有相位差异。
25.如权利要求20所述的***，还包括ECG设备，其用于门控所述X射线源(112)运动并对预期相位的心脏进行扫描。
26.如权利要求20所述的***，其中，所述飞掠扫描获取至少180度加上一个扇形角度的数据。
27.如权利要求20所述的***，其中，所述至少一个探测器(124)包括沿纵向延伸的256个探测器元件。
28.如权利要求20所述的***，其中，所述至少一个探测器(124)覆盖16cm的纵向范围。
29.一种计算机断层扫描方法(700)，包括：
围绕检查区域(108)旋转并且沿纵轴(120)平移X射线源(112)，所述纵轴(120)是计算机断层扫描***(100)的z轴，其中，所述X射线源(112)在围绕所述检查区域(108)旋转的同时在所述纵轴(120)上保持在第一位置处；
在对感兴趣区域进行扫描之前使所述X射线源(112)沿所述纵轴(120)加速到合适的速度；
对所述感兴趣区域(220)执行其中获取至少180度加上一个扇形角度的数据的飞掠扫描；
探测由所述X射线源(112)辐射的、横贯所述检查区域(108)的X射线并生成指示所述X射线的信号；以及
对所述信号进行重建从而生成体积图像数据。
30.如权利要求29所述的方法，还包括：
在预期运动状态中对所述感兴趣区域(220)进行扫描时，使所述X射线源(112)停用；以及
在所述纵轴(120)上的另一静态位置处使所述X射线源(112)减速。
31.如权利要求30所述的方法，还包括使用生物信号来定位所述运动状态。
32.如权利要求29所述的方法，还包括在感测到感兴趣生物事件时使所述X射线源(112)运动并激活X射线发射。
33.如权利要求29所述的方法，其中，所述X射线源(112)沿所述纵轴(120)来回振动，并与所述感兴趣区域(220)的运动同步地执行多次扫描。
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