CN102074276B - 用于过滤x射线的过滤器和x射线计算机断层成像仪 - Google Patents

用于过滤x射线的过滤器和x射线计算机断层成像仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于过滤从X射线源(16)发出的X射线(8)的过滤器(15)，利用X射线检测器(7)检测该X射线(8)，所述X射线检测器(7)具有布置成检测器行(25，26，27)和检测器列(28，29)的检测器元件(24)，所述检测器元件(24)的检测器信号在所穿过的物体(P)的图像重建时被加权为使得将来自相对于中间的检测器行(25)位于更外侧的检测器行(26，27)的检测器信号向下加权，其中，该过滤器(15)构造为使得X射线(8)取决于重建时检测器信号的加权或取决于重建时所使用的加权函数被过滤器(15)吸收或衰减。本发明还涉及具有此类过滤器(15)的X射线计算机断层成像仪(1)。

Description

用于过滤X射线的过滤器和X射线计算机断层成像仪
技术领域
本发明涉及用于过滤从X射线源发出的X射线的过滤器，使用X射线检测器检测该X射线。此外，本发明还涉及具有此类过滤器的X射线计算机断层成像仪。
背景技术
X射线装置，特别是同时拍摄关于患者的多个身体层的测量数据的X射线计算机断层成像仪，为此分别具有X射线检测器，该X射线检测器带有多个由检测器元件形成的检测器行。典型地，此类多层X射线计算机断层成像仪的X射线检测器在X射线计算机断层成像仪的***轴或z轴的方向上延伸4cm至16cm之间。在第三代X射线计算机断层成像仪中，X射线检测器在X射线计算机断层成像仪的机架的可旋转部分上与X射线源对置地布置，从所述X射线源通常锥形地在X射线检测器的方向上发出X射线。
在所谓的扫描中从不同的投影方向拍摄患者的X射线投影，为了能够从在该扫描期间所记录的由于锥形的X射线而按照所谓的Cone-Beam几何形状呈现的X射线检测器的测量数据中重建测量物体的断层图像或3D图像，具有不同的严格的和近似的重建算法可供使用。例如，作为重建算法可使用近似的Weighted Filtered Back Projection(WFBP加权滤波反投影)，这在K.Stierstorfer等人的“Weighted FBP-a simple approximate 3DFBPalgorithm for multislice spiral CT with good dose usage for arbitrarypitch”，Phys.Med.Biol.49(2004)2209至2218页中描述。
与在另外的非严格的Cone-Beam重建算法中一样，在此在重建的图像中出现伪影。在加权滤波反投影中，这些伪影可被明显地抑制，这通过将来自X射线检测器的在z方向上观察时位于更外侧的检测器行的测量数据通过加权函数向下加权而得到。在K.Stierstorfer等人的“Weighted FBP-asimple approximate 3D FBP algorithm formultislice spiral CT with good dose usage for arbitrary pitch”，Phys.Med.Biol.49(2004)2209至2218页中提出的合适的加权函数WQ(q)为：
其中：
Q是在[0；1]之间可选择的权重，并且
q是用于检测器行的变量。
图1中示出了在X射线检测器的检测器行上对于不同的权重Q的此加权函数的历程，其形成可见K.Stierstorfer等人的“Weighted FBP-a simpleapproximate 3D FBPalgorithm for multislice spiral CT with good dose usage forarbitrary pitch”，Phys.Med.Biol.49(2004)2209至2218页。X射线检测器在此从q＝[-1；+1]延伸，其中在z方向上观察时q＝0表示检测器中心，并且q＝+/-1表示两个最外侧检测器行。通过在使用加权滤波反投影的重建方法的重建中使得来自位于更外侧的检测器行的测量数据或检测信号贡献更小，伪影得以很强地降低。但相对地，剂量效率也以不希望的方式被降低，因为施加到患者的X射线剂量的部分没有有效地贡献于成像。从K.Stierstorfer等人的“WeightedFBP-a simple approximate 3D FBP algorithm formultislice spiral CT with gooddose usage for arbitrary pitch”，Phys.Med.Biol.49(2004)2209至2218页中得到的图2图解了对于不同的权重Q的剂量效率历程。从图2中显见，权重Q选择得越小，则剂量效率越低。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，给出用于X射线以及用于前述类型的X射线计算机断层成像仪的过滤器，使得在重建X射线图像时可改进剂量效率。
根据本发明，该技术问题通过一种用于过滤从X射线源以大致锥形发出的X射线的过滤器解决，使用X射线检测器检测该X射线，所述X射线检测器具有布置成检测器行和检测器列的检测器元件，所述检测器元件的检测器信号或测量数据在所穿过的物体的图像重建时被加权为使得特别地 使用加权函数将来自相对于检测器元件的中间的检测器行位于更外侧的检测器行的检测器信号向下加权，其中过滤器构造为使得X射线取决于重建时检测器信号的加权或取决于重建时所使用的加权函数被过滤器吸收或衰减。
本发明人已认识到，X射线检测器的相对于中间的检测器行位于更外侧的并且其检测器信号在重建时被向下加权并因此在重建时贡献更小的检测器元件可能具有更多的量子噪声。因此，X射线源可与如下的过滤器相关联，该过滤器将指向更外侧的检测器行的X射线在其穿过测量物体前衰减或部分地吸收，使得不仅施加到测量物体的X射线剂量而且在更外侧的检测器行的检测器元件内的X射线剂量被降低。以此方式可以改进重建X射线图像时的剂量效率，因为不用于重建的X射线在穿过测量物体前总是至少部分地被吸收。在此，相应地取决于检测器信号的加权或相应地取决于各重建算法的加权函数进行通过过滤器对于X射线的吸收或衰减。
根据本发明的一种变体，提供了用于X射线计算机断层成像仪的过滤器，其中，该过滤器布置在机架的围绕***轴或z轴可旋转的部分上，并且相对于布置在机架的可旋转部分上的X射线检测器的垂直于z轴布置的检测器行定向，使得从相对于中间的检测器行的方向位于z方向更外侧的检测器行发出的X射线取决于在重建时检测器信号的加权或取决于在重建时所使用的加权函数被过滤器吸收或衰减。
根据本发明的一种实施方式，过滤器具有方形的基本形状或基本结构，带有在方形长边中走向的布置在中间的沟槽形凹陷，由此得到在中心两侧的楔形部分，所述楔形部分带有在过滤器的长度上保持相等的横截面。方形基本形状或基本结构的长度轴垂直于X射线计算机断层成像仪的z轴并且近似地平行于X射线检测器的纵轴定向。过滤器相对于X射线源的布置通常使得沟槽形凹陷指向X射线源。
根据本发明的另一种实施方式，过滤器设计为单件。替代地，过滤器的楔形部分在z方向上即横向于过滤器的纵轴构造为可调节。过滤器因此可以和与X射线源相关联的光阑的不同的光阑调节匹配。
根据本发明的另一种变体，构造了应用于使用加权滤波反投影(WFBP)重建算法的重建中的过滤器，其中加权函数为：
其中，Q是在[0；1]之间可选择的权重，并且q是在[-1；+1]之间变化的用于检测器行的变量，其中在q＝0时为中间的检测器行，并且在q＝1或q＝-1时为位于最外侧的检测器行。过滤器相应地构造为使得X射线通过过滤器的吸收或衰减取决于加权函数WQ(q)进行。
过滤器厚度在其横截面上的历程优选地根据下式确定：
其中，μ(E)是用于过滤器的材料的衰减系数，它取决于所使用的X射线的能量E。在通常用于计算机断层成像仪的多色X射线光谱中，例如可以假设平均或有效能量。
如果对于不同的Q使用前述给定的等式计算过滤器厚度d(q)在其横截面上的历程，则可能在过滤器的边缘范围内得到相对大的厚度。但过滤器不能构建为任意厚度，因为否则过滤器需要机架的可旋转部分上的过大的结构空间。因此，在本发明的一种变体中，过滤器的最大厚度在1cm至10cm之间。
根据本发明的一种变体，过滤器具有铝材料或铝钛合金材料。
本发明的技术问题也通过一种X射线计算机断层成像仪解决，所述计算机断层成像仪包括前述的过滤器。
附图说明
本发明的实施例在附带的示意图中图示。各图为：
图1示出了对于不同的Q值的加权滤波反投影的加权函数WQ(q)的历程，
图2示出了对于图1中示出的加权函数WQ(q)的剂量效率的历程，
图3示出了一种X射线计算机断层成像仪，
图4示出了图3的X射线计算机断层成像仪的X射线检测器的俯视图，
图5示出了图3的X射线计算机断层成像仪的X射线设备，
图6示出了图5的X射线设备的z形状滤波器，
图7示出了对于不同的Q值的z形状过滤器的横截面历程，
图8示出了图7的z形状过滤器的不同的横截面历程的X射线衰减历程，和
图9示出了无z形状过滤器、使用实际z形状过滤器和理想z形状过滤器的剂量效率的历程。
在附图中相同的或功能相同的元件始终提供以相同的参考标记。附图中的图示是示意性的，而非强制性地按比例绘制。对于图3中图示的X射线计算机断层成像仪1，在下文中并且不限制一般性地仅论述到理解本发明所要求的程度。
具体实施方式
在图3中示出的X射线计算机断层成像仪1包括带有静止部分3和围绕***轴或z轴5可旋转的部分4的机架2。可旋转部分4在本发明的此实施例的情况中具有X射线***，所述X射线***包括在可旋转部分4上相互对置地布置的X射线设备6和X射线检测器7。在X射线计算机断层成像仪1运行中，从X射线设备6在X射线检测器7的方向上发出X射线8，所述X射线8穿过测量对象并且由X射线检测器7以检测器信号或测量数据的形式采集。
在图4中按照俯视图示出的X射线检测器7具有多个布置成检测器行25、26、27和检测器列28、29的检测器元件24，其中检测器列在z轴方向上走向，并且检测器行在φ方向上并因此垂直于z轴方向走向。中间检测器行25处标记为q＝0，并且两个最外侧检测器行26和27处标记为q＝-1以及q＝+1。X射线计算机断层成像仪1是多层或多切片X射线计算机断层成像仪。
X射线计算机断层成像仪1另外具有用于支承待检查患者P的患者卧榻9。患者卧榻9包括卧榻座10，提供为实际上支承患者P的患者支承板11布置在所述卧榻座10上。患者支承板11相对于卧榻座10在***轴5的方向上可调节，使得它们可与患者P一起被引入到机架4的开口12内，所述开口12目前限定了圆柱形的测量场，用于例如以螺旋扫描拍摄患者P的2D X射线投影。使用X射线计算机断层成像仪1的图像计算机13进行对 利用X射线***拍摄的2D X射线投影的计算处理以及基于2D X射线投影的层图像、3D图像或3D数据组的重建，所述图像计算机13在显示设备14上图示所述层图像或3D图像。
在本发明的该实施例的情况中，通过图像计算机13使用加权滤波反投影重建算法并且使用加权函数WQ(q)进行重建。为了在此提高剂量效率，特别地对于Q＜1的值提高剂量效率，X射线设备6具有根据本发明的过滤器即所谓的z形状过滤器15。
在图5中，典型地解释z形状过滤器15在X射线设备6内的布置。在本发明的该实施例的情况下，X射线设备6包括具有X射线管形式的X射线源16，由所述X射线源16的焦点F发出近似锥形的X射线。为在X射线检测器7上进行遮挡(Einblendung)，X射线设备6具有光阑17。在所述光阑17后面设置了Bowtie过滤器18，所述Bowtie过滤器18通常将通过光阑17到达的X射线在φ方向上可变地过滤。在Bowtie过滤器18后面设置了z形状过滤器15。
在图6中典型地示出了z形状过滤器15的典型结构。z形状过滤器15自身具有方形的基本结构，并且提供有布置在中间的沟槽形凹陷19，所述凹陷19在z形状过滤器15的纵轴L的方向上延伸。沟槽形凹陷的两侧具有在纵轴方向上延伸的楔形部分20、21，其横截面在纵轴L的方向上不变。z形状过滤器15的形态形成为应至少部分地吸收或衰减指向X射线检测器7的外侧检测器行(即检测器行26、27等)的X射线8，因为来自这些检测器行或这些检测器行的检测器元件的测量数据在重建时总是通过加权函数WQ(q)被向下加权。z形状过滤器15因此定向为使得其纵轴L基本上垂直于X射线计算机断层成像仪1的z轴布置，并且尽可能地与X射线检测器7的中心轴M位于垂直于z轴定向的平面内，其中纵轴L和中心轴M近似地相互定向。
z形状过滤器15的实际构造取决于重建算法并且特别地取决于其中使用的对于来自X射线检测器7的外侧检测器行的测量数据的加权函数或权重。
如已提及，在本发明的此实施例的情况中，图像重建通过使用加权滤波反投影和如下加权函数进行：
其中，Q是在[0；1]之间可选择的权重，并且q是在[-1；+1]之间变化的用于检测器行的变量，其中在q＝0时为中间的检测器行，并且在q＝1或q＝-1时为位于最外侧的检测器行。
为设计z形状过滤器应考虑到使得通过z形状过滤器导致的X射线的衰减A应尽可能好地对应于加权函数WQ(q)。因此，成立：
由此得到，对于与q相关的z形状过滤器的厚度d(q)：
其中，μ(E)是用于z形状过滤器的材料的衰减系数，并且它取决于X射线的能量E。由等式d(q)显见，过滤器的厚度历程并且因此其横截面或通过过滤器对于X射线的吸收或衰减，取决于重建时使用的权重或加权或加权函数。
在本发明的该实施例中，z形状过滤器由铝形成并且从80keV的X射线能量出发。对于该情况，μ值大约为0.545/cm。
在该边界条件下，可对于不同的权重Q使用对于d(q)的等式以检测器宽度作为[-1；1]之间的移动变量q计算出如在图7中图示的历程的以cm为单位的z形状过滤器的厚度d，其中q＝0给出了中间检测器行，并且q＝+/-1给出了两个最外侧检测器行。按照0.2的步长计算对于[0；1]之间的Q值的历程。另外，在计算时做出z形状过滤器仅应具有3cm的最大厚度的预先规定，因为否则z形状过滤器在X射线设备6内或在机架2的可旋转部分4上所需的结构空间过大。结构空间的放大使得机架2的开口12缩小，这是不希望的。
在图8中为解释示出了对于不同的权重Q的通过z形状过滤器对于X射线的衰减A的历程。在z形状过滤器的对应于X射线检测器7的外侧检测器行的区域内，对于X射线的衰减是恒定的，因为在此处z形状过滤器的厚度达到3cm，使得衰减不低于大约0.19的值。
在此，通过z形状过滤器提高了量子噪声的方差σ2。无z形状过滤器，则量子噪声的方差计算为：
其中
其中
并且i＝1，...，N是1，...，N个来自不同X射线投影的照射Si，为计算图像点的信号S将它们加和：
X射线剂量在此为：
使用z形状过滤器，现在得到如下的相对于无z形状过滤器的情况的改变。以z形状过滤器测量的单独的照射的信号S′F，i和量子噪声方差σ′F。i 2满足下式：
S′F，i＝AQ(qi)·Si
和
σ′F，i 2＝AQ(qi)·σi 2
为如在无z形状过滤器的情况中得到同样的有效信号强度，将信号相对于单独的照射进行计算修正：
以此，根据下式相对于单独的照射，修正信号的量子噪声方差升高
并且量子噪声方差计算为：
但根据下式，所需的X射线剂量降低：
如果现在使用前述z形状过滤器条件：
AQ(q)＝WQ(q)
并且限定：
则对于使用z形状过滤器的情况，在相同的有效信号下得到如下量子噪声方差或如下的总剂量：
和
与不使用z形状过滤器的情况相比，
和
立即可见，剂量和量子噪声方差的乘积对于使用z形状过滤器的情况总是小于等于不使用z形状过滤器的情况。这意味着，通过规定：
AQ(q)＝WQ(q)
剂量效率根据所形成的z形状过滤器通常可能升高，并且肯定不变差。
在图9中将不同的Q值的三个不同的情形的剂量效率的历程作为平均值图示在螺距(Pitch)为1的完整螺旋扫描上图示。参考标记30表示无z形状过滤器的剂量效率的历程。参考标记31是使用前述z形状过滤器时的剂量效率的历程，所述z形状过滤器的最大厚度为3cm。最后，参考标记32是使用理想的但实际中无法构建的z形状过滤器时的剂量效率的历程。
从图9中可见，例如在Q值为0.6时，使用为此值设计的z形状过滤器，与无z形状过滤器相比，在相同的图像质量下得到大约14％的剂量节约。
优选地，z形状过滤器15形成为单件，针对z方向上X射线检测器7的一定宽度、φ方向上X射线检测器7的一定延伸以及例如80keV的典型的有效X射线能量设计，其中进行大多数的CT扫描。在此，80keV有效X射线能量表示钨阳极的典型的120kV X射线谱，其中目前进行大多数的 CT扫描。
但是替代地，可以实施可调节的z形状过滤器，其中楔形部分20和21在z方向上相互相对可调节。楔形部分20和21也可相互相向或背离地运动，以便在z方向上影响X射线的衰减。
z形状过滤器的厚度可取决于材料而改变，但不应超过10cm。除铝外，铝钛合金也是合适的材料，其中该列举不被理解为完全的。
为节约结构空间，z形状过滤器也可与Bowtie过滤器实施为结构单元。
本发明在前文中根据加权滤波反投影的加权函数WQ(q)描述。但本发明不限制于此加权函数。而是可构思并且在实践中也与另外的重建算法相结合地可使用另外的加权函数WQ(q)，只要以很好地近似满足AQ(q)＝VQ(q)。

Claims (5)

1.一种用于过滤从X射线源(16)发出的X射线(8)的过滤器(15)，利用X射线检测器(7)检测该X射线(8)，所述X射线检测器(7)具有布置成检测器行(25，26，27)和检测器列(28，29)的检测器元件(24)，所述检测器元件(24)的检测器信号在所穿过的物体(P)的图像重建时被加权为使得将来自相对于中间的检测器行(25)位于更外侧的检测器行(26，27)的检测器信号向下加权，其中，所述过滤器(15)的厚度或横截面或X射线通过该过滤器的吸收或衰减取决于重建时所使用的加权函数，其中，其中对于加权函数具有：
其中：
Q是在[0；1]之间可选择的权重，并且
q是在[-1；+1]之间变化的用于检测器行的变量，其中在q＝0时为中间的检测器行，并且在q＝1或q＝-1时为位于最外侧的检测器行，
并且其中，所述过滤器(15)的厚度d(q)在其横截面上的历程由下式得到：
d ( q ) = - 1 μ ( E ) ln W Q ( q )
其中，μ(E)是用于过滤器的材料的衰减系数，所述衰减系数取决于X射线的能量E，
其中，所述过滤器具有方形的基本形状或基本结构，带有在方形纵向上延伸的布置在中间的沟槽形凹陷(19)，由此得到在中心两侧的楔形部分(20，21)，其在方形纵向上保持相等的横截面，
其中，所述过滤器的楔形部分(20，21)在z方向上能够相互相对调节，使得所述楔形部分(20，21)能够相互相向或背离地运动。
2.根据权利要求1所述的过滤器，所述过滤器为X射线计算机断层成像仪(1)提供，其中，所述过滤器(15)布置在机架(2)的围绕***轴(5)或z轴(5)可旋转的部分(4)上，并且相对于布置在机架(2)的可旋转部分(4)上的X射线检测器(7)的垂直于z轴(5)布置的检测器(25，26，27)行定向，使得从相对于中间的检测器行(25)的方向位于z方向更外侧的检测器行(26，27)发出的X射线(8)取决于在重建时检测器信号的加权或取决于在重建时所使用的加权函数被该过滤器(15)吸收或衰减。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的过滤器，所述过滤器的最大厚度在1cm至10cm之间。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的过滤器，所述过滤器具有铝或铝钛合金材料。
5.一种X射线计算机断层成像仪，其具有根据权利要求1至4中任一项所述的过滤器(15)。
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