CN102397078A - 一种x射线计算机断层扫描***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线计算机断层扫描***，用于对待检对象进行部分扫描，该***包括中间角度计算模块、重建角度计算模块和扫描器，所述中间角度计算模块用于根据待检对象的视野横截面的大小和中心坐标来计算中间角度，并将所述中间角度传送给所述重建角度计算模块；所述重建角度计算模块用于将所述中间角度加上180度得到所述重建角度，并将所述重建角度传送给所述扫描器；所述扫描器用于根据所述重建角度对待检对象进行部分扫描。本发明还公开了一种X射线计算机断层扫描方法。采用本发明的***和方法，能缩短扫描时间，提高时间分辨率，减少病人接受的辐射剂量。

Description

一种X射线计算机断层扫描***和方法

技术领域

本发明涉及医学成像领域，尤其是一种X射线计算机断层扫描***和方法。

背景技术

在X射线计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)中，为了获得高时间分辨率，常采用双源CT和部分扫描。部分扫描介于半扫描和完全扫描之间，在扫描运动的器官或组织(如心脏)时有优势，因为扫描时间越短，在成像过程中待检对象运动的可能性就越小，从而减少了运动伪影对成像质量的影响。

部分扫描的旋转扫描角度小于360°。目前CT***部分扫描中，通常根据固定的重建角度来确定扫描时间，如图1所示，为CT部分扫描中采用固定的重建角度对测量域(Field ofMeasurement，FOM)进行扫描的示意图。FOM定义为在X射线管旋转360度的过程中待检对象得到全辐射的横截面区域，其决定了直接对待检对象施加的扫描剂量和X射线照射区域的大小。图中X射线管1从初始位置7顺时针旋转到结束位置5处，此过程中X射线管1旋转的角度γ定义为重建角度3，X射线管1发出的X射线扇形束角度β定义为曝光角度2，通常为30度到60度之间的一固定角度，圆形区域4为待检对象所在的FOM。在X射线管1从初始位置7顺时针旋转到结束位置5的过程中，X射线管1只旋转了角度γ，[0，γ]角度范围内的投影数据是部分扫描中图像重建所需的最少数据量，在[γ，360°]角度范围内缺失的投影数据能通过补充投影数据的更高权重进行补偿，现有技术中已有补偿方法，这里不再赘述。在常规的部分扫描中，在位置7处圆心角为β的X射线扇形束边界半径中的一条必须和位置5处圆心角为β的X射线扇形束边界半径中的一条重合，如图中所示实线与虚线的重合。重建角度γ通常定义为半旋转角度180度与曝光角度β之和，即γ＝180°+β；部分扫描时间其中T为X射线管1旋转一圈，即360°所需的时间。这种固定的重建角度会导致对较小的待检对象进行断层扫描时，探测器(如附图标记6所示)实际获取的投影数据量多于重建图像所需的最少投影数据量，这就增加了不必要的投影数据，还增加了扫描时间，降低了时间分辨率。

因此，为了缩短扫描时间，以实现对运动器官或组织的清晰成像，目前常采用如下方法来提高时间分辨率：一是在现有技术的基础上进一步缩短旋转扫描时间，如改进CT***的算法等，二是发展双源CT。前者通常需要极大地改变CT***现有的算法，后者则需要改变CT***的硬件设备，二者在实现方式上都比较困难，而且花费成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种X射线计算机断层扫描***和方法，以缩短扫描时间，提高时间分辨率。

本发明提供一种X射线计算机断层扫描***，用于对待检对象进行部分扫描，该***包括：中间角度计算组件、重建角度计算组件和扫描器，其中，所述中间角度计算组件，用于根据待检对象的视野横截面的大小和中心坐标来计算中间角度，并将所述中间角度传送给所述重建角度计算组件；所述重建角度计算组件，用于将所述中间角度加上180度得到所述重建角度，并将所述重建角度传送给所述扫描器；所述扫描器，用于根据所述重建角度对待检对象进行部分扫描。

所述中间角度计算组件包括：视野横截面获取模块、测量域半径计算模块和中间角度计算模块，所述视野横截面获取模块，用于在机架不倾斜时，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像确定视野，进而得到任一视野横截面的大小及中心坐标；或者在机架倾斜时，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像确定视野，进而得到各视野横截面的大小及中心坐标；并将所述大小及中心坐标传送给所述测量域半径计算模块；所述测量域半径计算模块，用于根据所述任一视野横截面的大小及中心坐标来计算出一个测量域半径；或者根据所述各视野横截面的大小及中心坐标来计算出复数个测量域半径；并将所述测量域半径传送给所述中间角度计算模块；所述中间角度计算模块，用于在机架不倾斜时，根据所述一个测量域半径来计算所述中间角度；或者在机架倾斜时，根据所述复数个测量域半径得到复数个次中间角度，并取所述次中间角度的最大值作为所述中间角度；并将所述中间角度传送给所述重建角度计算组件。

所述视野横截面获取模块进一步用于在获取所述中心坐标之前，对所述任一视野横截面或者各视野横截面进行偏心重建。

进一步，所述***还包括曝光角度控制组件，用于接收来自所述中间角度计算组件的所述中间角度，将曝光角度控制为所述中间角度将曝光角度控制为所述中间角度以对待检对象进行部分扫描。

本发明还提供一种X射线计算机断层扫描方法，包括如下步骤：根据待检对象的视野横截面的大小和中心坐标来计算中间角度；将所述中间角度加上180度得到所述重建角度；根据所述重建角度对待检对象进行部分扫描。

根据本发明的一方面，所述计算中间角度包括：在机架不倾斜时，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像来确定视野，进而得到任一视野横截面的大小及中心坐标，并根据所述大小及中心坐标，计算所述任一视野横截面的一个测量域半径，再根据所述测量域半径计算所述中间角度。

根据本发明的另一方面，所述计算中间角度包括：在机架倾斜时，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像来确定视野，进而得到各视野横截面的大小及中心坐标，并根据所述大小及中心坐标，计算所述各视野横截面的复数个测量域半径，再根据所述测量域半径计算出复数个次中间角度，并取所述次中间角度的最大值作为所述中间角度。

所述获取视野横截面中心坐标进一步包括：在获取所述中心坐标之前对所述视野横截面进行偏心重建。

根据如下公式来计算测量域半径：

$r=\sqrt{2}(\frac{L_{\mathrm{FOV}}}{2}+\max \{|x\_0|,|y\_0|\left\}\right)$

其中r是所述测量域的半径，L_FOV是视野横截面的宽度与长度中的较大者，max是求最大值的函数，x_0是视野横截面中心的横坐标，y_0是视野横截面中心的纵坐标。

根据如下公式来计算中间角度：

$\mathrm{\α}=2\×\arcsin \left(\frac{r}{\mathrm{dis}\_\mathrm{FC}}\right)$

其中，α为所述中间角度，dis_FC是从X射线管的焦点到CT机架中心的距离，r是所述测量域的半径。

根据如下公式来计算次中间角度：

${\mathrm{\α}}_i=2\×\arcsin \left(\frac{r_i}{\mathrm{dis}\_\mathrm{FC}}\right)$

其中，i是视野横截面的个数，α_i为第i个视野横截面的次中间角度，dis_FC是从X射线管的焦点到CT机架中心的距离，r_i是第i个视野横截面的测量域半径。

进一步，所述方法包括：将曝光角度控制为所述中间角度以对待检对象进行部分扫描。

由于本发明提出一种不大于固定重建角度γ且能根据视野横截面的大小来调整的重建角度，这就缩短了扫描时间，减少了病人接受的X射线剂量，同时提高了时间分辨率，更适于扫描如心脏等运动器官或组织。而且本发明没有改变CT***的现有硬件设备，对CT***的现有算法也没有进行大量改进，基于现有的CT***容易实现，降低了成本。

附图说明

图1是常规CT部分扫描中采用固定的重建角度对FOM进行扫描的示意图。

图2是在CT部分扫描中采用本发明的***和方法对FOM进行扫描的示意图。

图3是本发明CT扫描***的组件示意图。

图4是本发明中间角度计算组件的组成示意图。

图5是本发明CT扫描方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

在本发明中，待检对象可以是人体的某个区域，也可以是人体的某个器官或组织。扫描方向为CT***中检查床进出机架的方向，通常为z方向。

本发明的CT扫描***用于对待检对象进行部分扫描，如图3所示是本发明CT扫描***的组件示意图，包括：中间角度计算组件20、重建角度计算组件21和扫描器22，其中，中间角度计算组件20，用于根据待检对象的视野(Field of View，FOV)横截面的大小和中心坐标来计算中间角度，并将所述中间角度传送给重建角度计算组件21；重建角度计算组件21，用于将所述中间角度加上180度得到所述重建角度，并将所述重建角度传送给扫描器22；扫描器22，用于根据所述重建角度对待检对象进行部分扫描。

图4是本发明中间角度计算组件的组成示意图。图4中中间角度计算组件21包括：视野横截面获取模块201、测量域半径计算模块202和中间角度计算模块203。其中：

视野横截面获取模块201，用于在机架不倾斜时，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像来确定视野，进而得到任一视野横截面的大小及中心坐标；或者在机架倾斜时，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像确定视野，进而得到各视野横截面的大小及中心坐标；并将所述大小及中心坐标传送给所述测量域半径计算模块202。

在CT设备开始系列扫描或螺旋扫描前，通常需要对病人扫描一幅或两幅定位像，以确定待检对象的位置和大小，从而得到CT扫描的范围。可通过如下方式获得待检对象的前后位定位像和侧位定位像：人体平躺时，X射线管在90度或270度(即竖直方向)对待检对象进行照射即得到前后位定位像，X射线管在0度或180度(即水平方向)对待检对象进行照射即得到侧位定位像。医生根据这两幅定位像，来确定包围该待检对象的视野(即前述FOV)，通常为矩形区域，其大小可依据医生的经验来设置。医生一般会将FOV设置得比较大，以完全覆盖待检对象，这却在一定程度上增加了待检对象周围区域接受的X射线辐照。尽管这种情况下人体接受的X射线仍在安全剂量范围内，但是我们总是希望在不影响成像质量的前提下，进一步减少待检对象周围区域接受到的X射线剂量。于是希望医生能根据待检对象的不同大小来调整FOV，如利用CT***的轮廓识别技术来获取待检对象的大小，将其作为FOV的大小，这样就减少了待检对象周围区域接受的X射线辐照。另外，本发明中FOV的横截面是矩形，该矩形的外接圆即FOM，因此FOV＜FOM，这是因为原则上待检对象必须通过包含在重建区域中的每次读片来测量，所以只有当待检对象在FOM内时才能进行正确的重建。

在得到视野横截面后，进而就可以得到视野横截面的大小及中心坐标。进一步本发明的视野横截面获取模块201还用于在获取所述中心坐标之前，对所述任一视野横截面或者各视野横截面进行偏心重建。

由于不同病人的体型不同，同一病人不同器官或组织的位置和大小不同，当对待检对象进行图像重建时，若病人的体型较大和/或病灶在病人身体的一侧，使得病床在竖直方向升降和/或在水平方向平移后仍无法到达待检对象的中心位置，就需要进行偏心重建，得到FOV横截面中心的横坐标偏离机架中心的距离x_0和纵坐标偏离机架中心的距离y_0。其中病床的竖直升降方向为y方向，病床进出机架的水平方向为z方向，z方向与y方向垂直，而与y方向和z方向都正交的方向则为x方向。

根据本发明的第一实施例，当机架在整个扫描过程中不倾斜时，各个FOV横截面的大小和偏心重建后的中心坐标(x_0，y_0)都是一样的，只需求出任一横截面的大小和偏心重建后的坐标(x_0，y_0)即可。

根据本发明的第二实施例，若机架在扫描过程中根据扫描区域的需要而倾斜，比如扫描头部时，需要倾斜机架以避开扫描眼睛，这时FOV就不再是矩形而是平行四边形或菱形，于是对于不同的FOV横截面，各横截面中心的横坐标偏离机架中心的距离和纵坐标偏离机架中心的距离就不再是固定的，而是根据各FOV横截面而变化，将其设置为(x_i_0，y_i_0)，其中i是FOV横截面的个数。

测量域半径计算模块202，用于根据所述任一视野横截面的大小及中心坐标来计算出一个测量域半径；或者根据所述各视野横截面的大小及中心坐标来计算出复数个测量域半径；并将所述测量域半径传送给所述中间角度计算模块203。

根据本发明的第一实施例，当机架在整个扫描过程中不倾斜时，按下式(1)来计算任一FOV横截面所在FOM半径r。

$r=\sqrt{2}(\frac{L_{\mathrm{FOV}}}{2}+\max \{|x\_0|,|y\_0|\left\}\right)---\left(1\right)$

其中max是求最大值的函数，r是FOM(如图2中的圆形区域9所示)的半径13，L_FOV是FOV横截面的宽度与长度中的较大者，本发明的FOM能完全覆盖待检对象。

根据本发明的第二实施例，若机架在扫描过程中根据扫描区域的需要而倾斜，则按下式(2)来计算各FOV横截面所在FOM的半径r_i。

$r_i=\sqrt{2}(\frac{L_{\mathrm{FOV}}}{2}+\max \{|x_i\_0|,|y_i\_0|\left\}\right)---\left(2\right)$

其中，i是FOV横截面的个数，x_i_0是经偏心重建后FOV各个横截面中心的横坐标偏离机架中心的距离，y_i_0是经偏心重建后FOV各个横截面中心的纵坐标偏离机架中心的距离。

中间角度计算模块203，用于在机架不倾斜时，根据所述一个测量域半径r来计算所述中间角度α；或者在机架倾斜时，根据所述复数个测量域半径r_i得到复数个次中间角度α_i，并取所述次中间角度的最大值作为所述中间角度α，并将所述中间角度传送给重建角度计算组件21。

图2是在CT部分扫描中采用本发明的***和方法对FOM进行扫描的示意图。

根据本发明的第一实施例，若机架在整个扫描过程中不倾斜，根据任一个FOM的半径r按下式(3)来计算中间角度α。

$\mathrm{\α}=2\×\arcsin \left(\frac{r}{\mathrm{dis}\_\mathrm{FC}}\right)---\left(3\right)$

如图2所示，其中dis_FC是从X射线管1的焦点到CT机架中心的距离11，α为中间角度，如图2中X射线扇形束角度10所示。

根据本发明的第二实施例，若机架在扫描过程中根据扫描区域的需要而倾斜，根据各FOV横截面所在FOM的半径r_i根据下式(4)来计算相应的次中间角度α_i。

${\mathrm{\α}}_i=2\×\arcsin \left(\frac{r_i}{\mathrm{dis}\_\mathrm{FC}}\right)---\left(4\right)$

接着，根据α_i和CT***的层厚(Slicethickness，SL)按下式(5)来计算中间角度α。

α＝max{α_n，...，α_n+X}                            (5)

其中，n是z方向上的坐标值，单位为mm，正整数X满足n≤SL＜n+X，层的中心位置(Slice Position，SP)满足n≤SP-0.5×SL＜n+1。

根据公式(5)可以得出：若层厚为整个FOV，则取FOV所有横截面的次中间角度的最大值作为整个FOV的中间角度；若层厚为部分FOV，则取该部分FOV区域内各横截面的次中间角度的最大值作为该部分FOV区域的中间角度。

重建角度计算组件21，用于将中间角度α加上180度得到重建角度

并将所述重建角度传送给扫描器22。

根据中间角度α按下式(6)来计算重建角度

由于重建角度与中间角度仅差180度，所以

也随着FOV横截面的大小而变化。这里的

为进行图像重建所需的最小重建角度。

扫描器22，用于根据重建角度

对待检对象进行部分扫描。

进一步，所述CT***还包括曝光角度控制组件23，用于接收来自中间角度计算组件20的中间角度α，将曝光角度控制为中间角度α以对待检对象进行部分扫描，从而进一步减少对FOM周围区域的辐照和人体接收的X射线剂量。

另外，本发明还提供一种X射线计算机断层扫描方法，如图5所示，包括如下步骤：

步骤301，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像来确定视野，在机架不倾斜时，得到任一视野横截面的大小及中心坐标；或者在机架倾斜时，得到各视野横截面的大小及中心坐标。

优选地，所述获取视野横截面中心坐标进一步包括：在获取所述中心坐标之前对所述视野横截面进行偏心重建。

在视野横截面获取模块201中已对此有具体说明，这里不再赘述。

步骤302，在机架倾斜时，根据所述任一视野横截面的大小及中心坐标来计算出一个测量域半径；或者在机架倾斜时，根据所述各视野横截面的大小及中心坐标来计算出复数个测量域半径。

根据本发明的第一实施例，当机架在整个扫描过程中不倾斜时，按式(1)来计算任一FOV横截面所在FOM的半径r。

根据本发明的第二实施例，若机架在扫描过程中根据扫描区域的需要而倾斜，按式(2)来计算各FOV横截面所在FOM的半径r_i。

步骤303，在机架不倾斜时，根据所述一个测量域半径r来计算所述中间角度α；或者在机架倾斜时，根据所述复数个测量域半径r_i得到复数个次中间角度α_i，并取所述次中间角度的最大值作为所述中间角度α。

根据本发明的第一实施例，当机架在整个扫描过程中不倾斜时，按式(3)来计算中间角度α。

根据本发明的第二实施例，若机架在扫描过程中根据扫描区域的需要而倾斜，按式(4)-(5)来计算中间角度α。

步骤304，将所述中间角度加上180度得到所述重建角度。

可按式(6)来计算重建角度。

步骤305，根据重建角度

对待检对象进行部分扫描。

进一步，本发明的CT扫描方法还包括步骤306，将曝光角度控制为所述中间角度以对待检对象进行部分扫描。这点在曝光角度控制组件23中已有具体说明，这里不再赘述。

采用本发明的CT扫描***和方法对待检对象进行部分扫描，能够缩短扫描时间，也就提高了时间分辨率，同时减少了病人接受的X射线剂量。如图2所示，虽然照射FOM 9的仍然是固定曝光角度β，但是X射线管1只需要从位置7顺时针旋转角度

到达位置8即可，而不必像图1那样旋转到位置5，由于重建角度减小了

所以缩短了扫描时间。举例而言，若固定重建角度γ为240°，X射线管焦点到机架旋转中心的距离dis_FC是535mm，X射线管焦点到探测器的距离约是940mm，X射线管旋转一周360°的最短时间是0.5s，则根据固定重建角度得到的部分扫描时间约是0.33s。而根据本发明的***和方法，若L_FOV为250mm，机架不倾斜时FOV横截面的中心坐标是(0，-5)，则重建角度

约为220°，这样部分扫描的时间仅为0.3s，比固定重建角度的扫描时间0.33s减少了8.3％，这就更加有利于扫描心脏等运动器官或组织。

另外，图2中在位置7处的X射线扇形束的两条边界半径与位置8处的X射线扇形束的两条边界半径中都发生了交叉，如图中虚线和实线的交叉，而不必像图1中常规部分扫描要求的那样必须有一条边界半径重合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种X射线计算机断层扫描***，用于对待检对象进行部分扫描，该***包括：中间角度计算组件、重建角度计算组件和扫描器，其中，

所述中间角度计算组件，用于根据待检对象的视野横截面的大小和中心坐标来计算中间角度，并将所述中间角度传送给所述重建角度计算组件；

所述重建角度计算组件，用于将所述中间角度加上180度得到所述重建角度，并将所述重建角度传送给所述扫描器；

所述扫描器，用于根据所述重建角度对待检对象进行部分扫描。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述中间角度计算组件包括：视野横截面获取模块、测量域半径计算模块和中间角度计算模块，

所述视野横截面获取模块，用于在机架不倾斜时，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像确定视野，进而得到任一视野横截面的大小及中心坐标；或者在机架倾斜时，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像确定视野，进而得到各视野横截面的大小及中心坐标；并将所述大小及中心坐标传送给所述测量域半径计算模块；

所述测量域半径计算模块，用于根据所述任一视野横截面的大小及中心坐标来计算出一个测量域半径；或者根据所述各视野横截面的大小及中心坐标来计算出复数个测量域半径；并将所述测量域半径传送给所述中间角度计算模块；

所述中间角度计算模块，用于在机架不倾斜时，根据所述一个测量域半径来计算所述中间角度；或者在机架倾斜时，根据所述复数个测量域半径得到复数个次中间角度，并取所述次中间角度的最大值作为所述中间角度；并将所述中间角度传送给所述重建角度计算组件。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述视野横截面获取模块进一步用于在获取所述中心坐标之前，对所述任一视野横截面或者各视野横截面进行偏心重建。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***进一步包括：曝光角度控制组件，用于接收所述中间角度计算模块的所述中间角度，将曝光角度控制为所述中间角度以对待检对象进行部分扫描。

5.一种X射线计算机断层扫描方法，包括如下步骤：

根据待检对象的视野横截面的大小和中心坐标来计算中间角度；

将所述中间角度加上180度得到所述重建角度；

根据所述重建角度对待检对象进行部分扫描。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算中间角度包括：

在机架不倾斜时，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像来确定视野，进而得到任一视野横截面的大小及中心坐标，并根据所述大小及中心坐标，计算所述任一视野横截面的一个测量域半径，再根据所述测量域半径计算所述中间角度。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算中间角度包括：

在机架倾斜时，根据待检对象的前后位定位像和侧位定位像来确定视野，进而得到各视野横截面的大小及中心坐标，并根据所述大小及中心坐标，计算所述各视野横截面的复数个测量域半径，再根据所述测量域半径计算出复数个次中间角度，并取所述次中间角度的最大值作为所述中间角度。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述获取视野横截面中心坐标进一步包括：在获取所述中心坐标之前，对所述视野横截面进行偏心重建。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，根据如下公式来计算测量域半径：

$r=\sqrt{2}(\frac{L_{\mathrm{FOV}}}{2}+\max \{|x\_0|,|y\_0|\left\}\right)$

其中r是所述测量域的半径，L_FOV是视野横截面的宽度与长度中的较大者，max是求最大值的函数，x_0是视野横截面中心的横坐标，y_0是视野横截面中心的纵坐标。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据如下公式来计算中间角度：

$\mathrm{\α}=2\×\arcsin \left(\frac{r}{\mathrm{dis}\_\mathrm{FC}}\right)$

其中，α为所述中间角度，dis_FC是从X射线管的焦点到CT机架中心的距离，r是所述测量域的半径。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据如下公式来计算次中间角度：

${\mathrm{\α}}_i=2\×\arcsin \left(\frac{r_i}{\mathrm{dis}\_\mathrm{FC}}\right)$

其中，i是视野横截面的个数，α_i为第i个视野横截面的次中间角度，dis_FC是从X射线管的焦点到CT机架中心的距离，r_i是第i个视野横截面的测量域半径。

12.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：将曝光角度控制为所述中间角度以对待检对象进行部分扫描。

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