CN102846331A - 一种x射线计算机断层扫描***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线计算机断层扫描***和方法。该X射线计算机断层扫描***包括：断面扫描参数确定单元，用于确定对各二维断面中的关注区域进行扫描所需的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin；控制曲线确定单元，用于根据所得到的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin，沿床架进出机架的方向确定用于控制三维关注区域扫描的控制曲线；以及扫描器，用于根据所述控制曲线对三维关注区域进行扫描。通过本发明，可以用较少的总放射剂量实现三维关注区域的图像重建，节约了能耗，提高了图像重建的时间分辨率，而且延长了X射线球管的寿命。

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

在进行X射线计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)过程中，通常将待检对象需要进行高质量图像重建的器官或者组织称为关注区域(region of interest，ROI)，该ROI为三维立体区域。基于现有技术，无论希望扫描并重建的ROI位于待检对象的哪个部位或其大小如何，都要根据固定的准直器(phi-collimator)开放程度、固定的放射量和某种扫描方法决定的固定重建角度，对病人进行逐一断层(slide)的放射扫描。

在传统的完全扫描法中，对每个断层都要进行重建角度(irradiation duration)γ为360°的完全扫描。在部分扫描法中，采用某固定重建角度γ(例如240°)来对该断面中的测量域(Field of Measurement，，FOM)进行扫描，FOM决定了直接对待检对象施加的放射剂量和X射线照射区域的大小。而在改进的部分扫描法中(参见专利文献1)，在该断面中要进行重建角度

的放射扫描，其中

是由待检对象的尺寸大小所确定的一个角度值。

由此可见，根据现有的CT扫描技术，即使三维ROI仅为待检对象很小的一个器官或者组织，总的放射剂量也不能减少。

专利文献1：上海西门子医疗器械有限公司于2010年12月19日申请的，申请号为201010286350.0，发明名称为“一种X射线计算机断层扫描***和方法”的发明专利申请。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种进行X射线计算机断层扫描的***和方法，用以在保证三维ROI的重建图像质量的前提下显著地减小每个断面的重建角度，从而有效地减少X射线的总放射剂量。

根据本发明的一个方面，提供一种X射线计算机断层扫描***。该X射线计算机断层扫描***包括：断面扫描参数确定单元，用于确定对各二维断面中的关注区域进行扫描所需的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin；控制曲线确定单元，用于根据所得到的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin，沿床架进出机架的方向确定用于控制三维关注区域扫描的控制曲线；以及扫描器，用于根据所述控制曲线对三维关注区域进行扫描。

优选地，所述断面扫描参数确定单元包括：关系曲线计算单元，用于根据在二维断面中的所述关注区域，计算放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线；最优放射起始角确定单元，用于根据所得到的所述关系曲线，确定该二维断面中的最优放射起始角α₀opt；最小放射附加角确定单元，用于根据所得到的所述关系曲线，确定该二维断面中的最小放射附加角δmin；以及最小重建角度计算单元，用于根据所确定的最小放射附加角δmin来计算该二维断面中的最小重建角度γmin。

优选地，所述关系曲线计算单元以如下方式逐一得到所述关系曲线上给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ，从而得出所述关系曲线：从该二维断面中球管运行圆周轨迹上角度为给定放射起始角α₀的起始点向二维扫描平面上的所述关注区域引两条外切线，并与所述球管运行圆周轨迹相交于两个交点；将从所述起始点开始在所述球管运行圆周轨迹上顺时针转动时后经过的交点作为结束点；计算所述起始点到所述结束点所转过的圆心角与180°的差值，即为所述给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ的值。

优选地，根据该二维断面中的所述关注区域和给定的放射起始角α₀，所述关系曲线计算单元根据如下公式计算放射附加角δ，从而得出所述关系曲线：

$\mathrm{\δ}=2\left[\begin{array}{c}\arcsin \left(\frac{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\sin \left({\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-\mathrm{\α}}_0\right)}{\sqrt{{R_{\mathrm{focus}}}^2+{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}}^2-2R_{\mathrm{focus}}\·\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-{\mathrm{\α}}_0)}}\right)-\\ \arcsin \left(\frac{\mathrm{ROI}\_\mathrm{radius}}{\sqrt{{R_{\mathrm{focus}}}^2+{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}}^2-2R_{\mathrm{focus}}\·\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-{\mathrm{\α}}_0)}}\right)\end{array}\right]$

其中，ROI_adius是该二维断面中所述关注区域的半径，ROI_offset是该二维断面中所述关注区域相对于扫描中心的偏移量，ROI_angle是该二维断面中所述关注区域的位置角，R_focus是所述球管运行圆周轨迹的半径。

优选地，所述最小重建角度计算单元根据如下公式来计算该二维断面中的所述最小重建角度γmin：

γmin＝180°+δmin

其中，δmin是该二维断面中的所述最小放射附加角。

优选地，所述X射线计算机断层扫描***还包括三维关注区域确定单元，用于从被检对象中确定出所述三维关注区域。

优选地，所述三维关注区域确定单元根据预扫描出的拓扑图像计算各二维断面中的关注区域的几何参数，从而确定出所述三维关注区域。

根据本发明的另一个方面，提供一种X射线计算机断层扫描方法，包括：断面扫描参数确定步骤，用于确定对各二维断面中的关注区域进行扫描所需的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin；控制曲线确定步骤，用于根据所得到的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin，沿床架进出机架的方向确定用于控制三维关注区域扫描的控制曲线；以及扫描步骤，用于根据所述控制曲线对三维关注区域进行扫描。

优选地，所述断面扫描参数确定步骤包括：关系曲线计算步骤，用于根据在二维断面中的所述关注区域，计算放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线；最优放射起始角确定步骤，用于根据所得到的所述关系曲线，确定该二维断面中的最优放射起始角α₀opt；最小放射附加角确定步骤，用于根据所得到的所述关系曲线，确定该二维断面中的最小放射附加角δmin；以及最小重建角度计算步骤，用于根据所确定的最小放射附加角δmin来计算该二维断面中的最小重建角度γmin。

优选地，在所述关系曲线计算步骤中，以如下方式逐一得到所述关系曲线上给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ，从而得出所述关系曲线：从该二维断面中球管运行圆周轨迹上角度为给定放射起始角α₀的起始点向二维扫描平面上的所述关注区域引两条外切线，并与所述球管运行圆周轨迹相交于两个交点；将从所述起始点开始在所述球管运行圆周轨迹上顺时针转动时后经过的交点作为结束点；计算所述起始点到所述结束点所转过的圆心角与180°的差值，即为所述给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ的值。

优选地，根据该二维断面中的所述关注区域和给定的放射起始角α₀，在所述关系曲线计算步骤中根据如下公式计算放射附加角δ，从而得出所述关系曲线：

$\mathrm{\δ}=2\left[\begin{array}{c}\arcsin \left(\frac{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\sin \left({\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-\mathrm{\α}}_0\right)}{\sqrt{{R_{\mathrm{focus}}}^2+{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}}^2-2R_{\mathrm{focus}}\·\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-{\mathrm{\α}}_0)}}\right)-\\ \arcsin \left(\frac{\mathrm{ROI}\_\mathrm{radius}}{\sqrt{{R_{\mathrm{focus}}}^2+{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}}^2-2R_{\mathrm{focus}}\·\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-{\mathrm{\α}}_0)}}\right)\end{array}\right]$

其中，ROI_adius是该二维断面中所述关注区域的半径，ROI_offset是该二维断面中所述关注区域相对于扫描中心的偏移量，ROI_angle是该二维断面中所述关注区域的位置角，R_focus是所述球管运行圆周轨迹的半径。

优选地，在所述最小重建角度计算步骤中，根据如下公式来计算该二维断面中的所述最小重建角度γmin：

γmin＝180°+δmin

其中，δmin是该二维断面中的所述最小放射附加角。

优选地，所述X射线计算机断层扫描方法还包括三维关注区域确定步骤，用于从被检对象中确定出所述三维关注区域。

优选地，在所述三维关注区域确定步骤中，根据预扫描出的拓扑图像计算各二维断面中的关注区域的几何参数，从而确定出所述三维关注区域。

优选地，所述X射线计算机断层扫描方法还包括预扫描步骤，用于得到被检对象的拓扑图像。

根据上述技术方案，本发明根据不同三维ROI区域，可以调整每个x-y扫描平面上的X射线的放射起始角和重建角度，这样在机架(gantry)的整个扫描过程中，X射线球管只是在每个x-y扫描平面中较小的重建角度范围内处于开启状态。因此，通过本发明的技术方案，可以利用每个断面中较小的重建角度，即较少的放射剂量实现三维关注区域的图像重建，节约了能耗，提高了图像重建的时间分辨率(temporal resolution)，而且延长了X射线球管的寿命。

而且根据本发明的特点，当对于偏移扫描中心较多的器官或组织进行成像时，或者对于介入性治疗等需要对特定位置高质量成像的特殊医疗处理，可以得到更为显著的效果。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1是本发明具体实施方式中的X射线计算机断层扫描***的***结构图。

图2(a)和图2(b)示出了本发明具体实施方式中的CT设备预扫描出的拓扑图像。

图3(a)示出了本发明具体实施方式中三维关注区域的立体模型图。

图3(b)-(e)示出了本发明具体实施方式中三维关注区域的立体模型中四个断面的扫描平面图。

图4是本发明具体实施方式中的断面扫描参数确定单元的结构图。

图5是本发明具体实施方式中x-y扫描平面的放射起始角和放射附加角的几何关系示意图。

图6示出了一个具体实施例中x-y扫描平面中ROI断面的几何示意图和放射起始角α₀与放射附加角δ的关系曲线图。

图7示出了一个具体实施例中x-y扫描平面中ROI断面的几何示意图和放射起始角α₀与放射附加角δ的关系曲线图。

图8是本发明具体实施方式中的确定断面扫描参数的方法的步骤流程图。

图9是本发明具体实施方式中计算放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线的方法流程图。

图10是三维关注区域的各断面的三个几何参数沿z轴变化的曲线图。

图11是三维关注区域的各断面的最优放射起始角和最小放射附加角沿z轴变化的曲线图。

图12是三维关注区域的各断面的最优放射起始角和最小重建角度沿z轴变化的曲线图。

图13是本发明具体实施方式中X射线断层扫描的方法流程图。

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。

图1是本发明具体实施方式中的X射线计算机断层扫描***的***结构图。

如图1所示，在本发明的具体实施方式中，X射线计算机断层扫描***包括：断面扫描参数确定单元10，用于确定对各二维断面中的关注区域进行扫描所需的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin；控制曲线确定单元20，用于根据所得到的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin，沿床架进出机架的方向确定用于控制三维关注区域扫描的控制曲线；以及扫描器30，用于根据所述控制曲线对三维关注区域进行扫描。

在一个优选实施例中，该X射线计算机断层扫描***还包括三维关注区域确定单元40，用于从被检对象中确定出所述三维关注区域。

下面，我们首先来介绍本发明具体实施方式中有关确定三维ROI的技术内容。

确定三维ROI

在本发明中，定义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。

在本发明具体实施方式中，假设只需要针对三维ROI所对应的器官或者组织进行高质量的图像重建。该ROI区域可以包括部分器官或组织、整个器官或组织，或者医疗检查中所关注的几个器官或组织的集合。

在CT设备开始正式扫描前，通常需要对待检对象预扫描若干幅定位图像，这种定位图像被称为拓扑图像(topography image)。图2示出了本发明具体实施方式中所使用的拓扑图像的实例。通常可以对待检对象扫描如图2(a)所示的正位拓扑图像和如图2(b)所示的侧位拓扑图像等。这些拓扑图像用以确定待检对象中三维ROI大概的位置和大小，从而得到粗略的扫描范围。

对于某具体医疗检查应用，三维关注区域确定单元40可以根据拓扑图像，运用特定的图像识别算法来自动识别出一参考的三维ROI区域，之后可以再根据实际的医疗用途对参考的三维ROI区域做手动调整，从而确定出所关注的三维ROI区域。

为了便于分析和理解，我们可以将三维ROI理解为若干个断面在z方向上堆叠而成的三维空间体，其中每个断面构成一个x-y扫描平面，又可称为二维x-y平面ROI或ROI断面。由此，三维关注区域确定单元40也可以根据预扫描出的拓扑图像计算各二维断面中的ROI的几何参数，从而确定出三维ROI。

对于z轴上的每个位置(用变量z_i表示)，图2(a)中所示的待检对象正位拓扑图像可用来确定三维ROI在x方向上的大小和位置，该大小和位置用变量L_x(z_i)和C_x(z_i)表示，其中L_x(z_i)和C_x(z_i)分别表示正位拓扑图像中在z_i位置处线断面的长度和中心位置；同时，图2(b)中所示的待检图像侧位拓扑图像可用来确定三维ROI在y方向上的大小和位置，该大小和位置用变量L_y(z_i)和C_y(z_i)表示，其中L_y(z_i)和C_y(z_i)分别表示侧位拓扑图像中在z_i位置处线断面的长度和中心位置。

为了方便分析和计算，三维关注区域确定单元40可将三维ROI区域在每个x-y平面上的断面均指定为一圆形。这样，对于z轴上的每个z_i位置，有关ROI某一个x-y平面断面的几个主要几何参数就可以根据拓扑图像中的变量参数，通过如下公式(1)-(4)计算得到：

$\mathrm{ROI}\_\mathrm{radius}|z_i=\max \{\frac{L_x\left(z_i\right)}{2},\frac{L_y\left(z_i\right)}{2}\}...\left(1\right)$

$\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}|z_i=\sqrt{C_x{\left(z_i\right)}^2+C_y{\left(z_i\right)}^2}...\left(2\right)$

$\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle})=\frac{C_x\left(z_i\right)}{\sqrt{C_x{\left(z_i\right)}^2+C_y{\left(z_i\right)}^2}}...\left(3\right)$

$\sin (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle})=\frac{C_y\left(z_i\right)}{\sqrt{C_x{\left(z_i\right)}^2+C_y{\left(z_i\right)}^2}}...\left(4\right)$

其中，ROI_adius是ROI断面的圆半径；ROI_offset是ROI断面相对于相应x-y平面的扫描中心(Iso中心)的偏移量；ROI_angle是ROI的位置角，其在0°-360°之间取值。本领域技术人员可知，通过公式(3)和公式(4)的结果，可以确定出ROI_angle的值。

这样，根据ROI在各x-y断面上的几何参数(ROI_radius，ROI_offset和ROI_angle的值)，三维关注区域确定单元40可以构建出三维ROI的立体模型。

图3示出了本发明具体实施方式中三维ROI的立体模型图和其中四个断面的扫描平面图。其中，图3(a)是所构建出的三维ROI的立体模型图，图3(b)-(e)是取值分别为z轴上四个坐标的x-y断面上的扫描平面图。

在图3(b)-(e)中，z轴坐标取值分别为z＝0mm，z＝47mm，z＝96mm和z＝150mm。根据图3(a)中所示的三维ROI立体模型，图3(b)-(e)中的每个图示出了相应ROI断面在扫描平面上的大小和位置，其中中心点代表相应断面的Iso中心，虚线圆圈(1)表示X射线球管在相应断面中的球管运行圆周轨迹，虚线圆圈(2)表示相应断面的测量域FOM，而实线圆圈(3)则表示ROI在该x-y平面中的相应断面。

在本具体实施方式中，我们首先说明本发明在一个x-y扫描平面中的实施方式，之后我们将这种实施方式扩展到三维ROI中，从而构成本发明具体实施方式中的***和方法。

x-y扫描平面

在x-y扫描平面中，不同于现有的部分扫描法，本具体实施方式中的放射起始角α₀将根据ROI断面的大小和位置来进行适应性的选择，以得到较小的放射附加角δ和重建角度γ。

图4是本发明具体实施方式中的断面扫描参数确定单元的结构图。

如图4所示，本发明具体实施方式中的断面扫描参数确定单元10包括：关系曲线计算单元101，用于根据在二维x-y扫描平面中的ROI断面，计算放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线；最优放射起始角确定单元102，用于根据所得到的关系曲线，确定该x-y扫描断面中的最优放射起始角α₀opt；最小放射附加角确定单元103，用于根据所得到的关系曲线，确定该x-y扫描平面中的最小放射附加角δmin；以及最小重建角度计算单元104，用于根据所确定的最小放射附加角δmin来计算该x-y扫描平面中的最小重建角度γmin。

对于指定的ROI断面，本具体实施方式可以确定使所需重建角度γ最小的最优放射起始角α₀opt以及所对应的最小重建角度γmin。

经过发明人研究发现，在只需要针对ROI在x-y扫描平面上的断面进行高质量的图像重建的情况下，从适当的放射起始角α₀开始进行一定重建角度的扫描即可得到对ROI进行数据重建所需的最小数据量，重建角度γ可按照如下公式(5)来计算：

γ＝180°+δ                    ……………………(5)

其中δ在本发明中称为放射附加角，其是由ROI断面和放射起始角α₀共同确定的角度值。

通过研究可知，由于放射附加角δ通常小于现有技术中所设定的60°扇角或

甚至可能是负角度，因此相比起现有技术，本发明可以显著地减小扫描各ROI断面所需的重建角度γ，从而减小总的放射剂量。

图5是本发明具体实施方式中x-y扫描平面中放射起始角和放射附加角的几何关系示意图。

如图5所示，当X射线球管从球管运行圆周轨迹(如图5中外圈虚线所示)上的位置1作为放射起始点开始发射X射线并沿圆周轨迹进行顺时针转动时，当设定以从Iso中心4指向3点钟方向的坐标轴作为0°坐标轴位置，则该位置1在x-y平面中所对应的转角即为放射起始角α₀。图5中同时示出了在此x-y扫描平面中由关注区域确定单元40确定出的、需要进行高质量图像重建的ROI断面的位置。

在本具体实施方式中，关系曲线计算单元101首先根据确定的ROI断面，计算出放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线。

首先，关系曲线计算单元101可以通过如下几何方式来确定某给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ的值。如图5所示，从位置1引出ROI断面的圆形区域的两条外切线，并与球管运行圆周轨迹相交于位置2和位置3两点。经过研究发现，将X射线球管沿球管运行圆周轨迹顺时针旋转至后相遇的交点位置，将该点作为放射结束点，在图5中即为位置2的点，即可得到对ROI断面进行数据重建所需的最小数据量。由此可见，放射起始点到放射结束点所转过的圆心角与180°的差值，即为给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ的值。

由于在图5所示的实例中δ角度为负值，因此图5中位置2与Iso中心4的连线和位置1与Iso中心4连线的延长线之间的夹角大小即为放射附加角δ的绝对值大小。从图5可以看出，X射线球管从放射起始点(位置1)到放射结束点(位置2)所旋转过的角度即为重建角度γ，根据公式(5)，放射附加角δ与重建角度γ具有180°的角度差，因而可以通过确定放射附加角δ来确定重建角度γ。由此关系可知，δ值越小则X射线球管在该x-y扫描平面中的重建角度γ越小，则对于该ROI断面实施的放射剂量越小。

如上所述，关系曲线计算单元101可以通过几何方式确定给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ的值。同样，对于某给定的放射起始角α₀，本领域技术人员也可以根据在公式(1)-(4)中所确定的ROI断面的数学参数，通过数学公式来计算出给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ的值。

对于在x-y平面中确定的ROI断面，可以通过公式(1)-(4)中所确定的ROI_adius、ROI_offset和ROI_angle三个变量的值来确定该ROI的准确位置。本领域技术人员可以理解，根据上述三个变量所确定的ROI位置和给定的放射起始角α₀，便可以根据如下公式(6)计算出放射附加角δ的值：

$\mathrm{\δ}=2\left[\begin{array}{c}\arcsin \left(\frac{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\sin \left({\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-\mathrm{\α}}_0\right)}{\sqrt{{R_{\mathrm{focus}}}^2+{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}}^2-2R_{\mathrm{focus}}\·\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-{\mathrm{\α}}_0)}}\right)-\\ \arcsin \left(\frac{\mathrm{ROI}\_\mathrm{radius}}{\sqrt{{R_{\mathrm{focus}}}^2+{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}}^2-2R_{\mathrm{focus}}\·\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-{\mathrm{\α}}_0)}}\right)\end{array}\right]...\left(6\right)$

其中，R_focus是球管运行圆周轨迹的半径，即图5中外圈虚线圆的半径。

如上所述，本领域技术人员可以用图5中的几何作图法或者根据所给定的ROI断面的数学参数来确定给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ。当放射起始角在α₀在0°-360°范围内逐一取值，关系曲线计算单元101就可以得到在给定ROI断面的条件下，放射起始角α₀与放射附加角δ的关系曲线，如图6(a)和图7(a)所示。

图6和图7分别示出了两个不同x-y扫描平面中ROI断面的几何示意图和放射起始角α₀与放射附加角δ的关系曲线图。在图6(b)、图6(c)、图7(b)、图7(c)中，分别示出了对于两个不同ROI断面的x-y平面几何示意图，其中图6中的ROI断面较大，且覆盖了x-y扫描平面的Iso中心，而图7中的ROI断面较小，且远离x-y扫描平面的Iso中心。图6(a)和图7(a)分别针对两个ROI断面，示出了放射起始角α₀与放射附加角δ的关系曲线。本领域技术人员可以用图5中的几何作图法或者根据所给定的ROI断面的数学参数，通过公式(6)来得到图6(a)和图7(a)所示的关系曲线。

通过公式(5)可知，放射附加角δ越小则X射线球管的重建角度γ越小，则针对ROI断面所需的放射剂量越小，因而本领域技术人员需要确定出x-y扫描平面中使放射附加角δ达到最小值δmin的最优放射起始角α₀opt。

根据关系曲线计算单元101计算出的关系曲线，最优放射起始角确定单元102可以将关系曲线上放射附加角δ为最小值时的放射起始角α₀确定为的最优放射起始角α₀opt。同时，根据关系曲线计算单元101计算出的关系曲线，最小放射附加角确定单元103也可以确定出最小放射附加角δmin的值。进而，最小重建角度计算单元104可以根据所确定的最小放射附加角δmin，利用公式(5)求得最小重建角度γmin。

在确定了最优放射起始角α₀opt和最小重建角度γmin之后，CT***可以将它们一同存储起来，以作为用于得到后文中将说明的控制曲线的数据。

下面，我们以图6和图7为例，说明本具体实施方式中的X射线计算机断层扫描***在对x-y扫描平面中的ROI断面进行扫描时，相对于现有技术的显著技术效果。

如图6所示，这里所给定的ROI断面较大而且覆盖x-y扫描平面的Iso中心，它的位置参数分别是ROI_radius＝150mm、ROI_offset＝50mm、ROI_angle＝60°。此时，最优放射起始角α₀opt所对应的最小放射附加角δmin＝19.35°，即此时的最小重建角度γmin为180°+19.35°＝199.35°。对比传统的完全扫描法，重建角度γ和所对应的放射剂量减少了大约44.6％，而对比部分扫描法，重建角度γ和所对应的放射剂量减少了大约17％。

如图7所示，这里所给定的ROI断面较小而且远离x-y扫描平面的Iso中心，它的位置参数分别是ROI_radius＝50mm、ROI_offset＝200mm、ROI_angle＝230°。此时，最优放射起始角α₀opt所对应的最小放射附加角δmin＝-29.2°，即此时的最小重建角度γmin为180°+(-29.2°)＝154.7°。对比传统的完全扫描法，重建角度γ和所对应的放射剂量减少了大约57％，而对比部分扫描法，重建角度γ和所对应的放射剂量减少了大约37.2％。

由图6和图7中不同的ROI断面情况可以看出，当ROI断面并不覆盖x-y扫描平面的Iso中心的时候，δmin为负值，此时重建角度γ可以小于180°，因此x-y扫描平面中用于扫描ROI断面的放射剂量可以得到显著的减小。特别是，当ROI断面的范围较小而且靠近x-y扫描平面的FOM边缘的时候，放射剂量可以得到更大幅度的减小。

下面，我们说明针对给定的x-y扫描平面，确定并存储该平面中的ROI断面的最优放射起始角α₀opt和最小重建角度γmin的方法。

图8是本发明具体实施方式中的确定断面扫描参数的方法的步骤流程图。

如图8所示，步骤S51用于根据在该x-y扫描平面中的ROI断面，计算放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线。如上所述，在步骤S51中，本领域技术人员可以用图5中的几何作图法或者根据所给定的ROI断面的数学参数、通过公式(6)来确定给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ。当放射起始角在α₀在0°-360°范围内逐一取值，就可以得到在给定ROI断面的条件下，放射起始角α₀与放射附加角δ的关系曲线，例如图6(a)和图7(a)所示。在该步骤S51中，包括了步骤S511-S514多个步骤，具体见图9中所示的方法流程图。

图9是本具体实施方式中计算放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线的流程图。

如图9所示，首先在步骤S511中，设置α₀＝0°，即从放射起始角为0°的位置开始进行计算。流程进入步骤S512。

在步骤S512中，利用ROI断面的几何参数(ROI_radius，ROI_offset、ROI_angle)和给定的α₀的值，根据公式(6)计算得到放射附加角δ的值。流程进入步骤S513。

在步骤S513中，判断放射起始角α₀是否小于360°，即判断是否对圆周上所有放射起始角α₀都进行了计算。如果判断为α₀小于360°，则流程进入步骤S514，如果α₀不小于360°，则对圆周上所有放射起始角α₀都进行了计算，即已经确定了ROI断面中放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线，流程同时进入步骤S52和步骤S53。

在步骤S514中，设置α₀＝α₀+Δα后流程回到步骤S512。即，将放射起始角α₀的值加上一个增量Δα后再次计算所对应的放射附加角δ的值。该增量Δα可根据操作者所需精度由操作者自行设置。

返回到图8所示的方法流程图。在步骤S52中，根据所得到的关系曲线，确定最优放射起始角α₀opt。流程进入步骤S55。

在步骤S53中，根据所得到的关系曲线，确定最小放射附加角δmin。流程进入步骤S54。

在步骤S54中，根据所确定的最小放射附加角δmin和公式(5)，计算最小重建角度γmin＝180°+δmin。流程进入步骤S5。

在步骤S55中，在确定了x-y扫描平面的最优放射起始角α₀opt和最小重建角度γmin之后，将它们一起进行存储。

x-y-z三维ROI的扫描控制曲线

正如上面所说明的，只要确定了某x-y扫描平面中ROI断面的几何参数(ROI_radius，ROI_offset和ROI_angle的值)，就可以计算出对应于这个x-y扫描平面的最优放射起始角α₀opt和最小重建角度γmin。对于z轴的z_i位置，x-y扫描平面上的ROI区域对应于整个三维ROI在z_i位置上的断面。下面，我们将上述对于x-y扫描平面的分析和计算扩展到x-y-z三维空间中，从而求出本发明具体实施方式中对整个三维ROI进行扫描所需的控制曲线。

图10至图12示出了由所确定出的三维ROI逐步得到X射线球管对三维ROI进行扫描的控制曲线的过程。图10是图3中所示三维ROI模型各断面的三个几何参数沿z轴变化的曲线图。图11是各ROI断面的最优放射起始角α₀opt和最小放射附加角δmin沿z轴变化的曲线图。图12是各ROI断面的最优放射起始角α₀opt和最小重建角度γmin沿z轴变化的曲线图。

如上面已经分析过的，对于三维ROI而言，沿z轴的每个x-y扫描平面的ROI断面的三个几何参数就可以基于图2中所示的正位拓扑图像和侧位拓扑图像，通过公式(1)-(4)来确定。随着坐标z_i的变化，我们就可以分别得到ROI断面的半径(ROI_radius)、ROI断面相对于Iso中心的偏移量(ROI_offset)、ROI断面的位置角(ROI_angle)分别沿z轴所形成的曲线，如图10所示。

如上文说明的，对于x-y扫描平面，我们可以确定出该扫描平面的最优放射起始角α₀opt和最小放射附加角δmin。随着坐标z_i的变化，我们可以得到扫描平面的最优放射起始角α₀opt和最小放射附加角δmin分别沿z轴所形成的曲线，如图11所示。进而，根据公式(5)，我们可以得到扫描平面的最优放射起始角α₀opt和最小重建角度γmin分别沿z轴所形成的曲线，如图12所示。

对于三维ROI，我们可以将得到的最优放射起始角α₀opt和最小重建角度γmin沿z轴所形成的曲线作为控制X射线球管对ROI进行扫描的控制曲线，根据该曲线进行CT***的扫描控制。这样，在每个x-y扫描平面都实现了放射剂量的最小化，从而最终减少了整个三维扫描的总放射剂量。

以本具体实施方式中，以图3所示的三维ROI模型为例，z轴上的各扫描平面的平均重建角度为180.56°，相比于重建角度为240°的部分扫描法，总放射剂量减少了24.8％，如果相比起传统的重建角度为360°的完全扫描法，总放射剂量更是减少了49.8％。

图13是本发明具体实施方式中X射线断层扫描方法的完整流程图。其中，0和Zmax分别代表了三维ROI在病床进出机架的z方向上的两个极值位置。

在步骤S1中，首先在CT设备开始扫描前进行拓扑图像的预扫描，可以包括图2中所示出的正位拓扑图像和侧位拓扑图像。流程进入步骤S2。

在步骤S2中，确定待检对象中三维ROI大概的位置和大小，从而得到粗略的扫描范围。具体地，可以对拓扑图像运用特定的图像识别算法以自动识别出一参考的三维ROI区域，之后根据实际的医疗用途对参考的三维ROI区域做手动调整，从而确定出所关注的三维ROI区域。

如果为了精确的计算，在步骤S2中还可以利用公式(1)-(4)计算出在各x-y扫描平面中ROI断面的几何参数(ROI_radius，ROI_offset和ROI_angle的值)，从而构建出三维ROI的立体模型图，如图3所示。当然，对于每个ROI断面上的几何参数，也可以在后续介绍的步骤S4中进行计算。流程进入步骤S3。

从步骤S3到步骤S8的流程中，我们要计算每个x-y扫描平面中的最优放射起始角α₀opt和最小重建角度γmin，并得到用于控制X射线球管对三维ROI进行放射扫描的控制曲线。

在步骤S3中，设置z轴位置坐标z＝0，即从三维ROI在病床进出机架的z方向上的最小极值位置开始进行计算。流程进入步骤S4。

在步骤S4中，根据给定的z轴位置，利用公式(1)-(4)计算x-y扫描平面中的相应ROI断面的几何参数ROI_radius，ROI_offset和ROI_angle的值。流程进入步骤S5。

步骤S5中包括了步骤S51-S55多个步骤，用于针对给定的x-y扫描平面，确定并存储该平面中的ROI断面的最优放射起始角α₀opt和最小重建角度γmin，如图8所示。

步骤S51用于根据ROI断面，计算该x-y扫描平面中的放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线，其包括了步骤S511-S514多个步骤，如图9所示。

首先在步骤S51的步骤S511中，设置α₀＝0°，即从放射起始角为0°的位置开始进行计算。流程进入步骤S512。

在步骤S512中，利用在步骤S2或者步骤S4中计算得到的ROI断面的几何参数(ROI_radius，ROI_offset、ROI_angle)和给定的α₀的值，根据公式(6)计算得到放射附加角δ的值。流程进入步骤S513。

在步骤S513中，判断放射起始角α₀是否小于360°，即判断是否对圆周上所有放射起始角α₀都进行了计算。如果判断为α₀小于360°，则流程进入步骤S514，如果α₀不小于360°，则对圆周上所有放射起始角α₀都进行了计算，即已经确定了ROI断面中放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线，流程进入步骤S52和步骤S53。

在步骤S514中，设置α₀＝α₀+Δα后流程回到步骤S512。即，将放射起始角α₀的值加上一个增量Δα后再次计算所对应的放射附加角δ的值。该增量Δα可根据操作者所需精度由操作者自行设置。

在步骤S52中，根据所得到的关系曲线，确定该x-y扫描平面中的最优放射起始角α₀opt。流程进入步骤S55。

在步骤S53中，根据所得到的关系曲线，从所得到的所有放射附加角δ中确定该x-y扫描平面中的最小放射附加角δmin。流程进入步骤S54。

在步骤S54中，根据在步骤S53中所确定的最小放射附加角δmin和公式(5)，计算该x-y扫描平面中的最小重建角度γmin＝180°+δmin。流程进入步骤S55。

在步骤S55中，将在步骤S52中确定的最优放射起始角α₀opt和在步骤S54中确定的最优放射起始角α₀opt一起存储。

至此，我们已经针对给定的x-y扫描平面，确定并存储了该平面中的ROI断面的最优放射起始角α₀opt和最小重建角度γmin。流程进入步骤S6。

在步骤S6中，判断z轴坐标是否小于Zmax，即判断是否对整个三维ROI的所有断面都进行了计算。如果判断为z小于Zmax，则流程进入步骤S7，如果z不小于Zmax，则说明对整个三维ROI的所有断面都进行了计算，流程进入步骤S8。

在步骤S7中，设置z＝z+Δz之后流程回到步骤S4。即，将z轴坐标的值加上一个增量Δz后再次计算x-y扫描平面中的相应ROI断面的几何参数ROI_radius，ROI_offset和ROI_angle的值。该增量Δz可根据操作者所需精度由操作者自行设置。

在步骤S8中，根据沿z轴逐一计算出并存储的、针对三维ROI各个断面的结果对(最小重建角度γmin和最优放射起始角α₀opt)，控制曲线确定单元20确定出用于控制X射线球管进行三维ROI扫描的控制曲线，如图12所示。流程进入步骤S9。

在步骤S9中，CT***中的扫描器30根据步骤S8中所确定的控制曲线对三维ROI进行放射扫描。

根据分析和计算表明，本发明可以显著地减少X球管对于ROI的总放射剂量。在ROI较小而且接近FOM边缘的情况下，相比于重建角度为240°的部分扫描法，总放射剂量最多可减少40％，而相比起传统的重建角度为360°的完全扫描法，总放射剂量最多可减少60％。

相对于现有技术中的完全扫描法或者部分扫描法，本发明在保证原有ROI区域图像质量的情况下显著减小了每个扫描平面的重建角度，从而减少了总的放射剂量。由于X射线放射量的减少，所消耗的能量也相应减少，提高了时间分辨率，而且延长了X射线球管的寿命。

而且根据本发明的特点，当对于偏移扫描中心较多的器官进行成像时，或者对于介入性治疗等需要对特定位置高质量成像的特殊医疗处理，则可以得到更为显著的效果。

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***，包括：

断面扫描参数确定单元(10)，用于确定对各二维断面中的关注区域进行扫描所需的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin；

控制曲线确定单元(20)，用于根据所得到的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin，沿床架进出机架的方向确定用于控制三维关注区域扫描的控制曲线；以及

扫描器(30)，用于根据所述控制曲线对三维关注区域进行扫描。

2.根据权利要求1所述的X射线计算机断层扫描***，其特征在于，所述断面扫描参数确定单元(10)包括：

关系曲线计算单元(101)，用于根据在二维断面中的所述关注区域，计算放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线；

最优放射起始角确定单元(102)，用于根据所得到的所述关系曲线，确定该二维断面中的最优放射起始角α₀opt；

最小放射附加角确定单元(103)，用于根据所得到的所述关系曲线，确定该二维断面中的最小放射附加角δmin；以及

最小重建角度计算单元(104)，用于根据所确定的最小放射附加角δmin来计算该二维断面中的最小重建角度γmin。

3.根据权利要求2所述的X射线计算机断层扫描***，其特征在于，所述关系曲线计算单元(101)以如下方式逐一得到所述关系曲线上给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ，从而得出所述关系曲线：

从该二维断面中球管运行圆周轨迹上角度为给定放射起始角α₀的起始点向二维扫描平面上的所述关注区域引两条外切线，并与所述球管运行圆周轨迹相交于两个交点；

将从所述起始点开始在所述球管运行圆周轨迹上顺时针转动时后经过的交点作为结束点；

计算所述起始点到所述结束点所转过的圆心角与180°的差值，即为所述给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ的值。

4.根据权利要求2所述的X射线计算机断层扫描***，其特征在于，根据该二维断面中的所述关注区域和给定的放射起始角α₀，所述关系曲线计算单元(101)根据如下公式计算放射附加角δ，从而得出所述关系曲线：

$\mathrm{\δ}=2\left[\begin{array}{c}\arcsin \left(\frac{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\sin \left({\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-\mathrm{\α}}_0\right)}{\sqrt{{R_{\mathrm{focus}}}^2+{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}}^2-2R_{\mathrm{focus}}\·\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-{\mathrm{\α}}_0)}}\right)-\\ \arcsin \left(\frac{\mathrm{ROI}\_\mathrm{radius}}{\sqrt{{R_{\mathrm{focus}}}^2+{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}}^2-2R_{\mathrm{focus}}\·\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-{\mathrm{\α}}_0)}}\right)\end{array}\right]$

其中，ROI_adius是该二维断面中所述关注区域的半径，ROI_offset是该二维断面中所述关注区域相对于扫描中心的偏移量，ROI_angle是该二维断面中所述关注区域的位置角，R_focus是所述球管运行圆周轨迹的半径。

5.根据权利要求2所述的X射线计算机断层扫描***，其特征在于，所述最小重建角度计算单元(104)根据如下公式来计算该二维断面中的所述最小重建角度γmin：

γmin＝180°+δmin

其中，δmin是该二维断面中的所述最小放射附加角。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的X射线计算机断层扫描***，其特征在于，

还包括三维关注区域确定单元(40)，用于根据预扫描出的拓扑图像计算各二维断面中的关注区域的几何参数，从而确定出所述三维关注区域。

7.一种X射线计算机断层扫描方法，包括：

断面扫描参数确定步骤，用于确定对各二维断面中的关注区域进行扫描所需的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin；

控制曲线确定步骤，用于根据所得到的各最优放射起始角α₀opt和各最小重建角度γmin，沿床架进出机架的方向确定用于控制三维关注区域扫描的控制曲线；以及

扫描步骤，用于根据所述控制曲线对三维关注区域进行扫描。

8.根据权利要求7所述的X射线计算机断层扫描方法，其特征在于，所述断面扫描参数确定步骤包括：

关系曲线计算步骤，用于根据在二维断面中的所述关注区域，计算放射起始角α₀与放射附加角δ之间的关系曲线；

最优放射起始角确定步骤，用于根据所得到的所述关系曲线，确定该二维断面中的最优放射起始角α₀opt；

最小放射附加角确定步骤，用于根据所得到的所述关系曲线，确定该二维断面中的最小放射附加角δmin；以及

最小重建角度计算步骤，用于根据所确定的最小放射附加角δmin来计算该二维断面中的最小重建角度γmin。

9.根据权利要求8所述的X射线计算机断层扫描方法，其特征在于，在所述关系曲线计算步骤中，以如下方式逐一得到所述关系曲线上给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ，从而得出所述关系曲线：

从该二维断面中球管运行圆周轨迹上角度为给定放射起始角α₀的起始点向二维扫描平面上的所述关注区域引两条外切线，并与所述球管运行圆周轨迹相交于两个交点；

将从所述起始点开始在所述球管运行圆周轨迹上顺时针转动时后经过的交点作为结束点；

计算所述起始点到所述结束点所转过的圆心角与180°的差值，即为所述给定放射起始角α₀所对应的放射附加角δ的值。

10.根据权利要求8所述的X射线计算机断层扫描方法，其特征在于，根据该二维断面中的所述关注区域和给定的放射起始角α₀，在所述关系曲线计算步骤中根据如下公式计算放射附加角δ，从而得出所述关系曲线：

$\mathrm{\δ}=2\left[\begin{array}{c}\arcsin \left(\frac{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\sin \left({\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-\mathrm{\α}}_0\right)}{\sqrt{{R_{\mathrm{focus}}}^2+{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}}^2-2R_{\mathrm{focus}}\·\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-{\mathrm{\α}}_0)}}\right)-\\ \arcsin \left(\frac{\mathrm{ROI}\_\mathrm{radius}}{\sqrt{{R_{\mathrm{focus}}}^2+{\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}}^2-2R_{\mathrm{focus}}\·\mathrm{ROI}\_\mathrm{offset}\·\cos (\mathrm{ROI}\_\mathrm{angle}-{\mathrm{\α}}_0)}}\right)\end{array}\right]$

其中，ROI_adius是该二维断面中所述关注区域的半径，ROI_offset是该二维断面中所述关注区域相对于扫描中心的偏移量，ROI_angle是该二维断面中所述关注区域的位置角，R_focus是所述球管运行圆周轨迹的半径。

11.根据权利要求8所述的X射线计算机断层扫描方法，其特征在于，在所述最小重建角度计算步骤中，根据如下公式来计算该二维断面中的所述最小重建角度γmin：

γmin＝180°+δmin

其中，δmin是该二维断面中的所述最小放射附加角。

12.根据权利要求7-11中任意一项所述的X射线计算机断层扫描方法，其特征在于，

还包括三维关注区域确定步骤，用于根据预扫描出的拓扑图像计算各二维断面中的关注区域的几何参数，从而确定出所述三维关注区域。

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