CN103961128A - 变焦点锥形束ct成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变焦点锥形束CT成像设备，此成像设备由机架、机架角度传感器、装有限束装置的可变焦点X射线源、平板探测器、主控制器和图像重建工作站组成。与通常的锥形束CT成像设备相同，此成像设备也采用开放式结构。与通常的锥形束CT成像设备不同的是，射线源发射出来的射线被限束装置限制为窄锥形束或扇形束。在射线源和探测器绕成像目标旋转过程中，通过改变X射线源的焦点使窄锥形束或扇形束在平板探测器上的投影图像不断往复运动，以获取整个扫描区域内成像目标的投影信息。最后这些投影信息在图像重建工作站中被重建为容积图像。通过此变焦点扫描的方式，即可以保留锥形束CT成像设备开放结构的优点，又获得了扇形束CT成像设备可以抑制散射光子产生高品质图像的优点。

Description

变焦点锥形束CT成像设备

技术领域

X线成像设备

背景技术

目前，锥形束CT已经广泛的应用于口腔医学和肿瘤放疗，具有开放式结构，使用方便的优点。但是，与扇形束CT相比，仍存在图像密度信息不准确的缺点。

锥形束CT在获取投影图像时，散射光子对投影图像的影响，是导致扇形束CT图像密度不准确的主要原因。目前，主要有两类方法用来减少散射光子的影响：一类是物理的方法。比如采用限束装置限制锥形束的范围。因为锥形束CT的锥角越小，投影图像中散射光子的成分也越少。但是限制锥形束的范围的同时也限制了成像的范围。对于较大的成像目标此方法就不能适用。另一种物理的方法是在成像目标和平板探测器之间加反散射栅格。反散射栅格虽然可以抑制投影图像中的散射光子，但是也会引入噪声，对于成像目标到探测器距离较小的情况其效果较好。但对于成像目标到探测器距离较大的情况（比如图像引导放疗中使用的集成到加速器上的锥形束CT），添加反散射栅格的效果有限。另一类方法是在投影图像采集后的后处理方法。比如采用monte carlo算法，可以准确的估计投影图像中散射光子的分布。从而从投影图像中减去散射光子的影响，但是即便采用一些简化计算技术， monte carlo算法超大的计算量使其不能在临床可接受的时间内产生高分辨率的散射分布。采用解析模型计算散射光子的分布，虽然具有较快的计算速度，但是对于复杂的成像目标，会产生较大的计算偏差。再比如噪声抑制重构算法在重构图像时将投影图像中的散射光子作为噪声，也可以在一定程度上减少它的影响。

虽然上述技术在减少散射光子的影响方面有其作用，但也都有其局限性。目前,锥形束CT重建图像密度准确性仍明显不及传统的扇形束CT。

考虑到，锥形束CT的锥角越小，投影图像中散射光子的成分也越少。我们发明了一种变焦点锥形束CT成像设备，通过限束装置将锥形束限制在一个较小的锥角范围内，采用变焦点的方式获取成像目标不同区域的投影图像，从而大大减少了散射光子对图像质量的影响。

发明内容

受到扇形束CT的启发，考虑到越小的射束（或越窄的射束）散射光子的成分越小,我们发明了一种变焦点锥形束CT成像设备。

此成像设备由机架及其驱动装置、机架角度传感器、装有限束装置的可变焦点X射线源、平板探测器、主控制器和图像重建工作站组成。机架驱动装置可以驱动机架围绕成像目标旋转。装有限束装置的可变焦点X射线源和平板探测器安装在机架上，可随机架一同旋转。可变焦点X射线源上的限束装置将射线源中发出的射线限制为窄角锥形束或扇形束。在采集投影图像的过程中，可变焦点X射线源一边随机架围绕成像目标旋转，一边不断改变焦点相对于限束装置的位置，从而使窄角锥形束或扇形束投影图像在机架旋转的过程中，不断的扫描整个平板探测器，以获取整个容积图像的投影信息。这样，投影图像不是由一个锥形束投影得到的，而是通过窄锥形束不断往复扫描的方式得到的，窄锥形束可以使更多的散射线被去除，减少散射光子对投影图像的影响，从而重建出高清晰的CT图像。

机架角度传感器实时检测机架的旋转角度，并将此角度信息传输给主控制器。主控制器用来同步射线源焦点变化和平板探测器的图像采集，并记录每一幅投影图像采集时的机架角度。

为了更有效率的利用平板探测器和图像重建工作站之间的带宽，图像重建工作站在从平板探测器读取投影信号时，每次可以按照预先设定的顺序，只读取和传输特定区域内的投影图像。图像重建工作站利用从探测器读取的扫描投影信号、从主控制器获取的此投影信号对应的焦点位置和机架角度,采用FDK重建算法、压缩感知重建算法或迭代优化重建算法重建三维容积图像。

此成像设备通过变焦点的方式，即利用了窄锥形束或扇形束可以抑制散射光子产生高品质图像的优点，又获得了锥形束CT成像设备的开放式结构。

附图说明

图 1 实施例1各部分间数据通信示意图。

图 2 实施例1变焦点扫描示意图。

具体实施方式

具体实施例1

图1展示了一个变焦点锥形束CT成像设备的实施例。

图1中101为可变焦点X射线源，此可变焦点X射线源采用磁场偏转打靶电子束，从而改变射线源焦点的位置（见专利：X-RAY TUBE WITH FLYING FOCUS 专利号：US 6292538 B1）。图1中106为两块矩形钨合金板构成的限束装置。此限束装置将X射线源中产生的射线限制为窄角锥形束。图1中102为平板探测器，105为图像重建工作站，107为安装在图像重建工作站上的图像采集卡。

图1中103为主控制器。主控制器负责驱动机架旋转、获取机架角度传感器104采集的机架角度信号、并同步可变焦点X射线源的焦点切换与平板探测器的投影信号采集工作。其工作过程为：

a) 图像重建工作站发送开始图像采集命令给主控制器。

b) 主控制器通过机架驱动装置驱动机架旋转。

c) 主控制器通过机架角度传感器检测到机架旋转，并发送控制信号给可变焦点X射线源，设置可变焦点X射线源到焦点1。

d) 主控制器发送控制信号给平板探测器，清除平板探测器1区的图像数据。

e) 主控制器从机架角度传感器读取曝光起始机架角度。

f) 曝光指定时间后，图像重建工作站通过图像采集卡读取平板探测器1区的图像数据。

g) 主控制器读取曝光结束机架角度。

h) 主控制器发送控制信号给可变焦点X射线源，设置可变焦点X射线源到焦点2，依照步骤d）e）f）g）依此类推，扫描平板探测器上所有的区。

i) 平板探测器上所有的区都扫描完成后，主控制器设置变焦点X射线源重新回到焦点1，开始新的一轮扫描，直到机架完成旋转。

最后，图像重建工作站利用从探测器读取的投影图像、从主控制器获取的此投影图像对应的焦点位置和机架角度,采用压缩感知重建算法重建三维容积图像。

图1中信号108为主控制器发送给可变焦点X射线源的控制信号和应答；信号109为主控制器发送给平板探测器的控制信号和应答；信号110是图像重建工作站发送给平板探测器的控制信号和读取的投影图像；信号111是机架角度传感器发送给主控制器的机架角度；信号112是图像重建工作站发送给主控制器的控制信号和返回的各个投影图像对应的机架角度等信息。

图2展示了这个实施例变焦点扫描的示意图。图2中201为机架，101为可变焦点X射线源，102为平板探测器。可变焦点X射线源与平板探测器都安装在机架上，在采集投影图像时，随机架一起绕成像目标旋转。104为机架角度传感器。106为限束器，将可变焦点X射线源发出的射线限制为窄锥形束。图2左图中可变焦点X射线源中的焦点在靠近左边的位置，发出的射线通过限束器，照射到平板探测器右边一条状区域。在机架旋转过程中，焦点位置从左到右不断切换位置，并将曝光区域的投影图像传回图像重建工作站。图2右图中可变焦点X射线源中的焦点已经切换到靠近右边的位置，发出的射线通过限束器，照射到平板探测器左边一条状区域。在机架旋转一周的过程中，变焦点X射线源通过切换焦点位置，以上述从左至右的方式扫描成像目标100遍以上，以获得足够的重建信息。。

Claims (8)

1.本发明公开了一种变焦点锥形束CT成像设备，其特征在于此设备由机架及其驱动装置、机架角度传感器、装有限束装置的可变焦点X射线源、平板探测器、主控制器和图像重建工作站组成。

2.根据权利要求1所述的机架及其驱动装置，其特征在于机架驱动装置在图像采集过程中驱动机架围绕成像目标旋转。

3.根据权利要求1所述的装有限束装置的可变焦点X射线源，其特征在于此射线源的焦点在图像采集的过程中，其相对于限束器的位置可以不断变化。

4.根据权利要求1所述的装有限束装置的可变焦点X射线源，其特征在于此射线源上的限束装置限制射线源中发出的X线为窄角锥形束或扇形束。

5.根据权利要求1所述的装有限束装置的可变焦点X射线源，其特征在于此射线源安装在机架上，在采集投影图像的过程中随机架一起旋转，且在随机架旋转的同时，X射线源的焦点位置不断变化，使窄角锥形束或扇形束的投影图像扫描整个平板探测器，并不断重复这个扫描过程。

6.权利要求1所述的平板探测器，其特征在于此探测器安装在机架上，在采集投影图像的过程中随机架一起旋转。

7.权利要求1所述的平板探测器，其特征在于此探测器在读取和传输投影图像时，每次可以按照预先设定的顺序，只读取和传输平板探测器特定区域内的图像。

8.权利要求1所述的图像重建工作站，其特征在于此图像重建工作站利用从探测器读取的投影图像、从主控制器获取的此投影信号对应的焦点位置和机架角度,采用FDK重建算法、压缩感知重建算法或迭代优化重建算法重建三维容积图像。