CN105491950A - 用于实现螺旋计算机断层摄影中的最优snr的可调节蝴蝶结滤波器 - Google Patents
用于实现螺旋计算机断层摄影中的最优snr的可调节蝴蝶结滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
提出了一种在具有X射线源的螺旋计算机断层摄影(CT)***中使用的滤波器组件，所述X射线源用于沿投影轴投影X射线束，所述滤波器组件包括：第一滤波器元件，其用于使所述X射线束的至少部分衰减，所述第一滤波器元件被构建为用于使X射线衰减的具有大孔径的背景光楔；以及第二滤波器元件，其用于使所述X射线束的至少部分衰减，所述第二滤波器元件被构建为创建脊形。所述第二滤波器元件可以相对于所述滤波器组件旋转、或者关于所述滤波器组件而被调节、或者被从所述滤波器组件移除或替换，以允许适于不同的螺旋节距值。
Description
技术领域
本公开涉及计算机断层摄影(CT)。更具体地，本公开涉及用于控制CT***中的X射线束的空间强度分布的X射线滤波器。
背景技术
计算机断层摄影(CT)***典型地包括被准直的X射线源，以形成被引导通过待成像的对象(即患者)并且由X射线探测器阵列所接收的扇形束。X射线源、扇形束和探测器阵列被定向为位于笛卡尔坐标系的x-y平面(称为“成像平面”)内。X射线源和探测器阵列可以在机架上一起在成像平面内围绕被成像的对象并且因此围绕笛卡尔坐标系的z轴旋转。
在CT***中，被称为射束成形器的设备一般被用于使患者接收的X射线辐射剂量最小化。实现该目标的方式之一是将一块蝴蝶结形状的聚合物(称为“光楔”(wedge))***X射线束的路径中。用作X射线衰减滤波器的光楔一般是合成聚合物，例如具有与水的以及由此人体的X射线吸收谱特性相近的X射线吸收谱特性的聚四氟乙烯(Teflon)。衰减滤波器旨在补偿被成像的身体的厚度的变化。经过被成像的身体的中心(通常为最厚的部分)的X射线由该滤波器最少地衰减，而经过被成像的身体的边缘(通常为最薄的部分)的X射线由该滤波器较多地衰减。该选择性衰减的结果为，撞击在探测器上的X射线具有类似的强度。因此衰减滤波器可以允许使用降低X射线强度的范围的更灵敏的X射线探测器。
现今，放射学的问题是如何在不对关于患者运动的鲁棒性和图像质量进行折衷的情况下降低CT扫描期间的辐射剂量。因此，存在对发展用于对X射线束的入射强度进行调制的滤波器的增加的需要。
发明内容
根据本公开的方面，提出了一种滤波器组件。所述滤波器组件包括：第一滤波器元件，其用于使X射线束的至少部分衰减，所述第一滤波器元件被构建为用于使X射线衰减的具有大孔径的背景光楔；以及第二滤波器元件，其用于使所述X射线束的至少部分衰减，所述第二滤波器元件被构建为创建脊形(ridge)。
根据本公开的方面，所述第二滤波器元件是旋转的。所述第二滤波器元件的旋转允许适于不同的螺旋节距值。
根据本公开的另一方面，所述第一滤波器元件保持固定，或者能够被从射束完全移除以适于轴向扫描。
根据本公开的另一方面，所述第一滤波器元件和所述第二滤波器元件被定位在所述X射线源与探测器之间以重建对象，所述X射线束被投影到所述对象上。重建利用一个或多个重建算法而发生。
根据本公开的又一方面，所述第一滤波器元件和所述第二滤波器元件组合以形成基本上蝴蝶结形状的滤波器。
根据本公开的另外的方面，所述第一滤波器元件和所述第二滤波器元件导致对被投影到对象上的所述X射线束的平均权重的分割。
根据本公开的方面，提出了一种滤波器组件。所述滤波器组件包括：具有第一形状的第一滤波器层；以及具有第二形状的第二滤波器层，所述第二形状与所述第一形状不同。所述第二滤波器层适于并被调节尺寸来旋转，以容纳多个不同的螺旋节距值。
根据本公开的又一方面，提出了一种用于在使用螺旋计算机断层摄影(CT)***时降低辐射曝光的方法。所述方法包括以下步骤：将第一滤波器元件和第二滤波器元件定位在患者与发射X射线束的X射线源之间；经由所述第一滤波器元件使所述X射线束的部分衰减，所述第一滤波器元件是用于使X射线束衰减的具有大孔径的背景光楔；并且经由第二滤波器元件使所述X射线束的部分衰减，所述第二滤波器元件被配置为创建脊形。
根据在下文中给出的详细说明，本公开的适用性的另外的范围将变得显而易见。然而，应当理解，当指示本公开的优选实施例时，所述详细说明和具体范例仅通过图示被给出，这是因为本领域技术人员根据该详细说明将意识到在本公开的精神和范围内的各种改变和修改。
附图说明
参考以下附图可以更好地理解本公开的各方面。附图中的部件不一定是按比例的，而是重点在于清楚地图示本公开的原理。而且，在附图中，同样的附图标记在全部若干视图中指代对应部分。
在附图中：
图1图示了根据本公开的被定位在焦斑与探测器之间的射束成形器；
图2图示了根据本公开的使用圆柱形探测器和螺旋***轨迹的采集几何结构；
图3A图示了用于螺旋CT扫描的经滤波样本的平均归一化权重；
图3B图示了对相匹配的蝴蝶结滤波器的对应经优化的厚度调制；
图4A-图4B图示了根据本公开的、对用于在两个部分中的螺旋采集和重建的平均权重的分割；并且
图5A-图5B图示了根据本公开的、两层上所要求的蝴蝶结滤波器厚度。
附图仅出于图示的目的描绘了本公开的优选实施例。本领域技术人员根据以下讨论将容易地认识到：可以采用本文中说明的结构和方法的备选实施例，而不脱离本文中描述的本公开的原理。
具体实施方式
尽管将根据具体实施例来描述本公开，但是本领域技术人员将容易意识到，可以做出各种修改、重新布置和替代，而不脱离本公开的精神。本公开的范围是由权利要求书限定的。
计算机断层摄影(CT)是根据在不同角度处取得的投影图像来创建二维剖面图像的科学。CT采用被称为重建的数学技术来实现这样的任务。因此，CT是数学过程。CT图像是分解三维结构并且将其以数学方式放回在一起并且将其作为二维图像显示在显示屏上的结果。CT***的目的是将身体的内部结构准确地再现为二维剖面图像。采集对象的许多投影和对X射线束的滤波是CT图像形成中的重要因素。盘旋/螺旋(spiral/helical)CT的发展允许在患者在台上并且移动通过机架孔径的同时的连续扫描。机架是可移动的框架，其包括具有准直器、滤波器、探测器、数据采集***和旋转部件的X射线管。
本公开涉及具体是计算机断层摄影(CT)扫描器的形式的X射线设备，其包括至少辐射源和射束滤波器。射束滤波器可以在相关联的探测区域中建立具有对辐射源的谱的最小变化或甚至没有变化的若干强度轮廓(profile)。为了实现前述目标，如以下参考图1-图5B所描述的，这里提出使用两个分开且不同的滤波元件来形成蝴蝶结光楔。
现在将详细参考本公开的实施例。尽管将描述本公开的特定实施例，但是应当理解，本公开的实施例并不旨在限于那些所描述的实施例。相反，对本公开的实施例的参考旨在涵盖如可以被包括在如由权利要求书限定的本公开的实施例的精神和范围内的备选方案、修改方案和等价方案。
参考图1，根据本公开，呈现了具有射束成形器105的射束成形器配置100，所述射束成形器105被定位在焦斑或X射线源110与探测器120之间。
本公开的示范性实施例允许对X射线束的入射强度的调制，使得在重建期间所使用的加权适于测得的数据的统计显著性，这引起经改进的剂量效用。这是经由图1所示的射束成形器105来实现的。
X射线束从X射线源110行进到探测器120的路径被称为射线。在X射线束经过被扫描的对象125之后，探测器120对射束强度进行采样。探测器120读取每条射线并测量最终的射束衰减。对每条射线的衰减测量结果被称为射线和。射线和的完整集合被称为投影的视图。采取许多视图来创建CT图像。每个射线和的衰减属性被考虑到并且与每条射线的位置相关。在完成衰减测量结果处理时，探测器120已经收集到投影或原始数据。收集到的光子越多，图像重建越准确，即噪声越少。以下描述了与图像重建有关的细节。
在医学CT扫描器中使用的射束成形器105(即蝴蝶结滤波器)根据扇形角来对X射线束的强度进行调制。射束成形器105对通过患者的身体的X射线的不同路径长度进行补偿。
具有蝴蝶结配置的射束成形器105的目的是使X射线束成形，使得被朝向***的等中心发射的光子比到扫描视场(fov)的***的光子更多。这引起更好的剂量效用，这是因为靠近等中心的射线典型地比***射线衰减得更多。典型地指定沿着旋转轴的射束的形状，使得实现对探测器行的粗略的均匀照射。
注意到，在重建期间，来自不同的探测器行和列的X射线是平均的，这是因为其基本上含有冗余信息。实际上，平均不是以信噪比(SNR)被优化的方式来执行的。调谐权重以平衡SNR、运动伪影以及锥形束伪影。这是通过使用例如所谓的孔径加权光楔重建来实现的，其中，具有较大孔径的投影数据比具有小孔径的投影数据更少地被加权。当然，本领域技术人员可以预期用于重建原始数据的多个不同的重建算法。
图2描绘了根据本公开的、使用圆柱形探测器210和螺旋***轨迹220的采集几何结构200。
螺旋CT是涉及出于增加覆盖的目的的螺旋样式移动的CT技术。CT射束类型包括平行束、扇形束和锥形束。在锥形束CT中，X射线束是圆锥形的。螺旋锥形束CT是这样的一类CT，即其中X射线源描述相对于对象125的螺旋轨迹(见图1)，同时探测器的二维阵列测量从X射线源发出的锥形射线的部分上传输的辐射。在锥形束CT扫描期间，扫描器围绕患者的头部或患者的身体旋转，获得即使不是几千也是几百幅不同的图像。扫描软件收集数据并对其进行重建，产生由解剖数据的三维体素组成的、能够***纵并在显示屏上被可视化的数字体积。
一旦已经通过螺旋CT扫描采集了数据，则通过使用例如断层摄影重建的形式来处理数据，所述断层摄影重建产生一系列剖面图像。由扫描器采集到的原始数据包括被扫描的对象125的多个“投影”(见图1)。这些投影有效地是对象125的结构的Radon变换。重建基本上涉及求解逆Radon变换。在本公开的示范性实施例中，本领域技术人员可以预期用来重建采集到的数据的多个不同重建算法。
图3A图示了针对节距因子为1的螺旋扫描的范例的平均归一化权重。这些权重是通过重建涵盖整个视场(fov)的单个切片来获得的。
图3A图示了针对节距因子为1的螺旋扫描的范例的平均归一化权重。这些权重是通过重建涵盖整个视场(fov)的单个切片来获得的。为了确保数据与权重之间的一一对应，在反投影期间可以使用最近邻插值。平均归一化权重的映射示出与非归一化孔径加权函数相同的基本特征，即权重在中心部分是最大的并且权重朝向探测器120的上边界和下边界连续地下降到零(见图1)。
在图3B中，z轴上的值是探测器面板上的射束成形器105(见图1)的期望的衰减值。形状确保朝向每个探测器列的平均强度保持恒定。因此，通常在扇形方向上的不存在调制。因此，该蝴蝶结滤波器不仅降低经重建图像中的平均噪声水平，而且实现在fov上的更均匀的噪声分布。当前使用的***中的该不均匀噪声分布(也称为“旋转噪声”)利用噪声降低算法来影响一些问题。
因此，总之，参考图1-图3B，利用以下方法来获得所提出的射束成形器105。对于给定的采集和重建算法，对针对每个探测器像素的实际使用的权重进行存储和求平均。因此，平均权重的得到的映射等于空白扫描强度的最佳分布。然而，图3B所示的低谷的斜率取决于螺旋节距。该斜率是针对一个特定节距优化的。针对每个节距的斜率的优化限制了蝴蝶结滤波器的使用。
图4A-图5B图示了实现较低剂量的备选方法，其中，提出了对滤波器的分割。换言之，两个叠加或交叠的层或滤波器被用于构建蝴蝶结滤波器。一个滤波器可以负责生成具有大锥形角的射线，而另一滤波器可以被用于生成“低谷强度”。
图4A-图4B图示了根据本公开将用于螺旋采集和重建的平均权重分割为两部分400A、400B。
一般地，蝴蝶结滤波器的最优形状取决于扫描模式。具体而言，蝴蝶结滤波器需要是可移除的，这是因为针对轴向扫描的重建导致完全不同的平均权重。而且，具有高权重的区域的成角取决于螺旋节距。例如，如果节距是反向的，则平均权重是镜像的。因此，根据本公开的示范性实施例，可以使用多个不同的蝴蝶结滤波器，所述蝴蝶结滤波器是模块化的或可替换的或可互换的。换言之，不存在几何约束，因为用户可以从多个蝴蝶结滤波器中选择蝴蝶结滤波器，以便实现期望的螺旋节距。例如，在利用第一蝴蝶结滤波器执行多个扫描之后，所述第一蝴蝶结滤波器可以被移除并利用另一蝴蝶结滤波器来替换，以实现不同的期望的螺旋节距。
在本公开的示范性实施例中，提出将蝴蝶结滤波器分割为两段或两层或两部分。第一滤波器元件或段是主要利用大孔径来使X射线衰减的背景光楔。换言之，第一滤波器元件生成针对具有大孔径的探测器像素的小投影权重。第二滤波器元件或段创建光楔或脊轮廓中的脊410(见图4B)。换言之，第二滤波器元件比第一滤波器生成更高的反投影宽度，因此得到较小的孔径。在图4A-图4B中图示了针对节距为1的螺旋采集的情况的平均权重的这种分割。该分割的含义在于，可以通过使用两个分开且不同的层来建立蝴蝶结，所述层中的至少一个是可移除的或可替换的或可互换的。应当注意，第一层创建与图4A相对应的强度调制。而且，第二层可以被安装为使得其能够旋转。通过旋转，蝴蝶结滤波器能够适于不同的节距螺旋值。因此，由于第二层的旋转，低谷的斜率不需要是针对一个特定螺旋节距而优化的。
在图5A-图5B中图示了第一层和第二层。图5A-图5B图示了根据本公开的在两个层500A、500B上的所要求的蝴蝶结滤波器厚度。图5A图示了第一层510，而图5B图示了第二层520(由于第二滤波器元件的旋转，以相对于图4B所示的图像的反转配置示出)。第一层510旨在是固定的(或者能够被从射束成形器105完全移除，以适于轴向扫描)，而第二层520旨在旋转以便适于采集的实际螺旋节距。由于第二滤波器元件的旋转，与图4B所示的图像相比，在图5B中第二层520被反转示出。
在备选实施例中，蝴蝶结滤波器可以是MAD(多孔径设备)滤波器。MAD滤波器递送高射束强度调制(例如大于95％)、具有小厚度(例如小于15mm)、不提供射束硬化并且不提供辐射的散射。MAD滤波器通过将射束传输通过孔径来对X射线束强度进行调制。所传输的射束的强度是孔径的面积的函数。MAD具有大小变化的孔径，所述孔径对所传输的射束的强度进行调制。如注意到的，对射束强度的调制不导致任何射束硬化。
而且，孔径是板中的狭缝，并且所述板由高强度、高z材料(例如钨)构成。换言之，MAD成形器由具有许多狭缝的薄金属板构成，其中，滤波器的传输是通过狭缝的宽度来控制的。板的厚度使得所述板使入射射束的多于99.9％被衰减。而且，对射束强度的调制不导致任何散射的辐射，并且狭缝聚焦在X射线焦斑上。因此，孔径可以提供0％-95％的强度调制。
总之，蝴蝶结滤波器在低强度光子到达患者之前对其进行吸收。X射线束实际上是多色的，这意味着X射线束包括具有若干不同能量的光子。理想地，X射线束应当是单色的或包括具有相同强度的光子。对X射线束的过滤导致更一致的射束。射束越一致，针对被扫描的解剖区域的衰减值或CT数量越准确。因此，本公开的示范性实施例提出了在螺旋CT***中使用的滤波器组件，其中，突出了两个分开且不同的滤波器元件或层。两个滤波器元件或段组合以形成用于容纳用户期望的多个不同螺旋节距的蝴蝶结滤波器。注意到，蝴蝶结滤波器的第二层在扫描期间不旋转，而是保持固定。然而，在***的设立期间，蝴蝶结元件的第二层可以旋转或被移除或被替换或被调节，以容纳不同的螺旋节距角。
总之，可以提出MAD蝴蝶结滤波器以代替基于Teflon的蝴蝶结滤波器。MAD滤波器对医学CT***中的射束强度进行调制。MAD滤波器被定位在X射线管与患者之间的CT***的X射线束中。MAD滤波器具有不同大小的孔径，使得被传输通过MAD的X射线束的强度根据孔径的面积而变化。在一个示范性实施例中，可以对孔径进行布置，使得最大的孔径被定位在X射线束的中心轴上，因此实现在中心轴处的最大百分比传输。孔径的大小随着孔径离射束的中心轴的距离的增加而减小。X射线束的传输根据离中心轴的距离而减少。
最后，应当指出，在本申请中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，词语“一”或“一个”不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以满足若干期间的功能。本公开存在于每个新颖的特性特征和特性特征的每个组合中。而且，权利要求中的附图标记不应被解释为对其范围的限制。
前述范例说明了本公开的各方面和对本公开的方法的实践。范例不旨在提供对本公开的许多不同实施例的详尽描述。因此，尽管出于清楚和理解的目的先前已经通过图示和范例详细描述了本公开，但是本领域技术人员将容易地认识到，可以对其做出许多改变和修改，而不脱离本公开的精神或范围。
尽管在附图中已经示出了本公开的若干实施例，但是本公开不旨在限于此，而是本公开旨在与本领域所允许的范围那样宽泛，并且旨在同样宽泛地阅读说明书。因此，以上说明不得被解释为限制性的，而是仅作为特定实施例的例示。本领域技术人员将预想在权利要求书的范围和精神内的其他修改。
Claims (20)
1.一种在具有X射线源的螺旋计算机断层摄影(CT)***中使用的滤波器组件，所述X射线源用于沿投影轴投影X射线束，所述滤波器组件包括：
第一滤波器元件，其用于使所述X射线束的至少部分衰减，所述第一滤波器元件被构建为用于使X射线衰减的具有大孔径的背景光楔；以及
第二滤波器元件，其用于使所述X射线束的至少部分衰减，所述第二滤波器元件被构建为创建脊形。
2.根据权利要求1所述的滤波器组件，其中，所述第二滤波器元件相对于所述滤波器组件旋转、或者关于所述滤波器组件而被调节、或者被从所述滤波器组件移除。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的滤波器组件，其中，所述第二滤波器元件的旋转允许适于不同的螺旋节距值。
4.根据权利要求2-4中的任一项所述的滤波器组件，其中，所述第一滤波器元件保持固定。
5.根据权利要求2-4中的任一项所述的滤波器组件，其中，所述第一滤波器元件和所述第二滤波器元件被定位在所述X射线源与探测器之间以重建对象，所述X射线束被投影在所述对象上。
6.根据权利要求5所述的滤波器组件，其中，重建利用一个或多个重建算法而发生。
7.根据权利要求1-4中的任一项所述的滤波器组件，其中，所述第一滤波器元件和所述第二滤波器元件组合以形成基本上蝴蝶结形状的滤波器。
8.根据权利要求1-4中的任一项所述的滤波器组件，其中，所述第一滤波器元件和所述第二滤波器元件导致对被投影到对象上的所述X射线束的平均权重的分割。
9.一种在螺旋计算机断层摄影(CT)***中使用的滤波器组件，所述滤波器组件包括：
具有第一形状的第一滤波器层；以及
具有第二形状的第二滤波器层，所述第二形状与所述第一形状不同；
其中，所述第二滤波器层适于并被调节尺寸来相对于所述滤波器组件旋转、或者关于所述滤波器组件而被调节、或者被从所述滤波器组件移除，以容纳多个不同的螺旋节距值。
10.根据权利要求9所述的滤波器组件，其中，所述第一形状是楔形，并且所述第二形状是基本上脊形形状的配置。
11.根据权利要求9-10中的任一项所述的滤波器组件，其中，所述第一滤波器层保持固定。
12.根据权利要求9-11中的任一项所述的滤波器组件，其中，所述第一滤波器层和所述第二滤波器层被用于重建对象，来自X射线源的所述X射线束被投影在所述对象上。
13.根据权利要求12所述的滤波器组件，其中，重建利用一个或多个重建算法而发生。
14.根据权利要求9-11中的任一项所述的滤波器组件，其中，所述第一滤波器层和所述第二滤波器层组合以形成基本上蝴蝶结形状的滤波器。
15.根据权利要求9-11中的任一项所述的滤波器组件，其中，所述第一滤波器层和所述第二滤波器层导致对从X射线源投影到对象上的X射线束的平均权重的分割。
16.一种用于在使用螺旋计算机断层摄影(CT)***时降低辐射曝光的方法，所述方法包括：
将第一滤波器元件和第二滤波器元件定位在患者与发射X射线束的X射线源之间；
经由所述第一滤波器元件使所述X射线束的部分衰减，所述第一滤波器元件是用于使X射线束衰减的具有大孔径的背景光楔；并且
经由第二滤波器元件使所述X射线束的部分衰减，所述第二滤波器元件被配置为创建脊形。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一滤波器元件保持固定，而所述第二滤波器元件相对于所述滤波器组件旋转、或者关于所述滤波器组件而被调节、或者被从所述滤波器组件移除。
18.根据权利要求16-17中的任一项所述的方法，其中，所述第二滤波器元件的旋转允许适于不同的螺旋节距值。
19.根据权利要求16-18中的任一项所述的方法，其中，所述第一滤波器元件和所述第二滤波器元件被用于重建对象，来自所述X射线源的所述X射线束被投影到所述对象上，所述重建利用一个或多个重建算法而发生。
20.根据权利要求16-18中的任一项所述的方法，其中，所述第一滤波器元件和所述第二滤波器元件导致对从所述X射线源投影到对象上的所述X射线束的平均权重的分割。
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