CN111714146B - 基于记录的辐射数据对失衡进行校正 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于校正计算机断层摄影设备的失衡的方法，在计算机断层摄影设备中，具有辐射源的支撑结构被安装在固定的保持架上，其中该支撑结构与辐射源一起围绕测量空间旋转，测量对象被位置固定地布置在该测量空间中，该测量对象对由辐射源发射的辐射具有已知的衰减特性。该方法的步骤包括：在支撑结构围绕测量对象旋转期间，检测辐射的第一测量数据；基于所记录的辐射的第一测量数据来确定在支撑结构旋转时出现的失衡；以及确定支撑结构上的至少一个配重的位置和重量，以减少所确定的失衡，或确定校正数据，使用该校正数据以软件方式来校正失衡。

Description

基于记录的辐射数据对失衡进行校正
技术领域
本发明涉及一种用于校正计算机断层摄影设备的失衡的方法。另外，本发明提供了计算机断层摄影设备以及计算机程序产品和电子可读的数据载体。
背景技术
在所有旋转式的计算机断层摄影设备中，由于旋转部件的失衡会产生动态效应。这些失衡可能会非常严重，以至于影响部件的寿命。另外，失衡可能会对各个部件的功能或对图像质量产生负面影响。
迄今为止，采用各种方式对具有辐射源的旋转支撑结构(也称为机架)的失衡进行处理：
-在低旋转速度下并且如果对旋转部件的功能和寿命没有负面影响，则旋转部分未发生失衡；
-对要安装在旋转板上的部件进行单独检查，以确信重量、重心和该重心的位置是否在指定公差之内。该公差已被提前获知，以便确定何时该失衡会带来负面影响。借助于配重进行对失衡的初步均衡，从而抵消失衡；
-对于机架旋转速度较高的设备，例如使用传感器或机械测量工具来检测残留失衡。然后，根据来自传感器的信息，将配重安装在一个平面或两个单独的平面上，其中确定配重的平面和角度位置。
在计算机断层摄影设备的制造期间，前述过程被执行一次或被重复执行，直到实现期望的结果为止。然而，该过程也可以在设备被安装在最终用户场所时执行，例如当更换部件时由服务人员执行。为此，传感器或其他测量工具被固定地安装在设备中，或维修人员必须随身携带外部测量工具。另外，服务人员现场需要配重。因此，校正失衡耗费时间，尤其是在操作中耗费时间。
发明内容
本发明的目的是进一步简化对失衡的确定和校正。
该目的通过根据本发明的特征来实现。本发明还描述了其他实施例。
根据第一方面，提供了一种用于校正计算机断层摄影设备中的失衡的方法，在计算机断层摄影设备中，具有辐射源的支撑结构被安装在固定的保持架上，该支撑结构与辐射源一起围绕测量空间旋转。测量对象被位置固定地布置在该测量空间中，该测量对象对由辐射源发射的辐射具有已知的衰减特性。在该方法中，在支撑结构围绕测量对象旋转期间，检测辐射的第一测量数据。基于所记录的来自辐射源的辐射的第一测量数据，确定在支撑结构旋转时出现的失衡，并且确定支撑结构上的至少一个配重的位置和重量，以便减少所确定的失衡。
在本发明中，不是基于使用位于计算机断层摄影设备上的附加传感器，而是基于由辐射源发射以产生CT图像的检测辐射来检测失衡。
另外，提供一种用于校正计算机断层摄影设备中的失衡的方法，在计算机断层摄影设备中，具有辐射源的支撑结构被安装在固定的保持架上，其中该支撑结构与辐射源一起围绕测量空间旋转，测量对象被位置固定地布置在该测量空间中，该测量对象对由辐射源发射的辐射具有已知的衰减特性。在该方法中，在支撑结构围绕测量对象旋转期间，同样检测辐射的第一测量数据。另外，基于所记录的辐射的第一测量数据来确定在支撑结构旋转时出现的失衡。另外，基于所确定的失衡来确定校正数据。该校正数据被用于按照以下方式来降低所确定的失衡在记录其他测量数据时产生的影响：通过将校正数据应用于由计算机断层摄影设备记录的其他测量数据以计算辐射的经校正的测量数据，该经校正的测量数据与第一测量数据相比降低了失衡的影响。
在该实施例中，借助于校正数据(例如通过软件算法)来校正所记录的测量数据，其中在使用计算机断层摄影设备进行其他测量时可以使用该校正数据，以便降低失衡的影响。通过该实施例，仅借助于经计算的校正数据进行对失衡的校正，无需现场主动配置配重。
另外，提供了相关的计算机断层摄影设备，其包括：固定定位的保持架；以及支撑结构，该支撑结构连接到保持架并且能够与安装在该支撑结构上的辐射源一起围绕测量空间旋转。该计算机断层摄影设备包括：检测器单元，该检测器单元用于检测辐射；以及控制单元，该控制单元被设计为在支撑结构围绕测量对象旋转期间，检测或确定辐射的第一测量数据，其中该控制单元还被设计为借助于所记录的辐射的第一测量数据来确定在支撑结构旋转时出现的失衡。控制单元还被设计为确定如上文所提及的校正数据，或者确定至少一个配重的位置和重量，以便减少失衡。
除了第一测量数据外，在辐射源相对于保持架以固定的角度位置被定位并且没有围绕测量空间旋转期间，还可以检测辐射的第二测量数据。然后，可以通过使用辐射的第一测量数据和辐射的第二测量数据来确定失衡。可以在一个固定的角度位置或多个固定的角度位置记录第二测量数据。
另外，可以确定第一测量数据在用于辐射的检测器单元上的位置相对于第二测量数据在该检测器单元上的位置的偏差。由于第一测量数据是在辐射源旋转的情况下记录的，而第二测量数据是在辐射源静止的情况下记录的，所以通过使用所测量的辐射数据的偏差可以确定失衡存在的方式和幅度。
可以在支撑结构的多个不同旋转速度下记录多个第一测量数据，其中针对多个不同旋转速度中的每个旋转速度计算校正数据。另外，确定用于记录其他测量数据的其他旋转速度，其中确定与该其他旋转速度相关联的校正数据，并且将该相关联的校正数据应用于其他测量数据，以便计算经校正的测量数据。
在该实施例中，针对多个不同的旋转速度计算失衡。如果现在得知记录其他测量数据的旋转速度，则可以使用与该旋转速度相关联的校正数据来校正该其他测量数据。
同样，可以在失衡的软件校正期间检查所确定的失衡是否大于极限值。如果大于极限值，则可以计算支撑结构上的至少一个配重的位置和重量。在这种情况下，失衡大于临界极限值。通常，当失衡过大时，经常不能进行软件校正，因此必须进行主动干预才能配置配重，其中在这种情况下也要基于所检测的辐射数据来确定一个或多个配重的位置。这可以意味着，对于较大的失衡，单独使用配重或使用配重和软件校正的组合。如果失衡大于第二极限值，该第二极限值大于上述极限值(第一极限值)，则还可以利用配重和软件校正的组合。在一个示例中，对于小于第一极限值的失衡，用于校正失衡的方式可以是软件校正；对于大于第一极限值且小于第二极限值的失衡，校正的方式可以是使用配重；以及对于大于第二极限值的失衡，校正失衡的方式可以配重和软件校正的组合。
由辐射源发射的辐射由检测器单元来检测，该检测器单元具有以阵列布置的多个检测器元件。在这种情况下，可以根据辐射源的角度位置来确定在阵列布置的哪些实际检测器元件中检测到第一测量数据的辐射。另外，根据辐射源的角度位置，在假设不存在失衡的情况下，确定应当在哪些理想检测器元件中检测到第一测量数据的辐射。然后，可以确定用于多个检测器元件的校正信息，该校正信息指出在哪些理想检测器元件中应当检测到在实际检测器元件中检测到的辐射。然后，可以基于这些校正信息确定校正数据。
通过聚焦和引导X射线束，可以确定在没有失衡的情况下辐射应当撞击检测单元的位置，即，在理想检测器元件中。由于该信息是已知的，并且实际检测器元件通过检测第一测量数据也是已知的，所以可以为检测器元件中的每个检测器元件计算一个位移形式，该位移形式指出：针对一个检测器元件，根据辐射源的旋转位置，实际上应当在其他理想检测器元件中检测到怎样的辐射。
除非另外明确指出，否则上文所呈现的和下文所描述的特征不仅可以用于明确陈述的组合，而且还可以用于未明确陈述的其他组合。
附图说明
下文参考附图对本发明进行更详细的描述。
图1示意性地示出了计算机断层摄影设备，在该计算机断层摄影设备中可以借助于所记录的辐射数据来确定和校正失衡。
图2以计算机断层摄影设备的局部视图示意性地示出了借助于测量体模来检测失衡的方式。
图3示意性地示出了检测器布置的平面图，具有在失衡存在的情况下所检测到的示例测量数据。
图4示意性地示出了检测器布置的平面图，具有在辐射源静止的情况下检测用于体模的测量数据。
图5示意性地示出了检测器单元的平面图以及根据角度察觉失衡的方式。
图6示意性地示出了检测器单元的平面图，具有针对不同旋转速度所检测到的测量数据。
图7示意性地示出了在旋转期间得知失衡和位置可以用于计算失衡然后借助于配重或借助于软件校正失衡的方式。
图8示意性地示出了包含根据本发明的用于校正失衡的步骤的流程图。
图9示意性地示出了包含骨骼/软组织过渡的CT图像，以及在具有失衡和没有失衡的情况下得到的强度分布。
具体实施方式
下文参考附图使用优选实施例对本发明进行更详细的描述。在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。另外，附图是本发明的各种实施方式的示意图。附图中所描绘的元件未必按比例示出。相反，采用本领域技术人员清楚其功能和目的的方式进行描绘。图中所示的功能单元或其他元件之间的连接还可以实现为间接连接，其中连接可以是无线连接或有线连接。功能单元可以被实现为硬件、软件、固件或其组合。
图1示意性地示出了计算机断层摄影设备1的侧视图，该计算机断层摄影设备1具有环形的支撑结构2(也称为机架)，该支撑结构2安装在固定的保持架3上，使得支撑结构2可以沿箭头a的方向围绕相对于图1的绘图平面成直角定向的旋转轴4旋转。在支撑结构2上布置有多个部件，例如X射线辐射源5以及相对的检测器单元6和冷却装置7(未更详细示出)，该冷却装置用于散发X射线管在操作期间生成的热量。在运行期间，支撑结构2围绕旋转轴4旋转，其中从辐射源5之一发出的扇形X射线辐射束8以不同投影角度穿透测量空间9，并且入射在检测器单元6上。数据记录装置10使用在此出现的检测器单元6的输出信号来产生测量值，该测量值被供应给计算机断层摄影设备1的控制单元11。控制单元11可以包括输入和输出单元16，以供用户输入数据并且将数据输出到其他单元，并且可以包括用于控制计算机断层摄影设备的处理器单元17和存储器单元18，其中在该存储器单元18中可以存储例如程序模块和/或程序，这些程序模块和/或程序当由处理器单元17执行时，可以控制计算机断层摄影设备的运行。另外，所生成的计算机断层摄影图像可以存储在存储器单元中。还提供了显示单元19，在显示单元19上可以显示人员的计算机断层摄影图像或其他信息。
根据所记录的测量数据产生CT图像的一般原理是本领域技术人员已知的，因此本文中不再赘述。如下文所解释的，控制单元11或处理器单元17可以被设计为根据由检测器单元10检测的X射线辐射的测量数据来计算失衡。在计算机断层摄影设备1的制造或运行期间，相对于旋转轴4的径向和轴向可能出现支撑结构2的失衡，从而导致支撑结构2不会相对于其旋转轴4精确地旋转。这可能会导致CT图像模糊或损坏设备1。
支撑结构2的失衡在旋转期间被察觉并且对部件造成影响，如果失衡足够大，则对图像质量产生影响。失衡会对在图像生成中发挥作用的部件(例如辐射源5、可能的光圈和检测器单元6)产生动态影响。经由图像数据或所检测的原始数据可以测量对所检测的测量数据的这种影响，并且由此确定失衡的幅度和位置。
图2示意性地示出了从辐射源6发出的X射线辐射在穿过准直仪21之后撞击合适测量工具(例如以球形体模形式的测量对象25)然后由检测器单元6检测的方式。在这里已知测量对象25对X射线辐射的衰减特性。
图3从上方示意性地示出了检测器单元6，其中辐射束8的中心射线在穿过测量对象25之后产生测量点30。如由检测器元件6-1、6-2所示意性地示出的，检测器单元6包括采用阵列布置的各种检测器元件，该阵列布置包含多个行和列。在辐射源5旋转时，扇形束根据存在的失衡可能会向前或向后位移，如测量线31所示意性地示出的。在理想***中，辐射束或扇形束应当位于直线32上，该直线在图3中以虚线示出。这意味着，X射线束不是在位于虚线32上的理想检测器元件中检测到的，而是在线31上检测到的。在辐射源的旋转时，这会导致中心束产生周期性出现的偏差，并且导致扇形束发生偏差。
图4示意性地示出了在辐射源不旋转的静态布置的情况下测量对象被检测为测量点30的方式，具体地，测量对象在检测器单元6内的哪个位置被检测到。现在，图5示出了测量点的位置根据辐射源的角度位置而变化的方式。计算机断层摄影设备1包括角度传感器(未示出)，该角度传感器精确地确定当检测器单元6检测到测量数据时辐射源或检测器单元所在的角度位置。现在，图6示出了不同旋转角度的位置根据支撑结构的旋转速度而变化的方式。曲线61例如可以对应于120转/分钟的旋转速度，曲线62可以对应于180转/分钟的旋转速度，并且曲线63对应于240转/分钟的旋转速度。这意味着，根据旋转速度得知由于失衡而导致的X射线束与理想线64的几何偏差。对于支撑单元2的每个角度，可以确定检测器单元6上的辐射位移中存在的幅度。因此，在辐射源旋转的情况下检测到的测量数据与在辐射源静止或辐射源旋转而没有失衡的情况下检测到的测量数据之间存在数学或几何关系。
失衡可能是静态失衡或动态失衡，在动态失衡的情况下，例如发生如图5和图6所示的正弦振动，而在静态失衡的情况下，在如图1所示的坐标系的XY方向上检测到所检测的测量点30的振动。这两种效果都可以在检测的测量数据中标识。
所检测的测量数据与静态数据的偏差指示失衡的幅度。由于可以借助于检测器单元6确定辐射的位置数据以及不同空间方向(例如X和Z方向)上的偏差，并且可以借助于角度位置传感器(未示出)得知相关联的角位置，所以可以确定不同位置的失衡。然后可以在软件算法中计算这些关系和图像偏差。例如，如果检测到对于一定的旋转速度已经在具有例如Z方向上的位置6的检测器元件中检测到X射线辐射，其中已知在没有失衡的理想情况下应当在具有位置3的检测器元件中检测到辐射，则可以根据旋转频率来确定校正数据，如果在生成实际图像之前确定了对于各个检测器元件应当在哪些理想的检测器元件中检测到辐射，则该校正数据降低了失衡的影响，并且在理想情况下完全消除失衡的影响。
参照图7，这意味着，已知失衡(在图7中示为Z)并且已知角度位置的情况下，就可以确定设备中出现了怎样的失衡。控制单元11可以使用该信息来确定失衡，其中存在用于补偿失衡的两个选项。在第一实施例中，控制单元计算所需要的配重的位置和重量或幅度，然后配置这些配重以平衡失衡。图1示意性地示出了这种配重15。各个配重的精确角度位置和重量可以由控制单元11确定，如模块70所示意性地表示的。在另一实施例中，控制单元11可以通过校正数据以软件方式消除由于失衡引起的偏差，并且无需在现场主动配置配重。这在模块71中由所确定的校正数据示意性地表示。例如，校正数据可以指出：对于不同的旋转频率，当辐射在一个实际检测器元件中被检测到时，在理想情况下应当在哪个检测器元件中检测到该辐射。如果对于特定旋转频率，在具有位置X1，Z1的检测器元件中检测到辐射，则校正数据指出实际上应当在处于位置X2，Z2的该检测器元件中检测到辐射。如果现在记录其他测量数据，则可以在图像计算之前将校正数据应用于该其他测量数据，以便减小或完全消除失衡的影响。通过确定不同旋转频率下的失衡，可以校正在其他旋转频率下记录的稍后记录的测量数据。如果存在可以直接用于该旋转频率的校正数据，则可以使用该校正数据，否则可以从相邻旋转频率的校正数据中对该校正数据进行内插。
图9示意性地示出了失衡对CT图像(例如CT图像90)的影响。在CT图像中示意性地示出了骨骼91。图9的右侧示出了通过截面92的强度变化。在没有失衡的CT设备中，当不存在失衡影响时，强度例如如曲线93所示。然而，如果存在失衡，则在两种组织之间的过渡处发生边缘软化，如曲线94所示。这里可以看出，所描绘的边缘的清晰度明显降低。
图8总结了上文所描述的方法的几个步骤。该方法从步骤81开始，其中具有已知衰减特性的测量对象被布置在测量场中。因此，可以在步骤82中执行使用旋转辐射源的测量。在步骤83中，可以基于所检测的测量数据(第一测量数据)来确定失衡。除了在步骤82中在辐射源旋转期间检测的第一测量数据之外，还可以使用非旋转辐射源附加地记录第二测量数据。然而，这并非绝对必要的，因为从理论上讲，还可以借助于几何形状来确定扇形束辐射实际上应当入射在检测器单元6上的位置，而无需在辐射源静止的情况下进行数据记录。然而总体来说，通过使用非旋转***记录第二测量数据可以改善失衡的确定。在步骤83中，基于所记录的X射线束来确定旋转时出现的失衡。在步骤84中，然后确定支撑结构上的至少一个配重的位置和重量，或者在步骤84中，以软件方式计算随后可以应用于其他测量数据的校正数据。该方法在步骤85结束。
无论选择哪种解决方案，都可以省去通常安装在设备上的用于检测失衡的传感器。在第二解决方案中，还无需配置配重。为此需要比较不同测量数据并且基于幅度的高度和最大值的位置来确定配重的幅度和/或位置的方法或算法。
对于不同的保持架，还可以通过测量集来确定几何上的相关性。

Claims (8)

1.一种用于校正计算机断层摄影设备(1)中的失衡的方法，在所述计算机断层摄影设备中，一个支撑结构(2)被安装在一个固定的保持架(3)上并且具有一个辐射源(5)，其中所述支撑结构(2)与所述辐射源(5)一起围绕一个测量空间(9)旋转，一个测量对象(25)被位置固定地布置在所述测量空间中，所述测量对象对由所述辐射源发射的辐射具有已知的衰减特性，所述方法包括以下步骤：
-在所述支撑结构(2)围绕所述测量对象(25)旋转期间，检测所述辐射的第一测量数据；
-基于所记录的所述辐射的第一测量数据来确定在所述支撑结构旋转时出现的失衡；
-基于所确定的失衡来确定校正数据，所述校正数据被用于按照以下方式来降低所确定的失衡在记录其他测量数据时产生的影响：通过将所述校正数据应用于所述其他测量数据，以计算所述辐射的经校正的测量数据，所述经校正的测量数据与所述第一测量数据相比降低了所述失衡的影响，其中在所述支撑结构的多个不同旋转速度下记录多个第一测量数据，并且分别针对所述多个不同旋转速度中的每个旋转速度计算校正数据，其中确定用于记录所述其他测量数据的一个其他旋转速度，其中通过从所计算的所述多个不同旋转速度的校正数据进行内插来确定用于所述其他旋转速度的校正数据并且应用于所述其他测量数据，以计算所述经校正的测量数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述辐射源(5)相对于所述保持架(3)以一个固定的角度位置被定位并且未围绕所述测量空间旋转期间，检测所述辐射的第二测量数据，其中通过使用所述辐射的所述第一测量数据和所述辐射的所述第二测量数据来确定所述失衡。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述第一测量数据在用于所述辐射的一个检测器单元(6)上的位置与所述第二测量数据在所述检测器单元上的位置之间的偏差，其中通过使用所述偏差来确定所述失衡。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，检查所确定的失衡是否大于一个极限值，其中在所确定的失衡大于极限值的情况下，计算所述支撑结构上的至少一个配重的位置和重量。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所发射的辐射由一个检测器单元来检测，所述检测器单元具有以阵列布置的多个检测器元件，所述方法还包括以下步骤：
-根据所述辐射源的角度位置，确定检测到所述第一测量数据的辐射的实际检测器元件；
-根据所述辐射源的所述角度位置，确定在假设不存在失衡的情况下应当检测到所述第一测量数据的辐射的理想检测器元件；
-确定用于所述多个检测器元件的校正信息，所述校正信息指示应当检测到在所述实际检测器元件中检测到的辐射的理想检测器元件；
-基于所述校正信息确定所述校正数据。
6.一种电子可读的数据载体，所述数据载体上存储有电子可读的控制信息，所述控制信息被设计为使得当所述数据载体在一个计算机断层摄影设备的一个控制单元中使用时，执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。
7.一种计算机断层摄影设备(1)，包括：
-一个固定定位的保持架(3)；
-一个支撑结构(2)，其连接到所述保持架，使得所述支撑结构能够与安装在所述支撑结构(2)上的一个辐射源(5)一起围绕一个测量空间(9)旋转，一个测量对象(25)被位置固定地布置在所述测量空间(9)中，所述测量对象对由所述辐射源发射的辐射具有已知的衰减特性；
-一个检测器单元(6)，其被设计为检测所述辐射；
-一个控制单元(1)，其被设计为：
-在所述支撑结构围绕所述测量对象旋转期间，检测所述辐射的第一测量数据；
-基于所记录的所述辐射的第一测量数据来确定在所述支撑结构旋转时出现的失衡；
-基于所确定的失衡来确定校正数据，所述校正数据被用于按照以下方式来降低所确定的失衡在记录其他测量数据时产生的影响：通过将所述校正数据应用于所述其他测量数据，以计算所述辐射的经校正的测量数据，所述经校正的测量数据与所述第一测量数据相比降低了所述失衡的影响，其中在所述支撑结构的多个不同旋转速度下记录多个第一测量数据，并且分别针对所述多个不同旋转速度中的每个旋转速度计算校正数据，其中确定用于记录所述其他测量数据的一个其他旋转速度，其中通过从所计算的所述多个不同旋转速度的校正数据进行内插来确定用于所述其他旋转速度的校正数据并且应用于所述其他测量数据，以计算所述经校正的测量数据。
8.根据权利要求7所述的计算机断层摄影设备(1)，其特征在于，所述控制单元被设计为实施根据权利要求2至5中任一项所述的方法。
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