CN111789605A - 一种动态低剂量dsa成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态低剂量DSA成像方法，属于X射线机成像技术领域。它包括以下步骤：(1)摄影准备；(2)进行首次摄影；(3)划定临床诊断所需的感兴趣区域ROI；(4)设定若干造影剂浓度变化观察窗；(5)生成造影剂浓度变化控制区域Δ1；(6)形成造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ；(7)调整准直窗口；(8)进行低剂量摄影；(9)计算导数数值；(10)调整观察窗K(i,j)开关状态；(11)如果需要继续摄影，则执行步骤(5)，否则结束。通过观察窗获取造影剂浓度变化信息，根据造影剂浓度变化情况自动生成造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ，进行低剂量成像。

Description

一种动态低剂量DSA成像方法
技术领域
本发明涉及一种动态低剂量DSA成像方法，属于X射线机成像技术领域。
背景技术
数字减影血管造影(DSA)技术已成为全身各种血管性疾病影像检查的首选，也是脑血管和心脏大血管成像的“金标准”。对介入技术，特别是血管内介入技术，DSA也已不可或缺。随着DSA在临床上应用越来越广泛，对DSA技术和设备的要求也越来越多，新的功能不断被引入，比如三维DSA成像功能、更高频的实时成像功能等。然而，这些新技术、新功能往往需要更高的成像剂量。如何在保持成像功能、成像质量不受影响的情况下，尽可能降低成像剂量，已成为一个亟需解决的问题。
在X射线机球管和受检组织之间放置准直器，是一种有效的剂量控制技术。准直窗口区域的X射线通过准直窗口投射到受检组织、穿过组织后被探测器采集并分析，获得诊断信息；而准直窗口之外的X射线则被金属材质的准直器板阻挡，不会被投射到受检组织。通过准直窗口和受检组织区域大小相匹配，则可在不影响成像检查的基础上有效降低成像剂量。
与常见的静态准直技术不同，提出一种动态低剂量DSA成像方法，在X射线机球管和受检组织之间放置自适应准直器，通过可自适应调整的准直窗口，以实现对成像剂量更精准的控制，从而进一步大幅降低成像剂量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种动态低剂量DSA成像方法，它解决了根据造影剂浓度变化，自动调整用于X射线摄像的准直窗口范围，进一步降低成像剂量的问题。
本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
一种动态低剂量DSA成像方法，它包括以下步骤：
(1)摄影准备，在X射线机球管和受检组织之间设置准直窗口区域可调整的自适应准直器，新建用于储存原始图像的原始图像库，用于储存减影图像的剪影图像库；
(2)在注入造影剂前，自适应准直器的准直窗口处于最大开口状态，进行首次摄影，将生成的蒙片图像储存到原始图像库中；
(3)根据原始图像库中的蒙片图像，划定临床诊断所需的感兴趣区域ROI(RegionOfInterest)；
(4)在感兴趣区域ROI范围内设定若干造影剂浓度变化观察窗，在感兴趣区域ROI范围内选定初始区域Δ0，设置初始区域Δ0内的观察窗K(i,j)开关初始状态为“开”，初始区域Δ0以外的观察窗K(i,j)开关初始状态为“关”；
(5)所有开关状态为“开”的观察窗K(i,j)所在区域汇集生成造影剂浓度变化控制区域Δ1；
(6)造影剂浓度变化控制区域Δ1向外扩展过度区域δ，形成造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ(Δ＝Δ1+δ，且Δ包含在ROI内)，过度区域δ包含的观察窗K(i,j)开关状态设为“开”；
(7)调整自适应准直器的各个叶片位置，在自适应准直器内部形成与造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ相匹配的镂空的准直窗口；
(8)X射线机透过自适应准直器的准直窗口，仅对造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ进行低剂量摄影，拍摄的图像储存到原始图像库中，并生成相应的剪影图像，剪影图像储存至剪影图像库；
(9)遍历造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ内的每个观察窗K(i,j)，绘制每个观察窗K(i,j)造影剂浓度随时间变化曲线，计算每个观察窗K(i,j)的造影剂浓度随时间变化曲线在当前时刻的导数数值(首次打开的观察窗前一时刻的造影剂浓度默认为0)；
(10)遍历比较当前时刻观察窗K(i,j)对应的导数数值与阈值ξ关的大小关系：
如果观察窗K(i,j)导数数值小于阈值ξ关，则该观察窗K(i,j)开关状态变更为“关”，否则，该观察窗K(i,j)开关状态保持为“开”；
(11)如果需要继续摄影，则执行步骤(5)，否则结束。
作为优选实例，所述自适应准直器包括多个金属叶片，以及驱动每个金属叶片独立平移的线性驱动电机，多个金属叶片紧密排成左右两列，形成分体式X射线遮挡板，每个金属叶片外侧连接一个线性驱动电机。
作为优选实例，所述感兴趣区域ROI是根据操作人员从蒙片图像上观察到的临床诊断所需的区域进行手动划定。
作为优选实例，所述感兴趣区域ROI范围内均匀间隔设置若干造影剂浓度变化观察窗。
作为优选实例，所述步骤(9)中绘制的每个观察窗K(i,j)造影剂浓度随时间变化曲线储存至造影剂浓度变化曲线库。
在注入造影剂前，需要进行首次摄影以获取蒙片，此刻自适应准直器的准直窗口处于最大开口的初始状态，此过程为正常剂量成像。
获取蒙片后，根据临床诊断所需首次划定感兴趣区域ROI，作为后续成像和诊断的主要关注区域。根据造影剂流动方向，在ROI区域内最先出现造影剂的区域划定初始区域Δ0。感兴趣区域ROI、初始区域Δ0通过操作人员手动划定；也可根据不同被摄人体部位，调取相应部位的预设ROI、Δ0模板范围，直接设定得到。过度区域δ是在造影剂浓度变化控制区域Δ1的边界基础上向外扩展一定距离，形成新的边界，两边界之间的区域即过度区域δ，扩展距离根据实际需求设定。横跨在区域边界上的观察窗K(i,j)，算区域内部，例如，横跨在过度区域δ边界上的观察窗K(i,j)，算包含在过度区域δ内部。
造影剂浓度变化控制区域Δ1的生成是由所有开关状态为“开”的观察窗K(i,j)所在区域汇集而来，在包括了所有开关状态为“开”的观察窗K(i,j)的区域中，优选面积最小的区域作为造影剂浓度变化控制区域Δ1。
造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ划定后，自适应准直器的准直窗口是通过两列金属叶片共同围成，通过计算机对自适应准直器的每片金属叶片进行位置计算，根据位置计算结果，计算机控制线性驱动电机将金属叶片驱动到相应位置，形成与造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ对应的准直窗口。
自适应准直器适形调整后，根据临床需要的帧频进行低剂量成像，直至摄影任务完成。
每次拍摄的图像储存到原始图像库中，进行包括减影在内的图像处理和分析，生成相应的剪影图像，剪影图像储存至剪影图像库。其中，生成剪影图像所用到的图像处理和分析方法，为现有常用DSA图像处理和分析方法，由原始图像生成减影图像的算法并无创新，此处不再赘述。因两次相邻成像获取的图像的差别仅有注入的造影剂在血管内流动所致，且有诊断意义的差别均在所划定的造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ内，因此相关图像处理和分析均仅针对造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ，减少了数据处理量。
本发明的有益效果是：
(1)通过在感兴趣区域ROI分布观察窗，通过观察窗获取造影剂浓度变化信息，根据造影剂浓度变化情况自动生成造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ，自适应准直器的准直窗口适形调整，以覆盖造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ，进行低剂量成像；
(2)在需要多次摄影的情况下，后续摄影之前，在造影剂浓度变化控制区域Δ1向外扩展过渡区域δ，通过过渡区域δ感知周边造影剂浓度变化，以跟踪造影剂流动趋势，Δ1和δ共同形成造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ；
(3)根据每次成像所获取的射造影剂浓度变化信息，造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ一直在动态调整优化，以便每次摄影都忽略浓度变化低的区域(该区域不会提供新的信息)，使成像剂量尽可能减小。
附图说明
图1为本发明主要步骤流程示意图；
图2为划定临床诊断所需的感兴趣区域ROI示意图；
图3为感兴趣区域ROI范围内设定若干造影剂浓度变化观察窗示意图；
图4为造影剂浓度变化控制区域Δ1示意图；
图5为造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ示意图；
图6为自适应准直器内部形成与造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ相匹配的镂空的准直窗口示意图；
图7为局部造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ左右侧边缘在X轴上的投影距离L1、L2的示意图；
图8为与L1、L2对应的一对金属叶片端部到Z轴的距离示意图；
图9为X射线机球管到金属叶片、受检组织之间距离示意图；
图10为造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ和相应准直窗口随时间变化的多个过程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-图6所示，一种动态低剂量DSA成像方法，它包括以下步骤：
图1中实线箭头表示步骤流程顺序；虚线箭头表示资料的存、取过程，指向“库”的虚线箭头表示存资料，从“库”指向外部的虚线箭头表示取资料。
(1)摄影准备，在X射线机球管和受检组织之间设置准直窗口区域可调整的自适应准直器，新建用于储存原始图像的原始图像库，用于储存减影图像的剪影图像库；
(2)在注入造影剂前，自适应准直器的准直窗口处于最大开口状态，进行首次摄影，将生成的蒙片图像储存到原始图像库中；
(3)根据原始图像库中的蒙片图像，划定临床诊断所需的感兴趣区域ROI(RegionOfInterest)(如图2)；
(4)在感兴趣区域ROI范围内设定若干造影剂浓度变化观察窗(如图3)，在感兴趣区域ROI范围内选定初始区域Δ0，设置初始区域Δ0内的观察窗K(i,j)开关初始状态为“开”，初始区域Δ0以外的观察窗K(i,j)开关初始状态为“关”；
(5)所有开关状态为“开”的观察窗K(i,j)所在区域汇集生成造影剂浓度变化控制区域Δ1(如图4)；
(6)造影剂浓度变化控制区域Δ1向外扩展过度区域δ，形成造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ(Δ＝Δ1+δ，且Δ包含在ROI内)(如图5)，过度区域δ包含的观察窗K(i,j)开关状态设为“开”；
(7)调整自适应准直器的各个叶片位置，在自适应准直器内部形成与造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ相匹配的镂空的准直窗口(如图6)；
(8)X射线机透过自适应准直器的准直窗口，仅对造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ进行低剂量摄影，拍摄的图像储存到原始图像库中，并生成相应的剪影图像，剪影图像储存至剪影图像库；
(9)遍历造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ内的每个观察窗K(i,j)，绘制每个观察窗K(i,j)造影剂浓度随时间变化曲线，计算每个观察窗K(i,j)的造影剂浓度随时间变化曲线在当前时刻的导数数值(首次打开的观察窗前一时刻的造影剂浓度默认为0)；
(10)遍历比较当前时刻观察窗K(i,j)对应的导数数值与阈值ξ关的大小关系：
如果观察窗K(i,j)导数数值小于阈值ξ关，则该观察窗K(i,j)开关状态变更为“关”，否则，该观察窗K(i,j)开关状态保持为“开”；
(11)如果需要继续摄影，则执行步骤(5)，否则结束。
实施例
如图6所示，自适应准直器包括多个金属叶片(图中条形片)，以及驱动每个金属叶片独立平移的线性驱动电机(图中未画出)，多个金属叶片紧密排成左右两列，形成分体式X射线遮挡板，X射线遮挡板完全对应覆盖受检组织区域，每个金属叶片外侧连接一个线性驱动电机。线性驱动电机通过计算机的自适应准直器驱动算法完成金属叶片位置调整。图中，条形片为金属叶片，空白区域为准直窗口。
如图7-9所示，自适应准直器驱动算法如下：
(1)以两列金属叶片中间分割线为Z轴，金属叶片移动方向为X轴，Y轴过X轴和Z轴交点，建立坐标系；
(2)沿Z轴方向将左右对称的一对金属叶片依次编号为1，2，3，…，n，…；Mn，1(t)表示根据t时刻划定的造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ来设定第n对金属叶片中左侧金属叶片端部到Z轴的距离，Mn，2(t)表示根据t时刻划定的造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ来设定第n对金属叶片中右侧金属叶片端部到Z轴的距离；
(3)第n对金属叶片所覆盖的局部造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ中，用L1表示该局部造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ左侧边缘在X轴上的投影距离，用L2表示该局部造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ右侧边缘在X轴上的投影距离；
(4)在Y轴方向上，X射线机球管到金属叶片之间的距离为h1，X射线机球管到受检组织之间距离为h2；
(5)根据相似三角形原理(三角形上顶点为X射线机球管位置)，计算出：
Mn，1(t)＝(h1/h2)L1，Mn，2(t)＝(h1/h2)L2
(6)根据以上计算结果，线性驱动电机将每个金属叶片移动到相应位置，完成准直窗口调整。
自适应准直器适形调整后，根据临床需要的帧频进行低剂量成像，直至摄影任务完成。
应用案例
如图10所示，在注入造影剂后，随着时间推移，造影剂会从感兴趣区域ROI下方逐渐流到上方，并且在感兴趣区域ROI内造影剂的浓度由低变高，再逐渐降低。
初始时刻，设定的造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ位于感兴趣区域ROI下方，此处是造影剂首先进入的区域；
进行低剂量摄影后，根据造影剂浓度变化情况，关闭造影剂浓度变化缓慢和浓度回落区域(导数数值小于ξ关，此区域的图像不再有诊断意义，不需要再拍摄，以便减小成像剂量)观察窗；打开用于探索的过度区域δ包含的观察窗，假设过度区域δ的某个观察窗浓度变化不小于ξ关时，则维持打开状态，否则，关闭；每次成像前增加的过度区域δ，具有追踪造影剂流动和浓度变化的效果；
造影剂浓度变化控制区域Δ1和过渡区域δ，共同形成动态调整的造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ。图中示意的是造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ和相应准直窗口随时间变化的多个过程图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种动态低剂量DSA成像方法，其特征在于，它包括以下步骤：
(1)摄影准备，在X射线机球管和受检组织之间设置准直窗口区域可调整的自适应准直器，新建用于储存原始图像的原始图像库，用于储存减影图像的剪影图像库；
(2)在注入造影剂前，自适应准直器的准直窗口处于最大开口状态，进行首次摄影，将生成的蒙片图像储存到原始图像库中；
(3)根据原始图像库中的蒙片图像，划定临床诊断所需的感兴趣区域ROI(Region OfInterest)；
(4)在感兴趣区域ROI范围内设定若干造影剂浓度变化观察窗，在感兴趣区域ROI范围内选定初始区域Δ0，设置初始区域Δ0内的观察窗K(i,j)开关初始状态为“开”，初始区域Δ0以外的观察窗K(i,j)开关初始状态为“关”；
(5)所有开关状态为“开”的观察窗K(i,j)所在区域汇集生成造影剂浓度变化控制区域Δ1；
(6)造影剂浓度变化控制区域Δ1向外扩展过度区域δ，形成造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ(Δ＝Δ1+δ，且Δ包含在ROI内)，过度区域δ包含的观察窗K(i,j)开关状态设为“开”；
(7)调整自适应准直器的各个叶片位置，在自适应准直器内部形成与造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ相匹配的镂空的准直窗口；
(8)X射线机透过自适应准直器的准直窗口，仅对造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ进行低剂量摄影，拍摄的图像储存到原始图像库中，并生成相应的剪影图像，剪影图像储存至剪影图像库；
(9)遍历造影剂浓度变化引导成像控制区域Δ内的每个观察窗K(i,j)，绘制每个观察窗K(i,j)造影剂浓度随时间变化曲线，计算每个观察窗K(i,j)的造影剂浓度随时间变化曲线在当前时刻的导数数值；
(10)遍历比较当前时刻观察窗K(i,j)对应的导数数值与阈值ξ关的大小关系：
如果观察窗K(i,j)导数数值小于阈值ξ关，则该观察窗K(i,j)开关状态变更为“关”，否则，该观察窗K(i,j)开关状态保持为“开”；
(11)如果需要继续摄影，则执行步骤(5)，否则结束。
2.根据权利要求1所述一种动态低剂量DSA成像方法，其特征在于，所述自适应准直器包括多个金属叶片，以及驱动每个金属叶片独立平移的线性驱动电机，多个金属叶片紧密排成左右两列，形成分体式X射线遮挡板，每个金属叶片外侧连接一个线性驱动电机。
3.根据权利要求1所述一种动态低剂量DSA成像方法，其特征在于，所述感兴趣区域ROI是根据操作人员从蒙片图像上观察到的临床诊断所需的区域进行手动划定。
4.根据权利要求1所述一种动态低剂量DSA成像方法，其特征在于，所述感兴趣区域ROI范围内均匀间隔设置若干造影剂浓度变化观察窗。
5.根据权利要求1所述一种动态低剂量DSA成像方法，其特征在于，所述步骤(9)中绘制的每个观察窗K(i,j)造影剂浓度随时间变化曲线储存至造影剂浓度变化曲线库。
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