CN115038943A - 使用运动中的多个脉冲x射线源进行快速3d放射摄影 - Google Patents
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Abstract
呈现了一种使用运动中的多个脉冲X射线源来执行高效和超快速3D放射摄影的X射线成像***。有多个脉冲X射线源安装在运动的结构上以形成源阵列。多个X射线源作为一个组以恒定速度在预定义弧形轨道上相对于对象同时移动。每个单独的X射线源也可以在较小的距离内围绕其静态位置快速移动。当一个X射线源的速度与组速度相等但移动方向相反时，通过外部曝光控制单元激活X射线源和X射线平板探测器，使得源暂时保持静止。其使每个X射线源的源行进距离大大减小。3D扫描可以在更短的时间内覆盖更宽的扫掠角度，并且还可以实时进行图像分析。
Description
刘建强，杨林波，马纳特·毛林拜，唐晓惠，顾淳元，刘一清
Compass Innovations公司
本申请要求临时序列号62967325的优先权，该申请的内容通过援引并入。
技术领域
本专利说明书属于3D X射线放射摄影***和方法的领域，并且特别地涉及使用脉冲X射线源和大视野数字平板X射线探测器。
发明背景
有一种数字X射线3D放射摄影，如乳腺摄影，也称为数字断层融合(DTS)，是一种用于在与传统放射摄影相当的辐射剂量水平下进行高分辨率有限角度断层扫描的方法。
这些数字断层融合***通常使用安装在可旋转C型臂组件一端的X射线源和安装在另一端的数字平板探测器。介于X射线源与探测器之间的是可以压迫和固定***的设备。出于减少X射线散射、降低辐射剂量、使整个探测器上的光密度更均匀以及改善解剖结构可视化的原因，压迫***是必要的。
断层融合可以用于筛查无症状女性乳腺癌的早期迹象。这种类型的成像也可以用作具有乳腺癌症状的女性的诊断工具。断层融合是一种先进的乳腺摄影。与2D乳腺摄影相比，数字乳腺断层融合(DBT)可检测出更多的癌症，并且其假阳性召回数更少且病灶定位更精确。
当进行断层融合时，X射线源将需要在***周围呈弧形移动。当X射线源围绕***移动时，会以不同的角度采集一系列低剂量X射线图像。
所收集的数据集允许重建平行平面。每个平面都是聚焦的，而那些平面外的组织图像则是模糊的。通常，更宽的扫掠角度会产生更多的数据投影并实现更好的3D分辨率，但需要的时间更长。数据处理是特定于制造商的，因为可能会使用不同的重建算法。
应当强调的是，这些类型的数字断层融合***和方法也可以应用于其他X射线3D放射摄影应用，诸如用于COVID的X射线3D胸部诊断***、X射线3D无损检测(NDT)***和X射线3D安全检查***。
现有技术使用单个X射线源和单个平板来执行X射线3D放射摄影。然而，现有技术中存在缺点。
主要缺点是单个X射线源需要花费很长的时间才能获得良好的数据投影。这对于连续模式和步进模式两者都是如此。在连续模式下，X射线源在移动时发射X射线；在步进模式下，X射线源移动到一个位置、停止并发射X射线，然后继续移动到下一个位置。
尽管所有患者都希望X射线成像可以尽快完成，但有一个最低要求是X射线源的行进扫掠角度。如果扫掠角度太小以至于X射线源可以行进的距离更短并且所需的总时间更少，则***的数据投影数量将较少。较少的数据投影数量将导致深度分辨率更低以及细节感知的损失。如果扫掠角度需要足够大才能获得较好的数据投影从而实现更好的3D分辨率，则单个X射线源可能会机械地行进太长距离，以至于患者会感到不舒服并且无法再保持***静止。在一些情况下，一次50度的扫掠将需要长达半分钟左右的时间。
第二个缺点是难以进行实时重建，因为整个过程很慢。通常，现有技术需要几十秒才能完成扫掠。
发明内容
在第一方面，一种用于使用运动中的多个脉冲X射线源提供快速3D放射摄影的***，该***具有：主电机平台，该主电机平台在具有预定形状的弧形导轨上自由移动；主电机，该主电机与所述主电机平台接合并控制该主电机平台的速度；多个辅助电机平台，该多个辅助电机平台耦合到所述主电机平台并沿该弧形导轨的方向移动；多个辅助电机，每个辅助电机平台均接合一个辅助电机平台并控制辅助电机平台的速度；多个X射线源，每个X射线源都由辅助电机平台移动；支撑框架结构，该支撑框架结构为该主电机平台和这些辅助电机平台提供外壳；以及平板探测器，该平板探测器用于接收X射线成像数据。
在第二方面，一种使用运动中的多个脉冲X射线源进行快速3D放射摄影的方法包括：将主电机平台和一个或多个辅助电机平台定位到预定初始位置；由所述主电机以预定的恒定速度扫掠该主电机平台；由对应的辅助电机以预定顺序振荡这些辅助电机平台中的每一个；当辅助电机平台以与该主电机平台相反的方向移动并以该主电机平台的选定速度移动时，电激活X射线源和平板探测器；以及使用平板从该X射线源采集图像数据。
在另一个方面，呈现了一种使用运动中的多个脉冲X射线源来执行超快速、高效3D放射摄影的X射线成像***。在该***中，有多个脉冲X射线源安装在运动的结构上以形成源阵列。多个X射线源以一组的恒定速度在预定义轨道上围绕对象同时移动。每个单独的X射线源也可以围绕其在较小距离内的静态位置快速移动。当单个X射线源的速度与组速度相等但移动方向相反时，通过外部曝光控制单元触发该单个X射线源。该布置允许X射线源在X射线脉冲触发曝光期间保持相对静止。多个X射线源使各个X射线源的源行进距离大大减小。X射线接收器是一种X射线平板探测器。3D放射摄影图像投影数据可以在更短的时段内通过整体更广泛的扫掠采集，并且在扫描的同时还可以实时进行图像分析。
在另一方面，一种使用运动中的多个脉冲X射线源来执行高效且超快速的3D放射摄影的X射线成像***包括安装在运动的结构上以形成源阵列的多个脉冲X射线源。多个X射线源作为一个组以恒定速度在预定义弧形轨道上相对于对象同时移动。每个单独的X射线源也可以在较小的距离处围绕其静态位置快速移动。当单个X射线源的速度与组速度相等但移动方向相反时，通过外部曝光控制单元激活该单个X射线源和X射线探测器。该布置允许X射线源在X射线源激活和X射线探测器曝光期间保持相对静止。X射线接收器是一种X射线平板探测器。处于运动操作中的多个X射线源使各个X射线源的源行进距离大大减小。3D放射摄影图像数据可以在更短的时间内以整体更宽的扫掠角度采集，并且在扫描的同时还可以实时进行图像分析。
在实施方式中，X射线还可以使用随机发射方案从阵列中的任何源之一随机激活。每一次和累积分析的结果决定了下一个X射线源和曝光条件。3D X射线放射摄影图像是基于每个图像的X射线曝光源的成角度几何形状来重建的。更广泛的应用包括3D乳腺摄影或断层融合、用于COVID的胸部3D射线摄影、或快速3D NDT、快速3D X射线安全检查。
以上***的优点可以包括以下各项中的一项或多项。运动中的多个X射线源的各种实施例用于新型超快速3D放射摄影***。
第一个优点是***整体速度快了好几倍。每个X射线源只需要以弧形轨迹机械地行进整个距离的一小部分。这大大减少了在X射线诊断机上进行患者数据采集所需的时间量。第二个优点是还可以在扫描时实时进行图像分析。对所拍摄图像的判断将对下一次拍摄的X射线源的位置产生影响。无需等到整个图像采集完成后再进行分层图像重建。
第三个优点是由于减少了运动伪影，可以获得高分辨率和高对比度的图像。每个X射线源还安装在子结构上，该子结构使源围绕其原点振动。振动速度和轨道速度的组合使得这些X射线源的位置在单独的X射线源被激活的时刻相对静止。
第四个优点是***可以进行更广泛的扫掠以获得更多的数据投影，同时速度更快。更多的数据投影意味着更好的图像构建，这将使得误诊率降低。
第五个优点是由于角度更广且成像采集速度更快，可以向3D空间成像添加时间分量以形成4D成像数据集。
已经根据优选实施例描述了本发明，并且应当认识到，除了明确陈述的那些之外，等效物、替代物和修改都是可能的并且在所附权利要求的范围内。
附图说明
图1展示了具有运动中的多个X射线源的超快速3D数字放射摄影***。
图2是展示了X射线源通过运动控制进行定位的机械图。
图3展示了在主电机平台和辅助电机平台以相反的方向但以相同的速度移动的时刻，单独的X射线源在暂时静止的位置发射X射线束。
图4展示了五X射线源***取得25组投影数据，每组仅行进总距离的五分之一。
图5展示了多X射线源超快速3D数字放射摄影***以全视野乳腺摄影进行超快速断层融合。
图6展示了多X射线源超快速3D数字放射摄影***可以用于相关的3D胸部超快速放射摄影。
图7展示了多X射线源超快速3D数字放射摄影***在3D超快速放射摄影中的一般NDT或安全应用。
图8展示了另一个实施例，其中可以省略主电机和主电机平台，并且单独的X射线源可以在运动控制下沿预定轨道移动。
图9示出了超快速3D数字放射摄影***操作的流程图。
具体实施方式
图1中示出了具有多脉冲X射线源的新型超快速3D数字成像***。该***包括与主运动平台2接合的主电机1、多个X射线源5、以及X射线平板探测器7。所有电机、所有电机平台以及X射线源都安装在支撑框架结构6中。
每个辅助电机3接合到一个辅助运动平台4。所有辅助运动平台4都安装在一个主运动平台2上。每个X射线源5安装在一个辅助电机平台4上。每个电机都由可编程运动控制硬件控制，并且可以以预定速度使电机平台来回移动。辅助电机平台4以与相邻台的间距相等的方式定位。因此，所有X射线源5与主电机平台2一起移动，但每个单独的X射线源5也可以与辅助电机平台4单独移动。
X射线平板探测器7也可以安装在附加的线性平台上。X射线平板探测器7可以基于X射线源5的位置来回移动，以便具有更广泛的图像覆盖范围。
图2示出了另一个示例性实施例，其中辅助电机3作为刚性本体结构的组件相互连接，该刚性本体结构本身用作主平台2，因为其边缘处具有滚动轮。主电机1通过齿轮与主平台2接合。主电机1可以使主平台2以预定的恒定速度沿刚性导轨移动。由于所有辅助运动平台3都安装在上面，因此它们也可以以预定的恒定速度沿刚性导轨移动。辅助电机3与其邻近的辅助电机3的间距相等。每个辅助电机平台4可以通过辅助电机3来回移动。X射线源5安装在辅助电机平台4上。每个X射线源5在辅助电机平台4上的运动具有四个运动阶段：加速；恒速、减速并移动返回到初始位置。在任何时候，只有一个X射线源5可以以恒定速度在与主电机平台2相反的方向移动。辅助电机平台4的恒定速度被编程为等于主电机平台运动2的恒定速度。
图3示出了如何执行运动控制操作。在一个数据采集周期内，主电机平台2以恒定速度在一个方向上移动，然后返回到初始位置。当主电机平台2以恒定速度移动时，每个辅助电机平台4都以预定速度进行振动。当辅助电机平台4与主运动平台1的行进方向相反并且具有相同的恒定速度时，X射线源5和X射线平板探测器7被触发。在触发的这一时刻，X射线源5的表现正如X射线源5在发射X射线束时处于静止状态。因此，X射线源5的静止状态的动态布置允许X射线成像***在非常短的时间量内从不同的空间角度位置采集大量的图像。辅助电机平台4的恒速运动的持续时间可以通过软件进行编程，以匹配X射线曝光时间。当一个辅助电机平台4处于恒速时，另一个辅助电机平台4可以处于加速、减速或移动返回到初始位置，以便为其下一次恒速做好准备。X射线源5也可以被编程为基于随机序列中的每个独立外部触发脉冲按需执行曝光。
鉴于有广泛可用的超高速计算机，图像分析可以与图像采集实时进行。对所拍摄图像的判断将对下一次拍摄的X射线源5的位置产生影响。无需等到整个图像采集完成后再进行图像重建。
图4展示了完整的曝光位置。在这种情况下，存在五个X射线源5，并且这五个X射线源5在不同的角度位置处进行总共25次X射线曝光。但是每个辅助电机平台4只需要行进总覆盖角度的五分之一。因此，在多个X射线源5并行工作的情况下，可以在一小部分的时间量内获得大量的投影数据。X射线平板探测器7用作X射线接收器。
电子信号的速度总是比机械运动的速度快，限制因素的瓶颈总是电机平台运动本身。下一个瓶颈是探测器读出限制。因为探测器也需要一些时间来读出许多百万像素的数据并且然后传送到计算机。
图5展示了多X射线源超快速3D数字放射摄影***以全视野乳腺摄影进行超快速断层融合。女性患者的***8被压迫器9压迫到X射线平板探测器7以得到更好的X射线投影数据。与其他乳腺摄影***相比，当前的***可以获得更多的数据投影，并且运行速度更快，同时减少了女性患者的痛苦。
图6展示了在COVID相关的应用模式下使用多X射线源超快速3D数字放射摄影***的另一个实施例。人类对象10躺卧在X射线平板探测器7上以得到兴趣区的快速3D X射线图像。该***可以快速执行超快速3D胸部放射摄影以检查肺部状况，因为COVID病毒通常会损害人类肺部。人类肺部的超快速3D X射线成像不仅可以帮助监测肺部状况，而且还可以帮助进行准确的诊断。
图7展示了多X射线源数字放射摄影***处于一般NDT或安全检查应用模式。一般对象11被置于X射线平板探测器7上以得到兴趣区的快速3D X射线图像。该***可以对一般对象11进行3D超快速放射摄影。因此，出于安全目的，该***可以提供行李箱或其他对象内部的内容物的快速3D视图。
X射线源5的诸如电流(mA)、电压(kV)和曝光持续时间等控制参数可以通过软件进行电子控制。因此，应用或用户可以为各种对象选择合适mA和kV的X射线源5。
主电机平台2可以多次扫掠，并且每次都使用不同的kV。在这种情况下，***可以获得同一对象的双能或多能图像。
也可以执行X射线智能扫描。在这种情况下，X射线的mA、kV、速度和扫掠角度等将通过人工智能(AI)确定。例如，X射线的kV是基于对象的密度自动确定的。
在一些情况下，操作者希望在特殊兴趣区执行X射线扫描。这可以将扫描范围缩小到非常具体的扫描角度。由于X射线源5来自不同的角度，并且X射线平板探测器7是可以以非常高的速度读出数据的动态探测器，因此也可以执行X射线多角度实时扫描。
在具有智能扫描能力的一个实施例中，X射线源5以预定顺序被激活并且对各种对象使用预定的电流/电压设置。由于X射线曝光来自多个X射线源5并且来自多个不同的角度，因此除了标准的3D XYZ空间信息之外，该***还可以执行将时间分量内置到图像中的4D成像。
图8示出了另一替代性简化实施例。X射线源5位于直接接触式电机平台14上。直接接触式电机平台14与直接接触式电机12接合。因此，直接接触式电机12可以驱动X射线源5沿带有长齿轮的预定导轨移动。直接接触式支撑框架结构13用于容纳直接接触式电机平台14和直接接触式电机12。在这种情况下，每个直接接触式电机平台14具有以下状态之一：静止、加速、恒速和减速。X射线源5仅在静止状态下发射X射线。在任何时候，只有一个X射线源5可以发射X射线。带有软件的计算机可以很容易地对设置进行编程，其中一个X射线源5发射X射线，而其他X射线源5处于加速、恒速和减速状态。通过这种方式，***也可以大角度扫掠，并且也可以快速采集大量的数据。
图9示出了超快速3D数字放射摄影***操作的典型流程图。尽管大多数用户只想进行标准的超快速3D X射线扫描，但超快速3D数字放射摄影***具有几项先进特征。
上电后，***将需要初始化。软件程序将需要执行***初始化。X射线源5通常需要预热到一种状态，以便使X射线管和高压控制电子器件保持稳定。运动控制***将确保主电机平台2和多个辅助电机平台4都处于正确的初始空间位置处。因为每个X射线源5都安装在一个辅助电机平台4上，并且每个辅助电机平台4都安装在主电机平台2上，因此主电机平台2和多个辅助电机平台4的正确位置意味着X射线源5的正确位置。该过程由步骤S1的框指示。在初始化之后，X射线源5的位置最初是均匀地分布在广角的几何形状中，并且每个单独的X射线源5只负责扫描角度的一小部分，如图4中所描述的。然后，***就准备使用多个X射线源5并行工作。
步骤S2的框是下一步骤。该步骤关于X射线扫描样本准备。因此，步骤S2可能需要很长的时间，这取决于X射线扫描对象的性质。如果对象是女性患者的***，则将涉及***压迫，外加左侧和右侧。如果对象是人的整个身体或部分身体，则要扫描的人将需要躺卧到正确的位置。如果对象是活的兽医动物，则将有更多的工作要做，因为活的动物在听从***操作者的指令方面有问题是很常见的。然而，如果扫描对象是进行NDT的工业部件或进行安全检查的行李箱，则步骤S2可以相对快速地执行。
在机器和扫描对象两者均准备好之后，***操作者将需要决定做什么。步骤S3的框是关于等待操作请求的等待状态。***具有许多先进的特征，但大多数客户只需要以极少的工作量得到超快速、高效、良好的X射线放射摄影图像，除非出现异常情况。
在步骤S4的框处，将做出决定。存在两类操作。一类是标准操作，另一类是增添了许多先进特征的非标准操作。标准操作是为大量工作而设计的，而非标准操作是为许多综合研究而设计的。
如果***操作者决定采用标准操作，则在步骤S5的框处将有另一个机会使X射线扫描稍微更全面，但代价是操作速度略慢。这是标准操作下的手动模式。其要求***操作者返回步骤S2以对X射线扫描对象的设置状态进行复查，从而确保位置正确、兴趣区正确。
在对X射线扫描对象的状态进行复查之后，***操作者可以像标准的自动X射线扫描一样直接进入步骤S6。步骤S6的框示出了***执行标准的X射线操作并且还执行图像重建。使用多个X射线源5并行工作的新型方法，步骤S6的执行速度可以比现有技术中使用单个X射线源的其他方法快得多。X射线曝光的次数通过软件控制。在当前的机械结构中，最大速度的限制因素来自电机的速度和X射线平板探测器7的读出速度。
一旦执行图像重建，结果将在步骤S7处呈现给***操作者。在该步骤S7中，与现有技术相比，可以在更短的时间量内获得更详细的信息。如果结果不理想，则步骤S7的框还允许***操作者多次重复整个X射线扫描过程。
如果在步骤S4的框处请求的X射线扫描操作是非标准的X射线操作，则***操作者可以进入步骤S8的框。在步骤S8处，***将需要***操作者来决定期望的是哪种特定的X射线。有几种选择，诸如双能或多能扫描、4D X射线扫描、智能X射线扫描和特殊兴趣区扫描。由于现有技术中单一X射线源的X射线扫描速度要慢得多，因此执行双能或多能扫描、4D X射线扫描、智能X射线扫描和特殊兴趣区扫描在商业规模上通常是不可行的。其涉及到广泛的X射线扫描，使得这些类型的过程需要花费更长的时间才能获得期望的结果。因此，在现有技术中，客户可能不愿意等待很长时间来进行这样的X射线扫描。然而，通过这种新型的超快速X射线扫描***，所有这些高度专业化的扫描在商业上现在都变得可行。
在步骤S9处，***执行所请求的特定X射线操作。不仅是X射线操作，而且成像重建也是特定的。因此，在步骤S10处的成像处理结果中的信息将比标准的超快速X射线扫描结果中的信息多得多。该信息通常以非常精细的屏幕分辨率呈现在计算机显示器上。如果结果不理想，则***操作者可以随时多次执行操作，直到获得期望的结果。
当机器上没有很多任务要执行时，***通常需要进行这样或那样的维护。步骤S11的框示出了***有机会为未来的操作周期执行所需或推荐的维护。
计算机程序产品可以包括一种或多种存储介质，例如：固态盘、磁性存储介质，诸如磁盘或磁带；光存储介质，诸如光盘、光带或机器可读条形码；固态电子存储设备，诸如随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)；或用于存储具有用于控制一台或多台计算机以实施根据本发明的方法的指令的计算机程序的任何其他物理设备或介质。
控制上述过程的软件可以存储在有形的计算机可读存储介质中以用作计算机程序产品，和/或可以经由计算机网络或其他传输介质传输。
以上具体实施例是说明性的，并且在不脱离本披露内容的精神或所附权利要求的范围的情况下，可以对这些实施例引入许多变化。例如，不同示例和说明性实施例的元素和/或特征可以在本披露内容和所附权利要求的范围内彼此组合和/或彼此替换。
已经特别参考当前优选的实施例详细描述了本发明，但是应当理解，可以在本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。因此，当前披露的实施例在所有方面中均被视为是说明性而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求指示，并且在其等同含义和范围内的所有变化旨在包含在其中。
Claims (16)
1.一种用于使用运动中的多个脉冲X射线源提供快速3D放射摄影的***，该***包括：
主电机平台，该主电机平台在具有预定形状的弧形导轨上自由移动；
主电机，该主电机与所述主电机平台接合并控制该主电机平台的速度；
多个辅助电机平台，该多个辅助电机平台耦合到所述主电机平台并沿该弧形导轨的方向移动；
多个辅助电机，每个辅助电机平台均接合一个辅助电机平台并控制辅助电机平台的速度；
多个X射线源，每个X射线源都由辅助电机平台移动；
支撑框架结构，该支撑框架结构为该主电机平台和这些辅助电机平台提供外壳；以及
平板探测器，该平板探测器用于接收X射线成像数据。
2.如权利要求1所述的***，其中，该主电机平台和这些辅助电机平台的速度可通过软件调节。
3.如权利要求1所述的***，其中，该主电机平台和这些辅助电机平台的初始空间位置可通过软件调节。
4.如权利要求1所述的***，其中，X射线源的电流和电压可通过软件调节。
5.如权利要求1所述的***，其中，X射线源的曝光时间可通过软件调节。
6.如权利要求1所述的***，其中，该对象处于静止状态。
7.一种用于使用运动中的多个脉冲X射线源提供快速3D放射摄影的***，该***包括：
多个直接接触式电机平台，该多个直接接触式电机平台在弧形导轨上移动；
多个直接接触式电机，每个直接接触式电机接合一个直接接触式电机平台并控制所述直接接触式电机平台的速度；
多个X射线源，每个X射线源耦合到一个直接接触式电机平台；
用于直接接触式电机和直接接触式电机平台的支撑框架结构外壳；以及
平板探测器，该平板探测器用于接收X射线成像。
8.一种使用运动中的多个脉冲X射线源进行快速3D放射摄影的方法，该方法包括：
将主电机平台和一个或多个辅助电机平台定位到预定初始位置；
由所述主电机以预定的恒定速度扫掠该主电机平台；
由对应的辅助电机以预定顺序振荡这些辅助电机平台中的每一个；
当辅助电机平台以与该主电机平台相反的方向移动并以该主电机平台的选定速度移动时，电激活X射线源和平板探测器；以及
使用平板从该X射线源采集图像数据。
9.如权利要求8所述的方法，包括校准X射线源的空间位置和X射线探测器的空间位置。
10.如权利要求8所述的方法，包括通过用不同的X射线源电压扫掠该主电机平台两次或多次来采集双能或多能成像数据。
11.如权利要求8所述的方法，其中，通过以预定顺序激活X射线源来执行智能扫描。
12.如权利要求8所述的方法，其中，实时采集和重建X射线成像数据。
13.如权利要求8所述的方法，其中，通过将时间分量添加到3D空间成像数据来执行4D成像。
14.如权利要求8所述的方法，包括基于兴趣区改变扫掠角度。
15.如权利要求8所述的方法，包括在扫掠期间基于对象密度改变X射线源电压输入。
16.如权利要求8所述的方法，其中，X射线探测器耦合到线性平台，以基于X射线源的位置来调节位置。
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