CN1732850A - 准直器控制方法和x射线计算机断层摄影设备 - Google Patents

准直器控制方法和x射线计算机断层摄影设备 Download PDF

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Abstract

为了减小病人在螺旋扫描时的辐照的目的，在螺旋扫描进行的过程中，根据其固定轴上的螺旋扫描的位置而改变准直器的孔径。在螺旋扫描的开始位置，沿螺旋扫描的进行方向将准直器孔径在其前一半打开，并将准直器的孔径在其后一半置于关闭状态。沿螺旋扫描的进行方向，在螺旋扫描中间过程中，将准直器的孔径在其前一半和后一半两者都置于打开状态。在螺旋扫描的结束位置，沿螺旋扫描的进行方向，将准直器的孔径在其前一半关闭，并将准直器的孔径在其后一半置于打开状态。

Description

准直器控制方法和X射线计算机断层摄影设备
技术领域
本发明涉及一种准直器(collimator)控制方法和一种X射线CT(计算机断层摄影)设备，并更具体地，涉及一种用于通过由准直器形成的X射线束而对主体进行螺旋扫描的X射线CT设备的准直器控制方法、以及一种执行准直器控制的X射线CT设备。
背景技术
在执行螺旋扫描时，X射线管和X射线检测器围绕着要拍摄的主体旋转，并且线性移动其上放置主体的台(table)。使用多行检测器或平面X射线检测器作为X射线检测器，并且将X射线束形成为与其相关联的锥形束，以便提高通过螺旋扫描而获取X射线数据的效率。用于将X射线束形成为锥形束的准直器具有在螺旋扫描期间保持恒定的孔径宽度(例如，参照下面的专利文档1)。
[专利文档1]
日本未审查专利公开第2003-052684号(第5页和图5)
由于也在以上X射线CT设备中的螺旋扫描的开始和结束点获取或收集在图像重构中未使用的X射线数据，所以，与其相对应的X射线的照射导致不需要的照射。由此，考虑到病人的辐照，X射线照射不是优选的。
发明内容
因此，本发明的目的在于，实现一种减小在螺旋扫描时病人的辐照并实现X射线数据获取的效率的提高的准直器控制方法、以及一种执行这种准直器控制的X射线CT设备。
(1)根据用于解决以上问题的一个方面的本发明提供了一种用于X射线CT设备的准直器控制方法，其中，使用由准直器形成的X射线束，沿其固定轴的方向对主体进行螺旋扫描，并基于通过X射线检测器获得的投影数据而执行图像重构，该方法包括：在螺旋扫描进行的过程中，根据主体的固定轴上的位置而改变准直器的孔径的打开程度。
(2)根据用于解决以上问题的另一个方面的本发明提供了一种X射线CT设备，其包括X射线源、用于对从X射线源发射的X射线进行整形的准直器、用于控制准直器的控制部件、被安排为与其间***主体的X射线源和准直器相对的X射线检测器、以及用于沿其固定轴的方向对主体进行螺旋扫描并基于通过X射线检测器得到的投影数据而重构图像的图像重构部件，其中，在螺旋扫描的进行的过程中，控制部件根据固定轴上的螺旋扫描位置而改变准直器的孔径的打开程度。
优选地，在螺旋扫描的开始位置，将准直器的孔径沿螺旋扫描的进行方向在根据切片厚度而确定的预定准直器孔径宽度的前一半处打开，并将准直器的孔径在其后一半置于关闭状态；在螺旋扫描中间过程中，沿螺旋扫描的进行方向，将准直器的孔径的前一半和后一半均置于打开状态；以及在螺旋扫描的结束位置，沿螺旋扫描的进行方向，关闭准直器的孔径的前一半，并将准直器的孔径在其后一半置于打开状态，因为病人的辐照被减小至最小。
优选地，允许连续地执行准直器的孔径在其后一半从关闭状态到打开状态的改变，并且允许连续地执行该孔径从打开状态到关闭状态的改变，因为它们适于数据获取位置的连续改变。
优选地，在沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的加速期间，允许执行准直器的孔径在其后一半从关闭状态到打开状态的改变，并且，在沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的减速期间，允许执行准直器的孔径在其前一半从打开状态到关闭状态的改变，因为即使在恒定的速度周期期间控制准直器孔径，也可类似地减小病人的辐照。
优选地，沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的加速和减速可为线性的，因为准直器控制是容易的。优选地，沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的加速和减速可为非线性的，因为加速和减速是平滑的。
优选地，X射线检测器可为多行X射线检测器或平面X射线检测器，因为提高了螺旋扫描的效率。优选地，X射线CT设备可通过三维图像重构方法来执行图像重构，因为提高了图像的质量。
在根据各个方面中的每个方面的本发明中，根据在螺旋扫描的进行过程中固定轴上的螺旋扫描的位置而改变准直器的孔径的打开程度。因此，有可能实现减小在螺旋扫描时病人的辐照并实现X射线数据获取的效率提高的准直器控制方法、以及执行这种准直器控制的X射线CT设备。
根据在附图中图示的对本发明的优选实施例的以下描述，本发明的其他目的和优点将变得清楚。
附图说明
图1为示出图解本发明的最佳实施方式的一个例子的X射线CT设备的方框图。
图2为图解X射线管和多行检测器的旋转的说明图。
图3为示出X射线CT设备的示意性操作的流程图。
图4为绘出X射线CT设备的示意性操作的一部分的流程图。
图5为示出数据获取过程的细节的流程图。
图6为绘出准直器的操作的说明图。
图7为示出准直器的另一个操作的说明图。
图8为图解准直器的另一个操作的说明图。
图9为绘出准直器的另一个操作的说明图。
图10为示出准直器的另一个操作的说明图。
图11为图解准直器的另一个操作的说明图。
图12为绘出准直器的另一个操作的说明图。
图13为示出在各个准直器位置处的准直器位置检测通道的输出的说明图。
图14为图解其中线性地执行加速和减速的台线性移动速度的改变的图。
图15为绘出其中线性地执行加速和减速的管电流的改变的图。
图16为示出其中非线性地执行加速和减速的台线性移动速度的改变的图。
图17为图解其中非线性地执行加速和减速的管电流的改变的图。
图18为示出台线性移动速度的改变的图，其中，不以恒定速度间隔而线性地执行加速和减速。
图19为图解管电流的改变的图，其中，不以恒定速度间隔而线性地执行加速和减速。
图20为绘出台线性移动速度的改变的图，其中，不以恒定速度间隔而非线性地执行加速和减速。
图21为示出管电流的改变的图，其中，不以恒定速度间隔而非线性地执行加速和减速。
图22为图解三维图像重构过程的细节的流程图。
图23A和图23B为示出沿X射线穿透方向而投影重构区域上的线的状态的概念图。
图24为绘出在检测器平面上投影的线的概念图。
图25为图解在重构区域上投影投影数据Dr(view，x，y)的状态的概念图。
图26为示出在重构区域上的各个像素的反投影(backprojection)像素数据D2的概念图。
图27为图解与所有视图(view)上的像素相对应地添加反投影数据D2以得到反投影数据D3的状态的说明图。
图28A和图28B为示出沿X射线穿透方向而投影圆形重构区域上的线的状态的概念图。
具体实施方式
下面，将通过参照附图来说明实施本发明的最佳方式。顺便提及，本发明不限于实施本发明的最佳方式。图1示出了X射线CT设备的方框图。本设备为示出实施本发明的最佳方式的一个例子。通过本设备的配置而示出了与X射线CT设备相关的实施本发明的最佳方式的一个例子。通过本设备的操作而示出了与准直器控制方法相关的实施本发明的最佳方式的一个例子。
X射线CT设备100配备有操作控制台1、拍摄台10、以及扫描架20。操作控制台1配备有从操作员接受输入的输入装置2、运行图像重构过程等的中央处理单元3、获取或收集由扫描架20获取的投影数据的数据获取缓冲器5、显示由投影数据重构的CT图像的CRT 6、以及其中存储有程序、数据和X射线CT图像的存储装置7。中央处理单元3为根据本发明的图像重构部件的一个例子。
台装置10提供有托架(cradle)12，其将主体***到其上放置主体的扫描架20的膛(洞部分)中、以及将主体从扫描架20的膛拖出。由在拍摄台10中内置的马达而升起和沿台线性地移动该托架12。由编码器对沿Z轴方向的坐标进行计数。由控制器29计算对应的z轴坐标。控制器29通过滑动环28而将与沿检测器的z方向的中心坐标相对应的z轴坐标Z(view，i)加到其对应的DAS的投影数据(view，j，i)上。这里，将通道号、检测器行或顺序、以及视角分别假定为i、j和view。
扫描架20配备有X射线管21、X射线控制器22、准直器23、多行检测器24、DAS(数据获取***)25、将X射线管21等绕主体的固定轴旋转并控制准直器23的旋转控制器26、以及执行操作控制台1和拍摄台10之间的控制信号等的传送的控制器29。
X射线管21为根据本发明的X射线源的一个例子。准直器23为根据本发明的准直器的一个例子。旋转控制器26为根据本发明的控制部件的一个例子。多行检测器24为根据本发明的X射线检测器的一个例子。
图2为示出X射线管21和多行检测器24的说明图。X射线管21和多行检测器24绕旋转中心IC而旋转。当将垂直方向假定为y方向，将水平方向假定为x方向，而将与这些方向正交的方向假定为z方向时，X射线管21和多行检测器24中的每个的旋转平面为xy平面。托架12的移动方向对应于z方向。
由X射线管21和准直器23生成被称为锥形束CB的X射线束。当锥形束CB的中心轴的方向与y方向平行时，假定视角等于0°。例如，多行检测器24具有对应于256行的检测器行。检测器行的并排提供的方向对应于z方向。例如，各个检测器行分别具有对应于1024个通道的通道。
图3为示意性地示出X射线CT设备100的操作的流程图。在步骤S 1中，在X射线管21和多行检测器24正在绕要拍摄的主体旋转、且托架12正在沿台而线性移动的同时，获取台线性移动位置z以及以视角view、检测器行号j和通道号i表示的投影数据D(view，j，i)。
也就是说，执行通过螺旋扫描的数据获取。顺便提及，此时沿z轴方向的拍摄台的坐标导致：通过将沿由多行检测器24和X射线管21组成的数据获取***的z方向的中心位置处的拍摄台的z坐标信息Z(view)加到对应的投影数据D0(view，j，i)而获得的坐标。将通过参照图5至21来说明在步骤S1中的数据获取过程。
在步骤S2中，对投影数据D0(view，j，i)进行预处理。如图4所示，预处理的细节包括偏移校正(步骤S21)、对数变换(步骤S22)、X射线剂量校正(步骤S23)、以及灵敏度校正(步骤S24)。
在步骤S3中，对预处理后的投影数据D2(view，j，i)应用重构函数叠加过程。也就是说，通过重构函数而对该投影数据进行傅立叶变换和相乘，后面对其进行逆傅立叶变换。
在步骤S4中，对经过了重构函数叠加过程的投影数据D0(view，j，i)执行三维反投影过程，以确定反投影数据D3(x，y)。后面将通过参照图22来描述三维反投影过程。
在步骤S5中，对反投影数据D3(x，y)进行后处理，以得到CT图像。
图5为示出数据获取过程的细节的流程图(图3中的步骤S1)。在图6和图7至12中示出了在数据获取时的准直器23的孔径的控制状态。
在步骤S101中，托架12以低速沿台而线性地移动到图14和16中示出的台线性移动开始位置。
在步骤S102中，准直器仅在旋转中心IC的位置的z≥0的定位处保持打开。在图6(A)和图7中示出了此情形。顺便提及，z的符号与旋转中心IC相关，将进行螺旋扫描的方向假定为+(前侧)，并将其相反方向假定为-(后侧)。
在步骤S103中，X射线管21和多行检测器24以IC为旋转中心而绕着要拍摄的主体旋转。
在步骤S104中，开始托架12的台线性移动。
在步骤S105中，基于预定函数而加快托架12的台线性移动的速度。在图14和15中示出了预定函数相对于时间是线性的情况，而在图16和17中示出了预定函数相对于时间是非线性的情况。当X射线数据获取***沿z方向的中心位置达到z＝0时，输出X射线。
通过其输出，而执行下面的准直器的孔径的控制。假定此时的准直器的开/关状态如下：
cw：准直器孔径宽度(孔径)，
Zce：准直器孔径的z坐标最大值(+侧)，
以及
Zcs：准直器孔径的z坐标最小值(-侧)，达到了cw＝Zce-Zcs。
并且，假定将Zd、Zs和Ze设置如下：
Zd：数据获取***的中心z坐标，
Zs：螺旋扫描的开始处的z坐标(Zs＝0)，以及
Ze：螺旋扫描的结束处的z坐标，
将Zce设置为与在X射线数据获取开始位置处的预置切片厚度的前一半相当的z坐标，并将Zce控制为使得达到Zcs＝Zs。在图6(A)和图7中示出了此情形。由此，孔径的前一半打开，而其后一半进入关闭状态。
使用图7至12中示出的准直器位置检测通道(由虚线指明的部分)中的每个，来测量准直器的开/关状态。当沿z方向(行方向)而取得对应通道的输出时，如图13所示表示它们。可通过确定此时输出检测器输出信号的宽度wa、wb和wc来识别准直器的开和关的状态。
此时，由控制器29计算由用于确定拍摄台10的z方向坐标的编码器所计数的z方向坐标中的每个，作为z轴坐标，所述z方向坐标随后通过滑动环28而到达DAS 25。
DAS 25能够从准直器位置检测通道的每个输出而识别准直器的当前开/关状态。旋转控制器26以这种方式向准直器23发出命令，以便将准直器打开或关闭到根据每个z坐标确定的准直器开/关目标值。
确定由准直器位置检测通道的每个输出确定的准直器开/关值和准直器开/关目标值之间的差，以生成反馈信号。旋转控制器29根据反馈信号而向准直器23发出指令，以由此执行确定准直器23是否已按指令操作的反馈控制。
在步骤S106中，准直器仅在z≥0的定位处保持打开。也就是说，以这种方式控制准直器，以便达到Zcs＝Zs＝0。如图6(A)和图7所示表示此情形。
在步骤S107中，获取加速中的投影数据D0(view，j，i)。此时，孔径的后一半随着螺旋扫描的进行而打开。如图6(B)所示，其后一半随着Zs和Zd之间的差值的增加而打开。在图8中图解了此状态。
在步骤S108中，确定托架12的台线性移动速度是否达到图14和16中示出的预定速度Vc。当台线性移动速度达到预定速度Vc时，X射线CT设备100前进到步骤S109。当发现台线性移动速度未达到预定速度Vc时，X射线CT设备100返回到步骤S104，其中，进一步加快该台线性移动速度。
在步骤S109中，在托架12的台线性移动速度正维持在预定速度的状态中，获取低速的投影数据D0(view，j，i)。此时，孔径的后一半完全打开。由此，孔径的前一半和后一半均处于打开的状态。在图6(C)和图9中图解了此情形。
在步骤S110中，确定托架12是否到达图14和16中的每个中示出的恒定速度结束位置。当托架12已到达恒定速度结束位置时，X射线CT设备100前进到步骤111。当确定托架12未到达恒定速度结束位置时，X射线CT设备100返回到步骤S109，其中，继续获取恒定速度的投影数据。
在步骤S111中，基于预定函数而减慢托架12的台线性移动速度，并相应地减小管电流。在图14和15中示出了预定函数为线性的情况。在图16和17中示出了预定函数为非线性的情况。
此时，当沿X射线数据获取***的准直器的z方向的最大值一侧上的坐标Zce开始达到螺旋扫描的停止处的坐标Ze时，X射线CT设备开始控制准直器的开/关，以便达到Zce＝Ze。也就是说，X射线CT设备开始逐渐关闭孔径的前一半。在图6(D)和6(E)以及图10和11中图解了此情形。
当X射线数据获取***的中心坐标达到Zd＝Ze时，停止X射线的输出。在图6(F)和图12中图解了此情形。由此，关闭孔径的前一半，并且其后一半进入关闭状态。
在步骤S112中，准直器仅在Z≤Ze的定位处保持打开。也就是说，以这种方式控制准直器，以便达到Zce＝Ze。如图6(F)和图12所示表示了此情形。
在步骤S113中，获取被置于减速状态下的投影数据D0(view，j，i)。
在步骤S114中，确定托架12的台线性移动速度是否达到图14和16中的每一个示出的可停止速度。当达到可停止速度时，X射线CT设备前进到步骤S115。当未达到可停止速度时，X射线CT设备返回到步骤S111，其中，减慢该台线性移动速度。
在步骤S115中，停止托架12的台线性移动。
顺便提及，如果将恒定速度开始位置设置为等于如图18至21所示的恒定速度结束位置，那么可以最短的台线性移动距离而获取投影数据D0(view，j，i)。即使在这种扫描的情况中，也执行遵循以上内容的准直器控制。
由此，由于在螺旋扫描的开始时，仅孔径的前一半保持打开，而其后一半关闭，所以可相应地减少病人的辐照剂量。由于在螺旋扫描的结束时，仅使孔径的后一半打开，而其前一半关闭，所以可相应地减少病人的辐照剂量。由此，有可能将病人的辐照设置为所需的最小值。
连续地执行孔径的后一半从其关闭状态到其打开状态的改变，并且，连续地执行孔径的前一半从其打开状态到其关闭状态的改变。因此，这可适于数据获取位置的连续改变。
在沿固定轴方向的螺旋扫描进行的加速期间，产生孔径的后一半从其关闭状态到其打开状态的改变，而在沿固定轴方向的螺旋扫描进行的减速期间，产生孔径的前一半从其打开状态到其关闭状态的改变。因此，有可能提高螺旋扫描的效率。
使沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的加速和减速为线性使得准直器能够被容易地控制。顺便提及，可通过使沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的加速和减速为非线性而使加速和减速平滑。
由于X射线检测器具有多行X射线检测器或平面X射线检测器的性质，所以，可提高螺旋扫描的效率。
即使完成了这种准直器控制，也获取从扫描开始位置Zs到扫描结束位置Ze的完整数据组，作为投影数据。因而，可基于这些投影数据，针对从扫描开始位置Zs到扫描结束位置Ze的范围而得到完整的重构图像。
图22为示出三维反投影过程(图3中的步骤S4)的细节的流程图。在步骤S61中，注意重构CT图像所需的所有视图(即，对应于360°的视图、或对应于“180°+扇角”的视图)中的一个。提取与重构区域P中的各个像素相对应的投影数据Dr。
如图23所示，将与xy平面平行的512×512正方形区域定义为重构区域P，而分别取与y＝0的x轴平行的像素行L0、y＝63的像素行L63、y＝127的像素行L127、y＝191的像素行L191、y＝255的像素行L255、y＝319的像素行L319、y＝383的像素行L383、y＝447的像素行L447、和y＝511的像素行L511作为行。在此情况中，当在这种情形下提取通过沿X射线穿透方向将这些像素行L0至L511投影到多行X射线检测器24的平面上而得到的图24中示出的线T0至T511上的投影数据时，那么它们产生像素行L0至L511的投影数据Dr。
尽管根据X射线管21的X射线焦点、各个像素和多行X射线检测器24的几何位置而确定X射线穿透方向，但是，由于投影数据D0(z，view，j，i)的z坐标是已知的，所以，即使在投影数据(z，view，j，i)被置于加速或减速的情况下，也可精确地确定X射线穿透方向。
顺便提及，当在例如沿X射线穿透方向将像素行L0投影到多行X射线检测器24的平面上而获得线T0的情况中，某些线被置于多行X射线检测器24的平面之外时，将对应的投影数据Dr设置为“0”。
由此，如图25所示，可提取与重构区域P的各个像素相对应的投影数据Dr(view，x，y)。
回来参照图22，在步骤S62中，将投影数据Dr(view，x，y)乘以锥形束重构加权系数，以创建图26中示出的投影数据D2(view，x，y)。
当在这里假定X射线管21的焦点和与投影数据Dr及其通道i相对应的多行检测器24的每个检测器行j之间的距离为r0，并且假定X射线管21的焦点和与投影数据Dr相对应的重构区域P上的每个像素之间的距离为r1时，锥形束重构加权系数成为(r1/r0)2。
在步骤S63中，如图27所示，与像素相关联地将投影数据D2(view，x，y)添加到预先清空的反投影数据D3(x，y)。
在步骤S64中，对重构CT图像所需的所有视图(即，360°的视图、或“180°+扇角”的视图)重复应用步骤S61至S63，以得到如图27所示的反投影数据D3(x，y)。
顺便提及，可将重构区域P配置为如图28所示的圆形区域。
根据上面描述的X射线CT设备100，不仅在台线性移动速度保持恒定的周期期间，而且在台线性移动速度正处于加速/减速的周期期间，同样都获取或收集投影数据。将在运行扫描时的沿固定轴(下文中成为z轴)方向的坐标信息一次添加到每个视图数据或几个视图数据。将获取的投影数据与z轴坐标和信息一起用于图像重构。因此，整个台线性移动距离中的用于加速/减速的台线性移动距离对于图像重构来说也是可用的。
顺便提及，图像重构方法可为迄今公知的二维图像重构方法、或迄今公知的基于FeldKamp方法的三维图像重构方法。此外，可使用日本专利申请第2002-066420号、第2002-147061号、第2002-147231号、第2002-235561号、第2002-235662号、第2002-267833号、第2002-322756号以及第2002-338947号中提出的三维图像重构方法。
在不背离本发明的精神和范围的情况下，可配置本发明的很多显著不同的实施例。应当理解，除了如所附权利要求中所定义的那样，本发明不限于在说明书中描述的特定实施例。

Claims (10)

1、一种用于X射线CT设备的准直器控制方法，其中，使用由准直器形成的X射线束沿其固定轴的方向对主体进行螺旋扫描，并基于通过X射线检测器得到的投影数据而执行图像重构，该方法包括：
在螺旋扫描进行的过程中，根据主体的固定轴上的螺旋扫描的位置而改变准直器的孔径。
2、一种X射线CT设备，包括：
X射线源；
准直器，用于对从X射线源发射的X射线进行整形；
控制装置，用于控制准直器；
X射线检测器，被安排为与其间***主体的X射线源和准直器相对；以及
图像重构装置，用于沿其固定轴的方向对主体进行螺旋扫描，并基于通过X射线检测器得到的投影数据而重构图像，
其中，在螺旋扫描进行的过程中，该控制装置根据固定轴上的螺旋扫描位置而改变准直器的孔径的打开程度。
3、如权利要求2所述的X射线CT设备，其中，在螺旋扫描的开始位置，该控制装置沿螺旋扫描的进行方向将准直器的孔径在其前一半打开约为预定准直器口径的一半，并将准直器的孔径在其后一半置于关闭状态，
沿螺旋扫描的进行方向，在螺旋扫描中间过程中，将准直器的孔径在其前一半和后一半两者都打开为预定的准直器口径，以及
在螺旋扫描的结束位置，沿螺旋扫描的进行方向，在其前一半关闭准直器的孔径，并将准直器的孔径置于在其后一半打开约为预定的准直器口径的一半的状态。
4、如权利要求3所述的X射线CT设备，其中，在螺旋扫描期间，控制装置使得连续地执行准直器的孔径在其后一半从其关闭状态到其打开状态的改变，以及
使得连续地执行准直器的孔径在其前一半从其打开状态到其关闭状态的改变。
5、如权利要求4所述的X射线CT设备，其中，在沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的加速期间，控制装置使得执行准直器孔径在其后一半从其关闭状态到其打开状态的改变，以及
在沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的减速期间，使得执行准直器孔径在其前一半从其打开状态到其关闭状态的改变。
6、如权利要求4所述的X射线CT设备，其中，在沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的恒定速度期间，控制装置使得执行准直器孔径在其后一半从其关闭状态到其打开状态的改变，以及
在沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的恒定速度期间，使得执行准直器孔径在其前一半从其打开状态到其关闭状态的改变。
7、如权利要求5或6所述的X射线CT设备，其中，沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的加速和减速是线性的。
8、如权利要求5或6所述的X射线CT设备，其中，沿固定轴方向的螺旋扫描的进行的加速和减速是非线性的。
9、如权利要求2至8中的任一个所述的X射线CT设备，其中，该X射线检测器为多行X射线检测器或平面X射线检测器。
10、如权利要求2至9中的任一个所述的X射线CT设备，其中，该图像重构装置可通过三维图像重构方法来执行图像重构。
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