CN1895172A - 用于在计算机断层造影仪中调整焦点的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种用于在计算机断层造影仪CT(1)中非迭代地调整焦点的方法,其中,通过最小数目的窦腔X射线照片计算出中心射线相对于焦点的运动方向的位置以及检测器扫描频率(fD)和焦点移动频率(fF)之间的正确相位(τ),并且根据预定值在不采用迭代步骤的条件下进行调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在包括至少一个围绕***轴转动的、带有弹性焦点(Springfokus)的X射线管以及一个与该至少一个X射线管相对的、带有多个检测器元件的多行检测器的CT中调整焦点的方法,其中,该焦点按照特定的焦点移动频率(Fokusspringfrequenz)在阳极上改变其一维或两维位置,按照特定的检测器扫描频率对检测器的检测器元件的输出信号进行积分,其中,焦点移动频率等于检测器扫描频率,并且设置跳跃移动的焦点位置以及焦点移动频率和检测器扫描频率之间的相位差。
背景技术
一般公知的是,为了改善CT设备的空间分辨率可以采用弹性焦点机制。在此,通过在X射线管中的磁偏转***这样来影响产生辐射的电子射线:即,按照特定的焦点移动频率在阳极上的多个位置上跳跃移动,从而对应地从不同的射线方向照射以及因此按照投影方式多次照射每个检测器元件。对应地,利用一个由支架的每次旋转的投影数目、旋转速度和不同弹性焦点位置的数目给出的频率,进行检测器信号的扫描。如果在X射线焦点的重心适当移动的情况下实现了扫描,则使得有效的扫描速率增加许多倍,从而改善了CT检查的分辨率和质量。
焦点的偏转既可以在轴向方向(=Z方向=***轴方向)又可以在横穿轴向的方向(=方向=切线方向=方位角方向)或者在这两个方向的组合中实施。在每种情况下要求确定:焦点的偏转运动(焦点移动频率)和数据获取的频率(=检测器扫描频率)之间的相位关系,弹性焦点位置中的偏转差,以及阳极上的绝对焦点位置(焦点偏移)。
例如,对应于在支架的旋转中心的所谓的焦点调准,通过在方位角方向上的两个位置上正确地选择弹性焦点的偏转(=焦点偏移),并结合方位角的弹性焦点,实现了对在旋转中心以及检测器元件公知的1/4偏移处的检测器像素的4倍扫描。由此,可以实现成像***(=焦点/检测器***)的高出4倍的传送频率。
为此,必须细心地将弹性焦点的调准以及焦点移动频率和检测器扫描频率之间的相位差协调一致。原则上,这些参数可以根据带有圆形扫描的CT扫描以及在弹性焦点运行中的适当的模型来确定。适合于作为模型的是偏心放置的、强衰减的小球,或者是小圆柱——如果弹性焦点仅仅在方位角方向上跳跃移动的话。目前,这种协调一致是通过利用多次测量和临时的分析来对焦点的最佳偏转以及最佳相位进行迭代的逼近而进行的。
这种迭代的方法是非常消耗时间和费用的,因此应该得到简化和缩短。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题是,提供一种在带有弹性焦点的CT设备中调整焦点的方法,该方法具有最小的测量开销和时间开销。
发明人了解,利用带有针对焦点位置以及检测器扫描频率和焦点移动频率之间的相位的不同参数的模型的窦腔造影(Sinogramm)的少量照片,可以直接并且不采用迭代方法地确定对于跳跃移动的焦点位置以及相位设置的正确的校正值。
与此对应,发明人提出了一种用于在包括至少一个围绕***轴转动的、带有弹性焦点的X射线管以及一个与该至少一个X射线管相对的、带有多个检测器元件的多行检测器的CT中非迭代的调整焦点的方法,其中,该焦点按照特定的焦点移动频率在阳极上改变其一维或两维的位置,按照特定的检测器扫描频率对检测器的检测器元件的输出信号进行积分,焦点移动频率等于检测器扫描频率;并且其中,利用针对焦点的位置以及检测器扫描频率和焦点移动频率之间的相位的不同参数,在焦点于拍摄期间在一维上变换位置的条件下拍摄球形或圆柱形吸收体的至少三幅窦腔X射线照片,或者在焦点于拍摄期间在二维上变换位置的条件下拍摄球形或圆柱形吸收体的至少五幅窦腔X射线照片,并且还从所拍摄的窦腔X射线照片中计算出中心射线相对于焦点的运动方向的位置,并且确定检测器扫描频率和焦点移动频率之间的相位,以及根据预定值在没有迭代步骤的条件下进行调整。
由此可以放弃迭代的步骤,并且设置正确的或者优选的相位。所给定的被测量窦腔X射线照片的最小值表示了精确计算所需的、数学上所需的最小值,其中,在测量值的范围内必须呈现线性的关系。不过,如果在不进行迭代方法的条件下实施能改善精确度的更多数量的测量,则也属于本发明的范围。也就是说,利用相同的边界条件(即相同的焦点偏移)来进行所有测量,并且在测量之间不对焦点偏移进行调整和不对所选择的相位进行近似。
在此优选的是,通过利用焦点偏转的比例变换和内插获得为了确定所希望的焦点位置和相位所要求的焦点偏转,来完善测量结果。
在此,为了在一维中对焦点偏转进行比例变换采用下列公式:
其中,Θ1和Θ2是第一和第二焦点位置的调准,τi对应于检测器扫描频率fD和焦点移动频率fF之间的相位,ρk和ρi对应于一个与焦点偏转成正比的值、优选为偏转电流,并且Θ1和Θ2是根据公式
从各个焦点位置的窦腔X射线照片中计算出来的,其中,β(α)对应于在窦腔X射线照片中吸收体吸收的重心线,而α对应于投影角。
优选地,从所设置的检测器偏移和所设置的焦点位置之间的共同作用中,形成检测器通道的等距离过扫描(Ueberabtastung)。
此外,还建议通过利用梯形时间函数的内插确定焦点位置以及检测器扫描频率和焦点移动频率之间的相位。
也就是说,根据本发明提出了一种用于确定动态焦点偏转的相位、幅度和偏移的非迭代的方法。因此,可以期待能够显著地加快焦点调准调节。因此,通过适当地确定相位、偏转幅度和焦点偏移的不同值,可以利用合适的模型从顺序的测量中计算出最佳的值。
附图说明
为了解释本发明,下面借助附图描述由带有弹性焦点的CT对对象扫描的情形,其中,在不限制一般性的条件下,首先示出了仅仅一个带有在方位角方向上的两个不同焦点位置的弹性焦点,然后示出了该弹性焦点在***轴方向上的扩展。在附图中仅示出了理解本发明所需的特征。其中,采用以下参考标记和公式标记:1:CT(计算机断层造影仪);2:X射线管;2.x:焦点位置;3:检测器;3.x:检测器元件;4:***轴/z轴;5:CT机壳;6:患者卧榻;7:患者;8:支架中的开口;9:计算和控制单元;10:数据/控制线;11:阳极;12.x.y:扫描射线;13:吸收体;I-IV:弹性焦点位置的顺序;fD:检测器扫描频率;fF:焦点移动频率;M:检测器元件的中心;Prgx:计算机程序;Rd:检测器至旋转中心的距离;Rf:焦点至旋转中心的距离;S:在旋转中心内检测器通道的物理尺寸;t:时间;z:z轴;α:投影角;β(α):吸收体的重心线;β:穿过吸收体的射线角度;:圆周角;Θ:调准值;ρ:偏转电流的幅度;η:焦点的偏移;τ:检测器扫描频率和焦点移动频率之间的相位;∫:积分定时。
具体图中:
图1表示CT的概貌;
图2表示CT的正常焦点的示意图,连同在垂直位置上带有1/8偏移的、相对的检测器;
图3是围绕***轴旋转180°之后的图2中的表示;
图4表示带有来自于相对的投影方向的射线的局部分布的、在旋转中心中虚拟检测器元件的断面;
图5表示具有CT的两个焦点位置的弹性焦点的示意图,连同在垂直位置上带有1/4偏移的、相对的检测器;
图6是围绕***轴旋转180°之后的图5中的表示;
图7表示带有从相对的投影方向和从在方位角方向中的两个不同焦点位置发射的射线的局部分布的、在旋转中心中虚拟检测器元件的断面;
图8表示具有CT的四个焦点位置的弹性焦点的示意图,连同在垂直位置上带有1/4偏移的、相对的检测器;
图9是围绕***轴旋转180°之后的图8中的表示;
图10表示带有从相对的投影方向和分别从在方位角方向和在z方向的两个不同焦点位置上发射的射线的局部分布的、在旋转中心中虚拟检测器元件的断面;
图11表示四个焦点位置的示意性跳跃移动顺序;
图12在CT的窦腔X射线照片中偏心的测量点的轨迹;
图13表示按照图8的弹性焦点的焦点Z移动、焦点移动和积分定时的错开的时间栅;
图14表示用于焦点调整的测量值和外推值。
具体实施方式
图1示出了一个可以应用本发明方法的示例性计算机断层造影设备(CT)。CT1具有一个安装在机壳5中的没有更详细示出的支架上的X射线管2,在该X射线管中可以在z轴4和/或方向(即围绕z轴4的旋转方向)上控制不同的焦点位置。在此,焦点位置的控制是通过对这样的电子射线的偏转来实现的,该电子射线构成燃烧点并且穿过在X射线管中的、没有详细示出的一个或多个电磁铁的磁场。在此,电子射线的偏转至少在一个有限的范围内与偏转的磁铁***的电流成线性关系。
与X射线管2相对有一个多行检测器3,其与X射线管2一同圆形地围绕z轴(在此z轴也对应于***轴4)运动。在此,将从X射线管发射的射线针对其在穿透位于射线中的对象时的吸收进行测量。作为对象这里示出了沿***轴4的方向可移动地设置在卧榻6上的患者7。由此,可以按照公知的方式对患者7的全身或者局部进行扫描。
整个***的控制是由计算和控制单元9通过数据/控制线10实现的,该计算和控制单元还借助于一体化的程序Prgx对所接收的检测器输出数据进行分析。由此,特别是还实施了对于焦点位置的控制和对检测器数据的积分定时。
在焦点的位置固定的条件下,为了改善检测器***的扫描分辨率大多采用所谓的检测器四分之一偏移,其中,检测器单元沿着方位角方向通过***轴向X射线管的中心射线移动了检测器宽度的四分之一。如在图2和3中示出的那样,由此,在偏移180°的焦点/检测器***中形成了从在阳极面11上的位置固定的焦点2.1发出的两条不同的扫描射线12.1.1和12.1.2。因此,在焦点/检测器***的完整旋转条件下,相对的扫描就其扫描射线来说发生了轻微的偏移,从而可以避免冗余的扫描并且完整旋转的每个半圈提供新的扫描信息。
在图4中示出了带有来自于相对的投影方向的射线的局部分布的、在旋转中心中虚拟检测器元件3.n的断面。可以容易地看出,对于两条从焦点的相对的位置上产生的射线分别形成了从该检测器元件的中心线M出发的、大小等于检测器元件宽度的1/4的偏移。
在这种扫描中,将多个较小角度增量上的吸收数据进行积分,并且将该角度增量的有关平均值视为有关投影的理想角度。
如果观察偏心地位于这种单焦点***中的尽可能点状的吸收体13(例如在图5和6中示出的)并且拍摄窦腔X射线照片(如在图12中示出的),则可以利用公式
从窦腔X射线照片数据以及其中待发现的吸收变化中计算焦点的位置,其中,α对应于投影角,β对应于穿透吸收体的射线角度,而Θ对应于调准值(=按照弧度尺寸的焦点偏转)。在窦腔X射线照片的表示中虚的中心线β(α)表示在窦腔X射线照片上吸收体引起的吸收的变化的重心线,其中窦腔X射线照片由实的波动线表示出。
在图5和6中按照分别偏移180°的拍摄位置示出了具有在方位角方向上的两个焦点位置的弹性焦点的应用。在此,通过在带有每个检测器元件3.n的1/8偏移的检测器***中的焦点偏移,形成了带有不同投影角的四个不同扫描射线12.1.1、12.1.2、12.2.1和12.2.2。在此,必须将检测器的积分定时精确地与焦点的跳跃移动节奏和焦点的确切的定位协调一致。
为此,与图5和6相应,在图7中示出了带有从相对的投影方向和从在方位角或方向中的两个不同焦点位置发射的射线12.x.y的局部分布的、在旋转中心中虚拟检测器元件的断面。
现在过渡到带有四个不同位置的弹性焦点,如在图8和9中所示出的那样,其中,在此焦点既在方位角方向又在z轴方向上跳跃移动,于是再次得到相对于图5和6的扫描射线12.x.y的双倍数目。
在图10中示出了带有从相对的投影方向和分别从方位角方向和z方向的两个不同焦点位置发射的射线的局部分布的、在旋转中心中虚拟检测器元件的对应的俯视图。为了更好地表示射线的附加z偏移,在此选择了一幅俯视图,其中,用符号+示出的箭头要表示进入到图面的方向,而用符号·示出的箭头要表示从图面出来的方向。
针对图2-10需要指出的是,这些附图仅仅要示意性地显示由于不同焦点和弹性焦点设置而产生的扫描情形。实际上,在焦点-检测器***旋转期间进行扫描并且同时在多个小的角度片段上对检测器信号进行积分,其中,将该(空间)角度片段的重心线简单地视为扫描射线。
在图11中示出了焦点位置的跳跃移动顺序的一个例子。在此,按照其跳跃的顺序标出了四个焦点位置I-IV,即,其中首先在一个z位置上从两个方位不同的位置I和II上跳跃移动,然后从II向III既变换z位置又变换方位角位置,以便随后再次仅仅变换从III到IV的方位角坐标。然后,通过既改变z位置也改变方位角位置再次返回到I。
在图13中由上至下以概略图分别相对于时间轴t记录按照图8的弹性焦点的焦点Z跳跃z、焦点跳跃和检测器的积分定时∫的错开的时间栅,并且相位相互正确地示出。
通过对扫描射线的越来越细致的划分,将弹性焦点位置的正确取向与同时正确的积分定时配对,即设置位置改变和积分特性之间的正确相位关系,在此,要示出对正确的积分定时和正确的弹性焦点的取向的设置的非常基本的和简单而迅速的变形。尤其是,焦点位置取向的迭代方法随着焦点位置数目的增加,其开销超过了正常比例。
按照本发明,为了确定和调整焦点位置以及积分频率和弹性焦点的位置改变频率之间的相位,进行多个带有按照下列表格参数化的测量。在弹性焦点仅有一个坐标发生位置改变的情况下需要三次测量,而在两个坐标发生位置改变的情况下需要五次测量。
表1
测量 | 1 | k | N |
相位τ | τ1(0≤τ1≤1) | τ1+k/(2N) | τ1+1/2 |
幅度ρ | ρ1 | ρk | ρN |
偏移η | η1 | η1 | η1 |
需要指出的是,在方位角方向上对焦点进行调整时必须确定偏移,而在***轴方向上进行调整时偏移并不重要。
焦点相位τ按照检测器-积分时间的单位给出。在此,将幅度值ρ选择为不同,并且可以例如等距离地分布在用于焦点偏转的偏转电流的动态区域内。在此,偏移η表示焦点位置的重心与所希望的重心的偏差。
下面,以方位角弹性焦点为例说明对N次测量的分析。可以从每次测量中获得偶数和奇数投影的焦点调准Θg和Θu。作为参数τ和ρ的函数得到焦点调准值。在线性关系的假设条件下,对于ρ=常数通过比例变换确定Θ(τ,ρ)的截面,其中成立:
对于每个幅度ρk可以通过内插确定属于最大值的相位τk *。这样,最佳的相位作为平均值给出:
最佳的偏转幅度在具有两个位置的弹性焦点的条件下对于 得到。对应的值可以通过对函数(Θg-Θu)(τk *,ρ)的内插确定。
例如,此时可以利用下列方程从两个带有相位τ1和τ1+1/2的测量中确定与阳极圆盘上的偏移偏转η1对应的焦点偏移Θint:
其中,偏移值Θint是作为Θu int和Θg int的平均值计算出来的。如果要例如对于1/8的偏移追求最佳的偏移值Θopt,则从射线组中得出在阳极圆盘上为此所需的焦点偏转ηopt:
其中,Rf表示焦点-旋转中心距离,而Rd表示旋转中心-检测器距离。S表示旋转中心中检测器通道的物理参数。
按照类似的方式可以确定Z弹性焦点的最佳相位和最佳幅度。在这种情况下,偏移的确定对于图像重建没有任何意义。在利用球模型的测量中通过计算窦腔X射线照片中对应的z重心坐标的差值来确定Θg-Θu。
图14显示出了这种计算。即,将一个测量点偏心地置于焦点-检测器***的测量区域中,并且在被视为与焦点偏转成正比的偏转电流ρ具有不同值的条件下,通过窦腔X射线照片建立检测器***的积分频率与焦点移动频率之间的相位差τ。在此,将测量数据这样分配,使得为每个焦点位置的每个参数组建立一幅窦腔X射线照片。从这些窦腔X射线照片中利用公式
计算出调准值Θ,并且在一个坐标上逐参数组地确定对于不同的焦点位置的差Θg-Θu,其中这里下标g和u表示两个不同的位置。
可以通过线性比例变换在恒定相位或恒定偏转电流的条件下,利用方程
将这样获得的差值(Θg-Θu)(τi,ρk)完善到对于不同的偏转电流或相位的其它差值。因为根据图11在三维坐标系中的差值(Θg-Θu)(τi,ρk)大致按照抛物线的形式变化,可以从每三个值组中为该曲线计算一个带有恒定偏转电流ρ(更确切地说是时间上变化的偏转电流的幅度)的抛物线函数,由此确定最大值。这样,该抛物线基本上对应于在恒定相位τ条件下的差值Θg-Θu的变化。因为在此根据定义该差值Θg-Θu具有最大值,所以相位τ在此也处于最佳。原则上该变化也可以通过其它的函数(例如二次方函数)来近似。当然在此有优势的是,出现多于三个测量值或内插值,从而由此可以平衡可能出现的测量误差。
如果现在对偏转电流ρ的不同值计算函数的该最大值,则可以确定最大值的变化,并且获得其函数变化给出一个0.5的最大值的偏转电流。在此,找出了在具有两个焦点位置的弹性焦点的条件下最佳的偏转电流和由此的最佳偏转。
如果对于在方位角方向和***轴方向具有4个位置(如在图11中示出的那样)的弹性焦点进行测量,则可以首先通过方位角方向上的调准先确定在第一z位置上的相位τ、幅度ρ和偏移η。然后可以在最大值为0.5的条件下确定弹性焦点的z幅度。最后在第二z位置上在弹性焦点于z方向的希望偏转上,在已经确定相位τ的条件下再确定幅度ρ和偏移η。
在图14中示出了被查找的抛物线的这种变化,即,以检测器元件的宽度为单位的差值Θg-Θu作为相位τ和偏转电流ρ的函数。带圈的十字表示实际测量值,简单的十字所标记的位置表示利用有关偏转电流的关系通过比例变换所计算的值。
如果借助于至少3次测量计算出了正确的相位τ,则可以与此类似地利用另外两次测量计算出在另一个坐标方向上的最佳偏转,其中,利用正确的相位通过内插将球形模型的Z重心的差确定为值0.5。
如果从上面表示的计算中已知了相位和偏转电流的正确值,则可以在没有进一步的迭代步骤的条件下直接设置这些最佳值。
可以理解,在不脱离本发明的范围的条件下,本发明上面提到的特征不仅可以应用于分别给出的组合,而且也可以用于其它的组合或者用于单独的设置。
总之,本发明提出了一种用于在CT中非迭代地调整焦点的方法,其中,通过最小数目的窦腔X射线照片计算出中心射线相对于焦点的运动方向的位置以及检测器扫描频率和焦点移动频率之间的正确相位,并且根据预定值在不采用迭代步骤的条件下进行调整。
Claims (5)
1.一种用于在包括至少一个围绕***轴(4)转动的、带有弹性焦点的X射线管(2)以及一个与该至少一个X射线管(2)相对的、带有多个检测器元件(3.x)的多行检测器(3)的CT(1)中非迭代地调整焦点的方法,其中:
1.1.该焦点按照特定的焦点移动频率(fF)在阳极(11)上改变其一维或两维的位置(2.x),
1.2.按照特定的检测器扫描频率(fD)对检测器(3)的检测器元件(3.x)的输出信号进行积分,
1.3.焦点移动频率(fF)等于检测器扫描频率(fD),
1.4.利用针对焦点的位置(2.x)以及检测器扫描频率(fD)和焦点移动频率(fF)之间的相位(τ)的不同参数,在焦点于拍摄期间在一维上变换位置(2.x)的条件下拍摄球形吸收体(13)的至少三幅窦腔X射线照片,或者在焦点于拍摄期间在二维上变换位置(2.x)的条件下拍摄球形吸收体(13)的至少五幅窦腔X射线照片,
1.5.从所拍摄的窦腔X射线照片中计算出中心射线相对于焦点的运动方向的位置,并且确定检测器扫描频率(fD)和焦点移动频率(fF)之间的相位,并根据预定值进行调整。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
2.1.为每个焦点位置的每个参数组建立一幅窦腔X射线照片,
2.2.从这些窦腔X射线照片中计算出调准值Θ,
2.3.在一个坐标上逐参数组地确定不同焦点位置(2.x)的调准值的差(Θg-Θu),以及
2.4.通过线性比例变换在恒定相位或恒定焦点位置的条件下将这样获得的差值完善到针对不同焦点位置(2.x)和相位(τ)的其它差值。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,为了对调准值进行比例变换采用下列公式:
其中,Θ1和Θ2是第一和第二焦点位置的调准,τi对应于检测器扫描频率(fD)和焦点移动频率(fF)之间的相位,ρk和ρi对应于一个与焦点偏转成正比的值、优选为偏转电流,并且Θ1和Θ2是根据公式
从各个焦点位置的窦腔X射线照片中计算出来的,其中,β(α)对应于窦腔X射线照片中吸收体(13)的吸收的重心线,而α对应于投影角。
4.根据上述权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,将所述焦点位置(2.x)以及所述检测器扫描频率(fD)和焦点移动频率(fF)之间的相位(τ)这样调整,使得形成检测器通道的等距离过扫描。
5.根据权利要求3或4所述的方法,其特征在于,通过(Θ1-Θ2)(τi,ρk)的内插确定所述焦点位置(2.x)以及所述检测器扫描频率(fD)和焦点移动频率(fF)之间的相位(τ)。
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