專利名稱：三維電子束計(jì)算機(jī)斷層攝影的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)斷層攝影。更具體而言，本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，尤其涉及一種電子束計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，涉及一種操作這種裝置的方法，以及涉及一種用于操作這種裝置的計(jì)算機(jī)程序。
在常規(guī)的電子束計(jì)算機(jī)斷層攝影系統(tǒng)中，例如如美國專利No.4,352,021中所述，電子束由電子槍產(chǎn)生并且沿著真空室的z軸在下游被加速。在更下游，電磁線圈系統(tǒng)將大約30度的電子束聚焦和反射到半圓形掃描路徑中。偏轉(zhuǎn)束撞擊由諸如鎢之類的合適材料制成的靶環(huán)。x射線的錐束從電子束碰撞靶環(huán)的點(diǎn)發(fā)出。該x射線的錐束借助于準(zhǔn)直器被準(zhǔn)直成橫向扇束。
x射線的扇束穿透對(duì)象(例如沿著z軸安置的患者)的橫向切片。x射線穿過對(duì)象的被掃描切片并且被衰減不同的量，這取決于對(duì)象內(nèi)的x射線強(qiáng)度。布置在對(duì)象的相對(duì)側(cè)上的x射線探測(cè)器的弧形行攔截x射線的透射和衰減扇束，因此提供了對(duì)象的被掃描切片的扇束投影。通過沿著靶環(huán)導(dǎo)引電子束，從大量的方位角獲得對(duì)象的相同橫向切片的扇束投影。所測(cè)量扇束投影然后被處理成二維圖像，該二維圖像表示對(duì)象的被掃描橫向切片的x射線強(qiáng)度分布。所述處理由執(zhí)行合適重建算法的計(jì)算機(jī)進(jìn)行。為了允許良好的圖像質(zhì)量，投影角的方位角必須跨越至少180度加上扇束的角。相對(duì)的探測(cè)器行必須跨越更大的方位角。因此，不可能將靶環(huán)和探測(cè)器行放置在相同的橫向切片中。在美國專利No.4,352,021中，借助于在包含靶環(huán)的平面和包含探測(cè)器行的平面之間小的軸向偏移解決了該問題。然而，該軸向偏移在所掃描切片的重建圖像中產(chǎn)生了某種程度的偽影。掃描過程的超快速要比該缺陷重要。例如，允許相當(dāng)良好地重建對(duì)象切片的一組扇束投影可以在50毫秒內(nèi)被收集。對(duì)象的厚片(slab)的三維圖像可以通過疊加二維圖像獲得。在美國專利No.4,352,021中描述的裝置允許在不機(jī)械地移動(dòng)對(duì)象的情況下掃描少量相鄰切片。然而，成像相當(dāng)大的三維體積需要步進(jìn)對(duì)象，所以花費(fèi)相對(duì)較長的時(shí)間。
在美國專利申請(qǐng)No.2003/0161434 A1中提出了克服靶環(huán)和探測(cè)器行之間的軸向偏移問題，這通過賦予二者螺旋形狀或者通過使二者稍微傾斜來實(shí)現(xiàn)。該方法需要在掃描過程期間使對(duì)象縱向平移。因此，收集用于對(duì)象的三維圖像的數(shù)據(jù)仍然是相對(duì)較費(fèi)時(shí)的。
本發(fā)明的目的是提供一種計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，其允許超快速收集數(shù)據(jù)集，從所述數(shù)據(jù)集可以重建對(duì)象的精確三維圖像。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例，提供一種計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，其包括從第一位置發(fā)出輻射錐束的輻射源。該輻射錐束穿透圍繞空間中特異點(diǎn)(即在概念上被附著到計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的等中心點(diǎn))的感興趣體積。輻射源適于使得第一位置可沿著第一軌跡移動(dòng)。此外，提供了輻射探測(cè)器帶。輻射探測(cè)器帶的中心線沿著第二軌跡延伸?；旧贤ㄟ^對(duì)通過計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的等中心點(diǎn)的第一軌跡進(jìn)行鏡像來獲得探測(cè)器帶的中心線。根據(jù)本發(fā)明的該典型實(shí)施例的一個(gè)方面，第一和第二軌跡都為非平面的和弧形的，以這種方式使得從第一軌跡的一點(diǎn)朝著探測(cè)器帶的相對(duì)部分發(fā)出的錐束未被探測(cè)器帶的任何其他部分明顯阻擋。另外，第一軌跡是弧形的，使得它可以關(guān)于圍繞等中心點(diǎn)的相當(dāng)大體積滿足Tuy’s完全性條件。該完全性條件的滿足使得有可能重建該體積內(nèi)對(duì)象的可靠圖像。
根據(jù)本發(fā)明的另一典型實(shí)施例，由用于生成電子束的電子源實(shí)現(xiàn)輻射源，所述電子束沿著靶環(huán)被導(dǎo)引。靶環(huán)的中心線具有第一軌跡的曲率。根據(jù)本發(fā)明的該典型實(shí)施例，可以在不機(jī)械地移動(dòng)部件的情況下執(zhí)行三維電子束計(jì)算機(jī)斷層攝影。
根據(jù)本發(fā)明的又一典型實(shí)施例，輻射束是x射線的錐束。
根據(jù)本發(fā)明的又一典型實(shí)施例，提供準(zhǔn)直裝置以阻擋輻射錐束的部分，通常是那些不能碰撞探測(cè)器帶的部分。準(zhǔn)直裝置可以是準(zhǔn)直狹縫，該準(zhǔn)直狹縫位于靶環(huán)附近并且是基本類似于第一軌跡的弧形。
根據(jù)本發(fā)明的又一典型實(shí)施例，由多個(gè)探測(cè)器模塊建立探測(cè)器帶。這些模塊中的每個(gè)本身為小探測(cè)器元件的二維陣列。根據(jù)本發(fā)明的該典型實(shí)施例，每隔一個(gè)的探測(cè)器模塊被提升到稍大的等中心球上，換句話說，相鄰的探測(cè)器模塊被交替布置在離等中心點(diǎn)兩個(gè)稍微不同的距離處。該布置使得有可能將探測(cè)器模塊放置得如此靠近在一起，以至于從錐束的尖端觀看的觀察者看不到探測(cè)器模塊之間的間隙。
根據(jù)本發(fā)明的又一典型實(shí)施例，第一和第二軌跡在不同半徑的兩個(gè)等中心球的表面上延伸。
根據(jù)本發(fā)明的又一典型實(shí)施例，提供一種操作計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的方法，其中提供用于生成輻射錐束的輻射源，所述輻射錐束從可移動(dòng)的第一位置發(fā)出。操作該輻射源使得沿著第一軌跡移動(dòng)第一位置，并且提供了輻射探測(cè)器帶，其中心線沿著第二軌跡延伸。這兩個(gè)軌跡都是非平面的和弧形的，以這樣一種方式使得從第一軌跡的一點(diǎn)朝著探測(cè)器帶的相對(duì)部分發(fā)出的錐束未被探測(cè)器帶的任何其他部分明顯阻擋。特別地，在操作期間，即在掃描期間，沒有輻射探測(cè)器的部分阻擋輻射束。
在權(quán)利要求8中提供操作計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的方法的另一典型實(shí)施例。
有利地，根據(jù)本發(fā)明，提供一種非?？焖俚娜S計(jì)算機(jī)斷層攝影系統(tǒng)，其允許非?？焖俚劐F束掃描相當(dāng)大體積(大得足以包含人的心臟)，并且允許隨后可靠地重建該體積內(nèi)x射線密度的空間分布。
本發(fā)明還涉及一種用于操作計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的計(jì)算機(jī)程序。根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序在權(quán)利要求9中被闡述。根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序優(yōu)選地可以被裝載到控制器的工作存儲(chǔ)器中，所述控制器控制計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的操作。所述計(jì)算機(jī)程序?qū)е掠?jì)算機(jī)斷層攝影裝置執(zhí)行本發(fā)明的方法。所述計(jì)算機(jī)程序可以被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)例如CD-ROM上。所述計(jì)算機(jī)程序也可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)例如萬維網(wǎng)來提供，并且可以從這種網(wǎng)絡(luò)被下載到控制器的工作存儲(chǔ)器中?？梢砸匀魏魏线m的編程語言例如C++來編寫計(jì)算機(jī)程序。
下述可以被看作是本發(fā)明的主旨，即靶環(huán)和掃描電子束計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的輻射探測(cè)器帶以這樣一種方式被成形，即它們不會(huì)彼此阻擋，同時(shí)允許收集相當(dāng)大感興趣體積(大得足以包含人的心臟)的錐束投影的“完全”集。此外，提供一種電子束計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，其能夠在不移動(dòng)待成像對(duì)象的情況下，僅僅沿著靶環(huán)使用電子束的單掃描來收集對(duì)象的三維圖像所需的數(shù)據(jù)。通過使用x射線的錐束而不是扇束來實(shí)現(xiàn)該目的。常規(guī)電子束計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的一維、弧形探測(cè)器行由二維、弧形探測(cè)器帶代替。由合適的錐束重建算法實(shí)現(xiàn)重建。靶環(huán)和探測(cè)器帶具有非常特殊的形狀，該形狀使得有可能實(shí)現(xiàn)感興趣體積內(nèi)非常好的圖像質(zhì)量。
根據(jù)下文所述的實(shí)施例和下列附圖，本發(fā)明的這些和其他方面是顯而易見的，并且將參考所述實(shí)施例和參考下列附圖對(duì)其進(jìn)行闡明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的電子束計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的一個(gè)典型實(shí)施例的簡(jiǎn)化示意橫截面圖。
圖2示出圖1的系統(tǒng)的源/探測(cè)器布置的一個(gè)三維圖示。
圖3示出圖1的系統(tǒng)的源/探測(cè)器布置的另一三維圖示。
圖4示出圖3的布置的側(cè)視圖。
圖5示出圖3的布置的頂視圖。
圖6示出圖3的布置的前視圖。
圖7示出用于進(jìn)一步解釋本發(fā)明的三維坐標(biāo)系。
圖8示出用于生成根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例的圖2和3中所示的源/探測(cè)器布置的一個(gè)曲線圖。
圖9示出用于生成根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例的圖2和3中所示的源/探測(cè)器布置的另一曲線圖。
圖10示出圖3中所示的布置的簡(jiǎn)化透視圖。
圖11示出圖10的布置的側(cè)視圖。
圖12示出圖10的布置的頂視圖。
圖13示出圖10的布置的前視圖。
圖1示出電子束計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的一個(gè)典型實(shí)施例的橫截面圖。圖1中所示的裝置包括電子束管2，該電子束管包括真空管殼4，該真空管殼在圓筒端8容納電子槍6。電子槍6沿著圓筒部分發(fā)射軸向電子束10。提供聚焦線圈12和彎曲線圈16以用于聚焦電子束和沿著靶環(huán)14導(dǎo)引聚焦的電子束。彎曲線圈16由合適的控制器控制，使得電子束沿著源軌跡快速地掃描。
靶環(huán)14由諸如鎢之類的合適材料制成，使得x射線的錐束從電子束撞擊靶環(huán)的點(diǎn)發(fā)出。靶環(huán)14的中心線也將被稱為源軌跡。源軌跡以特殊的方式為非平面的和弧形的，這將相對(duì)于附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述。
靶環(huán)14可以與合適的冷卻盤管(coil)18相關(guān)聯(lián)，所述冷卻盤管被布置成冷卻該靶環(huán)。
所述裝置具有特異中心點(diǎn)，即等中心點(diǎn)24。電子束22和靶環(huán)14的布置使得從靶環(huán)上的一點(diǎn)發(fā)出的錐束的軸線指向等中心點(diǎn)24。此外，所述裝置具有與靶環(huán)14相對(duì)的輻射探測(cè)器布置28。在圖1中僅僅示出輻射探測(cè)器布置28的橫截面圖。所述裝置打算采集圍繞等中心點(diǎn)24的某個(gè)感興趣體積26的橫向未截?cái)噱F束投影。感興趣體積26大得足以包含例如人的心臟。
參考字符20表示準(zhǔn)直器，該準(zhǔn)直器被布置在靶環(huán)14附近并且在靶環(huán)14和輻射探測(cè)器布置28之間。準(zhǔn)直器20阻擋不能碰撞輻射探測(cè)器布置28的x射線。
輻射探測(cè)器布置28由探測(cè)器模塊32的多個(gè)復(fù)制品來建立。每個(gè)模塊具有平坦的、矩形敏感區(qū)域，所述區(qū)域用防散射柵30覆蓋。探測(cè)器電子器件可以被放置在敏感區(qū)域之后的隔室42中。
每個(gè)探測(cè)器模塊的敏感區(qū)域面對(duì)靶環(huán)。而且，在敏感區(qū)域的中心點(diǎn)開始并且穿過等中心點(diǎn)的直線與靶環(huán)相交。防散射柵30被聚焦在該交點(diǎn)上。
探測(cè)器模塊被并排放置，使得它們的敏感區(qū)域形成帶。該帶的中心線將被稱為探測(cè)器軌跡。探測(cè)器軌跡也以特殊方式為非平面的和弧形的。具體而言，從源軌跡上的一點(diǎn)開始并且穿過等中心點(diǎn)的每條直線與探測(cè)器軌跡相交。因此，探測(cè)器軌跡是源軌跡的通過等中心點(diǎn)的鏡像。然而實(shí)際上，探測(cè)器軌跡比源軌跡的該鏡像稍長。其原因?qū)⒃谙旅孢M(jìn)一步解釋。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，源軌跡和探測(cè)器軌跡在都以等中心點(diǎn)24為中心的球的表面上延伸。然而，源軌跡所處的球的直徑稍大于探測(cè)器軌跡所處的球的直徑。
在圖2-14的以下描述中將使用相同的參考數(shù)字來表示相同或相應(yīng)的元件。
圖2示出用于圖1的系統(tǒng)的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例的輻射探測(cè)器布置28和靶環(huán)14的布置的簡(jiǎn)化透視圖。在圖2-6中，靶環(huán)被描繪為虛線。探測(cè)器模塊由磚形小室表示。
從圖2可以得到，由靶環(huán)14限定的源軌跡在等中心球的表面上延伸并且類似于鞍形邊界曲線的一部分。
從圖2還可以得到，多個(gè)磚形探測(cè)器模塊32沿著在等中心球的表面上延伸的非平面軌跡布置。然而，源軌道所處的球的直徑稍大于探測(cè)器軌跡所處的球的直徑。由探測(cè)器布置28限定的探測(cè)器軌跡也類似于鞍形邊界曲線的一部分。對(duì)于每個(gè)模塊，在該模塊的敏感區(qū)域的中點(diǎn)開始并且穿過等中心點(diǎn)的直線與源軌跡相交。
從圖2還可以得到，準(zhǔn)直器20是狹縫，其中心線，即準(zhǔn)直器軌跡，基本上平行于靶環(huán)14延伸。因此，準(zhǔn)直器軌跡基本上是源軌跡的比例圖像。然而實(shí)際上，準(zhǔn)直器軌跡比源軌跡的該比例圖像稍長。其原因?qū)⒃谙旅孢M(jìn)一步解釋。
圖2中所示的典型源/探測(cè)器布置具有兩個(gè)重要性質(zhì)。首先，從源軌跡上的一點(diǎn)發(fā)出并且朝著探測(cè)器帶的相對(duì)部分被引導(dǎo)的錐束未被探測(cè)器帶的任何其他部分阻擋。這由圖2中的線34和40說明，所述線指示了從靶環(huán)14末端附近的位置36和40開始的兩個(gè)錐束。其次，由靶環(huán)14限定的源軌跡關(guān)于圍繞等中心點(diǎn)的相當(dāng)大體積是完全的(在Tuy的意義上)。在本上下文中，如果橫切V的每個(gè)平面也橫切源軌跡，那么源軌跡被說成關(guān)于體積V是完全的。平面源軌跡關(guān)于真實(shí)體積不會(huì)是完全的。如果源軌跡關(guān)于V是完全的，則可以從沿著源軌跡獲得的V的錐束投影重建V的內(nèi)容的精確的三維圖像，只要這些錐束投影未被截?cái)??？梢杂扇舾梢阎F束重建算法中的一種實(shí)現(xiàn)重建，例如通過M.Defrise等人的“A cone-beam reconstruction algorithm usingshift-variant filtering and cone-beam backprojection”，IEEE-Trans.Med.Image，13(1)186-195，March 1994中描述的錐束濾波背投影算法，該文獻(xiàn)被結(jié)合于此以作參考。然而，如果待成像的對(duì)象是人，那么錐束投影將被軸向地截?cái)?，盡管不是橫向地。在該情況下，可取的是在重建之前擴(kuò)展截?cái)嗟耐队?。在H.Schomberg的“Complete sourcetrajectories for C-arm systems and a method for coping with truncatedcone-beam projections，”in Proceedings of the 2001 InternationalMeeting on Fully Three-Dimensional Image Reconstruction inRadiology and Nuclear Medicine，Pacific Grove，CA，October 30-November 2，2001，pp.221-224中描述了合適的擴(kuò)展方法，該文獻(xiàn)被結(jié)合于此以作參考。例如，可以選擇感興趣體積26作為最大的等中心球，其中源軌跡關(guān)于上述最大等中心球是完全的。
有利地，靶環(huán)14(輻射源)和探測(cè)器布置28的上述布置允許采集相當(dāng)大體積(大得足以包含整個(gè)人的心臟)的錐束投影的“完全”集。通過激活探測(cè)器帶的一個(gè)節(jié)段(segment)來采集單錐束投影，所述節(jié)段與電子束當(dāng)前撞擊靶環(huán)的點(diǎn)相對(duì)。所激活節(jié)段應(yīng)當(dāng)如此寬，以使錐束投影不被橫向地截?cái)?。然而，由于探測(cè)器帶的軸向范圍有限，所以錐束投影會(huì)被軸向地截?cái)?。?dāng)電子束沿著靶環(huán)14掃描時(shí)，通過重復(fù)該過程來采集一系列錐束投影。單掃描就已足夠。這允許僅僅在50毫秒的范圍內(nèi)的非?？焖俚膾呙钑r(shí)間。準(zhǔn)直狹縫20被成形為使得它大致僅僅讓那些可以碰撞相對(duì)的探測(cè)器帶的x射線錐束的部分通過。
圖3從與圖2相同的透視示出典型的源/探測(cè)器布置的截面。圖4-6分別從側(cè)面、頂部和前面示出該截面。
從圖6顯而易見，當(dāng)從前面觀看時(shí)，探測(cè)器帶和靶環(huán)的確重疊。然而，從圖4和5可以看出，由于靶環(huán)和探測(cè)器帶的特殊曲率，所以從靶環(huán)上的一點(diǎn)發(fā)出并且朝著探測(cè)器帶的相對(duì)部分被引導(dǎo)的錐束未被探測(cè)器帶的任何其他部分阻擋。
從這些圖還顯而易見的是，探測(cè)器模塊被交替地布置在離等中心點(diǎn)的兩個(gè)稍微不同的距離處。這將在下面進(jìn)一步解釋。
在下文中，進(jìn)一步詳細(xì)描述圖2-6的源/探測(cè)器布置的幾何結(jié)構(gòu)方面。這將通過規(guī)定所涉及對(duì)象的多個(gè)突出點(diǎn)和曲線來完成。這又將通過使用在上述的Schomberg的文章中描述的方法來完成。該方法使用分別被稱為“基本參照系(frame)”和“工具參照系”的兩個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系?；緟⒄障档脑c(diǎn)位于掃描器的等中心點(diǎn)?；緟⒄障档膟軸從等中心點(diǎn)水平地指向附著到裝置的患者床臺(tái)的遠(yuǎn)端，以及z軸垂直地指向上。x軸補(bǔ)充其他兩個(gè)軸以便形成右手笛卡爾坐標(biāo)系。
工具參照系具有與基本參照系相同的原點(diǎn)，并且可以相對(duì)于基本參照系采用任意的取向。特定取向由三個(gè)角θk(k＝1，2，3)來表征。這些角的定義部分地按照慣例。在工具參照系中由r(t)＝(x(t)，y(t)，z(t))表示的點(diǎn)在基本參照系中由r(b)＝(x(b)，y(b)，z(b))表示，對(duì)于某個(gè)3×3旋轉(zhuǎn)矩陣R(θ1，θ2，θ3)，其中r(b)＝R(θ1，θ2，θ3)r(t)(1)
使用前述Schomberg的文章中的常規(guī)角定義，矩陣R(θ1，θ2，θ3)由下式給出R(θ1,θ2,θ3)=c1c2c3-s1s3-c1c2s3-s1c3c1s2s1c2c3+c1s3-s1c2s3+c2c3s1s2-s2c3s2s3c2---(3)]]>其中ck＝cosθk，以及sk＝sinθk，k＝1，2，3。
角θk可以由在某個(gè)區(qū)間Λ中定義的函數(shù)θk(λ)代替。于是，當(dāng)λ變化時(shí)，在工具參照系中由r(t)表示的點(diǎn)描述了在基本參照系中由下式表示的軌跡r(b)(λ)＝R(θ1(λ)，θ2(λ)，θ3(λ))r(t)，λ∈Λ， (2)由于R(θ1(λ)，θ2(λ)，θ3(λ))是旋轉(zhuǎn)矩陣，因此由點(diǎn)r(b)(λ)描述的軌跡被限制于具有半徑||r(t)||的中心球。
為了在基本參照系中獲得突出點(diǎn)和曲線，(i)在工具參照系中定義多個(gè)“主點(diǎn)”；(ii)選擇合適的函數(shù)θk(λ)，k＝1，2，3；(iii)調(diào)用前述Schomberg的文章中的方法以在基本參照系中獲得“源軌跡”，該源軌跡限定了靶環(huán)的中心線；(iv)調(diào)用該方法以在基本參照系中獲得“探測(cè)器軌跡”，并且遵循沿著該探測(cè)器軌跡放置探測(cè)器模塊的訣竅(recipe)；以及(v)調(diào)用該方法以在基本參照系中獲得“準(zhǔn)直器軌跡”，并且遵循從準(zhǔn)直器軌跡和準(zhǔn)直狹縫的期望局部寬度導(dǎo)出所述狹縫的邊界曲線的訣竅。
在工具參照系中的主點(diǎn)是“主源點(diǎn)”a、“主探測(cè)器點(diǎn)”b、“主探測(cè)器塊”45的8個(gè)頂點(diǎn)b1，...，b8、以及“主準(zhǔn)直器點(diǎn)”c。在圖7中示出這些點(diǎn)。主探測(cè)器塊45是磚形空間體積，其剛好大得足以容納探測(cè)器模塊32。探測(cè)器模塊的敏感區(qū)域于是對(duì)應(yīng)于由點(diǎn)b1-b4限定的面46。
點(diǎn)a、b和c的坐標(biāo)取決于六個(gè)參數(shù)rs、rd、rc、wb、lb、hb。這些參數(shù)rs、rd、rc分別表示在等中心點(diǎn)和點(diǎn)a、b和c之間的距離。參數(shù)wb、lb、hb表示主探測(cè)器塊45的寬度、長度和高度。主源點(diǎn)為a＝-(rs，0，0)。
主探測(cè)器點(diǎn)為b=(rd,0,0)=-rdrsH.]]>主探測(cè)器塊的八個(gè)頂點(diǎn)如下b1＝(rd，-lb/2，-wb/2)，(6)b2＝(rd，+lb/2，-wb/2)，(7)b3＝(rd，+lb/2，+wb/2)，(8)b4＝(rd，-lb/2，+wb/2)，(9)b5＝b1+(hb，0，0)， (10)b6＝b2+(hb，0，0)， (11)b7＝b3+(hb，0，0)， (12)b8＝b4+(hb，0，0)。
(13)主準(zhǔn)直器點(diǎn)為c=-(rc,0,0)=rcrsa.]]>以下述“主區(qū)間”的形式定義函數(shù)θk(λ)，k＝1，2，3Λ＝[-ε，1+ε]，其中ε≥0是參數(shù)。當(dāng)設(shè)計(jì)靶環(huán)、探測(cè)器帶和準(zhǔn)直狹縫時(shí)，這些函數(shù)被限制在以下區(qū)間Λs＝
，Λd＝[-εd，1+εd]，Λc＝[-εc，1+εc]， (18)其中εd和εc是另外的參數(shù)，并且0＜εd，εc≤ε。使Λd和Λc比Λs稍寬的背后原因?qū)⒃谙旅孢M(jìn)一步描述。
圖8和9描繪了用于生成圖2-6的三個(gè)函數(shù)θ1(λ)＝0、θ2(λ)＝-200+220λ和θ3(λ)的曲線圖，其將在下面進(jìn)一步被描述。函數(shù)θ3(λ)容許有不封閉形式的表達(dá)，但是可以以管狀形式被規(guī)定。函數(shù)值表示角，以度來衡量。
源軌跡由下式定義
a(λ)＝R(θ1(λ)，θ2(λ)，θ3(λ))a，λ∈Λs。(19)對(duì)于如圖8和9中所示選擇的函數(shù)θ1(λ)、θ2(λ)和θ3(λ)，該源軌跡關(guān)于“矢狀”平面x＝0對(duì)稱。而且，該源軌跡關(guān)于圍繞等中心點(diǎn)的相當(dāng)大球(大得足以容納人的心臟)是完全的。例如可以使用前述Schomberg的文章中描述的方法來檢查完全性。
在下面描述了探測(cè)器布置28的幾何結(jié)構(gòu)。探測(cè)器軌跡由下式定義b(λ)＝R(θ1(λ)，θ2(λ)，θ3(λ))b，λ∈Λd。
(20)由于對(duì)于某個(gè)正的常數(shù)const，b＝-const a，所以探測(cè)器軌跡是源軌跡的比例鏡像。
接著描述沿著探測(cè)器軌跡放置探測(cè)器模塊的訣竅。首先，定義八個(gè)軌跡bj(λ)＝R(θ1(λ)，θ2(λ)，θ3(λ))bj，λ∈Λd，j＝1，....，8 (21)假設(shè)λ∈Λ，“探測(cè)器塊”B(λ)由八個(gè)點(diǎn)b1(λ)，...，b8(λ)形成。探測(cè)器塊B(λ)表示剛好大得足以包含探測(cè)器模塊的空間體積。包含在探測(cè)器塊B(λ)中的探測(cè)器模塊的敏感區(qū)域?qū)?yīng)于由四個(gè)點(diǎn)b1(λ)，...，b4(λ)形成的面。敏感區(qū)域的中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)于點(diǎn)b(λ)。連接b(λ)與等中心點(diǎn)(其等于基本參照系的原點(diǎn))的直線垂直于敏感區(qū)域并在點(diǎn)a(λ)與源軌跡相交。
接著給出沿著探測(cè)器軌跡放置探測(cè)器塊的訣竅。待放置的第一探測(cè)器決是B(λ0)，其中λ0＝0.5。第二探測(cè)器塊是B(λ1)，其中λ1＞λ0，使得B(λ1)剛好接觸B(λ0)。第三探測(cè)器塊是B(λ2)，其中λ2＞λ1，使得B(λ2)剛好接觸B(λ1)。以這種方式繼續(xù)，找到序列λ0＜λ1＜...＜λM≤1+εd，使得B(λm)剛好接觸B(λm-1)，其中m＝1，2，...，M，并且不能找到λM+1使得λM+1≤1+εd以及B(λM)剛好接觸B(λM-1)。以類似的方式，找到序列λ0＞λ-1＞...＞λ-M’≥1-εd，使得B(λm)剛好接觸B(λm-1)，其中m＝-1，-2，...，-M’，并且不能找到λ-M’-1使得λ-M’-1≥1-εd以及B(λM’)剛好接觸B(λ-M’-1)。在關(guān)于矢狀平面x＝0對(duì)稱的探測(cè)器軌跡的優(yōu)選情況下，將使M＝M’以及λ-m＝λm，m＝1，2，...，M。最后，為了探測(cè)器帶的物理實(shí)現(xiàn)，用探測(cè)器模塊填充剛剛找到的由探測(cè)器塊表示的體積。
然而，這樣找到的探測(cè)器塊不平行。結(jié)果，從源軌跡朝著探測(cè)器帶觀看的觀察者將看到相鄰探測(cè)器模塊之間的小楔形間隙。這些間隙將導(dǎo)致所測(cè)量錐束投影中的相應(yīng)間隙，而這又將降低可獲得的圖像質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，通過首先將每隔一個(gè)探測(cè)器塊(模塊)提升到稍大的等中心球，然后移動(dòng)所有探測(cè)器塊(模塊)使它們盡可能地靠在一起，從而除去在相鄰探測(cè)器模塊之間所觀察到的間隙。在圖6中說明了所得到的布置。新布置的探測(cè)器模塊仍然不平行，但是如果較大的等中心球的半徑足夠大，則從源軌跡朝著探測(cè)器帶觀看的觀察者將不再看到相鄰探測(cè)器塊之間的間隙。代之以，“近”探測(cè)器塊將在“遠(yuǎn)”探測(cè)器模塊上投下陰影，但這將不會(huì)在所測(cè)量錐束投影中導(dǎo)致間隙。
圖10示出源軌跡50和探測(cè)器軌跡52的透視圖。圖11、12和13示出相同軌跡的側(cè)視圖、頂視圖和前視圖。從側(cè)視圖11可以看出探測(cè)器軌跡“離開”源軌跡。正是兩個(gè)軌跡的這一性質(zhì)允許所謂的非自身阻擋源/探測(cè)器布置。
準(zhǔn)直器軌跡由下式定義c(λ)＝R(θ1(λ)，θ2(λ)，θ3(λ))c，λ∈Λ。(22)由于對(duì)于某個(gè)正的常數(shù)const，c＝const a，所以準(zhǔn)直器軌跡是源軌跡的比例圖像。準(zhǔn)直狹縫自身由其兩個(gè)邊界曲線來限定。根據(jù)下式在準(zhǔn)直器軌跡和兩個(gè)另外的函數(shù)w1(λ)和w2(λ)的幫助下定義這些邊界曲線c1(λ)＝c(λ)-R(θ1(λ)，θ2(λ)，θ3(λ))(0，0，w1(λ))，λ∈Λc， (23)c2(λ)＝c(λ)+R(θ1(λ)，θ2(λ)，θ3(λ))(0，0，w2(λ))，λ∈Λc。
(24)狹縫的局部寬度因此由w1(λ)+w2(λ)給出。從下面可以進(jìn)一步看出具有下式的恒寬準(zhǔn)直狹縫是好的選擇
w1(λ)=w2(λ)=rs-rcrs+rd(lb/2)---(25)]]>在掃描期間的給定時(shí)間點(diǎn)，x射線管從靶環(huán)的當(dāng)前源點(diǎn)朝著相對(duì)的探測(cè)器帶發(fā)出x射線的錐束。探測(cè)器帶的一個(gè)節(jié)段被激活并且測(cè)量射在它上面的x射線的強(qiáng)度。使所述節(jié)段足夠長以避免正測(cè)量的投影被橫向截?cái)?。例如，?dāng)參數(shù)rs、rd和wd被選擇為rs＝900mm、rd＝675mm和wd＝40mm時(shí)，則可以使錐束的有效節(jié)段為19個(gè)探測(cè)器模塊長，在該情況下所得到的橫向錐角大約為30°。為了即使用在靶環(huán)末端附近開始的那些錐束也能獲得未被橫向截?cái)嗟腻F束投影，探測(cè)器帶的角范圍需要被擴(kuò)展。這是使區(qū)間Λd稍寬于區(qū)間Λs的原因。最壞情況發(fā)生在正好在靶環(huán)末端開始的那些錐束。理想地，那里所需的擴(kuò)展將等于橫向錐角的一半。這樣多地?cái)U(kuò)展探測(cè)器帶將導(dǎo)致自身阻擋源/探測(cè)器布置?？赡芨玫氖谴越邮茉诎协h(huán)末端附近開始的錐束的減小的橫向錐角。對(duì)于非肥胖患者，由于他們大致橢圓形的橫截面，所以甚至那時(shí)在靶環(huán)末端附近的錐束投影也將不會(huì)被橫向截?cái)唷＠?，?duì)于參數(shù)rs、rd和wd的上述值，可以使錐束的有效節(jié)段僅僅為14個(gè)探測(cè)器模塊長。準(zhǔn)直狹縫應(yīng)當(dāng)足夠長以不再進(jìn)一步減小橫向錐角。這是使區(qū)間Λc稍寬于區(qū)間Λs的原因。
準(zhǔn)直狹縫的目的是軸向地限制錐束。理想地，狹縫應(yīng)當(dāng)僅僅讓那些將到達(dá)探測(cè)器帶的有效節(jié)段的x射線通過，如果未被吸收或散射的話。這種理想的解決方案對(duì)于剛性準(zhǔn)直狹縫是不可能的。然而，由如(22)-(25)所定義的剛性、恒寬準(zhǔn)直狹縫提供了一種好的解決方案。該選擇保證了每個(gè)錐束至少在探測(cè)器帶的每個(gè)有效節(jié)段的中間具有理想的軸向錐角。
探測(cè)器布置28的每個(gè)模塊32可以配備防散射柵。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例，防散射柵被聚焦在與各個(gè)防散射柵所附著的探測(cè)器模塊相對(duì)的靶環(huán)的該點(diǎn)上。由于源/探測(cè)器布置的等中心設(shè)計(jì)，所以相同的探測(cè)器柵可以用于探測(cè)器28的所有模塊32。
根據(jù)本發(fā)明的另一典型實(shí)施例，探測(cè)器模塊可以被定向成使得它們的敏感區(qū)域的長邊平行于掃描器的長軸，以及從它們的敏感區(qū)域的中心點(diǎn)垂直發(fā)出的線與所述軸相交。這種布置有利地允許探測(cè)器模塊的簡(jiǎn)化的包裝。然而，在這種情況下對(duì)于每個(gè)探測(cè)器模塊而言防散射柵必須被不同地聚焦。
可選地，探測(cè)器布置28可以被放置在圍繞掃描器的長軸的圓筒的表面上。有利地，靶環(huán)和準(zhǔn)直狹縫于是也被限制于圓筒表面。這種布置也將簡(jiǎn)化探測(cè)器模塊的包裝。再次同樣地，對(duì)于每個(gè)探測(cè)器模塊而言防散射柵必須被不同地聚焦。
權(quán)利要求
1.計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，包括輻射源(6，12，16，14)，用于生成穿透圍繞等中心點(diǎn)(24)的感興趣體積(26)的輻射錐束，使得從第一位置發(fā)出錐束；以及輻射探測(cè)器(28)；其中輻射源(6，12，16，14)適于使得第一位置可沿著第一軌跡(50)移動(dòng)；其中輻射探測(cè)器沿著第二軌跡(52)延伸；其中第一軌跡關(guān)于圍繞等中心點(diǎn)(24)的相當(dāng)大體積是完全的；其中第一和第二軌跡使得在第一軌跡上的一點(diǎn)開始并且穿過等中心點(diǎn)(24)的直線與第二軌跡相交；以及其中從第一位置發(fā)出的錐束未被在第一軌跡和感興趣體積(26)之間的輻射探測(cè)器(28)的一部分明顯阻擋。
2.權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，其中輻射源(6，12，16，14)包括用于生成電子束(10)的電子源(6)；以及靶環(huán)(14)；其中電子源(6)適于使得電子束(10)被至少部分地聚焦在靶環(huán)(14)上；其中電子源(6，12，16)適于使得電子束在第一位置處碰撞靶環(huán)(14)，所述第一位置可沿著靶環(huán)(14)的至少一部分移動(dòng)；以及其中靶環(huán)沿著第一軌跡延伸。
3.權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，其中所述輻射錐束是x射線的錐束。
4.權(quán)利要求2所述的計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，其中提供了基本上平行于靶環(huán)(14)的準(zhǔn)直狹縫(20)。
5.權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，其中輻射探測(cè)器(28)包括多個(gè)探測(cè)器模塊(32)；其中所述多個(gè)二維探測(cè)器模塊(32)被并排布置；其中所述多個(gè)二維探測(cè)器模塊(32)包括第一探測(cè)器模塊和第二探測(cè)器模塊；其中第一和第二探測(cè)器模塊被交替地布置；其中第一探測(cè)器模塊被布置在離感興趣體積(26)的第一中心(24)的第一距離處；以及其中第二探測(cè)器模塊被布置在離感興趣體積(26)的第一中心(24)的第二距離處。
6.權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，其中第一軌跡在具有第一中心和第一半徑的第一球的表面上延伸；其中第二軌跡在具有第一中心和第二半徑的第二球的表面上延伸；以及其中第一半徑不同于第二半徑。
7.操作計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的方法，所述方法包括以下步驟提供用于生成輻射錐束的輻射源(6，12，16，14)，使得錐束從第一位置發(fā)出并且穿透圍繞等中心點(diǎn)(24)的感興趣體積(26)；提供沿著第二軌跡(52)延伸的輻射探測(cè)器(28)；操作輻射源(6，12，16，14)，使得沿著第一軌跡(50)移動(dòng)第一位置；其中第一軌跡關(guān)于圍繞等中心點(diǎn)(24)的相當(dāng)大體積是完全的；其中第一和第二軌跡使得在第一軌跡上的一點(diǎn)開始并且穿過等中心點(diǎn)(24)的直線與第二軌跡相交；以及其中從第一位置發(fā)出的錐束未被在第一軌跡和感興趣體積(26)之間的輻射探測(cè)器(28)的一部分明顯阻擋。
8.權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟為輻射源(6，12，16，14)提供靶環(huán)(14)和用于生成電子束(22)的電子源(6)；使電子束(22)至少部分地聚焦在沿著第一軌跡(50)延伸的靶環(huán)(14)上；操作電子源(6，12，16)，使得電子束(22)在第一位置處碰撞靶環(huán)(14)，使得所述第一位置沿著靶環(huán)(14)的至少一部分移動(dòng)。
9.用于操作計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置的計(jì)算機(jī)程序，其中所述計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置具有用于生成輻射錐束的輻射源(6，12，16，14)，使得穿透圍繞等中心點(diǎn)(24)的感興趣體積的錐束從第一位置發(fā)出，以及具有沿著第二軌跡(52)延伸的輻射探測(cè)器(28)，當(dāng)運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序使所述計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置執(zhí)行以下操作操作輻射源(6，12，16，14)，使得沿著第一軌跡(50)移動(dòng)第一位置；其中第一軌跡關(guān)于圍繞等中心點(diǎn)(24)的相當(dāng)大體積是完全的；其中第一和第二軌跡使得在第一軌跡上的一點(diǎn)開始并且穿過等中心點(diǎn)(24)的直線與第二軌跡相交；以及其中從第一位置發(fā)出的錐束未被在第一軌跡和感興趣體積(26)之間的探測(cè)器(28)的一部分明顯阻擋。
全文摘要
提供一種電子束計(jì)算機(jī)斷層攝影系統(tǒng)，其使用錐束幾何結(jié)構(gòu)生成真實(shí)三維圖像。可以沿著靶環(huán)(20)使用電子束的單掃描來獲得所需的錐束投影。靶環(huán)(20)是非平面的，并且大致被成形為類似于鞍形的邊界曲線的5/8節(jié)段。所得到的源軌跡關(guān)于圍繞系統(tǒng)的等中心點(diǎn)的相當(dāng)大體積滿足Tuy’s完全性條件。探測(cè)器(28)具有大區(qū)域并且由多個(gè)小磚形探測(cè)器模塊(32)建立，所述探測(cè)器模塊沿著探測(cè)器軌跡被并排地放置，所述探測(cè)器軌跡是源軌跡的通過等中心點(diǎn)的鏡像。由于靶環(huán)和探測(cè)器帶的特殊形狀，所以從靶環(huán)開始并且朝向相對(duì)的探測(cè)器帶的節(jié)段的x射線的錐束未被探測(cè)器的其他部分阻擋。
文檔編號(hào)A61B6/03GK1946344SQ200580013371
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月28日
發(fā)明者H·肖姆伯格 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司