專利名稱：用于x射線斷層造影合成的系統(tǒng)和方法
用于X射線斷層造影合成的系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
經(jīng)常期望根據(jù)一組投影放射線照片來重建存在于所成像對(duì)象中的結(jié)構(gòu)的圖像。在醫(yī)療應(yīng)用中，可以對(duì)諸如器官、血管和骨骼的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。用于提供這樣的圖像的現(xiàn)有系統(tǒng)通常利用計(jì)算機(jī)斷層造影(CT)技術(shù)。在CT中，χ射線源和X射線檢測(cè)器在圍繞公共軸的環(huán)形路徑上運(yùn)動(dòng)，并且獲得非常高數(shù)量的投影放射 線照片(或圖像)。相反，在X射線斷層造影合成過程中，由于變化的χ射線源位置而獲得比較少的放 射線照片。典型地，X射線源采取基本上在對(duì)象的一側(cè)的位置，而檢測(cè)器(或膠片)采取該 對(duì)象的相對(duì)側(cè)的位置。數(shù)字X射線斷層造影合成(DT)是根據(jù)3D主體的2D放射線照相投影來重建該3D 主體的橫截面的方法，該方法比用于獲得橫截面的CT方法要快得多。在CT中，必須從至少 180度加圍繞對(duì)象的扇形角來獲取投影以產(chǎn)生對(duì)該對(duì)象的準(zhǔn)確重建。然而，DT采取從有限 的角度進(jìn)行的投影來重建對(duì)象的橫截面。盡管該重建不那么精確并且重建的平面被限制在僅一個(gè)方位，但是DT具有使用 更少數(shù)量的投影的益處。這意味著更快的數(shù)據(jù)獲取并且提供在空間和大小限制妨礙從所有 角度獲取投影的地方能夠重建對(duì)象的優(yōu)點(diǎn)。在一些臨床狀況中，精確的重建是沒有必要的， 這使得快速DT成為理想選擇。通常，DT圖像的獲取、重建和讀取由處理單元執(zhí)行，從而這樣的處理所需的時(shí)間是 有限的。成像時(shí)間取決于對(duì)光子量的檢測(cè)，因此依賴于圖像屏幕的效率以及容許的信噪比 二者。常規(guī)的圖像檢測(cè)屏幕可以以每秒15-30個(gè)圖像的速度產(chǎn)生圖像。圖像獲取所需的時(shí) 間可以通過使用更高效的成像屏幕以增加成像容量來被最佳地減小。類似地，DT重建可以 通過專用硬件來加速，使得其占總處理時(shí)間的份額可以忽略不計(jì)。然而，這樣的時(shí)間特性占總的成像過程時(shí)間的份額比較小，因?yàn)樵摃r(shí)間特性主要 依賴于使X射線源相對(duì)于待成像對(duì)象進(jìn)行定位所需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。因此，期望提供一種減小了成像時(shí)間的DT系統(tǒng)和方法。


通過參照附圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可更好地理解本發(fā)明的許多目的和優(yōu)點(diǎn)，在附 圖中圖1描繪χ射線系統(tǒng)的操作；圖2描繪χ射線源的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；圖3描繪斷層造影成像系統(tǒng)；圖4描繪斷層造影成像系統(tǒng)的傅立葉空間覆蓋；圖5描繪不同的斷層造影成像系統(tǒng)的傅立葉空間覆蓋；圖6描繪斷層造影成像系統(tǒng)；圖7描繪斷層造影成像系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式提出以下論述以使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并使用本教導(dǎo)。對(duì)所示實(shí)施例的 各種修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，并且本文中的一般原理可以在不脫離本教 導(dǎo)的情況下適用于其它實(shí)施例和應(yīng)用。因而，本教導(dǎo)將被授予與在本文中所公開的原理和 特征相一致的最寬范圍。參照附圖閱讀以下詳細(xì)說明，其中不同附圖中的相似元素具有相 似的參考標(biāo)記。不一定成比例的附圖描繪所選擇的實(shí)施例并且不意圖限制本教導(dǎo)的范圍。 技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本文中所提供的示例具有許多有用的替換方式并且落入本教導(dǎo)的范圍 內(nèi)。本發(fā)明針對(duì)用于X射線斷層造影合成的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的附加特征在附圖所 示的示例中提供。參照?qǐng)D1，所呈現(xiàn)的是χ射線系統(tǒng)100的一般操作。χ射線源101可以產(chǎn)生一組平行的X射線102，該組X射線102穿過對(duì)象103投影，因此導(dǎo)致X射線吸收投影104。吸收 投影104上的每點(diǎn)構(gòu)成χ射線吸收沿相應(yīng)射線102的線積分105。例如，射線102A、102B 和102C的吸收可以分別導(dǎo)致線積分值105A、105B和105C(由于對(duì)象103的厚度，線積分值 105AU05B和105C中的每個(gè)都具有漸進(jìn)增大的積分值)。根據(jù)投影斷層定理，投影104的傅立葉變換106對(duì)應(yīng)于對(duì)象103的傅立葉變換的 橫截面斷層(slice)，該橫截面斷層與原點(diǎn)相交成垂直于χ射線102的角度θ 107。參照?qǐng)D2，在常規(guī)DT中，χ射線源201經(jīng)過圓弧202，并且在沿著弧202的各個(gè)點(diǎn)上 獲取對(duì)象204的吸收投影203。每個(gè)源位置都得出投影203，該投影的傅立葉變換205表示 對(duì)象204的傅立葉變換的橫截面。如在圖2的右側(cè)所示出的那樣，投影203Α和203Β的傅 立葉變換205Α和205Β的繪圖207A和207Β被用于構(gòu)造對(duì)象204的傅立葉空間表示206。源運(yùn)動(dòng)弧202的更大范圍的覆蓋將引起傅立葉空間覆蓋范圍增大。當(dāng)源運(yùn)動(dòng)弧 202到達(dá)其自然極限180°時(shí)，該傅立葉空間的采樣完成并且對(duì)象204可以被準(zhǔn)確地重建， 并且DT圖像的分辨率將接近CT圖像的分辨率。然而，這樣的大范圍采樣過程是費(fèi)時(shí)的并 且可能在要求較小角度的覆蓋范圍時(shí)達(dá)不到預(yù)期。參照?qǐng)D3，所呈現(xiàn)的是用于獲取DT圖像的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括多個(gè)靜態(tài)地相對(duì) 于彼此定位并且以環(huán)形配置來布置的X射線源301，使得每個(gè)X射線源都聚焦在共同的等角 點(diǎn)(iSOCenter)302上。χ射線檢測(cè)器303可以被置于如下位置處該要被成像的對(duì)象304 在多個(gè)χ射線源301與檢測(cè)器303之間對(duì)齊。該系統(tǒng)還可以包括處理單元305，該處理單元 305包括χ射線控制系統(tǒng)306和χ射線檢測(cè)系統(tǒng)307。所述χ射線控制系統(tǒng)306可以包括 被配置為在微處理器上運(yùn)行以控制所述χ射線源301的發(fā)射的特定用途集成電路(ASIC)、 固件或者軟件。所述χ射線檢測(cè)系統(tǒng)307可以包括被配置為對(duì)來自χ射線檢測(cè)器303的信 號(hào)進(jìn)行采樣并且基于這些采樣執(zhí)行X射線斷層造影合成計(jì)算的ASIC、固件或者軟件。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，多個(gè)靜態(tài)定位的χ射線源301中的每個(gè)射線源都可以 由X射線源控制器306來控制以順序地發(fā)射，從而得到相應(yīng)的斷層造影圖像。這樣的方法 使得可以在沒有任何物理源運(yùn)動(dòng)的情況下從多個(gè)源位置獲取放射線照相投影。所述χ射線源301可以包括碳納米管場(chǎng)致發(fā)射電子源。這樣的電子源及其生 產(chǎn)方法在文獻(xiàn)中有所描述，例如在 S. lijimia, Nature (London) 354, 56 (1991) ；W. A. deHeer 等人，Science, 270,1179-1180(1995)；和 Q. H. Wang 等人，App 1. Phys. Lett. 70(24)， 3308-3310,1997年6月16日等文獻(xiàn)中有所描述，這些文獻(xiàn)的內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。在 前述類型的χ射線管中使用這樣的場(chǎng)致發(fā)射電子源已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)使得該χ射線管能夠被微型 化，從而在要求高的管輸出而又沒有過熱的許多醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是有用的。這樣的由碳納米管 實(shí)現(xiàn)的χ射線源的一個(gè)特征是它們能夠以非常高的速率在啟用狀態(tài)和禁用狀態(tài)之間切換。 這樣的快速切換使得可以對(duì)所得到的χ射線圖像進(jìn)行頻率調(diào)制。多個(gè)χ射線源301中的每個(gè)χ射線源可以以不同頻率在啟用狀態(tài)和禁用狀態(tài)之間切換。例如，源S1-SJOl可以以已知頻率f\-fn切換，其中< f2 < . . . < fn，其中fn是 峰值切換頻率。X射線檢測(cè)器303可以用大于2fn的頻率(即Nyquist頻率)進(jìn)行采樣，使 得可以同時(shí)地從所有源Sn 301獲取一系列圖像?？梢詫⒃辞袚Q頻率擇為使得沒有 單獨(dú)的切換頻率A是任何其它切換頻率的諧波。這樣，可以使用傅立葉分析和帶通濾波技 術(shù)_諸如在頻率復(fù)用中通常使用的那些技術(shù)_將與每個(gè)源相關(guān)聯(lián)的圖像分離出來。參照?qǐng)D4，所呈現(xiàn)的是單個(gè)源401的傅立葉空間采樣400和處于環(huán)形配置的多個(gè)源 451的組合傅立葉空間采樣450的合成視圖。每個(gè)源位置401對(duì)應(yīng)于對(duì)象傅立葉空間中的 一個(gè)平面402。這樣的環(huán)形配置導(dǎo)致傅立葉空間的各向同性的采樣。這樣的采樣特性與弧形的源配置形成對(duì)比。參照?qǐng)D5，所呈現(xiàn)的是處于環(huán)形配置 501的多個(gè)χ射線源的傅立葉采樣500和處于弧形配置551的多個(gè)χ射線源的傅立葉采樣 550。如可以看到的那樣，對(duì)于弧形配置551來說，沿著χ軸的更高空間頻率將導(dǎo)致ζ方向 上的更好采樣。然而，沿著y軸的更高空間頻率對(duì)于ζ方向上的采樣沒有效用。這樣，對(duì)于 給定的跨度角Φ，環(huán)形配置導(dǎo)致更完整的傅立葉空間覆蓋。應(yīng)該注意到，雖然上述說明是關(guān)于被置于環(huán)形配置中的χ射線源來提供的，但是 完全可以設(shè)想將X射線源以任何使得由所述源所發(fā)射的X射線具有共同的等角點(diǎn)的形狀來 配置?？梢允褂脵E圓形、矩形或不規(guī)則形的配置。參照?qǐng)D6，可以用基本上環(huán)繞治療放射源602-諸如直線粒子加速器(LINAC)-的環(huán) 形配置來布置多個(gè)靜態(tài)定位的χ射線源601。所述χ射線源601和治療放射源602可以被 調(diào)整為使得χ射線603和治療放射線604具有共同的等角點(diǎn)605。這樣的配置使得可以沿 著治療束604的主軸實(shí)現(xiàn)最優(yōu)成像質(zhì)量。另外，將環(huán)形χ射線源601和相關(guān)的成像檢測(cè)器 面板606合并到能夠圍繞垂直于該治療放射線的軸608作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)607的LINAC使得可以 在成像方位方面具有更大的靈活性。參照?qǐng)D7，χ射線源701的環(huán)可以被設(shè)置在基本上與治療放射源702相對(duì)的方向 上。在這種情況下，成像面板(未示出)將被設(shè)置在治療放射線703的路徑中(即，MV放 射線將必須穿過該面板傳遞)。這樣的配置將允許在放射治療會(huì)議期間實(shí)時(shí)地進(jìn)行斷層造 影成像。參照?qǐng)D8，所呈現(xiàn)的是用于生成斷層造影圖像的方法800。在步驟801，可以將多 個(gè)X射線源相對(duì)于彼此布置在靜態(tài)位置中，使得所述X射線源生成的X射線具有共同的等 角點(diǎn)。所述X射線源的配置可以是圓形、橢圓形、矩形或者不規(guī)則形。在步驟802，可以由χ射線源生成χ射線?？梢杂貌煌l率將所述多個(gè)χ射線源 中的每個(gè)X射線源在啟用狀態(tài)和禁用狀態(tài)之間切換。例如，可以以已知頻率1-4來切換源 S「Sn，其中f！ < f2 < ... < fn，其中fn是峰值切換頻率。
在步驟803，可以對(duì)對(duì)象吸收χ射線的程度進(jìn)行采樣。這些采樣可以以大于2fn的頻率(即Nyquist頻率)進(jìn)行，從而可以同時(shí)從所有源Sn獲取一系列圖像?？梢詫⒃辞袚Q 頻率f\-fn選擇為使得沒有單獨(dú)的切換頻率A是任何其它切換頻率的諧波。在步驟804，可以生成對(duì)象的斷層造影圖像。該圖像生成可以通過針對(duì)給定采樣計(jì) 算X射線吸收投影的線積分來實(shí)現(xiàn)。然后可以計(jì)算出相應(yīng)投影的傅立葉變換，由此得出該 對(duì)象的傅立葉變換的橫截面斷層。如果在步驟803進(jìn)行的采樣使得沒有單獨(dú)的切換頻率是任何其它切換頻率的 諧波，則在步驟805可以分離出與給定χ射線源有關(guān)的斷層造影圖像。這樣的分離可以使 用傅立葉分析和帶通濾波技術(shù)來進(jìn)行。類似地，方法800的步驟可以被實(shí)施為可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)可 讀指令。這些計(jì)算機(jī)可讀指令可以包括固件或者軟件，并且可以由諸如ASIC或微處理器的 處理設(shè)備來執(zhí)行。
權(quán)利要求
一種用于斷層造影成像的系統(tǒng)(300)，所述系統(tǒng)包括多個(gè)被靜態(tài)地相對(duì)于彼此定位的x射線源(301)；x射線檢測(cè)器(303)；以及處理設(shè)備(304)，其中由所述多個(gè)x射線源(301)所發(fā)射的x射線具有共同的等角點(diǎn)(302)。
2.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括具有放射源(602)的直線粒子加速器(LINAC)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中由所述放射源(602)所發(fā)射的放射線(604)被調(diào)整為與所述等角點(diǎn)(302)相交。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述放射源(602)被置于關(guān)于所述等角點(diǎn)(704)基本上與所述多個(gè)χ射線源 (701)相對(duì)的位置中。
5.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)， 其中所述χ射線源(301)還包括 碳納米管場(chǎng)致發(fā)射電子源。
6. 一種用于斷層造影成像的方法，包括下列步驟將多個(gè)X射線源布置在相對(duì)于彼此的靜態(tài)位置中，使得所述X射線源具有共同的等角 點(diǎn)(801)；從多個(gè)χ射線源生成χ射線(802)； 對(duì)對(duì)象吸收χ射線的程度進(jìn)行采樣(803)；以及 生成對(duì)象的斷層造影圖像(804)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述從多個(gè)χ射線源生成χ射線的步驟還包括步驟 將所述多個(gè)X射線源中的每一個(gè)在啟用狀態(tài)和禁用狀態(tài)之間切換。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中以不同切換頻率切換所述多個(gè)χ射線源中的每一個(gè)χ射線源。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中以峰值切換頻率切換所述多個(gè)χ射線源中的χ射線源，其中以大于或等于峰值頻率兩倍的頻率對(duì)所述對(duì)象吸收X射線的程度進(jìn)行采樣。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中沒有切換頻率是另一切換頻率的諧波。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括步驟 分離出與所述多個(gè)χ射線源的χ射線源有關(guān)的圖像。
12.—種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，包括存儲(chǔ)在其上以便由處理器執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)斷層造影成像方 法的計(jì)算機(jī)可讀指令，所述方法包括下列步驟從多個(gè)相對(duì)于彼此被靜態(tài)定位的χ射線源生成χ射線(801，802)； 對(duì)對(duì)象吸收χ射線的程度進(jìn)行采樣(803)；以及 生成對(duì)象的斷層造影圖像(804)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中所述從多個(gè)X射線源生成X射線的步驟還包括步驟 將多個(gè)X射線源中的每一個(gè)在啟用狀態(tài)和禁用狀態(tài)之間切換。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中以不同切換頻率切換所述多個(gè)χ射線源的每個(gè)χ射線源。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中以峰值切換頻率切換所述多個(gè)χ射線源中的χ射線源，其中以大于或等于峰值頻率兩倍的頻率對(duì)所述對(duì)象吸收χ射線的程度進(jìn)行采樣。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)， 其中沒有切換頻率是另一切換頻率的諧波。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，還包括步驟 分離出與所述多個(gè)χ射線源的χ射線源有關(guān)的圖像(805)。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)用于X射線斷層造影合成的系統(tǒng)和方法。X射線斷層造影合成系統(tǒng)可以包括a)相對(duì)于彼此被靜態(tài)定位的多個(gè)x射線源(301)；b)x射線檢測(cè)器(303)；和c)處理設(shè)備(304)，其中由所述多個(gè)x射線源(301)所發(fā)射的x射線具有共同的等角點(diǎn)(302)。用于X射線斷層造影合成的方法可以包括a)將多個(gè)相對(duì)于彼此處于靜態(tài)位置中的x射線源布置為使得所述x射線源具有共同的等角點(diǎn)(801)；b)從多個(gè)x射線源生成x射線(802)；c)對(duì)對(duì)象吸收x射線的程度進(jìn)行采樣(803)；和d)生成對(duì)象的斷層造影圖像(804)。
文檔編號(hào)A61N5/10GK101808582SQ200880109124
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2008年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日
發(fā)明者A·巴尼哈舍米, J·S·馬爾茨 申請(qǐng)人:美國西門子醫(yī)療解決公司