固定 x 射線數(shù)字化斷層合成或斷層攝影系統(tǒng)和相關(guān)方法
【專利摘要】公開了一種固定X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)和相關(guān)方法。根據(jù)一個方面，在此描述的主題可以包括具有多個固定場發(fā)射X射線源的X射線斷層合成系統(tǒng)，該固定場發(fā)射X射線源配置為利用X射線束來照射用于定位要成像的對象的位置，以生成對象的投影圖像。X射線探測器可以配置為探測對象的投影圖像。投影圖像重建功能可以配置為基于對象的投影圖像來重建對象的斷層攝影圖像。
【專利說明】固定X射線數(shù)字化斷層合成或斷層攝影系統(tǒng)和相關(guān)方法
[0001]本申請是2008年7月18日提交的申請?zhí)枮?00880107680.X、名稱為“固定X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)和相關(guān)方法”的分案申請。
[0002]相關(guān)申請
[0003]目前公開的主題要求于2007年7月19日提交的美國臨時專利申請序列號N0.60/961, 175的權(quán)益，其公開內(nèi)容通過引用全部并入本文。
[0004]政府利益
[0005]在具有國家癌癥研究所授予的批準(zhǔn)號為N0.US4CA119343的美國政府支持的情況下，作出目前公開的主題。因此美國政府在本公開主題中具有某些權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0006]在此 描述的主題涉及X射線照相術(shù)。更具體地，該主題描述了固定X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)和相關(guān)方法。
【背景技術(shù)】
[0007]乳腺攝影是目前針對乳腺癌早期診斷的最有效的篩查和診斷工具，并且已經(jīng)是近來乳腺癌死亡率下降的原因。然而，二維乳腺攝影片的性質(zhì)使得難以將癌和疊加的乳腺組織進(jìn)行區(qū)分，并且各放射線學(xué)者的解釋可能是變化的。由于致密組織干擾了對與腫瘤有關(guān)的異常的識別，因此存在更高比率的假陽性和假陰性的測試結(jié)果。數(shù)字化乳房斷層合成(DBT)是設(shè)計為解決這一問題的三維成像技術(shù)。它是有限角度的斷層攝影技術(shù)，利用來自有限角度范圍的投影圖像來提供乳房的重建平面。
[0008]商業(yè)廠商已經(jīng)制造了一些DBT掃描儀樣機(jī)。該系統(tǒng)的設(shè)計是基于全視野數(shù)字化乳腺攝影(FFDM)單元。乳腺攝影X射線管用于通過環(huán)繞對象移動10-50度來采集投影圖像。所報告的總掃描時間取決于視圖數(shù)量和乳房厚度在7-40秒，該總掃描時間大大長于常規(guī)乳腺攝影的總掃描時間。長的成像時間可以引起降低圖像質(zhì)量的患者運(yùn)動模糊，并可以使得患者不適。此外，X射線源的功率、掃描架旋轉(zhuǎn)速度和探測器幀率限制了當(dāng)前DBT系統(tǒng)的掃描速度。
[0009]DBT系統(tǒng)利用的標(biāo)準(zhǔn)乳腺攝影X射線管具有大約300 μ m的X射線焦斑尺寸。由于掃描架的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械不穩(wěn)定性，在圖像采集期間的有效焦斑尺寸大于靜態(tài)值從而降低了圖像分辨率。已經(jīng)發(fā)展了兩種掃描架旋轉(zhuǎn)模式。一個商業(yè)上可獲得的系統(tǒng)使用停止再照射(stop-and-shoot)技術(shù)。掃描架在獲得每個投影圖像之前完全停止。加速/減速可以引起該系統(tǒng)的機(jī)械不穩(wěn)定。在其它商業(yè)上可獲得的系統(tǒng)中使用連續(xù)旋轉(zhuǎn)模式。掃描架在整個成像過程期間保持恒定的旋轉(zhuǎn)速度。在這種情況下，X射線焦斑尺寸沿著運(yùn)動方向擴(kuò)大。擴(kuò)大的值取決于旋轉(zhuǎn)速度和照射時間。據(jù)報道在典型的掃描中，X射線焦點(diǎn)移動大約1mm。這沒有給總掃描時間留下進(jìn)一步的減少空間，從而將需要更快的掃描架旋轉(zhuǎn)和更大的焦點(diǎn)模糊。
[0010]有益的是提供具有減少的數(shù)據(jù)收集時間并改善患者舒適度的X射線成像系統(tǒng)和方法。一個或多個這種改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)對于乳腺組織和其它對象的X射線成像的新應(yīng)用。因此，期望提供具有一個或多個這些改進(jìn)的X射線成像系統(tǒng)和方法。
[0011]另外，目前的臨床乳腺攝影掃描儀使用被稍微能量過濾的多色X射線輻射。已知的是單色和準(zhǔn)單色輻射提供更好的成像質(zhì)量，并可以潛在地減少成像劑量。然而，目前沒有有效的方式來在臨床環(huán)境中生成可以提供足夠X射線光子通量的單色或者準(zhǔn)單色輻射。因此，期望提供可以以臨床可接受的掃描速度來執(zhí)行單色或者準(zhǔn)單色成像的X射線成像系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]目前公開主題的目的在于提供新穎的固定X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)和相關(guān)方法。
[0013]目前公開主題的目的已經(jīng)在上文中陳述，并且其全部或者部分通過目前公開主題實(shí)現(xiàn)，隨著結(jié)合下文描述的附圖進(jìn)行說明，其它目的將變得明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】[0014]現(xiàn)將參照附圖對在此描述的主題進(jìn)行說明，在附圖中:
[0015]圖1是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的MBFEX系統(tǒng)的示意圖；
[0016]圖2是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的具有沿著線性直線定位的X射線源的MBFEX系統(tǒng)的示意圖；
[0017]圖3是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的具有沿著二維平面定位的X射線源的MBFEX系統(tǒng)的示意圖；
[0018]圖4A是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的MBFEX系統(tǒng)的示意圖，該MBFEX系統(tǒng)具有沿著直線均勻間隔地，并成角度地定位以將X射線束定向?yàn)槌驅(qū)ο蟮腦射線源；
[0019]圖4B是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的圖4A所示系統(tǒng)的兩個X射線源像素的示意圖；
[0020]圖5是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的所采集對象圖像的示例性過程的流程圖；
[0021]圖6是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的利用MBFEX系統(tǒng)來順序采集對象圖像的示例性過程的流程圖；
[0022]圖7是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的利用MBFEX系統(tǒng)多路復(fù)用對象圖像的示例性過程的流程圖；
[0023]圖8是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的探測器觸發(fā)和X射線源像素觸發(fā)的定時圖；
[0024]圖9是根據(jù)在此公開的主題的MBFEX系統(tǒng)的圖像；
[0025]圖10是根據(jù)在此公開的主題的示出了 X射線探測器、體模以及X射線生成設(shè)備的X射線源之間的空間關(guān)系的示意圖；
[0026]圖1lA是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的X射線源的透視圖；
[0027]圖1lB是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的X射線源的示意圖；
[0028]圖12是根據(jù)在此描述的主題的控制器的電路圖，該控制器配置為控制來自多個X射線源的X射線束發(fā)射；[0029]圖13是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的MBFEX X射線源陣列的圖像；
[0030]圖14是圖9示出的系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)上測量的能量譜的圖形；
[0031]圖15是圖9示出的系統(tǒng)的根據(jù)柵壓變化的陽極電流的圖形；
[0032]圖16是根據(jù)在此描述的主題而獲得的十字體模的投影圖像；以及
[0033]圖17是示出了根據(jù)在此描述的主題而獲得的兩個導(dǎo)線的線輪廓的圖形。
【具體實(shí)施方式】
[0034]在此公開的主題針對可以利用多個場發(fā)射X射線源、X射線探測器和投影圖像重建技術(shù)的多射束場發(fā)射X射線(MBFEX，也被稱為多像素場發(fā)射X射線)系統(tǒng)和技術(shù)。具體而言，在此公開的系統(tǒng)和技術(shù)根據(jù)一個方面可以應(yīng)用于X射線數(shù)字化斷層合成。根據(jù)一個實(shí)施例，多個場發(fā)射X射線源可以利用X射線束來照射用于定位要成像的對象的位置，以生成對象的投影圖像。X射線探測器可以探測對象的投影圖像。投影圖像重建功能可以基于對象的投影圖像來重建對象的斷層攝影圖像。在此公開的主題可以實(shí)現(xiàn)提高的掃描速度、簡化的系統(tǒng)設(shè)計以及增強(qiáng)的圖像質(zhì)量。 [0035]在一個應(yīng)用中，在此公開的主題可以是利用基于碳納米管的MBFEX系統(tǒng)的固定數(shù)字化乳房斷層合成(DBT)系統(tǒng)。該MBFEX系統(tǒng)可以包括可單獨(dú)編程的X射線像素的陣列，可以大致均勻的放置該像素以覆蓋寬闊的視場?？梢酝ㄟ^電子接通和斷開單獨(dú)X射線像素來采集投影圖像，而沒有X射線源、探測器或者對象中任一個的機(jī)械運(yùn)動。
[0036]在此描述的主題的一個實(shí)施例中，通過電子接通和斷開單獨(dú)X射線源像素，可以從不同視角一次一個地順序收集對象的投影圖像?？梢钥臻g分布X射線源像素。每個像素可以被接通預(yù)定的時間和預(yù)定的電流，以將預(yù)定的劑量數(shù)量遞送給對象。X射線探測器可以探測并記錄來自特定X射線源像素發(fā)射的X射線強(qiáng)度。X射線束像素之間的間隔和像素數(shù)量可以改變以提供所期望的角度覆蓋和投影圖像數(shù)量?？梢蕴幚韥碜圆煌暯鞘占耐队皥D像以重建對象的斷層攝影圖像，從而展現(xiàn)對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在一個例子中，X射線源可包括沿著可以覆蓋在大約10和100度之間的視野范圍(例如，30-50度的視野范圍)的弧形定位的總計在大約10和100個之間的X射線焦斑(例如，二十五(25)個X射線源像素)。焦斑定義的平面與X射線探測器的成像平面大致垂直。
[0037]在此描述的主題的一個實(shí)施例中，可以使用一個或多個單色器來生成單色X射線輻射以用于對對象成像?？梢岳貌祭?Bragg)衍射來產(chǎn)生這種單色X射線輻射?？梢酝ㄟ^將過濾器放置在接收多色X射線輻射的X射線窗口之前來生成準(zhǔn)單色X射線束。通過選擇過濾的材料和材料厚度，可以產(chǎn)生具有狹窄能量窗口的準(zhǔn)單色輻射。然而，這典型地包括對200th到500th值層過濾材料的使用。這意味著X射線強(qiáng)度的99.5%到99.8%被過濾器衰減。低X射線通量已經(jīng)阻礙了單色X射線輻射在臨床成像上的使用。
[0038]在單色X射線輻射的一個例子中，可以利用所生成的單色X射線輻射來對乳房成像。單色和準(zhǔn)單色X射線輻射的優(yōu)點(diǎn)包括減少的X射線劑量的改善了的成像質(zhì)量，這對于乳房成像是重要的。在此描述的主題可以使醫(yī)師利用準(zhǔn)單色X射線輻射以與具有多色X射線輻射的商業(yè)上可獲得的DBT掃描儀相當(dāng)?shù)某上袼俣葋韺θ说娜榉砍上瘛?br> [0039]克服低通量的阻礙以及因此的長成像時間的一個技術(shù)是將多射束場發(fā)射X射線源與多路復(fù)用X射線成像相結(jié)合。可以通過重過濾來產(chǎn)生錐束準(zhǔn)單色輻射。像素化和空間分布的MBFEX源可以從多個投影角度生成X射線束而無機(jī)械運(yùn)動。以順序掃描模式操作的固定DBT掃描儀可以利用85mAs的總劑量來提供25個視圖的全掃描，并且其速度比在相當(dāng)劑量情況下的C臂式DBT掃描儀快10倍。實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)顯示，平行多路復(fù)用成像過程與用于斷層攝影的常規(guī)序列成像技術(shù)相比提供的成像速度增加了 N/2倍(N=X射線像素的數(shù)量)。固定設(shè)計和在此描述的多路復(fù)用(大約X 100)的優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合可以補(bǔ)償由于使用重過濾(100th值層)導(dǎo)致的X射線通量的損失，從而使qM-DBT掃描儀可以以與商業(yè)上可獲得的基于C臂的系統(tǒng)相當(dāng)?shù)膾呙钑r間來操作，并具有更好的成像質(zhì)量和減少的成像劑量。
[0040]如在此提及的，術(shù)語“納米-構(gòu)造的”或者“納米結(jié)構(gòu)”材料可以指包括具有小于IOOnm微粒大小的納米微粒的材料，例如納米管(例如,碳納米管)。這些類型的材料已經(jīng)示出呈現(xiàn)某些在很多應(yīng)用中具有益處的屬性。
[0041]如在此提及的，術(shù)語“多射束X射線源”可以指能夠同時或者順序生成多個X射線束的設(shè)備。例如，“多線束X射線源”可以包括具有電子場發(fā)射器的基于場發(fā)射的多射束X射線源。電子場發(fā)射器可以包括基于納米構(gòu)造的材料的材料。
[0042]圖1是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的通常表示為100的MBFEX系統(tǒng)的示意圖。參照圖1，系統(tǒng)100可以包括具有控制器CTR的計算機(jī)C0M，該控制器CTR配置為控制X射線生成設(shè)備XGD和X射線探測器XD以對要成像的對象O成像。X射線生成設(shè)備XGD可以包括多個單獨(dú)可控的場發(fā)射X射線源XS，該場發(fā)射X射線源XS配置為利用X射線束XB照射對象O以生成對象O的投影圖像。
[0043]X射線源XS可以定位為將X射線束XB定向?yàn)槌蚩梢园仓脤ο驩的地方或者位置P (由虛線表示)?？梢詮膸讉€不同角度將X射線束定向?yàn)槌蛭恢肞。此外，X射線源XS、X射線探測器XD 和位置P如此布置，從而使得所生成的投影圖像被X射線探測器XD探測。X射線源XS沿著由X射線生成設(shè)備XGD形成的大致直線進(jìn)行定位，從而使得將所生成的X射線束大致定向?yàn)槌蛭恢肞并可以穿過位置P之內(nèi)的區(qū)域。該線可以平行于X射線探測器的成像平面。如以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的，X射線源XS可以如此地布置在任意適當(dāng)?shù)奈恢蒙希瑥亩鴮射線束大致定向?yàn)槌蛭恢肞并且投影圖像被X射線探測器XD探測。在X射線源照射對象并且X射線探測器探測投影圖像期間，X射線源和X射線探測器可以相對于彼此固定。X射線源可以控制為被順序地一次一個地激活預(yù)定的停頓時間和預(yù)定的X射線劑量。
[0044]當(dāng)在位置P穿過對象O之后，X射線束XB可以被X射線探測器XD探測。X射線探測器XD可以是配置為連續(xù)捕獲X射線束XB的高幀率、數(shù)字面X射線探測器。在收集了所有或者至少部分的X射線束XB并將其作為X射線信號數(shù)據(jù)存儲在存儲器之后，投影圖像重建功能PIRF可以基于對象O的投影圖像來重建對象O的斷層攝影圖像。
[0045]可以通過利用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)并利用單獨(dú)探測器從多個X射線源來獲得對象的多個投影圖像，從而構(gòu)建斷層攝影圖像。常用技術(shù)包括位移疊加(shift-and-add)、濾波反投影、有序子集凸最大似然法(ordered subsets convex maximum likelihood)等等。
[0046]根據(jù)在此公開的主題的另一方面，X射線源可以沿著由X射線生成設(shè)備限定的弧形來定位。該弧形限定的平面可以與X射線探測器的成像平面大致垂直。圖2是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的通常表示為200的MBFEX系統(tǒng)的示意圖，所述系統(tǒng)具有沿著線性直線定位的X射線源XS。參照圖2，X射線源XS可以至少大致沿著由X射線生成設(shè)備XGD形成的 線性直線定位。X射線源XS可以定位為將X射線束XB定向?yàn)槌虿⒋┻^可以安置對象O的位置P?？梢詮膸讉€不同角度將X射線束定向?yàn)槌蛭恢肞。此外，X射線源xs、x射線探測器XD和位置P可以如此定位從而使得所生成的投影圖像被X射線探測器XD探測。當(dāng)在位置P處穿過對象O之后，X射線束XB可以被X射線探測器XD探測。在收集了所有或者至少部分的X射線束XB并將其作為X射線信號數(shù)據(jù)存儲在存儲器之后，投影圖像重建功能PIRF可以基于對象O的投影圖像來重建對象O的斷層攝影圖像。
[0047]根據(jù)在此公開的主題的另一方面，X射線源可以包括沿著X射線陽極上的二維平面或者矩陣定位的焦斑。圖3是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的通常表示為300的MBFEX系統(tǒng)的示意圖，所述系統(tǒng)具有沿著二維平面定位的X射線源XS。參照圖3，X射線源XS可以大致沿著由X射線生成設(shè)備XGD形成的二維平面而定位。X射線源XS可以定位為將X射線束XB定向?yàn)槌虿⒋┻^可以安置對象O的位置P。可以從幾個不同角度將X射線束定向?yàn)槌蛭恢肞。此外，X射線源XS、X射線探測器XD和位置P如此定位從而使得所生成的投影圖像被X射線探測器XD探測。當(dāng)在位置P處穿過對象O之后，X射線束XB可以被X射線探測器XD探測。在收集了所有或者至少部分的X射線束XB并將其作為X射線信號數(shù)據(jù)存儲在存儲器之后，投影圖像重建功能PIRF可以基于對象O的投影圖像來重建對象O的斷層攝影圖像。
[0048]根據(jù)在此公開的主題的另一方面，X射線源可以沿著直線均勻間隔地，并成角度地定位以將X射線束定向?yàn)槌驅(qū)ο?。圖4A是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的通常表示為400的MBFEX系統(tǒng)的示意圖，所述系統(tǒng)具有沿著直線均勻間隔地，并成角度地定位以將X射線束定向?yàn)槌驅(qū)ο蟮腦射線源XS。參照圖4A，X射線源XS可以是門控碳納米管發(fā)射像素，其大致沿著由X射線生成設(shè)備XGD形成的二維平面定位。在這一例子中，X射線生成設(shè)備總計包括二十五(25)個X射線源，但是X射線生成設(shè)備可替換地包括任意適當(dāng)數(shù)量的X射線源，在數(shù)目上多于或者少于二十五。
[0049]X射線源可以容納在具有30 μ m厚的鑰(Mo)窗口的真空腔室內(nèi)。該窗口可以作為輻射過濾器。每個像素可以包括碳納米管陰極、提取電子的柵電極、以及一組將場發(fā)射電子聚焦到靶的小區(qū)域(焦斑)上的電子聚焦透鏡(例如，Einzel類型的靜電聚焦透鏡)。焦斑可以大致上是相同尺寸的。焦斑的尺寸和/或X射線源生成的X射線通量可以由控制器調(diào)整?？蛇x擇地，焦斑尺寸的范圍可以在大約0.05mm和2mm之間。對于每個X射線源像素，該系統(tǒng)設(shè)計為各向同性的0.2X0.2_的有效焦斑尺寸?？梢酝ㄟ^調(diào)整聚焦電極的電位來調(diào)整單獨(dú)焦斑的尺寸。為了將電流波動和延遲最小化，并減小像素間的變化，可以合并電補(bǔ)償回路以自動調(diào)整柵極電壓從而維持恒定的預(yù)設(shè)發(fā)射電流。可以如此選擇碳納米管陰極的面積以使在0.2X0.2mm的有效焦斑尺寸情況下可以獲得大約IOmA的峰值X射線管電流。通過增加碳納米管的面積和焦斑尺寸，可以獲得50-100mA的更高的X射線峰值電流。
[0050]X射線源XS可以定位為將X射線束XB定向?yàn)槌驅(qū)ο驩安置的位置P?？梢詮膸讉€不同角度將X射線束定向?yàn)槌虿⒋┻^位置P。此外，X射線源XS、X射線探測器XD和位置P如此定位從而使得所生成的投影圖像被X射線探測器XD探測。為了從不同角度收集對象O的投影圖像以用于斷層合成，如以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的，控制器CTR可以順序激活空間分布在相對大區(qū)域上的電子發(fā)射像素陣列。X射線源XS如此定位從而使所生成的X射線束至少大致定向?yàn)槌蛭恢肞。每個X射線源XS可以包括場發(fā)射器，其可操作地生成電子束并可操作地將該電子束定向?yàn)槌虬械慕裹c(diǎn)。所發(fā)射的電子束可以被加速至靶，掃描X射線束從該靶的廣大區(qū)域上的不同點(diǎn)產(chǎn)生。控制器CTR可以進(jìn)一步基于X射線源XS和對象O之間的距離來改變X射線輻射的強(qiáng)度，從而使從每個觀察角度遞送給對象O的X射線劑量是相同的。
[0051 ] X射線源XS可以如此定位從而使X射線生成設(shè)備XGD在大約64.52cm的源-探測器距離的情況下在各X射線焦斑之間提供大致均勻的2度角度間隔。各個X射線靶的位置和取向可以是如此的從而使所生成的X射線錐束的中心軸經(jīng)過等中心0C，該等中心可以是要成像的對象O上的位置或者X射線探測器XD上的點(diǎn)。錐形X射線束可以在對象上具有大致相同的X射線強(qiáng)度分布。此外，X射線源可以產(chǎn)生具有不同能量譜的X射線輻射。
[0052]當(dāng)在位置P處穿過對象O之后，X射線束XB可以被X射線探測器XD探測。在收集了所有或者至少部分的X射線束XB并將其作為X射線信號數(shù)據(jù)存儲在存儲器之后，投影圖像重建功能PIRF可以基于對象O的投影圖像來重建對象O的斷層攝影圖像。
[0053]圖4B是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的圖4A所示系統(tǒng)400的兩個X射線源像素的示意圖。參照圖4B，X射線源XSl和XS2成角度地向著對象O的等中心0C。由對象O的中心OC和每個X射線源的電子場發(fā)射器的X射線焦斑形成的線處于X射線源的對稱平面。X射線源像素可以如此傾斜從而將X射線源像素生成的X射線束的中心線定向?yàn)槌虻戎行?C。在一個例子中，X射線源XSl和XS2的中心線形成一傾斜角度。X射線源可以相對于彼此傾斜以實(shí)現(xiàn)期望的傾斜角度。
[0054]在系統(tǒng)400中，從焦點(diǎn)起源的X射線束可以由來自陰極上相應(yīng)像素的電子束生成?？梢酝ㄟ^順序激活各個像素來生成掃描X射線束。可以在X射線陽極和柵電極之間施加恒定DC高壓(大約O-1OOKVp)?？梢越o柵電極施加變化的DC電壓(大約0-2kV)?？蛇x擇地，X射線陽極可以配置為處于不同電壓以產(chǎn)生具有多能量的X射線輻射。例如，對于具有25個X射線源的系統(tǒng)，可以將12個陽極配置為處于低電壓，而可以將13個陽極配置為處于高電壓。這種配置使得系統(tǒng)可以用于雙能量成像。
[0055]可以通過與陰極連接的電子電路(例如，MOSFET電路)來實(shí)現(xiàn)單獨(dú)發(fā)射像素的接通和斷開。電子電路可以用于分別控制來自不同X射線焦斑XS (例如，X射線源XSl和XS2)的X射線強(qiáng)度，從而使它們可以是相同的或者被調(diào)制為向要成像的所述對象上遞送期望的強(qiáng)度或者強(qiáng)度分布。當(dāng)電子束轟擊靶的陽極表面時，可以從相應(yīng)焦點(diǎn)產(chǎn)生X射線束。為了生成掃描束，可以跨過各個MOSFET來掃描具有預(yù)定脈沖寬度的脈沖電壓。在每個點(diǎn)處，通道可以被“打開”以從像素生成電子束，從而導(dǎo)致從靶上的相應(yīng)焦點(diǎn)處生成X射線束。為了將X射線通量的波動最小化，可以以恒定電流模式來操作陰極。可以自動調(diào)整柵壓以將發(fā)射電流以及因而的來自每個像素的X射線通量維持在期望水平。
[0056] X射線生成設(shè)備XGD的25個X射線源像素從端到端可以橫跨57.45cm的距離。當(dāng)源-對象的距離是64.52cm時，設(shè)備提供48度的覆蓋范圍，其中在鄰近像素之間具有大致均勻的2度角度間隔。鄰近X射線源像素之間的線性間隔可以變化以提供均勻的角度間隔。X射線束可以校準(zhǔn)為在體模平面上23.04cm的視場(F0V)。如果X射線源像素布置成與探測器平面平行的線性直線而不是弧形，那么對于各個像素，像素-源距離可以變化。在對這一 X射線束傳播距離變化進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊粋€選擇中，可以分別調(diào)整來自每個像素的X射線管電流從而使在體模表面處的通量保持相同。在另一解決方法中，可以在重建過程中將圖像強(qiáng)度歸一化?？梢詫Ⅲw模放置在臺上以在探測器和體模之間布置2.54cm的空氣縫隙。
[0057]圖5是示出根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的采集對象圖像的示例性過程的流程圖。在這一例子中參考系統(tǒng)100，盡管如此在此描述的任意其它系統(tǒng)都可利用該過程來采集對象圖像。參照圖1和5，控制器CTR可以激活X射線源XS以利用X射線束來照射對象0，從而生成對象O的投影圖像(方框500)。在方框502中，控制器CTR可以控制X射線探測器XD來探測對象O的投影圖像。在方框504中，投影圖像重建功能PIRF可以基于對象O的投影圖像來重建對象O的斷層攝影圖像。功能PIRF可以利用任意適當(dāng)技術(shù)來重建對象O的斷層攝影圖像。
[0058]圖6是示出根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的利用MBFEX系統(tǒng)來順序采集對象圖像的示例性過程的流程圖。在這一例子中參考圖1示出的系統(tǒng)100，盡管如此在此描述的任意其它系統(tǒng)都可利用該過程來采集對象圖像。參照圖1和6，在方框600中，系統(tǒng)100的控制器CTR可以將過程初始化并將變量i設(shè)置為I。變量i代表該過程的重復(fù)次數(shù)。在方框602中，控制器CTR可以將對應(yīng)于第i個像素的X射線源XS開啟。具體而言，一個或多個X射線源XS可以對應(yīng)于X射線源的第i組。如以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的，該過程順序經(jīng)過i組X射線源，直到已經(jīng)開啟全部X射線源并且探測到它們的X射線束XB。
[0059]在方框604中，控制器CTR可以控制X射線探測器XD來采集第i幅圖像。具體而言，X射線探測器XD可以采集由第i個X射線源生成的對象O的投影圖像?？刂破鰿TR可以確定對來自所有i組X射線源的圖像的采集是否已經(jīng)完成(方框606)。如果確定的是未采集完來自所有i組X射線源的圖像，那么控制器CTR可以將變量增加I (方框608)，并且該過程可以前進(jìn)至方框502以采集來自X射線源剩余組的圖像。
[0060]如果確定的是已經(jīng)采集完來自所有i組X射線源的圖像，那么投影圖像重建功能PIRF可以基于對象的投影圖像來重建對象O的斷層攝影圖像(方框610)。在方框612中，計算機(jī)COM的顯示器可以顯示對象O的重建切片圖像。
[0061]圖7是示出根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的利用MBFEX系統(tǒng)來順序采集對象圖像的示例性過程的流程圖。在這一例子中參考圖1示出的系統(tǒng)100，盡管如此在此描述的任意其它系統(tǒng)都可利用該過程來采集對象圖像?？梢岳没贚ABVIEW?(從國家儀器公司獲得)的軟件應(yīng)用來生成用于電子控制X射線束像素的觸發(fā)和切換以及使X射線照射和探測器數(shù)據(jù)收集同步的功能。
[0062]參照圖1和7，在方框700中，系統(tǒng)100的控制器CTR可以將過程初始化并將變量i設(shè)置為I。變量i代表該過程的重復(fù)次數(shù)。在方框702中，控制器CTR可以將對應(yīng)于第i個像素的X射線源XS開啟。具體而言，一個或多個X射線源XS可以對應(yīng)于第i組X射線源。如以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的，該過程順序經(jīng)過i組X射線源，直到已經(jīng)開啟全部X射線源并且探測到它們的X射線束XB。在一個實(shí)施例中，控制器CTR可以控制X射線源以生成多路復(fù)用X射線束，如以下所述，所述X射線束可以被解復(fù)用以用于圖像重建。 [0063]在方框704中，控制器CTR可以控制X射線探測器XD來采集第i幅圖像。具體而言，X射線探測器XD可以采集由第i個X射線源生成的對象O的投影圖像?？刂破鰿TR可以確定對來自所有i組X射線源的圖像的采集是否已經(jīng)完成(方框706)。如果確定的是未采集完來自所有i組X射線源的圖像，那么控制器CTR可以將變量增加I (方框708)，并且該過程可以前進(jìn)至方框702以采集來自X射線源剩余組的圖像。[0064]圖像采集之后，投影圖像重建功能PIRF可以應(yīng)用斷層合成重建(方框710)，并經(jīng)由計算機(jī)COM的顯示器顯示重建圖像(方框712)?？蛇x擇地，如果X射線束是多路復(fù)用的，那么投影圖像重建功能PIRF可以將圖像解復(fù)用(方框714)，應(yīng)用斷層合成重建(方框716)并經(jīng)由計算機(jī)COM的顯示器顯示重建圖像(方框718)。
[0065]根據(jù)在此描述的主題，可以在系統(tǒng)中利用任意適當(dāng)?shù)亩嗦窂?fù)用成像技術(shù)。在這一成像模式中，所有X射線源像素或者X射線源像素的子組可以同時接通以照射對象。多路復(fù)用技術(shù)的一個例子包括頻分多路復(fù)用。通過利用多路復(fù)用技術(shù)，可以顯著增加總的圖像收集時間。
[0066]在多路復(fù)用技術(shù)的一個例子中，可以利用正交頻分多路復(fù)用技術(shù)。在這一例子中，生成脈沖X射線信號并且每個X射線束可以具有唯一的脈沖寬度和重復(fù)率。此外，在這一例子中，探測器從“開啟”的X射線像素中根據(jù)時間記錄所發(fā)射的X射線強(qiáng)度。然后在頻域中將所記錄的圖像解復(fù)用以獲得來自各個像素的投影圖像。
[0067]在多路復(fù)用技術(shù)的另一例子中，可以利用二元多路復(fù)用技術(shù)。題為“Methods, Systems, and Computer Program Products for Binary Multiplexing X-RayRadiography”的美國專利申請序列號N0.11/804, 897(其公開內(nèi)容通過引用全部并入本文，并通常被分配到作為本專利申請的同一實(shí)體)描述了二元多路復(fù)用技術(shù)的一個例子。在這一例子中，X射線束的子集順序接通。通過對來自各子集的合成圖像的線性組合，可以獲得各個投影圖像。
[0068]可順序觸發(fā)X射線源并且相應(yīng)地采集投影圖像。圖8是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的探測器觸發(fā)和 X射線源像素觸發(fā)的定時圖。在這一例子中，系統(tǒng)包括25個X射線源像素。信號代表由控制器生成的用于控制X射線源和探測器的控制信號。當(dāng)觸發(fā)信號為5V時，X射線輻射是開啟的。針對每個像素的照射時間是ΤΜΙ?，其與探測器的積分時間是相同的。通過信號的上升沿來觸發(fā)探測器的讀出。由I；代表獲取一幅圖像的時間?？偟膾呙钑r間是25* (Τ照射+Tr)。
[0069]根據(jù)在此描述的主題，每個場發(fā)射X射線源可均包括場發(fā)射陰極、當(dāng)在柵極和陰極之間施加電場時從陰極提取電子的柵電極、將場發(fā)射電子聚焦到陽極上所定義的焦點(diǎn)區(qū)域的聚焦單元、以及當(dāng)其被電子束轟擊時產(chǎn)生X射線輻射的陽極。場發(fā)射陰極可以包括碳納米管、納米線、和/或微加工尖端。柵電極可以被單獨(dú)控制或者電連接。
[0070]為了試驗(yàn)的目的，構(gòu)建了根據(jù)在此公開的主題的系統(tǒng)的一個實(shí)施例。圖9是根據(jù)在此公開的主題的通常表示為900的MBFEX系統(tǒng)的圖像。參照圖9，系統(tǒng)900包括X射線探測器XD、X射線生成設(shè)備XGD、和用于定位被成像的體模PH的臺S。X射線生成設(shè)備XGD包括碳納米管MBFEX源。X射線探測器XD是平板X射線探測器。系統(tǒng)900包括控制單元和計算機(jī)工作站。X射線探測器XD可以是平板探測器。視場可以是大約19.5cmX24.4cm，以便可以確保對乳房的全圖像。在127μπι像素間距的情況下，總的矩陣尺寸是1536X1920。探測器可以在非面元(non-binning)模式和2X2面元(binning)模式下運(yùn)行。再次涉及圖7，在用戶同步模式下，連續(xù)TTL信號的上升沿可以觸發(fā)探測器的讀出。成像時間由積分窗口 TiPj和探測器讀出時間I；確定。TiPj可經(jīng)由觸發(fā)信號控制。X射線輻射在積分窗口 T
之內(nèi)遞送，而輻射期表示讀出時間I；取決于采集模式。對于標(biāo)準(zhǔn)的2X2面元模式，讀出時間分別是128ms和32ms。在這一例子中，順序獲得投影圖像。[0071]圖10是示出了 X射線探測器XD、體模PH和X射線生成設(shè)備XGD的X射線源XS之間的空間關(guān)系的示意圖。體模PH的中心和X射線生成設(shè)備XGD之間的距離是大約64.5cm。X射線生成設(shè)備XGD至探測器XD的距離是大約69.6cm,這為標(biāo)準(zhǔn)5cm乳房體模留下了大約2.5cm的空氣間隙。X射線源以均勻的角度分布和大約2度的步幅或增量線性布置以減小系統(tǒng)復(fù)雜性。X射線生成設(shè)備的總角度覆蓋范圍是大約48度。在這一系統(tǒng)中，最接近的X射線焦斑之間的距離從2.5cm到2.7cm變化，并且X射線生成設(shè)備陣列的總跨度是大約57.5cm0
[0072]系統(tǒng)900包括場發(fā)射X射線源陣列。25個X射線源像素的結(jié)構(gòu)是大致相同的。圖1lA和IlB分別是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的X射線源XS的透視圖和示意圖。參照圖1lA和11B，X射線源XS可以包括用于發(fā)射電子的電子場發(fā)射器FE。電子場發(fā)射器FE可以包括一個或多個碳納米管和/或其它適當(dāng)?shù)碾娮訄霭l(fā)射材料。電子場發(fā)射器FE可以與陰極C的表面、導(dǎo)電線或接觸導(dǎo)線、或者其它適當(dāng)導(dǎo)電材料附接。 [0073]電子場發(fā)射器FE可以由包括MOSFET電路的適當(dāng)控制器(例如圖4A所示的控制器CTR)控制。該控制器可以控制電壓源以在電子場發(fā)射器FE和柵電極GE之間施加電壓，從而生成電場以從電子場發(fā)射器FE提取電子，因而產(chǎn)生電子束EB?？刂破骺梢圆僮鱉OSFET電路以單獨(dú)控制X射線源發(fā)射電子束。MOSFET的漏極可以與陰極C連接，以控制發(fā)射器FE發(fā)射電子束。可以通過將高信號(例如，5V)和低信號(例如，0V)施加于MOSFET的柵極來開啟和關(guān)閉M0SFET。當(dāng)高信號施加于MOSFET的柵極時，晶體管的漏極到源極通道被開啟以在陰極C和柵電極GE之間施加電壓差。超出閾值的電壓差可以在陰極C和柵電極GE之間生成電場，從而從電子場發(fā)射器FE提取電子。相反，當(dāng)?shù)碗妷?例如，0V)施加于MOSFET的柵極時，漏極到源極通道被關(guān)閉，從而發(fā)射器FE的電壓是電浮動的，并且在陰極C和柵電極GE之間的電壓差不能生成足夠強(qiáng)度的電場來從發(fā)射器FE提取電子。
[0074]陰極C可以是接地的，并且在成像采集期間其它電極維持在恒定電壓。柵壓確定了 X射線管電流。低于閾值就沒有電流，而隨著柵壓高于閾值，電流指數(shù)型地增加。在一個例子中，每個X射線像素在40kVp時可以提供在0.1和ImA之間的管電流。控制器可操作地將不同頻率的電壓脈沖施加給MOSFET的柵極。
[0075]此外，X射線源XS可以包括具有被電子束EB轟擊的焦斑的陽極A?？梢栽陉枠OA和柵電極GE之間施加電壓差，從而生成場來將電子場發(fā)射器FE發(fā)射的電子向著陽極A的靶結(jié)構(gòu)TS加速。靶結(jié)構(gòu)可以在被電子束EB轟擊時產(chǎn)生具有預(yù)定信號的X射線束。X射線源XS可以包括用于將從電子場發(fā)射器FE提取的電子聚焦到靶結(jié)構(gòu)TS上的聚焦電極FELl和FEL2，并因而減小了電子束EB的尺寸?？梢酝ㄟ^由電壓源給聚焦電極施加電壓來控制聚焦電極FELl和FEL2。施加到聚焦電極上的電壓控制電子的軌跡。柵壓可以取決于期望的通量而變化。
[0076]電子場發(fā)射器FE和柵電極GE可以包含于具有大約10_7TOrr壓力的密封內(nèi)部的真空腔室之內(nèi)?？梢詫⒃撜婵涨皇业膬?nèi)部抽空以實(shí)現(xiàn)期望的內(nèi)部壓力。X射線輻射可以經(jīng)由X射線可穿透部分或者窗口從真空腔室的內(nèi)部傳播至其外部。在一個例子中，X射線可穿透部分或者窗口可以是鈹(Be)或者鑰(Mo)窗口。除其它應(yīng)用外，鑰陽極和過濾器的組合可以用于乳房成像?？梢詫⒏哌_(dá)40keV的高電壓施加于陽極A?？梢允龟枠OA適當(dāng)?shù)爻尚魏?或成角度從而使所生成的X射線束從多個不同視角向著對象傳輸。源的目標(biāo)性能是每個X射線源像素可以在200 μ mX200 μ m的有效焦斑尺寸下提供IOmA的峰值電流?？蛇x擇地，能量過濾器可以包括鈰，并且施加于陽極A的電壓可在60-80kV的范圍。
[0077]圖12是根據(jù)在此描述的主題的控制器CTR的電路圖，該控制器配置為控制X射線束從多個X射線源的發(fā)射。參照圖12，控制器CTR可以包括多個M0SFET，其可操作地分別接通和斷開X射線源XS。MOSFET的漏極(D)、柵極(G)和源極(S)分別與陰極C、由計算機(jī)電路板CB生成的TTL觸發(fā)信號以及共用接地GND連接。當(dāng)TTL觸發(fā)信號為低狀態(tài)時，在源極和漏極之間的傳導(dǎo)通道是關(guān)閉的。這使得碳納米管陰極電位相對于共用接地GND浮動，并且沒有電子從陰極C發(fā)射并因而沒有X射線束生成。當(dāng)TTL觸發(fā)信號為高狀態(tài)時，陰極C由于開啟的傳導(dǎo)通道而接地。結(jié)果，通過柵極G和陰極C之間的電場提取電子，并產(chǎn)生X射線輻射。鑒于數(shù)十毫秒的X射線照射期，大約35到45ns的(在TTL信號和傳導(dǎo)通道的切換之間的)MOSFET延遲時間是足夠了的?？梢栽诔上癫杉^程期間在任意給定時間單獨(dú)地切換X射線源像素，從而提供很大的適應(yīng)性?？勺冸娮鑂是內(nèi)置的以補(bǔ)償各個陰極性能的變化。
[0078]圖13是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的MBFEX X射線源的圖像。該陣列包括25個可單獨(dú)控制的X射線源像素XS，該X射線源像素向著定位要成像的對象的位置的等中心傾斜。[0079]重建功能可以基于最大似然模型來使用迭代有序子集凸(iterativeordered-subset convex) (OSC)技術(shù)來重建切片圖像。該重建技術(shù)應(yīng)用共享方法來將所有投影圖像轉(zhuǎn)換到參照的公共幀，然后使用預(yù)計算的錐束模型來在該公共幀內(nèi)進(jìn)行投影和反投影。為了減少計算負(fù)荷，重建了非立方的體素。已經(jīng)通過模擬數(shù)據(jù)和乳房體模圖像兩者對這一技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，該乳房體模圖像從具有有限數(shù)量像素的場發(fā)射X射線源陣列測量。
[0080]表1不出了圖9不出的系統(tǒng)900與商業(yè)上可獲得系統(tǒng)的比較。
[0081]
[0082]
【權(quán)利要求】
1.一種X射線數(shù)字化斷層合成系統(tǒng)，包括: 至少一個X射線源，其配置為生成來自空間分布的X射線焦斑陣列的掃描X射線束，所述X射線焦斑陣列配置為從不同觀察角度來對對象成像以用于斷層合成重建； 至少一個面X射線探測器，其配置為探測所述對象的投影圖像； 電子控制器，其用于順序激活來自不同X射線焦斑的X射線束，要么激活一個束要么同時激活多個束，并用于使X射線照射與所述X射線探測器的圖像收集同步；并且 其中，所述系統(tǒng)配置為利用來自不同觀察角度的所述對象的多個投影圖像來重建所述對象的斷層攝影圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括場發(fā)射X射線源陣列。
3.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括基于碳納米管陰極陣列的場發(fā)射X射線源陣列。
4.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括布置成與所述X射線探測器的成像平面平行的大致直線的多個焦斑。
5.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括布置成陽極上的二維矩陣的多個 焦斑。
6.一種產(chǎn)生對象的斷層攝影圖像的方法，所述方法包括: 提供相對于待成像對象空間分布的多個靜態(tài)場發(fā)射X射線源； 用所述X射線源產(chǎn)生的X射線束照射所述對象，以生成所述對象的投影圖像； 探測與所述多個靜態(tài)場發(fā)射X射線源同步的所述對象的投影圖像；并且 基于所述對象的所述投影圖像重建所述對象的斷層攝影圖像。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述X射線源包括布置成與所述X射線探測器的成像平面平行的大致直線的多個焦斑。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述X射線源包括大致布置成陽極上的二維矩陣的多個焦斑。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述X射線源包括場發(fā)射X射線源陣列。
10.一種X射線數(shù)字化斷層攝影系統(tǒng)，包括: 至少一個X射線源，其配置為生成來自空間分布的X射線焦斑陣列的掃描X射線束，所述X射線焦斑陣列配置為從不同觀察角度來對對象成像以用于斷層合成重建，其中，所述X射線源陣列配置為利用不同陽極電壓的多個能量產(chǎn)生X射線輻射； 至少一個面X射線探測器，其配置為探測所述對象的投影圖像； 電子控制器，其用于順序激活來自不同X射線焦斑的所述X射線束，并用于使X射線照射與所述X射線探測器的圖像收集同步；并且 其中，所述系統(tǒng)配置為利用來自不同觀察角度的所述對象的多個投影圖像來重建所述對象的斷層攝影圖像。
11.如權(quán)利要求10所述的X射線數(shù)字化斷層攝影系統(tǒng)，其中，所述斷層攝影圖像的重建包括數(shù)字化斷層合成。
12.如權(quán)利要求10所述的X射線數(shù)字化斷層攝影系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括場發(fā)射X射線源陣列。
13.—種產(chǎn)生對象的雙能量斷層攝影圖像的方法，所述方法包括: 提供具有相對于待成像對象分布的多個X射線焦斑的分布式X射線源陣列； 用所述X射線源陣列產(chǎn)生的具有高能量和低能量的X射線束從不同方向照射所述對象，以生成兩個不同X射線能量的所述對象的投影圖像； 探測所述對象的所述投影圖像；并且 基于兩個不同X射線能量的所述對象的所述投影圖像重建所述對象的斷層攝影圖像。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述斷層攝影圖像的重建包括數(shù)字化斷層合成。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述X射線源包括場發(fā)射X射線源陣列。
16.一種X射線數(shù)字化斷層合成系統(tǒng)，包括: 線性X射線源陣列，其配置為生成來自X射線陽極上的線性分布的X射線焦斑陣列的掃描X射線束，所述X射線焦斑陣列配置從不同觀察角度來對對象成像以用于斷層合成重建； 至少一個面X射線探測器，其配置為探測所述對象的投影圖像，其中，探測器平面配置為大致平行于所述X射線焦斑的線性的線； 電子控制器，其用于順序激活來自不同X射線焦斑的X射線束，并用于使X射線照射與所述X射線探測器的圖像收集同步； 防散射柵格，其設(shè)置于所述對象與所述探測器之間，其中，柵格線平行于所述源陣列并向著焦線傾斜； 其中，所述系統(tǒng)配置為利用來自不同觀察角度的所述對象的多個投影圖像來重建所述對象的斷層攝影圖像。
【文檔編號】A61B6/03GK103948395SQ201310495144
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2007年7月19日
【發(fā)明者】O·Z.·周, 盧健平, G·楊, D·拉盧什 申請人:北卡羅來納大學(xué)查珀爾希爾分校, 北卡羅來納州大學(xué)