用于固定的數(shù)字化胸部斷層融合成像的系統(tǒng)及相關(guān)方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本專利申請要求于2014年10月20日提交的序列號為62/066，091的美國臨時申請 的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。
[0003] 政府利益
[0004] 本公開的主題依據(jù)美國國家癌癥研究所授予的第U54CA151652批準(zhǔn)號由美國政府 支持而做出。因此，美國政府享有本公開的主題的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本文所描述的主題涉及X射線照相術(shù)和X射線斷層照相術(shù)。更具體地，本文所公開 的主題涉及用于固定的數(shù)字化胸部斷層融合（stationary digital chest tomosynthes is，s-DCT)成像的系統(tǒng)及相關(guān)方法。
【背景技術(shù)】
[0006] 肺癌一直是世界上癌癥死亡的首要原因。在美國每年超過20萬個新的肺癌病例被 確診，并且肺癌的死亡人數(shù)超過乳腺癌、前列腺癌和結(jié)腸癌的總的死亡總數(shù)。盡管幾十年來 對診斷和治療進(jìn)行了研究，但存活率仍然很低?？赡艿姆伟┖Y檢包括胸部X射線照相術(shù) (CXR)和計算機(jī)斷層掃描(CT)。眾所周知，由于病變尺寸小和醒目性差，CXR成像在小癌癥腫 瘤的篩選和鑒別方面表現(xiàn)不佳。CT成像是目前用于對肺部病變成像的最高標(biāo)準(zhǔn)，因為它可 以消除任何重疊的解剖結(jié)構(gòu)，并揭示隱藏的肺結(jié)節(jié)。然而，CT成像引起高成本和高輻射劑 量，這可能導(dǎo)致輻射誘發(fā)的癌癥。因此，不建議對一般人群進(jìn)行肺癌的CT成像。
[0007] 數(shù)字化斷層融合是一種提供從一系列受限角度的投影圖像重構(gòu)切片圖像的三維 (3D)成像技術(shù)。數(shù)字?jǐn)鄬尤诤贤ㄟ^減少來自重疊的正常解剖組織的視覺混亂來提高解剖結(jié) 構(gòu)的可見性。目前臨床的斷層融合應(yīng)用的一些示例包括胸部、腹部、肌肉骨骼和乳腺成像。 當(dāng)與CXR成像比較時，數(shù)字化胸部斷層融合(DCT)成像提高了諸如肺血管、支氣管壁、小氣 道、血管樹和支氣管擴(kuò)張的解剖結(jié)構(gòu)的可見性。當(dāng)與傳統(tǒng)的軸向CT成像比較時，DCT成像在 具有連續(xù)切片的冠狀平面中顯示肺部，并給出更好的支氣管樹的概觀。DCT成像在圖像平面 上具有比CT成像更好的分辨率，因為它產(chǎn)生冠狀圖像，并且相較于CT成像而使用更高分辨 率的檢測器，而CT成像的空間分辨率在很大程度上受到其檢測器的z軸分辨率限制。DCT成 像通過減少來自重疊的正常解剖組織的視覺混亂還增強(qiáng)了對小的肺結(jié)節(jié)的檢測。同樣顯著 的是，在DCT成像中使用的輻射劑量比CT成像低約10-40倍之間，并且它的成本只是CT成像 的一小部分(即，大約十分之一）。
[0008] 存在的若干個商業(yè)數(shù)字化斷層融合系統(tǒng)包括，例如，用于胸部成像的V0LUMERAD? 和RADSPEED?，用于乳腺成像的SELENIA?D頂ENSI0N?和西門子MAMMOMAT INSPIRATION? 。現(xiàn)有的商業(yè)斷層融合系統(tǒng)的設(shè)計都是相似的，在設(shè)計中，使用具有單個X射線生成的焦斑 的X射線管通過在與待成像的受驗者有關(guān)的大約10-50度的圓弧角上移動X射線源來采集投 影圖像。由于臺架旋轉(zhuǎn)和機(jī)械的不穩(wěn)定性，在圖像獲取期間的有效的焦斑尺寸比降低圖像 分辨率的靜態(tài)值大。因此，期望提供一種不需要X射線源的機(jī)械運動的數(shù)字化斷層融合成像 系統(tǒng)。
[0009] 更重要的是，沉重的X射線源臺架在直線軌跡或圓弧軌跡上的機(jī)械運動需要臺架 的加速和減速。與加速相關(guān)的不穩(wěn)定性限制了臺架能夠移動的最高速度，因此本質(zhì)上限制 了斷層融合圖像獲取的速度。典型地，對于現(xiàn)有的移動臺架式胸部斷層融合系統(tǒng)的最少掃 描時間為5秒以上;典型的成人呼吸周期為三到五秒，而兒童的呼吸周期為一至三秒。因此， 傳統(tǒng)的斷層融合成像系統(tǒng)由于患者的生理運動通常產(chǎn)生非常差的圖像質(zhì)量。現(xiàn)有的移動臺 架式胸部斷層融合系統(tǒng)要求為成像而屏氣，并且通常不適用于兒科的成像。對于許多肺部 疾病患者和兒童，屏住他們的呼吸達(dá)五秒鐘以上可能是困難的。因此，期望提供用于使患者 運動無關(guān)緊要的固定的數(shù)字化斷層融合成像的系統(tǒng)及相關(guān)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 公開了用于固定的數(shù)字化胸部斷層融合(S-DCT)成像的系統(tǒng)及相關(guān)方法。在一些 方案中，所述系統(tǒng)及相關(guān)方法使徹底降低由呼吸和心血管運動引起的運動模糊的s-DCT成 像能夠?qū)崿F(xiàn)，該系統(tǒng)及相關(guān)方法可以例如用于除了胸部斷層成像以外的其他應(yīng)用。
[0011] 在一些方案中，系統(tǒng)可以包括固定的X射線源陣列，所述固定的X射線源陣列包括 配置為相對于固定的待成像受驗者產(chǎn)生處于不同視角的X射線束的空間分布的X射線像素 的陣列；固定的區(qū)域X射線檢測器，其被定位為基本上平行于所述X射線源陣列的平面，并配 置為記錄來自所述不同視角的受驗者的X射線投影圖像以用于斷層融合重構(gòu)；生理門控裝 置，其用于監(jiān)測受驗者的至少一個生理信號，所述生理門控裝置基于所述至少一個生理信 號限定生理相位和時間窗，在所述時間窗內(nèi)能夠獲得來自不同視角的受驗者的X射線投影 圖像；以及計算平臺，其包括存儲器和至少一個硬件處理器，所述計算平臺配置為基于所述 生理相位和時間窗且當(dāng)從生理門控裝置接收到至少一個生理信號時來激活所述X射線像 素，以使X射線曝光與受驗者的至少一個生理信號同步。
[0012] 在一些方案中，方法可以包括:提供固定的X射線源陣列，所述固定的X射線源陣列 包括配置為相對于固定的待成像受驗者產(chǎn)生處于不同視角的X射線束的空間分布的X射線 像素的陣列；并提供固定的區(qū)域X射線檢測器，其被定位為基本上平行于所述X射線源陣列 的平面，并配置為記錄來自不同的視角的受驗者的X射線投影圖像以用于斷層融合重構(gòu)；由 生理門控裝置監(jiān)測受驗者的至少一個生理信號，所述生理門控裝置基于所述至少一個生理 信號限定生理相位和時間窗，在所述時間窗內(nèi)能夠獲得來自不同視角的受驗者的X射線投 影圖像；當(dāng)接收到所述至少一個生理信號時，由計算平臺激活X射線像素，以使X射線曝光與 受驗者的至少一個生理信號同步；以及記錄來自不同視角的受驗者的X射線投影圖像。
[0013] 在一些方案中，用于產(chǎn)生人體胸部或軀干的一個或多個斷層圖像的方法可以包 括:提供具有關(guān)于待成像對象的空間分布的X射線生成焦斑陣列的固定場致發(fā)射X射線源陣 列；用由X射線生成焦斑所產(chǎn)生的X射線束照射該對象;在五秒鐘或更少的時間內(nèi)檢測對象 的投影圖像;并基于對象的投影圖像來重構(gòu)所述對象的一個或多個斷層圖像。
[0014] 在一些方案中，提供了使用單色和準(zhǔn)單色X射線束中的至少其中一種X射線束來產(chǎn) 生對象的一個或多個圖像的方法，所述方法可以包括提供具有關(guān)于待成像對象的空間分布 的焦斑的場致發(fā)射X射線源;用由X射線源產(chǎn)生的單色和準(zhǔn)單色X射線束中的至少其中一種X 線束照射所述對象，以產(chǎn)生所述對象的投影圖像;檢測所述對象的投影圖像;并基于對象的 投影圖像來重構(gòu)所述對象的一個或多個可顯示圖像。
[0015] 本文公開的主題可通過軟件與硬件和/或固件的組合來實現(xiàn)。例如，本文描述的主 題可以通過由處理器執(zhí)行的軟件來實現(xiàn)。在一個示例性實施例中，本文描述的主題可以使 用計算機(jī)可讀介質(zhì)來實現(xiàn)，在所述計算機(jī)可讀介質(zhì)上存儲有當(dāng)由計算機(jī)處理器執(zhí)行時控制 該計算機(jī)執(zhí)行步驟的計算機(jī)可執(zhí)行指令。適于實現(xiàn)本文公開的主題的示例性計算機(jī)可讀介 質(zhì)包括非暫時性設(shè)備，如磁盤存儲設(shè)備、芯片存儲設(shè)備、可編程邏輯設(shè)備和專用集成電路。 此外，實現(xiàn)本文所描述的主題的計算機(jī)可讀介質(zhì)可以位于單一設(shè)備或計算平臺上，或者可 以跨多個設(shè)備或計算平臺而分布。
[0016] 雖然上面已經(jīng)描述了本文所公開的主題的一些方案，并且其全部或部分由目前公 開的主題來實現(xiàn)，但是隨著下面結(jié)合本文所描述的附圖進(jìn)行說明，其他方案將變得顯而易 見。
【附圖說明】
[0017] 從下面的應(yīng)結(jié)合附圖來閱讀的詳細(xì)描述中將更容易理解本主題的特征和優(yōu)點，附 圖僅通過說明性而非限制性的示例的方式給出，在附圖中：
[0018] 圖1是示出根據(jù)本主題的一些方案的包括線性多束X射線源陣列的示例性固定的 數(shù)字化胸部斷層融合(s-DCT)系統(tǒng)的示意圖；
[0019] 圖2A是示出用于根據(jù)本主題的一些方案的s-DCT系統(tǒng)的包括陰極和圓柱形旋轉(zhuǎn)陽 極的示例性X射線源陣列的示意圖；
[0020] 圖2B是示出根據(jù)本主題的一些方案的圖2A的示例性X射線源陣列的一部分的詳細(xì) 視圖；
[0021] 圖3A-圖3C均是分別示出用于根據(jù)本主題的一些方案的S-DCT系統(tǒng)的多束準(zhǔn)直器 和線性X射線源陣列的正視圖、側(cè)視圖和正視立體圖的示意圖；
[0022] 圖4是示出用于根據(jù)本主題一些方案的s-DCT系統(tǒng)的示例性位置感測設(shè)備的示意 圖；
[0023] 圖5是示出根據(jù)本主題的一些方案的用于處于臥姿的受驗者的示例性s-DCT系統(tǒng) 的不意圖；
[0024] 圖6是示出根據(jù)本主題的一些方案的用于處于站姿的受驗者的示例性s-DCT系統(tǒng) 的不意圖；
[0025] 圖7是示出使用根據(jù)本主題的一些方案的s-DCT系統(tǒng)獲取快速斷層圖像的示例性 過程的流程圖；
[0026]圖8是示出使用根據(jù)本主題的一些方案的s-DCT系統(tǒng)獲取呼吸門控斷層圖像的示 例性過程的流程圖；
[0027] 圖9是示出使用根據(jù)本主題的一些方案的s-DCT系統(tǒng)獲取雙能量門控斷層圖像的 示例性過程的流程圖；
[0028] 圖10是示出使用根據(jù)本主題的一些方案的s-DCT系統(tǒng)適于在獲取斷層圖像中使用 的示例性通用計算機(jī)系統(tǒng)的高層次方框圖；
[0029] 圖11是示出根據(jù)本主題的一些方案的用于固定的數(shù)字化斷層融合成像的示例性 方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0030]本主題涉及用于固定的數(shù)字化胸部斷層融合(s-DCT)成像的系統(tǒng)及相關(guān)方法。在 一個方案中，本主題提供具有X射線源陣列和/或區(qū)域X射線檢測器的s-DCT系統(tǒng)，所述s-DCT 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)固定的斷層融合成像，即，無需移動X射線源或檢測器而成像。值得注意的是， 如本文所公開的用于s-DCT成像的系統(tǒng)及相關(guān)方法可用于另外的應(yīng)用，諸如，例如牙齒、乳 腺、腹部成像。例如，本文公開的系統(tǒng)及相關(guān)方法可以用于如在2008年7月18日提交的編號 為7，751，528的美國專利中公開的固定的X射線數(shù)字化乳腺斷層融合成像，其闡述的全部公 開內(nèi)容通過引用合并于此。
[0031]傳統(tǒng)上的數(shù)字化胸部斷層融合(DCT)系統(tǒng)包括X射線檢測器和均保持固定的對象， 而X射線源沿著線性軌跡機(jī)械地移動并