專利名稱：用于產生斷層合成三維x射線圖像的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種特別適用于乳房x射線攝影術的方法和一種用于產
生一種斷層合成三維X射線圖像的裝置。在這種斷層合成法中，要從不 同方向攝制一個待檢對象的復數幅x射線圖像。隨后根據用這種方法獲
得的二維投影圖像計算出所述斷層合成三維x射線圖像。
背景技術：
一種斷層合成三維x射線圖像是一個由復數個斷層圖像構成的圖像
數據集。這種通過二維投影圖像的重建獲得的圖像數據集在下文中稱作
"斷層合成三維x射線圖像"或"三維斷層合成圖像"。
乳房X射線攝影術是對乳房進行的X射線檢査，其目的是盡早檢測 出惡性腫瘤。通過不斷改進成像方法，人們力求生成有更好的X射線圖
像，以便區(qū)分良性變化和惡性變化，從而減少誤診次數。不是由惡性變 化引起的不可靠診斷的數量和未檢測到的惡性腫瘤的數量都認為是誤診
的數量。傳統的乳房x射線攝影檢査方法只在單個投影方向上對待檢對
象(通常為一女性乳房)進行透視，產生一幅處于壓縮狀態(tài)的乳房的二
維投影圖像。在這種投影圖像中，對沿x射線束方向一層接一層排列的
組織層進行疊加表示，因此惡性腫瘤可能會被吸收能力很強的良性結構 遮住，從而難以檢測出來。
為了克服這些缺點，Med. Phys.(物理醫(yī)學)30， 365 (2003)中Tao Wu 等人的"Tomographic mammography using a limited number of low-dose cone-beam projection images(使用少量低劑量錐束投影圖像的斷層乳房X 射線攝影術)"，提出一種稱為"斷層合成術"的乳房X射線攝影檢査法。
4在這種方法中，從復數個不同的方向上分別攝制一幅女性乳房的投影的 一個單幅數字圖像。如上所述，將這些從不同方向攝制的二維投影圖像 處理成一幅斷層合成三維X射線圖像。這種三維X射線圖像可對從X射
線的傳播方向上看所處位置較深的組織結構進行顯示。
在傳統的斷層合成法中，X射線源(視情況還有檢測器)相對于待檢
對象如在一個軌道上轉動。新式x射線源包括復數個并排布置的發(fā)射器，
因而X射線源自身無需轉動。作為由X射線源進行轉動這一方案的替代 方案，依次激發(fā)各個發(fā)射器進行發(fā)射，從而達到從不同方向對待檢對象 進行照射的目的。
特別有利的x射線源是其各個發(fā)射器借助場致發(fā)射陰極進行工作。 如Medical Imaging (醫(yī)學成像)，Vol. 6142， 614204 (2006)中J. Zhang等 人的"A multi-beam x-my imaging system based on carbon nanotube field emitters (基于碳納米管場發(fā)射器的多束X射線成像系統)"，提出過這種 X射線源及其在斷層合成術領域的可能應用。
由多個發(fā)射器構成的X射線源可實現極高的掃描速度，這是因為掃 描速度不受X射線管的機械運動的限制。但各個發(fā)射器的輻射功率比傳 統X射線管的輻射功率相對較低。這使得所獲得的二維投影圖像和計算 所得的三維X射線圖像的信噪比都很小。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于產生一種斷層合成三維X射線圖像的 方法和裝置，以允許對一個待檢對象進行較高劑量的照射。
上述目的通過根據權利要求1所述的一種方法和根據權利要求10所 述的一種裝置實現。
根據本發(fā)明的用于產生一種斷層合成三維X射線圖像的方法中，借 助--種固定的X射線源攝制復數幅二維投影圖像，所述X射線源包括復
數個并排布置且可單獨控制的發(fā)射器。從分配有各個發(fā)射器的不同方向對待檢對象進行照射；用一種數字X射線檢測器接收所產生的各幅二維 投影圖像。隨后在這些二維投影圖像的基礎上重建所述斷層合成三維x 射線圖像。至少一個二維投影圖像由復數個單幅圖像構成。這些單幅圖 像通過用一個發(fā)射器所發(fā)射的一個單劑量照射所述待檢對象產生。通過 由同一個發(fā)射器發(fā)射多個單劑量，可產生復數個單幅圖像。
本發(fā)明的方法特定而言具有以下優(yōu)點由于所述X射線源的單個發(fā) 射器所能產生的最大單劑量有限，可通過對同一個發(fā)射器重復進行控制 來產生復數個單幅圖像，借此增大用于照射二維投影圖像的劑量。此外， 通過對各個發(fā)射器的重復控制，增加了對所述X射線源所發(fā)射的總劑量 的分布進行調節(jié)的可能性。例如，借此可以較高劑量為待檢對象攝制幾 幅投影圖像，從而使隨后經計算得到的斷層合成三維X射線圖像的質量 得到改善。此外通過對這些發(fā)射器單獨進行控制，還可對三維斷層合成 圖像中由于照射的幾何形狀導致的不均勻劑量分布進行補償。借助下文 的實施例進行說明。待檢對象通常是一個固定在兩塊壓板之間的女性乳 房。與上述加板的表面法線之間夾一小角度的發(fā)射器所發(fā)出的x射線在 所述待檢對象中行進一段相對較短的距離。而與所述表面法線之間夾一
大角度的發(fā)射器所發(fā)出的x射線在所述待檢對象中則行進一段相對較長
的距離。因此，這些與所述表面法線之間夾一大角度的發(fā)射器所發(fā)射的 單劑量會受到極大的削弱。其結果是劑量分布不均勻，對此的補償方式 是由那些與所述表面法線之間夾一大角度的發(fā)射器發(fā)射多個單劑量以產 生-幅二維投影圖像。
本發(fā)明的方法的有利設計方案可從權利要求1的從屬權利要求中獲
得。據此，本發(fā)明的方法還可具有以下其他特征
在一種由復數個可單獨控制的發(fā)射器構成的X射線源中，單個發(fā)射
器所能發(fā)射的x射線劑量會受到限制，尤其是由于相對較小的x射線發(fā)
射器存在過熱危險而使x射線劑量受到限制。本發(fā)明針對該次要問題提出的解決方案是，在控制一個第一發(fā)射器發(fā)射一個第一單劑量之后，且 在再次控制該第一發(fā)射器發(fā)射一個其他單劑量之前，先對一個不同于該 第一發(fā)射器的其他發(fā)射器進行控制。借此可使第一發(fā)射器具有至少相當 于其他發(fā)射器的發(fā)射時間的冷卻時間。同樣也可為第一發(fā)射器提供更長 的冷卻時間。為此，可在某個發(fā)射器的各個獨立的發(fā)射過程之間對盡可 能多的的其他發(fā)射器進行控制，這些其他發(fā)射器的單劑量同樣用于產生 所述三維斷層合成圖像。借此可使第一個受到控制的發(fā)射器具有最長的
冷卻時間，而不會延長整個斷層合成三維x射線圖像的曝光時間。
如果需要對所述X射線源的所有發(fā)射器進行重復控制來產生一個(如 取決于所述三維斷層合成圖像的預定分辨率的)預期總劑量，最簡單的 處理方式是依次對這些發(fā)射器重復進行控制。從而在第一次掃描時按一 定順序對所述X射線源的所有發(fā)射器進行控制。在隨后幾次掃描中，仍 是按這一順序對發(fā)射器再次進行控制。這樣單個發(fā)射器所具有的冷卻時 間就相當于一次完整掃描的持續(xù)時間。在此情況下，所有用于重建該斷 層合成三維X射線圖像的二維投影圖像均由復數個單幅圖像構成。最簡 單的處理方式是從所述'X射線源的一端到另一端按順序依次對上述發(fā)射
器進行控制。例如，如果一種X射線源有N個發(fā)射器，就可按順序(即 1、 2、 ...、 N; 1、 2、 ...、 N)對這些發(fā)射器進行控制。
根據另一實施方式，使所述x射線源所發(fā)射的總劑量達到可預定分
布的方案是，僅對選定的各個發(fā)射器(而非對所有的發(fā)射器)進行超過 -次的控制。簡化控制起見，對這些選定的發(fā)射器進行分組。其中，將 控制頻率相同的發(fā)射器分在同一組內。為了簡化控制過程，可對這些選 定的發(fā)射器進行分組控制。對同一組內的發(fā)射器按順序(如依次)單獨 進行控制。特別有利的方案是對不同的組總是依次進行控制。借此可使 每一組的發(fā)射器總是具有大致相當于另一組的總發(fā)射時間的冷卻時間。
根據另一實施方式，在兩次連續(xù)的斷層合成X射線檢査的過程中或在兩次連續(xù)的斷層合成x射線檢査之間為患者施加一種x射線造影劑，
以提高對患病組織的診斷效果。在此情況下，須以不同的x射線能量進
行該檢査，所述X射線能量選定為， 一個第一X射線能量高于所述X射
線造影劑的吸收限，另一個x射線能量低于所述x射線造影劑的吸收限。 為了產生一種斷層合成三維x射線差分圖像，須以一種方式對所述x射 線源的發(fā)射器進行控制，使這些發(fā)射器所發(fā)射的各個單劑量具有不同的x
射線能量。先使所述X:射線源的各個發(fā)射器以一個第一能量進行工作，
以便產生第一組二維投影圖像，再使這些發(fā)射器以一個第二 x射線能量
進行工作，以便產生另一組二維投影圖像。利用所獲得的兩組二維投影
圖像計算出兩幅不同的三維x射線圖像或一幅三維x射線差分圖像。積'
聚有所述X射線造影劑的組織在這樣一種三維X射線差分圖像中可很好 地顯示。產生不同X射線能量的二維投影圖像時，用較大強度來攝制這
些二維投影圖像也是可行的。為達到此目的，可如上文所述對所述x射
線源的發(fā)射器進行單獨重復控制或分組重復控制。
根據另一實施方式，為所述x射線源的所有發(fā)射器規(guī)定一個恒定的
電流-發(fā)射時間之積，以進一步簡化控制過程。其優(yōu)點在于，只需通過所 需各個單劑量的數量就可對一種二維投影圖像的曝光進行控制。
上述目的還可通過一種根據權利要求io所述的裝置而達成，該裝置
用于實施根據權利要求1至9中任一項權利要求所述的方法。所述裝置 的X射線源包括至少一個發(fā)射器，所述發(fā)射器具有一種包括復數個碳納
米管的場致發(fā)射陰極。此外，所述裝置還具有一個低固有噪聲的x射線
檢測器。借助由碳納米管構成場發(fā)射器的場致發(fā)射陰極，可幾乎以任意
-種時間形式產生各個X射線劑量。此外，這種陰極還可以很容易地實 現小型化。低固有噪聲的x射線檢測器特別有利，這是因為在計算一幅 二維投影圖像時須將多個單幅圖像相加。所述x射線檢測器的低固有噪
聲可避免所獲得的二維投影圖像由于將各幅圖像相加而具有較差的信噪比。
所述裝置的其他重要優(yōu)點在上文對本發(fā)明方法的說明中已被提及。 所述裝置優(yōu)選為一種乳房X射線攝影裝置。
下面借助附圖對本發(fā)明進行說明，其中
圖1為用于產生斷層合成三維X射線圖像的乳房X射線攝影裝置的
示意圖o
具體實施例方式
附圖所示的具有一種X射線源2的乳房X射線攝影裝置，所述X射 線源具有復數個發(fā)射器4。附圖中的X射線源2具有N個發(fā)射器4,至4N。 各個發(fā)射器4以一種陣列的方式并排布置，并產生用于對一個待檢對象6 (在本實例中為一個女性乳房)進行照射的X射線3。各個發(fā)射器4所采 用的布置方式可使其在不同的角度a下對待檢對象6進行照射。其中， 第i個發(fā)射器4i的照射方向16〃與一表面法線9之間的夾角為角度(Xi。為 能對照射方向16、 16'、 16〃、 16'"進行調節(jié)，這些發(fā)射器4可在X射線源 2中以彼此相對稍微偏轉的方式布置。
待檢對象6固定在一塊壓板8與一塊承重板10之間。在待檢對象6 遠離X射線源2的一側布置有一種X射線檢測器12，該X射線檢測器由 復數個分立的檢測器14以矩陣形式構成。X射線檢測器12基本上平行 于壓板8和承重板10來定向，因此，這些組件共用表面法線9。
X射線源2基本上沿垂直于表面法線9的方向延伸。X射線源2的各 個發(fā)射器4可以分別與表面法線9的夾角為角度a的方式布置，以便從 不同方向16、 16'、 16〃和16〃'對待檢對象6進行照射。清楚起見，附圖僅 對三個獨立的發(fā)射器4、 4w和4N進行了圖示。如未詳細圖示的第i個發(fā) 射器4;與表面法線9之間的夾角應該為角度ai。 X射線源2的各個發(fā)射 器4彼此相對稍微偏轉，以調節(jié)照射方向16。當檢測器12與X射線源2
9之間的距離較大時，各個發(fā)射器4也可采用使其照射方向16基本平行的
定向方式。
為了產生一種斷層合成三維X射線圖像，以升序方式控制各個發(fā)射 器4。當然也可用任意一種其他順序對所述發(fā)射器4進行控制。X射線檢 測器12在每個照射方向16上或在每個照射角oti下均檢測到一個相應的 單幅圖像數據集Ej。通過一種信號線S將包含關于照射角cxi和相應單幅 圖像數據集Ej的信息的數據發(fā)送至一個控制和處理設備18。單幅圖像數 據集E,在此處被處理成一幅斷層合成三維X射線圖像，隨后借助各種輸 入元件和顯示元件(附圖以一個鍵盤20與一臺監(jiān)視器22為例示意了這 些元件)對所述斷層合成三維X射線圖像進行分析和處理。 一幅斷層合 成三維X射線圖像由復數個獨立的斷層圖像構成，這些斷層圖像分別重 現待檢對象6的一個垂直于法線9定向的斷層。清楚起見，附圖對穿過 待檢對象6中的幾個斷層層面24進行了圖示。
X射線源2的發(fā)射器4優(yōu)選是帶有一個場致發(fā)射陰極的發(fā)射器4，該 場致發(fā)射陰極包括復數個碳納米管。為避免X射線源2的各個發(fā)射器4 發(fā)生熱過載，須按如下方式對其進行控制
根據第一方案，依次(即從第一個發(fā)射器4,開始)對X射線源2的 發(fā)射器4進行控制。當用在待檢對象6上的總劑量不夠時，按相同順序 (即仍然從第一個發(fā)射器4,開始)對各個發(fā)射器4再次進行控制。為了將 單個發(fā)射器4的熱負荷控制在最低限度，任何情況下均應避免對單個發(fā) 射器4連續(xù)控制兩次。
根據另一方案，以不同的頻率對各個發(fā)射器4進行控制。通過這種方 式可使X射線源2所發(fā)射的總劑量達到預期分布。
簡化控制起見，優(yōu)選地對發(fā)射器4進行分組。以相同頻率發(fā)射一個單 劑量的發(fā)射器4分在詞一組內。對發(fā)射器4進行分組控制，其中，對同 一組內的發(fā)射器4依次單獨進行控制。為了使各個發(fā)射器4獲得最長冷卻時間，不同的組總是依次進行控制。
為了對這一方案進行詳細說明，假定附圖所示的X射線源2如包括
N二ll個發(fā)射器4。要得到一種三維斷層合成圖像，其中，中部投影所用 的劑量須高于邊緣投影所用的劑量。編號為1、 2、 3、 9、 10和11的發(fā) 射器4控制一次，編號為4和8的發(fā)射器4控制兩次，編號為5、 6和7 的發(fā)射器4控制三次。相應地，將編號為1、 2、 3、 9、 10和11的發(fā)射 器4分配給A組，編號為4和8的發(fā)射器4分配給B組，編號為5、 6 和7的發(fā)射器4分配給C組。隨后可按以下順序對A組至C組依次進行 控制C、 A、 B、 C、 B、 C。由于這樣一個對組的控制順序，可使每一 組的發(fā)射器的冷卻時間總是至少相當于另 一 組的總照射時間。
為了簡化對X射線源2的控制，可為各個發(fā)射器4確定一個固定的 管電流值和一個固定的發(fā)射時間值。例如，這樣一個單劑量的電流-時間 之積可以為2.5mAs。此后可通過單劑量的數量對檢查待檢對象6所需的 總劑量進行控制。如果一個單劑量的電流-時間之積為2.5 mAs，則一個 有N = 25個發(fā)射器4的X射線源2的總劑量就是62.5 mAs。如果對待檢 對象6進行成像所需的總劑量為125mAs，就進行兩次掃描，每次掃描所 用的劑量均為62.5 mAs。
為了擴展檢查可能性，可在兩次獨立的斷層合成攝影之間或在獲取一 幅斷層合成三維X射線圖像的過程中為患者施加一種X射線造影劑。X 射線造影劑通常會積聚在患病組織內以使該組織顯影。以不同的X射線 能量照射待檢對象6得到兩幅圖像，在圖像中的對比度就顯現出來。其 中，第一幅圖像的X射線能量低于該X射線造影劑的吸收限，而第二幅 圖像的X射線能量高于該X射線造影劑的吸收限。典型的是將吸收限為 33 keV的碘用作造影劑。如果在各個發(fā)射器4中使用鎢陽極，就可通過 X射線韌致輻射譜的位移來達到所發(fā)射的X射線的能量。通過改變加速 電壓，可實現韌致輻射譜的位移。為獲得一種三維X射線差分圖像，以不同的能量攝制計算所述三維X射線差分圖像所需的二維投影圖像。例 如，進行第一次掃描時，用一個第一加速電壓驅動X射線源2的發(fā)射器
4，進行第二次掃描時，用一個第二管電壓驅動X射線源2的發(fā)射器4。 將以這種方式獲得的兩組二維投影圖像相減，并借助控制和分析單元18 將其處理成一幅三維X射線差分圖像。為了產生這些不同X射線能量的 二維投影圖像，還須根據待檢對象6所需的X射線劑量攝制多個單幅圖 像，再通過這些單幅圖像計算出一幅二維投影圖像。
權利要求
1.一種用于產生一種斷層合成三維X射線圖像的方法，其中，借助一種固定的X射線源(2)從不同的方向(16)為一個待檢對象(6)依次攝制復數個二維投影圖像，并在這些二維投影圖像的基礎上重建所述斷層合成三維X射線圖像，其中，所述X射線源具有復數個并排布置且可單獨控制的發(fā)射器(4)，所述發(fā)射器用于發(fā)射一個單劑量，所述不同方向(1 6)分配有所述各個發(fā)射器(4)，所述二維投影圖像用一種數字X射線檢測器(12)接收，其中，至少一幅二維投影圖像由復數個單幅圖像構成，這些單幅圖像分別通過用同一個發(fā)射器(4)所發(fā)射的單劑量照射所述待檢對象(6)產生。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，在控制一個第一發(fā)射器(4)發(fā)射一個第一單劑量之后，并在再次控 制所述第一發(fā)射器(4)發(fā)射一個其他單劑量之前，先對一個第二發(fā)射器 (4)進行控制。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中，所有用于重建所述斷層合成三維X射線圖像的二維投影圖像均由復 數個單幅圖像構成，其中，在復數個發(fā)射器(4)分別發(fā)射一個第一單劑 量之后，按照與發(fā)射所述第一單劑量相同的順序依次控制所述發(fā)射器來 發(fā)射一個其他單劑量。
4. 根據權利要求2或3所述的方法，其中，根據相應發(fā)射器(4)所發(fā)射的單劑量的數量，將發(fā)射復數個單劑量 以產生一種二維投影圖像的那些發(fā)射器(4)分成復數個組，并對這些發(fā) 射器(4)按組依次進行控制。
5. 根據權利要求4所述的方法.，其中， 依次對不同的發(fā)射器(4)組進行控制。
6. 根據上述任一權利要求所述的方法，其中，單個發(fā)射器(4)發(fā)射的單劑量的數量由所述待檢對象(6)所需的劑 量分布預先規(guī)定。
7. 根據上述任一權利要求所述的方法，其中， 生成一種斷層合成三維X射線差分圖像，作為一種三維X射線圖像，在所述三維X射線圖像中，用于產生一種二維投影圖像的單劑量具有不 同的X射線能量。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中，一個第一單劑量的X射線能量低于一種X射線造影劑的吸收限，另 一個單劑量的X射線能量高于一種X射線造影劑的吸收限。
9. 根據上述任一權利要求所述的方法，其中，為所有發(fā)射器(4)預先規(guī)定一個恒定的電流-發(fā)射時間之積，作為--個用于產生一個單劑量的參數。
10. —種裝置，其用于實施根據上述任一權利要求所述的方法，其 中，所述X射線源(2)的至少一個發(fā)射器(4)具有一種場致發(fā)射陰極， 所述場致發(fā)射陰極包括復數個碳納米管，所述裝置的X射線檢測器(12) 具有低的固有噪聲。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于產生一種斷層合成三維X射線圖像的方法，其中，借助一種固定的X射線源(2)為一個待檢對象(6)攝制復數個二維投影圖像。所述X射線源(2)包括復數個并排布置、可單獨控制的發(fā)射器(4)，所述發(fā)射器(4)用于從不同方向(16)分別發(fā)射一個單劑量，所述不同方向(16)分配有所述各個發(fā)射器(4)。在所述各個二維投影圖像的基礎上重建所述斷層合成三維X射線圖像，其中，至少一個二維投影圖像由復數個單幅圖像構成。
文檔編號G01N23/04GK101641589SQ200880009748
公開日2010年2月3日 申請日期2008年11月17日 優(yōu)先權日2008年1月15日
發(fā)明者托馬斯·默特爾邁爾 申請人:西門子公司