旋轉(zhuǎn)光柵錐形束ct的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種旋轉(zhuǎn)光柵錐形束CT成像設(shè)備，此成像設(shè)備由機(jī)架、機(jī)架角度傳感器、裝有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源、平板探測(cè)器、主控制器和圖像重建工作站組成。與通常的錐形束CT成像設(shè)備相同，此成像設(shè)備也采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。與通常的錐形束CT成像設(shè)備不同的是，射線源發(fā)射出來(lái)的射線被旋轉(zhuǎn)光柵限制為多個(gè)窄錐形束或扇形束。在射線源和探測(cè)器繞成像目標(biāo)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵的旋轉(zhuǎn)使窄錐形束或扇形束在平板探測(cè)器上的投影圖像不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以獲取整個(gè)掃描區(qū)域內(nèi)成像目標(biāo)的投影信息。最后這些投影信息在圖像重建工作站中被重建為容積圖像。通過(guò)此變焦點(diǎn)掃描的方式，即可以保留錐形束CT成像設(shè)備開(kāi)放結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又獲得了扇形束CT成像設(shè)備可以抑制散射光子產(chǎn)生高品質(zhì)圖像的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】旋轉(zhuǎn)光柵錐形束CT
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]X線成像設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]目前， 錐形束CT已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)和腫瘤放療，具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，使用方便的優(yōu)點(diǎn)。但是，與扇形束CT相比，仍存在圖像密度信息不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。
[0003]錐形束CT在獲取投影圖像時(shí)，散射光子對(duì)投影圖像的影響，是導(dǎo)致扇形束CT圖像密度不準(zhǔn)確的主要原因。目前，主要有兩類方法用來(lái)減少散射光子的影響:一類是物理的方法。比如采用限束裝置限制錐形束的范圍。因?yàn)殄F形束CT的錐角越小，投影圖像中散射光子的成分也越少。但是限制錐形束的范圍的同時(shí)也限制了成像的范圍。對(duì)于較大的成像目標(biāo)此方法就不能適用。另一種物理的方法是在成像目標(biāo)和平板探測(cè)器之間加反散射柵格。反散射柵格雖然可以抑制投影圖像中的散射光子，但是也會(huì)引入噪聲，對(duì)于成像目標(biāo)到探測(cè)器距離較小的情況其效果較好。但對(duì)于成像目標(biāo)到探測(cè)器距離較大的情況(比如圖像引導(dǎo)放療中使用的集成到加速器上的錐形束CT)，添加反散射柵格的效果有限。另一類方法是在投影圖像采集后的后處理方法。比如采用monte carlo算法，可以準(zhǔn)確的估計(jì)投影圖像中散射光子的分布。從而從投影圖像中減去散射光子的影響，但是即便采用一些簡(jiǎn)化計(jì)算技術(shù)，monte carlo算法超大的計(jì)算量使其不能在臨床可接受的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高分辨率的散射分布。采用解析模型計(jì)算散射光子的分布，雖然具有較快的計(jì)算速度，但是對(duì)于復(fù)雜的成像目標(biāo)，會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)算偏差。再比如噪聲抑制重構(gòu)算法在重構(gòu)圖像時(shí)將投影圖像中的散射光子作為噪聲，也可以在一定程度上減少它的影響。
[0004]雖然上述技術(shù)在減少散射光子的影響方面有其作用，但也都有其局限性。目前，錐形束CT重建圖像密度準(zhǔn)確性仍明顯不及傳統(tǒng)的扇形束CT。
[0005]考慮到，錐形束CT的錐角越小，投影圖像中散射光子的成分也越少。我們發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)光柵錐形束CT成像設(shè)備，利用光柵將射線源發(fā)出的X線限制為多個(gè)窄角錐形束或扇形束，再通過(guò)光柵的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)窄角錐形束或扇形束的位置，獲取成像目標(biāo)不同區(qū)域的投影圖像，從而大大減少了散射光子對(duì)圖像質(zhì)量的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]受到扇形束CT的啟發(fā)，考慮到越小的射束(或越窄的射束)散射光子的成分越小，我們發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)光柵錐形束CT成像設(shè)備。
[0007]此成像設(shè)備由機(jī)架及其驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架角度傳感器、裝有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源、平板探測(cè)器、主控制器和圖像重建工作站組成。機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置在圖像采集過(guò)程中驅(qū)動(dòng)機(jī)架圍繞成像目標(biāo)旋轉(zhuǎn)。裝有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源和平板探測(cè)器安裝在機(jī)架上，可隨機(jī)架一同旋轉(zhuǎn)。裝有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源由X射線源、旋轉(zhuǎn)光柵驅(qū)動(dòng)裝置、光柵角度傳感器和旋轉(zhuǎn)光柵組成。旋轉(zhuǎn)光柵限制射線源中發(fā)出的X線為多個(gè)窄角錐形束或扇形束，且位于不同旋轉(zhuǎn)角度上的光柵縫隙位置不同，使得在旋轉(zhuǎn)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以變換透過(guò)光柵的窄角錐形束或扇形束的位置。在采集投影圖像的過(guò)程中，裝有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源在隨機(jī)架旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)光柵也在圍繞X射線源旋轉(zhuǎn)，使透過(guò)光柵的窄角錐形束或扇形束的投影圖像掃描整個(gè)平板探測(cè)器，以獲取整個(gè)容積圖像的投影信息。這樣，投影圖像不是由一個(gè)錐形束投影得到的，而是通過(guò)多個(gè)窄錐形束不斷往復(fù)掃描的方式得到的，窄錐形束可以使更多的散射線被去除，減少散射光子對(duì)投影圖像的影響，從而重建出高清晰的CT圖像。
[0008]旋轉(zhuǎn)光柵角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)光柵的旋轉(zhuǎn)角度，并將此角度信息傳輸給主控制器。主控制器用來(lái)同步光柵旋轉(zhuǎn)和平板探測(cè)器的圖像采集。
[0009]機(jī)架角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)架的旋轉(zhuǎn)角度，并將此角度信息傳輸給主控制器。主控制器記錄每一幅投影圖像采集時(shí)的機(jī)架角度。
[0010]獲取的投影圖像，被光柵遮擋部分被認(rèn)為是散射信號(hào)，沒(méi)有被光柵遮擋的部分被認(rèn)為是主X線信號(hào)和散射信號(hào)的疊加。采用插值算法，比如三次樣條插值，可以通過(guò)光柵遮擋部分的散射信號(hào)估計(jì)沒(méi)有被光柵遮擋部分的散射信號(hào)。這樣，沒(méi)有被光柵遮擋部分的投影信號(hào)減去估計(jì)的散射信號(hào)，就可以得到主X線的投影信號(hào)。
[0011]圖像重建工作站利用這些主X線投影信號(hào)、從主控制器獲取的對(duì)應(yīng)的機(jī)架角度，采用FDK重建算法、壓縮感知重建算法或迭代優(yōu)化重建算法重建三維容積圖像。
[0012]此成像設(shè)備通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵的方式，即利用了窄錐形束或扇形束可以抑制散射光子產(chǎn)生高品質(zhì)圖像的優(yōu)點(diǎn)，又獲得了錐形束CT成像設(shè)備的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。
[0013]
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1實(shí)施例1各部分間數(shù)據(jù)通信示意圖 圖2實(shí)施例1旋轉(zhuǎn)光柵圖
圖3實(shí)施例1旋轉(zhuǎn)光柵工作示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0015]具體實(shí)施例1
圖1展示了一個(gè)旋轉(zhuǎn)光柵錐形束CT成像設(shè)備的實(shí)施例。
[0016]圖1中101為帶有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源，當(dāng)光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以改變透過(guò)光柵的X射束的位置。其中106為鎢合金材料的旋轉(zhuǎn)光柵、113為光柵角度傳感器、114為旋轉(zhuǎn)光柵驅(qū)動(dòng)裝置。旋轉(zhuǎn)光柵將X射線源中產(chǎn)生的射線限制為多個(gè)窄角錐形束。圖1中102為平板探測(cè)器，105為圖像重建工作站，107為安裝在圖像重建工作站上的圖像采集卡。
[0017]圖1中103為主控制器。主控制器通過(guò)機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置和旋轉(zhuǎn)光柵驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)架和光柵旋轉(zhuǎn)。主控制器通過(guò)機(jī)架角度傳感器104和光柵角度傳感器113獲取機(jī)架和光柵的角度信號(hào)。主控制器還用來(lái)同步X射線源出束、光柵的旋轉(zhuǎn)與平板探測(cè)器的投影信號(hào)采集工作。其工作過(guò)程為:
a)圖像重建工作站發(fā)送開(kāi)始圖像采集命令給主控制器。
[0018]b)主控制器通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)光柵以每秒6轉(zhuǎn)的角速度旋轉(zhuǎn)。
[0019]c)主控制器通過(guò)機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)架以每秒6度的角速度旋轉(zhuǎn)。
[0020]d)主控制器通過(guò)光柵角度傳感器檢測(cè)到光柵旋轉(zhuǎn)，并當(dāng)新的一組光柵進(jìn)入X射線源和成像目標(biāo)之間時(shí)發(fā)送控制信號(hào)給給平板探測(cè)器，清除平板探測(cè)器的圖像數(shù)據(jù)。
[0021]e)主控制器發(fā)送控制信號(hào)給X射線源，使X射線源出束。
[0022]f)主控制器從機(jī)架角度傳感器讀取曝光起始機(jī)架角度。
[0023]g)曝光指定時(shí)間后，圖像重建工作站通過(guò)圖像采集卡讀取平板探測(cè)器的圖像數(shù)據(jù)。
[0024]h)主控制器發(fā)送控制信號(hào)給X射線源，使X射線源停止出束。
[0025]i)主控制器讀取曝光結(jié)束機(jī)架角度。 [0026]j)重新回到步驟d),依照步驟d) e)f)g)h) i)往復(fù)循環(huán),直到機(jī)架完成360度旋轉(zhuǎn)。
[0027]圖像重建工作站先要對(duì)從探測(cè)器讀取的投影圖像進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)三次樣條插值算法利用光柵遮擋部分的散射信號(hào)估計(jì)沒(méi)有被光柵遮擋部分的散射信號(hào)，并將此估計(jì)散射信號(hào)從沒(méi)有被光柵遮擋部分的投影圖像中去除。
[0028]最后，圖像重建工作站利用去除了散射信號(hào)的投影圖像、從主控制器獲取的此投影圖像對(duì)應(yīng)的機(jī)架角度，采用壓縮感知重建算法重建三維容積圖像。
[0029]圖1中信號(hào)108為主控制器發(fā)送給帶有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源的控制信號(hào)和應(yīng)答；信號(hào)109為主控制器發(fā)送給平板探測(cè)器的控制信號(hào)和應(yīng)答；信號(hào)110是圖像重建工作站發(fā)送給平板探測(cè)器的控制信號(hào)和讀取的投影圖像；信號(hào)111是主控制器發(fā)送給機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置的控制信號(hào)和機(jī)架角度傳感器發(fā)送給主控制器的機(jī)架角度；信號(hào)112是圖像重建工作站發(fā)送給主控制器的控制信號(hào)和返回的各個(gè)投影圖像對(duì)應(yīng)的機(jī)架角度等信息。
[0030]
圖2展不了實(shí)施例1中的旋轉(zhuǎn)光柵，光柵是鶴合金材質(zhì)，每隔60度一組光柵,共6組光柵，依次是201、202、203、204、205、206。每組光柵由6條縫隙構(gòu)成，每個(gè)縫隙寬3mm，同一組中相鄰縫隙中心間距12mm。從201開(kāi)始，后一組光柵縫隙比前一組光柵縫隙，整體沿圖中X正方向偏移2mm。
[0031]
圖3展示了實(shí)施例1旋轉(zhuǎn)光柵工作的示意圖。圖3中301為C型臂機(jī)架，106為旋轉(zhuǎn)光柵，102為平板探測(cè)器，201為旋轉(zhuǎn)光柵中第I組光柵，206為旋轉(zhuǎn)光柵中第6組光柵。帶有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源與平板探測(cè)器都安裝在機(jī)架上，在采集投影圖像時(shí)，隨機(jī)架一起繞成像目標(biāo)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)光柵將X射線源發(fā)出的射線限制為多個(gè)窄錐形束(如圖中虛線所示)。圖3左圖中旋轉(zhuǎn)光柵中第I組光柵201位于焦點(diǎn)和成像目標(biāo)之間，X射線源發(fā)出的射線通過(guò)光柵，使平板探測(cè)器略靠左邊的一組條狀區(qū)域曝光。在光柵旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，曝光區(qū)域從左到右不斷切換位置，并將投影圖像傳回圖像重建工作站。直到旋轉(zhuǎn)光柵中第6組光柵206旋轉(zhuǎn)到焦點(diǎn)和成像目標(biāo)之間，如圖3右圖所示，X射線源發(fā)出的射線通過(guò)光柵，使平板探測(cè)器略靠右邊的一組條狀區(qū)域曝光，完成對(duì)成像目標(biāo)的一次完整掃描。在機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)光柵需要旋轉(zhuǎn)360轉(zhuǎn)，即以上述從左至右的方式掃描成像目標(biāo)360遍，以獲得足夠的重建信息。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明公開(kāi)了一種旋轉(zhuǎn)光柵錐形束CT成像設(shè)備，其特征在于此設(shè)備由機(jī)架及其驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架角度傳感器、裝有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源、平板探測(cè)器、主控制器和圖像重建工作站組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)架及其驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置在圖像采集過(guò)程中驅(qū)動(dòng)機(jī)架圍繞成像目標(biāo)旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源，其特征在于旋轉(zhuǎn)光柵在圖像采集的過(guò)程中圍繞X射線源旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源，其特征在于旋轉(zhuǎn)光柵限制射線源中發(fā)出的X線為多個(gè)窄角錐形束或扇形束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)光柵，其特征在于旋轉(zhuǎn)光柵由位于不同旋轉(zhuǎn)角度上的幾組光柵構(gòu)成，使得在旋轉(zhuǎn)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以變換透過(guò)光柵的窄角錐形束或扇形束的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝有旋轉(zhuǎn)光柵的X射線源，其特征在于此射線源安裝在機(jī)架上，在采集投影圖像的過(guò)程中隨機(jī)架一起旋轉(zhuǎn)，且在隨機(jī)架旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)光柵也在圍繞X射線源旋轉(zhuǎn)，使透過(guò)光柵的窄角錐形束或扇形束的投影圖像掃描整個(gè)平板探測(cè)器，并不斷重復(fù)這個(gè)掃描過(guò)程。
7.權(quán)利要求1所述的平板探測(cè)器，其特征在于此探測(cè)器安裝在機(jī)架上，在采集投影圖像的過(guò)程中隨機(jī)架一起旋轉(zhuǎn)。
8.權(quán)利要求1所述的圖像重建工作站，其特征在于此圖像重建工作站利用從探測(cè)器讀取的投影圖像中被光柵遮擋部分的投影信號(hào)估計(jì)窄角錐形束或扇形束部分中散射信號(hào)的分布，并將估計(jì)的散射信號(hào)從投影圖像中去除。
9.權(quán)利要求1所述的圖像重建工作站，其特征在于此圖像重建工作站利用已去除散射信號(hào) 的投影圖像、從主控制器獲取的此投影圖像對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)光柵角度和機(jī)架角度，采用FDK重建算法、壓縮感知重建算法或迭代優(yōu)化重建算法重建三維容積圖像。
【文檔編號(hào)】A61B6/03GK103961129SQ201310411677
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】梁月強(qiáng), 李寶生 申請(qǐng)人:梁月強(qiáng), 李寶生