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CN101039622B - 产生高质量x射线投影的成像系统 - Google Patents

产生高质量x射线投影的成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉用于产生病人(1)的高质量X射线投影(24)的一种成像系统和方法。该系统包括旋转的X射线装置(10)，例如锥形束的CT台架(12)，以及相关的数据处理单元(20)。在医疗介入过程中，从不同方向持续产生病人(1)的低剂量投影(22)。接着根据所述投影重建感兴趣的体积(23)，根据其可以计算得到高质量的虚拟投影(24)并显示在监视器(25)上。所述虚拟投影(24)的数目和方向能够由用户随意选择。

Description

产生高质量X射线投影的成像系统
技术领域
本发明涉及实时产生目标的X射线投影的一种成像系统、方法以及记录载体。
背景技术
在例如使用导管进行脉管系统检查和治疗的医疗介入中，需要实时监控病人体内的治疗过程。比较典型的做法是使用X射线荧光检查法，即连续产生对感兴趣区域的二维X射线投影。但是这种过程的一个缺陷是投影的方向，即使能够调整，也只是在有限的角度内缓慢地改变。此外由于组织噪声即位于所观察区域前后且在投影中重叠的骨头等结构的影响，投影的质量可能较低。
US 6,222,902B1介绍了一种特定的成像系统，该成像系统具有一种能在位于病人下面的圆环上旋转的X射线源同时相关联的二维探测器保持固定。依照断层X射线照相组合的原理，所述设备产生的投影被用来重建病人体内不同的平行焦平面(切片)。此外，该设备还能够将一系列切片合成为体积的三维表示。
发明内容
基于这样一种情况，本发明的目的在于提供用于灵活产生病人的X射线投影的装置，这些装置尤其用来在医疗介入中进行监控。
此目的通过根据权利要求1的成像系统，根据权利要求9的方法和根据权利要求10的记录载体得以实现。优选实施方式在从属权利要求中公开。
根据该发明的第一方面，本发明涉及一种用于实时生成目标的X射线投影的成像系统，其中该投影的质量应当在一个或多个方面(比如信噪比，对比度)等同于或者优于按照最优参数(辐射剂量，照射时间等)设置直接得到的传统X射线投影。此外，这里所提到的术语“实时”指的是一定状态的投影图像在可忽略的等待时间内有效的情况，该等待时间例如在0.1秒到3秒之间，优选为在0.1秒到0.5秒 之间。另外，瞬时过程在相应的“实时”投影序列中运行得应与现实中一样地快，即没有“慢动作”效应。这些实时投影所要求的有效性使其特别适合应用于医疗介入的监控或者指导。该成像系统包括以下部件：
a)旋转的X射线装置，从定义上讲，其包括一个能够在弯曲轨道例如封闭的圆环形轨道上移动的X射线源。此外，该装置适于从不同方向尤其是使用低剂量设置来产生目标的X射线原始投影(raw projection)。
b)适合于从前面提到的由X射线装置产生的一组原始投影来重建感兴趣体积，并且从重建的感兴趣体积或者该重建的感兴趣体积的一个子体积(感兴趣区域，ROI)来计算预定参数(比如说投影方向)的至少一个虚拟投影的数据处理单元。所述虚拟投影相应于所追求的高质量投影。感兴趣体积的重建能够使用来自于立体X射线断层扫描成像(VCT)的标准算法来实现，并且通过提供足够的处理能力使数据处理单元的操作完全能够达到所需要的那样快。
前面提到的这种成像系统与从固定方向产生系列投影的传统X射线装置相比有两个主要的优点：首先，使用从重建的体积中计算得到的虚拟投影允许任意地选择投影方向。比如说它可以实现在不同投影方向瞬间切换，从不同方向同时观察若干投影(比如立体显示)，或者从那些原本由于X射线装置的机械限制而无法想象的方向去观察。此成像系统的第二个重要优点在于虚拟投影的质量要高于来自同一方向的直接原始投影的质量。这是因为虚拟投影整合了来自不同方向的原始投影的信息，其能够获得较好的信噪比并且降低了例如组织噪声。在这方面需要注意，由于单个的原始投影能够由低剂量产生，所以不必将病人暴露到过量的X射线辐射就可以获得高质量的虚拟投影。总而言之，该成像系统生成多个低剂量/低质量的投影，接着依据这些投影重建了低质量的体积，然后从该体积计算出高质量的虚拟投影。
依照本发明的一个优选实施方式，旋转的X射线装置包括锥形束X射线源和二维X射线探测器。所述部件被彼此严格固定在一种(环状)c形臂上和/或布置在台架上以便它们能够围绕目标旋转。该锥形束和 二维探测器阵列能够在一次扫描中完成对一立体目标的投影，因此不需要像许多传统CT系统那样使装置做螺旋运动。
通常在一次检查中，只有目标体内的一小块区域是我们感兴趣的，例如脉管系统内导管的顶端或病变。在这种情况下为了降低运算量，经由数据处理单元重建得到的体积可以被有选择地限制在比从那组原始投影能够最大地重建得到体积小的一块区域。
上面已经提到，优选使用低剂量设置产生原始投影，这其中“低剂量”的定量定义依赖于个体情况，尤其是被成像目标的类型。优选地，用于重建感兴趣体积的一组投影的总累积剂量大致等于产生最佳质量(高对比度，优良的信噪比)的单个投影的所用剂量。
依照该成像系统的优选实施方式，X射线装置的剂量能够在不同的剂量水平之间交互切换。尤其是允许在生成虚拟投影的低剂量模式和考虑重建高质量体积的高剂量模式之间切换。
在一可选实施方式中，旋转的X射线装置适于旋转超过360°，即能够在一个封闭轨道上朝一个方向，并以至少4Hz(转每秒)的速度连续旋转。
此外，该旋转的X射线装置优选适于以超过100个投影(帧)每秒，优选超过150个投影每秒，的速率来产生原始X射线投影。这样的高速率和前述的旋转速度保证了来自各个方向的足够投影能有效用于对实时表现身体内过程的体积的重建。
在本发明的另一优选实施方式中，数据处理单元适于根据新的原始投影来不断更新重建的感兴趣体积。这就意味着感兴趣体积能够随时从有效的最新原始投影重建得到，从而保证总是描绘出身体内的当前状况。每当有一定数量(比如从1到30)的新的原始投影出现或者X射线装置向前移动了一个特定的角度(比如说30°)时，重建的体积就可以得到更新。
该成像系统还可以选择性地包括用来显示重建的感兴趣体积、原始投影、尤其是计算得到的虚拟投影的显示单元。此外，该显示单元应适合显示前述的体积、原始投影或者虚拟投影的立体图像，即具有相应于人眼视角的视角的图像，以这种方式它们能在意识上被组合成三维图像。
该成像系统还包括用于原始投影、感兴趣体积和/或虚拟投影的参 数的交互确定的输入设备，例如键盘、鼠标或者触摸屏。例如，由此用户可以调整虚拟投影的视角、感兴趣体积的位置以及原始投影的参数。
本发明还包括一种实时产生目标的X射线投影的方法，该方法包括以下的步骤：
a)从不同方向产生目标的(优选低剂量的)X射线原始投影；
b)从所述原始投影重建感兴趣体积；
c)从该重建的感兴趣体积或它的一个子体积计算出至少一个虚拟投影。
最后，本发明包括一种记录载体，例如软盘、硬盘或CD，在这种载体中存储了用于实时产生目标的高质量X射线投影的计算机程序，其中所述程序适于执行前述的那种方法。
此方法和记录载体具备同上述成像系统相同的基本特征。对于它们的更多细节、优点和进一步发展，可以参考该成像系统的描述。
参考下文的实施例，本发明各个方面将变得明显并得到阐述。
附图说明
接下来，借助附图以示例的方式来描述本发明：
图1示意性地描述了根据本发明的成像系统；
图2示出了动脉瘤的原始投影与根据本发明计算得到的相应的虚拟投影之间的对比。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的成像系统的原理图。该系统包括旋转的X射线装置10，其例如可能与CT系统相同或者相类似。装置10包括用来生成锥形X射线束的X射线源11和二维X射线探测器13(例如平板式动态X射线探测器FDXD)，该X射线探测器被布置在正对X射线源的位置以便测量透射过躺在装置中央的病人1的辐射。X射线源11和探测器13被引导在圆形台架12内并能以优选约为5Hz的频率同步围绕病人1旋转。此外，它们还适于在旋转过程中以优选大于150帧/秒的速率产生病人1的X射线投影，其中所述投影以较低的剂量产生。因而尽管连续地产生投影，但能够限制辐射对病人的伤害。
该成像系统还包括数据处理单元20，这个单元尤其包括一台计算机(工作站)21。该计算机21包括例如CPU、存储器、I/O接口等常用硬件以及适当的软件。图1中简述了相应于计算机21所执行的主处理步骤的功能部件或者模块(以硬件和软件实现)。
在检查过程中，计算机21的第一模块采集并存储由X射线装置10连续产生的二维原始投影22。
在下一模块中，使用本领域中公知的方法(比如反投影)，计算机21从投影22重建感兴趣体积的三维表示。在至少180°的角度范围内收集到的投影数据被用于所述体积的体积重建。只要覆盖例如30°的角度范围的新的投影是有效的，则体积的重建能连续得到更新。
在下一个步骤中，从重建的体积23或者它的合适子体积来计算或正向投影虚拟投影24。该虚拟投影的特定参数可以由用户通过键盘27、鼠标26和/或触摸屏25来交互设置。计算得到的虚拟投影会被显示在监视器25上帮助医生诊断。可选择地，能够计算两个或者更多的虚拟投影24并将它们同时显示在监视器25上。此外，当然也可以在监视器25上面显示一个或者更多的原始投影22或者重建的体积23。如果需要实时地高质量显示体积，就要增大产生单个原始投影22的辐射剂量以便于提高投影以及重建体积的信噪比。用户可在以下两种操作模式之间切换：
----直接使用实时三维图像(RT-3D)的信息来进行指导(高剂量模式)；
----通过从重建体积计算投影来间接使用RT-3D(低剂量模式)。
在上述两种模式中，显影/投影的方向都能在正在进行的数据采集过程中灵活选择并且交互地修改。
该发明的进一步改进还可能包括：
----在前述两种模式之间交互地切换；
----在介入过程中对感兴趣区域交互地重新定义；
----计算具有稍微不同的投影方向的两个投影用于立体显示；
----计算几个投影方向用于从多个投影方向同时显示感兴趣区域；
----使用原始投影数据用于(a)立体显示，(b)同时显示多个方向投影。
该成像系统的优点在于允许在介入指导过程中任意的投影方向，能够获得三维的介入指导以及能够去除所谓的组织噪声。它特别适合于所有X射线指导的脉管介入。
图2示出了具有动脉瘤的身体区域的三个原始投影(大图)，层叠在上面的插图表示计算得到的感兴趣区域的虚拟投影。通过对比可以清楚地看到组织噪声的减弱以及对动脉瘤更好的描绘。从在介入式心血管X射线系统获得的数据，通过门控重建技术生成这些投影。
最后需要指出的是，在本申请中术语“包含”并不排斥其他的元件或者步骤，术语“一”或“一种”并不排斥复数，并且，单个的处理器或者其他单元可以实现多个装置的功能。这项发明存在于各个和每个新的技术特征以及技术特征的各个和每个组合。并且，权利要求中的附图标记并不是被构造来限制它们的范围。

Claims (9)

1.用于实时产生目标的X射线投影(24)的成像系统，包括：
a)用于从不同方向生成目标(1)的X射线原始投影(22)的旋转的X射线装置(10)，和
b)适于根据一组所述原始投影(22)来重建感兴趣体积(23)的3D表示，并根据重建的体积(23)或这个体积(23)的一部分来实时计算预定参数的至少一个虚拟投影(24)的数据处理单元(20)，其中该虚拟投影(24)整合了来自不同方向的X射线原始投影(22)的信息。
2.依照权利要求1的成像系统，其特征在于该旋转的X射线装置(10)包括锥形束X射线源(11)和二维X射线探测器(13)。
3.依照权利要求1的成像系统，其特征在于重建的体积(23)是能够根据该组原始投影重建得到的体积的子体积。
4.依照权利要求1的成像系统，其特征在于该旋转的X射线装置(10)适于产生具有相应于单个高质量投影剂量的总剂量的X射线原始投影(22)组。
5.依照权利要求1的成像系统，其特征在于该X射线装置(10)的剂量能够在不同剂量水平之间交互地切换。
6.依照权利要求1的成像系统，其特征在于数据处理单元(20)适于根据新的原始投影(22)来持续更新重建的感兴趣体积(23)。
7.依照权利要求1的成像系统，其特征在于它包括显示单元(25)，该单元用来显示重建的感兴趣体积(23)、原始投影(22)、计算得到的虚拟投影(24)和/或重建的感兴趣体积(23)的立体图像。
8.依照权利要求1的成像系统，其特征在于它包括输入设备(25，26，27)，该输入设备用来交互确定原始投影(22)、感兴趣体积(23)和/或虚拟投影(24)的参数。
9.一种用于实时产生目标(1)的X射线投影(24)的方法，包括以下步骤：
a)从不同方向产生目标(1)的X射线原始投影(22)；
b)根据所述原始投影(22)重建感兴趣体积(23)的3D表示；
c)根据重建的感兴趣体积(23)或这个体积的一部分计算出预定参数的至少一个虚拟投影(24)，其中所述至少一个虚拟投影(24)整合了来自不同方向的X射线原始投影(22)的信息。
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