Детектирование многотрубчатого рентгеновского излучения - RU2452383C2

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Настоящая заявка относится к системам формирования изображения, в том числе, к медицинским системам формирования изображения, системам проверки багажа, системам неразрушающего контроля и т.п. Особое применение она находит в компьютерной томографии (CT) и, более конкретно, в формировании изображения многотрубчатой CT.

Традиционные системы СТ с конусным пучком имеют двумерные или многослойные детекторы с большой площадью. Такие детекторы используются для сканирования относительно больших объемов по сравнению с одномерными или однослойными детекторами при использовании протоколов осевой развертки. Однако, получение осевых данных с помощью конусного пучка ограничивается тем, что при этом невозможно адекватно делать выборки частей сканированного или визуализированного объема. В результате, может быть реконструировано только подмножество сканированного объема.

На фиг.7 показаны источник 704 излучения конусного пучка, перемещаемый по траектории 708 вокруг исследуемой области 712, конусный пучок 716, объем 720 внутри исследуемой области 712, который облучается конусным пучком 716, и детекторы 724, обнаруживающие излучение, пересекающее объем 720. Как показано, геометрия конусного пучка 716 выполнена с возможностью освещения пучком 716, по существу, детектора 724 по ширине в направлении z. При такой конфигурации пучок 716 не способен облучать части объема 720 в каждом угловом положении выборки по мере того, как источник 704 движется вдоль траектории 708.

В качестве примера, вообразите разделение объема 720 на области 728, 732, 736, 740 и 744. Область 728 представляет собой объем, который всегда освещается конусным пучком 716 по мере того, как источник 704 движется по траектории 708. В результате, обнаруженные данные, представляющие область 728, содержат данные для угла 360 градусов. Такие данные могут быть реконструированы, поскольку для целей реконструкции требуются данные для угла 180 градусов плюс угла веерного пучка. Эти данные также пригодны для применений в ретроспективной кардиальной CT, поскольку из 360 градусов данных может быть взято значение произвольных 180 градусов. Это позволяет пользователю выборочно реконструировать данные для соответствующих 180 градусов, которые содержат желаемый цикл сердца.

Области 732 и 736 представляют собой объемы, которые частично освещаются конусным пучком 716 в каждом угловом выборочном положении по мере того, как источник 704 движется по траектории 708. Обнаруженные данные в этих областях содержат данные между 180 и 360 градусами и, таким образом, могут быть реконструированы. Однако, эти данные могут быть непригодны для применений в ретроспективной кардиальной CT, так как могут не содержать в себе желаемые данные. Например, перед сканированием субъекта, лицо, выполняющее сканирование, не знает априорно, какие 180 градусов из этих 360 градусов содержат желательную фазу сердца. В результате, обнаруженные данные могут содержать или не содержать в себе желаемую фазу сердца.

Области 740 и 744 также представляют собой объемы, которые частично освещаются конусным пучком 716 по мере того, как источник 704 движется по траектории 708. Однако, эти области содержат данные меньше, чем для 180 градусов. В результате, эти данные не могут быть реконструированы.

Другой недостаток традиционной осевой CT с конусным пучком состоит в том, что только подмножество объема реконструирования (объема, представляющего собой области 728, 732 и 736) может быть должным образом скорректировано или дополнено, чтобы улучшить качество изображения, например, посредством уменьшения артефактов изображения, таких как артефакт конусного пучка, артефакт увеличения жесткости пучка, артефакт металла и т.д., с помощью методов итеративной реконструкции. Это проиллюстрировано на фиг.8, где показан источник 704, эмитирующий конусный пучок 716 из первого положения, на который накладывается источник 704, эмитирующий конусный пучок 716 из второго положения, которое смещено приблизительно на 180 градусов относительно первого положения в направлении оси z. На этой фигуре объем 804 реконструкции представляет собой области 728, 732 и 736. Внутри объема 804 реконструкции только входящий в него объем 808 может быть обновлен для уменьшения артефакта из-за неполного или ограниченного сбора информации.

Обсужденные выше недостатки осевой CT с конусным пучком, смягчаются, используя два источника рентгеновского излучения в стереотрубчатой конфигурации. Как показано на фиг.9, при обычной стереотрубчатой конфигурации два источника 904 и 908 рентгеновского излучения располагаются почти в одном и том же угловом положении в разных местах по оси z и совместно используют общий детектор 912 для сбора данных. Источники 904 и 908 рентгеновского излучения движутся по траекториям 916 и 920 и поочередно эмитируют пучки 924 и 928, которые пересекают объем 720.

Выполненная таким образом комбинация пучков 924 и 928 облучает полный объем 720 по мере того, как источники 904 и 908 вращаются по траекториям 916 и 920. В результате, для объема 720 обнаруживаются данные, по меньшей мере, для 360 градусов по мере того, как источники 904 и 908 поворачиваются на 360 градусов, и реконструируется полный объем 720 (или его подмножество, если это желательно). На фиг.10 показано, что при наличии стереотрубчатой СТ полный объем 720 может корректироваться с помощью с методов итеративной коррекции, которые используют упреждающее проецирование, поскольку в наличии имеется полный набор данных. Для ясности, на фиг.10 пучки 924 и 928 показаны только в одном угловом положении.

К сожалению, при этой конфигурации пучки 924 и 928 также облучают области вне реконструированного объема 720. Это показано на фиг.9 и 10 в 932 и 934 и теперь обсуждается со ссылкой на фиг.6, на котором пучки 904 и 908 также облучают области 932 и 934, расположенные вне объема 720 реконструкции. Рентгеновское излучение, пересекающее области 932 и 934, облучает тело пациента внутри этих областей, несмотря на то, что соответствующие обнаруженные данные не реконструируются. Это приводит в результате к неэффективному использованию дозы. Кроме того, только один из источников 904 и 908 облучает области вне объема 720. Следовательно, такие области (в том числе, области 932 и 934) сканируются, используя традиционную осевую CT с конусным пучком, и выгоды стереотрубчатой CT недоступны. Вместо этого, эти области восприимчивы к недостаткам, свойственным осевому сканированию с конусным пучком, среди которых то, что данные непригодны для коррекции или реконструкции должным образом.

Учитывая сказанное выше, существует неудовлетворенная потребность в системе стереотрубчатой CT с улучшенным использованием дозы.

Аспекты настоящей заявки направлены на решение вышеупомянутых проблем и прочего.

В соответствии с одним аспектом, система компьютерной томографии содержит первый и второй источники, расположенные в разных местах по оси z при примерно одном и том же угловом положении вокруг исследуемой области, которые поочередно эмитируют пучки излучения, пересекающие область исследования. Первый источник эмитирует первый пучок излучения, имеющий первую внешнюю проекцию, которая пересекает плоскость, перпендикулярную оси вращения, и второй источник эмитирует второй пучок излучения, имеющий первую внешнюю проекцию, которая пересекает плоскость, перпендикулярную оси вращения. Первые внешние проекции определяют ширину объема, внутри которого эмитируемые пучки излучения ограничены. Общий детектор обнаруживает излучение рентгеновских пучков, которое пересекает объем, и формирует представляющие его данные. Устройство реконструкции реконструирует данные для формирования изображения объема.

В соответствии с другим аспектом, система стереотрубчатой компьютерной томографии содержит, по меньшей мере, два источника, расположенных в разных местах по оси z в примерно одном и том же угловом положении вокруг исследуемой области. Первый источник эмитирует первый пучок излучения, имеющий первую внешнюю проекцию, которая пересекает плоскость, перпендикулярную оси вращения. Второй источник эмитирует второй пучок излучения, имеющий первую внешнюю проекцию, которая пересекает плоскость, перпендикулярную оси вращения. Детектор обнаруживает излучение рентгеновских пучков, которое пересекает объем. Устройство реконструкции реконструирует данные для формирования данных объемного изображения, соответствующих объему.

В соответствии с другим аспектом, описывается способ компьютерной томографии. Способ содержит конфигурирование геометрии пучков излучения, эмитируемых из разных мест по оси z в примерно одном и том же угловом положении вокруг исследуемой области. Первый пучок имеет первую внешнюю проекцию, которая проходит перпендикулярно через ось вращения внутри исследуемой области и попадают на общий детектор. Второй пучок имеет первую внешнюю проекцию, которая проходит перпендикулярно через ось вращения внутри исследуемой области и попадает на общий детектор. Первые внешние проекции определяют объем, который облучается каждым из пучков. Способ дополнительно содержит обнаружение излучения рентгеновских пучков, которое пересекает область, облучаемую излучением, и реконструкцию данных для формирования данных объемного изображения.

Изобретение может осуществляться в форме различных компонентов и расположений компонентов, и различных этапов и последовательностей этапов. Чертежи служат только для целей иллюстрирования предпочтительных вариантов осуществления и не должны истолковываться как ограничение изобретения.

Фиг.1 - пример системы формирования изображения стереотрубчатой CT, использующей геометрию пучков, улучшающую эффективность дозы.

Фиг.2 - пример геометрии пучка для первого пучка системы стереотрубчатой CT, показанной на фиг.1.

Фиг.3 - пример геометрии пучка для второго пучка системы стереотрубчатой CT, показанной на фиг.1.

Фиг.4 - объем сканирования, определяемый геометрией пучка через наложение первого и второго пучков, описанных со ссылкой на фиг.2 и 3.

Фиг.5 - пример способа использования системы, показанной на фиг.1.

Фиг.6 - геометрия пучков в традиционной стереотрубчатой CT.

Фиг.7 и 8 - геометрия пучков в традиционной CT с конусным пучком.

Фиг.9 и 10 - геометрия пучков в традиционной стереотрубчатой CT.

Медицинская система 100 формирования изображения содержит сканер 104, имеющий N источников 108₁, 108_N рентгеновского излучения (все вместе упоминаемые здесь как источники 108 рентгеновского излучения), в котором N - целое число больше единицы. Как показано, по меньшей мере, два источника 108 рентгеновского излучения располагаются на вращающемся гентри 120 в примерно одном и том же угловом положении вокруг области 112 формирования изображения и смещаются по оси 116 z. Источники 108 рентгеновского излучения поочередно активируются, так что в любое данное время эмитирует излучение только один из источников 108. В этом примере источники 108 рентгеновского излучения образуются разными рентгеновскими трубками.

Источники 108 рентгеновского излучения выполнены с возможностью формирования пучков 114₁, 114_N излучения (все вместе упоминаются здесь как пучки 114), имеющих геометрию конусного пучка. Здесь также рассмотрены другие конфигурации пучков, такие как веерный пучок. В одном варианте осуществления геометрия конусных пучков 114 определяет объем внутри исследуемой области 112, который может быть реконструирован, в котором обнаруженные данные, представляющие его, содержат достаточно выборок для целей реконструкции. Например, для 360-градусного осевого сканирования комбинация пучков 114 обычно облучает весь объем реконструкции по всем 360 градусам, так что, по меньшей мере, данные для 360 градусов обнаруживаются по всему объему. Как описано ниже более подробно, эта геометрия пучка уменьшает или оптимизирует дозу для пациента и при этом облучение тела пациента вне реконструируемого объема снижается по сравнению с традиционными методами стереотрубчатой CT.

Сканер 104 дополнительно содержит, по меньшей мере, один детектор 124. Детектор 124 является детектором с большой площадью, имеющим множество элементов детектора, расположенных в осевом и поперечном направлениях. В такой конфигурации система 100 способна создавать изображение больших объемов, чем в одномерных или однослойных детекторных системах. Если желательно, такие возможности могут быть усилены, чтобы быстро получать данные, представляющие целые органы (например, сердце) или большие их части при одиночном осевом сканировании. Это облегчает получение данных с высокой временной разрешающей способностью при широком охвате за короткий промежуток времени.

Как показано, детектор 124 стягивает угловую дугу, противоположную источникам 108 рентгеновского излучения. Область 112 формирования изображения определяется между ними. В одном примере, детектор 124 вращается вместе с источниками 108 рентгеновского излучения, например, как в системах CT третьего поколения. В другом примере, система 100 содержит множество детекторов 124, каждый из которых постоянно находится в статическом угловом положении относительно стационарного гентри. В таком примере, обнаружение излучения детектором 124 в любой момент времени определяется угловым положением источников 108 рентгеновского излучения, например, как в системе СТ четвертого поколения или системе с электронным пучком.

Опора 128 поддерживает субъект, такой как человек, внутри области 112 формирования изображения. Опора 128 может быть подвижной, чтобы направлять пациента в соответствующее место внутри области 112 формирования изображения перед, во время и/или после выполнения спирального, осевого и/или другого сканирования, например, перемещая опору 128 по оси 116 z и/или одной или более другим осям.

Устройство 132 реконструкции реконструирует сигналы, формируемые детектором 124, и формирует данные объемного изображения, используемые для формирования изображения. Система 136 повышения качества изображения используется по желанию, чтобы дополнить или скорректировать данные изображения для снижения артефакта. В одном примере, система 136 повышения качества изображения использует итеративную реконструкцию, чтобы снизить такой артефакт. При таком подходе, изображение проецируется заранее, чтобы получить проекционные данные. Проекционные данные затем сравниваются с измеренными проекционными данными. В одном примере, это сравнение содержит определение разности между расчетными и измеренными данными. Затем изображение обновляется на основе этого сравнения. Если желательно или необходимо, выполняются многочисленные итерации, пока артефакт не будет должным образом снижен.

Пульт 148 оператора облегчает взаимодействие пользователя со сканером 104 и/или его управление. Программные приложения, выполняемые пультом 148 оператора, позволяют пользователю конфигурировать и/или управлять работой сканера 104. Например, пользователь может взаимодействовать с пультом 148 оператора, чтобы выбирать протоколы сканирования, инициировать, останавливать и прекращать сканирование, просматривать изображения, манипулировать данными объемного изображения, измерять различные характеристики данных (например, номер CT, шум и т.д.) и т.д..

Контроллер 144 управляет источниками 108 рентгеновского излучения. Такое управление содержит, но не в качестве ограничения, включение и выключение источников 108 рентгеновского излучения. Кроме того, контроллер 144 должным образом регулирует геометрию пучка, если она может регулироваться.

Проиллюстрированный вариант осуществления выполнен с возможностью применения приложений ретроспективной кардиальной CT и содержит ЭКГ 152 для измерения и/или регистрации электрической активности сердца во время сканирования пациента. Электрическая активность сердца отображается в результирующих данных. Когда система выполнена с геометрией пучка, описанной здесь, значение данных для 360 градусов обнаруживается по всему объему сканирования или интересующему объему с помощью 360-градусного осевого сканирования. Это дает пользователю возможность ретроспективно выбрать произвольное подмножество данных из данных для 360 градусов, которое содержит желаемую фазу сердца, основанную на зарегистрированной электрической активности сердца. Это подмножество реконструируется и используется для формирования одного или более изображений сердца в течение желаемой фазы сердца. Следует признать, что другие устройства физиологического мониторинга могут использоваться альтернативно или дополнительно, чтобы получать информацию о состоянии движения сканируемого тела.

Фиг.2, 3 и 4 иллюстрируют пример геометрии пучка для эффективного использования дозы. Как обсуждалось ранее в связи с фиг.9, 10 и 11, традиционная геометрия пучка стереотрубчатой CT приводит в результате к облучению областей, лежащих вне реконструируемого объема 720, что приводит к неэффективному использованию дозы, так как тело пациента облучается, но эти области не реконструируются.

На фиг.2 геометрия рентгеновского пучка 114₁ выполнена с возможностью движения первой внешней проекции 204 вдоль плоскости, перпендикулярной оси z или оси вращения, и попадает на детектор 124 на дальнем конце поверхности обнаружения. Вторая внешняя проекция 208 рентгеновского пучка 114₁ движется под углом 212 относительно первой внешней проекции 204 и попадает на детектор 124. В этом примере первая внешняя проекция 204 и вторая внешняя проекция 208 определяют или следуют контуру или периметру пучка 114₁, так что остающиеся рентгеновские лучи в пучке 114₁ являются, по существу, либо в значительной степени ограниченными, заключенными внутри или между первой и второй внешними проекциями 204 и 208. Ширина пучка 114₁ определяется через угол 212 и в этом примере выполнена так, что вторая внешняя проекция 208 попадает на детектор 124 вблизи конца поверхности обнаружения. В результате, пучок 114₁ асимметрично освещает детектор 124 примерно в продольной или осевой средней точке детектора 124.

На фиг.3 геометрия рентгеновского пучка 114_N также выполнена с возможностью движения первой внешней проекции 216 вдоль плоскости, перпендикулярной оси вращения, и попадает на детектор 124 на дальнем конце поверхности обнаружения. Вторая внешняя проекция 220 рентгеновского пучка 114_N движется под углом 224 относительно первой внешней проекции 216 и попадает на детектор 124. Точно также, первая внешняя проекция 216 и вторая внешняя проекция 220 определяют или следуют контуру или периметру пучка 114_N, так что остающиеся рентгеновские лучи в пучке 114_N являются, по существу или в значительной степени, заключенными внутри или между первой и второй внешними проекциями 216 и 220. Ширина пучка 114_N определяется углом 224, так что вторая внешняя проекция 220 попадает на детектор 124 около конца поверхности обнаружения. Внешние проекции 216 и 220 попадают на детектор 124 так, что пучок 114_N асимметрично освещает детектор 124 примерно в средней точке детектора 124.

Фиг.4 поясняет наложение пучков 114_N и 114₁ относительно детектора 124. Как показано, первые внешние проекции 204 и 216 пучков 114 определяют протяженность объема 400 реконструкции по оси z внутри исследуемой области 112, являющейся облученной областью. Вторые внешние проекции 208 и 220 перекрещиваются или пересекаются на периметре или в средней точке 404 объема 400 на стороне объема 400, ближайшей к источникам 108. Первая внешняя проекция 204 первого пучка 114₁ и вторая внешняя проекция 216 второго пучка 114_N перекрещиваются или пересекаются в первом углу 408 объема 400, и вторая внешняя проекция 208 первого пучка 114₁ и первая внешняя проекции 216 второго пучка 114_N перекрещиваются или пересекаются во втором углу 412 объема 400.

При такой геометрии протяженность по оси z объема 400 облучается обоими пучками 114 в течение всего осевого сканирования и области вне объема 400, по существу, не облучаются пучком 114. В результате, данные, представляющие объем 400, содержат, по меньшей мере, данные для 360 градусов. Однако, в отличие от традиционной геометрии пучка стереотрубчатой CT, показанной на фиг.9, 10 и 11, геометрия пучков 114 выполнена таким образом, что пучки 114 не облучают области вне объема 400. Как обсуждалось выше, это снижает дозу для пациента по сравнению с традиционной геометрией пучка стереотрубчатой СТ.

Путем асимметричного освещения детекторов 124, геометрия пучка, описанная здесь, эффективно использует детектор 124, поскольку пучки 114 выполнены с возможностью попадать скорее на часть детектора 124, соответствующую ширине реконструированного объема 400, чем покрывать произвольным образом всю ширину детектора 124.

Примеры альтернативных вариантов осуществления описаны далее.

Следует признать, что в альтернативном варианте осуществления, источники 108 рентгеновского излучения располагаются на гентри 120 смещенными по оси 116 z и в разных угловых положениях относительно области 112 формирования изображения. В этом варианте осуществления различные детекторы используются для обнаружения излучения, эмитируемого каждым из источников 108 в любое заданное время. Преимущество такого варианта осуществления состоит в том, что источники 108 могут быть активированы для эмитирования излучения одновременно, что может повысить пространственную или временную разрешающую способность, так как за то же самое время обнаруживается больше данных.

В другом варианте осуществления каждый из источников 108 рентгеновского излучения может перемещаться по оси z. Например, источники 108 рентгеновского излучения могут перемещаться по оси z механическим или электронным образом. При таком варианте осуществления источники 108 и их геометрия (например, углы или ширина пучка) регулируются так, чтобы соответствовать различным объемам или интересующим областям.

Источники 108 рентгеновского излучения в проиллюстрированной системе 100 начинаются отдельными рентгеновскими трубками, прикрепленными к гентри 120. Однако, в другом варианте осуществления источники 108 рентгеновского излучения начинаются из различных точек фокуса внутри одной и той же рентгеновской трубки. Еще в одном другом варианте осуществления система 100 содержит множество источников 108 рентгеновского излучения, в которых используется комбинация однофокусных и многофокусных трубок. Еще в одном другом варианте осуществления источники 108 рентгеновского излучения формируются генератором электронного пучка или пушкой, которая управляет положением электронного пучка с помощью электронного отклонения или тому подобного.

В проиллюстрированном варианте осуществления геометрия конусных пучков определяет объем внутри исследуемой области 112, который реконструируется. В альтернативном варианте осуществления углы 212 и 224 и/или форма пучка регулируются таким образом, чтобы пучки 114 соответствовали желаемому интересующему объему, например, так, чтобы они следовали контуру или периметру желаемого объема. В одном из вариантов осуществления коллиматоры 416 пучка или что-либо подобное управляют формой и углами 212 и 224 пучка.

В другом варианте осуществления источники 108 рентгеновского излучения активируются одновременно, чтобы одновременно эмитировать рентгеновское излучение. В таком варианте осуществления система 100 использует компонент или методы для разделения данных по участвующим источникам или использования метода реконструкции, учитывающего многочисленные источники.

Также, само собой разумеется, что здесь также подразумеваются сканирования меньше чем на 360 градусов, такие как сканирования на 180 градусов. Такие сканирования могут иметь в результате данные для 180 градусов плюс угла веерного пучка, которые могут быть реконструированы, используя метод реконструкции для 180 градусов.

На фиг.5 показан пример способа 500, который улучшает эффективность дозы в системе стереотрубчатой СТ. На ссылке 504 геометрия каждого из пучков определяется как описано выше. На 508 определяется объем сканирования внутри области, основываясь на геометрии пучка. Альтернативно, желаемый объем сканирования может быть определен и геометрия пучка может быть выбрана так, чтобы, по существу, соответствовать желаемому интересующему объему. На 512 объем сканирования, по существу, полностью облучается рентгеновским излучением как результат геометрии пучка. Геометрия пучка заключает рентгеновское излучение в пределы границы объема сканирования, чтобы уменьшить нереконструируемые области облучения и снизить дозу для пациента. На 516 обнаруживаются рентгеновские лучи, пересекающие объем сканирования. На 520 реконструируются сигналы, представляющие обнаруженное рентгеновское излучение. На 524 реконструированные данные используются для формирования изображения сканированного объема. По желанию, на 528 данные изображения дополняются, чтобы улучшить качество изображения с помощью метода итеративной реконструкции.

Следует признать, что система 100 пригодна для таких применений, как кардиальная CT, формирования изображения перфузии, формирования функционального изображения, формирование метаболического изображения и т.п.

Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. В других случаях, после прочтения и понимания предшествующего подробного описания могут вноситься модификации и изменения. Подразумевается, что изобретение должно истолковываться как содержащее все такие модификации и изменения, настолько, насколько они попадают в объем пунктов прилагаемой формулы изобретения или их эквивалентов.

Реферат

Изобретение относится к медицинским системам формирования изображения. Система компьютерной томографии содержит первую и вторую рентгеновские трубки, расположенные в разных местах по оси z при примерно одном и том же угловом положении вокруг исследуемой области, которые во время осевого сканирования поочередно эмитируют пучки излучения. При осуществлении способа первая и вторая рентгеновские трубки эмитируют первый и второй пучки излучения, внешние проекции которых пересекают плоскость, перпендикулярную оси вращения, и определяют ширину объема реконструкции. Вторая внешняя проекция первого пучка и вторая внешняя проекция второго пучка пересекает пути, пересекающиеся в центре периметра объема реконструкции на стороне исследуемой области, ближней к рентгеновским трубкам. Общий детектор обнаруживает излучение и формирует данные, представляющие его для устройства реконструкции объема. Во втором варианте выполнения системы имеются по меньшей мере два детектора, при этом один из детекторов обнаруживает излучение от первого источника, а другой детектор - обнаруживает излучение от второго источника излучения. В системе стереотрубчатой компьютерной томографии имеются два источника, расположенных в разных местах на оси z с примерно одним и тем же угловым положением вокруг исследуемой области. Источники первой внешней проекции следуют контуру облучаемого объема. Способ стереотрубчатой компьютерной томографии содержит этапы, на которых конфигурируют первую внешнюю проекцию первого пучка первой рентгеновской трубки, конфигурируют первую внешнюю проекцию второго пучка второй рентгеновской трубки, вт�

Формула