相鄰雙x射線源ct成像系統(tǒng)及其應用
【專利說明】相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)及其應用 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于CT成像技術領域，特別涉及一種相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)及其應 用。 【【背景技術】】
[0002] 自從1972年Hounsf ield發(fā)明了第一臺CT機，CT技術給醫(yī)學診斷和工業(yè)無損檢測 帶來了革命性的影響，CT已經(jīng)成為醫(yī)療、生物、航空航天、國防等行業(yè)的重要檢測手段之一。
[0003] 2005年西門子公司（Siemens)在北美放射學年會（RSNA)上推出了全球首臺雙源 CT (DSCT)系統(tǒng)-S0MAT0M Definition，在成熟的 S0MAT0M Sensation64 技術和 Straton 零兆金屬球管的基礎上，在機架內整合了兩套64層圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使得整個機架在完 成90°旋轉后即可獲得一幅優(yōu)質影像。機架旋轉一周為0.33s，但只需完成90°旋轉后即 可完成圖像采集，所以其時間分辨率達到了 83ms，實現(xiàn)了單扇區(qū)數(shù)據(jù)的采集與重建，克服了 "多扇區(qū)重建技術"帶來的諸多弊端，極大地提升了圖像質量并有效提高了診斷正確率。但 由于存在諸多亟待需要解決的問題，其實際價值還有待大量的臨床驗證。
[0004] 盡管目前CT技術已經(jīng)在工業(yè)、安檢、醫(yī)療等領域取得了巨大的成功，但由于工程 應用條件的復雜性和多樣性，對CT技術的進一步發(fā)展提出了更高的要求。在CT掃描過程 中經(jīng)常會遇到被掃描物體自身運動的情況，特別是在生物活體CT成像中。例如在醫(yī)療CT 掃描過程，由于人體器官的固有運動，CT影像經(jīng)常存在運動偽影，導致圖像模糊、重影等，嚴 重降低了 CT圖像的質量，有時讓放射科醫(yī)生無法診斷或引起誤診，甚至導致醫(yī)療事故。人 體器官在正常的新陳代謝過程中會存在多種生理性的運動，包括心臟的跳動、肺部的呼吸 運動、脈搏的跳動、腸胃的蠕動等等。這些器官的運動，除去呼吸可以通過摒息來控制，其他 多數(shù)運動都很難使之暫時停止。另外，一些無法自我控制身體運動的特殊群體，如帕金森患 者、幼兒、沒有自我控制能力的精神病人等，都可能在CT掃描過程中存在較大幅度的肢體 運動。所有上述運動會不可避免地在MSCT圖像中形成運動偽影，導致圖像質量變差，甚至 掃描失敗。因此，研究抑制和消除運動偽影的技術對于CT成像具有重要現(xiàn)實意義。
[0005] 在摒住呼吸的情況下，健康人體在10秒鐘內其頭部的平均運動位移約為0. 35mm， 在目前最新的多層螺旋CT (Multi-slice CT，MSCT)圖像只有0. 4mm分辨率的情況下，不會 在圖像中產(chǎn)生嚴重的運動偽影。而人體軀干部分的器官，由于受心跳、腸胃蠕動等運動的影 響更大，運動會比頭部更明顯。特別是對病人而言，由于其身體的控制能力變弱，其運動幅 度可能會超過Imm甚至更多，可能會導致嚴重的運動偽影，影響CT圖像的質量。
[0006] 減少運動偽影的根本辦法是提高成像的速度，以減少掃描過程中器官自身運動帶 來的影響。但是，現(xiàn)有MSCT通過滑環(huán)技術實現(xiàn)X光機和探測器圍繞人體快速旋轉，以完成 CT掃描。目前最快的掃描速度是0. 25秒/圈，受離心力、材料強度等多方面限制，這個速度 已經(jīng)是業(yè)內的極限，在未來幾年內很難有大的突破。除了 MSCT，其他醫(yī)療CT、工業(yè)CT掃描 速度更是遠遠低于〇. 25秒/圈。因此，單純地依靠提高掃描速度是無法做到完全消除運動 偽影的。
[0007] 近來，J. Zhang和G. Yang等人提出了一種基于碳納米管場發(fā)射技術的阿達瑪多路 復用X射線成像（Hadamard multiplexing radiography, HMR)方法，該方法允許探測板在同 一時間同時探測來自多個光源的X射線，這多個X射線源沿著CT掃描軌跡進行空間分布， 這種方法完全不需要CT掃描機架旋轉。此外，由于碳納米管場制發(fā)射的機制，X射線源信 號可以很容易地調制形成不同的波形?；诎⑦_瑪多路復用原理，CT掃描過程中可以采用 基于多像素的X射線源的碳納米管的X線攝影，從而提高曝光劑量來達到減少運動偽影的 目的，提高圖像的信噪比。但是這種方法使用的射線源信號必須是可以調制的。
[0008] 目前抑制運動偽影的另外一個技術是門控技術（Gating)，該技術在心臟成像中已 經(jīng)有相當應用，通過門控技術（Gating)把MSCT的掃描數(shù)據(jù)按照心臟相位進行分組，分別進 行圖像重建，然后利用圖像融合技術得到最終的CT圖像。這種門控技術帶來的問題是一些 X射線投影數(shù)據(jù)沒有得到有效地使用，大大增加了心臟成像的輻射劑量。而醫(yī)療照射己經(jīng)成 為全民最大的人為電離輻射來源，減少CT檢查的X射線劑量是關系到全體社會公眾及其后 代健康的重大課題。
[0009] 目前CT掃描采用步進的方式進行連續(xù)掃描，一個掃描周期內可以獲得很多不同 角度的投影圖像（目前能達到約1000幀)。X光球管功率越高，在每一次投影曝光中發(fā)射的 X光子數(shù)量也越多，進而花費更少的時間來確保投影圖像能夠獲得足夠的曝光劑量，這樣就 很好的提高了掃描速度。然而為了保證發(fā)射足夠多的電子，射線源的陰極燈絲電流必須增 力口，這對陰極燈絲和陽極靶的壽命是有害的。換句話說，在高速旋轉模式下，X射線管必須 工作在高功率的情況下才能在極短的曝光時間內保證圖像的清晰度，而高功率的工作會大 大縮短射線管的壽命。
[0010] 現(xiàn)有的計算機斷層掃描（CT)技術主要是通過提高掃描裝置的旋轉速度來減少成 像的運動偽影。目前最快的掃描速度是0.25秒/圈，受離心力、材料強度等多方面限制，這 個速度已經(jīng)是業(yè)內的極限，在未來幾年內很難有大的突破。除了 MSCT，其他醫(yī)療CT、工業(yè)CT 掃描速度更是遠遠低于〇. 25秒/圈。因此，單純地依靠提高掃描速度是無法做到完全消除 運動偽影的。 【
【發(fā)明內容】
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[0011] 本發(fā)明的首要目的在于提供一種相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)。
[0012] 本發(fā)明的另一目的在于提供所述的相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)的應用。
[0013] 本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：一種相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)，包括X 光源和探測器；所述X光源為相鄰雙X光源，所述相鄰雙X光源與所述探測器正相對設置。
[0014] 所述相鄰雙X光源發(fā)射的光子劑量相同。
[0015] 所述相鄰雙X光源平行于旋轉平面。
[0016] 所述X光源優(yōu)選為X射線光源；
[0017] 所述探測器的圓心位于旋轉中心；
[0018] 所述旋轉中心是指相鄰雙X光源與探測器同步旋轉的中心。
[0019] 所述探測器優(yōu)選為圓弧探測器。
[0020] 一種處理上述相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)得到的投影圖像的分離和重建算法，包 括如下步驟：
[0021] (1)假設在雙光源下的第N個投影表示為yN，單光源下第N個投影表示為x N。一 個旋轉周期內總的投影數(shù)目為M。假設原始投影序列為X=[Xl，. . .，xN，. . .，xM]T，那么，重疊 的投影序列Y=[yi，...，y N，... yM]T與原始投影序列的線性變換有以下關系：
[0022] Y=SX (a)
[0023] 其中，矩陣S只由元素 1和0組成，1表示光源存在，0表示不存在。其定義的具體 形式如下：
【主權項】
1. 一種相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)，包括X光源和探測器；其特征在于，所述X光源 為相鄰雙X光源，所述相鄰雙X光源與所述探測器正相對設置。
2. 根據(jù)權利要求1所述的相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)，其特征在于，所述相鄰雙X光 源發(fā)射的光子劑量相同。
3. 根據(jù)權利要求1所述的相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)，其特征在于，所述相鄰雙X光 源平行于旋轉平面。
4. 根據(jù)權利要求1-3任一項所述的相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)，其特征在于，所述X 光源為X射線光源。
5. 根據(jù)權利要求1所述的相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)，其特征在于，所述探測器為圓 弧探測器。
6. -種處理權利要求1-5任一項所述的相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)得到的投影圖像 的分離和重建算法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 假設在雙光源下的第N個投影表示為yN，單光源下第N個投影表示為xN ; -個旋轉 周期內總的投影數(shù)目為M;假設原始投影序列為X=[Xl，. . .，，xM]T，那么，重疊的投影 序列Y=[yi，. . .，yN，. . .yM]T與原始投影序列的線性變換有以下關系： Y=SX(a) 其中，矩陣S只由元素1和0組成，1表示光源存在，0表示不存在；其定義的具體形式 如下：
其中，矩陣的每一行向量中的1的位置表示射線源存在的位置，〇表示光源還沒有旋轉 到的位置； (2) 假設矩陣S的維數(shù)M=4,實際的投影圖像采集過程可以用簡潔的矩陣表示為：
矩陣S的行數(shù)為M，并且必須滿足條件0 *11=360° ;對于足夠大的M，探測器的弧度角 小滿足L* 0 <ct〈(L+l) ? 0，這表示在經(jīng)過L次投影之后探測器旋轉過的位置與第一次 所在位置已經(jīng)完全分開的了；在對S矩陣進行行變換操作之后，原始投影信號序列Xi可以 從重疊信號序列yi中恢復過來，如公式（d)所示：
這里，i+n>M意味著yi+n=yi+n_M ; (3) 采用扇束反投影算法對投影數(shù)據(jù)進行原始投影圖像的重建。
7. 權利要求1-5任一項所述的相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)應用于醫(yī)療CT或工業(yè)CT中。
【專利摘要】本發(fā)明屬于CT成像技術領域，具體公開了一種相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)及其應用。該系統(tǒng)包括X光源和探測器；所述X光源為相鄰雙X光源，所述相鄰雙X光源與所述探測器正相對設置；所述相鄰雙X光源發(fā)射的光子劑量相同；所述相鄰雙X光源平行于旋轉平面。本發(fā)明采用相鄰雙X射線源同時工作，一方面可以降低每個光源的工作功率從而延長射線管的使用壽命，另一方面可以有效減少圖像的運動偽影。本發(fā)明的實現(xiàn)成本低，不需要對現(xiàn)有的CT設備做很大的結構改進；可以應用于醫(yī)療CT或放射曝光劑量較大的工業(yè)CT中。
【IPC分類】A61B6-03
【公開號】CN104545963
【申請?zhí)枴緾N201310474065
【發(fā)明人】安謀, 張翠, 李榮茂, 謝耀欽
【申請人】中國科學院深圳先進技術研究院
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年10月11日