專利名稱：為產(chǎn)生x射線斷層造影圖像自動(dòng)設(shè)置x射線劑量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種為通過X射線CT設(shè)備產(chǎn)生斷層造影圖像而自動(dòng)設(shè)置X射線劑量的方法。
背景技術(shù)：
在計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)中產(chǎn)生檢查對(duì)象圖像時(shí)，不可避免的是在圖像中出現(xiàn)一定電平的噪聲。通常，噪聲電平可以通過增加管電流、從而增加X射線劑量而降低。然而這不能不加選擇地進(jìn)行，因?yàn)楸仨毐苊馐箼z查對(duì)象過度地暴露在X射線中。
此外，由于各自不同的組織和物理尺寸，人體檢查對(duì)象的不同部位表現(xiàn)出不同的衰減。特別是在掃描身體較大部分的計(jì)算機(jī)斷層造影檢查中，該身體的較大部分可能包括上述不同尺寸的身體區(qū)域，從圖像質(zhì)量的觀點(diǎn)來看不希望對(duì)整個(gè)掃描選擇一種且僅僅一種管電流/X射線劑量，因?yàn)樵搫┝靠赡苓m合于掃描對(duì)象的一部分，但可能不適合于掃描該對(duì)象的其它部分。如果對(duì)于整個(gè)掃描采用單一的劑量，則必須選擇一個(gè)折衷值。
已經(jīng)進(jìn)行了不同的研究，用于分析在CT圖像中的噪聲電平和各種與產(chǎn)生CT圖像有關(guān)的各種參數(shù)的相應(yīng)值之間的關(guān)系。這種研究的一個(gè)例子是文章“Noise Due To Photon Counting Statistics in Computed X-Ray Tomography”，Chesler等人，Journal of Computed Assisted Tomography，Volume 1，No.1(1977)，64-74頁(yè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于在產(chǎn)生計(jì)算斷層造影圖像時(shí)調(diào)節(jié)X射線劑量的方法，其中，在沒有將檢查對(duì)象過度暴露在X射線中的條件下產(chǎn)生具有恒定圖像質(zhì)量的全圖像。
上述技術(shù)問題是根據(jù)本發(fā)明的原則通過一種方法實(shí)現(xiàn)的，其中，在仍然保證適當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量的同時(shí)，將管電流自動(dòng)限制在檢查對(duì)象衰減的較高電平上。最好是安裝在CT設(shè)備的支架上的管負(fù)載計(jì)算機(jī)，采用在對(duì)于不同衰減值的參考測(cè)量中獲得的值，并且根據(jù)所測(cè)量的衰減和正在被檢查的特定器官或身體區(qū)域?qū)茈娏鬟M(jìn)行適當(dāng)?shù)南拗?。參考測(cè)量可以利用水模型獲得。在具有不同衰減的水模型的基礎(chǔ)上確定所希望的圖像噪聲、管電流、對(duì)象的最大衰減和探測(cè)器電壓的相互關(guān)系。這些值被存放在一個(gè)用于特定管電壓和斷層厚度的表格中。該表格由負(fù)載計(jì)算機(jī)查閱，并通過從該表格中選擇出其衰減最近似于被檢查的器官或區(qū)域的衰減的水模型的參數(shù)，為該特定器官或身體區(qū)域的檢查設(shè)置工作參數(shù)。


圖1是一臺(tái)用于解釋本發(fā)明方法的CT設(shè)備的示意圖，圖2是說明在CT圖像中噪聲來源的流程圖，圖3是顯示對(duì)于CT設(shè)備的不同操作模式的探測(cè)器電壓的圖形，圖4是顯示作為衰減函數(shù)的實(shí)際管電流與參考管電流的比率的圖形，圖5是顯示作為對(duì)象衰減函數(shù)的噪聲的圖形，圖6示出用于本發(fā)明方法中的取決于衰減的管電流，圖7示意地說明根據(jù)本發(fā)明為掃描不同身體區(qū)域?qū)茈娏鞯恼{(diào)節(jié)。
具體實(shí)施例方式
首先歸納測(cè)量系統(tǒng)、吸收和噪聲之間理論上的相互關(guān)系并用于在Plus 4上的測(cè)量。下面，對(duì)自動(dòng)劑量過程進(jìn)行討論。
在測(cè)量投影和漸顯斷層h期間，由管發(fā)射的量子數(shù)N0取決于管高壓kV，管電流I管、預(yù)濾波V和楔形濾波器WN0＝N0(kV，I管，h，V，W) (1)對(duì)于圖1所示的系統(tǒng)，預(yù)濾波可以假設(shè)為常數(shù)。楔形濾波器引起量子N0的依賴于探測(cè)器信道的變化。高壓以及預(yù)濾波和楔形濾波器確定了X射線頻譜的頻譜能量分布。
N與高壓U、管電流I和斷層厚度h的下列函數(shù)關(guān)系成立N=N0*(UU0)2.26*(II0)*(hh0)---(2)]]>可以看出N～I(xiàn)，N～h和N～U2.26。如果U＝常數(shù)，h＝常數(shù)，則量子數(shù)按線性關(guān)系取決于管電流I。
在穿過具有厚度d和吸收μ的均勻介質(zhì)之后，下列關(guān)系對(duì)于量子數(shù)N成立N＝N0·e-μd(3)給出對(duì)象衰減A為A＝N0/N (4)N是撞擊在探測(cè)器上并在該探測(cè)器信道中產(chǎn)生信號(hào)UDet的量子數(shù)UDet＝c·N (5)常數(shù)c是描述量子吸收和量子轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(信號(hào)/量子)的探測(cè)器特性。c取決于X射線頻譜的頻譜能量分布和探測(cè)器的頻譜靈敏度。如果沒有吸收體，則使用N0代替在公式(5)中的N。
由于量子噪聲使得根據(jù)公式(5)的探測(cè)器信號(hào)變化。此外，必須考慮電子噪聲UE。因此對(duì)于探測(cè)器信號(hào)成立UDet＝UQuanten+UE(6)量子噪聲是以泊松統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的，從而下式成立UQuanten=c*(N‾±N)=c*N---(7)]]>結(jié)合公式(4)，對(duì)于經(jīng)過具有衰減A的對(duì)象后的量子噪聲UQ下式成立UQ=c*N0A=U0A*N0---(8)]]>按照公式(5)，U0是沒有吸收體時(shí)的探測(cè)器信號(hào)。從公式(8)可以看出存在衰減A0，在該衰減下量子噪聲等于電子噪聲A0＝(U0/UE)2/N0＝(c/UE)2*N0(9)公式(6)可以變換為UDer=c*N0/A+c*N0/A+UE---(10)]]>因此，探測(cè)器信號(hào)取決于對(duì)于掃描器的所有工作模式都相同的、針對(duì)系統(tǒng)的量(預(yù)濾波、楔形濾波器、探測(cè)器常數(shù)c)，以及由用戶選擇的量(kV，I管，h)，自然也取決于測(cè)量對(duì)象的衰減A。除了通過線積分進(jìn)入再現(xiàn)的測(cè)量信號(hào)的噪聲之外，還必須考慮再現(xiàn)本身產(chǎn)生的噪聲，如圖2所示。
對(duì)于線性插值，在測(cè)量場(chǎng)中心的均勻水盤的圖像噪聲σ計(jì)算如下σ=500μwaD3NEQqr---(11)]]>
相對(duì)噪聲系數(shù)qr考慮了再現(xiàn)算法的噪聲。根據(jù)定義，對(duì)于線性插值的Shepp-Logan的中心原子核qr＝1。aD是由探測(cè)器確定的并相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心的掃描光柵。對(duì)于噪聲等效的量子NEQ下式成立NEQ=Ng*N0aD*A---(12)]]>NR是每次掃描的讀次數(shù)(投影數(shù)*讀次數(shù)，例如，1.5秒1056個(gè)投影·2)。從公式(11)和(12)可以看出量子數(shù)(劑量)、對(duì)象衰減和圖像噪聲之間的關(guān)系。
N0=AaD2*NR*(500μW*σ*qr)2---(13)]]>下表顯示在Plus 4(UFC探測(cè)器)模式(質(zhì)量/噪聲)對(duì)20cm水模型的測(cè)量結(jié)果

因此，利用公式(13)可以計(jì)算出N0(aD＝0.34mm)N0＝1.68·106。為了確定電子噪聲


由上面的值，UE＝32.93μV。
為了確定探測(cè)器信號(hào)的強(qiáng)度

由上面的值，U0＝4460736μV。
因此，從公式(8)利用測(cè)量可以為每個(gè)衰減確定量子噪聲和探測(cè)器常數(shù)c，如果假設(shè)衰減為12000倍，則得到UQ＝41μV。
從方程(5)，利用測(cè)量到的U0和確定的N0值，可以確定常數(shù)c為c＝2.65μV/量子。
按照公式(10)對(duì)于沒有噪聲成分的探測(cè)器信號(hào)，UDet＝c*N/A成立。N可以根據(jù)方程(2)計(jì)算。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間Tl可以沒有問題地加入到該公式中。已經(jīng)為Plus 4 UFC探測(cè)器確定了常數(shù)c。在圖3中示出了對(duì)于各種對(duì)象衰減(水模型)和測(cè)量記錄的探測(cè)器信號(hào)的強(qiáng)度。顯然，對(duì)于以4000的對(duì)象衰減(對(duì)應(yīng)于直徑為40cm的水模型)開始的1mm斷層，電子噪聲比探測(cè)器信號(hào)大。肩部的衰減值可以達(dá)到10000。圖3示出了對(duì)于不同模式的探測(cè)器電壓。
可以從前面提到的圖2中看出，噪聲由兩部分組成來自測(cè)量系統(tǒng)的噪聲(量子和電子噪聲)和來自圖像再現(xiàn)的噪聲。后者取決于對(duì)象特性(A，μw)、系統(tǒng)參數(shù)(aD)、記錄參數(shù)(NR，N0)和圖像再現(xiàn)的參數(shù)(插值，原子核[qr])。對(duì)象特性和系統(tǒng)參數(shù)不能被影響；圖像再現(xiàn)的參數(shù)通常由所使用的器官模式確定，因此，N0即管電流保持為可變的量，它必須在測(cè)量期間在線地優(yōu)化。在旋轉(zhuǎn)過程中將管電流與最大對(duì)象衰減進(jìn)行匹配是必要的。
對(duì)象衰減的確定已經(jīng)是劑量調(diào)制的一部分并且可以采用。對(duì)于單線(或行)探測(cè)器，這涉及到1.對(duì)原始數(shù)據(jù)的偏移校正2.對(duì)投影的平滑(例如，滑動(dòng)[或可變、靈活的]平均)3.數(shù)據(jù)(U顯示器/Uk)的規(guī)范化，Uk＝第k個(gè)探測(cè)器信道的信號(hào))4.計(jì)算所有探測(cè)器信道的最大值。
最佳劑量是通過參考測(cè)量確定的。由于公式(11)用于計(jì)算圓形、同質(zhì)的水模型，因此首先僅僅需要考慮這樣的模型。在具有不同衰減的水模型的基礎(chǔ)上確定了期望的圖像噪聲σ、管電流IRef、對(duì)象的最大衰減A和探測(cè)器電壓UDet之間的相互關(guān)系。這些值UDet(A，σ，I)被存放在一個(gè)用于特定管電壓UkV和斷層厚度h的表格中。
如果σ被固定地預(yù)先確定，即原子核沒有改變，則考慮探測(cè)器信號(hào)UDet就足夠。從公式(6)和(7)中得出下式UDet=c*N0A+UE---(14)]]>對(duì)于可以接受的圖像質(zhì)量，電子噪聲必須是可以忽略的。根據(jù)衰減A預(yù)先確定最小管電流I，使得c*N0/A＞UE成立。這樣UDet被簡(jiǎn)化為UDet=c*N0A---(15)]]>UDetRef，σ，N0Ref，ARef是用于具有衰減A的模型的參考測(cè)量的參數(shù)，使得對(duì)于給定的劑量N0產(chǎn)生圖像噪聲σ和探測(cè)器信號(hào)UDet。如果此時(shí)測(cè)量一個(gè)具有不同衰減Aact，即不同直徑的對(duì)象，則必須改用N0act使得下式成立
UDetRef,σ=UDetact---(15)]]>應(yīng)用公式(2)和(15)得到下式AactAREf=(UactkVURefkV)2.26*(IactIRef)*(hacthRef)---(16)]]>此外，公式(16)考慮了管電壓和斷層厚度。如果這些未被修改，則可以計(jì)算出新的管電流IactIact=AactARef*IRef---(17)]]>圖4是對(duì)應(yīng)于公式(17)計(jì)算的，其中直徑為20cm的圓形水模型(A＝46.5)用作參考，而對(duì)于IRef＝146mA進(jìn)行規(guī)范化。顯然，對(duì)于直徑大于25cm(對(duì)應(yīng)于122的衰減)的模型，不能再設(shè)置所需要的管電流！在肩部區(qū)域，衰減大于10000！因此隨著衰減增加必須允許更高程度的噪聲。在圖5中，在管電流保持為常數(shù)和管電流按照?qǐng)D4增加的情況下，相對(duì)于該衰減描繪出了噪聲。
因?yàn)樽畲蠊茈娏鱅max是由系統(tǒng)預(yù)先確定的，有必要保證Iact＜Imax繼續(xù)成立。然而，在臨床應(yīng)用中形勢(shì)不象按照?qǐng)D4和5所看來的那樣消極。并不期望利用腹部測(cè)量的低度噪聲來檢查肩部。
通過隨著衰減的增加而減少瞬間管電流變化的梯度，可以限制管電流。在圖6中，這通過將衰減區(qū)域劃分為三個(gè)具有下降梯度的段而實(shí)現(xiàn)。與圖4的比較顯示出管電流的增加從系數(shù)120降低到系數(shù)5。衰減的劃分可以在另一個(gè)具有相應(yīng)不同梯度的區(qū)域中進(jìn)行，使得從公式(17)得到Iact=g(organ,Aorgan)AactARef*fuser*IRef---(18)]]>如果最大衰減例如由存儲(chǔ)圖(topogram)測(cè)量已知，則g(organ，Aorgan)是根據(jù)器官模式和最大衰減預(yù)先確定的。
fuser是一個(gè)系數(shù)，它允許用戶將參考電流IRef調(diào)節(jié)到其希望的值，以便達(dá)到較低的噪聲程度或者更多節(jié)省的劑量。該系數(shù)應(yīng)該一次性調(diào)整完畢然后保持不變。
如在劑量調(diào)制中的那樣，在自動(dòng)劑量中在測(cè)量的同時(shí)也在線地改變管電流。與在本實(shí)施中僅僅減少管電流的調(diào)制相反，在自動(dòng)劑量中有必要增加電流。
圖7中示出了一種方法，其中，對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的自動(dòng)控制被標(biāo)為“自動(dòng)”。如同前面同樣的情況，管負(fù)載計(jì)算機(jī)考慮由用戶選擇器官程序所需要的額定電流，并且交互地執(zhí)行優(yōu)化過程以避免冷卻中斷。如果利用規(guī)定的掃描記錄沒有實(shí)現(xiàn)最大熱管負(fù)載，則負(fù)載計(jì)算機(jī)模擬可能的最大極限。按照這種方法，所有掃描的額定電流可以成比例增加，或者電流增加的幅度按照針對(duì)器官的方式進(jìn)行。這些極限為了控制目的被下載，并預(yù)先確定管電流的最大變化范圍。
下表描述了圖7所示的掃描

Iautoi(旋轉(zhuǎn))＜＝ITLCmaxii＝掃描號(hào)碼 (18)監(jiān)視測(cè)量中的管負(fù)載并限制瞬間管電流的在線管負(fù)載計(jì)算機(jī)可以設(shè)置在支架上，從而可以按“合理”的管電流測(cè)量所有計(jì)劃的掃描。應(yīng)當(dāng)避免例如下列的情況利用最佳管電流測(cè)量三個(gè)螺線中的兩個(gè)，而對(duì)于第三個(gè)則必須非常強(qiáng)烈地減小該電流。
在使用造影劑的檢查中，一個(gè)掃描區(qū)域被測(cè)量?jī)纱??？刂茊卧⒁獾阶畲笏p和調(diào)制函數(shù)并在第二掃描中利用它們。如果必要可以在z方向上進(jìn)行內(nèi)插。
最大衰減預(yù)先從兩個(gè)正交的存儲(chǔ)圖中確定。利用同樣在控制單元中用于衰減和管電流之間相互關(guān)系的算法，可以提前產(chǎn)生對(duì)所要求的管電流的良好估計(jì)。
盡管本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以提出修改和變動(dòng)，發(fā)明者試圖將所有變動(dòng)和修改對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)包括在這里保證的專利的范圍內(nèi)是合理和適當(dāng)?shù)摹?br> 權(quán)利要求
1.一種為通過計(jì)算機(jī)斷層造影產(chǎn)生圖像而自動(dòng)控制X射線劑量的方法，包括下列步驟在計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備中使用可由管電流操作的X射線管，利用來自所述X射線管的X射線照射多個(gè)分別具有不同輻射衰減的模型以產(chǎn)生每個(gè)模型的計(jì)算機(jī)斷層造影圖像，從而獲得多個(gè)參考測(cè)量；對(duì)于每個(gè)所述模型的每個(gè)圖像，設(shè)置所述X射線管的管電流，該管電流在代表可接受的圖像質(zhì)量的該模型的圖像中產(chǎn)生預(yù)定的噪聲電平；和隨后利用所述計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備，通過用來自所述X射線管的X射線照射檢查對(duì)象來產(chǎn)生該檢查對(duì)象的計(jì)算機(jī)斷層造影圖像，并且，對(duì)于表現(xiàn)出與至少一個(gè)所述模型的衰減相似的衰減的所述檢查對(duì)象的有關(guān)區(qū)域，根據(jù)對(duì)于該至少一個(gè)模型的參考測(cè)量，自動(dòng)限制該X射線管的管電流，以便在所述檢查對(duì)象的該至少一個(gè)區(qū)域的圖像中獲得與該模型圖像中的噪聲電平和圖像質(zhì)量相似的噪聲電平和圖像質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括采用水模型作為所述模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括將對(duì)于每個(gè)模型的每個(gè)參考測(cè)量的值存放在一個(gè)用于不同負(fù)載電流的表格中，并且在照射所述檢查對(duì)象的同時(shí)，利用一臺(tái)連接到該X射線管并可以訪問所述表格的管負(fù)載計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)所述管電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種為通過計(jì)算機(jī)斷層造影產(chǎn)生圖像而自動(dòng)控制X射線劑量的方法。為了在CT設(shè)備中在對(duì)檢查對(duì)象進(jìn)行掃描時(shí)自動(dòng)控制或調(diào)節(jié)X射線劑量，首先通過獲得具有不同衰減的各模型的CT圖像進(jìn)行一系列的參考測(cè)量。將對(duì)于每個(gè)模型的管電流存放在一個(gè)表格中，該管電流產(chǎn)生該模型的具有可接受噪聲電平并因此而具有可接受圖像質(zhì)量的圖像。在對(duì)檢查對(duì)象的后續(xù)CT掃描中，如果照射其衰減與模型之一的衰減相似的對(duì)象的一個(gè)區(qū)域，則自動(dòng)調(diào)整管電壓，以便在照射該檢查對(duì)象時(shí)采用為該相似模型產(chǎn)生可接受質(zhì)量的圖像的管電流。
文檔編號(hào)H05G1/50GK1593342SQ20041007525
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月11日
發(fā)明者迪特馬·亨特謝爾, 斯蒂芬·波普斯卡, 克里斯托弗·薩斯, ?？啤の譅柗?申請(qǐng)人:西門子公司