X射线计算层析成像设备 【技术领域】
本发明涉及一种用于实时显示对象图像的X射线计算层析成像(CT)设备。
背景技术
传统地，X射线CT设备用于实时重建和显示对象图像。虽然单切片(single slice)CT设备可以用于仅重建一幅层析图像，但是多切片(multi slice)CT设备可以用于以实时方式同时重建多幅层析图像。一种多切片CT设备公开于美国专利6,363,134号。多切片CT设备适于各种诊断，包括针灸诊断。对于针灸诊断，当操作者将针插入病人身体时，多切片CT设备实时重建三幅层析图像。例如，第一层析图像位于针的尖端位置，第二层析图像位于针的中间位置，并且第三层析图像位于针的末端位置，从而观察所插入针的整个成像位置。在该针灸诊断期间，操作者立于病人身旁，一边观察显示在CT设备台架(gantry)附近的图像，一边操作针。
然而，传统多切片CT设备只能提供垂直层析图像。因此，操作者难以确切知道针的插入状态。
【发明内容】
本发明意图解决传统CT设备的上述问题和缺陷。因此，本发明提供一种X射线计算层析成像设备，包括：X射线源，被配置为向对象照射X射线；X射线检测单元，被配置为检测透过对象的X射线并且产生对应信号；数据获取单元，被配置为根据对应信号获取数据；重建单元，被配置为根据获取数据，以预定期间连续重建对象的层析图像；创建单元，被配置为根据获取数据以预定期间连续创建对象的层面图像；以及显示单元，被配置为显示层析图像和层面图像。
另外，根据本发明，提供一种X射线计算层析成像设备，包括：X射线源，被配置为向对象照射X射线；X射线检测单元，被配置为检测透过对象的X射线并且产生对应信号；数据获取单元，被配置为根据对应信号获取数据；重建单元，被配置为根据获取数据重建对象的层析图像；输入单元，用来输入对象层面图像的方向；创建单元，被配置为根据层面图像的方向，按照获取数据，创建层面图像；以及显示单元，被配置为显示层析图像和层面图像。
此外，根据本发明，提供一种X射线计算层析成像设备，包括：X射线源，被配置为向对象照射X射线；旋转单元，被配置为旋转X射线的焦点；X射线检测单元，被配置为检测透过对象的X射线并且产生对应信号；数据获取单元，被配置为当X射线的焦点旋转的时候，根据对应信号获取数据；重建单元，被配置为根据获取数据重建对象的层析图像；创建单元，被配置为根据获取数据，创建对象的层面图像；以及显示单元，被配置为显示层析图像和层面图像。
此外，根据本发明，提供一种X射线计算层析成像设备，包括：X射线源，被配置为向对象照射X射线；X射线检测单元，被配置为检测透过对象的X射线并且产生对应信号；数据获取单元，被配置为根据对应信号获取数据；重建单元，被配置为根据获取数据重建对象的层析图像；创建单元，被配置为根据获取数据包括用于层析图像的一部分数据，创建对象的层面图像；以及显示单元，被配置为显示层析图像和层面图像。
此外，根据本发明，提供一种用于控制X射线计算层析成像设备的方法，包括：由X射线源向对象照射X射线；由X射线检测单元检测透过对象地X射线以产生对应信号；由数据获取单元根据对应信号获取数据；由重建单元根据获取数据以预定期间连续重建对象的层析图像；由创建单元根据获取数据以预定期间连续创建对象的层面图像；以及由显示单元显示层析图像和层面图像。
【附图说明】
通过下面结合附图的详细描述，本发明的更全面评价及其很多附属优点将随着理解的深入而变得容易实现。贯穿附图只要可能就将使用相同的标号来表示相同或类似的部分。在附图中：
图1是本发明一个实施例的X射线CT设备的透视图；
图2是图1所示的实施例的X射线CT设备的方框图；
图3说明图1中的实施例的多切片X射线检测器；
图4说明X射线管的位置和层面图像的方向；
图5说明将针插入到对象中的情况；
图6是插入到对象中的针在监视器上的显示图；
图7A是表示层面图像方向的一个例子；
图7B是表示层面图像方向的另一个例子；
图7C是表示层面图像方向的另一个例子；
图8A是示出层面图像和同步显示层析图像的时序图；
图8B是示出层面图像和异步显示层析图像的时序图；以及
图9是根据本发明另一个实施例的针插入监视器图。
【具体实施方式】
参照图1和图2，本发明的X射线CT设备包括台架1、床2、控制柜3、输入装置6、电源4、显示器5和7、以及各种控制器31到33，例如由R-R(旋转-旋转)系统驱动。此外，X射线CT设备还包括高压控制器31、台架控制器33和床控制器32。床2的纵向定义为切片方向(slice direction)Z。与切片方向Z垂直的X射线照射方向定义为X射线束照射方向Y，并且与切片方向和X射线束照射方向垂直的方向定义为通道方向(channel direction)X。
床2的顶板2a可滑动地支撑在床2的上表面上，以沿着切片方向Z移动。病人P躺在顶板2a上。顶板2a通过床驱动装置2b如伺服电机移入台架1的诊断口。床驱动装置2b从床控制器32接收驱动信号。床2包括位置检测器，如用于检测顶板2a沿着切片方向Z的位置以输出对应电信号的编码器。电信号作为床控制信号传送到床控制器32。
台架1包括大致圆柱旋转式旋转框架。诊断口位于旋转框架的内部。在旋转框架中，X射线管10和多切片检测器11以相互面对的方式安置。病人P位于X射线管10与检测器11之间，如图2所示。高压产生器21、预准直仪22、预准直仪控制器221、数据获取系统(DAS)24和台架驱动装置25装备在旋转框架的预定位置。预准直仪22沿着切片方向Z具有可变大小的孔隙以确定从X射线管10照射的X射线束宽度。孔隙宽度由预准直仪控制器221改变。作为X射线源的X射线管10例如是旋转阳极X射线管。X射线管的灯丝由从高压产生器21提供的电流加热，从而向作为目标的旋转阳极发射电子。电子撞击目标表面以形成有效焦点，并且从目标表面的有效焦点部分照射X射线束(扇形射束)。高压产生器21通过低压汇流环26从电源装置4接收低压电能。它还通过光信号传输系统27从高压控制器31接收X射线照射控制信号。因此，高压产生器21从接收低压电能产生高压，并且根据控制信号从高压产生脉冲形状的管电压。脉冲形状的管电压提供给X射线管10。
多切片检测器11包括在切片方向Z上具有多个检测阵列例如16个阵列的二维检测器，如图3所示。各检测阵列沿着通道方向Y具有多个检测元件。X射线管10和X射线检测器11可以根据旋转框架的旋转而围绕着诊断口的旋转中轴旋转。多切片检测器11的各检测元件具有固态检测器结构，包括闪烁物和光电二极管，用于将进入发射X射线转换成对应电流信号。由多切片检测器11检测的电流信号发送到DAS 24。DAS 24对电流信号进行放大，并且对放大电流信号进行A/D转换。转换信号发送到数据传输单元28。DAS 24包括数据选择单元，用于根据阵列选择信号从“N通道×F阵列”检测信号(N和F是大于“1”的正整数)选择一个检测阵列的检测信号。DAS 24聚集(bundle)切片方向Z上的检测信号。DAS 24将聚集信号从模拟信号放大并转换成数字信号。阵列选择信号从主控制器30提供。数据传输单元28连接台架1中旋转单元与静止部分之间的信号路径。使用用于以非接触方式传输信号的光传输系统，作为数据传输单元28。
校正单元34根据来自主控制器30的处理命令，对从DAS 24提供的数字数据执行各种校正处理。校正数据响应来自主控制器30的写入命令而临时存储在数据存储单元35中。存储数据以所需定时根据来自主控制器30的读取命令从数据存储单元35读出。读出数据传输到重建单元36和创建单元38。在主控制器30的控制下，重建单元36通过卷积反投影方法根据传输数据重建层析图像。重建单元36可以以比数据获取时间短的时间重建多幅层析图像。创建单元38在主控制器30的控制下根据传输数据创建特定方向上的层面图像。层面图像不是重建而是根据特定方向数据创建的。当创建层面图像时，可以执行某校正如扇角(fan-angle)校正。传输到重建单元36的数据可以不同于传输到创建单元38的数据。
在主控制器30的控制下，层析图像数据和层面图像数据根据需要存储在数据存储单元35中。它们还发送到显示处理器37。显示处理器37对层析图像数据执行所需处理如颜色转换处理、标注数据和扫描信息的叠加处理。处理数据提供给显示器5。显示处理器37还对层面图像数据执行所需处理。显示器5将层析图像数据和层面图像数据从数字数据转换成模拟数据，从而在监视器上实时显示这两种图像。
输入装置6允许操作者输入各种扫描条件指定信息如X射线检测器的检测阵列的数目和位置，扫描部分和位置、切片厚度、X射线管电压和电流、层面成像方向、层面图像数目和图像显示条件。层面成像方向表示从操作者观察层面图像的多个方向。如图4所示，在本实施例中，从四个方向例如0、90、180、270度观察相应数目的层面图像。
操作者立于病人身旁，一边观察台架1附近的显示器5，一边操作针。在操作者将针插入到病人身体之前，操作者通过输入装置6输入扫描条件，从而使针显示在显示器5上。图5作为一个例子示出当成像部分是病人胸部时的监视器图。假定检测阵列在切片方向Z上的切片宽度是0.5mm，输入切片厚度是2.0mm，并且输入检测阵列数目是16作为扫描条件，层析图像数目设为4，即A到D。层析图像数目传输到DAS24。作为扫描条件的输入X射线管电压和电流传输到X射线管10以通过高压控制器31和高压产生器21进行控制。作为扫描条件的输入扫描部分和位置传输到预准直仪控制器221和DAS 24以进行控制。操作者考虑针的插入方向来设置层面图像数目和各自的方向。在本实施例中，例如，采取0度、90度、180度、270度。有关这些数目和方向的信息传输到创建单元38。
在实时成像中，受到台架驱动装置25和台架控制器33的控制，X射线管10如图4所示沿着切片方向Z围绕旋转轴C旋转，其中，图4是从病人P脚部方向的示例图。在本实施例中，病人P的正面方向是0度，左手方向是90度，背面方向是180度，并且右手方向是270度。在本实施例的实时成像中，X射线管的位置在切片方向Z上不改变。因此，顶板2a由床控制器32控制以进行固定。在该实时成像中，执行动态扫描以在切片方向Z上对病人P的相同位置连续成像。通过实时成像的获取数据通过校正单元34和数据存储单元35传输到重建单元36和创建单元38。传输到重建单元36的数据变成全方向即360度数据，如图5的区域A到C所示。重建单元36重建对应于区域A到C的三幅层析图像。另一方面，传输到创建单元38的数据仅是特定方向数据，如0度、90度、180度、270度。创建单元38创建对应于各区域A到D的四幅层面图像。在本实施例中，层面图像的检测阵列数目大于层析图像。因此，层面图像在切片方向Z上的数据获取范围(A到D)大于层析图像(A到C)。即使层析图像的数据获取范围窄，例如，切片厚度小，也可以在切片方向Z上创建宽层面图像。这些数据(A到C、0度、90度、180度、270度数据)既用于层析图像，又用于层面图像。
层析图像和层面图像通过显示处理器37显示在显示器5和7上。图6示出监视器5上的显示。在位于一条直线上的中央三个区域，显示三幅层析图像A、B和C。四幅层面图像围绕中央层析图像B排列。当X射线管10位于0度时，根据获取数据，将所创建的层面图像显示在中央层析图像B的上侧。类似地，右侧图像是90度图像，下侧图像是180度图像，并且左侧图像是270度图像。如图6所示，层析图像A到C的区域可以通过颜色与非层析图像区域D区分显示。在这种情况下，操作者可以容易地知道层析图像区域。此外，如图6所示，层析图像A到C的各自位置也可以通过字母如A、B和C区分显示。在这种情况下，操作员可以容易地知道层析图像与层面图像之间的关系。
图7A到7C示出表示层面图像方向的例子。图7A示出通过数字字符表示层面图像方向的例子。图7B通过示出X射线管的位置和照射X射线范围的图来表示层面图像方向。图7C通过示出X射线管的位置和台架圆圈的图来表示层面图像方向。层面图像方向可以在照射X射线的时候改变。
层析图像和层面图像实时生成。为了简化说明，下面对0度层面图像方向进行说明。各图像的显示定时将作为两种模式来说明。在第一模式中，如图8A所示，层析图像与层面图像同步。最上一条线示出层面图像的数据获取期间。数据获取期间从照射X射线时开始，并且当数据存储在数据存储单元35中时结束。由于获取数据不是所有360度数据而是接近于0度的特定方向数据，因此它采取短期间。下一条线示出层面图像的创建期间。创建期间以从数据存储单元35读出数据时开始，并且当完成层面图像的创建时结束。第三条线示出层面图像的显示期间。类似地，第四条线示出层析图像的数据获取期间。由于获取数据是全360度数据，因此它比层面图像采取更长的期间。第五条线示出层析图像的重建期间。重建期间以从数据存储单元35读出数据时开始，并且以当完成层析图像的重建时结束。由于在重建中执行卷积反投影处理，因此一般它比层面图像的创建采取更长的期间。因此，用于准备显示层析图像的期间不同于层面图像。作为一个例子，层析图像与层面图像之间的显示同步以虚线如图8A所示执行。因此，同时显示这两种图像。这意味着延迟层面图像的显示直到准备好层析图像为止。这样，由于同时更新这两种图像，因此操作者可以容易地观察这两种图像。
作为第二模式，图8B示出层析图像与层面图像异步。在图8B中，异步显示层面图像而与层析图像无关。也就是，单独更新各图像。在本例中，层面图像比层析图像更新得更频繁。当如同本例单独更新各图像时，操作者可以更实时地观察针插入的状态。虽然在上面例子中说明了同步或异步显示定时，但是也可以同步图像生成定时。
本发明可以采取各种变型来应用
1.CT类型
在上述实施例中，说明了第三代CT设备，也就是，X射线管和检测器围绕着病人同步移动，但是本发明可以应用于其他X射线CT设备。例如，本发明也可以应用于第四代CT设备，其中，X射线检测器以圆柱形图案布置并且X射线管旋转，以及应用于第五代CT，其中，电子束撞击以环形或圆柱形图案布置的固定目标以产生由固定检测器接收的X射线。本发明还可以应用于具有多个X射线管如三个管和对应X射线检测器的多X射线管CT设备。在这种情况下，可以更频繁地创建层面图像和层析图像。
2.检测器类型(256个阵列，表面检测器)
在上述实施例中，作为例子示出具有16个检测阵列的X射线CT设备。然而，也可以使用其他数目的检测阵列。例如，本发明可以应用于具有256个阵列多切片检测器的X射线CT设备，并且也可以应用于使用表面检测器如图像增强器的X射线CT设备。
3.重建方法
在本发明中，可以应用各种重建方法。例如，可以使用进行常规滤波反投影而与旋转轴方向上的X射线束角度即圆锥角度无关的重建方法。或者可以使用通过根据圆锥角度按照数据获取路线反投影获取数据来重建图像的重建方法。在这种情况下，各阵列的获取数据不由前述校正单元聚集，而是重建具有重建时所指定切片厚度的图像。通过这种方式，可以改善使用较大数目的检测阵列重建的图像的图像质量。此外，在上述实施例中，虽然说明了从360度数据重建图像的情况，但是也可以使用采用约180度(180度+扇角)数据的一半重建方法和采用以预定角度获取的部分数据的部分重建方法。
4.层面图像创建方法
在上述实施例中，说明了0度层面图像不同于180度层面图像的情况。然而，这两幅层面图像近似相互倒置。因此，倒置层面图像可以视作与相对层面图像相同的图像。在这种情况下，可以以一半时间更新显示层面图像。当操作者设置层面图像方向为0度时，在180度也更新层面图像。通过使用该倒置层面图像创建方法，可以更频繁地更新层面图像。此外，在上述实施例中，操作者设置层面图像方向及其数目，但是层面图像方向或其数目可以预先固定。或者可以提供用于自动检测针插入方向的针检测器来确定层面图像方向。
5.显示方法
在上述实施例中，以同步方式显示层析图像和层面图像，或者以异步方式比显示层析图像更频繁地显示层面图像。然而，本发明也可以使用其他显示方法。例如，通过使用快速重建方法，如一半重建方法或部分重建方法，层析图像的显示可以快于层面图像。或者通过使用如上所述的180度层面图像创建方法，层面图像的显示可以比层析图像的显示更频繁。
在上述实施例中，层面图像是围绕着层析图像之一来显示的，但是也可以应用其他显示方法。例如，可以在层析图像的上侧、下侧、右侧和左侧的至少一侧显示层面图像。此外，在上述实施例中，两幅层面图像位于三幅层析图像之间的两个位置，然而，一幅层面图像可以位于三幅层析图像之间的至少一个位置。
在上述实施例中，所有图像都显示在单个显示器中。然而，本发明可以应用于其他图像显示方法。例如，多幅图像可以分别显示在单独显示器上。通过这种方式，可以扩大各幅图像的显示区域。另外，还可以使用投影式显示器。在这种情况下，可以以很高的放大比例显示图像，并且更便于观察图像。而且，可以使用头戴式显示器(HMD)。在这种情况下，由于图像显示在视野范围内而与操作者的面对方向无关，因此操作者不需要在操作过程期间回头观察显示器，并且可以减轻操作者的负担，从而改善操作性。
6.聚集位置
在上述实施例中，用于聚集数据的单元是校正单元34，但是本发明也可以应用于其他单元。例如，数据获取系统(DAS)24可以执行与数据聚集有关的处理，或者在重建各幅图像之后执行与图像聚集有关的处理。
7.叠加图像显示
在上述实施例中，在一条线上显示多幅图像。然而，本发明也可以使用其他图像显示方法。例如，可以与R、G和B相对应产生具有不同切片位置的三幅图像，并且可以叠加显示单幅图像。在这种情况下，是以三幅图像为例，但是图像数目可以不是三。本发明可以应用于两幅图像或者四幅或更多图像。
8.图像数目
在上述实施例中，重建或创建三幅层析图像和四幅层面图像，然而，也可以重建或创建一幅层析图像和一幅层面图像。图9示出这种情况下的监视器图。在其他实施例中，可以提供能够开关层面图像或者能够在层析图像显示与层面图像显示之间来回切换的功能。此外，还可以提供能够改变层析或层面图像数目的功能。
本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离一般发明概念的精神或范围的情况下进行各种修改。在上述实施例中用硬件执行的功能可以用软件执行。例如，在上述实施例中，层析图像是由重建单元36来重建的，但是可以使用通用个人计算机来采用软件执行重建。