本发明涉及计算机X射线断层摄影（CT）系统，而且特别涉及一种螺旋线扫描的CT系统，其中的被成象物体在获取层析X射线投影时兼作平动。 在CT系统中，X射线源被准直以形成具有确定扇形束角度的扇形束。此扇形束通常在称之为“门形架平面”的直角坐标系的X-Y平面内定位，并且穿过被成象物体发射到定位在门形架平面内的X射线检测器阵列上。此检测器阵列是由列阵的许多检测元件组成的，其中每个检测元件用来测量沿着从X射线源投影到此特定检测元件的射线透射出来的辐射的强度。此透射辐射的强度，取决于沿该射线的X射线束受到被成象物体衰减的大小。
此扇形束的中心及方向，是以扇形束的轴线作标记的。
X射线源和检测器阵列，可以在门形架平面内的门形架上面围绕被成象物体内地转动中心旋转，以使该扇形束轴线与被成象物体相交所成的角度能够改变。在每一种门形架角度下获取的投影，是由来自每一个检测元件的强度信号组成的。然后将门形架转动到新的角度并且重复该过程，以便按照许多不同的门形架角度收集许多不同的投影，从而构成一个层析X射线投影组。
所获得的层析X射线投影组通常以数字形式进行存储，以为随后进行计算机处理，以便根据技术上公知的图象再现算法“再现”切片（Slice）的象。扇形束投影的投影组可以借助扇形束再现技术直接再现为图象，或者可以将这些投影的强度数据分类（sort）为平行束，并且根据平行束再现技术进行再现。再现出来的层析X射线摄影图象，可以显示在传统的阴极射线管上，或者可以转换为借助计算机控制的摄影机记录的胶片。
典型的CT分析，包括要获取被成象物体的一系列“切片”，每块切片都和门形架平面平行，而且具有由检测器阵列的宽度确定的切片厚度：包括焦斑的大小、系统的准直和几何结构。每一接续的切片都是沿着垂直于X及Y轴的Z轴递增移动的，以便提供第三度空间的信息。通过按照Z轴方向上位置的顺序观察该切片的图象，放射学家可以对此第三维作出检验：或者可以将由这组再现切片组成的数据由计算机编译成程序，以便以三维形式产生出被成象物体的阴影透视图显示。
随着CT方法分辨率的提高，需要在Z尺度上增加切片。层析X射线分析所需的时间和费用，随所需切片数的增加而增加。而且，为获取更多切片所需的扫描时间越长，越是增加让病人必须保持近乎不动以维护层析X射线再现图象逼真度的困难。因此，减少为获得切片系列所需的时间，是非常值得关心的。
对于一系列切片采集数据所需要的时间，部分地取决于四个因素，即a）将门形架的速度增加到扫描速度所需要的时间;b）为了得到完整的一组层析X射线投影所需要的时间;c）使该门形架减速所需要的时间，以及d）让病人在Z轴方向上改变位置以进行下一切片所需要的时间。减少为得到整个一系列切片所需要的时间，可以通过减少完成这四个步骤中的任一步骤所需的时间来达到。
用于使该门形架加速及减速所需要的时间（a及c），可以在层析x射线摄影系统中使用滑动环而不是缆绳与门形架连通加以避免。此滑动环能使门形架连续转动并避免加速及减速的需要。下文将假定，所讨论的CT系统是装备了滑动环或者让门形架作连续转动的等效物的。
为获得层析X射线摄影数据组所需要的时间（即b），比较难以减少。现有的CT扫描装置为获取一块切片的投影组所需要的时间，为1至2秒的数量级。此扫描时间可以通过快速转动该门形架来减少。然而一般说来，门形架的高速转动，将使所获取数据的信噪比依转速增加因数的平方根减小。这可以通过增大X射线管的辐射输出在某种程度上加以克服，但要受到该装置功率局限的制约。
最后，减少病人改变位置所需要的时间（即d），可以通过让病人与门形架转动的同时在Z轴方向上进行平移来完成。这种让病人在门形架转动时沿Z轴连续平移与获取投影数据的结合，被称之为“螺旋线扫描”，所指的是门形架上的点相对于成象物体上的参考点的表观路程。正如在这里使用的那样，“螺旋线扫描”，通常将指获取层析X射线成象数据期间采用让病人或被成象物体进行连续平移;而且“固定的Z轴扫描”，将指在获取层析X射线摄影数据组期间，没有病人或成象物体的平移。
在扫描期间让被成象物体作连续平移，可以通过限制病人在两次扫描之间改变位置正常需要的时间长短，使得获取给定量切片所需要的总扫描时间减短。然而螺旋线扫描会在所获得的层析X射线投影组中引进一定的误差。层析X射线摄影再现的数学假定，层析X射线投影组是沿固定的Z轴切片平面获得的。螺旋线扫描路显然与此条件偏离，如果物体在Z轴方向有任何显著改变时，这种偏离将在重现的切片象中造成赝象。这种赝象的严重程度，通常取决于投影数据中的“螺旋线偏离”，可作为成象物体被扫描的体积元和所需切片平面的Z轴值之间在Z轴方向上的偏差进行测量。由螺旋线扫描造成的误差，将总称之为“扭曲”误差。
曾经采用一些方法来减少螺旋线扫描中的扭曲误差。第一种方法公开在1986.12.16授权的美国专利4，630，202中，是将螺旋线扫描的节距减小，然后对360°连续的层析X射线投影组的投影数据取平均值。其作用等效于使用沿Z轴方向具有更大宽度的检测器阵列，它在门形架转动期间于Z轴方向上也有较小的运动，即具有较小的扫描节距。使用这种方法可将扭曲误差减小，但由于扫描节距低而需要以增加扫描时间为代价。因而该方法在一定程度上会使螺旋线扫描取得的长处降低。
在层析X射线摄影投影组两端的扭曲误差，可以结合此方法予以减小，即通过在“平均”过程中改变360°连续的层析X射线摄影投影组中最后及最初投影权重。以便给予最靠近切片平面的投影以更大的权重来达到。
公开在1988，12，6授权的美国专利4，789，929中的第二种方法，也是对360°连续的层析X射线摄影投影组的合并投影加权，但是权重是在给定的门形架转角下每个投影的螺旋线偏离的函数。这种对于720°内插的方法，通常会增加局部体积的赝象。局部体积赝象，是当被成象物体的某些体积元只对该投影组的某些投影作贡献时引起的图象的赝象。
第三种方法在共同未决的美国专利申请序列号07/435，980中作了描述，题目为“螺旋线扫描用的外插再现”，委托给本发明的同一代理人，使用的是半扫描技术来减小获取每一切片时工作台的移动。投影数据是门形架转动360°取得的，并且对切片平面进行内插。减少门形架的运动是和减少工作台的移动对应的，因此某些螺旋线扫描的赝象会被减少。
本发明通过让X射线束随同被成象物体的平移而平移，能使扭曲误差减小。特别是当绕成象物体相对设置的X射线发生器和X射线检测器，在基本上垂直于平移轴的门形架平面内围绕被成象物体转动时，让被成象物体沿着平移轴同时作平移。此X射线发生器让X射线束穿过被成象物体进行投影，而且在第一周期时让X射线束沿此平移轴扫掠是跟在被成象物体平移之后。在第二周期时，X射线发生器回到其起始位置，沿平移轴在逆着被成象物体平移的第二个方向上运动。X射线束的扫掠可这样进行，使其围绕成象物体内予定的体积元定心，并且在第一周期时对该体积元跟踪。此X射线束的运动可以通过准直器或X射线源或者两者的同时运动来实现。
本发明的目的之一是减少螺旋线扫描中所获得投影数据的螺旋线偏差，而且并不妨碍被成象物体及门形架的连续运动。X射线束的扫掠，在获取每一投影组时适用于抵消被成象物体的有效运动。
在一种实施例中，X射线发生器包括一个固定的X射线源及一个可动的准直器，可以相对于被成象物体的运动迅速地改变位置。
因此，本发明的另一个目的是提供一种能让X射线束随被成象物体运动进行扫掠的简单装置。
本发明的上述以及其它一些目的和优点，从以下的描述中将更加清楚。在此描述中，符号用于附图并构成其一部分，其中包括图示表示的本发明的最佳实施例。这种实施例并不需要代表本发明的整个范围，然而为此必须将符号用于此权利要求，以解释本发明的范围。
图1为示意表示可用于本发明的CT系统门形架，包括X射线源和X射线检测器;
图2为示意表示图1的被成象物体，表明门形架和门形架的轴线对螺旋线扫描时相对被成象物体的相对位置。为清楚起见，螺旋线扫描的节距是被放大了的;
图3是本发明的准直器组件的透视图;
图4（a）及（b）为图3所示准直器的心轴横截面图，分别表示该心轴对于厚及薄的扇形束时的取向;
图5为方框图，表示根据本发明的图3所示准直器及X射线焦点用的控制系统;
图6为沿图1中线5-5所取X射线扇形束路线的简化横截面图，为清楚起见，带有放大了的X射线管阳极、准直器和检测器阵列，并且用来说明仅要求准直器运动的减少螺旋线偏离的第一种方法;
图7为类似于图6的用来减少螺旋线偏离的第二种方法的横截面图，要求准直器和X射线的焦点运动，但减少检测器被照射面积的移动;
图8为类似于图6的用来减少螺旋线偏离的第三种方法的横截面图，要求准直器和X射线的焦点运动，但能使扭曲误差进一步减小;
图9为类似于图6的用来减少螺旋线偏离的第四种方法，只要求X射线运动;
图10为图6所示方法中作为准直器、检测器的照射面积以及被成象元体积的Z轴位移对于时间的曲线图;
图11为图7所示方法中作为准直器、检测器的照射面积以及被成象元体积的Z轴位移对于时间的曲线图;
图12为图8所示方法中作为准直器、检测器的照射面积以及被成象元体积的Z轴位移对于时间的曲线图;
图13为图9所示方法中作为准直器、检测器的照射面积以及被成象元体积的Z轴位移对于时间的曲线图，以及
图14为沿图1中线5-5所取被成象物体的放大的横截面图，表示对于螺旋线扫描以及图6～8中每种方法下具有减少了的螺旋偏离的螺旋线扫描时的单切片厚度和有效厚度;
图15为类似于图1的示意图，表示对于偏离的平移轴如何确定11′及12′。
参见图1，门形架20如在“第三代”计算机X射线断层摄影（CT）扫描装置中使用的那种，包括X射线源10，由准直器38进行准直，以将扇形束的X射线22穿过被成象物体12投射到检测器阵列14上面。门形架20上的X射线源10和检测器阵列14，能够围绕转动中心13旋转。门形架20的旋转，如箭头28所示，是在与直角坐标系的X-Y平面对准的门形架面60中进行的。
被成象的物体12放置在工作台17上，而工作台17对于X射线摄影是透明的，以对成象过程不产生干扰。工作台17是可控的，以使其上表面能沿着垂直于X-Y成象面的Z轴平移，使被成象物体12穿过门形架面60移动。
检测器阵列14是由大量检测元件16组成的，在门形架面60内编制在一起，对由经过被成象物体12衰减后透过的X射线产生的投影象进行检测。
扇形X射线束22是由X射线源10内的焦点26发出的，而且是沿着中心在该扇形束22内的扇形束轴线23射出的。扇形束的角度是沿着该扇形束的宽面测出的，应大于此被成象物体12所对的角度，以使该扇形束22的两外围X射线束24能够基本上无衰减地透过物体。这些外围的X射线束24可被检测器阵列14中的外围的检测元件18来接收。
参见图6，X射线源10包括位于真空玻璃泡内的阳极29，能绕着阳极旋转轴25旋转以进行热扩散。由阴极发出的电子流（图中未表示）撞击阳极29的面进行加速，产生出X射线束19。阳极29的面相对该扇形束轴线23是倾斜的，以使该电子束能被聚焦平板（图中未表示）径向偏转（如在技术上公知的那样），从而将使焦点26作Z轴偏移。此偏移量可由X射线控制器62加以控制。
参见图2，门形架20沿Z轴方向相对被成象物体12的角度位置θ，以箭头11表示。在获得每一组X射线断层投影的过程中，被成象物体12相对成象平面60的Z轴位置是经常变化的。因此，箭头11在被成象物体12内部，是沿着Z轴方向循螺旋线改变的。此螺旋线的节距被称之为扫描节距。从已获得的切片中心9到体积元7截取扇形束22的Z轴方向距离，称之为该体积元的“螺旋线偏离”。本发明中，在进行螺旋线扫描的过程中，此扇形束的轴线23可沿Z轴改变，以使此螺旋线偏离减小，如将要描述的那样。
参见图3，未经准直的X射线19，是从X射线源10（图3中未表示）中的焦点26发射出来的，借助第一级裂缝40重整为近似扇形束21。如从已有技术中了解的那样，未经准直的X射线19是由高压X射线管产生的，通常包括一个可转动的阳极（图中未表示），用来接收高能电子束并且重发出X射线辐射。借助准直器装置38，将此近似扇形束21准直为扇形束22。
概括地参见图3，4（a）及4（b），准直器38包括能吸收X射线的圆柱形的钼制心轴39，安装在近似扇形束21内的轴承座42上面，以使该心轴39能绕其轴旋转。有多条锥形切口41，是贯穿该心轴的直径切出来的，并沿该心轴39长度伸展。这些切口41是围绕该心轴的轴线以不同的角度切制的，使该心轴有可能旋转而将这样一个切口41同近似扇形束21对准，从而使通过该切口41的近似扇形束21的某些射线能够形成扇形束22。
参见图4（a）及4（b），此锥形切口41的宽度是可变的，因此转动心轴39，就能使该扇形束22的宽度在窄如图4（b）（1毫米）及宽如图4（a）（10毫米）之间变化。此切口41能够保证该扇形束22的准确尺寸和可重复性。
此切口41做成锥形的，是当其与近似扇形束21定向时，以使入射的裂缝43能比出射的裂缝45宽。出射裂缝45限定了扇形束22的宽度，而且入射裂缝43的宽度非常大，是为了在心轴39作小角度转动时防止入射裂缝43的任一边缘对近似扇形束21的阻挡。让心轴39作这种小角度的转动，被用来对扇形束22的Z轴位置提供调节，如在下文中将详细讨论的那样。
再一次参阅图3，定位用的马达48是通过挠性联轴节50同心轴39的一端相联的。此心轴39的另一端则固定在位置编码装置46上，可借助马达48使该心轴精确定位。位于心轴39两端的扇形束角度光闸44，被用来控制扇形束的角度。
现在参见图5，适用于本发明的CT扫描装置的控制系统，带有与门形架相联的控制组件60，它包括：X射线控制器62，能为X射线源10提供能量及定时信号，而在本发明的某些实施例中，还用来控制焦点26的位置;准直控制器64，被用来控制准直器38的转动;门形架的马达控制器66，被用来控制门形架20的转动速度及位置;以及数据获得系统68，被用来接收来自检测器阵列14的投影数据，并将该数据转换为数字式语言以供后面的计算机进行处理。
与门形架相联的控制组件60，经过滑动环61与X射线管10、准直器38和检测器14相连通。应当认识到，使用卷线盘直接用缆固定，可以取代滑动环61作为限制门形架转动的系统。
X射线控制器62、准直控制器64和门形架马达控制器66，与计算机70相连。计算机70是一台通用微型计算机，例如Data General Eclipse MV/7800C，而且可以编程，以使门形架20的转动与根据本发明的扇形束22的位置同步，如在下文中将详细描述的那样。
数据获得系统68是连在图象再现装置72上的，而由图象再现装置72经过该数据获得系统68接收来自检测器阵列14的抽样及数字化的信号，以便根据技术上公知的方法实现高速度的图象再现。此图象再现装置72可以是列阵的信息处理机，例如由Virginia州Star Tech-nologies公司制造的产品。
工作台17沿Z轴方向移动的速度和位置是连通给计算机70的，并且经由工作台马达控制器74受计算机70的控制。计算机70经由操作人员操纵台76接收到指令和扫描参数，操纵台76通常就是一台阴极射线管显示器和键盘，供操作人员输入扫描和再现图象用的参数以及来自计算机70的其它信息。大容量存储装置78能为CT成象系统提供存储操作程序的手段，以及由操作者予留作为参考的图象数据。
现在参见图6，准直器38的出射裂缝45在Z轴方向上的位置可以进行调节，以使由扇形束的轴线23代表的扇形束22在获取投影组的第一个投影期间，在Z轴尺度上能够偏离门形架平面60。扇形束轴线23偏离门形架平面60的大小，是使切片内处在位置80处并随着工作台17的运动而朝向门形架轴线60运动的体积元7，能与扇形束轴线23相交。
在获取投影组期间工作台17的位置，是由工作台马达控制器74确定的。受准直控制器64控制的准直器38，由计算机70根据工作台17的位置进行调整，使得工作台17和被成象物体12在运动时，扇形束的轴线23进行扫掠，不断地截取体积元7。
当在周期T1期间每个投影组的一些投影已经获取时，被成象的物体12沿着Z轴相对于成象面60进行了平移，使得体积元终究运动到投影组的最后投影所在的位置82。一般说来，平移的大小将等于切片的厚度W。
在获取投影组完成时，准直器38的出射裂缝45恢复到它在投影组开始时所处的位置，在周期T2期间按相反方向运动，使得该扇形束的轴线23在新的切片中截取新的体积元。这个新的体积元相对于门形架平面60，具有如体积元7在获取上述投影组开始时同样的相对位置80。最好是使位置80和82能以门形架平面60为中心对称设置，以便在任何获取投影时能使扇形束的轴线23对于门形架平面60的最大偏差减小。
在获取该投影组的中途点位置时，焦点26、准直器38出射裂缝45的中心线、扇形束的轴线23以及检测器阵列14的照射中心，完全与门形架平面60对准。在所有其它时间，这些不同的点可能偏离该门形架平面60。准直器38出射裂缝45中心线对该门形架平面60偏离的大小，由扇形束的轴线23截取的体积元以及检测器阵列14的照射中心对于该门形架平面60的偏离大小，将分别称为Cz，Vz和Dz。
对于图6中描述的第一个实施例来说，焦点26相对门形架平面60的位置Fz是一个常数，并且为零。
参见图10，在获取投影组的第一个周期T1内，准直器的位移Cz将增加，以使扇形束的轴线23能跟踪体积元7的运动。对于非常大的值12和11以及切片厚度很小的值W来说，准直器的位移Cz和扇形束的轴线23相对体积元7的平动轴84的位移Vz，其间的关系式为：
DZ=VZ1111+12---(1)]]>
其中11为焦点26和准直器38的出射裂缝45之间的距离;12为出射裂缝45和体积元7的平动轴84之间的距离。因此，在第一周期T1时，经由工作台马达控制器74确定的工作台17的位置，决定了经由计算机70进行适当计算后的由上式（1）给出的出射裂缝45的位置。在紧接在第一段时间周期T1之后的第二段时间周期T2时，出射裂缝45将恢复到其获取投影开始时所具有的位置，以便为获取第二个投影组作准备。最好通过让该准直器38以其最高速度运动使此周期T2尽可能短。在此恢复周期T2期间无投影数据可取，而且X射线扇形束22的强度可以根据技术上公知的几种方法中的任何一种加以衰减，例如减少通给X射线管的电流或者关闭X射线束19的快门。
下面将指出，扇形束的轴线23相对于检测器阵列14表面的位移Dz，将按下述比例大于位移Vz;
DZ=VZ11+12+1311+12---(2)]]>
其中13为体积元7的平动轴84和检测器阵列14的曝光表面之间的距离。一般情况下，检测器阵列14的各检测元件16所具有的灵敏度是变化的，作为它们被照射的Z轴方向上的位置的函数。因此，Dz的变化将导致投影尺寸的某些变化。这种变化可以根据技术上能被理解的补偿法，通过使用外围的X射线束24及外围的检测元件18提供对校正灵敏度变化的参照物加以校正。这种方法之一已在美国专利4，559，639中给出，在此被引作参考。
在图7及11表示的第二个实施例中，X射线的焦点26和准直器38的出射裂缝45，两者都是可运动的。X射线焦点的运动，是通过如前面描述过的让电子束在阳极29上再聚焦，或者通过在伺服马达控制下让X射线源10作实际平移来完成的。焦点26偏离门形架平面60的大小，将称之为Fz。参见图11，在此第二个实施例中，扇形束的轴线23在检测器阵列14上的交点，是通过控制焦点的位移Fz和出射裂缝45的位移Cz相对于体积元的位移Vz保持不变的（处在零位移处），关系式如下：
FZ=VZ11+12+1313---(3)]]>
以及
CZ=VZ12+1313---(4)]]>
参见图14，在被成象物体12内获取的体积86范围内的投影数据，是在非螺旋扫描中获得的，所获取的体积86，大约为螺旋扫描获取体积的一半：假定对于一个投影组调整好转动的扫描节距，近似等于切片的厚度W。如在上述两个实施例中描述的本发明，能在非螺旋扫描获取体积86的上面，扩大出位于两侧的获取体积88，它是锥形朝外的中凹形。这种以体积88表示的获取体积方面的增加，将使投影数据的螺旋线偏离略微增加，但却大大小于由螺旋扫描产生的将获取体积有效地增大一倍的附加面积90。一般说来，与成象物体12绕平动轴84的半径相比，距离11+12越大，位于两侧的体积88越小，因而数据的螺旋线偏离也越小。
参见图14和8，本发明的第三个实施例能够消除位于两侧的体积88，并能产生一个与非螺旋扫描相同的获取体积86。参见图12，准直器38的位移Cz和焦点26的位移Fz被设置为等于体积元7的位移Vz。因而，扇形束的轴线23始终与门形架平面60保持平行。
在图9及13表示的第四个实施例中，准直器38的出射裂缝45的位移Cz是固定的（而且等于零），并且焦点26的位移Fz可根据下列关系式进行调节：
FZ=-VZ1112---(5)]]>
对于这种方法获取的体积（图中未表示）以及此扇形束的轴线23在检测器阵列14上的位移量Dz，将比类似规格的CT系统在前述方法中的可比量要大，由于扇形束的轴线23对于门形架平面60的更大角度的偏离，对于跟踪给定的体积元7而不使准直器38运动是需要的。
对于上述实施例中的每一实施例来说，作为邻近平动轴84上体积元7的一些体积元的投影数据，将有较小的螺旋线偏离。与此相反，对于由扇形束的轴线23相对门形架平面60的角度决定的更大的X和Y值来说，同体积元7及平动轴84分离的一些体积元，将具有增大的螺旋线偏离。由于这个原因，将体积元7和平动轴84定位在成象物体12中令人感兴趣的内部组织附近，可能是合乎需要的。
平动轴84将与门形架20的转动中心13成正交。转动中心13和平动轴84，两者均可通过简单地调节工作台17的高度而在成象物体内变动。另一方面，通过调节扇形束的轴线23作为门形架转动28的函数的角度，也可使平动轴84独立地离开此转动中心13。这在上述实施例中，使用计算机70，通过改变作为门形架角度θ函数的12及13的近似值，是很容易完成的，其关系式如下：
12′＝12-cos（θ+α）（△） （6）
13′＝13+cos（θ+α）（△） （7）
其中α为感兴趣的体积和门形架的角度θ＝0之间相对转动中心13的角度;△为感兴趣的体积和门形架转动中心13之间的距离，并且分别将12′及13′代入上式以取代12及13。
对于图6，7和9中表示的实施例来说，将会理解，实际上已经减小的螺旋线偏离量，也可在投影组内作为投影次序的函数进行变化。例如，当感兴趣的体积7的开始位置80和结束位置82对称位于门形架60周围时，最中心的投影将不会有螺旋线偏离，而且开始及结束的投影将有最大的螺旋偏离。由于这个原因，加权投影以削弱开始及结束的投影并增强投影组最中心的投影，是所希望的。在未决申请07/440，531中公开了这种加权系统，其名称为“在层析X射线摄影成象中减少病人平动人为现象的方法”，于1989，11，22提出。最后，对于第一、第二及第四个实施例来说，在获取投影的过程中检测器14的照射中心是变化的，重要的是使该检测器14足够宽，以便能够接收整个扇形束22。
对于那些技术上一般熟练的人是明显的，这些最佳实施例的许多改进和变化仍将在本发明的精神和范围之内。例如准直器可以采用传统的叶片设计。进一步说来也是明显的，本方法还可应用于称之为“第四代”的CT扫描机，其中的检测器阵列14是固定不动的，并可环绕在被成象物体12周围。非常清楚，X射线管和准直器也可用机械方式平移，而且可作为单个单元进行倾斜。最后，在获取连续投影组时，工作台的运动不需要固定，但可以变慢，例如在扇形束22恢复到其起始位置的周期T2期间。