X射线CT装置 【相关申请的交叉引用】
本申请基于2002年11月29日提交的在先日本专利申请2002-347795号并要求其优先权权益，在此引用其全部内容作为参考。
【技术领域】
本发明涉及一种多切片X射线CT装置。
背景技术
X射线照射到病人，并且从穿透数据重构图像数据的X射线CT装置是已知的。使用多切片X射线CT装置，能够使用检测X射线的、具有两个或多个段的检测元件，例如闪烁体和光电二极管的组合的X射线检测器，来同时从不同的位置收集两个或多个切片数据。通过将多切片扫描(也称作锥面光束扫描)与螺旋扫描一起使用，大的扫描范围的数据可以在短时间内收集，并且多切片X射线CT装置变得流行。
将多切片扫描与螺旋扫描一起使用，重要主题之一是X射线剂量的减少。例如，日本专利发表(公开)2002-17716号和日本专利发表(公开)10-248835号公开，当扫描范围包括目标内脏器官时，扫描范围在扫描图像上设置，准直仪的开口根据扫描范围来设置并且扫描对于目标内脏器官来执行。但是，实际上，目标内脏器官的一部分与扫描范围隔开，致使数据不足并且可能需要重新扫描。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种减少X射线剂量的多切片X射线CT装置。
为了改进上面的问题，根据本发明的一个方面，提供有一种X射线CT装置，包括：X射线照射源，被配置以将X射线照射到身体；X射线检测器，包括多个检测元件段，被配置以检测穿透身体的X射线；准直仪，被配置以形成可以在切片方向和通道方向上移动的开口；图像处理部件，被配置以从身体的体数据中提取身体中目标的区域；控制器，被配置以根据设置以限制目标区域的圆柱形第二扫描范围来设置准直仪开口作为第二开口，并且被配置以执行第二扫描；以及重构部件，被配置以基于由第二扫描收集的数据重构图像数据。
根据本发明地另一方面，提供一种X射线CT装置，包括：X射线照射源，被配置以将X射线照射到身体；X射线检测器，包括多个检测元件段，被配置以检测穿透身体的X射线；准直仪，被配置以形成可以在切片方向和通道方向上移动的开口；图像处理部件，被配置以从身体的体数据中提取身体中目标的区域；以及重构部件，被配置以基于由第二扫描收集的数据重构图像数据；其中准直仪包括：多个可移动的准直仪叶片，被配置以形成开口；以及多个辅助叶片，被配置以形成对应于除与开口相对应的检测元件段以外的一部分检测元件段的缝隙。
根据本发明的再一方面，提供一种X射线CT装置，包括：X射线照射源，被配置以将X射线照射到身体；准直仪，包括X射线通过的第一开口，以及在切片和通道方向上比第一开口距离X射线中心更远的第二开口；X射线检测器，包括多个检测元件段，被配置以检测通过第一或第二开口并且穿透身体的X射线；以及重构部件，被配置以基于由检测器检测的X射线而收集的数据来重构图像数据。
根据本发明的再一方面，提供一种基于由X射线CT装置收集的数据来重构图像数据的方法，该X射线CT装置包括：X射线照射源，X射线照射源被配置以将X射线照射到身体；准直仪，准直仪包括X射线通过的第一开口，以及在切片和通道方向上比第一开口距离X射线中心更远的第二开口；以及X射线检测器，X射线检测器包括多个检测元件段，被配置以检测通过第一或第二开口并且穿透身体的X射线，该方法包括：基于通过第一开口的X射线来重构身体心脏附近的心脏图像数据；以及基于通过第二开口的X射线来重构心脏图像数据附近的外围图像数据。
【附图说明】
本发明的更完全评价及其许多伴随优点将通过参考结合附随附图考虑的详细描述来容易获得，并且同样变得更好理解。在附图中：
图1是根据本发明的一种实施方案的X射线CT装置的框图；
图2是通过扫描图1的专家系统来扫描和重构的流程图；
图3是由图2的S3设置的第一扫描范围和由图2的S7设置的第二扫描范围的说明；
图4是用于在3D图像上设置图3的第二扫描范围的显示的一个实例的说明；
图5A是在图2的S3上的第一扫描过程中开口的说明；
图5B是在图2的S7上的第二扫描过程中开口的说明；
图6是在图2的S7上的第二扫描过程中由准直仪限制的X射线的说明；
图7A～图7D是根据X射线管的旋转的准直仪开口移动的说明；
图8是用于解释X射线非照射范围的数据校正的说明；
图9是用于解释图2的S8上的HFI重构的说明；
图10A～图10C是根据方法B的准直仪开口的说明；
图11A～图11D是在图2的S6的方法B中准直仪开口移动的说明；
图12是用于在图2的S7上设置第二扫描范围的显示的另一个实例的说明；
图13是图12的第一扫描范围和第二扫描范围的说明；
图14是另一种示范性准直仪的开口的说明。
【具体实施方式】
参考附图，本发明的X射线CT装置的第一实施方案将被说明。存在有许多种类型的X射线CT装置，例如X射线管和X射线检测器作为一个单位围绕病人旋转的旋转/旋转型，和多个检测元件以环形排列并且X射线管围绕病人旋转的固定/旋转型。本发明可以应用于每种类型的X射线CT装置。在下文中，旋转/旋转型X射线CT装置作为一个实例来说明。用于将入射X射线转换为电荷的机制主要分成直接转换类型和间接转换类型。在直接转换类型中，X射线由荧光物质例如闪烁体转换为光信号，并且光信号转换为电荷。在间接转换类型中，使用光电导现象，其中半导体中的电子和空穴的对由X射线来产生，并且电子和空穴移向相应的电极。作为X射线检测器，可以使用每种类型。在下文中，间接类型的X射线检测器作为一个实例来说明。另外，近年来，包括位于旋转框架中的多对X射线管和X射线检测器的所谓多管类型的X射线CT装置正在作为商品研制，并且周围的技术也在进步。本发明可以应用于单管类型的X射线CT装置或者多管类型的X射线CT装置。在下文中，单管类型的X射线CT装置作为一个实例来说明。
图1是显示本发明第一实施方案的X射线CT装置的组成的框图。X射线CT装置具有台架100。台架100具有可以围绕旋转中心轴RA旋转的环形旋转框架102。X射线管101位于旋转框架102中，并且X射线检测器103位于旋转框架中与X射线管101相对的一侧，使得旋转中心轴位于它们之间。X射线检测器103可以用于多切片扫描。即，X射线检测器103具有沿着平行于旋转中心轴的方向(切片方向)排列的多个检测元件段。检测元件段的数目是例如64段。假设每个检测元件在切片方向上的检测宽度是0.5mm，与旋转中心轴RA上的相应值一样。每个检测元件段具有沿着通道方向排列的多个检测元件。另外，假设Z轴设置为旋转中心轴RA，并且XY坐标系是以Z轴为中心的旋转坐标系。在这种情况下，连接X射线管101的焦点和X射线检测器103的中心的X射线中心轴定义为Y轴，并且垂直于Y轴和Z轴的轴定义为X轴。这些X，Y和Z轴如下恰当地使用。
准直仪108位与X射线管101和旋转中心轴RA之间。准直仪108加于X射线管101的X射线辐射窗之上。准直仪108用作X射线限制器，并且称作X射线控光装置，其任意地调谐在X射线管101的焦点上产生并且从X射线辐射窗照射的X射线的位置和大小。准直仪108具有用于阻塞X射线的多个元件，例如各自可以沿着X或Y轴移动的四个准直仪叶片11～14，如图5中所示。准直仪由准直仪驱动单元107来控制。
称作DAS(数据采集系统)的数据收集电路104连接到X射线检测器103。数据收集电路104将X射线检测器103的每个通道的输出(电流信号)转变为电压信号，放大电压信号，并且将电压信号转换成数字信号。校正DAS输出等的通道之间的不均匀性的预处理单元106经由使用光或磁作为介质的非接触型数据通信单元105连接到DAS 104。对其执行预处理的数据存储在存储装置112中。存储装置112通过数据/控制总线连接到系统控制器111，像基于投影数据重构图像的图像重构单元114，显示器116，包括定点设备例如鼠标和键盘设备的输入单元115，图像处理单元113，用于控制台架100的扫描控制器110，以及高电压产生单元109一样。
图2显示第一实施方案的一系列处理的流程。扫描图像被获取(步骤S1)。众所周知，扫描图像的成像如下来执行：旋转框架102的旋转停止，X射线连续地产生，信号以固定的周期重复地从X射线检测器103读取，并且床板以恒定的速度移动。基于由扫描图像成像而收集的数据，扫描图像数据在图像处理单元113中创建，并且创建的扫描图像数据在显示器116上显示(步骤S2)。操作员使用输入单元115在显示的扫描图像上设置图3中所示的扫描范围(第一扫描范围)，并且第一扫描条件也被设置(步骤S3)。在该实施方案中，至少执行两次扫描(螺旋扫描)。第一扫描被执行，用于以低分辨率扫描大的区域，并且第二扫描的目的在于以高分辨率扫描把目标内脏器官作为目标的狭窄区域。第一扫描“第一扫描”明显不同于第二扫描“第二扫描”。第一扫描范围实际上是圆柱形状，但是设置为显示扫描图像上主要部分的矩形形状。为了使第一扫描范围包括病人的身体宽度，半径(FOV)从例如300～500mm的范围中设置。另外，为了使第一扫描范围在体轴方向(切片方向)上设置得比较长，以包括目标内脏器官例如心脏和周围的内脏器官。而且，作为第一扫描条件，64个检测元件段中比较多的段，32～64个检测元件段被选择和使用。另外，螺距(每次旋转，板移动的距离)设置得比较紧，例如8～32mm。但是，在第一扫描中，管电流值由系统控制器111设置成对应于较低X射线剂量的调整值，并且为了补偿由低X射线剂量而导致的灵敏度降低，每次旋转的观察次数设置为500。设置范围和调整值由系统控制器111来设置。
第一扫描由扫描控制器110在第一扫描条件下对第一扫描范围来执行(步骤S4)。在第一扫描中，如图5A中所示，准直仪108的开口在X方向上根据第一扫描范围的比较大的直径来设置宽度，并且在Z方向上根据切片宽度和段的数目来设置比较长的长度。即，X射线的扇角根据第一扫描范围的直径来设置并且X射线的锥角根据第一扫描范围的长度来设置。基于由第一扫描收集的第一扫描范围的投影数据，重构单元114执行重构处理(步骤S5)。根据第一扫描条件覆盖比较大的区域的体数据以比较低的分辨率产生。例如，采用锥面光束重构方法作为重构处理。锥面光束重构方法通称是所谓Feldkamp重构方法，其扩展了常规扫描方法的重构处理方法。锥面光束重构方法使用通过将算术精确的扇形光束重构算法(2维平面)扩展到Z轴方向而获得的近似3维重构算法。在锥面光束重构方法中，将对应于Z坐标的加权系数与投影数据相乘，并且卷积处理在加权数据之间执行，并且应用与扇形光束数据相同的重构函数。最后，作为反向投影处理，卷积数据在X射线经过的路径上(从焦点到检测器通道)反向投影，并且反向投影处理以360度重复。
体数据用于诊断目标内脏器官，周围的内脏器官以及大区域中的组织结构，并且也用于设置第二扫描的扫描范围(第二扫描范围)。图像处理单元113从体数据中提取目标内脏器官例如心脏的区域，并且3维图像(3D图像)被创建并在显示器116上显示(步骤S6)。作为3D图像，表面图像或轮廓式图像是适当的，如图4中所示。操作员操作输入单元115，并且在屏幕上任意地旋转3D图像，以设置在所有方向上覆盖心脏区域的近似圆柱形状的第二扫描范围(步骤S7)。实际上，考虑到心脏的扩张和收缩运动，第二扫描范围设置得大于心脏区域，留取余量。虽然已经说明第二扫描范围在3D图像上设置，代替3D图像或者除3D图像之外，MPR(多平面重构)图像，例如三断层分析图像(轴向，冠状和弧矢图像)，可以从体数据或者提取的心脏区域的数据中创建，并且第二扫描范围可以在断层分析图像上设置。此外，虽然已经说明第二扫描范围由操作员手动设置，第二扫描范围的直径和长度可以自动地设置以包括提取的心脏区域。在这种情况下，为了留取上述余量，扩大处理按照预先确定的比例对提取的心脏区域来执行，并且第二扫描范围设置为扩大的心脏区域。第二扫描范围的半径(FOV)从50～150mm的范围中设置，使得心脏区域(目标内脏器官)被包括，并且第二扫描范围在体轴方向(切片方向)上设置得比较短，使得心脏区域用上述余量来限制。而且，作为第二扫描条件，第二扫描中使用的检测元件段的数目设置得比较少，64段中的4～16段，并且螺距相对于比较慢的板移动设置为0.5～2.0mm。而且，在第二扫描中，管电流值由系统控制器111设置为相对于较高X射线剂量的调整值，并且每次旋转的观察次数设置为1000。设置范围或调整值由系统控制器111来设置。另外，虽然已经说明在第二扫描中检测元件段的数目从比较少的段，4～16段的范围中选择，检测元件段的数目由扇形光束重构的限制来确定。虽然锥形光束重构方法包括如上所述关于锥角的校正处理，校正的精确度不够，并且人工因素可能出现。因此，虽然对于较低分辨率扫描例如第一扫描几乎不存在影响，但是对于较高分辨率扫描例如第二扫描，该影响不能忽略。因此，锥形光束重构方法最好基本上不使用，而采用扇形光束重构方法(采用与螺旋型滤波器内插法(HFI)一起使用的扇形光束重构)。因为在扇形光束重构方法中不校正锥角，由锥角而引起的人工因素可能出现。在第二扫描条件中，由锥角而引起的人工因素不会有大的影响的极限是例如16段(8mm)，并且使用段的数目的最大值限制为例如16段。
第二扫描在第二扫描条件下对第二扫描范围来执行(步骤S8)。在第二扫描中，如图5B中所示，准直仪108的开口在扫描控制器110的控制下在X方向上根据第二扫描范围的比较小的直径来设置宽度，并且开口在Z方向上根据切片宽度和段的数目来设置比较窄的长度。即，X射线的扇角根据第二扫描范围的直径来设置，并且X射线的锥角根据第二扫描范围的长度来设置。如果必要的话，通过使用X射线管101和X射线检测器103在Y方向上的移动功能并且通过将第二扫描范围的通道数目增加到比以前多或增加到最大值，分辨率可以提高。
虽然X射线管101和X射线检测器103围绕病人旋转，为目标内脏器官例如心脏而设置的第二扫描范围的中心轴可以偏离于旋转框架102的旋转中心轴RA，并且如果当准直仪108的开口位置固定时旋转框架102旋转，则难以扫描第二扫描范围。为了改进这个问题，如图6和图7A～图7D中所示，根据第二扫描范围的中心轴对旋转框架102的旋转中心轴RA的偏移方向和偏移距离，当准直仪108的开口宽度固定时，开口的中心位置根据X射线管101的旋转在X方向上移动。当床板的高度和左右位置由系统控制器111来控制，使得第二扫描范围的中心轴对应于旋转框架102的旋转中心轴RA时，可以省略根据X射线管101的旋转来移动准直仪108的开口的中心位置。
基于由步骤S8收集的第二扫描范围的投影数据，重构处理在重构单元114中执行(步骤S9)。因为第二扫描范围的外部范围中的数据不在第二扫描中收集，外部图像不能重构。因此，第二扫描范围的外部数据由第一扫描中收集的数据来补偿，如图8中视图的投影数据的分布所示。如上所述，扇形光束重构方法与螺旋型滤波器内插法(HFI)一起使用。在螺旋型滤波器内插法中，如图8中所示，加权系数根据与重构位置的距离而逐渐减小的加权滤波器函数，与由每个视图在重构位置附近的多个独立位置中收集的数据卷积，并且总和作为重构位置上的数据。当使用螺旋型滤波器内插法时，有效切片宽度作为用于内插的独立位置的总距离给出。为了通过使有效切片宽度尽可能地薄来提高切片分辨率，如图9中所示，需要将螺距设置为检测元件段的间距(切片间距)的N倍(N不是偶数)，使得检测元件段的轨道位于检测元件段的先前轨道之间。在图9中，显示了例如N＝1.5。关于在第一扫描中收集的第二扫描范围的外部数据，重构位置上的数据基于由第一扫描在重构位置附近的多个独立位置上收集的数据通过螺旋型滤波器内插法来计算。另外，因为X射线剂量在第一扫描和第二扫描之间有所不同，需要根据X射线剂量比来校正由第一扫描收集的数据或者由螺旋型滤波器内插法计算的数据。而且，虽然不是由第二扫描收集而是由第一扫描收集的视图数据存在，该数据由最接近的视图的数据或者从附近的几个视图的数据计算而得的数据来补偿，作为第二扫描的数据。虽然已经说明，不在第二扫描中收集的第二扫描范围的外部数据由第一扫描中收集的数据来补偿，第二扫描范围的外部数据也可以由扫描图像扫描(步骤1)中收集的数据来补偿。另外，第二扫描范围的外部数据可以基于在第二扫描中收集的第二扫描范围的内部数据来假设，例如在第二扫描范围内最外部分数据之间平均的数据。
在心脏检查中，心电图描记同步方法可以与扇形光束重构方法一起使用。在心电图描记同步方法中，当扫描跨越几次心跳而重复时，投影数据与从病人收集的心电图描记数据相关存储。相位彼此接近的投影数据从几次心跳数据中读出，并且图像基于360度或者180+扇角度数的读出投影数据来重构。通过使用心电图描记同步方法，由心跳而引起的移动对于图像质量的影响可以减小。
重构处理在几个重构位置上重复，最后体数据被创建，并且3D图像，MPR图像，或者其他任意图像基于体数据在图像处理单元113中创建并显示(步骤S10)。在上面的重构方法中，第二扫描图像的外部数据不在第二扫描中收集，并且外部数据由第一扫描等收集的数据来补偿，这称作“方法A”。在该实施方案中，可以采用下面的“方法B”来代替方法A。
在方法B中，除内部数据之外，外部数据也在第二扫描中收集。为了减少X射线剂量，虽然第二扫描范围的内部数据以高X射线剂量来收集，但是第二扫描范围的外部数据以低X射线剂量来收集。一些实例在下面描述。
图10A中所示的准直仪具有两个准直仪叶片11和12，这两个准直仪叶片用来在Z方向上限制X射线并且包括足够厚以阻挡X射线的铅元件。另外，准直仪具有另外两个准直仪叶片15和16，这两个准直仪叶片用来在X方向上限制X射线并且包括衰减系数低于铅的衰减系数的元件，例如Mo元件或包含铅的合金金属元件。准直仪叶片15和16适度地阻挡X射线。因此，高剂量X射线直接通过准直仪108的开口并照射到第二扫描范围，并且由半阻挡准直仪叶片15和16衰减的低剂量X射线照射到第二扫描范围的外部区域。当图像重构时，对第二扫描范围的外部数据执行X射线剂量校正，并且校正的外部数据和内部数据用于使用HFI方法的扇形光束重构方法。
作为另一个实例，图10B中所示的准直仪具有用来在Z方向上限制X射线的两个准直仪叶片11和12，并且具有可以在X和Z方向上移动、用于阻挡X射线的四个准直仪叶片17～20。这四个准直仪叶片17～20在X方向上设置在对应于第二扫描范围的位置上，并且在Z方向上设置在这样的位置上，使得比对应于第二扫描范围的中心开口窄的缝隙被形成。例如，如果中心开口是8mm(＝1.5mm×16段)，缝隙形成为2mm(＝0.5mm×4段)。当高剂量X射线直接穿过准直仪108的开口到达第二扫描范围时，由缝隙限制的细的X射线照射到第二扫描范围的外部区域。当图像重构时，对第二扫描范围的外部数据执行X射线剂量校正，并且校正的外部数据和内部数据用于使用HFI方法的扇形光束重构方法。
作为另一个实例，图10C中所示的准直仪具有形成中心开口的多个可移动的准直仪叶片11～14，并且具有形成对应于一部分检测单元段(接近于外部的四个段)而不是中心的16个检测单元段的缝隙的多个可移动辅助叶片21和22。即，除了用于在Z方向上限制X射线的四个准直仪叶片之外，用于阻挡X射线的两个L型辅助叶片21和22阻挡中心部分上的X射线并且打开外围部分。两个辅助叶片21和22各自可以在X和Z方向上移动，并且在Y方向上移动，使得能够部分地重叠在中心部分上。通过调节中心部分上的重叠区域，能够任意地改变中心阻挡区域宽度。在Z方向上，通过调节四个准直仪叶片11～14的位置，能够打开由四个准直仪叶片11～14产生的任意宽度的缝隙。
因此，两个辅助叶片21和22在X方向上设置在这样的位置上，使得区域具有与由四个准直仪叶片11～14形成的开口相同的宽度，并且在Z方向上设置在这样的位置上，使得比根据第二扫描范围的开口窄的缝隙在外围部分上形成。例如，如果根据第二扫描范围由四个准直仪叶片11～14形成的开口是8mm(＝0.5mm×16段)，在第二扫描范围之外由辅助叶片形成的缝隙是2mm(＝0.5mm×4段)。因此，高剂量X射线直接通过由四个准直仪叶片11～14形成的开口到达第二扫描范围，并且由辅助叶片21和22限制的两个细裂缝X射线照射到第二扫描范围的外部区域。当图像重构时，外部数据和内部数据用于使用HFI方法的扇形光束重构方法。因为第二扫描范围的外部数据在Z方向上从内部数据转移，图像质量可能在外部和内部区域之间的边界附近降低。但是，因为第二扫描主要用于目标内脏器官的高准确度诊断，而第二扫描范围的外部数据通常不用于诊断，基本上不存在消极影响。
在方法B和方法A中，即使第二扫描范围的中心轴偏离于旋转框架102的旋转中心轴RA，如图11A～11D中所示，通过在X方向上根据旋转来移动准直仪叶片并且通过将高剂量X射线的照射范围移向第二扫描范围，能够连续地将高剂量X射线照射到第二扫描范围。
已经说明，第二扫描范围设置为包括目标内脏器官例如心脏的圆柱形状。但是，如在图12和13中所示，第二扫描范围的直径可以根据目标内脏器官的大小在Z方向上改变。例如，第二扫描范围可以设置成一组小的圆柱，每个圆柱具有检测元件段间距X段数目的长度，并且准直仪108的开口宽度可以根据由螺旋扫描而产生的台架100相对于病人在Z方向上的相对运动来改变，以减少X射线剂量。在该实施方案中，在多切片X射线CT装置中X射线剂量可以减少。
上述实施方案的修改参考图14来说明。修改的准直仪具有位于中心区域、用于成像目标内脏器官例如心脏的缝隙，并且具有用于成像目标内脏器官的外围部分的多个可移动辅助叶片21’和22’。通过缝隙A的X射线照射到中心的16个检测元件段，并且通过缝隙B的X射线照射到在切片方向上与缝隙A相邻并且在通道方向上范围比缝隙A宽的4个检测元件段。图像重构单元114从基于通过缝隙A的X射线所收集的数据中重构目标内脏器官例如病人的心脏的图像数据，并且从基于通过缝隙B的X射线所收集的数据中重构目标内脏器官例如病人的心脏的外围部分的图像数据。图像处理由图像处理单元113来执行，使得来自两个图像数据的图像平滑地连接，并且图像在显示器116上显示。
本发明可能不局限于上面的实施方案，并且可以不背离于一般发明概念的本质或范围而做各种修改。因此应当理解，在附加权利要求书的范围内，本发明可以与这里具体描述的不同地来实践。虽然上面的实施方案和修改包括各种步骤或各种元件，一些步骤和元件可以任意地选择。例如，如实施方案或修改所描述的一些步骤或元件可以省略。