具有分布式x射線源陣列的固定臺(tái)架計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】具有分布式X射線源陣列的固定臺(tái)架計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng) 和方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求提交于2012年8月17日、序列號(hào)為61/684, 575的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) 的權(quán)益和優(yōu)先權(quán),其全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并于此。
[0003] 政府利益
[0004] 本發(fā)明是在政府支持下依據(jù)由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研宄院給予的編號(hào)為R01CA134598 和U54CA119343的授予進(jìn)行的。政府對(duì)本發(fā)明擁有一定權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本文中所公開(kāi)的主題通常與用于X射線成像的系統(tǒng)和方法有關(guān)。更具體地,本文 中所公開(kāi)的主題涉及用于對(duì)受驗(yàn)者成像,且具體地用于對(duì)受驗(yàn)者的頭部、脊柱和頸部成像 的非旋轉(zhuǎn)的、固定臺(tái)架和可移動(dòng)的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0006] X射線成像被廣泛應(yīng)用于包括醫(yī)學(xué)診斷和治療、工業(yè)檢驗(yàn)和測(cè)試、安全篩查和檢測(cè) 在內(nèi)的許多領(lǐng)域。X射線成像的一種形式,非造影計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)在包括例如診斷缺 血性中風(fēng)的許多醫(yī)療應(yīng)用中都是有用的。每40秒,在美國(guó)就有一人中風(fēng)。一年發(fā)生超過(guò) 795, 000起中風(fēng),導(dǎo)致每年超過(guò)410億美元的直接和間接的衛(wèi)生保健費(fèi)用。
[0007] 目前的CT掃描儀是無(wú)法便攜或輕松移動(dòng)的大型的復(fù)雜設(shè)備。這樣,需要CT掃描 的患者就必須被運(yùn)送至最近的CT掃描儀,有時(shí)在很遠(yuǎn)的距離處。對(duì)于諸如缺血性中風(fēng)的一 些醫(yī)學(xué)病癥,早期診斷和治療對(duì)降低發(fā)病率和死亡率是極其重要的。遺憾的是,用于最佳治 療的時(shí)間窗會(huì)由于運(yùn)送至配備有CT掃描儀的場(chǎng)所、醫(yī)院或醫(yī)療機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)移時(shí)間而被顯著 地縮小。
[0008] 因此,將成像系統(tǒng)運(yùn)送至患者處是有利的,由此能夠縮短治療時(shí)間并改善患者的 治療效果。因而,理想的是擁有便攜的且可移動(dòng)的CT系統(tǒng)和方法,使得能夠輕松地運(yùn)送它 們至需要CT掃描的患者處。
[0009] 目前的CT掃描儀包括旋轉(zhuǎn)的臺(tái)架設(shè)計(jì),其中,X射線管和檢測(cè)器對(duì)圍繞著患者在 圓周運(yùn)動(dòng)中旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生用于CT重構(gòu)所需要的投影視圖。非旋轉(zhuǎn)固定臺(tái)架CT系統(tǒng)將降低機(jī) 械復(fù)雜性從而使設(shè)備或系統(tǒng)更易便攜。還可以減少對(duì)這樣系統(tǒng)的保養(yǎng)和維護(hù)。先前在設(shè)計(jì) 諸如動(dòng)態(tài)空間重構(gòu)器(DSR)和電子束CT (EBCT)的非旋轉(zhuǎn)臺(tái)架CT方面的嘗試已取得有限的 成功。DSR和EBCT系統(tǒng)的與成本、尺寸、復(fù)雜性和維護(hù)有關(guān)的問(wèn)題通常都是難以解決的。 [0010] 因此,仍然存在對(duì)于用于對(duì)受驗(yàn)者成像,且特別地,用于對(duì)受驗(yàn)者的頭部、脊柱和 頸部成像的可移動(dòng)的X射線CT系統(tǒng)和方法的未滿足的需要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011] 根據(jù)本公開(kāi),提供了用于對(duì)受驗(yàn)者成像,且具體地用于對(duì)受驗(yàn)者的頭部、脊柱和頸 部成像的非旋轉(zhuǎn)固定臺(tái)架和可移動(dòng)的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)和方法。
[0012] 在一個(gè)方案中,提供了一種非旋轉(zhuǎn)固定臺(tái)架和可移動(dòng)的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成 像系統(tǒng)。所述成像系統(tǒng)可以包括用于發(fā)射X射線輻射的一個(gè)或多個(gè)空間分布X射線源陣列、 用于檢測(cè)來(lái)自一個(gè)或多個(gè)X射線源陣列的X射線輻射的一個(gè)或多個(gè)X射線檢測(cè)器陣列,以 及用于控制來(lái)自具有可編程光子通量和脈沖序列的一個(gè)或多個(gè)空間分布X射線源陣列的 各個(gè)X射線焦斑的X射線以使X射線曝光與一個(gè)或多個(gè)X射線檢測(cè)器陣列的數(shù)據(jù)收集同步 的電子控制單元。
[0013] 盡管在上文已經(jīng)陳述了本文中所公開(kāi)的主題的一些方案,且其全部或部分通過(guò)本 公開(kāi)的主題來(lái)實(shí)現(xiàn),但當(dāng)在下文最好結(jié)合附圖進(jìn)行描述時(shí)隨著描述繼續(xù)進(jìn)行其他方案將是 顯而易見(jiàn)的。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 從以下應(yīng)當(dāng)結(jié)合附圖來(lái)充分了解的詳細(xì)的說(shuō)明書(shū)中將更加容易理解本主題的特 征和優(yōu)點(diǎn),所述附圖僅僅通過(guò)解釋性和非限制性的示例來(lái)給出,且在附圖中:
[0015] 圖1是根據(jù)本文中所述主題的一個(gè)方案用于獲得對(duì)象的多射束圖像的示例性系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖;
[0016] 圖2是根據(jù)本文中所述主題的另一個(gè)方案用于獲得對(duì)象的多投影圖像的示例性 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖;
[0017] 圖3是根據(jù)本文中所述主題的方案的多像素場(chǎng)發(fā)射X射線源的示意性的、橫截面 側(cè)視圖;
[0018] 圖4A是根據(jù)本文中所述主題的實(shí)施例的包括用來(lái)將二進(jìn)制多路復(fù)用X射線照相 術(shù)應(yīng)用于對(duì)象的X射線發(fā)生器設(shè)備的X射線成像系統(tǒng)的立體圖;
[0019] 圖4B和圖4C是在用于產(chǎn)生脈沖的X射線輻射的時(shí)間段內(nèi)施加給X射線像素的脈 沖電流和所產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度的示例的曲線圖;
[0020] 圖5A至圖5C是從不同的投影角度順序地對(duì)對(duì)象成像的常規(guī)的掃描順序成像系統(tǒng) 的不意圖;
[0021] 圖6A至圖6C是根據(jù)本文中所述主題的對(duì)對(duì)象成像的示例性BMXR系統(tǒng)的示意圖;
[0022] 圖7是根據(jù)本文中所述主題的實(shí)施例的二進(jìn)制多路復(fù)用X射線照相術(shù)的示例性過(guò) 程的流程圖;
[0023] 圖8是根據(jù)本文中所述主題的實(shí)施例的可操作以產(chǎn)生包括基于預(yù)定的哈達(dá)馬德 二進(jìn)制變換(Hadamard binary transform)的信號(hào)的多路復(fù)用的合成X射線束并使用所述 合成X射線束照射對(duì)象的示例性BMXR系統(tǒng)的示意圖;
[0024] 圖9是根據(jù)本文中所述主題的實(shí)施例的具有多射束場(chǎng)發(fā)射像素的示例性CT成像 系統(tǒng)的不意圖;
[0025] 圖10常規(guī)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)架CT掃描設(shè)備的示意圖;
[0026] 圖11是常規(guī)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)架CT掃描設(shè)備的圖示;
[0027] 圖12是根據(jù)本文中所述主題的實(shí)施例的具有非旋轉(zhuǎn)固定臺(tái)架設(shè)計(jì)的示例性CT掃 描系統(tǒng)的示意圖;
[0028] 圖13是根據(jù)本文中所述主題的實(shí)施例的具有非旋轉(zhuǎn)固定臺(tái)架設(shè)計(jì)的示例性CT掃 描系統(tǒng)的示意圖;以及
[0029] 圖14是在顯著減少劑量的情況下獲得的來(lái)自ACR鑒定人體模型的固定頭部CT實(shí) 體模型的重構(gòu)單切片的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本文中所公開(kāi)的主題涉及便攜式的、非旋轉(zhuǎn)固定臺(tái)架計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)掃描 儀和方法。如本文中所公開(kāi)的CT掃描儀在一些實(shí)施例中可以利用一個(gè)或多個(gè)空間分布的 X射線源陣列來(lái)產(chǎn)生用于CT重構(gòu)所需的投影圖像。在一些實(shí)施例中,可以設(shè)計(jì)用于可移動(dòng) 應(yīng)用的專門對(duì)頭部、脊柱和頸部成像的CT掃描儀。在一些方案中,CT掃描儀可以配備用于 發(fā)送圖像至一個(gè)或多個(gè)集中的或期望的地點(diǎn)以供由醫(yī)學(xué)專業(yè)人員分析的無(wú)線通信能力。
[0031] 在一些實(shí)施例中,本文中所公開(kāi)的主題涉及利用多射束X射線源、X射線檢測(cè)器和 二進(jìn)制變換技術(shù)的多路復(fù)用X射線照相技術(shù)、設(shè)備和方法。根據(jù)一個(gè)方案在本文中所公開(kāi) 的射線照相技術(shù)是指諸如在序列號(hào)11/804, 897的美國(guó)專利申請(qǐng),現(xiàn)在為編號(hào)8, 189, 893的 美國(guó)授權(quán)專利中所公開(kāi)的二進(jìn)制多路復(fù)用X射線照相術(shù)(BMXR),其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用合并 于此。按照本文中所公開(kāi)的BMXR技術(shù),在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中,多射束X射線源的開(kāi)/關(guān)狀態(tài) (也被稱為"二進(jìn)制狀態(tài)")遵從預(yù)定的二進(jìn)制變換的形式。X射線源的開(kāi)-關(guān)狀態(tài)能夠產(chǎn) 生包括基于預(yù)定的二進(jìn)制變換的信號(hào)的X射線束。可以利用所產(chǎn)生的X射線束來(lái)照射對(duì)象, 或在一些實(shí)施例中可以利用所產(chǎn)生的X射線束來(lái)照諸如患者的受驗(yàn)者。照射對(duì)象之后,可 以由記錄對(duì)應(yīng)于X射線源的二進(jìn)制狀態(tài)的多路復(fù)用X射線信號(hào)的X射線強(qiáng)度的X射線檢測(cè) 器來(lái)檢測(cè)所發(fā)送的或熒光的X射線束。然后,可以通過(guò)逆二進(jìn)制變換來(lái)處理所記錄的X射 線強(qiáng)度數(shù)據(jù)以恢復(fù)從多射束X射線源中的每一個(gè)射束所產(chǎn)生的原始的X射線信號(hào)。
[0032] BMXR使許多新的X射線成像和X射線分析應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)使用不同形式的二 進(jìn)制變換,BMXR能夠縮短數(shù)據(jù)收集時(shí)間,提高信噪比(SNR),并提供數(shù)字射線照相術(shù)和熒光 光譜學(xué)中X射線源的更好的功率分配。通過(guò)利用多射束X射線源,BMXR能夠允許從同時(shí)使 用單個(gè)檢測(cè)器的多個(gè)X射線束進(jìn)行對(duì)象的并行成像/光譜分析。BMXR能夠提高在計(jì)算機(jī)斷 層掃描(CT)、層析X射線照相組合、X光透視檢查、血管造影術(shù)、多能射線照相術(shù)以及X射線 熒光光譜學(xué)分析的成像速度。BMXR適合的應(yīng)用包括,例如,醫(yī)學(xué)診斷和治療、工業(yè)無(wú)損探傷 (NDT)和X射線熒光(XRF)分析,以及安全篩查和檢測(cè)。
[0033] 如這里所指,術(shù)語(yǔ)"納米結(jié)構(gòu)的"或"納米結(jié)構(gòu)"材料指定諸如納米管(例如,-碳 納米管)的包括具有小于IOOnm顆粒尺寸的納米顆粒的材料。已經(jīng)表明這些類型的材料呈 現(xiàn)出已提升在多種應(yīng)用中的重要性的某些特性。
[0034] 如這里所指,術(shù)語(yǔ)"多射束X射線源"指定能同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)X射線束的設(shè)備。例如, "多射束X射線源"可以包括具有電子場(chǎng)發(fā)射器的基于場(chǎng)發(fā)射的多射束X射線源。電子場(chǎng)發(fā) 射器可以包括基于納米結(jié)構(gòu)的材料。
[0035] 如這里所指,術(shù)語(yǔ)"二進(jìn)制變換"指的是多路復(fù)用技術(shù)的概念,包括Hadamard變換 和其他適合的二進(jìn)制變換。通常,可以通過(guò)分別代表信號(hào)源的開(kāi)或關(guān)狀態(tài)的元素為1或〇 的二進(jìn)制變換矩陣來(lái)表示二進(jìn)制變換。諸如Hadamard變換的二進(jìn)制變換可以適用于包括 顯微鏡、光譜學(xué)、質(zhì)譜學(xué),以及磁共振成像(MRI)的各種應(yīng)用中。
[0036] 圖1是根據(jù)本文中所述主題的一個(gè)方案的通常指定為100的用于獲得對(duì)象的多射 束圖像的示例性BMXR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。參照?qǐng)D1,二進(jìn)制變換函數(shù)BTF能夠控制具有多個(gè)像 素的X射線產(chǎn)生設(shè)備XGD以產(chǎn)生包括基于預(yù)定的二進(jìn)制變換的信號(hào)的且被配置為使X射線 信號(hào)XS指向?qū)ο驩用于照射所述對(duì)象的多個(gè)合成X射線束XB。在該示例中,X射線束XB 基本上從單一方向射向?qū)ο?。此外,在該示例中,每一個(gè)X射線束XB都具有不同的X射線 能量譜。例如,通過(guò)針對(duì)不同的X射線束像素使用不同的陽(yáng)極