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CN1829476B - 具有可自动调节准直器的x射线单元 - Google Patents

具有可自动调节准直器的x射线单元 Download PDF

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CN1829476B CN2004800221757A CN200480022175A CN1829476B CN 1829476 B CN1829476 B CN 1829476B CN 2004800221757 A CN2004800221757 A CN 2004800221757A CN 200480022175 A CN200480022175 A CN 200480022175A CN 1829476 B CN1829476 B CN 1829476B
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Abstract

本发明涉及一种自动调节准直器(6)的方法和单元。就此而言，从第一X射线图像的分析中以特定应用的方式被确定身体内部的感兴趣的区域(9)，然后准直器(6)被调节。尤其是，对于照射野感兴趣的区域(9)能够被选择地足够大，使得能够覆盖感兴趣的器官(10)由于心跳和/或呼吸而出现的所有位置。优选地，在当前检查期间运动估计被执行，以便在需要时能够重新调节准直器(6)。如果感兴趣的区域不能被定位，则准直器(6)被打开到标准调节。

Description

具有可自动调节准直器的X射线单元
技术领域
本发明涉及一种用于生成身体图像的X射线单元，该单元具有可自动调节的准直器。此外，本发明还涉及一种使用准直器的自动调节生成身体的X射线图像的方法。 
背景技术
用于记录医学X射线图像的X射线单元通常包括一个具有不透明封闭部分和半透明光阑楔的准直器，通过该准直器的调节通过这样一种方式使X射线束的成形成为可能，即仅有患者身体的感兴趣部分以期望的辐射强度被照射。此外，准直器通常还包括滤光元件，以便按照期望的方式改变光束的光谱。使用准直器最重要的优点在于它可以改善图像质量，减少造成对患者的辐射损伤(例如，皮肤损伤)的风险，并且可以减少图像记录期间工作人员接触到的散射辐射。在这一点上，减少辐射暴露是十分重要的，尤其是考虑到伴随X射线荧光观察的长时间诊断和治疗介入正在越来越多地被使用。 
目前，准直器主要是由维护人员人工调节。但是，这不仅很不方便，而且干扰了它的实际活动。因此，由于在图像质量和辐射曝光上存在相应缺陷，准直器的调节不应该被频繁执行。 
US6055259提出一种准直器的自动调节，用于保护X射线探测器免受未经衰减的直接辐射。在这种情况下，首先是在介入开始时生成探查性X射线图像，其中被直接照射的探测器区域和被患者身体遮挡的探测器区域被自动区分。然后，再调节准直器，以便在后续X射线图像中勾勒出未被身体遮挡的区域。这种方法尤其可以用于患者腿部的成像，因为在这种情况下身体成像部分相对较窄，而探测器的大量区域被暴露在直接辐射下。但是，在其它的医学应用中，诸如在心脏介入中，就不能使用这种方法，这是因为在那种情况下X射线图像无论如何都不会包括任何直接辐射区域。 
发明内容
针对上述背景，本发明的一个目的是提出一种简单使用X射线单元中准直器调节可能性的装置。 
上述目的可以通过根据本发明的X射线单元实现，也可以通过根据本发明的生成身体X射线图像的方法实现。 
根据本发明的X射线单元用于生成(生物)体的图像，并且包括下述部件： 
a)用于生成X射线束的X射线源。 
b)可自动调节的准直器，包括对X射线辐射不透明和/或半透明的光阑元件和/或具有滤光元件，通过使用光阑元件从X射线源出发的X射线束能够在形状上受到限制和/或被局部衰减，通过使用滤光元件X射线束的光谱能够被改变。 
c)放置在X射线束路径上的X射线探测器和作用在探测器上的X射线辐射量能够用位置分辨(positional resolution)进行测量，其中待成像身体被放置在X射线源和X射线探测器之间。 
d)与准直器和X射线探测器耦合的数据处理单元，用于执行下述两个步骤： 
在一个或多个通过X射线探测器传送的身体X射线图像中确定将被X射线成像的体内感兴趣区域的位置。下文中也将这些图像称为“第一X射线图像”，这是为了进行区别，而不是对这些图像的生成相关情况进行限制。通常感兴趣区域(ROI)被特殊的基础应用预先确定。尤其是，ROI能够由器官或一部分器官限定，例如在心脏介入中由一部分冠状血管限定。上述器官能够在现有图像分析技术的帮助下在X射线图像中被半自动或全自动定位，向第一次使用的用户交互地提供某些额外的信息项，例如感兴趣血管部分的起点和终点。 
通过准直器的调节，生成的“后续”X射线图像被集中在感兴趣区域。X射线图像“集中”在感兴趣区域上的准确方式可以用各种方式实现，这取决于应用或取决于用户的规定。通常，集中包括感兴趣区域的最佳显示以及勾勒出感兴趣区域之外的所有身体区域的轮廓。在这一点上，在楔形半透明光阑元件的帮助下，在这两个极端之间的变换通常被平滑绘制，以致于在辐射暴露减少的情况下仍然可以在该区域中检测到某些残余信息。 
所描述的X射线单元具有下述优点：它包括准直器的全自动和至少基本自动的调节以显示感兴趣区域，上述区域根据应用和患者被限定和  指定。换句话说，例如大动脉介入是以感兴趣区域为基础，它的感兴趣区域在大小、形状上就和冠状动脉介入的感兴趣区域不同。此外，重要的是感兴趣区域是指定的身体区域，例如身体的一个器官或一部分器官。因此，成像方法应该便于适应患者的解剖结构，而不是适应某些仪器或类似物。 
根据本发明的优选配置，感兴趣区域以这样一种方式被限定，即能够假定在准直器调节完毕之后，在身体周期性运动期间待观察的身体结构(诸如器官)的全部位置均位于总照射野内。在许多应用案例中，由于身体的运动(诸如心跳和/或呼吸)，感兴趣器官的位置实际上在周期性变化。然而，一方面为了保证在X射线图像中对身体结构的适当覆盖，另一方面为了避免不断地重新调节准直器，因此感兴趣区域应当在开始时被选择地足够大，以致于器官的所有位置均位于成像区域内。 
从某个待观察的身体结构(例如，一个器官)出发，上述类型的感兴趣区域能够被指定，例如它可以将身体结构和具有预定宽度的环形外围区域一起覆盖。但是优选地，数据处理单元用于根据多个第一X射线图像确定对应较宽的限定感兴趣区域，其中上述第一X射线图像从周期性运动的各个阶段中生成。这就是说待观察的身体结构的位置总是位于多个X射线图像中并且感兴趣区域通过这种方式被指定，即向该处调节的准直器借助它的照射野覆盖了所定义的全部位置，并且也有可能覆盖照射野周围的一个额外(较小)的安全边界。 
如上所述，感兴趣区域可以是一部分血管。在这种情况下，第一X射线图像被优选通过这种方式形成，即它们可以显示出先前已经注射到血管系统感兴趣部分内的造影剂。此外，数据处理单元同时可以用于从造影剂的检测中确定第一X射线图像中上述部分的血管图案。尤其是，数据处理单元能够从多个X射线图像中提取造影剂注射(推注)前的变化，并将其用于确定血管图案。 
根据另一个实施方案，X射线单元包括一种对体内感兴趣区域运动进行定性和定量覆盖的装置，在这一点上例如可以通过移动检查床上的患者或是通过移动检查床产生上述运动。在这一点上，应该相对于X射线单元的成像部分对运动进行限定，以致于例如X射线源和/或X射线探测器的位置变化也可以被检测成感兴趣区域的运动。此外，在X射线单元的这种配置中，数据处理单元用于通过这种方式重新调节准直器的调  节，即成像始终集中在感兴趣区域上，也就是说感兴趣区域的运动在所生成的X射线图像中被补偿。这就确保了不管是什么运动，感兴趣区域的检查总是可以用最小的辐射暴露进行成像。 
检测运动的装置尤其是可以包括检测其上躺有患者的检查床位移的传感器。此外，上述运动检测装置可以包括记录X射线图像参数(辐射源和X射线探测器的位置、角度、间距、模式等)的传感器。 
在上述X射线单元的优选实施方案中，数据处理单元用于从“后续”X射线图像的图像分析中估计感兴趣区域的运动。也就是说，在检查期间生成的X射线图像被不断地查看是否在感兴趣区域中已经发生了运动。一旦这种运动已经被检测到，并且它的范围已经被确定，数据处理单元就能够通过准直器恰当的重新调节做出响应，而且感兴趣区域能够继续保持在成像区域中。优选地，这种步骤可以和借助传感器确定边界条件(检查床、X射线单元等)变化的上述装置结合在一起。 
第一X射线图像中感兴趣区域的定位和/或后续X射线图像的估计(例如，出于运动估计的目的)实际上总是导致不确定的结果。例如，较差的图像质量无法完成感兴趣区域的精确定位。出于这种原因，数据处理单元被优选设计为以下述方式工作：如果感兴趣区域从一开始就不能被十分确定地定位或者在这种方法的过程中感兴趣区域不再能够被恰当定位，数据处理单元则将准直器移动到指定的标准位置。在这点上，将被应用的确定性的定量标准必须通过已知的方法被确定，而且它的维护状态必须被检查。在有关的应用实例中，可以根据用户的需要指定准直器的标准调节。尤其是，准直器可以被打开到最大状态，以便在任何情况下均可以保证X射线图像中感兴趣区域的覆盖。 
根据本发明的另一个实施方案，X射线单元被用于从第一X射线图像中执行(三维)感兴趣区域的三维定位。出于这种目的，X射线单元通常被设计成旋转X射线装置，用于从各个投影方向生成身体图像，包括感兴趣区域在内的观察野能够从这些投影方向中被三维重建。在这方面，如果在后续的(二维)X射线图像成像期间图像方向发生改变，数据处理单元还被用于通过这样一种方式重新调节准直器，即集中继续保持在感兴趣区域上。因此，在感兴趣区域的三维定位的帮助下，有可能补偿X射线装置的倾斜。 
本发明还涉及一种生成身体X射线图像的方法，该方法包括下述步  骤： 
a)生成至少一个身体的第一X射线图像； 
b)在第一X射线图像中确定体内感兴趣区域的位置； 
c)通过使后续X射线图像被集中在感兴趣区域上的这种方式自动调节准直器。 
通常，该方法包括能够被上述类型的X射线装置执行的步骤。因此，这里给出了对X射线单元关于方法的细节、优点和实施方案的上述描述的参考。 
下文描述的实施方案对本发明的这些和其它方面进行了说明，通过参考这些实施方案，本发明的这些和其它方面显而易见。 
附图说明
唯一的一幅附图示意性地显示了根据本发明的X射线单元的部件。 
具体实施方案
为了生成患者5的身体的X射线图像，X射线单元包括X射线辐射源7和X射线探测器4，其中X射线辐射源7具有一个在由发生器提供的X射线电压的帮助下产生X射线辐射的X射线管，并且X射线探测器4用位置分辨测量透过患者5身体的X射线辐射。X射线探测4还被耦合到图像采集单元1，该图像采集单元用于读取各个图像传感器中的数据。X射线单元的控制和已采集(数字化)X射线图像的处理由数据处理单元2实现，因此数据处理单元2被耦合到图像采集单元1和X射线辐射源7。此外，数据处理单元2还被耦合到系统控制台8和用于显示已采集X射线图像的显示单元3，用户通过系统控制台8能够输入命令并控制记录过程。 
X射线单元还包括准直器6，如图所示为插入X射线束的两个封闭部分和滤光片。准直器还包括所谓的初级射线束滤光片(未显示)和射线束滤光片，其中初级射线束滤光片包括只透射由X射线管产生的锥形射线束的可变光阑(iris)。准直器中的射线束滤光片被频繁地使用以控制放射质量并减少患者剂量。 
同样，准直器6被耦合到数据处理单元2上，数据处理单元2能够传送将准直器上的滤光元件和光阑元件调节到期望位置的命令，在这里上述命令由恰当的自动定位系统执行。 
在附图中，虚线表示由准直器6最大开度形成的X射线圆锥的边界。  但是，在大多数检查中只有很小的一部分身体区域是感兴趣区域，如血管10的示意性显示部分。为了使患者和工作人员的辐射暴露最小化，并且为了改善图像质量，所以需要使用准直器6通过这样一种方式对X射线束进行有利地限制，即它基本上只覆盖身体的感兴趣区域。因为准直器6的各种形状的光阑和滤光单元可以被自动调节以适合患者5的解剖结构，所以下述针对特定应用的方法可以用于替代进行准直器6手动调节的医生。 
在这一点上，在第一步骤中，感兴趣器官10或其一部分在数据处理单元2中在X射线单元生成的“第一”X射线图像中被全自动或半自动分段。然后使用这种分段结果，指定下面被称为ROI的特定应用的“感兴趣区域”。接着，数据处理单元2通过这样一种方式驱动准直器6，即光阑和滤光单元按照对X射线束的约束被调节到指定的ROI(监视器3所示图像中的参考数字9)。 
尤其是，在心脏介入的情况下，ROI的指定能够包括心动周期和/或呼吸周期期间的运动评估，从而尽管有自发运动但也确保感兴趣器官(部分)10总是保持在图像中。此外，在准直器6的初始调节之后，运动能够被连续检测和估计，以便在出现(超出心跳和/或呼吸的)运动时，准直器6能够被相应地重新调节。应该不可能调节准直器6，例如因为X射线单元的投影方向已经被改变，为了确保ROI的覆盖，准直器6优选被打开到标准调节。 
现在使用主动脉瘤治疗的实例对上述方法进行详细说明。在上述治疗中，附着在导管中的stent被插入血管系统中并一直插入到动脉瘤处。然后，stent被释放，于是通过产生新的更稳定的血流通道，stent展开并加固了主动脉，同时将动脉瘤从循环中隔离出来。上述介入的典型特征是： 
1.由主动脉的形状明确限定感兴趣区域ROI； 
2.通常，患者运动很小； 
3.通常，检查床仅沿主动脉轴运动； 
4.在前-后方向上对损害处成像，在成像期间，投影角通常在介入期间没有变化。 
在方法的第一步骤中，主动脉和相关血管部分从血管造影图像序列中被分段，上述血管造影图像序列通常在介入开始时采集。在这一点上，  借助某些图像属性的分析(例如检查是否包括减影图像，序列是否显示造影剂的集合药团正在血管系统中流动)，它能够确定序列是否适合进行ROI的自动分段。作为另一种选择，系统能够被设计成在最后一个序列准确地选择临床相关区域时，医生恰好启动“ROI成像”协议。 
在这种常规分类步骤之后，从可用的血管造影序列中确定一个图像，用作后续分段步骤的母板。要么是通过图像分析方法选择一个图像，要么是从血管造影序列的全部图像中或一部分图像中计算出最小图像。然后，在上述单个图像的帮助下，临床相关ROI能够被自动分段。在这一点上，解剖模型一方面可以帮助区别主动脉和相关血管，另一方面可以帮助区别更小的血管。 
例如，可以通过包括分段结果的轮廓确定感兴趣区域ROI。然后，准直器6中的光阑和滤光元件能够以现在对感兴趣的区域进行成像的方式被调节。通过检测造影剂的流入，能够全自动执行感兴趣区域ROI的确定和准直器的调节。 
在随后的介入期间，最初记录的血管造影序列的图像通常借助当前图像被配准，其中上述血管造影序列包括相应感兴趣区域。通常，在低剂量荧光检查模式下且在没有注入造影剂的的介入期间执行成像。除了可能出现的对X射线不透明的仪器外，在当前图像中仅有某些背景信息(例如，椎体和组织)可见。但是，在现有技术中，已经存在可能以图像差异为基础进行快速和可靠配准的各种配准方法和相似度测量(cf.T.M.Buzug，J.Weese：”Image Registration for DSA qualityenhancement”，Comput.Med.Imag.Graph.1998，22，103；T.M.Buzug，J.Weese：“Voxel-based similarity measures for medicalimage registration in radiological diagnosis and image guidedsurgery”，J.Comput.Inf.Tech.1998，6(2)，165)。 
此外，运动检测和估计必须被执行，以便在发生运动(检查床倾斜、患者运动等)时调节准直器6。在这种操作中，信息项和成像系统的参数(诸如投影方向、检查床位置和II模式)能够用于获取更加稳定的结果。如果运动应该很大以致于被指定的ROI在当前图像中不能被定位，那么需要将准直器的光阑和滤光元件从视野中移出，以便保证成像并且使方法尽可能的稳定、自动化和可靠。 
此外，为了获取最优质量可以使用图像均一化操作，以便校正衰减  图像区域和未衰减图像区域之间的亮度差(S.Rudin，D.R.Bednarik，C.Y.Yang：“Real-time equalization of region-of-interestfluoroscopic images using binary masks”，Medical Physics 26：(7)，1359-1364，1999；N.Robert，P.T.Koml jenovic，J.A.Rowlands：“A filtering method for signal equalization in region-of-interest fluoroscopy”，Medical Physics 29：(5)，736-747，2002).噪声滤波能够被执行以减少被光阑/滤光片覆盖的图像区域中的噪声。 
在其它应用中通过恰当的方式能够对上述方法的步骤进行修改，其中用户能够在介入开始时，对在数据处理单元2的软件中执行的各种步骤做出选择。例如，冠状动脉狭窄的治疗(PTCA：经皮经管冠状动脉成形术)中，它可能无法全自动识别感兴趣的冠状血管段。在交互的中间步骤中，心脏病专家因此可以在血管造影图像中显示感兴趣的血管段的起点和终点。然后，例如使用基于前向传播和血管滤波的方法(S.Young，V.Pekar，J.Weese：“Vessel segmentation for visualization ofMRA with bloodpool contrast agent”，Medical Image Computing andComputer Assisted Interventions(MICCAI2001)，W.J.Niessen，M.A.Viergever，eds.；Lecture Notes in Computer Science 2208，2001)，执行血管段的自动分段。 
此外，在上述应用中，不希望随着心跳和呼吸的变化而经常调节准直器6的滤光元件。出于这种原因，感兴趣区域对于相关的准直器调节被定义地足够大，以便能够在出现心跳和呼吸期的所有期间中覆盖感兴趣的血管段。同样，为了调整准直器调节，在运动估计和补偿期间计算也必须考虑心跳和呼吸。 
如果数据是从三维X射线血管造影中获得的，那么感兴趣的器官优选被三维定义和分段。在上述三维数据的帮助下，如果投影方向在后续X射线图像中被改变，准直器6也能够被重新调节。 
上述系统的大量自动化保证了将成像限制在感兴趣区域的优点能够被应用在实际情况中。因此，患者和工作人员的辐射暴露能够被最小化。由于周围的散射辐射的减少，使感兴趣区域的图像质量得到了改善。因此，栓塞血管的螺旋物或金属网格、stent和类似物的可见性得到了改善，或者在保持同样可见性的情况下剂量被减少了。因为不但是前向散射被减少，而且后向散射也被减少，所以医务人员的辐射暴露被减少。 

Claims (10)

1.一种生成身体图像的X射线单元，包括：
a)X射线源(7)；
b)可自动调节的准直器(6)，用于限制、局部衰减X射线束和/或对X射线束进行滤波；
c)X射线探测器(4)；
d)数据处理单元(2)，该数据处理单元被耦合到准直器(6)和X射线探测器(4)，并且用于基于身体的至少第一X射线图像的图像分段来全自动或半自动地确定身体内部的感兴趣的区域(9)的位置，和用于调节准直器(6)以便后续X射线图像被集中在感兴趣的区域(9)上，其中上述第一X射线图像由探测器(4)传送。
2.根据权利要求1所述的X射线单元，其特征在于被调节到感兴趣的区域(9)上的准直器(6)的照射野由器官或一部分器官(10)限定。
3.根据权利要求1所述的X射线单元，其特征在于在身体的周期性运动期间感兴趣的区域(9)覆盖了身体结构(10)的可能位置。
4.根据权利要求3所述的X射线单元，其特征在于数据处理单元(2)用于从身体(5)周期性运动的不同阶段中确定以多个第一X射线图像为基础的感兴趣的区域(9)。
5.根据权利要求1所述的X射线单元，其特征在于第一X射线图像显示了血管系统内的造影剂，数据处理单元(2)用于从第一X射线图像的造影剂检测中确定血管路径。
6.根据权利要求1所述的X射线单元，其特征在于它包括用于检测身体的感兴趣的区域(9)运动的装置，并且其特征在于数据处理单元(2)用于重新调节准直器(6)的调整，使得感兴趣的区域(9)上的集中仍然保持不变。
7.根据权利要求6所述的X射线单元，其特征在于数据处理单元(2)用于从后续X射线图像的图像分析中估计感兴趣的区域(9)的运动。
8.根据权利要求1所述的X射线单元，其特征在于如果感兴趣的区域(9)不能被定位或者是不能被十分确定地定位，数据处理单元(2)用于移动准直器(6)到指定的标准调节。
9.根据权利要求1所述的X射线单元，其特征在于它用于从第一X射线图像中执行对感兴趣的区域的三维定位，并且其特征在于数据处理单元(2)还用于在后续X射线图像正在被采集时出现记录方向的改变的情况下，重新调节准直器(6)。
10.一种生成身体的X射线图像的方法，包括下述步骤：
a)生成身体的至少第一X射线图像；
b)基于所述第一X射线图像的图像分段来全自动或半自动地确定身体内部的感兴趣的区域(9)的位置；
c)自动调节准直器(6)以使得后续X射线图像被集中在感兴趣的区域(9)上。
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