一种获得X射线图像的方法与流程

一种获得x射线图像的方法
1.本发明总体上涉及一种获得x射线图像的方法和一种布置成根据该方法操作的x射线成像设备，并且发现其在生成3d断层合成图像方面特别有用，虽然其并不是唯一的用途。
2.慢性阻塞性肺病(copd)等疾病是全球患病率和病死率的主要原因之一。了解肺部的功能(而不仅仅是它们的静态解剖结构)对于解决此类疾病和对每个病例的严重程度进行分类至关重要。影响需要定期评估肺功能的不同年龄患者的其他例子是哮喘、肺癌、肺纤维化和囊性纤维化。
3.对于此类疾病的治疗，获得尽可能多的与身体相关部位相关的功能信息是有用的。肺活量测定法测量吸入和呼出的空气量，对肺功能进行整体测量，但需要成像方法来评估肺部不同部位的表现。然而，肺部与身体的某些其他部位一样会移动，因此很难产生清晰的图像和/或获取有关它们的功能信息。
4.各种不同的方法是已知的，然而，它们都具有以下将简要描述的缺点。
5.核医学的使用涉及患者吸入放射性气体，然后由伽马相机对放射性气体进行成像。这涉及相对较小的辐射剂量，但产生的图像是2d的且分辨率低，无解剖学参考。此外，该过程需要几分钟。
6.患者屏住呼吸的标准胸部x射线可以快速获取并且涉及相对较小的辐射剂量，但也只能提供没有功能信息的2d视图。
7.采集重复的标准x射线的动态x射线成像是已知的并且可以提供功能图像，但是涉及相应更高的剂量并且仍然仅提供2d图像。
8.众所周知，医学扫描仪可以通过门控扫描产生功能图像，门控扫描涉及例如通过使用患者佩戴的监测带来监测对象的运动，并在对象处于不同位置时重复拍摄图像。mri扫描仪的缺点是昂贵且耗时。ct扫描仪的门控扫描有一个额外的缺点，即涉及比重复的标准胸部x射线图像高得多的辐射剂量。这些扫描仪还要求患者在操作过程中躺下，这可能与患者日常生活中的大部分时间不同，这可能会改变身体各部位的相对位置。
9.最后，已知可以通过在过程中移动x射线发射器并且可能还移动探测器的同时采集多个x射线投影图像来产生断层合成图像。在这种情况下，辐射剂量类似于典型2d x射线图像的辐射剂量。
10.然而，就当前系统而言，这是一个相对耗时的过程(大约需要5到12秒)，因此不适合在呼吸周期期间获取多个图像以获取功能信息。因此，希望能够以相对低的辐射剂量并在尽可能短的时间内生成相对清晰的3d断层合成图像，从而获得被另一对象遮挡的移动对象的功能信息。
11.表1
12.方法相对于胸部x射线的近似剂量扫描持续时间mri030-60分钟胸部x射线胸部x射线的1倍《1s动态x射线胸部x射线的1.5倍几秒
数字断层合成胸部x射线的1.8倍几秒核医学肺扫描胸部x射线的30-50倍30min静态胸部ct胸部x射线的50倍几秒门控胸部ct(“4dct”)胸部x射线的200-400倍几秒
13.表1-x射线成像系统对比
14.上表展示了使用数字断层合成如何能够以相对较低的剂量和相对较短的曝光时间创建对象，例如人体器官的可查询3d图像。
15.第一方面，本发明提供一种获得被第二对象遮挡的第一对象的x射线图像的方法，其中第一对象相对于第二对象移动；该方法包括以下步骤：a)提供一种x射线成像设备，该设备包括面板，该面板包括可单独通电的x射线发射器的阵列、一探测器和一处理器，其中该阵列和探测器相对于彼此和第二对象的至少一部分保持静止；b)在第一时间段内使面板的第一组x射线发射器通电，并将x射线导向第一对象；c)使用探测器探测穿过第一对象后的x射线；d)处理探测到的x射线以创建第一组图像以获得示出第一对象结构的断层合成数据；e)在第二时间段内使面板的第二组x射线发射器通电，并将x射线导向第一对象；f)使用探测器探测穿过第一对象后的x射线；g)处理探测到的x射线以创建第二组图像以获得示出第一对象结构的断层合成数据，其中第二时间段使用的发射器数量少于第一时间段使用的发射器数量；和h)比较来自每组图像的至少一些图像以提供与第一对象的密度有关的功能信息。
16.在这点上，第一对象可以是器官，例如肺或心脏或肠，而第二对象可以是人或动物的身体。在进行该方法时，人或动物可以站立或躺下。静止状态与发射和探测x射线的时间段有关。
17.由于在第二时间段中使用的发射器数量少于在第一时间段中使用的发射器数量，因此与简单地重复给第一组x射线发射器通电相比，剂量减少了。就此而言，在第二时间段中使用的发射器所覆盖的子集区域可以小于在第一时间段中使用的发射器所覆盖的区域。或者，第二区域可与第一区域大致相同(或更大)但使用较低密度(每区域数量)的发射器。
18.本发明的一个优点是可以在单个非侵入性方法中导出关于第一对象的功能信息，并且可以获得第一对象的解剖图像。与涉及使用单独设备来获取解剖和功能信息的其他方法相比，这是一个优势。此外，不在需要翻译来自不同源的解剖和功能数据。
19.断层合成数据可以包括，或形成解剖图像/数字断层合成图像，其中创建了通过第一对象的一组平面。为了可视化，可以将功能信息叠加到3d解剖信息上。例如，功能数据可以显示为解剖平面上的覆盖图。
20.此类方法还可允许评估在呼吸周期期间组织(例如肺中的组织)的拉伸(或弹性)能力。这可能有助于对肺气肿(copd的一部分)和肺纤维化等病症的疾病进展进行非侵入性诊断和表征，并且还可能允许表征肺癌，因为它认为癌细胞局部改变了组织的弹性。
21.可单独通电的x射线发射器阵列可被描述为分布式x射线源阵列。它们可以通过一定角度范围发射x射线，因此以一定角度范围穿过第一对象，从而能够导出3d数字断层合成(dt)图像。使用分布式x射线源阵列允许单独电子触发每个发射器，这比物理移动单个x射线源要快得多。此外，每个发射器可能只覆盖部分视场(第一对象)。因此，可以仅从视场的一个子集获得重复图像。这意味着与重复第一组发射器相比，可以减少总剂量。子集区域可
以由面板的第二组x射线发射器限定，所述第二组x射线发射器在第二时间段内通电。
22.每个或子集区域的重复图像可用于获得功能信息。例如，像素强度的变化可能与通气有关(肺组织内空气量的增加可能会降低其密度，从而降低其x射线衰减)。
23.与ct不同，在ct中，x射线在患者周围进行完整的360度扫描，数字断层合成仅涵盖部分扫描。在固定断层合成(sdt)的本方法中，通过触发阵列中按顺序触发的一系列空间中分布的固定源，在不用物理移动x射线发射器的情况下即可实现部分扫描。
24.x射线发射器阵列可以是单个平板源(fps)。或者，可以通过使用以协调方式操作的多个平板源的阵列，例如3x 3的fps阵列(其中每个阵列例如具有25个可电子触发的发射器)，来设置用于胸部成像的大面积，例如40厘米x 40厘米x射线探测器。fps可以与平板x射线探测器(fpd)配对。这两个设备可以与作为“采集工作站”的计算机协同工作，以处理和分析作为fpd输出的探测到的x射线，并将多个帧重建为3d模型，该3d模型(经常通过图像存档与通信系统(pacs’))可导出至“可视化工作站”，临床医生可以在该可视化工作站上使用查看软件查看图像。
25.用于导出解剖和功能图像的探测到的x射线可以以多种方式进行排序。例如，可以首先获取解剖图像作为覆盖全视场的典型dt图像。患者可能需要屏住呼吸几秒钟。然后在获取功能图像的同时允许患者呼吸几次。在呼吸阶段期间，将在第二时间段中使用第二组x射线发射器对视场的一个或多个子集区域进行成像。
26.第二组通电的x射线发射器的目标区域可由临床医生确定。然而，其他方式也是可能的，例如使用相对于固定点(例如视场中心)的预设位置。或者，可以使用预定义的阈值自动选择一个或多个区域/位置(例如，肺通常具有比周围组织低得多的x射线衰减)。
27.图像可以包括像素，每个像素具有基于其强度分配给它的值，该值位于标度上。可以通过在每组图像之间的比较中分析像素强度的变化的步骤来提供与第一对象的密度有关的功能信息。
28.例如，在比较中分析像素强度变化的步骤可以包括确定第一组图像和第二组图像之间的值的标准偏差变化。
29.图像可以是灰度格式，或者可以是色度(或更具体地光度)灰度格式。图像可能位于色彩空间中。
30.与密度有关的功能信息可以与包括在成像对象中的各个成像部分之间的相对密度有关。与密度有关的功能信息可以与成像对象的至少一部分的密度变化有关。
31.第一时间段和第二时间段可以至少部分重叠。换言之，一组的开始时间可能出现在另一组的结束时间之前。在处理步骤d)中，可以从第一组图像中排除来自第一时间段的一些探测到的x射线。在处理步骤g)中，可以从第二组图像中排除来自第二时间段的一些探测到的x射线。
32.第一时间段和第二时间段可以各自具有起点和终点，并且该方法可以包括以下步骤：提供运动探测器以监测第一对象的运动；并且确定由于第一对象的运动所导致的第一时间段和/或第二时间段中的每一个的起点和终点。呼吸带可以用作运动探测器来记录呼吸阶段，从而这些可以通过处理装置与所创建的图像相关联。
33.设想用于监测第一对象的运动的其他方式，例如监测解剖标志的位置的其他方式。例如，在呼吸循环期间。
34.该方法可以包括暂时减少或消除第一对象的运动的步骤。这可以通过向第一或第二对象施加机械力来实现。例如，减少患者运动的最常见方法是身体约束，包括用于防止患者身体部位剧烈运动的带子、杆、垫子和其他配件。替代地，或另外，假设患者身体足够好到可以做到屏气的话，那么屏气是减少患者运动的常用方法。屏气具有减少内部运动的优势，特别是肺容积的变化以及周围组织和器官的运动。也可以通过机械呼吸机来控制呼吸频率。肺功能受损的患者通常已经在通气，因此呼吸机诊断可用于控制x射线应用的时间。在了解呼吸速率(或肺膨胀的量)是比较重要但不是控制性的情况下，可以将一个简单的传感器应用于胸壁并用于控制x射线定时或标记x射线图像。
35.也可以使用化学“限制”，尤其是在兽医或儿科病例中更是如此。对于不能静坐或难以进行约束的患者而言，可采用轻度镇静或全身麻醉等方法。
36.第一组图像中的至少一些也可以用于创建第二组图像。
37.该方法还可以包括以下步骤：随后在随后的重复时间段内使面板的第二组x射线发射器通电并且将x射线引导到第一对象；使用探测器探测穿过第一对象后的x射线；处理至少一些随后探测到的x射线以创建第一对象的后续组重复图像。
38.就此而言，子集区域可以暴露于来自一个或多个发射器的x射线，其中由每个发射器产生的锥体可以在探测器处彼此重叠。重叠程度可以相对最小。一个或多个发射器可以被重复通电。这可以允许获得2d图像和测量值，例如作为通风量度的像素强度变化。
39.或者，具有较大相对重叠的一组发射器可被重复通电以覆盖子集区域。这可以允许获得3d数字断层合成图像和信息。例如，监测运动作为弹性的度量。
40.如果需要对一个以上子集区域成像，则这些区域中的一个或多个可以同时暴露于x射线中，或者至少具有一些时间重叠。子集区域的空间重叠时，可能是这种情况。
41.该方法还可以包括比较来自第二组和后续各组图像的每组图像的至少一些图像以提供关于第一对象的功能信息的步骤。
42.提供的关于第一对象的功能信息可以涉及其组成、其大小、其形状、其相对于第二对象的位置、其弹性和其密度中的一个或多个。功能信息还可能与其运动模式、运动速率和运动位置中的一个或多个有关。功能信息可包括识别其边界，例如肺边界区域，或计算第一对象的不同区域的x射线衰减并计算其如何随时间变化，例如在呼吸周期中如何随时间变化。这可以在3d中完成，或者通过测量投影的2d边界变化(作为体积的代理指标)，或通过测量2d投影中的衰减变化来完成。
43.此外，可以跟踪图像“纹理”的运动以评估第一对象的整体或部分的运动。应当理解，该方法可以包括改变每个x射线锥体的角度的步骤。在这方面，在典型的使用中，x射线束的形状可以是圆锥形的，从而形成锥体。“椎体”可以指来自单个发射器的x射线发射的大致锥形包络。该术语可用于区分单个发射器的发射和整个发射器阵列的发射。
44.对于典型的肺部解剖断层合成图像，20
°
到40
°
宽度之间的小锥体可能是合适的。在这点上，该角度可以是圆锥在其顶点处测量的角度，或者可以是该角度的一半(换言之，发射器的法线与圆锥的一侧之间的角度)。然而，对于对象的子集区域的重复2d功能成像，更窄的锥体可能是优选的。
45.通常可以使用圆形或椭圆形x射线投影，但也可以考虑其他形状，例如半圆形或更矩形的几何形状。可以使用遮罩或其他方式来定义形状。
46.在图像处理期间，可以通过使用处理(例如通过使用软件)来控制或校正运动来考虑第一对象的运动。例如，该方法可能包括在患者身体上放置标记以及使用相机跟踪总运动的步骤。这些基于视频(光学)的运动跟踪工具可能有助于纠正某些类型的运动，甚至可以跟踪呼吸频率。其他步骤可能包括使用结构光投射到患者身体上并成像以获得3d(深度)信息，从而在较小的空间尺度上跟踪运动。x射线标记还可用于指示特定区域，并可用于跟踪x射线图像内的相对运动。例如，可以将放置在肩膀旁边的标记与放置在胸部的标记进行比较，以寻找相对运动。
47.这些方法可共同用于对x射线图像数据进行预处理或后处理。例如，如果要在x射线中分析呼吸运动，则可以通过获取光学(视频)运动数据并对x射线数据进行预处理以消除整体身体摇摆，同时保留呼吸引起的运动来消除总运动。类似地，如果使用基于x射线的运动探测，则可以通过移除放置在肩部的标记的运动来预处理数据。相反，可能需要通过例如光学跟踪肺运动并根据该呼吸周期数据选择或分类x射线帧来对数据进行后处理。
48.第二方面，本发明提供一种布置为根据第一方面操作的x射线成像设备。运动探测器可以是呼吸带。机械力可由强制通风机施加。
49.通过结合附图所属的以下具体实施方式，本发明的上述和其它特征、特点和优点将变得显而易见，其中附图通过示例的方式说明了本发明的原理。该描述仅作为示例，而不限制本发明的范围。以下附图标记指的是附图。
50.图1是使用中的x射线设备的示意图；
51.图2是对一对肺进行x射线检查以创建3d解剖数字断层合成数据集的示意图；和
52.图3是以与图2不同的方式对一对肺进行x射线检查以获得关于肺的功能数据的示意图。
53.本发明将参照某些附图进行描述，但本发明不限于此，而仅受权利要求的限制。所描述的附图只是示意性的并且是非限制性的。每张附图可能不包括本发明的所有特征，因此不应被认为是本发明的一个实施例。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸与本发明实践的实际缩减并不对应。
54.此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分相似的元素，并不一定用于描述时间、空间、排序或任何其他方式的顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且能够以不同于本文描述或图示的其他顺序进行操作。同样，以特定顺序描述或要求保护的方法步骤可以理解为以不同顺序操作。
55.此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上方、下方等用于描述目的，并不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且能够在不同于本文描述或图示的其他方向上进行操作。
56.需要注意的是，在权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为仅限于其后列出的手段；它不排除其他元素或步骤。因此，它被解释为指定所提及的所述特征、整体、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤或组件或其组。因此，表述“包括装置a和b的设备”的范围不应限于仅由组件a和b组成的设备。这意味着就本发明而言，设备的唯一相关组件是a和b。
57.类似地，应当注意，描述中使用的术语“连接”不应被解释为仅限于直接连接。因此，表述“连接到设备b的设备a”的范围不应限于其中设备a的输出直接连接到设备b的输入
的设备或系统。这意味着a的输出和b的输入可以是包括其他设备或装置的路径。“连接”可能意味着两个或多个元件直接物理或电接触，或者两个或更多个元件彼此不直接接触但仍相互协作或相互作用。例如，考虑无线连接。
58.在整个说明书中对“一个实施例”或“一个方面”的引用意味着结合该实施例或方面描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例或方面中。因此，在本说明书各处出现的短语“在一个实施例中”，或“在一个方面”不一定都指代相同的实施例或方面，而是可以指代不同的实施例或方面。此外，本发明的任何一个实施例或方面的特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式与本发明的另一实施例或方面的任何其他特定特征、结构或特性组合，这对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。
59.类似地，应当理解，在描述中，本发明的各种特征有时在单个实施例、图或对其的描述中组合在一起，目的是简化

技术实现要素：
并帮助理解各种发明方面中的一个或多个。然而，这种公开方法不应被解释为表明要求保护的发明需要的特征要比每条权要中明确说明的特征多。此外，任何单独的附图或方面的描述不应被认为是本发明的实施例。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。因此，具体实施方式之后的权利要求特此明确并入该具体实施方式中，每个权利要求独立作为本发明的单独实施例。
60.此外，如本领域技术人员将理解的，虽然本文描述的一些实施例包括其他实施例中包含的一些特征，但是不同实施例的特征的组合意在在本发明的范围内，并且形成另外的实施例。例如，在以下权利要求中，可以以任何组合使用任何要求保护的实施例。
61.在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，为了不混淆对本描述的理解，没有详细示出众所周知的方法、结构和技术。
62.在本发明的讨论中，除非有相反的说明，否则参数的允许范围的上限或下限的替代值的公开，加上所述值之一比另一个更优选的指示，应被解释为隐含地表明，位于所述备选方案中更优选和次优选之间的所述参数的每个中间值本身优先于所述次优选值以及位于所述次优选值和所述中间值之间的每个值。
63.在某些情况下，“至少一个”一词的使用可能仅表示一个。在某些情况下，“任何”一词的使用可能意味着“所有”和/或“每个”。
64.现在将通过与示例性特征相关的至少一幅附图的详细描述来描述本发明的原理。很明显，在不脱离基本概念或技术教导的情况下，根据本领域技术人员的知识可以配置其他布置，本发明仅由所附权利要求的条款限制。
65.在图1中，x射线设备10示出为包括平板发射器阵列30，其通过患者20的胸部发射x射线。x射线由与发射器阵列30相对的探测器板40探测。
66.将生成的数据发送至处理器50，在处理器50处对生成的数据进行处理，从而在屏幕60上形成可视图像。
67.仅示出了x射线35的两个锥体，然而，应当理解，在使用中，可以在过程期间根据需要同时和/或连续地发射更多个x射线锥体。
68.图2示出了由一系列重叠的圆圈80覆盖的一对肺70。每个圆圈80表示由发射器的x射线锥体覆盖的区域。实际上，圆圈的大小可能比所示的更大或更小，并且圆圈的数量可能
更多或更少。预期可以采用圆形以外的形状。
69.可以在进行以下步骤之后生产该系列：在第一时间段内为面板的第一组x射线发射器通电并且将x射线引导到第一对象并使用探测器来探测通过第一对象后的x射线。
70.使用已知的处理技术，可以使用探测器收集的信息来创建肺部的3d断层合成模型。该信息可以以切片100的形式呈现，使得临床医生可以通切片100的厚度在不同深度处观察肺部。
71.图3示出了同一对肺70。然而，仅示出了几个圆圈90。这是一个较小子集区域的示例，该区域在肺部运动期间可能多次暴露于第二组x射线和可能的后续组x射线。这可以通过仅给选定的发射器通电来实现。在该示例中，以及覆盖较小的子集区域，覆盖该区域的锥体的密度相对于由第一组x射线覆盖的区域减少。一旦x射线被探测器探测到并由处理器处理，就可以创建第二组和可能随后的肺部图像。这几组图像可以相互比较，并与第一组图像比较，以确定关于肺部的功能信息。这种功能信息可以以图形方式呈现，例如呈现为肺部图像上的颜色覆盖图。覆盖图可以描绘功能信息，例如肺涨和肺缩110之间的差异幅度。功能测量可以显示为数字或颜色，作为dt切片的对齐堆叠上的覆盖图。
72.可以根据图像的阴影确定对象的密度；较深的阴影表示比较浅的阴影密度更大的材料区域。对象的密度可能会随时间变化(例如，当肺涨和肺缩时)。在对象的不同部分，密度可能会以不同的速率变化。在每组图像中确定的(对象的，或对象的至少一部分的)密度可以与另一组图像中的密度进行比较，并且可以用图形表示确定的密度变化。比较可以由处理器进行。分析变化的步骤可以通过比较像素强度来进行，其中基于每个像素的强度赋值给像素，该值在刻度上。例如，在比较中分析像素强度变化的步骤可以包括确定第一组图像和第二组图像之间的值的标准偏差变化。
73.第二次x射线成像和随后的x射线成像可以使用肺部中的特定位置标志来帮助确定呼吸周期期间的物理变化。
74.应当理解，在第一x射线发射时段期间获得的第一组图像中的一些图像可以在处理第二组图像和后续组图像时使用。这几组图像可以交错。通过这种方式，可以减少患者接受的辐射剂量。
75.可以对不用组图像中的图像进行比较，但前提条件是某些图像是可能使用相同的发射器在同一位置创建的。替代地或附加地，进行比较的前提条件是某些图像是在运动(例如，呼吸)周期器件在同一点处创建得到的。这可以通过使用诸如呼吸传感器之类的监视器来确定。
76.尽管已经针对患者和医学信息的推导描述了该方法和设备，但是应当理解，所述方法和设备也可用于第一移动对象被第二静止对象所遮挡的其他情况，例如行李分析。