基于造影剂的血管成像的制作方法

1.本发明涉及一种x射线造影剂。此外，本发明涉及一种使用上述x射线造影剂的x射线成像方法。本发明还涉及一种图像重构装置。本发明还涉及一种x射线成像系统。


背景技术：

2.在现代成像方法的帮助下，通常会生成二维或三维的图像数据，这些图像数据可用于对成像的检查对象进行可视化，还可用于其他应用。
3.这些成像方法通常基于对x射线辐射的检测，其中，生成所谓的投影测量数据。例如，可以借助于计算机断层扫描(ct)系统获取投影测量数据。
4.在x射线图像记录时，经常使用造影剂，将造影剂注射给患者，以提高图像记录的对比度，从而便于诊断。使用造影剂的一个例子是，采用x射线方法对血管进行成像。在此，x射线方法可以使用常规系统、c臂系统、血管对比系统或ct系统执行。通常，在这种成像中使用碘作为x射线造影剂。
5.然而，在使用碘进行血管对比的情况下，出现的问题是，血管中的骨物和钙化物以及部分钙化的斑块具有与填充造影剂的血管相似的密度值，尤其是在复杂的解剖结构中，例如在颅骨区域、填充碘的血管、骨物和钙化物在血管中重叠，因此在图像显示中不再能够精确地相互分开。因此，特别是对于具有较小直径的血管，在严重钙化的情况下，通常不能再借助ct血管对比来确定所述血管的血管宽度，也称为管腔。这种现象代表了在冠状动脉和外围腿部血管中使用ct血管对比的限制。
6.传统上，已经尝试通过减去要记录的区域的先前记录—这是在没有造影剂的情况下进行的，来将血管中的骨物和钙化物或部分钙化的斑块与通过碘造影剂可见的区域分开。但由于在先前记录与主要记录之间的时间偏差，因患者移动而出现配准问题。此外，通过附加的图像记录，增加了患者的辐射剂量。
7.使用基于软件的方法来把与血管有关的图像信息和与骨物有关的图像信息分开也容易出错。这些错误尤其在例如颅底的复杂显像情况下发生。此外，由于开花效应，不可能从血管显像中消除(部分)钙化的斑块。因为部分钙化的斑块由于开花效应而比它们实际显示的更大。如果从图像中去除了斑块的显示，那么由于斑块先前覆盖的面积太大，因此保留了没有图像信息可用的区域。
8.把骨物和含碘造影剂像素分开的一种方法是，使用双能或多能成像方法。在这种情况下，利用至少两种不同的平均x射线能量对同一个检查区域进行图像记录。然而，在通过分类将像素分配给造影剂或骨物材料的简单变型的情况下，会出现与在使用基于软件的方法时发生的类似问题。特别是在复杂的血管结构中，也会发生含碘区域和含斑块区域的不正确分开。这种做法同样也导致钙化区域的放大表示。如果随后提取这些区域，以使血管可见，则不清楚被放大表示所覆盖的区域将如何显示在图像中。
9.在另一种相对较新的方法中，采用双能图像记录，用来基于该记录计算两个不同的图像，其中，这两个图像之一表明了含钙的结构，而这两个图像中的另一个显示出被施加
了造影剂的区域。因此，在造影剂图像中既看不到骨物，也看不到血管的钙化物。虽然以这种方式避免了在图像中对钙化物的放大表示，并且存在有关否则被放大结构所覆盖的区域的信息，但仍然存在的问题是，以前使用的造影剂例如碘和骨物或钙化物在x射线记录的能量范围内(40kev到140kev)在其光谱吸收特性方面非常相似。这意味着，在这两种材料中，x射线的吸收会随着能量的降低而急剧增加。图1中示出了针对低能量记录(由e(1)表示)和高能量记录(由e(2)表示)的吸收。由于传统造影剂碘和钙的相似特性，所得到的材料图像显示出非常高的图像噪声和不精确的材料分开。虽然通过显著增加辐射剂量可以消除高的图像噪声和不精确的材料分开的问题，但这种做法会增加患者的健康负担，并且在某些类型的检查中，例如在冠状动脉对比中，由于技术限制而无法实现。
10.因此存在以低辐射剂量实现质量良好的血管显示的问题。


技术实现要素：

11.该目的通过一种根据权利要求1的x射线造影剂、一种根据权利要求5的x射线成像方法、一种根据权利要求9的图像重构装置和一种根据专利权利要求10的x射线成像系统来实现。
12.根据本发明的x射线造影剂具有这样的x射线吸收，即其在至少两种不同的x射线光子能量之间的变化显著地不同于钙的x射线吸收在所述至少两种不同的x射线光子能量之间的变化。
13.理想地，根据本发明的x射线造影剂的吸收应该在至少两种不同的x射线光子能量之间保持几乎恒定。在这种情况下，“显著”应理解为，变化小于在所选的不同的x射线光子能量情况下钙的变化的一半。
14.有利地，根据本发明的造影剂的光谱偏离特性可用于将被造影剂渗透的区域与钙化的或部分钙化的其他图像区域分开。特别是在血管对比显示中，产生了所显示的血管的开口宽度的更精确的值，与通常使用的造影剂相比，显示的精确度得到了改善。因此，根据本发明的x射线造影剂可有利地用于血管的图像显示，因为血管的内直径由此可以特别精确地显示。
15.在根据本发明的x射线成像方法中，首先选择根据本发明的造影剂。此外，借助多能量记录方法，检测来自检查对象的被造影剂渗透的区域的原始x射线数据。根据本发明的x射线成像方法可以作为计算机实施的方法基于所检测的数据来执行。
16.在原始x射线数据的基础上，材料被分解成数据，这些数据可以被分配给根据本发明的造影剂或分配给钙。
17.在原则上已知的材料分解中基于这样的考虑：使用x射线图像记录机构测量的x射线衰减值可以描述为所谓的基本材料相对于所述的x射线量子能量分布或x射线光子能量的x射线衰减值的线性组合。对于不同的x射线量子能量分布，由至少两个原始数据集或从中重构的图像数据集产生测量的x射线衰减值。在根据本发明的应用中，材料或基本材料一方面是钙，另一方面是根据本发明的x射线造影剂。基本材料的与x射线辐射能量相关的x射线衰减在原则上是已知的，或者可以通过对体模的先前测量来确定，并以表格的形式存储，以在材料分解的过程中调用。材料分解的结果是至少两种材料—即根据本发明的造影剂和患者体内的钙—的空间密度分布，从中可以针对在患者的要成像的身体区域中的每个体积
元确定出基本材料部分或基本材料组合。
18.材料分解既可以直接涉及原始数据进行，也可以借助重构的图像数据进行。在任何情况下，在该方法的范畴内，基于光谱分解的数据，无论是原始数据还是图像数据，生成至少两个图像数据集：至少两个图像数据集包括第一图像数据集和第二图像数据集，第一图像数据集代表被施加了根据本发明的造影剂的第一图像区域，第二图像数据集代表优选地与第一图像区域互补的第二图像区域，在第二图像区域中可看到含钙的结构。
19.对于互补地表示第一和第二图像数据集的情况，被施加了根据本发明的造影剂的区域和含钙结构可以例如通过将两个图像数据集重叠而共同地在一个图像中示出，其中，不同的结构或材料的相对位置以及在这些不同的结构或材料之间的空间分离或边界面清晰可见。
20.如果由两个图像数据集所代表的不同材料存在混合，则也可以将第一和第二图像数据集分别单独地显示在两个分开的图像中，以分开地显示不同的材料。
21.根据本发明的x射线成像方法能够实现分开地显示含钙的图像区域和被施加了根据本发明的造影剂的图像区域。由此例如实现了对血管内直径的更精确的显示，这有助于基于血管对比的图像数据进行更可靠的诊断。此外，由于根据本发明的造影剂和要显示的其他材料的不同的光谱吸收特性，x射线剂量可以选择为低于常规的成像方法中的剂量。
22.根据本发明的图像重构装置具有确定单元，用于确定至少两种不同的x射线光子能量，其中，根据本发明的造影剂显著不同于钙的x射线吸收在所述至少两种不同的x射线光子能量之间的变化。
23.在多能量记录方法的范畴内，在选择用于成像的x射线源的能量或平均能量值时，可以考虑对能量值的选择。如果使用计数的探测器来检测x射线辐射，则可以选择能量阈值或间隔，以包括所提到的能量值。
24.根据本发明的图像重构装置的一部分也是原始数据接收单元，用于采用多能量记录方法，从检查对象的至少部分地被造影剂渗透的区域接收原始x射线数据。
25.根据本发明的图像重构装置还包括：分解单元，用于基于原始x射线数据对造影剂和钙进行材料分解；重构单元，用于基于材料分解来重构至少两个图像数据集。原则上，如已经解释的，在借助双能成像或多能成像对几种材料进行图像显示时，这种材料分解是已知的。
26.至少两个图像数据集包括第一图像数据集和第二图像数据集，第一图像数据集代表被施加了造影剂的第一图像区域，第二图像数据集优选地代表与第一图像区域互补的第二图像区域。根据本发明的图像重构装置共享根据本发明的x射线成像方法的优点。
27.根据本发明的x射线成像系统具有根据本发明的图像重构单元。根据本发明的x射线成像系统可以优选地包括ct血管对比装置。根据本发明的x射线造影剂尤其可有利地用于血管的图像显示，因为由此可以特别精确地显示血管的内直径。
28.根据本发明的图像重构装置的主要组件大部分可以以软件组件的形式形成。这尤其涉及根据本发明的图像重构装置的分解单元和重构单元。但原则上，特别是在涉及特别快速的计算时，这些组件也可以部分地以软件支持的硬件的形式实现，例如fpga等。同样，所需的接口，例如当仅涉及到从其他软件组件接收数据时，可以设计为软件接口。然而，它们也可以设计成由合适的软件控制的按照硬件构造的接口的形式。
29.很大程度上按照软件来设计具有以下优点：目前已经使用的医学技术的成像系统或图像重构装置也可以以简单的方式通过软件更新进行改装，以便以根据本发明的方式工作。在这方面，该目的还通过一种相应计算机程序产品来实现，其具有：计算机程序，该计算机程序可直接装载到x射线成像系统的存储装置中；程序部段，以便当程序在x射线成像系统中执行时实施根据本发明的x射线成像方法的可通过软件实现的步骤。这种计算机程序产品除了计算机程序之外，如果需要的话，还可以包括附加的组成部分例如文档和/或附加的组件，也叫硬件组件，例如用于使用软件的硬件密钥(加密狗等)。
30.为了传输到子系统和/或为了存储在该子系统之上或之中，可以采用计算机可读的介质，例如记忆棒、硬盘或其他可移动的或永久安装的数据载体，在其上存储有计算机程序的可由计算机单元读取和执行的程序部段。计算机单元可以例如为此具有一个或多个一起工作的微处理器等。例如，计算机单元可以是成像系统(例如ct设施)的终端或控制装置的一部分，但它也可以是在与成像系统通信的数据传输网络内部的远程定位的服务器系统的一部分。
31.从属权利要求以及以下描述均包含本发明的特别有利的设计和改进。在此特别地，一类权利要求的各权利要求也可以类似于另一类权利要求的从属权利要求来改进。此外，在本发明的范围内，不同实施例和权利要求的各种不同的特征也可以组合成新的实施例。
32.在根据本发明的x射线造影剂的变型中，x射线造影剂的x射线吸收对于至少两个x射线光子能量没有显著差异。有利地，根据本发明的x射线造影剂因此在其依赖于光子能量的吸收特性方面不同于特别是在血管对比中出现的诸如钙的材料。
33.特别有利的是，根据本发明的x射线造影剂的x射线吸收的光谱与水或软组织的x射线吸收的光谱相似。这是因为水或软组织在与血管对比相关的能量范围内具有独立于x射线光子能量的特性，因此可以很容易地与其他身体材料例如钙分开。
34.在本发明的一个特别有利的设计中，根据本发明的x射线造影剂具有以下材料之一：
[0035]-钨；
[0036]-钽；
[0037]-铪；
[0038]-金。
[0039]
所提到的这些材料全部都有利地具有类似于水的吸收特性，因此可以容易地与检查区域的含钙物分开或分开地显示。
[0040]
在根据本发明的x射线成像方法的一种设计中，它具有多能量成像方法，优选双能量成像方法。在多能量成像方法的情况下，规定了至少两个不同的x射线管电压，其中，根据本发明的造影剂的x射线吸收的变化显著不同于钙的x射线吸收。此外，使用至少两个不同的x射线管电压来进行至少两个x射线图像记录，用于获取第一原始数据集和至少一个第二原始数据集。然后基于至少两个原始数据集对材料进行分解。在该变型中，借助不同的x射线管电压，产生具有不同x射线光谱的x射线，这些x射线用于产生至少两个原始数据集，这些原始数据集用于在成像中分开不同的材料。
[0041]
在根据本发明的x射线成像方法的替代的设计中，检测原始x射线数据，这些原始x
射线数据是借助光子计数的探测器以能量分辨方式记录的，其中，规定光子计数的探测器的能量阈值，使得在通过能量阈值规定不同的能量范围情况下，根据本发明的造影剂的x射线吸收的变化显著不同于钙的x射线吸收的变化。此外，基于能量解析的原始数据对材料进行分解。有利地，在该变型中，只需要仅用一个x射线管照射一个检查区域。
附图说明
[0042]
下面参考附图借助实施例再次详细地解释本发明。
[0043]
图1为示出了造影剂碘和骨材料钙的吸收特性与x射线光子能量的关系的视图；
[0044]
图2为示出了造影剂碘和材料钨的吸收值与x射线设备的管电压的关系的视图；
[0045]
图3为示出了造影剂碘和钨以及钙和水的吸收特性与x射线光子能量的关系的视图；
[0046]
图4为示出了根据本发明实施例的x射线成像方法的流程图；
[0047]
图5为根据本发明实施例的图像重构装置的示意图；
[0048]
图6为根据本发明实施例的ct系统的示意图。
具体实施方式
[0049]
图1中示出了视图10，其表明了造影剂碘i和骨材料钙ca的吸收特性与x射线光子的能量e
ph
的关系。为了说明上述材料的吸收，绘出了质量吸收系数k与x射线光子能量e
ph
的关系。图1中还示出了采用低能量的图像记录的典型平均能量e(1)和采用双能量图像记录的高能量的图像记录的平均能量e(2)。如在图1中可以看出，碘i和钙ca的质量吸收系数的两条曲线的走向非常相似。在此必须考虑到材料碘和钙可以以不同的密度和浓度存在。这导致，图1中所示的吸收曲线在最坏的情况下完全彼此叠加。于是不再可能在图像上把这两种材料分开。
[0050]
图2中示出了视图20，其表明了造影剂碘i和材料钨w的吸收值is与x射线设备的管电压v
t
的关系。虽然碘的x射线吸收随能量的增加而降低，但钨w的x射线吸收随能量的变化不大。
[0051]
特别是在使用锡滤光器的80kv低能量和140kv或150kv高能量的双能成像中，与碘的x射线吸收相比，钨w的x射线吸收is实际上没有变化。因此，利用不同的管电压生成两个单独记录的图像点可以容易地与这两种造影剂之一相关联。例如，两个图像中吸收相同的点可以明确地与材料钨关联，而两个图像中吸收非常不同的点可以明确地与材料碘关联。
[0052]
图3中示出了视图30，其表明了造影剂碘i和钨w以及钙ca和水h2o的吸收特性与x射线光子的能量e
ph
的关系。针对提到的这些材料，分别绘出了质量吸收系数k与x射线光子的能量e
ph
的关系。在图3中可清楚地看到，在40至80kev的范围内，造影剂碘i和骨材料钙ca的吸收随着光子能量e
ph
的增加而大大降低。这里要注意的是，吸收以对数形式示出。相比之下，钨w的特性更像水h2o。也就是说，对于大约45kev的第一光子能量e(1)而言，钨w的吸收等于在大约80kev的第二光子能量e(2)情况下的吸收。由于钨w的特性相比于钙ca非常不同，被施加钨w的图像区域因此可以容易地与钙ca占主导地位的区域分开或分开地显示。
[0053]
图4中示出了流程图400，其表明了根据本发明实施例的x射线成像方法。在步骤4.i中，首先选择基于元素钨的造影剂，用于患者检查区域例如患者颅骨的血管对比成像。
此外，在步骤4.ii中检测原始x射线数据rd，这些原始x射线数据是采用双能记录方法从检查对象o的被所选择的造影剂渗透的区域记录的。在图4所示的方法中，在此检测利用具有两个不同的能量值e(1)和e(2)的x射线辐射记录的x射线原始数据。能量值在此被选择为使得所选择的造影剂(在该实施例中是基于材料钨的造影剂)的吸收特性对于两个能量值来说是相同的。该过程例如可以通过使用在空间上彼此分开地布置的两个探测器来实现，其中，在光束路径中在两个探测器之一的前面引入滤光器，该滤光器滤除x射线辐射的部分光谱。因此检测两个被指配有不同的x射线能量e(1)、e(2)的原始数据集。
[0054]
在步骤4.iii中，基于在步骤4.ii中生成的两个原始数据集，对两个图像数据集bd1、bd2进行重构。在此，生成第一图像数据集bd1，其代表被施加造影剂钨的第一图像区域；并且生成第二图像数据集bd2，其代表与第一图像区域互补的第二图像区域，在该第二图像区域中可看到钙基的结构。两个图像数据集bd1、bd2可以例如借助基于在步骤4.ii中获取的原始数据的材料分解来生成。
[0055]
在图5中示出了重构装置50。该重构装置50具有确定单元51。确定单元51接收关于要使用的造影剂k的信息，并确定两个不同的x射线光子能量的值e(1)、e(2)，在这些光子能量中，所选择的造影剂k表现得像水一样，也就是说，对于两个能量值来说，吸收是相同的。另一方面，要与造影剂k分开并用钙渗透的图像区域在可由x射线设备使用的能量范围内具有明显的对吸收的光谱依赖性，因此可以容易地在确定出能量值e(1)、e(2)情况下与所选的造影剂k区分开。例如，可以基于所选造影剂k的存储在数据存储器中的与能量相关的吸收值来选择能量值e(1)、e(2)。
[0056]
对能量值e(1)、e(2)的选择可以在多能量记录方法的范畴内，在选择用于成像的x射线源的能量或平均能量值时加以考虑。如果使用计数的探测器来检测x射线辐射，则可以选择能量阈值或间隔，从而包括所提到的能量值。
[0057]
重构装置50还具有用于接收原始x射线数据rd的原始数据接收单元52。原始数据rd借助双能ct方法，从检查对象的被造影剂k至少部分地渗透的区域获取。
[0058]
原始数据rd被传送到分解单元53，该分解单元基于原始x射线数据rd对造影剂k和钙进行原始数据rd的材料分解。原始数据的指配给不同材料的各个吸收光谱的特定于材料的分量mai、ma2被传输到重构单元54，该重构单元基于特定于材料的分量mai、ma2重构至少两个图像数据集bd1、bd2。第一图像数据集bd1表明了被施加以造影剂的第一图像区域，并且第二图像数据集bd2表明了与第一图像区域互补的第二图像区域，在第二图像区域中，含钙的结构或用碘对比的结构占优势。所产生的图像数据集bd1、bd2通过输出接口55例如输出到显示单元、数据存储单元或具有图像显示器的控制计算机。
[0059]
图6中示出了根据本发明实施例的x射线成像系统，在这种情况下为ct系统60。
[0060]
设计为双能ct系统的ct系统60在此主要由常见的扫描仪9组成，在该扫描仪中，在台架11上，投影测量数据获取单元5围绕测量空间12，该投影测量数据获取单元具有两个探测器16a、16b和两个与探测器16a、16b相对的x射线源15a、15b。在扫描仪9的前面有一个患者支撑装置3或患者台3，其上部2可以连同位于其上面的患者o一起移动至扫描仪9，以便使得患者o相对于探测器系统16a、16b移动通过测量室12。扫描仪9和患者台3由控制装置31控制，获取控制信号as经由通常的控制接口34来自于该控制装置，以便以常规方式根据规定的测量协议控制整个系统。在螺旋获取的情况下，通过患者o沿z方向的移动—该方向对应
于纵向穿过测量空间12的系统轴z，并且同时x射线源15a、15b在测量期间相对于患者o旋转，产生了螺旋路径。在此，探测器16a、16b总是相对于x射线源15a、15b平行地一同运行，以便检测投影测量数据pmd1、pmd2，然后将这些投影测量数据用于重构立体和/或切片图像数据。同样，也可以执行顺序的测量方法，其中，在z方向上逼近一个固定的位置，然后在一转、部分转或几转期间，在相关的z位置检测所需的投影测量数据pmd1、pmd2，以便在该z位置重构截面图像，或从几个z位置的投影测量数据重构图像数据。原则上，根据本发明的方法也可用于其他ct系统，所述ct系统例如仅带有一个x射线源或带有形成一个完整环的检测器。例如，根据本发明的方法也可以应用于具有静止的患者台和在z方向上移动的台架(所谓的滑动台架)的系统。
[0061]
由探测器16a、16b获取的投影测量数据pmd1、pmd2(以下也称为原始数据)通过原始数据接口33传输到控制装置31。然后，可选地在合适的预处理之后，这些原始数据在重构装置50中被进一步处理，在该实施例中，该重构装置在控制装置31中以软件的形式在处理器上实现。该重构装置50基于原始数据pmd1、pmd2重构两个图像数据集bd1、bd2，其中的第一图像数据集bd1表明了被施加根据本发明的造影剂k的血管结构，并且第二图像数据集bd2表明了血管中的骨物结构以及钙化或部分钙化的区域。
[0062]
这种重构装置50的确切结构在图5中详细示出。
[0063]
由重构装置50产生的图像数据bd1、bd2然后被存储在控制装置31的存储器32中，和/或以通常的方式在控制装置31的屏幕上输出。它们还可以通过在图6中未示出的接口馈入到与计算机断层摄影系统60连接的网络中，例如馈入到放射信息系统(ris)中，并存储在可在那里访问的大容量存储器中，或作为图像被输出给连接在那里的打印机或投影站上。这些数据于是可以以任何方式进一步处理，然后予以存储或输出。
[0064]
图6中还示出了造影剂注射装置35，利用该造影剂注射装置将造影剂k预先地即在ct成像方法开始之前注射给患者o。然后可以借助计算机断层摄影系统60，使用根据本发明的x射线成像方法，以图像形式对被造影剂k渗透的区域以及骨物结构和(部分)钙化的区域进行检测。
[0065]
重构装置50的组件可以主要地或完全地以软件模块的形式在合适的处理器上实现。特别地，在这些组件之间的接口也可以是纯粹按软件来设计。所需要的只是可以访问合适的存储区域，在这些存储区域中可以合适地暂存数据，且可以随时再调用和更新数据。
[0066]
最后再次指出，上述方法和装置仅是本发明的优选实施例，本领域技术人员可以在不脱离本发明范围的情况下改变本发明，只要该范围由权利要求所规定。为完整起见，还指出，不定冠词“一”或“一个”的使用不排除相关特征也可以存在多个。同样，术语“单元”不排除它由几个组件组成，如果需要，这些组件也可以在空间上分布。