CN114795262B - 面向心脏扫描的多源静态ct系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向心脏扫描的多源静态CT系统，包括X射线源环、探测器环、Z向遮挡限束器、X‑Y向遮挡限束器及控制单元，其中，Z向遮挡限束器用于限制Z向的射线宽度；X‑Y向遮挡限束器设置在Z向遮挡限束器下方，用于限制X‑Y向的射线宽度；控制单元用于实现一般扫描模式和心脏扫描模式的切换；在心脏扫描模式，控制单元控制X‑Y向遮挡限束器减小射线束X‑Y向的射线宽度，使得单个射线束的宽度仅覆盖心脏区域。本发明提供的多源静态CT系统及其成像方法，可以采用多源并行曝光的模式，进一步提高多源静态CT系统的时间分辨率，以满足心脏动态扫描的临床需求。

Description

面向心脏扫描的多源静态CT系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及一种多源静态CT系统，同时涉及相应的成像方法及心电门控电路。

背景技术

心脏CT是一种无创检查，只需静脉注射造影剂几分钟即可完成，和冠状动脉造影的吻合程度最高可达90％。目前，心脏CT增强检查以其无创、安全、X线辐射相对较少、易于被患者接受等优点已广泛应用于临床。在对CT扫描对象进行心脏扫描的时候，需要确定出期相(例如舒张期和收缩期)来进行CT扫描。一般情况下，进行CT扫描采用的舒张期的相对期相75％左右，收缩期的相对期相30％左右。并且，双源CT设备通常用在期望在CT扫描时实现尽可能高的时间分辨率的情况下，以例如产生跳动的心脏的断层造影图像。

在国际公布号为WO2018/153382的PCT国际申请中，公开了一种适应大视野要求的静态实时CT成像系统及其成像方法。该静态实时CT成像系统包括多焦点环形X射线源和环形光子探测器；其中，多焦点环形X射线源由排列成环形的多个扫描X射线源组成，环形光子计数探测器由排列成环形的多个光子计数探测器模组组成；各扫描X射线源轮流发射宽束X射线，透过被测物体后投照到对应的光子计数探测器模组上，扫描X射线源与对应的光子计数探测器模组之间采用非反向几何成像方式；各光子计数探测器模组以交叠方式进行工作，将相应的曝光信息送入数据采集处理单元，在数据采集处理单元中完成图像的实时重建和可视化再现。但是，该静态实时CT成像系统并不是针对心脏扫描需求而专门开发的，在满足医学临床需求方面仍然需要进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种面向心脏扫描的多源静态CT系统。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种面向心脏扫描的成像方法。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种面向心脏扫描的心电门控电路。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种面向心脏扫描的多源静态CT系统，包括X射线源环、探测器环、Z向遮挡限束器、X-Y向遮挡限束器及控制单元，其中，

所述Z向遮挡限束器用于限制Z向的射线宽度；

所述X-Y向遮挡限束器设置在Z向遮挡限束器下方，所述X-Y向遮挡限束器用于限制X-Y向的射线宽度；

所述控制单元用于实现一般扫描模式和心脏扫描模式的切换；

在心脏扫描模式，所述控制单元控制所述X-Y向遮挡限束器减小射线束X-Y向的射线宽度，使得单个射线束的宽度仅覆盖心脏区域。

其中较优地，在心脏扫描模式中，采用同一时刻有多个射线源同时曝光的时序曝光。

其中较优地，在一般扫描模式中，两个相邻的曝光由两个投影对应的探测器不重叠的两个射线源进行。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种面向心脏扫描的静态CT成像方法，其中，通过多源并行的方式进行扫描；并通过X-Y向遮挡限束器对X射线X-Y向的宽度进行限制，使得多个射线源的探测器相互不重叠。

其中较优地，Idle_A＝It，Idle_B＝2×Rt+3×It

其中，曝光时间为Rt，两个曝光间的空闲时间为It，在第一个射线源曝光结束到第二个射线源曝光启动的时间为Idle_A，余辉时间是Idle_B。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种心电门控电路，包括：采集工作站负责解析心电信号的还原；nvSync节点是接收曝光时序的电气节点；心电监护仪的信号输出心电信号给ifBox电路板；ifBox电路板负责对心电信号处理，实现上述时序图中的时序逻辑关系；该电路板上，对心电信号进行模拟处理输出给FPGA内部的ADC，FPGA内部的MCU实现ADC采样并将ADC采样数据封装成能网协议并通过MAC和PHY传给采集工作站；检波处理对心电信号进行处理，以识别出R波并同步输出鉴相脉冲，FPGA内部根据鉴相脉冲产生响应的门控时序波形。

其中较优地，将曝光前肩区和曝光后肩区设置为零，则C信号始终为曝光区，此时D在整个C的时间上均允许Spot信号脉冲输出，实现回顾式心电图像采集。

其中较优地，将曝光前肩区和曝光后肩区按照需求设置响应的参数，则C信号曝光区表现为在一个心跳周期有一个曝光允许的时间，此时D在曝光区才允许Spot信号脉冲输出，实现前瞻式心电图像采集。

其中较优地，上述心电门控电路实现鉴相脉冲的方式包括：电路板不设定专门的检波处理电路，而是利用ADC的采样信号，通过对ADC的数据和设定的数据阈值进行比较以识别出R波的并产生鉴相脉冲。

本发明所提供的面向心脏扫描的多源静态CT系统及其成像方法，采用多源并行曝光的模式，进一步提高静态CT系统的时间分辨率，以应对心脏动态扫描。同时本发明还设计了曝光时序，该时序下对整环探测器闪烁体材料余辉性能的要求降低，从而降低了探测器的成本。

附图说明

图1A是一般扫描模式下，FOV投影的示意图；

图1B是心脏扫描模式下，FOV投影的示意图；

图2是六源并行曝光时序的示意；

图3是Z向遮挡限束器、X-Y向遮挡限束器及综合遮挡的效果图；

图4是限束器控制板的功能结构；

图5是心电门控电路时序；

图6是心电门控电路；

图7是曝光时序示意。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的详细说明。

本发明在现有静态实时CT成像系统的基础上，设计了一款可变视野的限束器结构，该结构提供了两种射线约束，一个约束X射线限束范围大，一个约束X射线线束范围小，两种情况下分别满足正常的FOV和心脏的FOV。

在图1A和图1B中，分别以一个X射线投影为例，给出了一个标准FOV投影和一个心脏FOV投影的示意。其中，心脏FOV投影小于标准FOV投影。可以看出，心脏FOV的X射线线束约束下的X射线投影所用的探测器个数相对减少。

针对这一特点，设计了多射线源并行曝光的工作模式。在本发明的一个实施例中，该模式下同一时刻有6个射线源同时曝光。需要说明的是，6个射线源仅为举例说明。在其他实施例中，射线源的数量可以是3个、4个、8个、12个等，对此没有专门限制。

如图2所示，在本发明的一个实施例中将射线源分成6组，每组有N个射线源。某一时刻，6个组的第一个编号的射线源同时曝光，曝光结束后，6个组的第二个编号的射线源同时曝光，依次轮流下去，直到每组的第N个射线源曝光完成，此为一个循环。根据系统扫描长度的需要，控制该循环的个数，以实现对病人的扫描。

二、限束器结构及控制说明：

本发明同时提供了用于实现上述X射线宽度变化的限束器结构。如图3所示，该限束器分上下两层，第一层为Z向遮挡限束器，为固定结构，按照系统的几何关系确定射线通过窗口的大小。第二层为X-Y向遮挡限束器，由两个遮挡钨片和传动结构组成，通过传动结构，可以调整两个钨片的物理位置，使射线通过窗口发生变化，从而获得不同大小的X射线通过窗口。将两个限束器装配在一起后，获得一个综合的X射线限束效果，其中射线通过窗口2适配标准FOV，射线通过窗口1适配心脏FOV。

对应的，限束器装置配套有控制板，如图4给出该控制板功能结构。该控制板由一个控制器、通讯接口、驱动电路和反馈电路组成。通讯接口与现有多源静态CT系统中的中央控制器通讯，以获得限束器视野切换的指令。控制器机械通讯协议，从而产生控制信号通过驱动电路来驱动限束器的传动机构，使X-Y向限束器的位置发生变化以实现限束器视野的切换指令。同时反馈电路将传动结构的状态反馈给控制器，由控制器获取传动机构的状态，判定视野切换指令是否完成。

三、心电同步

为了进一步提高时间分辨率，更好的采集动态心脏的图像，设计了一款心电门控电路时序，将实时心电模拟信号和图像曝光信息融合，既适应于回顾式心电图像采集，也适用于前瞻式心电图像采集。

如图5所示。在图5中，A表示一个正常的心电信号，B表示对心电信号的鉴相信号，该信号检测出心电信号的R波上冲的位置，并在此位置产生一个方波信号。根据该方波信号可以获得心跳周期等数据。然后，将一个心跳周期划分为曝光区、曝光前肩区和曝光后肩区，如图中C所示。只有在曝光区才触发曝光动作，产生Spot信号，如图中D所示。

因此，在该模型下，通过设置C的曝光区、曝光前肩区及曝光后肩区的长度，即可实现心电门口信号，即D的波形。如果将曝光前肩区和曝光后肩区设置为零，则C信号始终为曝光区，此时D在整个C的时间上均允许Spot信号脉冲输出，此种情况对应回顾式心电图像采集。如果将曝光前肩区和曝光后肩区按照需求设置响应的参数，则C信号曝光区表现为在一个心跳周期有一个曝光允许的时间，此时D在曝光区才允许Spot信号脉冲输出，此种情况对应前瞻式心电图像采集。

按照该思路，本发明中专门设计了一种心电门控电路，其电路原理如图6所示。在图6中，采集工作站负责解析心电信号的还原。nvSync节点是接收曝光时序的电气节点。心电监护仪的信号输出心电信号给ifBox电路板。ifBox电路板负责对心电信号处理，实现上述时序图中的时序逻辑关系。在该电路板中，对心电信号进行模拟处理输出给FPGA内部的ADC，FPGA内部的MCU实现ADC采样并将ADC采样数据封装成能网协议并通过MAC和PHY传给采集工作站。检波处理对心电信号进行处理，以识别出R波并同步输出鉴相脉冲，FPGA内部根据鉴相脉冲产生响应的门控时序波形。

另一种还有一种实现鉴相脉冲的方式，该方式下电路板不设定专门的检波处理电路，而是利用ADC的采样信号，通过对ADC的数据和设定的数据阈值进行比较以识别出R波的并产生鉴相脉冲。

四、降低探测器余辉要求的时序

在现有的静态CT曝光时序中，射线源是轮流进行曝光动作的，以图7为例，按照图中的标识，常规的静态CT曝光顺序是：射线源#1-1→射线源#1-2→……→射线源#1-N→射线源#2-1→……射线源#2-N→射线源#3-1→……射线源#3-N→射线源#1-1→……，将所有的射线源次序曝光。该模式下由于是相邻的两个射线源顺序曝光，而两个射线源投影对应的探测器有重叠的部分，因此，在第一个射线源曝光结束到第二个射线源曝光启动的这段时间(定义为Idle_A)，决定了探测器闪烁体材料的余辉参数。

在本发明中，定义了一种新的曝光时序，要求两次相邻的曝光不是由相邻的两个射线源完成，而是由两个投影对应的探测器不重叠的两个射线源进行。如图7所示，最优情况下的曝光顺序为：射线源#1-1→射线源#2-1→射线源#3-1→射线源#1-2→……射线源#1-N→射线源#2-N→射线源#3-N→射线源#1-1→……，完成所有的射线源轮流曝光。对应的，决定了探测器闪烁体材料的余辉时间是，第一个投影曝光结束到第四个投影曝光开始(定义为Idle_B)。

如果定义曝光时间为Rt，两个曝光间的空闲时间为It，则，Idle_A＝It，Idle_B＝2×Rt+3×It，从而有效将探测器的余辉时间的需求。如：Rt＝It＝1ms，则Idle_A＝1ms，Idle_B＝5ms，探测器的余辉要求从1ms延长到5ms，从而对探测器闪烁材料的性能要求降低，有助于探测器成本的降低。

综上所述，本发明的关键点在于设计了一种多个射线源同时曝光的工作模式，从而提高了静态CT扫描的时间分辨率。

与之配合，设计了一种XY方向可调整视野大小的限束器，在针对多源同时曝光的工作模式下，通过调整缩小限束器视野的大小，而保证多源同时曝光的的情况下，FOV投影没有重叠发生。

与之配合，多源同时曝光的模式下，针对心脏扫描，设计了一种心电门控的实现方法，将实时的模拟心电信号和曝光信息同步融合，同时可实现前瞻性和回顾性心电门控的功能。

同时，应用了一种交替轮流曝光时序，延长了同一探测器段被投照的时间间隔，降低了对探测器余辉性能的要求，从而降低探测器的成本空间。

以上对本发明所提供的面向心脏扫描的多源静态CT系统及其成像方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (5)

1.一种面向心脏扫描的多源静态CT系统，其特征在于包括X射线源环、探测器环、Z向遮挡限束器、X-Y向遮挡限束器及控制单元，其中，所述Z向遮挡限束器用于限制Z向的射线宽度；

所述X-Y向遮挡限束器设置在Z向遮挡限束器下方，所述X-Y向遮挡限束器用于限制X-Y向的射线宽度；

所述控制单元用于实现一般扫描模式和心脏扫描模式的切换；其中，在心脏扫描模式中，采用同一时刻有多个射线源同时曝光的时序曝光；在一般扫描模式中，两个相邻的曝光由两个投影对应的探测器不重叠的两个射线源进行；

在心脏扫描模式，所述控制单元控制所述X-Y向遮挡限束器减小射线束X-Y向的射线宽度，使得单个射线束的宽度仅覆盖心脏区域。

2.一种面向心脏扫描的多源静态CT成像方法，基于权利要求1所述的多源静态CT系统实现，其特征在于包括如下步骤：

两次相邻的曝光不是由相邻的两个射线源完成，而是由两个投影对应的探测器不重叠的两个射线源进行。

3.如权利要求2所述的多源静态CT成像方法，其特征在于：

通过多源并行的方式进行扫描；并通过X-Y向遮挡限束器对X射线X-Y向的宽度进行限制，使得多个射线源的探测器相互不重叠。

4.如权利要求2所述的多源静态CT成像方法，其特征在于：

Idle_A＝It，Idle_B＝2×Rt＋3×It

其中，曝光时间为Rt，两个曝光间的空闲时间为It，在第一个射线源曝光结束到第二个射线源曝光启动的时间为Idle_A，余辉时间是Idle_B。

5.一种心电门控电路，用在权利要求1所述的多源静态CT系统中，其特征在于包括：

采集工作站负责解析心电信号的还原；nvSync节点是接收曝光时序的电气节点；心电监护仪的信号输出心电信号给ifBox电路板；ifBox电路板负责对心电信号处理，实现时序图中的时序逻辑关系；其中在所述ifBox电路板上，对心电信号进行模拟处理输出给FPGA内部的ADC，FPGA内部的MCU实现ADC采样并将ADC采样数据封装成能网协议并通过MAC和PHY传给采集工作站；检波处理电路对心电信号进行处理，以识别出R波并同步输出鉴相脉冲，FPGA内部根据所述鉴相脉冲产生响应的门控时序波形。