專利名稱：對施加到診斷用x射線管上的電壓的間接測量的制作方法
發(fā)明的背景本發(fā)明涉及X射線管電壓的測量，更具體地講，涉及的是在計算機控制X線斷層掃描(CT)成像系統(tǒng)中的管電壓的測量。
在現(xiàn)有的計算機控制X射線斷層照像系統(tǒng)中，一個X射線源發(fā)射一束扇形射線束照射到一個稱為“成像平面”的某一直角坐標(biāo)系的X-Y平面上。X射線束透過所要成像的物體，例如一個被醫(yī)病人，并在一個射線檢測器的陣列上成像。透射射線的強度取決于成像物體對X射線束的衰減，每個檢測器產(chǎn)生一個分開的電信號，該電信號即是對射線束衰減測量的結(jié)果。從所有檢測器分別得到衰減測量結(jié)果以產(chǎn)生透射分布圖。
在傳統(tǒng)的CT系統(tǒng)中，射線源和檢測器陣列在成像平面內(nèi)在一個臺架上圍繞成像物體轉(zhuǎn)動，以便連續(xù)不斷地改變X射線束穿過成像物體的角度。由檢測器陣列在一個給定角度上進(jìn)行的一組X射線衰減測量被稱為一個“視角”，對成像物體的“掃描”包括在X射線源和檢測器的一圈轉(zhuǎn)動中在不同的角度取向上所實現(xiàn)的一組視角。在一個2D掃描中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以獲得一個與經(jīng)成像物體所取的兩維切片相對應(yīng)的畫像。這種由2D數(shù)據(jù)重新構(gòu)成圖像的普遍使用的方法在本領(lǐng)域稱為透過式背部投射技術(shù)。這種技術(shù)把由掃描得到的衰減測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成稱為“CT數(shù)”或“Hounsfield單位”的整數(shù)，其用于控制陰極射線管顯示器中的相應(yīng)像素的亮度。
由任何X射線儀器，特別是由CT系統(tǒng)所產(chǎn)生的畫像質(zhì)量部分取決于在X射線管陽極和陰極之間所施加的加速電壓。這個電壓通常稱為峰值千伏特(KVp)，其數(shù)值隨采用射線管的具體儀器而定。例如在乳房X射線照相中，用30KVp左右的相對小的電壓可以獲得更好的組織對比，但是，傳統(tǒng)的X射線儀器和CT系統(tǒng)采用的是80KVp到140KVp的更高的電壓。所有X射線儀器都會因管電壓不正確而產(chǎn)生誤差和圖像人造現(xiàn)象。由于CT系統(tǒng)依靠一個已知的KVp對象射線束硬化這樣的現(xiàn)象所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，所以，CT系統(tǒng)特別容易受到管KVp變化的影響。而且，象骨骼礦質(zhì)密度檢測這樣的特殊操作需要一個精確的KVp以獲得所需的圖像對比再現(xiàn)性。象長久部件漂移，或由X射線管“飛濺”所產(chǎn)生的部件應(yīng)力可以降低X射線儀器的KVp穩(wěn)定性(或絕對的KVp的數(shù)值)。其結(jié)果是要定期由維修人員重新校準(zhǔn)KVp，這是一種非常費時的工作。
現(xiàn)有的出售的儀器可以通過X射線束的不同過濾來測量KVp，但是，這些儀器昂貴，不方便，而且精度不高。此外，現(xiàn)有儀器在沒有維修人員存在的情況下不能把測量裝置設(shè)置在射線束中以進(jìn)行測量，而且，在用掃描儀對病人進(jìn)行掃描時也不能進(jìn)行射線束測量。發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種用于測量施加到一個X射線管上的電壓的間接測量裝置，具體地講，涉及的是通過對X射線束自身的測量來測量管電壓。管電壓測量裝置包括兩個X射線檢測器，這兩個X射線檢測器設(shè)置在X射線束中，并進(jìn)行檢測以產(chǎn)生各個與照射在其上面的X射線束的強度成比例的信號，在兩個X射線檢測器的前面設(shè)置一個差厚過濾器，過濾器進(jìn)行工作以使照射在一個X射線檢測器上的X射線強度比照射在另一個X射線檢測器上的X射線強度得到更加明顯的衰減；用于計算檢測器信號比值的裝置，并根據(jù)這個比值，把X射線管電壓作為這個比值的對數(shù)函數(shù)來進(jìn)行計算。
本發(fā)明的總的目的是提供一個用于間接測量X射線管電壓的高精度裝置。本發(fā)明的發(fā)明點是，對于任何給定的X射線管和差厚過濾器，在管電壓和兩個檢測器信號的比值之間都存在一種指數(shù)關(guān)系。通過校準(zhǔn)程序精確確定這種關(guān)系，其中指數(shù)曲線對應(yīng)于一組在不同的，已知的X射線管電壓處測量的信號之比。電壓測量精度可以在±0.5％之內(nèi)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種管電壓測量裝置，該裝置可以和一種X射線儀結(jié)合在一起并在照射病人時使用。一旦計算出檢測器信號之比，就可以很容易地從反映對數(shù)關(guān)系的公式中計算出管電壓，或從存貯有對數(shù)關(guān)系的近似值的查尋表中讀取數(shù)值。原則上，當(dāng)獲得患者數(shù)據(jù)時，上述過程可以在線進(jìn)行，計算出的管電壓可以用來控制掃描操作或圖像再現(xiàn)處理。
附圖的簡要描述

圖1是可以采用本發(fā)明的CT成像系統(tǒng)的示意圖；圖2是該CT成像系統(tǒng)的框圖；圖3是構(gòu)成圖2所示的CT成像系統(tǒng)一部分的圖像再現(xiàn)部分；和圖4是實現(xiàn)本發(fā)明最佳實施例而在圖2所示的CT成像系統(tǒng)中采用的過濾后的X射線檢測器的示意圖。本發(fā)明的總體描述參照圖5，本發(fā)明采用了兩個位于過濾器FA和FB后面的相同的X射線檢測器DA和DB。對于CT系統(tǒng)，過濾器FA和FB可以包括不同厚度的象銅、錫或鉬這樣的衰減材料。
過濾器之一可以無限地薄(即，沒有附加的過濾器-只有空氣)，而基本上沒有衰減。兩個檢測器由一個到兩個檢測器的源一檢測器路徑長度相同的單獨的X射線源x照射，以便使所檢測到的能量差只與兩個過濾器的有無和特性有關(guān)。此外，過濾器緊挨著檢測器以使檢測器大量地獲取來自過濾器的散射的射線。
由檢測器DA和DB進(jìn)行的輻射測量取決于幾個不同的因素。管輸出具有公知的韌致輻射譜(Kramers譜)。這種韌致輻射譜是管所固有的；典型的X射線管的有用譜是在經(jīng)管玻璃、冷卻油、阿爾特母(altem)或相似的管出口窗材料，和一個薄過濾器(典型的是鉬或鋁)過濾之后，由韌致輻射所產(chǎn)生的。由管單元產(chǎn)生的有用X射線束的譜取決于這些管部件總的過濾結(jié)果。這種有用的射線束I0然后照射在兩個過濾器FA和FB上，在這里射線束按公知原理被衰減。在由FA和FB過濾之后，由檢測器的閃爍儀把所發(fā)射的X射線光子變換成光頻光子。由X射線光子產(chǎn)生的光頻光子的數(shù)量與X射線光子能量成比例(即認(rèn)為140KeV X射線光子產(chǎn)生的光頻光子是70keV X射線光子產(chǎn)生的光頻光子的兩倍)。不能100％地俘獲高能級的X射線的光子，從而產(chǎn)生已知的“擊穿”現(xiàn)象，這等效于高能傳輸損耗。光頻光子經(jīng)檢測器的光電二極管變換成電荷被認(rèn)為是一種線性過程。由X射線光子直接產(chǎn)生電流的直接變換檢測器是以相似的方式進(jìn)行工作的。
這些因素以及所謂的線性衰減系數(shù)μ實際上是作為X射線能量的函數(shù)來變化的，并在X射線管電壓和被測檢測器強度IA和IB之間呈現(xiàn)出一種非常復(fù)雜的關(guān)系。
過濾器FA和FB將分別產(chǎn)生兩個具有檢測器DA和DB的被測強度IA和IB的信號。假設(shè)過濾器FA和FB采用相同的材料，并假設(shè)FA的厚度大于FB的厚度?，F(xiàn)在形成兩個檢測器讀數(shù)的比值RR=IAIB------------(1)]]>當(dāng)假設(shè)FA的厚度大于FB的厚度的時候，我們可以看到IA≤IB，而且0≤R≤1。
本發(fā)明的一個重要發(fā)現(xiàn)是在70KV≤KV≤150KV的診斷有用范圍上，KV和比值R之間的關(guān)系符合一種簡單的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其形式為R=K0+K1e-k2KV------------(2)]]>因此，通過使用下面的對數(shù)關(guān)系式就可以由所測量的比值R來很簡單地確定所施加的KVKV=-1K21n(R-K0K1)------------(3)]]>當(dāng)然，常數(shù)K0、K1和K2的數(shù)值必須依每一種具體情況而定。當(dāng)高電壓發(fā)生器是初始校準(zhǔn)的時候，這些常數(shù)的數(shù)值在初始系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中是很容易得到的。對于任何給定的過濾器組FA和FB，實際的KV和相應(yīng)于KV所測量的比值R構(gòu)成曲線擬合程序的輸入。CT系統(tǒng)一般是在80KV、100KV、120KV和140KV處進(jìn)行校準(zhǔn)，因此，提供四個與由三個未知點確定的曲線相擬合的測量結(jié)果。采用“斜率搜索”或其他適合的方法來使由公式(2)表示的曲線與R的四個測量結(jié)果相擬合。
本發(fā)明的另一個發(fā)現(xiàn)是可以選擇差厚過濾器FA和FB，以便可以在不同的X射線管中采用相同的系數(shù)K0、K1和K2。如上所述，射線管包括許多部件，這些部件對X射線進(jìn)行衰減，而且由于存在制造容差，這些部件在管和管之間本來就是不同的。如果選擇過濾器FA和FB使其具有的衰減量明顯地大于因這些管部件而造成的衰減的不同，那么，即使當(dāng)變換射線管時也可以進(jìn)行始終一致的KV測量。用FA＝0.6mm鉬和FB＝0.2mm鉬的一個過濾器組，在80KV到140KV的CT系統(tǒng)工作范圍進(jìn)行實驗，以提供幾乎是(每百萬分之)500ppm，或±0.05％再現(xiàn)性的日常KV測量，而且不同的射線管平均相差0.12％。FA＝0.4mm鉬和FB＝0.2mm鉬的第二過濾器組會使精度有所提高，但是，由于X射線管結(jié)構(gòu)上的差別，會使結(jié)果的變化略大一致。優(yōu)選實施例的描述先參照圖1和圖2，一個計算機控制斷層掃描(CT)成像系統(tǒng)10包括一個由一個“第三代”CT掃描儀表示的臺架12。臺架12具有一個X射線源13，X射線源13向臺架對面的檢測器陣列16發(fā)射錐形X射線束14。檢測器矩陣16由許多檢測器部件18構(gòu)成，這些檢測器部件18一起對穿過被診斷患者15的發(fā)射的X射線進(jìn)行探測。每個檢測器部件18產(chǎn)生一個電信號，這個電信號代表了照射的X射線束的強度，因此，也就代表了射線束穿過患者后的衰減量。在為獲得X射線發(fā)射數(shù)據(jù)而進(jìn)行的掃描期間，臺架12和安裝在其上的部件繞位于患者15體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)中心19進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
臺架的旋轉(zhuǎn)和X射線源13的工作由一個CT系統(tǒng)的控制機構(gòu)20控制?？刂茩C構(gòu)20包括一個向X射線源13提供電源和時間信號的X射線控制器22，和一個控制臺架12的旋轉(zhuǎn)速度和位置的臺架電動機控制器23。控制機構(gòu)20中的一個數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DAS)24從檢測器部件18取樣模擬數(shù)據(jù)，并把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以供后面處理所用。一個圖像再現(xiàn)器25從DAS24接收取樣和數(shù)字化的X射線數(shù)據(jù)并實現(xiàn)高速圖像再現(xiàn)。再現(xiàn)的圖像作為輸入信號提供給計算機26，計算機26把圖像存貯在大容量存貯裝置29中。
計算機26還經(jīng)過具有鍵盤的控制臺30接收來自操作者的指令和掃描參數(shù)。一個相聯(lián)的陰極射線管顯示器32可以使操作者觀察到來自計算機26的再現(xiàn)圖像和其他數(shù)據(jù)。通過計算機26使用由操作者發(fā)出的指令和參數(shù)，以向DAS24，X射線控制器22和臺架電動控制器23提供控制信號和信息。此外，計算機26對工作臺電動機控制器34進(jìn)行控制，工作臺電動機控制器34控制機動工作臺36位于臺架12內(nèi)患者15所在的位置。
特別參照圖4，為在這種CT成像系統(tǒng)中采用本發(fā)明，位于檢測器矩陣16一端的檢測器部件18被一個差動過濾器40所覆蓋。過濾器40由鉬構(gòu)成，而在一個檢測器部件表面上的厚度為0.6mm，而在第二個檢測器部件18表面上的厚度為0.2mm?？梢圆捎孟筱~這樣的另外的過濾材料，而且厚度也要改變。由于鉬衰減量高以及因此其可以在很薄的薄片中使用，所以選擇了鉬，對于衰減小的檢測器選擇0.2mm的厚度，這是因為其足以使在象X射線管的玻璃外殼這樣的X射線管自身上的變化的影響減至最小。如果沒有這種變化，則從理論上講薄片可以薄到?jīng)]有厚度，以使差動過濾器40不對到達(dá)兩個檢測器部件18中的一個的X射線進(jìn)行衰減。
特別參照圖3，隨著在掃描過程中所獲得的每一個視角，DAS24把代表由檢測器部件18所檢測到的X射線光子的數(shù)量的一組掃描數(shù)據(jù)數(shù)值傳輸給成像器25。這些強度數(shù)值中的兩個IA和IB是由位于差厚過濾器40后面的檢測器18產(chǎn)生的，并把它們提供給KV計算器41。通過總線42把剩余的掃描數(shù)據(jù)數(shù)值提供給一個校正和校準(zhǔn)電路43，校正和校準(zhǔn)電路43關(guān)于象在檢測器和DAS通道增益上的變化，無照電流偏差和射線束硬化這樣的各種已知的誤差，對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。后面的校正對于本發(fā)明是特別適當(dāng)?shù)?，即這取決于作為計算準(zhǔn)確的校正值的基礎(chǔ)的關(guān)于X射線管電壓的知識。這個信息由KV計算器41經(jīng)線44提供。校正之后，以公知的通過取以45為底的負(fù)對數(shù)的方式對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以關(guān)于每一個視角產(chǎn)生投影。把這些投影提供給一個再現(xiàn)處理器46，再現(xiàn)處理器46對這些投影進(jìn)行過濾和背后投射以產(chǎn)生切片圖像，這些切片圖象在47處輸出給計算機26。
KV計算器41計算出兩個檢測器讀數(shù)之比(IA/IB)，并根據(jù)這個比值直接計算出X射線管電壓KV=-1K21n(R-K0K1)]]>如上所述，常數(shù)K0、K1和K2是在CT系統(tǒng)的初始校準(zhǔn)過程中確定的，而且實驗表明即使當(dāng)變換X射線管13時，也不需要重新計算這些常數(shù)。這些常數(shù)的確主要是由差厚過濾器40確定的。把KV計算器41所產(chǎn)生的KV數(shù)值提供給上述的校正電路43，而且，還可以通過線48把其提供給計算機26，以便在其它的象對比研究，骨骼礦物質(zhì)密度測量，或精細(xì)的射線束硬化校正這樣的成像應(yīng)用中使用。這個信號還可以由維修人員來監(jiān)測，以便現(xiàn)場或通過電話線遙控地對大數(shù)值發(fā)生器的工作進(jìn)行檢測。
雖然如最佳實施例所述，本發(fā)明特別適合于在X射線CT系統(tǒng)中在線使用，但是，本發(fā)明也可以在其它的X射線儀中使用。還可以用本發(fā)明構(gòu)成一個獨立裝置，在工廠中當(dāng)?shù)谝淮螌射線儀進(jìn)行校準(zhǔn)，或在現(xiàn)場對其進(jìn)行重新校準(zhǔn)的時候，把這個獨立裝置插在X射線儀的X射線的路徑中。雖然對數(shù)曲線與在不同的管電壓處測量的R的數(shù)值擬合得最好，但是這些測量值也能夠和使用一般最小平方擬合的二次多項式相擬合。而且，雖然所示的差厚過濾器40安裝在其所覆蓋的檢測器18上，但是，差厚過濾器40也可以設(shè)置在X射線束中的其他地方。例如，其可以作為弓形帶過濾器的一部分來形成，或作為其他耐久性過濾器的一部分來形成，或者其可以是一種只在校準(zhǔn)掃描期間插到射線束中的分離部件。
權(quán)利要求書按POT10條的修改1.一種對施加給X射線管的電壓進(jìn)行測量的裝置，它包括一對X射線檢測器(18)，設(shè)置在X射線管(13)所產(chǎn)生的X射線束中，并進(jìn)行工作以產(chǎn)生代表所檢測的X射線的強度的各自的信號IA和IB；一個差厚過濾器(40)，設(shè)置在X射線束中，以便對由所說的X射線檢測器(18)中的一個所檢測的X射線強度的衰減量明顯大于對由所說的X射線檢測器(18)的另一個所檢測的X射線強度的衰減量；和電壓計算裝置(41)，連接該電壓計算裝置(41)以接收檢測器信號IA和IB，并用檢測器信號IA/IB的比值(R)來計算管電壓(KV)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中按照如下關(guān)系式計算管電壓(KV)KV=-1K21n(R-K0K1)]]>其中K0、K1和K2是常數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中這對檢測器(18)構(gòu)成X射線儀中的檢測器陣列(16)的一部分，而且電壓計算裝置(41)產(chǎn)生代表所計算的管電壓(KV)的信號，這個信號被X射線儀所采用以產(chǎn)生圖像。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中管電壓信號被X射線儀所采用以對X射線掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行射線束硬化校正(43)。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中在校準(zhǔn)過程中計算出系數(shù)K0、K1和K2，在校準(zhǔn)過程中在一組已知的X射線管電壓處測量比值R，而且一條曲線與這些測量值相擬合。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中差厚過濾器(40)由在到達(dá)所說X射線檢測器(18)中的一個的X射線束中具有第一厚度而在到達(dá)另一個X射線檢測器(18)的X射線束中具有第二厚度的鉬構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中第一和第二厚度至少相差兩倍。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中把差厚過濾器(40)安裝在一對X射線檢測器(18)上。
權(quán)利要求
1.一種對施加給X射線管的電壓進(jìn)行測量的裝置，它包括一對X射線檢測器，設(shè)置在X射線管所產(chǎn)生的X射線束中，并進(jìn)行工作以產(chǎn)生代表所檢測的X射線的強度的各自的信號IA和IB；一個差厚過濾器，設(shè)置在X射線束中，以便對由所說的X射線檢測器中的一個所檢測的X射線強度的衰減量明顯大于對由所說的X射線檢測器的另一個所檢測的X射線強度的衰減；和電壓計算裝置，連接該電壓計算裝置以接收檢測器信號IA和IB，并用檢測器信號IA/IB的比值(R)來計算管電壓(KV)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中按照如下關(guān)系式計算管電壓(KV)KV=-1K21n(R-K0K1)]]>其中K0、K1和K2是常數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中這對檢測器構(gòu)成X射線儀中的檢測器陣列的一部分，而且電壓計算裝置產(chǎn)生代表所計算的管電壓(KV)的信號，這個信號被X射線儀所采用以產(chǎn)生圖像。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中管電壓信號被X射線儀所采用以對X射線掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行射線束硬化校正。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中在校準(zhǔn)過程中計算出系數(shù)K0、K1和K2，在校準(zhǔn)過程中在一組已知的X射線管電壓處測量比值R，而且一條曲線與這些測量值相擬合。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中差厚過濾器由在到達(dá)所說X射線檢測器中的一個的X射線束中具有第一厚度而在到達(dá)另一個X射線檢測器的X射線束中具有第二厚度的鉬構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中第一和第二厚度至少相差兩倍。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中把差厚過濾器安裝在一對X射線檢測器上。
全文摘要
一個CT系統(tǒng)包括一對位于其檢測器陣列中的檢測器，其對來自射線源的穿過差厚X射線過濾器之后的X射線強度進(jìn)行測量。把這兩個檢測器部件產(chǎn)生的信號之比輸入給一個KV計算器，該KV計算器產(chǎn)生一個代表X射線管電壓的信號。
文檔編號H05G1/26GK1124059SQ95190148
公開日1996年6月5日 申請日期1995年2月8日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月1日
發(fā)明者M·F·加德, J·M·桑力克 申請人:通用電氣公司