手术用双模态实时成像装置、系统及其方法

专利名称：手术用双模态实时成像装置、系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种X射线成像系统，尤其涉及一种双模态实时成像系统，以及采用若干X射线发射源发出的信号，对患者手术部位实时术中成像的架构、检查装置和检测方法等。
背景技术：
当前的手术中X射线成像系统多为二维成像系统，存在组织混叠及误判率高等问题，分辨率更高的三维术中成像系统已成为迫切需求。三维成像设备临床应用的典型例子是传统CT仪借助C型臂在X射线透视导引下的经皮椎体成形术(PercutaneousVertebroPlasty, PVP)。属微创介入手术性质的PVP近年来被广泛应用于骨质疏松性压缩骨折、椎体转移瘤和椎体血管瘤等疾病引起的疼痛治疗。传统的PVP技术是在C型臂透视下，经皮穿刺椎弓根向椎体注射骨水泥。由于脊柱结构复杂多变，毗邻重要神经，经皮椎弓根穿刺手术对患者具有很大风险。即使在C型臂参与下，可由透视方式实时监控手术过程，但操作的精准度仍较大程度地依赖操作者个人的经验。穿破椎弓根进入椎管所引起的脊髓或神经根损伤，以及肋骨骨折时穿破胸膜等并发症都时有发生。若结合CT仪导引，即可对重度压缩椎体进行三维重建，帮助医师于手术前准确设计穿刺点、进针方向、角度和深度等手术方案，避免了人为差错和手术中因C型臂连续透视而致X射线辐射引起伤害，穿刺后尚可通过三维重建验证穿刺针在病椎中位置，手术结束后还可通过三维图准确评价治疗效果。可见，研制具有C型臂结构特点，能安全、快速、灵活和可靠地实现三维成像，具有较大技术创新的手术中影像设备是介入医学(也包括部分放射治疗)临床的迫切要求。但基于传统热电子X光源与机架固定圆弧扫描技术的三维术中成像系统，存在成像时间长、时间分辨率低、致有运动伪影和辐射量大等诸多缺陷。

发明内容
本发明的一个目的在于提供一种手术用双模态实时成像装置，对现有CT仪进行改进，采用若干场发射X摄像光源构建双模成像系统态，实现双模态快速投影数据采集并进行重构获取三维断层图像，从而大大提高时间分辨率和手术中成像的有效性。本发明的另一个目的在于提供一种手术用双模态实时成像系统，采用场发射X摄像光源构建双模成像系统态，实现双模态快速投影数据采集并进行重构获取三维断层图像，从而大大提高时间分辨率和手术中成像的有效性。本发明的又一个目的在于提供一种手术用双模态实时成像方法，实现手术用双模态实时成像系统的数据采集、处理和图像重建。本发明背景技术中描述的内容，可能参考了现有设备所用的结构和方法。然而，这样的参考没有必要解释为承认这些结构和方法在可应用的法律规定下有资格作为现有技术。申请人保留权力来证明，任何参考的主题相对于本发明不够成现有技术。本发明特别应用于手术中实时诊断成像系统，如计算机断层摄影(Computed Tomography，CT)，特别是涉及锥形束计算机断层摄影(Cone Beam Computed Tomography, CT)。然而，还将意识到，所描述的技术还可以应用于混合或其他医学方案或其他医学技术当中。本发明提供的一种手术用双模态实时成像装置，包括扫描架，固定于CT仪；若干X射线源，沿180°半圆弧间隔设置于扫描架内侧面；控制器，与X射线源耦合，并对X射线源进行控制；X射线探测器，设置于扫描架，用于接收X射线；CT图像重建器，用于接收来自X射线探测器的CT扫描数据，并重建CT图像。本发明手术用双模态实时成像装置，X射线源和X射线探测器面对面设置于扫描架，即X射线探测器与X射线源发出的X射线方向正对。本领域技术人员可以理解，术语“正对”应当理解为部分或全部的X射线源发出的全部或部分X射线能为X射线探测器所探测到。如扫描架包括上架体和下架体，当X射线源设置在上架体架顶时，X射线探测器设置在下架体架底，以使所发出的X射线均能为X射线探测器所接收；当X射线源设置在下架体架底时，X射线探测器设置在上架体架顶。再如当X射线源设置在上架体时，X射线探测器设置在下架体两侧的内侧面；当X射线源设置在下架体时，X射线探测器设置在上架体两侧的内侧面。又如当X射线源设置在上架体时，X射线探测器设置在下架体架底和两侧的内侧面；当X射线源设置在下架体时，X射线探测器设置在上架体架顶和两侧的内侧面。又如当X射线源设置在上架体架顶(中心源)和两侧(侧部源)的内侧面时，X射线探测器设置在下架体，以获取患者手术部位正位和两侧侧位图像。X射线探测器，优先选择平板X射线探测器，具有相当于待成像体(如患者手术部位)最大横截面跨度百分之六十的宽度。X射线探测器为电荷耦合装置，如但不仅限于CMOS或CCD装置。成像时，在控制器控制下，X射线源按顺序以脉冲方式发出X射线，X射线探测器接收透过待成像体(以手术中的患者为例)的X射线，生成横过患者手术部位横截面的连续的X射线扫描带而不移动患者。X射线探测器将获取的CT扫描数据传送至CT图像重建器，以重建CT图像，并对下一步手术提供参考。本领域技术人员可以理解，为提高扫描的分辨率，所采用的各个X射线源的间隔越小，分辨率越高，即单位面积上X射线源数量越多，分辨率越高。本发明手术用双模态实时成像装置，X射线源数量至少为3个，而形成一个阵列，以大于患者手术部位最大横截面的跨度横跨。为获取有效的图像，X射线源数量优选选择大于20个。本发明优先选择的一种X射线源，发出锥形X射线束，并定向到X射线探测器。本发明优先选择的另一种X射线源，为场致发射X射线管。场致发射X射线管的阴极材料为一维纳米材料，如但不仅限于碳纳米管、碳纳米纤维、金属、金属氧化物、硅、碳化硅、二氧化硅、碳氮化物、氮化硼、碳化硼或者硫族化物中的至少一种的纳米棒/纳米线的组。本发明优先选择的另一种X射线源，其脉冲发生频率范围为0. ΙΚΗζ-ΙΟΟΚΗζ。控制器控制X射线源顺序地发脉冲。其采用根据从传感器信息、手动输入或初始待成像体扫描数据中的至少一个生成的劲椎体积剖面图的脉冲序列。本发明提供的一种手术用双模态实时成像系统，包括若干X射线源，沿180°半圆弧间隔设置于扫描架的内侧面；
X射线探测器，设置于扫描架，用于接收若干X射线源发出的X射线；若干X射线源按顺序以脉冲方式发出X射线，并被X射线探测器所接收，在CT采集期间，生成穿过待成像体界面的连续的X射线扫描带。本发明提供一种手术用双模态实时成像方法，使若干沿180°半圆弧间隔设置的X射线源(或由若干X射线源组成的阵列)顺序的发生脉冲，以生成穿过待成像体(以手术中的患者为例)的连续的X射线扫描带；X射线探测器接收X射线，以采集CT扫描数据；将CT扫描数据重建成CT图像数据。本发明提供的另一种手术用双模态实时成像方法，使耦合至固定180°圆弧内扫描架的若干个均勻间隔分布的X射线源顺序地发生脉冲，以生成穿过待成像体(如患者手术部位)的横向截面的连续的X射线扫描带；在耦合至扫描架并由与X射线源呈扇形相对的X射线探测器处接收X射线，以采集CT扫描数据；实时获取患者手术部位正位和两侧侧位图像，同时通过所有X射线源来重建轴位断层图像。X射线源的脉冲序列是根据待成像体(如患者手术部位)剖面图确定的，或通过期望的图像分辨率确定的。待成像体剖面图由一个或多个传感器、手动输入或待成像体的扫描的初始部分确定。本发明还提供一种计算机可读介质或处理器，载有软件以实施用于执行本发明提供的手术用双模态实时成像方法的指令。本发明技术方案实现的有益效果本发明提供的手术用双模态实时成像装置、系统或方法，使用若干固定180°圆弧内的X射线源，通过程序控制，能瞬间开启或关闭，无需预热，从而有效增加了数据采集速度。多个X射线源还显著降低了对患者的辐射剂量，减少了 X射线对患者的损害。本发明采用固定的扫描架，不需要旋转扫描架，结合使用小型探测器，特别是平板探测器，减少了装置或系统的成本和总重量。本发明还实现了扫描过程的可改进的运动校正。


图1为本发明提供的一种用于手术的双模态实时成像系统图解说明；图2为本发明提供的一种场致发射X射线发射器的重叠视场的系统图解说明。
具体实施例方式以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。以下本发明各个实施例所描述的系统和方法通过提供多个小的场致发射X射线源，进行双模态术中实时成像，其中多个小的X射线源分布在围绕与平板探测器正对的固定180°半圆弧扫描架的弧内侧面中。图1为一种用于手术双模态实时成像系统，该成像系统由硬件和软件组成。成像系统1包括用于承载受试者的支架9 (如工作台或躺椅)，支架9可选择性地上下移动并沿着工作台的轴定位，以将正在被成像或检查的受试者定位在期望的高度和纵向位置处，例如从患者5的手术部位颈椎7以成像系统的纵轴为中心。工作台包括托盘8，该托盘8可平行于穿过固定圆弧扫描架的纵轴而移动，从而可以将患者的手术部位平移到成像系统的视场(FOV)中以便由探测器6以及任选地由诸如具有电子发射器(未示出)的场致发射X射线源2的多个X射线源和平板CT进行成像。所探测的患者图像数据(如CT数据)由工作站(未示出)接收，该工作站包括用于执行图像重建的合适的硬件和软件等，以生成用于由操作者在用户界面14上查看的图像。系统还包括数据存储器10，该数据存储器耦合至扫描架3，存储原始图像数据(如CT数据)。数据存储器耦合至重建处理器11，该重建处理器重建所扫描的手术部位颈椎7的图像体积表示。在一个实施例中，重建处理器11重建多个图像体积表示(如CT数据)。然后，采用CT图像体积数据来校正核图像体积数据中的衰减，CT图像体积数据单独地显示。然后，将体积图像数据存储在体积图像存储器12中，图像体积处理器12采用CT图像体积数据，以生成用于校正图像体积数据中衰减图。然后，在用户界面14上对操作者呈现经校正的图像体积。另外，在用户界面上显示CT图像体积。用户界面14还耦合至控制处埋器15，该控制处埋器根据CT采集期间的期望的或预定的脉冲模式而激活场致发射X射线源2。此外，例如，当患者手术部位的横截面足够小从而需要使用较少发射源，以利用固定圆弧上扫描架的射线源阵列切换来进行CT数据采集，例如头扫描时，控制处理器可以在所有X射线源中选择性地交替。患者手术部位体积的测定可以是诸如通过采用一个或多个传感器(未示出)而自动的，或者可以是用户输入的(如使用用户界面等)。在另一实施例中，患者手术部位体积可以基于手术部位的CT扫描的初始部分，从而提供脉冲模式的实时优化。X射线源2所横跨的弧是足够的，从而由平板探测器接收的来自多个源的X射线横跨患者的整个最大横截面尺寸(例如，患者的颈椎、小腿踝关节等)。更具体地说，在源2中采用小型固定场致发射X射线管，该场致发射X射线管在室温下就能够瞬间开启和关闭，因此比较大的常规热电子发射(工作温度大于1000摄氏度)管要求少得多的冷却系统。X射线管上的场致发射器(未示出)具有快速的切换速率(如以微秒的数量级)，激活的X射线管能够快速扫描。还注意到，由于一次只有一个X射线管为开，因而每个X射线管只有在总X射线时间的一部分期间为开。例如在具有21个X射线管的系统中，每个X射线管仅在总X射线照射周期的1/21期间为开，这使相应的X射线源的冷却简化。然而，还将意识到，尽管图1描绘了有限个场致发射X射源2，但可以采用任何适当的数量的场致发射源。场致发射X射线无需均勻地覆盖患者躯干。更确切地说，作为一般主张，X射线通量越大，可以重建的图像质量越高。由于患者手术部位典型地定位在固定圆弧中心，因此有利的是，穿过被成像的患者手术部位的中心的X射线密度比周边更高。这在使患者辐射剂量最小化的同时避免截断。另外，可以根据患者或者被成像的身体部分的尺寸选择性地激活X射线源。例如在扫描大型或成人患者时，可以激活全部源，然而，在扫描小型或小儿患者和成人头部等期间，可以激活中心源，而两个侧部源保持不激活；或者，在需要扫描患者侧位时，中心源不激活。每个X射线源相应的源顺序的发脉冲生成连续的X射线扫描带。同时，相应的X射线源具有降低的占空比，这相对于常规的系统而改进系统的冷却特性。在另一实施例中，相应的X射线源交替地(如相隔l_2mm)发脉冲，这降低了局部阳极温度并且进一步改进系统的冷却特性。系统1具有优于常规的CT成像系统的若干个优点，例如系统1通过从180°的CT轨道而不是360°的CT轨道重建衰减图来改进体积图像数据采集速度。由于来自不同的X射线源2的扇形或锥形束投影的大量重叠而改进运动校正，这允许对在不同的时间测量的透射投影的运动校正，如呼吸运动校正。因为可以取决于患者尺寸和扫描架几何结构而选择实际上使用的X射线源的数量，本发明系统1还适于不同个体的患者。在图1的示例中，对于小型患者，可以使用靠中心的X射线源代替全部源。系统1的另一优点是其降低对患者的辐射剂量，通过合适地选择成像时间或每次扫描激活的X射线源的数量，可以取决于应用而选择系统所获得的图像质量，如仅用于衰减校正或高质量图像配准。通过针对一个或多个X射线源选择更高的辐射剂量，可以产生身体的特别选取的部分的高质量CT图像，从而以更好的信噪比或更高的计数率重建与诊断有关的身体的器官或部分，而无高得多的患者剂量。沿轴向方向延伸至大量源避免在锥形束成像中重叠并且允许总剂量减少。图2显示场致发射X射线源2的重叠的视场的系统的图解说明。使用多个小型场致发射X射线源代替一个标准的X射线或CT源降低对患者的X射线剂量和相应的场致发射X射线管的冷却时间。在每个X射线帧期间将X射线源2接通很短的时间，从而使作为结果的扇形束或锥形束交错。在180°固定圆弧期间，作为结果的数据可以覆盖患者手术部位横截面，从而避免截断或针对透射测量使用360°轨道的需要。若干个液冷式X射线管的放置受到扫描架处的空间限制的阻碍。另外，液冷式管的移动很复杂且相当昂贵。对该问题的有效的解决方案是固定场致发射X射线源的布置，尤其是图2中所图解说明的场致发射X射线源2 (如CNT场发射器)的布置，该布置包括若干个具有以顺序的方式切换的固定阳极靶的小型场致发射X射线管的放置。与固定圆弧阳极X射线管相比，由于若干个X射线源上的剂量分布并且由于更长的成像时间，对这些X射线源的每个X射线源中的阳极电流的要求显著地降低。这继而允许不具有液冷系统的小型固定阳极源的应用，以避免大量热负荷。快速切换的场致发射源的开启允许这样的场致发射X射线源的紧凑的设计。该布置的一个优点是X射线源可瞬间切换，具有微秒范围内的X射线脉冲，从而若干个场致发射X射线源2与探测器采集序列的同步成为可能。以灵活的方式对X射线脉冲的序列进行编程，并且X射线源的数量和序列的选取可以适合于具体的成像要求。另外，可以单独地对从每个单源发射的剂量进行编程，并且由于每个X射线源具有很短的脉冲时间而减少移动伪影。利用多脉冲和精确的触发编程可以满足更高的剂量要求。在另一实施例中，采集随着时间的推移的具有若干个投影的运动图可以给出另外的校正信息。在任何种类的计算机断层摄影系统中都可以采用系统1，其中，视场由于诸如平板探测器2的小型X射线探测器而受限。可以采用系统1用于体积成像，例如使用诸如平板探测器来执行的计算机断层摄影。
权利要求
1.一种手术用双模态实时成像装置，其特征在于包括扫描架，固定于CT仪；若干X射线源，沿180°半圆弧间隔设置于所述扫描架内侧面；控制器，与所述X射线源耦合，而对所述X射线源进行控制；X射线探测器，设置于所述扫描架，用于接收所述X射线源发出的X射线；CT图像重建器，用于接收来自所述X射线探测器的CT扫描数据，并重建CT图像；所述X射线源和所述X射线探测器在所述扫描架上面对面设置。
2.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于在所述控制器控制下，所述X射线源顺序发出脉冲，所述X射线探测器接收透过待成像体的X射线，生成横过所述待成像体横截面的连续的X射线扫描带。
3.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述X射线源数量至少为3个。
4.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述X射线源数量大于20个。
5.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述X射线源将锥形X射线束定向到所述X射线探测器。
6.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述X射线源为场致发射X射线管，其阴极材料为一维纳米材料。
7.根据权利要求6所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述一维纳米材料选自于碳纳米管、碳纳米纤维、金属、金属氧化物、硅、碳化硅、二氧化硅、碳氮化物、氮化硼、碳化硼或者硫族化物中的至少一种的纳米棒或纳米线的组。
8.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述各个X射线源的脉冲发生频率范围为0. ΙΚΗζ-ΙΟΟΚΗζ。
9.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述若干X射线源组成一个阵列，以大于待成像体部位最大横截面的跨度横跨，以获取图像。
10.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述X射线探测器具有相当于待成像体最大横截面跨度百分之六十的宽度。
11.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述射线探测器为电荷耦合装置。
12.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述电荷耦合装置为CMOS或CCD装置。
13.根据权利要求1所述的手术用双模态实时成像装置，其特征在于所述控制器采用根据从传感器信息、手动输入或初始待成像体扫描数据中的至少一个生成的颈椎体积剖面图的脉冲序列。
14.一种手术用双模态实时成像系统，其特征在于包括若干X射线源，沿180°半圆弧间隔设置于扫描架内侧面；X射线探测器，设置于所述扫描架，用于接收若干所述X射线源发出的X射线；若干X射线源按顺序以脉冲方式发出X射线，并被X射线探测器所接收，在CT采集期间，生成穿过待成像体界面的连续的X射线扫描带。
15.一种手术用双模态实时成像方法，其特征在于使若干沿180°半圆弧间隔设置的X射线源顺序的发生脉冲，以生成穿过待成像体的连续的X射线扫描带；X射线探测器接收X射线，以采集CT扫描数据；将CT扫描数据重建成CT图像数据。
16.一种手术用双模态实时成像方法，其特征在于使耦合至固定180°圆弧内扫描架的若干个均勻间隔分布的X射线源顺序地发生脉冲，以生成穿过待成像体的横向截面的连续的X射线扫描带；在耦合至扫描架并由与X射线源呈扇形相对的X射线探测器处接收X射线，以采集CT扫描数据；实时获取患者手术部位正位和两侧侧位图像，同时通过所有X射线源来重建轴位断层图像。
17.根据权利要求16所述的手术用双模态实时成像方法，其特征在于所述X射线源的脉冲序列是根据待成像体剖面的。
18.根据权利要求17所述的手术用双模态实时成像方法，其特征在于所述待成像体剖面图由一个或多个传感器、手动输入或待成像体的扫描的初始部分确定。
19.一种计算机可读介质或处理器，其载有软件以实施用于执行如权利要求16所述的方法的指令。
全文摘要
一种手术用双模态实时成像装置或系统，包括由三个及以上X射线源组成的阵列，该X射线源阵列沿着固定圆弧扫描架间隔分布，固定扫描架横跨大于要待成像体截面的最大横截面跨度，以预定的频率电切换X射线源阵列以可编程的序列发射X射线，以便扫描待成像体(如患者手术部位)的截面。X射线源阵列在180°圆弧内从不同的角度来成像患者手术部位，在X射线探测器处接收横过患者的X射线，而不移动患者，实时获取患者手术部位正位和侧位图像，同时通过所有角度场致发射X射线源来重建轴位断层图像。
文档编号A61B6/03GK102551783SQ20121003521
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月16日 优先权日2012年2月16日
发明者刘瑞, 李丁, 杨浩, 邓敏 申请人:刘瑞, 李丁, 杨浩, 邓敏