CT球管电流控制方法、控制系统及CT成像方法与流程

本发明涉及计算机断层扫描技术领域，特别是涉及一种CT球管电流控制方法、控制系统以及CT成像方法。

背景技术：

计算机断层成像(Computed Tomography，CT)设备自问世以来，成像技术发展异常迅速、设备不断更新，已经成为人体内部组织器官解刨形态结构最主要的影像系统之一。在医学上，用来诊断脊柱和头部的损伤、颅内肿病、脑中血凝块以及肌体软组织损伤、肠胃疾病、腰部和盆骨恶性病变等。其成像的基本过程包括：X射线由CT球管焦点位置发出经过人体达到探测器；探测器接收透过该层的X线并转化为能量强度信号；数据采集与处理系统对能量强度信号进行采集，并结合一定的算法重建原图像。利用CT机，医生可清晰地观察到普通X光片难以显示的机体组织情况，如脑出血、各种微小肿瘤等，使得临床诊断水平得到显著提高。

在整个成像过程中，X射线球管是CT系统最重要的部件之一，因为其提供进行CT扫描所必须的X射线，其价格昂贵，同时也是CT机最容易损坏的部件。CT机进行医学诊断过程中，一开始采用加大X射线剂量的方法以期获得更多、更清晰的图像信息，然而这种方法某种程度上也缩短了CT球管灯丝的寿命。随着放射卫生学的发展以及人们的自我保护意识加强，精确控制球管，降低X射线剂量并保证重建图像质量成为CT机研究的热点方向。基于此，有必要提出一种能够实现对CT球管X射线剂量实时精确控制的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现对CT球管X射线剂量实时精确控制的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种CT球管电流控制方法，包括以下步骤：

提供中央控制器，所述中央控制器根据被扫描部位的衰减值获取带有时间戳信息的mA值数据；

提供处理模块，所述处理模块接收所述中央控制器输出的mA值数据，筛选处于设定时间阈值范围内的有效mA值数据；

对两相邻的有效mA值数据作插值处理并缓存；

提供高压发生器，所述高压发生器接收由所述处理模块输出的的mA值数据，用于控制CT球管X射线剂量曝光。进一步地，所述处理模块基于FPGA、单片机或DSP。

进一步地，筛选处于设定时间阈值范围内的有效mA值数据的具体过程为：当中央控制器输出的mA值数据的时间戳信息在设定时间阈值范围内，则判定中央控制器输出的mA值数据为有效mA值数据、并予以保留；否则，则删除中央控制器输出的mA值数据。

进一步地，根据所述处理模块的RAM的读写地址以确定是否对有效mA值数据作进一步处理，当所述RAM的读写地址不相同时，则对两相邻的有效mA值数据进行插值处理，并将插值处理后的mA值数据顺序缓存在所述处理模块；当所述处理模块的读写地址相同，则直接将保留的有效mA值数据缓存入所述处理模块。

进一步地，所述设定时间阈值为50-60ms。

进一步地，当所述处理模块的RAM缓存有mA值数据时，所述处理模块将缓存的mA值数据读出至输出端作为待发送mA值数据，直至所述处理模块的RAM不再缓存有mA值数据，所述处理模块停止向所述高压发生器发送mA值数据。

进一步地，当所述处理模块的时钟到达待发送mA值数据的时间戳信息时，将待发送的mA值数据发送至高压发生器。

在本发明的另一方面，提出一种CT球管电流控制系统，包括：

中央控制器，用于根据被扫描部位衰减值获取带有时间戳信息的mA值数据；

处理模块，与所述中央控制器连接，用于接收所述中央控制器输出的mA值数据；筛选处于设定时间阈值范围内的有效mA值数据；以及对两相邻的有效mA值数据作插值处理并缓存；

高压发生器，与所述处理模块连接，用于接收由所述处理模块输出的的mA值数据，并控制CT球管X射线剂量曝光；

所述处理模块与所述中央控制器时钟同步。

进一步地，所述处理模块包括插值处理单元和RAM缓存单元，所述插值处理单元用于对两相邻的有效mA值数据进行插值处理，所述RAM缓存单元用于缓存插值处理计算得到的mA值数据和有效mA值数据。

在本发明的再一方面，提出一种CT成像方法，包括如下步骤：

提供CT球管电流控制系统，所述CT球管电流控制系统根据被扫描部位衰减值获取带有时间戳信息的球管mA值数据；筛选处于设定时间阈值范围内的有效mA值数据，以及对两相邻的有效mA值数据作插值处理并缓存；根据插值后的mA值数据控制CT球管曝光产生X射线；

提供探测装置，所述探测装置探测透过被扫描部位的X射线，并作为投影数据；

提供图像重建装置，所述图像重建装置根据所述探测装置获取的投影数据重建断层摄影图像。

与现有技术相比，本发明的优点在于：根据FPGA具有编程灵活，强大的运算处理速度，在中央控制器和高压发生器之间设置基于FPGA插值处理单元，可以对中央控制器下发的较大时间间隔的CT球管mA值作插值处理，得到在扫描过程中更多时间细分的球管mA值，提高了高压发生器接收的球管mA值的精度，达到了对CT球管的高精度控制，降低了对于中央控制器性能的要求；该方法只保留设定时间阈值范围内的mA值数据，对于超出设定时间阈值范围内的mA值数据删除，防止出现错误数据，保证了CT球管曝光的准确性；FPGA的运算速度快，插值处理后的数据结果根据本身携带的时间信息发送至高压发生器，实时性好。

【附图说明】

图1为CT扫描机的组成结构示意图；

图2为本发明的CT球管电流控制系统的示意图；

图3为本发明实施例的CT球管电流控制方法流程图；

图4为本发明实施例的处理模块向高压发生器发送mA值数据的流程图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

众多受检者、患者所受的医疗照射已经成为各种电离辐射照射中最大的又是不断增加的人工电离辐射照射来源。近年来，CT在放射诊断中应用越来越 广泛，设备数量和接收CT检查人数上均逐年增加。为了尽量减小受检者接受的辐射剂量，需要优化CT扫描的条件，严格控制球管X射线的曝光。如图1为本发明所用CT扫描机的组成结构示意图，主要包括CT球管、准直器、高压发生器、探测器、扫描架、扫描床、中央控制器及图像重建系统，其中CT球管、准直器、探测器和前置放大器位于机架内部，CT扫描机的数据采集主要通过CT球管、探测器、准直器、滤过器以及模数转换模块、接口电路完成，图像重建阶段通过计算机完成，最终扫描重建得到的图像显示在显示器上并存储、记录在硬盘或者其他可存储介质上，整个CT扫描机的工作过程由中央控制器控制。FPGA、单片机以及DSP是高速数据处理中常用的处理单元。其中，现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)是在PAL、GAL和CPLD等可编程器件的基础上发展的产物，作为专用集成电路领域中的一种半定制电路，其既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，成为小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只需用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器、显示 驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。其具有系统结构简单、使用方便、处理功能强大、控制功能强等众多优点。数字信号处理器(DSP)是一种特别适合进行数字信号处理运算的微处理器，其程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问，并可并行执行多个操作。

本发明在中央控制器100和高压发生器300之间设置处理模块200，处理模块在中央控制器100对下发的带有时间戳信息的相邻mA值数据进行插值处理，获得更多时间细分的mA值数据，提高高压发生器300接收的mA值数据的精确性，从而提高高压发生器300对CT球管400控制的精度。另外，处理模块可基于FPGA、单片机或DSP等微处理器，成本低廉、设计简单，并降低了对中央控制器100的性能要求。

图2为本发明一种CT球管电流控制系统的结构图，其主要包括：中央控制器100、处理模块200和高压发生器300以及CT球管400。其中，中央控制器100用于根据被扫描部位的衰减值计算生成带有时间戳信息的mA值数据，该处的时间戳指的是曝光时间点。某物质的CT值等于该物质的衰减系数与水的吸收系数之差再与水的衰减系数相比之后乘以分度因素，物质的CT值反应物质的密度，物质的CT值越高相当于物质密度越高，用公式表示为：

CT值＝α×(μm-μw)/μw

其中，α为分度因数，其取值为1000时，CT值的单位为亨氏单位(Hu)。人体内不同的组织具有不同的衰减系数，因而其CT值也各不相同。按照CT值的高低分别为骨组织，软组织，脂肪，水，气体，水的CT值为0Hu左右，通过上述过程，中央控制器100可以获取CT球管曝光所需要的球管mA值数 据。需要说明的是，本发明中的中央控制器100可以为专用计算机、DSP、单片机、软件控制中心(平台)或系统。

处理模块200，通过串行通信协议CAN总线与中央控制器100连接，用于接收中央控制器100固定时间间隔发送的mA值数据，并可以向中央控制器反馈接收的mA值数据的正确性，对接收的来自中央控制器100的mA值数据进行筛选，得到处于设定时间阈值范围内的有效mA值数据，其具体的过程为：保留时间戳信息处于设定时间阈值范围内的mA值数据，删除时间戳信息超出设定时间阈值范围内的mA值数据。然后对两相邻的mA值数据作插值处理并缓存，更具体地，本发明的处理模块200划分为插值处理单元201和RAM缓存单元202，插值处理单元201完成对相邻的mA值数据的插值处理操作，RAM缓存单元202完成对插值后的mA值数据的缓存。需要说明的是，经过插值处理和缓存处理后，处理模块RAM缓存单元中的数据既包含有中央控制器输出的有效mA值数据，同时也包含经插值处理计算得到的mA值数据。高压发生器300，与处理模块200连接，用于接收经所述处理模块200处理的mA值数据，并根据所述mA值数据控制CT球管400的X射线曝光。其中，为了保证数据传输的实时性，处理模块200与中央控制器100时钟同步本实施例中的处理模块200基于FPGA，具有处理成本低、运算速度快，实时高效的优点。

进一步地，本发明的CT球管电流控制系统还具有报警模块，与中央控制器100连接，当中央控制器100接收到处理模块200反馈的接收到错误信息时，则在中央处理器100控制下发出报警信息。

与上述基于FPGA的CT球管电流控制系统相对应的，本发明还提出一种CT球管电流控制方法。为了实现在降低中央控制器100性能要求的同时，达到中央控制器100对CT球管400精确控制的目的，如图3所示，本发明的技 术方案主要分为以下步骤：

提供中央控制器100，中央控制器100根据被扫描部位的衰减值获取带有时间戳信息的球管mA值数据。CT机扫描过程中，病人躺在扫描床上，扫描床带动病人移动，实现对病人不同部位的探测，而人体不同部位，如头部、心脏等衰减系数不同，由此获取的mA值数据也不同，同时个体胖瘦和体型的差异也会导致mA值数据相应不同。在此具体实施例中，此处的中央控制器100控制扫描床、数据采集以及数据重建等整个CT扫描机的运行。

提供处理模块200，处理模块200接收中央控制器100输出的mA值数据，筛选处于设定时间阈值范围内的有效mA值数据，包括保留处于设定时间阈值范围内的mA值数据；删除超出设定时间阈值范围内的mA值数据。在此具体实施例中，中央控制器100与处理模块200数据传输的具体过程为：处理模块200判断本地时钟信息与中央控制器100发送的mA值的时间戳信息差值是否超过设定阈值的范围，该阈值的设定可根据实际需求设置一般为50-60ms，在此实施例中设定阈值范围优选为55ms。如果上述时间差值超过55ms，则判定接收的mA值不在预期范围内，直接在处理模块200中删除该数据，此外如果连续检测接收的多个mA值的时间戳与本地时钟信息插值超过55ms，则处理模块200将出错信息反馈给中央控制器100，中央控制器100控制报警模块发出报警信息，提示用户出错，方便遇到突发情况及时处理。如果上述时间差没有超过55ms则判定接收的mA值在预期范围内，则将该数据保留。需要指出的是，该设定时间阈值范围的确定一方面要考虑处理模块时钟的精度，另一方面还需要考虑内部缓存单元的资源优化配置。另外需要补充的是，CT球管400曝光过程中，mA值数据包含的球管电流值幅度不宜超过额定值，否则将导致焦点面过热而损坏或缩短灯丝的寿命。在本发明中，处理模块200还具有如下 功能：判断接收的来自中央控制器100的mA值数据的球管电流值幅度是否超过额定值，若mA值数据超过额定值则删除mA值数据，如果连续检测接收的多个mA值数据超过额定值，则停止处理模块200向高压发生器300发送数据，CT球管400停止曝光，方便用户及时查找设备故障。

对两相邻的有效mA值数据作插值处理并缓存，即内部RAM写操作。

其中RAM写操作的具体过程为：处理模块200中进一步地检测处理模块200内部RAM的读写地址是否相等，若处理模块200内部RAM的读写地址相等，则判定此时接收的有效mA值数据为第一个，无需作插值处理，处理模块200将接收的该有效mA值数据写入处理模块200中的RAM缓存单元202；在RAM缓存单元202存储数据之后，其读写地址会发生变化，如紧接着再输入数据，则处理模块200内部RAM的读写地址不相等，则说明此时接收的有效mA值数据不是第一个，需要根据实际情况对接收的有效mA值数据和前一接收的有效mA值数据之间的区域进行插值处理。

在此具体实施例中，插值处理在插值处理单元201中进行，具体过程为：令(T_N-1，mA_N-1)表示由所述基于FPGA的插值处理单元201接收的第N-1个有效mA值数据，记(T_N，mA_N)表示基于FPGA的插值处理单元201接收的第N个有效mA值数据，其中T_N-1、TN分别表示第N-1、第N个有效mA值数据时间戳，mA_N-1、mA_N表示第N-1、第N个有效mA值数据的球管电流值；

在所述第N-1个有效mA值数据和所述第N个有效mA值数据之间插入S个计算得到的mA值数据(x_i，y_i)，S为小于的最大正整数，令x_i表示插入的第i个计算得到的mA值数据时间信息，令y_i表示插入的第i个计算 得到的mA值数据的电流值，则其中，1≤i≤S，且i为整数，ΔT为所述高压发生器所能配置的最小时间间隔。最后将插值后的mA值数据顺序写入处理模块200中的RAM缓存单元202。

经过上述处理之后，处理模块200的RAM缓存单元202中包含由中央处理器100输出且未经插值处理的有效mA值数据，同时包含有经插值处理计算得到的mA值数据，两种mA值数据根据各自的时间戳信息按顺序缓存在RAM缓存单元202。

当处理模块200缓存的mA值数据到达一定数量时，将缓存的mA值数据发送至高压发生器300。根据RAM缓存单元202的读写地址是否相等，决定是否将缓存的mA值数据读出。其具体过程如图4所示：如果RAM缓存单元202的读写地址不相等，说明RAM缓存单元202仍有待发送的mA值数据，此时处理模块200中的RAM缓存单元202将缓存的mA值数据读出到输出端口作为待发送mA值数据，等待处理模块200的时钟到达输出端mA值数据包含的时间戳信息时，处理模块200将待发送的mA值数据发送给高压发生器300，高压发生器300根据接收的数据控制CT球管400的精确曝光，RAM缓存单元202中的其他mA值数据按照同样的原则发送至高压发生器，控制CT球管400在整个工作过程中连续曝光。如果RAM缓存单元202的读写地址相等，说明RAM缓存单元202缓存的mA值数据发送完毕，此时停止向高压发生器300发送数据，高压发生器300控制的CT球管400曝光结束。使用本发明方法，不需中央控制器向高压发生器300发送高时间分辨率的mA数据，降低了对中央控制器300性能的要求，同时设置的基于FPGA的处理模块200 通过插值处理单元201对mA数据插值处理，并经RAM缓存单元202将插值后的数据缓存，将原本粗略的mA数据精细化，从而使得高压发生器300接收的数据精度更高，CT球管400的曝光准确率提高。

根据本发明的另一方面，还提供一种CT威像方法，包括如下步骤：

(1)提供CT球管电流控制系统，所述CT球管电流控制系统根据被扫描部位衰减值获取带有时间戳信息的球管mA值数据；筛选处于设定时间阈值范围内的有效mA值数据，以及对两相邻的有效mA值数据作插值处理并缓存；根据插值后的mA值数据控制CT球管曝光产生X射线。在本实施例中，通过初步筛选得到有效的mA值数据，去除掉超过设定时间阈值范围和超过额定电流值的数据，对球管起到一定的保护作用。另一方面，在相邻的有效mA值数据之间做插值处理，提高了数据传输的精度。

(2)提供探测装置，所述探测装置探测透过被扫描部位的X射线，并作为投影数据。探测装置的位置设置为与CT球管呈180度相对设置，且都固定在CT设备的机架上。本实施例中的探测器可以采用诸如平板探测器或探测器阵列等任何适当的形式，还可以是固体探测器、闪烁晶体探测器、气体探测器或者半导体探测器等。

(3)图像重建装置，用于根据所述探测装置获取的投影数据重建断层摄影图像。CT图像的重建过程其实就是图像处理机解方程的过程，现有技术中存在多种方法，在本实施例中，可采用迭代法、直接发投影法以及滤波反投影方法等。在此具体实施例中，采用迭代法处理图像，具体过程为：用一系列的近似计算以逐渐逼近的方式来获得图像，在图像重建开始以前，假定图像是均匀密度的，重建图像的每一步都是将上一步重建图像的计算投影与实际测量所得的投影进行比较，用实际投影与计算投影之差来修正图像。每一步都使图像 更接近原来物体，经若干次修正后可以获得满意的CT图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。