用于连续运动乳房断层摄影的系统和方法与流程

数字乳房断层摄影(DBT)是允许根据由不同x射线管角度获得的有限数量的投影的整个乳房的体积重构的成像技术。DBT是用于筛选和诊断乳房摄影的重要工具。此技术涉及在检测器和乳房相对固定或在相对运动中时采用在不同位置处的x射线管（也称为x射线源）拍摄一系列x射线图像（投影）。在常规DBT中，x射线管形成弧，在此期间采集一系列图像。备选地，如现在对于胸部断层成像、有关3D成像方法所实施的一样，x射线管能够沿线性路径移动。在另一方法中，管保持固定，并且检测器沿预确定的路径移动。在管的运动期间，安置在管出口处的静态或动态准直器将引导x射线场以便只照亮检测器的区域。采集的数据由计算机处理，其中，重构算法组合投影以获得乳房的剖视图。

当前系统使用静态调强(step-and-shoot)配置（其中管（或检测器）在x射线曝光期间是固定的）或者连续运动配置(其中管（或检测器）不断移动，但x射线在运动期间脉动)。x射线曝光周期的数量分别对应于固定位置的数量或脉冲的数量。在每个周期之间的时间期间，X射线强度为零，以便允许系统移到下一角度位置。在这两种情况下，管未以完全工作周期运行，关闭至少足够长时间以读出检测器和将系统组件移到下一角度位置。

在静态调强几何结构中，不存在由于管运动造成的运动模糊，但总检查时间是长的。这是由于等待移动组件从当前位置处的静止加速，接近新位置，减速以静止，停止足够长时间用于任何振动平静，并且在移到下一位置前执行x射线曝光而消耗的时滞。用来快速执行检查的需要也引起用来移动管的支撑结构（机架）被制造得足够强和刚硬，以在加速期间支撑扭矩和最小化振动。需要强大的马达以在位置之间快速移动管。这两种均增大了总体系统的成本。

在采用脉动的x射线管的连续运动系统中，存在由于在管（或检测器）在x射线曝光期间移动时采集单个检测器帧而发生的大量图像模糊。为最小化此模糊，一个选项是要以更短的曝光时间增大管功率和脉冲。更高功率的管能够花费更多和重量更大，并且释放更多热到系统中。由于需要更大的马达和更刚硬的机架，更高的重量引起附加的系统成本。

附图说明

图1根据一些实施例描绘放射照相的投影断层成像设备；

图2根据一些实施例描绘放射照相的投影断层成像设备的一部分；

图3根据一些实施例以表格形式描绘在扫描期间采集的数据量的代表性计算；以及

图4A和4B根据一些实施例示意性地描绘数据压缩过程。

具体实施方式

根据一些实施例，系统和方法提供一种断层摄影系统，其包含相对于要成像的对象（例如，乳房或胸部）和检测器移动的x射线源（其在最低限度上包含电子束和阳极靶）。在一个实现中，对象和检测器未相对于彼此移动，但在其它实现中，它们能够相对于彼此移动。x射线源沿路径而行。例如，能够设想线路或弧，即使其它更复杂的路径。移动的x射线源生成x射线发射周期的序列，这些发射周期采用检测器读出进行协调，以便生成与x射线周期的数量不同的多个图像。瞬间x射线场强度可以或可以不在运动的范围变化。编程强度轮廓（profile）生成具有可变强度的以恒定幅度连续的x射线，或者生成沿此路径脉动的x射线，以便实现可能在周期之间具有零强度时期的x射线周期的数量。在瞬间x射线场横跨(transverse)对象时，场被衰减。传送的衰减的x射线场随后由x射线检测器检测。

图1根据一些实施例描绘放射照相的投影断层成像设备1。断层成像设备1包含能够支撑要经受断层成像的对象的支撑2。在实施例中，断层成像设备能够配置为乳房摄影设备，其中，支撑2是支撑患者的乳房的乳房保持器支撑。然而，能够设想任何其它类型的断层成像设备。通常，患者的乳房被放置在支撑上，并且由操作员能够使用例如手柄4操纵的浆状物(paddle) 3来压缩。断层成像装置1此外包括辐射源，例如x射线发射管5和检测器6。在射线已穿过患者的乳房后，检测器能够检测射线。检测器6被放置在支撑2下。实际上，浆状物3由x射线透明材料（例如，塑料）制成。

根据一个实现，浆状物3、患者的乳房、支撑2和检测器6在固定位置中，而x射线管5可相对于此组合件在空间上占据若干位置。在其它实现中，检测器能够关于x射线管行进。在还有的其它实现中，x射线管和检测器均能够相对于患者的乳房以协调的方式移动。断层成像装置1包含运行计算机可读指令以控制装置1的操作的控制处理器。

具体而言，图1示出在例如相对于平分方向9，相对于彼此对称的第一极限位置7与第二极限位置8之间的再定向中的分布式(distributed in reorientation)。位置大体上分布在圆的弧上。在所描绘实现中，臂10携带管5。存在使管和/或检测器能够在平面或球体部分中移位的其它可能布置。

管5提供有焦点11，其是x射线发射焦点。对于本文中由编号的十个位置12到21表示的曝光位置的多样性，大于或等于3的这些位置的数量与布置乳房摄影装置有关，该装置的管在入射（位置）7处停顿，并且在常规探测后，也在入射（位置）8处停顿。

在路径上,位置优选地均匀分布，即使采用图像重构处理校正，将会有可能设想其中位置12到21不是均匀分布的情况。根据一个实施例，能够沿运动的弧，即，在位置12到21中及其周围，以规则间隔对图像数据进行采样。

如在图1中能够看到的，特别是在焦点的运动是摆线时，焦点的确切路径不一定是圆的弧或球体部分的路径，而是在圆环或球环部分中内接。然而，摆线运动能够在平面中或者在球体部分上进行。在此情况下，相对运动将与此平面或此球体的表面相切。

根据实施例，感兴趣对象（例如，乳房）曝光于延续多次图像读出的一个或多个x射线发射。信号电荷在检测器像素中累积，并且周期性读出事件将电荷从像素中读取到数字图像帧中。检测器能够在连续读出（滚动快门）模式中操作，或者在电荷存储模式（即，帧缓冲模式或全局快门）中操作。在连续读出模式中，平行读取所有像素的子集内的所有像素，并且按顺序读取像素的不同子集。在电荷存储模式中，将像素上存储的所有电荷在读出前同时转移到存储电容器。随后，在通过信号电荷的累积到像素上而采集下一帧时，进行存储电容器的读取。

由于实现这些实施例所需的简化机械要求，体现系统(Embodying system)与常规静态调强DBT系统相比，是更简单、更低成本的DBT系统。管的改进的工作周期操作实现了用来形成获得品质图像所要求的总辐射剂量的更低的管电流。相应地，与具有曝光个别图像的脉动的x射线源的连续运动系统相比，体现系统对x射线源具有降低的热要求，从而导致更低的成本。体现系统通过提供足够多的大量检测器读取，使得对象位置被投射到在一个检测器像素间距内相邻视图之间的检测器位置来消除了在x射线曝光期间的图像模糊。

根据实施例，检测器能够在两种可能模式中运行。在一个模式中，实现滚动快门技术。通过跨检测器帧垂直或水平扫描来收集图像数据。相应地，在完全相同的时间间隔内并非图像的所有部分被记录。然而，在大约记录图像部分的时间，采集时戳或作为时间的函数的其它信息（例如，角度，x位置），其提供关于源和检测器的位置的信息，该信息允许识别在图像采集时源的位置。滚动快门能够引入可预测的失真，特别是对于快速移动（相对于数据采集采样）x射线管（或检测器）。例如，在一个实现中，能够平行读出检测器上的一行像素。在完成时，读出下一行等。在读出最后一行后，再次读出第一行。用于一起读取的图像部分的采集的时戳用于3D重构的目的。

在第二读出模式（帧缓冲模式）中，在检测器的个别像素上的所有电荷大约同时转移到存储机构（例如，最简单的是附接到每个像素的存储电容器，或存储器装置）。随后，在像素上采集下一帧时从存储电容器读取电荷。在读取存储电容器的最后电容器上的电荷时，开始新序列，其中在每个像素上新结合的电荷再次转移到存储电容器。

在任一检测器读出方法中，每个像素将结合来自x射线场的信号仅持续与用来读出检测器所花费的一样长的时间。显示快速帧速率能力的检测器包含CMOS和非结晶铟镓锌氧化物有源像素阵列。信号电荷的模数转换的快速数字方法近来从低成本和低功率集成电子器件是可用的。专用集成电路(ASIC)和检测器上电子器件能够有效地以每秒30到1000帧的帧速率读取。用于信号电荷集成的短时间能够最小化由于模糊造成的任何影响，降低总检查时间，并且提供最大量的投影数据以在断层成像重构中使用。

根据一些实施例，投影数据采集的高速率提供管（或检测器）的相对角位置的精细采样。此外，简机的机架机械和完成成角扫描需要的总体快速时间允许更宽的成角范围。在第一极限位置7与第二极限位置8（图1）之间的成角差能够更宽而没有引入由于管运动造成的模糊。在断层成像重构中使用时此最大量的投影数据的结果能够创建以更高的空间分辨率和组织关于其与检测器的距离的更佳分离创建体积图像。

图2根据一些实施例描绘放射照相投影断层成像设备200的一部分。在一些实现中，断层成像设备200能够包含到放射照相投影断层成像设备1的对应部分中。具体而言，断层成像设备200包含能够支撑要经受断层成像的对象的支撑202。在实施例中，断层成像设备能够配置为乳房摄影设备，其中，支撑202是用来支撑患者的乳房的乳房保持器支撑。断层成像设备200包含辐射源，例如x射线发射管205和检测器206。在射线已穿过患者的乳房后，检测器能够检测射线。检测器位于支撑（乳房保持器支撑）202下。由于最大投影数据和快速扫描时间，可能采用较小力通过浆状物3（图1）进行的乳房压缩或消除的乳房压缩将是可能的。

根据一个实现，患者的乳房、支撑202和检测器206在固定位置中，而x射线管205可相对于此组合件在空间上占据若干位置。具体而言，x射线管能够沿在第一极限位置与第二极限位置之间预确定的路径220行进。位置大体上分布在圆的弧上。在所描绘的实现中，臂210携带管205。存在使管和/或检测器能够在平面或球体部分中沿预确定的路径移位的其它可能布置。

根据实施例，与采用每脉冲单次读出的脉冲波形相对,在具有编程X射线强度连同连续多检测器读取的连续波(CW)模式中，操作x射线管205。通过最大化在其中发射x射线的源运动期间的时间，在CW中操作管减轻了对管的最大功率要求。如上所述，能够在滚动快门模式或帧缓冲模式中对检测器进行采样。在对检测器进行采样时，采集时戳数据。在图像重构期间，管的位置、移动的速率、行进路径和数据时戳的知识能够由重构算法用来确定系统组件的真实位置，以便产生乳房或在研究对象的高分辨率图像。

图3根据一些实施例以表格形式（表I）描绘在扫描期间采集的数据量的代表性计算。根据实施例，在扫描期间能够获得大量的数据。计算基于检测器参数、扫描时间、帧速率和数据收集。如表I所图示的，代表性扫描能够采集大约20.5 GB的数据。相应地，数据压缩技术能够由系统实现以降低存储要求。

图4A根据一些实施例示意性地描绘数据压缩过程400。通过使用编组的数据408，从原始基线数据406获得体积乳房图像412。根据原始数据重构体积乳房图像能够表述为等式1：

X=A^-1Y　（等式1)

其中，X表示体积乳房图像412；

A^-1表示前向投影矩阵的逆；以及

Y表示用于所有投影视图406（以精细角度采样）的原始检测器读出数据。

在3D重构期间，前向投影包含系统的几何结构和用于在通过对象后在检测器上创建电荷的x射线物理过程。前向投影的逆不一定容易直接计算，但涉及前向投影的矩阵转置（称为反向投影）的迭代和解析近似在全身计算机断层成像(CT)、乳房CT和DBT中成功使用。

根据实施例，数据视图读出406被编组到更少数量的压缩视图408中。在所图示的实施例中，每组十行数据视图读出组合到三个压缩视图的集的每个中，其中，每个相应压缩视图是在以特定空间和时间分辨率的原始数据406上形成的平均。因此，在此实现中，压缩在10:3的比率。

例如，在压缩视图中的像素值能够是跨十个原始数据视图的对应像素的算法平均值。此压缩视图具有原始数据视图的相同空间分辨率。压缩视图的时间分辨率是原始数据的十分之一，并且将经受由于管运动造成的运动模糊。

备选地，压缩视图能够是单个原始数据视图的空间模糊的下采样变换。在此种情况下，压缩视图具有与原始数据视图相同的时间分辨率，但具有降低的空间分辨率和更少数量的像素。相对于原始数据视图而更少数量的像素产生了另外的数据压缩比。时间下采样过程促使将压缩视图编码所要求的比特的数量中的减少，但在相邻时间间隔引入采样错误和信息的丢失。通常，在压缩视图中的像素将是对每个原始数据视图进行空间模糊和采样，并且随后跨原始数据视图平均像素的组合。

在多分辨率压缩中，将采用不同波长或时间间隔对压缩视图集的每个进行空间和时间模糊。在一个实现中，目标能够是要对集中的一些压缩视图以稀疏时间采样保持高空间频率信息。也对集中的其它压缩视图以精细时间采样保持低空间频率信息。

重构算法410保存压缩数据的几何结构信息，以通过应用等式2来重构近似三维体积412：

X’=f{A, c_i}　（等式2)

其中，X’表示近似3D体积412；

f{ }表示前向投影矩阵A的函数；以及

c_i表示多个类型（例如，低、高和/或多个分辨率）的压缩视图。

函数f{ }包含采集的时戳和对应于压缩视图的空间采样。例如，通过在求逆前应用压缩算法到前向投影矩阵来能够实现该函数。在一些实现中，使用修改的前向投影矩阵的转置的迭代解和反向投影能够用来求解乳房体积。

图4B根据一些实施例示意性地描绘数据压缩过程450。未压缩基线数据452的重构仍能够由等式1表述。快速重构过程456将基线数据编组到体积域460中。在一个实现中，能够使用滤波反向投影(FBP)方法。然而，同样能够应用其它迭代技术，特别是采用在稀疏检测器矩阵上的少量的迭代。每个中间数据体积460能够采用快速操作来前向投射，并且与原始数据452进行比较。为压缩比特存储要求，数据体积460相对于最终体积解476可高度抽取并且是空间粗放的。

应用快速前向投影和差分算子464到体积域编组460，以导致具有总体压缩比10:3的压缩视图468。重构过程470如等式2中那样组合压缩视图集。在另一实现中，通过应用等式3，组合压缩视图和中间体积460以实现最佳拟合的最终三维体积476：

X’’= g{A, v_i, c_i}　（等式3)

其中，X"是使用中间体积和压缩视图解出的近似解；

A等于系统矩阵；

v_i等于累积（或独立）体积；

c_i等于与原视图相比的差别投影；以及

g{ }表示重构过程函数。

压缩过程的主要方面是要降低近似计算体积解X、X'或X"所要求的比特的数量。压缩策略能够确保由压缩视图408或468生成的数据率能够容易地存储在系统上，和/或由系统以可用带宽转移到存储单元。

检测器中数据的抽取通过将相同视图的像素值和在多个视图中的像素值组合成等效平均视图而继续。这在降低比特率有效因数的同时，交替保存时间或空间信息。

检测器像素的组合能够在称为“模拟仓”(analog binning)的硬件过程中或者在使用固件或软件的数字域中执行。否则，包含与移动平均和基于频率（Huffman编码）的差别的无损和有损压缩算法均能够进一步降低在每个像素上指定检测到的信号所要求的比特的数量。

通过采用与检测器值的反向投影456一致的权重来增加（体积）图像域460中的体素，也能够实现数据比特率降低。在此实现中，不保持压缩视图468直到最终前向投影操作464。这具有通过在体积域中生成数据时存储数据而降低从检测器到系统的数据率的益处，在体积域中，数据最后被使用，并且只保持在压缩视图468中的错误。

根据一些实现，源能够是固定的阳极源或旋转的阳极源。源本身能够是单点源或多点源 - 即，具有产生多个电子束的电子枪阵列，每个电子束在预确定的方向上瞄准多个靶的相应靶，靶接收电子束并且作为响应生成x射线。

在一些实施例中，系统控制器能够使源的成角位置与特定数据帧（例如，全局快门）或检测器行读出（滚动快门）有关。对于每次采集，源的位置可能不可确切再现。然而，高数据采样能够产生位置信息。实时位置信息能够从放置在x射线的路径中的标记提取。将标记投射到检测器上大约已知位置，并且在检测到的信号中找到实际位置。近似和实际投射位置中的差别能够为每个视图或数据集中的行读取固定源的位置达到高准确度。为产生最高分辨率图像，在重构算法中能够使用在每个时间点系统组件的真实位置。通过经由时戳采集，知道像素在检测器上所位于的位置和像素曝光时源的位置，能够确定系统组件的位置。通过包含以数据采集进行协调的时戳数据，能够知道此信息。

根据一些实施例，能够在扫描期间实时检测患者运动。这由于视图的高时间采样而遵循(follow)。通过到检测器上的投影，能够跟踪例外解剖特征的位置。感兴趣的解剖特征包含微钙化、乳房软组织内的纤维组织、乳房皮肤线的边缘、胸肌的轮廓。此类特征能够通过应用图像处理分割算法而检测到。

例如，此种分割可包含关于灰阶值的范围（柱状图函数形式）和/或用作患者运动的有用信标的对象的大小和形状的先验信息。一旦检测到患者运动，并且计算解剖体的位移向量，便可在重构算法中包含结果。通过去除这些计算的位移向量，甚至能够产生更清楚的图像而没有由于患者运动造成的解剖模糊。例如，通过像素矩阵的移位和非刚性变形，对于位移能够校正原始数据。在一个实现中，如果患者运动超过预确定的阈值，能够触发故障指示。随后，能够在系统控制下自动终止采集，或者向操作员呈现用来终止采集的选项。

根据一些实施例，在非易失性存储器或计算机可读媒介（例如，寄存器存储器、处理器高速缓存、RAM、ROM、硬件驱动、闪速存储器、CD ROM、磁性媒体等）中存储的计算机程序应用可包含代码或可运行指令，其在被运行时，可指示和/或促使控制器或处理器执行本文中讨论的方法，例如同步检测器数据视图和源角度位置的时戳采集、视图的压缩及数据到存储器位置的转移的方法，其中，在采集过程后，如上所述，重构并且向用户显示原始和/或压缩数据。

计算机可读媒介可以是非暂时性计算机可读媒体，包含除了暂时性传播信号外的所有形式和类型的存储器和所有计算机可读媒体。在一个实现中，非易失性存储器或计算机可读媒介可以是外部存储器。

虽然已在本文中描述特定硬件和方法，但要注意，根据本发明的实施例，可提供任何数量的其它配置。因此，虽然本发明的基本新颖特征已示出、描述和指出，但将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，由本领域的技术人员可对图示的实施例的形式和细节及其操作进行各种省略、替代和变化。也完全预期和期待了从一个实施例到另一实施例的元素的替换。本发明只关于其所附权利要求及本文中叙述的等效物限定。