手術用雙模態實時成像裝置、系統及其方法

專利名稱：手術用雙模態實時成像裝置、系統及其方法
技術領域：
本發明涉及一種X射線成像系統，尤其涉及一種雙模態實時成像系統，以及采用若干X射線發射源發出的信號，對患者手術部位實時術中成像的架構、檢查裝置和檢測方法等。
背景技術：
當前的手術中X射線成像系統多為二維成像系統，存在組織混疊及誤判率高等問題，分辨率更高的三維術中成像系統已成為迫切需求。三維成像設備臨床應用的典型例子是傳統CT儀借助C型臂在X射線透視導引下的經皮椎體成形術(PercutaneousVertebroPlasty, PVP)。屬微創介入手術性質的PVP近年來被廣泛應用于骨質疏松性壓縮骨折、椎體轉移瘤和椎體血管瘤等疾病引起的疼痛治療。傳統的PVP技術是在C型臂透視下，經皮穿刺椎弓根向椎體注射骨水泥。由于脊柱結構復雜多變，毗鄰重要神經，經皮椎弓根穿刺手術對患者具有很大風險。即使在C型臂參與下，可由透視方式實時監控手術過程，但操作的精準度仍較大程度地依賴操作者個人的經驗。穿破椎弓根進入椎管所引起的脊髓或神經根損傷，以及肋骨骨折時穿破胸膜等并發癥都時有發生。若結合CT儀導引，即可對重度壓縮椎體進行三維重建，幫助醫師于手術前準確設計穿刺點、進針方向、角度和深度等手術方案，避免了人為差錯和手術中因C型臂連續透視而致X射線輻射引起傷害，穿刺后尚可通過三維重建驗證穿刺針在病椎中位置，手術結束后還可通過三維圖準確評價治療效果。可見，研制具有C型臂結構特點，能安全、快速、靈活和可靠地實現三維成像，具有較大技術創新的手術中影像設備是介入醫學(也包括部分放射治療)臨床的迫切要求。但基于傳統熱電子X光源與機架固定圓弧掃描技術的三維術中成像系統，存在成像時間長、時間分辨率低、致有運動偽影和輻射量大等諸多缺陷。

發明內容
本發明的一個目的在于提供一種手術用雙模態實時成像裝置，對現有CT儀進行改進，采用若干場發射X攝像光源構建雙模成像系統態，實現雙模態快速投影數據采集并進行重構獲取三維斷層圖像，從而大大提高時間分辨率和手術中成像的有效性。本發明的另一個目的在于提供一種手術用雙模態實時成像系統，采用場發射X攝像光源構建雙模成像系統態，實現雙模態快速投影數據采集并進行重構獲取三維斷層圖像，從而大大提高時間分辨率和手術中成像的有效性。本發明的又一個目的在于提供一種手術用雙模態實時成像方法，實現手術用雙模態實時成像系統的數據采集、處理和圖像重建。本發明背景技術中描述的內容，可能參考了現有設備所用的結構和方法。然而，這樣的參考沒有必要解釋為承認這些結構和方法在可應用的法律規定下有資格作為現有技術。申請人保留權力來證明，任何參考的主題相對于本發明不夠成現有技術。本發明特別應用于手術中實時診斷成像系統，如計算機斷層攝影(Computed Tomography，CT)，特別是涉及錐形束計算機斷層攝影(Cone Beam Computed Tomography, CT)。然而，還將意識到，所描述的技術還可以應用于混合或其他醫學方案或其他醫學技術當中。本發明提供的一種手術用雙模態實時成像裝置，包括掃描架，固定于CT儀；若干X射線源，沿180°半圓弧間隔設置于掃描架內側面；控制器，與X射線源耦合，并對X射線源進行控制；X射線探測器，設置于掃描架，用于接收X射線；CT圖像重建器，用于接收來自X射線探測器的CT掃描數據，并重建CT圖像。本發明手術用雙模態實時成像裝置，X射線源和X射線探測器面對面設置于掃描架，即X射線探測器與X射線源發出的X射線方向正對。本領域技術人員可以理解，術語“正對”應當理解為部分或全部的X射線源發出的全部或部分X射線能為X射線探測器所探測到。如掃描架包括上架體和下架體，當X射線源設置在上架體架頂時，X射線探測器設置在下架體架底，以使所發出的X射線均能為X射線探測器所接收；當X射線源設置在下架體架底時，X射線探測器設置在上架體架頂。再如當X射線源設置在上架體時，X射線探測器設置在下架體兩側的內側面；當X射線源設置在下架體時，X射線探測器設置在上架體兩側的內側面。又如當X射線源設置在上架體時，X射線探測器設置在下架體架底和兩側的內側面；當X射線源設置在下架體時，X射線探測器設置在上架體架頂和兩側的內側面。又如當X射線源設置在上架體架頂(中心源)和兩側(側部源)的內側面時，X射線探測器設置在下架體，以獲取患者手術部位正位和兩側側位圖像。X射線探測器，優先選擇平板X射線探測器，具有相當于待成像體(如患者手術部位)最大橫截面跨度百分之六十的寬度。X射線探測器為電荷耦合裝置，如但不僅限于CMOS或CCD裝置。成像時，在控制器控制下，X射線源按順序以脈沖方式發出X射線，X射線探測器接收透過待成像體(以手術中的患者為例)的X射線，生成橫過患者手術部位橫截面的連續的X射線掃描帶而不移動患者。X射線探測器將獲取的CT掃描數據傳送至CT圖像重建器，以重建CT圖像，并對下一步手術提供參考。本領域技術人員可以理解，為提高掃描的分辨率，所采用的各個X射線源的間隔越小，分辨率越高，即單位面積上X射線源數量越多，分辨率越高。本發明手術用雙模態實時成像裝置，X射線源數量至少為3個，而形成一個陣列，以大于患者手術部位最大橫截面的跨度橫跨。為獲取有效的圖像，X射線源數量優選選擇大于20個。本發明優先選擇的一種X射線源，發出錐形X射線束，并定向到X射線探測器。本發明優先選擇的另一種X射線源，為場致發射X射線管。場致發射X射線管的陰極材料為一維納米材料，如但不僅限于碳納米管、碳納米纖維、金屬、金屬氧化物、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種的納米棒/納米線的組。本發明優先選擇的另一種X射線源，其脈沖發生頻率范圍為0. ΙΚΗζ-ΙΟΟΚΗζ。控制器控制X射線源順序地發脈沖。其采用根據從傳感器信息、手動輸入或初始待成像體掃描數據中的至少一個生成的勁椎體積剖面圖的脈沖序列。本發明提供的一種手術用雙模態實時成像系統，包括若干X射線源，沿180°半圓弧間隔設置于掃描架的內側面；
X射線探測器，設置于掃描架，用于接收若干X射線源發出的X射線；若干X射線源按順序以脈沖方式發出X射線，并被X射線探測器所接收，在CT采集期間，生成穿過待成像體界面的連續的X射線掃描帶。本發明提供一種手術用雙模態實時成像方法，使若干沿180°半圓弧間隔設置的X射線源(或由若干X射線源組成的陣列)順序的發生脈沖，以生成穿過待成像體(以手術中的患者為例)的連續的X射線掃描帶；X射線探測器接收X射線，以采集CT掃描數據；將CT掃描數據重建成CT圖像數據。本發明提供的另一種手術用雙模態實時成像方法，使耦合至固定180°圓弧內掃描架的若干個均勻間隔分布的X射線源順序地發生脈沖，以生成穿過待成像體(如患者手術部位)的橫向截面的連續的X射線掃描帶；在耦合至掃描架并由與X射線源呈扇形相對的X射線探測器處接收X射線，以采集CT掃描數據；實時獲取患者手術部位正位和兩側側位圖像，同時通過所有X射線源來重建軸位斷層圖像。X射線源的脈沖序列是根據待成像體(如患者手術部位)剖面圖確定的，或通過期望的圖像分辨率確定的。待成像體剖面圖由一個或多個傳感器、手動輸入或待成像體的掃描的初始部分確定。本發明還提供一種計算機可讀介質或處理器，載有軟件以實施用于執行本發明提供的手術用雙模態實時成像方法的指令。本發明技術方案實現的有益效果本發明提供的手術用雙模態實時成像裝置、系統或方法，使用若干固定180°圓弧內的X射線源，通過程序控制，能瞬間開啟或關閉，無需預熱，從而有效增加了數據采集速度。多個X射線源還顯著降低了對患者的輻射劑量，減少了 X射線對患者的損害。本發明采用固定的掃描架，不需要旋轉掃描架，結合使用小型探測器，特別是平板探測器，減少了裝置或系統的成本和總重量。本發明還實現了掃描過程的可改進的運動校正。


圖1為本發明提供的一種用于手術的雙模態實時成像系統圖解說明；圖2為本發明提供的一種場致發射X射線發射器的重疊視場的系統圖解說明。
具體實施例方式以下結合附圖詳細描述本發明的技術方案。本發明實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍中。以下本發明各個實施例所描述的系統和方法通過提供多個小的場致發射X射線源，進行雙模態術中實時成像，其中多個小的X射線源分布在圍繞與平板探測器正對的固定180°半圓弧掃描架的弧內側面中。圖1為一種用于手術雙模態實時成像系統，該成像系統由硬件和軟件組成。成像系統1包括用于承載受試者的支架9 (如工作臺或躺椅)，支架9可選擇性地上下移動并沿著工作臺的軸定位，以將正在被成像或檢查的受試者定位在期望的高度和縱向位置處，例如從患者5的手術部位頸椎7以成像系統的縱軸為中心。工作臺包括托盤8，該托盤8可平行于穿過固定圓弧掃描架的縱軸而移動，從而可以將患者的手術部位平移到成像系統的視場(FOV)中以便由探測器6以及任選地由諸如具有電子發射器(未示出)的場致發射X射線源2的多個X射線源和平板CT進行成像。所探測的患者圖像數據(如CT數據)由工作站(未示出)接收，該工作站包括用于執行圖像重建的合適的硬件和軟件等，以生成用于由操作者在用戶界面14上查看的圖像。系統還包括數據存儲器10，該數據存儲器耦合至掃描架3，存儲原始圖像數據(如CT數據)。數據存儲器耦合至重建處理器11，該重建處理器重建所掃描的手術部位頸椎7的圖像體積表示。在一個實施例中，重建處理器11重建多個圖像體積表示(如CT數據)。然后，采用CT圖像體積數據來校正核圖像體積數據中的衰減，CT圖像體積數據單獨地顯示。然后，將體積圖像數據存儲在體積圖像存儲器12中，圖像體積處理器12采用CT圖像體積數據，以生成用于校正圖像體積數據中衰減圖。然后，在用戶界面14上對操作者呈現經校正的圖像體積。另外，在用戶界面上顯示CT圖像體積。用戶界面14還耦合至控制處埋器15，該控制處埋器根據CT采集期間的期望的或預定的脈沖模式而激活場致發射X射線源2。此外，例如，當患者手術部位的橫截面足夠小從而需要使用較少發射源，以利用固定圓弧上掃描架的射線源陣列切換來進行CT數據采集，例如頭掃描時，控制處理器可以在所有X射線源中選擇性地交替。患者手術部位體積的測定可以是諸如通過采用一個或多個傳感器(未示出)而自動的，或者可以是用戶輸入的(如使用用戶界面等)。在另一實施例中，患者手術部位體積可以基于手術部位的CT掃描的初始部分，從而提供脈沖模式的實時優化。X射線源2所橫跨的弧是足夠的，從而由平板探測器接收的來自多個源的X射線橫跨患者的整個最大橫截面尺寸(例如，患者的頸椎、小腿踝關節等)。更具體地說，在源2中采用小型固定場致發射X射線管，該場致發射X射線管在室溫下就能夠瞬間開啟和關閉，因此比較大的常規熱電子發射(工作溫度大于1000攝氏度)管要求少得多的冷卻系統。X射線管上的場致發射器(未示出)具有快速的切換速率(如以微秒的數量級)，激活的X射線管能夠快速掃描。還注意到，由于一次只有一個X射線管為開，因而每個X射線管只有在總X射線時間的一部分期間為開。例如在具有21個X射線管的系統中，每個X射線管僅在總X射線照射周期的1/21期間為開，這使相應的X射線源的冷卻簡化。然而，還將意識到，盡管圖1描繪了有限個場致發射X射源2，但可以采用任何適當的數量的場致發射源。場致發射X射線無需均勻地覆蓋患者軀干。更確切地說，作為一般主張，X射線通量越大，可以重建的圖像質量越高。由于患者手術部位典型地定位在固定圓弧中心，因此有利的是，穿過被成像的患者手術部位的中心的X射線密度比周邊更高。這在使患者輻射劑量最小化的同時避免截斷。另外，可以根據患者或者被成像的身體部分的尺寸選擇性地激活X射線源。例如在掃描大型或成人患者時，可以激活全部源，然而，在掃描小型或小兒患者和成人頭部等期間，可以激活中心源，而兩個側部源保持不激活；或者，在需要掃描患者側位時，中心源不激活。每個X射線源相應的源順序的發脈沖生成連續的X射線掃描帶。同時，相應的X射線源具有降低的占空比，這相對于常規的系統而改進系統的冷卻特性。在另一實施例中，相應的X射線源交替地(如相隔l_2mm)發脈沖，這降低了局部陽極溫度并且進一步改進系統的冷卻特性。系統1具有優于常規的CT成像系統的若干個優點，例如系統1通過從180°的CT軌道而不是360°的CT軌道重建衰減圖來改進體積圖像數據采集速度。由于來自不同的X射線源2的扇形或錐形束投影的大量重疊而改進運動校正，這允許對在不同的時間測量的透射投影的運動校正，如呼吸運動校正。因為可以取決于患者尺寸和掃描架幾何結構而選擇實際上使用的X射線源的數量，本發明系統1還適于不同個體的患者。在圖1的示例中，對于小型患者，可以使用靠中心的X射線源代替全部源。系統1的另一優點是其降低對患者的輻射劑量，通過合適地選擇成像時間或每次掃描激活的X射線源的數量，可以取決于應用而選擇系統所獲得的圖像質量，如僅用于衰減校正或高質量圖像配準。通過針對一個或多個X射線源選擇更高的輻射劑量，可以產生身體的特別選取的部分的高質量CT圖像，從而以更好的信噪比或更高的計數率重建與診斷有關的身體的器官或部分，而無高得多的患者劑量。沿軸向方向延伸至大量源避免在錐形束成像中重疊并且允許總劑量減少。圖2顯示場致發射X射線源2的重疊的視場的系統的圖解說明。使用多個小型場致發射X射線源代替一個標準的X射線或CT源降低對患者的X射線劑量和相應的場致發射X射線管的冷卻時間。在每個X射線幀期間將X射線源2接通很短的時間，從而使作為結果的扇形束或錐形束交錯。在180°固定圓弧期間，作為結果的數據可以覆蓋患者手術部位橫截面，從而避免截斷或針對透射測量使用360°軌道的需要。若干個液冷式X射線管的放置受到掃描架處的空間限制的阻礙。另外，液冷式管的移動很復雜且相當昂貴。對該問題的有效的解決方案是固定場致發射X射線源的布置，尤其是圖2中所圖解說明的場致發射X射線源2 (如CNT場發射器)的布置，該布置包括若干個具有以順序的方式切換的固定陽極靶的小型場致發射X射線管的放置。與固定圓弧陽極X射線管相比，由于若干個X射線源上的劑量分布并且由于更長的成像時間，對這些X射線源的每個X射線源中的陽極電流的要求顯著地降低。這繼而允許不具有液冷系統的小型固定陽極源的應用，以避免大量熱負荷。快速切換的場致發射源的開啟允許這樣的場致發射X射線源的緊湊的設計。該布置的一個優點是X射線源可瞬間切換，具有微秒范圍內的X射線脈沖，從而若干個場致發射X射線源2與探測器采集序列的同步成為可能。以靈活的方式對X射線脈沖的序列進行編程，并且X射線源的數量和序列的選取可以適合于具體的成像要求。另外，可以單獨地對從每個單源發射的劑量進行編程，并且由于每個X射線源具有很短的脈沖時間而減少移動偽影。利用多脈沖和精確的觸發編程可以滿足更高的劑量要求。在另一實施例中，采集隨著時間的推移的具有若干個投影的運動圖可以給出另外的校正信息。在任何種類的計算機斷層攝影系統中都可以采用系統1，其中，視場由于諸如平板探測器2的小型X射線探測器而受限。可以采用系統1用于體積成像，例如使用諸如平板探測器來執行的計算機斷層攝影。
權利要求
1.一種手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于包括掃描架，固定于CT儀；若干X射線源，沿180°半圓弧間隔設置于所述掃描架內側面；控制器，與所述X射線源耦合，而對所述X射線源進行控制；X射線探測器，設置于所述掃描架，用于接收所述X射線源發出的X射線；CT圖像重建器，用于接收來自所述X射線探測器的CT掃描數據，并重建CT圖像；所述X射線源和所述X射線探測器在所述掃描架上面對面設置。
2.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于在所述控制器控制下，所述X射線源順序發出脈沖，所述X射線探測器接收透過待成像體的X射線，生成橫過所述待成像體橫截面的連續的X射線掃描帶。
3.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述X射線源數量至少為3個。
4.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述X射線源數量大于20個。
5.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述X射線源將錐形X射線束定向到所述X射線探測器。
6.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述X射線源為場致發射X射線管，其陰極材料為一維納米材料。
7.根據權利要求6所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述一維納米材料選自于碳納米管、碳納米纖維、金屬、金屬氧化物、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種的納米棒或納米線的組。
8.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述各個X射線源的脈沖發生頻率范圍為0. ΙΚΗζ-ΙΟΟΚΗζ。
9.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述若干X射線源組成一個陣列，以大于待成像體部位最大橫截面的跨度橫跨，以獲取圖像。
10.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述X射線探測器具有相當于待成像體最大橫截面跨度百分之六十的寬度。
11.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述射線探測器為電荷耦合裝置。
12.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述電荷耦合裝置為CMOS或CCD裝置。
13.根據權利要求1所述的手術用雙模態實時成像裝置，其特征在于所述控制器采用根據從傳感器信息、手動輸入或初始待成像體掃描數據中的至少一個生成的頸椎體積剖面圖的脈沖序列。
14.一種手術用雙模態實時成像系統，其特征在于包括若干X射線源，沿180°半圓弧間隔設置于掃描架內側面；X射線探測器，設置于所述掃描架，用于接收若干所述X射線源發出的X射線；若干X射線源按順序以脈沖方式發出X射線，并被X射線探測器所接收，在CT采集期間，生成穿過待成像體界面的連續的X射線掃描帶。
15.一種手術用雙模態實時成像方法，其特征在于使若干沿180°半圓弧間隔設置的X射線源順序的發生脈沖，以生成穿過待成像體的連續的X射線掃描帶；X射線探測器接收X射線，以采集CT掃描數據；將CT掃描數據重建成CT圖像數據。
16.一種手術用雙模態實時成像方法，其特征在于使耦合至固定180°圓弧內掃描架的若干個均勻間隔分布的X射線源順序地發生脈沖，以生成穿過待成像體的橫向截面的連續的X射線掃描帶；在耦合至掃描架并由與X射線源呈扇形相對的X射線探測器處接收X射線，以采集CT掃描數據；實時獲取患者手術部位正位和兩側側位圖像，同時通過所有X射線源來重建軸位斷層圖像。
17.根據權利要求16所述的手術用雙模態實時成像方法，其特征在于所述X射線源的脈沖序列是根據待成像體剖面的。
18.根據權利要求17所述的手術用雙模態實時成像方法，其特征在于所述待成像體剖面圖由一個或多個傳感器、手動輸入或待成像體的掃描的初始部分確定。
19.一種計算機可讀介質或處理器，其載有軟件以實施用于執行如權利要求16所述的方法的指令。
全文摘要
一種手術用雙模態實時成像裝置或系統，包括由三個及以上X射線源組成的陣列，該X射線源陣列沿著固定圓弧掃描架間隔分布，固定掃描架橫跨大于要待成像體截面的最大橫截面跨度，以預定的頻率電切換X射線源陣列以可編程的序列發射X射線，以便掃描待成像體(如患者手術部位)的截面。X射線源陣列在180°圓弧內從不同的角度來成像患者手術部位，在X射線探測器處接收橫過患者的X射線，而不移動患者，實時獲取患者手術部位正位和側位圖像，同時通過所有角度場致發射X射線源來重建軸位斷層圖像。
文檔編號A61B6/03GK102551783SQ20121003521
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月16日 優先權日2012年2月16日
發明者劉瑞, 李丁, 楊浩, 鄧敏 申請人:劉瑞, 李丁, 楊浩, 鄧敏