专利名称：X射线计算机化断层摄影扫描仪产生呼吸门控信号的方法通常利用X射线计算机化断层摄影扫描仪的生物体内(in-vivo)实验中，安装相互对视的X射线照射器和X射线探测器的机架(gantry)，在布置X射线照射器和X射线探测器之间的扫描床(couch)上，在麻酔状态下进行呼吸运动的实验动物为中心，进行360° 旋转期间完成拍摄，获取实验动物的断层影像。如上所述，X射线计算机化断层摄影扫描仪拍摄实验动物期间，根据实验动物呼吸运动出现实验动物移动，则造成所获断层影像的运动伪影(motion artifact)。作为參考，运动伪影是在影像中不清晰且模糊显现的阴影。此类断层影像的运动伪影是降低X射线计算机化断层摄影扫描仪空间分辨率(Special resolution)和信噪比(SNR ;Signal to Noise Ratio)的主要原因，为了限制此类运动伪影，介绍有防止实验动物移动的呼吸麻酔方法和针对实验动物呼吸停止时开始拍摄获取断层影像呼吸门控方法。所述呼吸门控方法，介绍有实验进行期间为了使实验动物移动安静进行麻酔，再利用人工呼吸装置(ventilator)強行调节呼吸周期并与该呼吸周期同步使其开始拍摄的产生呼吸门控信号的方法；以及仅调整麻酔量延缓实验动物原本呼吸周期状态下，利用安装在腹部或胸部的空气压カ传感器检测呼吸周期并与呼吸周期同步完成拍摄的产生呼吸门控信号的方法等。
要解决的问题如上所述，利用人工呼吸装置强行调整实验动物呼吸周期的呼吸门控方法，经常出现实验动物紧张而导致拍摄期间实验动物状态恶化甚至实验动物死亡的情况，致使实验结果不良或失败。而且，如上所述仅调整麻醉量延缓实验动物原本呼吸周期的呼吸门控方法，需要在实验动物腹部或胸部另外安装空气压カ传感器，不仅繁琐且为检测呼吸变化量连接至空气压カ传感器的电线干涉拍摄而显现在断层影像等缺点。有鉴于此，本发明的主要目的在于提供ー种X射线计算机化断层摄影扫描仪产生呼吸门控信号的方法，具体而言在固定于旋转机架的X射线照射器和X射线探测器之间配备的扫描床上，将以麻酔状态进行呼吸运动的实验动物进行固定后，用摄像机拍摄腹部或胸部并从其拍摄影像获得实验动物反复吸气和呼气的呼吸周期，在所获呼吸周期基础上测量和显示调整麻酔量所需的呼吸数(例如，每分钟呼吸数)，待判断呼吸运动停止时同步，产生使其执行拍摄的呼吸门控信号。本发明的技术解决方案在于为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的。 本发明所涉及的X射线断层摄影扫描仪产生呼吸门控信号的方法，其特征在干，包括固定在扫描床上方的摄像机实时拍摄以麻醉状态固定在扫描床上进行呼吸运动的实验动物腹部或胸部的第一过程；呼吸影像显示装置将摄像机(160)实施拍摄的影像转换为数字影像后用画面显示的第二过程；在所述呼吸影像显示器显示画面中由用户按照特定大小选择的窗ロ影像时间变化，呼吸影像处理装置生成位置位移数据的第三过程；以及呼吸识别装置从所述呼吸影像处理装置中生成的随着时间变化的位置位移数据中获取实验动物呼吸周期，并以获得的呼吸周期为依据測定和显示调整麻酔量所需的呼吸数，待判定呼吸运动停止时同歩，在与X射线照射器相互对视布置状态下，所述X射线照射器进行照射并检测透过实验动物的X射线以获取断层影像，产生使X射线探测器执行拍摄的呼吸门控信号的第四过程组成。本发明涉及的X射线断层摄影扫描仪产生呼吸门控信号的方法，其特点在于，在第三过程中所述呼吸影像处理装置随着时间变化，以当前窗ロ影像中心坐标和之前窗ロ影像中心坐标为基准，推算当前窗ロ影像和之前窗ロ影像的移动矢量，用之前窗ロ影像位置校正为当前窗ロ影像位置，在校正位置用位置位移数据求得显示当前窗ロ影像和之前窗ロ影像相似度的正规交叉相关系数(NCC formalized Cross Correlation)后,传送给所述呼吸识别装置。本发明涉及的X射线断层摄影扫描仪产生呼吸门控信号的方法，其特点在于，所述第四过程中，某个正规交叉相关系数(NCC)根据所述呼吸影像处理装置求得的时间变化发生急剧变化，出现当前窗ロ影像和之前窗ロ影像相似度显现较低时点，另ー个正规交叉相关系数(NCC)发生急剧变化出现当前窗ロ影像和之前窗ロ影像相似度显现较低时点，所述呼吸识别装置获取两个较低时点二者之间的时间作为实验动物呼吸周期。本发明涉及的X射线断层摄影扫描仪产生呼吸门控信号的方法，其特点在于，所述第四过程中，所述呼吸识别装置以所述呼吸周期为依据，測定并显示调整麻酔量所需的呼吸数，判定呼吸运动在所述某个正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点和另ー个正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点的时间内停止，在该呼吸运动停止时间中，从所述正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点起延迟用户指定的特定时间后进行同步，产生使所述X射线探測器拍摄的呼吸门控信号。本发明的技术效果在于本发明利用自动检测麻醉状态下进行呼吸运动的实验动物呼吸周期結果，测定并显示调整麻酔量所需的呼吸数，待判定呼吸运动已停止时同步，产生使其执行拍摄的呼吸门控信号，因此相对利用人工呼吸装置強制调节实验动物呼吸周期的呼吸门控方法或只凭麻醉量调整延迟实验动物原本呼吸周期的呼吸门控方法而言，能够获得空间分辨率和信噪比相对更加优秀的实验动物断层影像。图I是显示本发明X射线断层摄影扫描仪配置的实施例。图2是显示图I中摄像机固定在扫描床上方并拍摄麻醉状态下进行呼吸运动的实验动物腹部或胸部的状态的实施例。图3是显示本发明提供的X射线断层摄影扫描仪产生呼吸门控信号方法的实施例。图I是显示本发明X射线断层摄影扫描仪配置的实施例，图2是显示图I中摄像机固定在扫描床上方并拍摄麻醉状态下进行呼吸运动的实验动物腹部或胸部的状态的实施例。參照图I及图2，X射线照射器(110)照射断层影像摄影用X射线。X射线探测器(120)在与所述X射线照射器(110)相互对视布置状态下，检测被输入呼吸门控信号进行拍摄且经所述X射线照射器(110)照射而透过实验动物的X射线，获取断层影像并输出拍摄完成信号。扫描床(130)位于所述X射线照射器(110)和X射线探测器(120)之间，用以固定麻酔状态下进行呼吸运动的实验动物。机架(140 )上端固定有所述X射线照射器(110 )、下端有所述X射线探测器(120 )，并由支撑架(141)进行支撑。机架马达(150)以可旋转固定在所述机架(140)上端和下端之间中央部位的旋转轴(151)为中心，在毎次被输入所述拍摄完成信号时，根据规定旋转角度旋转所述机架(140)。摄像机(160)固定在所述扫描床(130)—端，拍摄麻醉状态固定在所述扫描床(130)上方进行呼吸运动的实验动物腹部或胸部，优先地至少可以毎秒拍摄实验动物腹部或胸部30帧以上。所述摄像机(160)优先地采用配备红外线(IR) LED照明装置的CXD摄像机等。扫描床支撑架(170)由电动马达(M)左右往返移送用于固定安装所述摄像机(160)的扫描床(130)的床板(171 )，将扫描床(130)送至位于所述X射线照射器(110)和X射线探测器(120)之间机架旋转中心，或将所述X射线照射器(110)和X射线探测器(120)之间扫描床(130)送还至原点位置以便更换试件(例如，实验动物)。所述扫描床支撑架(170)的床板(171)如图I所示通过电动马达(M)左右往返移送的结构，可以采用滚珠螺杆或LM导杆等的往返移送结构等，该行业水平下可轻易、多种方式体现，因此省略具体说明。呼吸影像显示装置(180)将固定在扫描床(130)上方实时拍摄以麻醉状态固定在扫描床上进行呼吸运动的实验动物腹部或胸部的摄像机(160)拍摄的影像转换为数字影像后用画面显示。所述呼吸影像处理装置(190)生成根据用户在影像显示器(180)中的使用者按照特定大小选择窗ロ影像时间变化的位置位移数据。
所述呼吸影像处理装置(190)随着时间变化以当前窗ロ影像中心坐标和之前窗ロ影像中心坐标为基准，推算当前窗ロ影像和之前窗ロ影像的移动矢量，用之前窗ロ影像位置校正为当前窗ロ影像位置，在校正位置用位置位移数据求得显示当前窗ロ影像和之前窗ロ影像相似度的正规交叉相关系数(NCC formalized Cross Correlation)后,传送给所述呼吸识别装置(190a)。所述呼吸影像处理装置(190)以当前窗ロ影像中心坐标和之前窗ロ影像中心坐标为基准，推算当前窗ロ影像和之前窗ロ影像的移动矢量，并用之前窗ロ影像位置校正当前窗ロ影像位置的方法，可以采用实验动物影 像中提取与大小无关的局部特征并以该特征推算、校正移动的SIFT (Scale Invariant Feature Transform)方法等，SIFT方法以该行业水平较易理解，因此省略具体说明。呼吸识别装置(190a)从所述呼吸影像处理装置(190)中生成的随着时间变化的位置位移数据中获取实验动物呼吸周期，并以获得的呼吸周期为依据測定和显示调整麻酔量所需的呼吸数，待判定呼吸运动停止时同步，产生使X射线探测器(120)执行拍摄的呼吸
门控信号。所述呼吸识别装置(190a)利用下列数学公式求得显示当前窗ロ影像和之前窗ロ影像相似度的正规交叉相关系数(NCC)。数学公式I
i+Z j+K
X, F(m,n)*G(m+v9n+d)NCC(i,j，d,v)=............j................................昏.......生......................j.............^...................ヌ...................................................................................................................
y 2-1 Σ F2(m,n)*jG2(m ! \ιι I d)
V m i-L n J-KJ tti i-L h j-K(这里，NCC(i、j、d、v)是以(i、j)和(d、v)为中心的、大小为K和L的当前窗ロ影像(F)和之前窗ロ影像(G)们的正规交叉相关系数，拥有-I和I之间值，越接近‘I’说明两个窗ロ影像相似度越高，越接近‘O’则说明两个窗ロ影像相似度越低，F (m、n)指当前窗ロ影像(F)的(m、η)位置亮度，G (m+v、n+d)指之前窗ロ影像(G)的(m+v、n+d)位置的亮
度。)所述呼吸识别装置(190a)根据所述呼吸影像处理装置(190)求得的随着时间变化发生急剧变化而导致当前窗ロ影像和之前窗ロ影像相似度显现较低时点、以及另ー个正规交叉相关系数(NCC)发生急剧变化导致当前窗ロ影像和之前窗ロ影像相似度显现较低时点的间距时间作为实验动物呼吸周期。所述呼吸识别装置(190a)以所述呼吸周期为依据，測定并显示调整麻酔量所需的呼吸数，判定呼吸运动在所述某个正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点和另ー个正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点的时间内停止，在该呼吸运动停止时间中，从所述正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点起延迟用户指定的特定时间后进行同步，产生使所述X射线探測器(120)执行拍摄的呼吸门控信号。如上所述，本发明提供之X射线断层摄影扫描仪(100)应用的呼吸门控信号产生方法按以下方式完成。
首先，固定在扫描床(130)上方的摄像机(160)实时拍摄以麻醉状态固定在扫描床上进行呼吸运动的实验动物腹部或胸部(SlOO )。该过程中，用户将固定所述摄像机(160)的扫描床(130)按图I的A方向移送，在开始对所述扫描床支撑架(170)床板(171)进行拍摄以前防止X射线照射到实验动物。用户在所述X射线照射器(110)和X射线探测器(120)之间为了更换试件送还到原点位置状态下，在所述扫描床(130)上固定以预麻酔状态下进行呼吸运动的实验动物。接着，用户运行所述摄像机(160)，所述摄像机(160)至少以每秒30帧以上实时拍摄固定在所述扫描床(130)上方且以预麻酔状态下进行呼吸运动的实验动物腹部或胸部，并传送到所述呼吸影像显示装置(180)，继而所述呼吸影像显示装置(180)将所述摄像机(160)实时拍摄的影像转换为数字影像后显示在画面上(S110)。接着，所述呼吸影像处理装置(190)针对用户在所述呼吸影像显示器(180)显示画面中按特定大小选择的窗ロ影像，生成随时间变化的位置位移数据(S120)。 作为參考，用户适合按照特定大小选择包括实验动物腹部或胸部的窗ロ影像。例如为了方便查看窗ロ影像的位置变化，在实验动物腹部或胸部特定点(例如，肚脐部位、腹部或胸部中央部位等)用笔或墨水标识简单的点后，再按特定大小选择标识点作为中心坐标的窗ロ影像，将有助于推算需要校正的移动矢量。此时，所述呼吸影像处理装置(190)随着时间变化以当前窗ロ影像中心坐标和之前窗ロ影像中心坐标为基准，推算当前窗ロ影像和之前窗ロ影像的移动矢量，用之前窗ロ影像位置校正为当前窗ロ影像位置，在校正位置用位置位移数据求得显示当前窗ロ影像和之前窗ロ影像相似度的正规交叉相关系数(NCC :Normalized Cross Correlation)后,传送至所述呼吸识别装置(190a)。例如，所述呼吸影像处理装置(190)如前述数学公式I中提到的一祥，以(i、j)作为中心的大小为K的当前窗ロ影像(F)和以(d、v)作为中心的大小为L的之前窗ロ影像(G)的中心坐标作为基准，推算当前窗ロ影像(F)和之前窗ロ影像(G)的移动矢量，把之前窗ロ影像(G)的位置校正为当前窗ロ影像(F)。此时，如果实验动物呼吸运动已经停止，在校正位置上显示当前窗ロ影像(F)和之前窗ロ影像(G)相似度的正规交叉相关系数(NCC)将会出现相同或类似的值，例如显示大概接近‘I’的值，这说明两个影像相似度很高。与此相反，如果实验动物呼吸运动正在进行，在校正的位置上显示当前窗ロ影像(F)和之前窗ロ影像(G)相似度的正规交叉相关系数(NCC)将会以急剧差异显示不同值，例如例如显示大概接近‘0’的值，这说明两个影像相似度很低。如上所述，所述呼吸影像处理装置(190)生成随着时间变化的位置位移数据(S120)后，最終由所述呼吸识别装置(190a)根据所述呼吸影像处理装置(190)生成的随着时间变化的位置位移数据获得实验动物的呼吸周期，以所获呼吸周期为依据測定、显示调整麻酔量所需的呼吸数，在判断呼吸运动停止时同步，并检测出与X射线照射器(110)相视布置状态下被所述X射线照射器(110)照射而透过实验动物的X射线，产生呼吸门控信号使获取断层影像的X射线探测器(120)完成拍摄(S130)。某个正规交叉相关系数(NCC)根据所述呼吸影像处理装置(190)求得的时间变化发生急剧变化出现当前窗ロ影像和之前窗ロ影像相似度显现较低时点，另ー个正规交叉相关系数(NCC)发生急剧变化出现当前窗ロ影像和之前窗ロ影像相似度显现较低时点，所述呼吸识别装置(190a)获取两个较低时点二者之间的时间作为实验动物呼吸周期。此时，用户以当前显示呼吸数为依据，调整麻酔量至最适合拍摄实验动物断层影像的呼吸数(例如，每分钟20 30次)为止。如上所述，调整麻酔量后，所述呼 吸识别装置(190a)显示最适合拍摄实验动物断层影像的呼吸数(例如，每分钟20 30次)，同时判定呼吸运动在所述某个正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点和另ー个正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点的时间内停止，在该呼吸运动停止时间中，从所述正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点起延迟用户指定的特定时间后进行同步，产生使所述X射线探测器(120)执行拍摄的呼吸门控信号。即与实验动物呼吸周期同步，在实验动物呼吸运动停止时产生呼吸门控信号。此时，用户可以观察所述呼吸识别装置(190a)显示的最适合拍摄实验动物断层影像的呼吸数(例如，每分钟20 30次)同时设置延迟时间，例如属于前述某个正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点和另ー个正规交叉相关系数(NCC)急剧变化时点之间时间范围，所述某个正规交叉相关系数(NCC)，即前者正规交叉相关系数(NCC)发生急剧变化时点起，延迟特定时间产生所述呼吸门控信号，由此所述呼吸识别装置(190a)在用户设置的延迟时间里同步后产生所述呼吸门控信号。之后，用户把所述扫描床支撑架(170)的床板(171)移送至图I的B方向，以便X射线在开始拍摄时照射到实验动物，即，在位于所述X射线照射器(110)和X射线探测器(120)之间机架旋转中心状态下，运行所述X射线照射器(110)和X射线探测器(120)。此时，所述呼吸识别装置(190a)与实验动物呼吸周期同步而产生的呼吸门控信号被输入到所述X射线探测器(120)后，所述X射线探测器(120)检测经过拍摄被所述X射线照射器(110)照射而透过实验动物的X射线，从而获得断层影像，接着输出拍摄完成信号传送给所述机架马达(150)。所述机架马达(150)按照旋转角度(例如，O. 7° 1° )旋转所述机架(140)后，等待下一次拍摄完成信号的输入。之后，所述机架马达(150)在每次被输入所述拍摄完成信号时均按照规定旋转角度(例如，0.7° 1° )旋转所述机架(140)，在完成旋转状态下等待所述X射线照射器(110)获得断层影像后输出的拍摄完成信号的输入。如上所述，机架马达(150)按照规定旋转角度旋转所述机架(140)的过程完成至360°后，用户停止所述X射线照射器(110)和X射线探测器(120)运行，将所述扫描床支撑架(170 )的床板(171)移送至图I的A方向，使其脱离所述X射线照射器(110 )和X射线探测器(120)之间，再解开固定在所述扫描床(130)的实验动物，完成实验动物断层影像获取工作。以上所述的本发明提供的X射线断层摄影扫描仪产生呼吸门控信号的方法，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，本发明技术精神在没有脱离下面所述权利要求范围要点下，延伸至本领域技术人员均可进行多种变更实施的范围为止。


本发明公开了一种X射线断层摄影扫描仪的呼吸门控信号产生方法，具体而言，在固定于旋转机架的X射线照射器和X射线探测器之间配备的扫描床上，将以麻醉状态进行呼吸运动的实验动物进行固定后，用摄像机拍摄腹部或胸部并从其拍摄影像获得实验动物反复吸气和呼气的呼吸周期，在所获呼吸周期基础上测定和显示调整麻醉量所需的呼吸数(例如，每分钟呼吸数)，待判断呼吸运动停止时同步，产生使其执行拍摄的呼吸门控信号。本发明利用自动检测麻醉状态下进行呼吸运动的实验动物呼吸周期结果，测定并显示调整麻醉量所需的呼吸数，待判定呼吸运动已停止时同步，产生使其执行拍摄的呼吸门控信号，因此相对利用人工呼吸装置强制调节实验动物呼吸周期的呼吸门控方法或只凭麻醉量调整延迟实验动物原本呼吸周期的呼吸门控方法而言，能够获得空间分辨率和信噪比相对更加优秀的实验动物断层影像。