专利名称：X射线成象系统中自动确定自动亮度系统采样窗口大小和位置的方法和装置的制作方法背景1.发明领域本发明一般涉及X射线成象装置。更具体地，本发明涉及在使用自动亮度控制采样窗口的闭环成象系统中的自动亮度控制。2.本领域现状X射线成象系统是众所周知的医疗诊断和插入工具。在高压发生器向X射线管提供电源时产生X射线。一个电路通过加热该管的丝极而为该管的X射线辐照作准备。第二电路产生高压电势，用于在X射线管内加速从丝极(或阴极)向阳极发射的X射线。X射线管内的丝极是盘绕的钨丝，当被电流加热时钨丝发射电子。这是低电压电路。加热丝极只需要相对较小的功率，并且丝极电流中小的变化导致X射线管电流大的变化。从丝极发射的电子被聚焦在钨靶(阳极)中的点上。当电子因突然减速而在钨阳极内相互作用时产生X射线光子。调整钨靶表面的角度，使X射线向着X射线管输出窗口的方向反射。为了理解高压发生器控制与其对X射线束穿透率及随后的诊断图象质量的影响之间的关系，关键在于记住X射线束的强度随着施加到管上的千伏电势(kVp)和管电流(mA)而变化。所产生的X射线光子的质量和强度几乎完全取决于kVp。由于曝露在辐射下是有害的，因此所有实际使用的方法都降低辐照到患者的X射线。一种方法是用会部分或完全吸收X射线的材料使X射线束准直。正确的束准直通过禁止不衰减(不受阻碍)的X射线光子到达图象增强器也有助于视频成象系统。不同的临床程序具有各自的束准直要求。最普通的系统使用固定的、可调整的叶片和可调整的光圈(iris)组合准直。系统还可使用具有独立的电动控制和位置反馈的光圈和叶片准直仪。在检查患者的过程中，当X射线光子穿过患者并接着通过使用图象增强器管或一些其它的X射线转换器件而被转变成可见光光子(lightphoton)时形成图象。X射线光子在撞击图象增强器的输入表面之前穿过各种质量和成分的组织和材料。X射线会穿透或会被任何位于X射线束路径上的东西吸收。当X射线撞到图象增强器的输入屏时，X射线光子被转变成可见光光子。在光阴极内，可见光光子被转变成电子并被静电透镜聚焦到输出磷光体上。输出磷光体再次把电子转变成可见光光子，在图象增强器管的输出窗口处图象是可见的。在此阶段，在图象中计算物体的实际大小或尺寸需要以下知识1)图象增强器的大小；2)图象增强器静电透镜的放大率；以及3)所述物体因其到图象增强器管表面的距离而引起的放大率。当图象在图象增强器的输出上显示时，视频照相机捕捉此图象。自动亮度系统(ABS)控制应用程序基于图象亮度统计动态地确定照相机增益、kVp和mA。在ABS采样窗口内的峰值亮度和区域平均亮度在设置ABS控制参数(kVp、mA和照相机增益)时用作常规因数。还应提到，图象增强器也可以是一些其它类型的图象接收器，如平板X射线图象接收器或一些其它的扫描图象X射线接收器。
当患者在检查过程中重新位于X射线束之下时，由于当X射线束穿过不同厚度和密度的身体组织和骨头时X射线束衰减发生变化，因此视频图象的亮度改变。为了补偿这些图象亮度的变化，已发明各种自动亮度补偿系统。
例如，在美国专利4573183中，从视频信号图象的平均亮度得到自动亮度控制。此平均亮度信息用于产生控制照相机的视频增益信号并且产生控制X射线管电源的亮度反馈信号。为了响应亮度反馈信号，X射线管电源产生用于X射线管的偏压和丝极电流，由此调节图象增强管形成的X射线图象的亮度。通过改变视频照相机的增益系数或光圈，也可控制在监视器上得到的图象亮度。相应地，用于自动亮度控制的反馈改变影响图象亮度的X射线发射和照相机增益。此反馈控制可被校正，以产生与患者X射线吸收变化无关且一致的图象显示亮度。从视频增益和来自共有平均亮度值、峰值亮度或图象数值组合的亮度反馈信号得到标准的自动亮度控制。然而，共有亮度反馈信号对这些影响监视器上图象形成的系统参数的控制不够理想。
本领域现状的另一实例在美国专利4703496中描述。此专利清楚地叙述，在每个视频图象区域中图象元素的辉度被取平均，以产生具有与平均图象亮度成正比的电压的信号。
平均亮度值用作反馈信号，以控制X射线管的激励和视频增益，由此维持最佳水平基本不变的视频图象亮度。然而，此系统相对复杂，它利用三个单独的环路来调节管电流、偏压和视频增益。
上述系统复杂且难以维护。相应地，在本领域现状中提供一种便于操作的自动亮度控制系统是有益的，并且此系统应能补偿患者不正确位置、患者体形差别以及躯干到肢端成象迅速变化的影响。
本发明目的及概述本发明的一个目的是提供一种用于在闭环成象系统中进行自动亮度系统(ABS)控制的方法。
另一目的是提供一种用于ABS的方法，此ABS使用采样窗口确定ABS采样区域边界，此方法能补偿当最大的X射线衰减不对准图象中心的情况。
另一目的是提供一种用于使用ABS采样窗口的ABS的方法，此方法能补偿不衰减的X射线光子面积在成象区域内的情况。
另一目的是提供一种用于使用ABS采样窗口的ABS的方法，其中，作为图象内空间灰度分布函数的采样窗口位置是可调整的。
另一目的是提供一种用于使用ABS采样窗口的ABS的方法，其中，作为图象增强器尺寸、图象增强器放大模式以及图象kVp值的函数的采样窗口尺寸是可调整的。
另一目的是提供一种用于使用ABS采样窗口的ABS的方法，其中，作为准直函数的采样窗口的形状是可调整的。
还有一目的是提供一种用于ABS的方法，其中，在图象处理系统中以动态函数执行此方法，由此尽管患者位置不正确、患者体形变化并且躯干到肢端成象迅速变化，也提供最佳的成象。
本发明的优选实施例是用于在使用ABS采样窗口的闭环成象系统中提供自动亮度控制的方法。根据从感兴趣的图象区域内的数据得到的统计信息，调整ABS采样窗口的位置和几何形状。
在本发明的第一方面中，ABS采样窗口根据图象内空间灰度分布函数而移动。
在本发明的第二方面中，图象被划分成多个分区，其中，分析每个分区以确定对于ABS最有用的采样区域而不是确定图象的中心。
在本发明的第三方面中，考虑准直对图象的侵占。
在本发明的第四方面中，根据kVp、图象增强器的尺寸和放大模式调整ABS采样窗口的尺寸。
在本发明的第五方面中，通过在算法中增加瞬时取平均而减缓ABS采样窗口的移动。
在本发明的第六方面中，为灰度值设置阀值由此限制极值对算法的影响。
从以下结合附图而进行的详细描述中，本发明的这些和其它目的、特征、优点和替代方面对于本领域中技术人员是显而易见的。
图2示出常规ABS采样窗口，此窗口直接对准诊断X射线图象的中心。
图3示出根据本发明的ABS采样窗口在已移动和确定尺寸后的状况。
图4示出被划分成两个横跨X坐标轴的分区的感兴趣区域。
图5示出被划分成两个横跨Y坐标轴的分区的感兴趣区域。
图6是

图1图象的正视图，其中ROI现在被划分。
图7示出划分成象限的感兴趣区域，这些象限基于准直而被剪切。
图8是综述本发明优选实施例步骤的流程图。
图9示出在临床图象的模拟测试中系统是如何体现的。
图10为示出代入公式1、2和3中的值与所得到的偏移X和Y的表格。
图11为X射线系统的示意图，此系统具有改变ABS采样窗口尺寸、位置和形状的调整单元。
本发明详述现在参照附图，对本发明的各种元件分配数字编号，并且讨论本发明以使本领域中技术人员能实施和使用本发明。应理解，以下仅仅是本发明原理的示例性描述并且不应视为是对后附权利要求的限制。
在对优选实施例进行详细描述之前，对本发明作个综述是有帮助的。相应地观察到，本发明有利地提供一种利用ABS采样窗口的自动亮度系统(ABS)。在图象中定义ABS采样窗口的两个特性为1)窗口位置；和2)窗口几何形状。
通过比较感兴趣分区的图象区域的平均灰度值来确定ABS采样窗口的位置。基于kVp和图象增强器的尺寸和放大率调整ABS采样窗口的尺寸。进一步地，ABS采样窗口的形状也基于ABS采样窗口的准直来调整。
本发明的优选实施例提供用于闭环成象系统中的ABS。本方法提供操作ABS采样窗口的动态ABS功能，由此提高成象系统提供最佳成象的能力。通过使本系统自动化，所产生的图象具有更好的诊断信息。
图1是视频图象10的正视图。感兴趣区域的尺寸(ROISize)在圆形空白区域12内建立。在此图中，示出的ROI 14为正方形区域，但如以后将解释地，ROI 14也可以是圆形或其它任意的几何形状。圆形空白区域12外部的区域16包括与将要进行的计算无关的信息。所有有用的信息在圆形空白区域12内示出。ROISize定义一些被检查的象素。
必须了解与图象有关的一些特性，以便理解在本发明中用于确定ABS窗口位置和尺寸的方法。首先，在图象中更暗的区域代表图象中最厚的或最密的组织。在此定义一区域作为大得足以代表明显的解剖学性质或特征的图象区域。
应该理解，在图象中最暗象素的位置对于ABS采样窗口而言不可能是最佳的中心点位置，因为最暗的象素可以是金属修补物或相似的材料。进而，所有无阻碍(非准直)的图象区域的灰度组成提供用于判断ABS采样窗口位置的有用信息。
图2示出临床X射线图象，其中，在腿38中被X射线照射的组织密度最大的区域(如髋关节34)不在图象30的中央。同时示出的ABS采样窗口32使用常规方法在目标图象30内使ABS采样窗口32居中。图2中的ABS采样窗口还包括具有不衰减的X射线光子的区域40。在平均或峰值灰度值计算中包括不衰减的X射线光子产生令人误解的输出。结果，增益或kVp不会增加到足够高的水平，因为ABS系统会相信图象已足够亮了。
图3示出使用本发明方法进行定位的ABS采样窗口36。通过在图象30内在密实的患者组织34上使ABS采样窗口36居中，对图象的灰度范围进行优化。应该指出，根据本发明方法定位的ABS采样窗口36避免捕捉不衰减的X射线光子。重新确定ABS窗口的位置和尺寸也捕捉更密实些的组织区域，以确保采用正确的kVp、mA和增益在正确的动态范围内观察受验组织。换句话说，由于因重新定位而使不衰减的X射线光子面积最小化，因此组织图象不会太暗，并且在确定X射线强度时会考虑患者组织更密实的区域。
现在参照图4，在本发明中用于移动ABS采样窗口的方法比较ABS采样窗口14左半部60的平均灰度值和右半部62的平均灰度值，以确定水平(X轴)偏移。基于此描述还显而易见，左半部或右半部还可与整个图象12相比较，但比较ABS采样窗口的左右两半是更有效的。不考虑全部图象10中先前空白的外部区域16。
图5示出在ABS采样窗口14的上半部64和下半部66之间所作的相同类型的比较，以确定垂直(Y轴)偏移。
为便于描述和执行，本发明的方法计算图象中各象限的平均灰度值，然后结合适当的象限形成一个半区，此半区接着与所有象限平均灰度的总和相比较。在本质上，这与前述一样，比较一个半区和另一个半区。图6是图1中图象10的正视图，其中图象ROI 14被划分成多个象限。被划分的区域Q1、Q2、Q3和Q4定义成其统计信息被用作ABS采样窗口调整的各个区域。重要的是应注意，对于准直而言剪切得是否正确将影响分区形状。然而，分区(或象限)的数量、位置和形状根据具体的执行而改变。
尽管示出的分区Q1、Q2、Q3和Q4在图6中是邻接的，但分区不必是互相接触的。分区可以是互相分隔开，或者甚至是重叠的。比较图象四个象限的平均灰度值提供足够的信息，以对ABS采样窗口作相应的位置调整。如前面所提到的，每个象限不必具有相同的形状或面积。比较每个象限的灰度平均值使它们的统计权重相同，这与每个象限采样的象素比例无关。
在划分后，下一步是确定图象每个分区的平均灰度值。计算图象中任何可选择部分的平均灰度值的方法对于本领域技术人员是熟知的。例如，灰度值可在零(0)到255之间变化，零对应于完全黑的象素而255对应于完全白的象素。表示不衰减的X射线束的象素一般会被分配灰度值255，不衰减的X射线束是因没有患者组织、骨头或其它材料阻碍而得到的。相反，当X射线不能穿透物体时，象素一般被分配给值0。相应地，表示组织、骨头或其它已至少被部分X射线光子穿透的材料的象素被分配给在0-255数值之间的绝对值。本领域中技术人员应该清楚，如果需要可把灰度值扩展到12位、16位或更多。
在确定所有分区的平均灰度值之后，下一步是计算ABS采样窗口的X和Y轴向偏移量。这些偏移量被确定为在分区中的空间灰度分布的函数。
在图6中，ROI 14被划分成四个相同的分区。相应地，本优选方法所用的公式见下式(1)和(2)公式1Xoff＝(ROISize/2)-(ROISize×(Q2％GS+Q4％GS))其中Xoff＝ABS采样窗口的X偏移量ROISize＝ROI中横跨X轴的总象素数Q2％GS＝在第二分区中灰度分布的百分比Q4％GS＝在第四分区中灰度分布的百分比公式2Yoff＝(ROISize/2)-(ROISize×(Q3％GS+Q4％GS))其中Yoff＝作用到ABS采样窗口的Y偏移量ROISize＝ROI中横跨Y轴的总象素数Q3％GS＝在第三分区中灰度分布的百分比Q4％GS＝在第四分区中灰度分布的百分比为计算公式1和2的结果，首先需要计算在分区中灰度分布的百分比。此结果用公式3决定。公式3Q(n)％GS＝Q(n)AverageGS/SumOfQAverages其中Q(n)％GS＝在分区n中灰度分布的百分比Q(n)AverageGS＝在分区n中的平均灰度分布SumOfQAverages＝在1到n的所有分区中平均灰度分布的总和当已确定X偏移量和Y偏移量后，根据偏移量移动ABS采样窗口。基于此描述可看出，也可用Q1得到等效的公式。
在前述实施例中，应注意，图6中的分区Q1、Q2、Q3和Q4都在图象ROI 14的中点汇合。相应地，X偏移和Y偏移可以认为是从图象ROI14的中点或者从沿着图象ROI 14边缘的任意点作用的偏移。得到的结果是相同的。ABS采样窗口会正确地移动。
基于发生器kVp值、图象增强器的尺寸和放大模式确定ABS采样窗口的尺寸。在本发明中已研究kVp和组织结构成象之间的近似关系公式4kVp＝40+(2×以cm为单位的组织厚度)根据在本发明中进行的观察，即大多数组织部分在横向和轴向上具有大致相同的横截面尺寸，确定此近似关系。此关联用于创建ABS采样窗口和kVp之间的关系，在此通过求解下面公式得到ABS采样窗口的尺寸公式5ABS窗口直径(cm)＝(kVp-40)÷2ABS采样窗口直径(如投影到图象接收器或图象增强器表面上的)也与图象增强器的尺寸和放大模式有关，因此图象增强器的模式必须标称化。这可通过在每种情况下把从以上公式计算得到的ABS采样窗口直径除以图象增强器视域直径而实现。
例如，假设kVp值是60kVp，对应于10cm厚的组织厚度并因此对应于组织的近似宽度或高度。另外，对投影到图象增强器上的采样窗口直径计算为10cm或最初为23cm视域图象直径的43％。那么，如果23cm图象增强器(或相似的图象接收器)以14cm放大模式操作，全屏幕的采样窗口百分比就是10/14或71％。因而ABS采样直径应为当前视域图象直径的71％。根据此描述应该认识到，在公式4和5中所用的常数可根据本发明的应用或ABS窗口和kVp之间所希望的的尺寸关系而修改。
由于kVp值用在ABS采样窗口中得到的数据修改，因此，直径范围必须有上限和下限以使ABS采样窗口不会变得不稳定。例如，如果在X射线系统中观察较小的组织部分如患者的手指(如1cm厚)，那么由于尺寸的改变，ABS采样窗口有可能变得如此之小，以致于定位方法实际上会移动ABS窗口掠过手指，因为ABS窗口不知道手指在变暗的分区中。如果ABS采样窗口错过被观察的组织，它就只会捕捉不衰减的X射线光子，因此手指图象会变得更暗和不能使用。上限存在是因为一旦患者的组织超过图象尺寸的一定百分比就没有理由增加ABS采样窗口的尺寸，因为通过增加此尺寸得不到任何好处。例如，如果患者的躯干占满图象，那么增加ABS采样直径超过一定量时就不再会明显地影响kVp。
直径百分比的上限和下限可通过实验确定。优选的直径百分比是下限为图象直径的大约40％并且上限为约70％。此直径限制可根据图象增强器尺寸、图象增强器放大模式和具体的X射线应用而改变。
由于本发明方法的优选实施例比较每个分区内的平均灰度值和所有象限灰度值平均的总和，因此分区不需要具有相同的面积或一致的尺寸。当因准直仪侵占而必需修改ROI(感兴趣区域)时这是有好处的。
光圈和叶片准直仪提供X射线屏障以减少对患者的照射。当准直仪进入图象区域时它们产生黑暗的边界。如果可确定准直仪的位置，在采集平均灰度数据时，应把这些黑暗区域排除在外。图7说明因准直而引起地如何修改分区尺寸。
图8示出本优选实施例的步骤。第一步骤20选择图象ROI和相应的ABS采样窗口。下一步22把图象ROI划分成所需数量、尺寸和形状的分区。步骤24从公式3确定图象ROI每个分区的平均灰度值。步骤26根据在公式1、2和3确定的数值，找到ABS采样窗口的X和Y轴偏移量。步骤28根据在步骤26确定的偏移量移动ABS采样窗口。
步骤30基于发生器kVp值、图象增强器的尺寸和放大模式确定ABS采样窗口的大小。接着在步骤32中，修改采样窗口以计算准直仪对采样区域的侵占。最后在步骤34中，成象系统在ABS采样窗口中进行必要的测量，由此确定用于调节图象亮度的ABS值。这些测量包括在ABS采样窗口内收集统计的图象象素数据。包括峰值和平均象素值的信息用作输入，以确定将在ABS控制逻辑模块内进行的调整。对ABS采样窗口位置、尺寸和形状确定的改进在由X射线系统生成的组织图象内提供更好的灰度值动态范围。由本发明方法对ABS采样窗口所作的调整能从X射线图象获得更好的医疗和诊断信息。
图9提供在对临床图象的模拟测试中系统如何操作的示例。具体地，临床图象40在计算机显示器的窗口内示出。应记住，从ABS采样窗口42得到的统计信息输入到用于成象系统闭环控制的ABS控制系统中。
在示范窗口中，在程序窗口左下角中有可选择的数值，这些数值输入以模拟一般由尺寸确定和象素采样方法提供的数值。这些数值包括尺寸44、偏移量46、粒度48、暗度限值(dark clip)50、直径52和偏移系数54。
尺寸44指采样窗口以象素为单位的尺寸。偏移量46指作用到ABS采样窗口的以象素为单位的偏移量。粒度48指象素采样水平。例如，如果象素被跳过并且在象限或分区中只有第2、4、8等象素被采样，那么采样就可以加速。暗度限值50指灰度阀值，这在以后解释。直径52指ABS采样窗口以象素为单位的直径，此直径由上述的kVp值、图象增强器尺寸和放大率控制。偏移系数54指减少ABS采样窗口从其中心原点移动的量。
上述的暗度限值50指阀值。对于某些灰度值(如矫形器具或不衰减的X射线束)有可能剧烈地偏离对分区的阅读。暗度限值50使系统能忽略落在设定的灰度值范围之外的灰度值。在本发明优选实施例中，象素灰度值的有效范围可设定上界和下界。例如，范围可建立在50到200之间。此范围建立暗度限值和亮度阀值，这排除非常亮和非常暗的值。限值的实际范围可通过各种因素如自适应空间采样、黑暗掩蔽采样或直接实验来确定。
图10提供用于确定公式1、2和3结果的计算的结果页。给定的采样数量是对图9中临床图象40的分析结果。此结果表示获得X偏移量-42和Y偏移量-39。注意，ROISize值是以象素为单位的ROI正方形边的长度或ROI圆的直径。
四个分区Q1、Q2、Q3和Q4的百分比灰度值Q(n)包括相对较大范围的数值。这些数值是在组成图象ROI中整个图象的每个分区内的亮象素的百分比。注意，对于Q1平均灰度值是56.93，这意味着分区相当暗(在0-255的范围内)。
图11示出与X射线系统一起使用的本发明。示出产生X射线104的X射线管100，X射线104穿过光圈和叶片准直仪102。X射线104接着穿过患者106并进入增强器管108(图象增强器)，增强器管108又产生可被视频照相机110检测到的图象。视频信号111成为图象处理器的输入，图象处理器又产生数字图象数据124，ABS采样窗口处理器114按照以上详细描述处理数字图象数据124。本发明的ABS采样窗口处理器114基于发生器kVp值130、图象增强器的尺寸和放大模式122确定ABS采样窗口的尺寸。
按照以上结合公式1-3所描述的，在114中计算ABS采样窗口的位置。最后，如果需要的话，基于从准直仪102得到的准直信息128剪切ABS采样窗口。应该提到，ABS采样窗口处理器可以是单一用途特定芯片(ASIC)、多用途ASIC或可编程通用处理器。
修改的ABS采样窗口(ROI定义)信息接着传递到图象数据分析仪116，图象数据分析仪116产生关于ABS采样窗口内图象的具体统计信息，此统计数据134传递到ABS控制118。随后，增益信号126基于接收到的图象统计从ABS控制118发送到照相机110。然后，基于接收到的统计信息134，ABS控制118发送关于kVp(千伏)138和mA(毫安)136的信号到高压(HV)发生器以控制系统图象亮度。
本发明还有几个应该研究的替代实施例。本发明的一个替代实施例提供另一个确定ABS采样窗口尺寸的准则。整个图象平均灰度值与象限平均灰度值之比可用于确定ABS采样窗口的尺寸。因此，如果整个图象是不同寻常地亮，那么这意味着在图象内的组织较小并且采样窗口尺寸应减小。
在本发明的另一实施例中，确定ABS采样窗口尺寸的因数基于组织选择技术。如果ABS应用知道在图象区域中的组织例如为侧向的腕关节，那么狭窄的矩形采样窗口比圆形采样窗口提供更有意义的统计信息。
偏移量46(在图9中示出)也是替代实施例。具体地，本发明可配置成从图象中心移动ABS采样窗口的距离比确定的X偏移量和Y偏移量更小或更大。当本发明方法对于监视器上的图象不会自动地实现最佳ABS时，这有助于细微调整。
另一替代实施例提供一种减缓ABS采样窗口移动的方法。可通过为本方法增加瞬时取平均来获得此减缓效果。换句话说，为了提供动态(接近于实时)补偿，可对每帧或以高达每秒30次的速度进行取平均计算。
应该理解，上述设置仅仅是本发明原理应用的示例。只要不偏离本发明的精神和范围，本领域中技术人员可创造大量的变更和替代的设置。后附权利要求用于涵盖这些变更和设置。


用于在使用自动亮度系统(ABS)采样窗口的闭环X射线成象系统中提供自动亮度控制的方法。根据从与X射线系统和被处理的图象有关的数据得到的包含空间灰度分布数据(24)的统计信息,调整ABS采样窗口的位置(28)、尺寸(30)和形状(32),由此根据被修改的ABS采样窗口的统计数据,使自动亮度控制能进行亮度和功率调节。