用于控制放射装置的预测方法和实施该方法的放射装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制放射装置的预测方法和一种实现该预测方法的放射装置。

背景技术

放射装置用于通过用X射线辐射待观察的身体来获得图像。为此，如已知的，它们设置有X射线发射器和图像检测器，例如感光底片(模拟)或闪烁体(电子)和2D光学检测器(电子)的组合。

感光底片或光学检测器的曝光由控制单元控制。

美国专利No.5,585,638描述和说明了一种基于X射线换能器的自动曝光控制系统，其缩写为“AEC”；X射线换能器用于在小区域内测量穿过待观察身体并到达光学检测器的X射线的总剂量。

图2的图有助于理解AEC的操作原理。曲线(例如并且特别是直线的一部分)显示随着时间t变化在X射线的发射已经被放射装置的X射线发射器激活之后由X射线换能器测量的总剂量D。如果用于获得特定身体的特定图像的期望剂量是Dd，则当曲线达到值Dd时，停用由X射线发射器的X射线的发射(这发生在时间td)并且在光学检测器中获得这样的特定图像。

然而，实际上AEV的操作略有不同。

图3有助于理解这种实际操作。放射装置的控制单元周期性地(或总是)验证由X射线换能器测量的值，在这种周期性验证基础上，决定何时停用由X射线发射器的X射线的发射。在时间t1，该单元从换能器读取值D1，将其与值Dd进行比较，确定D1小于Dd，因此决定不停用发射。在时间周期段dt之后，在时间t2(t2＝t1+dt)，该单元从换能器读取值D2，将其与值Dd进行比较，确定D2大于Dd，因此决定停用发射。这意味着待观察的身体已经接收到了比期望剂量稍高的X射线剂量，即，它已经被辐射了比所需时间更长的时间，但是仍然已经获得了图像。

图4的图有助于理解另一可能的不期望的事件。

出于安全原因，立法认为曝光于X射线以获得图像必须不超过最大时间tm。市场上的放射性装置遵守这一规定；通常，曝光更早地完成；如果发生任何异常，则该装置的AEC在tm时刻中断曝光，并且所获得的图像不能使用(通常非常暗)，必须执行新的曝光-图4示出了在tm时刻之后所测量的总剂量为小于Dd的D3的不测事件。这意味着，待观察的身体已经被辐射了比所需的更长的时间，即，它已经接收了用于第一次曝光的第一剂量的X射线(其提供了不可用的图像)和用于第二次曝光的第二剂量的X射线(其提供了可用的图像)。

例如从专利文献US2012195408A1和US6151383A中已知放射装置，其可以在被有效辐射(完全或部分)之前执行对X射线总剂量的估计。

发明内容

本发明的总体目的是提供一种用于控制放射装置的方法，其改进了现有技术，特别是精确地防止了上述不期望事件中的一个或优选地两个的发生。

应当注意，上述专利文献中描述和示出的解决方案基于预定模型执行估计，特别是在放射装置的生产步骤期间选择的预定模型。然而，这种模型不能完美地反映生产和销售的装置的所有各种示例(甚至相同模型)的行为，尤其是如果考虑到装置的行为随时间变化并且例如受装置的部件的老化和/或不能先验预测的现象和/或事件影响的话。

由于在形成本说明书的整体部分的所附权利要求中阐述的内容，实现了该一般目的和其他目的。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，本发明将变得更加清晰，其中：

图1示出了根据本发明的放射性装置的简化和部分总体框图，

图2示出了总剂量的第一(理想化)图，其说明了根据现有技术的AEC的操作，

图3示出了总剂量的第二(理想化)图，其说明了根据现有技术的AEC的操作，

图4示出了总剂量的第三(理想化)图，其说明了根据现有技术的AEC的操作，

图5示出了总剂量的第一(理想化)图，其说明了根据本发明的AEC的操作，

图6示出了总剂量的第二(理想化)图，其说明了根据本发明的AEC的操作，以及

图7示出了根据本发明的控制方法的实施例的示例的部分流程图。

如可以容易地理解的，存在实际实现本发明的各种方式，本发明在其主要有利方面中被限定在所附权利要求中，并且不受以下详细描述或所附权利要求的限制。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的放射装置100包括例如：X射线发射器110、图像检测器120(特别是电子型)和电连接到发射器110和检测器120的控制单元130；此外，它包括与图像检测器120相关联的X射线换能器140，X射线换能器140电连接到控制单元130。图1还示出了待观察的主体200。由发射器110发射的射线穿过主体200并到达检测器120；这些射线的一部分到达(特别是穿过)换能器140。控制单元130特别包括与程序存储器132和数据存储器133相关联的处理器131；此外，单元130设置有给发射器110供电的电源134、电连接到换能器140的模数转换器135、以及可以包括例如键盘、屏幕、鼠标和操纵杆的人机接口136。处理器131向电源134发送信号，以便能够激活和停用(和调节)发射器110的X射线发射。处理器131接收来自转换器135的信号，以便基于换能器140的剂量测量结果来找出/计算X射线的总剂量。

在图1的示例实施例中，由单元130执行的(自动曝光)控制方法很大程度上取决于存储在存储器132中的程序；此外，它还可以取决于存储在存储器133中的数据，例如，与程序设置数据相关的数据；最后，它还可以取决于由操作者通过接口136输入的数据；此外，不排除它也可以依赖于其它东西。

基于本发明的思想是不是基于当前总剂量值而是基于至少一个预测总剂量值来决定是否中断发射器发射X射线。

特别地，可以考虑第一预测值以便考虑短期中的放射装置的行为(例如考虑上述第一不测事件)，并且可以考虑第二预测值以考虑长期中的放射装置的行为(例如考虑上述第一不测事件)。

根据本发明的预测通常是及时的，即，预测值是在未来时间预期的值，并且基于在过去时间检测到的一个或多个值。

应当注意，如果预测限于考虑附图的曲线图，则这将是简单的；事实上，确定在直线上可以找到的任何点是简单的。

预测困难来自一些问题：从换能器140的输出处的电信号获得的曲线图不是线性的，而是可以具有不是先验地(即，在开始曝光之前不久和在曝光期间)精确已知的不同趋势，换能器140的输出处的电信号具有其自身固有的噪声，单元130(特别是转换器135)的输入处的电信号不同于换能器140的输出处的信号，因为连接这两个部件的电缆150添加了各种类型的噪声，不可能是一切都处于曝光的理想条件(例如，换能器140和单元130之间的有效连接、电缆150的状态、....)的确定的先验(即，在开始曝光之前不久和在曝光期间)。

另一个普遍的困难是，预测取决于装置的操作，并且操作随时间缓慢变化(简单地说，装置“老化”)。

考虑图5，可以理解，在时间t5，总测量剂量是小于Dd(期望剂量)的D5；在这一点上，确定(第一)预测值，特别是在时间ts＝t5+dt处预期的值；Dt可以例如是10ms；如果预测值是大于Dd的D5x，则X射线的发射被停用(立即或稍晚)；如果预测值是小于Dd的D5y，则不停用X射线的发射(立即或在稍晚的时间)。这样，确定的是，不超过由身体吸收的剂量的极限Dd。

考虑图6，可以理解，在时间t6，总测量剂量是小于(期望剂量)Dd的D6；在这一点上，确定(第二)预测值，特别是在时间tm(最大曝光时间)处预期的值；tm可以例如是500ms；如果预测值是大于Dd的D6x，则不停用X射线的发射；如果预测值是小于Dd的D6y，则X射线的发射被停用(通常立即)。这样，仅当希望成功时才继续曝光。

考虑图5和图6典型地对应于不同的轴时间是适当的：时间t5接近曝光结束，而时间t6远离曝光结束。

可以理解，参考图5和图6所示的策略可以同时执行，即在每个瞬间可以执行短期测试和长期测试。还可以考虑以不同的频率执行这两种测试，通常是非常频繁(例如，每10ms)的短期测试和不太频繁(例如，每100ms)的长期测试。

通常(考虑图1的示例以用于参考目的)，本发明的方法通过使用以下各项来执行控制：

a)控制单元，适于在曝光开始时激活由放射装置的X射线发射器进行的X射线发射，并且随后停用由X射线发射器进行的X射线发射，以及

b)与所述放射装置的图像检测器相关联的X射线换能器；

控制单元优选地以预定周期“dt”基于从X射线换能器接收的信号重复地确定总X射线剂量的预测值；

此外，控制单元至少基于预测值停用X射线的发射。

要强调的是，图中的曲线图通常是通过对从X射线换能器接收的信号进行积分而获得的；在图1的示例中，换能器140测量“自然形成的剂量”而不是“总”剂量或简单地“剂量”。

为了确定预测值，控制单元130根据模型(或更好地至少一个模型)重复地执行X射线的总剂量估计；在所述装置的操作期间确定和修改所述模型的参数中的一个或多个参数；实际上，在生产阶段期间选择和调整模型。有利地，为了确定估计，特别是模型的参数，使用卡尔曼滤波器。

预测值(在时间“t”计算)可以对应于在随后的时间“t+dt”时由X射线换能器从开始曝光开始吸收的总X射线剂量的预期值；在这种情况下，控制单元执行预测值和预定值(例如图5中的Dd)之间的比较，并且如果这种比较指示预测值大于或等于预定值(例如参见图5)，则停用X射线的发射。在这种情况下，停用可以是立即的或延迟的；最大延迟是周期“dt”；延迟也可以计算并取决于预定值和当前值之间的差。

预测值(在时间“t”计算)可以对应于在随后的预定时间“tm”由X射线换能器从曝光开始时吸收的总X射线剂量的预期值；在这种情况下，控制单元执行预测值和预定值(例如图6中的Dd)之间的比较，并且如果这种比较指示预测值小于预定值(例如见图6)，则停用X射线的发射。在这种情况下，停用优选地立即发生或者一旦控制单元确定预测值小于预定值就发生(由于操作所需的时间，将存在短的延迟)。

通常，“期望剂量”值取决于操作者的选择。例如，操作者选择要辐射的解剖部分(例如头骨、胸部、足部)并选择患者的尺寸(例如：S、M、L、XL)；该装置(或更佳地，该装置的软件)基于这两个选择确定“期望剂量”。

通常，“最大时间”值可以取决于不同的因素，例如：装置的图像检测器的特性、法规(例如EN 60601)、要辐射的解剖部分、患者的尺寸；第一因素可在生产阶段期间在装置中设定，第二因素可集成到装置的软件中，第三因素和第四因素可取决于操作者的选择。

为了执行有效剂量或总剂量的预测，创建剂量趋势的至少一个模型；下面提供一些示例。

考虑到斜坡行为的理想和一般数学模型(离散时间)，其是非常简单的线性模型，获得以下：

F1：x(k+1)＝x(k)+dr(k)·dt

其中dr(k)是在(小)时间间隔“dt”中检测到的“应计剂量”，x(k)是样品剂量值“k”，x(k+1)是随后的样品剂量值“k+1”。

通常，式F1可通过添加项e(k)以考虑噪声的影响来校正，其中仅噪声的统计特性(例如均值和方差)是已知的，而非精确的特性；如果目标是非常精确地工作，如申请人的意图，则难以忽略噪声。因此，获得以下：

F2：x(k+1)＝X(k)+dr(k)·dt+e(k)

申请人已经分析了由此利用不同的功率、剂量、传感器、电缆执行的许多测量，并且已经制订了其他式：

F3：x(k+1)＝m(k)·x(k)+dr(k)·dt+e(k)

F4：x(k+1)＝x(k)+dr(k)·dt+a·sin(ωk+φ)+e(k)

F5：x(k+1)＝x(k)+dr(k)·dt+q(t)+e(k)

其中q是例如特定的公知的电子效应先验，其可以随时间变化

F6：x(k+1)＝b·x(k)+dr(k)·dt+q+e(k)

其中q是例如特定的公知的电子效应先验，其随时间固定

F7：x(k+1)＝m(k)·x(k)+dr(k)·dt+a·sin(ωk+φ)+c(k)

F8：x(k+1)＝x(k)+dr(k)·dt+q+a·sin(ωk+φ)+e(k)

因此，存在许多式或许多可能的模型。

有时，可能先验地仅识别一个适当的式；这种鉴定可以例如从实验中获得。

然而，更一般地并且如可以在下面更好地理解的，申请人已经决定优选的是同时使用一组(例如，两个或更多)模型并且基于各种模型来执行预测，例如通过选择在某个时刻或某个时间间隔看起来最适合的模型。

根据优选实施例，为了确定预测值，控制单元在装置的操作期间根据至少两个模型重复地执行至少两个总X射线剂量估计，并且选择(重复地)考虑作为在装置的操作期间的预期值最好的估计。

根据其它优选实施例，为了确定预测值，控制单元在装置的操作期间根据至少两个模型重复地执行至少两个总X射线剂量估计，并且基于在装置的操作期间的至少两个估计(重复地)计算预期未来值；例如，它可以计算两个估计的简单平均或两个估计的加权平均。

非常有效的可能性是通过卡尔曼滤波器确定估计。

应当注意，本发明不排除能够在装置的控制期间经受调整的模型；例如，在公式F3中，系数m(k)可以(稍微)随样本而变化(或者更好地，逐个样本地，系数收敛或者应当收敛到不是先验已知的某一值)。

通常，估计基于从X射线换能器(在图1的示例中用140指示)接收的信号的已知趋势假设。

当同时使用各种估计时，控制单元可以为每个估计分配一个分数，这种分数具体地表示估计的质量。例如，可以通过计算实际值和估计之间的差来确定估计的质量。

当同时使用各种模型时，控制单元可以重复地将分数分配给每个预定模型，这样的分数具体地表示模型的质量。例如，通过在每个采样时间计算实际值和由模型提供的值之间的差，然后将这些差加在一起，可以确定模型的质量；具有这样较低的和的模型可以被认为是最佳模型。

如果所有模型的分数(在某一时间)小于最小值，则可以设想控制单元发信号通知异常操作状况，使得例如可以在装置上安排干预。该信号可以是声音的并且例如打算用于操作者和/或视觉的并且例如打算用于操作者，或者可以简单地包括将这种异常操作状况存储在适当的存储器中和/或发送信息，使得这种异常操作状况经过任何传输手段。

如果所有模型的得分小于预定时间间隔的最小值，则可以设想控制单元发信号通知异常操作状况，使得例如可以在装置上安排干预。该信号可以是声音的并且例如打算用于操作者和/或视觉的并且例如打算用于操作者，或者可以简单地包括将这种异常操作状况存储在适当的存储器中和/或发送信息，使得这种异常操作状况经过任何传输手段。

上述方法特别适合于由计算机控制单元，例如图1的单元130来实现。该方法设想重复一系列操作。通常，这种重复以“预定周期”发生，例如10-20ms；然而，这种“预定周期”不被认为是非常严格的，因此10％或20％的变化是完全可容忍的。

图7示出了根据本发明的控制方法的实施例的部分流程图700，其使用两个模型；流程图700可以被认为是对应于“计算机程序”或简单地“程序”的完整图的一部分；该图的矩形块对应于代码的部分。

由换能器140在时间“t”测量的值701作为输入被提供给两个模型，第一模型710和第二模型720，它们特别地对应于“程序”的两个“过程”或“函数”。

关于第一模型710，在步骤712，根据值701更新模型本身的分数(其是模型的质量的指标)并且将其作为输出713提供，在步骤714，还基于(不一定仅)值701通过第一模型计算在时间“t+dt”处的期望值并且将其作为输出715提供，在步骤716，还基于(不一定仅)值701通过第一模型在时间“tm”处计算期望值并且将其作为输出717提供。

关于第二模型720，在步骤722，根据值701更新模型本身的分数(其是模型的质量的指标)并且将其作为输出723提供，在步骤724，还基于(不一定仅)值701在时间“t+dt”处由第二模型计算期望值并且将其作为输出725提供，在步骤726，还基于(不一定仅)值701在时间“tm”处由第二模型计算期望值并且将其作为输出727提供。

术语“输入”和“输出”先前是参考“程序”的“过程”或“函数”而不是参考人机接口(例如，接口136)来使用的。

基于值713、715、717、723、725、727，控制单元130可以作出关于是否停用发射器110的X射线的发射的选择；最简单和最有效的解决方案(但不是唯一可能的解决方案)是使用在个体基础上具有最高分数的模型的结果来进行选择。

从上面可以清楚地看出，具有根据本发明的曝光调节系统的装置是非常有利的。事实上，由于系统是自调节的，因此不需要任何复杂的校准。此外，该系统允许同时从任何噪声中过滤信号，并且允许在短期和长期中识别异常状况。