CN101166968A - 用于ct的能量分辨光子计数 - Google Patents
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Abstract
光谱CT系统要求具有高能量分辨率的廉价探测器。根据本发明的一个方面，计算机断层摄影术设备包括分割成多个子像素的探测器元件。每个子像素具有至少两个阈值和计数通道，其中，用于每个子像素的第二阈值在整个标称探测器元件中变化。这可为改进的能量分辨的光子计数作好准备。
Description
技术领域
本发明涉及X光成像领域。本发明尤其涉及用于所涉及的物体的检查的计算机断层摄影术设备、用于断层摄影术设备的探测器、用计算机断层摄影术设备检查所涉及的物体的方法、计算机可读介质和程序元件。
背景技术
在过去的几年中，X光行李检查已经由简单的X光成像系统发展为更精细的自动系统，这种简单的X光程序系统完全取决于操作人员的相互作用，更精细的自动系统能够自动识别某种类型的材料且在危险材料出现时触发警报。检查系统使用用于发射X光的X光辐射源，将X光穿过所检查的行李传递到探测器，或者将X光从所检查的行李发散到探测器。
计算机断层摄影术(CT)是使用数字处理的过程，以从一系列的二维X射线图像产生物体内部的三维图像，该二维X射线图像在单旋转轴周围摄取。可通过应用适当的算法进行CT图像的重建。基于相干散射X光光子或量子的成像技术是所称的相干散射计算机断层摄影术(CSCT)。CSCT是一种产生所涉及的物体的散射特性的图像(特别是低角度)的技术。这些散射特性取决于物体的分子结构，从而使产生每个分量的材料专用图成为可能。这种低角度散射的主要分量是相干散射。因为相干散射光谱取决于散射试样的原子排列，所以相干散射计算机断层摄影术是一种感光技术，这种技术用于穿过二维物体分段在行李或者生物组织的分子结构中形式空间变化的图像。
用于CT或CSCT的光子计数探测器必须支持高的计数率。光谱CT系统要求具有高能量分辨率的低价探测器。
希望有一种用于CT/CSCT系统的改进的能量分辨光子计数探测器。
发明内容
根据本发明，可提供一种用于所涉及的物体的检查的计算机断层摄影术设备，这种计算机断层摄影术设备包括分割成多个子像素的探测器元件，其中，多个子像素包括第一子像素和第二子像素。该第一子像素包括对应于第一能量阈值的第一计数通道和对应于第二能量阈值的第二计数通道。该第二子像素包括对应于第三能量阈值的第三计数通道和对应于第四能量阈值的第四计数通道。
根据本发明，计算机断层摄影术设备包括再分成单个辐射探测像素的探测元件，每个探测像素具有多个计数通道和能量阈值。这可为以极小努力的高能量分辨率作好准备。
从属权利要求公开了本发明的示范性实施例。
根据本发明的示范性实施例，第一子像素适合于探测具有高于第一能量阈值的第一能量的第一辐射，且适合于探测具有高于第二能量阈值的第二能量的第二辐射，从而产生第一和第二探测数据。而且，第二子像素适合于探测具有高于第三能量阈值的第三能量的第三辐射，且适合于探测具有高于第四能量阈值的第四能量的第四辐射，从而产生第三和第四探测数据。
因此，每个子像素可探测两种不同类型的辐射，即具有较低能量的第一种类型和具有较高能量的第二种类型。
根据本发明的另一个示范性实施例，第一计数通道适合于对作为首次计算的探测事件进行计数，这些探测事件源自具有能量高于第一阈值的能量的光子，其中，第二计数通道适合于对作为第二次计算的探测事件进行计数，这些探测事件源自具有能量高于第二阈值的能量的光子。此外，第三计数通道适合于对作为第三次计算的探测事件进行计数，这些探测事件源自具有能量高于第三阈值的能量的光子，且第四计数通道适合于对作为第四次计算的探测事件进行计数，这些探测事件源自具有能量高于第四阈值的能量的光子。
因此，每个子像素可计算对应于辐射的探测事件，该辐射具有预定阈值之上的能量，且每个子像素可(分开地)计算探测事件，这种探测事件对应于辐射，该辐射具有另一个不同的，例如，预定阈值之上的能量。
根据本发明的另一个示范性实施例，第一阈值或阈值能量等于第三阈值能量，且第二阈值能量与第四阈值能量不同。
因此，第一子像素可对不同于第二子像素的探测事件进行计算。
根据本发明的另一个示范性实施例，计算机断层摄影术设备还包括确定单元，该确定单元适合于将第一、第二、第三和第四探测数据结合，从而产生能量分辨合成信号，这种合成信号表示标称探测元件。
根据本发明的另一个示范性实施例，基于第一、第二、第三和第四能量仓来表示这种合成信号，其中，第一、第二、第三和第四能量仓是分立的仓。而且，第一和第二子像素的第一和第三阈值能量低于第二阈值能量，该第二阈值能量低于第四阈值能量。将第三计数均等地分配成第三和第四能量仓，该第三计数源自具有第三阈值能量之上的能量的光子。
这可提供一种基于能量考虑的探测数据的分析。
根据本发明的另一个示范性实施例，第一和第二子像素适合于探测对应的单个光子。
因此，可对光子个别地进行计算，且各自计算的数可用于后面的探测数据的能量分辨的分析。计算单个的光子可产生高能量分辨率和灵敏度。
根据本发明的另一个示范性实施例，这种计算机断层摄影术设备适合于作为相干散射计算机断层摄影术设备。
计算机断层摄影术设备可包括电磁辐射源和准直仪，这种电磁辐射源适合于向所涉及的物体发射电磁辐射，且将这种准直仪布置在电磁辐射源与探测元件之间，其中，这种准直仪适合于将由电磁辐射源发射的电磁辐射束准直，以形成扇形束或者锥形束，或者所希望的其它任何几何形状的束。计算机断层摄影术设备的这种探测元件可形成单片探测器阵列或多片探测器阵列。这种单片探测器阵列可具有结构简单且所探测的信号快速评估的优点。不过，可实现多片探测器阵列，以达到已探测的信号的特别高的分辨率和大量的已探测信号。
应注意到，本发明的方法对于任何射线的轨道、探测器形状和射束的几何形状(例如，扇形束、锥形束等)是有效的，且可支持取决于能量的衰减图。
根据本发明的计算机断层摄影术设备可用作行李检查设备、医疗应用设备、材料测试设备或材料科学分析设备。本发明的优选应用领域可以是行李检查，因为本发明所限定的功能性虑及行李件的内容物的安全和可靠的分析，该行李件允许探测可疑的内容物，甚至允许确定这样一个行李件内部的材料的类型。
根据本发明的示范性实施例的设备和方法可产生高质量的自动系统，这种自动系统可自动识别某种类型的材料，并在需要时在出现危险材料时可触发报警。这种检查系统可采用本发明的计算机断层摄影术设备，这种设备具有发射X光的X光辐射源，将X光穿过所检查的行李到探测器或者将X光从所检查的行李发散到探测器，以允许以能量分辨方式检测相干散射辐射。
此外，根据本发明的另一个示范性实施例，提供一种用于计算机断层摄影术设备的探测器，该计算机断层摄影术设备用于检查所涉及的物体，这种探测器包括分割成多个子像素的探测器元件。可在上述计算机断层摄影术设备内实施这种探测器。
根据本发明的另一个示范性实施例，提供一种用计算机断层摄影术设备检查所涉及物体的方法，这种方法包括以下步骤：通过第一子像素探测具有高于第一能量阈值的第一能量的辐射和具有高于第二能量阈值的第二能量的辐射，从而产生第一和第二探测数据；且通过第二子像素探测第三辐射和第四辐射，其中，第三辐射具有高于第三能量阈值的能量且第四辐射具有高于第四能量阈值的能量，从而产生第三和第四探测数据。此外，第一子像素包括对应于第一能量阈值的第一计数通道和对应于第二能量阈值的第二计数通道。第二子像素包括对应于第三能量阈值的第三计数通道和对应于第四能量阈值的第四计数通道。
相信这可以虑及用于CT/CSCT用途的改进的能量分辨光子计数。
根据本发明的另一个示范性实施例，可提供一种计算机可读介质，在该计算机可读介质中储存用计算机断层摄影术设备检查所涉及物体的计算机程序，当该计算机程序由处理器执行时，这种程序适合于实现前面所提及的方法步骤。此外，可提供检查所涉及的物体的程序元件，当该程序元件由处理器执行时，这种程序元件适合于实现前面所提及的方法步骤。
通过计算机程序即通过软件可实现根据本发明的所涉及的物体的检查，或者使用一个或多个专用电子优化电路，即在硬件中或以混合形式，即通过软件组件和硬件组件。
可以看出，作为本发明示范性实施例的要点，可使用能量分辨光子计数探测器，将这些探测器分割成单个的子像素，其中每个子像素具有至少两个阈值和计数通道。根据本发明的示范性实施例，用于每个子像素的第二阈值在整个标称检测器单元中变化。
从下面所描述的实施例就会明白本发明的这些和其它方面，且通过参考下面所描述的实施例对本发明的这些和其它方面进行说明。
附图说明
将参考以下的附图在下面描述本发明的示范性实施例。
图1示出了根据本发明的示范性实施例的计算机断层摄影术设备。
图2示出了根据本发明的检查所涉及物体的方法的示范性实施例的流程图；
图3示出了本发明的在计算机断层摄影术设备中执行的数据处理设备的示范性实施例。
具体实施例
图1示出了根据本发明的示范性实施例的CSCT扫描系统的示范性实施例。参考该示范性实施例，将就行李检查方面的用途对本发明进行描述，这种行李检查用于探测行李件中的有害材料，如爆炸物。不过，应注意到，本发明并不限于这种用途，本发明还可应用到医疗成像领域或其它工业用途，如材料测试。
示于图1的计算机断层摄影术设备100是锥形束CT扫描仪。不过，也可用扇形束来实现本发明。示于图1中的这种CT扫描仪包括支架101，该支架101可绕旋转轴102旋转。该支架101由马达103驱动。附图标记104表示辐射源，如X光源，根据本发明的一个方面，该辐射源发射多色辐射。
附图标记105表示孔径系统，这种孔径系统形成从辐射源发射到锥形辐射束106的辐射束。引导锥形束106以使其穿过布置在支架101的中心中的所涉及的物体107，即在CSCT扫描仪的检查区域中，并撞击到探测器108上。正如可从图1中看出的那样，将探测器108布置在与辐射源104相对的支架101上，以使探测器108的表面由锥形束106覆盖。示于图1中的探测器108包括多个探测元件123，每个探测元件123能够以能量分辨方式(即，这些探测元件包括多个像素，其中，每个像素具有某种预定的能量阈值，且适合于用该某种预定的能量阈值之上的能量来探测和计数光子，例如，以进一步探测和计数能量低于预定能量阈值的光子)探测已由所涉及物体107相干散射的X光或个别的光子。
在扫描所涉及的物体107期间，将辐射源104、孔径系统105和探测器108以箭头116所示的方向沿支架101旋转。对于带有辐射源104、孔径系统105和探测器08的支架旋转，将马达103与马达控制单元117连接，马达控制单元117连接到计算或确定单元118。
在图1中，所涉及的物体107是行李件，该行李件设置在输送带119上。在扫描所涉及的物体107期间，当支架101绕所涉及的物体107旋转时，例如，绕行李件旋转时，输送带119沿着与支架101的旋转轴102平行的方向移动所涉及的物体107。这样，将所涉及的物体107沿着螺旋扫描路径进行扫描。也可在扫描期间将输送带119停止来测量信号片段。例如，在所涉及的物体107是患者的医疗应用中，可使用可移动桌而不使用输送带119。不过，应注意到，在所描述的所有情况中，执行循环扫描也是可能的，但在平行于旋转轴102的方向上没有移动，而仅有绕旋转轴102的支架101的旋转。
而且，还应强调，作为示于图1中的锥形束构造的替代，还可通过扇形束构造来实现本发明。为了产生基本的扇形束，可将孔径系统105构造成狭缝准直仪。
可将探测器108与确定单元118连接。该确定单元118可接收探测结果，即来自探测器108的探测元件123的读出，且可在这些读出的基础上确定扫描结果。此外，为了协调带有马达103和120的支架101与运输送带109的运动，确定单元118与马达控制单元117连通。
确定单元118可利用根据本发明的示范性实施例的统计方法适合于从探测器108的读出来构建图像。可将由计算单元118产生的重建图像通过接口122输出到显示器(图1中未示出)。
可通过数字处理器处理来自探测器108的探测单元123的读出来实现确定单元118。
此外，正如可从图1看出的那样，可将确定单元118与扬声器121连接，例如，以在行李件107中探测可疑材料的情况下自动输出警报。
用于检查所涉及物体107的计算机断层摄影术设备100包括具有多个探测元件123的探测器108，这些探测元件123以类似于矩阵的方式布置，每个探测元件123适合于以基于阈值的方式并因此而以基于能量分辨的方式探测从所涉及的物体107相干散射的X光。计算机断层摄影术设备100还包括确定或重建单元118，该确定或重建单元118适合于合成第一、第二、第三和第四探测数据，从而产生表示标称探测器单元的能量分辨的合成信号。
计算机断层摄影术设备100包括X光源104，该X光源104适合于将X光发射到所涉及的物体107。设在电磁辐射源104与探测元件123之间的准直仪105适合于将从电磁辐射源104发出的电磁辐射束准直，以形成锥形束。或者，可使用狭缝准直仪(在图1中未示出)而不是准直仪105来产生扇形束。探测元件123形成多片探测器阵列108。可将计算机断层摄影术设备100构造成行李检查设备。
下面将参考图2更详细地描述根据本发明的示范性实施例的检查所涉及的物体的方法。
这种方法在步骤S1-S4开始，并获得通过探测元件探测的探测数据。根据本发明的示范性实施例，可将这种探测元件分割成包括第一子像素和第二子像素的多个子像素。第一子像素可包括对应于第一能量阈值的第一计数通道和对应于第二能量阈值的第二计数通道。第一计数通道可合适于计数探测事件或者具有第一阈值能量之上的能量的单个光子，且第二计数通道可适合于计数探测事件或者具有第二阈值能量之上的能量的单个光子。
在步骤S1中，将由第一子像素探测具有第一能量阈值之上的能量的光子。在步骤S2中，通过第一子像素探测具有第二能量阈值之上的能量的光子。
此外，探测器元件包括第二子像素，该第二子像素具有对应于第三能量阈值的第三计数通道和对应于第四能量阈值的第四计数通道。第三计数通道适于计数(在步骤S3中)具有第三阈值能量之上的能量的光子或探测事件。第四计数通道适于计数(在步骤S4中)对应于能量在第四阈值能量之上的单个光子或探测事件。
换言之，可将每个标称探测器单元分割成N个单个的子像素。每个像素具有至少两个阈值和计数通道。第一通道具有低阈值并因此而可计算所有事件，第二通道具有依赖于子像素的阈值。这种从属阈值在标称探测器单元的整个过程中变化。例如，子像素n得到阈值T(n)＝E0+n*DE。式中，E0是所涉及的最低能量且n*DE是所涉及的最高能量。可将所有子像素通道的结果合成表示标称探测器单元的能量分辨的信号。
这种合成在步骤S5中完成。在步骤S5中，确定单元合成第一、第二、第三和第四探测数据，从而产生表示探测器单元的能量分辨的合成信号。可将这种合成信号用分立的能量仓表示。每个子像素可将其计数分配到这些仓中。将超过阈值的计数均等地分配到表示高于该阈值的能量等级的仓中。将仅由低阈值探测到的其它计数均等地分配到其它的仓中。
这就可在步骤S6中提供能量分辨的合成信号。
通过向子像素或者甚至每个像素增加更多阈值和计算来进一步改进能量分辨率是可能的。可用在标称单元内的非线性变换改进探测器的噪声统计。
应注意，可将这种方法延伸到阈值的更复杂的设置并可在重建本身中包括探测效果。
将探测器元件分割成子像素可减少对每个单个通道的频率需求。
图3示出了根据本发明的数据处理装置400的示范性实施例，该数据处理装置400用于执行根据本发明的方法的示范性实施例。图3中示出的数据处理装置400包括连接到存储器402的中央处理器(CPU)或图像处理器401，存储器402用于储存描述所涉及物体，如患者或行李件。可将数据处理器401与多个输入/输出网络或诊断设备连接，如CT设备。还可将处理器401与显示设备403连接，如用于显示在数据处理器401中计算或采用的信息或图像的计算机监视器401。操作人员或使用者可通过键盘404和/或其它输出设备与数据处理器401相互作用，在附图3中未示出其它的这些输出设备。此外，例如，通过总线系统405，还可将图像处理和控制处理器401与如运动监视器连接，该监视器监视所涉及物体的运动。例如，在形成患者的肺部图像的情况下，运动传感器可以是呼出传感器。在形成患者的心脏图像的情况下，运动传感器可以是心电图。
可有利地应用本发明的示范性技术领域包括行李检查、医疗应用、材料测试和材料科学。可以以低付出获得改进的图像质量和减少的计算量。本发明也可应用在心脏扫描中，以探测心脏疾病。
应注意到，用语“包括”不排除其它元件或步骤，且“一”或者“一个”并不排除多个。可将结合不同的实施例描述的元件进行组合。
还应注意，权利要求书中的参考标记不应解释为对权利要求书的范围进行限制。
Claims (16)
1.一种用于所涉及的物体的检查的计算机断层摄影术设备(100)，所述计算机断层摄影术设备(100)包括：
探测器元件(123)，所述探测器元件(123)分割成多个子像素；
其中，所述多个子像素包括第一子像素和第二子像素；
其中，所述第一子像素包括对应于第一能量阈值的第一计数通道和对应于第二能量阈值的第二计数通道；以及
所述第二子像素包括对应于第三能量阈值的第三计数通道和对应于第四能量阈值的第四计数通道。
2.如权利要求1所述的计算机断层摄影术设备(100)，
其中，所述第一子像素适合于探测具有高于第一能量阈值的第一能量的第一辐射，且适合于探测具有高于第二能量阈值的第二能量的第二辐射，从而产生第一和第二探测数据；以及
所述第二子像素适合于探测具有高于第三能量阈值的第三能量的第三辐射，且适合于探测具有高于第四能量阈值的第四能量的第四辐射，从而产生第三和第四探测数据。
3.如权利要求1所述的计算机断层摄影术设备(100)，
其中，所述第一计数通道适合于对作为首次计算的探测事件进行计数，这些探测事件源自具有能量高于第一阈值的能量的光子；
其中，所述第二计数通道适合于对作为第二次计算的探测事件进行计数，这些探测事件源自具有能量高于第二阈值的能量的光子；
其中，所述第三计数通道适合于对作为第三次计算的探测事件进行计数，这些探测事件源自具有能量高于第三阈值的能量的光子；以及
其中，所述第四计数通道适合于对作为第四次计算的探测事件进行计数，这些探测事件源自具有能量高于第四阈值的能量的光子。
4.如权利要求1所述的计算机断层摄影术设备(100)，
其中，所述第一阈值或阈值能量等于第三阈值能量；以及
其中，所述第二阈值能量与第四阈值能量不同。
5.如权利要求2所述的计算机断层摄影术设备(100)，
还包括确定单元，所述确定单元适合于将所述第一、第二、第三和第四探测数据结合，从而产生能量分辨合成信号，所述能量分辨合成信号表示探测元件。
6.如权利要求5所述的计算机断层摄影术设备(100)，
其中，基于第一、第二、第三和第四能量仓来表示所述合成信号；
其中，第一、第二、第三和第四能量仓是分立的能量仓；
其中，所述第一和第三阈值能量低于所述第二阈值能量，所述第二阈值能量低于所述第四阈值能量；以及
将所述第三计数均等地分配成所述第三和第四能量仓，所述第三计数源自具有第三阈值能量之上的能量的光子。
7.如权利要求1所述的计算机断层摄影术设备(100)，
其中，所述第一和第二子像素适合于探测对应的单个光子。
8.如权利要求1所述的计算机断层摄影术设备(100)，
其中，所述计算机断层摄影术设备100)适合于作为相干散射计算机断层摄影术设备。
9.如权利要求1所述的计算机断层摄影术设备(100)，还包括：
电磁辐射源(104)，所述电磁辐射源(104)适合于向所涉及的物体(107)发射电磁辐射；以及
准直仪(105)，所述准直仪(105)布置在所述电磁辐射源(104)与所述探测元件(123)之间；
其中，所述准直仪(105)适合于将由所述电磁辐射源(104)发射的电磁辐射束准直，以形成扇形束或者锥形束。
10.如权利要求1所述的计算机断层摄影术设备(100)，
其中，所述探测元件(123)形成单片探测器阵列。
11.如权利要求1所述的计算机断层摄影术设备(100)，
其中，所述探测元件(123)形成多片探测器阵列(108)。
12.如权利要求1所述的计算机断层摄影术设备(100)，所述计算机断层摄影术设备100)构造成由行李检查设备、医疗应用设备、材料测试设备和材料科学分析设备组成的组中的一种。
13.一种用于所涉及的物体的检查的计算机断层摄影术设备(100)的探测器，所述探测器(108)包括：
探测器元件(123)，所述探测器元件(123)分割成多个子像素；
其中，所述多个子像素包括第一子像素和第二子像素；
其中，所述第一子像素包括对应于第一能量阈值的第一计数通道和对应于第二能量阈值的第二计数通道；以及
所述第二子像素包括对应于第三能量阈值的第三计数通道和对应于第四能量阈值的第四计数通道。
14.一种用计算机断层摄影术设备(100)检查所涉及物体(107)的方法，所述方法包括以下步骤：
通过第一子像素探测具有高于第一能量阈值的第一能量的第一辐射和具有高于第二能量阈值的第二能量的第二辐射，从而产生第一和第二探测数据；
通过第二子像素探测第三辐射和第四辐射，其中，第三辐射具有高于第三能量阈值的能量且第四辐射具有高于第四能量阈值的能量，从而产生第三和第四探测数据；
其中，所述第一子像素包括对应于所述第一能量阈值的第一计数通道和对应于所述第二能量阈值的第二计数通道；以及
其中，所述第二子像素包括对应于所述第三能量阈值的第三计数通道和对应于所述第四能量阈值的第四计数通道。
15.一种计算机可读介质(402)，在所述计算机可读介质(402)中储存用计算机断层摄影术设备(100)检查所涉及物体(107)的计算机程序，在由处理器(401)执行所述计算机程序时，所述计算机程序适合于实现以下步骤：
通过第一子像素探测具有高于第一能量阈值的第一能量的第一辐射和具有高于第二能量阈值的第二能量的第二辐射，从而产生第一和第二探测数据；
通过第二子像素探测第三辐射和第四辐射，其中，第三辐射具有高于第三能量阈值的能量且第四辐射具有高于第四能量阈值的能量，从而产生第三和第四探测数据；
其中，所述第一子像素包括对应于所述第一能量阈值的第一计数通道和对应于所述第二能量阈值的第二计数通道；以及
其中，所述第二子像素包括对应于所述第三能量阈值的第三计数通道和对应于所述第四能量阈值的第四计数通道。
16.一种检查所涉及物体(107)的程序元件，在由处理器(401)执行所述程序元件时，所述程序元件适合于实现以下步骤：
通过第一子像素探测具有高于第一能量阈值的第一能量的第一辐射和具有高于第二能量阈值的第二能量的第二辐射，从而产生第一和第二探测数据；
通过第二子像素探测第三辐射和第四辐射，其中，第三辐射具有高于第三能量阈值的能量且第四辐射具有高于第四能量阈值的能量，从而产生第三和第四探测数据；
其中，所述第一子像素包括对应于所述第一能量阈值的第一计数通道和对应于所述第二能量阈值的第二计数通道；以及
其中，所述第二子像素包括对应于所述第三能量阈值的第三计数通道和对应于所述第四能量阈值的第四计数通道。
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