CN101495040A - Ct成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种CT成像系统，用于对例如病人的所关注对象中存在的物质、例如造影剂进行成像。为了提供一种涉及有限的技术难度和成本但是导致对比度增强、并可以对所关注对象内物质成像的CT成像系统，所提出的CT成像系统包括：多色X射线源(2)，用于发射多色X射线辐射(4)；能量分辨X射线探测器(6)，用于探测穿过所述对象之后的X射线(4)，并提供对于多个能量元(bi)的多个能量分辨探测信号(di)；计算单元(12)，使用将探测信号描述为所述物质的K边缘效应、光电效应和康普顿效应的组合的所述探测信号(di)模型，通过对所述多个能量分辨探测信号(di)解方程组来确定所述物质的K边缘分量(k)，其中每种效应对所述探测信号贡献相应的分量(p，c，k)；以及重建单元(13)，用于从在不同探测器位置获得的所述物质的计算的K边缘分量(k)，来重建所述物质的K边缘图像。本发明还涉及相应的图像处理设备和方法。

Description

CT成像系统
本发明涉及一种CT成像系统，用于对所关注对象中存在的物质进行成像。此外，本发明涉及一种图像处理设备，用于这样的CT成像系统中，还涉及一种相应的图像处理方法。此外，本发明还涉及一种计算机程序，用于在计算机上实施上述图像处理方法。
常规CT(计算机断层扫描)成像系统对于医学成像测量X射线的衰减并提供有限的对比度。大多数临床应用使用造影剂来增强对比度。然而，想要扩展CT成像系统的信息内容。
有两种公知的技术用于扩展CT成像的对比度。第一种技术是所述的双能量CT成像技术，其例如在Kalender，W.A.等人的“Evaluation of aprototype dual-energy computed tomographic apparatus.I.Phantom Studies”，Medical Physics，Vol.13，No.3 May/June 1986，pp.334-339中进行了描述。双能量CT可以用于测量两种与能量相关的基函数，诸如光电效应和康普顿散射分量。可以使用不同的基函数，但是该图像通常包括该两种分量的虚线性组合。
第二种技术是K边缘成像，其中通常在该K边缘之前和之后，通过测量两个或更多能量的衰减，将可调谐的单色源用于探测特定原子，这种技术例如在H.Elleaune，A.M.Charvet，S.Corde，F.Esteve和J.F.Le Bas的“Performance of computed tomography for contrast agent concentrationmeasurements with monochromatic x-ray beams：comparison of K-edge versustemporal subtraction”，Phys.Med.Biol.47(2002)，3369-3385中进行了描述。然而，由于其具有的能量等级与医学成像所需的能量相去甚远，或是由于它们使用高能量加速器的同步加速器辐射，因此单色源不适于临床应用。
主要是由于有限的对比度增强和/或较高的技术难度和成本，因此在临床应用中没有使用这些已知的技术。因此，本发明的一个目的在于提供一种CT成像系统，其涉及较少的技术难度和较少成本，但是却可以得到较大的对比度增强，并可以对所关注对象中存在的物质进行成像，该物质诸如特定的原子(例如造影剂)。此外，还提供了一种相应的图像处理设备和图像处理方法。
通过如权利要求1中描述的CT成像系统实现依照本发明的目的，该成像系统包括：
多色X射线源，用于发射多色X射线辐射，
能量分辨X射线探测器，用于探测穿过所述对象之后的X射线辐射，并对于多个能量元(energy bin)提供多个能量分辨探测信号，
计算单元，使用将探测信号描述为所述物质的K边缘效应、光电效应和康普顿效应的组合的探测信号模型，通过求解所述多个能量分辨探测信号的方程组来确定所述物质的K边缘分量，其中上述每种效应都对所述探测信号贡献相应的分量，以及
重建单元，从在不同探测器位置获得的所述物质的计算的K边缘分量，来重建所述物质的K边缘图像。
在权利要求8和9中描述了一种在此CT成像系统中使用的适合的图像处理设备以及相应的图像处理方法。在权利要求10中描述了一种可以存储在记录载体上的计算机程序，其用于在计算机上实现所述图像处理方法。在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。
本发明基于这样一种构思，其使用常规的多色X射线源和一种在不远的未来可以使用的能量分辨X射线探测器。通过对获得的数据进行适当的处理，就可以重建物质分量(例如造影剂分量)、排除了物质分量的光效应分量、以及排除了物质分量的康普顿散射分量的至少三幅图像。具体的说，X射线探测器对不同的能量元提供了多个具有光谱灵敏度的能量分辨探测信号，能量元是全部能量范围的一部分，其中所述探测信号可用并且受到关注。所述扫描对象随后被建模为具有第一光谱的光电效应、具有第二光谱的康普顿效应、和具有第三光谱的所关注能量范围内有K边缘的物质的组合。将每个探测信号中各分量的密度长度的积建模为一种离散线性系统，解上述线性系统来至少获得所述物质的K边缘分量。通过对不同探测器位置获得的所述物质的K边缘分量，就可以通过常规重建方法在随后重建物质的K边缘图像。
当前正在开发能量分辨X射线探测器，并且将在不久的未来可以使用。它们通常用于对入射的光子记数，并输出表示特定能量范围中光子数量的信号。这种能量分辨探测器例如是在Llopart，X.，等人的“First testmeasurements of a 64k pixel readout chip working in a single photon countingmode”，Nucl.Inst.and Meth.A，509(1-3)：157-163，2003和Llopart，X.，等人的“Medipix2：A 64-k pixel readout chip with 55 mum square elements working ina single photon counting mode”，IEEE Trans.Nucl.Sci.49(5)：2279-2283，2002中描述的。优选的，采用该能量分辨探测器，以使得其对于至少三个不同能量元提供至少三个能量分辨探测信号。然而，具有更高的能量分辨率以提高CT成像系统的灵敏度和噪声鲁棒性也是有好处的。
所述多个能量分辨探测信号的方程组优选通过使用数值计算方法来求解。一种优选方法是最大似然方法，其考虑了测量的噪声统计。
在另一个优选实施例中，使用了这样一种模型，其中考虑了多个能量元中每个的X射线源的发射光谱和X射线探测器的光谱灵敏度。这导致计算的分量的更高精度，以及因此导致重建图像的更高精度。
优选的，依照本发明的CT成像系统用于造影剂的直接测量，诸如在医学成像中使用的造影剂。这得到了CT成像的多个新的临床特征，诸如绝对血液容积测量或是脑灌注成像。这可以增强血管造影术的对比度，并可以区别充满造影剂的腔和血管中的钙斑。例如，优选的造影剂包含碘，甚至更加优选的，由于处于更高能量的K边缘效应，包括钆。本发明还可以用于分子成像，来重建示出特定物质的图像，诸如注入病人体内的特定造影剂，其中该病人仅减少(dock)为某些细胞或其他目标，诸如肿瘤细胞或是纤维蛋白。根据本发明的方法因此可以助于或是用于所关注区域内这种细胞的定量测量。
除了K边缘图像之外，还优选的是，在另一个实施例中，通过使用光电效应分量和康普顿效应分量来重建光效应图像和/或康普顿效应图像，其中上述分量可以通过求解上述方程组而确定。
将参照附图来更加详细地说明本发明，其中：
图1示出依照本发明的CT系统的表示性概要图，
图2示出对于碳的光电效应和康普顿效应的光子能量的线性衰减系数的例子，
图3示出对于钆的包括K边缘效应的光电效应的光子能量的线性衰减系数的例子，
图4示出用于模拟的数学模型，以及
图5示出使用图4所示的模型获得的模拟结果。
图1所示的CT系统包括桶架，其可以关于转轴R旋转，转轴平行于z方向延伸。辐射源2，例如X射线管安装在桶架1上。X射线源设置有准直器设备3，其从X射线源2产生的辐射形成锥形辐射束4。在圆柱形检查区5中的所关注区域内，辐射穿过诸如病人的对象(未示出)。在穿过检查区5之后，X射线束4入射到能量分辨X射线探测器单元6上，在此实施例中，该探测器单元是安装在桶架1上的二维探测器。
通过马达7优选以恒定但可调节的角速度来驱动桶架1。将设置另一个马达8来在平行于旋转轴R或是z轴的方向上移动该对象，例如该对象是设置在检查区5中病人台上的病人。通过控制单元9来控制这些马达7、8，例如使得辐射源2和检查区5沿着螺旋状轨迹相对于彼此移动。然而，还可以使得检查区5或对象不移动，而是仅使得X射线源2旋转。
通过探测器6获得的数据被提供给图像处理设备10用于图像处理，具体的说，用于重建对象(例如病人)中物质的K边缘图像，该物质例如是显影剂。在临床应用中想要这种K边缘图像，因为其携带特定信息并在医学图像中表现出较高对比度，并因此使得可以进行所需的某些应用。重建的图像最终可以被提供给显示器11来显示图像。同样，优选通过控制单元9来控制该图像处理设备。
在下面，将更加详细地说明依照本发明提出的图像处理。图像处理设备10的输入是对于多个、至少三个能量元的能量分辨探测信号di。这些探测信号di示出第i能量元bi的光谱灵敏度Di(E)。此外，通常多色X射线管2的发射光谱T(E)是已知的。在图像处理设备中，尤其是在计算单元12中，扫描对象随后被建模为光谱P(E)的光电效应、光谱C(E)的康普顿效应、以及所关注能量范围中K边缘和光谱K(E)的物质(例如造影剂)的线性组合。
在图2中示例性地示出对于碳的光谱P(E)、C(E)和T(E)。在图3中示出包括钆的K边缘、与能量相关的光谱。在每个探测信号di中，对于每个分量的密度长度的积，尤其是对于光效应分量p，康普顿效应分量c以及K边缘分量k来说，就这样以离散线性系统的方式建模为：
di＝∫dE T(E)Di(E)(p P(E))+c C(E)+k K(E))。
由于对于至少三个能量元b1-b3来说，至少有三个探测信号d1-d3可用，因此就形成具有三个未知量的至少三个方程的方程组，该未知量可以通过计算单元12中的已知数值计算方法求解。如果有多于三个可用能量元，优选使用最大似然方法，其考虑测量的噪声特征。这就导致尤其对于p，c和k分量来说，可以随后在重建单元13中使用，以通过常规重建方法来重建所需的分量图像，尤其是用于重建K边缘图像。
通常，三个能量元是足够的。然而，为了增加灵敏度和噪声鲁棒性，优选具有较高能量分辨率，即，具有对于更多能量元的更多探测信号。
图4示出用于模拟的数学模型。该模型包括充有水的圆柱体。该圆柱体包括七个较小圆柱体，较小圆柱体中具有不同浓度的显影剂(钆双铵C16H13GdN5O8，具有约5787g/mol的分子量)。使用这个模型已经做出了计算机模拟的光谱CT测量。依照本发明的方法来处理获得的数据。结果如图5所示。
图5A示出对于Gd的K边缘图像。图5B示出计算出的水的图像，其中应该只示出水。从图5A所示可以看出，除了假象(artefacts)之外，K边缘图像很正确地示出在小圆柱体中的造影剂的不同浓度。水图像的小圆柱体中不同的灰度值(图5B)示出没有被造影剂取代的剩余部分的水。
本发明使得可以直接测量注入病人体内的造影剂。如上所述，很多不同的临床上的应用因此成为可能，并且不需要很高的技术难度，诸如单色X射线源。

Claims (10)

1.一种CT成像系统，用于对所关注对象中存在的物质进行成像，该系统包括：
多色X射线源(2)，用于发射多色X射线辐射(4)，
能量分辨X射线探测器(6)，用于探测穿过所述对象之后的X射线辐射(4)，并提供对于多个能量元(bi)的多个能量分辨探测信号(di)，
计算单元(12)，使用将探测信号描述为所述物质的K边缘效应、光电效应和康普顿效应的组合的所述探测信号(di)的模型，通过求解对所述多个能量分辨探测信号(di)的方程组来确定所述物质的K边缘分量(k)，其中每种效应对所述探测信号贡献相应的分量(p，c，k)，以及
重建单元(13)，用于根据在不同探测器位置获得的所述物质的计算的K边缘分量(k)，来重建所述物质的K边缘图像。
2、如权利要求1所述的CT成像系统，
其中，所述能量分辨探测器(6)用于对至少三个不同的能量元(bi)提供至少三个能量分辨探测信号。
3、如权利要求1所述的CT成像系统，
其中，所述计算单元(12)用于使用数值计算方法，尤其是最大似然方法来求解所述方程组。
4、如权利要求1所述的CT成像系统，
其中，所述计算单元(12)用于使用这样一种模型，其中该模型考虑所述多个能量元中每个的所述X射线源(2)的发射光谱以及所述X射线探测器(6)的光谱灵敏度。
5、如权利要求1所述的CT成像系统，
其中，所述物质是注入所述所关注对象的造影剂，所述所关注对象具体可以是病人。
6、如权利要求5所述的CT成像系统，
其中，所述造影剂包括碘或钆。
7、如权利要求1所述的CT成像系统，
其中，所述计算单元(12)用于通过求解所述多个能量分辨探测信号(di)的所述方程组，来确定所述光电效应分量和/或所述康普顿效应分量，以及
其中，所述重建单元(13)用于根据在不同探测器位置获得的所述计算的光电效应分量和/或所述康普顿效应分量，来重建光电效应图像和/或康普顿效应图像。
8、一种在CT成像系统中使用的图像处理设备，该CT成像系统用于对所关注对象中存在的物质进行成像，给所述图像处理设备提供对于多个能量元(bi)的多个能量分辨探测信号(di)，通过能量分辨X射线探测器(6)来探测多色X射线源发出的、穿过所述对象之后的多色X射线辐射(4)，从而获得所述探测信号，该设备包括：
计算单元(12)，使用将探测信号描述为所述物质的K边缘效应、光电效应和康普顿效应的组合的所述探测信号(di)的模型，通过求解对所述多个能量分辨探测信号(di)的方程组来确定所述物质的K边缘分量(k)，其中每种效应对所述探测信号贡献相应的分量(p，c，k)，以及
重建单元(13)，用于根据在不同探测器位置获得的所述物质的计算的K边缘分量(k)，来重建所述物质的K边缘图像。
9、一种在CT成像系统中使用的图像处理方法，该CT成像系统用于对所关注对象中存在的物质进行成像，给所述图像处理方法提供对于多个能量元(bi)的多个能量分辨探测信号(di)，通过能量分辨X射线探测器(6)来探测多色X射线源(2)发出的、穿过所述对象之后的多色X射线辐射(4)而获得所述探测信号，所述方法包括下面的步骤：
使用将探测信号描述为所述物质的K边缘效应、光电效应和康普顿效应的组合的所述探测信号(di)的模型，通过求解对所述多个能量分辨探测信号(di)的方程组来确定所述物质的K边缘分量(k)，其中每种效应对所述探测信号贡献相应的分量(p，c，k)，以及
根据在不同探测器位置获得的所述物质的计算的K边缘分量(k)，来重建所述物质的K边缘图像。
10、一种计算机程序，包括程序代码模块，在计算机上运行所述计算机程序的时候，该程序代码模块使得计算机执行权利要求9所述方法中的步骤。
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