CN101557762A - 能谱分辨的x射线成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线成像装置(100)，尤其是一种能谱CT扫描器，其包括用于生成具有在观测周期(T)内连续变化的能谱(P(E，t))的X辐射的X射线源(10)。在优选实施例中，辐射(X)根据能量相关的衰减系数μ(E，r)在对象(1)内衰减，通过探测器(20，30)的传感器单元(22)测量透射的辐射，并对所得到的测量信号(i(t))进行采样和A/D转换。优选通过过采样A/D转换器，例如，∑Δ－ADC完成这一操作。以高频对驱动所述X射线源的管电压(U(t))采样。在评价系统(50)中，能够使这些采样的测量值与对应的有效能谱(Φ(E))相关，以确定能量相关的衰减系数μ(E，r)。

Description

能谱分辨的X射线成像装置

本发明涉及一种X射线成像装置，尤其是一种能谱CT扫描器，其包括具有可变能谱的X射线源。此外，本发明还涉及一种用于生成能谱分辨的X射线图像的方法。

与常规CT扫描器相比，采用了衰减系数μ的能量依赖性的X射线CT系统扩展了应用范围。一般而言，能够重建出具有增强的对比度的图像。在这方面，US 5 661 774描述了一种具有X射线管的CT扫描器，可以向所述X射线管提供具有方波图案的两个不同的高电压。因而，能够获得对象的对应于两种不同的初级光子能谱的X射线投影。但是，高电压的迅速切换以及其与探测器读出电子器件的同步是一项不可忽视的任务，尤其是在应当取得高切换速率时。

基于这种情况，本发明的目的在于提供一种用于以变化的X射线能谱交替生成X射线图像的手段，其中，希望提高能量分辨率和/或降低硬件要求。

这一目的是通过根据权利要求1所述的X射线成像装置和根据权利要求13所述的方法实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。

原则上，根据本发明的X射线成像装置可以是任何能够生成对象的X射线投影或者由其导出的图像的X射线设备。优选地，所述成像装置是一种计算机断层摄影(CT)扫描器，其能够由从不同方向取得的对象的X射线投影重建这一对象的截面图像或3D图像。所述X射线成像装置包括下述部件：

a)用于发射具有在既定的观测周期T期间连续变化的能谱的X射线的X射线源。所述观测周期T通常对应于设置的一个“帧”，在所述设置当中，在扫描时间内取得对象的多个图像(“帧”)。尽管下述讨论将包括只有一个这样的观测周期T的情况，但是，在实践当中通常存在多个在时间上顺次相连的等长观测周期。

b)用于生成多个，即m≥2个“辐射采样值”的探测器，其中，这些采样值中的每者表示在观测周期内的不同采样间隔期间由所述探测器的传感器单元测量的X辐射的量。

对于(固态)X射线探测器而言，通过传感器单元测量X辐射的量是一项已知的过程。所述传感器单元通常对应于由大量的类似像素构成的二维阵列中的一个像素，其包括某一用于将入射的X射线光子直接或间接(即，通过次级光子)转换成诸如电流的电信号的转换器单元。然后，由这样的传感器单元提供的总电信号是对撞击到传感器单元上的X辐射的强度的测度。

原则上，所述的不同“采样间隔”可以任意分布于所述观测周期T上，但是通常优选采取等间距分布。此外，所述采样间隔的相对持续时间(又称为“占空比”)可以在两个连续的采样间隔的开始之间的可用时间的0％和100％之间变化。

c)用于确定所述X射线源的与前述采样间隔相关的有效能谱Φ_k(E)的“能谱估计单元”。所述能谱估计单元通常是由像具有相关软件的微计算机这样的数字数据处理装置实现的。此外，“有效能谱”Φ_k(E)应当反映X射线源在对应的第k个采样间隔(k＝1，......m)期间发射的初级X射线光子的能量分布。如果所述采样间隔只对应于(例如)一个时间点，则所述有效能谱将对应于这一时间点上的初级X射线光子的瞬时能谱。但是，如果所述采样间隔具有某一有限的持续时间，则相关的有效能谱将是在所述采样间隔期间占据优势的初级X射线光子的所有(变化)能谱上的某种适当的平均值。

所描述的X射线成像装置的优点在于，其利用了连续变化的X射线能谱，与现有技术中已知的准瞬间变化的能谱相比，这种能谱的实现容易得多。但是，所述连续变化的能谱暗指初级X射线射束的能谱组成在实施测量的采样间隔期间连续变化。这一问题是通过确定所述采样间隔内的有效能谱的能谱估计单元克服的。因此，以数据处理负荷为代价降低了对X射线生成硬件的要求。但是，总体来讲，能够实现相当大程度的设计简化，因为能够通过可用的微计算机和/或软件容易地实现数据处理需求。

所述X射线源可以通过不同的方式生成其可变能谱。根据一个具体的方案，所述X射线源包括具有时变能谱特性的过滤器元件。所述根据定义被放置到所述X射线源发射的X射线的路径内的过滤器元件根据其能谱特性影响最初生成的X射线光子的能量分布，其中，所述特性是时变的。过滤器元件的具体实现包括(例如)在沿其周线的横截面内具有可变吸收特性(例如，厚度)的旋转盘，在所述盘的旋转过程中，使所述横截面依次进入所述X射线光子的路径。

在所述X射线成像装置的具有实践重要性的设计当中，所述X射线源包括X射线管和用于为所述X射线管提供优选为正弦管电压的周期性管电压的相关电压发生器。与在不同的恒定电平之间迅速切换的电压相比，连续变化的管电压的生成要容易得多。在实践当中，所述连续变化的管电压U的时间变化dU/dt通常被限制到小于400kV/ms的值，优选被限制到小于100kV/ms的值，最优选被限制到小于40kV/ms的值。这放宽了硬件要求，同时允许在更短的时间尺度上实现能谱的变化。优选将这种X射线源与上述种类的时变过滤器元件结合起来，以增强能谱变化。

在所述X射线源的前述实施例中，所发射的X射线射束的能谱组成相对于所述发生器提供的管电压而发生变化。因此，所述成像装置优选包括用于测量所述发生器提供的管电压的电压传感器单元。所述能谱估计单元可以有利地采用这一电压传感器单元的测量结果，因为所述测量结果提供了有关X射线源的在所述采样间隔期间实际占据优势的能谱的实时信息。

在前述实施例的进一步演变当中，所述电压传感器单元包括用于在采样间隔(即，观测周期内的m个不同的间隔，在所述间隔内通过探测器对测量的X辐射量采样)内对电压值进行采样的电压采样单元。根据相关的加权函数g^*完成所述采样，这意味着根据下述方程每一采样值U_k对应于信号U(t)与所述加权函数g^*(t)的卷积

U_k＝∫U(t)·g^*(t-t_k)dt。

如果加权函数g^*是delta函数δ，则所述采样对应于信号U的瞬时值的拾取。如果加权函数g^*是归一化矩形脉冲，则所述采样对应于在脉冲持续时间期间对信号U求平均。一般而言，加权函数g^*在有限的间隔I以外为零(对于所有的 $t\∉I$ 而言，g^*(t)＝0)。电压采样单元(连同任何内部的过滤器)的带宽应当充分大，从而允许精确地重建任何时刻t上的管电压，其中，能够通过(例如)内插技术完成这一重建。具体而言，所述电压采样单元的带宽应当至少达到下文所述的辐射采样单元的带宽。

在前述实施例的进一步演变当中，将所述能谱估计单元设计为使其能够由模型能谱确定有效能谱Φ(E)，所述模型能谱对于各管电压而言是既定的。所述能谱估计单元能够利用所采样的管电压和模型能谱确定任何时刻上的能谱P(E，t)。在进一步的处理程序中，可以通过(例如)加权求平均结合有限时间间隔内的能谱，以得到有效能谱Φ(E)。

在上文中考虑了对X射线管的管电压的采样，而下述优选实施例则涉及探测器内的采样过程。在这一实施例中，所述探测器包括用于从传感器单元提供的连续测量信号对辐射采样值(表示所述传感器单元测量的X辐射的量)进行采样的“辐射采样单元”，其中，根据加权函数g在相关的采样间隔期间完成这一采样。如果(例如)通过i(t)表示所述连续测量信号，则如上所述，可以通过如下的卷积运算描述加权函数g的效果

i_k＝∫i(t)·g(t-t_k)dt。

加权函数g通常是读出电子器件确定的在所考虑的采样间隔之外为零的对称函数。在优选的情况下，即，在电压传感器单元以加权函数g^*采样电压值，辐射采样单元以加权函数g采样辐射采样值的情况下，函数g^*的傅里叶变换G^*(f)具有大于或等于加权函数g的傅里叶变换G(f)的带宽。

如果将所述能谱估计单元设计为使其能够由模型能谱确定有效能谱Φ(E)，所述模型能谱对于各管电压是既定的，并且如果所述探测器包括前述采用加权函数g(t)的辐射采样单元，则优选根据所述辐射采样单元的加权函数g(t)完成所述有效能谱的确定。例如，可以在针对每一时刻t确定的模型能谱P(E，t)的基础上，根据下述公式完成这一确定

Φ_k(E)＝∫P(E，t)·g(t-t_k)dt。

所述电压采样单元和/或辐射采样单元优选包括过采样模数转换器(ADC)，尤其是∑Δ-ADC。对于数字处理而言，必须通过ADC使所述管的模拟管电压和所述传感器单元提供的模拟测量信号数字化。“标准(normal)”A/D转换器通常以100％的占空比对信号x(t)采样，即，所述信号的每一值x(t)均通过某种方式为所采样值之一做出贡献。此外，根据尼奎斯特准则调整这样的ADC的带宽。相反，∑Δ-ADC能够以较低的占空比对信号x(t)采样(即，只有两个连续的采样时间t₁、t₂之间的一部分值x(t)对与所述采样时间相关的采样值x₁、x₂有贡献)，并且能够提供显著高于常规(CT)信号处理所需的带宽的带宽，因为，由于内在原因，其往往以对输入信号的过采样工作。

在所述成像装置的另一优选实施例中，所述电压采样单元和/或辐射采样单元包括用于生成m个数据流的滤波单元，其中，这m个数据流中的每者由属于不同观测周期的模拟(analogue)采样间隔的(电压或辐射)采样值构成。如果所述光子能谱(例如)在相继的观测周期上周期性地变化，并在每一观测周期期间以等间距辐射采样间隔获取辐射采样值，则第k个数据流将由所有观测周期的第k个采样值构成(1≤k≤m)。因此，每一数据流将对应于所述管电压的特定子间隔。

如到目前为止所描述的，所述成像装置包括用于生成具有连续变化的能谱的X辐射的机构、用于生成对应于在辐射采样间隔期间检测到的辐射的辐射采样值的机构以及用于估计所述采样间隔期间的辐射的有效能谱Φ(E)的机构。在所述成像装置的优选实施例中，由能够针对处于X射线源和探测器(或者更具体而言的感测单元)之间的X射线路径L内的对象的衰减系数μ(E，r)(或a_j)的模型函数

$\mathrm{\μ}(E,\underset{\‾}{r})=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{f}_j\left(E\right)\·a_j\left(\underset{\‾}{r}\right)$

确定线积分

$A_j=\underset{L}{\∫}{a}_j\left(\underset{\‾}{r}\right)\·d\underset{\‾}{r}$

的“能谱鉴别模块”对所提供的信息加以利用，其中，E是X射线光子谱，r是所考虑的对象内的位置，而f_j是描述所述衰减系数的能量相关性的既定模型函数。例如，函数f_j可以对不同的光子散射效应或者对不同的化学元素负责；于是，系数a_j将描述对象内的这些效应或者元素的空间分布，因而包括所感兴趣的信息。在从所述X射线源通过所述对象到所述探测器的相关传感器单元的X射线路径L上取得上述线积分。

到目前为止，对所述成像装置的讨论没有对接受X射线照射的对象和所述成像装置之间的相对移动做出假设。在具体情况下，可以采用来自静止的对象的不同光子能谱生成多个“简单的”X射线投影图像，其中，所述对象位于所述X射线源和其内具有传感器单元阵列的探测器之间。但是，在本发明的优选实施例中，所述成像装置包括“重建模块”，其用于由从不同的投影方向取得的位于所述X射线源和所述探测器之间的对象的X射线投影计算所述对象内的前述衰减系数μ(E，r)的整个空间分布。可以通过根据本领域技术人员公知的计算机断层摄影的原理的专用硬件或软件实现这样的重建模块。

本发明还涉及一种用于生成对象的能谱分辨的X射线图像的方法，其包括下述步骤：

a)发射具有在既定的观测周期期间连续变化的能谱的X射线。

b)在观测周期的不同采样间隔期间生成多个，即m≥2个辐射采样值，所述辐射采样值表示在某一既定的测量区域(例如，传感器单元的既定测量区域)内测得的X辐射的量。

c)估计所述X射线源的与前述采样间隔相关的有效能谱。

从一般形式的角度来讲，所述方法包括能够采用上述种类的成像装置执行的步骤。因此，关于该方法的细节、优点和改进之处，参考前面的描述。

本发明的这些和其他方面将参考下文描述的实施例变得明了且得到阐述。将借助于附图以举例方式描述这些实施例，在附图中：

图1是根据本发明的成像装置的示意图；

图2示出了根据本发明和根据现有技术的典型管电压；

图3示出了∑Δ调制器的示范性输出谱，其中，向所述∑Δ调制器施加具有一些谐波的1kHz的正弦波作为输入；

图4示出了X射线管的管电压调制以及分别采用灵活过滤器和积分过滤器对其的采样；

图5示出了由图4的管电压得到的探测器输出以及分别采用灵活过滤器和积分过滤器对其的采样。

图中的同样附图标记表示等同或类似的部件。

当今的X射线计算机断层摄影系统的关键硬件部件是生成多色X射线能谱的X射线管和探测器。通过所施加的高电压(通常为120keV到140keV)给出了X射线管的初级能谱的上限。用于CT的探测器测量通过X射线光子和次级辐射与传感器材料的相互作用生成的积分(integrated)电荷。于是，根据大量的具有不同取向的投影的测量提供了通过衰减系数μ描述的有关透射的X射线辐射的衰减的信息。

所述衰减系数μ通常取决于穿过物质的X射线光子的能量。当今的CT扫描器没有考虑衰减系数μ的能量相关性，因而可能产生所谓的射束硬化伪影。与之形成对照的是，将能谱CT系统设计为利用衰减系数μ＝μ(E，r)的能量相关性，从而通过K边缘成像获得更高的对比度(例如，通过能量加权技术)、材料分解或者对造影剂的增强的选择性。

有数个实现能谱CT系统的选项(例如，参考B.J.Heismann、S.Wirth、S.Janssen、Q.Spreiter的“Technology and image results of spectral CTsystem”，Proc.SPIE 5368，2004年，第52-59页)。

“双kV”法是能谱CT系统的一种具体实现，其中，以两个不同的电压设置(即，两个不同的初级X射线能谱)记录投影数据。“多kV”法是对双kV法的扩展，其采用了三个或更多的高电压设置。有时将采用两个或更多高电压设置的成像称为“局部化学(tomochemistry)”。双能量X射线摄影的主要应用是借助双光子吸收测定(DPA)(参考Peppler和R.Mazess的“Total body bone mineral and lean body mass by dual-photon absorptiometry，I.Theory and measurement procedure”，Calcif.Tissue Int.1981，3：353-359)和双能量X射线吸收测定(DEXA、cf.Stein、M.Walthman、J.Lazewatsky和A.Hochberg的“Dual energy X-ray bone densitometer incorporating aninternal reference system”，Radiology 1987，165：313)，以及双能量计算机断层摄影(DECT、cf.Cann、H.Genant、B.Rutt和B.Stebler的“Postprocessingdual-energy CT for accurate spinal mineral measurement”，Radiology 1983年，149：167)的准确、精密的骨骼测量。

可以采用下述方案实现双kV或多kV方法：

-采用不同的高电压设置实施数次相继的扫描(即，围绕所述对象的旋转)。在这种情况下，图像质量可能因来自患者运动的人为干扰而劣化。

-在扫描过程中，在不同的高电压设置之间实施快速切换，其中，所述X射线探测器记录针对每一旋转角和高电压设置的投影(参考W.A.Kalender等人的“Evaluation of a prototype dual-energy computed tomographicapparatus，I.Phantom studies”，Med.Phys.13(1986)334-339)。

-将两个(或更多)X射线管以及两个(或更多)探测器安装在扫描架上，并且在扫描过程中使其同时工作。

就快速高电压切换系统的技术实现而言，需要高电压调制与探测器连同其A/D转换器之间的时域匹配。在为多kV系统的探测器采取了积分模式(或电流模式)时，对X射线传感器在帧时间T期间生成的所有电荷积分。这是在时域内开矩形波串(boxcar)窗，即，在时间帧之间存在陡峭的跃迁。两个(或更多)高电压以方波的形式快速切换符合这一概念。

本发明提出了一种能谱CT系统的特殊实现。因而，其能够根据应用实现比通常的CT更高的对比度。对于必须分离对象内的两种或更多种材料的情况尤其是是这样。在一些应用当中，这一材料可以是造影剂。作为附带的结果，能够容易地校正射束硬化。本发明解决了与现有的CT中的管高电压切换技术相关的一些问题和挑战。具体而言，将避免高电压切换单元中的强暂留(strong transient)。所提出的系统优选只需要一个高电压生成单元。此外，在扫描之前或者扫描过程中不需要在高电压切换控制和探测器采样之间实现精确的时间匹配。

图1是示出了根据本发明的X射线成像装置100，例如，CT扫描器的示意图。这一成像装置100包括下述主要部件：

-用于生成具有连续(还优选周期性)变化的能谱P(E，t)的X辐射的X射线源10。

-由传感器部分20和读出部分30构成的探测器，所述传感器部分20用于测量所述X射线源10发射的X辐射，并提供对应的连续测量信号i(t)，而所述读出部分30用于读出所述测量信号i(t)，并将其转换成数字值。

-用于测量辐射源10中的实际管电压U(t)的电压传感器单元40。

-优选通过诸如工作站的数据处理装置实现的评价系统50，将所感测到的并且数字化的管电压和探测器测量结果提供给所述评价系统，以供进一步处理。

将诸如患者的身体1的待照射X射线的对象放置到X射线源10和探测器的传感器部分20之间，从而在探测器中测量通过这一对象的X辐射的透射。现在将更为详细地描述成像装置100的前述主要部件。

X辐射源10包括向X射线管12提供管电压U(t)的电压发生器11。这里由经调制的高电压U(t)替代现有技术CT扫描器中采用的X射线管所采用的恒定高电压。所述调制优选是处于频率f₁＝1/T上的正弦，其中T是“观测周期”或帧时间，或者所述调制可以是具有有限数量的频率为n·f₁(n＝2，3，4，...)的谐波的正弦。根据用于X辐射源10的具体硬件，电压升高dU/dt的典型值为150kV/ms，电压降低的典型值为40kV/ms。当前，dU/dt的最大值处于400kV/ms的范围内。

在管12中，通过本领域公知的过程生成X射线光子。这些光子的能谱根据某一函数Q(E，U)取决于管电压U，例如，所述函数可以由理论思考或测量结果建模而成。

X射线源10还包括盘13，其围绕平行于等射线(isoray)(即，平行于管12的光路)的轴旋转，并且沿其圆周具有变化的特性。当X辐射穿过这一圆周上的点时，由于该盘的旋转，其将遭遇时变能谱透射率T(E，t)。于是通过X射线管12(受到调制电压U(t)的驱动)和旋转过滤器13的组合将得到辐射源10最终发射的X射线光子X的时变能谱P(E，t)。在附图中示意性地示出了这一能谱。优选使盘旋转的角频率f_R与管电压的调制频率f₁同步，即，f₁＝n·f_R(n＝1，2，3...)。于是盘的深度分布概况与高电压的调制具有类似的频率组成。通过这种方式，盘13充当X射线过滤器，从而在一个周期内得到更强的能谱变化。例如，在采用100％占空比，即对采样值均匀求平均的采样单元中，所述实现可以是具有规则的孔图案的旋转金属盘(“斩波器”)

接下来，X射线源10发射的辐射穿过对象1，其中，可以通过空间变化的衰减系数μ(E，r)描述这一对象对所述辐射的影响，其中，r是所述对象内的位置。在所描述的设置中，这一系数的能量相关性也是我们的兴趣所在。在建模方案中，可以通过求和表达所述衰减系数

$\mathrm{\μ}(E,\underset{\‾}{r})=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{f}_j\left(E\right)\·a_j\left(\underset{\‾}{r}\right)$

其中，f_j(E)描述了不同的能量相关性(例如，由理论思考得到的)，a_j(r)描述了这些相关性在对象内的空间分布，所述分布将由X射线作用过程确定。在下文中将更为详细地描述具体的建模例子。

所述探测器的传感器部分20包括跨越传感器区域21按照二维阵列分布的多个传感器单元22或“像素”。在下文中，将只考虑一个这样的传感器单元22的读出和数据处理，但是必须记住，对于每一投影图像(帧)而言，往往必须读出和处理大量的像素。在传感器单元22中，根据一些传感器特异性能谱的能量响应D(E)将入射到传感器单元22上的X辐射转换为电信号。在下文中将对应于所吸收的X辐射的量(强度)的电信号表示为i(t)。例如，其可以对应于光电流。

检测器信号i(t)根据管电压U(t)的周期性变化而随“观测周期”T变化。典型地，通过对象1和成像装置100之间的相对移动引入探测器信号i(t)的额外变化，其中，这一移动通常发生在更为粗略的时间尺度上(约为观测周期T)。

理论上，将有可能获取某一时刻t_k上的

-所测量的探测器信号i(t_k)，

-相关的管电压U(t_k)，

-以及旋转盘13的透射率T(E，t_k)，从而

-计算在时间t_k上占据优势的X射线能谱Φ_k(E)＝P(E，t_k)，

-并使这一能谱Φ_k(E)与所测量的探测器值i(t_k)相关。

如果针对观测周期T期间的不同时刻t₁，...，t_k，...t_m执行了所述操作，则将得到对应于不同光子能谱Φ_k(E)的测量值i(t_k)。

在实践当中，由于可用硬件部件的能力有限的原因，前述程序很难实行。因此，一种更为实际的方法考虑了采用时间加权函数g(t)在有限的采样间隔(或占空比)I_k上对测量信号i(t)采样，通过所采用的采样电子器件来确定所述时间加权函数。优选采用过采样A/D转换器31在所考虑的观测周期T期间开始于时刻t₁，...t_k，...t_m的m≥2个时间间隔I₁，...I_k，...I_m内对测量信号i(t)采样，在下文中将对此予以更为详细的说明。如果将∑Δ-ADC用于这一目的，则其输出将对应于脉冲密度调制(PDM)比特流，所述比特流将由某一过滤器单元32作进一步处理。

例如，过滤器单元32由所述ADC输出生成m个数据流s₁，...s_k，...s_m并将其提供给评价系统50。这些数据流s_k中的每者由辐射采样值i_k构成，所述辐射采样值i_k对应于相继的观测周期T的等价的采样时间t_k。

通过某一ADC 41结合过滤器单元42按照与测量的探测器信号i(t)类似的方式对管电压U(t)采样。优选地，这一ADC 41和过滤器单元42具有与用于对探测器读出i(t)进行预处理的ADC 31和过滤器32相同或者更高的带宽，采用某一加权函数g^*(t)在相同的时间间隔I_k内对所述管电压U(t)采样。

将管电压的采样值U₁，...U_k，...U_m作为m个数据流提供给评价系统50内的“能谱估计模块”51。在这一能谱估计模块51内，确定有效能谱Φ_k(E)，其描述了在采样间隔I_k内实际占据优势的X辐射的能谱。例如，可以由(经过建模)的初级能谱P(E，t)确定所述有效能谱Φ_k(E)。它们尤其可以对应于所述初级能谱P(E，t)的加权时间平均值，其中，所述加权函数g(t)与对探测器信号i(t)采样所采用的加权函数相同。这保证了采用与所得到的探测器测量信号i(t)相同的权重考虑初级X射线光子的每一瞬时输入P(E，t)。

在评价系统50的“能谱鉴别模块”53中，针对每一观测周期T中的m个不同的时刻t_k，通过结合有效能谱Φ_k(E)和辐射采样值i_k来确定衰减系数μ(E，r)沿通过对象1的射线路径L的线积分。这些积分是确定上述衰减系数μ(E，r)的空间分布函数a_j(r)所必需的。

管12之上的双箭头表明，这一管(还有与其同步地探测器)往往围绕对象1旋转，从而从不同的方向生成所述对象的投影，所述投影允许重建穿过对象的横截面。这样的重建是在“重建模块”54中基于在完整扫描(即，辐射源和探测器围绕对象1的扫掠)过程中确定的所有线积分完成的。还可以根据已知的能谱CT的原理采用所述对象内的衰减系数的空间分布生成能谱加权图像。

在通过具有高带宽的ADC 31执行对来自X射线传感器材料的信号i(t)的处理时，根据ADC输出数据的能谱组成对有关X射线吸收的能量相关性的信息μ(E，r)进行编码。如果对具有m≥2个高电压设置(例如，对于双能量模式而言，m＝2)的多kV系统感兴趣，则ADC的带宽必须是m·f₁，其中f₁＝1/T是调制管电压U(T)的频率。如上所述，在过滤器单元32的最为简单的操作模式下，具有采样频率f_s＝m·f₁的ADC输出数据被扇出到m个输出数据流，这m个输出中的每者受到相移或潜伏时间ΔT_k＜T的作用，并且最终将每一输出降低采样频率(downsample)至f₁。通过这种方式，使每一输出s_k代表对应于唯一的高电压设置的探测器信号。与已知的快速kV切换的实现形成对照的是，对于上限高电压(kVp)而言，这些高电压设置并非对应于单个值。相反，其是在过滤器操作的作用下而具有类似峰值的高电压设置的混合产物。但是，可以通过模型或者通过模型连同所监测到的高电压值计算有效能谱Φ_k。

优选采用ADC对所述高电压U(t)采样，所述ADC的特征在于其带宽与对探测器像素的信号i(t)采样的那种ADC类似或更高。通过这种方式，可以实时地得到有效kVp。类似地，可以采用在所述ADC中执行的相同的操作确定采用不同kVp的X射线能谱的模型，因为将数字过滤器操作变换成软件很简单。

此外，有可能由用户动态地定义帧频率f₁＝1/T。可以通过在过滤器单元内针对新的f₁加载另一组过滤器系数而容易地调整包括过滤器单元32、42的ADC转换器31、41的频率响应。因而，有可能以能谱分辨率(其是由所鉴别的高电压设置的数量m确定的)换取读出速度方面的分辨率(即，观测周期T的长度)，反之亦然。对于混叠伪影而言，类似的论点同样成立。

在稍后的处理阶段，即，在预处理或重建之前/之后，采用来自所有输出数据流s_k的信息计算具有能谱加权的断层摄影照片。在一些文献中(例如R.E.Alvarez、A.Macovski的“Energy-selective reconstructions in X-rayComputerized Tomography”的Phys.Med.Biol.，1976年第21卷第5期，第733-744页；J.A.Fessler等人的“Maximum-likelihood dual-energytomographic image reconstruction”，Proc.of SPIE 4684(2002)，38-49)描述了由测量的投影数据的集合导出断层摄影照片的方法。在Alvarez和Macovski的文章中，将采用不同高电压设置的投影变换成另一组基函数。所述基函数可以表示(例如)被扫描对象内的材料。

为了为X射线管12提供高电压，可以采用高频切换发生器。这些发生器由高频逆变器、高电压设置变压器和高电压整流器(参考EP 716 561)构成。由于在以高频进行切换时所需的小的能量存储部件的原因，能够实现输出电压的快速变化。能够实现线性或者非线性(沿正弦曲线)的受控电压升高。只有在X射线管处于使用中并且X射线管电流使存储电容器放电时才能实现电压衰减。利用在这一时刻提供给高电压整流器堆的能量控制线性或非线性放电。正弦电压部件的调制频率取决于高电压整流器上的能量存储量。通过提高操作频率，降低了存储元件的量，因而使高调制频率和/或更高的幅度成为了可能。高电压发生器和X射线管之间的高电压电缆也制约了电压升高或下降。

图2示出了管电压U(100kV±15kV；纵轴)在时刻t上的典型进程，其中，对于采用1m的高电压电缆和240mA的管电流的高频发生器而言，采用2kHz的切换频率调制所述管电压。此外，在图中还示出了根据现有技术的在两个高电压设置之间具有强暂留的快速二元切换的曲线U′。这是通过理想化形式，即作为方波对其加以实现的。应当注意，高电压之间的暂留对应于作为对应的探测器读出系统中的积分限制的时间帧的限制。

如果需要更高的调制频率和/或调制幅度，可以采用堆栈高电压发生器拓扑结构。

曾经有人提出，可以采用∑Δ型ADC(又称为∑Δ-ADC)作为A/D转换器的实现，其覆盖了动态应用范围，并且提供了比常规CT中所需的更高的带宽(参考S.R.Norsworthy、R.Schreier和G.C.Temes的“Delta-Sigma dataconverters：theory design and simulations”，IEEE Circuits & Systems Society)。图3示出了∑Δ调制器的典型频率，其中向所述∑Δ调制器施加了具有一些谐波的1 kHz的正弦波作为输入。所述调制器是一种特殊种类的具有噪声整形功能的过采样ADC。在上述例子中，可以取(例如)f₁＝2kHz。用于能谱编码的额外的“频带”将处于2kHz和大约10kHz之间。虽然噪声随着频率的提高而增大，但是能够将能谱频带延伸至更高的频率(在这一例子中为10kHz的倍数)。但是，所述频谱的那部分将具有有限的信噪比。

可以采用标准的方法实施对过滤器单元32、42的技术实现。具体而言，可以采用现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或者数字专用集成电路(ASIC)执行滤波。

在下文中，将给出对典型的数据处理的更为详细的说明。在这一背景下，将过采样ADC 41的频率响应表示为G(f)，将对应的脉冲响应表示为g(t)。

以频率f_s＝m·f₁，(f₁＝1/T)对单个探测器像素22的电流i(t)采样。因而，如果满足了采样定理，那么对于f＞f_s/2，G(f)＝0。将经采样的量化值表示为y(t)、y(t+T_s)、y(t+2T_s)......，其中，T_s＝1/f_s。假设施加至X射线管的高电压具有下述时变波形，其中，所述时变波形具有周期T′：U(t)＝U(t+T′)。

就两个高电压之间的快速切换而言，U(t)是具有一定的时间偏差t₀的方波。对于这样的系统的实现而言，明显的后果是必须使采样与电压切换在时间上匹配，即，T＝T′，而且必须对t₀进行相应地调整。例如，可以采用主时钟实现这一时间同步，所述主时钟驱动用于数据读出以及用于高电压切换的时钟。之后，将周期T细分成m≥2个长度为T_b＝T/m的子周期。如果以100％的占空比(即，图1中的间隔I_k将相互接触)执行以频率f_s对来自X射线传感器的信号进行采样，则对应的信号处理电子器件的频率响应为在1/f_s处为零的sinc函数。

这里提出的方法提供了以任意波形实现快速高电压切换的一般方案。如上文概述的，可以对这一波形优化，以降低用于高电压切换的硬件成本，其中，优选波形为正弦波。

下述程序是用于快速kVp切换数据的获取和分析的通用算法(假设T＝T′，T_s＝T/m)：

对于t_A＝0到End_of_Scan(扫描结束)，在T的步骤中执行^***在扫描时间上连续采样

对于k＝1到m，执行^***在每一周期T内的子采样

T＝t_A+k·T_s

a)记录y(t)，

b)确定U(t)，

c)由b)确定有效初级管能谱Φ_k(E)

条件结束(endfor)

d)根据μ(E，r)模型确定系数a_j(t_A)(j＝1...J)

(例如，Alvarez-Markovski的方法)

条件结束

将可以在步骤d)中应用的Alvarez-Markovski的方法总结如下(参考所引用的R.E.Alvarez、A.Macovski的文章)：

能谱数据的评价以将衰减系数μ分解为(例如)光电效应分量、康普顿效应分量和K边缘材料分量为基础：

$\mathrm{\μ}(E,\underset{\‾}{r})=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i\left(E\right)\·a_j\left(\underset{\‾}{r}\right)=\frac{1}{E^3}{a}_1\left(\underset{\‾}{r}\right)+f_{\mathrm{KN}}\left(E\right)\·a_2\left(\underset{\‾}{r}\right)+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{Ke}}^{*}\left(E\right)\·a_3\left(\underset{\‾}{r}\right)$

通过解非线性方程组(例如，通过最大似然估计)获得出现在传感器单元22的测量信号中的沿穿过对象1的X射线路径L获得的三个线积分 $A_j=\underset{L}{\∫}{a}_j\left(\underset{\‾}{r}\right)\·d\underset{\‾}{\text{r}}$ 应当注意，基函数μ(E，r)还可以表示对象的两种不同材料，例如，水和钙中的吸收。

就管电压切换而言，Alvarez-Markovski的方法看起来如下：

$i_k={\∫S}_k\left(E\right)\·\exp \{-\frac{1}{E^3}{A}_1-f_{\mathrm{KN}}\left(E\right)\·A_2-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{Ke}}^{*}\left(E\right)\·A_3\}\mathrm{dE},k=\mathrm{1,2},...m$

其中，S_k(E)表示与探测器响应D(E)相乘的不同初级能谱Φ_k(E)。假设探测量子效率为100％，则S_k(E)＝Φ_k(E)。

如上所述，对于管电压的方波切换而言，假设使采样间隔T_s与间隔T_b同步，在所述间隔T_b内，所述高电压具有其上限或下限值。之后，通过采用时间t上的高电压设定点或者通过监测时间t上的施加电压U来实现所述通用算法的模块b)。步骤c)中的对应的有效初级管能谱Φ_k(E)是(例如)采用在时间t上应用的模型计算的。在这种情况下可以在扫描之前计算模块c)，或者，模块c)可以是固件的一部分，从而使模块c)的执行是对这一管能谱数据的检索。

要想结合任意形状的高电压切换序列，必须采取下述措施：

-采用具有频率响应G(f)的ADC执行所述通用程序的步骤a)中的对探测器信号i(t)的采样。

-采用具有相同带宽或者更高带宽的信号处理单元确定所述通用程序的步骤b)中的管高电压U(t)。

-相应地计算所述通用程序的步骤c)中的有效初级管能谱Φ_k(E)。与这

一能谱具有单个峰值能量(即，单个高电压)的方波情况相反，现在对应于一个采样间隔I_k的初级能谱表示峰值能量的分布。在以100％的占空比对信号i(t)采样的情况下，即，脉冲响应g(t)具有矩形(“矩形波串”)形状的情况下，Φ_k(E)表示初级管能谱P(E，t)的均值，所述初级管能谱具有在某一间隔内满足E1＜E_峰值＜E2的峰值能量E_峰值。

如果信号处理电子器件G(f)具有灵活的频率响应，则脉冲响应g(t)可能显著偏离矩形波串形状。在这种情况下，针对采样点t_k对Φ_k(E)的计算结果是管能谱的加权(即，采用g(t)加权的)平均值。

这里提出了用于计算前述情况下的管能谱加权平均值的替代方法：

方法1：

构建一种管电压的连续时间模型U_模型(t)并使之与管能谱模型Q(E，U)结合。使所得到的管能谱模型P(E，t)与探测器的脉冲响应卷积最终给出了针对由模块b)的执行而得到的每一管电压U(t)的理论能谱Φ_k(E)。需要指出的重要的一点是，这是一个必须执行的相当复杂的程序，不能通过取得对应于采样时间t上的峰值能量E_峰值的能谱来计算能谱Φ_k(E)，因为过滤器操作需要线性时不变系统(LTI系统)，而且X射线透射的能量相关性是非线性的。

如果管电压切换的波形是对称的，就可以应用这一方法(在X射线CT中，由于需要线性相位过滤器，因而g(t)必须是对称的；而线性相位又是强制性的，因为所述相位对应于在重建之后将被转换成空间信息的扫描架旋转角)。

如果将旋转盘13安装到X射线管和对象之间，并且旋转频率等于高电压调制的频率f₁，则初级能谱Φ_k(E)将受到所述旋转盘的透射特性的修改。就高电压而言，建立针对透射率的连续时间模型T(E，t)，并使之与对应的管能谱相乘，从而得到这一情况下的P(E，t)。再与g(t)卷积将给出所得到的针对考虑当中的采样数据的有效能谱Φ_k(E)。优选对T(E，t)加以选择，从而使所得到的有效能谱Φ_k(E)尽可能是正交的。

方法2：

第二种方法是G(f)具有矩形波串形状的方法1的特例。这意味着，采用最低占空比(→0％)执行对i(t)和U(t)的采样。在图4和图5中对此进行了直观表示，其示出了具有高电压调制U(t)(图4)和对应的探测器输出i(t)(图5)的能谱CT系统的示范性操作。考虑两种信号处理电子器件。第一种是采用积分器型过滤器IF执行采样，即，在积分周期上对信号求平均。第二种是采用一种灵活的过滤器FF，在这一例子中，所述过滤器在频域内具有矩形波串形状，即，时间t上的采样数据点反映了时刻t上的量化数据值。

正如方法1中那样计算能谱Φ_k(E)。方法2的优点在于，由于G(f)的均匀响应和所得到的低采样占空比的原因，能够在任何时间点t上以高精确度重建(内插)探测器的信号。可以采用标准的数字信号处理方法执行这一操作。因而，没有必要调整高电压调制和探测器信号的采样之间的相位关系t₀。应当注意，在X射线CT中，优选采用sinc型频率响应G(f)。因而，在内插之后，向y(t)应用附加的过滤器操作G(f)，并且与前述方法中一样，向连续时间模型U_模型(t)应用所述附加的过滤器操作G(f)。

还可以采用上述方法2去除T＝T′的约束条件。如果假设探测器的采样和管切换不是理想同步的，但是T≈T′，那么平均来讲，可以得到与T＝T′时相同的能谱信息。此外，将没有必要对相位t₀进行调谐。

方法3

在第三种方法3中，与将采用Alvarez-Markovski方法提取的系数的数量n的情况相比，采用更高的数据点数量实施对m个探测器数据的子采样，其中，所述提取系数为：A₁，...A_n，m＞n。否则，采用与方法2中相同的技术。作为最后的步骤，应用最大似然法提取系数A₁，...A_n(参考上述R.E.Alvarez、A.Macovski的文献)。例如，对于n＝2而言，A₁和A₂可以分别表示“光电效应图像”和“康普顿效应图像”，其中，后一种图像允许对电子密度进行定量测量。

再次强调，方法3不需要高电压切换和X射线探测器之间的不同。一般而言，可以通过选择切换波形实现粗略对应于子采样探测器信号之间的最大正交性的最大高电压调制深度。应当强调的是，在采用大致具有矩形波串型频率响应G(f)的探测器转换器对探测器数据和管电压采样之后，可以应用标准的数字信号处理方法对数据进行预处理，以实现包括能谱信息的最佳图像质量。

可以将上述系统和方法应用于任何成像领域，例如：

-当前采用X射线CT系统的医学成像领域。很多临床应用都将受益于增强的对比度分辨率，尤其是当所述系统与造影剂结合时。在CT血管应用中，能够使钙化更加直观。

-在无创试验领域，因为能够在处理阶段执行材料分解。

-在使行李扫描系统具有更高的材料选择性国土安全领域。

最后要指出的是，在本申请中，“包括”一词不排除其他元件或步骤的存在，“一”并不排除多个，且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明体现在每个新颖的特征要素和特征要素的每种组合中。此外，权利要求中的附图标记不应被视为对其范围的限制。

Claims (13)

1、一种X射线成像装置(100)，尤其是一种CT扫描器，包括

a)用于发射具有在既定的观测周期(T)期间连续变化的能谱(P(E，t))的X射线(X)的X射线源(10)；

b)用于生成多个，即m≥2个辐射采样值(i_k)的探测器(20，30)，所述辐射采样值表示在所述观测周期(T)内的不同采样间隔(I_k)期间由所述探测器的传感器单元(22)测得的X辐射的量；

c)用于确定所述X射线源(10)的与所述m个采样间隔(I_k)相关的有效能谱(Φ_k(E))的能谱估计单元(51)。

2、根据权利要求1所述的X射线成像装置(100)，

其特征在于，所述X射线源(10)包括具有时变能谱特性(T(E，t))的过滤器元件(13)。

3、根据权利要求1所述的X射线成像装置(100)，

其特征在于，所述X射线源(10)包括X射线管(12)和用于向所述X射线管(12)提供优选为正弦管电压的周期性管电压(U(t))的相关发生器(11)。

4、根据权利要求3所述的X射线成像装置(100)，

其特征在于，其包括用于测量所述管电压(U(t))的电压传感器单元(40)。

5、根据权利要求4所述的X射线成像装置(100)，

其特征在于，电压传感器单元(40)包括用于在所述采样间隔(I_k)期间对电压值(U_k)进行采样的电压采样单元(41)。

6、根据权利要求5所述的X射线成像装置(100)，

其特征在于，所述能谱估计单元(51)从模型能谱确定所述有效能谱(Φ_k(E))，所述模型能谱对于各管电压(U(t))是既定的。

7、根据权利要求1所述的X射线成像装置(100)，其特征在于，所述探测器包括用于根据相关加权函数(g(t))从连续测量信号(i(t))中对所述采样值(i_k)进行采样的辐射采样单元(30)。

8、根据权利要求6和7所述的X射线成像装置(100)，

其特征在于，所述能谱估计单元(51)根据所述辐射采样单元(31)的加权函数(g(t))确定所述有效能谱(Φ_k(E))。

9、根据权利要求5或7所述的X射线成像装置(100)，

其特征在于，所述电压采样单元(40)和/或所述辐射采样单元(30)包括过采样A/D转换器，尤其是∑Δ-ADC。

10、根据权利要求5或7所述的X射线成像装置(100)，

其特征在于，所述电压采样单元(40)和/或所述辐射采样单元(30)包括过滤器单元(42，32)，其用于生成由属于不同观测周期(T)的模拟采样间隔(I_k)的采样值(U_k，i_k)构成的m个数据流。

11、根据权利要求1所述的X射线成像装置(100)，

其特征在于，其包括能谱鉴别模块(53)，所述能谱鉴别模块用于针对处于X射线源(10)和探测器(20)之间的X射线路径L内的对象(1)的衰减系数μ的模型函数

$\mathrm{\μ}(E,\underset{\‾}{r})=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{f}_j\left(E\right)\·a_j\left(\underset{\‾}{r}\right)$

确定线积分 $A_j=\underset{L}{\∫}{a}_j\left(\underset{\‾}{r}\right)\·d\underset{\‾}{r},$

其中，E是X射线光子能量，r是所述对象内的位置，而f_j是既定函数。

12、根据权利要求1所述的X射线成像装置(100)，

其特征在于，其包括重建模块(54)，所述重建模块用于由从不同的投影方向取得的处于X射线源(10)和探测器(20)之间的X射线路径(L)内的对象(1)的X射线投影计算这一对象的衰减系数μ。

13、一种用于生成对象(1)的能谱分辨的X射线图像的方法，包括如下步骤

a)发射具有在既定的观测周期(T)期间连续变化的能谱(P(E，t))的X射线；

b)生成多个，即m≥2个辐射采样值(i_k)，所述辐射采样值表示在所述观测周期内的不同采样间隔(I_k)期间在既定的测量区域(22)中测得的X辐射的量；

c)估计所发射的X射线的与所述采样间隔相关的有效能谱(Φ_k(E))。

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