CN102047768B - 用于能谱成像的快速切换的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种系统包括配置成输出至少一个电压水平的发生器和配置成产生引导朝向对象的x射线的x射线源。该系统包括耦合于该发生器的输出和该x射线源的输入并且配置成在第一电压水平和第二水平之间切换对x射线源的输出或辅助该切换的模块。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是2008年3月26日提交的美国临时申请序列号61/039,466的非临时性申请，并且要求其优先权益，其的公开结合于此。
技术领域
本发明大体上涉及诊断成像，并且更加具体地涉及用于在现有CT成像系统中快速双kVp切换的方法和设备。
背景技术
典型地，在计算机断层摄影(CT)成像系统中，x射线源朝受检者或对象(例如患者或一件行李)发射圆锥形射束。在下文中，术语“受检者”和“对象”应包括能够被成像的任何东西。射束在由受检者衰减后照射到辐射检测器的阵列上。在该检测器阵列接收的衰减射束辐射的强度典型地取决于受检者对x射线射束的衰减。检测器阵列的每个检测器元件产生指示由每个检测器元件接收的衰减射束的单独电信号。电信号被量化并且传送到数据处理系统用于分析，其最终产生图像。
一般，x射线源和检测器阵列绕成像平面内的机架(gantry)并且围绕受检者旋转。X射线源典型地包括x射线管，其从焦点发射x射线射束。X射线检测器典型地包括用于准直在检测器接收的x射线射束的准直器、邻近该准直器用于将x射线转换为光能的闪烁器(scintillator)和用于从该邻近的闪烁器接收光能并且由此产生电信号的光电二极管。
典型地，闪烁器阵列的每个闪烁器将x射线转换为光能。每个闪烁器将光能释放到邻近其的光电二极管。每个光电二极管检测光能并且产生对应的电信号。光电二极管的输出被量化然后传送到用于图像重建的数据处理系统。
CT成像系统可包括能量区分(ED)、多能(ME)和/或双能(DE)CT成像系统，其可称为EDCT、MECT和/或DE-CT成像系统。该EDCT、MECT和/或DE-CT成像系统配置成响应于不同的x射线谱。例如，常规第三代CT系统可以在x射线源的不同峰值千伏电压(kVp)水平顺序地采集x射线投影数据，该X射线源改变包括发射的x射线射束的入射光子的能量峰值和能谱。可使用能量灵敏检测器使得到达检测器的每个x射线光子的光子能量被记录。
获得这些测量的技术包括用两个不同的能谱扫描，并且根据在检测器中的能量沉积来检测光子能量。EDCT/MECT/DE-CT提供能量区分和材料表征。例如，在没有对象散射时，系统基于来自能谱中光子能量的两个区域(入射x射线谱的低能和高能部分)的信号来推导处于不同能量的行为。检测到的来自两个能量区域的信号提供足够信息以解析正成像的材料的能量依赖性(energy dependence)。此外，检测到的来自两个能量区域的信号提供足够信息以确定由两个假定材料构成的对象的相对成分(composition)。
双能扫描的基本目的是通过利用在不同能谱的两个扫描获得增强图像内的对比分离的诊断CT图像。对于工业检查系统，该信息允许对扫描对象的材料特定性质的表征。已经提出许多技术以获得双能扫描，其使用例如闪烁器等非能量区分检测器。这样的技术可包括在扫描要求围绕受检者的两个旋转的情况时按时间顺序紧接地采集两个扫描，或采集作为要求围绕受检者的一个旋转的旋转角的函数的交叉(interleave)的两个扫描，其中管以例如80kVp和140kVp电势操作。高频发生器使得能够在交替查看上切换x射线源的电势。结果，双能投影数据(高和低能投影数据)可采用时间上交叉方式获得，而不是相隔若干秒的两个单独扫描，如与以前的CT技术要求的。以互相相隔若干秒进行单独扫描引起由患者运动(外部患者运动和内部器官运动两者)以及在例如用于共线对象检查等的螺旋扫描的情况下不同的圆锥角所导致的数据集之间的错误配准(mis-registration)。并且，一般来说，常规的两遍双kVp技术在必须对运动中(例如在行李扫描器中)的身体特征或对象特征解析小细节的情况中不能可靠地应用。
尽管通过高频发生器切换x射线源电势解决了有关常规两遍双能扫描的问题中许多，这样的配置并不总是提供某些成像应用所需要的切换速度。例如，心脏成像和例如安全和工业检查等某些低电流成像应用不能通过用高频发生器简单地切换x射线源电势有效地进行。常常，在高频发生器和x射线源之间的切换操作电势的响应时间中存在延迟，其部分因为连接这些装置x射线管和电缆的电容和低x射线管电流水平。
使用上文描述的双kVp切换技术，高压发生器通过高压电缆直接耦合于例如x射线管等x射线源。尽管高压发生器可以是能够在两个不同电压水平之间切换以进行双kVp成像的双级发生器，该切换典型地受电容和其他效应影响。即，在从第一(低)电压或第一kVp水平切换发生器到第二(高)kVp水平中的上升时间由高压发生器的功率限制并且对于在许多医学和安全应用中的有效双kVp成像可能是太慢的。同样地，在切换高kVp到低kVp水平之间的下降时间一般非常慢，其有效地减小应用的能谱的能量分隔，从而引起减小的材料规范灵敏度和因此产生双kVp成像的有效性。如此，这些不足的切换速度常常导致在重建图像中的投影数据对错误配准和条纹伪像。
因此，设计设备和方法以提供适合的双kVp切换将是可取的。
发明内容
本发明是克服上文提到的缺点的快速kVp切换的针对方法和设备。
根据本发明的一个方面，系统包括配置成输出至少一个电压水平的发生器和配置成产生引导朝向对象的x射线的x射线源。该系统包括耦合于该发生器的输出和该x射线源的输入并且配置成在第一电压水平和第二水平之间切换或辅助切换对x射线源的输出的模块。
根据本发明的另一个方面，以多个能谱采集成像数据的方法包括输入至少一个电压到模块(该模块可连接到x射线源)，并且耦合模块到x射线源以及输出第一电压到x射线源。该方法进一步包括从x射线源朝对象投射使用第一电压产生的x射线能谱的第一射束，并且采集第一测量投影数据集，使用电路模块从第一电压切换到第二电压，从x射线源朝对象投射使用第二电压产生的x射线能的第二射束，并且采集第二测量投影数据集，以及从第一和第二测量投影数据集重建至少一个表示图像。
根据本发明的再另一个方面，成像系统包括具有用于接纳要扫描的受检者的开口的机架、配置成朝该受检者投射具有多个能量的x射线的x射线源、耦合于该x射线源并且配置成产生至少一个电压的发生器、耦合在该发生器和该x射线源之间并且配置成提供第一电压和第二电压之间的切换或辅助于该切换使得当施加第一电压时产生具有第一能谱的x射线并且当施加第二电压时产生具有第二能谱的x射线的电路模块，和计算机。该计算机配置成从处于第一能谱和处于第二能谱的x射线采集成像数据。
这些和其他的优势和特征将通过下列与附图结合提供的本发明的优选实施例的详细说明更加容易理解。
附图说明
图1是CT成像系统的绘画视图。
图2是在图1中图示的系统的框示意图。
图3是根据本发明的实施例的快速kVp电压波形的示意框图。
图4是根据本发明的实施例的快速kVp切换配置的图示。
图5是根据本发明的实施例的切换内插器电路(interposer circuit)的示意图。
图6是根据本发明的实施例的快速kVp切换配置的示意框图。
图7是根据本发明的实施例的快速kVp切换配置的示意框图。
图8是根据本发明的实施例的用于与非侵入式包裹检查系统一起使用的CT系统的绘画视图。
具体实施方式
本发明的实施例的操作环境关于64-层片计算机断层摄影(CT)系统描述。然而，本领域内技术人员将意识到本发明的实施例同样可应用于与其他多层片配置一起使用。此外，本发明的实施例将关于x射线的检测和转换描述。然而，本领域内技术人员将进一步意识到本发明的实施例同样可应用于其他高频电磁能的检测和转换。本发明的实施例将关于“第三代”CT扫描器描述，但同样可与其他代CT系统应用。另外，描述x射线管和检测器围绕正成像的对象旋转，但也设想其中检测器和x射线源保持固定并且对象旋转的备选配置。此外，尽管在CT系统的上下文中论述，这些技术也同样可应用于在医学和工业射线照相(radiographic)应用中使用的投影x射线成像。
参照图1，计算机断层摄影(CT)成像系统10示为包括代表“第三代”CT扫描器的机架12。机架12具有朝在机架12的对边上的检测器组件或准直器18投射x射线射束的x射线源14。现在参照图2，检测器组件18由多个检测器20和数据采集系统(DAS)32构成。该多个检测器20感测通过内科患者22的投射x射线16，并且DAS32将该数据转换为数字信号用于随后处理。每个检测器20产生模拟电信号，其表示照射x射线射束、因此即是当它通过患者22时衰减的射束的强度。在采集x射线投影数据的扫描期间，机架12和安装在其上的部件绕旋转中心24旋转。
机架12的旋转和x射线源14的操作由CT系统10的控制机构26支配。控制机构26包括x射线控制器28和发生器29(其提供功率和定时信号给x射线源14)和机架马达控制器30(其控制机架12的转速和位置)。图像重建器34从DAS32接收取样并且数字化的x射线数据并且进行高速重建。该重建的图像作为输入应用于计算机36，其存储图像在大容量存储装置38中。
计算机36还通过控制台40从操作者接收命令和扫描参数，该控制台40具有例如键盘、鼠标、语音激活控制器或任何其他适合的输入设备等操作者界面的某个形式。关联的显示器42允许操作者观察来自计算机36的重建图像和其他数据。操作者提供的命令和参数由计算机36使用以提供控制信号和信息给DAS32、x射线控制器28和机架马达控制器30。另外，计算机36操作工作台马达控制器44，其控制机动化的工作台46以定位患者22和机架12。特别地，工作台46移动患者22全部或部分通过图1的机架开口48。
现在参照图3，示出根据本发明的快速kVp切换配置的示范性实施例。系统200包括耦合于高压电缆220的高压发生器210。高压发生器210配置成产生至少一个电压水平。系统200包括耦合在高压电缆220和x射线管240之间的内插器电路230。在本发明的实施例中，x射线管240可以是例如单阴极或双阴极x射线管。内插器电路230配置成在第一电压水平和第二电压水平之间快速切换或辅助该切换。在第一电压水平和第二电压水平之间的该快速切换大大减小可能在重建图像中出现的投影对错误配准和所得伪像，由此改进扫描对象的材料分解和有效原子序数确定。
仍然参照图3，如上文描述的，内插器电路230耦合在高压电缆220和x射线管240之间。利用这样的配置，高压电缆220的负载电容最小地影响可由内插器电路230获得的切换速度。然而，内插器电路230的放置不限于在系统200中示出的配置。在本发明的实施例中，内插器电路230可以构建为可结合进入各种配置下的现有x射线系统(包括x射线系统的发生器)的模块化单元。这样的配置的示例将在本文中进一步论述。作为模块化单元，内插器电路230可放入或建入现有系统，从而消除在该示例中对x射线系统的大修或替换以实现快速双kVp成像的需要。因此，通过简单地结合模块化内插器电路230进入现有x射线系统，典型地与修改或替换现有x射线系统用于快速双kVp成像关联的成本大大降低。
图4图示根据示范性实施例的双kVp切换的图表300。一对电压水平kV_L和kV_H沿电压轴302图示并且图示第一电压305和第二电压310(其高于第一电压305)的水平。例如如上文描述的内插器电路230等内插器电路配置成在第一电压305和第二电压310之间快速切换或辅助该切换。例如，内插器电路可在例如100kVp和180kVp等电压之间快速切换或辅助该切换。图表300图示内插器电路的输出313同时在第一和第二电压305、310之间切换。尽管处于第二电压水平310的输出313可能在查看期间“下降”或降低到较低电压水平311，该下降应该不超过10kV。使接收内插器电路的输出313所连接的x射线管(例如图3的x射线管240等)发射根据第一和第二电压305、310的交替x射线谱。通过经由在不同发生器电压水平产生的交替x射线谱采集投影数据，例如扫描对象的材料成分和有效原子序数等材料特定信息可以通过已知的基础材料分解过程获得。
上升时间315和下降时间320沿时间轴304图示。根据本发明的实施例，图表300的上升时间315小于或等于大约10微秒。相似地，下降时间320也小于或等于大约10微秒。然而，在本发明的实施例中，上升和下降时间315、320不这样限制并且可大于或小于10微秒。另外，上升和下降时间315、320基于引起采集的成像数据具有投影对之间的最小错误配准的操作参数来选择。此外，在图4中示出的电压下降可远小于或大于10kV，取决于内插器设计的类型。
本领域内技术人员将容易认识到由内插器电路进行的低和高电压切换可在以机架的不同角位置扫描期间重复，使得数据的交叉模式采用在低kVp305获得的一个或多个视图和在高kVp310获得的一个或多个视图来采集。
参照图5，内插器电路的更详细视图根据本发明的实施例示出。内插器电路400包括电压输入402、分压器404、串联耦合的多个切换级410和电压输出406。每级具有一对开关Sn和Sn’、可操作成阻断反向电流的二极管Dn和电容器Cn，其中“n”对应于级数。在操作下，内插器电路400通过输入402从例如图3的高压发生器210等高压发生器接收电压，并且串联的级410实现输出406处一对电压水平之间的输入电压快速切换。即，每级410的开关Sn和Sn’由两个逻辑信号控制，其中开关Sn的断开和开关Sn’的闭合用来输出第一电压，而另一个开关Sn的闭合将电容器Cn串联连接并且用来输出第二更高电压。级410的总数取决于电压增加的大小，从而内插器电路400可以设计成满足各种电压水平要求。如同上文关于图3论述的内插器电路230一样，内插器电路400可以是模块化电路并且可以用很小花费或系统停机时间来移除、修理或替换。另外，个体级410也是模块化的并且可以容易地在内插器电路400内修理或替换。在图5中示出的实施例中，作为示例，内插器电路控制施加于x射线管的电压。
图6图示根据本发明的另一个实施例的快速kVp切换配置。系统500配置成与在图3中示出的系统200相似地操作，但其中具有内插器电路的不同放置。即，高压发生器510耦合于或与内插器电路530集成，内插器电路530进而耦合于高压电缆520。高压电缆520由此直接耦合于x射线管540。如上文关于图3论述的，模块化内插器电路530可以采用多种配置放置在x射线系统500中各处同时仍然操作以用于快速切换施加于x射线管540的电压水平。例如，高压发生器510和模块化内插器电路530可以集成为单个单元515，如在图6中虚框示出。
作为另一个示例，图7图示根据本发明的另一个实施例的快速kVp切换配置。系统600包括耦合于高压电缆620的高压发生器610。相似于上文在图3中示出的系统200，内插器电路630放置在高压电缆620后面。然而，内插器电路630不仅电耦合于x射线管640，它直接安装到x射线管640使得内插器电路630和x射线管可作为单个单元操作。内插器电路630甚至可以集成进入x射线管640自己的真空区域(没有示出)。
图8是用于与非侵入式包裹或行李检查系统一起使用的x射线成像系统700的绘画视图。该x射线系统700包括在其中具有包裹或多件行李可通过的开口704的机架702。该机架702容置高频电磁能源(例如x射线管706等)和检测器组件708。传送系统710也被提供并且包括由结构714支撑的传送带712以自动并且连续地传递包裹或行李件716通过开口704以供扫描。对象716由传送带712馈送通过开口704，然后采集成像数据，并且传送带712采用受控并且连续的方式将包裹716从开口704移走。结果，邮政检查员、行李处理者和其他安全人员可非侵入式地检查包裹716的内容中的爆炸物、刀、枪、走私货等。本领域内技术人员将认识到机架702可是固定的或可旋转的。在可旋转机架702的情况下，系统700可配置成作为CT系统操作以用于行李扫描或其他工业或医学应用。
该书面说明使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件的话则规定在权利要求的范围内。
Claims (30)
1.一种成像系统，其包括：
具有用于接纳待扫描的受检者的开口的机架；
配置成朝所述受检者投射具有多个能量的x射线的x射线源；
耦合于所述x射线源并且配置成产生一个电压的发生器；
耦合在所述发生器和所述x射线源之间的电路模块，其配置成提供第一电压和第二电压之间的切换使得当施加所述第一电压时产生具有第一能谱的x射线并且当施加所述第二电压时产生具有第二能谱的x射线，其中所述电路模块包括内插器电路；以及
计算机，其配置成从处于所述第一能谱和处于所述第二能谱的x射线采集成像数据，
其中所述内插器电路包括分压器和串联耦合的多个切换级，所述多个切换级中的每个包括：
第一开关；
第二开关；
能操作成阻挡反向电流的二极管；以及
电容器，配置成通过闭合所述第二开关而串联耦合在所述电路模块中；
其中所述第一开关和所述第二开关中的每个配置成由逻辑信号来控制，
其中每个切换级通过闭合第一开关以及断开第二开关而输出第三电压，并且通过闭合第一开关和第二开关而输出第四较高电压。
2.如权利要求1所述的成像系统，包括将所述发生器耦合于所述x射线源的高压电缆。
3.如权利要求2所述的成像系统，其中所述电路模块配置成与所述发生器、所述x射线源和所述高压电缆中的一个集成。
4.如权利要求1所述的成像系统，其中所述电路模块配置成在大约10微秒或更少中在所述电压之间交替所述x射线源的耦合。
5.如权利要求1所述的成像系统，其中所述x射线源是单阴极x射线管和双阴极x射线管中的一个。
6.一种CT成像系统，包括：
配置成输出一个电压水平的发生器；
配置成产生射向对象的x射线的x射线源；以及
电路模块，其耦合于所述发生器的输出和所述x射线源的输入并且配置成在第一电压水平和第二电压水平之间切换对所述x射线源的输出，其中所述电路模块包括内插器电路，
其中所述内插器电路包括分压器和串联耦合的多个切换级，所述多个切换级中的每个包括：
第一开关；
第二开关；
能操作成阻挡反向电流的二极管；以及
电容器，配置成通过闭合所述第二开关而串联耦合在所述电路模块中；
其中所述第一开关和所述第二开关中的每个配置成由逻辑信号来控制，
其中每个切换级通过闭合第一开关以及断开第二开关而输出第三电压，并且通过闭合第一开关和第二开关而输出第四较高电压。
7.如权利要求6所述的系统，包括计算机，其配置成：
从以所述第一电压水平产生的x射线和从以所述第二电压水平产生的x射线采集成像数据；以及
从所述成像数据重建至少一个图像。
8.如权利要求6所述的系统，包括耦合在所述x射线源和所述发生器之间的高压电缆。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述电路模块耦合在所述发生器和所述高压电缆之间。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述电路模块耦合在所述高压电缆和所述x射线源之间。
11.如权利要求8所述的系统，其中所述电路模块配置成直接安装到所述x射线源。
12.如权利要求8所述的系统，其中所述电路模块配置成集成进入所述x射线源。
13.如权利要求8所述的系统，其中所述电路模块配置成集成进入所述发生器。
14.如权利要求6所述的系统，其中在所述第一电压水平和所述第二电压水平之间的切换时间大约是10微秒或更少。
15.如权利要求6所述的系统，其中所述第二电压水平的大小大于所述第一电压水平的大小。
16.如权利要求6所述的系统，其中所述电路模块能移除地集成在所述发生器和所述x射线源之间。
17.一种在多个能谱采集成像数据的方法，其包括：
输入一个电压到电路模块，所述电路模块能连接到x射线源；
耦合所述电路模块到所述x射线源并且输出第一电压到所述x射线源；
从所述x射线源朝所述对象投射使用所述第一电压产生的x射线能谱的第一射束，并且采集测量投影数据的第一集合；
使用所述电路模块从所述第一电压切换到所述第二电压，其中所述电路模块包括：内插器电路；
从所述x射线源朝所述对象投射使用所述第二电压产生的x射线能谱的第二射束，并且采集测量投影数据的第二集合；以及
从测量投影的所述第一和第二集合重建至少一个表示图像，
其中所述内插器电路包括分压器和串联耦合的多个切换级，所述多个切换级中的每个包括：
第一开关；
第二开关；
能操作成阻挡反向电流的二极管；以及
电容器，配置成通过闭合所述第二开关而串联耦合在所述电路模块中；
其中所述第一开关和所述第二开关中的每个配置成由逻辑信号来控制，
其中每个切换级通过闭合第一开关以及断开第二开关而输出第三电压，并且通过闭合第一开关和第二开关而输出第四较高电压。
18.如权利要求17所述的方法，包括在所述电路模块和所述x射线源之间耦合高压电缆。
19.如权利要求17所述的方法，其中从所述第一电压切换到第二电压包括在大约10微秒或更少中切换。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述第二电压具有大于所述第一电压的大小。
21.如权利要求17所述的方法，包括从测量投影数据的所述第一和第二集合确定所述对象的材料成分。
22.如权利要求17所述的方法，包括从测量投影的所述第一和第二集合确定所述对象的有效原子序数和密度中的一个。
23.如权利要求17所述的方法，其中所述x射线源安装在可旋转机架上并且绕待成像的对象旋转。
24.一种成像系统，其包括：
具有用于接纳待扫描的受检者的开口的机架；
配置成朝所述受检者投射具有多个能量的x射线的x射线源；
耦合于所述x射线源并且配置成产生一个电压的发生器；
耦合在所述发生器和所述x射线源之间的电路模块，其配置成提供第一电压和第二电压之间的切换使得当施加所述第一电压时产生具有第一能谱的x射线并且当施加所述第二电压时产生具有第二能谱的x射线，其中所述电路模块包括内插器电路；以及
计算机，其配置成从处于所述第一能谱和处于所述第二能谱的x射线采集成像数据，进一步地，其中所述成像系统是结合非旋转或旋转式机架的CT成像系统，
其中所述内插器电路包括分压器和串联耦合的多个切换级，所述多个切换级中的每个包括：
第一开关；
第二开关；
能操作成阻挡反向电流的二极管；以及
电容器，配置成通过闭合所述第二开关而串联耦合在所述电路模块中；
其中所述第一开关和所述第二开关中的每个配置成由逻辑信号来控制，
其中每个切换级通过闭合第一开关以及断开第二开关而输出第三电压，并且通过闭合第一开关和第二开关而输出第四较高电压。
25.如权利要求24所述的成像系统，包括将所述发生器耦合于所述x射线源的高压电缆。
26.如权利要求25所述的成像系统，其中所述电路模块配置成与所述发生器、所述x射线源和所述高压电缆中的一个集成。
27.如权利要求24所述的成像系统，其中所述电路模块配置成在大约10微秒或更少中在所述电压之间交替所述x射线源的耦合。
28.如权利要求24所述的成像系统，其中所述x射线源是单阴极x射线管和双阴极x射线管中的一个。
29.如权利要求6所述的系统，其中所述内插器电路在100kVp和180kVp的电压之间切换。
30.如权利要求6所述的系统，其中所述发生器和所述X射线源处于现有系统中。
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