CN102088907A - K边缘成像 - Google Patents
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Abstract
一种成像系统，包括发射穿过检查区域的多色辐射的辐射源(110)，以及探测穿过所述检查区域的辐射并产生指示探测的光子的能量的信号的探测器(116)。所述系统还包括能量鉴别器(122)，其基于多个不同能量阈值能量分辨所述信号，其中，所述能量阈值中的至少两个具有与置于所述检查区域内的混合物中的两种不同元素的至少两个不同K边缘能量对应的值。所述系统还包括信号分解器(132)，其将经能量分辨的信号分解为代表至少两个不同K边缘能量的至少多K边缘成分。在一个例子中，造影剂中两种不同元素的化学计量比已知并且基本恒定。
Description
下文总体涉及K边缘成像。尽管结合对计算机断层摄影(CT)的具体应用描述了K边缘成像，K边缘成像还涉及其他医学成像应用和非医学成像应用。
常规的计算机断层摄影(CT)扫描器包括相对一个或多个探测器安装在可旋转机架上的x射线管。x射线管绕位于x射线管和一个或多个探测器之间的检查区域旋转，并发射穿过检查区域和置于检查区域内的受检者和/或对象的多色(polychromatic)辐射。所述一个或多个探测器探测穿过检查区域的辐射并生成指示检查区域和置于检查区域内的受检者和/或对象的信号或投影数据。投影数据被用于重建其体积图像数据，并且该体积数据可以被用于生成受检者和/或对象的一个或多个图像。得到的图像包括通常根据对应于相对辐射强度的灰阶值来表示的像素。
灰阶值反映被扫描受检者和/或对象的衰减特性，并且一般示出诸如患者内的解剖结构、无生命对象内的物理结构等的结构。然而，因为材料对光子的吸收取决于穿过材料的光子的能量，探测到的辐射还包括频谱信息，其提供了附加信息，诸如指示受检者和/或对象的组织和/或材料的元素或材料成分(例如，原子序数)的信息。遗憾的是，常规的CT投影数据不能反映由一个或多个探测器输出的信号与在能谱上整合的能量通量成正比这一频谱特性。在频谱CT中，运用频谱特性以提供进一步的信息，诸如指示元素成分的信息。
频谱CT系统可以包括诸如直接转换CZT探测器(或CdTe、Si、GaAs等)的能量分辨光子计数探测器，这些能量分辨光子计数探测器产生其探测的每个光子的电信号，其中，此电信号指示该光子的能量。脉冲整形器处理该信号并产生具有指示探测的光子的能量的峰值幅度的电压或电流脉冲。鉴别器将脉冲的幅度与根据不同的能量级设置的一个或多个阈值进行比较。针对每个阈值，计数器计算幅度超过阈值的次数。组合器基于计数将探测的光子组合或分配到能量窗口。得到的经能量分辨的探测的光子提供可用于为探测的光子的信号进行频谱重建的信息。
K边缘成像运用了这样的事实：即相对于仅将光子衰减到K边缘能量以下，高Z元素往往将光子衰减到特定能量(给定元素的K边缘能量)以上的更高程度。元素衰减行为中的不连续性可以使用诸如上文提到的一种能量分辨光子计数探测器进行探测。一般而言，因为碘(iodine)的K边缘位于大约33keV的相当低的能量处，所有当总衰减大并且x射线谱在穿过患者后被显著硬化时，碘并不是非常适合K边缘成像。改善灵敏度的一种方法是使用具有比碘更高的Z的元素，诸如钆(gadolinium)，钆的K边缘大约为50keV。在这一能量下的射束硬化不那么重要，并且甚至对高衰减也产生相对好的结果。
然而，存在进一步改善K边缘成像中的灵敏度的尚未解决的需求。
本申请的各个方面解决了上述问题和其他问题。
根据一个方面，一种成像系统包括发射穿过检查区域的多色辐射的辐射源，以及探测穿过检查区域的辐射并产生指示探测的光子的能量的信号的探测器。该系统还包括能量鉴别器，其基于多个不同能量阈值能量分辨信号，其中，至少两个能量阈值具有与置于检查区域内的混合物中的两种不同元素的至少两个不同K边缘能量对应的值。该系统还包括信号分解器，其将经能量分辨的信号分解为代表至少两个不同K边缘能量的至少多K边缘成分。
根据另一方面，一种方法包括探测由辐射源发射的、穿过检查区域的多色辐射，以及生成指示探测的光子的能量的信号。该方法还包括基于多个不同能量阈值能量分辨该信号，其中，能量阈值中的至少两个具有与置于检查区域内的混合物中的两种不同元素的至少两个不同K边缘能量对应的值，其中，已知混合物的这两种不同元素的化学计量比。该方法还包括将经能量分辨的信号分解为代表至少两个不同K边缘能量的至少多K边缘成分。该方法还包括基于多K边缘成分和化学计量比重建多K边缘图像，以生成指示两种不同元素的体积图像数据。
根据另一方面，一种包含指令的计算机可读存储介质，当所述指令被计算机执行时，令计算机执行以下步骤：探测穿过检查区域的多色辐射；产生指示探测的光子的能量的信号；基于多个不同的能量阈值能量辨别该信号，其中，能量阈值中的至少两个具有与置于检查区域内的混合物中的两种不同元素的至少两个不同K边缘能量对应的值；以及将经能量分辨的信号分解为代表至少两个不同K边缘能量的多K边缘成分。
本领域的普通技术人员在阅读和理解下文的详细描述后，将认识到本发明的进一步方面。
本发明可以具体化为不同的部件和部件安排，以及具体化为不同的步骤和步骤安排。附图仅用于说明优选实施例，而不应理解为对本发明的限制。
图1图示说明了成像系统。
图2图示说明了范例脉冲能量鉴别器。
图3图示说明了范例成分分解器。
图4图示说明了范例多K边缘衰减曲线。
图5图示说明了方法。
参考图1，计算机断层摄影(CT)系统100包括一般为固定的机架102和旋转机架104，旋转机架104由固定机架102可旋转地支撑。旋转机架104绕检查区域106关于纵向或z轴108旋转。诸如x射线管的x射线源110由旋转机架104支撑并发射多色辐射。准直器112准直辐射束以产生穿过检查区域106的一般为锥形、扇形、楔形或其他形状的辐射束。
辐射灵敏探测器阵列116探测穿过检查区域106的光子。图示说明的探测器116是能量分辨探测器，诸如直接转换探测器(例如，Si、Ge、GaAs、CdTe、CdZnTe等)或者基于闪烁体的探测器，基于闪烁体的探测器包括与光传感器进行光通信的闪烁体。针对每个探测的光子，探测器116生成诸如电流或电压的电信号。
前置放大器118放大由探测器116输出的电信号。脉冲整形器120处理经放大的电信号并生成指示探测的光子的能量的脉冲，诸如电压或其他脉冲。能量鉴别器122能量鉴别该脉冲。在图示说明的实例中，能量鉴别器122包括比较器124，比较器124将脉冲的幅度与两个或多个不同能量阈值进行比较，该两个或多个不同能量阈值对应于不同的感兴趣能量。比较器124基于该比较产生指示光子的能量的输出信号。
阈值设置器126设置阈值。如下文更为详细的描述，阈值设置器126可以用于根据感兴趣元素，诸如对将被扫描的患者施用的造影剂中的不同造影元素的K边缘能量设置两个或多个阈值。使用调整为给定造影剂中两种或多种不同Z元素的K边缘的两个或多个阈值可以提高K边缘成像技术的灵敏度。因此，当系统100配置可调的阈值时，可能需要将阈值调为K边缘能量。当然，还可以设置阈值以区分康普顿(Compton)效应成分和光电效应成分。
计数器128基于能量鉴别器122的输出增加针对每个阈值的计数值。例如，当针对特定阈值的比较器124的输出指示脉冲的幅度超过对应的阈值时，增加针对该阈值的计数值。组合器130基于计数将信号以及因此将光子组合到两个或更多个能量组合中。能量组合包括一定的能量范围或窗口。例如，可以针对两个阈值之间的能量范围限定组合，其中，将针对较低阈值而非针对较高阈值的导致计数的光子分配到该组合中。
信号分解器132将经能量分辨的信号分解为各种能量相关成分。例如，在一个例子中，探测的经能量分辨的信号被分解为康普顿成分、光电成分以及代表造影剂中两个或多个K边缘材料的多K边缘成分。应当认识到，可以备选地使用最大似然法或另一分解技术。
重建器134选择性地重建探测的信号。在一个例子中，这包括单独地或以组合形式重建康普顿成分、光电成分和/或多K边缘成分。对于多K边缘成分而言，造影剂中造影元素的化学计量比应当是已知的并且恒定，从而根据能量特征化元素的衰减。
特征库136包括同样特征化造成多K边缘成分的元素的信息。该信息可以包括两种或更多种元素的K边缘能量、元素的化学计量比等。当重建多K边缘成分时使用这种信息，如下文更为详细的描述。
通用计算机作为操作员控制台138。控制台138包括诸如监视器或显示器的人可读输出装置和诸如键盘和鼠标的输入装置。驻留在控制台138上的软件允许操作员经由用户界面(GUI)或以其他方式与扫描器100进行交互。这种交互可以包括选取诸如多K边缘成像协议的扫描协议、设置能量鉴别阈值等。
诸如床的对象支撑物40支撑检查区域106内的患者或其他对象。对象支撑物140可移动，从而相对于检查区域106引导对象以执行扫描程序。
如上文的简要讨论，扫描器100可以用于受检者或对象内造影剂中的至少两种不同造影元素的多K边缘成分成像，其中，元素的化学计量比已知并且恒定。利用这种应用，根据至少两种不同造影元素的K边缘能量设置比较器124的至少两个阈值。下文描述了造影剂的实例，为了阐述的目的以及简明起见，该造影剂包括碘和钆两者。应当理解，本文还涵盖包括相同或更多的和/或相似的或不同造影剂材料的其他造影剂。
图2图示说明了比较器124的非限制实例，比较器124具有根据造影剂中两种不同元素的两个不同K边缘能量设置的两个阈值。如图所示，比较器124包括N个子比较器1241、…、1242、…、1243、…、124N，其中，N为等于或大于四的整数。子比较器124中的每个包括第一输入，该第一输入接收脉冲整形器120的输出。比较器124中的每个还包括第二输入，该第二输入接收对应的阈值TH1、…TH2、…TH3、…、THN。
在这一实例中，分别基于碘的K边缘能量(K边缘≈33KeV)和钆的K边缘能量(K边缘≈50KeV)设置阈值中的两个。设置另两个阈值以在康普顿效应和光电效应之间加以区分。当在造影剂中存在具有预期的K边缘的多个或不同元素时，可以相应地设置一个或多个其他阈值。例如，当造影剂包括金(K边缘≈80KeV)时，可以相应地设置阈值。一般而言，K边缘能量应当落在约25keV到约150keV的诊断成像范围内。在一个例子中，阈值设置器126基于选定的扫描协议设置阈值中的至少一个。在另一例子中，操作员使用阈值设置器126设置阈值中的至少一个。
对于比较器1241、…、1242、…、1243、…、124N中的每个而言，当输入脉冲的幅度超过相应的阈值时，比较器1241、…、1242、…、1243、…、124N的输出改变状态，例如从低到高、从0到1或其他转换。比较器124的输出被馈送给计数器128，计数器128基于状态转换为每个阈值增加计数。
图3图示说明了范例信号分解器132。下文提供了针对四个阈值情况的范例，四个阈值的情况包括可以用于在康普顿效应和光电效应之间进行区分的两个阈值、针对第一K边缘能量的阈值和针对第二K边缘能量的阈值。在这一范例中，信号分解器132针对不同能量组合接收至少三个经能量分辨的探测信号di，其中，i为整数。探测的信号di示出了第i个能量组合bi的频谱灵敏度D1(E)。此外，多色辐射源110的发射谱T(E)一般是已知的。
信号分解器132将信息建模为具有谱P(E)的光电效应、具有谱C(E)的康普顿效应以及具有谱K(E)的多K边缘造影剂的组合。在分立的系统中根据方程1对每个探测信号di中针对成分中的每个，特别是光电成分p、康普顿效应成分c和多K边缘成分k的密度长度乘积进行建模：
等式1：
dn＝∫dE T(E)Dn(E)exp(-(p P(E)+c C(E)+k K(E)))。
因为针对至少三个能量组合b1、b2和b3可以获得至少三个探测信号d1、d2和d3，形成了具有三个未知量的至少三个等式的系统，这三个未知量因此可以利用已知数值解法求出。一般而言，在这种情况下三个能量组合是足够的。然而，针对更多的能量组合使用更多的探测信号可以提高灵敏度和噪声鲁棒性。如果可获得多于三个能量组合，可以使用考虑测量的噪声统计的最大似然法。关于2007年Phys.Med.Biol.52第4679-4696页中E.Roessl和R.Proksa的“K-edge imaging in x-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors”描述了合适的最大似然法。
然后可以使用该结果，具体为成分p、c和k，以便利用常规的重建方法重建预期的成分图像，具体用于重建多K边缘成分图像。还重建了常规的CT图像以及康普顿成分图像和/或光电效应成分图像。
当造影剂中元素的化学计量比未知时，可以修改等式1从而包括针对每个K边缘的K边缘成分，例如，一个针对碘，一个针对钆等。在于2007年12月14日提交的申请序列号为PCT/IB2007/055105的专利中描述了针对独立K边缘成分的合适的分解，该申请主张于2006年12月20日提交的临时申请序列号为EP 06126653.2的权益，在此通过引用将这两者并入。
当造影剂中元素的化学计量比已知并且基本恒定时，造影剂中元素的化学计量比与元素的K边缘能量一起根据能量特征化元素的组合的衰减。因此，在重建期间使用化学计量比和K边缘能量以生成多K边缘成分图像。化学计量比和K边缘能量信息可以储存在特征库136中用以被重建器134使用。
一般而言，化学计量比和K边缘能量为元素的组合提供唯一的符号(signature)或指针(fingerprint)。这关于图4进行图示说明，图4示出了针对包括碘和钆的1∶1的混合物根据光子能量的衰减曲线400。当然，本文也涵盖其他混合比(例如，高达1∶5或更大)、另一数量的材料和/或其他材料，并且所示的包括碘和钆的混合物是为了进行阐述说明。
在图4中，x轴，即轴402，代表单位为keV的能量(E)，而y轴，即轴404，代表根据能量(E)的衰减(μ)。在406处示出了碘的K边缘(K边缘≈33KeV)并在408处示出了钆的K边缘(K边缘≈50KeV)。这样，可以通过在具有固定高度的相应的K边缘能量处的两个不连续对造影剂的衰减进行特征化。如果化学计量比不同(不是1∶1)，例如，两个单位的碘对一个单位的钆，那么图4中K边缘406和408的高度比将为两倍高。因此，曲线400可以被用作具体元素组合的唯一符号。
图5图示说明了多K边缘元素成像方法。在502中，探测由辐射源发射并穿过检查区域的多色辐射。在504中，探测的辐射基于与不同能量对应的多个阈值在不同的能量窗口间被能量分辨和组合，其中，根据在扫描患者之前提供给患者的造影剂中的至少两种元素的K边缘能量设置阈值中的至少两个。如上文论述，这可以包括四(4)个能量阈值，其中，阈值中的两(2)个根据双K边缘材料造影剂被调整为两个不同K边缘能量。在506中，能量分辨数据被分解为组成成分，包括代表与造影剂中的至少两种元素对应的K边缘能量的多K边缘成分。在508中，使用造影剂中的元素的化学计量比重建至少K边缘成分，从而生成多K边缘成分图像。
本文已经参考多个实施例对发明进行了描述。他人通过阅读本文的描述，可以发生修改和变型。其意图是将本发明解释为包括所有这些修改和变型，只要这些修改和变型在权利要求或与权利要求相当的范围内。
Claims (20)
1.一种成像系统，包括：
辐射源(110)，其发射穿过检查区域的多色辐射；
探测器(116)，其探测穿过所述检查区域的辐射并产生指示探测的光子的能量的信号；
能量鉴别器(122)，其基于多个不同能量阈值能量分辨所述信号，其中，所述能量阈值中的至少两个具有与置于所述检查区域内的混合物中两种不同元素的至少两个不同K边缘能量对应的值；以及
信号分解器(132)，其将经能量分辨的信号分解为代表所述至少两个不同K边缘能量的至少多K边缘成分。
2.如权利要求1所述的成像系统，其中，造影剂中的所述两种不同元素的化学计量比已知并且基本恒定。
3.如权利要求2所述的成像系统，还包括重建器(134)，其基于所述化学计量比重建所述多K边缘成分以生成代表所述不同材料的多K边缘图像。
4.如权利要求2或3所述的成像系统，其中，所述化学计量比处于约1∶1到约1∶5的范围中。
5.如权利要求2至4中的任一项所述的成像系统，其中，所述化学计量比和所述K边缘能量为所述两种不同元素的所述混合物提供唯一的符号。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的成像系统，其中，所述两种不同元素是单一造影剂的部分。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的成像系统，其中，所述信号分解器(132)还将所述经能量分辨的信号分解为康普顿成分和光电成分。
8.如权利要求7所述的成像系统，其中，所述重建器(134)重建所述康普顿成分和所述光电成分以生成康普顿成分图像和光电成分图像。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的成像系统，其中，所述K边缘能量在从约25keV到约150keV的范围内。
10.如权利要求1至9中的任一项所述的成像系统，其中，所述K边缘能量中的至少一个为约33keV。
11.如权利要求1至10中的任一项所述的成像系统，其中，所述K边缘能量中的至少一个为约50keV。
12.一种方法，包括：
探测由辐射源(110)发射的穿过检查区域的多色辐射；
生成指示探测的光子的能量的信号；
基于多个不同能量阈值能量分辨所述信号，其中，所述能量阈值中的至少两个具有与置于所述检查区域内的混合物中的两种不同元素的至少两个不同K边缘能量对应的值，其中，所述混合物的所述两种不同元素的化学计量比是已知的；
将经能量分辨的信号分解为代表所述至少两个不同K边缘能量的至少多K边缘成分；以及
基于所述多K边缘成分和所述化学计量比重建多K边缘图像，以生成指示所述两种不同元素的体积图像数据。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述化学计量比基本恒定。
14.如权利要求12至13中的任一项所述的方法，其中，所述化学计量比在约1∶1到约1∶5的范围中。
15.如权利要求12至14中的任一项所述的方法，其中，所述化学计量比和所述K边缘能量根据光子能量唯一地特征化所述元素的衰减行为。
16.如权利要求12至15中的任一项所述的方法，还包括将所述经能量分辨的信号分解为康普顿效应成分和光电效应成分。
17.如权利要求12至16中的任一项所述的方法，还包括重建所述康普顿成分和所述光电成分以生成指示所述康普顿成分和所述光电成分的体积图像数据。
18.如权利要求12至17中的任一项所述的方法，其中，所述混合物包括至少第三造影元素，并且还包括与所述第三造影元素对应的至少第三阈值；将所述经能量分辨的信号分解为代表所述至少三个不同K边缘能量的至少多K边缘成分；以及基于所述多K边缘成分和所述化学计量比重建多K边缘图像，以生成指示所述三种不同元素的体积图像数据。
19.一种包含指令的计算机可读存储介质，当所述指令由所述计算机执行时，令所述计算机执行以下步骤：
探测穿过检查区域的多色辐射；
产生指示探测的光子的能量的信号；
基于多个不同的能量阈值能量辨别所述信号，其中，所述能量阈值中的至少两个具有与置于所述检查区域内的两种不同元素的至少两个不同K边缘能量对应的值；以及
将所述经能量分辨的信号分解为代表所述至少两个不同K边缘能量的多K边缘成分。
20.如权利要求19所述的计算机可读存储介质，其中，当所述指令由所述计算机执行时，令所述计算机执行以下步骤：
基于造影剂中所述两种不同元素的化学计量比重建所述多K边缘成分，其中，所述化学计量比已知并且基本恒定。
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