CN102395901B - 光谱成像 - Google Patents

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Abstract

一种成像系统包括闪烁体阵列(202)和数字光电倍增器阵列(204)。光子计数通道(212)、积分通道(210)和矩生成通道(214)处理所述数字光电倍增器(204)的输出信号。重建器(122)对第一、第二和第三输出信号进行光谱解析。在一个实施例中，仅在辐射通量低于预定阈值的情况下，控制器(232)激活所述光子计数通道(212)以处理所述数字信号。成像系统包括至少一个直接转换层(302)和至少两个闪烁体层(304)和对应的光电传感器(306)。光子计数通道(212)处理所述至少一个直接转换层(302)的输出，且积分通道(210)和矩生成通道(214)处理所述光电传感器的相应输出。重建器(122)光谱解析所述第一、第二和第三输出信号。

Description

光谱成像
技术领域
以下内容大体涉及光谱成像，并在光谱计算机断层扫描(CT)中有具体应用。然而，它还可以适用于其他医学和非医学的应用。
背景技术
常规的积分计算机断层摄影(CT)扫描器通常包括与探测器阵列相对的安装在可旋转台架上的X射线管。所述X射线管围绕检查区域旋转并发射多波长辐射穿过所述检查区域。所述探测器阵列接收穿过所述检查区域的辐射并产生表示所述辐射的包括光谱信息的信号。
遗憾的是，在积分模式中，在每个积分周期期间在整个能谱对这一信号进行积分，产生表示对于每个积分周期的平均强度值的信号，而所述光谱信息丢失了。重建平均信号以产生体积图像数据，可以处理所述体积图像数据以产生所扫描的受试者或对象的图像。这样的图像通常包括用与相对辐射密度对应的灰度值来表示的像素，所述辐射密度反映所扫描的受试者或对象的衰减特性。
已提出多种技术来调节在探测器信号中的光谱信息。然而，在调节探测器信号中的光谱信息的其他技术中存在未解决的需求。
发明内容
本申请的各方面解决了以上提出的问题和其他问题。
依照一个方面，一种成像系统包括探测器阵列，所述探测器阵列具有接收放射线并产生表示所述放射线的光信号的闪烁体阵列和光学耦合到所述闪烁体阵列来接收所述光信号并产生表示所述光信号的数字信号的数字光电倍增器阵列。预处理器包括处理所述数字信号并产生第一输出信号的光子计数通道、处理所述数字信号并产生第二输出信号的积分通道和处理所述数字信号并产生第三输出信号的矩生成通道。重建器对所述第一、第二和第三输出信号进行光谱解析。
根据另一方面，一种成像系统包括具有至少一个光子计数层和至少两个闪烁体层以及对应的光电传感器的探测器阵列。预处理器包括处理所述至少一个光子计数层的输出并产生第一输出信号的光子计数通道、处理所述光电传感器的各输出并产生第二输出信号的积分通道和处理所述光电传感器的输出并产生第三输出信号的矩生成通道。重建器对所述第一、第二和第三输出信号进行光谱解析。
根据另一方面，一种方法包括通过成像探测器阵列中的闪烁体阵列来探测辐射和基于所探测到的辐射通过所述成像探测器阵列的数字光电倍增器阵列来产生信号。所述方法还包括如果辐射通量满足预定阈值，则通过光子计数通道处理所述信号，通过积分通道处理所述信号并通过矩生成通道处理所述信号。所述方法还包括基于所述光子计数通道、所述积分通道和所述矩生成通道的输出信号来对所探测到的辐射进行能量解析。
根据另一方面，一种方法包括通过成像探测器的一个或多个直接转换材料层来探测辐射和通过所述成像探测器的一个或多个闪烁体材料层来探测辐射，并通过一个或多个对应的光电传感器产生表示所述辐射的信号。所述方法还包括如果辐射通量满足预定阈值，则利用光子计数通道处理所述一个或多个直接转换材料层的输出，通过积分通道处理所述一个或多个光电传感器的输出，并通过矩生成通道处理所述一个或多个光电传感器的输出。所述方法还包括基于所述光子计数通道、所述积分通道和所述矩生成通道的输出信号来对所探测到的辐射进行能量解析。
附图说明
本发明可体现为多种部件和部件的组合，以及多个步骤和步骤的组合。附图仅为示出优选的实施例的目的，并不被解释为限制本发明。
图1示出了示例的成像系统。
图2示出了示例的探测器和预处理电子器件。
图3示出了另一示例的探测器配置。
图4和5示出了示例的方法。
具体实施方式
图1示出了诸如计算机断层摄影(CT)扫描器的成像系统100。系统100包括大体固定的台架102和旋转台架104。旋转台架104可旋转地由大体固定的台架支撑。辐射源106(例如X射线管)由旋转台架104支撑，且由此围绕检查区域108绕纵轴或Z轴旋转，并发射多波长辐射。源准直器等对由辐射源106发射的辐射进行准直，产生穿过检查区域108的大体圆锥形、扇形、楔形或其他形状的辐射束。
探测器阵列110对着相对于辐射源106与检查区域108相对的角度弧。所示出的探测器阵列110包括二维的探测器像素阵列。探测器阵列110接收穿过检查区域108的辐射，并产生表示所述辐射的信号。如在下面所更加详细描述的，在一个非限制性的实施例中，探测器阵列110包括闪烁体阵列(例如基于硫氧化钆(GOS)的闪烁体阵列等)，该闪烁体阵列与具有多个低噪声数字光电传感器像素的数字光电传感器阵列光学耦合。在下面描述的另一个非限制性实施例中，探测器阵列110包括一个或多个直接转换探测层(例如碲化锌镉(CZT)、碲化镉(CdTe)、硅(Si))和一个或多个闪烁体探测层。在一种变形中，可采用一个或多个快速闪烁体层作为对直接转换探测层的替代或者补充。在这两个实施例及其他实施例中，探测器阵列110输出包括光谱信息的信号，能够使用所述信号来确定对于高和低辐射通量关于在整个探测器阵列110的动态范围或探测器阵列110的动态范围的预定子部分上所探测到的辐射的光谱信息。
光谱预处理器118处理所述探测器的信号。如下面所更加详细描述的，在一个非限制性实施例中，预处理器118包括多个处理通道120，该多个处理通道120包括光子计数通道、积分通道和矩生成通道。处理通道120独立地处理来自探测器阵列110的信号，并共同产生能够在投影域(projectiondomain)和/或图像域中被光谱解析的信号集。重建器122使用光谱重建算法或光谱分解法来重建所述信号，所述光谱分解法将所述信号光谱分解以获得多种成分，例如光-电成分和康普顿成分，和/或一个或多个K边(K-edge)成分。附加地或替代地，可以执行常规的重建，并且所重建的信号可以基于随其产生的图像被光谱解析。图像生成器124能够用于产生图像。
扫描器100还包括支撑受试者(例如人类或动物)或处于检查区域108内的对象的躺椅或患者支撑物126。支撑物126是可移动的，其使操作员或系统能够在扫描之前、之中和/或之后适当地将受试者放置在检查区域108中。诸如操作员控制台128的计算系统便于用户与扫描器100交互。由操作员控制台128执行的软件应用允许用户配置和/或控制扫描器100的运行。例如，用户可以与操作员控制台128交互以选择光谱或常规的成像协议。
图2示出了一个示例性实施例，其中探测器阵列100包括光学耦合到诸如数字硅光电倍增器阵列的低噪声光电传感器阵列204的闪烁体阵列202。在所示出的实施例中，闪烁体阵列202包括多个闪烁体像素2061，2062，…，206k，…，206n(这里统称为闪烁体像素206)，光电传感器阵列204包括多个补充的数字硅光电倍增器像素2081，2082，…，208k，…，208n(这里统称为光电倍增器像素208)。光电传感器阵列204对闪烁体像素206的输出进行采样并产生表示所述输出的数字信号。
作为非限制性示例，闪烁体像素206k产生表示其上辐射碰撞的光信号，并且光电倍增器阵列208k在积分周期期间对所述光信号采样并产生表示对于所述积分周期的所述光信号的数字信号。在一个实例中，光电倍增器像素208k利用能够比积分周期更快的时间采样在采样周期期间(Tcycle＝1/fs，其中fs是预定采样频率)对所述信号采样。所述光信号由光电倍增器像素208k的单独单元进行记录，且读出电路230累计在给定的积分周期内所述光电倍增器像素208k的单元的计数数目，并产生输出信号。
2009年3月12日提交的申请号为PCT/IB2009/051034且题为“SinglePhoton Radiation Detector”的国际专利申请更加详细地描述了以上内容，所述专利申请的整个内容在此通过引用的方式合并进来。在2006年4月10日提交的申请号为PCT/IB2006/051089、题为“Digital Silicon Photomultiplierfor TOF-PET”且以WO/2006/111883公开的专利申请中论述了适当的光电传感器阵列的示例，所述专利申请的整个内容在此通过引用的方式合并进来。注意，在上述申请中，积分周期通常比在此示出的实施例中的积分周期更长。
在这一实施例中，预处理器118包括至少三个通道，该至少三个通道包括积分通道210、光子计数通道212和矩生成通道214。预处理器118(包括其通道)可以使用现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等来实现。通常，积分通道210包括对于一积分周期对探测器信号取平均的积分器216。适当的矩生成通道214包括滤波器218、乘法器220和积分器222。滤波器218滤除在输出信号中的直流(DC)分量，乘法器220被配置为对经滤波的数据取平方，且积分器222对经取平方和滤波的数据进行积分并生成在积分周期中电信号的第二(2nd)中心矩的估计。
光子计数通道212识别辐射事件。在一个非限制性实施例中，这可以利用信号整形器224、能量鉴别器226和计数器228实现。信号整形器224处理探测器输出信号并产生表示所探测到的辐射的脉冲。能量鉴别器226对所述脉冲进行能量鉴别，能量鉴别可以包括将所述脉冲的幅值与一个或多个预定能量阈值(例如对于K边(K-edge)成像的三个或四个阈值)比较。在一个实例中，能量鉴别器226产生对于每个阈值的表示所述幅值是否满足对应阈值的输出信号。计数器228对所述信号满足每个阈值的次数进行计数。计数可被放入多个能量窗中，从而允许对所探测到的光子进行光谱鉴别。在另一个实施例中，光子计数通道212还包括在信号整形器224之前处理信号的积分器。
在所示出的实施例中，光子计数通道212仅在所测量的辐射通量(其能够基于积分通道210的输出而被确定)低于预定通量阈值时被激活，该通量阈值可以对应于较低或其它通量水平。因此，对于某些通量(例如低于100万次每秒的较低的通量)，光子计数通道212能够被选择性地激活来处理探测器阵列110的输出，而对于其他通量水平光子计数通道212不被激活，其他通量水平例如处于光子计数通道212的输出可能不是十分适合光谱成像的通量水平时，例如当直接转换材料处于饱和时(如中间值(例如在1个百万次每秒和10个百万次每秒之间)和更高的通量(例如超过10个百万次每秒))。所示出的实施例包括处理积分通道210的输出并产生基于其来控制光子计数通道212的控制信号的控制器232，例如当所述通量满足预定通量阈值水平时激活光子计数通道212。在其他实施例中，可采用其他技术来估计辐射通量和/或光子计数通道在数据采集期间总是被激活。
如上讨论的，来自通道210、214和212的信号可在投影域和图像域中被光谱解析。这包括分解所述信号以获得光-电和康普顿，或者光-电、康普顿和一个或多个K边成分。在所示出的实施例中，来自通道210、214和212的信号由重建器122处理。
相对于在其中探测器阵列包括常规的光电二极管的配置而言，通过采用基于数字光电倍增器的探测器阵列110，来自电子器件的噪声相对低。这允许在探测器的动态范围的全部或实质部分中采用矩生成通道214，而不是仅在较高的通量(如当探测器阵列110被配置以常规的光电二极管时)的情况下。因此，在探测器的动态范围的全部或实质部分中可同时采用积分通道210和矩生成通道214二者。这允许在对于每个探测器像素的数据采集期间可获得至少两个不同的光谱测量结果。在较低的通量下(例如少于一(1)个百万次每秒(Mcps))，能够使用光子计数通道212来提供附加的光谱信息(作为对来自积分和矩生成通道210和214的光谱信息补充)或替代的光谱信息(替代来自积分和矩生成通道210和214中的一个或多个的光谱信息)。
虽然以上联系单个闪烁体阵列进行了描述，在另一实施例中，探测器阵列包括两(2)个或更多的闪烁体阵列。每个闪烁体阵列耦合到对应的数字光电倍增器阵列。在两层闪烁体阵列的情况下，在整个动态范围内可获得至少四(4)个独立的测量结果，且如果采用所有三个通道210、214和212，在较低的通量下可获得六(6)个独立的测量结果。这允许将所述信号进行分解以获得光-电、康普顿和K边(其需要至少三个独立的测量)成分。
图3示出了其中探测器阵列110包括多个层的实施例。所示出的探测器阵列110包括一个或多个直接转换层302和两个或更多个闪烁体层304。一个或多个直接转换层302包括层3021，…，302n，且两个或更多个闪烁体层304包括m层3041，3042，…，304m。在所示出的实施例中，所述层被相对于彼此进行布置使得直接转换层302更加靠近入射的辐射。在其他实施例中，所述层可以以其他方式布置。
在这一实施例中，直接转换层302中的至少一个的输出由光子-计数电子器件(例如联系图2在此讨论的光子-计数通道212或其他光子-计数电子器件)来处理。闪烁体层304光学耦合到相应的光电传感器306(例如光电二极管或其他光敏像素)，且光电传感器306的输出可由积分和/或矩生成电子器件(例如联系图2在此讨论的积分和/或矩生成通道210和214或其他积分和/或矩生成电子器件)进行处理。虽然所示光电传感器306在闪烁体层304的一侧，光电传感器306可被放置在闪烁体层304下方，即，在与直接转换层302相对的一侧上，或其他位置。
同时给探测器阵列110配置以直接转换层302和闪烁体层304二者允许光谱成像，包括K边成像(其需要至少三(3)个同时的独立的测量结果)。通过非限制示例的方式，假设一个配置中探测器阵列110包括一个直接转换层302(具有至少三(3)个或四(4)个能量窗)和两个闪烁体层304。当辐射通量较低时，矩生成通道的输出可能不十分适合光谱成像。然而，光子计数通道的输出提供了三(3)个同时的独立的测量结果，且积分通道的输出提供了另外两(2)个同时的、独立的测量结果。所述同时的独立的测量结果允许光谱成像，包括K边成像。
当辐射通量较高且直接转换层302处于饱和时，积分电子器件的输出提供两(2)个同时的独立的测量结果且矩生成电子器件的输出提供两个(2)同时的独立的测量结果，或者总的四(4)个同时的独立的测量结果，这将允许光谱成像，包括K边成像。因此，所示出的探测器阵列110可以在同一扫描期间针对较低和较高的辐射通量提供光谱信息，包括其中照射探测器阵列110的辐射被在检查区域中的结构高度衰减、被在检查区域中的结构轻微衰减、或者未被在检查区域中的结构衰减(例如辐射直接照射探测器阵列110而未穿过所述结构)的情况。
以上讨论了具有一个直接转换层302和两个闪烁体层304的实施例。以下描述对于具有n个直接转换层302和(N-n)个闪烁体层304的更一般的实例所测量的值M：
M k ( l ) = ∫ S inc ( E ) · ( ∫ f ( l ) ( E , E dep ) dE dep ) dE l = 1 , . . . , n ; k = 1 , . . . , N EWin ∫ S inc ( E ) · ( ∫ E dep · f ( l ) ( E , E dep ) d E dep ) dE l = n + 1 , . . . , N ; k = 1 ∫ S inc ( E ) · ( ∫ E dep 2 · f ( l ) ( E , E dep ) dE dep ) dE l = n + 1 , . . . , N ; k = 2
其中Sinc表示照射探测器阵列110的光子的能谱，f(l)(E，Edep)表示探测器响应，Edep表示对于单能量E的、照射探测器阵列110的大量光子的沉积能量，l表示探测器阵列层的号码(序列号)，k表示对于给定的积分周期对于每一模式(计数、积分和矩生成)的测量结果的号码(序列号)，而NEWin表示能量窗的计数。
虽然所示出的实施例显示了水平堆叠的层，但是这里也预期使用其他的层布置，例如垂直堆叠的层。另外，直接转换层可以由同样或不同的直接转换材料(例如CZT、CdTe、Si等)形成。在一个实施例中，可以使用快速闪烁体层替代直接转换层。类似的，闪烁体层可以由同样或不同的闪烁材料形成。此外，各层中的一个或多个的尺寸可以是相似或不同的。
探测器阵列110还可以采用kVp-开关和/或多管系统实现。利用kVp开关，所述管可以在至少两个不同的电压之间切换，这改变了发射谱。因此，探测器阵列110可以产生对应于第一发射谱的第一信号和对应于第二发射谱的第二信号。利用多管系统，每个管在不同的管电压下操作，提供对应于第一和第二发射谱的第一和第二信号。在两个实例中，可以使用所得到的信号来获得四(4)个测量结果，两个来自积分电子器件，两个来自矩生成电子器件。
图4示出了一种方法。应该理解，提供各动作的次序用于解释的目的，且该次序可以是不同的。另外，一些动作可以同时执行。在402，穿过检查区域的多波长辐射通过低噪声光电传感器(例如数字光电倍增器)来探测。在404，数字倍增器产生并输出表示所探测到的辐射的数字信号。在406，由积分通道210处理所述信号，积分通道210基于所述信号产生平均值。在408，由矩生成通道214处理所述信号，矩生成通道214基于所述信号产生更高阶的矩。在410，通过计数通道212处理所述信号，计数通道212基于辐射通量在一组预定的能量窗上解析所探测到的辐射。所述辐射通量可以基于积分通道210的输出等来确定。在412，如在此描述的那样或以其他方式，对积分通道210、矩生成通道214和/或计数通道212的输出进行光谱解析。
图5示出了一种方法。在502，通过具有一个或多个直接转换层和一个或多个闪烁体层的探测器来探测穿过检查区域的多波长辐射。在504，如果辐射通量满足第一预定阈值，计数通道212在多个预定能量窗上处理来自直接转换层的信号。在506，积分通道210在积分周期内对来自闪烁体层的信号进行积分，产生对于所述积分期间的平均值。在508，如果辐射通量满足第二预定阈值，矩生成通道214基于来自闪烁体层的信号生成更高阶的矩。在510，如在此描述的那样或以其他方式，对积分通道210、矩生成通道214和/或计数通道212的输出进行光谱解析。
已经参考优选的实施例描述了本发明。在阅读和理解了前面的详细描述之后，可以对其进行修改和变化。旨在将本发明解读为包括了在随附权利要求书及其等同的范围内的所有这种修改和变化。

Claims (15)

1.一种成像系统，其包括：
探测器阵列（110），所述探测器阵列（110）包括：
闪烁体阵列（202），其接收辐射并产生表示所述辐射的光信号；以及
光学耦合到所述闪烁体阵列（202）的数字光电倍增器阵列（204），其接收所述光信号并产生表示所述光信号的数字信号；
预处理器（118），所述预处理器（118）包括：
光子计数通道（212），其处理所述数字信号并产生第一输出信号；
积分通道（210），其处理所述数字信号并产生第二输出信号；以及
矩生成通道（214），其处理所述数字信号并产生所述数字信号的二阶或更高阶的矩作为第三输出信号，其中，所述矩生成通道（214）包括滤波器（218）、乘法器（220）和积分器（222）；以及
重建器（122），其对所述第一、第二和/或第三输出信号进行光谱解析。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述重建器（122）对处于中间和较高辐射通量下的、所述积分通道（210）和所述矩生成通道（214）各自的所述第二和第三输出信号进行光谱解析。
3.根据权利要求1到2中的任一项所述的成像系统，其中，所述重建器（122）对处于较低辐射通量下的、所述光子计数通道（212）的所述第一输出信号进行光谱解析。
4.根据权利要求1到2中的任一项所述的成像系统，其中，所述重建器（122）对处于较低辐射通量下的所述第一、第二和第三输出信号中的全部三个进行光谱解析。
5.根据权利要求1到2中的任一项所述的成像系统，还包括选择性地激活所述光子计数通道（212）的控制器（232），其中，所述控制器（232）基于所述积分通道（210）的所述第二输出信号来激活所述光子计数通道（212）以处理所述数字信号。
6.根据权利要求5所述的成像系统，其中，所述控制器（232）仅在基于所述第二输出信号确定的辐射通量低于预定阈值的情况下才激活所述光子计数通道（212）以处理所述数字信号。
7.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述预处理器（118）提供至少两个独立的同时的能量相关信号，且所述重建器（122）将这两个信号光谱解析为光-电和康普顿成分。
8.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述预处理器（118）提供至少三个独立的同时的能量相关信号，且所述重建器（122）将这三个信号光谱解析为光-电、康普顿和K边成分。
9.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述光子计数通道（212）被配置为具有用于K边成像的至少三个能量窗。
10.一种成像方法，其包括：
利用成像探测器阵列（110）的闪烁体阵列（202）探测辐射；
利用数字光电倍增器阵列（204）基于所探测到的辐射产生信号；
利用光子计数通道（212）处理所述信号；
利用积分通道（210）处理所述信号；以及
利用矩生成通道（214）处理所述信号以产生所述信号的二阶或更高阶的矩，其中，所述矩生成通道（214）包括滤波器（218）、乘法器（220）和积分器（222）；
基于所述光子计数通道（212）、所述积分通道（210）和所述矩生成通道（214）的输出信号，对所探测到的辐射进行能量解析。
11.根据权利要求10所述的成像方法，其中，对所探测到的辐射进行能量解析包括对处于中间和较高的辐射通量下的、所述积分通道（210）和所述矩生成通道（214）的输出信号进行能量解析。
12.根据权利要求10到11中的任一项所述的成像方法，其中，对所探测到的辐射进行能量解析包括对处于较低的辐射通量下的、所述光子计数通道（212）、所述积分通道（210）和所述矩生成通道（214）的输出信号进行能量解析。
13.根据权利要求10到11中的任一项所述的成像方法，还包括基于所述积分通道（210）的输出信号选择性地激活所述光子计数通道（212）以处理所述信号。
14.根据权利要求10到11中的任一项所述的成像方法，还包括将所探测到的辐射能量解析为光-电和康普顿成分，或者解析为光-电、康普顿和至少一个K边成分。
15.一种成像方法，其包括：
利用成像探测器阵列（110）的一个或多个直接转换材料层（302）来探测辐射；
利用所述成像探测器阵列（110）的一个或多个闪烁体材料层（304）来探测辐射，并通过一个或多个对应的光电传感器（306）产生表示利用所述一个或多个闪烁体材料层探测的所述辐射的信号；
利用光子计数通道（212）处理所述一个或多个直接转换材料层（302）的输出；
利用积分通道（210）处理所述一个或多个光电传感器（306）的输出；
利用矩生成通道（214）处理所述一个或多个光电传感器（306）的所述输出以产生所述输出的二阶或更高阶的矩，其中，所述矩生成通道（214）包括滤波器（218）、乘法器（220）和积分器（222）；以及
基于所述光子计数通道（210）、所述积分通道（212）和所述矩生成通道（214）的输出信号，对所探测到的辐射进行能量解析。
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