CN104136938B - 谱成像 - Google Patents
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Abstract
一种成像系统包括：辐射源(106)，其发射贯穿检查区域和其中的对象的部分的辐射；以及探测器阵列(114)，其探测贯穿所述检查区域和其中的所述对象的所述部分的辐射且生成指示所述辐射的信号。体积扫描参数推荐器(120)基于由所述辐射源和所述探测器阵列采集的第一2D投影和第二2D投影的谱分解来推荐针对所述对象的所述部分的体积扫描的至少一个谱扫描参数值。所述第一2D投影和所述第二2D投影具有不同的谱特性。控制台(122)采用所推荐的至少一个谱扫描参数值以执行所述对象的所述部分的所述体积扫描。
Description
技术领域
下文总体涉及谱成像，并且更具体地涉及基于以来自近似相同的采集视角的两个或更多个kVp执行的两个或更多个二维(2D)投影扫描(扫描图像)来确定针对谱体积扫描的适当的管电压，并且下文结合对计算机断层摄影(CT)的具体应用加以描述。
背景技术
常规CT扫描器通常包括安装在可旋转机架上的X射线管，X射线管跨检查区域与探测器阵列相对。可旋转机架以及由此的X射线管绕检查区域旋转。X射线管发射贯穿检查区域和其中的对象的部分并由探测器阵列探测的辐射。探测器阵列生成并输出指示对象的扫描部分的信号。重建信号以生成指示对象的扫描部分的三维体积图像数据。
体积图像数据包括以对应于相对辐射密度的灰度值表示的体素。灰度值反映了被扫描对象的衰减特性，并且通常显示出被扫描对象体内的解剖结构。由于材料对光子的吸收取决于光子贯穿材料的能量，所探测到的辐射还包括谱信息。然而，常规CT图像数据反映不出谱信息，因为信号与在能量谱上积分的能量通量成比例。
谱CT扫描器捕获谱信息，谱信息指示对象的被扫描部分的材料的元素或物质构成(例如，原子序数)。谱CT扫描器配置包括在角度上相互偏置并被配置为发射具有不同峰值发射电压的辐射的两个或更多个X射线管、被配置为在至少两个不同的kVp(例如，80kVp和140kVp)之间切换的单个X射线管、单个宽谱X射线管以及能量分辨探测器和/或其结合。
通常使用来自以固定kVp的2D投影扫描的2D投影图像来规划体积扫描(例如，扫描位置和扫描长度)。然而，2D投影图像一般不提供足够的信息以最优地选择扫描参数，例如针对谱体积扫描的kVp，并且图像质量取决于kVp。例如，良好的谱性能能够利用较低kVp的较低值(例如，80kVp)获得。然而，对于较大对象，几乎没有80kVp光子穿过对象，并且体积图像数据可能是有噪声的且具有降低的图像质量。
发明内容
本文描述的方面解决了以上提及的问题和其他方面。
在一个方面中，一种成像系统包括：辐射源，其发射贯穿检查区域和在其中的对象的部分的辐射；以及探测器阵列，其探测贯穿所述检查区域和在其中的所述对象的所述部分的辐射并且生成指示所述辐射的信号。体积扫描参数推荐器基于由所述辐射源和所述探测器阵列采集的的第一2D投影和第二2D投影的谱分解来推荐针对所述对象的所述部分的体积扫描的至少一个谱扫描参数值。所述第一2D投影和所述第二2D投影具有不同的谱特性。控制台采用所推荐的至少一个谱扫描参数值以执行所述对象的所述部分的所述体积扫描。
在另一个方面中，一种方法包括接收具有第一谱特性的第一2D投影并且接收具有第二谱特性的第二2D投影，其中，所述第一谱特性和所述第二谱特性是不同的。所述方法还包括将第一数据和第二数据谱分解成至少两个不同的成分。所述方法还包括基于所分解的数据来确定被扫描对象的物理特性。所述方法还包括基于所确定的物理特性来确定针对所述对象的体积扫描的至少一个谱扫描参数值。所述方法还包括使用所述至少一个谱扫描参数值来执行所述对象的所述体积扫描。
在另一个方面中，计算机可读存储介质编码有计算机可读指令。所述计算机可读指令在由处理器执行时，令所述处理器以来自至少一个采集角度的至少两个不同的发射谱采集若干2D投影，并且基于所采集的若干2D投影来确定针对体积扫描的至少一个谱扫描参数设置。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不得被解释为对本发明的限制。
图1示意性地图示了与体积扫描参数推荐器相联系的范例成像系统。
图2示意性地图示了体积扫描参数推荐器的范例。
图3示意性地图示了基于能量分辨探测器的多层闪烁体/光电传感器。
图4示意性地图示了基于能量分辨探测器的另一多层闪烁体/光电传感器。
图5示意性地图示了直接转换光子计数探测器输出处理电子器件。
图6图示了用于针对谱体积扫描确定kVp的范例方法。
具体实施方式
图1示意性地图示了一种成像系统100，例如计算机断层摄影(CT)扫描器100。成像系统100包括固定机架102和旋转机架104。旋转机架104可旋转地由固定机架102支撑。旋转机架104被配置为关于纵轴或z轴绕检查区域108旋转。
诸如X射线管的至少一个辐射源106由旋转机架104支撑，并且随其旋转。例如，针对2D投影扫描，如果还没有在预定的静态角位置上，则旋转机架104进行旋转以将辐射源106移动到该位置。针对体积扫描，旋转机架104也进行旋转以使辐射源106绕检查区域108旋转。
辐射源电压确定器112被配置为在针对2D投影和/或体积扫描的两个或更多个电压(例如，80kVp、100kVp、140kVp等)之间切换峰值发射电压。通过非限制性范例，针对2D投影扫描，一个kVp能够用于沿着z轴在一个方向上的前后(AP)投影扫描(和/或横向扫描)，而另一个kVp能够用于沿着z轴在相同或相反方向上的AP扫描(和/或横向扫描)。
或者，以不同kVp且在近似相同的采集角度上的两个不同的2D投影能够通过快速kV切换和焦点的向后跃步而被采集。这可以方便减少由于机架运动而造成的误匹配的伪影。较低的kVp值通常足够高以减轻由所有或基本上所有光子的吸收造成的光子匮乏。辐射源电压确定器112还能够用于以单个固定kVp驱动源106。
一维或二维辐射敏感探测器阵列114相对于辐射源106在角弧度上对着检查区域108。探测器阵列114探测贯穿检查区域108的辐射并且生成指示所述辐射的输出信号。图示的探测阵列114包括具有诸如光电二极管等的光电传感器的光电传感器阵列116和闪烁体阵列118，闪烁体阵列118在光电传感器阵列116的光敏感侧上被光学耦合到光电传感器阵列116。
探测器阵列114被布置在扫描器100中，使得闪烁体阵列118接收由照射探测器阵列114的源106发射的辐射。或者，探测器阵列114可以包括诸如多层闪烁体/光电传感器探测器阵列的能量分辨探测器阵列(以下的图3和图4)、具有对应电子器件的直接转换光子计数探测器阵列(图5)、和/或其他能量分辨探测器。对于多层闪烁体/光电传感器探测器阵列，单个或多个kVp能够用于多能量采集。一般地，m个kVp能够与n个不同的探测器层一起用于m×n次能量采集和能量相关的探测器输出信号。对于直接转换光子计数探测器，单个kVp用于采集一个投影，并且由直接转换探测器的电输出信号的脉冲高度分析获得谱信息。
体积扫描参数推荐器120推荐一个或多个谱体积扫描协议参数，例如管电压(kVp)、管电流(mAs)、能量阈值(用于光子计数探测器)和/或其他谱扫描协议参数。图示的推荐器120将2D投影谱分解并基于所述谱分解推荐参数。一般地，对于谱分解，在近似相同的采集角度上采集的针对两个不同kVp的数据被分解成至少两个不同的成分，例如骨骼和软组织。在Alvarenz R.E.和Macovski A.的文章“Energy-selective Recon in X-rayComputerized Tomography”(Phys Med Biol，1976年，21，第733-744页)中讨论了范例谱分解。
简要地转向图2，示意性地图示了推荐器120的一种非限制性范例。特性确定器202根据所分解的数据确定被扫描对象的特性。例如，基于所述分解，即使以较低的kVp设置，推荐器120也能够推算出对象的衰减。根据该数据，推荐器120能够确定以特定kVp(例如，80kVp)的体积扫描是否会遭受光子匮乏。这允许推荐器120推荐针对体积扫描的合适的kVp值，该kVp值权衡光子匮乏的风险和良好的谱性能。
在一个非限制性范例中，推荐器120基于对于kVp映射204的特性做出这个确定，kVp映射204将衰减值(和/或其他特性)映射至kVp值并且，kVp映射204基于光子匮乏的风险与良好谱性能之间的一个或多个预定权衡和/或其他标准。例如，特性确定器202将在对于kVP映射204的特性中定位所确定的(一个或多个)特性并且从映射204中检索kVp值。映射204能够在利用合适的体模进行校准期间被生成并被存储为查找表(LUT)和/或其他形式。检索的kVp值能够自动地被加载于系统100中，被显示以用于操作员查看，被用于通知操作员kVp设置可能导致探测器溢出或较高的患者剂量等。
通过非限制性范例，可以将以100kVp执行的第一2D投影扫描和以140kVp执行的第二2D投影扫描谱分解以提供指示双能量扫描的较低kVp设置能够被设置为低于100kVp(例如被设置为诸如80kVp)的数据。或者，(一个或多个)特性可以指示较低kVp设置应该为100kVp或更高。本文也预见到其他方法。例如，推荐器120可以或者基于一组规则、算法和/或其他信息来计算一个或多个kVp值。
一般地，推荐器120允许确定和/或优化针对谱体积扫描的一个或多个kVp。体积扫描参数推荐器120能够经由执行嵌入于或编码于诸如物理存储器或其他非暂态介质的计算机可读存储介质上的计算机可执行指令的至少一个处理器来实施。额外地或备选地，体积扫描参数推荐器120能够由执行由载波、信号或其他暂态介质承载的计算机可执行指令的至少一个处理器来实施。
转到图1，通用计算机充当操作员控制台122并且包括诸如监视器或显示器的人类可读的输出设备以及诸如键盘和鼠标的输入设备。驻留在控制台122上的软件允许操作员经由图形用户接口(GUI)或以其他方式与扫描器100交互。这种交互包括选择两个或更多个2D投影扫描(例如，多2D投影扫描模式)、设置和/或修改针对所选择的2D投影扫描的扫描参数(例如，kVp、mAs等)、选择谱体积扫描协议、设置和/或修改针对所选择的谱体积扫描的协议参数(例如，kVp、mAs等)。
所述交互还可以包括经由所推荐的参数(例如，kVp)的GUI的视觉表示并允许由成像系统100的操作员使用鼠标、触摸屏、键盘、小键盘等在其中进行的确认、修改和/或拒绝。或者，所推荐的参数可以自动地被加载于系统100中。或者，在所推荐的参数不同于对应的用户选择的或默认的参数的情况下，控制台122可以利用消息或警告经由视觉的和/或可听指示器通知操作员。
重建器124重建探测器阵列输出信号并生成体积图像数据。重建器124采用常规的、谱的、迭代的和/或其他重建算法中的一个或多个。体积图像数据可以包括对应于特定谱成分的数据和/或类似于常规CT图像数据的合成数据。重建器124还能够生成对应于特定谱成分的2D投影图像。诸如床的对象支撑物126支撑检查区域108中的对象。对象支撑物126可以与扫描协调一致地移动，从而相对于检查区域108引导对象，以执行2D投影和/或体积扫描。
对变型进行讨论。
如以上简要地指出的，探测器阵列114可以或者包括多层闪烁体/光电传感器探测器阵列和/或直接转换光子计数探测器阵列。图3和图4示意性地图示了两层闪烁体/光电传感器探测器阵列300和400的非限制性范例，以及图5图示了用于处理直接转换光子计数探测器阵列的输出的处理电子器件。
在图3中，将闪烁体材料的第一层302和第二层304耦合以使得第一层302位于探测器接收的入射辐射的一侧。将光电传感器310和312耦合到探测器300的第二相对侧。能量吸收通常取决于厚度。因此，大多数较低能量光子在第一层302被吸收且大多数较高能量光子在第二层304被吸收。闪烁体层302和304分别具有与光电传感器310和312的谱灵敏度匹配的发射谱。
因此，基本上只有由第一层302发射的光被光电传感器310吸收，并且基本上只有由第二层304发射的光被光电传感器312吸收。光电传感器310和311输出指示来自不同能量带的辐射的信号，所述不同能量带对应于第一层302和第二层304。在图4中，将光电传感器310和312耦合到闪烁体层302和304的一侧，所述侧垂直于入射辐射的方向。
转到图5，探测器阵列114的输出由前置放大器502处理，前置放大器502放大由探测器阵列114输出的电信号。脉冲整形器504处理经放大的电信号并生成诸如电压的脉冲或指示探测到的光子的能量的其他脉冲。能量鉴别器506能量鉴别该脉冲。在图示的范例中，能量鉴别器506包括比较器508，比较器508包括至少两个子比较器，比较器508将脉冲的幅度与对应于不同的感兴趣能量的两个或更多个不同能量阈值进行比较。比较器508基于该比较结果产生指示光子的能量的输出信号。
计数器510基于能量鉴别器506的输出将针对每个阈值的计数值增加。例如，当针对特定阈值的比较器508的输出指示脉冲幅度超过对应阈值时，将针对那个阈值的计数值增加。能量分组器512基于计数将计数的脉冲分配给两个或更多个能量分组。每个能量分组都涵盖能量范围或窗口。例如，可以针对两个阈值之间的能量范围定义分组，其中，会将导致针对较低阈值而非较高阈值的计数的光子分配到该分组中。
体积扫描参数推荐器120处理分组的数据，并且推荐器120推荐谱扫描参数，例如kVp、mAs、一个或多个阈值和/或(一个或多个)其他参数。
其他变型可以包括多个闪烁体层，并且各个闪烁体层可以具有相等厚度和/或不同厚度。对于双kVp和双层探测器，推荐器120推荐四次不同能量采集的设置。一般地，对于M个kVp和N层，推荐器120推荐M×N次不同的能量采集的设置。相对于具有N个能量分组的光子计数探测器，推荐器120推荐N次不同的能量采集的设置。
在另一个变型中，2D投影能够额外地或备选地用于确定改善双层系统的谱性能的滤波器。在滤波器仅针对小的患者改善性能而针对厚的患者降低性能的情况下，推荐器120建议该滤波器是否应当使用。
在另一个变型中，成像系统100包括超过一个源106。例如，成像系统100可以包括沿着垂直于z轴的横向方向在角度上相互偏置大约九十度的两个源106、沿着横向方向在角度上相互偏置大约六十度的三个源106等。能够如本文描述地操作这些源中的每个以在各kVp之间之间进行切换和/或与能量分辨探测器阵列配对。
在另一个变型中，推荐器120使用2D投影的分解以确定源106的管电流(mAs)。
在另一个变型中，针对kVp切换，推荐器120能够推荐kVp循环参数。例如，推荐器120可以推荐以每个kVp设置采集多少个投影。因此，能够调整利用两个kVp设置采集的数据的比率以便满足预定的输出标准。例如，该标准可以指示针对两个kVp设置的数据具有相同的图像质量。因此，对于较厚的患者，推荐器120可以相对于较高kVp设置推荐以较低kVp设置的更多投影，或者备选地相对于较高kVp设置推荐针对较低kVp设置的较长的采集周期，以补偿较差的统计。图6图示了一个范例方法。
应当理解，本文描述的方法中的动作的顺序不是限制性的。因此，本文可以预见到其他顺序。另外，可以省略一个或多个动作和/或包括一个或多个额外动作。
在602，使用第一kVp在采集角度上采集第一2D投影。
在604，使用不同于所述第一kVp的第二kVp在所述采集角度上采集第二2D投影。
在606，将所述第一2D投影和所述第二2D投影谱分解成至少两个成分。
在608，根据经谱分解的数据来确定被扫描对象的至少一个特性(例如，厚度、骨骼和/或软组织的量等)。
在610，至少基于所确定的物理特性来确定针对对象的谱体积扫描的至少一个kVp值。
在612，所确定的kVp与至少一个其他所确定的或用户定义的kVp一起用于执行谱体积扫描。
如本文描述的，可以或者利用单个kVp和任一多层闪烁体/光电传感器探测器阵列、直接转换光子计数探测器阵列和/或其他能量分辨探测器阵列来获得第一2D投影和第二2D投影。
可以通过编码于或嵌入于计算机可读存储介质上的计算机可读指令来实施以上的至少一部分，所述计算机可读指令在由(一个或多个)计算机处理器执行时令所述(一个或多个)处理器执行所描述的动作。额外地或备选地，计算机可读指令中的至少一个由信号、载波或其他暂态介质承载。
已经参照优选实施例描述了本发明。他人在阅读并理解前述详细描述后可以进行修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落在权利要求书或其等价要件的范围内。
Claims (15)
1.一种成像系统(100)，包括：
辐射源(106)，其发射贯穿检查区域和在其中的对象的部分的辐射；
探测器阵列(114)，其探测贯穿所述检查区域和在其中的所述对象的所述部分的辐射并生成指示所述辐射的信号；
体积扫描参数推荐器(120)，其基于由所述辐射源和所述探测器阵列采集的第一2D投影和第二2D投影的谱分解来推荐针对所述对象的所述部分的体积扫描的至少一个谱扫描参数值，其中，所述第一2D投影和所述第二2D投影具有不同的谱特性；以及
控制台(122)，其采用所推荐的至少一个谱扫描参数值来执行所述对象的所述部分的所述体积扫描。
2.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述谱扫描参数值是kVp值，并且所述辐射源被配置为在至少两个不同的kVp值之间切换，即在用于采集所述第一2D投影的第一kVp值与用于采集所述第二2D投影的不同的第二kVp值之间切换，其中，所述第一kVp值小于所述第二kVp值。
3.如权利要求2所述的成像系统，其中，至少一个所推荐的kVp值等于所述第一kVp值。
4.如权利要求2所述的成像系统，其中，至少一个所推荐的kVp值小于所述第一kVp值。
5.如权利要求2到4中的任一项所述的成像系统，其中，所述控制台(122)采用至少一个所推荐的kVp值和所述第二kVp值两者以执行多谱体积扫描。
6.如权利要求2到4中的任一项所述的成像系统，其中，所述探测器阵列是具有至少第一光电传感器和第二光电传感器的能量分辨探测器阵列，其中，所述第一光电传感器具有第一谱灵敏度，所述第二光电传感器具有不同的第二谱灵敏度，并且所述第一光电传感器生成所述第一2D投影以及具有第一谱特性和第三谱特性的第三2D投影，并且所述第二光电传感器生成所述第二2D投影以及具有第二谱特性和第四谱特性的第四2D投影，并且所述体积扫描参数推荐器基于所述第一2D投影、所述第二2D投影、所述第三2D投影和所述第四2D投影的谱分解来推荐至少一个所推荐的kVp值。
7.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述探测器阵列是具有至少第一光电传感器和第二光电传感器的能量分辨探测器阵列，其中，所述第一光电传感器具有第一谱灵敏度，所述第二光电传感器具有不同的第二谱灵敏度，并且所述第一光电传感器生成所述第一2D投影并且所述第二光电传感器生成所述第二2D投影。
8.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述探测器阵列是光子计数探测器，所述第一2D投影对应于所述光子计数探测器的第一能量分组，所述第二2D投影对应于所述光子计数探测器的第二能量分组，并且所述至少一个谱扫描参数值包括以下中的一个或多个：kVp值、mAs值或能量阈值。
9.如权利要求1到4中的任一项所述的成像系统，其中，所述控制台在图形用户接口中视觉表示所推荐的至少一个谱扫描参数值。
10.如权利要求9所述的成像系统，其中，所述控制台接收指示所述至少一个谱扫描参数值的确认的输入信号。
11.如权利要求9所述的成像系统，其中，所述控制台接收指示对所述至少一个谱扫描参数值的改变的输入信号并且加载针对所述体积扫描的所确认的至少一个谱扫描参数值。
12.如权利要求1到4中的任一项所述的成像系统，其中，所述控制台视觉表示指示所述至少一个谱扫描参数值与针对所述体积扫描的用户选择的谱扫描参数不同的警告。
13.一种方法，包括：
接收具有第一谱特性的第一2D投影；
接收具有第二谱特性的第二2D投影，其中，所述第一谱特性和所述第二谱特性是不同的；
将第一数据和第二数据谱分解成至少两个不同的成分；
基于所分解的数据来确定被扫描对象的物理特性；
基于所确定的物理特性来确定针对所述对象的体积扫描的至少一个谱扫描参数值；并且
使用所述至少一个谱扫描参数值来执行所述对象的所述体积扫描。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：
视觉表示所述至少一个谱扫描参数值；
接收指示所述至少一个谱扫描参数值的用户确认的输入信号；并且
使用经用户确认的至少一个谱扫描参数值来执行所述对象的所述体积扫描。
15.如权利要求13所述的方法，还包括：
在针对所述体积扫描的成像协议中自动地加载所述至少一个谱扫描参数值；并且
使用所自动加载的至少一个谱扫描参数值来执行所述对象的所述体积扫描。
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