CN105246410B - 光子计数x射线计算机断层摄影装置、以及光子计数x射线计算机断层摄影方法 - Google Patents
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Abstract
本实施方式所涉及的光子计数X射线计算机断层摄影装置具备：X射线管(101)，产生X射线；X射线检测器(103)，检测从X射线管(101)产生的X射线光子，针对至少三个能量仓的各个产生与检测到的X射线光子数对应的输出信号；支承机构(102)，将X射线管(101)支承为能够围绕旋转轴旋转；合成部(117)，根据能量仓的各个中的X射线光子数，选择至少两个成为合成对象的能量仓，合成所选择的能量仓的X射线光子数，从而取得合成了所选择的能量仓的合成能量仓中的合成输出信号；重建部(114)，使用合成输出信号来重建图像。
Description
技术领域
本发明的实施方式一般与能谱计算机断层摄影(CT)相关，涉及为了改善在重建图像之前取得的数据中的噪声而进行加权的特定的方法。本实施方式涉及光子计数X射线计算机断层摄影装置、以及光子计数X射线计算机断层摄影方法。
背景技术
双能量X射线CT扫描数据通过两个能级来得到。具体而言，X射线管被设定为80千伏和120千伏的低管电压和高管电压的能级。双X射线源CT扫描仪装备有二个X射线源，为了生成二个数据集，分别以不同的能级进行工作。另一方面，在夹层检测器中，在下层记录高能量数据期间，上层记录低能量数据。由于对物质分类使用双能量数据，因此，投影数据事先经过结构分解。
更一般地，相对于特定的X射线CT扫描仪以两个以上的能级来取得能谱信息。具体而言，规定的数量N的能量阈值按照物质的厚度的平均、或与空气相关的扫描来确定，基底物质的厚度根据与测量数据相关的N个集合直接地计算。在该范畴中，所有的检测器单元和投影视图共用相同的阈值设定。实际上，希望使阈值等级伴随着能谱变化而在某一视图间进行变更。
在扫描期间伴随着能谱变化，成为光子计数的对象的能量仓的能量范围为了维持所得到的数据的低噪声等级，需要根据情况进行变化。但是，在理论上能够使阈值在多个视图间动态地变化，但由于CT扫描的时间非常短，因此在技术上具有挑战性。由于受到当前的光子计数检测器技术的限制，因此，以在0.5秒间1800个视图这样的一个典型的速率来利用的那样的多个视图间的短的时间中，可能不能准确地应用阈值。一般地，与检测器相同，读出电子电路具有有限的响应时间和死区时间，因此，如果考虑当前能够利用的技术，则在上述要求下变更安装的阈值受到限制。
被检体的构造或厚度差别极大，因此难以使用蝶形滤波器。蝶形滤波器直接面对其自身与患者的配置、使不同的检测单元以及多个视图匹配困难。并且，不同的多个单元以及多个视图依存于显著变化的衰减以及入射至检测器的X射线能谱。
从而，普遍地，一定的阈值成为能够得到噪声均衡(平衡噪声量)这样的结果的阈值，所述噪声均衡在巨大的所得到的数据集中是不希望的。所得到的数据集的不均衡的噪声可能对能谱的图像造成深刻的伪影。附加多个能量仓(进行光子计数的能量范围的单位)，低能量仓或高能量仓中的光子数确保更均衡。
由于这些以及其他的理由，前述的以往技术在具有能谱信息的、根据所得到的数据重建得到的图像中，还是希望实质上改善噪声均衡。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-143980号公报
发明内容
目的在于提供一种能够均衡图像重建所涉及的能量仓中的噪声的光子计数X射线计算机断层摄影装置、以及光子计数X射线计算机断层摄影方法。
本实施方式所涉及的光子计数X射线计算机断层摄影装置具备：X射线管，产生X射线；X射线检测器，检测从所述X射线管产生的X射线光子，针对至少三个能量仓的各个产生与检测到的所述X射线光子数对应的输出信号；支承机构，将所述X射线管支承为能够围绕旋转轴旋转；合成部，根据所述能量仓的各个中的X射线光子数，至少选择两个成为合成对象的能量仓，合成所选择的所述能量仓的X射线光子数，从而取得合成了所选择的所述能量仓的合成能量仓中的合成输出信号；以及重建部，使用所述合成输出信号来重建图像。
附图说明
图1是表示具有扫描架100和其他的设备或单元的本实施方式所涉及的多切片X射线CT设备、或扫描仪的一实施方式的图。
图2A是表示本实施方式所涉及的、用于改善噪声均衡的噪声均衡设备的一实施方式的图。
图2B是本实施方式所涉及的、在噪声均衡处理或设备的实施方式中利用的权重值的典型的集。
图3是表示本实施方式所涉及的、使用光子计数检测器，在能谱的计算机断层摄影中具有噪声均衡改善处理的步骤或工作的流程图。
图4A是本实施方式所涉及的、通过处理以及设备的实施方式，根据噪声均衡数据所重建的单色图像。
图4B是本实施方式所涉及的、通过处理与设备的实施方式，根据非噪声均衡数据所重建的单色图像。
图4C是由线表示图4A所述的图像的线划图。
图4D是由线表示图4B所述的图像的线划图。
符号说明
100…扫描架、101…X射线管、102…环状架(支承机构)、103…X射线检测器、104…数据收集电路、105…非接触数据传送器、106…前处理设备、107…旋转单元、108…滑动环、109…高电压发生器、110…系统控制器、111…数据收集设备、112…存储设备、114…重建设备、115…输入设备、116…显示设备、117…噪声均衡设备(合成部)、118…电流调整器、200…扫描计划支持设备。
具体实施方式
关于附图，参照数字表示附图的各部中的对应的构造。另外，特别地图1表示包含扫描架100和其他的设备或单元的当前的实施方式所涉及的多切片X射线CT设备、或扫描仪的一实施方式。扫描架100从正面观察，具有X射线管101、环状架(支承机构)102、以及多列或二维排列型的X射线检测器103。X射线管101和X射线检测器103在轴RA的周围旋转的环状架102上，横穿被检体S，正相反地搭载。旋转单元107在被检体S沿着轴RA，向图示的页的后方或前方移动期间，以每圈0.4秒的高速使环状架102进行旋转。支承机构102在旋转轴RA周围可旋转地支承X射线管101。
多切片X射线CT设备为了使X射线管101产生X射线，还具有向X射线管101供给管电压的高电压发生器109。在一实施方式中，高电压发生器109搭载在环状架102上。电流调整器118在系统控制器110的控制下，调整向高电压发生器109供给的电流。X射线朝向被检体S放射，被检体S的横截面面积由圆表示。X射线检测器103为了检测透过被检体S的放射X射线，横穿被检体被配置在X射线管101的相反侧。
另外，关于图1，X射线CT设备或扫描仪还具有检测放射X射线，并对检测到的信号进行处理的数据收集设备111。在一实施方式中，X射线检测器103在规定的数量的能量仓的各个中，使用用于对光子进行计数的多个光子计数检测器来安装。例如，X射线检测器103检测从X射线管101产生的X射线光子，针对至少三个能量仓的各个，产生与检测到的X射线光子数对应的输出信号。多个能量仓的各个在X射线检测器103中，定义与所透过的X射线的能量相关的规定的范围。由X射线检测器103检测到放射X射线之后，数据收集电路104关于各个通道，将来自X射线检测器103的信号输出转换成电压信号，对其进行放大，并进一步将其向数字信号转换。X射线检测器103和数据收集电路104构成为对每圈的规定的总投影数(Total number of projections per rotation：TPPR)进行处理。
上述的数据通过非接触数据传送器105，向收容于扫描架100外的控制台的前处理设备106发送。前处理设备106对原始数据执行灵敏度校正那样的特定的校正。之后，存储设备112存储重建处理之前的阶段中的又被称为投影数据的结果数据。存储设备112与重建设备(重建部)114、显示设备116、输入设备115、以及扫描计划支持设备200一起，经由数据/控制总线，与系统控制器110连接。扫描计划支持设备200具有为了建立扫描计划，辅助图像技术人员的功能。
本实施方式的一侧面所涉及的重建设备114的一实施方式基于使用噪声的权重的滤波校正反投影(Filtered back projection：FBP)技术，根据存储在存储设备112中的投影数据来重建图像。在上述实施方式中，重建设备114按照规定的迭代重建算法，通过滤波校正反投影(FBP)技术，根据投影数据来重建图像，所述滤波校正反投影(FBP)技术使用模拟规定的反复次数中的特定的反复结果的特征。重建设备114通过软件与硬件的组合来安装，但并不限定于特定的安装。在以下的重建设备114的说明中，“单元”或“设备”等用语包含硬件或软件。此外，重建设备114的概念还能够适用于包含核医学或磁共振成像(magnetic resonance imaging：MRI)的其他的医疗器械摄影装置。
在一实施方式中，噪声均衡设备(合成部)117为了在数据中使噪声均衡(平衡)而组合安装软件、硬件、或其双方，所述数据通过在规定的多个能量仓之间，使光子计数的数量在实质上均匀而得到。一般地，噪声均衡(平衡)设备117假定规定的数量M和被图像显示的被检体中的规定的数量的基底物质N(N为基底物质的数量)，规定的数量M在CT系统中的X射线检测器103中的多个光子计数检测器的各个中至少是3个(M＞2)能量仓，能量仓的数量M大于基底物质的数量N(M＞N)。所谓基底物质例如是指水、骨、造影剂等。与后述的合成能量仓对应的基底物质可以预先设定，也可以按照操作者的指示来选择。能量仓和基底物质是相同的数量(M＝N)在理论上是可以实现的，噪声均衡设备117为了接近噪声均衡状态，要求M能量仓大于N基底物质(M＞N)。在所有X射线检测器103中取得了E＝1至M所示的M个能量仓的各个中的光子计数n(E)之后，为了使N个能量仓的各个中的光子计数的数量实质上相等，或者尽可能相等，或者最佳，噪声均衡设备117组合M个能量仓，合成为N个能量仓。即，光子计数的数量理想的情况是在相对于各视图以及各光子计数检测器中的检测元件所得到的数据中的N个能量仓之间相同。之后，噪声均衡设备117也可以通过使用用于找出非零的L(i)的基追踪(基追踪：还称为Basis pursuit)技术那样的规定的方法，将取得均衡的各能量仓的光子计数与i＝1至N的物质的厚度L(i)建立关联。噪声均衡设备117相对于多个检测元件的各个以及多个视图的各个，重复上述的运算。最后，单色图像那样的图像按照噪声均衡设备117所确定的物质的厚度L(i)，由重建设备114进行重建。
噪声均衡设备117根据M个能量仓的各个中的X射线光子数，至少选择两个成为合成对象的能量仓。噪声均衡设备117通过合成所选择的能量仓的X射线光子数，从而取得合成了所选择的能量仓的N个合成能量仓中的合成输出信号。此时，重建设备114使用合成输出信号，重建图像。
另外，当作为合成为规定的能量仓的合成对象的能量仓，选择与规定的能量仓相邻的两个能量仓中的任一个时，噪声均衡设备117也可以将X射线光子数少的能量仓选择为合成对象。另外，噪声均衡设备117也可以通过合成属于相互不同的能量仓的X射线光子数，来取得分别与两个合成能量仓对应的两个合成输出信号。此时，重建设备114也可以使用两个合成输出信号来重建图像。
另外，噪声均衡设备117为了使分别与两个合成能量仓对应的两个X射线光子数间的差异最小，也可以选择成为合成对象的能量仓。另外，噪声均衡设备117也可以通过将与M个能量仓和N个合成能量仓对应的多个权重乘以所选择的能量仓的X射线光子数进行合成，来取得N个合成能量仓的各个中的合成输出信号。
另外，噪声均衡设备117也可以使用合成输出信号，确定与合成能量仓的数量(N个)相等的数量的多个基底物质的各个的厚度。此时，重建设备114使用与所确定的厚度对应的所述合成输出信号来重建图像。另外，噪声均衡设备117也可以使用带有规定的条件的算法和合成输出信号，来确定多个基底物质的各个的厚度。另外，噪声均衡设备117也可以使用没有规定的条件的算法和合成输出信号，来确定多个基底物质的各个的厚度。
另外，成为朝向合成能量仓的合成对象的能量仓的选择也可以根据操作者所关心的关心物质、所希望的扫描条件来选择。所谓扫描条件例如是管电压、被检体的厚度等。扫描条件由操作者经由扫描计划支持设备200、输入设备115等来输入。另外，扫描条件也可以经由未图示的网络，由放射线部门信息管理系统(radiology information system：RIS)等来输入。所输入的扫描条件被存储在存储设备112中。关心物质是多个基底物质中操作者所关心的物质。
即，当比较合成能量仓彼此的噪声量时，噪声均衡设备以两者的噪声量接近的方式(以两者的噪声量接近噪声均衡状态的方式)，来合成能量仓。
在本实施方式中，向基底物质的分解根据射线和对来执行。其对在光子计数中，在空间上以及时间上相同。所谓射线和是指沿着由X射线源的点和检测元件定义的射线的衰减系数的和。所谓射线和对是指由沿着相同的射线和的不同的两个能谱(例如，高能量和低能量)得到的两个射线和。在一实施方式中，射线和对能够适用于双能量源。作为双能量，例如存在通过切换管电压的高低，从而产生具有两个能量的X射线的双能量源和通过分别对两个X射线管施加两个不同的管电压，从而从两个X射线管分别同时产生能量不同的两条X射线的双能量源。在其他的实施方式中，射线和的三组或更高次的组能够适用于多色X射线的能量CT或能谱CT。一般地，能量仓的数量M与沿着相同的射线路径的实际的能谱M同时所生成的、射线和的数量一致。所谓射线路径表示X射线束的通过所沿的直线。M＞N，并且为了使N个能量仓的各个的光子计数的数量实质上相等，或尽可能相等，或者最佳，通过合成M个能量仓成为N个能量仓来均衡噪声。在合成处理中，特定的多个权重用于在N个能量仓中使多个光子计数实质上相等，权重与n＝1到N的基底物质和m＝1到M的能谱的双方建立关联。在理论上能够使能量仓的数量与基底物质的数量为相同的数量(M＝N)，但噪声均衡设备117为了接近噪声均衡状态，要求能量仓的数量M大于基底物质的数量N(M＞N)。即，噪声均衡方法的处理或噪声均衡设备117的实施方式在一个射线路径中要求至少多测量一次，因此，在双能量CT数据中，不会成为噪声均衡状态。
接着，图2A是表示本噪声均衡设备117的一实施方式接近噪声均衡状态的图。图2A具有在1至4的四个能量仓的整体中收集光子计数的集合的简单的概要。换而言之，按照为了关于分别具有射线和的集团的规定的数量的视图收集光子计数而固定的阈值，定义至少3个被收集的能量仓。所谓射线和的集团例如与锥形束所包含的多个射线和对应。取得包含4个被能量收集的能量仓中的光子计数的集合的能谱数据。在被收集的能量仓中，为了取得光子计数的均衡，按照与被检体中的基底物质和能量仓相关联的权重的集合，光子计数在其他的规定的两个或两个以上的被处理的合成能量仓之间，被进行组合(合成)或再次配分。在图2A中，被收集的能量仓的数量为4(M＝4)，另一方面，处理后的合成能量仓的数量为2(N＝2)。如示例的那样，光子计数与由被收集的能量仓处理后的低能量仓以及高能量仓(合成能量仓)进行组合(合成)。
图2B是作为噪声均衡处理的实施方式，示出本实施方式所涉及的权重的多个值的典型的集合的图。根据图2A所示的上述简单的例子，在图2B的左侧列举了权重值的四个典型的集合，四个权重值的各个与和被检体的基底物质以及能量仓相关的特定的组合(合成能量仓)建立关联。在图2B的左侧，上标文字L作为处理后的合成能量仓表示低能量仓，下标数字表示收集的能量仓中之一。同样地，在图2B的右侧列举了四个典型的权重值的集合，四个权重值的各个与和被检体中的基底物质以及能量仓相关的特定的组合(合成能量仓)建立关联。在图2B的右侧，被处理的合成能量仓与高能量仓对应。在图2B的右侧，上标文字H作为处理后的合成能量仓表示高能量仓，下标数字表示收集到的能量仓中之一。
接着，关于图2A，多个权重值只不过是典型的例子。权重值1在特定的能量仓中，通常没有改变光子计数。另一方面，小于1的值在相关联的能量仓中，改变光子计数。这些权重值将所得到的数据集中的光子计数重新分配给特定的能量仓或多个能量仓。
接着，图3是表示使用本实施方式所涉及的光子计数检测器，在能谱的计算机断层摄影中，具有用于接近噪声均衡状态的处理的作用或阶段的流程图。在能谱计算机断层摄影中，用于接近噪声均衡状态的处理由软件、硬件、以及包含二者的组合的各种方法来执行。以下的阶段或作用如关于图1叙述的那样，由本实施方式的单元以及设备任意地执行，在使用光子计数检测器的能谱计算机断层摄影中，用于接近噪声均衡状态的处理并不限定于本特定的实施方式的性能。
具体而言，关于图3，在步骤S100中，光子由规定的光子计数检测器或X射线检测器103，关于多个能量仓的各个进行检测或计数。光子计数检测器具有规定的数量的检测元件，检测元件的各个具有在能级中按照与固定的阈值对应的数量来分离的规定的数量的能量仓(M个能量仓)。在典型的执行中，能量阈值的等级预先确定并存储在读出电子设备中。为了接近噪声均衡状态，与被收集的能量仓相关的规定的数量M至少为3个。从而，光子计数的第一集合相对于具有射线和的集团的规定的数量的视图的各个，由至少3个能量仓得到。
接着，关于图3，通过至少三个能量仓(M＝3的能量仓)得到光子计数之后，光子计数在本实施方式所涉及的步骤S110中，被合成为处理后的合成能量仓所包含的光子计数的第二集合。合成能量仓的数量N为2个以上，还与被检体中的基底物质的数量相等。合成能量仓的数量N在合成能量仓之间，为了使能谱数据中的噪声接近均衡状态，而小于能量仓的规定的数量M(N＜M)。在接近噪声的均衡状态的情况下，使用规定的多个权重的集合，规定的多个权重的各个唯一地与对应的主要成分(或合成能量仓)中之一、以及对应的能量仓中之一建立关联。
在由步骤S110执行了噪声均衡之后，合成能量仓中的光子计数在步骤S120中，与和基底物质的各个相关的物质的厚度建立关联。合成能量仓的各个中的光子计数与步骤S110之前相比，如今更加取得噪声的均衡状态。在步骤S120中，合成能量仓的各个中的使噪声更均衡的光子计数如今与i从1成为M的物质的厚度L(i)建立关联。使用规定的基追踪技术，来确定非零的L(i)。
规定的基追踪技术例如是基追踪(basis pursuit)，在本实施方式中，是根据以下所述的条件式
[公式1]
来解以下的式子
[公式2]
的算法。
在步骤S130中，确定对与相对于所有的视图的检测元件或光子计数检测器相关的哪一剩余的能力仓，是否进一步执行步骤S100、S110、以及S120。假设，在步骤S130中，当确定为对相对于所有的视图的检测元件或光子计数检测器的各个没有结束步骤S100、S110、以及S120时，为了对检测元件或光子计数检测器或视图中的剩余的能力仓执行上述多个步骤，处理返回到步骤S100。另一方面，假设在步骤S130中，当确定为对相对于所有的视图的检测元件或光子计数检测器的各个结束了步骤S100、S110、以及S120时，处理进入步骤S140，根据基底物质的各个的物质的厚度和处理后的合成能量仓中噪声取得均衡的光子计数来重建图像。
假设使用两个基底物质，由于第三能量仓涉及到在高能量仓和低能量仓那样的第一和第二仓之间使噪声均衡，因此，作为能量仓，需要至少三个能量仓(M＝3)。例如，当射线路径长，大部分低能量光子被被检体吸收时，第三或中等程度的能量仓中的计数与低能量仓相加。另一方面，在短的射线路径中，将中等程度的能量仓中的计数与高能量仓相加。
一般地，如果将基底物质的数量N假定为任意，则能量仓的数量M大于被处理的合成能量仓的数量N(M＞N)。换而言之，收集到的能量仓中的光子计数为了接近能量仓中的噪声均衡状态，合成为处理后的合成能量仓。假设如果收集到的能量仓M的数量与处理后的合成能量仓N相等，则相同的能量仓接近噪声均衡状态失败。此时，由能量仓m测量到的投影数据gm以gm(BH)为射束效应项，作为与基底物质n和能量能谱m相关的平均衰减系数
[公式3]
通过[公式4]
与基底物质的估计的厚度Ln的推定值建立关联。基底物质在1至N之间，为了明确特定的基底物质，通过n来添加索引。同样地，能量仓通过在1至M能量仓之间，明确特定的能量仓，从而添加索引。
如果关注于特定的射线路径，则可能存在软组织那样的只有一个的物质，其他的基底物质的厚度成为零。从而，基底物质的厚度Ln通过使以下的评估函数(L)最小或对其进行优化来确定。
[公式5]
此时，上述优化依存于数据条件。
[公式6]
在此，σm表示测量到的投影gm的噪声。
作为代替，噪声均衡步骤任意地跳跃，Ln通过按照附加的限制条件使评估函数最小，从而直接地确定。在带有条件的算法中，基底物质的厚度L如由式(1)表示的那样，根据
[公式7]
的反函数，由投影数据g来确定。
[公式8]
[公式9]
是由后述的(17)定义的加权平均衰减系数。
接着，评估函数使用用于确定噪声除去的步幅的常数a，如由式(2)表示的那样，为了减少噪声或使噪声均衡而被最小化。
[公式10]
此时，噪声如式(3)所示，通过假定以下的数据条件来确认。噪声均衡设备117以在能量仓中测量到的投影数据gm与在能量仓中依存于基底物质的厚度(L)的射束硬化投影数据gm (BH)(L)的和中，减去基底物质的厚度L与由基底物质的种类n以及能量仓m规定的平均衰减系数
[公式11]
的积的种类n所涵盖的总和得到的差的绝对值变得比与投影数据相关的噪声σm小为条件(式(3))，确定权重。
[公式12]
投影数据gm如由式(4)表示的那样，通过使用依存于基底物质的厚度的射束硬化项g(BH)(L)来更新。
[公式13]
对所有的视图重复带有通过式(1)至(4)总结的那样的条件的算法中的上述步骤。上述步骤中的带有条件的算法以在基底物质中，非零的厚度的方差变小的方式来执行。
在没有条件的算法中，评估函数Λ(L)使用作为确定损失项的权重的正的常数的β，由式(5)表示。
[公式14]
基底物质的厚度L根据
[公式15]
的倒数，基于投影数据g进行初始化，
[公式16]
接着，评估函数Λ(L)的斜率由式(6)表示。
[公式17]
式(6)按照式(7)如以下那样近似。在从式(6)向式(7)的近似中，基于Ln的gm (BH)(L)的偏导数与式(6)的其他的项相比较，相对较小，因此能够忽视。
[公式18]
基底物质的厚度按照式(8)进行更新。
[公式19]
在此，上式(8)中的Ln (0)在重复中表示当前的值。另外，上式(8)中的Ln在重复中表示更新后的值。L(0)是作为要素具有Ln (0)的向量。
在此，为
[公式20]
或者，
[公式21]
最后，如由式(9)表示的那样，通过假定以下的数据条件来确认噪声。
[公式22]
在所有的视图中重复不存在通过式(6)至(9)总结的那样的条件的算法中的上述步骤。上述步骤以在基底物质中，非零的厚度的方差变小的方式来执行。
在与本实施方式所涉及的噪声降低相关的上述示例的处理中，使用特定的评估函数，但用于接近噪声均衡状态的处理并不限定于作为本实施方式所涉及的具体例的评估函数。第2评估函数Λ相对于所提供的测量投影gm，设相对于能量仓m的噪声为σm 2，由式(10)进行定义。即，噪声均衡设备117将评估函数Λ规定为从在能量仓中测量到的投影数据gm与在能量仓中依存于基底物质的厚度(L)的射束硬化投影数据gm (BH)(L)的和中，减去基底物质的厚度L与由基底物质的种类n以及能量仓m规定的平均衰减系数
[公式23]
的积的种类n所涵盖的总和得到的差的平方，除以与投影数据相关的噪声的平方σm 2得到的商的能量仓m所涵盖的总和。
[公式24]
为了找出评估函数Λ的最小值，或为了优化评估函数Λ，能够根据权重计算忽视相对于Ln的射束硬化项gm BH的依存性。从而，近似的结果取与n＝1至N相同的值的范围，使用作为相对于基底物质的第2索引的n’＝1至N，由以下的式(11)表示。
[公式25]
n’＝1至N用于简单地区别索引的第二使用。
权重值w为了执行噪声减少而被定义，相对于对应的基底物质n的各个和能量仓m来确定，如今，如以下的式(12)那样，使用作为相对于特定的基底物质的标准化因子的kn来定义。
[公式26]
标准化因子kn如以下的式(13)那样进行定义。
[公式27]
这样，测量到的投影的加权版和基底物质的厚度如式(14)所示的那样，应该具有以下的关系。
[公式28]
在此，
[公式29]
是由以下的式(15)定义的那样的、相对于基于全部测量能谱能级的基底物质n的加权测量投影数据。
[公式30]
同样地，
[公式31]
是由以下的式(16)那样定义的、相对于基于全部测量能谱能级的基底物质n的加权射束硬化项。
[公式32]
最后，
[公式33]
是由以下的式(17)定义的那样的、相对于基于全部测量能谱能级的基底物质n的加权平均衰减系数。
[公式34]
除了上述两个评估函数之外，第三评估函数为了在本实施方式所涉及的能量仓中，与用于接近噪声均衡状态的处理一起使用而被定义。为了定义第三评估函数，假定以下的式(18)。
[公式35]
在此，测量到的投影数据gm在能量仓m中测量，与厚度Ln的推定建立关联。基底物质gm (BH)是射束硬化项，另一方面，
[公式36]
是与基底物质n和能量仓m相关的平均衰减系数。基底物质为了在1至N的基底物质之间规定特定的基底物质，由n来添加索引。同样地，能量仓为了在1至M的能量能谱之间规定特定的能量仓而添加索引。
另外，由式(14)表示的那样的、与测量到的投影和基底物质的厚度相关的加权版根据由式(15)、(16)、(17)所表示的那样的权重的定义，能够应用于由式(18)表示的那样的关系性。通过忽视与相对于基底物质的噪声推定相关的式(14)中的射束硬化项，从而以下的近似如式(19)那样得到。
[公式37]
定义以下的式子那样的、作为
[公式38]
的倒数的变量Ξ。
[公式39]
这样，式(19)根据方程式(20)和(15)，成为表示基底物质n的厚度的式(21)。
[公式40]
定义以下的式子那样的、作为
[公式41]
的倒数的加权版的变量
[公式42]
[公式43]
与基底物质的厚度相关的方差协方差如今由以下的那样的式(23)来确定。
[公式44]
最后，作为基底物质的厚度的加权噪声的评估函数Λ由式(24)表示。即，噪声均衡设备117将评估函数Λ作为由加权平均衰减系数相对于基底物质的倒数
[公式45]
和噪声相对于能量仓m的平方σm 2的积规定的基底物质的厚度L的方差协方差来使用。
[公式46]
为了找出以下所示的那样的最优的权重，也可以不对上述式进行求解。为了找出最优的权重，使用数值的方法。
[公式47]
接着，关于图4A和4B，一对图像示出基于本装置和处理的实施方式的噪声均衡状态的几个效果。图4A是基于本装置和处理的实施方式的、根据取得噪声均衡状态的数据重建得到的单色图像。图4B是基于本发明所涉及的装置和处理的实施方式的、根据不接近噪声均衡状态的数据重建的单色图像。如图4B所示，不均衡噪声对单色图像造成严重的伪影，该噪声可能会降低诊断能力。因此，改善后的噪声性质可能会增加基于最终的画质的诊断能力。图4C是将图4A表示为线划图的图。图4D是将图4B表示为线划图的图。
根据以上所述的结构，能够得到以下的效果。
根据本实施方式所涉及的光子计数X射线计算机断层摄影装置，能够根据由多个能量仓的各个收集到的光子计数，选择成为合成对象的能量仓，合成所选择的能量仓的X射线光子数。为了使属于合成能量仓的光子计数均衡(平衡)，能够执行该能量仓的选择。另外，能量仓也可以以基底物质的厚度的方差变小的方式来选择。由此，根据本实施方式，属于合成能量仓的光子计数大致相同或接近。因此，根据本实施方式所涉及的光子计数X射线计算机断层摄影装置，能够防止在特定的能量仓中存在大量的噪声。
另外，根据本实施方式，还能够根据扫描条件或操作者所关心的关心物质来选择成为合成对象的能量仓。由此，根据本实施方式，能够重建噪声被均衡，并且与扫描条件或关心物质对应的图像。
由此，根据本实施方式，通过使多个合成能量仓中的光子计数大致均匀，从而能够均衡(平衡)多个合成能量仓中的噪声。由此，由图4D和图4C明显的知道，根据本实施方式，通过均衡噪声，来提高重建的画质。
另外，实施方式所涉及的功能还能够通过将执行该处理的程序(医用图像重建程序)安装在工作站等计算机中，并将这些程序在存储器上展开来实现。此时，能够使计算机执行该方法的程序还能够保存在磁盘(软盘(注册商标)、硬盘等)、光盘(CD-ROM、DVD等)、半导体存储器等存储介质中并发布。
虽然说明了本发明的几个实施方式,但这些实施方式是作为例子而提示的,并不意图限定本发明的范围。这些实施方式能够以其他的各种方式进行实施，在不脱离发明的要旨的范围内，能够进行各种的省略、置换、变更。这些实施方式或其变形与包含于发明的范围或要旨中一样，包含于权利要求书记载的发明及其均等的范围中。
Claims (14)
1.一种光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于包括：
X射线管，产生X射线；
X射线检测器，检测从所述X射线管产生的X射线光子，针对至少三个能量仓的各个产生与检测到的所述X射线光子数对应的输出信号；
支承机构，将所述X射线管支承为能够围绕旋转轴旋转；
合成部，根据所述能量仓的各个中的X射线光子数，至少选择两个作为合成对象的能量仓，合成所选择的所述能量仓的X射线光子数，从而取得合成了所选择的所述能量仓的合成能量仓中的合成输出信号；以及
重建部，使用所述合成输出信号来重建图像，
其中，所述合成部通过合成属于相互不同的所选择的所述能量仓的所述X射线光子数，来取得分别与两个所述合成能量仓对应的两个所述合成输出信号，以使分别与所述两个合成能量仓对应的两个X射线光子数之间的差异最小的方式选择作为所述合成对象的能量仓，
所述重建部使用两个所述合成输出信号来重建所述图像。
2.根据权利要求1所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：作为被合成为规定的能量仓的所述合成对象的能量仓，当选择与所述规定的能量仓相邻的两个能量仓中的任一个时，所述合成部将所述X射线光子数少的能量仓选择为合成对象。
3.根据权利要求1所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：所述合成部通过将与所选择的所述能量仓对应的权重和与所述合成能量仓对应的权重这多个权重乘以所选择的所述能量仓的所述X射线光子数进行合成，来取得所述合成能量仓中的合成输出信号。
4.根据权利要求3所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：
所述合成部使用所取得的所述合成输出信号，确定与所述合成能量仓的数量相等的数量的多个基底物质的各个的厚度，
所述重建部使用与所述厚度对应的合成输出信号来重建所述图像。
5.根据权利要求4所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：所述合成部使用带有规定的条件的算法和所取得的所述合成输出信号来确定所述厚度。
6.根据权利要求4所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：所述合成部使用不带有规定的条件的算法和所取得的所述合成输出信号来确定所述厚度。
7.根据权利要求1所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：
所述X射线管产生具有不同的两个能量的两种X射线，
所述X射线检测器针对至少三个能量仓的各个产生与分别对应于所述两种X射线的所述X射线光子数对应的输出信号，
所述合成部根据分别与所述两种X射线对应的能量仓的各个中的X射线光子数，选择至少两个作为合成对象的能量仓，合成所选择的所述能量仓的X射线光子数，从而取得合成了所选择的所述能量仓的合成能量仓中的合成输出信号。
8.根据权利要求1所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：
所述X射线管产生具有不同的多个能量的多色X射线，
所述X射线检测器针对至少三个能量仓的各个产生与分别对应于所述多色X射线的能量的所述X射线光子数对应的输出信号，
所述合成部根据分别与所述多色X射线的能量对应的能量仓的各个中的X射线光子数，至少选择两个作为合成对象的能量仓，合成所选择的所述能量仓的X射线光子数，从而取得合成了所选择的所述能量仓的合成能量仓中的合成输出信号。
9.根据权利要求4所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：所述合成部通过使评估函数最小化，在所述基底物质中确定非零的所述厚度，由此确定所述权重。
10.根据权利要求9所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：所述合成部以从A中减去B所得到的差的绝对值小于与投影数据相关的噪声为条件来确定所述权重，其中，所述A为在所选择的所述能量仓中测量到的所述投影数据与在所选择的所述能量仓中依存于所述基底物质的厚度的射束硬化投影数据的和，所述B为所述基底物质的厚度与由所述基底物质的种类以及所选择的所述能量仓规定的平均衰减系数的积的遍及所述种类的总和。
11.根据权利要求9所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：所述评估函数是所述基底物质的厚度的和。
12.根据权利要求9所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：所述评估函数如下规定：由从C中减去D得到的差的平方除以E得到的商的遍及所选择的所述能量仓的总和，其中，所述C为所选择的所述能量仓中测量到的投影数据与所选择的所述能量仓中依存于所述基底物质的厚度的射束硬化投影数据的和，所述D为所述基底物质的厚度与由所述基底物质的种类以及所选择的所述能量仓规定的平均衰减系数的积的遍及所述种类的总和，所述E为与所述投影数据相关的噪声的平方。
13.根据权利要求9所述的光子计数X射线计算机断层摄影装置，其特征在于：所述评估函数是由相对于所述基底物质的加权平均衰减系数的倒数与相对于所选择的所述能量仓的噪声的平方的积规定的所述基底物质的厚度的方差协方差。
14.一种光子计数X射线计算机断层摄影方法，其特征在于，具备：
通过X射线管产生X射线，
检测从所述X射线管产生的X射线光子，针对至少三个能量仓的各个产生与检测到的所述X射线光子数对应的输出信号，
根据所述能量仓的各个中的X射线光子数，选择至少两个作为合成对象的能量仓，
通过合成所选择的所述能量仓的X射线光子数，从而取得合成了所选择的所述能量仓的合成能量仓中的合成输出信号，以及
使用所述合成输出信号来重建图像，
其中，通过合成属于相互不同的所选择的所述能量仓的所述X射线光子数，来取得分别与两个所述合成能量仓对应的两个所述合成输出信号，
以使分别与所述两个合成能量仓对应的两个X射线光子数之间的差异最小的方式选择作为所述合成对象的能量仓，
使用两个所述合成输出信号来重建所述图像。
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