CN110006932A - K边成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及成像技术领域，提出一种K边成像方法。该K边成像方法包括获取探测器的能量分辨率，并根据所述能量分辨率确定高斯卷积核；获取理论衰减系数曲线；根据所述高斯卷积核以及理论衰减系数曲线得到第一平滑衰减系数曲线；根据所述第一平滑衰减系数曲线结合能窗内光谱信息得到第二平滑衰减系数曲线；根据所述第二平滑衰减系数曲线选定能窗位置。在选择能窗位置时考虑到了探测器的能量分辨率以及能窗内光谱信息的影响，能够在不同的能窗宽度需求下、较好的选择衰减系数差异最大的能窗位置，从而尽可能大的利用K吸收边的差异进行减影成像，获得最优的图像质量。

Description

K边成像方法
技术领域
本发明涉及X射线成像技术领域，尤其涉及一种K边成像方法。
背景技术
在进行X射线K边减影成像时能窗的位置选定能够影响成像的效果。
目前，在进行K边减影成像时选取能窗的方法是以物质的K吸收边为中心直接进行对称的选取，这种直接以K边为对称轴选取能窗的办法会产生较大误差，致使成像效果不佳。
因此，有必要设计一种新的K边成像方法。
所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的直接以K边为对称轴选取能窗的办法会产生误差，致使成像效果不佳的不足，提供一种产生误差较小且成像效果较好的K边成像方法。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
根据本公开的一个方面，提供一种K边成像方法，包括：
获取探测器的能量分辨率，并根据所述能量分辨率确定高斯卷积核；
获取理论衰减系数曲线；
根据所述高斯卷积核以及理论衰减系数曲线得到第一平滑衰减系数曲线；
根据所述第一平滑衰减系数曲线结合能窗内光谱信息得到第二平滑衰减系数曲线；
根据所述第二平滑衰减系数曲线选定能窗位置。
在本公开的一种示例性实施例中，根据能量分辨率确定高斯卷积核，包括：
根据所述能量分辨率确定目标能量处的半高全宽；
根据所述半高全宽以及高斯函数的性质得到所述高斯卷积核。
在本公开的一种示例性实施例中，根据能量分辨率确定高斯卷积核，包括：
确定能量与能量分辨率之间的关系；
根据所述能量与能量分辨率之间的关系获得所述目标能量处的能量分辨率。
在本公开的一种示例性实施例中，获取理论衰减系数曲线，包括：
建立理论衰减数据库；
从所述理论衰减数据库中获取理论衰减系数曲线。
在本公开的一种示例性实施例中，从所述理论衰减数据库中获取理论衰减系数曲线，包括：
从所述理论衰减数据库中获取理论衰减系数离散点；
根据所述理论衰减系数离散点通过三次多项式分段插值得到理论衰减系数曲线。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述高斯卷积核以及所述理论衰减系数曲线得到第一平滑衰减系数曲线，包括：
根据所述高斯卷积核以及所述理论衰减系数曲线利用高斯卷积公式得到第一平滑衰减系数曲线。
在本公开的一种示例性实施例中，所述能窗内的光谱信息包括光子等效能量和光子等效衰减系数；根据所述第一平滑衰减系数曲线结合能窗内光谱信息得到第二平滑衰减系数曲线，包括：
根据所述第一平滑衰减系数曲线对能窗范围内的能量和衰减系数确定其对应的光子等效能量和光子等效衰减系数；
由所述等效能量和所述等效衰减系数得到所述第二平滑衰减系数曲线。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述第一平滑衰减系数曲线对能窗范围内的能量和衰减系数求其对应的等效能量和等效衰减系数，包括：
根据所述第一平滑衰减系数曲线、能窗宽度和光谱确定所述等效衰减系数；
根据所述能窗宽度和所述光谱确定所述等效能量。
在本公开的一种示例性实施例中，所述能窗宽度大于等于5kev小于等于10kev。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述第二平滑衰减系数曲线选定能窗位置，包括：
根据所述第二平滑衰减系数曲线的波峰与波谷确定所述能窗位置
由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：
本发明K边成像方法，根据探测器的能量分辨率和理论衰减系数曲线得到第一平滑衰减系数曲线；然后结合能窗内光谱信息得到第二平滑衰减系数曲线进而选定能窗位置。相较于现有技术，本发明在选取能窗位置时结合了探测器的能量分辨率以及能窗内光谱信息的影响，能够在不同的能窗宽度需求下、较好的选择衰减系数差异最大的能窗位置，从而尽可能大的利用K吸收边的差异进行减影成像，获得最优的图像质量。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是相关技术中碘的K边吸收示意图；
图2是相关技术中水的衰减系数示意图；
图3是相关技术中传统减影成像流程图；
图4是K边减影成像原理示意图；
图5是相关技术中K边减影成像流程图；
图6是本发明K边成像方法的流程图；
图7是第一平滑衰减系数曲线；
图8是光机的光谱曲线；
图9是碘的理论衰减系数曲线与第二平滑衰减系数曲线的对比示意图；
图10是相关技术中成像效果示意图；
图11是本发明成像效果示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
参照图1，物质对X射线的吸收主要是光电吸收和康普顿散射效应，其中在光电吸收作用中，物质的K层电子对于特定能量的X光子具有特异的吸收作用，不同物质的K层电子特异吸收的光子能量也是不同的。比如临床上使用的碘对比剂中的碘，其K层电子的特异吸收能量为33.2kev，由于其对于33.2kev的光子吸收作用明显，所以表现在物质的衰减曲线上就是在33.2kev处的衰减系数突然增大，形成锐利的跳变。
参照图2，这样在K边两侧碘的衰减特性差异很大，但是背景物质的衰减由于在K边两侧较窄的区域内其衰减特性变化很小，在K边的两侧分别成像做差后背景物质被减掉，而碘的区域被保留下来。
目前进行K边减影成像时选取能窗的方法是以物质的K吸收边为中心直接进行对称的选取，这种选取方法虽然是最简单直观的，但是这样选择出的能窗并没有最大化的利用K吸收边两侧的衰减系数差异，即这两个能窗下的平均衰减系数的差异并不是最大的。并且在能窗的宽度选的较大时，这种直接以K边为对称轴选取能窗的办法还会产生误差。
在相关技术中，随着光子计数探测器技术的发展成熟，由于其具有的能量分辨能力，在成像时只需要单次成像就可以得到两个能量段的信息，大大提高了减影成像的准确度和图像质量。尤其是使用具有合适的K边特性的对比剂进行减影成像时，由于与背景物质衰减特性的差异，能够得到很好的减影后图像。最常使用的方法是，在K边的两侧位置分别成像作差。
参照图3，在具有能量分辨能力的光子计数探测器出现之前，X射线减影成像方法一般是使用老的双能设备成像，也就是使用两个不同的球管电压进行成像，然后将所得到的图像做差得到减影后的图像
参照图4，选取一定宽度的能区进行成像，得到的高低能区图像分别记为：
Ilow＝I0_lowexp(-μl)
Ihigh＝I0_highexp(-μl) (1)
考虑背景物质和碘区域的叠加并将μ改写为质量衰减系数μ/ρ，式(1)可表示为：
其中(2)式中的分别为碘和背景物质的低能区和高能区的质量衰减系数，(ρl)I、(ρl)bg分别是碘和背景的质量厚度，经过改写后的(2)式可以表示为：
参照图5所示，(3)式得到的就是两个不同能区下的物质衰减特性信息，将两式做减法得到(4)式，高能区减去低能区之后，背景物质被消除，目标区域特性被凸显出来。
目前使用的计数型探测器只需单次成像就能得到不同能区内的信息，这在根本上解决了时间和位置的不一致性，而且系统的复杂度大大降低。光子之间的散射问题也得到了一定的抑制。但是，目前的这种直接在理论衰减系数曲线K边左右两侧粗暴的选取高低能区窗口的方法，并没有将物质的K边信息最大化的利用。
引起这种情况的原因主要在于经过探测器之后，由于光子计数探测器的能量分辨率也并不是理想的，所以理论上的锐利的K边衰减系数跳变会被不理想的能量分辨率平滑从而改变形状，所以传统的直接在K边两侧选取能区的方法存在一定的误差。
另一方面，从K边信息的最大差异出发，希望两个能段之间的衰减系数的差异越大越好，以此为指导选取的能窗宽度越小得到的差异也就越大；但是选取的能窗宽度小，带来的缺点也显而易见，那就是光子数的急剧减少，噪声会随之快速变大，信噪比会受到很大的抵消。所以为了好的图像质量，我们选取的能窗宽度一定是较大的，在选取较大的能窗时，衰减系数曲线的形状改变会更大。并且，传统的直接在K边两侧选取能区的方法在能窗宽度较大时已经不能够得到好的减影图像
K边减影成像依赖于物质特殊的K吸收边，传统的K边减影成像的阈值选取办法是直接在物质的K边左右两侧选取一定宽度的能窗进行成像进而进行减影。这种方法理想化了探测器的探测能力，实际上也是弱化了K边的效果，物质理想的K边是一个尖锐的跳变，可是经过探测器以后，由于探测器的能量分辨率并不是理想的，尖锐的K边会被平滑成连续的波谷和波峰如果直接选取K边左右两侧的能区，并没有得到K边的最高和最低的位置，两侧图像差异并没有最大化，从而弱化了减影的效果。
基于上述缺点本发明提供一种K边成像方法，参照图6所示，该K边成像方法可以包括以下步骤：
步骤S110，获取探测器的能量分辨率，并根据所述能量分辨率确定高斯卷积核。
步骤S120，获取理论衰减系数曲线。
步骤S130，根据所述高斯卷积核以及理论衰减系数曲线得到第一平滑衰减系数曲线。
步骤S140，根据所述第一平滑衰减系数曲线结合能窗内光谱信息得到第二平滑衰减系数曲线。
步骤S150，根据所述第二平滑衰减系数曲线选定能窗位置。
相较于现有技术，本发明在选取能窗位置时考虑到了探测器的能量分辨率以及能窗内光谱信息的影响，能够在不同的能窗宽度需求下、较好的选择衰减系数差异最大的能窗位置，从而尽可能大的利用K吸收边的差异进行减影成像，获得最优的图像质量。
下面对上述步骤进行详细说明。
在步骤S110中，获取探测器的能量分辨率，并根据所述能量分辨率确定高斯卷积核。
在步骤S120，获取理论衰减系数曲线。
在步骤S130，根据所述高斯卷积核以及理论衰减系数曲线得到第一平滑衰减系数曲线。
参照图7所示，理想的物质对射线的衰减是随入射光子的能量(E)变化的曲线，记做Att0(E)，即理论衰减系数曲线。对单色入射光来说，理想的探测器应当是将入射的每一个光子都准确的判定其能量为光子真实能量，可是现实情况并不是这样的。对于入射的单色光，探测器探测到的也是一个具有一定展宽的峰型，这是由探测器的能量分辨率(R)导致的。对应到光机情况，光机发射出的是能量连续的大量光子，相当于探测器对入射的每个能量下的光子都进行了相应的平滑与展宽作用。这种作用类似于高斯卷积的效果，也就是，经过探测器后的得到第一平滑衰减系数曲线：
其中Attdet(E)是经过探测器之后的第一平滑衰减系数曲线，C(E)是对应能量下的高斯卷积核，由探测器特征的能量分辨率R所决定，而且对于同一探测器由于其对不同能量下的光子能量分辨率是不同的，所以对应的高斯卷积核是随入射光子的能量(E)变化的。每一种物质的理论衰减系数离散点Att(E)都能够从数据库中上获取，可以从NIST数据库获取，得到的数据是离散的稀疏的点。本发明的实施方式中还可以首先建立理论衰减数据库，然后从理论衰减数据库中获取理论衰减系数曲线。
具体做法为，从NIST数据库或者理论衰减数据库中获取理论衰减系数离散点，然后可以采用使用MATLAB中的三次多项式分段插值的方法得到分段连续的理论衰减系数曲线Att0(E)。C(E)可以通过探测器的能量分辨率R来获得。
对于高斯卷积核C(E)的选取其实就是对参数σ的确定，首先可以确定高斯卷积核与参数σ的关系，参数σ的大小影响着高斯峰的展宽，表征了探测器的能量分辨率的情况，高斯卷积核C(E)的半高全宽(FWHM)与其σ以及探测器的能量分辨率R之间有着对应关系。探测器的能量分辨率是探测器的基本指标，可以使用放射性同位素来对其进行标定。得到能量与能量分辨率之间的关系，在得到某能量E0下的能量分辨率R0后，可以根据R与成反比来求得我们多需要的目标能量Eaim处能量分辨率Raim：
进而得到目标能量位置的FWHMaim：
FWHMaim＝Raim·Eaim (7)
又由高斯函数的性质：
FWHMaim＝2.355*σ (8)
可以求得：
若已知探测器的能量分辨率为R0@E0，则在目标能量处其对应高斯卷积核的σ表示为：
确定所要使用的高斯卷积核后，使用公式(5)卷积后得到经过探测器后的物质的第一平滑衰减系数曲线Attdet(E)，选取最佳能窗的方法是选择曲线波峰波谷位置对应的最大值和最小值即可。
在步骤S140，根据所述第一平滑衰减系数曲线结合能窗内光谱信息得到第二平滑衰减系数曲线。
参照图8所示，在得到经过探测器高斯平滑之后的第一平滑衰减系数曲线后，已经可以达到选取较优的能窗位置的效果，但是考虑到在实际的减影过程中能窗是具有一定宽度的，能窗指有效能量窗口，并且光机产生的光谱的谱形在各能量下并不是平均的，所以光机谱形对衰减曲线的影响也考虑在内。为了保证K边两侧的衰减系数的差异，使用的能窗宽度可以为大于等于5kev小于等于10kev，在能窗宽度较大时，必须要考虑光谱信息的影响。
本发明对第一平滑衰减系数曲线做了进一步的优化改进，根据第一平滑衰减系数曲线对能窗范围内的能量和衰减系数确定其对应的光子等效能量和光子等效衰减系数；即对能窗范围内的能量和衰减系数求其对应的等效能量E'和等效衰减系数μ'，得到第二平滑衰减系数曲线Attsys(E)。由等效能量和所述等效衰减系数得到所述第二平滑衰减系数曲线计算方法如式(11)，其中N0(E)为光机谱：
变换能量E的值可以得到多组不同的E′和与值对应的μ′，E′作为横坐标，μ′作为纵坐标在坐标系中做出第二平滑衰减系数曲线。
在步骤S150，根据所述第二平滑衰减系数曲线选定能窗位置。
根据第二平滑衰减系数曲线和能窗宽度确定能窗位置，可以先确定第二平滑衰减系数曲线的波峰和波谷，在波峰位置与波谷位置分别对应设置成像时所需两个能窗的位置。且波峰位置处的能窗在波峰位置两侧的宽度相同。
下面通过一具体的实施方式来对本发明的效果进行说明
参照图9所示，为了验证本发明对理论衰减系数曲线处理的有效性和正确性，进行了探测器对碘的衰减系数曲线的绘制实验，得到的碘的衰减系数曲线与理论处理后的衰减系数曲线
理论处理结果与实际测得的结果波峰波谷和K边的位置都符合的很好(高度存在差异是散射的影响，由于不影响对能窗位置的选择，这里不做考虑)，说明了该处理方法的可行性和准确性。
参照图10和图11所示，同样使用能窗宽度为10kev进行成像，相关技术的选取方法能窗选取为：低能窗(23-33kev)，高能窗(33-43kev)；本发明方法所选取的能窗为：低能窗(26-36kev)，高能窗(35-45kev)。
参照图10和图11所示，显示的是在相同的窗宽窗位下的两种方法的减影效果，本发明K边成像方法的成像质量高于相关技术中K边成像方法的质量，定量分析如表1，使用指标CNR(Contrast to noise ratio对比度噪声比)作为减影图像质量的评价标准，CNR的定义为：
其中分子为目标区域与背景区域衰减系数均值的差，分母中σ1、σ2分别表示碘区域和背景区域的std(标准偏差)，表征了图像的噪声水平。
表1
方法 噪声水平 对比度 CNR
相关技术方法 0.0741 83.3 12.5
本发明方法 0.0649 185 20.13
表1为两种选取方法减影图像质量的比
其中噪声水平使用定义为：
对比度使用标准定义：
m1、m2分别为碘区域和背景区域的平均值。
从表1中可以看出，虽然噪声水平两者是相似的，但使用本发明方法得到的减影后图像从对比度和CNR上都有很大程度的提升，CNR的提升在60％以上。
上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种K边成像方法，其特征在于，包括：
获取探测器的能量分辨率，并根据所述能量分辨率确定高斯卷积核；
获取理论衰减系数曲线；
根据所述高斯卷积核以及理论衰减系数曲线得到第一平滑衰减系数曲线；
根据所述第一平滑衰减系数曲线结合能窗内光谱信息得到第二平滑衰减系数曲线；
根据所述第二平滑衰减系数曲线选定能窗位置。
2.根据权利要求1所述的K边成像方法，其特征在于，根据能量分辨率确定高斯卷积核，包括：
根据所述能量分辨率确定目标能量处的半高全宽；
根据所述半高全宽以及高斯函数的性质得到所述高斯卷积核。
3.根据权利要求2所述的K边成像方法，其特征在于，根据能量分辨率确定高斯卷积核，包括：
确定能量与能量分辨率之间的关系；
根据所述能量与能量分辨率之间的关系获得所述目标能量处的能量分辨率。
4.根据权利要求1所述的K边成像方法，其特征在于，获取理论衰减系数曲线，包括：
建立理论衰减数据库；
从所述理论衰减数据库中获取理论衰减系数曲线。
5.根据权利要求4所述的K边成像方法，其特征在于，从所述理论衰减数据库中获取理论衰减系数曲线，包括：
从所述理论衰减数据库中获取理论衰减系数离散点；
根据所述理论衰减系数离散点通过三次多项式分段插值得到理论衰减系数曲线。
6.根据权利要求1所述的K边成像方法，其特征在于，根据所述高斯卷积核以及所述理论衰减系数曲线得到第一平滑衰减系数曲线，包括：
根据所述高斯卷积核以及所述理论衰减系数曲线利用高斯卷积公式得到第一平滑衰减系数曲线。
7.根据权利要求1所述的K边成像方法，其特征在于，所述能窗内的光谱信息包括光子等效能量和光子等效衰减系数；根据所述第一平滑衰减系数曲线结合能窗内光谱信息得到第二平滑衰减系数曲线，包括：
根据所述第一平滑衰减系数曲线对能窗范围内的能量和衰减系数确定其对应的光子等效能量和光子等效衰减系数；
由所述等效能量和所述等效衰减系数得到所述第二平滑衰减系数曲线。
8.根据权利要求7所述的K边成像方法，其特征在于，根据所述第一平滑衰减系数曲线对能窗范围内的能量和衰减系数求其对应的等效能量和等效衰减系数，包括：
根据所述第一平滑衰减系数曲线、能窗宽度和光谱确定所述等效衰减系数；
根据所述能窗宽度和所述光谱确定所述等效能量。
9.根据权利要求8所述的K边成像方法，其特征在于，所述能窗宽度大于等于5kev小于等于10kev。
10.根据权利要求1所述的K边成像方法，其特征在于，根据所述第二平滑衰减系数曲线选定能窗位置，包括：
根据所述第二平滑衰减系数曲线的波峰与波谷确定所述能窗位置。
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