CN110179486A - 多能量ct成像系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种多能量CT成像系统及其应用，其中多能量CT成像系统包括：具有飞焦点功能的射线源，产生用于透射成像的射线；能谱滤波器，用于对入射的射线能谱进行调制，包含多个滤波模块，根据各个滤波模块与射线源焦点的相对位置产生能谱调制后的出射射线，该出射射线照射于待测物体上；以及探测器模块，用于接收经过待测物体的射线信号。采用具有飞焦点功能的射线源，同时结合能谱调制方法和静态空间能谱滤波，能够快速切换产生不同射线能谱，实现多能量CT成像，同时能够通过提高CT探测器层间采样率和/或层内采样率，获得非稀疏多能量CT数据，进而能进行更加精确的基材料物质分解，在多能CT成像领域具有良好的应用前景。

Description

多能量CT成像系统及其应用
技术领域
本公开属于辐射成像领域，涉及一种多能量CT成像系统及其应用，特别是一种基于飞焦点和能谱滤波的多能量CT成像系统及其应用。
背景技术
近20来年，随着大面积平板探测器的兴起，锥束计算机断层扫描(CT，ComputedTomography)成像因其具有集成度高、空间分辨率高及便捷灵活等优点，是成像前沿理论与应用研究的重要学术热点，成为X射线成像新的重要学科发展方向。锥束CT成像在工、农业和医学等诸多领域具有广阔应用前景，已经在人体口腔(牙科)检查，图像引导介入式治疗以及放射治疗等领域中已发挥着不可或缺的重要作用，相关成像理论与应用研究也不断深入。
射线散射是CT自诞生以来就存在的影响CT图像质量的基础物理挑战，会造成图像伪影和CT值不准确等问题。对锥束CT成像而言，射线散射存在且在实际应用中很严重。平板探测器由于像素很小不能放置高性能的去散射光栅，放置散射光栅会导致探测器射线利用率太低，剂量损失太大。
提高锥束CT成像性能的最核心问题之一是去除或减少射线散射。去除散射的方法大致可以分为两大类，一类为：基于硬件的直接散射测量，比如使用散射遮挡块/散射遮挡条，另一类为基于算法的散射估计，比如基于物理的解析/蒙特卡洛计算、投影域卷积滤波以及基于先验图像的伪影估计等。一般而言，直接测量类散射校正方法精度高，但对硬件有额外要求，且往往需要二次扫描，可能增加剂量；而算法估计类方法对硬件没有额外要求，也不需要二次扫描，但校正效果可能差一些，或者计算复杂度显著增加。
在动态能谱滤波多能量成像系统中，其成像质量主要有2个限制因素：(1)需要比较复杂的机械电气控制来实现能谱滤波器的移动；(2)存在稀疏数据问题，基材料物质分解难度大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种多能量CT成像系统及其应用，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种多能量CT成像系统，包括：具有飞焦点功能的射线源，产生用于透射成像的射线；能谱滤波器，用于对入射的射线能谱进行调制，包含多个滤波模块，根据各个滤波模块与射线源焦点的相对位置产生能谱调制后的出射射线，该出射射线照射于待测物体上；以及探测器模块，用于接收经过待测物体的射线信号。
在本公开的一些实施例中，具有飞焦点功能的射线源的焦点，在CT成像过程中，能够沿着探测器层间方向来回移动，或者沿着探测器层内方向来回移动，或者沿着探测器层间和层内两个方向的任意组合先后进行来回移动。
在本公开的一些实施例中，能谱滤波器为与射线源相对固定的装置，滤波模块由能够改变射线能谱及其空间分布的材料制造，所述材料的种类、厚度以及分布方式决定能谱调制后的出射射线的能谱分布。
在本公开的一些实施例中，飞焦点射线源的焦点来回移动，发生在CT成像全部投影角度的数据采集过程中，使得相邻投影角度下的数据采集时的焦点位置都不相同；或者，飞焦点射线源的焦点来回移动，发生在CT成像部分投影角度的数据采集过程中，使得仅有部分投影角度下的数据采集时的焦点位置发生改变。
在本公开的一些实施例中，能谱滤波器的多个滤波模块为衰减部分射线的半透明模块单元，多个滤波模块周期性分布。
在本公开的一些实施例中，多个滤波模块，包括两个或两个以上不同厚度或材料的滤波栅格或滤波条。
在本公开的一些实施例中，多能量CT成像系统中，具有飞焦点功能的射线源包括如下器件的一种：X光管、碳纳米管或加速器。
在本公开的一些实施例中，用于透射成像的射线为X射线或伽马射线。
在本公开的一些实施例中，多能量CT成像系统，还包括：机械/电气控制模块，用于对射线源焦点位置的移动进行机械和/或电气控制；数据传输单元，用于对探测器模块接收的射线信号进行数据传输；以及数据处理单元，用于进行数据处理。
根据本公开的另一个方面，提供了一种多能量CT成像系统在多能CT成像领域的应用。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的多能量CT成像系统及其应用，具有以下有益效果：
采用具有飞焦点功能的射线源，同时结合能谱调制方法和静态空间能谱滤波，能够快速切换产生不同射线能谱，实现多能量CT成像，同时能够通过提高CT探测器层间(Z方向)采样率和/或层内(X方向)采样率，获得非稀疏多能量CT数据，进而可以进行更加精确的基材料物质分解，以及采用更快速方便的解析重建方法，在多能CT成像领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的多能量CT成像系统的简化平面结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的多能量CT成像系统的立体结构示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的多能量CT成像系统中射线源飞焦点功能的示意图。
图4为根据本公开一实施例所示的多能量CT成像系统中能谱滤波器对入射的射线能谱进行调制，根据与射线源焦点的相对位置产生不同能谱的射线的示意图，其中，(a)为含有多种能谱的入射射线示意图，(c)为与入射射线对应的能谱分布示意图；(b)为经过能谱滤波器调制后的出射射线示意图，(d)为与出射射线对应的能谱分布示意图；(e)为能谱滤波器的材料分布示意图。
具体实施方式
源调制散射校正是近10年来发展起来的，它的基本原理是将一块高频半透明衰减网格，置于X射线源和被扫描物体之间，通过一系列物理假设(主要是散射光子分布的低频特性)和数学推导，实现仅需一次CT扫描测量的快速散射校正。近年来，源调制散射校正得到了进一步发展，尤其是在散射估计算法上。源调制散射校正的主要难点在于调制器会引入射线硬化和能谱不一致性，可能限制散射校正在实际应用中的性能。
当前，关于射线源滤波方面研究十分活跃，例如关于动态领结滤波器、动态空间能谱滤波器等。动态空间能谱滤波可以实现锥束CT多能成像，但它需要比较复杂的机械电气控制来实现能谱滤波器的移动，存在稀疏数据问题，基材料物质分解难度大。源调制方面的最新研究成果将源调制方法推广到了锥束CT双能成像，但它也存在稀疏数据的问题，需要迭代重建方法。
射线源飞焦点技术，目前已成功应用到高端医学诊断CT机中。它是通过改变X射线源产生过程中电子束轰击钨靶的位置，即X射线源焦点位置，提高CT探测器层间(Z方向)采样率或层内(X方向)采样率。
本公开创新性地利用射线源飞焦点技术，结合能谱调制散射校正理论，以及静态空间能谱滤波方法，建立了一种全新的多能量CT成像系统，实现非稀疏多能量CT数据、单能射线源以及静态能谱滤波的多能量CT成像系统。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，“A/B”表示A和/或B，例如，数据传输/处理单元，包括数据传输单元或者数据处理单元，或者该单元同时具有数据传输和处理功能。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种多能量CT成像系统。
图1为根据本公开一实施例所示的多能量CT成像系统的简化平面结构示意图。图2为根据本公开一实施例所示的多能量CT成像系统的立体结构示意图。
参照图1和图2所示，本公开的多能量CT成像系统，包括：具有飞焦点功能的射线源，产生用于透射成像的射线；能谱滤波器，用于对入射的射线能谱进行调制，包含多个滤波模块，根据各个滤波模块与射线源焦点的相对位置产生能谱调制后的出射射线，该出射射线照射于待测物体上；以及探测器模块，用于接收经过待测物体的射线信号。
本实施例中，该多能量CT成像系统，还包括：机械/电气控制模块，用于对射线源焦点位置的移动进行机械和/或电气控制。
在一些实施例中，该多能量CT成像系统，还包括：数据传输单元，用于对探测器模块接收的射线信号进行数据传输。更进一步，还包括：数据处理单元，用于进行数据处理。当然，数据传输单元和数据处理单元可集成在同一个模块中，或者为分立的单元。
参照图2所示，本实施例中的多能量CT成像系统，包括：射线源、能谱滤波器、探测器模块、机械/电气控制与数据传输/处理单元。
本实施例中，射线源为具有飞焦点功能的射线源，可以是X光管、碳纳米管和加速器的其中之一，其能够产生用于透射成像的射线；所述射线为X射线或者伽马射线；射线源的焦点能够沿着探测器层间(图3所示Z方向)和/或层内(图3所示X方向)或两个方向先后移动，改变射线源发射的射线初始位置。射线源能够绕着待测物体进行360度全方位旋转，如图中环形虚线示意，从而对待测物体的各个角度进行扫描。
图3为根据本公开一实施例所示的多能量CT成像系统中射线源飞焦点功能的示意图。
请参考图3所示，假设射线源焦点初始在中心点处，则通过电气控制操作可以快速切换焦点移动到Z方向的上下点处，或者X方向的左右点处，或者斜方向的四个点处。如此，利用射线源的飞焦点功能使得射线源的焦点按照需要进行位置移动，实现射线源发射射线初始位置的调控。
当然，实际使用中，也不必每一个角度都采用飞焦点功能进行采样，可以根据实际需要确定飞焦点采用频率，比如采用稀疏的飞焦点采用模式，即每隔几个角度做一个飞焦点采样。
在本公开的一些实施例中，飞焦点射线源的焦点来回移动，发生在CT成像全部投影角度的数据采集过程中，使得相邻投影角度下的数据采集时的焦点位置都不相同；或者，飞焦点射线源的焦点来回移动，发生在CT成像部分投影角度的数据采集过程中，使得仅有部分投影角度下的数据采集时的焦点位置发生改变。
在本公开的一些实施例中，能谱滤波器的多个滤波模块为衰减部分射线的半透明模块单元，多个滤波模块排列成周期性分布的形式，例如多个滤波模块排列成高频周期性网格状。
在本公开的一些实施例中，多个滤波模块，包括两个或两个以上不同厚度或材料的滤波栅格或滤波条。
在本公开的一些实施例中，能谱滤波器为与射线源相对固定的装置，滤波模块由能够改变射线能谱及其空间分布的材料制造，，所述材料的种类、厚度以及分布方式决定能谱调制后的出射射线的能谱分布。
本实施例中，能谱滤波器为与射线源相对固定的装置，多个滤波模块由能够吸收部分射线的材料制造，并加工成半透明模块单元，排列成高频周期性网格状，能够对入射的射线能谱进行调制，根据滤波模块与射线源焦点的相对位置产生不同能谱的射线。射线能谱或能谱分布表示不同能量的射线所形成的数量分布。
图4为根据本公开一实施例所示的多能量CT成像系统中能谱滤波器对入射的射线能谱进行调制，根据与射线源焦点的相对位置产生不同能谱的射线的示意图，其中，(a)为含有多种能谱的入射射线示意图，(c)为与入射射线对应的能谱分布示意图，纵坐标进行了归一化；(b)为经过能谱滤波器调制后的出射射线示意图，(d)为与出射射线对应的能谱分布示意图，纵坐标进行了归一化；(e)为能谱滤波器的材料分布示意图。
请参考图4所示，本实施例中，假设需要通过能谱滤波器产生三种不同能谱，对应的能谱滤波器由三种不同厚度的不同种类材料组成，分别由材料1、材料2和材料3依次间隔排列，形成高频周期性网格状，如图4中(e)所示，能够对入射的射线能谱进行调制，入射射线如图4中(a)所示，图中以处于同一起始位置的平行线示意相同能量的射线，图4中(a)示意了多种能量的入射射线，例如三种能量，这三种能量的能谱分布图如图4中(c)所示意；包含多种能量的入射射线经过排列成高频周期性网格状的能谱滤波器进行调制之后，根据与射线源焦点的相对位置产生出射射线，该出射射线如图4中(b)所示，与图4中(a)所示意的入射射线相比，每种能量值以及各个能量值的分布发生了变化，出射射线的能谱分布图如图4中(d)所示，从而实现了能谱调制，进而改变穿过物体的射线能谱。
当然，实际实施例中，可以根据系统设计需要，设计相应的能谱滤波器的材料种类、厚度以及排列方式等，不局限于本实施例中的材料种类、厚度和排列方式。
基于本公开的多能量CT成像系统，结合申请人同日提出的专利申请“多能量CT基材料物质分解方法”，能够实现不含伪影的CT造影。基于该多能量CT系统能够快速切换产生不同射线能谱，实现多能量CT成像，同时能够通过提高CT探测器层间(Z方向)采样率和/或层内(X方向)采样率，获得非稀疏多能量CT数据，进而能进行更加精确的基材料物质分解；通过在多能量下的能谱投影值中加入对应能谱下的散射强度，将不同能量下的散射强度之间的关系进行标定，得到散射分布相关函数，此时通过预先建立好的映射模型至少可以求出两种基材料的加权系数投影值以及散射强度分布，根据实际测得的投影值，基于预先建立的双向映射关系，便可以将其投影值分解到M种基材料上，找到该未知的物体结构对应的M种基材料的投影数据和散射强度，由于散射强度和M种基材料的投影数据是分离开的，便消除了伪影的因素，仅根据多种基材料的投影数据进行图像重建，便可得到不含伪影的图像，具有非常好的消除伪影的效果，在多能CT成像领域具有良好的应用前景。
综上所述，本公开提供了一种多能量CT成像系统及其应用，通过采用具有飞焦点功能的射线源，同时结合源调制方法和静态空间能谱滤波，能够快速切换产生不同射线能谱，实现多能量CT成像，同时能够通过提高CT探测器层间(Z方向)采样率和/或层内(X方向)采样率，获得非稀疏多能量CT数据，进而可以进行更加精确的基材料物质分解，以及采用更快速方便的解析重建方法，在多能CT成像领域具有良好的应用前景，基于该多能量CT成像系统能够实现不含伪影的CT成像。
需要说明的是，在附图中示出了根据本公开实施例介绍的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大某些细节，并且可能省略了某些细节。再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多能量CT成像系统，其特征在于，包括：
具有飞焦点功能的射线源，产生用于透射成像的射线；
能谱滤波器，用于对入射的射线能谱进行调制，包含多个滤波模块，根据各个滤波模块与射线源焦点的相对位置产生能谱调制后的出射射线，该出射射线照射于待测物体上；以及
探测器模块，用于接收经过待测物体的射线信号。
2.根据权利要求1所述的多能量CT成像系统，其特征在于，所述具有飞焦点功能的射线源的焦点，在CT成像过程中，能够沿着探测器层间方向来回移动，或者沿着探测器层内方向来回移动，或者沿着探测器层间和层内两个方向的任意组合先后进行来回移动。
3.根据权利要求1所述的多能量CT成像系统，其特征在于，所述能谱滤波器为与射线源相对固定的装置，滤波模块由能够改变射线能谱及其空间分布的材料制造，所述材料的种类、厚度以及分布方式决定能谱调制后的出射射线的能谱分布。
4.根据权利要求2所述的多能量CT成像系统，其特征在于，
所述飞焦点射线源的焦点来回移动，发生在CT成像全部投影角度的数据采集过程中，使得相邻投影角度下的数据采集时的焦点位置都不相同；或者，
所述飞焦点射线源的焦点来回移动，发生在CT成像部分投影角度的数据采集过程中，使得仅有部分投影角度下的数据采集时的焦点位置发生改变。
5.根据权利要求3所述的多能量CT成像系统，其特征在于，所述能谱滤波器的多个滤波模块为衰减部分射线的半透明模块单元，多个滤波模块周期性分布。
6.根据权利要求5所述的多能量CT成像系统，其特征在于，所述多个滤波模块，包括两个或两个以上不同厚度或材料的滤波栅格或滤波条。
7.根据权利要求1所述的多能量CT成像系统，其特征在于，所述具有飞焦点功能的射线源包括如下器件的一种：X光管、碳纳米管或加速器。
8.根据权利要求1的多能量CT成像系统，其特征在于，所述用于透射成像的射线为X射线或伽马射线。
9.根据权利要求1所述的多能量CT成像系统，其特征在于，还包括：
机械/电气控制模块，用于对射线源焦点位置的移动进行机械和/或电气控制；数据传输单元，用于对探测器模块接收的射线信号进行数据传输；以及数据处理单元，用于进行数据处理。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的多能量CT成像系统在多能CT成像领域的应用。
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