CN111134710A - 一种多能量ct成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多能量CT成像系统，属于医疗成像领域，该系统包括：射线源产生用于透射成像的射线，射线源具有变焦点功能，焦点位置在X、Z两个维度上变动；能谱调制器位于射线源和待成像物体之间，能谱调制器为栅格状，由不小于两块对X射线具有部分衰减功能的一维栅格重叠组成，重叠后的栅格由相同的在空间上周期性排布的单元构成，用于产生不同的能谱；探测器模块用于接收经过能谱调制器和待成像物体后的多能透射数据；机械/电气控制与数据传输/处理单元用于对射线源、能谱调制器和探测器模块进行控制以及对透射数据进行处理。该系统的射线源具有变焦点功能，射线穿过能谱调制器可在探测器上获得多能透射数据。
Description
技术领域
本发明涉及医疗成像技术领域，特别涉及一种多能量CT成像系统。
背景技术
多能量计算机断层扫描成像(Computed Tomography，CT)是目前CT领域的研究热点之一，主要包括双能CT和基于光子计数探测器的能谱CT。相比于传统CT，多能量CT利用物质在不同X射线能量下吸收能力的差异，能提供比常规CT更多的影像信息，具有提高图像质量、抑制射束硬化伪影、降低辐射剂量等优势。目前主流的临床双能CT扫描仪包括重复进行两次不同能谱的扫描、双源双探测器、快速千伏切换技术、双层探测器技术等，这些技术都各有其优势与劣势。
射线散射一直以来是影响CT成像图像质量的一个难题。射线散射会使CT投影数据偏离射线积分的理论值，导致图像重建不准确，从而出现散射伪影。
目前主要的射线散射伪影抑制方法可以分为两大类:前处理方法和后处理方法。前处理方法是通过阻止散射光子到达探测器，降低散射透射比。后处理方法是基于对投影数据中散射贡献的估计，将其在原始投影数据中扣除来降低散射的影响。在现有的技术中，前处理方法主要有：栅格阻挡法、增大成像物体与探测器距离的方法。后处理方法主要有：直接测量法、基于软件模拟(蒙卡模拟等)、基于硬件的分解方法等。
源调制散射校正方法是一种基于硬件的分解方法。该方法通过在X射线源与被测物体之间插入调制器(一种半透明衰减网格)，对投影数据的高频信号进行衰减，根据散射分布的低频特性，使得透射信号和散射信号在频域内是强分离的，然后利用滤波和解调技术得到精确的散射估计。然而，在源调制校正方法的早期研究中，没有充分考虑实际情况下CBCT系统的几个非理想效应，如射线硬化和机架振动，这些可能会降低散射校正的性能。
近年来，源调制的CT技术一直是研究热点之一。如用于双能CT和射线校正的主调制器、西门子双光束双能CT的分裂滤波器、动态空间能谱滤波等。其中，动态空间能谱滤波需要比较复杂的机械电气控制来实现能谱滤波器地移动，存在数据稀疏/基材料物质分解难度大的问题。主调制器和分裂滤波器相对于X射线源是固定的，因此在机械设计和实际实现上具有简单易行的优点。但在能谱数据采样方面，固定调制器可能会遇到数据稀疏或投影射线校准困难的问题。
X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。
在相关技术中，X射线源焦点位置变动采用X射线源飞焦点技术。能谱调制器的构造采用网格状结构，每个子单元直接用不同材料或同材料不同厚度，在实际制作时较为困难。制作一种易于制作的能谱调制器对CT成像具有重要意义。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种多能量CT成像系统，该系统通过射线源焦点位置变化，穿过设计好的能谱滤波器，可以在探测器上得到多种不同能谱的数据。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出一种多能量CT成像系统，包括：射线源、能谱调制器、探测器模块和机械/电气控制与数据传输/处理单元；
所述射线源产生用于透射成像的射线，所述射线源具有变焦点功能，焦点位置在X、Z两个维度上变动；
所述能谱调制器位于所述射线源和待成像物体之间，用于产生不同的能谱，所述能谱调制器由不小于两块对X射线具有部分衰减功能的一维栅格重叠组成，重叠后的栅格由相同的在空间上周期性排布的单元构成，每个单元包括四个或四个以上的子单元，不同子单元对X射线具有不同的衰减；
所述重叠包括垂直重叠或倾斜角度后重叠或平行重叠；
所述不小于两块的一维栅格为不同材料或不同厚度；
所述探测器模块用于接收经过所述能谱调制器和所述待成像物体后的透射数据；
所述射线源和所述探测器绕所述待成像物体旋转，在X或Z方向改变所述射线源的焦点位置，改变前和改变后所述射线源发出的X射线穿过所述能谱调制器的不同子单元，落在所述探测器的邻近像素上，且改变前后的X射线在所述待成像物体内部偏差小于预设值，在所述探测器采集透射数据；
所述机械/电气控制与数据传输/处理单元用于对所述射线源、所述能谱调制器和所述探测器模块进行控制，以及根据所述射线源焦点的不同位置，将采集到的透射数据归入不同的分类，基于分类对透射数据进行处理，将射线源焦点不同位置处采集的透射数据通过平移或插值处理得到近似的探测器同一像素处穿过所述能谱调制器的不同子单元的多能透射数据。
本发明实施例的一种多能量CT成像系统，通过射线源焦点位置变化，穿过设计好的能谱滤波器，可以在探测器上得到多种不同能谱的数据，如果变焦点方式采用飞焦点技术还可提高CT探测器层间(Z方向)采样率或层内(X方向)采样率，获得非稀疏数据。
另外，根据本发明上述实施例的一种多能量CT成像系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述射线源、所述能谱调制器和所述探测器模块可绕所述待成像物体旋转。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述射线源包括但不限于X光管、碳纳米管、同位素源和加速器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述射线包括但不限于X射线和伽马射线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述射线源的焦点位置在X、Z两个维度上变动的方式包括但不限于射线源飞焦点技术和分布式光源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述探测器包括但不限于高空间分辨率的平板探测器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述探测器还用于接收射线，进行单帧或多帧的透视成像。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的能谱调制器放大后的平面示意图；
图2为根据本发明一个实施例的两种一维栅格重叠得到的能谱调制器示意图；
图3为根据本发明一个实施例的多能量CT成像系统结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的射线源变焦点技术示意图；
图5为根据本发明一个实施例的X射线穿过能谱调制器不同子单元后的能谱示意图；
图6为根据本发明一个实施例的探测器上不同旋转角度对应的能谱示意图；
图7为根据本发明一个实施例的为多能量CT成像系统的成像平面图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种多能量CT成像系统。
下面根据附图介绍本发明的多能量CT成像系统中使用的能谱调制器。
图1为根据本发明一个实施例的能谱调制器放大后的平面示意图。
能谱调制器由不小于两块对X射线具有部分衰减功能的一维栅格重叠组成，重叠后的栅格由相同的在空间上周期性排布的单元构成，每个单元包括四个或四个以上的子单元，不同子单元对X射线具有不同的衰减。
如图1所示，能谱调制器包含多个单元，每个单元包括多个子单元，每个子单元代表不同的衰减，在图1中，每个单元包含四个子单元。
能谱调制器的在具体实现时有多种实现方法，例如可用同种材料不同厚度或者不同材料等不同方式直接得到图1所示网格状能谱调制器。
在本发明的实施例中，能谱调制器采用不小于两块一维栅格重叠等方式得到。不小于两块一维栅格重叠示意图如图2所示。从经济实用的角度看，一维栅格更加易于制作，且只需要不小于两块一维栅格采用不同材料或不同厚度，可得到较好结果。
可以理解的是，制造两个或多个对X射线具有部分衰减功能的一维栅格，此一维栅格是指在一个方向上栅格对X射线的衰减呈周期性变化，通过将两个或多个一维栅格重叠形成所需栅格。
其中，重叠方向可以是将一维栅格垂直重叠，倾斜一定角度后重叠，平行重叠。具体重叠情况根据实际需要进行设定。
在使用本发明实施例的能谱调制器进行双能或多能CT的基材料物质分解时，通常需要不同能谱有足够大的能量差异，即两种能谱的平均能量差足够大。根据数值模拟可以得到当所用系统中的能谱调制器为特定不同衰减的子单元时，相减后进而得到新的能谱Si(E)-Sj(E)的平均能量。从经济实用的角度，可以考虑用两种一维栅格重叠得到能谱调制器。
作为一种实施方式，在仿真中分别取两种一维栅格材料为钼、金，钼厚度为0.3mm，金厚度为0.0253mm，则对应的四个子单元分别为：空气，钼，金，钼+金。通过数值计算得出垂直穿过能谱调制器不同子单元得到的三种能谱按上述方法相减后，两种能谱的平均能量差最高为20.83keV，具备进行双能物质分解的可行性。
除钼、金外，还可以有多种组合可能，两种材料可以相同，例如均为钼，也可以不同，例如钼、金，钼、钽等。在组合时也要注意能谱调制器对能谱的总衰减不能太大，否则到达探测器上的光子数太少，反而导致误差变大。
本发明提出的能谱调制器，可以用多块一维栅格重叠得到，一维栅格可以是不同材料/厚度或相同材料/厚度。重叠后得到多个子单元，在每个子单元上对射线有不同的衰减，穿过不同子单元得到不同的能谱，从而实现对能谱的调制，得到多能能谱。在经济角度看，条状板更加易于制作，成本低。
图3为根据本发明一个实施例的多能量CT成像系统结构示意图。
如图3所示，该多能量CT成像系统包括以下步骤：射线源、能谱调制器、探测器模块和机械/电气控制与数据传输/处理单元。
射线源产生用于透射成像的射线，射线源具有变焦点功能，焦点位置在X、Z两个维度上变动；
能谱调制器位于射线源和待成像物体之间，用于产生不同的能谱，能谱调制器由不小于两块对X射线具有部分衰减功能的一维栅格重叠组成，重叠后的栅格由相同的在空间上周期性排布的单元构成，每个单元包括四个或四个以上的子单元，不同子单元对X射线具有不同的衰减；
重叠包括垂直重叠或倾斜角度后重叠或平行重叠；
不小于两块的一维栅格为不同材料或不同厚度；
探测器模块用于接收经过能谱调制器和待成像物体后的透射数据；
射线源和探测器绕待成像物体旋转，在X或Z方向改变射线源的焦点位置，改变前和改变后射线源发出的X射线穿过能谱调制器的不同子单元，落在探测器的邻近像素上，且改变前后的X射线在待成像物体内部偏差小于预设值，在所述探测器采集透射数据；
机械/电气控制与数据传输/处理单元用于对射线源、能谱调制器和探测器模块进行控制，以及根据射线源焦点的不同位置，将采集到的透射数据归入不同的分类，基于分类对透射数据进行处理，将射线源焦点不同位置处采集的透射数据通过平移或插值处理得到近似的探测器同一像素处穿过能谱调制器的不同子单元的多能透射数据。
如图3所示，图中的旋转箭头表示X射线断层成像时射线源、能谱调制器和探测器绕物体旋转。
可以理解的是，在X或Z方向改变射线源的焦点位置，改变前和改变后射线源发出的X射线穿过能谱调制器的不同子单元，落在探测器的邻近像素上，由于移动前后的射线在待成像物体内部的偏差较小，小于预设值(预设值可以根据实际情况进行设置)，因此在探测器上得到的数据可以视为一致的多能透射数据。
在进行扫描成像时，由于旋转间隔较小，同一探测器单元上旋转角度连续的不同能量的透射数据也可视作同一角度下的多能量数据。
可以理解的是，动态空间能谱滤波需要比较复杂的机械电气控制来实现能谱滤波器的移动，存在数据稀疏、基材料物质分解难度大的问题。而已有的主调制器和分裂滤波器相对于X射线源是固定的，机械设计和实际实现上简单易行，但在能谱数据采样方面，固定调制器可能会遇到数据稀疏或投影射线校准困难等问题。
本发明实施例的X射线源采用变焦点技术，改变射线源的焦点在探测器中获取不同的多能透射数据，结合源调制散射校正理论，以及静态空间能谱滤波方法，建立一种全新的多能CT成像系统。
如图3所示，射线源可以是X光管、碳纳米管、同位素源和加速器的其中之一，其能够产生用于透射成像的射线，射线为X射线或者伽马射线。射线源的焦点位置能够在X、Z两个维度上变动，其变动方式采用一种射线源变焦点技术，这种技术可以是射线源飞焦点技术，也可以是其他的类似分布式光源等能快速变化射线源位置的技术。
如图4所示，图4(a)为射线源飞焦点移动的示意图，采用飞焦点技术移动射线源的焦点，假定射线源初始位置在中央黄点处，通过电气控制操作可以快速切换焦点移动到Z方向的上下绿点处(中央黄点的正上、正下方)，或者X方向的左右红点处(中央黄点的左右点)，或者斜方向的四个蓝点处。
如图4所示，图4(b1)为分布式光源状态1，图4(b2)为分布式光源状态2。采用分布式光源移动射线源的焦点，假定射线源初始曝光位置在图4(b1)中央蓝点处，其余灰点处射线源均不工作。通过分布式射线源的快速切换曝光功能，可以如图4(b2)所示，控制中央点右侧蓝点处射线源曝光，其余射线源不工作，也可以控制其余灰点处某一射线源工作，剩余射线源不工作，从而实现射线源位置在x、z方向的快速切换。
通过变动射线源位置，可以使探测器同一或临近区域收集到穿过能谱调制器不同子单元的射线，从而收集到不同能谱的数据。穿过能谱调制器不同子单元的射线的能谱示意图如图5所示。
在具体实现时，由于射线源、探测器一直在旋转，在变动射线源位置(射线源位置在两个维度变动，位置分别定义为1,2,3)时，可以每隔一个角度或几个角度变动一次射线源位置。以一个角度为例，射线源位置变动规律可以部分以位置1、位置2、位置3、位置2、位置1等三个位置交替的形式循环，不同旋转角度下得到的同一探测器像素上对应的能谱会以能谱1、能谱2、能谱3、能谱2、能谱1等三个能谱的形式循环，对应图像如图6(a)所示。部分以位置1、位置2、位置1或位置1、位置3、位置1等两个位置的形式循环，能谱以能谱1、能谱2、能谱1等两个能谱的形式循环，对应图像如图6(b)所示。部分以位置1、位置1的形式循环，能谱以能谱1、能谱1形式循环变化，对应图像如图6(c)所示。最后得到在同一探测器像素上可能的不同旋转角度得到的能谱(定义为1,2,3)示意图如图4所示。
利用图6所示能谱部分以1,3或1,2、2,3等形式连续的数据配合部分以1,2,3连续的数据，由于旋转角度间隔很小，可以视为同一角度下的多能数据，也可对其进行优化处理得到更加一致的多能数据。利用三能数据可以进行散射估计和基材料分解以及稀疏数据重建。同时还可以利用图6中部分以1,1形式连续的数据进行稀疏数据重建。
在本发明实施例的多能量CT成像系统中，所使用的能谱调制器放大平面示意图如图1所示。作为一种实施方式，每个单元包括四个子单元，每个单元中存在四个不同衰减的子单元。
在本发明实施例的中，能谱调制器的在具体实现时有多种实现方法，例如可用同种材料不同厚度或者不同材料等不同方式直接得到图1所示网格状能谱调制器。
还可以通过图2所示的方式采用多块一维栅格重叠等方式得到。目前从经济实用的角度看，一维栅格更加易于制作，且只需要两块一维栅格采用不同材料或不同厚度，可得到较好结果。但不排除可以直接用同种材料不同厚度、不同材料的一块一维栅格构成图1所示结构的可能。
进一步地，在本发明的实施例中，CT型探测器为能量积分探测器或者光子计数探测器，CT型探测器为高空间分辨率的面阵探测器，高空间分辨率指面阵探测器的探测器像素不大于1mm，CT型探测器还用于接收射线，进行单帧或多帧的透视成像。
如图7所示，为多能量CT成像系统的成像平面图，其中，无颜色区域代表镂空区域，有颜色区域为特定材料。由图可知，改变射线源的焦点后，发出的X射线穿过能谱调制器的不同子单元，穿过能谱调制器的X射线再穿过待测物体，进而落在探测器上，在探测器上采集不同能谱的透射数据，利用不同能谱的透射数据进行散射估计、基材料分解、稀疏数据重建等工作，提升CT图像重建效果。
本发明提出的多能量CT成像系统，通过射线源焦点位置变化，穿过设计好的能谱滤波器，可以在探测器上得到多种不同能谱的数据，还可提高CT探测器层间(Z方向)采样率或层内(X方向)采样率，获得非稀疏数据。例如在X、Z方向改变射线源位置，根据能谱调制器结构，可以在探测器上得到部分三种不同能谱的数据，利用三组数据可直接进行基材料分解和散射估计，部分两种不同能谱的数据，结合散射估计进行基材料分解或稀疏数据重建，部分一种能谱的数据，进行稀疏数据重建。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种多能量CT成像系统，其特征在于，包括：
射线源、能谱调制器、探测器模块和机械/电气控制与数据传输/处理单元；
所述射线源产生用于透射成像的射线，所述射线源具有变焦点功能，焦点位置在X、Z两个维度上变动；
所述能谱调制器位于所述射线源和待成像物体之间，用于产生不同的能谱，所述能谱调制器由不小于两块对X射线具有部分衰减功能的一维栅格重叠组成，重叠后的栅格由相同的在空间上周期性排布的单元构成，每个单元包括四个或四个以上的子单元，不同子单元对X射线具有不同的衰减；
所述重叠包括垂直重叠或倾斜角度后重叠或平行重叠；
所述不小于两块的一维栅格为不同材料或不同厚度；
所述探测器模块用于接收经过所述能谱调制器和所述待成像物体后的透射数据；
所述射线源和所述探测器绕所述待成像物体旋转，在X或Z方向改变所述射线源的焦点位置，改变前和改变后所述射线源发出的X射线穿过所述能谱调制器的不同子单元，落在所述探测器的邻近像素上，且改变前后的X射线在所述待成像物体内部偏差小于预设值，在所述探测器采集透射数据；
所述机械/电气控制与数据传输/处理单元用于对所述射线源、所述能谱调制器和所述探测器模块进行控制，以及根据所述射线源焦点的不同位置，将采集到的透射数据归入不同的分类，基于分类对透射数据进行处理，将射线源焦点不同位置处采集的透射数据通过平移或插值处理得到近似的探测器同一像素处穿过所述能谱调制器的不同子单元的多能透射数据。
2.根据权利要求1所述的多能量CT成像系统，其特征在于，所述射线源、所述能谱调制器和所述探测器模块可绕所述待成像物体旋转。
3.根据权利要求1所述的多能量CT成像系统，其特征在于，所述射线源包括但不限于X光管、碳纳米管、同位素源和加速器；
所述射线包括但不限于X射线和伽马射线。
4.根据权利要求1所述的多能量CT成像系统，其特征在于，所述射线源的焦点位置在X、Z两个维度上变动的方式包括但不限于射线源飞焦点技术和分布式光源。
5.根据权利要求1所述的多能量CT成像系统，其特征在于，所述探测器包括但不限于高空间分辨率的平板探测器。
6.根据权利要求1所述的多能量CT成像系统，其特征在于，所述探测器还用于接收射线，进行单帧或多帧的透视成像。
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