CN113167913A - 针对常规成像的光子计数的能量加权 - Google Patents

针对常规成像的光子计数的能量加权 Download PDF

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Abstract

一种图像处理系统包括输入接口(IN)，所述输入接口用于接收由光子计数探测器(PCD)生成的能量分辨计数数据，所述光子计数探测器具有至少2个能量分箱，但是优选具有两个以上的能量分箱。该系统的计数数据变换器(DT)被配置为执行变换操作以将能量分辨计数数据变换成经变换的计数数据，该操作包括将一个或多个权重应用于计数数据，该权重是先前基于以下各项来获得的i)针对该光子计数探测器或光子计数探测器的校准图像数据和ii)针对能量积分探测器的校准图像数据。数据转换器部件(CC)被配置为将经变换的计数数据转换成通过材料的路径长度数据。该系统允许仿真能量积分探测器。

Description

针对常规成像的光子计数的能量加权
技术领域
本发明涉及用于图像处理的系统、成像布置、图像处理方法、校准方法、计算机程序单元以及计算机可读介质。
背景技术
X射线成像是以非破坏性方式学习对象内部的结构细节的重要工具。主要应用在医学领域中。例如，CT(计算机断层摄影)成像允许获得患者的解剖结构的详细横截面图像。
X射线成像装置(例如，CT扫描器)包括探测器，该探测器被配置为探测在X辐射穿过要被成像的对象或患者后的X辐射。一种类型的X射线探测器包括能量积分探测器。能量积分探测器已经使用了几十年了，并且表示几代医学人员接受训练时遵循的常规标准。在X射线成像中，包括不同能量的X射线光子的X射线束穿过患者或对象并在探测器处被探测到。能量积分探测器测量X射线光子在穿过患者组织后在探测器像素处沉积的总能量。在常规的CT中，探测到的数据可以被转换成Hounsfield单位值。虽然在许多情况下有用，但是能量积分探测器通常不允许以足够高的灵敏度辨别软组织(在许多医学应用(如肿瘤学)中可能需要这种辨别)，并且Hounsfield单位尺度并非没有问题，因为其解读可能取决于周围的解剖结构。
为了解决这些问题，出现了被称为能量分辨的光子计数探测器的新一代探测器。这些探测器能够将传入的X射线光子分析成能级。具体来说，这些探测器对落入每个能级的光子数量进行计数。换句话说，这些探测器能够记录透射的X射线束的谱的近似结果。近似结果的精细度会取决于所考虑的能级的数量。由光子计数探测器记录的该计数数据形成谱信息，并且能够以多种方式收集谱信息以产生新的类型的影像。该影像包括材料特异性图、虚拟单色图像等。
然而，医学界对光子计数探测器的接受度可能相对较低，因为如上所述，几代医学学生都是在根据能量积分探测器导出的Hounsfield单位类型影像上进行训练的。
发明内容
因此，可能需要提高使用光子计数探测器成像器可获得的图像与使用能量积分探测器成像器可获得的图像之间的可比性。
本发明的目的由独立权利要求的主题来解决，其中，进一步的实施例并入了从属权利要求中。应当注意，本发明的以下描述的方面等同地适用于成像布置、图像处理方法、校准方法、计算机程序单元以及计算机可读介质。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于图像处理的系统，包括：
输入接口，其用于接收由光子计数探测器生成的能量分辨计数数据；
计数数据变换器，其被配置为执行变换操作以将所述能量分辨计数数据变换成经变换的计数数据，所述操作包括将一个或多个权重应用于所述计数数据，所述权重是先前基于以下各项来获得的：i)针对所述光子计数探测器或光子计数探测器的校准图像数据和ii)针对能量积分探测器的校准数据；以及
输出接口，其用于输出所述经变换的计数数据。
根据一个实施例，所述系统包括数据转换器部件，所述数据转换器部件被配置为将所述计数数据转换成通过材料的路径长度数据。换句话说，每个像素的计数被转换成相应的通过参考材料的路径长度。可以使用一种以上的材料类型。根据一个实施例，用于转换部件转换成的材料路径长度的参考材料可以基于水或(一种或多种)具有相似放射密度的材料。
优选地，预先计算权重。
针对光子计数探测器(“PCD”)的校准数据可以包括在使用PCD的校准流程中获得的投影计数数据。
针对能量积分探测器(“EID”)的校准数据可以包括投影数据，或者优选包括根据其重建的图像数据。该数据是在使用EID的校准流程中获得的。
这两个校准流程可以包括分别使用这两种探测器类型对诸如成像体模之类的测试体进行成像。
替代地，可以例如通过模拟在理论上获得权重。
根据一个实施例，所述系统包括重建器，所述重建器被配置为将所述通过材料的路径长度数据重建成图像数据。该图像数据可以被显示在显示设备上。
所提出的计算机化系统允许交叉探测器图像调整和可比性。该系统允许使用光子计数探测器来“仿真”通过给定的能量积分探测器可获得的影像。能够根据两种不同探测器类型的投影数据重建的影像使得可比性变得更好。例如，在CT实施例中，经转换的图像数据仿真当使用能量积分探测器时可获得的基于Hounsfield单位(HU)的影像。
根据一个实施例，系统包括用户接口，所述用户接口被配置为允许用户改变所述权重中的至少一个权重。
根据一个实施例，成像布置包括根据前述权利要求中的任一项所述的系统以及具有所述光子计数探测器的成像装置。
根据另一方面，提供了一种图像处理方法，包括：
接收由光子计数探测器生成的能量分辨计数数据；
将所述能量分辨计数数据变换成经变换的计数数据，所述操作包括将一个或多个权重应用于所述计数数据，所述权重是先前基于以下各项来获得的：i)针对所述光子计数探测器或光子计数探测器的校准图像数据和ii)针对能量积分探测器的校准数据；并且
输出所述经变换的计数数据。
根据另一方面，提供了一种校准方法，包括：
接收针对光子计数探测器的能量分辨校准计数数据；
接收针对能量积分探测器的校准图像数据；并且
调节能应用于所述能量分辨计数数据的一个或多个权重，以便使能根据经加权的计数数据导出的图像数据适合于针对所述能量积分探测器的所述校准图像数据；并且
输出所述一个或多个权重。
校准图像数据和校准计数数据涉及相同的体模或测试体。在自动优化流程中优选(但有必要)迭代地调节权重，直到根据计数数据重建的图像对应于(即，“看起来像”)针对能量积分探测器的校准图像数据为止。能够通过相似性度量来量化对应关系。针对能量积分探测器的校准图像数据包括根据由EID记录的投影数据重建的图像数据。
作为通过这种优化来自动确定权重的替代方案或补充方案，在实施例中，存在允许用户改变/调节权重以精细调谐或手动执行调整的用户接口。
根据另一方面，提供了被配置为执行校准方法的计算机化系统。
根据一个实施例，所述能量分辨校准计数数据和/或所述校准图像数据是基于将样本身体暴露于X辐射来获得的。
根据另一方面，提供了一种计算机程序单元，所述计算机程序单元在由至少一个处理单元运行时适于使所述处理单元执行根据上述实施例中的任一个实施例的方法。
根据另一方面，提供了一种在其上存储有程序单元的计算机可读介质。
附图说明
现在将参考以下附图来描述本发明的示例性实施例，其中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1示出了使用光子计数探测器的成像布置的示意性框图；
图2示出了被耦合到探测器像素的光子计数电路的示意图；
图3示出了被配置为处理由光子计数探测器产生的计数数据的图像处理系统的部件的示意性框图；
图4示出了用于基于从光子计数探测器和能量积分探测器接收的测试影像或数据来计算权重的布置；
图5示出了与光子计数探测器和能量积分探测器有关的示例性谱数据；
图6示出了从图5中的示例性谱获得的示例性比率与能量的关系；
图7示出了图像处理方法的流程图；并且
图8示出了校准方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，其示出了本文中的实施例中设想的成像布置IAR的示意性框图。
成像布置IAR包括被配置用于谱成像的X射线成像装置IA1。更特别地，谱成像能力是基于探测器的。更特别地，成像器IA1包括光子计数探测器PCD。从广义上讲，光子计数探测器PCD允许采集不同能级的投影数据。特别地，如下文更详细地解释的，投影数据包括由光子计数探测器PCD产生的计数数据。与传统的基于能量积分的探测器相比，计数数据可以被处理成多种不同的图像类型以更好地辅助诊断。特别地，可以获得用于更好地辨别软组织的单色影像、材料特异性图(包括材料分解)。另外，投影计数数据也可以由IPS处理成与常规的能量积分探测器可获得的能量积分影像相似的影像。
从广义上讲，成像布置IAR包括图像处理系统IPS，图像处理系统IPS特别包括投影数据处理器PDP，投影数据处理器PDP被配置为将经专门配置的权重w应用于从光子计数探测器PCD接收的计数投影数据π。应用权重允许投影数据处理器PDP以高保真度“仿真”另一成像装置的给定能量积分探测器。换句话说，投影数据处理器PDP允许基于光子计数探测器PCD的影像与基于能量积分探测器的影像的更好的交叉模态比较。由所提出的投影数据处理器PDP处理的影像具有由能量积分探测器获得的更常规的影像的“外观和感觉”。所提出的系统IPS可以对同时维护光子计数探测器和能量积分探测器的医学或研究场所特别有益。另外，由于基于能量积分探测器的影像的高保真度仿真，所提出的PDP更加高效，因为它可以允许完全放弃常规的能量积分探测器。
包括投影数据处理器的图像处理系统IPS的部件可以被布置为在单个或多个计算单元PU上运行的软件模块。计算处理单元可以是通用的并且被布置在X射线成像装置IA1的远处。特别地，图像处理系统可以被布置在探测器PCD的壳体的远处和外部。计算单元PU可以被适当地接口连接以通过合适的有线或无线通信网络来接收由光子计数探测器产生的投影计数数据π。一些或全部图像处理系统部件可以被保存在单个中央存储器MEM中并且由一个或多个处理计算单元PU来运行。在替代方案中，图像处理系统IPS可以被保持为使得部件分布在跨多个计算系统的计算环境中的(在逻辑上或地理上分布的)多个存储器MEM中。替代地，图像处理系统的部分或全部部件可以被布置在硬件中，例如被布置在经适当编程的FPGA或ASCIS或其他设备中。在实施例中，不是将图像处理系统布置在壳体探测器PCD外部并在其远处，而是可以将一些或全部部件集成到探测器PCD本身中作为机载后处理阶段。
在更全面地解释图像处理系统IPS的部件之前，首先更详细地讨论包括光子计数探测器PCD的X射线成像装置IA1。
光子计数探测器被布置为与X射线源XR1相对，从而限定这两者之间的空间的部分(在本文中被称为检查区域)。要被成像的患者或对象或至少其感兴趣区域(ROI)在成像期间驻留在检查区域中。特别地，X射线源通常以X射线束XB的形式生成多色X辐射。X射线束在使用期间从X射线源XR1发出。特别地，X射线束穿过检查区域并因此穿过ROI，并且然后沿着主方向q朝向光子计数探测器PCD传播以在光子计数探测器PCD处进行登记。在X射线穿过对象或患者后，由于与ROI中的组织或材料相互作用，X射线以经修改的形式出现在远侧。射束所经历的修改对ROI的内部结构的信息进行编码，而人们希望看到的正是该信息。在成像期间，要被成像的患者或对象可以靠在检查台TB或其他支撑物上，但是这在所有实施例中并不是必需的，因为在一些实施例中患者在成像期间可以是站立的。
在用于断层摄影成像以实施谱光子计数计算机断层摄影(SPCCT)的实施例中特别设想到X射线成像装置IA1。成像装置可以被布置为C臂或U臂成像器或具有机架的CT扫描器，该机架具有膛，患者在成像期间位于膛中。虽然在本文中主要设想了断层摄影成像，但是在替代实施例中也设想了基于平面投影的放射摄影系统。
现在更详细地转向断层摄影实施例，X射线源在成像期间在围绕患者的成像轨道上旋转，但不一定是一整圈。在实施例中，探测器DCP随着源XR1旋转并且从不同方向q采集投影计数图像π。然而，并非在所有实施例中都要求X射线探测器与X射线源的共同旋转，例如在第四代CT扫描器中就是如此。在本文中设想了所有世代(从第1代到第4代)的CT扫描器，其中，第三代扫描器是优选实施例。
如上所述，在离开X射线源时具有初始谱强度的X射线束与患者中的组织材料相互作用，并且出现在患者的远端作为经修改的射束。作为与组织相互作用的结果，与初始谱相比，经修改的射束具有改变的谱。然后在光子计数探测器PCD处针对每个投影方向q登记该相互作用后的射束。
现在更详细地转向图像处理系统IPS的操作，在探测器接口处输出从不同方向q采集的投影计数数据π并将其转发到图像处理系统IPS。被配置为仿真能量积分行为的经专门配置的权重被保存在本地或者被远程保存在权重数据库WM上。下文将更全面地描述的权重数据在本文中可以被统称为“w”，其应被理解为权重数据通常包括多个数字，特别是一组或多组数字。投影数据处理器PDP访问权重w并将其(优选针对每个方向q)应用于计数投影数据。
然后可以将如此加权的投影计数数据传递到重建器模块RECON，重建器模块RECON实施断层摄影重建算法以产生轴向横截面图像数据。轴向横截面图像数据可以表示通过被成像的患者或对象的平面中的内部结构。换句话说，由重建模块RECON将应用了权重的投影数据从投影域映射到图像域。图像域包括检查区域中的与患者相交的各个平面。投影域位于探测器PCD处。可以针对沿着患者的纵向轴线Z的不同图像域平面重复上述流程以获得在轴线Z上的各个不同位置z处的多个横截面图像数据。横截面图像形成3D图像体积。可以通过在成像期间沿着轴线Z移动源和/或支撑物TB(患者靠在支撑物TB上)来采集针对不同z位置的投影数据的不同集合。例如可以通过使用螺旋X射线扫描器来实现这种纵向运动。
可以将由重建器在其输出处产生的图像数据传递到可视化器VIZ。可视化器将图像数据映射到一定范围(例如，Hounsfield单位(HU)标度范围或其他合适的成像标度范围)内的某个图像值。然后可以将如此映射的图像值映射到颜色值或灰度值，然后可以在显示设备DD上将其可视化为横截面影像。然后，诸如医学人员之类的用户能够出于诊断目的或其他目的而查看影像。
在解释投影数据处理器PDP的操作以及如何获得用于能量积分仿真的经专门配置的权重w之前，将更详细地解释光子计数探测器PCD。
如本文中的实施例中所设想的光子计数探测器PCD包括转换层CL和与其通信性耦合的光子计数电路PCC。从广义上讲，转换层CL将X射线辐射中的入射光子转换成电信号(特别是脉冲)。然后，由光子计数电路PCC将电脉冲处理成基于脉冲高度的计数数据。高度与当个体光子在转换层中发生相互作用时引起该脉冲的个体光子的能量成比例。然后针对多个能量阈值处理这些脉冲以根据它们的能量对探测到的电脉冲进行分类。可以使用两个、三个、四个、五个或更多个这样的能量阈值。对于每个能量区间(有时被称为“分箱”)，投影计数数据测量光子通量(即，在采集期间记录的在该分箱中每单位时间的光子的数量)。对于每个投影方向q，在多个分箱中记录这样的计数数据。
现在更详细地转向转换层CL，转换层CL可以被布置为直接转换层或间接转换层。优选使用直接转换层。在实施例中，直接转换层被布置为半导体(例如，CZT、CdTe或硅或其他材料)或其他结晶层。优选将转换层构造成多个探测器像素PX。然后由如上所述的光子计数电路PCC处理由每个像素PX产生的电脉冲。在实施例中，通过通信线将每个个体探测器像素与光子计数电路耦合以将电脉冲传送到光子计数电路。
现在参考图2，图2以示意方式更详细地并且根据一个实施例示出了光子计数电路PCC。与单个探测器像素PX相关联地示出了光子计数电路PCC的仅一个部分。应当理解，相似的电路用于其他探测器像素中的每个探测器像素。在替代实施例中，并非每个探测器像素都可以具有其自己的光子计数电路，因为光子计数电路可以在多个这样的探测器像素之间切换。然而，优选地，如图所示，每个像素PX具有其自己的光子计数电路部分。
更详细地，示例性像素PX产生如上所述的电脉冲。脉冲的幅值(“高度”)在很大程度上对应于撞击光子的能量。光子的能量越高，能够在相应像素PX处探测到的脉冲幅值就越高。如图2的右侧所示，每个像素电极都由独立信号线(或“(像素)读出通道”)CH与光子计数电路进行耦合。
根据一个实施例，由光子计数电路PCC以下列方式处理在像素PX处生成的电脉冲：
任选的调理电路包括前置放大器320，前置放大器320放大由相应像素PX生成的每个电信号。
任选的调理电路还可以包括脉冲整形器(未示出)，脉冲整形器用于处理针对探测到的光子的放大电信号并生成对应的仿真信号，该对应的仿真信号包括脉冲高度，例如，电压/电流或指示探测到的光子的其他脉冲。如此生成的脉冲具有预定义的形状或轮廓。在该示例中，脉冲具有指示探测到的光子的能量的峰值幅度。
能量辨别器325对仿真脉冲进行能量辨别。在该示例中，能量辨别器325包括多个比较器330，这多个比较器330分别将仿真信号的幅度与对应于特定能级的相应阈值进行比较。相邻阈值定义能量分箱。换句话说，辨别器325操作为确定由整形器生成的传入脉冲的“高度”。更特别地，每个比较器330产生指示脉冲的幅度是否超过其阈值的输出计数信号。在该示例中，每个比较器的输出信号产生一个数字信号，该数字信号包括当脉冲幅度增大并与其阈值交叉时从低到高(或从高到低)的转变以及当脉冲幅度减小并与其阈值交叉时从高到低(或低到高)的转变。
在示例性比较器实施例中，当幅度增大并与其阈值交叉时，每个比较器的输出从低转变为高；而当脉冲幅度减小并与其阈值交叉时，每个比较器的输出从高转变为低。
计数器335分别对每个阈值计数上升(或在一些实施例中为下降)边缘。对于每个阈值，计数器335可以包括单个计数器或独立的子计数器。任选地，在仅为两侧分箱的情况下，存在两侧能量分箱(未示出)，该两侧能量分箱将计数进行能量分箱或者将计数分配到与能量阈值之间的范围相对应的能量范围中。事实上，在具有高通量的优选实施例中，不存在分箱到多个范围中的两侧分箱操作，而是纯粹登记阈值交叉(即，一侧分箱)的计数。然而，通过取相邻分箱中的数据之间的差异，可以将针对一侧分箱的计数数据变换成两侧分箱数据，如下面的实施例所示。
光子计数电路在其输出部处为每个像素PX提供单位时间内记录的每个分箱中的多个计数。投影(光子)计数数据π包括每个分箱和像素的光子计数率。对于每个像素，光子计数数据是每个分箱的计数率c k的向量Ci＝(c1,…,cK)i，而i表示相应的像素，并且1且相应的是使用的能量分箱的数量。K的示例性值为3、5或其他值。在诸如CT或C臂之类的旋转系统中，对于不同的投影方向q，所记录的计数率可能不同，因此可以利用投影方向的额外索引来补充上述概念。在后一种情况下，C形成CT实施例中的(计数数据)正弦图。对于成像轴线Z上的相应位置z，可以有进一步的索引。
然后可以由图像处理器IPS处理如此量化的投影计数数据Ci。现在将参考图3来更详细地解释这方面，图3示出了投影数据处理器PDP的框图。
投影数据处理器PDP接收由光子计数探测器PCD的光子计数电路PCC产生的投影计数数据π。投影数据处理器PDP的部件包括转换部件CC。
转换部件CC允许将计数数据π转换为近似或类似于通常可由能量积分探测器登记的线积分(强度)值的投影数据。
转换部件CC的操作基于在存储器中保存的校准数据。该校准数据在本文中可以被称为计数到路径长度(C2PL)校准数据。更详细地，在校准流程(在本文中被称为C2PL校准以区别于下文中特别是在图8中讨论的另一种类型的校准)期间，校准材料的某些配置被放置在成像器IA1的X射线束XB中。合适的材料(“体模”)是水、(一种或多种)聚合物(例如，
Figure BDA0003109945690000101
或Teflon)或金属(例如，锡、铝、K边材料(例如，AU、Bi、Pb)或其他材料)中的任一种。该材料应当具有至少两种不同的厚度。一次暴露可能就足够了，或者将所述材料的多项物品堆叠起来以实现不同的厚度，并且可能需要再运行两次暴露，如在例如R Alvarez的“Estimator for photon counting energy selective X-ray imaging with multi-binpulse height analysis”(公布于Med.Phys，第38卷，第5期，2011年5月)中所报告的那样。在实践中，由于脉冲堆积效应，路径长度与光子通量之间的关系是非线性的，因此实现了大量不同的材料厚度，例如参见Glenn F.Knoll、John Wiley&Sons的“Radiation Detectionand Measurement”(第4版，2010年9月24日)。
校准操作产生成对的数据点(c,lcalib)。也就是说，每个已知的路径长度lcalib(体模厚度)都与在体模校准流程中测量的计数数据c相关联。
现在可以更详细地解释根据一个实施例的转换部件CC的操作，假定校准数据(c,lcalib)是已知的并且被保存在存储器中。将计数率c以对数形式表示为log计数
Figure BDA0003109945690000102
会很方便。转换部件CC被配置为计算“最佳”解释如针对每个像素的不同能量分箱所测量的给定光子计数的路径长度l。可以通过根据代价函数制定最小化问题来实施对最佳路径长度l的计算，该代价函数量化长度对解释计数率的好坏程度。实施例中设想的代价函数基于最小二乘方法，特别是加权最小二乘(WLS)方法。在WLS中，“权重”与要稍后讨论的仿真器权重无关。在WLS方法中，使用具有交叉误差项的协方差矩阵。出于该目的而应用WLS，可以在实施例中将该优化表述为：
Figure BDA0003109945690000111
其中，COV-1是针对每个像素的光子计数
Figure BDA0003109945690000116
和针对一个特定测量的路径长度l的投影的协方差矩阵COV的倒数。COV中的每个非对角线条目i,j表示分箱i,j中的计数之间的相关性，其中，对角线条目表示针对每个分箱的相应统计方差。如果使用两侧分箱计数器，则非对角线条目为零(在没有脉冲堆积的情况下)。COV中的行数和列数以及COV-1中的行数和列数等于分箱的数量。
仅知道在路径长度lcalib处的校准数据
Figure BDA0003109945690000112
为了最小化(l)，需要知道在所有路径长度l处的计数
Figure BDA0003109945690000113
能够使用线性或三次样条插值来根据已知的数据点
Figure BDA0003109945690000114
计算
Figure BDA0003109945690000115
通过这样做，即使在具有强烈堆积的区域中，也能够估计正确的(例如水的)等效路径长度。校准数据C2PL可以被布置和存储在查找表(LUT)中。
基于体模的C2PL校准旨在取代当前在常规CT预处理链中应用的空气归一化、水射束硬化校正、通道校正和Hounsfield校正。应当理解，WLS方法只是解决C2PL问题的一个示例性实施例。也可以使用其他代价函数。而且，最小化问题可以被改写成对偶问题，作为用于使效用函数最大化的最大化问题。求解(1)不一定会产生全局最小值，而是会产生局部最小值。如果通过迭代解决了针对C2PL校准的优化问题，则可以定义停止条件。
转换部件允许在“常规模式”中操作光子计数成像器IA1，也就是说，就好像它是具有常规的能量积分成像器的成像器一样。
然而，申请人已经观察到，仅仅应用这种计数数据到路径长度的转换可能无法忠实地仿真能量积分探测器。例如，申请人已经发现，在经由路径长度转换根据计数数据重建的图像与通过使用能量积分探测器获得的相同对象的对应图像之间，局部可能存在高达30％的HU单位的偏差。这种偏差会使临床人员感到困惑。
为了能够生成更忠实的能量积分影像，投影数据处理器PDP除了包括转换部件CC之外，还包括在本文中被称为计数数据变换器DT的另外的部件。计数数据变换器DT的操作基于上述权重w(在本文中被称为仿真器权重w)。
计数数据变换器DT操作为将仿真器权重应用于在输入端口IN处从光子计数探测器接收的投影计数数据π。优选地，在由数据变换器DT处理之前如此应用权重。可以在一侧分箱数据上或优选在两侧分箱数据上以乘法方式完成对投影计数数据应用权重。然而，这可能并不排除其他应用模式，例如，可以以加法方式应用权重或者通过使用牵涉更多的函数表达式F(π函数)来应用权重。F在本文中可以被称为权重应用算子。在优选实施例中，使用简单的乘法应用，其中，将相应权重w与针对每个像素的计数数据相乘，并且如果适用的话，还与针对每个成像方向q和/或z位置的计数数据相乘。权重w可以包括一组或多组数字。每个组可以被存储和处理为向量
Figure BDA0003109945690000121
其中，每个这样的“权重向量”的长度K等于分箱的数量。权重向量可以取决于像素i。通过将每个分箱中的每个计数ck乘以相应权重
Figure BDA0003109945690000122
将相应权重向量wi应用于针对给定像素位置i的相应计数向量Ci。替代地，在实施例中，可以对所有像素i使用相同的权重向量，因此权重向量没有像素依赖性。可以对所有投影数据使用相同的一个或多个权重向量，或者可以进一步依赖扫描方向q。
优选地，在将权重应用于计数数据π之前并且如果光子计数电路PCC尚未使用两侧分箱，则在应用权重之前可能需要首先将根据一侧(OS)分箱的计数数据变换成两侧分箱(TS)数据。下面将更详细地解释究竟是如何获得权重的。
现在更详细地解释计数数据变换器DT的操作，该部件通过应用仿真器权重
Figure BDA0003109945690000123
以高保真度仿真能量积分探测器来修改计数
Figure BDA0003109945690000124
所提到的任选的一侧计数到两侧计数的分箱变换需求可以被实施为：
cTS(分箱)＝cOS(分箱+1)-cOS(分箱) (2a)
cTS(分箱max)＝cOS(分箱max) (2b)
然后可以(例如以乘法方式)对每个分箱应用权重如下：
Figure BDA0003109945690000125
任选地，加权计数被传送回一侧分箱，然后被馈送到计算材料(例如，水)路径长度所需的转换部件CC中。与数据变换器DT用于扫描投影数据π的权重w相同的权重w也应用于C2PL校准数据中的计数数据c。这保证了在数据变换器DT进行变换后C2LP校准数据中的计数数据和扫描投影数据π中的计数数据的一致性和可比性。
对于具有3个能量分箱和权重向量w＝(w1,w2,w3)的探测器，两侧到一侧分箱计数变换可以通过矩阵运算被紧凑编写和实施为：
Figure BDA0003109945690000131
仿真器权重通常可能是不同的或者针对每个像素位置是不同的。然而，在优选实施例中，对一些或全部像素和采集方向q和/或z位置使用恒定权重。使用阵列结构来存储针对每个给定像素位置的相应仿真器权重。还可以根据采集方向q和z位置来进一步区分权重，在这种情况下，可以使用更高维度矩阵结构来存储与像素位置以及采集投影方向q和z位置中的任何一个或多个相关联的权重。
为了总结投影数据处理器的操作，在使用中，在采集投影计数数据π之后，在输入端口IN处接收投影计数数据π并将其传递到计数数据变换器DT。可以从权重存储器WM中检索仿真器权重。计数数据变换器DT基于检索到的仿真器权重将数据转换成经变换的加权计数数据。转换部件CC然后由使用在校准存储器(未示出)中保存的C2PL校准数据(其也被变换成加权计数校准数据)将如此变换的计数数据映射到路径长度数据上。可以将C2PL数据与仿真器权重一起保存在单个存储器中，或者可以将这两个数据集保存在不同的存储器中。
PDP在输出接口OUT处输出针对每个像素的对应近似路径长度，并且如果适用的话，输出针对每个投影方向q和/或位置z的对应近似路径长度。重建器RECON然后可以使用在输出接口OUT处提供的该路径长度数据在图像域中重建HU图像。该重建图像可以被认为是可根据由能量积分探测器采集的数据重建的图像的仿真结果。可视化器可以在合适的颜色或灰度值方案上对仿真图像进行映射。视频电路然后将相关联的图像颜色值或灰度值呈现为显示设备DD上的可视化结果。
所提出的系统IPS还可以包括用户接口UI，用户接口UI允许用户交互地改变先前在自动优化方案中计算的存储权重，下文将更详细地解释这方面。用户接口(例如，图形用户接口)包括合适的输入小部件，例如，滑块，这允许用户逐像素地或以子组的形式改变各个权重的值。用户接口UI可以被通信性耦合到重建器RECON。用户请求的对权重的每次更改都会触发重建器重新进行重建，并且这能够一直进行，直到用户对影像现在看起来好像是从能量积分探测器获得的一样感到满意为止。
现在参考图4，图4示出了被配置为获得上述仿真器权重W的计算机化系统的框图。所描述的设置使用现有的成像装置IA2，其具有能量积分探测器EID并结合如上所述的光子计数成像器IA1。该系统允许针对现有的能量积分探测器EID的成像属性来调谐光子计数探测器PCD的输出。
可以如下执行基于该系统的实验流程。将体模PH放置在常规的成像装置IA2的检查区域中。然后操作成像装置IA2的X射线源XR2以生成横穿体模的射束并使能量积分探测器EID探测常规的能量积分投影数据πE。能量积分投影数据πE包括每像素强度的测量结果、线积分，每个表示都与不同能量的入射光子在穿过体模PH之后沉积的积分能量有关。体模PH是测试对象，优选由一种或多种材料(例如，水)制成。
如果设想了断层摄影设置，则X射线源XR2将如上文关于光子计数成像器IA1所描述的那样围绕体模对象PH在旋转轨道上旋转，同时探测器EID收集来自不同方向的投影数据πE。然后由重建器RECON处理由能量积分探测器EID收集的常规投影数据πE以获得与常规能量积分探测器AI2相关联的一个或多个横截面图像数据IME。出于当前目的，该图像数据IME可以被称为能量积分测试或目标图像IME或校准图像。可以以相对较高的X射线剂量采集校准图像IME以减少图像噪声。就此而言，“高”被理解为意指比用于对患者成像的剂量更高的剂量。
然后由具有光子计数探测器PCD的谱成像器IA1以上述方式对相同或相似的体模进行成像，以获得如上所述的投影计数数据π，在本文中现在被称为πC。
然后将校准图像IME和计数数据πC作为输入转发到数据拟合器DF。数据拟合器DF基于输入来计算仿真器权重。在实施例中，数据拟合器可以实施迭代优化算法来调节初始权重集合w0，使得能根据计数数据πC重建的影像在被转换成路径长度后对应于测试图像IME。该转换可以由数据拟合器DF使用与以上关于投影数据处理器PDP讨论的转换部件CC相似的部件来完成。
两幅图像(即，根据πC重建的图像与测试图像IME)之间的对应或匹配能够通过合适的相似性度量μ(例如，均方根距离)或通过至少平方函数或通过使用任何其他合适的相似性度量(例如，Lp范数，其中，p不是1/2)来量化。度量μ可以在整幅图像中进行评价，也可以仅在一个或多个ROI中进行评价，并且可以被公式化为目标函数F，具体取决于w0。对初始权重集w0的调节可以通过迭代优化方案(例如，Newton-Raphson、共轭梯度、Nelder-Mead或任何其他方案)来完成。优化算法被配置为在一个或多个迭代周期中调节初始权重集合，使得目标函数被最小化。应当理解，优化不一定会产生全局最小值，而是可以返回局部最小值的近似结果，然而，这对于大多数目的来说可能就足够了。可以根据预定义阈值来定义停止条件。调节权重，直到目标函数返回低于预定义阈值的值为止。一旦满足停止条件，数据拟合器DF就会输出当前权重集合作为输出。如此输出的权重集合是仿真器权重。仿真器权重可以被存储在权重存储器WM中。
代替使用上述基于实际测量的实验方法，还可以在理论上通过建模和模拟来计算权重。在实施例中，这能够通过基于相应的探测器规格、体模的初始谱和材料属性计算两个探测器PCD和EID的谱或更具体的计数数据来完成。探测器规格可以包括探测器吸收效率。体模材料属性可以包括(一个或多个)Z原子序数、材料密度等。可以根据X射线源的规格(包括阴极电流、管电压和阳极材料)来计算初始谱。然后可以通过运行例如蒙特卡洛仿真来计算响应于对两个探测器的暴露的输出谱的近似结果，其中，散射事件和吸收事件都能够通过另外已知的用于相应横截面的合适模型(例如，针对散射横截面为Klein-Nishina模型)来考虑，而光电吸收横截面可以通过熟悉的Z/E3定律来建模。蒙特卡洛(MC)模拟可以使用概率Metropolis-Rosenbluth-Teller算法来实施，该算法由N Metropolis等人在“Equation of State Calculations by Fast Computing Machines”(J.Chem.Phys.，第21卷，第1087页，1953年)中进行了描述。还设想了其他实施方式和/或非MC模拟。
针对两个探测器的示例性谱(强度与能量的曲线)可通过上述计算获得，如图5所示。特别地，光子计数的谱(包括谱响应函数)和针对能量积分探测器的谱是针对40cm的水的衰减来说明的。具有两个尖峰的曲线是能量积分探测器的谱。
从如此计算的谱中，可以获得每个能量的比率r，如图6的示例性比率曲线所示。有趣的是，比率曲线对体模厚度没有很强的依赖性。图6示出了四条这样的示例性曲线，它们针对(从顶部)10、20、30和40cm的水厚度。因此，可以对固定厚度(例如，40cm)的给定体模进行模拟。对于每个能量值E，比率r可以被形成为r(E)＝Ie/Ip，其中，Ie是针对能量积分探测器的每个能量区间的强度，并且Ip是针对光子计数探测器的每个能量区间的强度。然后可以将仿真器权重导出为在r(E)上的平均值
Figure BDA0003109945690000161
特别地，针对给定能量范围ERN的给定分箱i中的计数数据可以通过将分箱i中的计数率乘以平均比率
Figure BDA0003109945690000162
来加权。平均比率可以通过根据由分箱i捕获的给定范围ERN内的所有能量值E的比率r(E)形成平均值来获得。换句话说，仿真权重是所获得的针对在分箱中的给定的一个分箱的能量范围内包括的能量的比率曲线的平均值。
现在参考图7，图7示出了如本文中所设想的实施例中的图像处理方法的流程图。可以使用下面将要描述的方法的步骤来实施图1-4中的上述系统，但是也可以将下面描述的步骤理解为它们本身的教导，而不一定与图1-4中讨论的系统的架构相关联。
在步骤S710处，接收由光子生成探测器PCD生成的能量分辨计数数据。优选地，光子计数探测器具有至少两个图像分箱，但是优选具有两个以上(例如，三个、四个、五个或甚至更多个)能量分箱。
在步骤S720中，将计数数据变换成经变换的计数数据。该变换是通过将一个或多个权重应用于计数数据来实施的。该权重是先前基于以下各项来获得的：i)针对该光子计数探测器或不同的光子计数探测器的数据和额外地ii)与能量积分探测器有关的数据。针对光子计数探测器的数据可以包括在对测试对象(例如，包括一种或多种合适材料(例如，水、铝、Derwent等中的任何一种或多种)的体模)进行成像期间采集的投影计数数据。在实施例中，该数据可以是通过根据探测器规格、X射线源规格和虚拟测试体的材料属性进行的模拟来计算的。与能量积分探测器有关的数据可以包括在对测试体体模进行成像期间采集的投影数据，或者优选包括根据这样的投影数据重建的测试图像。为此可以使用任何重建算法，例如，FBP或迭代重建、代数重建或其他重建。
能量积分探测器也可以被称为目标，因为人们希望通过应用权重来仿真的是该能量积分探测器的成像属性。
在步骤S730处，然后将如此变换的计数数据转换成材料路径长度数据。该路径长度数据是指参考材料(例如，水或水等效材料或其他具有相似放射密度的材料)的概念厚度。以这种方式，针对每个像素的每个计数数据都与相应的路径长度相关联。命题是，对于给定的像素位置，如果指定厚度的材料暴露于用于采集计数数据的X辐射，则人们将观察到与在步骤S710处针对该像素接收到的计数大致相同的计数。可以将路径长度数据进一步转换成线积分或其他基于衰减系数的标度。
在步骤S740处，然后使用任何重建算法以已知方式将所获得的通过材料的路径长度数据或线积分数据重建为图像数据。可以将图像数据映射到HU值。如此获得的图像数据被认为是对计算权重时涉及的真实或虚拟的能量积分探测器可获得的影像的仿真。优选地，在步骤S740中使用的重建算法与在计算权重时使用的重建算法相同，下面在图8中将进一步说明。
在任选的步骤S750处，然后输出如此重建的图像数据，例如，将如此重建的图像数据显示在显示设备上，存储在存储器中或者以其他方式进行处理。
在任选的步骤S760中，可以响应于用户请求而改变所应用的权重。在这种情况下，重新应用改变的权重并且从步骤S730开始重复上述方法步骤以在步骤S740处产生新的图像，该新的图像优选在步骤S760中进行显示。通过这种方式，用户能够使用试错法来微调权重，以便获得根据用户的意见而看起来就像是使用能量积分探测器获得的图像一样的图像。
现在参考示出校准方法的图8的流程图。特别地，下文描述的校准方法可以用于计算在图7的方法中使用的仿真器权重。
在步骤S810A中，接收来自光子计数器探测器的能量分辨校准数据。
在步骤S810B处，接收针对能量积分探测器的校准图像数据。
在步骤S820处，通过调节要应用于能量分辨数据的初始权重集合来执行数据拟合操作，使得能根据如此加权的数据重建的图像数据IMp对应于针对能量积分探测器的校准图像数据IMe。
可以基于合适的目标函数来使用自动优化方案，该合适的目标函数量化两幅重建图像IMp、IMe之间的差异。然后通过在一次或多次迭代中调节初始权重以使作为权重的函数的目标函数f最小化而直到满足停止条件为止来获得仿真器权重。这个优化问题可以被正式写成：
fw＝μ[R(cc(F(πp,w)),R(πe)] (5)
argminwfw (6)
其中，R(·)是重建算法；
μ(·)是重建图像匹配程度的对应度量；
cc(·)是计数到路径长度转换算子；
F(·,·)是权重应用算子。
在实施例中，度量μ是两幅图像之间的逐像素差异的最小二乘函数。然而，可以替代地使用其他合适的距离度量，例如，RMS、Lp范数(p不是1/2)。
在步骤S830处，然后输出权重或仿真器权重。可以将仿真器权重w存储在存储器WM中。
如果人们希望仿真能量积分探测器的成像能力，那么在利用光子计数探测器进行成像时可以检索权重以应用于计数投影日期，如上面在图3和图7中所解释的。
应当理解，上述生成权重的方法能够通过对诸如体模之类的测试对象进行成像来实验性地完成，并且在输入步骤S810a、S810b处接收的数据然后根据该校准成像流程来导出。优选地，被成像以获得在接收步骤S810a、S810b处接收的输入数据的体模可以包括多种不同的材料。在实施例中，体模包括包含不同密度的不同聚合物(例如，聚苯乙烯、
Figure BDA0003109945690000181
等)、空气壳体和水袋中的任何一项或多项的模块。但是用于生成权重的方法也可以通过基于X射线源的规格、两个探测器的规格和现在的虚拟体模的材料规格的计算模拟(例如，蒙特卡洛方法或其他方法)在理论上实践。
本文公开的一个或多个特征可以被配置或实施为在计算机可读介质内编码的电路/与在计算机可读介质内编码的电路一起配合或实施和/或其组合。电路可以包括分立电路和/或集成电路、专用集成电路(ASIC)、片上系统(SOC)及其组合、机器、计算机系统、处理器和存储器、计算机程序。
在本发明的另一示例性实施例中，提供了一种计算机程序或计算机程序单元，其特征在于，其适于在适当的系统上运行根据前述实施例中的一个实施例的方法的方法步骤。
因此，计算机程序单元可以被存储在计算机单元中，该计算机程序单元也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行或引起对上述方法的步骤的执行。此外，该计算单元可以适于操作上述装置的部件。该计算单元能够适于自动操作和/或运行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。因此，可以装备数据处理器来执行本发明的方法。
本发明的该示例性实施例覆盖从一开始就使用本发明的计算机程序，以及借助于将现有程序更新转换为使用本发明的程序的计算机程序这两者。
另外，计算机程序单元可以能够提供所有必要步骤以完成如上所述的方法的示例性实施例的流程。
根据本发明的另外的示例性实施例，提出了一种计算机可读介质，例如，CD-ROM，其中，该计算机可读介质具有被存储于所述计算机可读介质上的计算机程序单元，所述计算机程序单元由前面的章节所描述。
计算机程序可以被存储和/或分布在合适的介质(特别是，但并非一定是非瞬态介质)上，例如，与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如，经由互联网或其他有线或无线的电信系统分布。
然而，计算机程序也可以存在于网络(如万维网)上，并且能够从这样的网络被下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另外的示例性实施例，提供了用于使计算机程序单元可用于下载的介质，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的先前描述的实施例中的一个实施例的方法。
必须注意，本发明的实施例是参考不同主题来描述的。特别地，一些实施例是参考方法型权利要求来描述的，而其他实施例是参考装置型权利要求来描述的。然而，除非另有说明，本领域技术人员将从以上和以下的描述中推断出，除属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合也被认为在本申请中得到公开。然而，所有的特征都能够被组合来提供多于特征的简单加合的协同效应。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (12)

1.一种用于利用光子计数探测器(PCD)来仿真能量积分探测器(EID)的图像处理系统，包括：
输入接口(IN)，其用于接收由光子计数探测器(PCD)生成的能量分辨计数数据；
计数数据变换器(DT)，其被配置为执行变换操作以将所述能量分辨计数数据变换成经变换的计数数据，所述操作包括将一个或多个权重应用于所述计数数据，所述权重是先前基于以下各项来获得的：i)针对所述光子计数探测器或光子计数探测器的校准图像数据和ii)针对能量积分探测器的校准图像数据；
数据转换器部件(CC)，其被配置为将经变换的计数数据转换成通过材料的路径长度数据；以及
输出(OUT)接口，其用于输出所述通过材料的路径长度数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据转换部件(CC)被配置为基于与被应用于所述能量分辨计数数据的权重相同的一个或多个权重来将经变换的计数数据转换成通过材料的路径长度数据。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个权重对于所述光子计数探测器的所有像素都是相同的。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，包括重建器(RECON)，所述重建器被配置为将所述通过材料的路径长度数据重建成图像数据。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述材料包括水或具有相似放射密度的材料。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，包括用户接口(UI)，所述用户接口被配置为允许用户改变所述权重中的至少一个权重。
7.一种成像布置(IAR)，包括根据前述权利要求中的任一项所述的系统以及具有所述光子计数探测器(PCD)的成像装置(IA)。
8.一种用于利用光子计数探测器(PCD)来仿真能量积分探测器(EID)的图像处理方法，包括：
接收(S710)由光子计数探测器(PCD)生成的能量分辨计数数据；
将所述能量分辨计数数据变换(S720)成经变换的计数数据，所述操作包括将一个或多个权重应用于所述计数数据，所述权重是先前基于以下各项来获得的：i)针对所述光子计数探测器或光子计数探测器的校准图像数据和ii)针对能量积分探测器的校准图像数据；
将经变换的计数数据转换(S730)成通过材料的路径长度数据；并且
输出(S750)所述通过材料的路径长度数据。
9.一种校准方法，包括：
接收(S810a)针对光子计数探测器的能量分辨校准计数数据；
接收(S810b)针对能量积分探测器的校准图像数据；并且
调节(S820)能应用于所述能量分辨计数数据的一个或多个权重，以便使能根据经加权的计数数据导出的图像数据适合于针对所述能量积分探测器的所述校准图像数据；并且
输出(S830)所述一个或多个权重。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述能量分辨校准计数数据和/或所述校准图像数据是基于将样本身体暴露于X辐射来获得的。
11.一种计算机程序单元，其当由至少一个处理单元(PU)运行时适于使所述处理单元(PU)执行根据权利要求8-10中的任一项所述的方法。
12.一种在其上存储有根据权利要求11所述的程序单元的计算机可读介质。
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