CN114340502A - 使用常规装备的多光谱x射线成像 - Google Patents

Abstract

一种X射线成像装置(XI)，包括具有阴极(C)和阳极(A)的X射线源(XS)。所述源(XS)要生成X辐射射束(XB)。X射线探测器(XD)探测在与被成像对象(OB)相互作用之后的X辐射。当所述X射线源(XS)在操作中时所述射束(XB)具有由足跟效应引起的在其阳极侧(AS)和阴极侧(XB)的不同的光谱。‑射线成像装置(XI)具有足跟效应利用(HH)机构，所述足跟效应利用机构被配置为使所述探测器(XD)的像素(PX)交替曝光于所述射束(XB)的阳极侧(AS)和阴极侧(CS)两者。

Description

使用常规装备的多光谱X射线成像

技术领域

本发明涉及X射线成像装置、X射线图像采集方法、计算机程序单元、计算机可读介质以及在X射线成像中的足跟效应的使用。

背景技术

X射线成像仍然是针对医学成像中的大量诊断和治疗任务的支柱。

常规X射线成像是能量积分，其中，X射线辐射中的光谱信息未被利用。X射线探测器仅仅用于探测作为线积分的积分能量以计算衰减图像。该常规能量积分X射线成像通常不允许材料鉴别。例如，可能不能区分特定衰减是由于小厚度的高密度材料还是由于较大厚度的低密度材料。在这两种情况下，在能量积分传统X射线成像中将观察到相同的衰减。

光谱X射线成像改变了这一点，其中，其利用了如在X射线探测器处探测到的接收到的X辐射中的光谱信息。光谱X射线成像允许计算材料特异性“图”，即由特定材料类型给予对比度的图像。光谱X射线成像也可以被用于计算单能量图像作为另一应用。

然而，光谱X射线成像需要新的投资，因为现有X射线成像器通常不适于光谱成像。要求专用硬件，诸如双层探测器、快速切换X射线源、双X射线源成像器等。

发明内容

因此，能够存在对执行光谱X射线成像的备选方式的需要。

本发明的目的由独立权利要求的主题解决，其中，另外的实施例被包含在从属权利要求中。应当注意，本发明的以下所描述的方面同样地适用于X射线图像采集方法、计算机程序单元和计算机可读介质。

根据本发明的第一方面，提供了一种X射线成像装置，包括：具有阴极和阳极的X射线源，其被配置为生成X辐射射束；以及X射线探测器，其用于探测在与被成像对象相互作用之后的X辐射，当所述X射线源在操作中时所述射束具有由足跟效应引起的在其阳极侧和阴极侧的不同的光谱；以及足跟效应利用机构，其被配置为通过与数据采集单元处的读出活动的定时一致地控制致动器来改变成像几何结构，来使所述探测器的像素交替曝光于所述射束的阳极侧和阴极侧两者，所述致动器作用于所述X射线源、患者检查台和探测器中的至少一项。

所提出的方法允许使用现有X射线成像器，而无需额外的硬件部件来执行光谱成像。

所述足跟效应利用机构在实施例中仅包括标准部件，诸如所述X射线源和所述X射线探测器。所述部件通过控制单元协调操作以实施新的成像协议。所述控制单元可以是可以重新编程以实施新协议的现有控制单元。因此，现有能量积分X射线成像器可以在光谱成像模式中操作。在这些实施例中不要求新的硬件部件。

更详细地，在实施例中，足跟效应利用机构改变成像几何结构，使得每个几何像素依次曝光于所述射束的不同部分，阳极侧和阴极侧，并且因此由于足跟效应而曝光于不同的光谱。

在实施例中，所述足跟效应利用机构引起所述对象与所述X射线射束之间的相对运动。

在实施例中，所述运动由所述被成像对象在成像期间驻留于的支撑件的至少部分的运动引起，和/或由所述X射线源的运动引起。

在实施例中，所述X射线源的运动是横向的和/或旋转的，使得所述阳极和阴极的相应位置被改变，特别地并且在实施例中，被(交换)改变。

在实施例中，所述足跟效应利用机构引起所述支撑件和/或X射线源的运动，以便增加所述X射线源与所述对象之间的距离。

在实施例中，如此曝光多个像素，以获得针对多个像素的两组强度读数，针对两个光谱中的每个，至少一组，所述装置还包括光谱成像处理器，其被配置为基于所述两组强度读数计算用于所述对象的光谱影像。

尽管可以在没有额外硬件的情况下使用上文所描述的实施例，但是在现在参考的备选实施例中仍然设想某些这样的额外硬件。特别地，根据另一方面，提供了一种X射线成像装置，包括：X射线源，其被配置为生成X辐射射束；以及X射线探测器，其用于探测在与被成像对象相互作用之后的X辐射；以及可移动滤波器，其被布置在所述X射线源与所述对象之间并且可通过控制单元移动以便将所述射束的光谱至少局部地改变为第一光谱和第二光谱，从而使所述探测器的像素在两个光谱处交替曝光于X辐射。

以滤波器元件的形式设想额外硬件。然而，与上文所描述的作为昂贵的解决方案的专用光谱硬件选项相比，该滤波器更便宜且更容易安装/改装。

在实施例中，所述滤波器包括分别包括不同材料的子元件，其中，由所述滤波器运动引起，所述子元件中的至少两个交替地一次一个地被带入到与所述像素的(透视)配准。

两种材料要引起不同的光谱调制。设想的组合包括Al和Cu或Al和聚合物，诸如PE。所述元件之一可以被形成为空隙，在这种情况下空气是材料之一。

在实施例中，所述子元件以棋盘图案布置。

在另一方面中，提供了包括用于X射线成像装置的图像采集方法的相关方法，所述装置包括：具有阴极和阳极的X射线源，其被配置为生成X辐射射束；以及X射线探测器，其用于探测在与被成像对象相互作用之后的X辐射，当所述X射线源在操作中时所述射束具有由足跟效应引起的在其阳极侧和阴极侧的不同的光谱，所述方法包括：

通过与数据采集单元处的读出活动的定时一致地控制致动器来改变所述成像几何结构，来使所述探测器的像素交替曝光于所述射束的阳极侧和阴极侧两者，所述致动器作用于所述X射线源、患者检查台和探测器中的至少一项。

在另一方面中，提供了一种用于X射线成像装置的图像采集方法，所述装置包括用于生成X辐射射束的X射线源和用于探测在与被成像对象相互作用之后的X辐射的X射线探测器，所述方法包括：

通过移动被布置在所述X射线源与所述对象之间的可移动滤波器使所述探测器的像素交替曝光于第一光谱和第二光谱处的X辐射，以便将所述射束的光谱至少局部地改变为所述第一光谱和第二光谱。

在实施例中，所述交替曝光使在所述像素处的不同光谱处探测到两个测量值，并且其中，所述方法还包括通过光谱成像算法处理两个测量值。

在实施例中，所述光谱成像算法被实施为机器学习算法。

在另一方面中，提供了一种计算机程序单元，其当由至少一个处理单元运行时适于使所述处理单元执行上文所描述的方法中的任一种。

在另一方面中，提供了一种在其上存储有所述程序单元的计算机可读介质。

在另一方面中，提供了足跟效应实现光谱X射线成像的用途。

定义

“用户”涉及操作成像装置或监督成像流程的人，诸如医学人员或其他人。换句话说，用户通常不是患者。

“对象”在本文中以一般意义使用，以包括有生命的“对象”，诸如人类或动物患者或其解剖部分，而且包括无生命对象，诸如安全检查中的行李物品或无损探测中的产品。然而，本文将主要参考医学领域讨论所提出的系统，因此我们将“对象”称为“患者”，并且感兴趣位置ROI是患者的特定解剖结构或解剖结构组。

如本文所使用的“运动”包括相对于世界坐标系的位置和/或取向的改变。

如本文所使用的“(滤波器)材料”包括空气，因此滤波器元件之一可以被形成为孔。在本文中，恰好两种不同的材料类型能够是足够的，因为这些材料可以以空间交替的方式在空间上布置，诸如以多个子滤波器元件的棋盘方式。相反，也可以设想一维布局，并且具有超过两种材料类型的滤波器布局也是如此。不同材料要引起不同的光谱调制。

附图说明

现在将参考以下附图(其未按比例)描述本发明的示范性实施例，其中：

图1示出了X射线成像装置的部件的示意图；

图2示出了X射线源的示意性截面视图；

图3图示了如本文所设想的光谱X射线成像；

图4示出了足跟效应的图示；

图5示出了归因于出射角(take-off angle)的函数的足跟效应的不同光谱；

图6示出了可用于X射线成像装置中的足跟利用机构的不同实施例；

图7示出了用于如本文所设想的光谱成像中的滤波器元件；

图8示出了根据第一实施例的光谱成像的方法的流程图；并且

图9示出了根据第二实施例的光谱X射线成像的方法的流程图。

具体实施方式

参考图1，这是X射线成像装置XI的示意图。用于此的实施例包括被配置为采集对象OB的X射线图像的C型臂成像装置、CT扫描器、乳房摄影装置、牙科X射线成像器或射线照相装置或其他。

宽泛的说，X射线成像装置XI的部件包括X射线源XS和X射线敏感探测器XD。在使用中，对象OB位于X射线源XS和X射线探测器XD内的检查区域中。为了促进这一点，在一些实施例中提供了患者OB在成像期间驻留在其上的检查台T。

如本文所设想的，在由控制单元CU管理的新成像协议中使用提到的部件中的一些或全部以允许光谱成像。在实施例中为此不要求额外的硬件部件，并且这将在下面更详细地解释部件的操作之后更充分地讨论。

在使用中，X射线源XS被激励以产生穿过检查区域并且因此穿过对象OB的至少感兴趣区域的X射线射束XB。X辐射与对象OB的物质(例如组织、骨骼等)相互作用。在相互作用之后，辐射入射在X射线探测器XD上。

由探测器XD将撞击的X辐射探测为电信号形式的强度。电信号由数据采集单元DAQ中的适合的转换电路转换成数字图像值，然后可以通过信号处理子系统SPS将所述数字图像值处理成X射线图像。信号处理子系统SPS包括光谱图像处理器SP，当由用户通过适合的用户接口请求成像器来以光谱成像模式操作时可以使用光谱图像处理器SP。例如，用户接口可以包括与操作者控制台相关联的显示器中的按钮或触摸屏小工具。光谱图像处理器SP实施了期望的光谱成像算法，诸如材料分解、材料映射、单能量成像、材料抵消图像、有效原子序数图像和电子密度图像等。这些类型的影像中的每幅在本文中将被称为“光谱影像/图像”，参见例如RE Alvarez等人的“Energy-selective Reconstructions in X-rayComputerized Tomography”(在Phys.Med.Biol.第21卷、第5期、第733-744页(1976年)中)。

通常，光谱(或多能量)成像利用两个强度读数来分辨由扫描材料的质量衰减系数组成的光电和康普顿贡献，并且然后通过其光电和康普顿贡献值识别未知材料。该方法非常适合具有接近于诊断能量范围的平均值的k边缘能量的材料，诸如碘。由于两个基函数的任何两个线性独立的总和跨越整个衰减系数空间，因此任何材料可以通过通常被称为基材料(诸如水和碘)的两种其他材料的线性组合来表示。

光谱X射线图像能够表示被成像对象OB内部的细节，尤其是不同材料的存在等。这可以帮助被成像对象OB的诊断和治疗或其他检查。然后可以在可视化器VZ中使用适合的可视化软件以在一个或多个显示设备DD(诸如监测器等)上实现光谱影像的显示。图像也可以存储在存储库中，或者可以以其他方式进一步处理。

图2是X射线源XS的示意性截面视图。宽泛地，X射线源XS包括一对电极，阳极A和阴极C。在阴极C与阳极A之间建立高压电势。这可以通过将阴极和阳极连接到适合的电源PS⁺、PS^-来向阴极C施加负电压并向阳极A施加正电压来完成，如图2所示。出于该目的，在源XS处提供了适合的电连接CON。在使用中，阳极A和阴极C相对于接地保持在大约150KV的高电压电势(在本文中被称为“管电压”或“操作电压”)处。

阴极C和阳极A在空间上以相对的关系布置在壳体H中以限定阴极C与阳极A之间的漂移道(driftway)。阳极A和阴极C以及漂移道被封装在壳体H内的真空玻璃管(未示出)中。

优选地但不一定地，X射线源XS是旋转型的，其中，阳极被布置为盘(在图2中以截面侧视图示出)，其可旋转地轴颈安装(journaled)在适合的轴承B中并由适合供电的电机驱动。还设想了具有固定阳极的X射线源。

阴极C包括发射器(未示出)。电流(在本文中被称为“发射器电流”)由电源PSH生成。发射器电流在使用期间穿过发射器。将理解，三个电源PSH、PS^-、PS⁺在图2中被示出为单独的、独立的实体，并且这在一些实施例中确实被设想到。然而，这并不排除本文中的备选实施例，其中，提及的电源中的一些或全部被集成到单个电源中。诸如阴极杯CC的定位工具被布置为将发射器保持在距阳极A的外围部分一距离处。外围部分可以形成为斜面边缘，尤其是当阳极是如图2所示的旋转型时。斜角β通常是约15°，但是也设想其他斜角，诸如例如9°、12°、15°、18°或任何其他。当施加发射器电流时，发射器加热到大约2400°的温度，并且电子在热发射中从发射器表面蒸发。

由于阴极C与阳极A之间的高电势差+V,-V，蒸发的电子形成电子束，该电子束朝向阳极A加速并撞击在阳极的表面上的焦斑FS处。

在旋转阳极的情况下，焦斑位于阳极盘的斜面边缘。将理解，由于旋转，焦斑FS在阳极盘AN的边缘周围描绘出轨迹。阳极AN由诸如钼、钨或其他高Z金属/材料的高密度材料形成。

当撞击在焦斑FS处时，电子束减速并且该能量下降部分变换为热，并且部分(大约1％)变换为远离焦斑FS辐照的X辐射射束XB。

壳体H是辐射阻挡的，例如通过具有铅(或其他适合的高Z材料)层以防止X辐射逸出到壳体外部，对于由非辐射不透明材料(诸如玻璃)形成的出口窗口EW是安全的。然后，在X射线源XS内部生成的X辐射射束XR实质上未受干扰地通过出口窗口EW外出以朝向探测器XD传播(其相对位置在图2中用“X”指示)。

在X射线源XS的下游，可以布置任选的准直器COL，以将X辐射形成为具有期望的、通常发散的形状(例如锥形射束、扇形射束)的定向射束XB。备选地，本文还设想了更常规的平行射束几何结构。

成像流程的总体控制是通过用户可操作的计算机化操作者控制台OC的。可以集成到操作者控制台OC中的控制单元CU控制各种部件的交互，并允许选择操作设置，诸如阴极电压、阳极电流等。通常，控制单元控制由X射线射束XB对对象OB和探测器XD的辐照方式。

部件中的一些或全部可以通过相应的致动器AC1-AC3在运动中可移动，以实现不同的成像几何结构。如本文所使用的术语“成像几何结构”描述了X射线射束XB与要成像的对象OB和/或探测器XD位置/取向之间的空间几何关系。

可以通过其改变成像几何结构的致动器AC1-AC3由控制单元CU自动或由用户控制。在一个实施例中，一个致动器AC1允许平行于要成像的对象OB和/或平行于检查台T平移X射线源XS。源的平移可以沿着平面中的一个或两个空间维度。

额外地或者代替地，成像器IX可以允许另外的自由度。特别地，在实施例中，X射线源本身可以通过致动器AC1(或通过不同的致动器)围绕旋转轴可旋转，所述旋转轴朝向X射线探测器XD穿过阳极A与阴极C之间的漂移道。在实施例中，旋转轴朝向X射线探测器XD穿过阳极，特别地穿过焦斑，如图1所指示的。因此，阳极和阴极相对于世界坐标系的位置或取向可以连续地或以90°或以任何其他角度增量阶跃改变。换句话说，在旋转轴穿过阳极与阴极之间的漂移道的情况下，旋转180°将交换阳极A和阴极C的位置，如图1的侧立视图所示。

在其他实施例中，可旋转X射线源的旋转轴可以相反穿过阴极C。在旋转轴分别穿过阳极A或阴极C的情况下，相应电极之一改变其取向，而另一个电极改变取向和位置。

除了或代替于上文所提到的自由度中的任何，检查台T可以在平面中在单个或优选地两个维度上可平移。不要求平移整个台。出于当前目的，其对于台的一部分可能是足够的，例如；患者驻留于的台的支撑表面，以可通过致动器AC2平移。

额外致动器AC3可以被用于改变SID(“源到图像的距离”)，即沿着在探测器XD与X射线源XS的焦斑FS之间的光轴OX(未在图1中示出，但在图6D中示出)的距离。

代替于使用如上文所讨论的三个分离的致动器，可以使用更少或更多。在通过适合的齿轮系统操作的实施例中可以使用单个或两个致动器，使得可以实现所有上文所提到的运动。

现在更详细地转到如本文所提出的X射线成像器XI的光谱成像能力，现在参考图3。X射线射束XB可以概念化为一束几何射线GR(图3的立视图中仅示出一个)，其从焦点FS发出，穿过要成像的对象OB，并且在像素位置终止。在这个意义上，每条几何射线具有与其相关联的特定像素。该像素位置在本文中可以被称为几何像素位置，其在本文中同样可以指代为“GR”，但这要与特定的探测器像素位置PX区分。

沿着每个几何射线，X射线光子正在行进并与对象相互作用，并且然后在探测器PX处探测到。沿着几何射线中的每个行进的光子中间的能量的分布定义了局部射线光谱。具有它们的沿其行进的相应光子的不同的几何射线组定义不同的射束部分，每个部分具有作为不同局部射线光谱的函数的特定局部光谱。

每个几何射线GR在组织内路径长度IPL中与要成像的对象相互作用。对于光谱成像，必须确保感兴趣区域中的每个组织内路径长度被穿过或曝光于不同光谱的射束部分。不同的光谱在图中指示为不同长度的箭头S1、S2。该曝光应按顺序发生，使得首先曝光于具有第一光谱S1的辐射，并且然后曝光于具有第二光谱S2的辐射光子。不同光谱处的这些顺序曝光在本文中将被称为“多光谱(X射线)曝光”。

不同光谱处的相应强度读数需要在与几何射线相关联的相应像素PX处并且因此在感兴趣的组织内路径长度处分别读出和配准。本文提出通过与数据采集单元DAQ处的读出活动的定时一致地控制致动器来改变成像几何结构，以实现针对每个感兴趣像素的相应多光谱曝光。更特别地，本文提出对控制单元CU进行编程以实施光谱多重拍摄成像协议，其利用足跟效应来实现每个几何像素GR/组织内路径长度IPL的多光谱曝光。

如本文所使用的“拍摄”被定义为曝光于X辐射的离散时段，其可以通过关断X射线源，施加开关栅极电压以中断电子束和/或通过关闭准直器或任何其他适合的快速曝光控制方案来在时间上中断和与先前或后续拍摄分离。在本文中设想每个组织内路径长度或几何像素位置GR至少两次拍摄以确保多光谱X射线曝光。控制单元CU还操作于在捕获不同光谱处的相应曝光时协调数据采集单元DAQ的读出电路中的读出排序。

现在参考图4以简要说明足跟效应。由于足跟效应，X射线射束XB中的光谱的分布是各向异性的。更接近阳极且出射角γ大于阳极的斜角β的射束的部分需要穿过更多的阳极材料，并且因此经历对其光谱的调制。还存在强度调制。光谱和强度调制在图3中通过与射束XB的阴极侧CS处较浅或没有阴影相比在阳极侧AS处的较暗阴影来说明。

从阴极侧到阳极侧的光谱的变化不是跨越硬边界，而是逐渐发生，并且光谱调制以大约对应于阳极的斜角β的出发角开始。在图4所示的范例中，斜角是15°，并且相应地，从阳极侧大于15°的出射角，与阴极侧的射束部分相比存在明显不同的光谱，此处示出为从大约0°(其对应于光轴OX)到朝向阴极的大约15°成角。

因此，位于射束的阴极侧的像素pxC将经历与阳极侧像素pxA不同的光谱。换句话说，通常被补偿并被认为是损害的足跟效应在本文中用作多光谱曝光的源以实施光谱成像。

图5是归因于足跟效应的不同光谱的图示。图5图示了光谱图，其中，通量Φ相对于能量E绘制。示出了三个光谱：一个针对0°处的中心射线，一个(以虚线)针对大约4°的出射角，并且一个针对大约10°处的出射角(以点划线示出)。相对于相对更多的阴极侧的4°出射角，10°出射角处的光谱是阳极侧。

所提出的控制单元CU优选地并且仅仅与X射线成像器XI的常规部件一起操作以实施用于光谱成像目的的足跟利用机构HH。足跟利用机构HH允许操作者利用常规X射线成像器产生光谱成像，优选地不使用任何额外的硬件部件。

现在首先参考图6，其中，描述了针对足跟效应利用机构HH的不同实施例。宽泛地，如本文所设想的足跟效应机构HH使用足跟效应，并且因此X射线射束的不同部分的不同光谱，以将给定像素依次曝光于所述不同光谱。这是通过与DAQ读出定时一致地改变成像几何结构来完成的，以确保每个感兴趣像素接收到多光谱曝光。控制单元CU操作于改变成像几何结构，触发适当的拍摄并在DAQ中的读出电路处协调适当的信号捕获，以确保每个几何像素位置(以及因此组织内路径长度)与至少两个不同光谱处的强度测量适当相关联。在实施例中，还确保CU保持跟踪每个像素曝光于哪两个光谱。下面将更详细地解释光谱成像处理器SP的光谱处理。

现在首先转到利用机构HH的硬件方面，现在参考图6A。在该实施例中，X射线源和/或台以平移移动来移动，以实质上扫描对象，从而确保每个组织内路径长度分别地依次曝光于射束AS的阳极侧部分和射束的阴极侧至少一次。

在图6B所图示的另一实施例中，X射线源围绕其旋转轴的旋转被用于实现该多光谱曝光。该实施例通过图6B与图6C之间的180°的源XS旋转图示，其中，射束的阳极侧和阴极侧改变位置。由于源旋转，在探测器像素PX处测量的几何像素GR曝光于射束的阳极侧，并且因此在根据图6B的成像几何结构中的一次拍摄中曝光于第一光谱。在下一拍摄中并且在将X射线源旋转90°或180°之后，如图6C所示，几何像素GR(仍在探测器像素PX处测量)现在曝光于射束的阴极侧，以便在第二光谱处接收光子。X射线源可以以90°的角度步长或任何其他角度增量进行旋转，每个跟随有相应的拍摄，以确保每个感兴趣几何像素GR的多光谱曝光。以这种方式，围绕X射线源的旋转轴的圆形区域中的像素位置将接收多光谱曝光。然而，这留下了围绕旋转轴的中心部分，其不一定接收这样的多光谱曝光。为了也覆盖这些中心像素，X射线源和/或患者可以经受诸如图6A所示的横向运动，并且然后重复如图6B、6C中所描述的协议以也将中心像素曝光于顺序多光谱曝光。

在如图6D所示的另一实施例中，利用了X射线射束XB的发散性质。为此，使SID足够大，使得相应阳极侧和阴极侧部分覆盖X射线探测器平面XD的整个或至少相关部分。在该实施例中，所有或所有相关的顺序多光谱曝光可以在两次拍摄中实现，一次针对阳极侧，如图6D所示，并且另一次在将如图6B、C中所描述的X射线源以180°旋转来旋转到阴极侧之后拍摄。

如所提到的，从阳极侧AS到阴极侧CS的光谱变化不存在硬边界，但这种光谱变化是渐进的。然而，出于目前的目的，向阳极A倾斜并且对应于至少与阳极的斜角一样大的出射角的射束的部分可以被认为是阳极侧，而剩余的角度范围可以被认为是阴极侧。只要在两个光谱之间存在足够的差异，就可以采用其他定义。

现在转到图7，这示出了不要求额外的硬件部件的上文所描述的实施例的扩展。在该实施例中，存在额外的FL部件。然而，该额外的滤波器FL可以相对便宜地生产，并且可以以低成本容易地对现有成像器进行改装。

在图7A、B中的实施例中，额外硬件部件、滤波器元件FL包括至少不同类型的两个子滤波元件E1、E2，每种类型包括不同的材料。滤波器实质上是平面的并且可以具有任何形状，诸如正方形、矩形或弯曲的，诸如球形或其他。在布局中仅要求两种不同的材料类型，诸如所示的一种，其中，两种类型的多个这样的元件被布置在具有材料类型改变的布局中。在实施例中设想了一维(1D)或二维(2D)设计。图7示出了一个实施例的2D布局。优选地，元件E1、E2以如图7所示的棋盘图案布置，尽管这在所有实施例中不是必需的。通常，任何两个相邻的不同的滤波器子元件E1、E2分别由不同的材料制成。滤波器元件可以具有或可以不具有相同的形状。滤波器元件可能不一定是正方形的，而是可以是矩形、圆形或任何其他几何形状。然而，正方形或矩形形状是优选的，因为它们允许更好的覆盖。选择两种材料E1、E2以引起不同的光谱。本文所设想的适合材料组合包括Al(铝)和Cu(铜)或Al和聚乙烯。

子元件之一可以简单地实施为孔，因此留下空气作为另一种材料。如果使用如图7A、B所示的棋盘图案，围绕中心轴(其延伸到图7的绘图平面中)旋转900度产生图7A、7B中的两种配置。旋转允许每个像素GR依次曝光于如由相应滤波器元件E2、E1引起的不同光谱。

滤波器元件的旋转发生在拍摄之间，并且对于该实施例仅要求两次拍摄。滤波器旋转可以由控制单元CU通过适合的致动器来管理，该致动器围绕穿过滤波器的布局平面的旋转轴旋转滤波器。滤波器元件布置在X射线源与对象OB之间。特别地，其可以布置在准直器之后的出口窗口EW处，如果有的话。确保每个滤波器元件E1、E2与相应的像素GR透视配准。换句话说，每个元件E1或E2与几何射线相交，并且因此与更下游的相应像素GR相关联。

现在更详细地转到光谱图像处理器SP的信号处理，其需要确保对每个像素使用正确的光谱信息。同步器(未示出)可以通过使用关于当前成像几何结构的信息来为每次拍摄操作拍摄以配准相应的光谱曝光。换句话说，针对每个像素和每次拍摄的相应光谱在适合的数据结构中配准。同步读出的结果是两组投影光谱数据π1和π2。矩阵之一中的每个条目对应于两个光谱之一的强度读数。

如先前所提到的，光谱从阴极侧到阳极侧的转变不是硬的，而是渐进的。而且，射束XB的阳极侧的光谱随出射角而不同。换句话说，在所提出的方案中，通常存在相应阳极侧光谱的范围，而不是单个阳极光谱。然而，对于光谱成像，每个像素GR的两个光谱应该是已知的，至少接近达到误差边界。考虑到这一点，设想了用于由光谱成像处理器SP进行光谱图像处理的不同实施例。

在一个实施例中，阳极中的不同光谱简单地被平均，并且然后每个像素被分配相同的阳极侧光谱，对于阴极侧进行相同的操作，尽管无论如何预期阴极侧更均匀。

该平均可能适于简单的光谱成像任务。平均可能引入一些伪影。在另一实施例中，使用了理论光谱分布模型。理论上，由于材料和通过阳极的路径长度是已知的，并且成像几何结构也是已知的，因此该模型可以被用于分别预计算针对每个像素GR的相应光谱对。在光谱信息被平均的先前提到的情况下，或者在每个像素被分配基于理论模式的特定光谱对的情况下，光谱影像可以由如Alvarez(如上所述)所讨论的经典，即分析，光谱成像算法处理，其中，求解线性方程组以计算期望类型的光谱影像。

代替于这些显式的分析方案，相反可以使用基于机器学习模型或算法的隐式方案。在该方法中，使用机器学习算法，其中，基于先前数据来训练模型。一种这样的模型是神经网络，尤其是具有一个或优选地多个隐藏层(深度学习)的卷积神经网络CNN。

可以使用监督式学习，其中，训练数据包括训练影像的对，每对包括训练输入影像和相关联的目标。训练输入影像包括在不同光谱或光谱特征处采集的两幅图像，并且目标图像是希望计算的类型的相关联的真实光谱图像。目标可以是材料映射图像。光谱分辨率能够比部署期间(即机器学习模型的训练之后)遇到的光谱分辨率更好。在实施例中，可以从现有的能量分辨投影数据集生成训练输入数据。

可以针对不同类型的光谱影像训练不同的模型。训练输入影像被馈送到模型中。模型的参数基于模型的输出和目标来调节。调节参数以改进测量输出与目标之间的不匹配的目标函数。

训练影像可以通过在实验阶段中采集多材料体模(诸如Shepp-Logan体模)的上文所描述的多光谱曝光图像π_1,2来产生。神经网络在用作目标的真实光谱图像上进行训练，以执行厚度估计或材料分解。

在实施例中，体模首先由具有光谱成像硬件(双层探测器、双X射线源、快速切换X射线源等)的成像器成像。得到的影像然后形成用于训练的目标。然后使用上文所描述的足跟效应利用或基于滤波器FL的成像协议对相同的体模进行成像，以获得相关联的训练输入图像。足跟效应利用或基于滤波器FL的成像协议可以在不同的标准成像器上运行，或者在与用于目标的相同的光谱成像器上运行，但不采用光谱成像硬件。

在另外的实施例中，目标可以作为光谱体模(诸如Shepp-Logan体模)或其他体模的几何测量分解来获得。代替于使用真实的、物理的体模，可以通过模拟部分或全部获得训练影像。

诸如神经网络的机器学习算法一旦在真实光谱影像上被训练，就然后能够在来自任何新的两组光谱投影影像π₁和π₂(图像域中的期望光谱图像)的部署中进行计算。

使用这样的机器学习算法是有利的，因为该方法不要求知道用于每个几何像素位置的曝光的确切两个光谱。对于每个几何像素来说，简单地具有不同光谱处的两个强度读数是足够的，如可通过上文所讨论的足跟效应利用协议获得的。

还应当注意，利用上文所提到的光谱方案，还可以产生常规能量积分图像。为此，操作者控制台可以包括上文所提到的用户接口，诸如按钮，其允许用户选择以以常规能量积分模式或所描述的光谱模式操作成像器XI。

现在参考图8，其示出了用于基于X射线的光谱成像以实施如上文在图6中讨论的协议的方法的流程图，其中，足跟效应被使用。然而，将理解，下文所描述的计算机实施的方法步骤不一定与上文在图1-6中讨论的架构相关。

在步骤S810处，X射线探测器的像素、像素组或所有像素曝光于X射线射束的阳极侧或阴极侧。由于用于生成X射线射束的X射线源中的足跟效应，射束的阳极侧和阴极侧具有不同的光谱。

在步骤S820处，改变成像几何结构，使得像素或像素组现在分别曝光于X射线射束的另一侧，即阴极侧或阳极侧。

重复步骤S810和820，使得所有感兴趣几何像素已经接收到X射线射束的阳极侧和阴极侧的顺序多光谱曝光。

在步骤S830处，光谱成像算法被用于处理在步骤S810和S820中获得的两组投影影像。然后可以处理或显示或存储如此导出的光谱影像。

所提出的方法可以在投影域中使用，如在平面射线照相中，但也可以在根据这样的投影影像的CT重建之后用于成像域中的断层摄影影像中。

现在参考图9中的流程图，该流程图表示使用上文图7中所描述的多滤波器元件滤波器FL时所涉及的步骤。

在该实施例中，在步骤S910处，X射线探测器的像素、像素组或所有像素在X射线射束穿过多元件滤波器之后曝光于X辐射。滤波器被布置在X射线源与要成像的对象之间。滤波器包括至少两个由不同材料制成的不同滤波器元件。滤波器是可移动的并且被保持在第一位置中，使得像素或像素组由于通过第一材料类型的元件的光谱调制而曝光于第一光谱处的辐射。

在步骤S920处，然后将滤波器移动到第二位置或配置中并且重复曝光，使得现在，由于通过第二类型的(一个或多个)滤波器元件的光谱调制，像素或像素组现在曝光于第二光谱处的辐射。

在步骤S930处，在步骤S910和S920中如此获得的两组投影图像然后由光谱成像算法处理。

在两个步骤的实施例中，不同材料类型的滤波器的不同子元件被顺序带入与几何像素或像素组的相应配准中。

在步骤S920处引起这种光谱变化的运动可以是旋转的或横向的或两者。

滤波器能够恰好包括不同材料的两个元件，并且然后滤波器在对象上进行扫描。然而，这较不优选，因为这包括明显的时间延迟。

优选地，基于棋盘的图案由至少两种(在实施例中恰好两种)不同材料(类型)的多个元件形成以覆盖整个视场。然后可以最小化运动，并且仅要求一个元件或旋转900的移位，这取决于滤波器元件的布局，以将两种不同材料类型的两个元件与每个感兴趣几何像素进行顺序配准。

图像/信号处理子系统SPS的部件可以被实施为单个软件套装中的软件模块或例程，并在通用计算单元PU上运行，诸如与成像器XI相关联的工作站或与一组成像器相关联的服务器计算机。备选地，图像处理系统SPS的部件可以被布置在分布式架构中并且连接在适合的通信网络中。

控制单元CU可以集成在操作者控制台中或者可以远离那里定位。控制单元可以以硬件或软件或两者布置。优选地，控制单元CU可以通过重新编程成像器XI的现有控制单元来实施以实施上文所描述的足跟效应利用协议。

备选地，包括控制单元的一些或所有部件可以布置在诸如适合编程的FPGA(现场可编程门阵列)或硬连线IC芯片的硬件中。

本文所公开的一个或多个特征可以被配置或实施为/有在计算机可读介质内编码的电路和/或其组合。电路可以包括分立和/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。

在本发明的另一示范性实施例中，提供了一种计算机程序或一种计算机程序单元，其特征在于适于在适当的系统上执行根据前面的实施例之一所述的方法的方法步骤。

因此，所述计算机程序单元可以被存储在计算机单元上，所述计算机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以上描述的方法的步骤或诱发以上描述的方法的步骤的执行。此外，其可以适于操作以上描述的装置的部件。所述计算单元能够适于自动地操作和/或执行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。所述数据处理器由此可以被装备为执行本发明的方法。

本发明的该示范性实施例涵盖从一开始就使用本发明的计算机程序和借助于更新将现有程序转变为使用本发明的程序的计算机程序两者。

更进一步地，所述计算机程序单元能够提供实现如以上所描述的方法的示范性实施例的流程的所有必需步骤。

根据本发明的另一示范性实施例，提出了一种计算机可读介质，例如CD-ROM，其中，所述计算机可读介质具有存储在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部分描述。

计算机程序可以存储和/或分布在适合的介质(具体地但不一定是非瞬态介质)上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但计算机程序可也可以以其他形式来分布，例如经由因特网或者其他有线或无线电信系统分布。

然而，所述计算机程序也可以存在于诸如万维网的网络上并能够从这样的网络中下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种用于使得计算机程序单元可用于下载的介质，其中，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的之前描述的实施例之一所述的方法。

必须指出，本发明的实施例参考不同主题加以描述。具体而言，一些实施例参考方法类型的权利要求加以描述，而其他实施例参考设备类型的权利要求加以描述。然而，本领域技术人员将从以上和下面的描述中了解到，除非另行指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合也被认为由本申请公开。然而，所有特征能够被组合以提供超过特征的简单加和的协同效应。

尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和从属权利要求，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他单元或步骤，并且，词语“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可以履行权利要求书中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，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不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种X射线成像装置(XI)，包括：具有阴极(C)和阳极(A)的X射线源(XS)，所述X射线源被配置为生成X辐射射束(XB)；以及X射线探测器(XD)，其用于探测在与被成像对象(OB)相互作用之后的X辐射，当所述X射线源(XS)在操作中时所述射束(XB)具有由足跟效应引起的在所述射束的阳极侧(AS)和阴极侧(XB)的不同的光谱；以及足跟效应利用(HH)机构，其被配置为通过与数据采集单元处的读出活动的定时一致地控制致动器来改变成像几何结构来使所述探测器(XD)的像素(PX、GR)交替曝光于所述射束(XB)的所述阳极侧(AS)和所述阴极侧(CS)两者，所述致动器作用于所述X射线源、患者检查台和所述探测器中的至少一项。

2.根据权利要求1所述的X射线成像装置，其中，所述足跟效应利用(HH)机构引起所述对象(OB)与所述X射线射束(XB)之间的相对运动。

3.根据权利要求1或2所述的X射线成像装置，其中，所述运动是由所述被成像对象(OB)在成像期间驻留于的支撑件(TB)的至少部分的运动引起的，和/或是由所述X射线源(XS)的运动引起的。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线成像装置，其中，所述X射线源(XS)的所述运动是横向的和/或旋转的，使得所述阳极(A)和所述阴极(C)的相应位置被改变。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线成像装置，其中，所述足跟效应利用(HH)机构引起所述支撑件(TB)或支撑件(TB)和/或所述X射线源(XS)的运动，以便增加所述X射线源与所述对象(OB)之间的距离。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线成像装置，其中，多个像素被如此曝光，以获得针对所述多个像素的两组强度读数，针对两个光谱中的每个光谱，至少一组强度读数，所述装置还包括光谱成像处理器(SP)，所述光谱成像处理器被配置为基于所述两组强度读数来计算针对所述对象(OB)的光谱影像。

7.一种X射线成像装置(XI)，包括：X射线源(XS)，其被配置为生成X辐射射束(XB)；以及X射线探测器(XD)，其用于探测在与被成像对象(OB)相互作用之后的X辐射；以及可移动滤波器(FL)，其被布置在所述X射线源(XS)与所述对象(OB)之间并且能够由控制单元(CU)移动，以便将所述射束(XB)的光谱至少局部地改变为第一光谱和第二光谱，从而使所述探测器(XD)的像素(PX)在两个光谱处交替曝光于X辐射。

8.根据权利要求7所述的X射线成像装置，其中，所述滤波器(F)包括分别包括不同材料的子元件(E1、E2)，其中，由滤波器运动引起，所述子元件(E1、E2)中的至少两个子元件一次一个地被带入与所述像素(PX、GR)的配准。

9.根据权利要求8所述的X射线成像装置，其中，所述子元件以棋盘图案被布置。

10.一种用于X射线成像装置的图像采集方法，所述装置(XI)包括：具有阴极(C)和阳极(A)的X射线源(XS)，所述X射线源被配置为生成X辐射射束(XB)；以及X射线探测器(XD)，其用于探测在与被成像对象(OB)相互作用之后的X辐射，当所述X射线源(XS)在操作中时所述射束(XB)具有由足跟效应引起的在所述射束的阳极侧(AS)和阴极侧(XB)的不同的光谱，所述方法包括：

通过与数据采集单元处的读出活动的定时一致地控制致动器来改变成像几何结构来使所述探测器(XD)的像素(PX、GR)交替曝光(S810、S820)于所述射束(XB)的所述阳极侧(AS)和所述阴极侧(CS)两者，所述致动器作用于所述X射线源、患者检查台和所述探测器中的至少一项。

11.一种用于X射线成像装置的图像采集方法，所述装置(XI)包括：X射线源(XS)，其用于生成X辐射射束(XB)；以及X射线探测器(XD)，其用于探测在与被成像对象(OB)相互作用之后的X辐射；所述方法包括：

通过移动被布置在所述X射线源(XS)与所述对象(OB)之间的可移动滤波器(FL)来使所述探测器(XD)的像素(PX)交替曝光(S910、S920)于第一光谱和第二光谱处的X辐射，以便将所述射束(XB)的光谱至少局部地改变为所述第一光谱和所述第二光谱。

12.根据权利要求11或10所述的图像采集方法，其中，所述交替曝光使得在所述像素处的不同光谱处探测到两个测量值，并且其中，所述方法还包括通过光谱成像算法来处理(S830、S930)所述两个测量值。

13.根据权利要求12所述的图像采集方法，其中，所述光谱成像算法被实施为机器学习算法。

14.一种计算机程序单元，所述计算机程序单元当由至少一个处理单元(CU)运行时适于使所述处理单元(CU)执行根据权利要求10-13中的任一项所述的方法。

15.一种在其上存储有根据权利要求14所述的程序单元的计算机可读介质。

Images