CN1614400A - 位置分辨地确定检查对象内元素浓度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位置分辨地确定检查对象(11)内构成检查对象(11)的n个元素和/或元素组合的浓度的方法，利用X射线设备(8)同时或相继拍摄检查对象(11)的至少一个区域的多幅数字X射线图像，这些图像是利用m≥n的不同X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)在相同几何条件下拍摄的，以获得每个在X射线图像中表示相同位置的像素的m个衰减值μ_i；根据m个衰减值μ_i，对至少一个像素，在考虑n个元素和/或元素组合的已知频谱吸收谱k_j (E)以及m个不同X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)的条件下计算该n个元素和/或元素组合的浓度c_j。本发明还涉及一种实现该方法的装置。

Description

位置分辨地确定检查对象内元素浓度的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种利用X射线吸收技术位置分辨地确定检查对象内元素和/或元素组合的浓度的方法和装置，该检查对象由这些元素和/或元素组合构成。

背景技术

放射摄影方法的结果，如计算机断层造影(CT)、乳腺造影、血管造影、X射线检查技术等类似方法的结果，首先显示在投影图像中X射线从X射线源至X射线检测器的路径上的衰减。这种衰减是由于放射路径上被透射的物质造成的，因此，这种衰减也被认为是对放射路径上所有体素(Voxel)的衰减系数的线性积分。特别是在断层造影方法中，例如在X射线计算机断层造影中，通过再现方法可以从投影的衰减数据计算出各体素的衰减系数μ，并由此得到较之对投影图像纯观察的方法敏感得多的检查。

为了显示衰减分布，代之以使用衰减系数通常采用对水的衰减系数标准化的值，即所谓的CT数。CT数根据通过测量确定的当前衰减系数μ和参考衰减系数μ_H2O按照下式计算得出：

$C=1000x\frac{\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_{H2O}}{{\mathrm{\μ}}_{H2O}}\left[\mathrm{HU}\right]$

CT数C以[HU](Hounsfield单位)为单位。对于水来说，其值C_H2O＝0HU，而对于空气，该值C_L＝-1000HU。由于两种表示相互可以转换或等同，以下所选用的衰减值或衰减系数的概念既指衰减系数μ又指CT值。

但是，根据X射线图像的衰减值并不能确定检查对象的物质组成，因为X射线的吸收既取决于物质的有效原子序数也取决于物质的厚度。因此，不同的化学及物理组成的物质在X射线图像中可能具有相同的衰减值。

因此，为了提高基于局部衰减系数的X射线图像的说服力，例如在US4247774 A中公开了采用不同的X射线频谱或不同的X射线量子能量来产生X射线图像的方法。这种应用于计算机断层造影领域、通常也称为双频谱CT的方法利用的是较高原子序数的物质对较低能量的X射线的吸收要远大于原子序数较低的物质。反之，在较高X射线能量的情况下，衰减值得到平衡并且主要是物质厚度的函数。因此，通过计算利用不同X射线管电压拍摄的X射线图像中的区别，可以获得关于各图像区域所基于的物质的附加信息。

如果在X射线拍摄时还附加地采用所谓的基本物质分解方法，则还可以得到更具体的结论。在该方法中，利用较低能量和较高能量的X射线来测量检查对象的X射线衰减值，并将所获得的值分别与两种基本物质的相应参考值进行比较，如对于骨骼物质的钙和柔软部分组织的水进行比较。在此假设每个测量值都表示这两种基本物质的测量值的线性叠加。因此，对于图像显示的检查对象的每种元素，可以通过与基本物质的值比较而计算出骨骼部分和软组织部分，从而可以将原始拍摄转换为对这两种基本物质的显示。

在德国专利申请文献DE 10143131 A1中也公开了一种方法，其敏感性和说服力超过基本物质分解方法，并且例如可以进行高说服力的功能CT成像。利用该方法，可以通过分析X射线设备的影响频谱的测量数据计算出厚度ρ(r)和有效原子序数Z(r)的空间分布。通过对厚度和有效原子序数的分布的组合分析，可以量子地确定人体组成部分，如碘等，以及例如将钙化所基于的原子序数分离出来。

但是迄今为止的方法都不能位置分辨地确定构成检查对象的元素和/或元素组合的浓度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种方法和一种装置，位置分辨地确定检查对象中元素和/或元素组合的浓度，该检查对象由这些元素和/或元素组合构成。

本发明的技术问题是通过一种位置分辨地确定检查对象内n个元素和/或元素组合的浓度的方法解决的，其中，该检查对象由这些n个元素和/或元素组合构成，其中，利用X射线设备同时或相继拍摄检查对象的至少一个区域的多幅数字X射线图像，这些数字X射线图像是利用m≥n的不同X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)在相同的几何条件下拍摄的，以便获得每个在X射线图像中表示相同位置的像素的m个衰减值μ_i(i＝1，...，m)。然后，根据m个衰减值μ_i，对一个或多个像素，在考虑n个元素和/或元素组合的已知频谱吸收谱k_j(E)(j＝1，...，n)以及m个不同的X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)的条件下，计算该n个元素和/或元素组合的浓度cj。

因此，为实施该方法，必须对每个频谱分布已知频谱装置函数，即X射线设备的X射线频谱S(E)和检测器灵敏度D(E)的组合。在此，X射线频谱分布S(E)通常取决于所采用的X射线管的类型以及管电压，以及必要时附加采用的滤波器。检测器灵敏度D(E)是所采用的X射线检测器的特性，其利用不同的效率来转换X射线的频谱成分，并由此进行不同加权。这些特定于设备的参数可以一次性地直接确定，也可以借助标准试样的衰减值间接确定。当然，也可以由X射线设备的技术说明中的相应的X射线管类型和检测器类型推倒出这些函数。

多幅数字X射线图像不必相继拍摄，例如利用不同的管电压拍摄。由于每种X射线管发射具有一定宽度的X射线频谱，因此，通过相应的频谱选择的所属的检测器的实现，也可以最大程度地或完全地同时拍摄不同的X射线图像。在此例如可以采用多个分立的现有X射线检测器阵列。在一种优选实施方式中，采用选择量子能量的X射线检测器，其提供按照不同的频谱范围得出的衰减值。在此，X射线检测器对X射线的不同频谱范围、即不同能量范围进行测量。为此优选地，对主能量频谱均匀地划分，例如，对包含30-140keV的主能量频谱以30-40keV、40-50keV、...、130-140keV的间隔进行划分。

通过分别在相同的几何条件下拍摄检查对象的感兴趣区域的多幅数字X射线图像，可以对每个表示相同位置的像素得到m个通常不同的衰减值μ_i(i＝1，...，m)。然后，对于至少一个这样的像素，根据该像素对应的m个吸收值或衰减值，在考虑由频谱装置函数表示的m个不同的频谱分布以及考虑n个元素和/或元素组合的已知频谱吸收谱k_j(E)的条件下，计算出n个元素和/或元素组合的浓度c_j(j＝1，...，n)。为此利用了，测量的衰减值仅与浓度和已知的或预先确定的装置函数有关。每种元素和/或元素组合的频谱吸收谱k(E)可轻易地从文献中得到。这里元素组合应理解为元素连接，例如水或塑料，身体的固定组合、如骨骼，或者各元素的公知混合物。在各种情况下，都采用该物质的吸收频谱来确定检查对象中的物质浓度。

因此，利用本发明的方法可以确定检查对象内由X射线图像中像素表示的特定位置的元素或元素组合的浓度。这里，采用简单的X射线透视方法可以得到穿过检查对象的、由像素表示的X射线路径上的平均值。在本发明方法的优选实施方式中，采用X射线CT设备拍摄数字X射线图像，其中可以这种方式确定检查对象的检查区域内每个体素内的元素和/或元素组合的浓度。因此，通过分析多个像素和X射线截面图像，可以获得检查对象内包含的化学元素或元素组合(如氢、碳或铁)浓度的空间分布。在对作为检查对象的人体进行检查时，这些元素和/或元素组合所涉及的尤其是元素氮、碳、氧、氢和钙。通过使用非元素化的吸收频谱也可以这种方式空间分辨地确定元素组合(如水或骨骼)的浓度。当然，本发明的方法不仅可以用于医疗领域，也可以用于很多其它技术领域，如材料探测或安全技术领域。由此可确定各种检查对象的相应元素和/或元素组合的浓度。

本发明的方法所赖于的基础是，利用X射线吸收方法测量的元素的衰减系数μ取决于所采用的X射线设备的频谱装置函数(以下也称为频谱加权函数w(E))和该元素的吸收频谱k(E)：

μ＝∫k(E)w(E)dE

其中，加权函数w(E)由X射线频谱S(E)和频谱检测器灵敏度D(E)(其中0＜D(E)＜1)以下述方式得出：

$w\left(E\right)=\frac{S\left(E\right)D\left(E\right)}{\∫S\left(E\right)D\left(E\right)\mathrm{dE}}.$

在有n个不同的元素或元素组合的情况下，在测量利用不同频谱分布获得的m个衰减值μ时，该关系式可如下以矩阵的形式表示为：

其中， $M_{\mathrm{ij}}=\underset{E}{\∫}{W}_i\left(E\right)k_j\left(E\right)\mathrm{dE}.$

利用该关系式，可从测量数据中最多确定n≤m个元素浓度，其中，μi表示m个(i＝1至m)测量的衰减值，w_i表示第i个频谱测量频道、即第i个频谱分布的频谱加权函数。k_j(E)表示各化学元素或元素组合的在文献中已知频谱吸收谱。由所示出的矩阵形的公式中可求出各元素或元素组合的浓度c_j：

$c_j=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{ij}}^{-1}{\mathrm{\μ}}_i.$

M_ij ^-1是M_ij的逆矩阵，其由X射线设备的装置函数、即w_i(E)计算出。在本发明方法的优选实施方式中，基于该公式根据测得的局部衰减值μ来计算浓度。在此，可以这样选择各X射线图像的相应于频谱加权函数w_i(E)的不同频谱分布：使矩阵M_ij尽可能远离奇点(detM_ij≠0)，从而能够得到精确的且相对于数值误差稳定的反转矩阵。这通过将待确定的元素的一个K边包括在频谱分布或能量间隔之一中来实现，因为频谱的这一特性对矩阵M_ij的可反转性并由此对浓度确定的准确性有积极的影响。

实现本发明方法的装置以公知的方式包括至少一个用于发射X射线的X射线源，和多个与该X射线源相对设置的X射线检测器，用于采集位于该X射线源和X射线检测器之间的检查对象的X射线衰减值，以及用于将X射线检测器的电信号转换为衰减值的分析单元，该分析单元的特征在于其包括一用于确定浓度的模块，该模块根据m个衰减值对多幅数字X射线图像中表示检查对象的至少一个区域的同一位置的至少一个像素，在考虑n个元素和/或元素组合的已知频谱吸收谱k_j(E)以及m个不同的X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)的条件下，计算n个元素和/或元素组合的浓度c_j，其中，这些数字X射线图像是利用m≥n的不同X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)在相同的几何条件下拍摄的。

本发明的方法使得采用X射线CT设备尤其具有优点，利用该设备可获得检查对象的空间分辨的图像。通过结合计算机断层造影采用本发明的方法，可以得到新型的关于检查对象内化学元素和/或元素组合的空间浓度的三维信息。现有的或将来的X射线吸收系统的频谱分辨率的提高为许多应用带来足够的准确性。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式进一步简述本发明的方法和装置，其中示出：

图1是本发明方法的一实施方式的流程图；

图2是本发明装置的结构的示意图。

具体实施方式

图1示意地示出了本发明方法的一实施方式的流程图。在该方法中，第一步骤1决定并确定所采用的X射线设备的装置函数，在本例中为计算机断层造影8的装置函数。该装置函数W_i(E)由X射线源发射的输入强度S(E)的频谱分布和频谱检测器灵敏度D(E)组成。对于各个X射线图像的不同频谱分布的产生，可以在频谱范围内划分X射线管频谱S(E)，或者划分检测器灵敏度D(E)。

在决定并确定了装置函数W_i(E)之后，在步骤3计算逆矩阵M_ij ^-1。为此，提供组成检查对象的待检查区域的元素和/或元素组合的已知吸收频谱(步骤2)。对于人类检查对象来说，这例如是元素氢、碳、氮、氧和钙的吸收频谱。

在计算出逆矩阵之后，在步骤4在同样在这里示出的X射线计算机断层造影装置8中对检查对象进行检查，以便得到在在先确定的m个不同的装置函数下记录的m幅数字X射线图像。

在步骤5，基于由检测器获得的原始数据实施计算机断层造影所要求的图像再现，其中，对于每幅X射线图像产生坐标为x和y的横向截面图像中的衰减值分布μ_i(x，y)，其中，i＝1至m。

然后，在步骤6，由衰减值μ_i(x，y)对至少一个像素、即位置x₀，y₀由其衰减值μ_i(x₀，y₀)通过下式计算浓度c_j：

$c_j=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{ij}}^{-1}{\mathrm{\μ}}_i.$

在本例中，对感兴趣区域的所有像素和截面图像进行该计算，从而得到构成检查对象的元素或元素组合的空间浓度分布。在步骤7，将相应的计算出的浓度输出到相应的显示器上。这种输出例如也可以以图形显示的形式给出，其中，显示可以逐元素地进行，即对检查对象的每种元素和每一层给出一幅图像，该图像显示出在该区域内该元素的浓度分布。在另一种实施方式中，还可以交互地实现，其中，操作者以常规的方式在显示器上观察选出的横截面图像，并例如通过图形用户界面利用鼠标箭头点击该横截面图像中的图像点或图像区域，来触发对关于该区域内确定的元素浓度的信息的显示。

最后，图2高度示意性地举例示出了本发明装置的结构。图中可见具有旋转检测器系统9的X射线CT设备8。由X射线管10发出的扇形X射线束11从一定的角位置透射过检查对象12，最终触及到按行排列的分立的检测器。一个拍摄周期包含多个这样的在对检查对象的不同角位置上的透射。由X射线检测器9提供的电信号在分析单元13中被转换为X射线衰减值。本例中，分析单元13包含用于确定浓度的模块14，该模块14根据m个衰减值对多幅数字X射线图像中表示检查对象的至少一个区域的同一位置的至少一个像素，在考虑n个元素和/或元素组合的已知频谱吸收谱k_j(E)以及m个不同的X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)的条件下，计算n个元素和/或元素组合的浓度c_j，其中，这些数字X射线图像是利用m≥n的不同X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)在相同的几何条件下拍摄的。本例中，n个元素和/或元素组合的已知频谱吸收谱k_j(E)被存储在存储装置15中，模块14从存储装置15中调用它们。计算的结果显示在连接的显示器16上。

Claims (7)

1.一种位置分辨地确定检查对象(11)内n个元素和/或元素组合的浓度的方法，该检查对象(11)由这些元素和/或元素组合构成，其中，利用X射线设备(8)同时或相继拍摄检查对象(11)的至少一个区域的多幅数字X射线图像，这些数字X射线图像是利用m≥n的不同X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)在相同的几何条件下拍摄的，以便获得每个在X射线图像中表示相同位置的像素的m个衰减值μ_i，以及根据m个衰减值μ_i，对至少一个像素，在考虑该n个元素和/或元素组合的已知频谱吸收谱k_j(E)以及m个不同的X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)的条件下，计算该n个元素和/或元素组合的浓度c_j。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述n个元素和/或元素组合的浓度c_j是根据下式计算出的：

$c_j=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i{M}_{\mathrm{ij}}^{-1}$

其中， $M_{\mathrm{ij}}=\underset{E}{\∫}{W}_i\left(E\right)k_j\left(E\right)\mathrm{dE},$ 以及w_i是第i个频谱分布的频谱加权函数，由下式给出：

$w\left(E\right)=\frac{S\left(E\right)D\left(E\right)}{\underset{E}{\∫}S\left(E\right)D\left(E\right)\mathrm{dE}}.$

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，数字X射线图像是利用检测器灵敏度D(E)的m个频谱分布拍摄的，这些频谱分布表示对由X射线设备(8)发射的X射线频谱至少接近于均匀的划分。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，这样选择所述频谱分布，使得所述n个元素或元素组合之一的至少一个K边落入这些频谱分布之一。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，利用X射线CT设备(8)拍摄所述X射线图像。

6.一种用于位置分辨地确定检查对象(11)内n个元素和/或元素组合的浓度的装置，其具有用于发射X射线的X射线源(10)，和多个与该X射线源(10)相对设置的、用于位置分辨地采集所触及的X射线的X射线检测器(9)，以及用于将X射线检测器(9)的电信号转换为衰减值的分析单元(13)，

其特征在于，所述分析单元(13)包括一用于确定浓度的模块(14)，该模块根据m个衰减值对多幅数字X射线图像中表示检查对象(11)的至少一个区域的同一位置的至少一个像素，在考虑n个元素和/或元素组合的已知频谱吸收谱k_j(E)以及m个不同的X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)的条件下，计算n个元素和/或元素组合的浓度c_j，其中，这些数字X射线图像是利用m≥n的不同X射线频谱分布S(E)和/或检测器灵敏度D(E)在相同的几何条件下拍摄的。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述模块(14)实现根据权利要求2所述的用于计算浓度的公式。

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