CN1880949A - 计算吸收物质加权系数和改善图像对比度－噪声比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于计算特定于吸收物质的加权系数(1、2、3、4)的方法和一种用于改善在由X射线设备产生的待检查对象(15)的X射线图像(14)中取决于吸收物质(13)的对比度－噪声之比的方法，其中可以通过对来自选择能量的检测器(5)的不同能量窗(7、8、9、10)的检测器输出信号进行加权的累加，用简单的手段改善取决于吸收物质(13)的对比度－噪声之比。

Description

计算吸收物质加权系数和改善图像对比度-噪声比的方法

技术领域

本发明涉及一种用于计算特定于吸收物质的加权系数的方法，和一种用于改善由X射线设备产生的检查对象的X射线图像中取决于吸收物质的对比度与噪声之比的方法。

背景技术

不同的吸收物质或者说不同的对象物质之间在由X射线设备产生的X射线图像中的对比度是通过这些物质具有相对于X射线的不同吸收特性而引起的。在医疗诊断中通常需要以在该X射线图像中比较高的对比度-噪声之比来对唯一的一个对诊断很重要的物质(例如骨骼组织或造影剂)进行成像。由此在这种情况下，所产生的X射线图像的质量和诊断的成功与否基本上取决于一种特殊的重要物质和该对象中存在的所有其它物质之间可达到的对比度-噪声之比。

为了采集对象的作为再现X射线图像的基础的投影，通常采用能量加权的检测器，其中在每次投影时检测到的检测输出信号基本上与检测器中转换的X射线能量成正比。对于这样的检测器，X射线图像中取决于吸收物质的对比度-噪声之比可以只通过X射线物理措施、如对应的滤波、选择X射线管电压或X射线管电流或通过选择合适的检测器材料来匹配。

US 2004/0101087A1例如公开了一种用于检测3D结构的断层造影设备，利用该设备可以通过对每个投影方向分别在不同的管电压下采集两个投影并相减，来改善再现后的X射线图像中不同吸收物质之间的对比度-噪声之比。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于X射线设备的方法，利用该设备可以利用简单的手段改善由X射线设备产生的X射线图像中取决于吸收物质的对比度-噪声之比。

该技术问题通过一种用于计算特定于吸收物质的加权系数以改善取决于吸收物质的对比度-噪声之比的方法来解决。

此外该技术问题还通过一种用于改善取决于吸收物质的对比度-噪声之比的方法来解决。

发明人认识到，通过对穿过对象的X射线进行取决于能量区域的加权，可以改善由X射线设备产生的X射线图像中可达到的对比度-噪声之比。通过对X射线的能量区域的不同加权，尤其是可以对那些向诸如骨骼组织或Iod的重要吸收物质的对比度提供比对象中的其它吸收物质(如周围的软组织)更大份额的区域进行更强的加权。

在不同能量区域内的X射线在此可以利用具有多个能量窗的能量分辨的检测器来采集。在此基于能量分辨的检测器的检测器输出信号而从X射线的两个频谱中推导出合适的加权系数，其中利用具有重要吸收物质的对象获得第一频谱，利用没有该重要吸收物质的对象获得第二频谱。

因此根据本发明提供一种用于计算特定于吸收物质的加权系数以改善在由X射线设备产生的检查对象的X射线图像中取决于吸收物质的对比度-噪声之比的方法，其中所述X射线设备包括具有多个检测器元件的能量分辨的检测器，这些检测器至少包括两个能量窗，在其中分别采集穿过对象的X射线的不同能量区域，该方法包括步骤，

a)为没有吸收物质的第一参考对象确定第一频谱，其中针对所述检测器的两个能量窗中的每一个确定与该第一频谱对应的检测器输出信号，

b)为具有吸收物质的第二参考对象确定第二频谱，其中针对所述检测器的两个能量窗中的每一个确定与该第二频谱对应的检测器输出信号，

c)针对该检测器的每一个能量窗从所确定的第一和第二频谱的检测器输出信号中分别计算出对应于检测器的该能量窗的特定于吸收物质的加权系数。

由此可以通过简单的方式利用简单的手段为改善X射线图像中对比度-噪声之比对不同的吸收物质提供特定于吸收物质的加权系数。

可以选择从所产生的两个参考对象的频谱中没有很大数值计算开销地实验地确定或者利用模拟来确定加权系数。在这两种情况下加权系数的计算都基于针对检测器的不同能量窗而为两个频谱确定的检测器输出信号进行。

在模拟的情况下，首先基于一个数值模型确定由X射线源产生的X射线的频谱，然后在考虑吸收特性的情况下计算X射线穿过参考对象之后的频谱，接着在考虑检测器的对应响应函数的情况下针对X射线的这样计算出的频谱模拟出不同能量窗中的检测器输出信号。

通过提供特定于吸收物质的加权系数，能够以涉及对诊断重要的对比度的高度灵活性来改善取决于吸收物质的对比度-噪声之比。

除了涉及需要以X射线图像可视化特定吸收物质(例如骨骼组织或造影剂)的特殊医疗问题的高度灵活性之外，通过提供特定于吸收物质的加权系数，较之传统获得的X射线图像能在更少X射线剂量的情况下获得预先给定的对比度-噪声之比。从而使对象(如患者)在诊断时承受更少的辐射负担。

特定于吸收物质的加权系数优选根据下面的计算规则计算：

wk＝(n1k-n2k)/(n1k+n2k)，其中

k是区分不同能量窗的下标，wk是能量窗k的特定于吸收物质的加权系数，n1k是能量窗k的第一频谱的检测器输出信号，n2k是能量窗k的第二频谱的检测器输出信号。

这种计算规则保证两个参考对象在检测器的相应能量窗中的频谱差异越大，或者说X射线的能量区域对检查很重要的吸收物质和其它吸收物质之间的对比度的作用越大，加权系数就越高。

在本发明的优选变形中，从数据库中加载特定于吸收物质的加权系数，从而可以就任意吸收物质根据医疗问题动态地匹配X射线图像中的对比度-噪声之比。从而例如可以考虑基于相同的检测器输出信号连续产生X射线图像，其中针对不同吸收物质的对比度得到了改善。为了检查骨骼组织，吸收物质优选具有骨骼的衰减特性。在本发明的另一个优选变形中，吸收物质还可以通过动态转换特定于吸收物质的加权系数而具有Iod的衰减特性，从而可以分析身体内部造影剂的分布。

可以通过简单的方式利用计数的半导体检测器同时采集多个能量窗中的检测器输出信号。

根据本发明，所计算的特定于吸收物质的加权系数可用于改善由X射线设备产生的检查对象的X射线图像中取决于吸收物质的对比度-噪声之比的方法，其中X射线设备包括具有多个检测器元件的能量分辨的检测器，该检测器至少包括两个能量窗，在其中采集穿过对象的X射线的不同能量区域。其中

a)针对每个检测器元件为检测器的至少两个不同的能量窗分别采集一个检测器输出信号作为X射线在对应能量区域中的强度的度量，

b)将两个不同能量窗的对应于各检测器元件的检测器输出信号用特定于吸收物质的系数进行加权并相加，从而针对每一个检测器元件都形成一个校正的检测器输出信号，

c)将该校正的检测器输出信号换算为其中取决于吸收物质的对比度-噪声之比得到了改善的X射线图像。

由此通过对能量分辨的检测器的被采集到的检测器输出信号进行简单的加权，如上所述，可以高度的灵活性就对诊断重要的对比度而改善取决于吸收物质的对比度-噪声之比。

正如同样已经提到的，除了涉及其中需要以X射线图像可视化特定吸收物质的特殊医疗问题的高度灵活性之外，较之传统获得的X射线图像能在更少X射线剂量的情况下获得预先给定的对比度-噪声之比。从而对象(如患者)在诊断时就可承受更少的辐射负担。

附图说明

本发明的实施例以及本发明的其它优选实施方式在下面示意性地用附图示出。其中：

图1以透视图示出X射线设备，用于执行本发明的计算特定于吸收物质的加权系数并改善X射线图像中对比度-噪声之比的方法，

图2示出两个Iod形式的用于计算没有吸收物质的第一参考对象和具有吸收物质的第二参考对象的特定于吸收物质的加权系数的频谱，

图3以草图形式示出量子计数的检测器的不同能量窗的响应函数作为X射线的量子能量的函数，

图4以图表示出第一和第二参考对象的第一和第二频谱以及针对不同能量窗确定的特定于吸收物质的加权系数，

图5示出在加权前和加权后检测器针对参考对象的两个频谱的信号响应的比较，

图6以草图形式示出用于计算特定于吸收物质的加权系数的本发明方法的流程，

图7以草图形式示出用于改善对比度-噪声之比的本发明方法的流程。

具体实施方式

图1以透视图示出X射线设备，在此是计算机断层造影设备19的形式，该设备适合于执行本发明的用于计算特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4和改善X射线图像14中对比度-噪声之比的方法。

计算机断层造影设备19主要包括X射线管1形式的X射线源20、能量分辨的检测器5，该检测器具有检测器阵列形式的按照列和行排列的检测器元件6，其中只有一个检测器元件具有附图标记，计算机断层造影设备19还包括用于计算特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4和改善对比度-噪声之比的计算装置21，以及用于显示所产生的X射线图像14的显示单元22。由按照X射线管形式的X射线源20产生的X射线由可预定的输入值按照管电流的形式来设置。

X射线管10和检测器5都是拍摄系统的部件，并且相对地设置在旋转框架23上，使得在计算机断层造影设备19运行时从X射线管20的焦点射出并由边缘射线限制的X射线束落在检测器5上。

可以利用未示出的驱动装置使得旋转框架23围绕旋转轴24旋转。旋转轴24在此过程中平行于图1中示出的空间直角坐标系统的z轴。对于位于测量桌25上的对象15(如患者)来说，可以通过这种方式从不同的投影方向或者说拍摄系统的旋转角位置完成投影以再现立体图像。

利用由计算单元21设置并由发电机转换的管电流，通过X射线管20产生特定于该X射线管的X射线频谱，X射线穿过位于测量区域内的对象15，并被该对象部分地吸收，然后落在能量选择的检测器5的检测器元件6上。

特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4可动态地从数据库26中加载，从而根据待执行的检查可专门针对特定的吸收物质13改善对比度-噪声之比。在图1中还示例性地示出了两个不同的参考对象16、17，利用它们可以确定特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4。

图2示例性示出在管电压设置为120kV时穿过对象15并落在检测器5上的X射线针对两个不同参考对象16、17的两个频谱11、12，该参考对象用于计算特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4，其中沿着x轴以keV的单位绘制X射线的能量，而沿着y轴将X射线的强度绘制为入射X射线量子的数量。

细线表示对应于第一参考对象16的频谱，该频谱具有检查对象15的一般吸收特性。在该例中通过200mm层厚的水和3mm层厚的铝来模拟检查对象15的吸收特性。图2中的粗线则表示对应于第二参考对象17的频谱，该频谱除了对象15的一般吸收特性之外还具有重要吸收物质13的吸收特性，应当以高的对比度-噪声之比在X射线图像14中对该吸收物质13成像。

在该实施例中，应当为了检查造影剂在对象15中的分布而在Iod形式的吸收物质13和X射线图像14中的对象15之间产生非常好的对比度。第二参考对象17由于这个原因而除了第一参考体的物质之外还包含0.03g/cm³的Iod。Iod在该实施例中只具有示例性的特征。原则上可以为任意其它物质确定用于改善对比度-噪声之比的特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4。

原理上，X射线的强度差异越大，在X射线图像14中可见的吸收物质13和对象15之间的对比度就越大。如图1所示，两个参考对象16、17的频谱11、12之间的X射线强度的差异取决于X射线的能量。在大约100keV的X射线能量之上两个频谱11、12越来越强地相互补偿，而在40keV到60keV之间的能量间隔中可以观察到X射线的显著差异。

发明人已经了解到，在对代表X射线在不同能量区域中的强度的检测器输出信号进行相应加权时，可以通过对对象频谱和吸收物质频谱之间的差异很高的X射线的能量区域进行比差异较小的能量区域更强地考虑来改善X射线图像14中的对比度-噪声之比。

对应于X射线的不同能量区域的检测器输出信号例如可借助能量选择的检测器5采集，该检测器具有多行能量窗7、8、9、10。

在该实施例中采用的检测器5是具有4个不同能量窗7、8、9、10的半导体检测器，在其中分别采集一个特定能量区域的X射线的强度。例如基于钆的半导体检测器的4个能量窗7、8、9、10可以由4个串连的检测器平面形成，其中为了减少这些平面之间的X射线的能量而分别设置一个铜滤波器形式的吸收滤波器。通过这种方式，对于每个检测器元件6可以产生4个检测器输出信号，这些输出信号表示X射线在不同能量区域的强度。但同样也可以考虑采用基于非常高的时间分辨率而记录每个单独事件的半导体检测器，从而可以确定每个出现的X射线量子的能量。

图3示出量子计数的半导体检测器的响应函数27、28、29、30作为X射线的量子能量的函数，该半导体检测器总共具有4个能量窗7、8、9、10，其中沿着x轴以keV为单位绘制X射线的量子能量，沿着y轴绘制X射线的每个出现的量子的信号。对一个能量窗基本上不产生信号的能量阈值是50、70、90、120keV，但可以根据采用的检测器5而与这些值明显地区分开来。引人注意的是，各个能量窗7、8、9、10的超过阈值能量的响应函数27、28、29、30并不完全降为0。由此可以说明，由于X射线量子与检测器5的半导体材料的原子之间的交互作用，在检测器5中被转换的能量可能降至一个能量窗7、8、9、10的相应能量阈值之下。但这种也称为K逃逸的性能在本发明的方法中所起的作用非常次要，不必过多地考虑。

在该实施例中，每个检测器元件6在X射线的一个预定频谱11、12下采集4个检测器输出信号，这些检测器输出信号表示X射线在不同的、基本上相互连续的能量区域中的强度。为了改善可在X射线图像14中达到的针对特殊吸收物质13的对比度-噪声之比，确定合适的特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4，用这些加权系数对检测器输出信号加权然后相加。

下面给出数学关系式，利用该关系式基于没有吸收物质的第一参考对象16的第一频谱11和具有吸收物质的参考对象17的第二频谱12在考虑检测器5的响应函数27、28、29、30的情况下可以确定合适的特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4。

在X射线的频谱Si下针对具有响应函数Dk的能量窗k的检测器输出信号nik根据下面的等式示出：

(1)n_ik＝∫S_i(E)D_k(E)dE，

其中，nik是检测器输出信号，Si是第i个参考对象的频谱，DK是第k个能量窗的响应函数，E是X射线的能量。

由一个检测器元件的检测器输出信号的还待确定的加权给出完全一般的校正检测器输出信号Ni：

$\left(2\right)---N_i=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{w}_k\·n_{\mathrm{ik}}$

其中Ni是第i个参考对象的校正检测器输出信号，wk是能量窗k的还待确定的特定于吸收物质的加权系数，nik是第i个参考对象在能量窗k中的检测器输出信号。

在对量子计数的检测器中，根据下式由检测到的量子的根计算噪声：

$\left(3\right)---{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ik}}^2=n_{\mathrm{ik}}$

其中σ_ik是检测器输出信号的噪声，nik是第i个频谱在能量窗k中的检测器输出信号。

由此可以由两个校正信号对参考对象的两个频谱给出下面的对比度-噪声之比：

$\left(4\right)---\mathrm{CN}{R}^2=\frac{{[N_1-N_2]}^2}{{\mathrm{\σ}}_{N_1}^2+{\mathrm{\σ}}_{N_2}^2}=\frac{{[\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{w}_k\·(n_{1k}-n_{2k})]}^2}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{w_k}^2\·(n_{1k}+n_{2k})}$

其中，CNR是一个具体吸收物质的待最大化的对比度-噪声之比，N1和N2是第一和第二参考对象的校正检测器输出信号，σ1k和σ2k是针对第一和第二参考对象在能量窗k中的检测器输出信号的噪声，n1k和n2k是第一和第二频谱在能量窗k中的检测器输出信号，wk是能量窗k中的被查找的特定于吸收物质的加权系数。等式(4)的分母在此采用等式(2)和(3)由高斯误差传递公式计算出来。

可以根据本身公知的优化方法例如基于根据所查找的加权系数的第一偏导确定适用于改善对比度-噪声之比的特定于吸收物质的加权系数，并产生下面的结果：

$\left(5\right)---w_k=\frac{n_{1k}-n_{2k}}{n_{1k}+n_{2k}}$

因此可以通过简单方式分别对每个能量窗7、8、9、10在没有很大计算开销的情况下从检测器输出信号中计算出特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4，该检测器输出信号是针对具有吸收物质13和没有吸收物质13的两个参考对象16、17获得的。在此，该检测器输出信号是通过照射相应准备的参考对象16、17实验地获得还是利用模拟获得的并不重要。

根据等式(5)对特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4的计算针对在此描述的实施例产生以下结果：

w1＝0.45，w2＝0.31，w3＝0.16，w4＝0.08。

由此通过对每个检测器元件的检测器输出信号进行加权的累加，可以明显改善对比度-噪声之比。在这种情况下与基于恒定加权系数获得的X射线图像14相比可达到改善24％的对比度-噪声之比，这使得可以减少24％的剂量。

在图4中以一个图表示出针对检测器5的不同能量窗7、8、9、10确定的特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4以及两个参考对象16、17的频谱11、12，其中在x方向上绘制出不同的能量窗7、8、9、10，在y方向上绘制出加权系数1、2、3、4的绝对值。如该图所示，能量窗7、8、9、10中的两个频谱11、12的差异越大，或相应能量窗7、8、9、10对取决于吸收物质13的对比度-噪声之比的影响越大，针对检测器5的该能量窗7、8、9、10的特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4就越大。

图5示例性示出上面所述的过程如何来影响对检测器的信号响应的加权。坐标轴以与图2相应的方式绘制。标记不同的路线分别代表检测器在特定能量窗7、8、9、10下根据相应频谱11、12的信号响应。如从两个图G1和G2中可以看出，通过用特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4wk对检测器5在不同能量窗7、8、9、10中的信号响应进行加权，可以对那些影响取决于吸收物质13的对比度-噪声之比更大的能量区域进行更强的估计。因此，当两个频谱11、12针对一个能量区域的信号响应之差非常大时，总是说明该能量区域对对比度-噪声之比的影响很大。

在图6中综合上述情况以框图形式示出对于能量选择的检测器5包括两个能量窗的情况的用于计算特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4的方法：

在该方法中，在第一方法步骤A确定没有吸收物质的第一参考对象的第一频谱，并针对检测器的两个能量窗中的每一个确定与该第一频谱对应的检测器输出信号，

在方法步骤B确定具有吸收物质的第二参考对象的第二频谱，并针对检测器的两个能量窗中的每一个确定与该第二频谱对应的检测器输出信号，

在最后一个方法步骤C针对检测器的每一个能量窗从所确定的第一频谱和第二频谱的检测器输出信号中分别计算出对应于检测器的该能量窗的特定于吸收物质的加权系数。

可以为多个不同的物质确定特定于吸收物质的加权系数，并存储在配置给X射线设备的数据库26中，按照需要动态地从该存储器中读取出来以计算X射线图像，在这些X射线图像中针对相应吸收物质的对比度-噪声之比应当得到了改善。

图7以框图形式示出对于检测器包括两个能量窗的情况用于改善X射线图像中对比度-噪声之比的方法。该方法包括方法步骤A，其中针对每个检测器元件为检测器的至少两个不同能量窗分别采集一个检测器输出信号作为X射线在相应能量区域中的强度的度量；方法步骤B，其中用特定于吸收物质的加权系数对对应于各检测器元件的两个不同能量窗的检测器输出信号进行加权并累加，从而对每个检测器元件都形成一个校正的检测器输出信号；以及最后一个方法步骤C，其中将校正的检测器输出信号换算为其中取决于吸收物质的对比度-噪声之比得到了改善的X射线图像。

本发明的基本思想可以总结如下：

本发明涉及一种用于计算特定于吸收物质的加权系数1、2、3、4的方法和一种用于改善由X射线设备产生的待检查对象15的X射线图像14中取决于吸收物质13的对比度-噪声之比的方法，其中可以通过对来自能量选择的检测器5的不同能量窗7、8、9、10的检测器输出信号进行加权的累加，用简单的手段改善取决于吸收物质13的对比度-噪声之比。

Claims (9)

1.一种用于计算特定于吸收物质的加权系数(1，2，3，4)以改善在由X射线设备产生的检查对象(15)的X射线图像(14)中取决于吸收物质(13)的对比度-噪声之比的方法，其中，所述X射线设备包括具有多个检测器元件(6)的能量选择检测器(5)，该检测器(5)至少具有两个能量窗(7，8，9，10)，在这些能量窗中分别采集穿过对象(15)的X射线的不同能量区域，该方法包括步骤，

a)为没有吸收物质的第一参考对象(16)确定第一频谱(11)，其中针对所述检测器的两个能量窗中的每一个确定与该第一频谱对应的检测器输出信号，

b)为具有吸收物质的第二参考对象(17)确定第二频谱(12)，其中针对所述检测器(5)的两个能量窗(7，8，9，10)中的每一个确定与该第二频谱(12)对应的检测器输出信号，以及

c)针对该检测器(5)的每一个能量窗(7，8，9，10)从所确定的第一和第二频谱(11，12)的检测器输出信号中分别计算出对应于该检测器(5)的能量窗(7，8，9，10)的特定于吸收物质的加权系数(1，2，3，4)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特定于吸收物质的加权系数(1，2，3，4)根据下面的计算规则计算：

wk＝(n1k-n2k)/(n1k+n2k)，其中

k是区分不同能量窗(7，8，9，10)的下标，wk是能量窗k的特定于吸收物质的加权系数，n1k是能量窗k的第一频谱(11)的检测器输出信号，n2k是能量窗k的第二频谱(12)的检测器输出信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所采用的吸收物质(13)具有骨骼的衰减特性。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所采用的吸收物质(13)具有Iod的衰减特性。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，用于采集检测器输出信号的能量选择检测器(5)是计数的半导体检测器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所采用的X射线设备是计算机断层造影设备(19)。

7.一种用于改善由X射线设备产生的检查对象(15)的X射线图像(14)中取决于吸收物质(13)的对比度-噪声之比的方法，其中，X射线设备包括具有多个检测器元件(6)的能量选择的检测器(5)，该检测器至少具有两个能量窗(7，8，9，10)，在这些能量窗中采集穿过对象(15)的X射线的不同能量区域。其中

a)针对每个检测器元件(6)为检测器(5)的至少两个不同的能量窗(7，8，9，10)分别采集一个检测器输出信号作为X射线在对应能量区域中的强度的度量，

b)将两个不同能量窗(7，8，9，10)的对应于各检测器元件(6)的检测器输出信号用特定于吸收物质的加权系数(1，2，3，4)进行加权并相加，从而针对每一个检测器元件(6)都形成一个校正的检测器输出信号，

c)将该校正的检测器输出信号换算为其中取决于吸收物质(13)的对比度-噪声之比得到了改善的X射线图像(14)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述特定于吸收物质的加权系数(1，2，3，4)从数据库(18)中加载。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，根据权利要求1至6中任一项所述方法来计算所述特定于吸收物质的加权系数(1，2，3，4)。

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