能谱重建
技术领域
本申请涉及医学成像系统。其具体应用于计算机断层摄影(CT)，并且更具体地用于能谱重建。
背景技术
简单的计算机断层摄影系统可以包括相对于一个或多个探测器安装在可旋转扫描架上的X射线管。该X射线管发射的辐射横贯该X射线管和该一个或多个探测器之间的成像区域。待扫描的感兴趣对象实体位于该成像区域内。该一个或多个探测器探测穿过该成像区域和其内对象实体的辐射。该探测器产生指示探测到的辐射的相应的投影数据。该投影数据用于重建其体积数据。该体积数据可用于产生位于该成像区域内的对象实体的一部分的一个或多个图像(例如，3维、4维等)。所得到的图像包括一般以对应于相关辐射密度的灰度值表示的像素。此信息反映了被扫描对象实体的衰减特性并且通常显示诸如人类或动物患者体内的解剖结构和无生命物体内的物理结构等的结构。
通过获取和利用(leveraging)辐射的谱特性，可以增强所得到的数据以提供进一步的信息。例如，谱信息可用于获取诸如器官如何工作的新陈代谢信息或者用于识别组织。基于碲锌镉(CZT)探测器和其他探测器可以获取谱信息，例如通过同时对光子进行计数并且测量其能量。然而，具有与常规氧硫化钆(GOS)探测器元件大约相同尺寸(例如1.14mm×1.41mm)的基于碲锌镉探测器元件通常不太适合于CT应用，这是由于这种探测器一般不能对与传统采用的光子通量水平相关联的相对大量的光子进行计数。可以将光子通量降低到CZT探测器和/或相应的电子设备可以对光子进行计数的水平，然而，如此降低光子通量可能导致信噪比(SNR)的减小，并且一般期望至少保持与传统CT应用相关联的信噪比。
发明内容
本申请的各方面提供一种解决上述问题和其他问题的新的改进的重建技术。
根据一个方面，计算机断层摄影系统包括X射线源，至少一个有限能量分辨率探测器和一个重建系统。该X射线源围绕成像区域旋转并且发射穿过成像区域的辐射。该至少一个有限分辨率探测器探测所发射的辐射。该至少一个有限能量分辨率探测器包括多个子探测器。每个所述多个子探测器与一个或多个不同的能量阈值相关联。每个能量阈值都用于基于阈值能量水平对入射光子的数量进行计数。重建系统重建该计数，以产生位于成像区域内的对象的一个或多个图像。
根据另一方面，CT重建方法包括：探测横贯成像区域的辐射；针对有限能量分辨率子探测器的多个不同能量阈值中的每个，对入射光子的数量进行计数；以及重建光子计数的能量分布。
根据另一方面，CT成像系统包括：一种用于发射通过成像区域的辐射并且探测横贯该成像区域的发射的辐射的装置；一种用于针对有限能量分辨率子探测器的多个不同能量范围中的每个对入射光子的数量进行计数的装置；以及用于对计数进行谱重建以生成一个或多个图像的装置。
附图说明
通过各种组件和组件的布置，以及各种步骤和步骤的布置，本发明会变得明显。附图仅作为图示说明优选实施方式的目的，不应被解释为限制本发明。
图1图示说明了采用能谱重建来生成一个或多个图像的示例性医学成像系统；
图2图示说明了可以与医学成像系统结合使用的示例性探测器；
图3图示说明了结合医学成像系统用于采用能谱重建来生成一个或多个图像的示例性方法。
具体实施方式
参考图1，其图示说明了一种医学成像系统100。系统100采用获取入射辐射的谱信息的一个或多个有限能量分辨率探测器。在一个实例中，探测器中的一个或多个可以包括多个子探测器(探测器像素)，其中每个子探测器与多个能量阈值相关联。每个子探测器的能量阈值中的每个可用于对高于能量阈值水平(或小于能量阈值水平或位于能量阈值水平之间)的入射光子的数量进行计数。适合的探测器描述在2006年4月25日提交的PCT2006/051285和2006年4月29日提交的EP05103589.7中，以引用的方式将这两个申请并入本文。基于谱的重建技术可用于重建光子分布并且根据光子分布生成一个或多个图像。在一个实例中，这种重建技术是基于统计学或数学方法的。例如，重建技术可以是极大似然重建。
医学成像系统100包括扫描器104，其具有X射线源108和一个或多个探测器112(“多个探测器112”)，该一个或多个探测器112对向与X射线源108相对的角形弧。在扫描过程中，X射线源108发射穿过成像区域116的辐射，并且探测器112探测横贯成像区域116并撞击探测器112的辐射。在一个实例中，将X射线源108设置在旋转扫描架120周围，并且X射线源108与旋转扫描架120一起围绕成像区域116旋转。在另一实例中，X射线源108通过诸如电子地偏转电子束的其他技术围绕成像区域116旋转。在又一实例中，可以将X射线源108保持在静止位置。探测器112可以与X射线源108一起旋转(例如用第三代系统)或位于固定的角位置处(例如用第四代系统)。支架124支撑成像区域140中的诸如人类的对象。支架124可以移动，以便在执行螺旋、轴向和/或其他扫描之前、之中和/或之后将对象引导到成像区域116中的适当位置，例如，通过沿Z轴128和/或一个或多个其他轴移动支架124。在非医学应用中，支架124可以是传送带或其他机构。
探测器112可以与各种探测器技术相关联。在一个实例中，探测器112用于探测谱信息。在该实例中，探测器112可包括碲锌镉(CZT)或具有谱探测特性的其他材料。这种探测器112可用于选择性地对入射光子进行计数，测量入射光子的能量等。在一个实例中，探测器112中的至少一个可包括多个子探测器(或像素或探测器元件)，其中子探测器中的每个对光子进行计数并测量光子能量等。例如，所述至少一个探测器16可包括M×N(其中M和N为整数)个子探测器，每个子探测器对光子进行计数并测量光子能量。进一步举例，所述至少一个探测器16可被划分为10×10或其他尺寸的子探测器矩阵，以形成100个子探测器，每个子探测器对光子进行计数并测量光子能量。通过使用多个子探测器，光子计数遍布整个探测器112。例如，对于采用10×10子探测器矩阵，每个子探测器的计数速率约为类似尺度的单个探测器元件的计数速率的百分之一。这种光子计数的减小便于CZT和类似材料与具有GOS探测器元件传统上使用的光子通量的系统结合使用，在所述系统中相对大量的光子入射到探测器。
子探测器112中的每个可以与一个或多个不同能量阈值相关联。每个能量阈值可以代表一个能量交叉线，其中对能量高于能量阈值的入射光子进行计数并且将其与高于阈值的能量相关联，对能量低于交叉能量值的入射光子进行计数并且将其与低于阈值的能量相关联，对能量高于能量阈值的入射光子进行计数并且将其与高于阈值的能量相关联，并且对能量低于交叉能量值的入射光子进行计数并且将其与低于阈值的能量相关联，或对能量在各能量阈值之间的入射光子进行计数。
在仅对高于或低于阈值的光子感兴趣的实例中，可以分别忽略能量低于或高于阈值的光子。例如，子探测器中的一个可以具有：对能量大于20KeV的入射光子的数量进行计数的能量阈值20KeV，对能量大于30KeV的入射光子的数量进行计数的能量阈值30KeV，对能量大于40KeV的入射光子的数量进行计数的能量阈值40KeV等。另外或可替换地，子探测器中的一个可以具有用于对能量小于这些阈值的入射光子的数量进行计数的能量阈值20KeV、30KeV、40KeV。在一个实施例中，可以将能量阈值中的至少一个设定为对基本所有入射光子进行计数的水平。例如，可以将阈值设定为最低水平，以对能量大于最低阈值的入射光子进行计数。可以对其他阈值进行各种设定，包括对不同子探测器使用不同阈值和/或对不同探测器116使用不同阈值，以针对多个感兴趣能量范围对光子进行计数。
面元划分(binning)组件132接收来自探测器116的计数和能量信息，并且将计数划分为一个或多个能量范围或面元。例如，如上所述，通过使用能量阈值20KeV、30KeV和40KeV，可以对能量大于20KeV、30KeV和40KeV的光子的数量进行计数。面元划分组件132可以使用该信息，以便基于能量不同地分离跨越一个或多个能量面元的计数。例如，面元划分组件132可以使用减法或其他技术来得到范围在20-30KeV的面元、范围在30-40KeV的面元等的计数数量。例如，面元划分组件132可以从高于20KeV的计数数量中减去高于30KeV的计数数量，从而计算对应于20-30KeV能量范围的面元中的计数数量；从高于30KeV的计数数量中减去高于40KeV的计数数量，从而计算对应于30-40KeV能量范围的面元中的计数数量，以此类推。
重建组件136处理经面元划分和/或未经面元划分的数据。在一个实例中，重建组件136使用一个或多个统计或数值方法来处理该数据。例如，重建组件136可以采用极大似然算法140或类似算法来处理数据。算法140(具体如下所述)可用于重建谱信息，以便生成所扫描的对象实体的图像。在一个实例中，这可以通过推断关于能量分布的基本概率分布的参数和/或其他方法来实现。
可以将生成的图像显示、制成影片(filmed)、存档、(例如通过电子邮件等)转发给治疗医师、与来自其他成像模态的图像相融合、(例如经过测量和/或可视化应用和/或专用可视化系统)进一步处理、存储等。计算机系统(或控制台)144便于操作者与扫描器104相交互和/或控制扫描器104。计算系统142执行的软件应用程序允许操作者配置和/或控制扫描器104的操作。计算系统142还允许用户浏览和/或操纵原始和/或重建的数据和/或图像。
本文描述的谱重建技术或其变体可用于获取如常规投影重建系统的解剖信息以及还有新陈代谢和/或其他信息。例如，本文描述的方法可以与灌注、功能或分子成像结合使用。例如，程序可以利用具有吸收特性的药剂，将该药剂设计为特定组织对其有增强吸收。该药剂可用于获取关于组织类型的信息。例如，该药剂可用于识别组织，判定某组织的存在，确定特定组织如何发挥机能等。当将该药剂施予给对象时，在一段时间以后该药剂主要集中在这种组织。使用常规投影重建难以从周围不同的组织中辨认出感兴趣的组织。例如，难以从肝细胞中对具有高药剂浓度的肝癌细胞进行识别、定位、分离等。然而，通过获取谱信息，可以利用肝细胞中相对较高浓度的药剂来增强肝癌细胞并且抑制其他组织(例如肝细胞)。在一个实例中，与核成像技术或类似技术相似，根据该数据生成的结果图像可以将肝癌细胞表示为“热点(hot spot)”。在另一实例中，结果图像可以具有提高的对比度分辨率特性，以利于区分具有相似对比度的组织。
图2图示说明了探测器112中的一个的示例性描述。如图所示，探测器112可包括N个子探测器(或像素)204，其中N为整数。N个子探测器中的至少一个(例如第n个子探测器208，其中1≤n≤N)包括Tn个阈值(其中n和T均为整数)用于对光子进行计数并测量光子能量。可将这些Tn个阈值中的至少一个设定为对基本所有入射光子进行计数，而将Tn个阈值中的至少另一个设定为不同的能量水平，并且所述N个子探测器204中的每个均可包括相似和/或不同的阈值。第n个子探测器208对高于阈值数t的yn，t光子进行计数，其中1≤t≤Tn并且t是整数。探测器112具有有限能量分辨率σE，其可以通过使用探测器112的能量测量、理论或数学计算等进行确定。应理解探测器112可包括CZT或其他探测材料。
通过面元划分组件132处理由N个子探测器204获取的数据，并且通过重建组件136重建这些数据(如上所述)。重建组件136可采用包括极大似然(ML)重建算法140的各种算法来重建谱数据。下面提供一种用于由N个子探测器和有限能量分辨率探测器112获取的计数的方法。
下面在式1中提供一种用于所探测的谱数据的示例性似然函数L：
Πn=1NΠt=1TnP(xl,n|αh,Mt-1ηMt-1+αl,Mt+1ηMt+1-(αl,Mt+αh,Mt)ηMt+Σm=MtMt+1-1ηm)---(1)]]>
其中，N表示子探测器的数量，n表示第n个子探测器208，t表示第n个子探测器208的Tn个阈值中的一个，Mt表示高于阈值t的最低面元编号，其中MTn+1＝M，αh；m表示面元m的光子中迁移到下一个更高面元的一部分，αl；m表示所述面元m的光子中迁移到下一个更低面元的一部分，ηm表示编号为Mt的面元中的光子的数量，xt；n表示在阈值t和t+1之间计数的光子的数量。对于能量分布的起始和最后面元，迁移分别是αl；I＝0和αh；M＝0。
下面在式2中提供示例性对数似然函数log(L)：
-NΣj=1Mηm+Σn=1NΣt=1Tn(αh,Mt-1ηMt-1+αl,t+1ηt+1-(αl,Mt+αh,Mt)ηMt)+]]>(2)
Σn=1NΣt=1Tnxt,nlog(αh,Mt-1ηMt-1+αl,Mt+1ηMt+1-(αl,Mt+αh,Mt)ηMt+Σm=MtMt+1-1ηm))]]>
式2中的对数似然log(L)的最大值可以通过Hessian的梯度和对角线确定。下面在式3中提供示例性梯度![]()
-N+Σn=1NΣt=1Tn(ϵk,Mt-1αh,Mt-1+ϵk,Mt+1αl,Mt+1-ϵk,M(αl,Mt+αh,Mt))+]]>(3)
Σn=1NΣt=1Tn(ϵk,Mt-1αh,Mt-1ϵk,Mt+1αl,Mt+1-ϵk,M(1-αL,Mt-αh,Mt))χt,nαh,Mt-1ηMt-1+αl,Mt+1ηMt+1-(αl,Mt+αh,Mt)ηMt+Σm=MtMt+1-1ηm]]>
下面在式4中提供了示例性Hessian的对角线：
∂2L∂2ηk=-Σn=1NΣt=1Tn(ϵk,Mt-1αh,Mt-1+ϵk,Mt+1αl,Mt+1-ϵk,M(1-αl,Mt-αh,Mt))2χt,nαh,Mt-1ηMy-1+αl,Mt+1ηMt+1-(αl,Mt+αh,Mt)ηMt+Σm=MtMt+1-1ηm)2---(4)]]>
其中ϵij=1,i=j0,i≠j.]]>
上面描述了用于重建用有限能量分辨率探测器112探测的数据的示例性算法，其中每个有限能量分辨率探测器112具有N个阈值。应理解本文还预期完全(perfect)分辨率探测器。用于重建用完全能量分辨率探测器探测的数据的示例性算法描述在2006年4月7日提交的PCT2006/051068和2006年4月14日提交EP05102971.8中，以引用的方式将这两个申请并入本文。
图3图示说明了用于重建成像系统100获取的数据的非限制性方法300。在该示例中，探测器112中的一个或多个的子探测器204中的一个或多个，例如，通过对具有高于和/或低于一个或多个能量阈值的能量水平的入射光子进行计数来获取数据。如上所述，探测器112中的每个可包括N个子探测器204，每个子探测器204具有一个或多个相似或不同的能量阈值。在附图标记304，成像区域116内的支架124适当地移动对象并且用系统100扫描对象。在308处，穿过成像区域116(和对象)的辐射撞击探测器112的一个或多个子探测器204。在312处，这些子探测器204中的每个均对高于和/或低于其能量阈值中的每个的入射光子的数量进行计数。在316处，为面元划分组件132提供光子计数和能量信息，该面元划分组件132将信息分离为一个或多个能量面元。这可以通过各种方法来实现，诸如上述的减去计数信息的方法。然后将该数据提供给重建组件136，重建组件136通过使用诸如极大似然算法140的统计方法来处理数据。所重建的数据可用于生成一个或多个图像，可以浏览、存储和/或进一步处理该一个或多个图像。
可以采用本文描述的系统和方法的示例性应用包括但不限于，行李检测、医学应用、动物成像、心脏扫描、材料测试、非破坏性成像、机器视觉和材料科学。
已参考优选实施例对本发明进行了描述。通过阅读和理解前面详述的说明，其他人可以进行修改和改变。意在将本发明解释为包括所有这些修改和改变，只要它们在所附权利要求书或其等同物的范围内。