用于双能源计算机X射线断层摄像CT系统的快速切换方法.pdf

公开了一种在双能源计算机X射线断层摄像(CT)系统(100)中便于在两个明显不同峰值千伏特(kVp)投影之间进行切换的方法。该方法包括设置X射线管(104)的电流数值，其中X射线管(104)可以两个或者多个明显不同的kVp向目标发射X射线。调整在两个kVp之间的相对视图时间(s)，以便通过将电流设置基本上保持恒定不变来调制电流-视图时间(mAs)的乘积。另外，根据mAs乘积计算持续时间比率(R)。持续时间比率(R)定义了在其后必须切换kVp的持续时间。

1.  一种在成像系统(100)中便于在至少两个明显不同的峰值千伏特(kVp)投影之间进行切换的方法，该方法包括根据目标衰减轮廓和投影数据来调整适用于至少两个明显不同峰值kVp投影的视图时间，其中所述方法能够最优化两个或多个kVp投影的电流-时间(mAs)比率，同时以基本恒定不变的电流设置操作成像系统(100)。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最优化的mAs数值比率根据至少两个明显不同kVp设置、目标尺寸和在一个或多个投影角度下的目标衰减轮廓之中的一个或者多个来设置。

3.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整相对视图时间(s)包括保持用于至少两个kVp投影视图的恒定不变的视图速率和电流(mA)设置。

4.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整相对视图时间(s)根据平均目标衰减轮廓和投影数据中的至少一个来调整。

5.  如权利要求1所述的方法，还进一步包括计算至少两个明显不同峰值kVp投影的持续时间比率。

6.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成像系统是计算机X射线断层摄像(CT)系统(100)。

7.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成像系统(100)是基于X射线的成像系统。

8.  一种成像系统(100)包括：
X射线管(104)，设置于所述成像系统(100)内且配置成发射至少两个明显不同峰值千伏特(kVp)的投影；
检测器阵列(108)，包括多个检测器元件，用于根据至少两个明显不同kVp投影来测量投影数据；以及，
处理器(124)，所述处理器配置成根据目标衰减轮廓和投影数据来调整在至少两个明显不同kVp投影之间的视图时间(s)，其中，所述调整能够使所述成像系统工作于基本恒定不变的电流(mA)设置。

9.  如权利要求8的成像系统，其特征在于，所述处理器(124)还进一步配置成保持恒定不变的视图速率。

用于双能源计算机X射线断层摄像(CT)系统的快速切换方法
技术领域
本发明通常涉及计算机X射线断层摄像(CT)系统，尤其涉及用于双能源CT系统便于在X射线管电压之间进行快速切换的方法。
背景技术
CT系统一般都包括X射线管，用于发射穿过诸如病人为目标的X射线光束。向目标发射的X射线光束在穿过目标之后会逐步衰减。检测器阵列从与目标相关的各种角度位置来检测衰减后的X射线光束并产生一个或者多个信号。然后，再对该信号进行处理，以获得被称为投影数据的处理数据。接着，合成投影数据，以重建表示穿过目标的X射线光束衰减的目标图像。一般来说，X射线管和检测器阵列都安装在机架上。检测器阵列从一个机架角度所获得的投影数据被称为“视图”(view)。目标的扫描包括在旋转X射线源和检测器阵列的过程中以不同的机架角度或者投影角度所产生的一组视图。
在双能源X射线CT系统中，指定路径的投影数据可以两个明显不同的峰值千伏特(kVp)投影进行两次测量，以便提供一些被扫描目标的其它信息，例如，精确的X射线衰减系数和被扫描目标的材料成分。在某些系统中，两个明显不同的kVp投影(在高和低kVp处)可由单个X射线管或者两个X射线管所产生。在单个X射线管系统中，两个明显不同的kVp之间的切换应当足够快，使之能够有效地避免在两组投影之间由于目标的移动而产生的重合失准。应当理解的是，两个kVp系统对材料差异的敏感度主要取决于在两个kVp设置处所产生的两个X射线频谱的能量分离。另外，为了减少材料属性图像中的图像噪声，如果在高投影和低投影视图过程中的采样时间是相等的话，就应该应用在高和低kVp处所设置的优化电流(mA)比率。例如，在低kVp持续的过程中，需要增加mA，以避免在低kVp投影中的多余噪声。在传统的X射线管中，mA的改变是通过改变X管的灯丝电流来获得。然而，由于灯丝的热常数，所以在观察到X管电流变化之前会存在时间延迟。这个时间延迟通常会大于必须切换kVp时间周期。因此，对于传统恒定不变的视图时间触发来说，X射线管的这个不理想的特征使得在高和低kVp处的投影噪声(或mA)的最优化难以实现。
为了解决上述的困难，已经提出一些双能源系统：(a)采用光子计数检测器的系统：如果工作在非常低的X射线通量时，则该系统可提供优越的性能。但是，由于光子计数检测器不是足够快的事实，使得该系统不能工作在高X射线通量。(b)采用双路径扫描的双kVp系统，每个路径在不同的kVp处：在这个系统中，高和低kVp扫描之间的投影不能及时足够快地获得，就会引起由目标移动所产生的重合失准。(c)双管/双检测器系统，该系统采用90度分开安装的管/检测器：在这个系统中，两个管的kVp可设为不同的数值。尽管该系统提供了较好的配准，但由于两个管之间的角度偏移仍会存在着剩余的重合失准。(d)单管系统：其中kVp在高和低设置之间进行快速切换。一般地，这种切换是在每个视图或者每几个视图之间进行的。这个系统提供了图像质量、投影/图像配准和系统简化之间的良好平衡。如果根据kVp切换可以动态地调整高和低kVp之间的相对投影噪声，那么就有可能提供具有竞争力的图像质量。
因此，存在着便于在两个明显不同的kVp之间进行切换且无需改变X射线管的投影噪声优化方法的需求。
发明内容
在本发明的第一方面，提供了一种在成像系统中便于在至少两个明显不同的峰值千伏特(kVp)投影之间进行切换的方法。该方法包括在保持相对恒定不变的电流(mA)的同时调整至少两个kVp投影(一个高的kVp投影和一个低的kVp投影)之间的相对视图时间(s)。通过调整至少两个明显不同的kVp投影之间的相对视图时间来调制用于至少两个明显不同的kVp投影的电流-视图时间乘积(mAs)。在恒定的视图时间触发系统中，对于利用电流(mA)来调整高/低kVp投影噪声的最优化来说，视图时间调整具有相同的效果。该方法还包括根据计算所得到的高和低kVp处的最优化mAs比率来计算至少两个明显不同的kVp投影的时间持续比率(R)。视图持续时间可根据kVp切换来调整，以便补偿跟随mA的快速控制的不足。
在本发明的第二方面，提供了一种计算机X射线断层摄像(CT)系统。该CT系统包括构成可容纳被扫描目标的机架和设置在机架内并构成发射至少两个明显不同的峰值千伏特(kVp)投影的X射线管。该CT系统还包括检测器阵列，该检测阵列包含多个检测器元件。该检测器阵列测量至少具有两个明显不同的kVp投影的投影数据。该CT系统进一步包括处理器，该处理器被配置用于调整在至少两个明显不同的kVp投影之间的相对视图时间(s)，以便于调整电流-视图时间的乘积。该处理器被进一步配置成根据不同kVp之间的最优mAs比率来计算在至少两个明显不同的kVp投影之间的持续时间比率(R)。
附图说明
当参考附图阅读下面详细的说明，会更好地理解本发明的上述及其它的特征、方面和优点。在整个附图中同样的符号表示同样的部分。其中：
图1是根据本发明的示例性实施例表示CT系统的方框图；
图2是说明在图1所示CT系统中便于在两个明显不同的峰值千伏特投影之间进行切换的示例性方法的流程图；
图3是说明根据图2方法的视图时间的变化图形。
具体实施方式
本发明的各种实施例提供了在计算机X射线断层摄像(CT)系统中，特别是在双能源CT系统中便于在明显不同的峰值千伏特投影之间进行切换的方法。
图1是根据本发明示例性实施例表示CT系统100的方框图。CT系统100包括机架102，X射线管104和检测器阵列108。机架102控制被扫描目标110的位置。X射线管104向检测器阵列108发出X射线光束。检测器阵列108包括多个检测器元件112，该检测器元件112用来检测穿过目标110后被衰减的X射线。在图示的实施例中，CT系统100包括单行的多个检测元件112。在本发明的各种实施例中，检测器阵列108可以包括多个并排行的检测器元件112。多个检测器元件112根据X射线的衰减106产生信号。另外，该信号经处理之后，可获得投影数据。
在实施例中，X射线的光束对应于至少两个明显不同的峰值千伏特(kVp)的投影。射线管104和检测器108随着机架102一起旋转，使得X射线光束与目标110相交的角度恒定地变化。目标110的单个扫描获取以一个机架角度测量得到的X射线衰减，其中该机架角度被称为投影角度。
当进行扫描以便获取目标110的投影数据时，机架102及其所安装的元件围绕着旋转中心114一起旋转。机架102上的元件的旋转和X射线管104的操作都由CT系统100中的控制机构116来控制。控制机构116包括X射线控制器118，机架电机控制器120和数据采集系统(DAS)122。X射线控制器118提供X射线管114的电源以及定时信号。机架电机控制器120控制机架102上元件的旋转速度和位置。控制机构116中的DAS 122采集检测器元件112的模拟数据并将模拟数据转换为数字信号以便进一步处理。
在实施例中，模拟数据可以是对应于至少两个明显不同的峰值千伏特(kVp)投影的投影数据。另外，处理器124接收经DAS 122采样和数字化的投影数据。处理器124被配置成用于调整在两个明显不同kVp投影之间的相对视图时间(s)，以便于通过保持恒定的视图速率来调整适用于两个明显不同的kVp投影的电流-视图时间乘积(mAs)。另外，在高/低kVp投影处都保持相对恒定的电流设置。处理器124通过使用kVp设置和平均投影数值来计算高和低kVp投影的最优化mAs比率R。因此，处理器124通过使用mAs比率R来计算在高和低kVp投影的视图时间。在实施例中，不变视图速度恒定的视图速率可以会包括将以时间常数来保持视图中心保持为时间常数。处理器还可配置成根据最优化mAs比率来计算两个明显不同的kVp投影的持续时间比率(R)。在实施例中，相对视图时间(s)被定义为在其后必须切换kVp的时间间隔时间周期。相对视图时间(s)可根据平均目标100的衰减轮廓和投影数据中的至少一个来调整。
处理器124通过使用以两个明显不同kVp投影所获得的投影数据来重建图像。重建图像被用作计算机126的输入并被存储于计算机126的存储器128。存储器128的例子可以是但不限制于只读存储器(ROM)。计算机126可以通过操纵控制台130接收来自操作者的指令和扫描参数。在实施例中，操纵控制台130可以包括键盘。显示器132允许操作者观察来自计算机126的重建图像和其它数据。显示器132的例子可以是但不限制于阴极射线管(CRT)显示器、液晶显示器(LCD)和等离子显示器。计算机126使用操作者所提供的指令向控制机构116提供控制信号和信息。此外，计算机126可以操纵工作台电机控制器134。工作台电机控制器134控制着工作台的移动，使之移动到目标110在机架102中的位置。尤其是，工作台可移动目标110通过机架开口。
在实施例中，计算机126包括用于读取来自计算机可读媒介的指令和数据的装置。该装置的例子可以是但不限制于软磁盘驱动、CD-ROM驱动、DVD驱动、磁光盘(MOD)装置，或者任何其它的包括诸如以太网装置的网络连接装置的数字装置。计算机可读媒介的例子可以为软盘、CD-ROM、DVD或者诸如网络或者因特网的数字源，以及还待开发的其它数字方式。在其它实施例中，计算机126执行存储在固件(未示出)中的指令。固件的例子包括但不限制于嵌入于计算机126的基本输入/输出系统(BIOS)。计算机126被编程来执行本文所描述的功能，本文所使用的术语“计算机”并不仅仅限定为本领域称为计算机的集成电路，而是广泛地包括计算机、处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路以及其它可编程电路。
尽管本文所描述的方法被描述用于CT系统，但应该预期到本发明的优点都能增加到除了CT之外的其它基于X射线的成像装置中，例如PET-CT，MRI-CT，SPECT及其它等等。(对于发明者而言，只要本发明能够用于其他成像装置都敬请得到确认。)另外，尽管本文所描述的方法和装置是采用医学设置的方式来描述的，但应该预期到本发明的优点也都能增加到非医学成像系统，例如，一般用于工业设置或者运输设置的那些系统，例如包括但不限制于用于机场或者其它运输中心的行李扫描系统。
图2是说明用于在CT系统100中便于在至少两个明显不同的峰值千伏特投影之间进行切换的示例性方法的流程图。在实施例中，流程图中所示步骤可由计算机126在适当的程序控制下自动执行。但是不要求自动进程地执行步骤。在实施例中，程序控制是固件程序，例如，嵌入于计算机126的系统基本输入/输出系统(BIOS)。在其它实施例中，程序控制是装置固件程序，例如存储于CT系统100的存储器128的装置驱动。
如图2所述获得在高和低kVp的视图时间值的最优化。在步骤202中，使用公式(1)计算高kVp到低kVp的最优化mAs比率R。最初，执行跟踪扫描。从跟踪扫描中，识别目标中的感兴趣区域(ROI)。对通过ROI的投影进行平均化，以获得通过ROI区域的有效衰减。因此，对于指定的目标成像类型(基本材料分解图像、密度图像、有效Z图像等)，使用平均投影，由下式计算R：
R＝f(kVp1，kVp2，p_ave)      (1)
公式(1)中，kVp1，kVp2是用于扫描的两个kVp设置，P_ave是通过ROI的平均投影数值。函数f()取决于成像系统，并可以通过成像系统的校准获得。之后，在步骤204中，根据在步骤202中所获得的最优化mAs比率，使用公式(2)和(3)来计算在高和低kVp处的视图时间。
V_H＝mA_L＊R/(mA_L＊R+mA_H)＊T_t    (2)
V_L＝mA_H/(mA_L＊R+mA_H)＊T_t       (3)
式中，V_H和V_L分别是在高和低kVp处的视图时间数值，T_t是在高和低kVp处的视图时间之和。在kVp切换过程中，成像系统的X射线管的灯丝电流保持恒定。然而，作为由kVp调制所感应的电子抽取场强度变化的结果，灯丝电流在mA_H和mA_L之间变化。在步骤206中，根据视图时间切换kVp。为了最优化地切换kVp扫描，也可以执行可变的视图时间。
图3是说明根据图2方法的视图时间的变化图形。X射线管104分别相应对应于低和高电压，X射线管104产生两个明显不同的电压投影kVp_L和kVp_H以及相关的X射线管的阳极电流mA_H和mA_L(图3中未示出)。X射线管在两个明显不同的电压投影(kVp_L和kVp_H)之间进行切换，以扫描目标110。在持续时间T_H内，高电压投影kVp_H保持为高；在持续时间T_L内，低电压投影kVp_L保持为低。另外，在不变恒定的视图采样中，T_H＝T_L＝T_t/2。相对视图时间(s)在kVp_L和kVp_H之间进行调整，以便于将mAs调制在相对应的管电流(mA_H和mA_L)上。换句话说，当在调制mAs乘积时，峰值千伏特投影kVp_H的中心和峰值千伏特投影kVp_L的中心都保持不变。在实施例中，相对视图时间(s)是根据平均目标衰减轮廓和投影数据来调整的。在实施例中，持续时间比率是根据在预先设定投影角度下的目标110衰减轮廓来计算的。应当注意的是，尽管在高和低kVp处的各自视图采样时间会有变化，但在高和低kVp处的各个视图中心以及视图时间之和仍旧保持与传统的恒定视图采样配置中的相同。
本发明的各种实施例提供了通过使用可变视图时间数据采集方法便于在两个不同峰值千伏特(kVp)投影之间进行切换的方法。当电流(mA)相对恒定不变时，该方法通过改变视图时间(s)来调制mAs。另外，可变视图时间扫描可以最大的管功率工作，同时还可保持适用于双kVp扫描的最优化mAs比率。另外，该系统还可对具体材料分解提供更好的时间分辨率和更好的敏感度。因此，能够重建具有更好图像质量的图像。
虽然本文仅仅只图示说明和描述了本发明的某些特征，但对于本领域的技术人员来说可以作出多种修改和变化。因此，应当理解的是，所附的权利要求书旨在覆盖本发明实际精神内的所有这一类的修改和变化。
元件列表
100    CT系统
102    机架
104    X射线管
106    X射线光束
108    检测器阵列
110    被检测的目标
112    检测器元件
114    机架旋转中心
116    控制机构
118    X射线控制器
120    机架电机控制器
122    数据采集系统
124    处理器
126    计算机
128    存储器
130    操纵控制台
132    显示器
134    工作台电机控制器
202    计算高kVp到低kVp的最优化mAs比率R
204    根据最优化mAs比率计算在高和低kVp的视图时间
206    根据视图时间切换kVp。