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1、(10)授权公告号 CN 102088907 B (45)授权公告日 2013.03.27 CN 102088907 B *CN102088907B* (21)申请号 200980126238.6 (22)申请日 2009.06.22 61/078,575 2008.07.07 US A61B 6/00(2006.01) (73)专利权人 皇家飞利浦电子股份有限公司 地址 荷兰艾恩德霍芬 (72)发明人 E勒斯尔 R普罗克绍 J P施洛姆卡 (74)专利代理机构 永新专利商标代理有限公司 72002 代理人 王英 刘炳胜 US 4029963 ,1977.06.14, US 2008/0137。
2、803 A1,2008.06.12, US 2008/0137803 A1,2008.06.12, WO 2006/084382 A1,2006.08.17, WO 2008/078231 A1,2008.07.03, (54) 发明名称 K 边缘成像 (57) 摘要 一种成像系统， 包括发射穿过检查区域的多 色辐射的辐射源 (110)， 以及探测穿过所述检查 区域的辐射并产生指示探测的光子的能量的信 号的探测器 (116)。所述系统还包括能量鉴别器 (122)， 其基于多个不同能量阈值能量分辨所述信 号， 其中， 所述能量阈值中的至少两个具有与置于 所述检查区域内的混合物中的两种不同元素的至。
3、 少两个不同 K 边缘能量对应的值。所述系统还包 括信号分解器 (132)， 其将经能量分辨的信号分 解为代表至少两个不同 K 边缘能量的至少多 K 边 缘成分。 在一个例子中， 造影剂中两种不同元素的 化学计量比已知并且基本恒定。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.01.06 (86)PCT申请的申请数据 PCT/IB2009/052670 2009.06.22 (87)PCT申请的公布数据 WO2010/004460 EN 2010.01.14 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 宋光 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中。
4、华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 1/1 页 2 1. 一种成像系统， 包括 ： 辐射源 （110） ， 其发射穿过检查区域的多色辐射 ； 探测器 （116） ， 其探测穿过所述检查区域的辐射并产生指示探测的光子的能量的信 号 ； 能量鉴别器 （122） ， 其基于多个不同能量阈值能量分辨所述信号， 其中， 所述能量阈值 中的至少两个具有与置于所述检查区域内的混合物中两种不同元素的至少两个不同 K 边 缘能量对应的值 ； 信号分解器 （132） ， 其将经能量分辨的信号分解为代表所述至少两个不同 K 边缘能量 的至少多 K 边缘成分。
5、 ； 以及 重建器 （134） ， 其基于所述混合物中的所述两种不同元素的化学计量比重建所述多 K 边缘成分以生成代表所述两种不同元素的多 K 边缘图像， 其中， 所述混合物中的所述两种 不同元素的化学计量比是已知并且恒定的。 2. 如权利要求 1 所述的成像系统， 其中， 所述化学计量比处于 1:1 到 1:5 的范围中。 3.如权利要求1所述的成像系统， 其中， 所述化学计量比和所述K边缘能量为所述两种 不同元素的所述混合物提供唯一的符号。 4. 如权利要求 1 所述的成像系统， 其中， 所述两种不同元素是单一造影剂的部分。 5. 如权利要求 1 所述的成像系统， 其中， 所述信号分解器 。
6、（132） 还将所述经能量分辨的 信号分解为康普顿成分和光电成分。 6. 如权利要求 5 所述的成像系统， 其中， 所述重建器 （134） 重建所述康普顿成分和所述 光电成分以生成康普顿成分图像和光电成分图像。 7. 如权利要求 1 所述的成像系统， 其中， 所述 K 边缘能量在从 25keV 到 150keV 的范围 内。 8. 如权利要求 1 所述的成像系统， 其中， 所述 K 边缘能量中的至少一个为 33keV。 9. 如权利要求 1 所述的成像系统， 其中， 所述 K 边缘能量中的至少一个为 50keV。 10. 一种成像方法， 包括 ： 探测由辐射源 （110） 发射的穿过检查区域的。
7、多色辐射 ； 生成指示探测的光子的能量的信号 ； 基于多个不同能量阈值能量分辨所述信号， 其中， 所述能量阈值中的至少两个具有与 置于所述检查区域内的混合物中的两种不同元素的至少两个不同 K 边缘能量对应的值， 其 中， 所述混合物的所述两种不同元素的化学计量比是已知的 ； 将经能量分辨的信号分解为代表所述至少两个不同 K 边缘能量的至少多 K 边缘成分 ； 以及 基于所述多 K 边缘成分和所述化学计量比重建多 K 边缘图像， 以生成指示所述两种不 同元素的体积图像数据。 11. 如权利要求 10 所述的成像方法， 其中， 所述化学计量比基本恒定。 12. 如权利要求 10 所述的成像方法， 。
8、其中， 所述化学计量比在 1:1 到 1:5 的范围中。 13.如权利要求10所述的成像方法， 其中， 所述化学计量比和所述K边缘能量根据光子 能量唯一地特征化所述元素的衰减行为。 权 利 要 求 书 CN 102088907 B 2 1/5 页 3 K 边缘成像 0001 下文总体涉及 K 边缘成像。尽管结合对计算机断层摄影 (CT) 的具体应用描述了 K 边缘成像， K 边缘成像还涉及其他医学成像应用和非医学成像应用。 0002 常规的计算机断层摄影 (CT) 扫描器包括相对一个或多个探测器安装在可旋转机 架上的x射线管。 x射线管绕位于x射线管和一个或多个探测器之间的检查区域旋转， 并发。
9、 射穿过检查区域和置于检查区域内的受检者和 / 或对象的多色 (polychromatic) 辐射。所 述一个或多个探测器探测穿过检查区域的辐射并生成指示检查区域和置于检查区域内的 受检者和 / 或对象的信号或投影数据。投影数据被用于重建其体积图像数据， 并且该体积 数据可以被用于生成受检者和 / 或对象的一个或多个图像。得到的图像包括通常根据对应 于相对辐射强度的灰阶值来表示的像素。 0003 灰阶值反映被扫描受检者和 / 或对象的衰减特性， 并且一般示出诸如患者内的解 剖结构、 无生命对象内的物理结构等的结构。 然而， 因为材料对光子的吸收取决于穿过材料 的光子的能量， 探测到的辐射还包括。
10、频谱信息， 其提供了附加信息， 诸如指示受检者和 / 或 对象的组织和 / 或材料的元素或材料成分 ( 例如， 原子序数 ) 的信息。遗憾的是， 常规的 CT 投影数据不能反映由一个或多个探测器输出的信号与在能谱上整合的能量通量成正比这 一频谱特性。在频谱 CT 中， 运用频谱特性以提供进一步的信息， 诸如指示元素成分的信息。 0004 频谱 CT 系统可以包括诸如直接转换 CZT 探测器 ( 或 CdTe、 Si、 GaAs 等 ) 的能量分 辨光子计数探测器， 这些能量分辨光子计数探测器产生其探测的每个光子的电信号， 其中， 此电信号指示该光子的能量。 脉冲整形器处理该信号并产生具有指示探。
11、测的光子的能量的 峰值幅度的电压或电流脉冲。 鉴别器将脉冲的幅度与根据不同的能量级设置的一个或多个 阈值进行比较。针对每个阈值， 计数器计算幅度超过阈值的次数。组合器基于计数将探测 的光子组合或分配到能量窗口。 得到的经能量分辨的探测的光子提供可用于为探测的光子 的信号进行频谱重建的信息。 0005 K 边缘成像运用了这样的事实 ： 即相对于仅将光子衰减到 K 边缘能量以下， 高 Z 元 素往往将光子衰减到特定能量 ( 给定元素的 K 边缘能量 ) 以上的更高程度。元素衰减行为 中的不连续性可以使用诸如上文提到的一种能量分辨光子计数探测器进行探测。一般而 言， 因为碘 (iodine) 的 K。
12、 边缘位于大约 33keV 的相当低的能量处， 所有当总衰减大并且 x 射线谱在穿过患者后被显著硬化时， 碘并不是非常适合 K 边缘成像。改善灵敏度的一种方 法是使用具有比碘更高的 Z 的元素， 诸如钆 (gadolinium)， 钆的 K 边缘大约为 50keV。在这 一能量下的射束硬化不那么重要， 并且甚至对高衰减也产生相对好的结果。 0006 然而， 存在进一步改善 K 边缘成像中的灵敏度的尚未解决的需求。 0007 本申请的各个方面解决了上述问题和其他问题。 0008 根据一个方面， 一种成像系统包括发射穿过检查区域的多色辐射的辐射源， 以及 探测穿过检查区域的辐射并产生指示探测的光子。
13、的能量的信号的探测器。 该系统还包括能 量鉴别器， 其基于多个不同能量阈值能量分辨信号， 其中， 至少两个能量阈值具有与置于检 查区域内的混合物中的两种不同元素的至少两个不同 K 边缘能量对应的值。该系统还包括 信号分解器， 其将经能量分辨的信号分解为代表至少两个不同 K 边缘能量的至少多 K 边缘 说 明 书 CN 102088907 B 3 2/5 页 4 成分。 0009 根据另一方面， 一种方法包括探测由辐射源发射的、 穿过检查区域的多色辐射， 以 及生成指示探测的光子的能量的信号。 该方法还包括基于多个不同能量阈值能量分辨该信 号， 其中， 能量阈值中的至少两个具有与置于检查区域内的。
14、混合物中的两种不同元素的至 少两个不同 K 边缘能量对应的值， 其中， 已知混合物的这两种不同元素的化学计量比。该方 法还包括将经能量分辨的信号分解为代表至少两个不同 K 边缘能量的至少多 K 边缘成分。 该方法还包括基于多 K 边缘成分和化学计量比重建多 K 边缘图像， 以生成指示两种不同元 素的体积图像数据。 0010 根据另一方面， 一种包含指令的计算机可读存储介质， 当所述指令被计算机执行 时， 令计算机执行以下步骤 ： 探测穿过检查区域的多色辐射 ； 产生指示探测的光子的能量 的信号 ； 基于多个不同的能量阈值能量辨别该信号， 其中， 能量阈值中的至少两个具有与置 于检查区域内的混合。
15、物中的两种不同元素的至少两个不同 K 边缘能量对应的值 ； 以及将经 能量分辨的信号分解为代表至少两个不同 K 边缘能量的多 K 边缘成分。 0011 本领域的普通技术人员在阅读和理解下文的详细描述后， 将认识到本发明的进一 步方面。 0012 本发明可以具体化为不同的部件和部件安排， 以及具体化为不同的步骤和步骤安 排。附图仅用于说明优选实施例， 而不应理解为对本发明的限制。 0013 图 1 图示说明了成像系统。 0014 图 2 图示说明了范例脉冲能量鉴别器。 0015 图 3 图示说明了范例成分分解器。 0016 图 4 图示说明了范例多 K 边缘衰减曲线。 0017 图 5 图示说明。
16、了方法。 0018 参考图 1， 计算机断层摄影 (CT) 系统 100 包括一般为固定的机架 102 和旋转机架 104， 旋转机架 104 由固定机架 102 可旋转地支撑。旋转机架 104 绕检查区域 106 关于纵向 或 z 轴 108 旋转。诸如 x 射线管的 x 射线源 110 由旋转机架 104 支撑并发射多色辐射。准 直器112准直辐射束以产生穿过检查区域106的一般为锥形、 扇形、 楔形或其他形状的辐射 束。 0019 辐射灵敏探测器阵列 116 探测穿过检查区域 106 的光子。图示说明的探测器 116 是能量分辨探测器， 诸如直接转换探测器 ( 例如， Si、 Ge、 G。
17、aAs、 CdTe、 CdZnTe 等 ) 或者基于 闪烁体的探测器， 基于闪烁体的探测器包括与光传感器进行光通信的闪烁体。针对每个探 测的光子， 探测器 116 生成诸如电流或电压的电信号。 0020 前置放大器 118 放大由探测器 116 输出的电信号。脉冲整形器 120 处理经放大的 电信号并生成指示探测的光子的能量的脉冲， 诸如电压或其他脉冲。能量鉴别器 122 能量 鉴别该脉冲。在图示说明的实例中， 能量鉴别器 122 包括比较器 124， 比较器 124 将脉冲的 幅度与两个或多个不同能量阈值进行比较， 该两个或多个不同能量阈值对应于不同的感兴 趣能量。比较器 124 基于该比较。
18、产生指示光子的能量的输出信号。 0021 阈值设置器 126 设置阈值。如下文更为详细的描述， 阈值设置器 126 可以用于根 据感兴趣元素， 诸如对将被扫描的患者施用的造影剂中的不同造影元素的 K 边缘能量设置 两个或多个阈值。使用调整为给定造影剂中两种或多种不同 Z 元素的 K 边缘的两个或多个 说 明 书 CN 102088907 B 4 3/5 页 5 阈值可以提高 K 边缘成像技术的灵敏度。因此， 当系统 100 配置可调的阈值时， 可能需要将 阈值调为 K 边缘能量。当然， 还可以设置阈值以区分康普顿 (Compton) 效应成分和光电效 应成分。 0022 计数器128基于能量鉴。
19、别器122的输出增加针对每个阈值的计数值。 例如， 当针对 特定阈值的比较器 124 的输出指示脉冲的幅度超过对应的阈值时， 增加针对该阈值的计数 值。组合器 130 基于计数将信号以及因此将光子组合到两个或更多个能量组合中。能量组 合包括一定的能量范围或窗口。例如， 可以针对两个阈值之间的能量范围限定组合， 其中， 将针对较低阈值而非针对较高阈值的导致计数的光子分配到该组合中。 0023 信号分解器 132 将经能量分辨的信号分解为各种能量相关成分。例如， 在一个例 子中， 探测的经能量分辨的信号被分解为康普顿成分、 光电成分以及代表造影剂中两个或 多个 K 边缘材料的多 K 边缘成分。应当。
20、认识到， 可以备选地使用最大似然法或另一分解技 术。 0024 重建器 134 选择性地重建探测的信号。在一个例子中， 这包括单独地或以组合形 式重建康普顿成分、 光电成分和 / 或多 K 边缘成分。对于多 K 边缘成分而言， 造影剂中造影 元素的化学计量比应当是已知的并且恒定， 从而根据能量特征化元素的衰减。 0025 特征库 136 包括同样特征化造成多 K 边缘成分的元素的信息。该信息可以包括两 种或更多种元素的 K 边缘能量、 元素的化学计量比等。当重建多 K 边缘成分时使用这种信 息， 如下文更为详细的描述。 0026 通用计算机作为操作员控制台 138。控制台 138 包括诸如监视。
21、器或显示器的人可 读输出装置和诸如键盘和鼠标的输入装置。驻留在控制台 138 上的软件允许操作员经由用 户界面 (GUI) 或以其他方式与扫描器 100 进行交互。这种交互可以包括选取诸如多 K 边缘 成像协议的扫描协议、 设置能量鉴别阈值等。 0027 诸如床的对象支撑物40支撑检查区域106内的患者或其他对象。 对象支撑物140 可移动， 从而相对于检查区域 106 引导对象以执行扫描程序。 0028 如上文的简要讨论， 扫描器 100 可以用于受检者或对象内造影剂中的至少两种不 同造影元素的多 K 边缘成分成像， 其中， 元素的化学计量比已知并且恒定。利用这种应用， 根据至少两种不同造影。
22、元素的 K 边缘能量设置比较器 124 的至少两个阈值。下文描述了造 影剂的实例， 为了阐述的目的以及简明起见， 该造影剂包括碘和钆两者。应当理解， 本文还 涵盖包括相同或更多的和 / 或相似的或不同造影剂材料的其他造影剂。 0029 图 2 图示说明了比较器 124 的非限制实例， 比较器 124 具有根据造影剂中两种不 同元素的两个不同 K 边缘能量设置的两个阈值。如图所示， 比较器 124 包括 N 个子比较器 1241、 1242、 1243、 124N， 其中， N 为等于或大于四的整数。子比较器 124 中的每 个包括第一输入， 该第一输入接收脉冲整形器 120 的输出。比较器 1。
23、24 中的每个还包括第 二输入， 该第二输入接收对应的阈值 TH1、TH2、TH3、 THN。 0030 在这一实例中， 分别基于碘的 K 边缘能量 (K 边缘 33KeV) 和钆的 K 边缘能量 (K 边缘 50KeV) 设置阈值中的两个。设置另两个阈值以在康普顿效应和光电效应之间加以 区分。当在造影剂中存在具有预期的 K 边缘的多个或不同元素时， 可以相应地设置一个或 多个其他阈值。例如， 当造影剂包括金 (K 边缘 80KeV) 时， 可以相应地设置阈值。一般而 言， K 边缘能量应当落在约 25keV 到约 150keV 的诊断成像范围内。在一个例子中， 阈值设 说 明 书 CN 10。
24、2088907 B 5 4/5 页 6 置器 126 基于选定的扫描协议设置阈值中的至少一个。在另一例子中， 操作员使用阈值设 置器 126 设置阈值中的至少一个。 0031 对于比较器 1241、 1242、 1243、 124N中的每个而言， 当输入脉冲的幅度 超过相应的阈值时， 比较器 1241、 1242、 1243、 124N的输出改变状态， 例如从低到 高、 从 0 到 1 或其他转换。比较器 124 的输出被馈送给计数器 128， 计数器 128 基于状态转 换为每个阈值增加计数。 0032 图3图示说明了范例信号分解器132。 下文提供了针对四个阈值情况的范例， 四个 阈值的情。
25、况包括可以用于在康普顿效应和光电效应之间进行区分的两个阈值、 针对第一 K 边缘能量的阈值和针对第二 K 边缘能量的阈值。在这一范例中， 信号分解器 132 针对不同 能量组合接收至少三个经能量分辨的探测信号 di， 其中， i 为整数。探测的信号 di示出了第 i 个能量组合 bi的频谱灵敏度 D1(E)。此外， 多色辐射源 110 的发射谱 T(E) 一般是已知的。 0033 信号分解器 132 将信息建模为具有谱 P(E) 的光电效应、 具有谱 C(E) 的康普顿效 应以及具有谱 K(E) 的多 K 边缘造影剂的组合。在分立的系统中根据方程 1 对每个探测信 号di中针对成分中的每个， 。
26、特别是光电成分p、 康普顿效应成分c和多K边缘成分k的密度 长度乘积进行建模 ： 0034 等式 1 ： 0035 dn dE T(E)Dn(E)exp(-(p P(E)+c C(E)+k K(E)。 0036 因为针对至少三个能量组合 b1、 b2和 b3可以获得至少三个探测信号 d1、 d2和 d3， 形成了具有三个未知量的至少三个等式的系统， 这三个未知量因此可以利用已知数值解 法求出。一般而言， 在这种情况下三个能量组合是足够的。然而， 针对更多的能量组合使 用更多的探测信号可以提高灵敏度和噪声鲁棒性。如果可获得多于三个能量组合， 可以 使用考虑测量的噪声统计的最大似然法。关于 200。
27、7 年 Phys.Med.Biol.52 第 4679-4696 页中 E.Roessl 和 R.Proksa 的 “K-edge imaging in x-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors” 描述了合适的最大似然法。 0037 然后可以使用该结果， 具体为成分 p、 c 和 k， 以便利用常规的重建方法重建预期的 成分图像， 具体用于重建多 K 边缘成分图像。还重建了常规的 CT 图像以及康普顿成分图像 和 / 或光电效应成分图像。 0038 当造影剂中元素的化学计量比未知时， 可以修改等式 1。
28、 从而包括针对每个 K 边缘 的 K 边缘成分， 例如， 一个针对碘， 一个针对钆等。在于 2007 年 12 月 14 日提交的申请序列 号为 PCT/IB2007/055105 的专利中描述了针对独立 K 边缘成分的合适的分解， 该申请主张 于 2006 年 12 月 20 日提交的临时申请序列号为 EP 06126653.2 的权益， 在此通过引用将这 两者并入。 0039 当造影剂中元素的化学计量比已知并且基本恒定时， 造影剂中元素的化学计量比 与元素的 K 边缘能量一起根据能量特征化元素的组合的衰减。因此， 在重建期间使用化学 计量比和 K 边缘能量以生成多 K 边缘成分图像。化学计。
29、量比和 K 边缘能量信息可以储存在 特征库 136 中用以被重建器 134 使用。 0040 一般而言， 化学计量比和 K 边缘能量为元素的组合提供唯一的符号 (signature) 或指针 (fingerprint)。这关于图 4 进行图示说明， 图 4 示出了针对包括碘和钆的 1 1 的 混合物根据光子能量的衰减曲线 400。当然， 本文也涵盖其他混合比 ( 例如， 高达 1 5 或 说 明 书 CN 102088907 B 6 5/5 页 7 更大 )、 另一数量的材料和 / 或其他材料， 并且所示的包括碘和钆的混合物是为了进行阐述 说明。 0041 在图 4 中， x 轴， 即轴 40。
30、2， 代表单位为 keV 的能量 (E)， 而 y 轴， 即轴 404， 代表根据 能量 (E) 的衰减 ()。在 406 处示出了碘的 K 边缘 (K 边缘 33KeV) 并在 408 处示出了钆 的 K 边缘 (K 边缘 50KeV)。这样， 可以通过在具有固定高度的相应的 K 边缘能量处的两个 不连续对造影剂的衰减进行特征化。 如果化学计量比不同(不是11)， 例如， 两个单位的 碘对一个单位的钆， 那么图 4 中 K 边缘 406 和 408 的高度比将为两倍高。因此， 曲线 400 可 以被用作具体元素组合的唯一符号。 0042 图 5 图示说明了多 K 边缘元素成像方法。在 502。
31、 中， 探测由辐射源发射并穿过检 查区域的多色辐射。在 504 中， 探测的辐射基于与不同能量对应的多个阈值在不同的能量 窗口间被能量分辨和组合， 其中， 根据在扫描患者之前提供给患者的造影剂中的至少两种 元素的 K 边缘能量设置阈值中的至少两个。如上文论述， 这可以包括四 (4) 个能量阈值， 其 中， 阈值中的两 (2) 个根据双 K 边缘材料造影剂被调整为两个不同 K 边缘能量。在 506 中， 能量分辨数据被分解为组成成分， 包括代表与造影剂中的至少两种元素对应的 K 边缘能量 的多 K 边缘成分。在 508 中， 使用造影剂中的元素的化学计量比重建至少 K 边缘成分， 从而 生成多 K 边缘成分图像。 0043 本文已经参考多个实施例对发明进行了描述。他人通过阅读本文的描述， 可以发 生修改和变型。其意图是将本发明解释为包括所有这些修改和变型， 只要这些修改和变型 在权利要求或与权利要求相当的范围内。 说 明 书 CN 102088907 B 7 1/4 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102088907 B 8 2/4 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 102088907 B 9 3/4 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102088907 B 10 4/4 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 102088907 B 11 。