CN103913472A - Ct成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CT成像系统和方法。对物体进行普通CT扫描得到普通CT图像，然后从该图像中确定感兴趣区域。利用光子计数探测器在多个能窗对感兴趣区域进行CT扫描。然后重建感兴趣区域的高分辨率图像。利用光子计数探测器采集多个能窗的光子计数投影数据，因此可进行多个基函数的分解，使得能谱区分度高，数值稳定性好。

Description

CT成像系统和方法

技术领域

本发明的实施例涉及辐射成像，具体涉及一种CT成像系统和方法。

背景技术

传统单能、双能X射线成像通常利用闪烁体型探测器，所采集得到的信号反应了多色X射线的整体能量沉积量。由于能量沉积是对X射线能谱的能量加权积分，成像结果无法反映物质在某个能量下的衰减信息。

双能成像包括多能CT利用不同的X射线能谱进行成像，具有一定的物质区分能力，但由于其物理模型所限，成像结果具有一定系统误差，且X射线能谱之间总有一定重叠区域，影响了物质区分能力。

发明内容

针对现有技术中存在的能谱重叠影响了物质区分能力的技术问题，本发明的实施例提出了一种CT成像系统和方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种CT成像系统，包括：X射线源，第一探测和采集装置，与所述X射线源相对设置，并且被配置为对被检查物体进行第一CT扫描，得到扫描数据；重建装置，配置为基于所述扫描数据重建第一分辨率的图像；第二探测和采集装置，至少包括光子计数探测器，并且配置为对从所述第一分辨率的图像中确定的感兴趣区域进行第二CT扫描，所述第二CT扫描包括利用所述光子计数探测器在多个能窗针对该感兴趣区域进行扫描，得到截断的能谱数据；其中，所述重建装置进一步被配置为使用第一分辨率的图像作为先验图像对截断的能谱数据进行补全，并且利用补全后的能谱数据重建比第一分辨率高的第二分辨率的图像。

根据本发明的另一方面，提供了一种CT成像方法，包括步骤：对被检查物体进行第一CT扫描，得到扫描数据；基于扫描数据重建第一分辨率的图像；从重建图像中确定所述被检查物体的感兴趣区域的位置信息；对所述被检查物体中的感兴趣区域进行第二CT扫描，所述第二CT扫描至少包括利用光子计数探测器在多个能窗针对该感兴趣区域进行扫描，得到截断的能谱数据；使用第一分辨率的图像作为先验图像对截断的能谱数据进行补全；以及利用补全后的能谱数据重建比第一分辨率高的第二分辨率的图像。

利用上述的技术方案，可进行高分辨率的能谱CT局部成像。此外，与传统双能CT系统相比，利用光子计数探测器，采集多个能窗的光子计数投影数据，可进行多个基函数的分解，使得能谱区分度高，数值稳定性好。

附图说明

下面的附图表明了本发明的实施方式。这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例，其中：

图1是描述根据本发明实施例的CT设备和方法中的第一CT扫描过程的示意图；

图2是描述根据本发明实施例的CT设备和方法中的第二CT扫描过程的示意图；

图3是描述根据本发明实施例的CT设备的结构示意图；以及

图4是描述根据本发明实施例的CT成像方法的过程的流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

为了克服现有技术中存在的能谱重叠影响物质分辨能力的技术问题，提出了一种CT成像系统，包括：X射线源、第一探测和采集装置、重建装置和第二探测和采集装置。第一探测和采集装置与X射线源相对设置并且被配置为对被检查物体进行第一CT扫描，得到扫描数据。重建装置配置为基于扫描数据重建第一分辨率的图像，例如被检查物体的普通CT图像。第二探测和采集装置至少包括光子计数探测器，并且配置为对从第一分辨率的图像中确定的感兴趣区域进行第二CT扫描。第二CT扫描包括利用所述光子计数探测器在多个能窗针对该感兴趣区域进行扫描，得到截断的能谱数据。重建装置进一步被配置为使用第一分辨率的图像作为先验图像对截断的能谱数据进行补全，并且利用补全后的能谱数据重建比第一分辨率高的第二分辨率的图像。在上述方案中，利用了光子计数探测器来对被检查物体的局部感兴趣区域进行CT扫描，从而能够对感兴趣区域进行多个能量窗的成像。

根据本发明的实施例，光子计数探测器可以使用半导体探测器，它具有高空间分辨率、高能量分辨率和高时间分辨率，可以在一定条件下探测入射光子的能量和计数率信息。将此种探测器用于X射线成像，可完成能谱成像功能。光子计数探测器的主要功能为探测入射粒子的能量，根据预先设定的能量上下阈值对某个能量范围内的光子进行计数，所采集的是一个能窗[E_min，E_max」内的光子计数。在成像时，可将X射线能量分为多个不重叠的能量窗，分别进行光子计数探测，得到多个不同能量下的数据。目前能谱成像技术主要可用于以下成像目的：(1)当能量窗宽度较窄时，可近似认为是单能X射线，获得物质在不同能量下的衰减系数信息；(2)当能量窗宽度较宽时，可认为是传统双能或多能成像，进行物质识别；由于能谱不重叠，基函数分解结果更稳定。(3)对采集到的不同能量的光子数进行加权处理，获得具有最佳对比度与信噪比的图像。

目前光子计数探测器的探测单元尺寸在亚毫米量级，主要用于小物体成像Micro-CT。对于人体医学诊断或者安全检查，受尺寸限制，难以制造完整覆盖扫描视野的光子计数探测器。而在某些诊断应用场合，仅需要对尺寸较小的局部区域进行高分辨率及高对比度成像，即局部CT成像。

鉴于现有技术中的问题，本申请提出一种X射线能谱CT局部成像系统。该系统在传统的CT成像系统上增加一块高分辨率光子计数探测器，并搭配相应的机械控制结构和成像重建算法软件。例如，大尺寸普通分辨率探测器为闪烁体探测器，进行普通CT成像。小尺寸高分辨率光子计数探测器进行能谱CT成像。该系统可以提供更高的图像空间分辨率，更好的图像对比度，更丰富的物质信息，在医学诊断、工业检测等领域中具有一定的实用意义。

图1是描述根据本发明实施例的CT设备和方法中的第一CT扫描过程的示意图。图2是描述根据本发明实施例的CT设备和方法中的第二CT扫描过程的示意图。

如图1所示，本实施例的CT设备包括X射线源源10、第一探测和采集装置20、第二探测和采集装置30。X射线源10，例如X光机，他的焦点尺寸例如为亚毫米级第一探测和采集装置20利用使用传统的大视野平板探测器，第二探测和采集装置30例如包括光子计数探测器。移动探测器支架(未示出)使面阵探测器对准被检查物体40视野，进行一次普通CT的完整扫描，如图1所示。然后，利用锥束FDK算法进行重建，获得普通分辨率的重建图像。在重建图像中确定感兴趣区域的空间位置信息。例如，在显示设备上显示重建的图像，由用户通过输入装置选择其中的感兴趣区域，从而获得感兴趣区域的空间位置信息。根据其他的实施例，可以采用图像处理算法来确定感兴趣区域，例如将重建的图像中灰度值满足预定条件的区域设置为感兴趣区域。

接下来，移动X射线源10和第二探测和采集装置中的光子计数探测器，使其对准感兴趣区域41，以感兴趣区域41为旋转中心，再进行一次多(≥2)能窗的光子计数局部扫描，如图2所示。得到的数据为两侧截断的能谱数据。然后，上述普通CT扫描的重建结果作为先验图像，利用离散投影方法将能谱数据截断处补全数据，并进行适当的平滑处理。利用补全的能谱数据进行重建，得到相对高分辨率的局部能谱衰减系数重建图像。或者，在其他实施例中，由不同能窗下的衰减系数图像可进行基函数的后处理分解来得到分解系数，进而得到原子序数和电子密度图像：

${\mathrm{\μ}}_{E_1}=a_{E_1},{\mathrm{\μ}}_1\left(E_1\right)+a_{E_1,2}{\mathrm{\μ}}_2\left(E_1\right)+...a_{E_1,N}{\mathrm{\μ}}_N\left(E_1\right)$

...                                        ……(1)

${\mathrm{\μ}}_{E_M}=a_{E_M,1}{\mathrm{\μ}}_1\left(E_M\right)+a_{E_M,2}{\mathrm{\μ}}_2\left(E_M\right)+...a_{E_M,N}{\mathrm{\μ}}_N\left(E_M\right)$

其中，表示第m个能窗下的衰减系数；表示第m个能窗下第n种基材料的分解系数；μ_n(E_m)表示第m个能窗下第n种物质的衰减系数。求解以上线性方程组(1)，得到基材料的分解系数进而计算出感兴趣区域内物质的原子序数和电子密度图像。或者，在其他实施例中，普通CT扫描中的重建结果作为先验图像，利用离散投影方法将能谱数据截断处补全数据，并进行适当的平滑处理。利用补全的能谱数据进行前处理重建。由于光子计数探测器可划分多个能量窗同时进行数据采集，因此在进行基函数分解时，可选用不超过能窗个数的多种基函数的组合，例如康普顿效应、光电效应、铝基材料、碳基材料等。当能窗个数N等于基函数个数M时，可直接求解非线性多能方程组：

$p_i={\∫}_{E_{i,\min }}^{E_{i,\max }}{S}_i\left(E\right)e^{-\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j{f}_j\left(E\right)}\mathrm{dE}$ i＝1，…，N                        ……(2)

当能窗个数N大于基函数个数M时，可以构造以下对数似然函数：

$L\left(\stackrel{\→}{p}\right|\stackrel{\→}{A})=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\λ}}_i\left(\stackrel{\→}{A}\right)+\ln p_i!-p_i\ln {\mathrm{\λ}}_i\left(\stackrel{\→}{A}\right)]$ ……(3)

${\mathrm{\λ}}_i\left(\stackrel{\→}{A}\right)={\stackrel{\‾}{p}}_i={\∫}_{E_{i,\min }}^{E_{i,\max }}{S}_i\left(E\right)e^{-\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j{f}_j\left(E\right)}\mathrm{dE}$ i＝1，…，N

其中，E_i，max和E_i，min分别表示第i个能窗的上限和下限，p_i为探测器在第i个能窗采集到的光子数，p_i！表示p_i的阶乘，λ_i为p_i的期望，A_j为第j个基函数的系数的线积分，f_j(E)为第j个基函数，S_i(E)为第i个能窗的能谱。最小化以上目标函数可得到各个基函数的分解系数的线积分再利用一般重建算法(如FBP算法)重建得到分解系数图像。光电系数和康普顿系数可用来计算物质的原子序数和电子密度。基材料系数反映了某种基材料在物质中的质量密度。

图3是描述根据本发明实施例的CT设备的结构示意图。根据本实施例的CT设备包括X射线源10、机械运动装置和控制器、探测器和数据采集系统。

X射线源10例如为X光机，根据成像的分辨率选择合适的X光机焦点尺寸，例如选择焦点在亚毫米量级的微焦点X光机以获得高分辨率图像。机械运动装置和控制器包括载物台50和X光机和探测器的机架以及控制系统。载物台50可平移调整旋转中心的位置，机架可平移使X光机及探测器20和30对准旋转中心。本实施例按照旋转载物台、固定机架的圆周扫描轨迹进行描述。由于载物台与机架的运动属于相对运动，也可采用载物台静止、机架旋转的方式实现本实施例的方法。

探测器及数据采集系统20和30包括一块可完整覆盖扫描物体的面阵X射线探测器20与一块小视野相对高分辨率的光子计数探测器30。两块探测器固定在探测器支架上，通过支架平移选择使用哪一块探测器进行成像。数据采集包括读出电路、采集触发电路及数据传输电路等。

重建装置60例如为主控制及数据处理计算机负责完成CT系统运行过程的控制，包括机械转动、电气控制、安全联锁控制、图像重建等。

根据一些实施例，该系统还包括显示设备，与重建装置60连接，配置为在普通CT图像的至少一部分上叠加显示高分辨率的图像，并且突出显示该高分辨率的图像，例如将高分辨率的图像部分加框，突出显示。或者重建装置60将普通CT图像与高分辨率的图像进行融合，在显示设备上输出融合后的图像。

图4是描述根据本发明实施例的CT成像方法的过程的流程图。如图4所示，在步骤S41对被检查物体进行第一CT扫描，得到扫描数据。例如，利用图3所示的系统中的第一探测和采集系统以及X射线源对被检查物体40进行CT扫描。然后，在步骤S42，基于扫描数据重建第一分辨率的图像。

在步骤S43，从重建图像中确定所述被检查物体的感兴趣区域的位置信息。例如在与重建装置连接的显示设备上显示重建的图像，供用户选择相应的感兴趣区域41。或者利用图像处理算法，对重建的图像进行分析来得出感兴趣区域41，例如将灰度值满足预定条件的区域设置为感兴趣区域41。

在步骤S44，对被检查物体中的感兴趣区域进行第二CT扫描，所述第二CT扫描至少包括利用光子计数探测器在多个能窗针对该感兴趣区域进行扫描，得到截断的能谱数据。例如，在图3所示的系统中，移动X射线源10和第二探测和采集装置30，对感兴趣区域41进行多个能量窗下的CT扫描。

在步骤S45，使用第一分辨率的图像作为先验图像对截断的能谱数据进行补全。在步骤S46，利用补全后的能谱数据重建比第一分辨率高的第二分辨率的图像。例如，基于上述的前处理过程或者后处理过程重建高分辨率的图像。

根据一些实施例，该系统还包括显示设备，与重建装置60连接，配置为在普通CT图像的至少一部分上叠加显示高分辨率的图像，并且突出显示该高分辨率的图像，例如将高分辨率的图像部分加框，突出显示。或者重建装置60将普通CT图像与高分辨率的图像进行融合，在显示设备上输出融合后的图像。

根据上述实施例，提出了一种普通能量沉积探测器与高分辨率光子计数探测器结合的CT成像系统及相应的数据处理和图像重建算法。可以同时提供普通CT断层像、局部高分辨率断层像和局部能谱断层像功能，可应用于无损检测、医疗诊断等领域。

以上的详细描述通过使用方框图、流程图和/或示例，已经阐述了CT成像方法和系统的众多实施例。在这种方框图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种方框图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本发明的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘(CD)、数字通用盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (18)

1.一种CT成像系统，包括：

X射线源，

第一探测和采集装置，与所述X射线源相对设置，并且被配置为对被检查物体进行第一CT扫描，得到扫描数据；

重建装置，配置为基于所述扫描数据重建第一分辨率的图像；

第二探测和采集装置，至少包括光子计数探测器，并且配置为对从所述第一分辨率的图像中确定的感兴趣区域进行第二CT扫描，所述第二CT扫描包括利用所述光子计数探测器在多个能窗针对该感兴趣区域进行扫描，得到截断的能谱数据；

其中，所述重建装置进一步被配置为使用第一分辨率的图像作为先验图像对截断的能谱数据进行补全，并且利用补全后的能谱数据重建比第一分辨率高的第二分辨率的图像。

2.如权利要求1所述的CT成像系统，其中，所述X射线源具体为X光机，所述X光机的焦点尺寸为亚毫米量级。

3.如权利要求1所述的CT成像系统，其中，所述第一探测和采集装置包括面阵X射线探测器。

4.如权利要求1所述的CT成像系统，重建装置重建所述多个能窗下第二分辨率的衰减系数图像。

5.如权利要求4所述的CT成像系统，利用所述多个能量窗的衰减系数图像，进行后处理基函数分解，得到不同效应下的分解系数，进而计算感兴趣区域的原子序数和电子密度图像。

6.如权利要求1所述的CT成像系统，其中所述重建装置针对所述多个能窗中的每个能窗进行前处理基函数分解，得到各个基函数的分解系数的线积分，重建各基函数的分解系数，并且基于各个基函数的分解系数计算所述感兴趣区域物质的原子系数和电子密度。

7.如权利要求6所述的CT成像系统，其中当能窗的个数等于基函数的个数时，所述重建装置通过求解非线性多能方程组来得到基函数分解系数的线积分，进而重建得到分解系数图像。

8.如权利要求6所述的CT成像系统，其中当能窗的数目大于基函数的个数时，所述重建装置通过构造对数似然函数来得到基函数分解系数的线积分，进而重建得到分解系数图像。

9.如权利要求1所述的CT成像系统，还包括显示设备，与所述重建装置连接，配置为在所述第一分辨率图像的至少一部分上叠加显示第二分辨率的图像，并且突出显示第二分辨率的图像。

10.如权利要求1所述的CT成像系统，其中所述重建装置利用图像处理算法对第一分辨率的图像进行处理，以确定感兴趣区域。

11.如权利要求1所述的CT成像系统，还包括：

显示设备，配置为与所述重建装置连接，并且显示第一分辨率的图像；

输入装置，接收用户对第一分辨率的图像中特定区域的选择，作为感兴趣区域。

12.如权利要求11所述的CT成像系统，其中所述重建装置将所述第一分辨率的图像与所述第二分辨率的图像进行融合，在所述显示设备上输出融合后的图像。

13.一种CT成像方法，包括步骤：

对被检查物体进行第一CT扫描，得到扫描数据；

基于扫描数据重建第一分辨率的图像；

从重建图像中确定所述被检查物体的感兴趣区域的位置信息；

对所述被检查物体中的感兴趣区域进行第二CT扫描，所述第二CT扫描至少包括利用光子计数探测器在多个能窗针对该感兴趣区域进行扫描，得到截断的能谱数据；

使用第一分辨率的图像作为先验图像对截断的能谱数据进行补全；以及

利用补全后的能谱数据重建比第一分辨率高的第二分辨率的图像。

14.如权利要求13所述的CT成像方法，其中利用补全后的能谱数据重建比第一分辨率高的第二分辨率的图像的步骤包括：重建所述多个能窗下第二分辨率的衰减系数图像。

15.如权利要求14所述的CT成像方法，其中利用补全后的能谱数据重建比第一分辨率高的第二分辨率的图像的步骤还包括：利用所述多个能量窗的衰减系数图像，进行后处理基函数分解，得到不同效应下的分解系数，进而计算感兴趣区域的原子序数和电子密度图像。

16.如权利要求1所述的CT成像方法，其中利用补全后的能谱数据重建比第一分辨率高的第二分辨率的图像的步骤包括：对所述多个能窗中的每个能窗进行基函数分解，得到各个基函数的分解系数的线积分，重建各基函数的分解系数，并且基于各个基函数的分解系数计算所述感兴趣区域物质的原子系数和电子密度。

17.如权利要求16所述的CT成像方法，其中当能窗的个数等于基函数的个数时，通过求解非线性多能方程组来得到基函数分解系数的线积分，进而重建得到分解系数图像。

18.如权利要求16所述的CT成像方法，其中当能窗的数目大于基函数的个数时，通过构造对数似然函数来得到基函数分解系数的线积分，进而重建得到分解系数图像。