CN112334950B - 被配置为从kvp切换多能量采集中生成非谱体积图像数据的成像系统 - Google Patents
被配置为从kvp切换多能量采集中生成非谱体积图像数据的成像系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种重建系统包括分解器(204)，所述分解器被配置为分解经由在至少两个辐射源电压之间的kVp切换而生成的至少两组投影数据。每组对应于所述至少两个辐射源电压中的不同的一个。所述系统还包括谱通道(206)，所述谱通道被配置为处理所述至少两组投影数据并生成谱图像数据。所述系统还包括非谱通道(208)，所述非谱通道被配置为处理所述至少两组投影数据并针对预定参考kVp生成非谱图像数据。
Description
技术领域
下文总体上涉及成像，更具体地，涉及一种被配置具有kVp切换并从kVp切换多能量采集中生成谱体积图像数据和非谱体积图像数据的成像系统，并且对计算机断层摄影(CT)的具体应用进行了描述。
背景技术
非谱计算机断层摄影(CT)扫描器总体上包括被安装在与一行或多行探测器相对的可旋转机架上的X射线管。X射线管围绕位于X射线管与一行或多行探测器之间的检查区域旋转，并发射横穿检查区域的宽带辐射。例如，利用120keV的峰值(最大)管电压(即120kVp)，所发射的辐射的能量谱(具有低能量光子的滤波)可以是从40keV至120keV。一行或多行探测器探测横穿检查区域的辐射并生成指示所述辐射的投影数据(线积分)。重建投影数据以生成体积图像数据。
使用对应于相对射线密度的灰度值显示重建体积图像数据的体素。灰度值反映被扫描对象的衰减特性，并且通常显示诸如被扫描对象内的解剖结构的结构。由于材料对光子的衰减取决于穿过材料的光子的能量，因此探测到的辐射还包括谱信息，所述谱信息提供指示对象的被扫描材料的元素或材料组成(例如原子序数)的附加信息。然而，投影数据的值与在能量谱上积分的能量通量(energy fluence)(例如40keV至120keV)成比例，并且体积图像数据不反映能量相关性信息。
谱(多能量)CT扫描器被配置为生成用于不同能量带的投影数据。在一种情况下，这是通过kVp切换实现的。例如，利用双能量配置，针对第一积分周期跨X射线管电压施加第一电压(例如，较低的kVp)，针对第二积分周期跨X射线管电压施加第二电压(例如，较高的kVp)，针对第三积分周期跨X射线管电压施加第一电压，针对第四积分周期跨X射线管电压施加第二电压，等等。将较低的和较高的kV投影数据被分解为例如光电效应和康普顿散射分量，将它们分别进行重建，然后组合，以生成虚拟的单能体积图像数据。
如此配置并且以kVp切换模式操作的CT扫描器重建虚拟的单能体积图像数据，但是通常不重建非谱体积图像数据。不幸地是，虚拟的单能体积图像数据不包括在非谱体积图像数据中反映的所有信息。例如，虚拟的单能体积图像数据将不显示与非谱体积图像数据相同的软组织对比度。然而，放射科医生已经被训练以使用非谱体积图像数据将细微的软组织对比度变化识别为病理。因此，利用虚拟的单能体积图像数据，可能更难以发现由于病理导致的软组织对比度变化，并且可能错过病理。
发明内容
本文描述的各方面解决了上述问题及其他问题。
在一个方面中，一种重建系统包括分解器，所述分解器被配置为分解经由在至少两个辐射源电压之间的kVp切换而生成的至少两组投影数据。每组对应于所述至少两个辐射源电压中的不同的一个。所述系统还包括谱通道，所述谱通道被配置为处理所述至少两组投影数据并产生谱图像数据。所述系统还包括非谱通道，所述非谱通道被配置为处理所述至少两组投影数据并生成针对预定参考kVp的非谱图像数据。参考kVp可以由用户或根据系统确定，例如通过定位扫描的分析。
在另一方面中，计算机可读介质被编码有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由计算机的处理器执行时使处理器：分解经由在至少两个辐射源电压之间的kVp切换而生成的至少两组投影数据，其中，每组对应于所述至少两个辐射源电压中的不同的一个，并且处理所述至少两组投影数据并针对预定参考kVp生成非谱图像数据。
在另一方面中，方法包括分解经由在至少两个辐射源电压之间的kVp切换而生成的至少两组投影数据。每组对应于所述至少两个辐射源电压中的不同的一个。所述方法还包括基于所述至少两组投影数据来生成针对预定参考kVp的非谱图像数据。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件布置以及各种步骤和步骤布置的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不应被解释为限制本发明。
图1示意性地示出了具有被配置为用于kVp切换并从kVp切换多能量采集中生成谱体积图像数据和非谱体积图像数据的重建器的范例成像系统。
图2示意性地示出了图1的重建器的范例。
图3示意性地示出了图1的重建器的另一范例。
图4示出了根据本文所述的实施例的范例方法。
图5示出了根据本文所述的实施例的另一范例方法。
图6示出了范例虚拟单能量图像。
图7示出了如本文所述生成的范例kVp图像。
图8示出了图6的范例虚拟单能量图像与图7的kVp图像之间的差异。
具体实施方式
下文描述了范例成像系统，所述成像系统被配置为用于kVp切换并从kVp切换多能量采集中生成谱体积图像数据和非谱体积图像数据。
首先参考图1，示意性地示出了成像系统100，例如计算机断层摄影(CT)扫描器。成像系统100包括总体上静止的机架102和旋转机架104，旋转机架104由静止机架102可旋转地支撑并且关于z轴围绕检查区域106旋转。
诸如X射线管的辐射源108由旋转机架104可旋转地支撑，与旋转机架104一起旋转，并发射横穿检查区域106的宽带辐射。辐射源电压控制器(kVp CTRL)110控制辐射源108的峰值发射电压。kVp CTRL 110被配置为在至少两个电压(例如80kVp和140kVp等)之间切换X射线管电压。因此，辐射源108交替产生至少具有第一能量谱的第一辐射射束和具有第二不同能量谱的第二辐射射束。
探测器112包括探测器元件114的一维或二维阵列，其中，每行在xy平面中延伸，并且多行沿z方向布置。探测器112由旋转机架104沿着与穿过检查区域106的辐射源108相对的角弧可旋转地支撑。探测器112与辐射源108协同旋转，探测横穿检查区域106的辐射，并生成针对每一个不同能量谱的不同组投影数据。
在一个实例中，kVp CTRL 110在积分周期(IP)之间交替X射线管电压。总体上，IP是探测器112在旋转通过用于测量的预定角度增量时探测辐射的时间周期。对于每个IP，每个探测器元件114产生线积分。针对IP/角度增量的一组线积分是一个视图。投影数据包括在至少180度加上针对不同能量谱中的每个的扇形角度上采集的一组视图。在所示实施例中，针对不同能量谱的视图是交错的。
重建器116重建针对不同能量谱的投影数据并生成体积图像数据。如下文更详细描述的，这包括根据投影数据生成谱体积图像数据和非谱体积图像数据。谱体积图像数据的范例包括低能量和高能量、单能/单色、虚拟非对比度、有效Z(原子序数)、仅碘(iodineonly)和/或其他谱体积图像数据等。非谱体积图像数据对应于预定的X射线管kVp。
在一个实例中，重建器116利用处理器(例如，中央处理单元、微处理器等)来实现，所述处理器被配置为执行在计算机可读存储介质(不包括瞬态介质)上存储、嵌入、编码等的计算机可执行指令，诸如物理存储器和/或其他非临时性存储器。在一些实施例中，重建器116包括专用硬件，诸如图形处理单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)等。重建器116是所示系统100的一部分和/或远离系统100。
诸如卧榻之类的对象支撑件118支撑检查区域106中的物体或对象。对象支撑件118可与执行成像过程协同移动，从而相对于检查区域106引导对象或物体，以加载、扫描和/或卸载对象或物体。
操作者控制台120允许操作者控制系统100的操作，诸如选择kVp切换成像协议、重建算法等。操作者控制台120包括诸如鼠标、键盘等的输入设备和诸如显示监视器的输出设备。
图2示意性地示出了重建器116的范例。出于说明的目的，结合双能量扫描来描述该范例，在所述双能量扫描中，辐射源108的电压在视图之间的两个电压(较低和较高)之间切换，并且探测器112生成低和高kV投影数据。
角度重分箱器202接收低kV和高kV谱投影数据组，并且将它们成角度地重分箱以产生低和高kV平行线积分组。在一个非限制性实例中，这通过已知的或其他角度重分箱方法来实现。在2002年10月25日提交的标题为“Dynamic Detector Interlacing forComputed Tomography”的US 6,963,631B2中描述了合适的方法的范例，其全部内容通过引用并入本文。
分解器204将低和高kV平行线积分组分解为不同的基础或贡献，例如光电效应和康普顿散射或其他基础。非限制性方法包括以每个基数的贡献作为能量的函数创建查找表(LUT)、存储LUT、以及使用LUT中的值将线积分分解为两个基数的贡献。在2013年12月4日提交的标题为“Multi-energy imaging”的US 9,324,142B2中描述了用于创建和使用LUT进行分解的合适方法的范例，其全部内容通过引用并入本文。
另一种方法将低和高kV平行线积分建模为：Ih,l＝∫Sh,l()E)D(E)exp(-∫μ(E)dl)dE，其中，指数h、l表示高和低，Sh,l(E)是用于高和低的管谱，exp(-∫μ(E)dl)dE表示线积分。双能量处理将∫μ(E)dl分解为基础分量，使得例如Ih,l＝∫Sh,l(E)D(E)exp(-LB1B1(E)-LB2B2(E))dE，其中，LB1和LB2是两个基础对贡献，D(E)表示探测器的谱响应，并且B1(E)和B2(E)是其对应的衰减的能量相关性。分解针对每个像素求解将两个未知数LB1和LB1映射到测量值Ih、Il的非线性系统。
其中，两个基础对贡献是光电效应和康普顿散射贡献，Ih,l＝∫Sh,l(E)D(E)exp(-LpP(E)-LsS(E))dE，其中，Lp和Ls是光电效应和康普顿散射贡献，而P(E)和S(E)是其相应的衰减的能量相关性，并且分解针对每个像素求解将两个未知数Lp和Ls映射到测量值Ih、Il的非线性系统。本文还设想其他基数对。在Alverez等人的“Energy-selectiveReconstructions in X-ray Computerized Tomography”(Phys.Med.Biol，1976年，第21卷，第5号，第733-744页)。本文还设想其他方法。
重建器116包括两个处理链206和208，其处理两个贡献。处理(谱)链206处理贡献并生成谱体积图像数据。处理(非谱)链208处理贡献并生成非谱体积图像数据。
处理链206包括径向重分箱器210，其接收两个贡献，并且对平行线积分进行径向重分箱(例如，通过插值)以产生等间隔的平行线积分。在一个非限制性实例中，这通过已知的或其他角度重分箱方法来实现。合适的方法的范例在US 6,963,631B2中进行了描述。
处理链206还包括图像处理器212，所述图像处理器212重建经径向重分箱的分解的投影数据，产生针对第一贡献和第二贡献的第一体积图像数据和第二体积图像数据。图像处理器212采用经滤波的反向投影、迭代和/或其他重建方法。
处理链206还包括谱处理器214，所述谱处理器214组合(例如，加权求和)第一体积图像数据和第二体积图像数据以产生谱体积图像数据。例如，图像处理器212能够产生单能体积图像数据图像。如本文所述，其他谱体积图像数据包括虚拟非对比度、有效Z、仅碘等谱体积图像数据。
处理链208包括重写器216(recomposer)，其针对预定的参考kVp 218重写经分解的投影数据。预定的参考kVp 218是默认的、用户指定的、可编程等的参考电压。重写范例为：I参考_kVp＝∫D(E)S参考_kVp(E)exp(-LpP(E)-LsS(E))dE I。例如，在低和高kVp为80kVp和140kVp，并且参考kVp 218为120kVp的情况下，重写为：I120_kVp＝∫D(E)S120_kVp(E)exp(-LpP(E)-LsS(E))dE。在一个实例中，这是针对所有的能量谱的能量，通过将材料在具体能量下的衰减乘以针对参考kVp 218的在该具体能量下的能量谱的部分然后求和来实现的。
处理链208还包括径向重分箱器220，所述径向重分箱器220接收经重写的投影数据并对平行线积分进行径向重分箱，以产生等间隔的平行线积分，例如，如结合径向重分箱器210所讨论的。在一个实例中，径向重分箱器210和220是单独的径向重分箱器，如图所示。在变型中，径向重分箱器210和220是相同的径向重分箱器的一部分，或者是相同的径向重分箱器。
处理链208还包括图像处理器222，所述图像处理器222接收经径向重分箱的分解的投影数据并重建数据，例如，如结合图像处理器212所讨论的。在一个实例中，图像处理器212和222是单独的图像处理器，如图所示。在变型中，图像处理器212和222是相同的图像处理器的一部分或是相同的图像处理器。
总体上，处理链208处理在不同源谱处进行的交错采集，并生成非谱体积图像数据，所述非谱体积图像数据看起来像利用来自具体的kVp采集的投影数据重建的非谱体积图像数据。以范例的方式，在非限制性实例中，处理链208处理80kVp和140kVp的交错采集，并生成体积图像数据，所述体积图像数据看起来像利用来自单个120kVp采集的投影数据重建的非谱体积图像数据。
图3示意性地示出了重建器116的另一范例。该范例包括角度重分箱器202、分解器204、第一链206(径向重分箱器210、图像处理器212和谱处理器214)。上面讨论了这些组件，这里不再重复讨论。在该范例中，谱处理器214在跨例如从40keV到120keV的辐射射束的能量谱上生成单能图像。
在该范例中，通道208包括参考kVp 218(如上所述)和非谱处理器302。非谱处理器302通过计算跨辐射射束能量谱(例如，从40keV到120keV)的单能图像的加权平均值来生成非谱体积图像数据，其中，相对权重是通过对象或普通对象滤波的在参考kVp(例如120kVp)处的有效管谱导出的。这种加权将模仿非谱体积图像数据中显示的对比度。
图4示出了根据本文所描述的实施例的范例方法。应当理解，以下动作的顺序不是限制性的，并且本文考虑其他顺序，例如其他串行处理和/或并行处理。
在402处，在围绕用于CT检查的检查区域106旋转辐射源108的同时，经由kVp CTRL110在至少两个不同的电压之间切换辐射源108的电压。
在404处，探测器112针对至少两个不同的X射线管电压中的每一个单独探测辐射，并且产生针对两个电压中的第一个的第一投影数据以及针对两个电压中的第二个的第二投影数据。
在406处，处理链206处理第一投影数据和第二投影数据，以生成谱体积图像数据，如本文中/或其他文章中所描述的。
在408处，处理链208处理第一投影数据和第二投影数据，以生成非谱体积图像数据，如本文和/或其他文章中所描述的。
在410处，输出谱体积图像数据和/或非谱体积图像数据，例如显示、保存、传送到另一设备等。
图5示出了根据本文描述的实施例的另一范例方法。
在502处，在围绕用于CT检查的检查区域106旋转辐射源108的同时，经由kVp CTRL110在至少两个不同电压之间切换辐射源108的电压。
在504处，探测器112针对至少两个不同的X射线管电压中的每一个单独探测辐射，并且产生针对两个电压中的第一个的第一投影数据和针对两个电压中的第二个的第二投影数据。
在506处，处理链206处理第一投影数据和第二投影数据，并生成谱体积图像数据，如本文和/或其他文章中所描述的。
在508处，处理谱体积图像数据，以生成非谱体积图像数据，如本文和/或其他文章中所描述的。
在510处，输出谱体积图像数据和/或非谱体积图像数据，例如，显示、保存、传送到另一设备等。
可以通过编码或嵌入在计算机可读存储介质(不包括瞬态介质)上的计算机可读指令来实现以上所述内容，当由计算机处理器(例如，中央处理单元(CPU)、微处理器等)执行时，计算机可读存储介质使处理器执行本文所描述的动作。额外地或备选地，计算机可读指令中的至少一个由不是计算机可读存储介质的信号、载波或其他瞬时介质来承载。
图6-8示出了单能图像反映与非谱图像不同的对比度。图6示出了单能图像，图7示出了使用本文描述的方法生成的kVp非谱图像，并且图8示出了它们之间的差异图像。图8的差异图像表示图6的单能图像和图7的非谱图像之间的对比度差异。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为是说明性或范例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域普通技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
计算机程序可以存储在/分发在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如经由Internet或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制保护范围。
Claims (11)
1.一种重建系统(116)，包括：
分解器(204)，其被配置为分解经由在至少两个辐射源电压之间的kVp切换而生成的至少两组投影数据，其中，每组对应于所述至少两个辐射源电压中的不同的一个；
谱通道(206)，其被配置为处理所述至少两组投影数据以生成谱图像数据；以及
非谱通道(208)，
其中，所述非谱通道包括重写器(216)，所述重写器被配置为针对预定参考kVp通过以下操作来重写所述至少两组投影数据：对于在所述预定参考kVp处的能量谱的所有能量，将特定能量处的衰减乘以所述能量谱的一部分；并且，对乘积进行求和，并且
其中，所述非谱通道被配置为基于经重写的至少两组投影数据来生成非谱图像数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述非谱通道还包括：
径向重分箱器(220)，其被配置为对经重写的投影数据进行重分箱；以及
图像处理器(222)，其被配置为重建经重分箱的投影数据，以生成所述非谱图像数据。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述重写器被配置为：使用以下公式来重写所述至少两组投影数据：I参考_kVp＝∫D(E)S参考_kVp(E)exp(-LpP(E)-LsS(E))dE，其中，I参考_kVp表示在所述参考kVp处的强度测量值，S参考_kVp表示在所述参考kVp处的所述辐射源的能量谱，Lp表示光电效应贡献，Ls表示康普顿散射贡献，D(E)表示探测器的谱响应，P(E)表示所述光电效应贡献的衰减的能量相关性，并且S(E)表示所述康普顿散射的衰减的能量相关性。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述谱通道还包括：
径向重分箱器(210)，其被配置为对经分解的投影数据进行重分箱；
图像处理器(212)，其被配置为重建经重分箱的投影数据以生成谱基础图像数据；以及
谱处理器(214)，其被配置为处理谱基础图像数据以生成谱图像数据。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述预定参考kVp是默认值。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述预定参考kVp是用户定义的值。
7.一种计算机断层摄影成像系统(100)，其包括根据权利要求1所述的重建系统。
8.一种利用计算机可执行指令编码的计算机可读介质，其中，当由处理器执行时，所述计算机可执行指令使处理器：
分解经由在至少两个辐射源电压之间的kVp切换而生成的至少两组投影数据，其中，每组对应于所述至少两个辐射源电压中的不同的一个；
针对预定参考kVp通过以下操作来重写所述至少两组投影数据：对于在所述预定参考kVp处的能量谱的所有能量，将特定能量处的衰减乘以所述能量谱的一部分；并且，对乘积进行求和；并且
基于经重写的至少两组投影数据来生成非谱图像数据。
9.根据权利要求8所述的计算机可读介质，其中，当由所述处理器执行时，所述计算机可执行指令还使所述处理器：
处理所述至少两组投影数据并生成谱图像数据。
10.一种重建方法，包括：
分解经由在至少两个辐射源电压之间的kVp切换而生成的至少两组投影数据，其中，每组对应于所述至少两个辐射源电压中的不同的一个；
针对预定参考kVp通过以下操作来重写所述至少两组投影数据：对于在所述预定参考kVp处的能量谱的所有能量，将特定能量处的衰减乘以所述能量谱的一部分；并且，对乘积进行求和；并且
基于经重写的至少两组投影数据来生成非谱图像数据。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
处理所述至少两组投影数据并生成谱图像数据。
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