用于生成对象的图像的成像系统的制作方法

本发明涉及用于生成对象的图像的成像系统、成像方法和成像计算机程序。本发明具体而言涉及用于生成对象的图像的谱计算机断层摄影系统、方法和计算机程序。

背景技术：

US 2007/0147574 A1公开了一种用于采集包括能量积分和能量鉴别数据测量结果的图像数据集的系统。该系统适于在采集周期期间获得能量积分测量数据和能量鉴别测量数据并且以选定的方式组合和重建能量积分测量数据和能量鉴别测量数据以生成能量鉴别分量图像。

US 2013/0101156 A1公开了一种包括具有带至少一个谱通道的至少一个模态的无创成像设备的装置。该装置还包括：存储器，其已经在其中存储了用于不同材料和可行性准则的多个模型；和控制电路，其被配置为处理如由无创成像设备所提供的针对对象的成像信息，其中，多个模型被用于识别针对成像信息的各部分的候选材料，并且其中，可行性准则被用于通过避免不可能的材料或材料的组合来减少候选材料。

R.Carmi等人的文章“Material Separation with Dual-Layer CT”IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record，第4卷、第1876至1878页(2005)公开了一种谱计算机断层摄影系统，其使用用于生成谱投影数据的双层探测器，以及用于基于所生成的谱投影数据重建诸如人的对象的图像的重建单元。双层探测器使用具有在堆叠中的两个敏感探测层的技术复杂的配置以便提供能量分离。

技术实现要素：

本发明的目标是提供一种用于对对象成像的成像系统、方法和计算机程序，其允许基于谱投影数据对对象的图像的生成，其中，可以使用技术上较不复杂的探测器。

在本发明的第一方面中，呈现了一种用于生成对象的图像的成像系统，其中，所述成像系统包括：

-测量投影数据提供单元，其用于提供谱测量投影数据和非谱测量投影数据，其中，已经基于已经穿过包括所述对象的成像区域的辐射由具有谱探测元件和非谱探测元件的探测器分别生成了所述谱测量投影数据和所述非谱测量投影数据，

-估计单元，其用于估计对应于结束于所述非谱探测元件处的辐射路径的谱估计投影数据，其中，为了估计针对结束于非谱探测元件处的辐射路径的谱估计投影数据值，所述估计单元适于：a)基于所述非谱测量投影数据来确定所述成像区域内的模型材料分布，所述模型材料分布能够已经引起对应于所述辐射路径的非谱测量投影数据值；并且b)基于所述模型材料分布来模拟所述谱估计投影数据值的测量结果，

-重建单元，其用于基于所述谱测量投影数据和所述谱估计投影数据来重建所述对象的图像。

由于所述成像系统可以基于所提供的谱测量投影数据和非谱测量投影数据生成所述对象的所述图像，因而被用于生成这些测量投影数据的探测器不需要仅包括在技术上比非谱探测元件更复杂的谱探测元件，从而降低所述探测器的总体技术复杂性。而且，由于所述估计单元可以估计对应于结束于所述非谱探测元件处的辐射路径的谱估计投影数据，其中，这些谱估计投影数据与所提供的谱测量投影数据一起被用于重建所述对象的图像，因此仍然可以生成所述对象的高质量图像。例如，由于所述探测器不仅包括谱探测元件，因此所述谱测量投影数据可能被截断，这可以导致所生成的图像中的图像伪影。该截断和所述对应的图像伪影可以通过不仅使用用于重建所述图像的所述谱测量投影数据而且通过使用所述谱估计投影数据来减轻，尤其是，消除。

所述测量投影数据提供单元可以是投影数据采集系统，其用于通过使用具有谱探测元件和非谱探测元件的探测器来采集所述谱测量投影数据和所述非谱测量投影数据。然而，所述测量投影数据提供单元还可以是仅存储单元，其用于存储所述谱测量投影数据和所述非谱测量投影数据并且用于检索所存储的谱测量投影数据和非谱测量投影数据以用于提供其。所述测量投影数据提供单元还可以是接收单元，其用于从投影数据采集系统接收所述谱测量投影数据和非谱测量投影数据并且用于提供所接收的谱测量投影数据和非谱测量投影数据。

所述对象优选地是如人或动物的活对象。然而，所述对象还可以是技术对象。例如，所述成像系统可以出于安全原因被用于生成机场的行李的图像。

在优选的实施例中，为了确定用于估计谱估计投影数据值的所述模型材料分布，所述估计单元适于基于对应的非谱投影数据值，来确定沿着对应于要被确定的谱估计投影数据值的辐射路径的模型材料分布。具体而言，所述估计单元适于估计水分布作为沿着所述辐射路径的所述模型材料分布。例如，对于非谱测量投影数据值而言，等价水长度可以基于相应的非谱测量投影数据值来确定。所述等价水长度然后可以被用于通过模拟沿着所述等价水长度的辐射的行进来确定所述谱估计投影数据。这允许基于所述非谱测量投影数据和投影数据生成参数相对快速地估计谱估计投影数据。

所述谱估计投影数据值的测量结果的所述模拟优选地是模拟使用还已经被用于测量谱测量投影数据的一种探测器元件的测量结果的模拟。因此，其优选地考虑被用于测量所述谱测量投影数据的所述探测技术。例如，如果被用于测量所述谱测量投影数据的所述探测器元件是具有在堆叠中的两个敏感探测层的双层探测器元件以便提供光子能量分离，则在模拟所述测量过程时，优选地考虑所述层的已知吸收特性。

在另外的实施例中，为了确定用于估计谱估计投影数据值的所述模型材料分布，所述估计单元适于基于所述谱测量投影数据和所述非谱投影数据来重建中间图像，并且基于经重建的中间图像来确定所述材料分布。具体而言，所述估计单元适于将所述谱测量投影数据积分从而生成积分投影数据，并且基于所述积分投影数据和所述非谱测量投影数据来重建所述中间图像。优选地，所述估计单元适于通过分割经重建的中间图像中的不同材料来确定所述材料分布。例如，如果所述对象是人，则可以在经重建的中间图像中分割骨和组织区，并且该分割可以被用于确定沿着相应的辐射路径的钙和水的分布，其中，该钙/水材料分布可以被用于模拟谱估计投影数据值的测量结果，以用于确定其。这允许估计谱估计投影数据的进一步改进的准确度。

还优选的是，所述估计单元适于将所述谱测量投影数据和所述谱估计投影数据在所述谱测量投影数据与所述谱估计投影数据之间的边界处平滑。从所述谱测量投影数据到所述谱估计投影数据的过渡可能不是非常平滑的。通过在该过渡或边界处将这些投影数据平滑，还可以改进所述对象的最终经重建的图像的质量。

在本发明的另一方面中，呈现了一种用于生成对象的图像的成像方法，其中，所述成像方法包括：

-由测量投影数据提供单元提供谱测量投影数据和非谱测量投影数据，其中，已经基于已经穿过包括所述对象的成像区域的辐射由具有谱探测元件和非谱探测元件的探测器分别生成了所述谱测量投影数据和所述非谱测量投影数据，

-由估计单元估计对应于结束于所述非谱探测元件处的辐射路径的谱估计投影数据，其中，为了估计针对结束于非谱探测元件处的辐射路径的谱估计投影数据值，所述估计单元：a)基于所述非谱测量投影数据来确定所述成像区域内的模型材料分布，所述模型材料分布能够已经引起对应于所述辐射路径的非谱测量投影数据值；并且b)基于所述模型材料分布来模拟所述谱估计投影数据值的测量结果，

-由重建单元基于所述谱测量投影数据和所述谱估计投影数据来重建所述对象的图像。

在本发明的由一方面中，呈现了一种用于对感兴趣区域进行成像的计算机程序，其中，所述计算机程序包括程序代码模块，当在控制根据权利要求1所述的成像系统的计算机上运行所述计算机程序时，所述程序代码模块用于令所述成像系统执行根据权利要求9所述的成像方法的步骤。

应该理解，根据权利要求1所述的成像系统、根据权利要求9所述的成像方法和根据权利要求10所述的计算机程序具有相似和/或相同的优选实施例，尤其是如从属权利要求中定义的。

应该理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或以上实施例与各自的独立权利要求的任何组合。

本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例得到阐述。

附图说明

在以下附图中：

图1示意性并且示范性地示出了用于生成对象的图像的成像系统的实施例；

图2示意性并且示范性地示出了具有谱探测元件和非谱探测元件的探测器；

图3示意性并且示范性地图示了截断的谱测量投影数据和谱估计投影数据；并且

图4示出了示范性地图示用于生成对象的图像的成像系统的实施例的流程图。

具体实施方式

图1示意性并且示范性地示出了用于生成对象的图像的成像系统的实施例。在该实施例中，成像系统17是用于生成人的计算机断层摄影图像的谱计算机断层摄影系统。计算机断层摄影系统17包括机架1，机架1能够关于平行于z方向延伸的旋转轴R旋转。在该实施例中，作为X射线管的辐射源2被安装在机架1上。辐射源2被提供有准直器3，准直器3在该实施例中根据由辐射源2生成的辐射而形成圆锥形辐射束4。辐射穿过成像区域5内的人(未示出在图1中)，所述成像区域也可以被认为是检查区并且在该实施例中是圆柱形的。在已经穿过成像区域5之后，辐射束4入射在包括二维探测表面的探测器6上。探测器6被安装在机架1上。

计算机断层摄影系统17包括两个电机7、8。由电机7以优选地恒定但是可调节的角速度来驱动机架1。电机8被提供用于将被布置在如平行于旋转轴R或z轴的方向的成像区域5内的台的支持模块上的人位移。例如，这些电机7、8由控制单元9控制，使得辐射源2和人沿着螺旋形轨迹相对于彼此移动。然而，还可能的是，不移动人，而是仅旋转辐射源2，即辐射源2相对于人沿着圆形轨迹移动。而且，在另一实施例中，准直器3可以适于形成另一射束形状(尤其地扇形射束)，并且探测器6可以包括对应于其他射束形状(尤其地扇形射束)整形的探测表面。

如在图2中示意性并且示范性地图示的，在由辐射源2发射的辐射已经穿过人14之后，由探测器6的非谱探测元件15和谱探测元件16来探测辐射。因此，探测器6不仅包括谱探测元件16而且包括非谱探测元件15。在辐射源2和人的相对移动期间，探测器6根据入射在探测器6的探测表面上的辐射，通过使用谱探测元件16来生成谱测量投影数据并且通过使用非谱探测元件15来生成非谱测量投影数据。因此，辐射源2、用于相对于人移动辐射源2的元件(尤其地，电机7、8)和机架1和探测器6形成用于提供谱测量投影数据和非谱测量投影数据的测量投影数据提供单元18，其中，已经根据描述投影数据的生成的投影数据生成参数、基于已经穿过包括人14的成像区域4的辐射4、由具有谱探测元件16和非谱探测元件15的探测器16分别生成了谱测量投影数据和非谱测量投影数据已经基于由。测量投影数据提供单元18还可以被认为是投影数据采集系统。

投影数据生成参数描述投影数据的生成，即其描述例如被用于生成谱测量投影数据和非谱测量投影数据的辐射的采集几何结构和强度。采集几何结构定义关于对象的辐射路径，辐射在由探测器的谱探测元件和非谱探测元件探测到之前沿着所述辐射路径行进。

谱测量投影数据19可以被截断，如在图3中示意性并且示范性地所图示的。图3示范性并且示意性地示出了取决于探测器6上的相应的探测元件d的谱测量投影数据值P。如在图3中可以看到的，在非谱探测元件15与谱探测元件16之间的边界处，谱测量投影数据19被截断。

因此，计算机断层摄影系统17还包括估计单元10，估计单元10用于估计对应于结束于非谱探测元件15处的辐射路径的谱估计投影数据22，其中，为了估计针对结束于非谱探测元件15处的辐射路径的谱估计投影数据值，估计单元10适于：a)基于非谱测量投影数据并且任选地还基于投影数据生成参数，来确定能够已经引起对应于辐射路径的非谱测量投影数据值的成像区域5内的模型材料分布；和b)基于模型材料分布并且任选地还基于投影数据生成参数，来模拟谱估计投影数据值的测量结果。具体而言，估计单元10适于基于对应的非谱投影数据值和投影数据生成参数，来确定沿着对应于要被确定的谱估计投影数据值的辐射路径的模型材料分布。例如，估计单元10适于水分布估计作为沿着辐射路径的模型材料分布，即，等价水长度。备选地，估计单元10可以适于基于谱测量投影数据、非谱投影数据和投影数据生成参数来重建中间图像，并且基于经重建的中间图像来确定材料分布。在这种情况下，估计单元10优选地适于积分谱测量投影数据从而生成积分投影数据，并且适于基于积分投影数据、非谱测量投影数据和投影数据生成参数来重建中间图像。估计单元10可以适于通过分割经重建的中间图像中的不同材料来确定材料分布。例如，可以在经重建的中间图像中分割骨和组织区域以便确定材料分布。

估计单元10还适于将谱探测元件16和非谱探测元件15之间的边界处的谱测量投影数据19和谱估计投影数据22平滑。在图3中，平滑的谱估计投影数据由虚线指示。

计算机断层摄影系统17还包括重建单元11，其用于基于谱测量投影数据、谱估计投影数据和投影数据生成参数来重建人14的图像。在该实施例中，重建单元11适于使用滤波反投影算法，以用于重建人的图像。重建单元11可以适于使用材料分解技术以便基于谱投影数据来重建对应于人内的不同材料的不同的图像。例如，如果造影剂已经注入人中，则可以重建仅示出人内的造影剂的第一图像，并且可以重建示出在没有造影剂的情况下人的第二图像。重建单元11还可以适于基于谱投影数据，来重建对应于诸如康普顿效应和光电效应的不同的物理效应的不同的图像。当然，重建单元11还可以适于使用其他谱重建技术。例如，在E.Roessl和R.Proksa的文章“K-edge imaging in x-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors”、Physics in Medicine and Biology、第52卷、第4679到4696页(2007)中公开了可以由重建单元使用的已知重建技术，通过引用将其并入本文。

估计单元10和重建单元11是还可以由控制单元9控制的图像生成设备23的部分。计算机断层摄影系统17还包括如键盘、计算机鼠标和触摸板等的输入单元12和用于显示经重建的图像的显示器13。

在以下中，将参考图4中所示的流程图示范性地描述用于生成对象的图像的成像方法的实施例。

在该实施例中，用于生成对象的图像的成像方法是用于生成的人的图像的谱计算机断层摄影成像方法。在步骤101中，辐射源2围绕旋转轴R旋转并且人14未移动，即辐射源2沿着人14周围的圆形轨迹行进。在另一实施例中，辐射源2可以沿着相对于人的另一轨迹(例如，螺旋轨迹)移动。辐射源2发射穿过人14的辐射，并且已经穿过人14的辐射由探测器6探测到，探测器6生成谱测量投影数据和非谱测量投影数据。步骤101可以被认为是用于提供谱测量投影数据和非谱测量投影数据的投影数据提供步骤。

在步骤102中，通过估计单元10估计对应于结束于非谱探测元件15处的辐射路径的谱估计投影数据22，其中，为了估计针对结束于非谱探测元件15处的辐射路径的谱估计投影数据值，估计单元10：a)基于非谱测量投影数据和投影数据生成参数，来确定能够已经引起对应于所示辐射路径的非谱测量投影数据值的成像区域5内的模型材料分布；并且b)基于模型材料分布和投影数据生成参数，来模拟谱估计投影数据值的测量结果。在步骤103中，人14的图像是基于谱测量投影数据、谱估计投影数据和投影数据生成参数来重建的，其中，在步骤140中，在显示器13上示出经重建的图像。

探测器6的谱探测元件16优选地是双层探测器元件。双层探测器元件具有在堆叠中的两个敏感探测层以便提供光子能量分离。双层探测器元件是公知的并且在例如R.Carmi等人的上述文章中被公开，通过引用将其并入本文。在其他实施例中，探测器可以包括如具有能量鉴别的光子计数探测元件的其他谱探测元件。

谱探测元件的产生与非谱探测元件的产生相比是技术上相对复杂并且因此相对昂贵，所述非谱探测元件还可以被认为是常规探测元件。为了降低复杂度和因此成本，探测器6是混合探测器，其中，探测器的一部分装备有常规的技术上较简单并且较便宜的探测元件，并且另一部分装备有谱探测元件。不同的部分可以非对称地被分布(如在图2中示意性并且示范性地图示的)或者其可以对称地分布，其中，优选地在每种情况下，探测器关于圆周方向包括谱内部分和两个外部非谱部分。

除基于谱测量投影数据和谱估计投影数据来重建图像之外，重建单元11还可以适于重建常规图像，即基于仅非谱投影数据来重建图像，所述常规图像对应于来自常规探测器的图像并且可以通过使用如滤波反投影技术的标准重建技术来重建。具体而言，非谱测量投影数据可以与在谱积分之后还形成非谱投影数据的谱积分的谱测量投影数据一起使用，以便重建常规图像。如果谱探测元件是双层探测元件，来自双层探测元件的两层的读数可以被求和，以便生成非谱投影数据值。

所提供的谱测量投影数据是截断的投影数据，其中，截断可以导致最终经重建的图像中的图像伪影。尤其是在滤波反投影算法的情况下，截断的投影数据能够产生两个问题。高频伪影能够存在于截断界限附近，并且经滤波的投影数据的低频分量可能是不正确的。图像伪影可以导致经重建的图像中的偏置，其中，偏置从临床应用观点看是实质性缺点。基于谱投影数据的谱计算机断层摄影(尤其是基于双能量投影数据的双能量计算机断层摄影)提供生成如量化碘映射的量化临床信息的有价值的机会。经重建的图像中的偏置将使量化退化。因此，上文参考图1和图2所描述的计算机断层摄影系统允许量化误差的校正(尤其是对于混合双能量/常规断层摄影探测器系统)。

估计单元可以适于根据常规探测数据(即，根据非谱测量投影数据)来估计截断区域中的等价水长度，并且根据给定水长度和双层元件的层的已知吸收特性来估计预期的双层信号(即，谱估计投影数据)。所估计和所测量的双层信号(即，所测量和所估计的谱投影数据)可以然后被组合为非截断的投影数据，其可以在截断边界附近平滑以便避免尖锐过渡。然后，组装和平滑的谱投影数据可以在反投影之前被滤波，以便重建图像。

在实施例中，估计单元适于使用以下等式来确定沿着对应于要被确定的谱估计投影数据值的辐射路径的模型材料分布：

其中，I是所测量的探测信号，即，例如对应的非谱投影数据值，I₀是在没有吸收对象的情况下的已知探测信号，E是能量，S(E)是整个成像系统的已知谱响应函数，尤其地包括X射线管发射谱、射束滤波、探测器的谱敏感度函数、在能量积分探测元件的情况下的因子E和影响总能量敏感度的所有其他因子，L是相应的射束中的材料的长度(即，沿着相应的辐射路径)，并且μ(E)是材料的已知线性吸收系数。成像系统具有三个不同的谱响应函数，即针对非谱探测元件的第一谱响应函数S_N(E)，针对谱探测元件的下层的第二谱响应函数S_L(E)和针对谱探测元件的上层的第三谱响应函数S_U(E)。

为了确定等价水长度，非谱测量结果I_N因此可以由以下来等式建模：

其中，估计单元可以适于针对等价水长度L_H2O数字地求解该等式。在等式(2)中，μ_H2O指代水的线性吸收系数。

谱估计投影数据值是能量相关值，即对于不同的能量或能量分布而言，谱估计投影数据值是不同的。例如，其可以包括：第一值I_L，其对应于双层探测器的下层和由下层探测到的对应的能量分布；以及第二值I_U，其对应于双层探测器的上层和由上层探测到的对应的能量分布。估计单元还可以适于根据以下等式使用等价水长度L_H2O来估计包括I_L和I_U的谱估计投影数据值(即，模拟包括I_L和I_U的谱估计投影数据值的测量结果)：

估计单元还可以适于重建常规图像(即，基于非谱投影数据重建的中间图像)，分割经重建的常规图像内的骨区和组织区并且估计钙/水线积分以替换简单的“仅水”假定。所估计的钙/水线积分可以被认为是谱估计投影数据，其可以由重建单元与谱测量投影数据一起用于生成最终图像。

例如，非光谱中间图像可以被分割，以便将图像分裂为骨和非骨(尤其是，软组织)分量。对于每个非谱探测元件而言，针对骨分量的相关材料厚度L_骨和针对非骨分量的L_ST可以通过使用描述通过不同的分割分量的辐射路径(即，描述相应的分割分量的前向投影)的投影数据生成参数来确定。估计单元然后可以根据以下等式来估计谱投影数据(即，模拟谱投影数据的测量结果)。

其中，在等式(5)和(6)中，μ_Bone指代线性骨吸收系数并且μ_ST指代线性非骨吸收系数。由于骨的吸收与钙的吸收基本上类似并且组织的吸收与水的吸收基本上类似，因此针对μ_Bone可以使用钙线性吸收系数并且针对μ_ST可以使用水线性吸收系数。

尽管在上文所描述的实施例中，成像系统是计算机断层摄影系统，但是在其他实施例中，成像系统还可以是如X射线C型臂系统的另一成像系统。

尽管在上文所描述的实施例中，成像系统是包括用于采集投影数据的模块和用于处理投影数据以便生成对象的图像的模块的完整的成像系统，但是在其他实施例中，成像系统还可以是不适于采集投影数据(即，不包括投影数据采集系统)的系统。在这种情况下，成像系统包括用于提供测量投影数据的测量投影数据提供单元，其中，测量投影数据提供单元可以仅是用于存储测量投影数据和用于检索量投影数据以用于提供其的存储单元，或者测量投影数据提供单元可以仅是用于接收测量投影数据和用于提供接收的测量投影数据的接收单元。

尽管在上文所描述的实施例中，估计单元适于估计被用于估计谱投影数据值的水分布(尤其是等价水长度)，但是在其他实施例中，估计单元可以适于估计可以被用于估计谱投影数据值的其他材料分布(尤其是其他等价材料长度)。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。

单个单元或其他单元可以履行权利要求书中所记载的若干个项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

可以通过任何其他数目的单元或设备执行由一个或若干单元或设备执行的操作，如测量投影数据的提供、谱估计投影数据的估计、投影数据的平滑、基于投影数据的图像的重建等。例如，可以通过单个单元或通过任何其他数目的不同的单元执行步骤102和步骤103。根据成像方法的成像系统的这些操作和和/或控制可以被实施为计算机程序的程序代码模块和/或专用硬件。

计算机程序可以存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起被提供或作为其他硬件的部分被提供的光学存储介质或固态介质，但是计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统分布。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

本发明涉及一种如用于生成对象的图像的计算机断层摄影系统的成像系统。谱测量投影数据和非谱测量投影数据是通过具有谱探测元件和非谱探测元件的探测器来生成的，并且谱估计投影数据是通过使用能够已经引起非谱测量投影数据的模型材料分布并且通过基于模型材料分布模拟谱估计投影数据的测量结果来估计的。图像是基于测量和估计的谱投影数据来重建的。除谱测量投影数据之外，使用谱估计投影数据可以实现高质量谱成像，尤其是高质量谱计算机断层摄影成像，其使用不仅具有通常更复杂的谱探测元件而且具有更简单的非谱探测元件的简化探测器。