根据能量相关投影数据对感兴趣区域进行成像的成像系统

摘要

本发明涉及一种用于根据能量相关投影数据来对感兴趣区域进行成像的成像系统，其中所述成像系统包括用于提供所述感兴趣区域的能量相关第一投影数据的投影数据提供单元(1、2、3、6、7、8)。所述成像系统还包括衰减分量图像生成单元(12)，用于通过使用模型生成能量相关第二投影数据来生成所述感兴趣区域的衰减分量图像，在该模型中所述投影数据取决于衰减分量图像。所述分量图像生成单元(12)适于生成所述衰减分量图像，从而使所述第二投影数据相对所述第一投影数据的偏差减小。

说明书

技术领域

本发明涉及用于根据能量相关投影数据对感兴趣区域进行成像的成像系统、成像方法和计算机程序。

背景技术

US 6,507,633 B1公开了一种计算机断层摄影系统，其根据经测量的能量相关投影数据重建感兴趣区域的初始图像。将该初始图像分割成若干部分，其中每个部分代表另一种材料。例如，一个部分可以代表骨骼，而另一个部分可以代表患者的软组织。使用一种模型来生成经计算的能量相关投影数据，其考虑到不同部分中不同种类的材料的不同吸收分布，并且通过修改不同部分中不同种类的材料的不同吸收分布来使经计算的能量相关投影数据相对经测量的投影数据的偏差最小化，从而得到感兴趣区域的图像。

感兴趣区域的图像的这种重建是基于初始分割的。计算机断层摄影图像的分割通常是不准确的，特别是当需要分割的物体的一些部分具有与导致最终重建图像中的伪影的图像值几乎相同的图像值时。此外，初始图像的分段时非常耗时的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于根据能量相关投影数据对感兴趣区域进行成像的成像系统，其中减少了感兴趣区域的重建图像中的伪影。本发明的另一个目的是提供用于根据能量相关投影数据对感兴趣区域进行成像的相应成像方法和相应计算机程序。

在本发明的一个方面中，提供一种用于根据能量相关投影数据对感兴趣区域进行成像的成像系统，其包括投影数据提供单元和衰减分量图像生成单元，该投影数据提供单元用于提供感兴趣区域的能量相关第一投影数据，而该衰减分量图像生成单元用于通过使用模型生成能量相关第二投影数据来生成感兴趣区域的衰减分量图像，在该模型中所述投影数据取决于衰减分量图像，其中衰减分量图像生成单元适于生成衰减分量图像，从而减小第二投影数据相对第一投影数据的偏差。

本发明基于的思想是不仅重建感兴趣区域的一幅图像，而是重建作为衰减分量图像的若干图像。衰减分量图像是具有由某些衰减效应导致的图像元素的图像。这些衰减效应可以是感兴趣区域内的某些材料的吸收。例如，一种衰减分量图像可以是由某种材料的吸收产生的图像，而另一种衰减分量图像可以是由另一种材料的吸收产生的图像。作为替代或附加，可能仅由一种或若干种不同物理效应产生衰减分量图像。例如，一种衰减分量图像可以是由Compton效应产生的图像，而另一种衰减分量图像可以是由光电效应产生的图像。根据本发明，由于每幅衰减分量图像是感兴趣区域的图像，其中每幅衰减分量图像表示某种衰减效应，因此感兴趣区域的图像的初始分割是不需要的，由此减少重建图像内的伪影并消除初始分割的计算成本。

所述成像系统优选为计算机断层摄影系统，其中所述投影数据提供单元优选为用于发射横穿感兴趣区域的辐射特别是用于发射多色辐射的辐射源、用于探测在横穿感兴趣区域后取决于辐射的能量相关第一投影数据的探测单元以及相对于感兴趣区域移动该辐射源和该探测单元的移动单元的组合。所述移动单元可以包括旋转扫描架，在其上安装有该辐射源和该探测单元，并优选包括能平行于扫描架的旋转轴线移动的平台或带子。所述投影数据提供单元也可以是在其上存储经测量的或经模拟的能量相关第一投影数据的存储单元。此外，所述投影数据提供单元可以是任何能够提供能量相关投影数据的单元。例如，所述投影数据提供单元也可以是C形臂系统或核成像系统。

优选地，对所述衰减分量图像生成单元加以调适，从而使至少两幅所述衰减分量图像在空间上重叠。两幅或更多幅衰减分量图像可以在空间上部分重叠，但是优选至少两幅，特别是所有衰减分量图像覆盖整个感兴趣区域，即所有衰减分量图像完全重叠。如果所述衰减分量图像重叠，则可以考虑感兴趣区域内同一位置处即同一图像元素内的不同衰减效应，也就是说可以分离感兴趣区域内同一位置处的不同衰减效应。

在一个实施例中，所述成像系统还包括衰减分量图像组合单元，用于组合衰减分量图像以得到组合衰减分量图像。通过组合衰减分量图像，可以实现较大的信噪比。

进一步优选地，所述衰减分量图像生成单元适于生成所述衰减分量图像，从而通过使得在给定衰减分量图像下第一投影数据的可能性最大化而生成所述衰减分量图像来减小第二投影数据相对第一投影数据的偏差。由于所述第二投影数据取决于所述衰减分量图像，可以通过使在给定第一投影数据下衰减分量图像的可能性最大化来有效地使第二投影数据相对第一投影数据的偏差最小化，由此进一步减少感兴趣区域的衰减分量图像中的伪影。

在优选实施例中，所述投影数据提供单元适于提供包括能量窗口中的投影数据值的能量相关第一投影数据，其中所述衰减分量图像生成单元适于为每个能量窗口中的第一投影数据的每个投影数据值确定在给定第二投影数据的相应数据值下第一投影数据值的可能性，并且适于生成衰减分量图像，从而使针对每个能量窗口中的第一投影数据的每个投影数据值确定的可能性的乘积被最大化。这种可能性的使用允许以简单的方式确定衰减分量图像，其中进一步减小所得的衰减分量图像中的伪影。

进一步优选地，所述衰减分量图像生成单元适于确定在给定衰减分量图像和噪声模型下第一投影数据的可能性。由于该可能性不仅考虑第一投影数据，而且考虑噪声模型，因此，经重建的衰减分量图像的质量将得到进一步的提高。该噪声模型取决于第一投影数据中出现的噪声。优选地，该噪声模型是Poisson模型。更优选地，该噪声模型是Poisson模型，且其中第二投影数据是平均值。

在本发明的另一方面中，提供一种用于根据所提供的能量相关第一投影数据来确定感兴趣区域的衰减分量图像的确定设备，其包括衰减分量图像生成单元，用于通过使用模型生成能量相关第二投影数据来生成所述感兴趣区域的衰减分量图像，在该模型中所述投影数据取决于衰减分量图像，其中所述衰减分量图像生成单元适于生成所述衰减分量图像，从而减小所述第二投影数据相对所述第一投影数据的偏差。

在本发明的另一方面中，提供一种用于根据能量相关投影数据对感兴趣区域进行成像的成像方法，其中所述成像方法包括提供所述感兴趣区域的能量相关第一投影数据的步骤，并且其中所述成像方法包括以下步骤：通过使用模型生成能量相关第二投影数据来生成所述感兴趣区域的衰减分量图像，在该模型中所述投影数据取决于衰减分量图像，其中生成所述衰减分量图像，从而减小所述第二投影数据相对所述第一投影数据的偏差。

在本发明的另一方面中，提供一种用于根据所提供的能量相关第一投影数据确定感兴趣区域的衰减分量图像的确定方法，所述确定方法包括以下步骤：通过使用模型生成能量相关第二投影数据来生成所述感兴趣区域的衰减分量图像，在该模型中所述投影数据取决于衰减分量图像，其中生成所述衰减分量图像，从而减小所述第二投影数据相对所述第一投影数据的偏差。

在本发明的另一方面中，提供一种用于根据能量相关投影数据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装置，当所述计算机程序在控制如权利要求1所述的成像系统的计算机上运行时，所述程序代码装置促使所述成像系统执行如权利要求8所述的方法的步骤。

在本发明的另一方面中，提供一种用于根据能量相关投影数据确定感兴趣区域的衰减分量图像的计算机程序，其中所述计算机程序包括程序代码装置，当所述计算机程序在控制如权利要求7所述的确定设备的计算机上运行时，所述程序代码装置促使所述确定设备执行如权利要求9所述的方法的步骤。

应该理解权利要求1所述的成像系统、权利要求7所述的确定设备、权利要求9所述的确定方法、权利要求8所述的成像方法、权利要求10所述的计算机程序以及权利要求11所述的计算机程序具有如从属权利要求所限定的类似的和/或相同的优选实施例。

应该理解本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与各自独立权利要求的任意组合。

附图说明

通过参考下面描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显并得以阐明。

图1示意性示出根据本发明用于对感兴趣区域进行成像的成像系统的表示；

图2示出根据本发明用于对感兴趣区域进行成像的成像方法的流程图；

图3示意性和示范性地示出衰减效应的频谱；以及

图4示意性和示范性地示出给定第二投影数据值和噪声模型下第一投影数据值的可能性。

具体实施方式

图1中示出的用于根据能量相关投影数据对感兴趣区域进行成像的成像系统，在这一实施例中，所述系统为计算机断层摄影系统。该计算机断层摄影系统包括能够围绕旋转R的轴线旋转的扫描架1，该轴线平行于z方向延伸。将辐射源2(例如X射线管)安装在扫描架1上。在这一实施例中，辐射源2发射多色辐射。辐射源2设有准直器设备3，该准直器设备根据辐射源2发射的辐射形成锥形辐射束4。在其他实施例中，准直器设备3可以适用于形成具有其他形状例如具有扇形的辐射束。

该辐射横穿在圆柱形检查区域5中的感兴趣区域内的诸如患者或技术物体等物体(未示出)。在横穿感兴趣区域之后，辐射束4入射到能量分解探测单元6上，该能量分解探测单元在这一实施例中具有安装在扫描架1上的二维探测表面。在另一个实施例中，能量分解探测单元可以包括一维探测表面。

例如，能量分解探测单元在以下原理的基础上工作，即对入射的光子进行计数并输出显示不同能量窗口中的光子数目的信号。例如，在Llopart，X.，et al.“First test measurements of a 64k pixel readout chip working in asingle photon counting mode”，Nucl.Inst.and Meth.A，509(1-3)：157-163，2003以及Llopart，X.，et al.，“Medipix2：A 64-k pixel readout chip with 55μmsquare elements working in a single photon counting mode”，IEEE Trans.Nucl.Sci.49(5)：2279-2283，2002中描述了这种能量分解探测单元。优选地，对能量分解探测单元加以调适，从而它为至少三个不同的能量窗口提供至少两个能量分解探测信号。然而，有利的是具有更高的能量分辨率以便增强成像系统的灵敏度和噪声鲁棒性。

由电动机7以优选恒定但可调节的角速度驱动扫描架1。提供另一个电动机8在平行于旋转R的轴线方向或z轴线的方向移动物体(例如布置在检查区域5中的患者平台上的患者)。例如，这些电动机7、8是由控制单元9控制的，从而辐射源2和检查区域5(特别是感兴趣区域)沿着螺旋状轨线相对彼此移动。还有可能的是，物体或检查区域5(特别是感兴趣区域)并不移动，而X射线源2旋转，即X射线源2沿着相对于感兴趣区域的圆形轨线运行。

由探测单元6采集的数据是能量相关第一投影数据。将能量相关第一投影数据提供给确定设备10以便根据所提供的能量相关第一投影数据确定感兴趣区域的衰减分量图像和/或组合的衰减分量图像。同样，确定设备10优选地受到控制单元9控制。

将一幅或若干幅衰减分量图像和/或一幅或若干幅组合的衰减分量图像提供给显示单元11以便显示图像。

辐射源2、探测单元6、扫描架1、患者平台和电动机7、8形成用于提供能量相关第一投影数据的投影数据提供单元。在这一实施例中，辐射源2发射多色辐射并且探测单元6探测能量分解的能量相关第一投影数据。因此，在这一实施例中可以同时测量不同能量的投影数据。但是在其他实施例中，可以使用其他的投影数据提供单元，只要投影数据提供单元提供感兴趣区域的能量相关投影数据。例如，可以使用具有不同辐射频谱的两个或更多个测量手段以及非能量分解探测单元来提供能量相关投影数据。例如，可以通过使用至少两个具有不同辐射频谱的辐射源和/或通过使用具有不同管电压的X射线管和/或通过使用在感兴趣区域与辐射源之间的不同滤波器来获得不同的辐射频谱。如果使用非能量分解探测单元，则必须顺序测量对应于不同辐射频谱的投影数据。

在下面，将通过参考图2所示的流程图更详细地描述依照本发明用于根据能量相关投影数据对感兴趣区域进行成像的成像方法的实施例。

在步骤101中，提供能量相关第一投影数据。辐射源2围绕旋转轴线R或z方向旋转，且感兴趣区域并不移动，亦即辐射源2沿着围绕感兴趣区域的圆形轨线运行。在另一个实施例中，辐射源2可以沿着另一种轨线(例如相对于感兴趣区域的螺旋状轨线)移动。辐射源2发射横穿感兴趣区域的多色辐射。已经横穿感兴趣区域的辐射被探测单元6探测到，该探测单元生成能量相关第一投影数据。

将能量相关第一投影数据传送给衰减分量图像生成单元12，该衰减分量图像生成单元在步骤102生成感兴趣区域的衰减分量图像。这种生成是通过使用模型生成能量相关第二投影数据来执行的，在该模型中投影数据取决于衰减分量图像，其中衰减分量图像生成单元12适于修改衰减分量图像，从而减小第二投影数据相对第一投影数据的偏差。

在其中投影数据取决于衰减分量图像的模型可以由下面的等式描述：

$l_{\text{t,λ}}=\int S_t\left(E\right)e^{-\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\int A_n\left(E\right)Q_n\left(\overrightarrow{x}\right)\mathrm{ds}}\mathrm{dE}.---\left(1\right)$

在等式(1)中，l_t，λ表示在能量窗口t和射线方向λ条件下能量相关第二投影数据的数据值。变量t对不同的能量窗口进行计数，即，例如，如果探测单元6提供三个能量窗口，则t具有数值1、2和3。变量λ表示从不同辐射源位置到探测单元6的探测表面上探测像素的不同位置的不同射线方向。

函数S_t(E)表示在无感兴趣区域中的物体的能量相关性的情况下成像系统的能量相关性。因此，在这一实施例中，函数S_t(E)是入射到感兴趣区域上的辐射(特别是辐射源)的频谱与探测单元的能量窗口(用t表示)的频谱灵敏度的乘积。函数A_n(E)是衰减效应的能量相关性，其产生衰减分量图像

图3示意性和示范性地示出物质的光电效应A₁(E)、Compton效应A₂(E)和K-边缘效应A₃(E)的能量相关性，该物质例如是可能存在于感兴趣区域中的造影剂。

数值N表示在该模型中考虑的衰减效应的数目。例如，如果考虑可能出现在感兴趣区域中的如造影剂的物质的光电效应、Compton效应和K-边缘效应，则N为3。积分变量E表示能量，而对积分变量s的积分是沿着各条射线的积分。

优选通过修改衰减分量图像并因此也修改能量相关第二投影数据来执行对衰减分量图像的修改，从而减小第二投影数据相对第一投影数据的偏差，以便使在给定衰减分量图像并因此给定能量相关第二投影数据下能量相关第一投影数据的可能性最大化。这优选通过以下步骤来执行：为每个能量窗口中的能量相关第一投影数据的每个投影数据值确定在给定第二投影数据的相应的投影数据值并因此在给定的相应的衰减分量图像下该投影数据值的可能性，并且修改衰减分量图像并因此修改能量相关第二投影数据，从而使每个能量窗口中的第一投影数据的每个投影数据值确定的可能性的乘积最大化。

可以通过以下等式来定义由能量相关第二投影数据的t和λ表示的投影数据值的可能性L_t，λ：

L_t，λ＝N(m_t，λ，l_t，λ)                (2)

在等式(2)中，m_t，λ表示能量相关第一投影数据的投影数据值，N(m_t，λ，l_t，λ)定义在给定能量相关第二投影数据的投影数据值l_t，λ下能量相关第一投影数据的投影数据值m_t，λ的可能性。该可能性N(m_t，λ，l_t，λ)也考虑能量相关第一投影数据的噪声，特别是优选以l_t，λ为平均数的Poisson模型。在图4中示意性且示范性地示出该可能性N(m_t，λ，l_t，λ)。特别地，图4示意性且示范性地示出在给定第二投影数据值l_t，λ和噪声模型N下第一投影数据值m_t，λ的可能性L_t，λ。

可以通过以下等式来定义针对每个能量窗口中的每个投影数据值确定的可能性的乘积：

$L=\underset{t\in T,\lambda \in \Lambda }{\Pi }{L}_{t,\lambda }---\left(3\right)$

在等式(3)中，T表示能量窗口的集合，且Λ表示射线方向的集合，其中已经测量出能量相关第一投影数据的投影数据值。

通过改变衰减分量图像并因此改变产生衰减分量图像的能量相关第二投影数据l_t，λ来使等式(3)中定义的总可能性最大化。可以通过已知的数值法来使等式(3)中定义的总似然函数最大化。

在步骤103中，将所确定的衰减分量图像传送给衰减分量图像组合单元13，该衰减分量图像组合单元组合衰减分量图像以得到组合衰减图像。在步骤104中，将在102中生成的组合衰减分量图像和/或一幅或若干幅衰减分量图像显示在显示器11上。

在其他实施例中，该成像系统可以是无衰减分量图像组合单元13的成像系统并且可以省略103。在这种情况下，将在步骤102中生成的一幅或若干幅衰减分量图像显示在显示器11上。

在上述实施例中，同时测量不同能量窗口的能量相关第一投影数据。但是，如果顺序测量不同能量的能量相关第一投影数据，则也可以执行根据本发明的衰减分量图像的生成。因此，即使例如通过利用在不同电压下运行和/或具有不同射束过滤的一个或多个X射线管顺序采集投影数据来提供能量相关第一投影数据，也就是即使由于诸如患者的物体或成像系统的一部分的不希望的移动而导致应该与穿过感兴趣区域中的物体的同一路径对应的不同能量的投影数据值不对应于穿过感兴趣区域的物体的同一路径，仍然可以应用根据本发明的衰减分量图像的生成，并且生成高质量的衰减分量图像，其具有比用已知方法重建的图像更少的伪影。

如上所述，在等式(1)中，S_t(E)表示投影数据提供单元的能量相关性，它不是由感兴趣区域中的物体导致的。例如，如果使用多色辐射源和具有不同能量窗口的能量分解探测单元，则S_t(E)取决于辐射源的发射频谱和相应的能量窗口的能量灵敏度，特别地，S_t(E)是辐射源的发射频谱和相应的能量窗口的能量灵敏度的乘积。如果使用非能量分解探测单元以及在不同电压下运行和/或具有不同射束过滤的一个或多个X射线管，则变量t表示所使用的管、电压和/或射束过滤的不同组合，且函数S_t(E)取决于探测单元的能量灵敏度以及由管、管电压和/或射束过滤的相应的组合生成的发射频谱，特别地，S_t(E)包括探测单元的能量灵敏度与由管、管电压和/或射束过滤的相应组合生成的发射频谱的乘积。

尽管在上面将成像系统描述成相对于感兴趣区域执行辐射源的圆形或螺旋形轨线，但本发明并不局限于特定的轨线。投影数据提供单元可以是提供感兴趣区域的能量相关投影数据的任何单元。

本领域技术人员能够理解并实施所公开的实施例的其他变体，并且通过研究附图、公开内容以及从属权利要求来实践要求保护的发明。在这些权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，且无关紧要的冠词“一”或“一个”并不排除多个。

单一的单元可以实现权利要求中所述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中引用了某些措施这一事实并不意味着不能利用这些措施的组合以得到有利的效果。

可以在例如光学存储介质或固态介质等适当的介质上存储/分布计算机程序，与其他硬件一起提供该介质或提供该介质作为其他硬件的一部分，但是也可以以其他形式分布该计算机程序，例如经由因特网或其他有线或无线远程通信系统。

权利要求中的任何参考标记均不应解读为限制其范围。