混合式(谱/非谱)成像探测器阵列和对应的处理电子设备

摘要

一种成像系统(100)包括探测穿过检查区域的辐射的探测器阵列(110)。所述探测器阵列包括至少非谱探测器(112)的集合，所述至少非谱探测器的集合探测穿过所述检查区域的所述辐射的第一子部分，并且生成指示所述第一子部分的第一信号。所述探测器阵列还包括至少谱探测器(114)的集合，所述至少谱探测器的集合探测穿过所述检查区域的所述辐射的第二子部分，并且生成指示所述第二子部分的第二信号。所述成像系统还包括重建器(120)，所述重建器处理所述第一信号和所述第二信号，生成体积图像数据。

说明书

技术领域

以下总体上涉及成像，并且尤其涉及混合式(谱/非谱)成像探测器阵列和对应的处理电子设备，并且具体应用于计算机断层摄影(CT)来进行描述。然而，以下也适用于其他成像模态。

背景技术

非谱CT扫描器包括被安装在可旋转机架上的X射线管，所述X射线管与探测器阵列跨检查区域相对。可旋转机架以及因此X射线管围绕检查区域旋转。X射线管被配置为发出穿过检查区域并由探测器阵列探测的辐射。探测器阵列做出响应而生成并输出指示探测到的辐射的信号。该信号被重建以生成三维体积图像数据。结果得到的体积图像数据包括像素或体素，所述像素或体素典型地是以对应于相对放射密度的灰度值的形式来表示的。

该灰度值反映被扫描对象和/或目标的衰减特性，并且总体上示出诸如被扫描的患者或目标内的解剖结构的结构。由于物质对光子的吸收取决于光子穿过该物质的能量，因此探测到的辐射也包括谱信息，所述谱信息提供指示对象和/或目标的被扫描的物质的元素组成或物质组成的额外信息。然而，三维体积图像数据不反映谱特性，这是由于探测器阵列输出的信号与在能量谱上积分的能量注量成比例。

另一方面，谱CT扫描器捕捉以上指出的谱特性。谱CT扫描器包括能量分辨探测器阵列，例如，具有包括至少两个具有不同谱灵敏度的探测器像素的单个探测器的探测器阵列。在2006年4月10日提交的标题为“DoubleDeckerDetectorforSpectralCT”的US7968853B2中描述了一种两层或双层谱探测器的范例。在US7968853B2中，双层探测器包括至少两个堆叠的闪烁体，所述闪烁体具有在侧面安装的光传感器，堆叠的闪烁体中的每个具有一个光传感器，这提供了光子能量分离。不幸的是，相对于仅具有单个闪烁体和单个探测器像素的常规的非谱探测器，这样的探测器模块能够是昂贵的。

在本文中描述的各方面解决了以上引入的问题和其他问题。

发明方面

以下描述了包括谱探测器和非谱探测器两者的成像探测器阵列(和安装有该阵列的范例系统)。以下还描述了用于重建来自谱探测器和非谱探测器的信号并生成针对至少两种基本物质的谱体积图像数据的重建方法。谱探测器和非谱探测器能够备选地被处理以生成非谱体积图像数据。

在一个方面中，一种成像系统包括探测穿过检查区域的辐射的探测器阵列。所述探测器阵列包括至少非谱探测器的集合，所述至少非谱探测器的集合探测穿过所述检查区域的所述辐射的第一子部分，并且生成指示所述第一子部分的第一信号。所述探测器阵列还包括至少谱探测器的集合，所述谱探测器的集合探测穿过所述检查区域的所述辐射的第二子部分，并且生成指示所述第二子部分的第二信号。所述成像系统还包括重建器，所述重建器处理所述第一信号和所述第二信号，生成体积图像数据。

在另一方面中，一种方法包括获得指示由成像系统的非谱探测器探测到的辐射的第一信号。所述方法还包括获得指示由所述成像系统的谱探测器探测到的辐射的第二信号。所述方法还包括重建所述第一信号和所述第二信号，从而生成至少谱体积图像数据。

在另一方面中，一种混合式成像探测器阵列包括多个谱探测器和多个非谱探测器，其中，所述多个谱探测器位于所述阵列的中心区域中，所述多个非谱探测器位于所述阵列的至少一个外部区域处。

本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的并且不应被解释为对本发明的限制。

附图说明

图1示意性地图示了包括具有谱探测器和非谱探测器的混合式探测器阵列的范例成像系统。

图2示意性地图示了侧面安装有探测器像素的范例垂直堆叠的双闪烁体/双探测器像素谱探测器。

图3示意性地图示了侧面安装有探测器像素的范例单个闪烁体/双探测器像素谱探测器。

图4示意性地图示了底部安装有探测器像素的范例水平布置的双闪烁体/双探测器像素谱探测器。

图5示意性地图示了混合式探测器阵列的备选范例构造，其中，非谱探测器仅位于混合式探测器阵列的端部区域中的一个处。

图6示意性地图示了混合式探测器阵列的备选范例构造，其中，非谱探测器和谱探测器是交错布置的。

图7示意性地图示了混合式探测器阵列的备选范例构造，其中，非谱探测器的组和谱探测器的组是交错布置的。

图8示意性地图示了用于本文中的实施例的用于处理探测器信号，产生谱图像数据的范例方法。

图9示意性地图示了用于本文中的实施例的用于处理探测器信号，产生非谱图像数据的范例方法。

具体实施例

以下描述了混合式成像探测器阵列和重建方法，其中，所述混合式成像探测器阵列包括谱探测器和非谱探测器两者，所述重建方法用于重建来自谱探测器和非谱探测器的探测器信号并生成针对至少两种基本物质的谱体积图像数据和/或非谱体积图像数据。

图1图示了范例成像系统100，例如，计算机断层摄影(CT)系统。成像系统100包括通常为静止的机架102和旋转机架104，所述旋转机架104由静止机架102可旋转地支撑。旋转机架104关于纵轴或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支撑并发出多能/色辐射。准直器(不可见)对辐射射束进行准直以产生通常为锥形、扇形、楔形、锥形或其他形状的辐射射束，所述辐射射束穿过检查区域106和被设置在检查区域106中的对象的目标的部分。

一维或二维辐射敏感探测器阵列110探测穿过检查区域106的辐射。如下文更加详细地描述的，辐射敏感探测器阵列110是混合式阵列，在所述混合式阵列中包括非谱探测器112和谱探测器114两者。出于解释的目的，图示的谱探测器112位于阵列110的中心区域116中，并且非谱探测器114位于阵列110的外部区域118中。其他构造在以下进行描述。

在一个实例中，中心区域116的大小与足以对人类或动物的心脏、头部和/或其他解剖结构进行成像的视场的大小相对应。在另一实例中，中心区域116的大小可以更大或更小。应当认识到，相对于仅包括谱探测器112的构造，利用谱探测器112和非谱探测器114的组合可以在提供谱能力的同时降低总体系统成本。

总体上，非谱探测器112能够是基于闪烁体/光传感器的探测器，其中，单个闪烁体被光学地耦合到单个光传感器。所述单个闪烁体响应于探测到入射X射线辐射而产生光学光子。所述光学光子指示探测到的X射线辐射。所述光传感器感测光学光子并生成指示所述光学光子的信号，并且因此指示探测到的光子。

谱探测器114包括被光学地耦合到多个光传感器的多个或单个闪烁体层。较低能量光子总体上在更接近入射辐射的闪烁体层中或在单个层中更接近入射辐射的部分中被吸收。相比之下，较高能量光子总体上在远离入射辐射的闪烁体层中或在单个层中远离入射辐射的部分中被吸收。各自的探测器的输出对应于不同能量的光子。在一变型中，谱探测器114中的至少一个包括固态谱探测器。例如，谱探测器114中的至少一个包括直接转换材料，例如，碲化镉(CdTe)、碲锌镉(CdZnTe或CZT)等。

重建器120重建来自非谱探测器112的信号121和来自谱探测器114的信号123。重建器120包括谱重建器122。如下文更加详细地描述的，谱重建器122采用包括物质分解(materialdecomposition)的算法，例如，迭代统计重建算法，所述算法在给定噪声模型和额外约束的情况下使中间图像拟合测量数据的似然值最大化。

这样的算法要求数据采集处理的正向模型，在中间图像将是被扫描目标的情况下估计理论上系统100将测量到什么。从M种能量中的物质分解可以产生高达M幅图像的多个集合。在M＝2的情况中，这可以包括光电效应和康普顿效应集合，碘和虚拟非对比度集合和/或其他集合。在该情况中，重建将超过两种基本物质。

重建器120也包括非谱重建器124。在一个实例中，将来自谱探测器144的个体光传感器的信号123加在一起，产生组合信号，并且将组合信号和来自非谱探测器的信号121两者进行重建。能够采用常规的滤波反投影(FBP)重建、迭代重建和/或其他重建。

诸如卧榻的对象支撑物126支撑检查区域106中的对象或目标。计算机充当操作者控制台128。控制台128包括诸如监视器或显示器的人类可读输出设备以及诸如键盘和鼠标的输入设备。常存于控制台128上的软件允许操作者经由图形用户接口(GUI)或以其他方式与扫描器100进行交互。

重建器120能够由计算机处理器(例如，CPU、微处理器等)来实施，所述计算机处理器运行被存储在诸如物理存储器的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。额外地或备选地，计算机可读指令中的至少一个能够由信号、载波和/或其他瞬态介质承载。

图2、图3和图4示出了合适的谱探测器的范例。在2007年10月26日提交的标题为“DoubleDeckerDetectorforSpectralCT”(专利申请序列号为11/912673)中描述了双层谱探测器的另一范例，通过引用将其整体并入本文。

在图2中，第一闪烁体层202和第二闪烁体层204在入射辐射的方向上被堆叠。在闪烁体层202和204中对入射辐射的吸收是取决于能量的，其中，较低能量光子在第一层202中被吸收之前行进通过闪烁体阵列的平均距离较短，而较高能量光子在第二层204中被吸收之前行进通过闪烁体阵列的平均距离较长。

第一闪烁体层202和第二闪烁体层204分别被光学地侧面安装到第一探测器像素206和第二探测器像素208，所述第一探测器像素206和所述第二探测器像素208具有被调谐到第一闪烁体层202和第二闪烁体层204的第一谱响应和第二谱响应。以此方式，谱探测器像素206和208具有两个不同的谱输出。光反射膜或涂层能够置于层202和204的侧面以将光朝向像素206和208进行指引。

图3图示了图2的变型，在图3中，单个闪烁体层302被光学地侧面安装到第一像素206和第二像素208。同样地，吸收的深度指示探测到的辐射的能量。该变型非常适合于期望针对每个探测器像素206和208具有相同的闪烁体响应的应用，这是因为相同的闪烁体层302针对像素206和208中的两者都产生光学光子。

在图4中，第二闪烁体层204被光学地耦合在探测器像素206和208的顶部。利用图2和图4的构造，闪烁体层202和204能够由相同的或不同的发射体材料形成，和/或闪烁体层202和204能够具有相似的或不同的大小，例如，在辐射进入的方向上具有相似的或不同的深度。当然，在其他实施例中能够使用更多的闪烁体层和光敏像素。

在图1中，探测器阵列110包括具有谱探测器112的中心区域116和具有非谱探测器114的外部区域118。图5图示了一变型，其中，谱探测器112延伸超过中心区域116(图1)直至探测器阵列110的末端502。如结合图1所讨论的，非谱探测器114居于外部区域118中的一个。

图6图示了一变型，其中，谱探测器112和非谱探测器114沿一行探测器交错布置，使得每隔一个的探测器不是谱探测器112就是非谱探测器114。该相同的或不同的样式能够沿z轴延伸到额外的行。

图7图示了一变型，其中，谱探测器112的组和非谱探测器114的组沿一行探测器方向交错布置，使得每隔一组的探测器所包括的不是谱探测器112就是非谱探测器114。该相同的或不同的样式能够沿z轴延伸到额外的行。

如以上所讨论的，非谱重建器122和谱重建器124两者均能够采用迭代重建。在等式1和2中示出了用于非谱重建的这样的算法的通用公式：

等式1：

$>\hat{X}\stackrel{\Delta }{=}{\mathrm{argmin}}_x\left(L_{NS}\right(x\left)\right),$>并且

等式2：

L_NS(x)＝L(Ax|y)+β·R(x)

其中，L(Ax|y)表示负对数似然项，其将前向投影图像(Ax，其中，A是前向投影算子并且x是图像)与测量数据(y)进行比较，R(x)表示粗糙度惩罚项，其惩罚重建图像(x)中的噪声，β表示调整项(regularizationterm)，其控制惩罚的力度。去掉惩罚项，则算法可以聚合到噪声图像以匹配存在于数据中的噪声。

再一次地，来自谱探测器114的信号能够被组合以创建非谱数据。在该情况中，非谱重建器124能够采用等式1的算法和/或另一算法，例如，另一迭代算法，常规的滤波反投影(FBP)算法和/或其他方法。

针对谱重建，在等式3和4中示出了通用公式：

等式3：

$>{\hat{B}}_1,{\hat{B}}_2,\mathrm{...},\widehat{B_N}\stackrel{\Delta }{=}{\mathrm{argmin}}_{B_1,B_2,\mathrm{...},B_N}\left(L_S\right(B_1,B_2,\mathrm{...},B_N\left)\right),$>并且

等式4：

L_S(B₁，B₂，...，B_N)＝L₁(B₁，B₂，...，B_N)+αL₂(B₁，B₂，...，B_N)+βR(B₁，B₂，...，B_N)

其中，α是常数，B₁，B₂，...，B_N表示N种基本物质，L₁是针对单层探测器112获得的投影数据的负对数似然值，并且L₂是针对多层探测器114获得的投影数据的负对数似然值。两个数据项(L₁和L₂)都在所有基本物质图像上进行定义，并且反映个体探测器的谱灵敏度和噪声模型。

谱重建器122能够采用等式3和4的算法来处理来自谱探测器114和非谱探测器112的信号，产生针对至少两种基本物质的谱成像数据。

图8图示了结合本文中的实施例的用于生成谱图像数据的范例方法。

应当认识到，这些方法的动作的排序不是限制性的。正因如此，在本文中可以预期其他排序。另外，可以省略一个或多个动作和/或可以包括一个或多个额外的动作。

在802处，获得来自成像系统的谱探测器的第一集合的第一探测器信号。

在804处，获得来自成像系统的谱探测器的第二集合的第二探测器信号。

在806处，获得包括谱数据项和非谱数据项的迭代统计重建算法。

在808处，采用迭代统计重建算法来重建第一信号和第二信号。该算法在给定的噪声模型和调整项的情况下使中间图像拟合测量数据的似然值最大化。

转到图9，图示了结合本文中的实施例的用于生成非谱图像数据的范例方法。

应当认识到，这些方法的动作的排序不是限制性的。正因如此，在本文中可以预期其他排序。另外，可以省略一个或多个动作和/或可以包括一个或多个额外的动作。

在902处，获得来自成像系统的谱探测器的第一集合的第一探测器信号。

在904处，获得来自成像系统的谱探测器的第二集合的第二探测器信号。

在906处，组合第二探测器信号，从而创建非谱探测器信号。

在908处，利用非谱重建算法来重建第一探测器信号和所创建的非谱信号。

可以通过以下方式来实施以上动作：即，被编码或嵌入在计算机可读存储介质(其不包括瞬态介质)上的计算机可读指令当由(一个或多个)计算机处理器运行时令(一个或多个)处理器执行所述动作。额外地或备选地，计算机可读指令中的至少一个可以由信号、载波或其他瞬态介质来承载。

已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读和理解前面的具体描述的情况下可以想到修改和替代。本文旨在将本发明解释为包括所有这样的修改和替代，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围内。