專利名稱：Ct成像系統的制作方法
CT成像系統
本發明涉及一種CT成像系統，用于對所關注對象中存在的物質進行 成像。此外，本發明涉及一種圖像處理設備，用于這樣的CT成像系統中， 還涉及一種相應的圖像處理方法。此外，本發明還涉及一種計算機程序， 用于在計算機上實施上述圖像處理方法。
常規CT(計算機斷層掃描)成像系統對于醫學成像測量X射線的衰減并 提供有限的對比度。大多數臨床應用使用造影劑來增強對比度。然而，想 要擴展CT成像系統的信息內容。
有兩種公知的技術用于擴展CT成像的對比度。第一種技術是所述的 雙能量CT成像技術，其例如在Kalender， W. A.等人的"Evaluation of a prototype dual-energy computed tomographic apparatus. I. Phantom Studies", Medical Physics, Vol. 13， No. 3 May/June 1986, pp. 334-339中進行了描述。雙 能量CT可以用于測量兩種與能量相關的基函數，諸如光電效應和康普頓 散射分量。可以使用不同的基函數，但是該圖像通常包括該兩種分量的虛 線性組合。
第二種技術是K邊緣成像，其中通常在該K邊緣之前和之后，通過測
量兩個或更多能量的衰減，將可調諧的單色源用于探測特定原子，這種技 術例如在H. Elleaune， A.M. Charvet, S.Corde， F. Esteve禾卩J.F. Le Bas的 "Performance of computed tomography for contrast agent concentration measurements with monochromatic x-ray beams: comparison of K-edge versus temporal subtraction" ， Phys. Med. Biol. 47(2002)， 3369-3385中進行了描述。 然而，由于其具有的能量等級與醫學成像所需的能量相去甚遠，或是由于 它們使用高能量加速器的同步加速器輻射，因此單色源不適于臨床應用。
主要是由于有限的對比度增強和/或較高的技術難度和成本，因此在臨 床應用中沒有使用這些已知的技術。因此，本發明的一個目的在于提供一 種CT成像系統，其涉及較少的技術難度和較少成本，但是卻可以得到較 大的對比度增強，并可以對所關注對象中存在的物質進行成像，該物質諸如特定的原子(例如造影劑)。此外，還提供了一種相應的圖像處理設備和圖 像處理方法。
通過如權利要求1中描述的CT成像系統實現依照本發明的目的，該 成像系統包括
多色x射線源，用于發射多色x射線輻射，
能量分辨X射線探測器，用于探測穿過所述對象之后的X射線輻射， 并對于多個能量元(energybin)提供多個能量分辨探測信號，
計算單元，使用將探測信號描述為所述物質的K邊緣效應、光電效應 和康普頓效應的組合的探測信號模型，通過求解所述多個能量分辨探測信 號的方程組來確定所述物質的K邊緣分量，其中上述每種效應都對所述探 測信號貢獻相應的分量，以及
重建單元，從在不同探測器位置獲得的所述物質的計算的K邊緣分量， 來重建所述物質的K邊緣圖像。
在權利要求8和9中描述了一種在此CT成像系統中使用的適合的圖 像處理設備以及相應的圖像處理方法。在權利要求10中描述了一種可以存 儲在記錄載體上的計算機程序，其用于在計算機上實現所述圖像處理方法。 在從屬權利要求中限定了本發明的優選實施例。
本發明基于這樣一種構思，其使用常規的多色X射線源和一種在不遠 的未來可以使用的能量分辨X射線探測器。通過對獲得的數據進行適當的 處理，就可以重建物質分量(例如造影劑分量)、排除了物質分量的光效應分 量、以及排除了物質分量的康普頓散射分量的至少三幅圖像。具體的說，X 射線探測器對不同的能量元提供了多個具有光譜靈敏度的能量分辨探測信 號，能量元是全部能量范圍的一部分，其中所述探測信號可用并且受到關 注。所述掃描對象隨后被建模為具有第一光譜的光電效應、具有第二光譜 的康普頓效應、和具有第三光譜的所關注能量范圍內有K邊緣的物質的組 合。將每個探測信號中各分量的密度長度的積建模為一種離散線性系統， 解上述線性系統來至少獲得所述物質的K邊緣分量。通過對不同探測器位 置獲得的所述物質的K邊緣分量，就可以通過常規重建方法在隨后重建物 質的K邊緣圖像。
當前正在開發能量分辨X射線探測器，并且將在不久的未來可以使用。
6它們通常用于對入射的光子記數，并輸出表示特定能量范圍中光子數量的
信號。這種能量分辨探測器例如是在Llopart， X.，等人的"First test measurements of a 64k pixel readout chip working in a single photon counting mode", Nucl, Inst, and Meth. A， 509 (1-3): 157-163， 2003和Llopart, X.，等人的 "Medipix2: A 64-k pixel readout chip with 55 mum square elements working in a single photon counting mode",正EE Trans. Nucl. Sci. 49(5): 2279-2283， 2002 中描述的。優選的，采用該能量分辨探測器，以使得其對于至少三個不同 能量元提供至少三個能量分辨探測信號。然而，具有更高的能量分辨率以 提高CT成像系統的靈敏度和噪聲魯棒性也是有好處的。
所述多個能量分辨探測信號的方程組優選通過使用數值計算方法來求 解。 一種優選方法是最大似然方法，其考慮了測量的噪聲統計。
在另一個優選實施例中，使用了這樣一種模型，其中考慮了多個能量 元中每個的X射線源的發射光譜和X射線探測器的光譜靈敏度。這導致計 算的分量的更高精度，以及因此導致重建圖像的更高精度。
優選的，依照本發明的CT成像系統用于造影劑的直接測量，諸如在 醫學成像中使用的造影劑。這得到了 CT成像的多個新的臨床特征，諸如 絕對血液容積測量或是腦灌注成像。這可以增強血管造影術的對比度，并 可以區別充滿造影劑的腔和血管中的鈣斑。例如，優選的造影劑包含碘， 甚至更加優選的，由于處于更高能量的K邊緣效應，包括釓。本發明還可 以用于分子成像，來重建示出特定物質的圖像，諸如注入病人體內的特定 造影劑，其中該病人僅減少(dock)為某些細胞或其他目標，諸如腫瘤細胞或 是纖維蛋白。根據本發明的方法因此可以助于或是用于所關注區域內這種 細胞的定量測量。
除了K邊緣圖像之外，還優選的是，在另一個實施例中，通過使用光 電效應分量和康普頓效應分量來重建光效應圖像和/或康普頓效應圖像，其 中上述分量可以通過求解上述方程組而確定。
將參照附圖來更加詳細地說明本發明，其中
圖1示出依照本發明的CT系統的表示性概要圖，
圖2示出對于碳的光電效應和康普頓效應的光子能量的線性衰減系數
7圖3示出對于釓的包括K邊緣效應的光電效應的光子能量的線性衰減 系數的例子，
圖4示出用于模擬的數學模型，以及
圖5示出使用圖4所示的模型獲得的模擬結果。
圖1所示的CT系統包括桶架，其可以關于轉軸R旋轉，轉軸平行于z 方向延伸。輻射源2，例如X射線管安裝在桶架1上。X射線源設置有準 直器設備3，其從X射線源2產生的輻射形成錐形輻射束4。在圓柱形檢查 區5中的所關注區域內，輻射穿過諸如病人的對象(未示出)。在穿過檢查區 5之后，X射線束4入射到能量分辨X射線探測器單元6上，在此實施例 中，該探測器單元是安裝在桶架1上的二維探測器。
通過馬達7優選以恒定但可調節的角速度來驅動桶架1。將設置另一個 馬達8來在平行于旋轉軸R或是z軸的方向上移動該對象，例如該對象是 設置在檢查區5中病人臺上的病人。通過控制單元9來控制這些馬達7、 8， 例如使得輻射源2和檢査區5沿著螺旋狀軌跡相對于彼此移動。然而，還 可以使得檢查區5或對象不移動，而是僅使得X射線源2旋轉。
通過探測器6獲得的數據被提供給圖像處理設備10用于圖像處理，具 體的說，用于重建對象(例如病人)中物質的K邊緣圖像，該物質例如是顯 影劑。在臨床應用中想要這種K邊緣圖像，因為其攜帶特定信息并在醫學 圖像中表現出較高對比度，并因此使得可以進行所需的某些應用。重建的 圖像最終可以被提供給顯示器ll來顯示圖像。同樣，優選通過控制單元9 來控制該圖像處理設備。
在下面，將更加詳細地說明依照本發明提出的圖像處理。圖像處理設 備10的輸入是對于多個、至少三個能量元的能量分辨探測信號dj。這些探 測信號di示出第i能量元bi的光譜靈敏度Di(E)。此外，通常多色X射線管 2的發射光譜T(E)是己知的。在圖像處理設備中，尤其是在計算單元12中， 掃描對象隨后被建模為光譜P(E)的光電效應、光譜C(E)的康普頓效應、以 及所關注能量范圍中K邊緣和光譜K(E)的物質(例如造影劑)的線性組合。
在圖2中示例性地示出對于碳的光譜P(E)、 C(E)和T(E)。在圖3中示出包括釓的K邊緣、與能量相關的光譜。在每個探測信號di中，對于每個 分量的密度長度的積，尤其是對于光效應分量p，康普頓效應分量c以及K
邊緣分量k來說，就這樣以離散線性系統的方式建模為
d「J dE T(E)聰)(p P(E))+c C(E)+k K(E))。
由于對于至少三個能量元b,七3來說，至少有三個探測信號山-d3可用， 因此就形成具有三個未知量的至少三個方程的方程組，該未知量可以通過 計算單元12中的已知數值計算方法求解。如果有多于三個可用能量元，優 選使用最大似然方法，其考慮測量的噪聲特征。這就導致尤其對于p， C和
k分量來說，可以隨后在重建單元13中使用，以通過常規重建方法來重建 所需的分量圖像，尤其是用于重建K邊緣圖像。
通常，三個能量元是足夠的。然而，為了增加靈敏度和噪聲魯棒性， 優選具有較高能量分辨率，即，具有對于更多能量元的更多探測信號。
圖4示出用于模擬的數學模型。該模型包括充有水的圓柱體。該圓柱 體包括七個較小圓柱體，較小圓柱體中具有不同濃度的顯影劑(軋雙銨 C16H13GdN508，具有約5787g/mol的分子量)。使用這個模型已經做出了計 算機模擬的光譜CT測量。依照本發明的方法來處理獲得的數據。結果如 圖5所示。
圖5A示出對于Gd的K邊緣圖像。圖5B示出計算出的水的圖像，其 中應該只示出水。從圖5A所示可以看出，除了假象(artefacts)之夕卜，K邊緣 圖像很正確地示出在小圓柱體中的造影劑的不同濃度。水圖像的小圓柱體 中不同的灰度值(圖5B)示出沒有被造影劑取代的剩余部分的水。
本發明使得可以直接測量注入病人體內的造影劑。如上所述，很多不 同的臨床上的應用因此成為可能，并且不需要很高的技術難度，諸如單色 X射線源。
權利要求
1.一種CT成像系統，用于對所關注對象中存在的物質進行成像，該系統包括多色X射線源(2)，用于發射多色X射線輻射(4)，能量分辨X射線探測器(6)，用于探測穿過所述對象之后的X射線輻射(4)，并提供對于多個能量元(bi)的多個能量分辨探測信號(di)，計算單元(12)，使用將探測信號描述為所述物質的K邊緣效應、光電效應和康普頓效應的組合的所述探測信號(di)的模型，通過求解對所述多個能量分辨探測信號(di)的方程組來確定所述物質的K邊緣分量(k)，其中每種效應對所述探測信號貢獻相應的分量(p，c，k)，以及重建單元(13)，用于根據在不同探測器位置獲得的所述物質的計算的K邊緣分量(k)，來重建所述物質的K邊緣圖像。
2、 如權利要求1所述的CT成像系統，其中，所述能量分辨探測器(6)用于對至少三個不同的能量元(bi)提供至 少三個能量分辨探測信號。
3、 如權利要求1所述的CT成像系統，其中，所述計算單元(12)用于使用數值計算方法，尤其是最大似然方法 來求解所述方程組。
4、 如權利要求1所述的CT成像系統，其中，所述計算單元(12)用于使用這樣一種模型，其中該模型考慮所述 多個能量元中每個的所述X射線源(2)的發射光譜以及所述X射線探測器(6) 的光譜靈敏度。
5、 如權利要求1所述的CT成像系統，其中，所述物質是注入所述所關注對象的造影劑，所述所關注對象具 體可以是病人。
6、 如權利要求5所述的CT成像系統， 其中，所述造影劑包括碘或釓。
7、 如權利要求1所述的CT成像系統，其中，所述計算單元(12)用于通過求解所述多個能量分辨探測信號(di) 的所述方程組，來確定所述光電效應分量和/或所述康普頓效應分量，以及其中，所述重建單元(13)用于根據在不同探測器位置獲得的所述計算的 光電效應分量和/或所述康普頓效應分量，來重建光電效應圖像和/或康普頓 效應圖像。
8、 一種在CT成像系統中使用的圖像處理設備，該CT成像系統用于 對所關注對象中存在的物質進行成像，給所述圖像處理設備提供對于多個 能量元(bi)的多個能量分辨探測信號(di)，通過能量分辨X射線探測器(6)來 探測多色X射線源發出的、穿過所述對象之后的多色X射線輻射(4)，從而 獲得所述探測信號，該設備包括計算單元(12)，使用將探測信號描述為所述物質的K邊緣效應、光電 效應和康普頓效應的組合的所述探測信號(di)的模型，通過求解對所述多個 能量分辨探測信號(di)的方程組來確定所述物質的K邊緣分量(k)，其中每種 效應對所述探測信號貢獻相應的分量(p，c,k)，以及重建單元(13)，用于根據在不同探測器位置獲得的所述物質的計算的K 邊緣分量(k)，來重建所述物質的K邊緣圖像。
9、 一種在CT成像系統中使用的圖像處理方法，該CT成像系統用于 對所關注對象中存在的物質進行成像，給所述圖像處理方法提供對于多個 能量元(bi)的多個能量分辨探測信號(di)，通過能量分辨X射線探測器(6)來 探測多色X射線源(2)發出的、穿過所述對象之后的多色X射線輻射(4)而 獲得所述探測信號，所述方法包括下面的步驟使用將探測信號描述為所述物質的K邊緣效應、光電效應和康普頓效 應的組合的所述探測信號(di)的模型，通過求解對所述多個能量分辨探測信號(di)的方程組來確定所述物質的K邊緣分量(k)，其中每種效應對所述探測 信號貢獻相應的分量(p,c，k)，以及根據在不同探測器位置獲得的所述物質的計算的K邊緣分量(k)，來重 建所述物質的K邊緣圖像。
10、 一種計算機程序，包括程序代碼模塊，在計算機上運行所述計算 機程序的時候，該程序代碼模塊使得計算機執行權利要求9所述方法中的 步驟。
全文摘要
本發明涉及一種CT成像系統，用于對例如病人的所關注對象中存在的物質、例如造影劑進行成像。為了提供一種涉及有限的技術難度和成本但是導致對比度增強、并可以對所關注對象內物質成像的CT成像系統，所提出的CT成像系統包括多色X射線源(2)，用于發射多色X射線輻射(4)；能量分辨X射線探測器(6)，用于探測穿過所述對象之后的X射線(4)，并提供對于多個能量元(b<sub>i</sub>)的多個能量分辨探測信號(d<sub>i</sub>)；計算單元(12)，使用將探測信號描述為所述物質的K邊緣效應、光電效應和康普頓效應的組合的所述探測信號(d<sub>i</sub>)模型，通過對所述多個能量分辨探測信號(d<sub>i</sub>)解方程組來確定所述物質的K邊緣分量(k)，其中每種效應對所述探測信號貢獻相應的分量(p，c，k)；以及重建單元(13)，用于從在不同探測器位置獲得的所述物質的計算的K邊緣分量(k)，來重建所述物質的K邊緣圖像。本發明還涉及相應的圖像處理設備和方法。
文檔編號A61B6/03GK101495040SQ200680034705
公開日2009年7月29日 申請日期2006年9月12日 優先權日2005年9月22日
發明者R·普羅克紹 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司