計算機斷層攝影X?射線顯微鏡系統中譜表征的方法和系統與流程
背景技術：
x-射線計算機斷層攝影(ct)是一種用于檢查和分析樣品的內部結構的非破壞性技術。一般來說，當x-射線穿過樣品時，x-射線被樣品吸收或散射。沒有被吸收或散射離開的x-射線透射通過樣品，并且然后被檢測器系統檢測。在檢測器系統形成的圖像被稱為x-射線投影。經由標準的ct重建算法，比如濾過反向投影算法(fbp)，從這一系列的不同角度的投影得出層析成像體積數據集。
某些x-射線ct系統使用多色x-射線源來生成所述x-射線投影。多色x-射線源包括x-射線管(實驗室光源)、白色同步加速器束或基于加速器的光源。總體而言，從這些光源發射的多色x-射線束包括具有許多不同能量的x-射線。這些x-射線的根據能量的分布規律一般叫做該射束的譜。多色x-射線束與只包括一種能量或很窄的能量范圍的x-射線的單色射束是不一樣的。
白色同步加速器束即為一種多色x-射線源。隨著電子通過所述同步加速器加速，所述電子以很窄的與環相切的角度釋放出強烈的“白色”的多色輻射。該射束包括從柔和的紫外線到強烈的x-射線的輻射。可以通過應用濾波器，比如傳遞/反射選定能量的輻射的晶體單色器和/或x-射線鏡，就可以從所述白色多色射束中創建單色x-射線源。
實驗室光源，比如x-射線管也可以產生多色x-射線，一般使用固定或旋轉陽極。在真空管中，燈絲(比如鎢絲)作為陰極而金屬靶作為陽極。在所述陰極上施加高電壓(加速)，在所述陰極和陽極間創建高電勢。這使得電子在真空中從陰極向陽極流動并加速。電子與所述陽極材料碰撞并加速所述陽極材料中的其他電子、離子以及核子。這一過程生成x-射線。x-射線管產生的x-射線的譜是依據所述陽極靶材料和所述加速電壓的結果。所述譜的特征在于連續地制動輻射譜(“剎車輻射”)x-射線，以及因為陽極材料芯電子去激發和離子化產生的特定頻率的次級x-射線輻射，也叫x-射線熒光(xrf)。所述次級x-射線輻射或x-射線線為陽極材料中所用的金屬所特有。所述制動輻射是主要的x-射線，可以用作多色x-射線源，而x-射線濾波器和/或x-射線鏡可以應用在所述特征x-射線輻射和/或所述制動輻射以產生單色x-射線，如實施例所述。
x-射線源發射的x-射線譜在使用所述x-射線源的期間會隨著時間改變。例如，在x-射線管中，由于所述電子撞擊所述陽極靶材料，靶材料的某些部分會燒蝕或剝落。這造成靶子隨著時間的過去發生質量損失(例如變得單薄)。這一現象也叫做“光源靶燒毀”。隨著所述靶子變得單薄，所述靶子傳遞的低x-射線能量的x-射線越來越多，由此造成所述x-射線的x-射線譜隨著時間過去發生改變。
在x-射線ct系統中使用多色x-射線束是有優勢的。使用多色x-射線光的主要優勢在于，對于給定的光源，多色x-射線束一般比單色x-射線更強。這是因為避免了有損耗的能量濾波器。
但是使用多色x-射線束也有劣勢。與單色光不同，多色x-射線的所述x-射線吸收通常與樣品材料的厚度不成比例。這是因為當射束穿過樣品的時候，所述多色x-射線束的較低x-射線能量相對較低x-射線能量被樣品吸收更多。因此，在使用多色x-射線束生成x-射線投影的時候，使用一種叫做束硬化(bh)的處理。束硬化與x-射線譜中隨著x-射線穿過樣品朝著更高的x-射線能量的改變有關。
在從多色x-射線到斷層攝影重建的期間，束硬化常常產生偽影。束硬化生成的典型偽影包括杯突偽影以及條紋偽影。一般而言，樣品中具有較高原子序數(z)的元素，比如金屬，在斷層攝影重建影像中比原子序數低的元素會產生更多的bh偽影。
為了減少或防止多色x-射線束創建的斷層攝影重建中的偽影，對系統的x-射線源發射的x-射線的精確能量譜有先驗知識，以及對不同x-射線能量上的檢測系統的一個或多個檢測器的靈敏度有先驗知識是非常重要的。因此，在使用多色x-射線源的x-射線ct系統創建的樣品的斷層攝影重建的偽影減少中，x-射線源譜測量或估計通常是關鍵問題。
對于x-射線成像/ct系統中x-射線源給定的加速電壓(kvp)、預濾器和檢測器的組合，典型的譜測量和估計方法如下：1)使用已知的標準體模(比如步進式光楔體模和錐體模)獲取x-射線透射測量結果；以及2)通過某些迭代算法(例如期望最大化<em>算法)，基于所述透射測量結果估計該組合的實際譜。一般而言，用蒙特卡洛模擬譜作為初始輸入。參見l.zhang,g.zhang,z.chen,y.xing,j.chengandy.xiao,"x-rayspectrumestimationfromtransmissionmeasurementsusingtheexpectationmaximizationmethod,"2007ieeenuclearsciencesymposiumconferencerecord,m13-293,3089-3993；ande.sidky,l.yu,x.pan,y.zouandm.vannier,"arobustmethodofx-raysourcespectrumestimationfromtransmissionmeasurements:demonstratedoncomputersimulated,scatter-freetransmissiondata,"journalofappliedphysics97,124701(2005)。這兩篇文章都在此引用。
技術實現要素：
當前x-射線ct系統中的x-射線源譜測量和估計有不足之處。因為當前大多數靈活的x-射線ct系統支持多個加速電壓、預濾器和/或檢測器，所述透射率測量程序必須針對所述加速電壓、預濾器和/或檢測器的每個組合重復。因此，對所述不同組合的x-射線源譜測量和估計是非常消耗時間的。
而且，基于體模的x-射線源譜測量/校準不適于長期斷層攝影。因為x-射線源產生的所述x-射線的能量譜會隨著時間改變(甚至在掃描期間就改變)，長期掃描一般要求至少有一次使用標準體模測量x-射線源發射的x-射線的能量譜的改變的掃描中再校準。為了這一目的，操作人員一般會停止掃描，從x-射線ct系統中移除樣品(一般也包括樣品座)，并將一個標準體模置于光路中以執行x-射線源譜測量。完成所述一次或多次校準之后，操作人員移除所述體模，更換包含樣品的樣品座并恢復掃描。這種x-射線源譜校準不方便、耗時久，并且可能在樣品更換并恢復掃描之后生成的斷層攝影重建中造成誤差。如果這些樣品沒有被精準地如譜再校準之前一樣地放置在光路中，則可能產生這些誤差。
x-射線源發射的x-射線的譜是x-射線ct系統的主要特征。因而，x-射線源譜校準以及測量可以被用作這些系統的問題或維護方面的診斷。
本發明是簡化的x-射線譜測量估計的系統和方法。本發明利用一些預濾器，所述預濾器作為x-射線源譜測量和/或校準工具具有不同的材料和/或不同厚度，而非使用傳統的步進式光楔體模或錐體模。在一個實施例中，所述x-射線源譜的測量和校準使用x-射線ct系統的標準濾光輪組件。所述濾光輪一般包括一打或以上的位于x-射線源輸出點附近的預濾器。所述預濾器用于在x-射線束入射到樣品之前將x-射線束中的具有不同能量的x-射線移除。本發明的實施例的另一方面是關于在x-射線ct系統的計算機系統中執行的軟件程序。
因為x-射線ct系統不在真空中操作，而是使用空氣作為x-射線束的透射媒介，在使用所述濾光輪的具有不同厚度/密度的預濾器的時候，所述x-射線ct系統必須考慮由空氣分子造成的少量的x-射線吸收。為了這一目的，優選地，所述預濾器中的一個是所述濾光輪中的一個空斑，也叫做空氣預濾器。根據本發明的原理，先獲取x-射線源透射測量。出于這個目的，所述x-射線ct系統中沒有放置樣品或者所述樣品被移出所述x-射線源的光路，并且獲取對濾波器、x-射線能量以及至少一個檢測器的不同組合的透射測量結果。一般先做所述空氣預濾器的所述測量，然后進行對不同材料和/或非零厚度的預濾器的透射測量。每個預濾器的透射曲線是根據所述透射測量繪制，每個預濾器的衰減曲線是根據所述相關的透射曲線繪制的，并且隨后根據所述衰減曲線創建一個基線譜集。所述基線譜包括譜，創建所述譜是用于每個預濾器的衰減曲線并與所述每個預濾器有關，包括所述空氣預濾器。
然后，在所述x-射線ct系統的操作期間(例如在掃描樣品的期間)，每個預濾器的透射值，例如空氣預濾器的透射值，會被測量并跟同一預濾器在所述基線譜集中的相關透射值進行比較。這一比較被用來決定所述x-射線源的x-射線譜是否已經隨著時間發生改變，即自計算了所述基線譜以來是否已經隨著時間發生改變。如果所述比較顯示所述x-射線譜已經發生改變，本發明可以用來通過估計所述x-射線源發射的x-射線的譜發生的改變來進行校準。
為了這一目的，可以通過僅對一些(例如2或3個)選定的預濾器進行新的透射測量來估計所述x-射線源譜發生的改變。為了這個估計，所述新的透射測量結果隨即被“擬合”相應的透射曲線(例如衰減曲線)，從中創建所述基線譜。然后這些經計算的譜被用在所述樣品的投影所決定的所述斷層攝影重建的計算中。在別的應用中，這些經計算的譜被用來診斷所述x-射線源的問題，或者評估x-射線源的目標(例如實驗室x-射線管的陽極)的剩余壽命。
采用本發明的原理可以取得數個優勢。首先，所述新的譜測量和校準方法不需要標準的比如步進式光楔體模和錐體模，而所述步進式光楔體模和錐體模對于現有的譜測量方法是必須的。其次，不再需要像現有的譜測量方法那樣去暴力測量x-射線源加速電壓、預濾器和檢測器的每個不同組合的衰減曲線。取而代之的是源加速電壓和預濾器和檢測器的不同組合的所有的衰減曲線可以基于更少的、現有測量方法對至少一個源加速電壓和預濾器和至少一個檢測器不同組合的測量來計算。操作者可以將數個或者全部的加速電壓、預濾器和檢測器的組合的譜存檔，但是一次只使用一個用于斷層攝影。第三，因為不再需要用體模置換出樣品(或者說樣品和樣品座)然后更換所述樣品并恢復掃描，因為所述樣品的不完全的對準給所述斷層攝影重建造成誤差的可能性被大大降低。
本發明提出的譜測量和估計方法可以用來排除和減少所述標準步進式光楔體模或錐體模的使用。取而代之地，現有x-射線ct系統的濾光輪可以被用來完成同樣的目標，而可能僅需要針對必要的預濾器組選擇和/或改變所述濾波器。這簡化了譜測量。
本發明提出的所述系統和方法要求進行的譜測量較之現有系統的方法也更少。相反，使用ct系統x-射線的預濾器、加速電壓和檢測器的不同選擇，可以基于少至2次或3次掃描來估計加速電壓和預濾器和檢測器的多個不同組合的譜。這極大地節約了時間。
最后，所述提出的系統和方法排除了現有x-射線源譜校準方法因為要向x-射線ct系統中裝入體模并更換樣品回x-射線ct系統而引起的潛在計算誤差。例如，當前方法通常要求從系統中移除所述樣品座以及樣品并將所述體模置于所述系統以執行所述x-射線源校準，以及隨后再將所述樣品座和樣品放回所述系統以完成對該樣品的掃描。這一過程是添亂并耗時的。相反，有了本發明提出的方法，操作人員一般僅需將所述樣品轉出所述x-射線ct系統的光路以執行所述校準步驟，然后再以之前存儲的樣品對準設置將所述樣品轉回到所述光路中以執行所述掃描。所述樣品無需從所述x-射線ct系統中移除。
總體而言，根據一個方面，本發明的特征是x-射線ct系統中的x-射線譜測量和估計方法。本方法確定至少一個x-射線加速電壓、濾波器和至少一個檢測器的多個不同組合的從x-射線ct系統的x-射線源發射的x-射線的基線譜。在所述x-射線ct系統操作期間，監測所述x-射線以確定所述x-射線源譜的改變，并且響應于確定所述x-射線源譜已經發生改變而基于一個或多個濾波器，比如至少2或3個濾波器的測量透射值來計算新的基線譜。
優選地，所述方法用于斷層攝影重建和束硬化校正。該方法還能用于多能量計算機斷層攝影以及用于診斷所述x-射線ct系統。
在一個實施例中，所述方法監測所述x-射線以通過使用x-射線加速電壓、一個濾波器和檢測器的組合來獲取透射值，再將所獲取的透射值與以所述x-射線加速電壓、所述一個濾波器以及所述檢測器的相同組合的基線譜內的透射值進行比較。
一般而言，所述方法確定所述基線譜是通過使用x-射線加速電壓、濾波器和檢測器的組合來獲取透射測量結果，并從透射曲線計算每個所述濾波器的衰減曲線。
所述方法確定所述基線譜此外或另外還可以通過基于x-射線加速電壓、濾波器和檢測器的組合獲取的透射測量結果計算每個所述濾波器的衰減曲線，再將期望最大化(em)算法用于所述衰減曲線。
所述方法計算新的基線譜是通過識別用于測量至少2或3個濾波器的透射值的加速電壓以及檢測器的組合，以所識別的加速電壓和檢測器組合來來測量空氣濾波器的透射值，再使用所述空氣濾波器的所述透射值以及所述至少2或3個濾波器的所述透射值來創建透射曲線并從所述透射曲線中創建衰減曲線。
所述方法計算新的基線譜是此外或另外通過從所述基線譜以通常的加速電壓和檢測器組合來選擇空氣濾波器譜，針對所選擇的空氣濾波器譜來擬合所述衰減曲線，再使用em算法，在所擬合的衰減曲線內以所述通常的加速電壓和檢測器組合根據所述空氣濾波器譜來估計所述空氣濾波器的校正譜。
所述方法計算新的基線譜是此外或另外通過使用所述測量的至少2或3個濾波器的透射值來創建空氣濾波器的估計的校正譜，再從所述空氣濾波器的所述估計的校正譜來計算所述新的基線譜。
所述方法優選在沒有幻影體模存在的情況下完成至少基于測量2或3個濾波器的測量透射值來計算新的基線譜模。
所述方法此外還可以在掃描所述樣品的期間使用所述基線譜以及所述新的基線譜以校正所述樣品的斷層攝影重建中的束硬化。
一般而言，根據另一方面，本發明的特征是x-射線顯微鏡系統中的x-射線譜測量和估計方法，針對諸如以下的應用：斷層攝影重建、束硬化校正、多(雙)能量計算機斷層攝影(ct)以及x-射線顯微鏡系統診斷。所述方法確定x-射線源加速電壓、預濾器和/或檢測器的組合的譜。在操作所述x-射線顯微鏡之前，通過測量多個預濾器的透射值而從所測量的透射值，估計或計算所述源加速電壓、預濾器和/或檢測器的組合的譜。
一般而言，根據另一方面，本發明的特征是x-射線ct系統，所述x-射線ct系統包括x-射線成像系統以及計算機系統，所述計算機系統具有控制器，配置用來控制所述x-射線ct系統的組件。所述x-射線成像系統包括x-射線源、濾波器以及檢測器系統。所述計算機系統確定以x-射線源的x射線加速電壓、濾波器以及所述檢測器系統的檢測器的不同組合的從所述x-射線源發射的x-射線的基線譜；監測所述x-射線以確定所述x-射線源譜的改變；并且響應于確定所述x-射線源譜已經改變而基于測量一個或多個濾波器，例如至少2或3個濾波器的透射值來計算新的基線譜。
優選地，所述新的基線譜用于斷層攝影重建和束硬化校正。所述新的基線譜還可以用于多能量計算機斷層攝影和所述x-射線ct系統診斷。
在一個實施例中，所述計算機系統確定x-射線源譜的改變是通過使用x-射線加速電壓、一個濾波器以及檢測器的組合來獲取透射值，再將所獲取的透射值與以所述x-射線加速電壓、所述一個濾波器以及所述檢測器的組合的在所述基線譜內的透射值進行比較。
所述計算機系統確定所述基線譜是通過使用x-射線加速電壓、濾波器和檢測器的組合來獲取透射測量結果，使用所述透射測量結果計算每個所述濾波器的透射曲線，再從所述透射曲線計算每個所述濾波器的衰減曲線。
所述計算機系統確定所述基線譜此外或另外還可以通過基于使用x-射線加速電壓、濾波器和檢測器的組合獲取的透射測量結果來計算每個所述濾波器的衰減曲線，再將期望最大化(em)算法用于所述衰減曲線。
所述計算機系統計算新的基線譜是此外或另外通過識別用于測量所述至少2或3個濾波器的透射值的加速電壓和檢測器的組合，以所識別的加速電壓和檢測器組合來測量空氣濾波器的透射值，再使用所述空氣濾波器的所述透射值以及所述2或3個濾波器的透射值創建透射曲線并從所述透射曲線來創建衰減曲線。
參考附圖和權利要求，以下將更具體地說明本發明的上述和其他特征，包括部件的結構和組合的各種新穎細節以及其他優勢。應當理解體現本發明的具體方法和設備只是用作說明而非限制本發明。在不脫離本發明的范圍的情況下，本發明的原理和特征可以被用于各種和無數的實施例中。
附圖說明
在附圖中，附圖標記通過不同的視圖指示相同的部分。附圖不一定按照比例繪制；重點在于示出本發明的原理。圖中：
圖1是本發明的方法可適用的x-射線ct系統的示意圖；
圖2是具有濾波器的x-射線ct系統的示例性濾波輪(filterwheel)的示意圖；
圖3a是根據本發明的原理，用于獲取從x-射線ct系統的x-射線源發射的x-射線的基線譜集的方法的流程圖；
圖3b-1是用于x-射線ct系統的譜校準方法的流程圖，其中在執行樣品的單次短持續時間斷層攝影掃描期間，該方法應用來自圖3a的方法的基線譜集以生成樣品的譜校正投影；
圖3b-2是用于樣品的長持續時間掃描的譜校準方法的流程圖；
圖4是示出提供用于從圖3a、3b-1和3b-2的方法中的所選擇的加速電壓、預濾器和檢測器的組合計算譜的更多細節的方法的流程圖；
圖5示出包括作為用于air(即，空氣預濾器)測量的、he1預濾器測量的和he1預濾器計算的濾波器指數的函數的衰減值的不同衰減曲線的圖，；
圖6是作為x-射線加速能量(kvp)的函數的兩個不同的估計的校正x-射線能譜的圖；
圖7是從使用在70kvp，80kvp，90kvp，…，150kvp(這里僅示出70kvp，90kvp，110kvp，130kvp和150kvp)下的濾波器集的實際衰減曲線測量結果，用于更精細加速電壓的衰減曲線(即，衰減曲線是透射曲線的負對數)的內插的示例；以及
圖8示出了根據本發明的原理創建的x-射線ct系統的x-射線源譜的衰減曲線的曲線圖，其中已經確定x-射線源譜隨時間改變，并且其中可以利用僅使用兩個預濾器透射測量結果(le1和he5)創建的擬合的衰減曲線的圖以估計跨所有預濾器設置、加速電壓和檢測器組合的改變的x-射線能譜的校正。
具體實施方式
現在將參照附圖更全面地描述本發明，附圖中展示了本發明的說明性實施例。然而，本發明可能以許多不同形式實施，并且不應被解釋為限于本文所闡述的實施例；相反，提供這些實施例使得本公開將是詳細和完全的，并且將向本領域的技術人員充分地傳達本發明的范圍。
如本文所使用的，術語“和/或”包括一個或多個相關所列項目的任何和所有組合。此外，除非另有明確說明，本文中冠詞“一”，“一個”和“該”的單數形式也意為包括復數形式。還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包括”，“包含”，和/或包括，或指定所述特征的存在，整數，步驟，操作，元件和/或組件的存在，但不排除存在或添加一個或多個其它特征，整數，步驟，操作，元件，和/或組件。進一步地，應當理解的是，當包括組件或子系統的元件被稱為和/或示出為連接或耦合到另一元件時，它可以直接連接或耦合到另一元件，或者可以存在中間元件。
對于單色x-射線，比爾定律描述了當x-射線通過純凈物體時x-射線將被衰減：
i＝i0e-μt
其中i0是入射在物體上的x-射線強度，t是物體厚度，i是透射物體的x-射線強度，μ是物體的衰減系數(包括光電吸收和康普頓散射的效應，以及若x-射線能量>1.02mev時電子對效應)，其取決于樣品密度ρ，原子序數z，原子質量a和x-射線能量e。
上述公式可以用積分形式改寫：
i＝i0e-∫μ(l)dl，和
∫μ(l)dl＝-ln(i/i0)
其中l是穿過物體的束路徑。這完全滿足了ct重建算法的線積分需求。其結果是，對于單色x-射線不引入束硬化(bh)偽影。
另一方面，多色x-射線源在譜d(e)上生成x-射線。為簡單起見，d(e)也包括檢測器靈敏度的影響。物體的下游強度i由下式給出：
i＝i0∫d(e)e-∫μ(e,i)dlde
μ(e)通常是e的非線性函數，由下式給出：
由于μ(e)通常是能量e的非線性函數，來自多色x-射線源的x-射線的透射不能滿足ct重建算法的線積分需求。μhigh-energy<μlow-energy，意味著該材料相對于高-能量x-射線吸收“更多的”低-能量x-射線。通過樣品透射的衰減的x-射線的輸出譜看起來難以“移動”，被稱為束硬化(bh)。高-z金屬材料具有更嚴重的束硬化問題，導致在ct重建斷層攝影圖像中典型的金屬偽影。然而，如果從源發射的x-射線的譜是已知的或可以導出，可以在斷層攝影重建中減少或去除這些偽影。
圖1是本發明的方法可適用的x-射線ct系統100的示意圖，并且其通常易受束硬化問題影響。
一般來說，x-射線ct系統100包括生成多色x-射線束104的x-射線源102，以及具有樣品保持器112的旋轉臺110，用于將樣品114保持在來自x-射線源系統102的x-射線束104中。圖像或x-射線投影通過檢測器系統118捕捉。x-射線ct系統102、旋轉臺110和檢測器系統安裝到x-射線ct系統100的基座108。計算機系統200通常接收和處理這些圖像，并且提供系統100的一般控制。計算機系統200或專用圖形處理器通常將使用x-射線投影執行斷層攝影重建。
在一個示例中，x-射線源102是多色x-射線源。多色x-射線源優選是實驗室x-射線源，因為它的無處不在和相對低的成本。盡管如此，同步加速器源或基于加速器的源是另一種選擇。
常見的實驗室x-射線源包括x-射線管，其中電子在真空中通過電場加速并射入金屬靶片，隨著電子在金屬中減速而發射x-射線。通常，取決于所使用的金屬靶的類型，這樣的源產生與在某些能量的強度尖銳峰組合的背景x-射線(即軔致輻射)的連續譜，所述某些能量從靶的特征線得到。另外，x-射線束是分散的，并缺乏空間和時間相干性。
在一個示例中，x-射線源102是具有鎢靶的旋轉陽極型或微聚焦源。也可以采用包括鉬、金、鉑、銀或銅靶。優選地，使用x-射線源102的透射結構，其中電子束從薄靶103的背側撞擊薄靶103。從靶103的另一側發射的x-射線用作束104。
在另一個更特定的示例中，源102是結構化的陽極x-射線源，如在2008年10月28日授權給yun等人的美國專利號7443953中描述的，其內容通過引用整體并入本文。在yun中，該源具有由期望的靶材制成的薄頂層和由具有最佳熱性質的低原子序數和低密度材料制成的厚底層。陽極可以包括，例如，沉積在鈹或金剛石基底層上的具有最佳厚度的銅層。
還可以采用產生具有適合于本文所述的斷層攝影應用的能量的輻射的x-射線激光器。
在又一個示例中，x-射線源102是金屬射流x-射線源，例如可以從瑞典的excillumab，kista處獲得。這種類型的源使用微聚焦x-射線管，其中陽極是液體-金屬射流。因此，陽極是連續再生的并已經熔融。
由源102生成的x-射線束104具有通常通過源的操作參數控制的能譜。在實驗室源的情況下，支配參數包括靶材和加速電壓(kvp)。能譜也由抑制不需要的能量或輻射波長的任何調節濾波器支配。例如，使用例如能量濾波器(設計用于選擇期望的x-射線波長范圍/帶寬)來消除或衰減存在于束中的不期望的波長。
除了x-射線源102之外，本發明依賴于濾波器的可用性，該濾波器在與樣品114相互作用之前過濾x-射線束104(預濾器)。
在一個優選地實施例中，當前x-射線ct系統的標準濾波輪150內的濾波器被用作校準工具的預濾器。濾波輪150的濾波器被放置在x-射線束103的路徑中，并且被插入x-射線源102和樣品114之間。當前x-射線ct系統的操作者使用濾波器以修改和/或補償對于x-射線輸出的束硬化屬性。濾波輪150的濾波器用作測量工具的預濾器。
更詳細地，濾波輪150由計算機系統200的控制器210控制。濾波輪150包括框架155，其在控制器210的控制下經由其控制界面130在軸154上旋轉。經由濾波輪150的控制界面130，操作者可以選擇濾波輪150，以使輪150的濾波器中的一個與x-射線源系統102的靶103上的出口孔相鄰。以這種方式，所選擇的濾波器(在一個示例中，空氣預濾器)被對準以在與樣品114相互作用之前過濾束104。
圖2示出濾波輪150的一個實施例。濾波輪150包括安裝在框架155中的16個單獨的預濾器。這些預濾器包括六個增加厚度的材料#1濾波器(le1，le2，…，le6)和六個增加厚度的材料#2濾波器(he1，he2，…，he6)。為了測量最高能量，向預濾器集中添加3個增加厚度的材料#3濾波器(be1，be2，be3)和其它預濾器。這里，材料#1、#2和#3具有不同的密度。通常，材料#1具有用于過濾低能量x-射線的輕密度，材料#2具有用于過濾低能量和中能量x-射線的中密度，并且材料#3具有用于過濾全帶x-射線的重密度。最后，在濾波輪150中存在一個空的點156(即，空氣點或空氣預濾器)。
返回到圖1，當樣品114暴露于x-射線束104時，透射穿過樣品的x-射線光子形成由檢測器系統118接收的衰減的x-射線束106。在一些其它的示例中，諸如波帶板透鏡的物鏡用于在x-射線成像系統100的檢測器系統118上形成圖像。在替代的實施例中，檢測器系統是平板檢測器。
在檢測器系統118的最常見結構中，使用幾何放大，樣品114的放大投影圖像以等于源到樣品距離與源到檢測器距離之間的反比的放大率形成在檢測器系統118上。一般來說，由x-射線臺提供的幾何放大率在2x和100x之間，或者更大。在這種情況下，x-射線圖像的分辨率受到x-射線源系統102的焦點尺寸或虛擬尺寸限制。
為了實現高分辨率，x-射線ct系統100的一個實施例進一步利用檢測器系統118的非常高分辨率的檢測器124-1，結合將樣品114定位在靠近x-射線源系統102。在高分辨率的檢測器124-1的一個實施方式中，閃爍體與顯微鏡物鏡結合使用以提供在2x和100x之間，或者更大的范圍中的附加放大率。
可以包括其它可能的檢測器，作為在x-射線ct系統100中所示的檢測器系統118的一部分。例如，檢測器系統118可以包括一個較低分辨率的檢測器124-2，如圖1的所示的實施例中所示。在示例中，這可以是平板檢測器或具有較低放大率的顯微鏡物鏡的檢測器。檢測器系統118的一個、兩個或甚至多個檢測器124的結構是可能的。
優選地，兩個或更多個檢測器124-1、124-2安裝在檢測器系統118的轉臺122上，使得它們可以交替地旋轉到來自樣品114的衰減的束106的路徑中。
通常基于操作者限定的參數，計算機系統200的控制器210經由控制界面130指示旋轉臺110以在x-射線源系統102校準期間將樣品114移出束路徑。在完成校準部分之后，控制器210將樣品114移回到束路徑中并相對于束104旋轉樣品114，以執行樣品114的ct掃描。
在一個示例中，檢測器系統118創建來自與檢測器系統118的檢測器124-1、124-2中的閃爍體交互的衰減的x-射線束106的x-射線光子的像素中的圖像表示。在檢測器系統118處形成的該圖像被稱為x-射線投影或x-射線投影圖像。
在一個示例中，計算機系統200包括圖像處理器220，其分析x-射線投影并且可能執行從x-射線投影創建的斷層攝影重建所需的計算。連接到計算機系統200的顯示裝置240顯示來自x-射線ct系統100的信息。諸如觸摸屏、鍵盤和/或計算機鼠標的輸入裝置250實現在操作者、計算機系統200和顯示裝置240之間的交互。
計算機系統200從連接到計算機系統200的數據庫260來加載信息并將信息存儲到數據庫260。
在一個示例中，使用在計算機系統200上執行的在顯示裝置240上顯示其界面的用戶界面應用，操作者限定/選擇ct掃描或校準參數。這些包括x-射線加速電壓設置，和用于限定x-射線源系統102上的掃描和曝光時間的x-射線能譜的設置。操作者通常還選擇其它設置，例如為樣品114創建的x-射線投影圖像的數目和用于旋轉x-射線束104中的x-射線ct掃描的樣品114的旋轉臺110的角度。
計算機系統200，借助于其圖像處理器220，接受來自檢測器系統118的與樣品114的每個旋轉角度相關聯的圖像或投影信息。圖像處理器220為樣品114的每個旋轉角度創建單獨的投影圖像，并且使用ct重建算法結合投影圖像以為樣品創建三維斷層攝影體積信息。
為了補償束硬化，在執行樣品114的掃描之前必須知道x-射線源系統102的譜，以減少由x-射線ct系統100用于樣品114生成的投影和/或斷層攝影重建中的偽影。
圖3a示出了用于估計x-射線源系統102的譜的校準方法。然后，這些估計的譜由圖像處理器220使用，以生成具有減少的偽影的樣品114的斷層攝影重建。在該方法期間，樣品114旋轉或移出束104路徑。
在步驟308中，計算機系統200從操作者接收指令，以選擇空氣濾波器、n個附加濾波器以及x-射線源系統102的不同加速電壓和檢測器的不同組合/對m，并且將指令傳遞到控制器210。需要用于一個加速電壓和一個檢測器的至少一對m。
在步驟310中，控制器210選擇x-射線源系統102的檢測器124-1/124-2和能量設置(例如加速電壓(kvp))的組合/下一對m。然后，在步驟312中，控制器210經由濾波器150的控制器界面130發送信號以旋轉濾波輪150，直到air預濾器156進入束104的路徑中。
在步驟314中，獲取用于當前所選擇的濾波器(這里是air預濾器156)透射值，并且將該透射值儲存到用于air預濾器的緩沖器。
然后，在步驟316中，濾波輪150旋轉到下一個所選擇的預濾器，并且該方法轉換回到步驟314，以使用在步驟310中所選擇的(加速電壓、檢測器)設置的相同對m來獲取用于下一個預濾器的透射值。對于除空氣濾波器156之外的n個附加濾波器執行步驟314和316n次。這由附圖標記317-n表示。在步驟314的每次通過結束時，然后將在指定(加速電壓、檢測器)設置下的(當前)預濾器的透射值存儲到用于當前預濾器的緩沖器。在迭代處理步驟314/316在(加速電壓、檢測器)設置的相同對m上重復n次之后，方法轉換回到步驟310，以獲取(加速電壓、檢測器)設置的下一對m。這由附圖標記319-m表示。然后執行步驟310、312和314/316，并且計算對于空氣預濾器156和下一個預濾器的透射值，并將其存儲到它們各自的緩沖器。重復步驟310、312和314/316直到m次，對應于(加速電壓、檢測器)所選擇的m對的數量。
在步驟320中，從每個預濾器的透射值的緩沖器創建對于每個預濾器的透射曲線，并且從每個透射曲線計算衰減曲線。每個透射/衰減曲線與不同的預濾器(le1，le2，...，le6，he1，he2，...，he6，be1，be2，be3和air156和可能的其它濾波器)相關聯。每個預濾器的衰減曲線是其相關聯的透射曲線的負對數。然后，將每個預濾器的透射值、透射曲線和衰減曲線的緩沖器作為吸收參考數據230存儲到計算機系統200和/或數據庫260。
根據步驟321，然后計算機系統200通過將期望最大化(em)算法應用于衰減曲線來計算x-射線源譜的估計，也稱為基線譜集354。為此目的，在一個示例中，利用具有特定吸收邊緣的蒙特卡羅模擬譜作為em算法的初始輸入，使得算法可以更快地收斂。在圖4的方法中提供了使用em算法的基線譜集354的計算的更多細節，其描述包括在下文中。
然后在樣品114的后續x-射線掃描期間，可以應用基線譜集354以修復束硬化偽影，否則該束硬化偽影可能出現在從樣品114的掃描創建的斷層攝影重建中。一般來說，一旦獲取基線譜集354，除非更換或更新x-射線管102(或其靶103)或檢測器124，否則包括重復步驟310-321的重新校準在每天或每次斷層攝影掃描中不是必需的。
注意，所選擇的加速電壓可以是以10kvp的間隔離散的，例如40kvp，50kvp，60kvp，...，160kvp。如果在實踐中需要某些指定的加速電壓，例如66kvp或115kvp，則可以通過使用基線譜354內插計算這些加速電壓的x-射線的譜。
圖3b-1和3b-2示出了用于創建結合x-射線源譜監測的樣品114的斷層攝影重建的簡化的工作流程。從通過掃描樣品114生成的x-射線圖像投影創建斷層攝影重建。圖3b-1的方法適用于樣品114的單次短持續時間掃描，而圖3b-2的方法適用于在較長的掃描持續時間相同樣品114的可能的多次掃描。
譜監測方面或功能確定在樣品114的掃描期間x-射線源102的譜是否已經充分改變，并且可以使用在圖3a的方法中創建的基線譜集354重新校準x-射線譜。圖3b-1和圖3b-2中的附圖標記360表示與譜監測功能相關聯的步驟，更簡單的稱為譜監測器360。譜監測器360包括步驟323和324。
圖3b-1和3b-2的方法包括類似的步驟，并且大體上以類似的方式執行。該方法通常由計算機系統200執行和控制，其中任何計算密集型活動可能由圖像處理器220或其它協處理系統執行。首先整體描述圖3b-1的方法，然后描述圖3b-2。
在圖3b-1中，根據步驟322，選擇指定的加速電壓、預濾器和檢測器作為樣品114的掃描的一部分。然后，在步驟323中獲取參考值。對于譜監測器360的設置，測量某個預濾器的透射值，以確定譜是否已經從由基線譜354指定的譜改變。在一個示例中，為了確定譜是否已經改變，將測量的透射值與吸收數據230中所選擇的預濾器、加速電壓和檢測器的相同組合的存儲的透射值進行比較。在另一個示例中，為了確定譜是否已經改變，將測量的透射值與在x-射線加速電壓、預濾器和檢測器的相同組合下的基線譜354內的透射值進行比較。
如果在步驟324中確定x-射線源102的譜沒有改變，則在步驟350中將樣品114旋轉到束路徑中，并且然后在步驟352-1中獲取投影。
然而，一般來說，使用時，x-射線源102的譜將改變。例如，如果掃描需要幾個小時或甚至幾天，將經常發生源靶燃燒導致的x-射線譜改變。因此一般來說，在較長持續時間的掃描中或不同掃描之間將需要多參考過程，以及由譜監測器360提供的譜監測。
如果在圖3b-1的步驟324中確定譜改變是顯著的，例如由于誤差或噪聲而與預期不同，則需要重新校準x-射線源102的譜，并且該方法轉換到步驟328以開始重新校準過程。在當前系統和方法中，必須重復使用幻影的典型譜測量結果以重新校準x-射線源102。相比之下，在x-射線ct系統100的優選實施例中，一旦經由圖3a的方法獲取基線譜集354，則采用以下譜重新校準方法。
根據步驟328，該方法選擇加速電壓和檢測器的組合。然后通過旋轉濾波輪150將air(空)濾波器156定位到束104路徑中。在步驟328結束之后的各個步驟中使用加速電壓和檢測器的相同組合或通常的設置。
在步驟330中，使用通常的設置獲取air濾波器透射測量結果。然后，在步驟332中，選擇兩個或三個或可能更多的非air預濾器用于定位到束104路徑中以測量以通常的設置的它們的透射值。在一個示例中，所選擇的預濾器之一與測量高透射值相關聯，并且所選擇的預濾器之一與測量最低透射值(<5％)相關聯。
在步驟333中，從在步驟330中獲取的空氣濾波器156的測量的透射值和從在步驟332中獲取的2或3個其它預濾器的測量的透射值創建透射曲線。然后從透射曲線創建衰減曲線。
根據步驟334，然后從基線譜集354選擇空氣預濾器譜，其中所選擇的空氣濾波器譜與加速能量和檢測器的組合相同，其作為先前步驟328、330和332中的“通常的設置”。所選擇的空氣預濾器譜由附圖標記“354-空氣”表示。
然后相對于該所選擇的空氣預濾器譜，354-空氣“擬合”衰減曲線。一般來說，為此目的可使用多項式擬合方法。
在步驟336中，該方法通過使用em算法從擬合的衰減曲線估計跨加速電壓和檢測器的所有組合的空氣預濾器的校正譜。em算法根據在來自步驟334的擬合的衰減曲線內的以“通常的設置”的空氣預濾器譜，創建空氣預濾器156的估計的校正譜。對于空氣預濾器的估計的校正譜的創建的更多信息包括在下面的圖4的描述中。
根據步驟340，該方法然后基于步驟336中創建的空氣預濾器的估計的校正譜，跨(加速電壓、預濾器、檢測器)的所有組合計算新的基線譜集354’。新的基線譜集354’校正/考慮在步驟324中檢測的x-射線源102的能譜的改變。
在完成步驟340時，該方法轉換到步驟350。
在步驟350中，樣品114旋轉或移回到束104路徑中，并且獲取投影，直到在步驟352-1中的斷層攝影掃描的結束或已經獲取預定數量的投影。
圖3b-2示出了在樣品114的長掃描中間如何重新獲取參考值。如圖3b-1的方法中，步驟322以(能量、預濾器、檢測器)設置的所選擇的元組執行樣品114的掃描，并且應用譜監測器360的步驟323、324以確定x-射線源102的能譜是否已經改變。如果譜已經改變，該方法轉換到步驟328以重新校準x-射線源102。否則，該方法轉換到步驟350并且將樣品114旋轉或移到束104路徑中，并且該方法轉換到步驟352-2以獲取樣品114的x-射線投影。
然而，與圖3b-1的方法中的步驟351-1不同，由于較長的掃描持續時間，步驟352-2獲取更多的樣品114的x-射線圖像投影。例如，在投影數量(預定數量)或預定掃描時間的閾值之后，樣品144旋轉或移出束路徑，并且該方法轉換回到步驟323以重新應用譜監測器360。在步驟323中，獲取新的參考值并且測量某個預濾器的透射值。這里再次基于測量的透射值與將從基線譜集354預測的透射值進行比較，在步驟324中確定x-射線源譜是否已經改變。
如果x-射線源譜沒有改變，在步驟350中樣品在束路徑中再次旋轉或偏移，以在步驟352-2中繼續收集預定數量的x-射線圖像投影。
圖4示出了用于計算圖3a的步驟321中的基線譜354的所選擇的加速電壓、預濾器和檢測器的組合的譜，用于計算步驟336中的空氣預濾器的估計的校正譜和用于計算在上述圖3b-1和圖3b-2的步驟340中的新的基線譜354’的方法。
該方法可以諸如由計算機系統200以及可能由圖像處理器220實現，作為軟件程序以生成具有減少的偽影的斷層攝影重建。在步驟340中，該計算將產生新的基線譜集354’，其將替換在圖3a的方法中計算的原始基線譜354。然后，例如，在優選實施例中，新的基線譜354’可以通過圖像處理器220用于樣品114的斷層攝影重建，其可以消除或顯著減少由于束硬化引起的斷層攝影重建中的偽影。
在步驟410中，獲取air透射曲線測量結果。現在，假設所選擇的加速電壓+air+檢測器的組合的譜(即air譜)是s0(e)，其中e表示能量。其結果是，在步驟412中，可以通過em算法基于由在步驟414中的幾個預濾器測量的衰減曲線估計該空氣譜s0(e)。
例如，濾波輪中有n個預濾器。它們由不同的材料(或一些由相同的材料但具有不同的厚度制成)制成。它們的線性衰減系數分別為μi(e)，i＝1,2,3，...，n，并且它們的厚度分別為ti，i1,2,3，...，n。
假設入射x-射線的強度(即，每單位時間的光子計數)是i0，其可以通過使用濾波輪中的空(空氣)點測量。通過旋轉濾波輪，穿過某個濾波輪的下游x-射線的強度為i1，i＝1,2,3，…，n，，然后測量所選擇的加速電壓+air+檢測器的組合的衰減曲線：
(i0/i0，i1/i0，i2/i0，…，ii/i0，…，in/i0)
s0(e)可以根據上述衰減曲線估計。
對于每個預濾器，提供s0(e)、i0、ii、ti和μi(e)之間的關系：
可以使用s0(e)來計算所選擇的加速電壓+預濾器+檢測器(即預濾器譜)的所有組合的衰減曲線。
注意譜改變監測和重新校準的工作流程也可用于x-射線ct系統診斷。例如，如果譜監測器360確定x-射線源102的x-射線譜已經改變，這可以表示x-射線管和/或檢測器沒有有效地操作或具有問題。然后可以使用根據圖4的方法創建的新的基線譜集354’以診斷x-射線ct系統100。
有兩種不同的方式以獲取如圖4所示的預濾器譜，由標記為“間接方式”和“直接方式”的路徑表示。
1)下面首先描述間接方式(更準確)。
根據步驟416，獲取預濾器透射曲線計算。為此目的，以第k個預濾器為例：假設原始濾波輪中的第k個預濾器總是在束路徑中，并且包括或可能由相同的預濾器集組成的另一個“虛擬”濾波輪作為譜測量工具，然后穿過原始濾波輪中第k個預濾器和“虛擬”濾波輪中的某個預濾器(由j表示)的下游x-射線的強度是：
ikj,j＝0,1,2,3,…,n，即，
當j＝0時，其意味著“虛擬”濾波輪中的空(空氣)點在束路徑中并且μ0(e)＝0且t0＝0，然后ik,j＝0意味著原始濾波輪中第k個預濾器的參考強度。
如果(2)除以(1)，即，
然后，
根據(3)，我們獲取與所選擇的加速電壓+第k個預濾器+檢測器的組合相關的衰減曲線：
(ik,j＝0/ik,j＝0,ik,j＝1/ik,j＝0,ik,j＝2/ik,j＝0,…,ik,j/ik,j＝0,…,ik,j＝n/ik,j＝0)
結果，在步驟418中，根據上述衰減曲線經由em算法可以估計所選擇的加速電壓+第k個預濾器+檢測器的組合的譜。
2)現在在下文中描述直接方式(近似的)。
步驟420描述了預濾器譜計算sk(e)的計算。sk(e)可以通過預濾器衰減的sk(e)直接計算如下：
直接方式提供具有短得多的計算時間的近似(例如校正的譜354’)。
圖5示出了衰減值的三個不同衰減曲線的圖，其中測量值作為air(即，空氣預濾器)測量的、he1預濾器測量的和he1預濾器計算的濾波器指數的函數。
x-射線源102使用的加速電壓是70kvp。在濾波輪150中有16個濾波器。還通過另一濾波器集(例如用于he1測量曲線)測量70kvp和he1預濾器的組合的衰減曲線。
從70kvp和air(air測量曲線)的組合的衰減曲線計算70kvp和he1(例如，he1計算曲線)的組合的衰減曲線。顯然，計算結果與測量結果非常一致。
圖6是作為能量(kvp)的函數的不同估計的校正x-射線源譜601和602的圖。估計的校正x-射線源譜601/602包括在部分地使用圖5中示出的衰減曲線創建的新的基線譜集354’中。每個估計的校正x-射線源譜601/602繪制以不同能量/加速電壓處以kvp為單位的x-射線光子的歸一化計數。
估計的校正譜601基于70kvp和空氣預濾器的組合的衰減值，并且其基于圖5的“air測量的”衰減曲線估計。以類似的方式，基于圖5中的“he1計算曲線”估計70kvp和he1預濾器602的組合的估計的校正譜。
圖7示出了從其創建基線譜354的衰減曲線的示例。假設通過使用具有不同厚度的材料#2濾波器來測量以10kvp的間隔離散的加速電壓，諸如70kvp，80kvp，...，150kvp的一些衰減曲線。得到的數據在作為以厘米為單位的濾波器厚度的函數的衰減的左側圖中示出。然后，對于更精細的離散的加速電壓，諸如75kvp，89kvp，...，114kvp等，可以平滑地內插衰減曲線的圖。這由作為加速電壓和濾波器厚度的函數的衰減的右側圖示出。
從x-射線源102發射的x-射線的譜可以隨著獲取的x-射線圖像投影而隨時間改變。例如，x-射線源靶燃燒將改變譜。
圖8示出了對于x-射線源102的衰減曲線的不同圖，其中從x-射線源102發射的x-射線的束的譜確定為隨著時間已經改變。衰減曲線包括“先前全測量結果”衰減曲線、“當前全測量結果”衰減曲線和擬合的衰減曲線。盡管衰減曲線在所有x-射線能量/加速電壓上創建，但是僅示出了所選擇的加速電壓(這里為60kvp)的衰減曲線。
在x-射線ct系統102的初始啟動期間，使用跨所有預濾器設置，加速電壓和檢測器組合獲取的透射測量結果，例如經由圖3a的方法，創建“先前全測量結果”衰減曲線。然后從“先前全測量結果”衰減曲線創建先前的基線譜354。
在確定x-射線源譜已經改變時，還使用跨所有預濾器設置、加速電壓和檢測器組合獲取的透射測量結果創建“當前全測量結果”衰減曲線，并且從“當前全測量結果”衰減曲線創建當前的基線譜354。
重要的是注意，“當前全測量結果”衰減曲線和相關聯的當前的基線譜354的創建不是必需的，并且這里僅為了參考和比較的目的而創建。具體地，當前的系統和方法通常必須執行該步驟以校正x-射線源102的x-射線源譜的改變。相反，根據圖3b-1/3b-2的方法，操作者可以基于以通常的加速電壓和檢測器組合的少至2或3個預濾器獲取的透射測量結果，估計跨所有預濾器設置，加速電壓和檢測器124組合的改變的x-射線譜的校正。
假設從先前的基線譜354提取60kvp+air+檢測器組合的衰減曲線。它在圖中被命名為“先前全測量結果”。在幾天之后，從x-射線ct系統100的x-射線源102發射的束的譜確定已經改變。
然而，在圖3b-1/3b-2的步驟332中僅需要2個，例如預濾器(le1和he5)的透射測量結果，以便估計跨預濾器設置、加速電壓和檢測器124的所有組合的x-射線束103中的x-射線的改變的譜的校正。根據先前的衰減曲線和兩個預濾器測量值擬合60kvp+air+檢測器的估計的衰減曲線，如圖中曲線“具有2-濾波器測量結果的擬合曲線”所示。
重要的是注意“擬合曲線”衰減曲線圖對應于“當前全測量結果”衰減曲線圖是多么接近。擬合的曲線衰減圖與對于相同所選擇的加速電壓的“當前全測量結果”衰減曲線幾乎完全重疊。
盡管已經參照的優選實施例具體示出和描述了本發明，但是本領域技術人員將理解，在不脫離所附權利要求所涵蓋的的本發明的范圍的情況下，可以在形式和細節上進行各種改變。
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