專利名稱：具有多個(gè)能窗的計(jì)算機(jī)斷層攝影中的數(shù)據(jù)處理和分析的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由x射線計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)和用于提供光譜信息 的其它系統(tǒng)所生成數(shù)據(jù)的分析，并且更具體地涉及使用該系統(tǒng)來確定
被檢查對象的物質(zhì)成分。它特別適用于醫(yī)學(xué)成像；并且還適用于無損 測試和分析、安全應(yīng)用以及物質(zhì)分解能力有用的其它應(yīng)用場合。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)掃描儀生成用于指示被檢査對象的x射線 衰減的圖像。CT掃描儀中采用的x射線管典型地產(chǎn)生具有單個(gè)、相 對較寬能譜的x射線。類似地，如果有的話，該系統(tǒng)中采用的檢測器 典型地提供與檢測到的輻射的能譜相關(guān)的有限信息。雖然這些掃描儀 提供了與被檢查對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)的有價(jià)值的信息，但是它們提供 關(guān)于對象的物質(zhì)成分的信息的能力有限，尤其是在不同的化合物具有 類似的輻射衰減的情況下。
確定被檢查對象的物質(zhì)成分的能力具有各種各樣的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué) 領(lǐng)域中，這些包括冠狀動(dòng)脈鈣化和軟斑的分析和分類、頸和頭部動(dòng)脈 的分析和分割(區(qū)分骨骼和血管)、分析和分割外周動(dòng)脈疾病、充碘內(nèi) 腔和血管壁之間造影劑的一般增強(qiáng)、灌注研究的量化、幾乎所有身體 部分中的多組織鑒別和分析、以及作為分子功能成像示蹤劑的少量重 物質(zhì)的成像。
因?yàn)椴煌幕衔锬軌蛞圆煌姆绞礁淖兯p的輻射光譜，因 此，所以已經(jīng)建議雙能掃描作為用于提高物質(zhì)分離能力的技術(shù)。該想 法是利用兩種或多種不同的x射線光譜進(jìn)行掃描，或者使用提供光譜 信息的檢測器來獲取數(shù)據(jù)。參見"Evaluation of a Prototype Dual-Energy Computed Tomographic Apparatus, I.Phantom Studies" ， W.A. Kalender等人，Phys.13(3)， 334-339頁(1986); "Evaluation of a Prototype Dual-Energy Computed Tomographic Apparatus, II.Determination of vertebral bone mineral content" ， J.R. Vetter等人,Phys.l3(3),340-343頁 (1986); "Technology and image results of a spectral CT system", B丄Heismann等人，SPIE proceedings Vol.5368(2004年5月)，52-59頁； 以及"Dual Kvp Material Decomposition Using Flat-Panel Detectors"， D.Walter等人，SPIE proceedings Vol.5368(2004年5月)，29-39頁。
一種用于獲得具有多個(gè)能量通道或能窗的數(shù)據(jù)的技術(shù)是指在連 續(xù)幀中將x射線管的電壓在多個(gè)值(例如140kv和80kv)之間切換。另 一種技術(shù)是在x射線管后設(shè)置輻射濾波器，其中該濾波器在連續(xù)幀中 交替。另一種技術(shù)使用多能量檢測器；再一種技術(shù)使用光子計(jì)數(shù)檢測 器。參見美國公幵的Acharya等人的專利申請No.20040022359，其發(fā) 明名稱為 "Method, System and Computer Product for Plaque Characterization ";以及美國公開的Iatrou等人的專利申請 No.20040136491,其發(fā)明名稱為"Methods and Systems for Detecting Components of Plaque ，，。
一種用于處理雙能CT數(shù)據(jù)的策略在重建步驟之前已經(jīng)對投影測 量進(jìn)行了物質(zhì)分解。第二種策略已經(jīng)用于對利用每個(gè)能窗所重建的圖 像進(jìn)行后處理操作。參見"Energy-selective Reconstruction in X-ray Computerized Tomography" ， R.E. Alvarez禾口 A.Macovski， Phys. Med. Biol.21, 733(1976)。
第一種策略通?；诜纸鉃閮煞N基本物質(zhì)(例如軟組織和骨骼)。 理論上，可以看出具有兩個(gè)能窗的掃描足以將所有物質(zhì)表示為兩種已 知選擇的物質(zhì)的組合。但是，在預(yù)重建階段的數(shù)據(jù)分析更加復(fù)雜，并 且如果在掃描的對象中出現(xiàn)許多不同的物質(zhì)，那么該數(shù)據(jù)分析不一定 健壯。而且，如果掃描的對象中的物質(zhì)在相關(guān)能窗中或者在相關(guān)能窗 附近具有吸收限(例如碘，其在大約33kev處具有K吸收限)，那么通 常在該分析中使用的理論模型不精確。
后處理策略通常包括第三圖像，所述第三圖像是通過對由兩個(gè)能 窗生成的圖像進(jìn)行減法運(yùn)算產(chǎn)生的。該差值圖像一直被用來產(chǎn)生某種
7增強(qiáng)或物質(zhì)分解等價(jià)物，例如通過使用另外的特殊校準(zhǔn)。參見美國公
開的Acharya等人的專利申請No.20040022359，其發(fā)明名稱為 "Method, System and Computer Product for Plaque Characterization"; 以及美國公開的Iatrou等人的專利申請No.20040136491，其發(fā)明名稱 為"Methods and Systems for Detecting Components of Plaque "。
雖然后處理技術(shù)通常比預(yù)處理分析更簡單以及更健壯，但是它對 射束硬化效應(yīng)更加敏感。另外，兩個(gè)能窗的圖像的相減不一定給出了 最優(yōu)的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多個(gè)方面都致力于解決這些問題和其它問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種方法包括接收第一數(shù)據(jù)，其中所述 第一數(shù)據(jù)指示在第一能譜下的體空間中的位置的輻射衰減；接收第二 數(shù)據(jù)，其中所述第二數(shù)據(jù)指示在第二能譜下的所述體空間中的所述位 置的輻射衰減；根據(jù)所述體空間中的所述位置在衰減空間中的位置來 確定它的物質(zhì)成分；以及生成指示物質(zhì)成分的圖像。對于多個(gè)位置， 重復(fù)接收第一數(shù)據(jù)的步驟、接收第二數(shù)據(jù)的步驟、以及分類的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的限制方面，該方法包括基于在所述第一能譜下的 所述體空間中的多個(gè)位置的輻射衰減來執(zhí)行第一多色校正；以及基于 在所述第二能譜下的所述體空間中的多個(gè)位置的輻射衰減來執(zhí)行第 二多色校正。所述多色校正生成在所述第一能譜下的所述體空間中的 所述位置的第一校正的輻射衰減，以及所述多色校正生成在所述第二 能譜下的所述體空間中的所述位置的第二校正的輻射衰減。所述接收 第一數(shù)據(jù)的步驟包括接收所述第一校正的輻射衰減，而所述接收第二 數(shù)據(jù)的歩驟包括接收所述第二校正的輻射衰減。
根據(jù)本發(fā)明的更加限制的方面，所述執(zhí)行第一多色校正的步驟包 括生成第一衰減映射。所述執(zhí)行第二多色校正的步驟包括生成第二衰 減映射。
根據(jù)本發(fā)明的限制方面，所述確定的步驟包括將所述位置分類為 包含至少第一和第二物質(zhì)中的一種。根據(jù)本發(fā)明的更加限制的方面，所述物質(zhì)中的一種是混合物質(zhì)或 不確定物質(zhì)。該方法還可以包括將所述位置分類為包含至少骨骼和造 影劑中的一種。
根據(jù)本發(fā)明的限制方面，所述生成圖像的步驟包括根據(jù)函數(shù) i^/Cu,，M,)生成所述體空間中的多個(gè)位置的圖像數(shù)據(jù)，其中P是所述
圖像數(shù)據(jù)，^是輻射衰減，M是物質(zhì)成分，而l是所述體空間中的位置。
根據(jù)本發(fā)明的更加限制的方面，所述輻射衰減p是在所述第一能 譜下的所述輻射衰減和在所述第二能譜下的所述輻射衰減的合成。
根據(jù)本發(fā)明的限制方面，所述生成的步驟包括生成圖像，該圖像 包括在其上疊加了所述物質(zhì)成分的所述體空間中的多個(gè)位置的輻射 衰減。
根據(jù)本發(fā)明的限制方面，該方法包括接收計(jì)算機(jī)斷層攝影掃描數(shù) 據(jù)，其指示沿著穿過處于所述第一能譜下的對象的多個(gè)投影的輻射衰 減；接收計(jì)算機(jī)斷層攝影掃描數(shù)據(jù)，其指示沿著穿過處于所述第二能 譜下的所述對象的多個(gè)投影的輻射衰減；重建所述第一能量的所述掃 描數(shù)據(jù)，以生成用于指示在所述第一能譜下的所述體空間中的多個(gè)位 置處的所述對象的輻射衰減的數(shù)據(jù)；以及重建所述第二能量的所述掃 描數(shù)據(jù)，以生成用于指示在所述第二能譜下的所述體空間中的多個(gè)位 置處的所述對象的輻射衰減的數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一限制方面，所述確定的步驟包括根據(jù)函數(shù) M產(chǎn)y^l/,ki2/)來確定物質(zhì)成分，其中M是所述物質(zhì)成分，pl是在所述 第一能譜下的輻射衰減，P是在所述第二能譜下的輻射衰減，而1 是所述體空間中的位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一限制方面，所述體空間是二維的。 根據(jù)本發(fā)明的另一限制方面，所述第一和第二能譜重疊。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種方法包括根據(jù)物質(zhì)分類函數(shù) M1=f(u1, u2l...un1)對計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像空間中的多個(gè)位置進(jìn)行分 類，其中M是物質(zhì)，n是能譜的數(shù)量，p是在能譜n下的輻射衰減， 而1是圖像空間中的位置，并且以人可讀的形式呈現(xiàn)所述分類結(jié)果。N大于或等于2。
根據(jù)本發(fā)明的限制方面，所述對計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像空間中的多 個(gè)位置進(jìn)行分類的步驟包括根據(jù)圖像空間中的每個(gè)位置在n維衰減 空間中的位置來對所述圖像空間中的每個(gè)位置進(jìn)行分類。
根據(jù)本發(fā)明的另一限制方面，該方法包括對所述圖像空間中的所 述多個(gè)位置執(zhí)行多色校正，以在每個(gè)能譜下生成校正的輻射衰減，以 及包括使用所述校正的輻射衰減來對所述多個(gè)位置進(jìn)行分類。
根據(jù)本發(fā)明的更加限制的方面，執(zhí)行多色校正的步驟包括生成每 個(gè)能譜n的衰減映射。
根據(jù)本發(fā)明的另一限制方面，呈現(xiàn)分類結(jié)果的步驟包括根據(jù)函數(shù) /^/(//,，M,)生成所述多個(gè)位置的圖像數(shù)據(jù)，其中P是所述圖像數(shù)據(jù)， p是輻射衰減，而M是物質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的更加限制的方面，該方法包括生成圖像，該圖像包 括其上疊加有所述分類結(jié)果的輻射衰減。
根據(jù)本發(fā)明的另一限制方面，A是基于檢測的光子的計(jì)數(shù)的衰
減，而Kl2是基于檢測的光子的能量的積分的衰減。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀后附權(quán)利要求之后將意識(shí)到本發(fā)明的其 它方面。


圖1示出了計(jì)算機(jī)斷層攝影掃描儀和數(shù)據(jù)處理；
圖2示出了建立物質(zhì)分類函數(shù)的步驟；
圖3是一般圓柱形的人體模型的端視圖4示出了二維衰減空間；
圖5示出了執(zhí)行后處理多色校正的步驟；
圖6示出了在體空間中的投影；
圖7示出了雙層CT檢測器；以及
圖8示出了確定物質(zhì)分類的步驟。
具體實(shí)施方式
參照圖1，計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)掃描儀10提供了多個(gè)能譜E1、 E2、…、En中的每一個(gè)的CT數(shù)據(jù)40,、 402、…、40n。
示例性掃描儀10包括圍繞檢査區(qū)域14旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)架18。該 機(jī)架18支撐諸如x射線管之類的x射線源12。該機(jī)架18還支撐x 射線敏感檢測器20，其對著檢査區(qū)域14的相對側(cè)上的圓弧。x射線 源12產(chǎn)生的x射線橫向穿過(traverse)檢查區(qū)域14并由檢測器20 檢測。相應(yīng)地，掃描儀10生成掃描數(shù)據(jù)，該掃描數(shù)據(jù)指示沿著穿過 設(shè)置在檢查區(qū)域的對象的多個(gè)投影的輻射衰減。
諸如躺椅之類的支架16支撐檢查區(qū)域14中的病人或其它對象。 病人支架16優(yōu)選可在z方向上移動(dòng)。在螺旋掃描中，同時(shí)調(diào)整支架 16和機(jī)架18的移動(dòng)，以使得x射線源12和檢測器20相對于病人橫 向穿過通常為螺旋形的路徑。
在多層掃描儀的情況下，檢測器20包括沿z方向延伸的兩行或 多行檢測器。取決于掃描儀10和檢測器20的結(jié)構(gòu)，x射線源12生 成通常為扇形、楔形或錐形的輻射束。而且，還可以實(shí)現(xiàn)所謂的第四 代掃描儀結(jié)構(gòu)，其中檢測器20跨越360度的弧度，并在x射線源12 旋轉(zhuǎn)時(shí)保持靜止。
在一個(gè)實(shí)施例中，檢測器20包括多層檢測器，例如在Levene等 人于2005年4月26日提交的美國申請序列號為No.60/674905的 "Improved detector Array for Spectral CT"中公開的檢測器，其內(nèi)容 清楚地并入這里作為參考。檢測器20提供了兩個(gè)能譜E,、 E2中的每 一個(gè)的掃描數(shù)據(jù)。假設(shè)x射線管的電壓為140kv，那么這兩個(gè)能譜大 致以70kev和卯kev為中心。
雖然通常通過增加能譜Ei、 E2.....En之間的間隔、減小光
譜的寬度、以及減小它們之間的重疊來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的物質(zhì)分離，但是本
領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到這些不是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的僅有因素。
相應(yīng)地，特定場合的CT掃描儀10的結(jié)構(gòu)以及用于獲得光譜信息的
技術(shù)的選擇(例如，改變源電壓、濾波、多能量檢測器、光子計(jì)數(shù)檢 測器等)可能受多個(gè)因素的影響，并最終根據(jù)該多個(gè)因素的結(jié)果來選 擇。繼續(xù)參照圖l，能量組合器42接收CT掃描數(shù)據(jù)40,、 402、...、
40 并且生成合成的CT數(shù)據(jù)40e，其類似于在常規(guī)的CT掃描中獲取
的數(shù)據(jù)。能量組合器42優(yōu)選在記錄操作之前組合檢測器輸出信號,以
生成組合的輸出信號。在兩種能量的系統(tǒng)中，根據(jù)下述關(guān)系式生成組
合的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號-
&"'^/ =(VS0,) + (VS02)i 方程i
其中S,和S2是在每個(gè)能量下的信號，S(H和S。2是它們在空氣中測量
的信號，而k是每個(gè)檢測器像素的常數(shù)。下面將進(jìn)一步描述能量組合
器的操作，特別是常數(shù)k的確定。
或者，可以對信號進(jìn)行相加
&。my方程2
能量組合器42也可以省略，例如在通過改變x射線源的電壓來 獲得光譜信息的情況下，或者在不需要合成的CT數(shù)據(jù)40c的情況下。
重建器46接收CT掃描數(shù)據(jù)40卜402.....40n以及合成的CT
掃描數(shù)據(jù)40c，并且生成體數(shù)據(jù)48卜482、 ...、 48 以及基于合成數(shù)據(jù)
40c的合成體數(shù)據(jù)48e，所述體數(shù)據(jù)48,、 482 ..... 48 表示被檢查對
象在每個(gè)能譜E,、 E2、 ...、 En下的衰減和放射密度。雖然重建器46 被描述為單個(gè)重建器46，但是重建器46可以包括多個(gè)重建單元，使 得可以并行重建每個(gè)數(shù)據(jù)40,、 402、 ...、 40n。
示例性的重建技術(shù)包括濾波反投影法和迭代技術(shù)。取決于檢測器 的幾何結(jié)構(gòu)，可以以兩維的或基于體的技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行重建。還可以 應(yīng)用適當(dāng)?shù)男?zhǔn)和校正，例如預(yù)處理多色校正來校正水的衰減。類似 地，還可以利用迭代的骨骼校正，以在存在骨骼時(shí)校正射束硬化。在 任何情況下，各種重建技術(shù)和系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且對于 特定系統(tǒng)和應(yīng)用來講，技術(shù)的選擇受多種因素的影響，這對于本領(lǐng)域 技術(shù)人員是公知的。
體數(shù)據(jù)48卜482.....48n和48e提供圖像或體空間中的信息。更
具體而言，體數(shù)據(jù)48！、 482 ..... 48n以及合成的體數(shù)據(jù)48e每個(gè)都被
模型化為包含多個(gè)體素(voxd)或像素，每一個(gè)在體空間中都具有坐標(biāo)x,y,z。體數(shù)據(jù)還可以僅提供關(guān)于單個(gè)圖像切片的信息，在這種情況下， 體空間可以被模型化為二維空間。給定能譜下的輻射衰減和體空間中
的位置可以表示為
〃":,W 方程3
其中P是衰減，n是能譜E，而x,y，z是位置。在CT中，輻射衰減典 型地以亨氏單位(HU)表示。
為了校正射束硬化，多色校正器50對體數(shù)據(jù)48" 482..... 48n
進(jìn)行多色校正以生成校正的體數(shù)據(jù)52,、 522..... 52n。下文將進(jìn)一
步描述該多色校正。
物質(zhì)分類器54接收校正后的體數(shù)據(jù)52,、 522..... 52 并且產(chǎn)生
分類的體數(shù)據(jù)58。該分類器應(yīng)用了下述形式的物質(zhì)分類函數(shù)56:
= /(WW^2W..^"W) 方程4
其中M是物質(zhì)成分。在具有兩種能量(g卩，n-2)的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的情況 下，物質(zhì)分類函數(shù)56可以表示為
MW=/(WW,/"2W) 方程5
下文將進(jìn)一步描述該物質(zhì)分類函數(shù)。
圖像處理器60處理合成的體數(shù)據(jù)48e和分類的體數(shù)據(jù)58，用于 以人們可讀的形式在輸出設(shè)備62上呈現(xiàn)，該輸出設(shè)備62例如是監(jiān)視 器、顯示器或硬拷貝輸出設(shè)備。更具體而言，圖像處理器60生成一 個(gè)或多個(gè)指示物質(zhì)成分的圖像。該圖像處理器60根據(jù)下述函數(shù)生成 體空間中的多個(gè)位置的圖像數(shù)據(jù)
C/(〃1W，MW) 方程6
其中P是圖像數(shù)據(jù)，p是輻射衰減，而M是物質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中， 轄射衰減是合成的衰減^?；蛘撸撦椛渌p是在其它能量中的一 種能量下的輻射衰減或者其組合的輻射衰減。當(dāng)通過改變x射線源的 電壓來獲得光譜信息時(shí)，可以使用較高的管電壓下的輻射衰減。因?yàn)?較高的管電壓趨向產(chǎn)生具有較寬能譜的x射線束，因此在較高電壓下 測量的衰減提供了跨能譜的輻射衰減的令人滿意的指示。利用一種用于呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的技術(shù)將不同的顏色分配給物質(zhì)中的每
一種并且通過將各自的顏色覆蓋在合成的體數(shù)據(jù)48c的灰度圖像上來 呈現(xiàn)組合的圖像。而且，可以根據(jù)特定位置是特定物質(zhì)的置信度或概 率來呈現(xiàn)顏色、不透明度或色調(diào)。可以根據(jù)物質(zhì)的濃度來呈現(xiàn)顏色、 不透明度或色調(diào)。期望的是僅顯示一種單一的物質(zhì)或物質(zhì)的一個(gè)子 集。
同樣期望的是允許用戶在灰度圖像上改變增強(qiáng)顏色的不透明度， 例如從完全透明(0%不透明度)變?yōu)橥耆牟噬?100%不透明度)。操作 者界面包括滑塊或滾動(dòng)條，其允許用戶調(diào)整增強(qiáng)顏色的不透明度。附 加的滑塊允許用戶分別調(diào)整HU窗口的中心和寬度。
另外，數(shù)據(jù)58、 48,、 482、 ...、 48。和48e中的每一個(gè)都可以單獨(dú) 呈現(xiàn)，或者它們可以以各種組合形式顯示。如果合成圖像不可用，那
么分類的體數(shù)據(jù)58可以用于使其它能量范圍48,、 482..... 48 中的
一個(gè)的衰減數(shù)據(jù)增強(qiáng)。如下面結(jié)合多色校正所述，通常優(yōu)選的是顯示 未校正的數(shù)據(jù)48。但是，還可以顯示校正后的數(shù)據(jù)52。
在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的操作中，參照圖8，在902，掃描要 被成像的對象，以便生成針對多個(gè)(n)能譜中的每一個(gè)的CT掃描 數(shù)據(jù)。在903，組合各種能量的CT掃描數(shù)據(jù)以生成合成的CT數(shù)據(jù)。 在904，重建每個(gè)能量的CT掃描數(shù)據(jù)以及合成的數(shù)據(jù)，以生成每個(gè) 能量的體空間衰減數(shù)據(jù)。在906，將多色校正應(yīng)用于體空間衰減數(shù)據(jù)， 以針對每個(gè)能量產(chǎn)生校正的體空間衰減數(shù)據(jù)。在908，確定體空間中 的每個(gè)位置的物質(zhì)成分。在910，生成并顯示包括物質(zhì)成分和合成的 體空間數(shù)據(jù)在內(nèi)的圖像。
現(xiàn)在將結(jié)合掃描儀10更加詳細(xì)地描述物質(zhì)分類函數(shù)56的生成， 該掃描儀10生成兩個(gè)能譜中的每一個(gè)的CT數(shù)據(jù)40i、 402?？梢詫?物質(zhì)分類函數(shù)56確定為掃描儀的特定結(jié)構(gòu)或系列的初始特征。實(shí)際 上，在設(shè)計(jì)過程中，可以使用在估計(jì)物質(zhì)分類函數(shù)時(shí)獲得的信息，以 便優(yōu)化掃描儀10的設(shè)計(jì)，例如作為選擇適當(dāng)?shù)臋z測器物質(zhì)或結(jié)構(gòu)、x 射線源的能量、濾波器或者用于獲得光譜或非光譜數(shù)據(jù)的其它技術(shù)的 輔助手段。如果需要的話，還可以將分類函數(shù)56確定或調(diào)整為在產(chǎn)生特定的掃描儀或掃描儀組期間的一個(gè)步驟。還可以在掃描儀10的 使用壽命期間時(shí)不時(shí)地核査和更新該分類函數(shù)56，或者甚至在即將 進(jìn)行的特定圖像掃描之前，進(jìn)行檢查和更新。如應(yīng)該意識(shí)到的那樣， 取決于確定分類函數(shù)56的目的，可以在不同的計(jì)算機(jī)或處理器，或 者甚至在不同的掃描儀上執(zhí)行一些或所有過程。
參考圖2和3，在30，掃描已知的人體模型400。特別適合于對 骨骼和造影劑物質(zhì)分類的人體模型400是20cm的水筒(water cylinder),其包含十個(gè)8mm的樣本圓筒402、 404、 406、 408、 410、 412、 414、 416、 418、 420。樣本圓筒402、 404、 406、 408、 410每 個(gè)包含不同的碘濃度，碘濃度從402中的最高變化到410中的最低。 樣本圓筒412、 414、 416、 418、 420每個(gè)包含不同的鈣濃度，鈣濃度 從412中的最高變化到420中的最低。有利的是，將圓筒404、 406、 414以及416中的濃度選擇成是在掃描冠狀動(dòng)脈期間典型地遇到的濃 度的代表。當(dāng)然，可以實(shí)現(xiàn)不同或其它物質(zhì)、濃度、數(shù)量的樣本圓筒， 以及圓筒的相對物理位置。
返回圖2，在32,和322，重建掃描數(shù)據(jù)40以生成每個(gè)能譜E,、 E2的體數(shù)據(jù)48！、 482?？梢栽?+和342應(yīng)用多色校正，以生成每個(gè) 能譜E" E2的校正體數(shù)據(jù)52i和522，用以校正人體模型中的射束硬 化。取決于人體模型的特性，可以省略該步驟。
參照圖2和圖4，在步驟36，根據(jù)各個(gè)衰減值^ilw和Pw，z，將 校正的體數(shù)據(jù)52,和522中的每個(gè)位置x，y,z映射到衰減空間500中。 如果圖像空間52中的位置具有第一衰減值^x,y，^Vl以及第二衰減值 |A2x,y,z=V2，那么衰減空間中的相應(yīng)位置的計(jì)數(shù)或值C可以增加
C(n， F2) = C(Fl, F2) +1 方程7
對于體空間中的每個(gè)位置x,y,z，重復(fù)該過程。該結(jié)果可以顯現(xiàn)為 衰減空間500中的二維柱狀圖。
通過掃描已知的人體模型，對于特定的掃描儀結(jié)構(gòu)，可以推理地 確定所選擇的物質(zhì)和它們在衰減空間500中的位置之間的關(guān)系。在雙 能源系統(tǒng)的示例性情況下，每種物質(zhì)通常沿衰減空間500中的線502、504分布。在物質(zhì)處于具有不同濃度的水溶液的場合下，物質(zhì)的不同 濃度出現(xiàn)在沿著相應(yīng)的物質(zhì)線502、 504的不同位置上，這導(dǎo)致看起 來象以水506的衰減空間坐標(biāo)為中心的表的指針。
圖4呈現(xiàn)了基于多層檢測器和上述人體模型的仿真(包括噪聲)的 示意性結(jié)果。
可以看出，碘通常沿第一條線502分布，而鈣通常沿第二條線 504分布。圓筒402的物質(zhì)通常出現(xiàn)在位置508，圓筒404的物質(zhì)通 常出現(xiàn)在位置510，圓筒406的物質(zhì)通常出現(xiàn)在位置512,等等。類 似地，包含鈣的各種圓筒沿著鈣線504出現(xiàn)在位置520、 522、 524、 526、 528。象素或具有部分體的體素出現(xiàn)在各自的物質(zhì)線502、 504 上。
現(xiàn)在，返回圖2，在38建立物質(zhì)分類函數(shù)56。參照圖4，衰減 空間500的經(jīng)驗(yàn)性檢查產(chǎn)生了物質(zhì)分離線528，其限定了線的一側(cè)530 上的第一物質(zhì)區(qū)域和線的另一側(cè)532的第二物質(zhì)區(qū)域。將具有第一區(qū) 域530中的衰減空間坐標(biāo)的圖像空間52中的位置x，y，z分成碘類；而 將具有第二區(qū)域532中的衰減空間500的坐標(biāo)的位置分成鈣類。
在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，簡單的分類函數(shù)可以表示為
方程8
M…=
1 A
W，z
當(dāng)然，可以實(shí)現(xiàn)其它的分類函數(shù)和方案。分類函數(shù)56可以返回
值Mxvz，其不僅表示物質(zhì)，而且還表示它的濃度和分類精確的置信
度或概率。在圖4的仿真中，例如，距分離線528的距離提供了分類 精確的概率或置信度。
分類沒有必要是二元的。這樣，例如，期望的是將映射在分離線 528附近的體空間位置分類為包含有部分體或分類為不確定的物質(zhì)。 類似地，將映射至較低濃度的區(qū)域或映射至距物質(zhì)線502、 504較遠(yuǎn) 距離的區(qū)域的體空間位置分類為不確定。
物質(zhì)分類函數(shù)56還可以是不穿過原點(diǎn)的線性函數(shù)，或曲線或其 它非線性函數(shù)。在另一示例中，可以將物質(zhì)分類實(shí)現(xiàn)為査找表，其中 衰減值提供了表中的坐標(biāo)。
16當(dāng)特征在于使用適當(dāng)?shù)娜梭w模型時(shí)，分類函數(shù)還可以用于對兩種
以上的物質(zhì)進(jìn)行分類。當(dāng)與提供了 n個(gè)能窗或通道的掃描儀10 —起 使用時(shí)，衰減空間500可以被模型化為n維空間，其中分類函數(shù)56 被建立為n維空間中的位置的函數(shù)。
現(xiàn)在將更加詳細(xì)地描述多色校正器50的操作。多色校正器50用 于射束硬化的校正，其中射束硬化是指在多色x射線束穿過對象時(shí)較 低的能量優(yōu)先衰減的現(xiàn)象。當(dāng)較低能量的x射線衰減時(shí)，射束逐漸變 硬或更具穿透力。射束硬化的程度是初始的x射線光譜、x射線束橫 向穿過的物質(zhì)或組織的成分以及x射線束穿過的物質(zhì)的厚度的函數(shù)。
射束硬化的有害影響在于衰減空間500中的特定物質(zhì)的位置是 依賴于對象的。這樣，如果減小該對象依賴性，那么物質(zhì)分類函數(shù) 56的精確性將得到改善。
在將CT數(shù)據(jù)40在圖像空間48中重建之后，但在物質(zhì)分類之前， 應(yīng)用所述多色校正50。
參照圖5和圖6，在步驟602i、 6022，對于每個(gè)能譜E，產(chǎn)生衰 減映射。如圖6中所示，針對體空間中的任意能量和位置704，計(jì)算
沿穿過該位置的多個(gè)(p)投影702,、 7022、 7022 ..... 702p中的每
一個(gè)的衰減和。該投影依次被求和以產(chǎn)生體空間中的該位置的衰減值 Anx,y,z。針對體空間中的每個(gè)位置并針對每個(gè)能量，重復(fù)該過程。
在604,、 6042，根據(jù)下述關(guān)系，使用各自的衰減映射來生成校正 的體數(shù)據(jù)52jtl 522:
= (^"W,z — + F X + /"。 方程9
其中P",y,z是校正后的衰減值，F(xiàn)是通過經(jīng)驗(yàn)獲得的常數(shù)，其給出了 物質(zhì)(例如碘和鈣)的相關(guān)集合的平均最優(yōu)校正，而^是水的衰減。經(jīng)
驗(yàn)系數(shù)F可以從具有不同射束硬化效應(yīng)量的幾個(gè)不同的人體模型的
最終圖像中獲得。當(dāng)然，可以使用其它的校正函數(shù)。
注意上述方程不會(huì)改變水的衰減。并且，校正后的衰減值不代
表體空間中的實(shí)際的或真實(shí)的衰減，但是這為更加精確地將位置映射
到衰減空間500提供了校正，從而保留分類區(qū)域。另外，方程9假設(shè)重建數(shù)據(jù)集的觀察域包括整個(gè)對象。當(dāng)重建的 觀察域小于對象時(shí)，則重建另一包括整個(gè)對象的數(shù)據(jù)集。當(dāng)所需的衰 減映射不包括高的空間頻率時(shí)，可以以較低的分辨率和矩陣尺寸重建 該圖像集。 一旦已經(jīng)利用低分辨率圖像生成了衰減映射，可以重新調(diào) 整衰減映射以適應(yīng)原始圖像的觀察域。
方程9的校正被單獨(dú)應(yīng)用于兩個(gè)體空間48,和482中的每一個(gè)。 系數(shù)F對于每個(gè)體空間可以不同。
現(xiàn)在將結(jié)合CT檢測器元件更加詳細(xì)地描述能量組合器42的操 作，該CT檢測器元件具有兩個(gè)閃爍體層802、 804和相應(yīng)的光電檢 測器806、 808，如圖7所示。I,和12分別代表第一個(gè)層802和第二個(gè) 層804吸收的x射線的光子數(shù)。S,和S2代表在光學(xué)器件和電子器件 后的原始信號。
在標(biāo)準(zhǔn)CT中，x射線衰減的能量相關(guān)方程為
/ = p￡./。(￡).e-^., 方程IO
其中I是在檢測器中吸收的光子數(shù)，而I。是空氣掃描的光子數(shù)。
實(shí)際上，在標(biāo)準(zhǔn)CT中，能量不相關(guān)的衰減線積分由下述方程近 似計(jì)算
^W血=-kA = —c卩(五)腿 方程11
其中S和S。是分別通過對象和空氣的信號，C是轉(zhuǎn)換系數(shù)。積分內(nèi) 的項(xiàng)E是由閃爍過程引起的。 對于雙層結(jié)構(gòu)來講-
/(￡) = /,(￡) + /2(￡) 方程12
/。(￡) = /。,(￡)+ /。2(￡) 方程13
其中I(H和1()2是用于空氣掃描的光子數(shù)，I,和12是用于對象掃描的光 子數(shù)，而I和Io是標(biāo)準(zhǔn)CT中的總光子數(shù)。 該信號與光子數(shù)量的關(guān)系如下
S = C, j7, S2 = C2卩2 方程14<formula>formula see original document page 19</formula>方程15
其中d和C2是每個(gè)檢測器類型和元件特有的轉(zhuǎn)換系數(shù)。 該衰減線積分可以通過下述方程計(jì)算
<formula>formula see original document page 19</formula>方程16
仏2(￡)￡必S。, +S。2 .(C, /C2) 假設(shè)我們可以直接測量該關(guān)系-<formula>formula see original document page 19</formula>萬程17
該關(guān)系取決于具體系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)和物質(zhì)(參見下文)。轉(zhuǎn)換系數(shù)之間
的關(guān)系變?yōu)?br> <formula>formula see original document page 19</formula> 方程18 而衰減線積分變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 19</formula>方程19
在這種形式中，用于計(jì)算衰減線積分的近似法與標(biāo)準(zhǔn)CT中的是相同 的。
為了測量空氣中的校準(zhǔn)參數(shù)，下述關(guān)系 <formula>formula see original document page 19</formula> 方程20
可以利用標(biāo)準(zhǔn)單個(gè)閃爍體層的測試系統(tǒng)以及附加的可移除的適當(dāng)濾 波器來測量，其中該濾波器與雙能系統(tǒng)的上閃爍體層相同。由于兩個(gè) 測量由完全相同的檢測器完成<formula>formula see original document page 19</formula>
其中S。f和Soot分別是具有濾波器和沒有濾波器的信號。應(yīng)該針對每 個(gè)像素來進(jìn)行該測量。
原則上，該測量僅進(jìn)行一次，并且可以用于所有具有相同結(jié)構(gòu)的 雙層系統(tǒng)。
如上所述，本技術(shù)還可以與半導(dǎo)體或其它光子計(jì)數(shù)檢測器一起使用?？梢允褂眠@樣的檢測器對檢測的光子的數(shù)量以及每個(gè)光子達(dá)到某
一有限能量分辨率的能量進(jìn)行計(jì)數(shù)。在CT中使用該檢測器的一種選 擇是使用專門的硬件或通道，其計(jì)數(shù)檢測的光子的數(shù)量，而不管能量。 并行地，將檢測到的光子的能量對已知的時(shí)間段進(jìn)行積分或求和。最 終的數(shù)據(jù)流可以單獨(dú)重建，以提供第一和第二體數(shù)據(jù)集。第一數(shù)據(jù)集 基于檢測的光子的數(shù)量提供衰減信息，而第二個(gè)基于檢測的光子的能 量的積分提供衰減信息。如上所述，這些數(shù)據(jù)集可以用于執(zhí)行物質(zhì)分 類。
這里描述的各種功能和操作優(yōu)選借助一個(gè)或多個(gè)適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī) 或處理器以及存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)執(zhí)行這些 指令時(shí)，這些指令使得計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行所述功能。
已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明。當(dāng)然，基于閱讀和理解前述 描述會(huì)想到許多修改和替換。旨在將本發(fā)明理解為包括所有的這些在 后附權(quán)利要求或其等價(jià)的范圍內(nèi)的修改和替換。
權(quán)利要求
1、 一種方法，包括接收第一數(shù)據(jù)，其中所述第一數(shù)據(jù)指示在第一能譜(48,)下的體空 間中的位置的輻射衰減；接收第二數(shù)據(jù)，其中所述第二數(shù)據(jù)指示在第二能譜(482)下的所述 體空間中的所述位置的輻射衰減；根據(jù)所述體空間中的所述位置在衰減空間(500)中的位置來確定 它的物質(zhì)成分；重復(fù)所述接收第一數(shù)據(jù)的步驟、所述接收第二數(shù)據(jù)的步驟，并對 多個(gè)位置進(jìn)行分類；生成指示所述物質(zhì)成分的圖像。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 基于在所述第一能譜下的所述體空間中的多個(gè)位置的輻射衰減來執(zhí)行第一多色校正，其中所述多色校正生成在所述第一能譜下的所 述體空間中的所述位置的第一校正的輻射衰減；基于在所述第二能譜下的所述體空間中的多個(gè)位置的輻射衰減 來執(zhí)行第二多色校正，其中所述多色校正生成在所述第二能譜下的所 述體空間中的所述位置的第二校正的輻射衰減；其中所述接收第一數(shù)據(jù)的步驟包括接收所述第一校正的輻射衰 減，而所述接收第二數(shù)據(jù)的步驟包括接收所述第二校正的輻射衰減。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述執(zhí)行第一多色校正的步 驟包括生成第一衰減映射，而所述執(zhí)行第二多色校正的步驟包括生成 第二衰減映射。
4、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述確定的步驟包括將所述 位置分類為包含至少第一和第二物質(zhì)中的一種。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第二物質(zhì)是混合物質(zhì)。
6、 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第二物質(zhì)是不確定物質(zhì)。
7、 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述方法包括將所述位置分 類為包含至少骨骼和造影劑中的一種。
8、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生成圖像的步驟包括根 據(jù)函數(shù)/^/U，M,)生成所述體空間中的多個(gè)位置的圖像數(shù)據(jù)，其中P 是所述圖像數(shù)據(jù)，^是輻射衰減，M是物質(zhì)成分，而l是所述體空間 中的位置。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述輻射衰減p是在所述第 一能譜下的所述輻射衰減和在所述第二能譜下的所述輻射衰減的合 成。
10、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生成的步驟包括生成圖 像，該圖像包括在其上疊加了所述物質(zhì)成分的所述體空間中的多個(gè)位 置的輻射衰減。
11、 如權(quán)利要求l所述的方法，進(jìn)一步包括接收計(jì)算機(jī)斷層攝影掃描數(shù)據(jù)，其指示沿著穿過處于所述第一能 譜(40,)下的對象的多個(gè)投影的輻射衰減；接收計(jì)算機(jī)斷層攝影掃描數(shù)據(jù)，其指示沿著穿過處于所述第二能 譜(402)下的所述對象的多個(gè)投影的輻射衰減；重建所述第一能量的所述掃描數(shù)據(jù)，以生成用于指示在所述第一 能譜(48,)下的所述體空間中的多個(gè)位置處的所述對象的輻射衰減的 數(shù)據(jù)；重建所述第二能量的所述掃描數(shù)據(jù)，以生成用于指示在所述第二 能譜(482)下的所述體空間中的多個(gè)位置處的所述對象的輻射衰減的數(shù)據(jù)。
12、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述確定的步驟包括根據(jù)函 數(shù)M產(chǎn)y^Un2/)來確定所述物質(zhì)成分，其中M是所述物質(zhì)成分，pl 是在所述第一能譜下的輻射衰減，P是在所述第二能譜下的輻射衰 減，而l是所述體空間中的位置。
13、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述體空間是二維的。
14、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第一和第二能譜重疊。
15、 一種裝置，包括用于接收體空間中的多個(gè)位置中的每一個(gè)的第一和第二數(shù)據(jù)的 模塊(54)，其中所述第一和第二數(shù)據(jù)分別指示在第一和第二能譜下的 位置的輻射衰減；用于根據(jù)所述體空間中的所述多個(gè)位置在衰減空間中的各個(gè)位 置來確定它們的物質(zhì)成分的模塊(56);用于生成指示所述物質(zhì)成分的圖像的模塊(60)。
16、 一種方法，包括根據(jù)物質(zhì)分類函數(shù)M哨叫,^…Mn,)，對計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像空 間(48p 482、 483、 ...、 48n)中的多個(gè)位置進(jìn)行分類，其中M是物質(zhì)， n是能譜的數(shù)量，^n是在能譜n下的輻射衰減，而l是圖像空間中的 位置，并且其中n大于或等于2;以人可讀的形式呈現(xiàn)所述分類結(jié)果。
17、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述對計(jì)算機(jī)斷層攝影圖 像空間中的多個(gè)位置進(jìn)行分類的步驟包括根據(jù)圖像空間中的每個(gè)位 置在n維衰減空間(500)中的位置來對所述圖像空間中的每個(gè)位置進(jìn) 行分類。
18、 如權(quán)利要求16所述的方法，包括對所述圖像空間中的所述 多個(gè)位置執(zhí)行多色校正，以在每個(gè)能譜下生成校正的輻射衰減(52,、 522、 523 、 ...、 52n)，以及包括使用所述校正的輻射衰減來對所述多 個(gè)位置進(jìn)行分類。
19、 如權(quán)利要求18所述的方法，其中執(zhí)行多色校正的步驟包括 生成每個(gè)能譜n的衰減映射。
20、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中n等于2。
21、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中呈現(xiàn)所述分類結(jié)果的步驟 包括根據(jù)函數(shù)《=/(//,,^)生成所述多個(gè)位置的圖像數(shù)據(jù)，其中P是所 述圖像數(shù)據(jù)，而p是輻射衰減。
22、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述輻射衰減是在多個(gè)能 譜下的輻射衰減的合成。
23、 如權(quán)利要求22所述的方法，包括生成圖像，該圖像包括其 上疊加有所述分類結(jié)果的輻射衰減。
24、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述分類函數(shù)是線性函數(shù)。
25、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中^是基于檢測的光子的計(jì) 數(shù)的衰減，而^是基于檢測的光子的能量的積分的衰減。
全文摘要
一種裝置包括計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)掃描儀(10)、重建器(46)、多色校正器(50)、物質(zhì)分類器(54)以及圖像處理器(60)。該掃描儀提供光譜CT信息。該重建器(46)將來自CT掃描儀(10)的數(shù)據(jù)在體空間中重建。該物質(zhì)分類器(54)根據(jù)體空間中的位置在衰減空間中的位置來確定它們的物質(zhì)成分。在顯示器(62)上，呈現(xiàn)用于指示物質(zhì)成分的信息。
文檔編號G06T7/00GK101313332SQ200680032710
公開日2008年11月26日 申請日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月6日
發(fā)明者A·阿爾特曼, G·納韋, R·卡爾米 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司