本發(fā)明中公開(kāi)的主題的實(shí)施例涉及診斷成像，并且更具體地涉及用于雙能量光譜成像的圖像重構(gòu)(reconstruction)。

背景技術(shù)：

雙能量或多能量光譜計(jì)算機(jī)斷層照相(computedtomography；ct)系統(tǒng)可以揭示物體中不同材料的密度，并生成在多個(gè)單色x射線能級(jí)獲得的圖像。在缺乏物體散射時(shí)，基于來(lái)自光譜中兩個(gè)區(qū)域的光子能量的信號(hào)：入射的x射線光譜的低能量和高能量部分，系統(tǒng)導(dǎo)出不同能量下的行為。在醫(yī)學(xué)ct的給定的能量區(qū)中，兩個(gè)物理過(guò)程主導(dǎo)x射線衰減：康普頓散射(comptonscattering)和光電子效應(yīng)(photoelectriceffect)。來(lái)自兩個(gè)能量區(qū)的被檢測(cè)信號(hào)提供足夠的信息以解析(resolve)被成像的材料的能量依從性。來(lái)自兩個(gè)能量區(qū)的被檢測(cè)信號(hào)提供足夠的信息以確定由兩種假設(shè)材料組成的物體的相對(duì)組分。

然而，在一些情況下，由于低的光子通量或光子饑餓(photonstarvation)，當(dāng)在檢測(cè)器處的衰減的x射線光束微弱時(shí)，被檢測(cè)的信號(hào)可能不能提供足夠的信息以解析被成像的材料的能量依從性。例如，由于與高能量x射線光束相比生成的數(shù)目減少的光子，對(duì)于低能量x射線光束，可能出現(xiàn)光子饑餓。結(jié)果，低能量數(shù)據(jù)比高能量數(shù)據(jù)可能噪聲更大，且較不可靠，這又可能使得在從該數(shù)據(jù)重構(gòu)的圖像中的大的偽像。低能量數(shù)據(jù)的此問(wèn)題還被稀疏視圖(sparseview)數(shù)據(jù)獲取進(jìn)一步加劇，其中，數(shù)據(jù)在較少的視圖獲取，因此總體存在較少的低能量數(shù)據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)實(shí)施例中，用于雙能量成像(dualenergyimaging)的方法包括：從較高能量數(shù)據(jù)集和更新的(updated)較低能量數(shù)據(jù)集生成圖像，其中，所述更新的較低能量數(shù)據(jù)集包括較低能量數(shù)據(jù)集和從所述較高能量數(shù)據(jù)集生成的偽投影數(shù)據(jù)集(pseudoprojectiondataset)的組合。以此方式，可以恢復(fù)微弱的低能量信號(hào)，從而盡管光子饑餓和稀疏視圖，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像重構(gòu)。

應(yīng)當(dāng)理解，提供上文的簡(jiǎn)要描述以簡(jiǎn)化形式介紹在詳細(xì)描述中還要描述的挑選出的構(gòu)思。不想要標(biāo)識(shí)要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或基本特征，其范圍唯一地由詳細(xì)描述之后的權(quán)利要求定義。而且，要求保護(hù)的主題不局限于解決上文提到的或在此公開(kāi)的任何部分的任何缺點(diǎn)的實(shí)施方式。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參照附圖閱讀對(duì)非限制性實(shí)施例的下文的描述，會(huì)更好地理解本發(fā)明，附圖如下：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像系統(tǒng)的示圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性成像系統(tǒng)的框圖示意圖。

圖3是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于低能量信號(hào)恢復(fù)的示例性方法的高級(jí)流程圖。

圖4是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于從高能量投影數(shù)據(jù)合成低能量投影數(shù)據(jù)的示例性方法的高級(jí)流程圖。

圖5是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于從高能量投影數(shù)據(jù)直接合成低能量投影數(shù)據(jù)的示例性方法的高級(jí)流程圖。

圖6是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于加權(quán)合成的和測(cè)量的低能量投影數(shù)據(jù)的示例性方法的高級(jí)流程圖。

圖7是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于將合成的和測(cè)量的低能量投影數(shù)據(jù)與基于正則化的迭代優(yōu)化組合的示例性方法的高級(jí)流程圖。

具體實(shí)施方式

以下描述涉及用于雙能量光譜成像的圖像重構(gòu)的各個(gè)實(shí)施例。具體地，公開(kāi)了用于低能量信號(hào)恢復(fù)的方法和系統(tǒng)。參照64片層(sixty-four-slice)計(jì)算機(jī)斷層照相(ct)系統(tǒng)(諸如圖1和2中示出的ct成像系統(tǒng))描述本發(fā)明的操作環(huán)境。不過(guò)，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明同樣適合用于其它多片層配置。而且，將參照x射線的檢測(cè)和變換描述本發(fā)明。不過(guò)，本領(lǐng)域技術(shù)人員還會(huì)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明同樣適用于其它高頻電磁輻射的檢測(cè)和變換。將參照“第三代”ct掃描器描述本發(fā)明，不過(guò)本發(fā)明同樣適用于其它c(diǎn)t系統(tǒng)。

參照?qǐng)D1和2，ct成像系統(tǒng)10顯示為包括代表“第三代”ct掃描器的托臺(tái)(gantry)12。托臺(tái)12具有x射線源14，x射線源14朝在托臺(tái)12的相對(duì)側(cè)上的檢測(cè)器組件或準(zhǔn)直儀(collimator)18投射x射線光束16。檢測(cè)器組件18由多個(gè)檢測(cè)器20和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(dataacquisitionsystem；das)32形成。多個(gè)檢測(cè)器(detectors)20感測(cè)通過(guò)醫(yī)學(xué)患者22傳輸?shù)耐队暗膞射線，das32將數(shù)據(jù)變換成數(shù)字信號(hào)以用于后續(xù)處理。每個(gè)檢測(cè)器20產(chǎn)生模擬電信號(hào)，該模擬電信號(hào)代表撞擊的x射線光束的強(qiáng)度，因此代表通過(guò)患者22傳輸?shù)乃p的光束。在掃描以獲取x射線投影數(shù)據(jù)的過(guò)程中，托臺(tái)12和在其上安裝的部件繞旋轉(zhuǎn)中心24旋轉(zhuǎn)。

托臺(tái)12的旋轉(zhuǎn)和x射線源14的操作由ct系統(tǒng)10的控制機(jī)構(gòu)26管理?？刂茩C(jī)構(gòu)26包括x射線控制器28和托臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制器30，x射線控制器28向x射線源14提供功率和定時(shí)信號(hào)；托臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制器30控制托臺(tái)12的旋轉(zhuǎn)速度和位置。圖像重構(gòu)器(reconstructor)34從das32接收采樣的和數(shù)字化的x射線數(shù)據(jù)，并執(zhí)行高速重構(gòu)。重構(gòu)的圖像作為輸入被施加到計(jì)算機(jī)36，計(jì)算機(jī)36在大容量存儲(chǔ)裝置38中存儲(chǔ)該圖像。

計(jì)算機(jī)36還從操作員經(jīng)由控制臺(tái)40接收命令和掃描參數(shù)，控制臺(tái)40具有一些形式的操作員界面，諸如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、語(yǔ)音激活的控制器或任何其它適當(dāng)?shù)妮斎朐O(shè)備。關(guān)聯(lián)的顯示器42允許操作員觀察來(lái)自計(jì)算機(jī)36的重構(gòu)的圖像和其它數(shù)據(jù)。操作員提供的命令和參數(shù)被計(jì)算機(jī)36使用，以向das32、x射線控制器28和托臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制器30提供控制信號(hào)和信息。此外，計(jì)算機(jī)36操作工作臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制器44，工作臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制器44控制電動(dòng)工作臺(tái)46以定位患者22和托臺(tái)12。具體地，工作臺(tái)46使患者22完全或部分地移動(dòng)通過(guò)圖1的托臺(tái)開(kāi)口48。

每個(gè)檢測(cè)器20可以被設(shè)計(jì)成將射線照片能量直接地變換成包含能量鑒別或光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的電信號(hào)。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)檢測(cè)器20包括由czt制造的半導(dǎo)體層。每個(gè)檢測(cè)器20還包括附著到半導(dǎo)體層的多個(gè)金屬化陽(yáng)極。這些檢測(cè)器20可以包括其上具有多個(gè)比較器的電路，其可以降低由于多個(gè)能量事件的堆積造成的統(tǒng)計(jì)誤差。

現(xiàn)在關(guān)于分解算法提出討論。計(jì)算圖像或片層，其在某些模式下可以包括(incorporate)小于或超過(guò)360度的投影數(shù)據(jù)以構(gòu)造圖像。使用x射線源前面的鎢刀片(tungstenblades)和不同的檢測(cè)器孔，圖像可以被校準(zhǔn)到期望尺寸。準(zhǔn)直儀通常定義從x射線源14發(fā)射的x射線光束16的大小和形狀，蝴蝶結(jié)型濾波器(bowtiefilter)可以包括在系統(tǒng)10中，以進(jìn)一步控制給患者22的劑量。典型的蝴蝶結(jié)型濾波器衰減x射線光束16，以適應(yīng)被成像的身體部分，諸如頭或軀干，使得通常對(duì)于通過(guò)或接近患者22的等深點(diǎn)傳輸?shù)膞射線，提供較少的衰減。蝴蝶結(jié)型濾波器在成像過(guò)程中根據(jù)感興趣區(qū)域(region-of-interest；roi)、視場(chǎng)(fieldofview；fov)和/或被成像的患者22的目標(biāo)區(qū)域成形x射線強(qiáng)度。

當(dāng)x射線源14和檢測(cè)器陣列18旋轉(zhuǎn)時(shí)，檢測(cè)器陣列18采集衰減的x射線光束的數(shù)據(jù)。由檢測(cè)器陣列18采集的數(shù)據(jù)經(jīng)歷預(yù)處理和校準(zhǔn)以調(diào)理數(shù)據(jù)，從而代表被掃描的物體或患者22的衰減系數(shù)(attenuationcoefficient)的線積分。處理過(guò)的數(shù)據(jù)通常稱作投影。

在雙能量或多能量成像中，對(duì)于被成像物體，通常使用檢測(cè)器陣列18的能量解析檢測(cè)器獲得在不同的管峰值(tubepeak)千伏電壓(kilovoltage；kvp)水平(這改變包括發(fā)射的x射線光束的能量的峰值和能量譜)或替代性地在單個(gè)管峰值千伏電壓(kvp)水平或光譜的投影數(shù)據(jù)的兩個(gè)或更多個(gè)集合。關(guān)于術(shù)語(yǔ)，在較高管kvp水平獲得的投影數(shù)據(jù)的集合可以在本發(fā)明中可互換地稱作高kvp數(shù)據(jù)集或高能量數(shù)據(jù)集，而在較低管kvp水平獲得的投影數(shù)據(jù)的集合在本發(fā)明中可互換地稱作低kvp數(shù)據(jù)集或低能量數(shù)據(jù)集。

獲得的投影數(shù)據(jù)的集合可以用于基礎(chǔ)材料分解(basismaterialdecomposition；bmd)。在bmd中，測(cè)量的投影被變換成密度線積分(densityline-integral)投影的集合。密度線積分投影可以被重構(gòu)以形成每個(gè)相應(yīng)的基礎(chǔ)材料(諸如骨頭、軟組織和/或?qū)Ρ葎﹫D)的密度圖或圖像。密度圖或圖像又可以被關(guān)聯(lián)以形成在成像的體積中的基礎(chǔ)材料(例如骨頭、軟組織和/或?qū)Ρ葎?的體積渲染。

一旦被重構(gòu)，由ct系統(tǒng)10產(chǎn)生的基礎(chǔ)材料圖像揭示以兩個(gè)基礎(chǔ)材料的密度表示的患者22的內(nèi)部特征。密度圖像可以被顯示以示出這些特征。在傳統(tǒng)的醫(yī)療狀況(諸如疾病狀態(tài))和更通常的醫(yī)療事件的診斷的傳統(tǒng)方法中，放射醫(yī)生或內(nèi)科醫(yī)生會(huì)考慮密度圖像的硬拷貝或顯示，以察覺(jué)感興趣的特性特征。這些特征可以包括特定的解剖或器官的損傷(lesions)、大小和形狀以及基于個(gè)別醫(yī)生的技能和知識(shí)，在圖像中可察覺(jué)的其它特征。

除了ct數(shù)目或豪恩斯弗爾德值(hounsfieldvalue)之外，能量選擇ct系統(tǒng)能夠提供關(guān)于材料的原子數(shù)目和密度的附加信息。此信息可能對(duì)醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用特別有用，其中，不同材料的ct數(shù)目可以是相似的，但原子數(shù)目可能是非常不同的。例如，鈣化斑塊(calcifiedplaque)和碘對(duì)比增強(qiáng)血液(iodine-contrastenhancedblood)可以一起位于冠狀動(dòng)脈或其它血管中。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，鈣化斑塊和碘對(duì)比增強(qiáng)血液是已知的具有明顯不同的原子數(shù)目，但在某些密度下，這兩種材料單獨(dú)由ct數(shù)目是不可區(qū)別的。

分解算法(decompositionalgorithm)是可使用的，以從能量敏感x射線測(cè)量值生成原子數(shù)目和密度信息。多能量技術(shù)包括雙能量、光子計(jì)數(shù)能量鑒別、雙層閃爍和/或被設(shè)計(jì)成測(cè)量在兩個(gè)或更多個(gè)不同的能量范圍內(nèi)x射線衰減的一個(gè)或多個(gè)其它技術(shù)。舉一個(gè)示例，用多能量技術(shù)測(cè)量的材料的化合物或混合物可以表示為具有相同的x射線能量衰減特性的假定材料。此假定材料可以被分配有效的原子數(shù)目z。與元素的原子數(shù)目不同，化合物的有效的原子數(shù)目由x射線衰減特性定義，并且其不一定是整數(shù)。此有效的z表示性質(zhì)(representationproperty)源自眾所周知的事實(shí)，即在診斷x射線成像有用的能量范圍內(nèi)x射線衰減與化合物的電子密度強(qiáng)相關(guān)，這也稱作材料的原子數(shù)目。

本公開(kāi)的基礎(chǔ)是在高能量和低能量上掃描相同的物體22。對(duì)于雙能量數(shù)據(jù)獲取，通常低密度材料和高密度材料(諸如水和碘)被選擇為兩種基礎(chǔ)材料。水的材料密度由在高能量獲取的投影數(shù)據(jù)主導(dǎo)，而碘的材料密度由在低能量獲取的投影數(shù)據(jù)主導(dǎo)。不過(guò)，除了關(guān)于低密度材料(諸如水)的數(shù)據(jù)之外，獲取的高能量數(shù)據(jù)集仍然可以包含關(guān)于高密度材料(諸如碘)的數(shù)據(jù)。因此，如本發(fā)明中還描述的，關(guān)于高能量數(shù)據(jù)集中高密度材料的數(shù)據(jù)可以用來(lái)補(bǔ)償?shù)湍芰繑?shù)據(jù)集的低信號(hào)強(qiáng)度。這種方法可以大大地提高使用雙能量成像技術(shù)生成的圖像，尤其是對(duì)于低能量光子的低光子通量的情況。

在一些示例中，ct系統(tǒng)10可以被配置用于稀疏視圖數(shù)據(jù)獲取和圖像重構(gòu)。在這些示例中，x射線源14和檢測(cè)器陣列18可以被配置成獲取與典型的掃描相比數(shù)目減小的視圖的數(shù)據(jù)，從而降低輻射劑量。本發(fā)明中還描述的用于恢復(fù)低能量信號(hào)的各種方法可以使得能夠?qū)崿F(xiàn)雙能量或多能量光譜ct成像的稀疏視圖配置。例如，可以使用來(lái)自高能量數(shù)據(jù)的信息補(bǔ)償由于光子饑餓和/或稀疏視圖數(shù)據(jù)獲取造成的低能量數(shù)據(jù)的缺乏。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于低能量信號(hào)恢復(fù)的示例性方法300的高級(jí)流程圖。具體地，方法300涉及從材料密度圖像生成單色圖像(monochromaticimage)，其中，材料密度圖像基于較高能量數(shù)據(jù)集和更新的較低能量數(shù)據(jù)集。如本發(fā)明中還描述的，更新的低能量數(shù)據(jù)集可以包括使用較高能量數(shù)據(jù)集恢復(fù)的較低能量數(shù)據(jù)。以此方式，用于低能量數(shù)據(jù)獲取的低光子通量可以被補(bǔ)償。結(jié)果，針對(duì)受到光子饑餓或被配置用于稀疏視圖數(shù)據(jù)獲取的ct成像系統(tǒng)，可以提高ct圖像的圖像質(zhì)量。可以參照?qǐng)D1和2中示出的系統(tǒng)和組件，描述方法300，不過(guò)，在不偏離本公開(kāi)的范圍下，該方法可以適用于其它系統(tǒng)。

方法300可以在305開(kāi)始。在305，方法300可以包括獲取高kvp數(shù)據(jù)集和低kvp數(shù)據(jù)集。可以使用任何雙能量技術(shù)獲取較高能量數(shù)據(jù)集和較低能量數(shù)據(jù)集，雙能量技術(shù)包括但不限于快速kv切換、雙管雙檢測(cè)器(，two-tubetwo-detector；2t2d)、雙層、旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)(rot-rot)、光子計(jì)數(shù)等等。在獲取數(shù)據(jù)集之后，方法300可以繼續(xù)到310。

在310，方法300可以包括準(zhǔn)備較高kvp數(shù)據(jù)集和較低kvp數(shù)據(jù)集以用于處理。準(zhǔn)備較高kvp數(shù)據(jù)集和較低kvp數(shù)據(jù)集以用于處理可以包括例如時(shí)間對(duì)準(zhǔn)視圖、插入丟失的數(shù)據(jù)、應(yīng)用增益標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用數(shù)據(jù)校正用于檢測(cè)器偽像等等。在準(zhǔn)備數(shù)據(jù)集用于處理之后，方法300可以繼續(xù)到315。

在315，方法300可以包括生成偽投影數(shù)據(jù)集。在一個(gè)示例中，生成偽投影數(shù)據(jù)集可以包括從較高kvp數(shù)據(jù)集或較高kvp數(shù)據(jù)集和較低kvp數(shù)據(jù)集的組合重構(gòu)中間圖像，在中間圖像中表征(characterizing)高密度材料，以及在中間圖像中前向投影高密度材料。由前向投影(forwardprojection)產(chǎn)生的投影數(shù)據(jù)集可以包括偽投影數(shù)據(jù)集。在本發(fā)明中還關(guān)于圖4描述用于使用中間圖像重構(gòu)和前向投影生成偽投影數(shù)據(jù)集的方法。

在另一示例中，生成偽投影數(shù)據(jù)集可以包括從較高kvp數(shù)據(jù)集直接地生成偽投影數(shù)據(jù)集。具體地，通過(guò)假設(shè)在被掃描的物體中的所有材料是單一材料(singlematerial)，從較高kvp數(shù)據(jù)集直接地生成偽投影數(shù)據(jù)集可以包括由單一材料在較低能量的衰減系數(shù)與單一材料在較高能量的衰減系數(shù)的比率縮放(scaling)高kvp數(shù)據(jù)集。單一材料可以例如由用戶選擇。在一個(gè)示例中，選擇的單一材料可以包括水。選擇水作為單一材料包括假設(shè)在被掃描的物體中的所有材料對(duì)于人體是等同于水的。在其它示例中，可以選擇除了水的單一材料，例如當(dāng)對(duì)非人體的物體(諸如行李)成像時(shí)。在本發(fā)明中還關(guān)于圖5描述用于從較高kvp數(shù)據(jù)集直接地生成偽投影數(shù)據(jù)集的方法。

在320，方法300可以包括將偽投影數(shù)據(jù)集與測(cè)量的較低kvp數(shù)據(jù)集組合成更新的較低kvp數(shù)據(jù)集。在一個(gè)示例中，更新的較低kvp數(shù)據(jù)集可以包括偽投影數(shù)據(jù)集和測(cè)量的較低kvp數(shù)據(jù)集的加權(quán)組合。在本發(fā)明中還關(guān)于圖6描述用于將偽投影數(shù)據(jù)集和測(cè)量的較低kvp數(shù)據(jù)集組合的這種方法。在另一示例中，可以使用基于正則化的迭代優(yōu)化(regularization-basediterativeoptimization)組合偽投影數(shù)據(jù)集和測(cè)量的較低kvp數(shù)據(jù)集。在本發(fā)明中還關(guān)于圖7描述用于將偽投影數(shù)據(jù)集和測(cè)量的較低kvp數(shù)據(jù)集組合的這種方法。

在生成更新的較低kvp數(shù)據(jù)集之后，方法300可以繼續(xù)到325。在325，方法300可以包括將較高kvp數(shù)據(jù)集和更新的較低kvp數(shù)據(jù)集分解成第一材料基礎(chǔ)(materialbasis)投影數(shù)據(jù)集和第二材料基礎(chǔ)投影數(shù)據(jù)集。例如可以使用基礎(chǔ)材料分解(bmd)執(zhí)行分解過(guò)程，其中，測(cè)量的投影被變換成如本發(fā)明上面描述及本領(lǐng)域已知的密度線積分投影的集合。材料基礎(chǔ)可以包括例如水基(waterbasis)和碘基(iodinebasis)。在其它示例中，材料基礎(chǔ)可以包括材料的不同組合。

在330，方法300可以包括將第一材料基礎(chǔ)投影數(shù)據(jù)集和第二材料基礎(chǔ)投影數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的材料密度圖像(materialdensityimages)。將數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的密度圖像可以包括向數(shù)據(jù)集應(yīng)用圖像重構(gòu)算法，諸如濾波后向投影(filteredbackprojection)，以將數(shù)據(jù)從投影空間轉(zhuǎn)換到圖像空間。

在335，方法300可以包括對(duì)材料密度圖像求和以生成最終的單色圖像。在340，方法300可以包括輸出最終的單色圖像。單色圖像可以被輸出到存儲(chǔ)器以用于以后檢索。舉另一示例，單色圖像可以被輸出到顯示裝置以顯示給用戶。然后方法300可以結(jié)束。

圖4是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于從高能量投影數(shù)據(jù)合成低能量投影數(shù)據(jù)的示例性方法400的高級(jí)流程圖。具體地，方法400涉及使用圖像重構(gòu)和前向投影生成偽投影數(shù)據(jù)集。而且，方法400可以作為圖3中示出的方法300的子例程。具體地，方法400可以包括生成偽投影數(shù)據(jù)集的步驟315?？梢詤⒄?qǐng)D1和2中示出的系統(tǒng)和組件描述方法400，不過(guò)應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本公開(kāi)的范圍下，該方法可以應(yīng)用于其它系統(tǒng)。

方法400可以在405開(kāi)始。在405，方法400可以包括從較高kvp數(shù)據(jù)集重構(gòu)中間圖像(intermediateimage)?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)膱D像重構(gòu)算法(包括但不限于前向、后向投影)重構(gòu)中間圖像。

在410，方法400可以可選地包括從較低kvp數(shù)據(jù)集重構(gòu)中間圖像?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)膱D像重構(gòu)算法(包括但不限于前向后向投影)重構(gòu)中間圖像。此中間圖像可以提供后續(xù)步驟中的附加準(zhǔn)確度，不過(guò)方法400可以不包括如本發(fā)明中描述的步驟410充分地生成偽投影數(shù)據(jù)集。

繼續(xù)415，方法400可以包括在重構(gòu)的中間圖像中表征高密度材料。在不執(zhí)行步驟410的示例中，只有在405從較高kvp數(shù)據(jù)集重構(gòu)的中間圖像可以被用于材料表征。在執(zhí)行步驟410的示例中，在405從較高kvp數(shù)據(jù)集重構(gòu)的中間圖像和在410從較低kvp數(shù)據(jù)集重構(gòu)的中間圖像都可以用于材料表征。例如可以使用材料分段表征高密度材料。附加地或者替代性地，材料分解可以施加到中間圖像以估計(jì)高密度材料。

在420，方法400可以包括使用前向投影將重構(gòu)的圖像中的高密度材料轉(zhuǎn)換到投影域，從而產(chǎn)生包含高密度材料的前向投影數(shù)據(jù)集。

在425，方法400可以包括從前向投影數(shù)據(jù)集和測(cè)量的(measured)較高kvp數(shù)據(jù)集的組合生成偽投影數(shù)據(jù)集。舉一個(gè)非限制性示例，可以按水的厚度lw和碘的厚度lio的函數(shù)對(duì)高能量投影數(shù)據(jù)ph建模：

其中，sh(e)是作為能量e的函數(shù)的高能量光譜，μw(e)是作為能量的函數(shù)的水的衰減系數(shù)，并且μio是碘的衰減系數(shù)。類似地，通過(guò)用低能量光譜sl(e)替代高能量光譜sh(e)，可以根據(jù)如上對(duì)低能量投影數(shù)據(jù)pl建模。在水衰減之后的有效碘投影因此可以計(jì)算為：

pio(lw，lio)＝ph(lw，lio)-ph(lw，0)。

碘投影pio和高能量投影ph然后可以用來(lái)計(jì)算低能量投影pl：

其中，α包括從系統(tǒng)校準(zhǔn)確定的系數(shù)。在一些示例中，可以使用仿真數(shù)據(jù)和上文的表達(dá)式計(jì)算多項(xiàng)式系統(tǒng)系數(shù)α。

認(rèn)識(shí)到上文描述的低能量投影數(shù)據(jù)和高能量投影數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，偽投影數(shù)據(jù)集ppp可以使用如下計(jì)算：

其中，pfwd包括在420計(jì)算的前向投影數(shù)據(jù)集。注意，前向投影數(shù)據(jù)集包括如上文討論的有效的碘投影。

因此，基于前向投影數(shù)據(jù)集和測(cè)量的較高kvp數(shù)據(jù)集的組合生成偽投影數(shù)據(jù)集可以包括將前向投影數(shù)據(jù)集和較高kvp數(shù)據(jù)集輸入到上文給出的偽投影集ppp的多項(xiàng)式近似中。在生成偽投影數(shù)據(jù)集之后，然后方法400可以結(jié)束。然后可以如本發(fā)明上面關(guān)于圖3描述的使用偽投影數(shù)據(jù)集。

盡管方法400提供用于生成偽投影數(shù)據(jù)集的魯棒性(robust)方法，但重構(gòu)中間圖像、表征高密度材料和前向投影中間圖像的過(guò)程可以提高總ct成像工作流的計(jì)算開(kāi)銷。如本發(fā)明中關(guān)于圖5描述的，對(duì)方法400的一階近似可以以計(jì)算資源和時(shí)間的最小增加提供偽投影數(shù)據(jù)集。

圖5是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于從高能量投影數(shù)據(jù)直接地合成低能量投影數(shù)據(jù)的示例性方法500的高級(jí)流程圖。方法500可以作為圖3中示出的方法300的子例程。具體地，方法500可以包括生成偽投影數(shù)據(jù)集的步驟315?？梢詤⒄?qǐng)D1和2中示出的系統(tǒng)和組件描述方法500，不過(guò)，應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本公開(kāi)的范圍下，該方法可以適用于其它系統(tǒng)。

方法500可以在505開(kāi)始。在505，方法500可以包括從較高kvp數(shù)據(jù)集直接地生成偽投影數(shù)據(jù)集。例如，可以通過(guò)假設(shè)在被成像的主體中的所有材料是單一材料，從較高kvp數(shù)據(jù)集直接地生成偽投影數(shù)據(jù)集。單一材料的選擇例如可以由用戶選擇。在一些示例中，可以存在針對(duì)單一材料的默認(rèn)選擇。例如，默認(rèn)選擇可以包括水，所以可以通過(guò)假設(shè)在被成像主體中的所有材料是等同于水的或者被掃描的物體只包含水，從較高kvp數(shù)據(jù)集直接地生成偽投影數(shù)據(jù)集。鑒于人體主要包括水，這種假設(shè)是合理的。而且，不管材料或材料的深度如何，在低能量下通過(guò)材料的深度的光子通量與在高能量下通過(guò)相同材料的相同深度的光子通量的比率大致是恒定的。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，可以由以下生成偽投影數(shù)據(jù)集：

其中，分子包括在有效高能量下掃描物體中主導(dǎo)材料(例如對(duì)于人體是水)的衰減，分母包括在有效低能量下主導(dǎo)材料的衰減。換言之，可以通過(guò)用選擇的材料(例如對(duì)于人體是水)在低和高能量下的衰減系數(shù)的比率縮放高能量數(shù)據(jù)集，生成偽投影數(shù)據(jù)集。然后方法500可以結(jié)束。

圖6是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于加權(quán)合成的和測(cè)量的低能量投影數(shù)據(jù)的示例性方法的高級(jí)流程圖。方法600可以作為圖3中示出的方法300的子例程。具體地，方法600可以包括將偽投影數(shù)據(jù)集與較低kvp數(shù)據(jù)集組合成更新的較低kvp數(shù)據(jù)集的步驟320。可以參照?qǐng)D1和2中示出的系統(tǒng)和組件描述方法600，不過(guò)，應(yīng)當(dāng)理解在不偏離本公開(kāi)的范圍下，該方法可以適用于其它系統(tǒng)。

方法600可以在605開(kāi)始。在605，方法600可以包括將偽投影數(shù)據(jù)集和測(cè)量的較低kvp數(shù)據(jù)集組合?？梢愿鶕?jù)投影值、噪聲和沿投影射線高密度材料的存在，加權(quán)每個(gè)數(shù)據(jù)集。例如，可以使用如下公式從偽投影數(shù)據(jù)集ppp和原始的較低kvp數(shù)據(jù)集porig生成更新的較低kvp數(shù)據(jù)集p’：

p′＝wppp+(1-w)porig，

權(quán)重w定義為：

其中，t是閾值，k是恒定窗口，函數(shù)g(pio)可以被設(shè)計(jì)成當(dāng)更多高密度材料處于整個(gè)投影射線中時(shí)給偽低kvp數(shù)據(jù)更多的權(quán)重。例如，函數(shù)g(pio)可以被定義為：

其中，pt包括閾值。隨著投影射線中碘的數(shù)量向閾值pt增加，給予偽投影數(shù)據(jù)的權(quán)重增大。當(dāng)在投影射線中的碘的數(shù)量大于或等于閾值pt時(shí)，由于原始投影數(shù)據(jù)與加權(quán)函數(shù)的(1-w)依從性(dependence)，基本上更多的權(quán)重被給予偽投影數(shù)據(jù)。然后方法600可以結(jié)束。

圖7是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于將合成的(synthesized)和測(cè)量的低能量投影數(shù)據(jù)與基于正則化的迭代優(yōu)化組合的示例性方法700的高級(jí)流程圖。方法700可以作為圖3中示出的方法300的子例程。具體地，方法700可以包括將偽投影數(shù)據(jù)集與較低kvp數(shù)據(jù)集組合成更新的較低kvp數(shù)據(jù)集的步驟320?？梢詤⒄?qǐng)D1和2中示出的系統(tǒng)和組件描述方法700，不過(guò)，在不偏離本公開(kāi)的范圍下，該方法可以適用于其它系統(tǒng)。

方法700可以在705開(kāi)始。在705，方法700可以包括將偽投影數(shù)據(jù)集和測(cè)量的較低kvp數(shù)據(jù)集組合?？梢允褂没谡齽t化的迭代優(yōu)化組合偽投影數(shù)據(jù)集和測(cè)量的較低kvp數(shù)據(jù)集。特別是，可以使用包括由以下給出的l2正則化的最小化函數(shù)，獲得更新的較低kvp數(shù)據(jù)集：

其中，使用方差σ將線性系數(shù)ρ定義為：

術(shù)語(yǔ)μ項(xiàng)包括的平均值，μ’項(xiàng)包括的平均值，λ包括確定測(cè)量的投影的數(shù)據(jù)保真度的重要性的懲罰加權(quán)因子。然后方法700可以結(jié)束。

本公開(kāi)的技術(shù)效果可以包括在低能量ct數(shù)據(jù)獲取中對(duì)光子饑餓的補(bǔ)償。本公開(kāi)的另一技術(shù)效果可以包括在不增加輻射劑量下，由雙能量ct成像系統(tǒng)生成的圖像的提高的圖像質(zhì)量。例如，光子饑餓的補(bǔ)償可以降低陰影偽影、偏置偽影等在重構(gòu)的圖像中的存在。本公開(kāi)的又一技術(shù)效果可以包括從用ct成像系統(tǒng)的稀疏視圖配置獲取的數(shù)據(jù)生成的圖像的提高的圖像質(zhì)量。

在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于雙能量成像的方法包括：從較高能量數(shù)據(jù)集和更新的較低能量數(shù)據(jù)集生成圖像。所述更新的較低能量數(shù)據(jù)集包括較低能量數(shù)據(jù)集和從所述較高能量數(shù)據(jù)集生成的偽投影數(shù)據(jù)集的組合。

在一個(gè)示例中，從所述較高能量數(shù)據(jù)集生成所述偽投影數(shù)據(jù)集包括：從所述較高能量數(shù)據(jù)集重構(gòu)中間圖像；在所述中間圖像中表征高密度材料；基于所述中間圖像中的所述高密度材料生成前向投影數(shù)據(jù)集；以及將所述前向投影數(shù)據(jù)集和所述較高能量數(shù)據(jù)集組合成所述偽投影數(shù)據(jù)集。在一個(gè)示例中，從所述較高能量數(shù)據(jù)集生成所述偽投影數(shù)據(jù)集還包括從所述較低能量數(shù)據(jù)集重構(gòu)第二中間圖像。在此示例中，生成所述前向投影數(shù)據(jù)集還基于所述高密度材料在所述第二中間圖像中的表征。在一些示例中，所述中間圖像是使用濾波后向投影重構(gòu)的。

在另一示例中，通過(guò)用選擇的材料在較低能量和較高能量的衰減系數(shù)的比率縮放所述較高能量數(shù)據(jù)集，直接從所述較高能量數(shù)據(jù)集生成所述偽投影數(shù)據(jù)集。在一個(gè)示例中，所述選擇的材料包括水(例如當(dāng)對(duì)人體成像時(shí))。

在又一示例中，所述較低能量數(shù)據(jù)集和所述偽投影數(shù)據(jù)集的組合包括所述較低能量數(shù)據(jù)集和所述偽投影數(shù)據(jù)集的加權(quán)和(weightedsum)。替代性地，所述較低能量數(shù)據(jù)集和所述偽投影數(shù)據(jù)集是使用基于正則化的迭代優(yōu)化被組合的。

在一個(gè)示例中，從所述較高能量數(shù)據(jù)集和所述更新的較低能量數(shù)據(jù)集生成所述圖像包括：將所述較高能量數(shù)據(jù)集和所述更新的較低能量數(shù)據(jù)集分解成材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集；將所述材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的材料密度圖像；以及對(duì)所述材料密度圖像求和，以生成所述圖像。

在另一示例中，一種用于雙能量成像的方法包括：獲得較高能量數(shù)據(jù)集和較低能量數(shù)據(jù)集；從所述較高能量數(shù)據(jù)集直接生成偽投影數(shù)據(jù)集；基于所述較低能量數(shù)據(jù)集和所述偽投影數(shù)據(jù)集的加權(quán)組合生成更新的較低能量數(shù)據(jù)集；以及基于所述較高能量數(shù)據(jù)集和所述更新的較低能量數(shù)據(jù)集生成圖像。

在一個(gè)示例中，從所述較高能量數(shù)據(jù)集直接生成所述偽投影數(shù)據(jù)集包括用選擇的材料在較低能量和較高能量的衰減系數(shù)的比率縮放所述較高能量數(shù)據(jù)集。例如，選擇的材料可以包括對(duì)于人體的水。舉另一示例，當(dāng)高密度材料處于投影射線中時(shí)，所述加權(quán)組合向所述偽投影數(shù)據(jù)集施加較大權(quán)重(largerweight)。

在一個(gè)示例中，生成所述圖像包括：將所述較高能量數(shù)據(jù)集和所述更新的較低能量數(shù)據(jù)集分解成材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集；將所述材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成材料密度圖像；對(duì)所述材料密度圖像求和；以及將所述求和的材料密度圖像輸出到顯示器。在一個(gè)示例中，所述材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集的材料基礎(chǔ)包括碘和水。舉另一示例，所述轉(zhuǎn)換包括濾波后向投影。

在又一實(shí)施例中，一種成像系統(tǒng)包括：x射線源，所述x射線源向要被成像的物體發(fā)射x射線光束，所述x射線源被配置成發(fā)射具有高能量和低能量的x射線；檢測(cè)器，所述檢測(cè)器接收由所述物體衰減的x射線；數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(das)，所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(das)可操作連接至所述檢測(cè)器。所述系統(tǒng)還包括計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)可操作連接至所述das，并用非瞬態(tài)存儲(chǔ)器中的指令編程(programmedwithinstructions)，所述指令被執(zhí)行時(shí)使所述計(jì)算機(jī)：基于從所述das接收的較高能量數(shù)據(jù)生成偽投影數(shù)據(jù)；以及基于所述較高能量數(shù)據(jù)和所述偽投影數(shù)據(jù)生成圖像。

在一個(gè)示例中，所述計(jì)算機(jī)還用非瞬態(tài)存儲(chǔ)器中的指令編程，所述指令被執(zhí)行時(shí)使所述計(jì)算機(jī)：將所述偽投影數(shù)據(jù)和從所述das接收的較低能量數(shù)據(jù)組合；將組合的數(shù)據(jù)和所述較高能量數(shù)據(jù)分解成材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集；并將所述材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成材料密度圖像。在此示例中，生成所述圖像包括對(duì)所述材料密度圖像求和。

在另一示例中，所述計(jì)算機(jī)還用非瞬態(tài)存儲(chǔ)器中的指令編程，所述指令被執(zhí)行時(shí)使所述計(jì)算機(jī)：將所述偽投影數(shù)據(jù)和所述較高能量數(shù)據(jù)分解成材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集；將所述材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成材料密度圖像；以及對(duì)所述材料密度圖像求和，以生成所述圖像。

在一個(gè)示例中，所述檢測(cè)器和所述x射線源被配置成在稀疏視圖模式中(inasparseviewmode)獲取數(shù)據(jù)。在另一示例中，所述x射線源被配置成在高峰值千伏電壓(highpeakkilovoltage)和低峰值千伏電壓之間切換，以相應(yīng)生成較高能量數(shù)據(jù)和較低能量數(shù)據(jù)。

如本發(fā)明中使用的，以單數(shù)陳述的并用詞語(yǔ)“一(a)”或“一(an)”開(kāi)頭的元件或步驟應(yīng)當(dāng)理解為不排除多個(gè)所述元件或步驟，除非這種排除是明確指出的。而且，提到本發(fā)明的“一個(gè)實(shí)施例”不旨在被解釋為排除還包括所陳述特征的附加實(shí)施例的存在。而且，除非明確指示為相反，否則“包括(comprising)”、“包括(including)”或“具有(having)”一個(gè)元件或多個(gè)元件(其具有特殊性質(zhì))的實(shí)施例可以包括不具有該性質(zhì)的附加的這些元件。術(shù)語(yǔ)“包括”和“其中”被用作相應(yīng)術(shù)語(yǔ)“包括”和“其中”的普通語(yǔ)言等同物。而且，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”和“第三”等只用作標(biāo)記，不旨在對(duì)其物體強(qiáng)加數(shù)字要求或特殊的位置順序。

本書(shū)面說(shuō)明書(shū)使用示例來(lái)公開(kāi)本發(fā)明(包括最佳模式)，還使得相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員可能夠?qū)嵺`本發(fā)明(包括制造和使用任意裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任意結(jié)合的方法)。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求書(shū)限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他示例。如果這樣的其他示例具有與權(quán)利要求書(shū)的文字語(yǔ)言并非不同的結(jié)構(gòu)元件、或者如果這樣的其他示例包括與權(quán)利要求書(shū)的文字語(yǔ)言具有非實(shí)質(zhì)性區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這樣的其他示例意欲落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)。