锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统和方法与流程

本发明涉及锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统和方法。本发明还涉及用于提供锥形射束计算机断层摄影投影值的计算机程序。

背景技术：

在谱锥形射束计算机断层摄影系统中，用于提供由x射线形成的锥形射束的辐射设备和包括用于生成探测值的探测元件的三维布置的探测器绕与对象对齐的旋转轴旋转，其中，基于所生成的探测值来重建对象的计算机断层摄影图像。

探测器包括探测元件的若干二维正交布置，其中，探测元件的每个二维正交布置形成探测元件的各自的平面，并且其中，探测元件的平面平行于旋转轴并且在x射线的扇形方向上与x射线对齐。

已经在探测器内的不同深度处生成的探测值对应于不同的能量，使得探测值是谱探测值。由于锥形方向上的串扰会降低谱探测值的质量，这可能导致计算机断层摄影图像中的伪影，因此会导致图像质量降低。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种允许提供锥形射束计算机断层摄影投影值的锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统，所述锥形射束计算机断层摄影投影值能够用于重建具有改善的图像质量的计算机断层摄影图像。本发明的另外的目的是要提供对应的锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统和用于提供锥形射束计算机断层摄影投影值的计算机程序。

在本发明的第一方面中，提出了一种用于提供对象的锥形射束计算机断层摄影投影值的锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统，其中，所述系统包括：

-用于提供探测值的探测值提供设备，所述探测值在旋转设备使得至少辐射设备和所述对象绕旋转轴相对于彼此旋转时通过使用所述辐射设备和探测器已经生成，其中，所述辐射设备适于提供由x射线形成的锥形射束，并且所述探测器包括探测元件的三维布置，其中，所述探测元件被布置用于被所述x射线穿过，并且适于生成取决于已经穿过所述探测元件的所述x射线的探测值，

-用于确定投影值的投影值确定设备，其中，所述投影值确定设备适于基于由被x射线穿过的探测元件生成的探测值而不是基于由未被所述x射线穿过的探测元件生成的探测值来确定针对所述x射线的投影值。

在已知的锥形射束计算机断层摄影系统中，当处理探测值时，假设在探测器的深度方向上被在彼此之上的探测元件生成的探测值属于同一x射线，尽管该假设在锥形方向上并不正确。这可能导致计算机断层摄影图像中的串扰和对应的伪影。因为根据本发明，所述投影值确定设备适于基于由被x射线穿过的探测元件生成的探测值而不是基于由未被x射线穿过的探测元件生成的探测值来确定针对x射线的投影值，为了确定针对x射线的投影值，如果这些探测元件已经被x射线实际穿过，则仅考虑由在深度方向上被布置在彼此之上的探测元件生成的探测值。具体地，同样地，在锥形方向上，仅考虑由已经被x射线实际穿过的探测元件已经生成的探测值，以用于生成针对各自的x射线的投影值。这引起减少的串扰和具有改善的图像质量的计算机断层摄影图像。

所述探测值提供设备能够是存储单元，在所述探测值提供设备中已经存储了探测值，并且能够从中检索探测值以提供所述探测值。所述探测值提供设备也能够是用于从例如探测值采集单元接收探测值并用于提供接收到的探测值的接收单元。所述探测值提供设备也能够是探测值采集单元本身。

所述探测器优选是直接转换半导体探测器。具体地，所述探测器是如x.liu等人的文章“asilicon-stripdetectorforphoton-countingspectralct:energyresolutionfrom40kevto120kev”(ieeetransactionsonnuclearscience，第61卷，第3期，第1099至1105页，2014年)中所公开的边缘硅条探测器一样的边缘硅条探测器，通过引用将其并入本文。

所述投影值确定设备优选适于仅基于由被x射线穿过的一个或若干探测元件生成的一个或若干探测值来确定针对各自的x射线的投影值，并且不基于由未被x射线穿过的探测元件生成的一个或若干探测值来确定任何投影值。因此，优选地，所有投影值都是基于由被x射线穿过的一个或若干探测元件生成的一个或若干探测值而不是基于由未被x射线穿过的探测元件生成的一个或若干探测值来确定的。

优选地，所述系统还包括重建设备，所述重建设备用于基于所确定的投影值来重建计算机断层摄影图像。

锥形射束具有扇形方向和锥形方向，其中，对于锥形射束的每条x射线，能够分配扇形角和锥形角。各自的x射线的锥形角能够被定义为在锥形方向上的各自的x射线与锥形射束的中心x射线之间的角度。中心x射线优选与旋转轴正交。锥形方向优选平行于旋转轴。各自的x射线的扇形角可以被定义为在扇形方向上的各自的x射线与锥形射束的中心x射线之间的角度，其中，扇形方向优选被定义为与锥形方向正交的方向。探测器内的探测元件的深度优选被定义为探测器的入射表面与各自的探测元件之间的距离。探测器能够包括探测元件的三维布置，其中，探测元件的三维位置可以由锥形方向上的位置、扇形方向上的另外的位置和深度来定义。

优选地，所述探测元件在扇形方向上与所述x射线对齐，并且在锥形方向上与所述x射线不对齐。具体地，所述探测器包括探测元件的若干二维布置，其中，探测元件的每个二维布置形成探测元件的各自的平面，其中，探测元件的所述平面平行于所述旋转轴，并且在扇形方向上与所述x射线对齐，并且在锥形方向上与所述x射线不对齐。由于探测元件在扇形方向上与x射线对齐，因此能够通过探测器的几何结构来减小扇形方向上的串扰。在另外的实施例中，探测元件也能够在锥形方向上与x射线对齐。

在实施例中，探测元件的所述平面在扇形方向上被连续地布置并被交替地移位，使得所述平面被交替地布置在第一位置处和第二位置处，其中，所述第一位置比所述第二位置更靠近所述辐射设备。这允许平面在扇形方向上彼此非常紧密地布置，并且同时提供用于根据期望电连接探测元件的大量空间。所述平面在扇形方向上的这种窄布置允许在生成探测值时进行准确的空间采样，从而进一步提高投影值的质量，并因此进一步提高最终重建的计算机断层摄影图像的质量。

优选地，所述辐射设备适于提供所述锥形射束，使得所述锥形射束从不同的发射位置交替地发射，所述不同的发射位置被布置为沿着与平行于所述旋转轴的方向相对于彼此具有一偏移。这能够增加计算机断层摄影成像过程的视场，其中，投影值的质量以及因此经重建的计算机断层摄影图像的质量仍然相对较高，这是因为同样地在这种情况下为了确定针对x射线的投影值，仅被该x射线实际穿过的探测值被考虑。

优选地，所述探测器和所述投影值确定设备适于使得各自的投影值指示所述x射线的光子数量。具体地，优选地，所述探测器和所述投影值确定设备适于使得所述各自的投影值指示处于各自的能量范围内的各自的x射线的光子数量，以便提供谱投影值。在优选实施例中，所述各自的能量范围取决于已经生成了这样的各自的探测值的各自的探测元件的深度：对所述各自的投影值的所述确定基于所述各自的探测值。为了确定针对x射线且针对某一能量范围的投影值，能够使用由被布置在对应于所述能量范围的一深度处且已经被所述x射线穿过的探测元件已经生成的一个或若干探测值。如果使用若干探测值来确定投影值，则这些探测值可以通过例如内插来组合。所述内插能够包括对探测值的加权，其中，各自的权重能够取决于各自的探测元件的中心到各自的x射线的中心的距离，或者能够取决于另一量度，如各自的x射线和各自的探测元件的重叠程度。在实施例中，使用最近邻内插。

在实施例中，所述各自的能量范围取决于所述各自的x射线从所述探测器的入射表面到已经生成了这样的各自的探测值的所述各自的探测元件的长度：对所述各自的投影值的所述确定基于所述各自的探测值。因此，不仅可以考虑各自的探测元件的深度，而且当确定了针对各自的投影值的能量范围时，可以考虑光子在被探测元件探测到之前的实际透射长度。这能够引起针对各自的光子的能量范围的改进的确定，并因此引起针对各自的投影值的改进的确定。所述各自的能量范围可以取决于所述各自的x射线的锥形角。由于通过探测器的各自的光子在被探测元件探测到之前的透射长度取决于各自的x射线的锥形角，因此能够通过使用锥形角来相对简单地考虑透射长度。

在本发明的另外的方面中，提出了一种用于提供对象的锥形射束计算机断层摄影投影值的锥形射束计算机断层摄影投影值提供方法，其中，所述方法包括：

-由探测值提供设备提供探测值，其中，所提供的探测值在旋转设备使得至少辐射设备和所述对象绕旋转轴相对于彼此旋转时通过使用所述辐射设备和探测器已经生成，其中，所述辐射设备适于提供由x射线形成的锥形射束，并且所述探测器包括探测元件的三维布置，其中，所述探测元件被布置用于被所述x射线穿过，并且适于生成取决于已经穿过探测元件的x射线的探测值，

-由投影值确定设备确定投影值，其中，所述投影值确定设备基于由被x射线穿过的探测元件生成的探测值而不是基于由未被所述x射线穿过的探测元件生成的探测值来确定针对所述x射线的投影值。

在本发明的另一方面中，提出了一种用于提供对象的锥形射束计算机断层摄影投影值的计算机程序，其中，所述计算机程序包括程序代码模块，所述程序代码模块用于当所述计算机程序在根据权利要求1所述的锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统上运行时令所述锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统执行根据权利要求13所述的锥形射束计算机断层摄影投影值提供方法。

应当理解，权利要求1所述的锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统，权利要求13所述的锥形射束计算机断层摄影投影值提供方法和权利要求14所述的计算机程序具有相似和/或相同的优选实施例，具体地，如在从属权利要求中定义的那样。

应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求或上述实施例与各自的独立权利要求的任何组合。

参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其它方面将会变得明显且得以阐明。

附图说明

在下列附图中：

图1示意性且示范性地示出了锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统的实施例，

图2示意性且示范性地示出了探测器的探测元件的二维布置和锥形射束的x射线，

图3示意性且示范性地图示了沿着旋转轴看到的扇形方向上的探测器几何形状，

图4示意性且示范性地图示了从辐射设备看到的相同的探测器几何形状，

图5示出了示范性地图示锥形射束计算机断层摄影投影值提供方法的实施例的流程图，

图6示意性且示范性地示出了探测器的探测元件的二维布置和从第一发射位置发射的x射线，并且

图7示意性且示范性地示出了探测器的探测元件的二维布置和从第二发射位置发射的x射线。

具体实施方式

图1示意性且示范性地示出了锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统的实施例，在该实施例中，所述锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统是谱锥形射束计算机断层摄影成像系统。系统10包括能够围绕平行于z方向延伸的旋转轴r旋转的机架1。包括辐射源2的辐射设备40被安装在机架1上，在该实施例中辐射源2是x射线管和准直器3。准直器3根据由x射线管2生成的辐射形成锥形射束4。锥形射束4穿过检查区5内的对象，在该实施例中检查区5为圆柱形的。在穿过检查区5并因此穿过对象之后，锥形射束4入射到探测器6上，所述探测器6包括二维入射表面，其中，探测器6被安装在机架1上。探测器6优选是直接转换半导体探测器，特别是边缘硅条探测器。

系统10包括两个电动机7、8。机架1由电动机7以优选恒定但可调节的角速度驱动。电动机8被提供用于使被布置在平行于旋转轴r或z轴的方向的检查区5中的如患者台的支撑件上的对象移位。例如，这些电动机7、8由控制单元9控制，使得辐射设备40和检查区5内的对象沿着螺旋轨迹相对于彼此移动。然而，辐射设备40和对象也能够沿着如圆形轨迹的另一轨迹相对于彼此移动。电动机7和机架1用于使辐射设备40和探测器6绕对象旋转，因此可以被认为是旋转设备的部件。

探测器6包括探测元件的三维布置，其中，探测元件被布置用于被锥形射束4的x射线穿过，并且适于在辐射设备40和对象的相对运动期间根据已经穿过探测元件的x射线来生成探测值。

探测器6包括探测元件20的若干二维布置，如图3和图4中示意性且示范性地图示的那样，其中，所述若干二维布置形成三维布置，并且在图2中示出了单个二维布置。探测元件20的每个二维布置23形成探测元件20的各自的平面23，所述探测元件20的所述各自的平面23也能够认为是探测元件20的各自的厚片23，其中，探测元件20的平面23平行于旋转轴r，并且在扇形方向26上与x射线21对齐，并且在锥形方向25上与x射线21不对齐。探测元件20的平面23在扇形方向26上被连续地布置并被交替地移位，使得平面23被交替地布置在第一位置处和第二位置处，其中，所述第一位置比所述第二位置更靠近辐射设备40，如图3中示意性且示范性地图示的那样。图3图示了在平面23上在旋转轴r或z轴的方向上的视图，图4图示了从辐射设备40看到的平面23上的视图。如图2所图示的，在各自的平面23内，探测元件20形成矩形网格，其中，探测元件被布置在锥形方向25上且被布置在不同的深度处。深度增加的方向由箭头27指示。

由于辐射设备40和探测器6在它们绕对象旋转时生成探测值，因此辐射设备40和探测器6能够被认为是探测值提供设备的组件，在该实施例中，探测值提供设备是探测值采集单元12。

探测值被提供给用于确定投影值的投影值确定设备13。投影值确定设备13适于基于由被x射线22穿过的探测元件20生成的探测值而不是基于由未被x射线22穿过的探测元件20生成的探测值来确定针对各自的x射线22的投影值。优选地，投影值确定设备13适于基于由被各自的x射线22穿过的探测元件20生成的探测值来针对每条各自的x射线22确定与不同的能量范围相对应的若干投影值。针对各自的x射线22和各自的能量范围确定的投影值优选指示在各自的能量范围内的各自的x射线22的光子数量。探测元件20被布置在不同的深度处，即，例如在图2中示意性且示范性地图示的五个不同深度处。能够向每个深度分配能量范围，使得针对每条x射线22，能够确定若干投影值，所述若干投影值对应于不同的深度并且因此对应于不同的能量范围。如果x射线22在相同的深度处穿过若干探测元件，则能够组合对应的探测值，以用于通过例如内插来生成针对该深度的投影值。

形成锥形射束4的x射线能够通过在锥形方向25上定义多条x射线并通过相应地划分锥形射束4使得它们具有相同的发散宽度来定义。在图2中示意性地示出的范例中，锥形射束4被划分成具有相同发散宽度的九条x射线，其中，在图2中，箭头21、22指代具有发散宽度的各自的x射线的各自的中心线，并且被x射线22穿过的探测元件20被突出显示。x射线22仅在三个最小深度位置以及最大深度位置处穿过单个探测元件20，但是由于也考虑了x射线22的宽度，因此在第二最大深度位置处，两个探测元件20被x射线22穿过。因此，在该范例中，由第二最大深度位置中的这些被穿过的探测元件生成的探测值被组合以用于确定针对对应的能量范围和x射线22的投影值。

在实施例中，投影值确定设备13适于根据各自的x射线22从探测器6的入射表面到探测元件20的长度来将能量范围分配给探测元件20。例如，在图2中，为了确定针对在探测元件的二维布置内的左下角中的探测元件且针对x射线22的能量范围，x射线22在探测器6内从入射表面22到探测元件20的长度被确定，并且基于该长度来确定能量范围，其中，随着长度的增加，能量范围覆盖较大的能量。在实施例中，通过基于各自的射线22的锥形角定义各自的能量范围来考虑各自的长度，其中，假设采集几何形状，特别是辐射设备40相对于探测元件20的位置是已知的。

系统10还包括重建设备14，所述重建设备14用于基于所确定的谱投影值来重建对象的计算机断层摄影图像，其中，重建设备14以及投影值确定设备13可以由控制单元9或另一控制单元来控制。在该实施例中，重建设备14适于使用滤波反投影算法来重建计算机断层摄影图像。重建设备14能够适于使用材料分解技术，以便基于谱投影值来重建与人体内的不同物质相对应的不同的计算机断层摄影图像。例如，如果将造影剂注射到对象中，则能够重建第一图像，所述第一图像仅示出对象内的造影剂，并且能够在不使用造影剂的情况下重建示出对象的第二图像。重建设备14也能够适于基于谱投影值来重建与如康普顿效应和光电效应的不同物理效应相对应的不同的计算机断层摄影图像。当然，重建设备14也能够适用于使用其他谱重建技术。可以由重建设备14使用的已知的重建技术例如在e.roessl和r.proksa的文章“k-edgeimaginginx-raycomputedtomographyusingmulti-binphotoncountingdetector”(physicsinmedicineandbiology，第52卷，第4679至4696页，2007年)中被公开。重建图像能够被示出在显示器11上。

在下文中，将参考图5所示的流程图来示例性地描述锥形射束计算机断层摄影投影值提供方法的实施例。

在该实施例中，锥形射束计算机断层摄影投影值提供方法是用于生成计算机断层摄影图像的谱锥形射束计算机断层摄影成像方法。在步骤101中，由探测值采集单元12提供探测值。具体地，辐射设备40提供由x射线21形成的锥形射束4，并且探测器6的探测元件20生成取决于已经穿过探测元件20的x射线21的探测值。

在步骤102中，投影值确定设备13基于所提供的探测值来确定投影值，其中，针对各自的x射线22的投影值是基于由被x射线22穿过的探测元件20生成的探测值而不是基于由未被x射线22穿过的探测元件生成的探测值来确定的。在该实施例中，投影值确定设备13针对每条x射线并针对不同的能量范围确定在各自的能量范围内的表示各自的x射线的光子数量的投影值。在步骤103中，重建设备14基于在步骤102中确定的谱投影值来重建一幅或多幅计算机断层摄影图像。在步骤104中，在显示器11上示出一幅或多幅重建的计算机断层摄影图像。

在实施例中，辐射设备40适于提供锥形射束4，使得所述锥形射束4从不同的发射位置交替地发射，所述不同的发射位置被布置为沿着平行于旋转轴r的方向相对于彼此具有一偏移。这在图6和图7中示意性且示范性地进行图示，其中，在图6中，包括x射线34的锥形射束4从第一发射位置30发射，并且其中，在图7中，具有x射线34的锥形射束4从第二位置31发射，其中，所述第一位置和所述第二位置在与锥形方向25相对应的z方向上相对于彼此具有一偏移。在图6和图7中，突出显示了用于确定针对x射线32的投影值的、被x射线32穿过并因此生成探测值的探测元件20。从图6中能够看出，由于x射线32的锥形角相对较小，因此仅考虑彼此叠置的探测元件20。在图7中，x射线33具有相对较大的锥形角，使得考虑了由不同列的探测元件20生成的探测值来确定针对x射线33的投影值。

在已知的谱锥形射束计算机断层摄影系统中，如果锥形角变大和/或如果使用立体x射线管(即，辐射源从不同的发射位置交替地发射锥形射束，所述不同的发射位置被布置为沿着平行于旋转轴的方向相对于彼此具有一偏移)，则上述串扰效应变得更加显著。与用于读出具有探测元件的三维布置的探测器的已知读出样式相反，其中假设在探测器的深度方向上被布置在彼此之上的探测元件已经被相同的x射线穿过，投影值确定设备使用适于实际x射线几何形状的修改的读出样式。

如果x射线源不改变相对于辐射源的发射锥形射束的发射位置，则相对于探测器的x射线几何形状在不同的视图中保持恒定，即，当绕对象旋转辐射设备时辐射源位置保持恒定。因此，投影值确定设备用于基于探测值确定投影值的读出样式也能够是恒定的。然而，如果辐射源是立体x射线管，则当发射位置相对于辐射源改变时，x射线几何形状相对于探测器改变，如图6和图7所图示的。因此，用于确定投影值的投影值确定设备使用的读出样式也相应地改变，以便根据当前的x射线几何形状来考虑用于确定针对x射线的投影值的探测值。这确保针对x射线的投影值是基于由被x射线实际穿过的一个或若干探测元件已经生成的一个或若干探测值而不是基于由未被x射线穿过的探测元件生成的探测值来确定的。因此，优选根据由立体管提供的锥形射束的发射位置的切换来切换读出样式。读出几何形状针对x射线几何形状的这种调整优选仅在锥形角方向上(即，在锥形方向上)执行，这是因为优选地探测元件已经在扇形角方向(即，在扇形方向上)与x射线几何形状物理地对齐。

图3示意性且示范性地图示了沿着旋转轴或z轴看到的扇形方向26上的探测器几何形状。在图4中图示了与从辐射设备看到的相同的探测器几何形状。图2图示了包括探测元件的二维布置的单个平面，其中，该平面可以被认为是单边缘硅条探测器阵列。纯笛卡尔读出几何形状与x射线的几何形状并不匹配。为了补偿当使用纯笛卡尔读出结果时会发生的串扰，投影值确定设备优选适于使用与x射线几何形状一致的读出几何形状。

在上述参照图2所述的实施例中，存在探测元件的五个深度位置，其中，每个深度位置能够对应于各自的能量范围。在另一实施例中，被布置在不同深度位置处的探测元件能够被一起读出，使得并不区分这些不同的深度位置，即，能够组合邻近的深度位置，并且能够一起读出被布置在这些深度位置处的探测元件，例如，能够由相同的专用集成电路(asic)读出，以便降低用于以减少的深度以及因此的降低的能量分辨率为代价来读出探测元件的技术努力。对于不同的探测区，在包括被一起读出的探测元件的各自的探测区的深度方向上的物理宽度能够是不同的。具体地，该宽度能够随着深度的增加而增加。因此，积分区间(即，探测值被积分的深度区间)优选随探测器中的深度增加而增加，以便考虑吸收深度的能量依赖性。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。

单个单元或设备可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

能够通过任何其他数量的单元或设备来执行由一个或多个单元或设备执行的诸如对投影值的确定或对计算机断层摄影图像的重建的操作。锥形射束计算机断层摄影投影值提供系统根据锥形射束计算机断层摄影投影值提供方法的这些操作和/或控制能够被实施为计算机程序的程序代码模块和/或专用硬件。

计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

本发明涉及一种投影值确定设备，所述投影值确定设备适于基于由已经被锥形射束的x射线穿过的探测元件的三维布置的探测元件生成的探测值而不是基于由未被所述x射线穿过的探测元件生成的探测值来确定针对所述x射线的投影值。因此，所述投影值确定设备并不基于由未被各自的x射线穿过的探测元件生成的探测值来确定针对各自的x射线的投影值。具体地，同样地，在锥形方向上，仅考虑由已经被所述各自的x射线实际穿过的探测元件已经生成的探测值，以用于生成投影值。这能够引起减少的串扰和具有改善的图像质量的计算机断层摄影图像。