计算机断层摄影X‑射线显微镜系统中谱表征的方法和系统与流程
背景技术：
x-射线计算机断层摄影(ct)是一种用于检查和分析样品的内部结构的非破坏性技术。一般来说，当x-射线穿过样品时，x-射线被样品吸收或散射。没有被吸收或散射离开的x-射线透射通过样品，并且然后被检测器系统检测。在检测器系统形成的图像被称为x-射线投影。经由标准的ct重建算法，比如滤过反向投影算法(fbp)，从这一系列的不同角度的投影得出层析成像体积数据集。
某些x-射线ct系统使用多色x-射线源来生成所述x-射线投影。多色x-射线源包括x-射线管(实验室光源)、白色同步加速器束或基于加速器的光源。总体而言，从这些光源发射的多色x-射线束包括具有许多不同能量的x-射线。这些x-射线的根据能量的分布规律一般叫做该射束的谱。多色x-射线束与只包括一种能量或很窄的能量范围的x-射线的单色射束是不一样的。
白色同步加速器束即为一种多色x-射线源。随着电子通过所述同步加速器加速，所述电子以很窄的与环相切的角度释放出强烈的“白色”的多色辐射。该射束包括从柔和的紫外线到强烈的x-射线的辐射。可以通过应用滤波器，比如传递/反射选定能量的辐射的晶体单色器和/或x-射线镜，就可以从所述白色多色射束中创建单色x-射线源。
实验室光源，比如x-射线管也可以产生多色x-射线，一般使用固定或旋转阳极。在真空管中，灯丝(比如钨丝)作为阴极而金属靶作为阳极。在所述阴极上施加高电压(加速)，在所述阴极和阳极间创建高电势。这使得电子在真空中从阴极向阳极流动并加速。电子与所述阳极材料碰撞并加速所述阳极材料中的其他电子、离子以及核子。这一过程生成x-射线。x-射线管产生的x-射线的谱是依据所述阳极靶材料和所述加速电压的结果。所述谱的特征在于连续地制动辐射谱(“刹车辐射”)x-射线，以及因为阳极材料芯电子去激发和离子化产生的特定频率的次级x-射线辐射，也叫x-射线荧光(xrf)。所述次级x-射线辐射或x-射线线为阳极材料中所用的金属所特有。所述制动辐射是主要的x-射线，可以用作多色x-射线源，而x-射线滤波器和/或x-射线镜可以应用在所述特征x-射线辐射和/或所述制动辐射以产生单色x-射线，如实施例所述。
x-射线源发射的x-射线谱在使用所述x-射线源的期间会随着时间改变。例如，在x-射线管中，由于所述电子撞击所述阳极靶材料，靶材料的某些部分会烧蚀或剥落。这造成靶子随着时间的过去发生质量损失(例如变得单薄)。这一现象也叫做“光源靶烧毁”。随着所述靶子变得单薄，所述靶子传递的低x-射线能量的x-射线越来越多，由此造成所述x-射线的x-射线谱随着时间过去发生改变。
在x-射线ct系统中使用多色x-射线束是有优势的。使用多色x-射线光的主要优势在于，对于给定的光源，多色x-射线束一般比单色x-射线更强。这是因为避免了有损耗的能量滤波器。
但是使用多色x-射线束也有劣势。与单色光不同，多色x-射线的所述x-射线吸收通常与样品材料的厚度不成比例。这是因为当射束穿过样品的时候，所述多色x-射线束的较低x-射线能量相对较低x-射线能量被样品吸收更多。因此，在使用多色x-射线束生成x-射线投影的时候，使用一种叫做束硬化(bh)的处理。束硬化与x-射线谱中随着x-射线穿过样品朝着更高的x-射线能量的改变有关。
在从多色x-射线到断层摄影重建的期间，束硬化常常产生伪影。束硬化生成的典型伪影包括杯突伪影以及条纹伪影。一般而言，样品中具有较高原子序数(z)的元素，比如金属，在断层摄影重建影像中比原子序数低的元素会产生更多的bh伪影。
为了减少或防止多色x-射线束创建的断层摄影重建中的伪影，对系统的x-射线源发射的x-射线的精确能量谱有先验知识，以及对不同x-射线能量上的检测系统的一个或多个检测器的灵敏度有先验知识是非常重要的。因此，在使用多色x-射线源的x-射线ct系统创建的样品的断层摄影重建的伪影减少中，x-射线源谱测量或估计通常是关键问题。
对于x-射线成像/ct系统中x-射线源给定的加速电压(kvp)、预滤器和检测器的组合，典型的谱测量和估计方法如下：1)使用已知的标准体模(比如步进式光楔体模和锥体模)获取x-射线透射测量结果；以及2)通过某些迭代算法(例如期望最大化<em>算法)，基于所述透射测量结果估计该组合的实际谱。一般而言，用蒙特卡洛模拟谱作为初始输入。参见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)。这两篇文章都在此引用。
技术实现要素：
当前x-射线ct系统中的x-射线源谱测量和估计有不足之处。因为当前大多数灵活的x-射线ct系统支持多个加速电压、预滤器和/或检测器，所述透射率测量程序必须针对所述加速电压、预滤器和/或检测器的每个组合重复。因此，对所述不同组合的x-射线源谱测量和估计是非常消耗时间的。
而且，基于体模的x-射线源谱测量/校准不适于长期断层摄影。因为x-射线源产生的所述x-射线的能量谱会随着时间改变(甚至在扫描期间就改变)，长期扫描一般要求至少有一次使用标准体模测量x-射线源发射的x-射线的能量谱的改变的扫描中再校准。为了这一目的，操作人员一般会停止扫描，从x-射线ct系统中移除样品(一般也包括样品座)，并将一个标准体模置于光路中以执行x-射线源谱测量。完成所述一次或多次校准之后，操作人员移除所述体模，更换包含样品的样品座并恢复扫描。这种x-射线源谱校准不方便、耗时久，并且可能在样品更换并恢复扫描之后生成的断层摄影重建中造成误差。如果这些样品没有被精准地如谱再校准之前一样地放置在光路中，则可能产生这些误差。
x-射线源发射的x-射线的谱是x-射线ct系统的主要特征。因而，x-射线源谱校准以及测量可以被用作这些系统的问题或维护方面的诊断。
本发明是简化的x-射线谱测量估计的系统和方法。本发明利用一些预滤器，所述预滤器作为x-射线源谱测量和/或校准工具具有不同的材料和/或不同厚度，而非使用传统的步进式光楔体模或锥体模。在一个实施例中，所述x-射线源谱的测量和校准使用x-射线ct系统的标准滤光轮组件。所述滤光轮一般包括一打或以上的位于x-射线源输出点附近的预滤器。所述预滤器用于在x-射线束入射到样品之前将x-射线束中的具有不同能量的x-射线移除。本发明的实施例的另一方面是关于在x-射线ct系统的计算机系统中执行的软件程序。
因为x-射线ct系统不在真空中操作，而是使用空气作为x-射线束的透射媒介，在使用所述滤光轮的具有不同厚度/密度的预滤器的时候，所述x-射线ct系统必须考虑由空气分子造成的少量的x-射线吸收。为了这一目的，优选地，所述预滤器中的一个是所述滤光轮中的一个空斑，也叫做空气预滤器。根据本发明的原理，先获取x-射线源透射测量。出于这个目的，所述x-射线ct系统中没有放置样品或者所述样品被移出所述x-射线源的光路，并且获取对滤波器、x-射线能量以及至少一个检测器的不同组合的透射测量结果。一般先做所述空气预滤器的所述测量，然后进行对不同材料和/或非零厚度的预滤器的透射测量。每个预滤器的透射曲线是根据所述透射测量绘制，每个预滤器的衰减曲线是根据所述相关的透射曲线绘制的，并且随后根据所述衰减曲线创建一个基线谱集。所述基线谱包括谱，创建所述谱是用于每个预滤器的衰减曲线并与所述每个预滤器有关，包括所述空气预滤器。
然后，在所述x-射线ct系统的操作期间(例如在扫描样品的期间)，每个预滤器的透射值，例如空气预滤器的透射值，会被测量并跟同一预滤器在所述基线谱集中的相关透射值进行比较。这一比较被用来决定所述x-射线源的x-射线谱是否已经随着时间发生改变，即自计算了所述基线谱以来是否已经随着时间发生改变。如果所述比较显示所述x-射线谱已经发生改变，本发明可以用来通过估计所述x-射线源发射的x-射线的谱发生的改变来进行校准。
为了这一目的，可以通过仅对一些(例如2或3个)选定的预滤器进行新的透射测量来估计所述x-射线源谱发生的改变。为了这个估计，所述新的透射测量结果随即被“拟合”相应的透射曲线(例如衰减曲线)，从中创建所述基线谱。然后这些经计算的谱被用在所述样品的投影所决定的所述断层摄影重建的计算中。在别的应用中，这些经计算的谱被用来诊断所述x-射线源的问题，或者评估x-射线源的目标(例如实验室x-射线管的阳极)的剩余寿命。
采用本发明的原理可以取得数个优势。首先，所述新的谱测量和校准方法不需要标准的比如步进式光楔体模和锥体模，而所述步进式光楔体模和锥体模对于现有的谱测量方法是必须的。其次，不再需要像现有的谱测量方法那样去暴力测量x-射线源加速电压、预滤器和检测器的每个不同组合的衰减曲线。取而代之的是源加速电压和预滤器和检测器的不同组合的所有的衰减曲线可以基于更少的、现有测量方法对至少一个源加速电压和预滤器和至少一个检测器不同组合的测量来计算。操作者可以将数个或者全部的加速电压、预滤器和检测器的组合的谱存档，但是一次只使用一个用于断层摄影。第三，因为不再需要用体模置换出样品(或者说样品和样品座)然后更换所述样品并恢复扫描，因为所述样品的不完全的对准给所述断层摄影重建造成误差的可能性被大大降低。
本发明提出的谱测量和估计方法可以用来排除和减少所述标准步进式光楔体模或锥体模的使用。取而代之地，现有x-射线ct系统的滤光轮可以被用来完成同样的目标，而可能仅需要针对必要的预滤器组选择和/或改变所述滤波器。这简化了谱测量。
本发明提出的所述系统和方法要求进行的谱测量较之现有系统的方法也更少。相反，使用ct系统x-射线的预滤器、加速电压和检测器的不同选择，可以基于少至2次或3次扫描来估计加速电压和预滤器和检测器的多个不同组合的谱。这极大地节约了时间。
最后，所述提出的系统和方法排除了现有x-射线源谱校准方法因为要向x-射线ct系统中装入体模并更换样品回x-射线ct系统而引起的潜在计算误差。例如，当前方法通常要求从系统中移除所述样品座以及样品并将所述体模置于所述系统以执行所述x-射线源校准，以及随后再将所述样品座和样品放回所述系统以完成对该样品的扫描。这一过程是添乱并耗时的。相反，有了本发明提出的方法，操作人员一般仅需将所述样品转出所述x-射线ct系统的光路以执行所述校准步骤，然后再以之前存储的样品对准设置将所述样品转回到所述光路中以执行所述扫描。所述样品无需从所述x-射线ct系统中移除。
总体而言，根据一个方面，本发明的特征是x-射线ct系统中的x-射线谱测量和估计方法。本方法确定至少一个x-射线加速电压、滤波器和至少一个检测器的多个不同组合的从x-射线ct系统的x-射线源发射的x-射线的基线谱。在所述x-射线ct系统操作期间，监测所述x-射线以确定所述x-射线源谱的改变，并且响应于确定所述x-射线源谱已经发生改变而基于一个或多个滤波器，比如至少2或3个滤波器的测量透射值来计算新的基线谱。
优选地，所述方法用于断层摄影重建和束硬化校正。该方法还能用于多能量计算机断层摄影以及用于诊断所述x-射线ct系统。
在一个实施例中，所述方法监测所述x-射线以通过使用x-射线加速电压、一个滤波器和检测器的组合来获取透射值，再将所获取的透射值与以所述x-射线加速电压、所述一个滤波器以及所述检测器的相同组合的基线谱内的透射值进行比较。
一般而言，所述方法确定所述基线谱是通过使用x-射线加速电压、滤波器和检测器的组合来获取透射测量结果，并从透射曲线计算每个所述滤波器的衰减曲线。
所述方法确定所述基线谱此外或另外还可以通过基于x-射线加速电压、滤波器和检测器的组合获取的透射测量结果计算每个所述滤波器的衰减曲线，再将期望最大化(em)算法用于所述衰减曲线。
所述方法计算新的基线谱是通过识别用于测量至少2或3个滤波器的透射值的加速电压以及检测器的组合，以所识别的加速电压和检测器组合来来测量空气滤波器的透射值，再使用所述空气滤波器的所述透射值以及所述至少2或3个滤波器的所述透射值来创建透射曲线并从所述透射曲线中创建衰减曲线。
所述方法计算新的基线谱是此外或另外通过从所述基线谱以通常的加速电压和检测器组合来选择空气滤波器谱，针对所选择的空气滤波器谱来拟合所述衰减曲线，再使用em算法，在所拟合的衰减曲线内以所述通常的加速电压和检测器组合根据所述空气滤波器谱来估计所述空气滤波器的校正谱。
所述方法计算新的基线谱是此外或另外通过使用所述测量的至少2或3个滤波器的透射值来创建空气滤波器的估计的校正谱，再从所述空气滤波器的所述估计的校正谱来计算所述新的基线谱。
所述方法优选在没有幻影体模存在的情况下完成至少基于测量2或3个滤波器的测量透射值来计算新的基线谱模。
所述方法此外还可以在扫描所述样品的期间使用所述基线谱以及所述新的基线谱以校正所述样品的断层摄影重建中的束硬化。
一般而言，根据另一方面，本发明的特征是x-射线显微镜系统中的x-射线谱测量和估计方法，针对诸如以下的应用：断层摄影重建、束硬化校正、多(双)能量计算机断层摄影(ct)以及x-射线显微镜系统诊断。所述方法确定x-射线源加速电压、预滤器和/或检测器的组合的谱。在操作所述x-射线显微镜之前，通过测量多个预滤器的透射值而从所测量的透射值，估计或计算所述源加速电压、预滤器和/或检测器的组合的谱。
一般而言，根据另一方面，本发明的特征是x-射线ct系统，所述x-射线ct系统包括x-射线成像系统以及计算机系统，所述计算机系统具有控制器，配置用来控制所述x-射线ct系统的组件。所述x-射线成像系统包括x-射线源、滤波器以及检测器系统。所述计算机系统确定以x-射线源的x射线加速电压、滤波器以及所述检测器系统的检测器的不同组合的从所述x-射线源发射的x-射线的基线谱；监测所述x-射线以确定所述x-射线源谱的改变；并且响应于确定所述x-射线源谱已经改变而基于测量一个或多个滤波器，例如至少2或3个滤波器的透射值来计算新的基线谱。
优选地，所述新的基线谱用于断层摄影重建和束硬化校正。所述新的基线谱还可以用于多能量计算机断层摄影和所述x-射线ct系统诊断。
在一个实施例中，所述计算机系统确定x-射线源谱的改变是通过使用x-射线加速电压、一个滤波器以及检测器的组合来获取透射值，再将所获取的透射值与以所述x-射线加速电压、所述一个滤波器以及所述检测器的组合的在所述基线谱内的透射值进行比较。
所述计算机系统确定所述基线谱是通过使用x-射线加速电压、滤波器和检测器的组合来获取透射测量结果，使用所述透射测量结果计算每个所述滤波器的透射曲线，再从所述透射曲线计算每个所述滤波器的衰减曲线。
所述计算机系统确定所述基线谱此外或另外还可以通过基于使用x-射线加速电压、滤波器和检测器的组合获取的透射测量结果来计算每个所述滤波器的衰减曲线，再将期望最大化(em)算法用于所述衰减曲线。
所述计算机系统计算新的基线谱是此外或另外通过识别用于测量所述至少2或3个滤波器的透射值的加速电压和检测器的组合，以所识别的加速电压和检测器组合来测量空气滤波器的透射值，再使用所述空气滤波器的所述透射值以及所述2或3个滤波器的透射值创建透射曲线并从所述透射曲线来创建衰减曲线。
参考附图和权利要求，以下将更具体地说明本发明的上述和其他特征，包括部件的结构和组合的各种新颖细节以及其他优势。应当理解体现本发明的具体方法和设备只是用作说明而非限制本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的原理和特征可以被用于各种和无数的实施例中。
附图说明
在附图中，附图标记通过不同的视图指示相同的部分。附图不一定按照比例绘制；重点在于示出本发明的原理。图中：
图1是本发明的方法可适用的x-射线ct系统的示意图；
图2是具有滤波器的x-射线ct系统的示例性滤波轮(filterwheel)的示意图；
图3a是根据本发明的原理，用于获取从x-射线ct系统的x-射线源发射的x-射线的基线谱集的方法的流程图；
图3b-1是用于x-射线ct系统的谱校准方法的流程图，其中在执行样品的单次短持续时间断层摄影扫描期间，该方法应用来自图3a的方法的基线谱集以生成样品的谱校正投影；
图3b-2是用于样品的长持续时间扫描的谱校准方法的流程图；
图4是示出提供用于从图3a、3b-1和3b-2的方法中的所选择的加速电压、预滤器和检测器的组合计算谱的更多细节的方法的流程图；
图5示出包括作为用于air(即，空气预滤器)测量的、he1预滤器测量的和he1预滤器计算的滤波器指数的函数的衰减值的不同衰减曲线的图，；
图6是作为x-射线加速能量(kvp)的函数的两个不同的估计的校正x-射线能谱的图；
图7是从使用在70kvp，80kvp，90kvp，…，150kvp(这里仅示出70kvp，90kvp，110kvp，130kvp和150kvp)下的滤波器集的实际衰减曲线测量结果，用于更精细加速电压的衰减曲线(即，衰减曲线是透射曲线的负对数)的内插的示例；以及
图8示出了根据本发明的原理创建的x-射线ct系统的x-射线源谱的衰减曲线的曲线图，其中已经确定x-射线源谱随时间改变，并且其中可以利用仅使用两个预滤器透射测量结果(le1和he5)创建的拟合的衰减曲线的图以估计跨所有预滤器设置、加速电压和检测器组合的改变的x-射线能谱的校正。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述本发明，附图中展示了本发明的说明性实施例。然而，本发明可能以许多不同形式实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是详细和完全的，并且将向本领域的技术人员充分地传达本发明的范围。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。此外，除非另有明确说明，本文中冠词“一”，“一个”和“该”的单数形式也意为包括复数形式。还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”，“包含”，和/或包括，或指定所述特征的存在，整数，步骤，操作，元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征，整数，步骤，操作，元件，和/或组件。进一步地，应当理解的是，当包括组件或子系统的元件被称为和/或示出为连接或耦合到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。
对于单色x-射线，比尔定律描述了当x-射线通过纯净物体时x-射线将被衰减：
i＝i0e-μt
其中i0是入射在物体上的x-射线强度，t是物体厚度，i是透射物体的x-射线强度，μ是物体的衰减系数(包括光电吸收和康普顿散射的效应，以及若x-射线能量>1.02mev时电子对效应)，其取决于样品密度ρ，原子序数z，原子质量a和x-射线能量e。
上述公式可以用积分形式改写：
i＝i0e-∫μ(l)dl，和
∫μ(l)dl＝-ln(i/i0)
其中l是穿过物体的束路径。这完全满足了ct重建算法的线积分需求。其结果是，对于单色x-射线不引入束硬化(bh)伪影。
另一方面，多色x-射线源在谱d(e)上生成x-射线。为简单起见，d(e)也包括检测器灵敏度的影响。物体的下游强度i由下式给出：
i＝i0∫d(e)e-∫μ(e,i)dlde
μ(e)通常是e的非线性函数，由下式给出：
由于μ(e)通常是能量e的非线性函数，来自多色x-射线源的x-射线的透射不能满足ct重建算法的线积分需求。μhigh-energy<μlow-energy，意味着该材料相对于高-能量x-射线吸收“更多的”低-能量x-射线。通过样品透射的衰减的x-射线的输出谱看起来难以“移动”，被称为束硬化(bh)。高-z金属材料具有更严重的束硬化问题，导致在ct重建断层摄影图像中典型的金属伪影。然而，如果从源发射的x-射线的谱是已知的或可以导出，可以在断层摄影重建中减少或去除这些伪影。
图1是本发明的方法可适用的x-射线ct系统100的示意图，并且其通常易受束硬化问题影响。
一般来说，x-射线ct系统100包括生成多色x-射线束104的x-射线源102，以及具有样品保持器112的旋转台110，用于将样品114保持在来自x-射线源系统102的x-射线束104中。图像或x-射线投影通过检测器系统118捕捉。x-射线ct系统102、旋转台110和检测器系统安装到x-射线ct系统100的基座108。计算机系统200通常接收和处理这些图像，并且提供系统100的一般控制。计算机系统200或专用图形处理器通常将使用x-射线投影执行断层摄影重建。
在一个示例中，x-射线源102是多色x-射线源。多色x-射线源优选是实验室x-射线源，因为它的无处不在和相对低的成本。尽管如此，同步加速器源或基于加速器的源是另一种选择。
常见的实验室x-射线源包括x-射线管，其中电子在真空中通过电场加速并射入金属靶片，随着电子在金属中减速而发射x-射线。通常，取决于所使用的金属靶的类型，这样的源产生与在某些能量的强度尖锐峰组合的背景x-射线(即轫致辐射)的连续谱，所述某些能量从靶的特征线得到。另外，x-射线束是分散的，并缺乏空间和时间相干性。
在一个示例中，x-射线源102是具有钨靶的旋转阳极型或微聚焦源。也可以采用包括钼、金、铂、银或铜靶。优选地，使用x-射线源102的透射结构，其中电子束从薄靶103的背侧撞击薄靶103。从靶103的另一侧发射的x-射线用作束104。
在另一个更特定的示例中，源102是结构化的阳极x-射线源，如在2008年10月28日授权给yun等人的美国专利号7443953中描述的，其内容通过引用整体并入本文。在yun中，该源具有由期望的靶材制成的薄顶层和由具有最佳热性质的低原子序数和低密度材料制成的厚底层。阳极可以包括，例如，沉积在铍或金刚石基底层上的具有最佳厚度的铜层。
还可以采用产生具有适合于本文所述的断层摄影应用的能量的辐射的x-射线激光器。
在又一个示例中，x-射线源102是金属射流x-射线源，例如可以从瑞典的excillumab，kista处获得。这种类型的源使用微聚焦x-射线管，其中阳极是液体-金属射流。因此，阳极是连续再生的并已经熔融。
由源102生成的x-射线束104具有通常通过源的操作参数控制的能谱。在实验室源的情况下，支配参数包括靶材和加速电压(kvp)。能谱也由抑制不需要的能量或辐射波长的任何调节滤波器支配。例如，使用例如能量滤波器(设计用于选择期望的x-射线波长范围/带宽)来消除或衰减存在于束中的不期望的波长。
除了x-射线源102之外，本发明依赖于滤波器的可用性，该滤波器在与样品114相互作用之前过滤x-射线束104(预滤器)。
在一个优选地实施例中，当前x-射线ct系统的标准滤波轮150内的滤波器被用作校准工具的预滤器。滤波轮150的滤波器被放置在x-射线束103的路径中，并且被插入x-射线源102和样品114之间。当前x-射线ct系统的操作者使用滤波器以修改和/或补偿对于x-射线输出的束硬化属性。滤波轮150的滤波器用作测量工具的预滤器。
更详细地，滤波轮150由计算机系统200的控制器210控制。滤波轮150包括框架155，其在控制器210的控制下经由其控制界面130在轴154上旋转。经由滤波轮150的控制界面130，操作者可以选择滤波轮150，以使轮150的滤波器中的一个与x-射线源系统102的靶103上的出口孔相邻。以这种方式，所选择的滤波器(在一个示例中，空气预滤器)被对准以在与样品114相互作用之前过滤束104。
图2示出滤波轮150的一个实施例。滤波轮150包括安装在框架155中的16个单独的预滤器。这些预滤器包括六个增加厚度的材料#1滤波器(le1，le2，…，le6)和六个增加厚度的材料#2滤波器(he1，he2，…，he6)。为了测量最高能量，向预滤器集中添加3个增加厚度的材料#3滤波器(be1，be2，be3)和其它预滤器。这里，材料#1、#2和#3具有不同的密度。通常，材料#1具有用于过滤低能量x-射线的轻密度，材料#2具有用于过滤低能量和中能量x-射线的中密度，并且材料#3具有用于过滤全带x-射线的重密度。最后，在滤波轮150中存在一个空的点156(即，空气点或空气预滤器)。
返回到图1，当样品114暴露于x-射线束104时，透射穿过样品的x-射线光子形成由检测器系统118接收的衰减的x-射线束106。在一些其它的示例中，诸如波带板透镜的物镜用于在x-射线成像系统100的检测器系统118上形成图像。在替代的实施例中，检测器系统是平板检测器。
在检测器系统118的最常见结构中，使用几何放大，样品114的放大投影图像以等于源到样品距离与源到检测器距离之间的反比的放大率形成在检测器系统118上。一般来说，由x-射线台提供的几何放大率在2x和100x之间，或者更大。在这种情况下，x-射线图像的分辨率受到x-射线源系统102的焦点尺寸或虚拟尺寸限制。
为了实现高分辨率，x-射线ct系统100的一个实施例进一步利用检测器系统118的非常高分辨率的检测器124-1，结合将样品114定位在靠近x-射线源系统102。在高分辨率的检测器124-1的一个实施方式中，闪烁体与显微镜物镜结合使用以提供在2x和100x之间，或者更大的范围中的附加放大率。
可以包括其它可能的检测器，作为在x-射线ct系统100中所示的检测器系统118的一部分。例如，检测器系统118可以包括一个较低分辨率的检测器124-2，如图1的所示的实施例中所示。在示例中，这可以是平板检测器或具有较低放大率的显微镜物镜的检测器。检测器系统118的一个、两个或甚至多个检测器124的结构是可能的。
优选地，两个或更多个检测器124-1、124-2安装在检测器系统118的转台122上，使得它们可以交替地旋转到来自样品114的衰减的束106的路径中。
通常基于操作者限定的参数，计算机系统200的控制器210经由控制界面130指示旋转台110以在x-射线源系统102校准期间将样品114移出束路径。在完成校准部分之后，控制器210将样品114移回到束路径中并相对于束104旋转样品114，以执行样品114的ct扫描。
在一个示例中，检测器系统118创建来自与检测器系统118的检测器124-1、124-2中的闪烁体交互的衰减的x-射线束106的x-射线光子的像素中的图像表示。在检测器系统118处形成的该图像被称为x-射线投影或x-射线投影图像。
在一个示例中，计算机系统200包括图像处理器220，其分析x-射线投影并且可能执行从x-射线投影创建的断层摄影重建所需的计算。连接到计算机系统200的显示装置240显示来自x-射线ct系统100的信息。诸如触摸屏、键盘和/或计算机鼠标的输入装置250实现在操作者、计算机系统200和显示装置240之间的交互。
计算机系统200从连接到计算机系统200的数据库260来加载信息并将信息存储到数据库260。
在一个示例中，使用在计算机系统200上执行的在显示装置240上显示其界面的用户界面应用，操作者限定/选择ct扫描或校准参数。这些包括x-射线加速电压设置，和用于限定x-射线源系统102上的扫描和曝光时间的x-射线能谱的设置。操作者通常还选择其它设置，例如为样品114创建的x-射线投影图像的数目和用于旋转x-射线束104中的x-射线ct扫描的样品114的旋转台110的角度。
计算机系统200，借助于其图像处理器220，接受来自检测器系统118的与样品114的每个旋转角度相关联的图像或投影信息。图像处理器220为样品114的每个旋转角度创建单独的投影图像，并且使用ct重建算法结合投影图像以为样品创建三维断层摄影体积信息。
为了补偿束硬化，在执行样品114的扫描之前必须知道x-射线源系统102的谱，以减少由x-射线ct系统100用于样品114生成的投影和/或断层摄影重建中的伪影。
图3a示出了用于估计x-射线源系统102的谱的校准方法。然后，这些估计的谱由图像处理器220使用，以生成具有减少的伪影的样品114的断层摄影重建。在该方法期间，样品114旋转或移出束104路径。
在步骤308中，计算机系统200从操作者接收指令，以选择空气滤波器、n个附加滤波器以及x-射线源系统102的不同加速电压和检测器的不同组合/对m，并且将指令传递到控制器210。需要用于一个加速电压和一个检测器的至少一对m。
在步骤310中，控制器210选择x-射线源系统102的检测器124-1/124-2和能量设置(例如加速电压(kvp))的组合/下一对m。然后，在步骤312中，控制器210经由滤波器150的控制器界面130发送信号以旋转滤波轮150，直到air预滤器156进入束104的路径中。
在步骤314中，获取用于当前所选择的滤波器(这里是air预滤器156)透射值，并且将该透射值储存到用于air预滤器的缓冲器。
然后，在步骤316中，滤波轮150旋转到下一个所选择的预滤器，并且该方法转换回到步骤314，以使用在步骤310中所选择的(加速电压、检测器)设置的相同对m来获取用于下一个预滤器的透射值。对于除空气滤波器156之外的n个附加滤波器执行步骤314和316n次。这由附图标记317-n表示。在步骤314的每次通过结束时，然后将在指定(加速电压、检测器)设置下的(当前)预滤器的透射值存储到用于当前预滤器的缓冲器。在迭代处理步骤314/316在(加速电压、检测器)设置的相同对m上重复n次之后，方法转换回到步骤310，以获取(加速电压、检测器)设置的下一对m。这由附图标记319-m表示。然后执行步骤310、312和314/316，并且计算对于空气预滤器156和下一个预滤器的透射值，并将其存储到它们各自的缓冲器。重复步骤310、312和314/316直到m次，对应于(加速电压、检测器)所选择的m对的数量。
在步骤320中，从每个预滤器的透射值的缓冲器创建对于每个预滤器的透射曲线，并且从每个透射曲线计算衰减曲线。每个透射/衰减曲线与不同的预滤器(le1，le2，...，le6，he1，he2，...，he6，be1，be2，be3和air156和可能的其它滤波器)相关联。每个预滤器的衰减曲线是其相关联的透射曲线的负对数。然后，将每个预滤器的透射值、透射曲线和衰减曲线的缓冲器作为吸收参考数据230存储到计算机系统200和/或数据库260。
根据步骤321，然后计算机系统200通过将期望最大化(em)算法应用于衰减曲线来计算x-射线源谱的估计，也称为基线谱集354。为此目的，在一个示例中，利用具有特定吸收边缘的蒙特卡罗模拟谱作为em算法的初始输入，使得算法可以更快地收敛。在图4的方法中提供了使用em算法的基线谱集354的计算的更多细节，其描述包括在下文中。
然后在样品114的后续x-射线扫描期间，可以应用基线谱集354以修复束硬化伪影，否则该束硬化伪影可能出现在从样品114的扫描创建的断层摄影重建中。一般来说，一旦获取基线谱集354，除非更换或更新x-射线管102(或其靶103)或检测器124，否则包括重复步骤310-321的重新校准在每天或每次断层摄影扫描中不是必需的。
注意，所选择的加速电压可以是以10kvp的间隔离散的，例如40kvp，50kvp，60kvp，...，160kvp。如果在实践中需要某些指定的加速电压，例如66kvp或115kvp，则可以通过使用基线谱354内插计算这些加速电压的x-射线的谱。
图3b-1和3b-2示出了用于创建结合x-射线源谱监测的样品114的断层摄影重建的简化的工作流程。从通过扫描样品114生成的x-射线图像投影创建断层摄影重建。图3b-1的方法适用于样品114的单次短持续时间扫描，而图3b-2的方法适用于在较长的扫描持续时间相同样品114的可能的多次扫描。
谱监测方面或功能确定在样品114的扫描期间x-射线源102的谱是否已经充分改变，并且可以使用在图3a的方法中创建的基线谱集354重新校准x-射线谱。图3b-1和图3b-2中的附图标记360表示与谱监测功能相关联的步骤，更简单的称为谱监测器360。谱监测器360包括步骤323和324。
图3b-1和3b-2的方法包括类似的步骤，并且大体上以类似的方式执行。该方法通常由计算机系统200执行和控制，其中任何计算密集型活动可能由图像处理器220或其它协处理系统执行。首先整体描述图3b-1的方法，然后描述图3b-2。
在图3b-1中，根据步骤322，选择指定的加速电压、预滤器和检测器作为样品114的扫描的一部分。然后，在步骤323中获取参考值。对于谱监测器360的设置，测量某个预滤器的透射值，以确定谱是否已经从由基线谱354指定的谱改变。在一个示例中，为了确定谱是否已经改变，将测量的透射值与吸收数据230中所选择的预滤器、加速电压和检测器的相同组合的存储的透射值进行比较。在另一个示例中，为了确定谱是否已经改变，将测量的透射值与在x-射线加速电压、预滤器和检测器的相同组合下的基线谱354内的透射值进行比较。
如果在步骤324中确定x-射线源102的谱没有改变，则在步骤350中将样品114旋转到束路径中，并且然后在步骤352-1中获取投影。
然而，一般来说，使用时，x-射线源102的谱将改变。例如，如果扫描需要几个小时或甚至几天，将经常发生源靶燃烧导致的x-射线谱改变。因此一般来说，在较长持续时间的扫描中或不同扫描之间将需要多参考过程，以及由谱监测器360提供的谱监测。
如果在图3b-1的步骤324中确定谱改变是显著的，例如由于误差或噪声而与预期不同，则需要重新校准x-射线源102的谱，并且该方法转换到步骤328以开始重新校准过程。在当前系统和方法中，必须重复使用幻影的典型谱测量结果以重新校准x-射线源102。相比之下，在x-射线ct系统100的优选实施例中，一旦经由图3a的方法获取基线谱集354，则采用以下谱重新校准方法。
根据步骤328，该方法选择加速电压和检测器的组合。然后通过旋转滤波轮150将air(空)滤波器156定位到束104路径中。在步骤328结束之后的各个步骤中使用加速电压和检测器的相同组合或通常的设置。
在步骤330中，使用通常的设置获取air滤波器透射测量结果。然后，在步骤332中，选择两个或三个或可能更多的非air预滤器用于定位到束104路径中以测量以通常的设置的它们的透射值。在一个示例中，所选择的预滤器之一与测量高透射值相关联，并且所选择的预滤器之一与测量最低透射值(<5％)相关联。
在步骤333中，从在步骤330中获取的空气滤波器156的测量的透射值和从在步骤332中获取的2或3个其它预滤器的测量的透射值创建透射曲线。然后从透射曲线创建衰减曲线。
根据步骤334，然后从基线谱集354选择空气预滤器谱，其中所选择的空气滤波器谱与加速能量和检测器的组合相同，其作为先前步骤328、330和332中的“通常的设置”。所选择的空气预滤器谱由附图标记“354-空气”表示。
然后相对于该所选择的空气预滤器谱，354-空气“拟合”衰减曲线。一般来说，为此目的可使用多项式拟合方法。
在步骤336中，该方法通过使用em算法从拟合的衰减曲线估计跨加速电压和检测器的所有组合的空气预滤器的校正谱。em算法根据在来自步骤334的拟合的衰减曲线内的以“通常的设置”的空气预滤器谱，创建空气预滤器156的估计的校正谱。对于空气预滤器的估计的校正谱的创建的更多信息包括在下面的图4的描述中。
根据步骤340，该方法然后基于步骤336中创建的空气预滤器的估计的校正谱，跨(加速电压、预滤器、检测器)的所有组合计算新的基线谱集354’。新的基线谱集354’校正/考虑在步骤324中检测的x-射线源102的能谱的改变。
在完成步骤340时，该方法转换到步骤350。
在步骤350中，样品114旋转或移回到束104路径中，并且获取投影，直到在步骤352-1中的断层摄影扫描的结束或已经获取预定数量的投影。
图3b-2示出了在样品114的长扫描中间如何重新获取参考值。如图3b-1的方法中，步骤322以(能量、预滤器、检测器)设置的所选择的元组执行样品114的扫描，并且应用谱监测器360的步骤323、324以确定x-射线源102的能谱是否已经改变。如果谱已经改变，该方法转换到步骤328以重新校准x-射线源102。否则，该方法转换到步骤350并且将样品114旋转或移到束104路径中，并且该方法转换到步骤352-2以获取样品114的x-射线投影。
然而，与图3b-1的方法中的步骤351-1不同，由于较长的扫描持续时间，步骤352-2获取更多的样品114的x-射线图像投影。例如，在投影数量(预定数量)或预定扫描时间的阈值之后，样品144旋转或移出束路径，并且该方法转换回到步骤323以重新应用谱监测器360。在步骤323中，获取新的参考值并且测量某个预滤器的透射值。这里再次基于测量的透射值与将从基线谱集354预测的透射值进行比较，在步骤324中确定x-射线源谱是否已经改变。
如果x-射线源谱没有改变，在步骤350中样品在束路径中再次旋转或偏移，以在步骤352-2中继续收集预定数量的x-射线图像投影。
图4示出了用于计算图3a的步骤321中的基线谱354的所选择的加速电压、预滤器和检测器的组合的谱，用于计算步骤336中的空气预滤器的估计的校正谱和用于计算在上述图3b-1和图3b-2的步骤340中的新的基线谱354’的方法。
该方法可以诸如由计算机系统200以及可能由图像处理器220实现，作为软件程序以生成具有减少的伪影的断层摄影重建。在步骤340中，该计算将产生新的基线谱集354’，其将替换在图3a的方法中计算的原始基线谱354。然后，例如，在优选实施例中，新的基线谱354’可以通过图像处理器220用于样品114的断层摄影重建，其可以消除或显著减少由于束硬化引起的断层摄影重建中的伪影。
在步骤410中，获取air透射曲线测量结果。现在，假设所选择的加速电压+air+检测器的组合的谱(即air谱)是s0(e)，其中e表示能量。其结果是，在步骤412中，可以通过em算法基于由在步骤414中的几个预滤器测量的衰减曲线估计该空气谱s0(e)。
例如，滤波轮中有n个预滤器。它们由不同的材料(或一些由相同的材料但具有不同的厚度制成)制成。它们的线性衰减系数分别为μi(e)，i＝1,2,3，...，n，并且它们的厚度分别为ti，i1,2,3，...，n。
假设入射x-射线的强度(即，每单位时间的光子计数)是i0，其可以通过使用滤波轮中的空(空气)点测量。通过旋转滤波轮，穿过某个滤波轮的下游x-射线的强度为i1，i＝1,2,3，…，n，，然后测量所选择的加速电压+air+检测器的组合的衰减曲线：
(i0/i0，i1/i0，i2/i0，…，ii/i0，…，in/i0)
s0(e)可以根据上述衰减曲线估计。
对于每个预滤器，提供s0(e)、i0、ii、ti和μi(e)之间的关系：
可以使用s0(e)来计算所选择的加速电压+预滤器+检测器(即预滤器谱)的所有组合的衰减曲线。
注意谱改变监测和重新校准的工作流程也可用于x-射线ct系统诊断。例如，如果谱监测器360确定x-射线源102的x-射线谱已经改变，这可以表示x-射线管和/或检测器没有有效地操作或具有问题。然后可以使用根据图4的方法创建的新的基线谱集354’以诊断x-射线ct系统100。
有两种不同的方式以获取如图4所示的预滤器谱，由标记为“间接方式”和“直接方式”的路径表示。
1)下面首先描述间接方式(更准确)。
根据步骤416，获取预滤器透射曲线计算。为此目的，以第k个预滤器为例：假设原始滤波轮中的第k个预滤器总是在束路径中，并且包括或可能由相同的预滤器集组成的另一个“虚拟”滤波轮作为谱测量工具，然后穿过原始滤波轮中第k个预滤器和“虚拟”滤波轮中的某个预滤器(由j表示)的下游x-射线的强度是：
ikj,j＝0,1,2,3,…,n，即，
当j＝0时，其意味着“虚拟”滤波轮中的空(空气)点在束路径中并且μ0(e)＝0且t0＝0，然后ik,j＝0意味着原始滤波轮中第k个预滤器的参考强度。
如果(2)除以(1)，即，
然后，
根据(3)，我们获取与所选择的加速电压+第k个预滤器+检测器的组合相关的衰减曲线：
(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)
结果，在步骤418中，根据上述衰减曲线经由em算法可以估计所选择的加速电压+第k个预滤器+检测器的组合的谱。
2)现在在下文中描述直接方式(近似的)。
步骤420描述了预滤器谱计算sk(e)的计算。sk(e)可以通过预滤器衰减的sk(e)直接计算如下：
直接方式提供具有短得多的计算时间的近似(例如校正的谱354’)。
图5示出了衰减值的三个不同衰减曲线的图，其中测量值作为air(即，空气预滤器)测量的、he1预滤器测量的和he1预滤器计算的滤波器指数的函数。
x-射线源102使用的加速电压是70kvp。在滤波轮150中有16个滤波器。还通过另一滤波器集(例如用于he1测量曲线)测量70kvp和he1预滤器的组合的衰减曲线。
从70kvp和air(air测量曲线)的组合的衰减曲线计算70kvp和he1(例如，he1计算曲线)的组合的衰减曲线。显然，计算结果与测量结果非常一致。
图6是作为能量(kvp)的函数的不同估计的校正x-射线源谱601和602的图。估计的校正x-射线源谱601/602包括在部分地使用图5中示出的衰减曲线创建的新的基线谱集354’中。每个估计的校正x-射线源谱601/602绘制以不同能量/加速电压处以kvp为单位的x-射线光子的归一化计数。
估计的校正谱601基于70kvp和空气预滤器的组合的衰减值，并且其基于图5的“air测量的”衰减曲线估计。以类似的方式，基于图5中的“he1计算曲线”估计70kvp和he1预滤器602的组合的估计的校正谱。
图7示出了从其创建基线谱354的衰减曲线的示例。假设通过使用具有不同厚度的材料#2滤波器来测量以10kvp的间隔离散的加速电压，诸如70kvp，80kvp，...，150kvp的一些衰减曲线。得到的数据在作为以厘米为单位的滤波器厚度的函数的衰减的左侧图中示出。然后，对于更精细的离散的加速电压，诸如75kvp，89kvp，...，114kvp等，可以平滑地内插衰减曲线的图。这由作为加速电压和滤波器厚度的函数的衰减的右侧图示出。
从x-射线源102发射的x-射线的谱可以随着获取的x-射线图像投影而随时间改变。例如，x-射线源靶燃烧将改变谱。
图8示出了对于x-射线源102的衰减曲线的不同图，其中从x-射线源102发射的x-射线的束的谱确定为随着时间已经改变。衰减曲线包括“先前全测量结果”衰减曲线、“当前全测量结果”衰减曲线和拟合的衰减曲线。尽管衰减曲线在所有x-射线能量/加速电压上创建，但是仅示出了所选择的加速电压(这里为60kvp)的衰减曲线。
在x-射线ct系统102的初始启动期间，使用跨所有预滤器设置，加速电压和检测器组合获取的透射测量结果，例如经由图3a的方法，创建“先前全测量结果”衰减曲线。然后从“先前全测量结果”衰减曲线创建先前的基线谱354。
在确定x-射线源谱已经改变时，还使用跨所有预滤器设置、加速电压和检测器组合获取的透射测量结果创建“当前全测量结果”衰减曲线，并且从“当前全测量结果”衰减曲线创建当前的基线谱354。
重要的是注意，“当前全测量结果”衰减曲线和相关联的当前的基线谱354的创建不是必需的，并且这里仅为了参考和比较的目的而创建。具体地，当前的系统和方法通常必须执行该步骤以校正x-射线源102的x-射线源谱的改变。相反，根据图3b-1/3b-2的方法，操作者可以基于以通常的加速电压和检测器组合的少至2或3个预滤器获取的透射测量结果，估计跨所有预滤器设置，加速电压和检测器124组合的改变的x-射线谱的校正。
假设从先前的基线谱354提取60kvp+air+检测器组合的衰减曲线。它在图中被命名为“先前全测量结果”。在几天之后，从x-射线ct系统100的x-射线源102发射的束的谱确定已经改变。
然而，在图3b-1/3b-2的步骤332中仅需要2个，例如预滤器(le1和he5)的透射测量结果，以便估计跨预滤器设置、加速电压和检测器124的所有组合的x-射线束103中的x-射线的改变的谱的校正。根据先前的衰减曲线和两个预滤器测量值拟合60kvp+air+检测器的估计的衰减曲线，如图中曲线“具有2-滤波器测量结果的拟合曲线”所示。
重要的是注意“拟合曲线”衰减曲线图对应于“当前全测量结果”衰减曲线图是多么接近。拟合的曲线衰减图与对于相同所选择的加速电压的“当前全测量结果”衰减曲线几乎完全重叠。
尽管已经参照的优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所涵盖的的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。
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