专利名称：将x射线管光谱用于计算机断层摄影应用的系统和方法
将X射线管光谱用于计算机断层摄影应用的系统和方法
本公开涉及计算机断层摄影(CT)系统，其与CT数据的生成和/或解 释结合地利用能量特性和X射线管光谱。更具体地，本公开涉及使用与CT 系统相关的能量特性和/或X射线管光谱来增强对比度和/或图像质量的系 统和方法。可以以各种方式确定所公开的能量特性和X射线谱，例如，通 过将光谱X射线管模型并入CT系统，使用Monte-Carlo模拟的输出，和/ 或处理CT系统的所测量的实验的光谱管(spectral tube)数据。
计算机断层摄影(CT)系统使用X射线产生内部解剖结构的详细图像 /图片。通常，CT系统导引一系列的X射线脉冲通过人体。每个X射线脉 冲通常只延续一秒钟的一分数并表示一次投影。在重建后， 一组投影叫做 器官或所研究区域的"层"。将层或图片记录在计算机上并存储用于进一步 的研究或作为照片打印出来。密集的组织，例如骨骼，在通常的CT图像中 显现为白色，而不太密集的组织，例如脑组织或肌肉，通常显现为灰色阴 影。充满空气的空间，例如肠或肺，显现为黑色。使用CT扫描可以获得与 大量解剖结构相关的信息，例如，肝脏，胰腺，肠，肾，肾上腺，肺脏， 和心脏，血管，腹腔，骨骼和脊髓。
CT成像通常使用X射线源产生穿过检查区域的X射线的扇形束或锥 形束。定位在检查区域中的对象与部分穿过的X射线相互作用并对其进行 吸收。标准X射线源包括发射电子束的单个阴极，电子束被加速并聚焦到 阳极上的单个焦点上。在与阳极碰撞时，入射电子能量的小部分转换为X 射线。入射能量的大部分转换为热能并沉积在阳极内。为了防止阳极因为 入射热能而被破坏，阳极通常以旋转盘的形式，由此限定了在入射电子束 和阳极表面之间的相对速度(称作"轨道速度(track vdocity)")。通常， 与CT系统相关的轨道速度越高，可从CT系统获得的功率密度越高。虽然 可以通过增加阳极盘的半径和/或增加其旋转速度/频率来增加轨道速度，但 是如果还不能达到，就已经接近这种增加功率密度的方法的技术限制。CT数据测量系统(DMS)通常包括相对X射线源设置的二维探测器 阵列，以探测并测量传输的X射线的强度。通常，X射线源和DMS安装在 旋转扫描架的相对侧。当扫描架旋转时，获得对象的一角度范围的投影视 图。
DMS的二维探测器阵列通常包括响应于X射线在闪烁器上的冲击产生 突发光(所谓的闪烁事件)的闪烁器晶体或闪烁器阵列。设置二维光电探 测器阵列(例如光电二极管或光电倍增管)来观察闪烁器并响应于闪烁事 件产生模拟电信号。该模拟电信号通过电缆发送到将模拟信号数字化的模 数转换器。数字化后的信号多路复用到数目减少的传输通道，并且传输通 道传送多路复用的数字化后的信号。
用于能量选择CT (光谱CT)成像操作的各种技术是公知的。例如， 这种CT系统可使用传统使用的集成操作模式。先进的集成模式执行例如管 开关，或者例如利用具有带有不同能量选择性的多层的探测器。操作的计 数模式(其在CT中还不是本领域最新型的技术)也是公知的，例如，计数 与集成模式的组合，能量加权和能量组合(energy binning)(开窗)技术。 然而，在传统CT系统的设计和操作中，例如通过X射线光子的横截面数 据(特别是，用于康普顿和光电效应)的能量特性的潜在含意(implication), 和特别地特定CT单元的X射线管光谱没有被考虑一尤其不是患者所暴露 的入射(滤波后的)X射线管光谱的有益知识。
Hanke等人的美国专利公开US 2004/0066908描述了例如，当高吸收密 度产生错误的和/或不完整的投影数据时使用模拟数据替换测量数据的系 统。Hanke '卯8公幵从计算机存储器例如，CAD数据中存取了所研究设备 的模型。所存储的信息指示局部材料密度，目标几何形状和其它材料特性。 Hanke '908系统使用模拟器，该模拟器利用与所研究设备相关的所存储信息 和与CT系统有关的参数(其存储在不同的计算机存储器中)，例如X射线 发射器发射的原始X射线谱和探测器特性，来生成模拟的CT数据。例如， 如果投影数据从测量数据中丢失或投影数据不精确/高噪声，则使用模拟的 数据来确定用于所研究设备的测量参数，例如测量位置和发射方向，并补 充测量数据。为了医学应用的目的，Hanke'908公开文本公开了用于减少金 属伪影的应用(例如，由于金属植入物)。Gordon, III等人的美国专利No. 6,222,907公开了一种在X射线系统中 通过X射线技术轨迹的生成优化图像质量的方法。Gordon '907专利包括确 定用于固定光谱滤波器和焦点的优化X射线技术以限定基本轨迹，优化光 谱滤波器和焦点与患者大小的关系，并组合用于固定光谱滤波器和焦点的 所确定的优化技术和优化的光谱滤波器和焦点与患者大小的关系，从而创 建函数轨迹(fimctional trajectoiy)。
尽管至今一直在努力，依然需要有效地处理CT单元的能量特性的含意 的CT系统。更具体地，需要一种有效地处理CT单元的X射线管光谱的含 意的CT系统。另外，需要一种存取和/或使用CT单元的能量特性和/或X 射线管光谱以改进CT性能(例如与其有关的对比度和图像质量)的CT系 统
根据本公开文本，提供了计算机断层摄影(CT)系统，其利用CT单 元的能量特性和/或X射线管光谱例如在生成和/或解释CT数据中增强CT 性能。事实上，在本公开文本的示范性实施例中，例如，通过使用先进的 能量选择探测技术，所公开的CT系统和方法用于使用与CT系统相关的能 量特性和/或X射线管光谱来增强对比度和/或图像质量。示范性能量选择探 领!l技术由Alvarez禾卩Macovski的"Energy-Selective Reconstructions in X-ray Computerized Tomography," Phys. Med. Biol" 1976 (Alvarez-Macovski方法) 描述的。Alvarez和Macovski的前述文章的全文在此引入作为参考。所公开 的CT系统适于以各种方式确定可应用的能量特性和/或X射线谱，例如通 过将光谱X射线管模型并入CT系统，使用Monte-Carlo模拟的输出，和/ 或处理用于CT系统的实验测量的光谱管数据。
根据本公开文本的示范性实施例，提供的CT系统包括用于将X射线 束朝向例如患者的结构导引的X射线管，以及与X射线管相对定位的探测 器阵列。X射线管和探测器阵列通常安装在扫描架上，该扫描架适于相对 定位在其中的对象旋转。通常提供控制机构和相关的控制电路用于控制CT 系统的操作，例如，扫描架的旋转，图像采集等。由探测器阵列生成模拟 电信号并发送到使模拟信号数字化的模数转换器。这样，当扫描架旋转时， 就可获得一角度范围的对象的投影视图。所公开的CT系统有利地包括用于确定X射线吸收过程的能量相关性 的装置。通过便于存取和使用这种能量相关信息激据，所公开的CT系统 便于使用例如Alvarez-Macovski方法的能量选择探测方法，以增强对比度 和/或图像质量。所公开的CT系统通过量化在CT系统中患者将暴露于其中 的入射(已滤波的)X射线管光谱来处理(address)有效地使用能量选择 探测器测量的基本先决条件。注意，人体的X射线吸收过程光谱地修改了 入射光谱，由此使得量化给定患者的X射线管光谱的任何努力变得更加复 杂。
所公开的CT系统允许对X射线管光谱进行量化，由此通过与处理装 置协作支持光谱CT成像，所述处理装置适于运行一个或多个程序来计算与 CT单元相关的X射线管光谱，或者适于从与处理装置通信的数据库中存储 和存取X射线管光谱，或其组合。处理装置可以是传统设计的中央处理单 元(CPU)的形式或包括其，并且负责计算和/或存取X射线谱数据的CPU 可以与CT单元一起定位(例如在患者的位置)或者可通过网络与CT单元 通信，例如逋过内联网，外联网，局域网，广域网等。类似地，其中具有 用于容纳X射线谱数据的数据库的数据存储器或计算机存储器可以与CT 系统一起定位在例如患者的位置，或者如在此描述的，可以远程定位且通 过网络与处理装置通信。
在本公开文本的示范性实施例中，处理装置适于支持和运行光谱X射 线管模型计算程序。如对于本领域技术人员显而易见的，该模型计算程序 可有各种形式，并且可包括使用来自轫致辐射过程的Monte-Carlo模拟的输 出/结果。在本公开文本的备选实施例中，处理装置适于与一个或多个谱数 据库通信。数据库装有以各种方式导出的X射线谱数据，例如实验，理论 和/或通过模拟获得的数据。根据本公开文本的示范性实施例，在谱数据库 中的X射线谱数据被例如以预定间隔周期性地更新。通过周期性地更新谱 数据，所公开的CT系统可以有效地考虑改变的状况，例如X射线管的寿 命影响。
除了支持计算和/或存取X射线谱数据以外，所公开的处理装置全部或 部分作为CT单元的控制器。因此，处理装置可实施如下控制功能，如控制 X射线管，扫描架和数据采集系统(DAS)的操作。所公开的CT系统的光谱确定系统和方法有利地减轻了管光谱的角度 相关性(例如，"足跟"效应)，特别是对于足跟效应在轴向方向(平行于 扫描架的旋转轴)最显著的多层CT扫描仪。另外，通过确定和/或存取用 于每个CT系统的X射线谱数据，本公开文本提供了有利的支持能量选择 探测方法(例如Alvarez-Macovski方法)和光谱CT成像的CT系统体系结 构。
所公开的CT系统，CT系统体系结构和处理方法的附加特征，功能和 好处在阅读下面详细的说明书后变得显而易见。
为了帮助本领域技术人员制造和使用所公开的CT系统和有关方法，现 参考附图，其中
图1是根据本公开文本使用的示范性计算机断层摄影(CT)系统的示 意图2是根据本公开文本的示范性实施例的数据处理单元的示意性流程
图3是根据本公开文本的与与CT系统相关的能量特性和/或X射线管 光谱的计算和利用相关的处理步骤的流程图。
例如，在产生和/或解释CT数据中，所公开的计算机断层摄影(CT) 系统利用CT单元的能量特性和/或X射线管光谱来增强CT性能。所公开 的CT系统和方法特别适于使用与CT系统相关的能量特性和/或X射线管 光谱来增强对比度和/或图像质量。根据本公开文本的示范性实施例，使用 能量特性和/或X射线管光谱支持能量选择预处理技术(例如， Alvarez-Macovski方法)和基于谱信息的CT图像的生成。所公开的CT系 统适于以各种方式确定可应用的能量特性和/或X射线谱，例如通过将光谱 X射线管模型并入CT系统，使用Monte-Carlo模拟的输出，和/或处理用于 CT系统的实验测量的光谱管数据。
首先参照图1,示意性图示了示范性的CT系统10。CT系统IO包括成 像对象支架12，例如卧榻，其在检査区域14内可沿Z轴直线湖线移动。X 射线管组件16安装在旋转扫描架上并适于投射穿过检査区域14的X射线。准直器18在二维方向上对辐射进行准直。X射线探测器阵列20布置在旋 转的扫描架上从X射线管组件16穿过检査区域14处。在本公开文本的备 选实施例中，X射线探测器阵列可以为非旋转二维探测器环的形式，例如， 探测器环安装在围绕旋转扫描架定位的固定扫描架上。探测器阵列20通常 包括探测器元件的多个平行探测器排，以使在一次扫描期间同时采集对应 多个准平行切片的投影数据。
X射线源通常投射扇形束，其在Cartesian坐标系的X-Y平面内被准直， 该X-Y平面通常称为"成像平面"。X射线束穿过要成像的物体，例如患者。 在被物体衰减之后，射束撞击到辐射探测器阵列。在探测器阵列处接收的 衰减的辐射束的强度取决于由于患者引起的X射线束的能量相关衰减。该 阵列的每个探测器元件产生独立的电信号，其是在探测器位置处射束强度 的测量值。分别采集所有探测器的强度测量值以产生发射轮廓。在特定的 扫描架角度处来自探测器阵列的一组X射线衰减测量值，即投影数据，称 作"视图"。
参照图2，根据本公开文本的示范性实施例提供了阐明数据处理单元 的示意性流程图。数据处理单元有利地配置为适于处理用于CT系统，例如 图1的示范性CT系统10的能量特性和/或X射线管光谱。处理系统50包 括根据本公开文本作为处理装置的处理单元60。处理单元60通常是具有足 以执行该功能并支持在此所述的操作的处理能力的传统计算机系统。例如， 处理单元60可以是个人计算机或者工作站的形式，虽然本公开文本也可包 括高级的处理系统，例如，微型计算机或分布式处理系统。处理单元60通 常适于从相关的键盘/监视器组件62接收输入。这样，操作者通常能够从组 件62向处理单元传送指令，并接收/观察与组件62相关的监视器上的结果。 虽然处理单元60和组件62作为独立部件在此示意性地图示，但处理单元 60可以形成为组件62的集成部分，如对于本领域技术人员显而易见的。
处理单元60还适于与存储装置或存储器64通信。如此处使用的，存 储装置64广泛地包括各种类型的可用于数据的数据库存储的计算机存储 器，例如，内部和外部盘存储器，磁带存储器等。虽然存储装置60相对处 理单元60和组件62作为独立部件在此示意性地图示，但应该理解，存储 装置60可以形成为处理单元60或组件62的集成部分，如对于本领域技术人员显而易见的。
还参照图2，处理单元60适于通过网络66与一个或多个远程计算机/ 服务器68通信。网络66可以是内联网，外联网，局域网，广域网等形式。 根据本公开文本的示范性实施例，网络通信可以包括将信息通过因特网传 输到远程位置。这样，根据本公开文本的基于网络的实现方式，处理单元 60适于与提供处理和/或存储能力的计算机/服务器68通信。
转到图3，参照这里提供的流程图更详细地描述所公开的CT系统的体 系结构和操作。更具体地，图3的流程图示出了支持例如能量选择预处理 方法(如Alvarez-Macovski方法)的与对X射线谱数据进行确定和利用相 关的示范性步骤。这样，如图3所示，启动与CT系统相关的处理单元或处 理装置以计算或存取X射线谱数据。处理单元的启动通常通过操作者与系 统交互来完成，例如，通过将输入/指令传输到处理单元。
一旦启动，处理单元可以以各种方式获得和/或存取用于CT系统的X 射线谱数据。例如，如图3示意性图示的，处理单元可以(i)进行光谱X 射线管模型计算，(ii)使用轫致辐射过程的Monte-Carlo模拟的输出，和/或 (iii)存取从一个或多个数据库实验地确定的X射线谱。具体参照光谱X射 线管模型计算，注意到，技术文献公开了可根据本公开文本使用的示范性X 射线模型，例如，Tucker等人的"Semi-empirical model for generating tungsten target x-ray spectra," Med. Phys. 18(2), 211， 1991和Durand的"X-ray Generation Models," PMS Report (1991)，这两者的相关内容在此引入作为参 考。
在实验地，理论地或通过模拟确定了 X射线谱数据的本公开文本的实 现方式中，所公开的CT系统通常包括一个或多个数据库，其已经建立/配 置为用于对这种数据进行电子存储。根据本公开文本的示范性实施例，在 谱数据库中的X射线谱数据例如以预定间隔周期性地更新。通过周期性地 更新谱数据，所公开的CT系统可以有效地考虑到改变的状况，例如X射 线管的寿命影响。
一旦获得，用于CT系统的X射线谱数据可有利地用于支持进一步的 图像相关的处理，例如能量选择预处理方法。所公开的对X射线谱数据的 确定和使用有利地支持和/或便于进行光谱CT的成像。X射线谱数据的使用(如此处确定和/或存取的)与能量选择探测方法以及基于其的光谱CT 图像的生成结合是本领域技术人员所公知的技术。
用于CT单元的X射线谱数据可基于多个因素改变，包括阳极角度， 阳极材料，管电压等。这样，存在多种不同的光谱。所公开的系统/系统体 系结构和相关的处理方法有利地确定/存取这种用于给定CT系统的光谱并 在图像生成中利用这种X射线谱数据。通过便于这种能量相关信息/数据的 存取和使用，所公开的CT系统便于使用能量选择预处理方法，如 Alvarez-Macovski方法来增强对比度和/或图像质量。事实上，所公开的CT 系统量化了与CT系统有关的X射线管光谱，由此支持光谱CT成像。
除了支持对X射线谱数据的计算和/或存取以外，所公开的处理装置也 全部或部分作为CT单元的控制器。因此，处理装置可实施如下控制功能， 如控制X射线管，扫描架和数据釆集系统(DAS)的操作。
所公开的CT系统的光谱确定系统和方法有利地减轻了管光谱的角度 相关性(例如，"足跟"效应)，特别是对于足跟效应在轴向方向(平行于 扫描架的旋转轴)最显著的多层CT扫描仪。另外，通过确定和/或存取用 于每个CT系统的X射线谱数据，本公开文本提供了有利的支持能量选择 探测方法和光谱CT成像的CT系统体系结构。
注意，所公开的CT系统还包括用于控制CT系统操作的控制机构和相 关的控制电路，例如，控制扫描架的旋转，图像的采集等。模拟电信号通 常由探测器阵列生成并发送到使模拟信号数字化的模数转换器。这样，当 扫描架旋转时，就可获得一角度范围的对象投影的视图。与所公开的CT系 统相关的控制机构通常包括向X射线源提供动力和定时信号的X射线控制 器和控制在扫描架上的部件的旋转速度和位置的扫描架马达控制器。在控 制机构中的数据采集系统(DAS)对来自探测器元件的模拟数据进行釆样 并将该数据转换为数字信号用于后续的处理。图像重建器从DAS接收采样 的并数字化的X射线数据并进行高速图像重建。通常将重建后的图像作为 到计算机的输入，该计算机在存储设备中存储图像。图像重建器可以是专 用硬件和/或在计算机上执行的计算机程序的形式。
根据本公开文本的示范性实施例，控制系统和相关的DAS有利地与此 上描述的处理单元和相关的数据处理系统组合。这样，与数据处理系统相关的计算机适于经由具有键盘的控制台从操作者接收命令和扫描参数。相 关的监视器使操作者观察来自计算机的重建后图像和其它数据。由计算机
使用操作者提供的命令和参数来向DAS， X射线控制器和/或扫描架马达控 制器提供控制信号和信息。另外，计算机通常操作工作台马达控制器，其 控制成像对象支架以在扫描架中定位患者。
虽然已经参照CT系统，系统体系结构和有关方法的示范性实施例对本 公开文本进行了描述，但本公开文本不限于在此公开的这种示范性实施例。 相反地，在不脱离本公开文本的精神或范围的情况下，所公开的系统和方 法可以允许许多修改，改变和/或改进。本公开文本清楚地将这些修改，改 变和/或改进包含在其范围内。
权利要求
1、一种计算机断层摄影(CT)系统，包括CT单元，以及与所述CT单元相关的处理装置，所述处理装置配置为适于确定和/或存取与所述CT单元相关的X射线谱数据。
2、 如权利要求1所述的CT系统，其中，所述处理单元配置为适于使 用至少一个光谱X射线管模型确定所述X射线谱数据。
3、 如权利要求l所述的CT系统，其中，所述处理单元配置为适于使 用来自Monte-Carlo模拟的输出确定所述X射线谱数据。
4、 如权利要求1所述的CT系统，其中，所述处理单元配置为适于存 取存储在一个或多个数据库中的X射线谱数据。
5、 如权利要求4所述的CT系统，其中，存储在所述一个或多个数据 库中的所述X射线谱数据是实验地，理论地和/或通过模拟生成的。
6、 如权利要求1所述的CT系统，其中，所述处理装置包括中央处理 单元。
7、 如权利要求6所述的CT系统，其中，所述中央处理单元适于通过 网络与至少一个远程定位的计算板服务器通信。
8、 如权利要求6所述的CT系统，其中，所述中央处理单元还适于向 所述CT单元提供一个或多个控制功能。
9、 一种用于生成计算机断层摄影图像的方法，包括 提供包括X射线源和探测器阵列的CT单元；确定与所述CT单元相关的X射线谱数据；以及使用所述X射线谱数据增强所述CT单元的性能。
10、 如权利要求9所述的方法，其中，所述X射线谱数据是通过使用 至少一个光谱X射线管模型确定的。
11、 如权利要求9所述的方法，其中，所述X射线谱数据是通过使用 来自Monte-Carlo模拟的输出确定的。
12、 如权利要求9所述的方法，其中，所述X射线谱数据是通过存取 在一个或多个数据库中存储的谱数据确定的。
13、 如权利要求12所述的方法，其中，所存储的谱数据是实验地，理 论地和/或通过模拟确定的。
14、 如权利要求12所述的方法，还包括周期性地更新所存储的谱数据。
15、 如权利要求9所述的方法，其中，与能量选择探测方法结合地使 用所述X射线谱数据。
16、 如权利要求9所述的方法，其中，在生成至少一个光谱CT图像的 过程中使用所述X射线谱数据。
全文摘要
提供计算机断层摄影(CT)系统，其与CT数据的生成和/或解释结合地利用X射线管光谱。所公开的系统和方法使用与CT系统相关的X射线管光谱来增强对比度和/或图像质量，例如通过使用能量选择探测技术。X射线谱可以以各种方式来确定，例如，将光谱X射线管模型并入CT系统，使用Monte-Carlo模拟的输出，和/或处理用于CT系统的实验测量的光谱管数据。通常由与CT系统相关的计算机系统生成X射线管光谱和/或将X射线管光谱存储在其中，并且X射线管光谱可用于支持能量选择探测方法和/或光谱CT图像的生成。
文档编号A61B6/03GK101309643SQ200680042630
公开日2008年11月19日 申请日期2006年11月14日 优先权日2005年11月18日
发明者C·博伊默, C·赫尔曼, E·勒斯尔, G·蔡特勒, K·J·恩格尔, R·普罗斯卡 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司