使用对比剂组合用于解剖结构和多种材料的同时可视化的光子计数计算机断层扫描术的制作方法

本申请要求2014年4月16日提交的美国临时申请序列号61/980070的优先权，该申请通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开一般地涉及用于执行光子计数计算机断层扫描术的方法、系统和装置，该光子计数计算机断层扫描术使用对比剂组合用于解剖结构和多种材料的同时可视化。可以应用所公开的技术例如以便促进包括脉管系统的解剖结构和基于巨噬细胞的热点的同时获取和可视化。

背景技术：

计算机断层扫描术（CT）是一种使用计算机处理的X射线束来产生被扫描对象的特定区域的断层图像的成像技术。每个x射线束包括能量包（或“光子”），该能量包，取决于被成像材料的结构，可以穿过该结构、被该结构吸收、或被该结构重定向（即，散射）。X射线束在成像期间被对象减少的程度被称为衰减。

为了在CT扫描中区分两个相邻对象，在两个对象之间必须存在密度差。如果这种密度差不天然存在于解剖结构中，则对比度增强材料可被注入到被检对象中以在目标区域中创建人工密度差，从而促进增强的成像。例如，高密度流体可用于填充脉管系统以将其与周围组织区分开。

存在本领域中通常已知的许多不同类型的对比度增强材料，每个都提供独特的益处。然而，对于传统系统，同时使用多种类型的对比度增强材料是具有挑战的。例如，诸如钆和碘之类的材料传统上已被用于脉管可视化。为了组织增强，诸如纳米颗粒之类的材料可被用于结合到感兴趣区域（例如，巨噬细胞结合到慢性炎症的目标解剖“热点”）。不幸的是，这些纳米颗粒对比剂在结合在感兴趣地点之前需要一些时间，在该时间期间，脉管对比剂被冲掉，并且不再对成像有用。这导致针对组织和脉管系统的非常低的对比度噪声比（CNR）。

因此，期望产生一种技术用于使用单个扫描同时获取对应于多个对比剂的图像数据。

技术实现要素：

本发明的实施例通过提供如下方法、系统和装置解决和克服了一个或多个上述缺点和缺陷，该方法、系统和装置涉及使用利用对比剂组合的光子计数CT(PCCT)来同时可视化解剖结构和其他材料。简言之，PCCT设备被配置为具有与不同对比剂对应的多个阈值。在一些实施例中，这些对比剂包括长效血池剂和纳米颗粒。由PCCT获取的数据基于阈值被分离到窗口（window）（或“容器（bin）”）中，从而允许对应于不同对比剂的数据集的独立处理和重构。本文描述的技术可以被应用，例如，以便促进包括脉管系统的解剖结构和基于巨噬细胞的热点的同时获取和可视化。

根据一些实施例，一种用于使用对比剂组合执行PCCT的方法包括：利用多个阈值配置PCCT设备，所述多个阈值对应于多个对比剂。这些对比剂包括长效血池对比剂和纳米颗粒对比剂。在所述多个对比剂存在的情况下使用PCCT设备对解剖学被检对象执行成像扫描以获取图像数据。接下来，基于所述多个阈值把成像数据处理成多个数据集。数据集包括对应于长效血池对比剂的第一数据集，和对应于纳米颗粒对比剂的第二数据集。在一些实施例中，对比剂包括至少一个短效对比剂（例如钆或碘），其被设计为在注入之后10分钟内从解剖学被检对象冲掉。那么所述多个数据集可以包括对应于这个短效对比剂的数据集。

可以基于在前述方法中描述的数据集重构图像。例如，在一些实施例中，基于所述数据集重构多个图像。这些图像包括对应于长效血池对比剂的第一图像集和对应于纳米颗粒对比剂的第二图像集。然后，来自第一图像集的一个图像和来自第二图像集的一个图像可以同时呈现在显示器上。

在一些实施例中，上述方法中的PCCT设备通过首先识别成像数据中的多个电脉冲来基于所述阈值把成像数据处理成数据集。这些脉冲然后被转换成测量电压。基于测量电压与对应于所述阈值的阈值电压的比较把能量水平分配给所述多个电脉冲中的每一个。然后基于分配给电脉冲中每一个的能量水平创建数据集。在一个实施例中，每个相应数据集包括对应于所述阈值中的不同的一个阈值的光子计数值。

根据其他实施例，用于使用对比剂组合执行PCCT的方法包括利用多个阈值配置PCCT设备，所述多个阈值对应于多个对比剂。这些对比剂可以包括：例如至少两个长效对比剂，被设计为在注入到解剖学被检对象中之后保持在解剖学被检对象中达至少12小时；和一个或多个短效对比剂，被设计为在注入到解剖学被检对象中之后10分钟内从解剖学被检对象冲掉。例如长效对比剂可以包括长效血池对比剂和纳米颗粒对比剂（例如基于金的），而短效对比剂可以是基于碘的对比剂或基于钆的对比剂。一旦被配置，PCCT设备就可以被用于在对比剂存在的情况下对解剖学被检对象执行成像扫描以获取图像数据。然后可以基于阈值把成像数据处理成数据集，数据集包括针对对比剂中每一个的至少一个数据集。一旦数据集已被获取，他们就可以被用于针对每一个对比剂重构图像集。然后来自每个集的图像可以被同时呈现在显示器上。

根据其它实施例，一种成像系统包括：台架、x射线源、检测器和评估单元。x射线源被配置为与台架一起围绕被检对象旋转。检测器包括传感器，所述传感器被配置为将辐射量子转换成多个电脉冲。评估单元被配置为根据一个或多个可调整能量阈值把所述电脉冲处理成数据集。这些可调整能量阈值包括：第一阈值，其针对对应于长效血池对比剂的能量水平被优化；和第二阈值，其针对对应于长效纳米颗粒对比剂的能量水平被优化。在一些实施例中，评估单元包括多个脉冲高度比较器电路，所述脉冲高度比较器电路被配置为：把对应于电脉冲中的每一个的高度信息与可调整能量阈值进行比较以把电脉冲分离成数据集。

在一些实施例中，上述成像系统包括附加组件。例如，在一个实施例中，成像系统包括成像计算机，成像计算机被配置为基于数据集重构图像。这些图像可以包括例如对应于长效血池对比剂的第一图像集和对应于纳米颗粒对比剂的第二图像集。在一个实施例中，成像系统包括显示器，显示器被配置为同时呈现来自第一图像集的图像和来自第二图像集的图像。在一个实施例中，显示器还被配置为呈现图形用户界面，从而允许与每个图像相关联的显示特性在不改变与其他所显示的图像相关联的显示特性的情况下被修改。

根据参照附图进行的说明性实施例的以下详细描述，本发明的附加特征和优点将变得显而易见。

附图说明

根据下面的详细描述，在结合附图阅读时，本发明的前述和其它方面被最好地理解。为了说明本发明的目的，在附图中示出了当前优选的实施例，然而，应当理解，本发明并不限于所公开的特定手段。附图中包括以下附图：

图1提供可以在本发明的一些实施例中使用的光子计数CT（PCCT）成像系统的图示；

图2提供根据一些实施例的利用长效血池剂和纳米颗粒执行PCCT成像的过程的图示；以及

图3提供根据一些实施例的利用长效血池剂、纳米颗粒和常规IV对比剂执行PCCT成像的过程的图示。

具体实施例

下面的公开根据几个实施例描述了本发明，这些实施例涉及用于执行光子计数CT(PCCT)的方法、系统和装置，PCCT使用长效血池剂和纳米颗粒的对比剂组合来同时可视化解剖结构和其他材料。简言之，PCCT设备允许把检测到的X射线光子划分到能量容器中。使用本文所述的技术，这个划分通过识别材料特有的能量分布而用于选择性对比材料检测。因此，对比剂的空间分布可以在单次扫描内在像素的基础上被定量。

图1提供图示可以在本发明的一些实施例中使用的PCCT成像系统100。简言之，具有多个检测器元件（像素）的阵列用于直接转换半导体材料。检测到的辐射量子生成电荷脉冲，电荷脉冲被检测器电子装置转换成测量电压，该测量电压在一个或多个比较器中与表示相应检测器元件中的阈值电压的不同能量水平进行比较。以这种方式，检测到的光子可以被分配一定的能量并且该光子相应地被计数。

成像系统100包括被检对象支撑台105，用于支撑要检查的被检对象。此外，该系统100包括具有记录系统的台架（在图1中未图示），记录系统包括X射线源110B和计数检测器110A。记录系统被安装在台架内，使得它可以围绕系统轴115旋转。X射线源110B和计数检测器110A彼此相对对准，使得由X射线源110B的焦点110C在操作期间发射的X射线辐射撞击检测器110A。准直器120被放置在检测器前面以便抑制在被检对象中创建的散射辐射。这种准直器可以被配置为仅向检测器110A传递由焦点110C发射并且作为受检对象穿透的函数被衰减的初级辐射。

在原理上，间接转换（即光学计数）检测器和直接转换检测器二者都可以用作计数检测器110A。在图1的示例中，计数检测器110A是与半导体层125集成的直接转换检测器。半导体层125可以包括本领域中通常已知的、适用于直接转换应用的任何材料。具有这样属性的半导体材料包括但不限于CdTe、CdZnTe、CdZnTeSe和CdZnTeSe化合物。在半导体层125中，入射的X射线量子被转换成自由电荷载流子，作为在电场中受力电荷载流子传送的结果经由下游读出电子装置登记（register）为电信号，并被转换成电脉冲，电脉冲经由评估单元135进行评估。

检测器110A被细分成个体传感器130或像素，用于吸收事件的空间解析获取。传感器130被配置为把辐射量子转换成电脉冲。评估单元135被配置为使用一个或多个可调整能量阈值对这些脉冲进行计数。物理上，这些阈值可以由被馈送到脉冲高度比较器电路（图1中未示出）中的电压来实现。每个脉冲的高度与给定的阈值进行比较并且，如果脉冲高度超过阈值，则由比较器登记计数。由两个相邻阈值所定义的能量窗口（如被称为“容器”）中的计数可以通过从两个阈值减去计数器中的计数来确定。

为了记录检查区域的图像，当记录系统110A、110B围绕系统轴115旋转时，从多个不同的投影方向登记投影，其中，检测器110A针对每个投影和针对每个传感器130登记计数值Z1、Zk、Z2。在螺旋扫描的情况下，在记录系统110A、110B的旋转期间例如同时存在系统轴115的方向上被检对象支撑台105的连续调整。在这种类型的扫描中，X射线源110B和检测器110A因此沿螺旋路径140围绕被检对象移动。包括在评估单元135中的校正单元根据计数值Z1、Zk、Z2建立至少一个经校正的计数值Zkorr。计数值Z1、Zk、Z2和Zkorr随后在定序器中被序列化并被传送到成像计算机145。成像计算机145包含重构单元150，重构单元150具有被配置为根据计数值Z1、Zk、Z2、Zkorr重构图像（例如被检对象的切片图像形式）的一个或多个处理器。所得到的图像然后可以被显示在显示单元155（例如，视频监视器）上，显示单元155可操作地耦合到所述成像计算机145。在一些实施例中，显示单元155提供图形用户界面（GUI），图形用户界面允许用户交互和改变图像显示的各种特性。

图1中所示的系统根据以下公式基于x射线衰减来区分不同材料：

在这个公式中，I和I₀分别表示x射线的透射和入射强度。在指数中，x表示吸收材料的厚度，并且μ是质量衰减系数。质量衰减系数与材料的原子序数（K）成比例。这种关系可被用于通过选择对应于高原子序数的材料来选择最佳对比材料用于成像。每个对比材料具有其质量衰减系数和其与光子能量的关系之间的已知关系。

通常，利用对比剂，光电吸收导致光子衰减系数的突然增加，这种突然增加发生在恰好高于与该光子发生作用的原子的K壳层电子的结合能量的光子能量处。发生该突然增加的区域被称为k壳层结合能量或“k边缘”。对比材料的这个k边缘可被用来确定所述阈值，该阈值由PCCT应用以在扫描期间区分材料。例如，已知钆具有64的原子序数和50.2千电子伏（keV）的k边缘。基于此知识，一个或多个阈值可以在扫描仪中进行调整，以专门将钆从周围组织区分开。

图2提供根据一些实施例的利用长效血池剂和纳米颗粒执行PCCT成像的过程200的图示。在步骤205，静脉内（IV）访问设备被植入被检对象的皮肤下。如本领域中所理解的，这样的设备允许药物、流体和其他物质被直接递送到较大的静脉中并且可长时间留在其中。该设备通常是放置在被检对象中一位置处的小柔性管，其可容易地被医务人员访问。在图3中所示的过程300的情境中，该IV访问设备将促进各种对比剂的施用。

接下来，在步骤210，使用IV访问设备注入纳米颗粒和长效血池剂。如本领域中所理解的，纳米颗粒和长效血池剂是对比剂的两个示例。本领域中通常已知的各种类型的纳米颗粒可以在步骤210被注入，各种类型的纳米颗粒包括但不限于金纳米颗粒和标记有诸如铋之类材料的颗粒。类似地，长效血池剂可以是碘化的脂质或在长时间段（通常为12 - 24小时）期间提供对比度增强的任何其他物质。纳米颗粒表面具有朝硫醇、二硫化物和/或胺基团的强结合亲和性，硫醇、二硫化物和/或胺基团允许与各种生物分子的表面联接。继而，这允许成像期间以解剖结构的特定部分为目标。持久剂具有可以被扫描的分子，并且将突出显示整个血池的分布，从而提供血液在整个身体的分布的指示。因此，组合使用的纳米颗粒和持久血池剂提供如下能力：在成像期间同时增强被检对象的解剖结构的各个方面。

如上所述的，纳米颗粒结合到被检对象中的目标解剖学区域。这个过程不是立即的，因此，在步骤215，过程200被暂时中止，以允许完成结合过程。然而，应该指出的是，一旦结合完成，纳米颗粒就将在被检对象中长时间保持结合。因此，步骤205-215可以在PCCT成像之前几个小时完成。

继续参考图2，在步骤220，PCCT用于获取定位器扫描。如本领域中理解的，定位器扫描是x射线源静止并且支撑台移动通过台架的扫描场时创建的数字图像获取。定位器扫描导致一个或多个定位器图像的获取，所述一个或多个定位器图像类似于利用常规射线照片设备获取的图像。因此，相比于利用PCCT获取的图像，定位器图像本质上不是截面。在获取之后，施用扫描的技术人员可以使用定位器图像来执行诸如规定截面切片的位置之类的任务，从而确保被检对象被适当放置在扫描仪台上，选择最佳显示视场用于PCCT扫描，并针对图像中心校正。

在定位器扫描之后，在步骤225，PCCT设备用于在根据所选择的对比材料配置的多个能量阈值和容器处获取图像数据。如以上参照图1所述的，在光子计数模式中操作的X射线检测器按照针对每个个体像素的阈值应用能量辨别。为了区分在步骤210应用的纳米颗粒和血池剂，针对这两种类型的对比剂预设阈值。这些阈值可以基于例如与纳米颗粒和血池剂物质相关联的k边缘值。例如，对于金纳米颗粒，适当的阈值可以在70-80keV的范围内选择。对于基于碘的血池剂，阈值可以在30-40keV的范围内选择。

一旦数据已被获取，则在步骤230，它被处理成至少三个数据集：包含结合至纳米颗粒的解剖结构的数据集、表示由血池剂所指示的血流的数据集和另外的不受对比剂影响的解剖结构的数据集。然后，每个数据集可被用于使用本领域中通常已知的任何CT重构来重构图像。在一些实施例中，相同的重构技术被用于所有数据集。在其他实施例中，可以基于数据集的内容使用不同的重构技术。因此，例如，针对基于纳米颗粒的成像所优化的重构例程可用于包含结合至纳米颗粒的解剖结构的数据集，而其他重构技术被应用于其余数据集。

在重构之后，所产生的图像可以被显示（如在图1中所描述的）或被存储供以后处理。应当指出的是，由于数据集是独立的，因此他们的对应图像也是独立的。这允许用户选择性地查看对应于隔离的数据集之一的图像。替代地，来自不同数据集的图像可以被叠加并且不同的图像显示特征（例如，亮度、对比度等）可以被独立地应用到不同类型的图像，以增强被检对象的解剖结构的特定部分。

图2中所示的区分各种对比剂的一般过程可以随扫描仪处可用阈值的数量而调整。图3提供根据一些实施例的用于利用长效血池剂、纳米颗粒和常规IV对比剂执行PCCT成像的过程300的图示。如图2中那样，图3的初始步骤305是在被检对象的皮肤下植入IV访问设备，以用于施用各种对比剂。在步骤310，纳米颗粒和长效血池剂被使用IV访问设备注入到被检对象中。然后，在步骤315，纳米颗粒继续与被检对象的解剖结构的目标部分结合。

继续参照图3，在步骤320，定位器扫描被执行以获取一个或多个定位器图像。在步骤325，应用短效对比剂。这个短效对比剂可以是例如基于碘的物质，诸如但不限于泛影葡胺、甲基三元影酸、碘克酸和碘克沙醇。不同于在310注入的纳米颗粒和长效血池剂，短效对比剂将通过被检对象的肝脏和肾脏在几分钟之内被过滤出被检对象的系统。因此，这种注入应恰好在成像之前发生。在步骤330，该成像以类似于在图2的步骤225执行的成像的方式被执行，以产生多个数据集。然而，对于图3的示例，为三种不同类型的对比剂设置阈值。一旦数据已被获取，则在步骤335，它被处理成至少四个数据集：包含结合至纳米颗粒的解剖结构的数据集、表示由血池剂所指示的血流的数据集、表示短效对比剂存在的数据集和另外不受对比剂影响的解剖结构的数据集。然后，每个数据集可以被重构成图像，用于显示或存储以供以后查看。应当指出的是，对扩充图3中所示的过程的唯一限制是扫描仪所支持的阈值的数量。因此，当阈值的数量增加时，可以被同时成像的不同对比剂的数量也同样增加。

也重要的是，要注意，光子计数CT仅是可能从纳米颗粒和持久对比剂的混合物受益的可能模态之一，如图2和3中所述。该混合物也可能与其他成像模态（诸如但不限于，磁共振（MR）、超声、正电子发射断层扫描术（PET）、单光子发射计算机断层扫描术（SPECT））一起使用。

本公开的实施例可以利用硬件和软件的任何组合来实现。此外，本公开的实施例可以被包括在制品（例如，一个或多个计算机程序产品）中，该制品具有例如，计算机可读非临时性介质。该介质具有体现于其中的例如计算机可读程序代码，用于提供和促进本公开的实施例的机制。该制品可以作为计算机系统的一部分被包括或单独出售。

虽然本文已经公开了各个方面和实施例，但其他方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例是为了说明的目的，而不是意在限制，真正的范围和精神由所附权利要求指出。

可执行应用，如本文所使用的，包括代码或机器可读指令，代码或机器可读指令用于调节处理器以响应于用户命令或输入来实现预定功能，诸如例如操作系统、情境数据获取系统或其它信息处理系统的那些功能。可执行程序是用于执行一个或多个特定过程的代码或机器可读指令的片段、子例程或代码的其他不同区段或可执行应用的部分。这些过程可包括接收输入数据和/或参数，对接收的输入数据执行操作和/或响应于接收的输入参数来执行功能，并提供产生的输出数据和/或参数。

一种图形用户界面（GUI），如本文所使用的，包括一个或多个显示图像，该显示图像由显示处理器生成并且实现用户与处理器或其它设备的交互以及相关联数据获取和处理功能。GUI还包括可执行程序或可执行应用。可执行程序或可执行应用调节显示处理器以生成表示GUI显示图像的信号。这些信号被提供到显示设备，显示设备显示图像供用户查看。处理器在可执行程序或可执行应用的控制下，响应于从输入设备接收的信号操纵GUI显示图像。以这种方式，用户可以使用输入设备与显示图像交互，从而实现用户与该处理器或其它设备的交互。

本文的功能和过程步骤可被自动执行或全部或部分地响应于用户命令被执行。自动执行的活动（包括步骤）在没有用户直接启动该活动的情况下响应于一个或多个可执行指令或设备操作而被执行。而且，虽然一些方法步骤被描述为分开的步骤以易于理解，但任何这样的步骤不应当被解释为一定分离，也不理解为在他们的执行方面依赖顺序。

附图的系统和过程不是排他的。其它系统、过程和菜单可以根据本发明的原理被得出来实现相同的目的。虽然已经参照特定实施例描述了本发明，但应理解，本文示出和描述的实施例和变化仅用于说明的目的。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以实现对目前设计的修改。如本文所述，各种系统、子系统、代理、管理器和过程可以使用硬件组件、软件组件和/或它们的组合来实现。没有本文权利要求元素在U.S.C.112的35条第六款的条款下被理解，除非该元素使用短语“用于……的装置”来明确记载。