X射线系统和图像重建方法与流程

本发明涉及一种用于获取投影数据的X射线系统和一种图像重建方法。

背景技术：

当X射线辐射通过检查受试者投影时，根据所使用的光谱和待被穿透的物质，会产生不同的吸收或散射特性，光谱中低能量相对于高能量的比例更快被吸收(射束硬化)。关于待被重建的图像的对比度或噪声，因此可能有利的是，适配用于适合通过检查受试者的计划投影的光谱。基本上，出于该目的考虑两种途径：一方面，可以通过源来调节发射光谱，而另一方面，可以实施检测器，并且如果需要，可以适应于以其仅检测相对宽的射入光谱的限定范围的这种方式来调节，例如，通过滤波器。这种情况下的光谱分离的指示器是光谱灵敏度分布，其由从检测器的光谱和灵敏度得出的乘积来给出。

从真实世界实践中已知用于如何在源侧修改光谱的若干种途径。如已知的这些多能量技术被分类成下文简要描述的变型。通过所谓的“kV切换”，管电压(也被称为加速电压)在一个或多个读出周期内以短时间间隔来更改，使得电子吸收不同的能量，最终导致不同的X射线光谱下的韧致辐射(“制动辐射”)。“双螺旋”变型涉及使用不同的X射线光谱进行的相同受试者区域的两次扫描。“拆分滤波器”途径代表另一变型，其预滤波器由允许不同X射线光谱通过的两种不同材料组成。然后，在每种情况下，仅在与对应的预滤波器相关联的检测器元件中检测X射线辐射。从真实世界实践中已知的是所谓的“双源”技术，其中两个管-检测器系统同时生成具有不同X射线光谱的X射线辐射并且彼此分开地测量这些X射线辐射。

先前，在大多数情况下使用在X射线辐射的整个能量范围(被称为总光谱)上积分的检测器来获取投影数据，以便获取测量数据。为了实现一定的能量分辨率，所述检测器还可以被布置在两层中作为“双层检测器”，其中主要在第一层中检测低能量子，而剩余的较高能量X射线量子在第二层中进行检测。

与此相反，光子计数检测器以光谱分辨的方式测量输入光谱。在这种情况下，根据所实现的阈值的数目，生成多个光谱不同的数据集。然而，因为只有一个输入光谱，所以在这种情况下各个数据集的光谱分离可能不如在先前所描述的多能量途径的情况下好。在出版物DE 102007027460 A1中描述了这种光子计数检测器在成像系统中的使用。

技术实现要素：

本发明的目的是公开一种提供改进的光谱分离的X射线系统和图像重建方法。

该目的通过如权利要求1所要求保护的X射线系统、以及如权利要求9所要求保护的图像重建方法来实现。

为了获取检查受试者的投影数据，在介绍中引用的X射线系统包括X射线发射器布置，该X射线发射器布置包括多个X射线辐射源、以及具有至少两个检测阈值的多个光子计数检测器。在该配置中，多个X射线辐射源被实施为使得该多个X射线辐射源生成具有至少两个X射线辐射光谱的X射线辐射。更进一步地，多个光子计数检测器被布置和被实施为使得该多个光子计数检测器以能量分辨的方式将至少通过检查受试者的X射线辐射检测为投影数据的形式。

术语“X射线系统”被理解为优选是计算机断层摄影系统，尽管“X射线系统”也可以包括简单的X射线机或血管造影设备。因此，将在以下不失一般性的情况下应用于计算机断层摄影系统。待检查的受试者可以是对象或动物，虽然优选地待检查的受试者可能是人类患者。

X射线系统的X射线发射器布置优选地包括一个或两个X射线辐射源。X射线辐射源又包括X射线管，并且因此构成了射束生成单元。进一步地，元件(诸如例如，准直器、滤波器、快门等)还可以被所述单元涵盖。术语X射线辐射光谱(简称为光谱)等效于具有在X射线辐射源中生成作为韧致辐射的不同能量或波长的分布的发射辐射的量。在这种情况下，光谱通常由存在于X射线管中的电压来表征，例如，140kV等。X射线发射器布置被实施为具有用于生成具有至少两个光谱的X射线辐射的多个X射线辐射源的事实意味着单个X射线辐射源能够生成至少两个(优选地，不同的)光谱、或多个X射线辐射源生成优选地不同的光谱。因此，即使对于多个X射线辐射源，每个单独的源也可以被实施用于生成不同的光谱。

除了X射线辐射源之外，X射线系统优选地包括一个或两个光子计数检测器。这些又包括优选地半导体传感器的传感器阵列，例如，由硅(Si)、碲化镉(CdTe)或碲化锌镉(CZT)制成，其将入射光子直接转换成电信号。光子优选地在传感器阵列上被局部地检测(即，以空间分辨的方式被检测)，并且根据它们的能量而同时被分类成被称为仓(bin)的分组。因此，半导体传感器可以针对至少两个不同的能量范围而分别检测光量子。能量阈值可以根据需要被指定用于所述分类的目的并且通过控制设备来电子地设定。这使得各个检测器能够适应于检查的要求。然后，将其全部表示投影数据的电信号转发给评估单元。后者可以结合在控制单元中并且例如在计算机单元中实现。

通过多个检测器来获取检查受试者的投影数据。因此，所述数据以空间分辨的方式指示X射线辐射的强度和能量分布，其作为通过检查受试者的定义光谱通过在主照射方向上的多个X射线辐射源而投影到检测器上。在该过程中，X射线辐射可以由检查受试者不同地局部吸收和/或散射，这取决于检查受试者的厚度和材料。结果，在逻辑反转中，投影数据包含关于检查受试者的局部信息。到达检查受试者后面的检测器的X射线辐射的能量分布(即，投影的能量分布)在这种情况下通过空间和能量分辨检测器的检测阈值来测量。因此，要被理解为原始数据的投影数据可以形成用于生成检查受试者的图像数据的基础。在这种情况下，投影数据可以优选地分配给由X射线辐射源发射的相应光谱。投影数据因此包括关于在源侧上使用的光谱的信息、空间信息、关于主照射方向的信息、以及关于沉积在检测器中的各个光子的能量的信息。

与现有技术相反，根据本发明的X射线系统因此将已知的多能量技术与光子计数检测器组合，而不与能量积分检测器组合。这使得能够实现更好的光谱分离，即，针对成像所检测的X射线光谱的更精细的分割，因为光谱在发射期间在源侧上和在检测期间在检测器侧上被细分为范围。这最终的效果是成像的改进。

在介绍中引用的通过X射线系统进行图像重建的方法包括以下步骤。在第一步骤中，借助于包括多个X射线辐射源的X射线发射器布置来生成具有至少两个X射线辐射光谱的X射线辐射。在第二步骤中，借助于多个光子计数检测器来检测以能量分辨投影数据形式的至少穿透检查受试者的X射线辐射。在第三步骤中，基于检查受试者的投影数据来重建图像。

优选地，根据本发明的X射线系统用于执行该方法。X射线系统可以例如借助于特定的检查协议通过控制设备来自动控制，和/或检查所需的各个参数的设置可以由操作员经由输入界面来录入。特别地，可以在此时指定所使用的X射线光谱和检测阈值。在获取之后，投影数据可以直接传送到评估单元和/或存储在缓冲器中，其中投影数据被存储为原始数据。因此，可以根据需要立即或在稍后的时间执行图像重建步骤。在重建过程中，其中应用适当修改以实现更精细的光谱分辨率的已知图像生成方法，基于检查受试者的投影数据来生成检查受试者的图像。这可以是表示检查受试者的图像，例如，以截面图像(切片)、3D图像或甚至4D图像数据(具有时间分量)的形式。在这种情况下，图像可以以灰度级表示，或者也可以根据材料或组织成分以颜色来突出显示，基于投影数据来确定成分。这对于检测血管、对比的对象和/或肿瘤的钙化是特别有利的。

主要在软件中的实现方式具有的优点是，已经使用的控制设备可以容易地通过软件更新来改装，以便以本发明的方式进行操作。在这方面，该目的还通过对应的计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包括计算机程序，该计算机程序可以直接加载到X射线系统的控制设备的具有程序段的存储器设备中，当在控制设备中执行程序时，该程序段用于执行本发明的所有步骤方法。和计算机程序一样，这样的计算机程序产品还可以包括附加的组成部分，诸如例如，文档和/或附加部件，其包括硬件部件，诸如例如，硬件秘钥(加密狗等)，以允许使用软件。

一种计算机可读介质可以用于将计算机程序传送到控制设备和/或用于将其存储在控制设备上或中，该计算机可读介质例如为记忆棒、硬盘或一些其它可移动或永久安装的数据载体，其上存储计算机程序的可以由控制设备的计算机单元读取并且执行的程序段。为此目的，计算机单元可以具有例如一个或多个协作微处理器等。

从从属权利要求以及从以下描述中，本发明的其它特别有利的实施例和改进将变得清楚，其中一个权利要求类别的独立权利要求也可以类似于不同权利要求类别的从属权利要求来开发，并且特别地，不同示例性实施例或变型的各个特征可以组合以创建新的示例性实施例或变型。

在根据本发明的X射线系统的变型中，用于生成具有至少两个X射线辐射光谱的X射线辐射的X射线辐射源被实施为使得该X射线辐射源在控制设备的控制下在不同的加速电压(X射线电压)之间切换。在这种情况下，X射线辐射由光子计数检测器与加速电压的转换同步地被检测到。通过被称为kV切换的这种变型，所发射的X射线辐射的光谱因此可以在其生成时仅通过管电压的调节来修改。优选地，管电压在高频下(例如，1000Hz)交替，在两个规定值(例如，80kV和140kV)之间交替。从X射线辐射不通过检查受试者的区域记录的数据在这种情况下可以有利地被用于使得检测同步，并用于与原始发射的光谱对准。这是因为所述数据基本上(即，除了环境空气的影响之外)精确地反映了由X射线辐射源发射的光谱。

在根据本发明的X射线系统的另一变型中，用于生成具有至少两个X射线辐射光谱的X射线辐射的至少一个X射线辐射源包括至少一个预滤波器。该预滤波器可以被实施为例如由轻金属或重金属制成的板，以便吸收软X射线束和中等软X射线束。因此，这种形式的预滤波器基本上硬化了射束，因为主要是具有较少穿透的X射线辐射，较大的波长被其滤除掉。因此，通过预滤波器可以生成两个不同的X射线光谱，即，由X射线管实际生成的光谱和通过预滤波器修改的光谱。在以下子变型中描述了这种效果的两种可能的应用。

在根据本发明的X射线系统的第一和优选子变型的情况下，至少一个预滤波器将X射线辐射光谱的范围在空间上分布到光子计数检测器的限定角度范围。为此目的，预滤波器具有由不同材料制成的滤波器段，其允许不同的光谱通过。因此，由这些所谓的“拆分滤波器”发射的辐射在某些角度范围的滤波器段上发射，使得其最后也撞击在通过它们的布置而分配给相应光谱的检测器的传感器阵列的专用区域上。例如，如果包括X射线辐射源和检测器的布置现在围绕检查受试者在圆形路径上旋转并且所有滤波器段位于圆形路径上，则针对通过预滤波器生成的所有光谱会获取检查受试者的完整投影数据。在滤波器段与圆形路径正交地布置的情况下(即，在旋转轴线的方向上)，当检查受试者的相应区域在螺旋扫描中的轴向位移期间根据滤波器段多次被扫过时，可以例如以不同的转数来获取投影数据。特别优选地，预滤波器包括两个滤波器段。

在根据本发明的X射线系统的第二子变型中，至少一个预滤波器在时间上修改由光子计数检测器以同步方式检测的X射线辐射光谱。如在先前所描述的kV切换的情况下，光谱在此相对于时间而更改。这可以例如通过预滤波器分别周期性地快速插入和移出射束路径来实现。可替代地，也可以在不同的预滤波器之间切换。同步也可以类似于kV切换来执行。

原则上，两个上述子变型也可以彼此组合。因此，基本上可以例如通过串联布置的合适的预滤波器同时生成空间上分离的和时间上修改的光谱，以便实现光谱的更精细的能量分割。

根据本发明的X射线系统的另一变型包括控制设备，该控制设备被实施为使得该控制设备控制X射线辐射源和多个光子计数检测器，以使得在至少两次扫描中使用不同的X射线辐射光谱来获取投影数据。在这种情况下，不同的X射线辐射光谱通过X射线辐射源的不同的加速电压来生成。在被称为“双螺旋”的该变型中，X射线管的X射线光谱因此以与在kV切换的情况下类似的方式通过管电压来更改。然而，与在kV切换的情况下不同，电压不在高频率下切换，而是保持恒定(例如，80kV)用于扫描操作，并且被调节到不同的恒定值(例如，140kV)用于至少一个顺序扫描。

在根据本发明的X射线系统的另一变型中，X射线发射器布置具有至少两个X射线辐射源，该至少两个X射线辐射源被实施为使得该至少两个X射线辐射源会生成不同的X射线辐射光谱。在这种情况下，可以通过不同的加速电压和/或不同的滤波器来生成至少两个X射线辐射源的不同光谱。只有一个具有分配给各个X射线辐射源的检测区的大的检测器实际上可以被实施用于至少两个X射线辐射源。然而，优选地，每个X射线辐射源被分配专用的检测器。特别优选地，X射线系统具有精确地两个X射线辐射源，优选地，彼此大致正交地布置，每个X射线辐射源具有相应的分配的检测器。该变型有利地准许生成完全分离的X射线光谱，并且这些也可以通过单独的检测器来检测。结合光子计数检测器，实现了特别好的光谱分离。

在根据本发明的X射线系统的优选示例性实施例中，光子计数检测器中的至少一个光子计数检测器具有至少四个检测阈值，优选地，至少六个检测阈值。较高数目的检测阈值使得能够进一步分割X射线光谱，其使得光谱分离的附加改进。

在根据本发明的图像重建方法的优选实施例变型中，投影数据被分配给相应的X射线光谱。也就是说，由X射线辐射源发射的光谱可以基于能量值本身和/或空间间隔和/或时间同步而与由检测器获取的投影数据中的值有关。因此，基于投影数据，可以追踪生成所检测的能量或强度值的发射光谱。

在根据本发明的图像重建中，优选地，将分配给X射线光谱的投影数据组合以形成优化图像。可以基于不同的准则来执行图像的优化。例如，可以从检查受试者的投影数据中选择其中使用来自特定光谱范围的投影数据最佳地表示的区(例如，血管、骨或器官)所在的特定区。然而，还可以考虑诸如对比度、噪声等之类的参数来执行优化。

附图说明

下文借助于示例性实施例并且参照附图再次更详细地解释本发明。在各个附图中，相同的部件用相同的附图标记来标记。附图通常未按比例绘制。在附图中：

图1示出了使用kV切换的根据本发明的X射线系统的示例性实施例的粗略表示，

图2示出了使用拆分滤波器的根据本发明的X射线系统的示例性实施例的粗略示意表示，

图3示出了使用双源的根据本发明的X射线系统的示例性实施例的粗略示意表示，

图4示出了根据本发明的方法的示例性实施例的工作流程的方框图。

具体实施方式

图1通过示例并且以粗略示意图示出了作为使用kV切换的变型中的计算机断层摄影系统1的本发明的X射线系统1。由于计算机断层造影系统表示根据本发明的X射线系统的优选实施例变型，所以以下解释在不失一般性的情况下涉及计算机断层造影系统1。在这种情况下，计算机断层摄影系统1包括X射线发射器布置，该X射线发射器布置包括X射线辐射源3、检测器4和控制设备5。X射线辐射源3和检测器4连接到控制设备5。X射线辐射源3和检测器4自由移动并且彼此径向布置在圆形路径6上。因此，它们彼此处于固定的位置关系，其中检测器检测由X射线辐射源3发射的辐射，并且因此，它们形成第一源—检测器布置。患者2作为检查受试者位于圆形路径6的中心。X射线源3包括X射线管7和准直器8。准直器与X射线管7间隔开一定距离布置在X射线管7的面向患者2的一侧上。在操作期间由X射线管7发射的X射线辐射10的出射角可以经由所述准直器来设定。

在操作期间，X射线辐射源3和检测器4围绕患者2在圆形路径6上旋转，以用于获取投影数据的目的。同时，X射线辐射源3的加速电压通过以例如1000Hz的频率在80kV和140kV的值之间以由控制设备5调节的步进方式来交替变化。因此，与检测器4和X射线辐射源3的旋转运动相比，加速电压会快速地交替，该旋转运动以通常大约为4Hz的最大频率在圆形路径上进行。在X射线管7中通过交替加速电压来生成不同的X射线光谱。所述光谱作为X射线辐射10以通过准直器8定义的出射角而穿过患者。它们随后撞击在能量分辨检测器4上。因此，后者记录通过不同的X射线光谱生成的患者的X射线投影的测量值。因此，从相对于患者的不同角度位置获取投影数据，并且可以相对于时间分配给由X射线管发射的光谱。所获取的投影数据然后可以被传送到例如位于控制设备5中的评估单元，并且在那里被重建以产生患者2的图像B。为了从患者2的其它区获取投影数据，患者2可以相对于计算机断层造影系统1移动，例如，通过垂直于圆形路径6的平面的可定位的患者台(此处未示出)。在被称为螺旋CT的变型的情况下，进行连续地获取，同时工作台同样连续地前进。

图2通过示例并且以粗略示意图示出了拆分滤波器变型中的本发明的计算机断层造影系统1。除了图1所图示的X射线系统1之外，在这种情况下，在X射线管7和准直器8之间插入预滤波器9。所述预滤波器包括在其X射线吸收方面具有不同属性的两种材料。因此，由X射线管7生成的X射线辐射根据材料而被不同地预滤波，并且以两个不同的X射线光谱的形式离开X射线辐射源。这些沿着与预滤波器的材料之间的边界相对应的分界线11在空间上例如分成低能量光谱和高能量光谱。随后，也以空间分离的方式在检测器的不同部分中检测通过患者2投影到检测器5上的两个光谱的X射线辐射10，并且因此可以将其分配给相应的发射光谱。可替代地，滤波器9也可以被布置成旋转90°，使得分界线11照原样拆分图像平面中的不同光谱。利用该备选方案，对于待被记录的患者2的区，利用工作台进给顺序地获取用于两个光谱的投影数据。与图1相比，在这种情况下，不必更改加速电压，除此之外，基本上类似于图1中的变型进行投影数据的获取。

图3通过示例并且以粗略示意图示出了采用双源变型的根据本发明的计算机断层造影系统1。除了图1中所图示的系统之外，在这种情况下，计算机断层摄影系统1具有包括第二X射线辐射源3'和相关联的第二检测器4'的第二源—检测器布置。在该配置中，X射线发射器布置因此包括两个X射线辐射源3，3'。如在第一源—检测器布置中，X射线辐射源3'和检测器4'在圆形路径6上彼此径向相对地布置，但是被定向成与第一源—检测器布置正交。第二源—检测器布置也可以在圆形路径6上自由移动，尽管它相对于第一源—检测器布置保持静止，因为两个源—检测器布置都是例如通常一起布置在在圆形路径6上旋转的机架中。在每种情况下，在第一源—检测器布置和第二源—检测器布置的X射线管处存在不同的加速电压，以便发射不同的光谱。可替代地，一个X射线辐射源的光谱也可以通过预滤波器来改变。除了恒定的加速电压之外，在这种情况下，也基本上类似于图1进行投影数据的获取。

图4通过示例示出了方框图形式的本发明的图像重建REC的工作流程。在该方法的第一步骤I中，如上文已经进行了描述的，在优选发明的计算机断层造影系统1中生成具有第一定义光谱的X射线辐射S1、以及具有第二定义光谱的X射线辐射S2。也就是说，辐射S1具有从辐射S2发散的能量分布。所述辐射S1，S2中的至少一些穿过检查受试者2并且在第二步骤II中通过至少一个能量分辨检测器4被检测为所述检查受试者2的投影。根据该方法，这可以恰好是一个检测器，在这种情况下，对辐射S1的检测在空间上、时间上和/或甚至经由光谱本身与辐射S2的检测分开进行。可替代地，辐射S1的检测也可以通过第一检测器4实现，并且通过单独的第二检测器来检测辐射S2。因此，投影数据P1被分配给具有第一定义光谱的X射线辐射S1。对于分配给第二定义光谱的投影数据P2遵循类似的过程。

然而，在检测期间，具体地基于投影的能量分布，将投影数据P1和投影数据P2进一步分割成能量分辨投影数据P11，P12，...，P1i，P21，P22，...，P2i。在这种情况下，投影数据P11，P12，...，P1i被分配给第一光谱，并且投影数据P21，P22，...，P2i被分配给第二光谱。更进一步地，投影数据P11是来自通过检查受试者2投影的X射线辐射的定义能量范围(即，在能量选择性检测器4的第一仓中获取的能量范围)的第一光谱的数据。同样适用于直到并且包括在第i个仓中获取并且被分配给第二光谱的投影数据P2i。因此，检测器4的仓在每种情况下获取投影的定义能量范围的数据。可以例如通过控制协议或由操作员来指定仓的能量范围的极限，并且借助于控制设备5来设定仓的能量范围的极限。获取中的其它步骤类似于已经在计算机断层扫描中建立的方法来执行。

因此，投影数据包含关于生成光谱和关于投影中存在的能量分布的信息。在第三步骤III中，在每种情况下使用已知的重建算法可以针对各个能量范围从该光谱分离的投影数据来生成图像。然后可以根据需要将这些图像彼此合并，以根据需要突出显示某些材料或组织，并且在对比度和/或噪声和/或对比度噪声比方面来优化这些图像。最后，凭借更好的光谱分离，本发明的方法REC传递所重建的图像B的改进的表示。

总之，再次指出，前面详细描述的设备和方法仅仅是示例性实施例，其可以由本领域技术人员在不背离本发明的范围的情况下以最广泛的多种方式来修改。更进一步地，不定冠词“一”或“一个”的使用不排除所讨论的特征也可以存在于多个的可能性。同样，术语“元件”不排除所讨论的部件可以由多个协作子部件组成的可能性，根据情况，该多个协作子部件也可以在空间上分布。