用于谱学、相位对比成像的迭代重建的制作方法

本发明涉及一种信号处理系统、涉及一种信号处理方法、涉及一种计算机程序单元并且涉及一种计算机可读介质。

背景技术：

已经观察到，相位对比计算机断层摄影(CT)图像和CT康普顿截面吸收图像(从谱学材料分解获得的)分别受针对相位对比成像的高频率范围和针对谱成像的低频率范围中的相对高的图像噪声水平的影响。更为重要的是，谱材料分解可能要求谱探测器硬件，具体而言，要求光子计数和/或能量分辨探测器，其获得可能昂贵的。

技术实现要素：

因此，可能存在对解决上文提到的缺点中的至少一些的替代图像信号处理方法以及相关系统的需求。

本发明的目的是通过独立权利要求的主题来解决的，其中，在从属权利要求中并入了进一步的实施例。

应当注意到，下文所描述的本发明的各方面同样适用于信号处理方法、适用于计算机程序单元并且适用于计算机可读介质。

根据本发明的第一方面，提供了一种信号处理系统，包括：

-输入端口，其用于接收在X射线束通过样本之后在干涉X射线成像系统的X射线敏感探测器处探测的测量数据；

-模型初始化器，其被配置为将所述数据包括到信号模型中；

-模型拟合模块，其被配置为，针对多个探测器像素，执行拟合操作以将所述信号模型的参数拟合到所述测量数据，其中，所述信号模型包括表示所述X射线束的衰减的参数，其中，所述参数中的至少一个说明(account for)光电效应相互作用，并且，所述参数中的至少一个说明康普顿散射，其中，所述康普顿散射参数是针对所述样本中的电子密度的替代，其中，所述信号模型包括根据所述康普顿散射对由所述对象引起的相位变化的调制进行建模的项；

-输出端口，其被配置为输出经拟合的参数中的至少一些，分别作为光电吸收图像或者作为康普顿散射图像。

换言之，我们提出了使用干涉成像装置(通常被用于专用相位对比成像)以基于干涉测量数据来执行“模拟的”双能量谱成像，从而获得光电吸收图像(也被称为光电截面图像)和/或康普顿散射图像(也被称为康普顿截面图像)中的至少一个。在拟合操作中，如在本文中所提出的，我们使用康普顿散射作为针对模型中的电子密度的替代或替换，并且从而利用两个量物理上相关的事实。又换言之，在所提出的信号模型中，康普顿散射贡献承担电子密度贡献的角色。该明智的替代(亦即，针对电子密度的康普顿散射)允许减少要求解的参数的数量，并且该参数减少继而产生在输出数据中的噪声减少。然后，所述相位对比图像数据可以利用康普顿散射图像来识别，直到独立于要被成像的对象的物理常量。

换言之，并且根据一个实施例，其中，所述康普顿散射图像提供与所述电子密度和/或相位对比图像相关的信息。所述康普顿散射图像指示电子密度，亦即，指示样本中的电子密度的图像，并且因此，也指示相位对比图像。

根据一个实施例，通过具有包括表示由样本诱发的相位偏移所引起的调制的项的信号模型来说明在测量数据中的相位对比信息，并且其中，所述项包括康普顿散射变量的空间导数。

根据一个实施例，所述系统包括重建器，所述重建器被配置为基于拟合的参数中的至少一些参数(亦即，一个或多个)来针对体积体素图像进行重建，亦即，针对截面切片图像进行重建。

根据一个实施例，拟合操作包括通过与邻近的探测器像素或像素读数相关联的各自拟合的康普顿散射变量的一个或多个有限差异来逼近康普顿散射参数的空间导数。通过来自相邻像素(针对任意给定像素)的有限差异的逼近允许形成投影图像。如果要形成康普顿(或者能量密度或相位对比)或光电截面的体积“切片”图像，则经由邻域的逼近可以通过解析地形成与各自体素相关联的适当的基函数的导数来规避。

根据一个实施例，所述测量数据是沿着单个投影方向采集的或者是从多个投影方向采集的。

根据一个实施例，所述探测器是能量积分类型的探测器，尤其不是光子计数或能量分辨类型的探测器。

所提出的系统可以受益于2D投影成像系统或计算机断层摄影(CT)扫描器系统或者在其中使用。本发明允许在诸如医院的临床环境中的有用应用。更为具体地，本发明非常适用于对患者的医学检查。另外，本发明允许在工业环境中的有用应用。更为具体地，本发明非常适用于在非破坏性测试中的应用(例如，对组分、结构和/或生物学以及非生物学样本的量的分析)以及安全扫描(例如，在机场对行李的扫描)。

总而言之，所提出的系统有利地规避整个数据集的生成，亦即，电子密度的线积分。这具有的进一步优点在于，来自谱CT的最终的相位对比图像和康普顿图像具有较少的噪声。此外，其有利地使得能够分解相位对比CT数据，而无需谱探测器。

附图说明

现在将参考如下附图来描述本发明的示范性实施例，在附图中：

图1示出了用于差分相位对比成像的成像装置；

图2示出了在图1中的布置的部件；

图3示出了根据不同实施例的信号处理方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了具有相位对比成像能力、尤其是差分相位对比成像(DPCI)的成像系统IM的基本部件。

存在X射线源XR，其用于生成X射线辐射波XB，所述X射线辐射波在通过检查区域中的样本PB之后，能由探测器D的探测器像素px来探测。诸如卧榻的对象支持体(未示出)在检查区域中支撑样本PB(诸如患者或无生命对象，例如行李件等)。

成像系统IM或者是用于3D成像的CT扫描器，或者还可以是诸如C臂类型的更简单的平面投影成像器装置。至少所述X射线源被安装在可旋转机架上，以在任意一个或多个期望的投影方向上投射X射线波通过患者。

所述相位对比成像能力是由被布置在X射线源XR与辐射敏感探测器D之间的干涉仪来实现的。

所述干涉仪(其在一个非限制性实施例中是Talbot类型的干涉仪或者是Talbot-Lau类型的干涉仪)包括两个G₁、G₂(Talbot类型)或更多个、优选三个光栅G₀、G₁和G₂(Talbot-Lau类型)。在X射线源侧处的第一衰减光栅G₀具有周期p₀，以匹配并且引起在X射线源XR处发射的X射线辐射波前的空间相干。

相位光栅G₁(具有周期p₁)被放置在距X射线源的距离d处，并且引起与进一步下游的具有周期p₂的干涉样式。所述干涉样式能够通过探测器D来探测。采用这样的相位光栅，除了使得能够根据去相干X射线小角度扫描导出图像数据的生成，后者类型的成像还被称为“暗场成像”。现在，当(要被成像的)样本PB被引入在X射线源与探测器之间的检查区域中时，那么干涉样式的相位被偏移。该干涉样式偏移(如已经在他处报导的，例如，F M Epple等人的Unwrapping differential X-ray phase contrast images through phase estimation from multiple energy data，OPTICS EXPRESS，2013年12月2日、第21卷、第24号)与由于沿着通过样本PB(因此，名为DCPI)的各自路径的累积折射造成的相位偏移ΔΦ的梯度成比例。换言之，如果然后想要测量干涉的相位变化，这将允许提取由样本PB中的折射所引起的相位偏移的偏移(或梯度)。

遗憾的是，干涉样式的相位偏移通常过小而不能够直接空间地解析。大多数X射线探测器的分辨能力将不允许这种情况。因此，为了对该干涉样式相位偏移进行“采样”，作为干涉样式的具有相同周期p₂的第二衰减光栅G₂被放置在距光栅G₁的距离l处。根据在本文中所有设想到的不同实施例，能够以若干种不同的方式来实现对干涉样式相位偏移(以及因此由样本PB引起的相位梯度)的实际提取。

在一些实施例中，针对差分相位提取，要求在探测器D与光栅中的至少一个光栅之间的相对运动。在一个实施例中，这能够通过“相位步进”来实现，在“相位步进”中，致动器被用于跨不同的、离散的光栅位置来横向地移动例如分析器光栅G₂，并且之后在每个光栅位置处测量在每个像素px处的强度。“横向”运动在本文中意味着沿着z方向(参见图1)，亦即，在垂直于波XB的传播方向以及光栅的“沟槽”方向的方向上的运动。F.Pfeiffer等人在“Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources”，Nature Phys.Lett.2，258–261(2006)一文中已经描述了相位步进方法。

但是，这并不是说相位步进是仅有的实施例，如在其他实施例中，运动可以是样本自身的运动，或者其可以是X射线探测器(在其中安装有光栅G1和/或G2的至少一些)的扫描运动，其构成所要求的运动。在本文中，问题是捕获包括在检测区域中由样本PB的存在诱发的折射的量。

一般而言，在每个像素处的强度I将被观察到振荡(一般而言，以正弦方式)。换言之，每个像素在分析器光栅G2的运动期间根据时间(或者更好的，根据不同光栅位置)记录不同强度的时间序列(在各自像素处)。

在每个像素px处的振荡强度信号I在其他量之间对总体衰减(亦即，部分吸收和部分散射)和干涉样式的期望的相位偏移进行“编码”。

如果X射线成像系统是CT扫描器类型的X射线成像系统，则针对每个像素的强度信号将是从不同的投影方向记录的。如果成像系统是2D平面投影成像器，则针对期望的投影图像从单个投影方向采集强度。每像素(并且在CT每投影方向)记录的强度的集合将在本文中被称为干涉投影原始数据。

所述干涉投影原始数据被转发到信号处理系统SPS或者包括信号处理模块SP的后端，并且在CT实施例中，被转发到重建器模块RECON，以将来自多个方向的强度信号重建为样本的截面图像。

所述信号处理系统SPS包括信号处理模块SP，所述信号处理模块SP操作用于以下文更详细解释的新的方式将所述干涉投影原始数据谱分解为如下中的一个或多个或所有：康普顿散射截面或者投影图像、光电吸收截面或者投影图像或者电子密度图像截面或者投影图像或者截面或投影暗场图像。

然后，适当的可视化模块能够操作用于在监视器或显示器MT上对各自的截面或投影图像进行可视化。具有或者不具有重建RECON和/或可视化模块以及其他控制模块的信号处理系统可以运行在通用计算机上，所述通用计算机充当用于成像装置的操作员控制台(未示出)。所述控制台被通信地耦合到输入设备，诸如键盘和/或鼠标，并且被通信地耦合到监视器MT。

与先前所做的相反，我们在本文中提出了使用干涉成像装置来执行谱分解以具体获得康普顿或光电或电子密度数据。如在本文中所确定的康普顿图像数据，直到恒定，与相位对比图像相同。不像先前的方法，不需要双能量X射线源，并且同样地，X射线探测器能够是能量积分类型的X射线探测器。具体地，在本文中不要求能量解析或光子计数探测器。

在本文中所提出的方法允许消除：高频率图像噪声，如果以通常的方式进行处理，其通常造成双能量分解图像；以及低频率图像噪声，如果以通常的方式进行处理，其通常造成相位对比图像。更为具体地，已知在双能量成像或光子计数、能量辨别计算机断层摄影、谱CT中的材料分解通常产生非常噪声的基材料图像(高频噪声)，以及关于光电分量的高度相关的噪声行为。因此，针对光电和康普顿效应的常用物理基础，这意味着,从康普顿材料基图像导出的电子密度图像的特征将在于与光电图像中的高频噪声反相关的高水平的高频噪声。

在计算机断层摄影中，由于对高频率进行放大的筛选步骤，这样获得的电子密度图像还将在谱的高频端具有噪声功率的峰值。

在常规的基于光栅的差分相位对比成像中，能够评估电子密度，因为通过条纹相位Φ测量的X射线与其正向传播方向的偏离与垂直于光栅凹槽(在我们的注释中为z)的电子密度的线积分的梯度成比例：

其中，α(E)是取决于能量的比例常量。由于差分相位对比成像对电子密度的梯度敏感，根据相位数据的常规重建涉及Hilbert滤波器而非斜变滤波器(与常规基于吸收的滤波反投影一起使用的)，其中，在这样获得的电子密度图像中具有相对高的(并且通常针对CT)低频噪声。

换言之，常规双谱成像和常规相位对比CT成像两者生成具有不想要的高频噪声或低频噪声的电子密度图像。

在本文中提出了使用物理洞悉，通过相同的物理量(亦即，电子密度)来确定康普顿效应和折射两者，以降低成像结果中的噪声。我们提出了将该物理洞悉整合到常用正向信号模型(参见下文的等式(3))中并且使用其获得期望的康普顿、光电、电子密度或暗场图像数据。

在差分、基于光栅的相位步进期间期望用于强度测量的谱正向模型能够被写为：

在等式(1)中，S(E)、μ_Ph(E)、μ_Co(E)、V(E)、f_DC(E)、α(E)分别描述了源谱、谱测量结果的探测器灵敏度函数以及光电效应与康普顿效应的衰减的能量相关性、干涉仪的可见性、X射线源的散射和折射。这些参数的函数相关性是已知的或者能够容易地建立。分别针对光子计数探测器或者能量积分探测器，S(E)＝E或＝1。针对能量选择性光子计数探测器，针对单个帧，若干分组灵敏度函数S_m(E)将替换针对每帧具有一个读数的探测器单个S(E)。优选地，所述探测器是能量积分类型的探测器。

A_Ph、A_Co、Ω表示感兴趣的量，亦即光电吸收、康普顿散射、在z方向上的电子密度变化的梯度、以及样本的散射功率(与图像的暗场有关)(针对从X射线源到各自探测器像素的给定投影方向或路径)的线积分。

函数F(…)描述了在相位步进时在探测器处测量的X射线强度的特定调制并且能够通过三角函数(例如，正弦函数)来逼近。将我们的上述观点置于等式的形式，我们能够写为：

或者A_e＝c A_Co (2)

在该情况中，(1)降为：

具体地，对由对象诱发的相位改变的调制进行建模的项F()现在包括替代电子密度线积分的康普顿吸收线积分。换言之，康普顿信息现在充当针对电子密度信息的替代物或者替换。现在能够以各种方式来利用与(1)相比的在(3)中的简化。我们在下文中给出两个实施例。一个涉及计算机断层摄影，另一个涉及投影成像。

参考图2，在本文中提出的双谱处理系统包括输入端口IN和输出端口OUT、模型初始化器MI和模型拟合器MF。宽泛地讲，在输出端口IN处接收干涉投影原始数据(换言之，每像素以及(在CT中)每投影方向的变化的强度)。模型初始化器MI然后将这样接收的数据包括到根据等式(3)或者其数学等价物对模型的函数描述中。更为具体地，所述初始化包括使各自的强度I与函数等式(3)的右手侧相等。初始化还包括将针对S、V、α、f_DC、μ_Ph和μ_Co的值包括到等式(3)的右手侧。后续提到的量能够通过校准成像来获得，并且衰减系数能够从查找表获得或者能够从中进行插值。使用合适的数值技术，例如，最小平方或最大似然(ML)方法，期望的图像数据参数，亦即，每像素/投影方向A_Ph、A_Co和Ω的线积分，然后被拟合到所接收的干涉测量数据。在拟合操作的结论处，各自的线积分能够被输出作为2D投影图像或者针对每个方向的各自的投影图像能够被转发到重建器RECON，以针对样本的截面切片图像进行重建。具体地，根据各自的线积分重建的康普顿投影图像或切片能够被输出(可能在根据等式2的合适的转换之后)作为电子密度的图像。

现在参考在图3中的流程图，其中，将更为详细地解释在本文中所提出的信号处理。流程图A)详细说明投影成像实施例，并且流程图B)详细说明CT断层摄影实施例。

首先转向根据流程图A)的投影成像，在步骤S305处，接收干涉投影原始数据。

在步骤S310处，干涉投影原始数据被包括在根据等式3或者其数学等价物的正向模型中。

在步骤S315处，根据等式(3)或者其数据等价物的模型被拟合到干涉投影原始数据，亦即，被拟合到在各自像素处记录的各自的强度。更为具体地，针对每个像素以及来自强度的时间序列的强度，针对未知的线积分A_Ph、A_Co和Ω来求解各自的等式(3)。

遗憾的是，在投影数据平面上，A_Co和不能够被直接相关。为解决此，我们提出了使用邻域(在z中)以将所测量的条纹相位(亦即，由当前感兴趣像素的邻域中的像素探测的强度)相关到康普顿线积分的有限差异。换言之，通过计算跨邻域像素的A_Co上的邻域的有限差异来逼近导数。

所述拟合操作可以通过合适的数值/优化技术来实现，对其的选择很大程度上由每探测器像素可用的测量结果I的数量来确定。如果存在与所存在要被拟合的(等式(3)请求要拟合的3个参数)参数一样多的测量结果I，则我们能够求解联立方程系。如果存在超过三个测量结果I，则所述系统是超定的(overdetermined)。在这种情况下，基于等式(3)来设定目标函数。例如，所述目标函数是针对残差的最小平方或者针对测量结果的基于合适的噪声模型(例如，高斯)的最大似然函数中的一个。合适的优化算法然后可以被用于使目标函数最大化或最小化以获得期望的线积分。

在步骤S320处，针对线积分的求解然后被输出作为各自的光电和/或康普顿和/或暗场图像。具体地，康普顿图像能够在根据等式2的可能转换之后被输出作为电子密度图像。

现在转到CT实施例，所提出的根据等式(3)的在正向模型中的康普顿相对于电子密度替换能够以特定的益处被使用，特别是因为不要求评价邻域像素，如在流程3A)的投影成像实施例中。如被应用于计算机断层摄影的，所提出的方法使得能够经由在电子密度与康普顿截面之间的关系来消除要从整个图像数据集(亦即，电子密度图像)确定所述量。

现在参考流程图3B)，在步骤S405处，接收干涉投影原始数据。

在步骤S410处，根据等式(3)的模型被初始化，如较早前在步骤S315处解释的。

在步骤S415处，等式(3)针对每个投影方向和像素被求解到线积分，如之前在步骤S315处，然而，这次不需要在邻域中对康普顿线积分A_CO的导数(在z方向)的逼近，而是替代地可以根据与图像空间中的像素相关联的基函数来解析地形成，如将下文在步骤S425在重建处更为详细地解释的。

在步骤S420处，所计算的线积分被输出，用于诸如在接下来的步骤中的重建的进一步处理。

在步骤S425处，针对每个投影方向的线积分然后在常规的滤波反投影或者优选在迭代重建中被重建为截面体素图像。迭代重建是优选地，因为其允许使重建直接基于根据等式(3)的模型。

在迭代重建中，使用针对要重建的截面图像的初始估计。在图像空间中的对应于所估计的截面的体素然后被正向投影(通过以常规的方式进行加和，在针对每个感兴趣投影方向的各自体素之上)，以形成所估计的线积分。所估计的线积分然后根据步骤S415与拟合的线积分进行比较。如果存在不符，则合适的更新被应用以更新针对图像空间中的截面图像的初始估计。该前向投影和更新然后在迭代循环中被重复，直到建立在满意水平处的收敛。在建立收敛之后或者在迭代的终止之后，针对截面图像的当前估计被输出作为最终的结果。

根据一个实施例，如上文概述的迭代重建方案使用借助基函数(例如，2D Kaiser-Bessel函数或者其他合适的函数族)(“团块”)的(线性)组合在“图像空间”(与如定义的在其中进行线积分的“投影空间”相对)中建立所估计的截面图像的概念。能够在T.Koehler等人的“Iterative reconstruction for differential phase contrast imaging”，第4542-4545页，Med.Phys.38(8)，2011年8月，一文中找到其细节。参见例如第4543页，左栏，图1。在此通过引用将其全文内容并入本文。

较早提到的不必逼近导数的若干优点源自图像空间中的该基函数表示。换言之，所估计的图像中的每幅图像通过定位在重建/估计的图像的每个体素处的基函数的叠加来表示，每个基函数乘以特定系数。然后，能够解析地(不仅仅逼近地)计算A_CO的导数，作为在各自的投影方向的基函数的解析导数的线性组合。因为能够避免到导数的近似，其因此能够是噪声的可能的源，其可以以其他方式干扰重建结果。

如能够从上文看到的，在计算机断层摄影中，立即实现根据模型(3)的简化。替代分别地针对康普顿截面和电子密度的图像的建模，仅一幅图像需要被考虑，例如，在基于模型(3)的迭代重建技术期间。消除将变量分别地拟合到电子密度线积分与基于模型(1)的技术相比将导致改进的噪声表现。如果重建直接基于等式(3)，则其将是最为有益的。这种类型的重建不致力于相位恢复(亦即，在他处提出的每像素专用傅里叶分析，例如参见Epple中的等式(1a)、(1b)或者参见Pfeiffer的文章)，因此，能够节省计算时间。

我们强调了，对电子密度和康普顿截面的识别(某种程度上)允许将所测量的干涉(CT)数据(例如通过相位步进或者以其他方式获得的)分解为基材料(光子/康普顿)，而无需谱探测器(亦即，光子计数和/或能量分辨的探测器)。

在本发明的另一示范性实施例中，提供了一种计算机程序或计算机程序单元，其特征在于，适于在合适的系统上执行根据前述实施例中的一个的方法的方法步骤。

所述计算机程序单元因此可能被存储在计算机单元上，所述计算机单元也可能是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行或者引起上文所描述的方法的各步骤的执行。此外，其可以适于操作上文所描述的装置的各部件。所述计算单元能够适于自动地操作和/或执行用户的命令。计算机程序可以被记载到数据处理器的工作存储器中。所述数据处理器因此可以被配置为执行本发明的方法。

本发明的该示范性实施例覆盖从一开始就使用本发明的计算机程序以及借助将现有程序升级为使用本发明的程序的计算机程序两者。

此外，所述计算机程序单元可能能够提供所有必要步骤以完成上文所描述的方法的示范性实施例的流程。

根据本发明的另一示范性实施例，提出了一种计算机可读介质，诸如CD-ROM，其中，所述计算机可读介质具有存储在其上的计算机程序单元，所述计算机程序单元是由前述部分描述的。

计算机程序可以被存储和/或分布在合适的介质上，诸如光学存储介质，或者固态介质，与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的部分，但其也能够以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线电子通信系统。

然而，所述计算机程序也可以在如万维网的网络上提供，并且能够从这样的网络被下载的数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另一示范性实施例，提供了能够用于下载的计算机程序单元的介质，所述计算机程序单元被布置为执行本发明的先前所描述的实施例的方法。

必须注意到，本发明的实施例是参考不同的主题来描述的。具体地，参考方法类型的权利要求描述了一些实施例，而参考设备类型的权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将根据上文以及下文的描述中知道，除非另行指出，除了属于一种类型的主题的特征的组合，属于与不同主题有关的特征之间的任意组合也被认为在本申请中公开了。然而，所有特征能够被组合以提供协同效应，其大于所述特征的简单加和。

尽管在附图和上述说明中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被理解为是说明性的或示范性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，在实践所主张的发明时能够理解和实现所公开的实施例的各种变型。

在权利要求书中，“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。单个处理器或其他单元可以完成在权利要求中所记载的若干项的功能。尽管在相互不同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这不能够指示不能够组合这些措施以获益。在权利要求书中的任何附图标记都不应当被解释为对范围的限制。