专利名称：光谱成像的制作方法
光谱成像以下通常涉及光谱成像并特别应用于光谱计算机断层摄影(CT)。然而，还可针对其他医学和非医学应用而修正。常规的积分计算机断层摄影(CT)扫描器包括与探测器阵列相对地安装于可旋转扫描架上的X射线管，探测器阵列包括光学地耦合至光传感器阵列的闪烁体阵列。X射线管围绕检查区域旋转，并且，发射横贯检查区域以及设置在检查区域中的受试者和/或对象的多色辐射。探测器阵列接收横贯检查区域的辐射。闪烁体阵列吸收辐射并产生指示该辐射的光。该光由光传感器阵列接收，该光传感器阵列将光转换成指示光的电流信号。

电流信号包括DC分量和AC分量或DC分量附近的波动。波动幅度是所探测的辐射的能量的函数，并且因而包括光谱信息。遗憾的是，在积分模式中，在能量谱上对电信号进行积分，从而产生积分区间的均值或平均强度值，并且，AC分量所代表的光谱信息丢失。 对所积分出的信号进行重建，并且，得到的体积图像数据能够用于生成所扫描的受试者或对象的图像。得到的图像包括典型地根据与相对放射强度对应的灰度值而代表的像素。这样的信息反映所扫描的受试者或对象的衰减特性。提出了用于从所积分出的信号导出光谱信息的各种技术。例如，能够利用辐射的吸收取决于光子能的事实。这样，一项技术包括将多排闪烁体像素沿进入辐射的方向堆叠在彼此的顶部上并提供每排的相应光传感器像素。通常，较低的能量光子被吸收在更接近进入辐射的多排闪烁体像素中，并且，较高的能量光子被吸收在更远离进入辐射的多排闪烁体像素中。在另一实例中，在不同的电压之间切换管电压，从而提供针对较低的管电压的一组测量值和针对较高的管电压的另一组测量值。在又一实例中，成像系统以多个X射线管配置，每个X射线管以不同的管电压驱动，因而获得针对不同的发射光谱的多组测量值。在再一实例中，使用能量敏感的光子计数探测器，从而提供一定数量的能量窗中的光谱信息。 此外，提出了光谱分解技术，以使所积分出的信号分解成光电分量和康普顿分量。在使用带有具有已知的K边缘能量的K边缘材料的造影剂的情况下，光谱分解能够扩展至也提供K 边缘分量。遗憾的是，上面提到的技术可能涉及增加专用硬件和/或复杂度、处理技术障碍以及/或增加总体系统成本。然而，CT的趋势为，由于光谱成像能够提供指示所扫描的受试者或对象的元素或材料组成(例如，原子序数)的信息，因而朝向更高的光谱分辨率前进。 因而，存在着对高效、新颖且具有成本效益的光谱成像技术的尚未解决的需要。当前的应用的方面提供解决上面提到的问题及其他的一项新的且改进的光谱CT 技术。以下，术语“探测器信号”是指指示作为单独的探测粒子的影响的结果而在探测器中产生的电流、电压或其他的电流信号、电压信号或其他信号。根据一个方面，一种光谱处理器，包括第一处理通道，生成从探测器信号导出的第一光谱信号，其中，第一光谱信号包括关于探测器信号的第一光谱信息；和第二处理通道，生成从探测器信号导出的第二光谱信号，其中，第二光谱信号包括关于探测器信号的第二光谱信息，其中，第一和第二光谱信号用于对探测器信号进行光谱解析，并且其中，探测器信号指示所探测的多色辐射。根据另一方面，一种方法，包括探测横贯成像系统的检查区域的多色辐射；生成指示所探测的辐射的能量的探测器信号；根据探测器信号确定关于入射辐射的第一光谱信息；根据探测器信号确定关于入射辐射的第二光谱信息，其中，第一和第二光谱信息不同； 以及基于第一和第二光谱信息对探测器信号进行光谱解析。根据另一方面，一种成像系统，包括辐射源，发射横贯检查区域的多色辐射；探测器阵列，探测辐射并生成指示辐射的探测器信号；以及光谱处理器，处理探测器信号。光谱处理器包括第一处理通道，生成从探测器信号导出的第一光谱信号，其中，第一光谱信号包括关于探测器信号的第一光谱信息；和第二处理通道，生成从探测器信号导出的第二光谱信号，其中，第二光谱信号包括关于探测器信号的第二光谱信息。第一和第二光谱信号用于对探测器信号进行光谱解析。本发明可以采取各种部件及部件的布置的形式，并且，可以采取各种步骤及步骤的安排 的形式。附图仅出于图解说明优选实施例的目的，并且，不被解释为限制本发明。

图1图解说明示例的成像系统；图2图解说明示例的光谱处理器；图3和4图解说明示例的光谱探测器；图5图解说明采用kVp切换的示例的成像系统；图6图解说明示例的双管成像系统；图7图解说明示例的方法。以下通常涉及同时地以波动模式和电流积分模式这两者使用探测器。得到的输出信号能够用于诸如医学、安全筛选、材料分析等的各种领域中的双能量成像应用。双能量信息由分别与入射在探测器上的X射线光谱的均方能量和均值能量成比例的波动模式(AC) 信号和电流积分模式(DC)信号的不同的能量相关分别提供。对AC和DC分量的同时探测导致所测量的样本中的正噪声相关，该正噪声相关可能导致关于不相关的(连续)测量的情况的基础材料噪声的相对抑制。图1图解说明诸如计算机断层摄影(CT)扫描器的成像系统100。该系统100包括通常固定扫描架102和旋转扫描架104。旋转扫描架104经由轴承等而由通常固定扫描架 102可旋转地支撑。诸如X射线管的辐射源106由旋转扫描架部分104支撑，与旋转扫描架部分104 一起绕纵轴或ζ轴110而围绕检查区域108旋转，并且，发射多色辐射。源准直器等对由辐射源106发射的辐射进行准直，从而产生横贯检查区域108的通常锥形、扇形、楔形或其他形状的辐射束。探测器阵列114相对于辐射源106形成与检查区域108相对的角弧。所图解说明的探测器阵列114是包括光传感器阵列116的二维阵列，闪烁体阵列112光学地耦合至光传感器阵列116。闪烁体阵列112接收横贯检查区域108的辐射并产生指示该辐射的光。 光传感器阵列Il6接收该光并生成指示该光的诸如电流、电压的探测器信号或其他信号。处理器118处理来自探测器阵列114的探测器信号。所图解说明的处理器118包括多个处理通道UO1……120N，其中，N是整数，多个处理通道UO1……120N在本文中统称为处理通道120。处理通道120独立地处理来自探测器阵列114的相同的进入信号。如以下更详细地描述地，在一个实例中，至少两个处理通道120生成分别指示与来自探测器阵列114的探测器信号对应的不同的能量信息的相应信号。在图解说明的实施例中，处理器118示出为系统100的不同的部件。在另一实施例中，处理器118是探测器阵列114的一部分。在又一实施例中，处理器118定位成远离该系统。例如，处理器118可以是诸如台式计算机、工作站等的分立计算系统的一部分。另外， 放大器可以用于在处理探测器信号之前放大探测器信号。 重建器122重新来自处理器118的信号并生成体积图像数据。图像生成器124能够用于基于体积图像数据生成图像。将意识到，能够在投影域和/或图像域中对来自处理器118的信号进行光谱解析。例如，在一个实例中，光谱重建、光谱分解或其他光谱算法能够用于在投影域中对信号进行光谱解析。另外或可替代地，针对每个信号而执行常规的重建，并且，基于得到的图像而对信号进行光谱解析。扫描器100还包括支撑诸如人类或动物的受试者或检查区域108内的对象的躺椅或患者支架126。支架126是可移动的，这使得操作者或系统在扫描之前、期间和/或之后能够合适地将受试者定位在检查区域108内。诸如操作者控制台128的计算系统便于用户与扫描器100的交互。由操作者控制台128执行的软件应用允许用户配置和/或控制扫描器100的操作。例如，用户能够与操作者控制台128交互，以选择光谱或常规的成像协议。如以上简要提到地，两个处理通道120中的至少之一生成指示与来自探测器阵列 114的探测器信号对应的不同能量信息的相应信号。在一个实例中，两个处理通道120能够配置为基于统计或数学模型而生成相应信号。经由示例，进入电探测器信号的均值强度值和方差分别与入射的X射线积分通量光谱的第一和第二动量(moment)成比例。以下，这在方程1和2中示出M1 = kj / ΕΦ (E) dE, (1)其中，M1是第一测量信号，指示X射线束中平均光子能量，与X射线积分通量光谱的第一动量/ E Φ (E) dE对应，kx是从X射线强度至信号电流的转换常数，E是X射线能量， 以及M11 = kn / Ε2Φ (E) dE, (2)其中，M11是第二测量信号，指示X射线束中的光子能量的均方，与X射线积分通量光谱的第二动量/ E2 Φ (E) dE对应，kn是从X射线强度平方至信号电流的转换常数。两个值M1和M11非常适合于双能量处理应用。例如，其噪声强相关，因为测量与相同的进入电探测器信号对应。正噪声相关能够减少基础图像噪声。另外，存在着由来自输入光谱中的高能量和低能量光谱域的相对信号贡献中的随机波动引起的相关。以上和/或其他特性使得第一和第二动量非常适合于从单个射线测量中导出双能量信息。图2图解说明基于方程1和2处理来自探测器阵列114的进入电探测器信号的示例的处理器118。处理器包括两个处理通道120，第i个通道UOi和第j个通道120」，其中， 第i个通道UOi基于X射线积分通量光谱的第一动量或均值能量值处理进入探测器信号 (参见方程1)，第j个通道基于X射线积分通量光谱的第二动量或均方能量值处理相同的进入探测器信号(参见方程2)。信号路由器200从探测器阵列114接收电探测器信号，并且，将该信号提供至处理器118的第i个通道UOi和第j个通道120」这两者。如以上所提到地，通常，进入电探测器信号包括DC分量和AC分量，其包含取决于所探测的辐射的能量的信号波动，相对于与较高的能量辐射对应的波动，较低的能量辐射导致电探测器信号波动具有较小的幅度。第i个通道UOi包括积分器202。积分器202在预定的积分周期或时间段内在能量谱上对进入电探测器信号进行积分。积分器202输出信号，该信号指示进入电探测器信号的平均或均值强度值，代表进入电探测器信号的DC分量；均值强度值提供第一光谱信息。然而，在求平均过程期间，与AC分量相关联的光谱信息(例如，X射线通量在所测量的均值附近的相对波动中编码的光谱信息)丢失。第j个通道120」包括带通滤波器204、求平方电子设备206以及积分器208。滤波器204对进入电探测器信号进行滤波，并且，将DC分量和低于下限截止频率的低频分量从进入电探测器信号中去除，而且也去除高于上限截止频率的频率分量。在一个非限制性的实例中，下限截止频率能够用于抑制由于扫描器旋转和对象移动导致的波动通道中的不需要的信号源，同时，高能量截止可以设置为尽可能地接近由脉冲响应引起的信号中的最高频率分量。另外或可替代地，下限截止频率能够设置为减少或减轻作为波动信号的一部分而发生的噪声(例如，散粒噪声、热噪声等)。通常，由于除了探测器中的随机发生的粒子以外的所有源导致的总噪声水平确定波动模式信号将针对其提供有用信息的可能的最低通量率。

求平方电子设备206输出经滤波的探测器信号的瞬间平方值。均方值提供时变分量的幅度的统计测量。电流波动的均方变化提供第二光谱信息。积分器202对经求平方并滤波的信号进行积分，并且，输出指示进入电探测器信号的AC分量的信号。如图所示，能够将两个信号提供至重建器122。如以上所提到地，在一个实例中，重建器122基于常规的重建算法而重建信号。换句话说，使用常规的重建算法来重建每个信号。然后，得到的体积图像数据能够用于生成每个信号的图像。然后，能够使用已知的技术经由图像而对信号进行光谱解析。在另一个实例中，重建器122基于光谱重建算法重建信号。例如，重建算法可以包括分解信号，以获得信号中的诸如光电分量和康普顿分量的各种分量。然后，图像生成器124(图1)能够用于生成针对这些分量中的一个或多个的图像和 /或包括所有分量的合成图像。将意识到，本文所描述的实施例能够与一个或多个其他光谱方法相关联而使用。 例如，本文所描述的实施例能够与光谱探测器(例如，双层系统)、kVp切换和/或多管系统相结合而使用。通过将本文所描述的实施例与一个或多个技术和/或其他技术结合，能够增加光谱分离分辨率。在图3和4中示出这样的合适的光谱探测器的示例。闪烁体阵列302包括沿进入辐射的方向堆叠的闪烁体像素304、306的第一和第二层。闪烁体阵列302中的进入辐射的吸收是能量相关的，较低的能量光子在被吸收至第一层304中之前穿过闪烁体阵列302而行进平均较短的距离，较高的能量光子在典型地被吸收至第二层306中之前穿过闪烁体阵列302而行进平均较远的距离。这样，吸收的深度指示所探测的辐射的能量。如图3中所示，在一个实例中，闪烁体阵列302光学地耦合到光传感器阵列308的顶部上，光传感器阵列308具有带有调谐至第一或第二闪烁体层304、306之一的第一光谱响应的第一光敏像素310和带有调谐至第一或第二闪烁体层304、306的另一个的第二光谱响应的第二光敏像素312。以该方式，光传感器阵列308将具有两个光谱不同的输出。使用具有本文所描述的光谱处理的这种探测器将得到四个光谱不同的输出，或针对光敏像素 310,312的两个光谱响应的每个的均值能量/均方能量信号对。在图4中，第一和第二闪烁体像素304、306分别光学地侧装至光传感器阵列402， 该光传感器阵列402包括具有调谐至第一或第二闪烁体层304、306之一的第一光谱响应的第一光敏像素402和具有调谐至第一或第二闪烁体层304、306的另一个的第二光谱响应的第二光敏像素404。以该方式，光传感器阵列402将具有两个光谱不同的输出。能够将光反射膜或涂层放置在闪烁体像素304、306未耦接至光传感器阵列402的两侧，以使光朝向光电二极管阵列。同样地，使用具有本文所描述的光谱处理的这种探测器将得到四个光谱不同的输出，或针对光敏像素310、312的两个光谱响应的每个的均值能量/均方能量信号对。利用图3和4的一个或两者，将意识到，闪烁体像素304、306能够由相同的或不同的发射器材料形成，并且/或者闪烁体像素304、306能够具有相似的或不同的维数，例如进入辐射的方向上的相似的或不同的深度。当然，能够在其他实施例中使用更多的闪烁体层和光敏像素。图5图解说明kVp切换的示例。在该示例中，X射线管控制器502在两个(或更多个)不同的电压水平之间切换管电压。控制器502能够例如基于来自控制台128的扫描信息在扫描期间(例如，在视图内、在多视图之间等)、在多次扫描之间和/或其他情况下切换管电压。探测器阵列114将生成与第一管电压对应的第一信号和与第二管电压对应的第二信号。当与本文所描述的光谱处理相关联使用时，该系统将得到四个光谱不同的输出，或针对两个管电压的每个的均值能量/均方能量信号对。通过也使用图3和4的探测器，该系统将得到八个光谱不同的输出，或两个管电压的每个的、光敏像素的310、312的两个光谱响应的每个的均值/均方对。

图6图解说明示例的多管系统600。出于解释的目的，系统600以两个管——第一管/探测器对Ioe1ZlH1和第二管/探测器对1062/1142显示。在其他实施例中，该系统能够以诸如三个或更多管/探测器对的更多管/探测器对配置。在该示例中，在不同的管电压下操作每个管Ioe1Zloe2t5结果，每个探测器114/114提供与不同的光谱对应的输出。 当与本文所描述的光谱处理相关联使用时，该系统将得到四个光谱不同的输出，或针对管 Ioe1Zloe2的每个的均值能量/均方能量信号对。对于每个管/探测器对，能够采用光谱探测器和/或kVp切换来增加光谱分辨率，分别为使用图3和图4的光谱探测器来提供八个不同的输出，使用图5的kVp切换来提供八个不同的输出，以及使用光谱探测器和kVp切换这两者来提供十六个不同的输出。在又一实例中，能够使用光谱分解算法来分离诸如光电效应分量和康普顿效应分量的各禾中分fi^iRoessl 等人的"K-edge imaging in χ-ray computed tomography using multi-bin photo counting detectors,，，Physics in Medicine and Biology,2007,第 4679-4696页，第52册中描述了合适的分解。在2007年12月14日提交的申请序列号PCT/ IB 2007/055105中描述了另一合适的分解，该申请主张2006年12月20日提交的临时专利申请序列号EP 06126653. 2的利益。在后者中，分解扩展至导出经由造影剂而施予的K边缘材料的K边缘分量。能够采用本文所描述的系统和方法的示范应用包括但不限于行李检查、医学应用、动物成像、心脏扫描、材料测试、非破坏性成像、机器视觉以及材料科学。另外，各应用应用于使用单个CT扫描架上的多个管(和多个探测器)的X射线CT系统。其他合适的应用包括期望通过较高的光谱性能加上在基于电流积分探测器的CT系统中实施K边缘成像的可能性进行组织鉴别的应用。图7图解说明方法。在702，探测多色辐射。例如，辐射可以与在诸如CT扫描的成像过程期间发射并探测的辐射对应。在704，生成指示所探测的辐射的能量的探测器信号。 探测器信号可以是电流、电压或其他信号。在706，确定从探测器信号导出的第一光谱信号，其中，第一光谱信号包括关于探测器信号的第一光谱信息。如本文所描述地，这可以包括确定均值能量值或X射线积分通量光谱的第一动量。在708，确定从探测器信号导出的第二光谱信号，其中，第二光谱信号包括关于探测器信号的第二光谱信息。如本文所描述地，这可以包括确定均方能量值或X射线积分通量光谱的第二动量。在 710，基于第一和第二光谱信号而对探测器信号进行光谱解析。如本文所描述地，能够在投影和/或图像域中对探测器信号进行光谱解析。本文所描述的处理器118能够在包括但不限于CT、X射线C型臂、行李检查和/或其他医学以及非医学成像应用的各种应用中使用。已参考优选的实施例描述了本发明。在阅读并理解前面的详细描述的基础上，其他人可以进行修改和变更。意在将本发明解释为包括所有这样的修改和变更，只要他们落入所附权利要求或其等同物的范围内。
权利要求
1.一种光谱处理器(118)，其处理指示由成像系统(100)探测到的多色辐射的探测器信号，所述光谱处理器(118)包括第一处理通道(120)，其生成从所述探测器信号导出的第一光谱信号，其中，所述第一光谱信号包括关于所述探测器信号的第一光谱信息；和第二处理通道(120)，其生成从相同的所述探测器信号导出的第二光谱信号，其中，所述第二光谱信号包括关于所述探测器信号的第二光谱信息，其中，所述第一和第二光谱信号用于对所述探测器信号进行光谱解析。
2.如权利要求1所述的光谱处理器(118)，其中，所述第一光谱信号与在所述探测器信号中编码的X射线积分通量光谱的第一动量对应。
3.如权利要求1至2中的任一项所述的光谱处理器(118)，其中，所述第二光谱信号与在所述探测器信号中编码的所述X射线积分通量光谱的第二动量对应。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的光谱处理器(118)，其中，所述第二光谱信号从所述信号的AC分量导出。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的光谱处理器(118)，还包括重建器(122)，所述重建器重建所述第一和第二光谱信号的每个并生成所述第一光谱信号的第一体积图像数据和所述第二光谱信号的第二体积图像数据。
6.如权利要求5所述的光谱处理器(118)，还包括图像生成器(124)，所述图像生成器基于所述第一体积图像数据生成第一图像并基于所述第二体积图像数据生成第二图像。
7.如权利要求6所述的光谱处理器(118)，其中，基于所述第一和第二图像在图像域中对所述信号进行光谱解析。
8.如权利要求1至3中的任一项所述的光谱处理器(118)，还包括重建器(122)，所述重建器采用在投影域中对所述信号进行光谱解析的光谱算法。
9.一种方法，包括探测横贯成像系统的检查区域的多色辐射； 生成指示所探测到的辐射的能量分布的信号；根据所述探测器信号确定关于所述辐射的所述能量分布的第一光谱信息； 根据所述探测器信号确定关于所述辐射的所述能量分布的第二光谱信息，其中，所述第一和第二信息不同；以及基于所述第一和第二光谱信息对所述探测器信号进行光谱解析。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述第一光谱信号与在所述探测器信号中编码的所述辐射的均值能量值对应。
11.如权利要求9至10中的任一项所述的方法，其中，所述第二光谱信号与在所述探测器信号中编码的所述辐射的均方能量值对应。
12.—种成像系统(100)，包括辐射源(106)，其发射横贯检查区域(108)的多色辐射； 探测器阵列(114)，其探测所述辐射并生成指示所述辐射的信号；以及光谱处理器(118)，其处理所述探测器信号，所述光谱处理器(118)包括 第一处理通道(120)，其生成从所述探测器信号导出的第一光谱信号，其中，所述第一光谱信号包括关于所述探测器信号的第一光谱信息；和第二处理通道(120)，其生成从所述探测器信号导出的第二光谱信号，其中，所述第二光谱信号包括关于所述探测器信号的第二光谱信息，其中，所述第一和第二光谱信号用于对所述探测器信号进行光谱解析。
13.如权利要求12所述的成像系统，其中，所述第一处理通道(120)包括在某个积分周期上对所述探测器信号进行积分的积分器(202)。
14.如权利要求13所述的成像系统，其中，所积分出的信号代表所述探测器信号的DC 分量。
15.如权利要求12至14中的任一项所述的成像系统，其中，所述第二处理通道(120) 包括带通滤波器(204)，其滤除所述探测器信号的低频和高频分量；求平方电子设备(204)，其对经滤波的探测器信号进行数学求平方；以及积分器(206)，其对经求平方并滤波的探测器信号进行积分。
16.如权利要求15所述的成像系统，其中，所述经求平方并滤波的信号包括所述信号的AC分量。
17.如权利要求12至16中的任一项所述的成像系统，还包括重建器(122)，所述重建器采用光谱算法以基于所述第一和第二光谱信号在投影域中对所述探测器信号进行光谱解析。
18.如权利要求12至16中的任一项所述的成像系统，还包括重建器(122)，所述重建器重建所述第一和第二光谱信号的每个并生成所述第一光谱信号的第一体积图像数据和所述第二光谱信号的第二体积图像数据。
19.如权利要求18所述的成像系统，还包括图像生成器(124)，所述图像生成器基于所述第一体积图像数据生成第一图像并基于所述第二体积图像数据生成第二图像。
20.如权利要求19所述的成像系统，其中，基于所述第一和第二图像在图像域中对所述信号进行光谱解析。
21.如权利要求12至20中的任一项所述的成像系统，其中，所述第一光谱信号与在所述探测器信号中编码的所述辐射的均值能量值对应，并且，所述第二光谱信号与在所述探测器信号中编码的所述辐射的均方能量值对应。
22.如权利要求12至21中的任一项所述的成像系统，其中，所述探测器阵列(114)包括光谱探测器(302/308、302/402)，所述光谱探测器独立地响应于至少两个不同的能量谱， 并且，生成至少两个不同的输出信号，每个所述输出信号与所述能量谱的不同的一个对应， 并且，所述第一和第二处理通道独立地处理所述不同的输出信号的每个。
23.如权利要求12至22中的任一项所述的成像系统，还包括控制器(502)，所述控制器在至少两个不同的电压之间切换所述辐射源(106)的电压水平，其中，所述探测器阵列 (114)生成与第一辐射源电压对应的第一输出信号和与第二辐射源电压对应的第二输出信号，并且，所述第一和第二处理通道独立地处理所述第一输出信号和所述第二输出信号这两者。
24.如权利要求11至22中的任一项所述的成像系统，还至少包括第二辐射源(106)和第二探测器阵列(114)，其中，在不同的电压水平下操作每个辐射源(106)，并且，每个探测器阵列(114)生成与相应的辐射源电压水平对应的输出信号，并且，所述第一和第二处理通道独立地处理两 个所述输出信号。
全文摘要
一种光谱处理器(118)，包括第一处理通道(120)，生成从探测器信号导出的第一光谱信号，其中，第一光谱信号包括关于探测器信号的第一光谱信息；和第二处理通道(120)，生成从探测器信号导出的第二光谱信号，其中，第二光谱信号包括关于探测器信号的第二光谱信息，其中，第一和第二光谱信号用于对探测器信号进行光谱解析，并且其中，探测器信号指示所探测的多色辐射。
文档编号G01T1/29GK102224435SQ200980146746
公开日2011年10月19日 申请日期2009年11月3日 优先权日2008年11月25日
发明者E·勒斯尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司