差分相位衬度X射线成像中暗场信号的优化能量加权
阅读：429发布：2023-02-17
专利汇可以提供差分相位衬度X射线成像中暗场信号的优化能量加权专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于暗场成像的装置及相关方法。所述装置操作在探测器处探测到的在不同 能量 通道中投影强度。能量加权被用于改善 信噪比 。在对数域中操作模型。，下面是差分相位衬度X射线成像中暗场信号的优化能量加权专利的具体信息内容。
1.一种信号处理装置(SPM)，包括：
输入端口(IN)，其用于接收针对不同能量通道的暗场信号数据(V)，所述暗场信号数据(V)对应于在暴露于来自X射线源(XR)的X射线辐射之后的探测器(D)处探测到的所述不同能量通道中的信号；
对数单元(LOG)，其被配置为对所述暗场信号数据(V)取对数，以获得对数暗场信号数据(li)；
任选的线性变换器(LIN)，其被配置为对所述对数暗场信号数据(li)进行变换；
信号积分器(SINT)，其被配置为通过使用对应于至少两个能量通道的能量权重将所述至少两个能量通道的经变换的对数暗场信号数据或所述对数暗场信号数据(li)积分成能量加权的暗场信号 以及
输出端口(OUT)，其被配置为输出所述能量加权的对数暗场信号
2.根据权利要求1所述的信号处理装置，其中，所述权重包括：
各自的能量项，其能够以EP的形式来表达，其中，p＜-2。
3.根据权利要求2所述的信号处理装置，其中，-4≤p＜-2。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的信号处理装置，
其中，探测到的信号对应于投影数据，所述装置还包括暗场信号提取器(DSX)，所述暗场信号提取器被配置为针对所述通道中的至少两个通道从强度数据中提取各自的暗场信号数据(V)，所述强度数据是根据所述投影数据导出的。
5.根据权利要求1或4所述的信号处理装置，其中，所述权重包括：
各自的能量项，所述各自的能量项中的至少一个能量项将能量值作为指数。
6.根据权利要求5所述的信号处理装置，其中，所述权重包括：
的形式的各自的能量项，其中，
a是任意常数，
b是涉及被成像目标的内部结构的常数，
E0是设计能量，并且
Ei是针对通道i的不同能量水平。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的信号处理装置，
其中，所述线性变换器(LIN)是以下中的任一个：
(i)高通滤波器或低通滤波器，或者
(ii)反向投影算子。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的信号处理装置，
其中，所述探测器是计算机断层摄影CT扫描器的部件或者投影X射线成像器的部件。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的信号处理装置，包括：
偏置校正器(BC)，其被配置为将偏置校正应用于所接收的投影数据或所述对数暗场信号数据。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的信号处理装置，其中，
i)所述探测器(D)是能量解析类型的，并且所述不同能量通道对应于能量解析探测器(D)的不同能量值(Ei)，或者
ii)其中，所述探测器(D)是能量积分类型的，并且所述不同能量通道对应于针对所述X射线源(XR)在不同电压水平处的X射线暴露的探测器读数。
11.一种成像系统(IM)，包括：
探测器(D)，
X射线源，以及
信号处理系统(SPS)，其包括根据权利要求1-10中的任一项所述的装置(SPM)。
12.一种信号处理方法，包括：
接收(S310)针对不同能量通道的各自的暗场信号数据(V)，所述暗场信号数据(V)对应于在暴露于来自X射线源(XR)的X射线辐射之后的探测器(D)处探测到的所述不同能量通道中的信号；
对所述暗场信号数据取对数(S320)，以获得对数暗场信号数据；
任选地，对所述对数暗场信号数据进行线性变换；
通过使用对应于至少两个能量通道的能量权重将所述至少两个能量通道的所述对数暗场信号数据(li)或经变换的对数暗场信号数据积分(S340)成能量加权的对数暗场信号并且
输出(S360)所述能量加权的对数暗场信号
13.根据权利要求12所述的信号处理方法，其中，所述权重包括：
P
各自的能量项，其能够以E的形式来表达，其中，p<-2。
14.一种用于控制根据权利要求1-11中的任一项所述的装置或系统的计算机程序单元，所述计算机程序单元当由处理单元(WS)运行时适于执行根据权利要求12-13中的任一项所述的方法的步骤。
15.一种在其上存储有根据权利要求14所述的程序单元的计算机可读介质。
差分相位衬度X射线成像中暗场信号的优化能量加权
技术领域
背景技术
[0002] 在过去的几年间，已经关于针对诊断成像(尤其是在整形手术和乳房摄影的领域中)的潜在益处广泛地研究了使用Talbot-Lau类型干涉仪的差分相位衬度成像。该成像方法除了X射线衰减的常规图像以外还提供两幅另外的图像，即，差分相位衬度图像(其反映被成像目标内的电子密度的信息)和暗场图像(其中，通过小角度散射来创建衬度)。具体地，由于有证据显示在该图像中在非常早的阶段，甚至在钙化足够大到在衰减衬度图像中可见之前，显现出微小钙化，并且有证据显示暗场信号能够被用于对不同类型的钙化进行分类，因此，最近暗场信号/图像才得到相当的关注。
[0003] 医学X射线图像中的另一可得到的技术是使用能量解析光子计数探测器。在衰减衬度成像的区中，由于光电效应和康普顿散射，使用探测器类型允许在X射线的衰减之间进行区分。其还允许借助于所谓的能量加权(P M Shikhaliev，“Projection x-ray imaging with photon energy weighting:experimental evaluation with a prototype detector”(Physics in Medicine and Biology，第54卷，第16期，第4971-4992页，2009年))提供具有改善的衬度噪声比的衰减衬度图像。在差分相位衬度成像(G Pelzer等人，“Grating-based x-ray phase-contrast imaging with a multi energy-channel photon-counting pixel detector”(OPTICS EXPRESS，2013年11月4日，，第21卷，第22期，第25677-25684页))和暗场成像(G Pelzer等人，“Energy weighted x-ray dark-field Imaging”(OPTICS EXPRESS，2014年10月6日，第22卷，第20期，第24507-24515页))的领域中，已经使用类似的概念，其中，能量加权也可以改善信噪比。
发明内容
[0004] 存在对备选的暗场成像装置和方法的需要。
[0006] 根据本发明的第一方面，提供了一种信号处理装置，包括：
[0008] 对数单元，其被配置为对所述暗场信号数据取对数，以获得对数暗场信号数据；
[0009] 任选的线性变换器，其被配置为对所述对数暗场信号数据进行变换；
[0010] 信号积分器，其被配置为通过使用对应于至少两个能量通道的能量权重将所述至少两个能量通道的经变换的对数暗场信号数据或所述对数暗场信号数据积分成能量加权的对数暗场信号；以及
[0011] 输出端口，其被配置为输出所述能量加权的对数暗场信号。
[0012] 所述暗场信号涉及由在暴露于X射线辐射之后的被成像目标引起的X射线辐射散射(即，小角度散射)。
[0013] 通过合适的直接暗场成像技术能够直接获得每个能量通道的暗场信号数据，其中，确保由探测器探测到的信号能够在很大程度上归因于小角度散射。备选地，能够使用诸如干涉仪的设置物，其中，暗场信号被间接地测量。更具体地，如果使用间接暗场成像，在一个实施例中，所述装置包括暗场信号提取器，所述暗场信号提取器被配置为针对所述通道中的至少两个通道从先前获得的强度数据中提取各自的暗场信号数据。所述强度数据可以根据在暴露于来自X射线源的X射线辐射之后的探测器处探测到的不同能量通道中的投影数据来导出。
[0014] 在投影数据上测量强度。更具体地，优选地在2D探测器处探测“投影”强度，所述2D探测器进行操作以对垂直于X射线通量的两个空间方向上的强度进行空间解析，由此量化“投影”强度。
[0015] 根据一个实施例，所述强度形成由X射线波与要被成像的目标和被布置在X射线源与探测器之间的技术设置物的相互作用引起的干涉图案。如所提及的，在一个实施例中，投影强度是干涉测量的，即，所述设置物是基于光栅的干涉仪。然而，也可以设想其他的基于非光栅设置物。
[0016] 有利地，申请人已经发现在对数域中进行处理以产生良好结果，并且该建模方法表现为良好地捕获暗场信号域中潜在的乘法驱动物。
[0017] 能够以不同方式实施不同能量通道。在一个实施例中，探测器是能量解析(例如，光子计数)类型的探测器，并且不同能量通道对应于能量解析探测器的不同能量值。在备选实施例中，探测器是能量积分类型的探测器，并且不同能量通道对应于针对X射线源在不同电压水平处的X射线暴露的探测器读数。
[0018] 根据一个实施例，所述权重包括EP形式的各自的能量项，其中，p＜-2，或者能够以等同于该形式的其他代数形式来如此表达。更具体地，根据一个实施例，-4≤p＜-2。更具体地，根据一个实施例，p约为-3。
[0019] 在备选实施例中，所述权重包括各自的能量项，所述各自的能量项中的至少一个能量项将能量值作为指数。
[0020] 换句话说，在本文中提出在一个实施例中采用光子计数探测器来执行使用数据的对数域表示的暗场信号的能量加权。在一个实施例中，对于信号的能量E的相关性被建模为pE(p＜-2)，申请人发现所述模型提供与实验数据的极好拟合。
[0021] 根据一个实施例，所述权重包括 (或其代数等价形式)形式的各自的能量项，其中，a是任意常数，b是涉及被成像目标的内部结构的常数，E0是设计能量，并且Ei是针对通道i的不同能量水平。
[0022] 根据一个实施例，所述线性变换器是以下中的任一个：(i)高通滤波器或低通滤波器，(ii)反向投影算子，其在一个实施例中是经滤波的反向投影算子。换句话说，所提出的系统能够用于2D投影成像和3D CT重建成像两者。更具体地，能量积分步骤能够被应用在投影域(在该情况下不要求线性算子，尽管如果期望的话仍然能够执行滤波操作)中。换句话说，在投影数据上执行信号积分步骤。在CT应用的情况下，相反地，能够在图像空间中执行上述信号积分/能量加权步骤，尽管即使在CT中，仍然希望首先执行能量加权并且然后进行反向投影。换句话说，在投影域或图像域中执行能量积分/加权步骤。
[0023] 根据第二方面，提供了信号处理方法，包括：
[0024] 接收在不同能量通道中的各自的暗场信号数据；
[0025] 对所述暗场信号数据取对数，以获得对数暗场信号数据；
[0026] 任选地，对所述暗场信号数据进行线性变换；
[0027] 通过使用对应于至少两个能量通道的能量权重将所述至少两个通道的所述对数暗场信号数据或经变换的对数暗场信号数据积分成能量加权的对数暗场信号，并且[0028] 输出所述能量加权的对数暗场信号。
[0029] 根据一个实施例，所述方法还包括针对所述通道中的至少两个通道从投影强度数据中提取各自的暗场信号数据，所述投影强度数据是在暴露在来自X射线源的X射线辐射之后在探测器处在不同能量通道中(先前)探测到的。
[0030] 本发明允许在诸如医院的临床环境中的有用应用。更具体地，本发明非常适合于用于患者的医学检查的成像模态中的应用，例如，乳房摄影、诊断放射、介入放射和计算机断层摄影(CT)。另外，本发明允许在工业环境中的有用应用。更具体地，本发明非常适合于在非破坏性测试中的应用(例如，对生物样本和非生物样本的成分、结构和/或特质的分析)。附图说明
[0031] 现在将参考以下附图来描述本发明的示范性实施例，其中：
[0032] 图1示出了具有能量解析探测器子系统的干涉测量X射线成像装置；
[0034] 图3示出了信号处理方法的流程图；并且
[0035] 图4绘制了暗场信号与X射线能量的能量相关性。
具体实施方式
[0036] 图1示出了被配置用于能量解析的相位衬度成像(具体为暗场成像)的X射线成像系统IM的示意性方框图。
[0037] 具有用于生成X射线辐射波XB的X射线源XR，所述X射线辐射波XB在穿过检查区域中的样本PB之后能够由探测器D的探测器像素px探测到。诸如卧榻的目标支撑物(未示出)对检查区域中的样本PB(例如，患者或无生命的目标，例如一件行李等)进行支撑。
[0038] 成像系统IM可以是用于3D成像的CT扫描器，或者也可以是较简单的平面投影成像器装置，例如，C型臂。在一个实施例中，X射线源被安装在可旋转机架上(未示出)以在期望投影方向中的任何一个或多个上将X射线波投影穿过患者。在本文中也设想用于2D X射线投影成像的较简单实施例，其中，X射线源是固定的。
[0039] 作为其基本部件，成像系统IM包括干涉测量系统部件以及在一个实施例(不必是在所有实施例)中的能量解析探测器子系统部件。
[0040] 首先详细转向干涉测量系统部件及其操作，该部件包括一个或两个或更多个干涉测量光栅(例如，G0-G2)的子系统。该光栅的子系统通过在X射线源XR与辐射敏感探测器D之间合适地布置光栅来提供相位衬度成像能力，具体地为差分相位衬度成像“DPCI”。在通常被认为是基于光栅的相位衬度成像的背景中能够提取暗场信号(或小角度散射信号)，尽管本文在备选实施例中也设想其他方法，例如，基于分析器的成像(衍射增强成像(DEI)或基于传播的成像(折射增强成像))。因此，我们以与理解暗场成像相关的相位衬度成像的以下方面来进行简要总结。然而，这不排除其他实施例，其中，暗场信号成像是在不具有相位衬度成像设置物的情况下直接执行的。
[0041] 在示范性非限制性实施例中，基于光栅的设置物，干涉测量仪器(其在一个非限制性实施例中是Talbot类型或Talbot-Lau类型)包括两个G1、G2(Talbot类型)或更多的(优选为3个)光栅G0、G1和G2(Talbot-Lau类型)。在X射线源一侧的第一衰减光栅G0具有周期p0以生成在X射线源XR处发出的X射线辐射波前的至少部分空间相干性。
[0042] 相位光栅G1(具有周期p1)被放置在距X射线源距离d处，并且引起在更下游具有周期p2的干涉图案。所述干涉图案能够直接由探测器D探测，或者使用另外的所谓的分析器光栅G2由探测器D探测。现在，当在X射线源与探测器之间的检查区域中引入(要被成像的)样本PB时，干涉图案的相位被移位。由于沿通过样本PB的各自的路径的累积折射(因此名为DCPI)，该干涉图案移位 (如已经以其他方式报道的，例如在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期))与相位移位ΔΦ的梯度成比例。换句话说，测量干涉的相位变化允许提取由样本PB中的折射引起的相位的移位(或梯度)。
[0043] 遗憾的是，干涉图案的周期通常太小以至于不能直接进行空间解析，这因此妨碍对图案的相位的直接测量。大部分X射线探测器的空间分辨率不允许这一操作。因此，为了对该干涉图案相位移位进行“采样”，通常在距光栅G1距离l处放置具有与干涉图案相同周期p2的第二衰减光栅G2。在一些单光栅实施例中，仅使用被布置在距探测器合适的Talbot距离处的一个光栅来确保探测器平面上的干涉图案形式。
[0044] 为了有助于提取干涉图案的相位移位(以及因此由样本PB引起的相位梯度的相位移位)以及暗场信号，存在多种不同技术，在本文中在不同的实施例中设想所有这些技术。例如，在一些实施例中，针对不同的相位提取，要求光栅中的一个光栅与另一个(另外多个)光栅之间的相对运动(在其他实施例中，探测器能够直接解析由光栅G1生成的条纹，也能够使用光栅中的一个光栅相对于探测器D的相对运动)。在任一个实施例中，例如通过“相位步进”能够实现相对运动(亦即，分别为光栅对光栅或光栅对探测器的相对运动)，其中，致动器被用于将例如分析器光栅G2横向移动通过不同的离散光栅位置并且然后在每个光栅位置处测量每个像素PX处的强度。在本文中，“横向”运动意味着沿z方向的运动(参见图1)，亦即，在垂直于波XB的传播方向和光栅的“沟槽”方向的方向上的运动。由F.Pfeiffer等人在“Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources”(Nature Phys.Lett.，第2卷，第258–261页，2006年)中已经描述了该相位步进方法。
[0045] 但是，这并不是说相位步进或该类相位步进是唯一的实施例，这是因为在其他实施例中，所述运动可以是样本本身的运动，或者所述运动可以是构成所要求的运动的(具有安装在其上的光栅G1和或光栅G2中的至少一些的)X射线探测器的扫描运动。这里的问题是捕获包括因在检查区域中存在样本PB而引发的折射量的一系列信号。在其他实施例中，使用多聚焦X射线源，并且通过按顺序从不同聚焦点中的一个切换到另一个来实现相位/暗场信号提取。
[0046] 通常，无论使用何种提取流程，都将发现每个像素处的强度I根据一些X射线光学元件(例如，光栅或探测器)的相对位置而振荡(通常以正弦形式)。例如，返回参考相位步进的一个范例，每个像素记录根据在分析器光栅G2的横向运动期间假设的不同光栅位置的(在各自的像素处的)一系列不同的强度。
[0047] 每个像素px处的振荡强度信号I对在本文中主要感兴趣的干涉测量量进行“编码”，亦即，对暗场(或小角度散射)信号和其他干涉测量量(例如，总体吸收和干涉图案的相移)进行“编码”。能够在算法“暗场检索/提取”(如果对相位成像感兴趣，则通常被称为“相位检索”)操作中提取各自的信号(暗场，以及相位和吸收信号)，其实质上是针对以上提及的3个干涉测量量的至少全部的曲线拟合操作。例如，在一个实施例中，在针对每个像素PX的各自的强度曲线进行傅里叶分析之后，相位衬度和暗场信号会被恢复为零阶和1阶傅里叶分量。例如，参见等式(1)和M Bech等人在“Quantitative X-ray dark-field computed tomography”(Phys.Med.Biol，第55卷，2010年，第5529–5539页)第5531页的描述文本。如之前所提及的，上述基于光栅的干涉测量设置物是获得暗场信号的仅仅一个实施例。另外，也设想其他的基于非光栅的设置物。而且，上述信号处理以提取暗场信号通常在设置物与设置物之间存在不同。通过如在本文中所使用的“设置物”(例如，这里描述的干涉测量设置物)包括探测器D与X射线源之间的任何技术布置，其允许在探测器处形成以强度投影数据形式的干涉图案，所述强度投影数据能够对在本文中寻找的暗场散射信号进行编码。所述布置物可以包括针孔/孔径布置、晶体布置等。而且，在本文中也设想直接暗场信号布置，其中不存在先前的潜在的数据所要求的额外的暗场信号提取/检索。在直接成像中，探测器读数本身形成暗场信号。
[0048] 现在详细转向能量解析探测器子系统部件，在一个实施例中，这包括具有辐射敏感表面的能量解析类型或光子计数类型的探测器D，所述辐射敏感表面包括一行或多行探测器像素PX，所述一行或多行探测器像素PX被配置为当由光子撞击时通过发出电脉冲来做出响应。所述脉冲的高度对应于各自的光子的能量。探测器像素与“n分箱”光子计数电路ER相关联，以在n个不同的能量水平Ei或“分箱”之间进行区分。换句话说，在探测器D处探测到的辐射(在所述辐射穿过样本PB之后)被分析成对应于撞击的光子的各自的能量的不同光子计数。计数电路具体包括比较器，所述比较器将入射光子的能量与预定义的能量分箱Ei的集进行比较。更具体地，将由撞击光子与探测器像素PX的相互作用引起的电脉冲与所述能量水平Ei进行比较。
[0049] 针对每个能量分箱中的数据执行先前描述的相位提取和相位检索操作，以由此得到各自的能量解析的暗场投影数据L，针对每个像素和每个能量水平i一个能量解析的暗场投影数据L。能量解析的暗场数据(亦即，针对每个分箱和像素PX的所有信号的集合)然后被转发到信号处理系统SPS。
[0050] 所提出的信号处理系统SPS进行操作以借助于能量加权来改善暗场影像中的信噪比。通常，仅针对吸收影像来完成能量加权。在本文中现在也提出使用新的、改善的能量模型针来对暗场影像完成该过程。模型制定暗场信号的能量相关性。遗憾的是，暗场信号的信号生成过程相当复杂，并且因此要求涉及的建模方法以反映该复杂性。然而，在一些情况下，各向同性“扩散”的简单模型能够被应用于根据以其他方式(参见例如上述引用的Bech等人的文章)报道的来描述暗场信号。扩散模型是：
[0051] V＝V(0)e-∫∈(x)dx (1)
[0053]
[0054] 针对每个能量，信号很好地与样本厚度比例缩放，其确认信号生成的简单模型与扩散系数的线积分相关。在经验上，如图4中的拟合曲线(见粗虚线和粗实线)所表明的，发现能量相关性遵循E-3相关性。由于所建立的知识有利于E-2的相关性，因此这是令人惊讶的结果。参见例如(A.Guinier的“X-Ray Diffraction”(Dover Publications，Inc，纽约，1994年，第10章))。然后，其将表现出加入额外的能量相关性分量。在彻底偏离现有的E-2的情况下，在本文中提出利用该新的、在经验上建立的能量相关性以用于暗场信号的能量加权方案，以便改善暗场图像中的衬度与噪声比，假设信号由谱探测器D记录。
[0055] 图2是图示包括在本文中提出的能量加权模块SPM的信号处理装置SPS的不同部件的方框图。模块SPM包括输入端口IN和输出端口OUT。该模块在输入端口IN处读取在谱探测器系统D处记录的能量解析干涉测量投影数据。在(由X射线源发出的)X射线射束与样本PB和干涉测量系统的交互之后生成干涉测量投影数据。干涉测量投影数据然后被传递到暗场信号提取器DSX，所述暗场信号提取器DSX如以上简要描述地进行操作以在合适的相位检索曲线拟合操作的背景下从每个能量通道的LOG投影数据中提取暗场信号分量。
[0056] 如在上述等式(2)中所提示的，设想所提出的模块SPM在对数域中进行操作。换句话说，所提取的暗场信号Vi被传递到对数模块LOG，所述对数模块LOG进行操作以将信号Vi转换成其各自的对数(相对于任何合适的底)。以这种方式，形成对数暗场信号[0057] 任选地，也可以存在偏置校正模块BC，所述偏置校正模块BC被配置为将偏置校正应用于所接收的投影数据。这是有利的，这是因为在个体能量分箱中的噪声水平可能是相当大的。偏置校正模块能够被布置为在对数模块LOG的上游或下游。
[0058] 任选地，存在线性变换器LIN，所述线性变换器LIN对对数暗场信号进行变换。针对线性变换器的范例是低通滤波器或高通滤波器或反向重建算子，例如，滤波反向投影算子(FBP)。
[0059] 来自每个能量通道i的(可能经线性变换的)对数暗场信号 (在本文中将使用相同的符号 无论是否使用线性变换)然后被转发到信号积分器SINT。所述SINT然后进行操作以实施能量加权。具体地，所提取的对数暗场信号在能量通道上进行求和，并且根据最新提出的能量模型进行加权。(针对每个探测器像素的)经如此积分和加权的信号然后在输出端口OUT处被输出，以构成能量加权的对数暗场信号 图像。在利用合适的可视化软件进行处理之后，图像能够被转发到屏幕MT以用于显示，或者图像能够根据要求以其他方式被存储或被处理。
[0060] 现在将参考图3中的流程图详细地解释在本文中提出的用于使用改善的谱能量模型对数暗场信号进行能量加权的方法。针对基于光栅的干涉测量设置物解释所述方法，所述基于光栅的干涉测量设置物不应被解释为限制，如上文之前所提及的，在本文中也设想其他的设置物。
[0061] 在步骤S310处，针对不同的能量通道i或在不同的能量通道i中，接收暗场信号Vi。可以通过合适的探测器设置物来直接获得暗场信号，或者可以经由中间提取处理来间接获得暗场信号。例如，在一个示范性实施例中，针对该直接暗场成像，使用基于光栅的干涉测量设置物，其中，在预备步骤S305中，接收如在一个实施例中针对不同的光栅位置在n(n≥
2)分箱能量解析探测器D处记录的干涉测量投影强度。针对一些(通常针对每个)能量分箱执行暗场信号检索或提取操作，这然后得到在步骤S310处接收的针对不同能量分箱i的暗场信号Vi。
2)分箱能量解析探测器D处记录的干涉测量投影强度。针对一些(通常针对每个)能量分箱执行暗场信号检索或提取操作，这然后得到在步骤S310处接收的针对不同能量分箱i的暗场信号Vi。
[0062] 在步骤S320中，所提取的或直接接收的暗场信号Vi被转换成对数表示，作为对数暗场信号数据 在对数域中的信号处理具有更方便地获取并表示潜在的信号生成过程(尤其是关于暗场信号)的乘法性质的优点。
[0063] 在一些实施例中，但不必是所有实施例，存在针对潜在的投影数据估计相关噪声水平σi的步骤S330。例如，对于噪声水平估计的一种方法，参见Weber等人的“Noise in x-ray grating based phase-contrast imaging”(Medical Physics，第38卷，第7期，第4133-4140页，2011年)，其中，最小二乘拟合算法被实施为矩阵乘法。例如，参见第4137页的Weber的等式(29)和(32)，其中，计算噪声行为的差异。但是这仅仅是一个说明性范例，并且在本文中也设想其他噪声估计方法。在备选实施例中，0阶近似中的所有方差可以被看作是相等的，并且完全舍弃所述步骤S330。
[0064] 在步骤S340处，对数暗场信号 被加权积分以根据以下公式计算各自的能量加权的对数暗场线积分
[0065]
[0066] 其中，括号里的项指借助于重新缩放根据能量Ei处的测量结果预期的能量E0处的对数暗场信号。然后在本文中提出利用统计权重 对如此重新缩放的值中的一些或全部取平均值，以便优化加权平均值的SNR(信噪比)。SNR优化权重可以被看作重新缩放的线积分的逆方差(如由波浪号～标记所指示的)。该重新缩放然后隐含：
[0067]
[0068] 针对任意选择的参考能量E0，其中，i指示各种能量分箱/水平。
[0069] 申请人已经发现，针对倒数的分箱能量 根据p＜-2(或等价地， p＞2)的幂定律(power law)产生相对较高的信号/噪声比。具体地，已经通过实验证明p＝-3产生良好结果。也设想针对幂定律的其他幂值p，但优选地，-4≤p＜-2。
[0070] 针对每个像素PX或针对用户选择的多个像素PX并行地或按顺序地执行上述方法步骤S310-S360。
[0071] 在步骤S360处，能量加权的对数暗场图像(亦即，针对所有像素的能量加权的暗场信号 的集合)然后被输出以用于存储、图像处理或在监视器MT上的显示，或者以其他方式的使用。
[0072] 所述方法也可以包括应用于投影域中的投影数据或(对数)投影数据的任选的线性变换步骤S350。范例是滤波操作，例如，高通或低通等。在CT实施例中，所述线性滤波操作是重建操作，例如，反向投影操作(具体为滤波反投影(FBP))。滤波操作S360与步骤S340处的能量加权是可替换的。换句话说，针对CT，能量加权S340可以被执行为在2D投影域中的上述预处理，或3D图像域中的后处理，即，在对数暗场正弦图的经滤波的反投影之后(亦即，在扫描器的X射线源围绕图像样本PB的旋转期间收集的针对所有投影方向的 )。在后者的情况下，亦即，如果所提出的方法被应用在图像域中，则可以(但不必是在所有实施例中)使用适当的误差传播方法，以便将误差估计结果σ(或方差σ2)从投影域传播到图像域中。例如，在Wunderlich和Noo的“Image covariance and lesion detectability in direct fan-beam x-ray computed tomography”(Physics in Medicine and Biology，第53卷，第2471-2493页，2008年)中讨论了将误差信息从2D投影域变换到3D图像域的合适的误差传播方法。例如，参见第2479页Wunderlich的等式(32)、(33)和(37)提供如何将投影域协方差矩阵FBP变换成图像域中的一个的算法。根据等式(33)、(37)首先针对每个视图对投影域中的方差进行滤波，并且如此获得的结果然后根据等式(32)被反投影。在本文中也设想其他误差传播方法。
[0073] 在等式(3)中能够看出，在一个实施例中，各自的对数暗场信号被双倍加权，亦即，存在基于每个分箱i的各自的能量项的加权，其被形成为各自的能量水平与任意设计能量E0之间的比率，并且也存在针对每个分箱i根据在步骤S330中计算的统计方差的估计噪声水平的倒数进行的加权。根据潜在的模型 和根据上述等式(3’)的重新缩放能够理解基本原理。这允许将测得的数据与“参考”或设计能量E0相关。
[0074] 任选地，也存在偏置校正步骤，以将偏置应用于接收到的投影数据。这是有利的，这是因为在个体能量分箱中的噪声水平可能是相当大的。如果留下不校正，则这些噪声水平可能引起偏置的不期望的影响，即，在估计的暗场信号中的系统性误差。例如，如参考Gudbarjartsson等人的“The Rician Distribution for Noisy MRI Data”(MRM 34，第910-914页，1995年)或Henkelman的“Measurement of signal intensities in the presence of noise in MR images”(Medical Physics 12，第232-233页，1985年，Erratum in 13，第544页，1986年)中所解释的，能够实现偏置校正。上述用于根据等式(3)进行加权p
的幂定律能量模型E (p＜-2)是能从由申请人发现的更加细化的信号模型导出的有用近似，即：
的幂定律能量模型E (p＜-2)是能从由申请人发现的更加细化的信号模型导出的有用近似，即：
[0075]
[0076] 其中，V、V(0)指示从相位检索获得的各自的干涉测量可见性作为零阶和一阶傅里叶分量。
[0077] 通过针对大的b>>1或b<<1设置极限能够获得在能量加权等式中使用的简化的能量模型Ep(p＜-3)。针对b<<1，指数函数分量exp能够被发展为泰勒系列表达式，并且我们发现E-4幂定律能量相关性。针对b>>1，指数趋近于0，并且我们具有E-2相关性。已经发现，等式(4)中的常数b涉及样本中被认为引起小角度散射的平均颗粒尺寸或微结构。换句话说，基于E-3能量法则的能量加权因此可以是优选的，其中，平均微结构尺寸通常较大，而当微结构尺寸相当小时，可以要求E-4近似。因此，更详细的能量模型等式(4)可以用作“中间立场”近似。然而，在大多数实验情景中，已经发现简化模型产生如图4中的图表证明的良好结果。微结构颗粒尺寸参数b要么是先验已知的，要么在曲线拟合数据时被用作额外的参数。等式(5)中的参数a通常被取为a＝1或者实际上被取为任何值，这是因为当利用能量加权或积分步骤S340中的设计能量E0形成比率时该参数抵消了。
[0078] 使用根据等式(4)的更细化的能量法则，该能量加权的对数暗场信号能够被计算为：
[0079]
[0080] 其中，由等式(4)替换等式(3)的能量加权公式中的更简化的近似能量法则 现在对等式(3’)的重新缩放对应物被写为：
[0081]
[0082] 能够看出，在根据(4)的更精细的近似中，现在分箱能量项Ei本身出现在指数表达式的各自的指数中。
[0083] 在本文中也设想用于能量加权目的的上述能量模型的数学等价形式或近似表达式，并且所述数学等价形式或近似表达式被涵盖在权利要求中。
[0084] 在一个实施例中，所述系统包括合适的用户输入器件(例如，图形用户接口或键盘)以调节颗粒尺寸参数b。因此，所述模型能够针对预期的结构由用户调节为不同的模型，或者用户能够通过微调b来生成不同的能量加权的暗场图像。
[0085] 如以上使用的能量相关性(亦即，参数p)可以是先验已知的，或者其本身是能通过例如最小二乘拟合到 的形式的幂定律根据给定的投影数据集V导出的。
[0086] 尽管已经参考具有能量解析探测器D的成像器IM对上文进行了解释，但是应当理解，上述方法和系统对于成像器IM是等效应用的，其中，探测器D是能量积分类型的。在该实施例中，通过在不同X射线管电压处进行切换能够对X射线源XR进行操作，这然后定义不同能量水平i。通过利用不同管电压在多个暴露处采集不同投影数据集来实现能量解析。
[0087] 在本文中提出的信号处理系统SPS的一个或多个部件(例如，模块SPM)可以被运行或被实施为在合适配置的数据处理或计算单元(例如，与成像器IM相关联的工作站WS)中的(一个或多个)软件模块。备选地，信号处理系统SPS可以以合适的编程语言(例如，C++或C)来编程。备选地，信号处理系统SPS或其部件中的至少一些可以是作为独立计算机芯片的硬件，或者可以被布置为专用FPGA。在本文中也设想其他具体实现方式。
[0088] 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，适于在适当的系统上运行根据前面的实施例中的一个所述的方法的方法步骤。
[0089] 因此，计算机程序单元可以被存储在计算机单元中，所述计算机程序单元也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行或引发对上述方法的步骤的执行。此外，该计算单元可以适于操作上述装置的部件。该计算单元能够适于自动操作和/或运行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。因此，可以装备数据处理器来执行本发明的方法。
[0090] 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，以及借助于将现有程序更新转换为使用本发明的程序的计算机程序二者。
[0091] 更进一步地，计算机程序单元可以能够提供所有必要步骤以完成如上所述的方法的示范性实施例的流程。
[0092] 根据本发明另外的示范性实施例，提出了一种计算机可读介质，例如CD-ROM，其中，该计算机可读介质具有被存储于所述计算机可读介质上的计算机程序单元，所述计算机程序单元由前面的章节所描述。
[0093] 计算机程序可以被存储和/或被分布在合适的介质上，例如，与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式被分布，例如，经由互联网或其他有线或无线的电信系统被分布。
[0094] 然而，计算机程序也可以被呈现在网络上，如万维网，并且能够从这样的网络被下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另外的示范性实施例，提供了用于使计算机程序单元可用于下载的介质，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的先前描述的实施例中的一个所述的方法。
[0095] 必须指出，本发明的实施例是参考不同主题来描述的。尤其地，一些实施例是参考方法型权利要求来描述的，而其他实施例是参考装置型权利要求来描述的。然而，除非另有说明，本领域技术人员将从以上和以下的描述中推断出，除属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合也被认为在本申请中被公开。然而，所有的特征都能够被组合来提供多于特征的简单加合的协同效应。
[0096] 尽管已经在附图和前面的描述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认为是图示性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
[0097] 在权利要求中，“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实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
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