频谱成像
阅读：115发布：2020-05-12
专利汇可以提供频谱成像专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及 频谱 成像。一种成像系统(100)的探测器阵列(110)，包括： 辐射 敏感探测器(114，116)，其探测辐射并生成指示所述辐射的 信号 。 电流 ‑ 频率 (I/F)转换器(202)将所述信号转换为针对积分时段的脉冲串，所述脉冲串具有指示所述信号的频率。 电路 (120)基于所述脉冲串生成第一矩和至少一个较高次矩。，下面是频谱成像专利的具体信息内容。
1.一种成像系统(100)的探测器阵列(110)，包括：
辐射敏感探测器(114，116)，其探测辐射并生成指示所述辐射的信号；
电流-频率(I/F)转换器(202)，其将所述信号转换为针对积分时段的脉冲串，所述脉冲串具有指示所述信号的频率；以及
电路(120)，其基于所述脉冲串生成一阶矩和至少一个较高阶矩。
2.如权利要求1所述的探测器阵列(110)，其中，所述一阶和所述至少一个较高阶矩对应于用于照射所述辐射敏感探测器(114，116)的多色辐射的不同频谱信息。
3.如权利要求1至2中的任一项所述的探测器阵列(110)，其中，所述一阶和所述至少一个较高阶矩在投影数据或图像数据域中是频谱分辨的。
4.如权利要求1至2中的任一项所述的探测器阵列(110)，其中，所述电路(120)在所述积分时段期间生成所述至少一个较高阶矩。
5.如权利要求1至2中的任一项所述的探测器阵列(110)，还包括重置定时器(234)，所述重置定时器(234)确定所述脉冲串中的相邻脉冲之间的时间值，其中，所述电路(120)基于相邻脉冲之间的时间值生成所述至少一个较高阶矩。
6.如权利要求5所述的探测器阵列(110)，还包括：
反演器(236，242)，其反演所述时间值；以及
累加器(238，246)，其在积分时段期间累加对应于不同脉冲对的多个反演的时间值，其中，所述电路(120)基于所累加的反演的时间值生成所述至少一个较高阶矩。
7.如权利要求6所述的探测器阵列(110)，其中，所述累加器(238，246)响应于所述脉冲串中的脉冲的生成而累加所反演的时间值。
8.如权利要求6所述的探测器阵列(110)，还包括乘法器(240，248)，所述乘法器(240，
248)以预定电荷值乘以所累加的反演的时间值。
9.如权利要求6所述的探测器阵列(110)，还包括第二乘法器(244)，所述第二乘法器(244)使所反演的时间值在被累加前乘以其自身n-1次，其中，n对应于所述较高阶矩的阶数。
10.如权利要求1至2中的任一项所述的探测器阵列(110)，还包括锁存用于所述脉冲串中的脉冲的时间数据的时间锁存器(304)。
11.如权利要求10所述的探测器阵列(110)，其中，所述时间数据包括所述脉冲串中的相邻脉冲之间的时间差。
12.如权利要求10所述的探测器阵列(110)，还包括处理部件(306)，所述处理部件(306)基于所述脉冲串中的所述脉冲的脉冲计数和所述时间数据生成所述一阶和所述至少一个较高阶矩。
13.一种成像方法，包括：
探测积分时段内由成像系统(100)的辐射源(106)生成的多色辐射；
生成指示所探测的辐射的电信号；
生成指示所述电信号的脉冲串；以及
基于所述脉冲串生成针对所述积分时段的至少两个矩。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述至少两个矩对应于关于所探测的多色辐射的不同频谱信息。
15.如权利要求13至14中的任一项所述的方法，还包括频谱上分辨所述至少两个矩。
频谱成像
技术领域
背景技术
[0002] 集成计算机断层摄影(CT)扫描仪总体包括安装于可旋转托台上的与探测器阵列相对的x射线管。x射线管绕检查区旋转并发射经过检查区的多色辐射，并且探测器阵列接收经过检查区的辐射。探测器阵列包括光学耦合至光电传感器阵列的闪烁器阵列，闪烁器阵列电耦合至探测器电子器件。闪烁器阵列吸收辐射并产生指示该辐射的光，光电传感器阵列将光转换为指示该光的电信号，并且该电子器件对该电信号进行积分，产生指示针对每个积分时段的平均或平均水平强度值的信号。将得到的信号重建为生成体图像数据，能够处理该数据以生成扫描的受试者或对象的图像。得到的图像包括像素，该像素典型地以与相对阻射率(radiodensity)对应的灰度值表示。该信息反映扫描的受试者或对象的衰减特性。
[0003] 提出了各种技术，用于从积分信号推导频谱信息。例如，一种技术包括在入射辐射的方向上将闪烁器像素的行叠置在彼此上面并给每行提供相应的光电传感器像素。通常，较低能量的光子吸收于较靠近入射辐射的行中并且较高能量的光子吸收于较远离入射辐射的行中。在另一范例中，管电压在不同的电压之间切换，提供针对较低管电压的一组测量结果和针对较高管电压的另一组测量结果。在另一示例中，成像系统配置有多个x射线管，每一个以不同管电压驱动，并且从而获得针对不同发射频谱的多组测量结果。不幸的是，以上提到的技术可以增加专门的硬件和/或复杂性，和/或增加总的系统成本。发明内容
[0004] 本申请的方面处理上述和其它问题。
[0005] 根据一方面，一种成像系统的探测器阵列包括：辐射敏感探测器，其探测辐射并生成指示所述辐射的信号。电流-频率(I/F)转换器将所述信号转换为针对积分时段的脉冲串，所述脉冲串具有指示所述信号的频率。电路基于所述脉冲串生成一阶矩和至少一个较高阶矩或较高阶中心矩。
[0006] 根据另一方面，一种成像方法，包括：探测积分时段成像系统的辐射源生成的多色辐射；生成指示所探测的辐射的电信号；生成指示所述电信号的脉冲串；以及基于所述脉冲串生成针对所述积分时段的至少两个矩。
[0007] 根据另一方面，一种成像系统包括：源，其发射经过检查区的辐射；以及探测器阵列，其探测经过检查区的辐射。所述探测器阵列包括：辐射敏感探测器，其接收所述辐射并生成指示所述辐射的信号。电流-频率(I/F)转换器将所述信号转换为脉冲串，所述脉冲串具有指示所述信号的频率。电路基于所述脉冲串生成一阶矩和至少一个较高阶矩。附图说明
[0008] 本发明可以采取不同部件和部件的排列的形式，以及不同步骤和步骤的排列的形式。附图仅是用于示例优选实施例的目的，而不应当视为限制本发明。
[0009] 图1示例范例成像系统；
[0010] 图2和3示例范例处理电子器件；
[0011] 图4和5示例范例频谱探测器；
[0012] 图6和7示例范例多能量成像系统；
[0013] 图8示例范例方法。
具体实施方式
[0014] 图1示例诸如计算机断层摄影(CT)扫描仪的成像系统100。系统100包括总体静止的托台102和旋转托台104。旋转托台104由总体静止的托台102旋转地支撑。诸如x射线管的辐射源106由旋转托台104支撑并且与其一起绕检查区108在纵或z轴附近旋转，并发射多色辐射。源准直器等使辐射源106发射的辐射准直，产生经过检查区108的总体锥形、扇形、楔形或其它形状的辐射束。
[0015] 探测器阵列110相对于辐射源106对着与检查区108相对的角度弧。探测器阵列110接收经过检查区108的辐射。示例的探测器阵列110包括探测器镶嵌砖(mosaic)或瓦片(tile)112的二维阵列。该探测器阵列的非限制性范例描述于2001年7月18日提交的名称为“Solid State X-Radiation Detector Modules and Mosaics thereof,and an Imaging Method and Apparatus Employing the Same”的US专利6510195B1中，于此通过引用并入了该专利的整体。
[0016] 探测器阵列110包括诸如探测器瓦片112的辐射敏感探测器，探测器瓦片112具有光学耦合至光电传感器阵列116(如示例的)的闪烁器阵列114或诸如CZT、CdTe的方向转换材料或其它方向转换材料。闪烁器阵列114接收辐射并产生指示该辐射的光。光电传感器阵列116接收光并生成指示该光的诸如电流或电压的信号。探测器电子器件118处理信号并生成指示该信号的数据。合适的探测器瓦片112的范例描述于“A New 2D-Tiled Detector for Multislice CT”，Luhta等，Medical Imaging 2006：Physics of Medical Imaging.Vol.6124，pp.275-286(2006)。
[0017] 在示例的实施例中，并且如以下更详细地描述的，探测器电子器件118包括电流-频率(或电压-频率)转换器，该转换器在积分时段期间对光电传感器阵列116输出的信号进行积分并生成针对积分时段的数字数据，数字数据诸如是具有指示该信号的频率的脉冲串。合适的转换器的范例描述于2001年11月7日提交的名称为“Data Acquisition for Computed Tomography”的US专利6671345B2中，于此通过引用并入了该专利的整体。另一合适的转换器描述于1975年11月28日提交的名称为“Data Acquisition for Computed Tomography”的US专利4052620中，于此通过引用并入了该专利的整体。
[0018] 电路或矩(moment)生成器120基于来自电流-频率转换器的数字信号生成一个或多个矩(例如一阶矩、二阶矩、三阶矩、…、n阶矩)。生成至少两个矩容许从积分信号获得频谱信息。矩生成器120可以是瓦片112上的探测器电子器件118、远离瓦片112的电子器件的部分，或部分地与瓦片112上的探测器电子器件118集成的电子器件和部分远离瓦片112的电子器件的组合。
[0019] 重建器122重建矩生成器120的输出。在一个示例中，重建器122使用常规重建算法单独重建至少两个矩。得到的体图像数据于是能够用于在逐个像素的基础上根据在不同能量矩的有效吸收来获得附加频谱信息。在另一示例中，重建器122基于频谱重建算法重建矩。例如，重建算法可以包括对信号进行分解以获得信号中的不同吸收分量，诸如光电分量、康普顿分量、一个或多个K边缘等。分量信号于是能够用于常规重建算法以生成示出分量的密度分布的分量图像。
[0020] 床(couch)或患者支撑体124支撑检查区108内的受试者或对象，受试者诸如是人或动物。支撑体124是活动的，其使得操作员或系统能够在扫描之前、期间和/或之后合适地将受试者定位于检查区108内。诸如操作员控制台128的计算系统有利于用户与扫描仪100的相互作用。由操作员控制台128执行的软件应用程序容许用户配置和/或控制扫描仪100的操作。例如，用户能够与操作员控制台128相互作用以选择频谱或常规成像协议。
[0021] 如上述，在示例的实施例中，电流-频率(I/F)转换器在积分时段期间对光电传感器阵列116的输出信号进行积分并生成针对积分时段的诸如脉冲串的数字数据，脉冲串具有指示信号的频率。光电传感器阵列116的输出信号能够表示为E(t)，且I/F转换器的输出，从积分时段T的时间TN0的第一脉冲N0至时间TN1的最后N1脉冲，能够表示为等式1的函数：
[0022] 等式1：
[0023]
[0024] 或如等式2中所示的离散形式：
[0025] 等式2：
[0026] 或
[0027] 其中，N表示从TN0至TN1的间隔中的脉冲的数量，不包括第一脉冲，Qp表示相邻脉冲之间的预定的恒定电荷值，并且ΔT＝TN1-TN0。等式2能够用作对输入信号E(t)的估计并表示E(t)的平均值 或一阶矩。
[0028] 脉冲串中的单独脉冲之间的变化能够用于估计较高矩，如以下讨论的。能够基于等式3确定n阶矩：
[0029] 等式3：
[0030]
[0031] 如果等式4的相等性得到满足，则在积分时段期间生成脉冲：
[0032] 等式4：
[0033]
[0034] 其中，从ti至ti+1的间隔表示积分时段期间相邻脉冲之间的时间间隔。对于从ti至ti+1的间隔，E(t)能够近似为等式5的函数：
[0035] 等式5：
[0036] 或
[0037] 将等式5代入等式3中，得到等式6：
[0038] 等式6：
[0039]
[0040] 或以离散形式得到等式7或等式8：
[0041] 等式7：
[0042]
[0043] 等式8：
[0044]
[0045] 等式7和8提供对从TN0至TN1的间隔上的n阶矩的估计。
[0046] 图2示例光电传感器阵列116构成的光电传感器像素200、探测器电子器件118和矩生成器120的非限制性实施例，该矩生成器120配置为基于等式2和8生成矩。模拟-数字(A/D)转换器202包括积分器204(放大器206和积分电容器208)和鉴别器或比较器210。如上所述，采用示例的A/D转换器202作为电流-频率(I/F)转换器。
[0047] 积分器204在积分时段期间对光电传感器像素200输出的信号(E(t))和偏置电流212的和进行积分。在一个示例中，偏置电流212设定为使得模拟-数字转换器202在预定数量的积分时段上产生预定数量的脉冲，诸如是三个积分时段上的至少一个脉冲，每个积分至少两个脉冲等。比较器210在积分时段期间将积分器204的输出与阈值214进行比较并且在积分器204的输出满足阈值214时生成数字脉冲。
[0048] 重置开关216用于在积分时段期间响应于数字脉冲的生成而重置积分器204。重置开关216也可以用于在积分时段之间重置积分器204。重置积分器204可以包括将存储在电容器218中的电荷注入到积分器204的输入端，以消除积分器204的输入端的电荷。当断开时，开关216将重置电容器218与参考电压220电连接。逻辑电路(logic)222控制重置开关216，包括在积分时段边界上和/或别处，响应于在比较器输出中探测到脉冲而闭合重置开关216以重置积分器204。
[0049] 一阶矩生成器2281通过例如等式2生成平均值 如上述，等式2提供对输入信号E(t)的估计。在一个示例中，计数器230对积分时段由比较器210输出的脉冲的数量进行计数，且定时器232确定积分时段的第一脉冲至最后脉冲之间的时间。根据此数据，一阶矩生成器2281生成一阶矩，例如作为脉冲计数与第一和最后脉冲之间的时间的比率的函数。
[0050] 二阶矩生成器2282基于例如等式8生成二阶矩。重置定时器234用于对于脉冲串的多个脉冲确定积分时段期间相邻脉冲之间的时间(Δti)。反演器(inverter)236反演(invert)相邻脉冲之间的时间值，且累加器238对反演的数据进行累加。重置定时器234对每对相邻脉冲确定新的时间值，并且累加器238响应于每个脉冲的生成对反演的数据进行累加。同样，二阶矩随积分时段期间每个脉冲的生成渐增地生成。乘法器240将累加的时间乘以升高至二次幂的恒定电荷值(Qp2)。初始调用累加器238以响应于积分时段期间第一脉冲的生成而对乘法器240的输出进行累加，并且在累加数据读出后在积分时段的结尾对累加器238进行清零或重置(rest)。响应于脉冲的生成重置重置定时器234。
[0051] n阶矩生成器228n基于例如等式8生成n阶矩。再次，重置定时器234用于确定相邻脉冲之间的时间。反演器242反演(invert)时间值，且乘法器244使反演值与其自身相乘n-1次，或将反演器值升高至(n-1)次幂。累加器246累加积分时段的此数据。乘法器248将累加的时间乘以升高至n次幂的恒定电荷值(Qpn)。同样，调用累加器246以响应于积分时段中第一脉冲的生成而进行累加，并且在累加数据读出后在积分时段的结尾对累加器246进行清零或重置，并且响应于脉冲的生成重置重置定时器234。n阶矩生成器228n能够替代地或附加地用于生成一阶和/或二阶矩，以及一个或多个较高矩。
[0052] 在示例的实施例中，逻辑电路222重置重置定时器234并调用累加器238和246以及对累加器238和246进行清零。在其它实施例中，另外地重置重置定时器234和/或另外地调用累加器238和246和/或对累加器238和246进行清零。另外，矩生成器120的部件的子部或所有部件能够与瓦片112上的探测器电子器件118集成或能够远离瓦片112设置。将生成的矩传送至重建器122，重建器112单独重建矩和/或如上所述地组合重建矩。
[0053] 以下描述用于生成一个或多个矩的另一非限制性技术。对于此范例，采用中心矩来确定较高阶矩。如上所述，能够作为等式2的函数估计电流信号E(t)的平均值 电流信号是光电二极管根据在闪烁器中生成的光所生成的。平均值 也能够表述为如等式9中所示：
[0054] 等式9：
[0055]
[0056] 其中，Δti表示相邻脉冲之间的时间间隔，且N＝N1-N0对应于测量间隔中所有脉冲的数量，不包括第一脉冲。能够作为等式10(其表示n阶中心矩的定义的离散化版本)的函数估计电流信号的n阶中心矩：
[0057] 等式10：
[0058]
[0059] 其中Ii为等式11的函数：
[0060] 等式11：
[0061] Ii＝Qp/Δti。
[0062] 将等式11代入等式10，并如等式12中所示地表述 得到等式13：
[0063] 等式12：
[0064]
[0065] 等式13：
[0066]
[0067] 对于n＝2，等式13也能够表示为等式14(对于随机信号I(t)，遵循二阶中心矩由给出，其中E[·]表示预期值或平均值)：
[0068] 等式14：
[0069]
[0070] 其中，再次如等式12中所示地表述 并且如等式15中所示地表述 (对于n＝2)：
[0071] 等式15：
[0072]
[0073] 对于n>2，必须遵循中心矩Mn＝E[I-E[In])n]和“原点附近的矩” 之间的总体关系。例如，对于n＝3， 总体规则为： 其中 和 为普通平均值。
[0074] 图3示例光电传感器像素200、探测器电子器件118和矩生成器120的非限制性实施例，矩生成器120配置为基于等式2和13或14生成矩。如以上讨论的，配置为电流-频率(I/F)转换器的模拟-数字(A/D)转换器202包括积分器204(放大器206和积分电容器208)和比较器210。积分器204在积分时段期间对光电传感器像素200输出的信号和偏置电流212的和进行积分，并且比较器210在积分器204的输出满足阈值214时生成数字脉冲。逻辑电路222控制重置开关216，重置开关216针对积分时段并响应于积分时段期间数字脉冲的生成重置积分器204。
[0075] 在此实施例中，矩生成器120包括脉冲计数器302，脉冲计数器302在积分时段期间对比较器210的输出中的脉冲进行计数。矩生成器120还包括时间锁存器304，时间锁存器304在积分时段期间锁存脉冲的时间实例(instance)。在一个非限制性实例中，时间锁存器
304包括寄存器等，该寄存器等具有与积分时段期间的时钟滴答(tick)一样多的存储器单元。利用此配置，单元设定为初始已知状态(例如“0”)，并且如果利用对应时钟滴答生成了脉冲，则逻辑电路222向单元写入已知值(例如“1”)。存储逻辑“1”的单元的单元位置的距离提供能够用于推导相邻脉冲之间时钟滴答的时间距离的信息。于此也可以设想时间锁存器
304的其它实施例。逻辑电路222调用脉冲计数的读数和时间实例并对脉冲计数器302和/或时间锁存器304进行重置或清零。
304包括寄存器等，该寄存器等具有与积分时段期间的时钟滴答(tick)一样多的存储器单元。利用此配置，单元设定为初始已知状态(例如“0”)，并且如果利用对应时钟滴答生成了脉冲，则逻辑电路222向单元写入已知值(例如“1”)。存储逻辑“1”的单元的单元位置的距离提供能够用于推导相邻脉冲之间时钟滴答的时间距离的信息。于此也可以设想时间锁存器
304的其它实施例。逻辑电路222调用脉冲计数的读数和时间实例并对脉冲计数器302和/或时间锁存器304进行重置或清零。
[0076] 处理部件306根据等式13或14基于脉冲计数器302的输出和时间锁存器304的输出生成一个或多个矩，诸如至少两个矩。
[0077] 对于这里的实施例及其变形，能够基于待生成的最高矩确定转换器202的采样率。通过非限制性范例，用于确定 的合适的估计的采样率通常比用于确定 的合适的估计的采样率高。例如，In(t)的傅立叶变换(F{})是F{I(t)}的n重卷积。作为近似，相对于n＝1，能够以n的因子增加用于确定较高阶矩的采样率，因为F{In(t)}的带宽近似为F{I(t)}的带宽的n倍。能够通过阈值214调整采样率，使相对于较高阈值，较小的阈值导致较高采样率，和/或者别的方式。
[0078] 应当理解，于此描述的实施例能够用于与一个或多个其它频谱成像途径结合。例如，于此描述的实施例能够用于与频谱探测器(例如双层系统)、kVp开关、和/或多管系统组合。通过将于此描述的实施例与一个或多个技术和/或其它技术组合，能够增大频谱分离分辨率。
[0079] 图4中示出了频谱探测器的范例。闪烁器阵列402包括叠置于入射辐射的方向上的闪烁器像素404、406的第一和第二层。闪烁器阵列402中入射辐射的吸收是能量相关的，较低能量的光子在被第一层404吸收之前以平均较短的距离传播通过闪烁器阵列402，并且较高能量的光子在被第二层406吸收之前以平均较大的距离传播通过闪烁器阵列402。同样，吸收的深度指示探测的辐射的能量。闪烁器阵列402光学耦合于光电传感器阵列408上面，光电传感器阵列408具有第一光敏像素410和第二光敏像素412，第一光敏像素具有调谐至第一或第二闪烁器层404、406之一的第一频谱相应，第二光敏像素具有调谐至第一或第二闪烁器层404、406中的另一个的第二频谱响应。以此方式，光电传感器阵列408将具有两个频谱上不同的输出。
[0080] 图5中示出了频谱探测器的另一范例。在此范例中，第一和第二闪烁器像素404、406分别光学侧安装至光电传感器阵列408。同样，光电传感器阵列408将具有两个频谱上不同的输出。光反射膜或涂层能够设置在未耦合至光电传感器阵列408的闪烁器像素404、406的侧面，以将光朝向光电二极管阵列408引导。根据图4和图5中的任一个或该两个图，应当理解，能够以相同或不同的发射器材料形成闪烁器像素404、406，和/或闪烁器像素404、406能够具有类似或不同的维度，诸如在入射辐射的方向上具有类似或不同的深度。当然，在其它实施例中能够使用更多闪烁器层和光敏像素。
[0081] 图6示例了kVp开关的范例。在此范例中，x射线管控制器602在两个(或更多)不同电压电平之间切换管电压。控制器602能够例如基于来自控制台128的扫描信息在扫描期间(例如，在观察内、观察之间等)、在扫描之间、和/或以其它方式切换管电压。探测器阵列110将生成对应于第一管电压的第一信号和对应于第二管电压的第二信号。
[0082] 图7示例范例多管系统。为解释目的，示出的系统具有第一管/探测器对1061/1101和第二管/探测器对1062/1102。在其它实施例中，系统能够配置有更多的管/探测器对，诸如三个或更多管/探测器对。在此范例中，每个管1061/1062操作于不同管电压。结果，每个探测器1101/1102提供对应于不同频谱的输出。
[0083] 在另一实例中，频谱分解算法能够用于分开不同分量，诸如光电效应分量和康普顿效应分量。Roessl等的“K-edge imaging in x-ray computed tomography using multi-bin photo counting detectors”，Physics in Medicine and Biology,2007,4679-4696页,vol.52中描述了合适的分解。另一合适的分解描述于2007年12月14日提交并公开为WO2008078231的申请系列号PCT/IB2007/055105中，于此通过引用并入了该申请的整体。后面，扩展分解以推导针对经由对比剂管理的K边缘材料的K边缘分量。
[0084] 其中能够采用于此描述的系统和方法的范例应用包括，但不限于，行李检查、医学应用、动物成像、心脏扫描、材料测试、无损成像、机器视觉、以及材料科学。另外，应用适用于使用单个CT托台上的多个管(和多个探测器)的x射线CT系统。其它合适的应用包括期望通过较高频谱性能进行组织区分加基于电流积分探测器在CT系统中实施K边缘成像的可能性的应用。
[0085] 图8示例方法。
[0086] 在802，探测经过检查区的多色辐射。
[0087] 在804，生成指示探测的辐射的信号。
[0088] 在806，基于信号生成具有指示探测的辐射的频率的脉冲串。
[0089] 在808，基于脉冲串生成一个或多个矩，如于此描述的。
[0090] 在810，在投影和/或图像域频谱上分辨矩。
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