專利名稱：用于相干散射ct的射束硬化和衰減校正的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相干散射計算機斷層攝影(CSCT)領(lǐng)域，其中將扇束應(yīng)用于關(guān)注對象。特別地，本發(fā)明涉及重建關(guān)注對象的相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)的方法，涉及相干散射計算機斷層攝影裝置，涉及用于重建相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備并涉及用于重建相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)的計算機程序。
背景技術(shù)：
US4,751,722描述了一種設(shè)備，該設(shè)備基于的原理是相對于射束的方向在1o-12o的角內(nèi)配準相干散射輻射的角分布。如US4,751,722中所述，彈性散射輻射的主要部分集中在小于12o的角內(nèi)，光子能量＞40keV，并且散射輻射具有帶有明顯最大值的特征角依賴性，其位置由輻射物質(zhì)自身確定。由于小角度內(nèi)相干散射輻射的強度分布取決于物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，具有同等吸收能力的不同物質(zhì)(其不能用傳統(tǒng)的透射照明或CT進行區(qū)分)可以根據(jù)每種物質(zhì)典型具有的相干輻射的角散射的強度分布進行辨別。
由于這樣的系統(tǒng)辨別不同對象材料的能力提高，因此這樣的系統(tǒng)在醫(yī)療或工業(yè)領(lǐng)域中獲得了越來越多的應(yīng)用。
小角度散射的主要部分是相干散射。由于相干散射表現(xiàn)出取決于散射樣本的原子排列的干涉效應(yīng)，因此相干散射計算機斷層攝影(CSCT)原則上是用于成像橫穿2D對象截面的組織或其它材料的分子結(jié)構(gòu)的空間變化的敏感技術(shù)。
Harding等人“Energy-dispersive x-ray diffractiontomography”Phys.Med.Biol.，1990，Vol.35，No.1，33-41描述了一種能量分散x射線衍射斷層攝影(EXDT)，其為一種基于在固定的相干x射線散射角進行能量分析的斷層攝影成像技術(shù)，所述相干x射線散射通過多色輻射在對象內(nèi)被激發(fā)。根據(jù)該方法，通過使用合適的孔徑系統(tǒng)產(chǎn)生輻射束，所述孔徑系統(tǒng)具有鉛筆的形狀，因此也被稱為筆形射束。與筆形射束源相對，適合用于能量分析的一個探測器元件被布置成用于探測由關(guān)注對象改變的筆形射束。
由于僅僅與一個探測器元件組合使用筆形射束，因此輻射源僅僅發(fā)出有限數(shù)量的光子，因此僅僅可以測量減少的信息量。如果EXDT應(yīng)用于較大對象，例如行李件，EXDT必須用于掃描模式，因此導(dǎo)致極長的測量時間。
與CT組合應(yīng)用扇束主射束和2D探測器的相干掃描結(jié)構(gòu)在US6,470,067 B1中被描述，因此克服了與EXDT掃描模式有關(guān)的長測量時間。與多色源組合的角分散結(jié)構(gòu)的缺點在于模糊散射作用，其例如在Schneider等人“Coherent Scatter Computer TomographyApplying a Fan-Beam Geometry”Proc.SPIE，2001，Vol.4320 754-763中被描述。
在今天的CT掃描器中，通常多色x射線源被用作輻射源。用于體素的散射函數(shù)的不精確重建因從這樣的多色x射線源發(fā)出的多色原輻射而眾所周知。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標是提供相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)的改進重建。
根據(jù)本發(fā)明的典型實施方式，如權(quán)利要求1中所述，以上目標可以由一種重建關(guān)注對象的相干散射計算機斷層攝影(CSCT)數(shù)據(jù)的方法解決，其中從通過關(guān)注對象透射的原輻射中采集關(guān)注對象的衰減數(shù)據(jù)。然后，在采集的衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上執(zhí)行散射輻射數(shù)據(jù)的補償。散射輻射數(shù)據(jù)基于從關(guān)注對象散射的散射輻射。然后通過使用被補償散射輻射數(shù)據(jù)重建相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的該典型實施方式的一個方面，執(zhí)行散射輻射數(shù)據(jù)的射束硬化補償。
根據(jù)本發(fā)明的該典型實施方式，業(yè)已發(fā)現(xiàn)用于給定動量傳遞的散射角取決于散射光子的能量，在各個散射輻射探測器上測量的信號結(jié)構(gòu)于是為不同能量的重疊散射投影的函數(shù)，其用強度和能量依賴性衰減加權(quán)。當(dāng)從多色投影(即用多色輻射源獲得的投影)重建圖像時，可以使用光譜的平均能量，然后可以通過使用該平均能量應(yīng)用單色重建。然而，這可以因原輻射的光譜分布而導(dǎo)致散射作用的模糊。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明的典型實施方式，散射輻射數(shù)據(jù)補償了射束硬化效應(yīng)。這可以減小重建散射函數(shù)的模糊。此外，這可以通過考慮射束硬化效應(yīng)準精確地確定背投影路徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一典型實施方式，如權(quán)利要求2中所述，在基于等效對象確定的能量偏移的基礎(chǔ)上執(zhí)行射束硬化效應(yīng)的補償。由該等效對象的射束硬化效應(yīng)導(dǎo)致的能量偏移是已知的并且可以用于補償。這可以允許提高圖像質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的另一典型實施方式，如權(quán)利要求3中所述，在衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定關(guān)注對象導(dǎo)致的平均衰減。然后，在平均衰減的基礎(chǔ)上確定預(yù)選材料的等效厚度，所述預(yù)選材料例如為水和/或任何其它合適的材料，例如PMMA。在等效厚度的基礎(chǔ)上確定能量偏移，然后該能量偏移用于補償散射輻射數(shù)據(jù)。
換句話說，根據(jù)本發(fā)明的該典型實施方式，執(zhí)行能量依賴性衰減校正(射束硬化校正)。根據(jù)該典型實施方式的一個方面，該能量依賴性衰減校正可以在重建之間被執(zhí)行。
有利地，這可以允許重建散射函數(shù)的很好的光譜分辨率。例如，在材料辨別應(yīng)用中，這可以允許辨別具有相同衰減的材料。而且，由于衰減校正，可以獲得改善的圖像質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的另一典型實施方式，如權(quán)利要求4中所述，執(zhí)行包括關(guān)注對象的吸收系數(shù)的體積數(shù)據(jù)集的重建。然后，為散射輻射的散射光子確定輻射光譜。在輻射光譜的基礎(chǔ)上確定散射光子的平均能量，然后通過使用這些平均能量執(zhí)行相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)的重建。
換句話說，根據(jù)本發(fā)明的該典型實施方式，CT重建在CSCT重建之前被執(zhí)行。這通過考慮例如射束硬化對散射光子平均能量的影響有利地允許準精確地計算(出現(xiàn)在這些路徑上的材料的)背投影路徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一典型實施方式，如權(quán)利要求5中所述，在衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定位于散射輻射的散射光子路徑上的材料。這在CT重建的基礎(chǔ)上進行。然后，為了執(zhí)行散射輻射數(shù)據(jù)的校正或補償，考慮這些材料并且可以在散射輻射數(shù)據(jù)中補償射束硬化效應(yīng)和/或吸收效應(yīng)。然后在被校正的散射輻射數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上執(zhí)行CSCT重建。
根據(jù)本發(fā)明的另一典型實施方式，如權(quán)利要求6中所述，提供了一種相干散射計算機斷層攝影裝置，其中執(zhí)行散射輻射數(shù)據(jù)的射束硬化補償。有利地，該相干散射計算機斷層裝置可以是錐束CT系統(tǒng)的一部分。由于根據(jù)本發(fā)明的可以允許提高圖像質(zhì)量的所述重建，該裝置可以有利地用在醫(yī)療成像中用于材料分析以及例如用于行李檢查。有利地，對于這些應(yīng)用，可以用本發(fā)明的裝置實現(xiàn)的散射函數(shù)的良好分辨率是重要的。
根據(jù)本發(fā)明的相干散射計算機斷層攝影裝置的典型實施方式在權(quán)利要求7和8中被闡述。
根據(jù)本發(fā)明的另一典型實施方式，如權(quán)利要求9中所述，提供了一種包括存儲器和數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。根據(jù)該典型實施方式的數(shù)據(jù)處理器設(shè)備適于執(zhí)行本發(fā)明的方法。
根據(jù)本發(fā)明的另一典型實施方式，如權(quán)利要求10中所述，提供了一種用于重建關(guān)注對象的相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)的軟件程序，其中當(dāng)計算機軟件在數(shù)據(jù)處理器和相干散射計算機斷層攝影裝置之一上運行時，執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的操作。根據(jù)本發(fā)明的計算機程序可以存儲在計算機可讀介質(zhì)中，例如CD-ROM。計算機程序以可以在諸如環(huán)球網(wǎng)這樣的網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)并且可以從這樣的網(wǎng)絡(luò)下載到數(shù)據(jù)處理器的工作存儲器中。計算機程序可以用任何合適的程序語言編寫，例如C++。
作為本發(fā)明的典型實施方式的要點可以看出，在散射輻射數(shù)據(jù)用于重建之前對散射輻射數(shù)據(jù)執(zhí)行射束硬化補償。這可以允許重建散射函數(shù)的很好的光譜分辨率并且可以允許獲得提高的圖像質(zhì)量。
參考下文描述的實施方式和參考附圖，本發(fā)明的這些和其它方面是顯而易見的并且將被闡述。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的計算機斷層攝影裝置的典型實施方式的示意圖。
圖2顯示了用于測量相干散射輻射的圖1的計算機斷層攝影裝置的幾何結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3顯示了圖1的計算機斷層攝影裝置的幾何結(jié)構(gòu)的另一示意圖。
圖4顯示了用于進一步解釋本發(fā)明的圖1的計算機斷層攝影裝置的測量幾何結(jié)構(gòu)的另一示意圖。
圖5顯示了圖1的計算機斷層攝影裝置的幾何結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖的另一示意圖。
圖6顯示了用于進一步解釋在圖1的計算機斷層攝影裝置中發(fā)生的散射事件的另一示意圖。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一典型實施方式的多行CSCT掃描器的示意圖。
圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的典型實施方式用于執(zhí)行背投影的背投影路徑。
圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明的典型實施方式用于確定能量偏移的表格。
圖10顯示了操作本發(fā)明的計算機斷層攝影裝置的方法的典型實施方式的流程圖。
圖11顯示了操作本發(fā)明的計算機斷層攝影裝置的方法的另一典型實施方式的另一流程圖。
圖12是用于進一步解釋圖11中所示的方法的散射事件的簡化示意圖。
圖13顯示了適于執(zhí)行本發(fā)明的方法的本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理設(shè)備的典型實施方式的簡化示意圖。
具體實施例方式
在圖1-13的以下描述中，相同的附圖標記將用于相同或相應(yīng)的元件。
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的計算機斷層攝影裝置的典型實施方式。參考該典型實施方式，本發(fā)明將被描述成應(yīng)用于行李檢查中，例如用來探測行李物品中的危險材料，例如爆炸物。然而，必須注意本發(fā)明并不限于行李檢查領(lǐng)域，而是也可以用于其它工業(yè)或醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，例如醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的骨成像或組織類型的辨別。而且，本發(fā)明可以用于非破壞性測試領(lǐng)域中。
圖1中所示的計算機斷層攝影裝置包括機架1，其可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸2旋轉(zhuǎn)。機架1由電機3驅(qū)動。附圖標記4表示輻射源，例如X射線源，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該輻射源發(fā)出多色或單色輻射。
附圖標記9表示準直器，例如隙縫光闌。穿透過關(guān)注對象7的扇束11的扇平面或掃描平面橫穿輻射探測器8的透射探測器行15。
換句話說，扇束11被導(dǎo)向成使得它穿透布置在機架1的中心，即計算機斷層攝影裝置的檢查區(qū)中的行李物品7，并且撞擊到探測器8上。如上所述，探測器8與輻射源4相對地布置在機架1上，使得扇束11的扇平面橫穿探測器8的排或行15。探測器8在圖1中被顯示成具有七個探測器行，每個包括多個探測器元件。如上所述，探測器8被布置成使得原輻射探測器15，即探測器8的中間行，處于扇束11的扇平面內(nèi)。
探測器8的其余六行，即在探測器行15的每一側(cè)上由陰影指示的三個探測器行30和34，是散射輻射探測器行。這樣的探測器行30和34分別布置在扇束11的扇平面的外部。換句話說，那些行30和34與x射線源4相對地布置在機架1上，在平行于旋轉(zhuǎn)軸2的方向上或在與扇平面垂直的方向上具有與扇平面的偏移。探測器行30被布置成相對于圖1中所示的旋轉(zhuǎn)軸2的方向具有正偏移，而行34被布置成相對于圖1中所示的旋轉(zhuǎn)軸2的方向具有與扇平面的負偏移。
探測器行30和34被布置在機架1上，使得它們平行于扇平面并且在扇平面之外具有在機架1的旋轉(zhuǎn)軸2的正或負方向上的這樣的偏移，使得它們接收或測量從計算機斷層攝影裝置的檢查區(qū)中的行李物品7散射的散射輻射。因此，在下文中，行30和34也將被稱為散射輻射探測器。
探測器行15，30和34的探測器元件可以是閃爍體探測器單元。然而，根據(jù)本發(fā)明的該典型實施方式的變型，基于碲化鎘或CdZnTe或其它的直接轉(zhuǎn)換探測器單元可以用于行15或行34或30。而且，行30和34也可以是基于碲化鎘或CZT的探測器單元，并且行15可以是閃爍體探測器單元的行。原射束探測器和散射輻射探測器可以放置在分開的外殼中。
必須注意僅僅提供一行30或34就已足夠。然而，優(yōu)選地提供了多行30和/或34。而且，僅僅提供一行15來測量在扇平面中由行李物品7導(dǎo)致的扇束11的原射束的衰減就已足夠。然而，如行30和34中的情況，提供多個探測器行15可以進一步增加計算機斷層攝影裝置的測量速度。在下文中，術(shù)語“原輻射探測器”將用于表示探測器，包括至少一個用于測量扇束11的原輻射的衰減的探測器行。
從圖1可以看出，探測器8的探測器單元被布置成行和列，其中列平行于旋轉(zhuǎn)軸2，其中行布置在垂直于旋轉(zhuǎn)軸2且平行于扇束11的切片平面的平面內(nèi)。
在行李物品7的掃描期間，輻射源4、準直器9(或孔徑系統(tǒng))和探測器8沿著機架1在箭頭16所指示的方向上旋轉(zhuǎn)。為了旋轉(zhuǎn)機架1，電機3連接到電機控制單元17，其連接到計算單元18。
在圖1中，行李物品7被放置在傳送帶19上。在行李物品7的掃描期間，當(dāng)機架1圍繞行李物品7旋轉(zhuǎn)時，傳送帶19沿著平行于機架1的旋轉(zhuǎn)軸2的方向移動行李物品7。由此，行李物品7沿著螺旋掃描路徑被掃描。在掃描期間也可以停止傳送帶19，由此測量單一切片。
探測器8連接到計算單元18。計算單元18接收探測結(jié)果，即來自探測器8的探測器元件的讀數(shù)，并且在來自探測器8，即來自散射探測器行30和34以及用于測量扇束11的原輻射的衰減的行15的掃描結(jié)果的基礎(chǔ)上確定掃描結(jié)果。除此之外，計算單元18與電機控制單元17通信以便使機架1的運動與電機3和20或與傳送帶19相協(xié)調(diào)。
計算單元18適于從原輻射探測器，即探測器行15和散射輻射探測器，即行30和34的讀數(shù)來重建圖像。由計算單元18生成的圖像可以通過接口22輸出到顯示器(未在圖1中示出)。
此外，計算單元18適于在行30和34和15和32的讀數(shù)的基礎(chǔ)上探測行李物品7中的爆炸物。這可以通過由這些探測器行的讀數(shù)來重建散射函數(shù)、并且將它們與包括在先測量期間確定的爆炸物的特性測量值的表相比較而自動進行。如果計算單元18確定從探測器8讀出的測量值與爆炸物的特性測量值匹配，則計算單元18通過揚聲器21自動輸出警報。
圖2顯示了圖1中所示的CSCT掃描系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)的簡化示意圖。從圖2可以看出，x射線源4發(fā)出扇束11，使得它包括在該情況下具有直徑為u并且覆蓋整個探測器8的行李物品7。對象區(qū)域的直徑例如可以為100cm。在該情況下，扇束11的角α可以是80o。在這樣的布置中，從x射線源4到對象區(qū)域中心的距離v大約為80cm，探測器8的距離，即從x射線源4到單個探測器單元的距離大約為w＝150cm。
從圖2可以看出，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，探測器單元或行可以設(shè)置有準直器40以避免單元或行測量了具有不同散射角的無用輻射。準直器40具有葉片或薄片的形式，其可以朝著源聚焦。薄片的間距可以與探測器元件的間距無關(guān)地進行選擇。
代替如圖1和2中所示的彎曲探測器8，也可能使用平坦探測器陣列。
圖3顯示了用于圖1的計算機斷層攝影裝置中的探測器幾何結(jié)構(gòu)的另一示意圖。如已經(jīng)參考圖1所描述的，探測器8可以包括一個、兩個或以上的探測器行30和34以及用于測量行李物品7所導(dǎo)致的原扇束的衰減的多個行15。從圖3可以看出，優(yōu)選地，探測器8被布置成使得探測器8的中間行15處于扇束11的扇平面內(nèi)，并且由此測量原輻射的衰減。如箭頭42所指示的，x射線源4的輻射源和探測器8一起圍繞行李物品旋轉(zhuǎn)以從不同角度采集投影。
如圖3中所示，探測器8包括多個列t。
圖4顯示了用于進一步解釋本發(fā)明的圖1中所示的計算機斷層攝影裝置的幾何結(jié)構(gòu)的另一示意圖。在圖4中，探測器46被顯示成包括僅僅一行15和僅僅一行30。行15被布置在由準直器9形成的扇束11的扇平面內(nèi)。行15例如包括閃爍體單元或用于測量扇束11的原射束的衰減的其它合適的單元，并且允許整體測量由對象區(qū)域或檢查區(qū)中的關(guān)注對象導(dǎo)致的原扇束的衰減。
圖4中所示的行30可以包括能量分解單元或閃爍體單元。可以圖4可以看出，行30被布置成平行于扇束11的扇平面但是在該平面外。換句話說，行30被布置在平行于扇平面并且平行于行15的平面內(nèi)。扇平面也可以被稱為切片平面。
附圖標記44表示散射輻射，即由關(guān)注對象，例如行李物品散射的光子。從圖4可以看出，散射輻射離開切片平面并且撞擊到行30的探測器單元上。
圖5顯示了圖1的計算機斷層攝影裝置的探測器幾何結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。也可以設(shè)想圖5顯示了圖4的側(cè)視圖，然而其中代替僅僅提供一行30和一行15，在圖5中在行30和行15之間提供了多個探測器行32。探測器元件Di被布置成距離原扇束的切片平面具有固定距離。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，為列t的每個探測器元件Di和為每個投影Φ(參見圖3)來測量光譜I(E，t，Φ)。沿著圓形或螺旋掃描路徑執(zhí)行對于多個投影Φ的該測量，采集三維數(shù)據(jù)集。每個目標像素由三個坐標(x，y，q)描述。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，為了重建圖像或為了從三維數(shù)據(jù)集重建進一步的信息，應(yīng)用3D→3D重建方法，例如在DE 10252662.1中描述的一種方法，該專利被結(jié)合于此以作參考。
圖6顯示了用于解釋在關(guān)注對象中發(fā)生的散射事件的示意圖?？梢詮囊韵碌姆匠檀_定在探測器8處的強度II=∫EminEmaxI0(E)α(E)F2(q,E)β(E)dE]]>(方程3).
從方程3可以看出，在探測器8處的探測器信號I是各種能量的散射投影的疊加，其用強度I0(E)和取決于能量的衰減來加權(quán)。F是散射函數(shù)。衰減因數(shù)α(E)和β(E)描述了沿著從源到散射事件的位置和從散射事件的位置到探測器的路徑入射的輻射的衰減。
用于從基于多色輻射確定的投影數(shù)據(jù)重建圖像的簡單方法是計算光譜的平均能量，然后執(zhí)行“單色”重建。然而，如上所述，這會導(dǎo)致散射函數(shù)的模糊(smearing)，這取決于由原輻射的光譜特性導(dǎo)致的重建圖像中的波矢轉(zhuǎn)移。
根據(jù)將參考圖10和11進一步具體描述的本發(fā)明的典型實施方式，提供了方法，其中設(shè)計了多色特性和由此的原輻射的射束硬化，用于確定背投影路徑。這可以允許準多色重建。
圖7顯示了多行CSCT掃描器的典型實施方式的示意圖。該掃描器帶有探測器48，包括多行能量分解探測器元件，其可以與參考圖1所描述的元件相同。輻射源9帶有準直器，使得它產(chǎn)生x射線的扇束。探測器48和輻射源49的布置使得探測器48焦點居中。圖6中所示的視圖平行于掃描平面或切片平面，以便進一步闡明在x-y平面，即輻射源49和探測器48的旋轉(zhuǎn)平面之外的掃描過程。從圖6可以看出，輻射源49和探測器48之間的距離被表示為“SD”，源49和輻射中心47之間的距離被表示為S，散射中心和探測器48之間的距離被表示為d，接收輻射的探測器元件、掃描平面或切片平面之間的距離被表示為a，并且h表示探測器48的高度。
z坐標軸是輻射源49的旋轉(zhuǎn)平面的中心上的法線，即輻射源49的旋轉(zhuǎn)軸。y坐標處于輻射源的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)。
從圖7可以看出，為了下面的描述，考慮例如帶有多色x射線源49和探測器49的CSCT掃描器。所述探測器包括或由能量分解探測器元件組成，其類似于參考圖1所描述的元件。發(fā)射的x射線已被準直，使得扇束輻照位于圍繞輻射中心47的區(qū)域中的關(guān)注對象。
以下操作方法可以應(yīng)用于以上的掃描器，或參考圖1所述的掃描器，以用于重建CSCT數(shù)據(jù)，即用于從探測器8和48的讀數(shù)重建圖像。
步驟1在涉及x-y-z空間中的源軌跡的圓形采集期間測量數(shù)據(jù)。換句話說，當(dāng)輻射源4和49以及探測器8和48在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)圍繞關(guān)注對象旋轉(zhuǎn)時，從探測器8或48收集讀數(shù)。該讀數(shù)被稱為被測量數(shù)據(jù)或采集的CSCT數(shù)據(jù)。所測量的CSCT數(shù)據(jù)被解釋成x-y-q空間中的線積分，其中q代表波矢轉(zhuǎn)移。波矢轉(zhuǎn)移的計算將隨后進行描述。
步驟2所采集的CSCT數(shù)據(jù)被采用和外推，使得它對應(yīng)于沿著x-y-q空間中的螺旋軌跡的采集。
步驟3可以執(zhí)行進一步的步驟以便根據(jù)傳統(tǒng)的螺旋重建算法來預(yù)處理數(shù)據(jù)，所述螺旋重建算法例如為由Katsevich的“Analysis ofan exact inversion algorithm for spiral cone-beam CT”，Phys.Med.Biol.，vol.47，p.2583-2597，2002描述的精確重建技術(shù)，該文獻被結(jié)合于此以作參考。
步驟4然后，被采用和/或被外推的數(shù)據(jù)可以被背投影。該背投影可以沿著x-y-q空間中的曲線執(zhí)行。這些曲線例如可以是雙曲線。
將在下面更具體地描述尤其是步驟2中的該操作為了重建相干散射形狀因數(shù)F2(q)，CSCT利用相干散射x射線。用于相干散射x射線的微分橫截面dσRayleigh/dΩ由下式給出dσRalcighdΩ=12re2(1+cos2Θ)F2(q)]]>(方程4)其中re表示經(jīng)典電子半徑，Θ表示入射和散射x射線之間的角。導(dǎo)致光子偏差Θ角的波矢轉(zhuǎn)移q由下式定義
q=Ehcsin(Θ/2),]]>(方程5)其中相應(yīng)x射線光子的能量為E，普朗克常數(shù)為h，光速為c。為了在小角度下散射，例如在這里關(guān)注的角范圍在0至6o之間，sin(Θ/2)可以由Θ/2近似，方程(5)可以寫成q≈EhcΘ2·]]>(方程6)根據(jù)圖6，散射角由散射中心距探測器的距離d和接收散射輻射的探測器元件距掃描平面的距離a給出tanΘ≈Θ=ad·]]>(方程7)與方程(6)一起，這產(chǎn)生q=Ehca2d·]]>(方程8)x-y-q空間，方程(8)描述了雙曲線。這些雙曲線可以由直線近似。在若干種可能性中，例如，近似使得直線下方的面積匹配對應(yīng)的雙曲線的面積。在這里描述了另一近似。直線在關(guān)注區(qū)域的起點(dmax)和終點(dmin)處與雙曲線相交q=12hc[dmin+dmax-ddmin×dmax]aE.]]>(方程9)圖8顯示了這樣的雙曲線。詳細地，圖8顯示了由產(chǎn)生物8確定的背投影路徑。從圖8可以看出，對于每個平均能量，獲得新的路徑。
考慮掃描系統(tǒng)，例如圖1和圖6中所示的掃描系統(tǒng)，其中實際路徑可以被采用和外推，使得它對應(yīng)于沿著x-y-q空間中的螺旋軌跡的采集。通過使用John’s方程使在圓形軌跡上測量的數(shù)據(jù)外推到虛擬相鄰軌跡。John’s方程的思想是通過3D空間的線積分的空間是4D，因此從目標函數(shù)映射到其線積分函數(shù)產(chǎn)生了附加的維度，如S.K.Patch，“Consistency conditions upon 3D CT data and waveequation”，Phys.Med.Biol.47，2637-2650中所述。美國專利6173030(1999)，其被結(jié)合于此以作參考。
虛擬源位置 的線積分可以從q~=0]]>的源位置測量的線積分被外推。
這暗示了線積分空間中的冗余，其然后用于從已測數(shù)據(jù)中構(gòu)建未測數(shù)據(jù)，如S.K.Patch“Computation of unmeasured third-generation VCT views from measured views”，IEEETrans.Med.Img.MI-21，801-813中所述。美國專利6292526(1999)，其被結(jié)合于此以作參考。對于幾何參數(shù)集如下確定John’s方程的參數(shù)，如M.Defrise，F(xiàn).Noo，H.Kudo，“Improved 2D rebinning ofhelical cone-beam CT data using John’s equation”，Proc.2002IEEE Nuclear Science and Medical Imaging Symposium，Norfolk(VA)，Paper M10-74中所述，該文獻被結(jié)合于此以作參考R2guq~-2uga-(R2+u2)gua-Rgαa-uagaa=0]]>(方程10)其中R是從虛擬源位置到等中心的距離，u是從中心射線到扇形方向上暴露的探測器列的距離。線積分由g表示，線積分關(guān)于變量的導(dǎo)數(shù)由下標表示。從測量的線積分g中，可以根據(jù)下式外推虛擬源位置g的線積分 g(u,a,α,q~)=g(u,a,α,0)+Δq~gq~(u,a,α,0)]]>(方程11)所以，必須為 解出方程(10)。將方程(10)變換成guq~=2uR2ga+(R2+u2)R2gua+1Rgαa+uaR2gαa]]>(方程12)并且關(guān)于u的偏積分得到gq~=(R2+u2)R2ga+1R∫(gαa+uaRgaa)da,]]>(方程13)其為虛擬源位置 的線積分。
現(xiàn)在可以采用被采集和被外推的數(shù)據(jù)，使得它對應(yīng)于沿著x-y-q空間中的螺旋軌跡的采集。令 為從掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心到虛擬源的矢量。螺旋軌跡導(dǎo)致R→(α)=Rcosαsinαkα=Rcosαsinαq~,]]>(方程14)其中α表示相對于x軸的角度源位置。
在某個范圍內(nèi)，q∈[qmin，qmax]的每個值可以由以下線性方程表達q=q~+12hc[dmin+dmax-ddmin×dmax]aE,]]>(方程15)其實現(xiàn)了x-y-q空間中的螺旋軌跡的數(shù)據(jù)采集。通過該描述，能夠定義偏移α0作為螺旋數(shù)據(jù)采集的起始點，以便使用用于重建過程的冗余數(shù)據(jù)。這可以導(dǎo)致更好的圖像質(zhì)量。
上述步驟1-4，特別是步驟3，可以在參考圖1-5顯示和描述的CSCT掃描器中，在圖6所示的掃描器中和在圖13所示的數(shù)據(jù)處理設(shè)備中應(yīng)用和實現(xiàn)。
如上面已經(jīng)描述的，在通過材料的透射期間，x射線光譜變得更硬。因此，透射的x射線光譜的平均能量取決于原光譜和在關(guān)注對象中遇到的材料而不同。這導(dǎo)致當(dāng)在不同的平均能量基礎(chǔ)上沿著方程5中闡述的路徑執(zhí)行背投影時，獲得不同的背投影路徑。根據(jù)本發(fā)明業(yè)已發(fā)現(xiàn)，為了在重建期間預(yù)見該效果，必須獲得各個背投影路徑的平均能量。這可以如參考圖10和11描述的方法中所闡述的那樣做。
如上所述，散射輻射的路徑以及因此的因數(shù)β(E)取決于散射角。在下面假設(shè)散射輻射的衰減與直接透射的輻射的衰減相同。透射輻射的衰減，即原輻射的衰減，可以被確定成γ=II0]]>。該衰減可以由原輻射探測器15確定。該假設(shè)的應(yīng)用導(dǎo)致乘積α(E)×β(E)與路徑無關(guān)。
為了在已被測量的平均衰減γ=II0]]>的基礎(chǔ)上確定散射光子的平均能量的偏移，作出了與關(guān)注對象的材料有關(guān)的以下假設(shè)。例如，對于醫(yī)學(xué)應(yīng)用可以假設(shè)關(guān)注對象主要由水組成，即輻射主要通過水透射。例如，對于行李檢查領(lǐng)域中的應(yīng)用，可以使用例如由10％的鋁和90％的布組成的“平均材料”。
在下面，在平均衰減的基礎(chǔ)上執(zhí)行關(guān)于平均能量偏移的模擬。換句話說，確定平均能量向上偏移了多少。
例如，對于水，可以通過使用以下方程在平均衰減γ=II0]]>的基礎(chǔ)上確定等效的水厚度d=-In(γ)μ·μ]]>是滲透材料，即水或平均材料的平均衰減。
圖9顯示了一個表格，包括對于多個過濾的鎢光譜的能量與水和PMMA的厚度之間的近似線性相關(guān)性。例如，圖9的表格在第一行顯示了當(dāng)使用帶有150keV和1.5mm的鋁過濾器的x射線管時，由所述管發(fā)出的平均能量為63.3keV。假設(shè)等效水厚度為10cm，則能量偏移將為7.2keV。因此，可以在探測器8處確定的已進行射束硬化效應(yīng)校正和已進行衰減校正的平均能量為63.3keV+7.2keV＝70.5keV。
圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明的方法的典型實施方式的流程圖，所述方法可以在根據(jù)本發(fā)明的CT掃描器上或根據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理裝置上被執(zhí)行。
當(dāng)在步驟S1中開始之后，在步驟S2中執(zhí)行空氣掃描(airscan)?？諝鈷呙枋菦]有關(guān)注對象處于CT掃描器的檢查區(qū)中的掃描?？諝鈷呙栌糜诖_定I0。然后，在隨后的步驟S3中，在透射的輻射基礎(chǔ)上，即在原輻射探測器15的讀數(shù)的基礎(chǔ)上確定平均衰減γ=II0.]]>。換句話說，在原輻射的基礎(chǔ)上執(zhí)行平均衰減值的確定。
然后，在隨后的步驟S5中，在平均衰減的基礎(chǔ)上執(zhí)行等效水厚度的確定?？梢栽谝韵路匠痰幕A(chǔ)上確定該等效水厚度(或有機玻璃厚度(或平均材料的厚度)d=-ln(γ)μ.]]>然后，在隨后的步驟S6中，從等效水厚度中計算由材料導(dǎo)致的能量偏移。這例如可以通過參考預(yù)定表格，例如圖9中所示的表格進行。
然后，在隨后的步驟S7中，通過使用能量偏移來校正或補償散射輻射的初始平均能量。換句話說，在步驟S7中執(zhí)行衰減補償或射束硬化效應(yīng)補償。然后，在隨后的步驟S8中，通過使用被校正的能量測量執(zhí)行重建?？梢匝刂鲜龅谋惩队奥窂綀?zhí)行重建。換句話說，可以根據(jù)上述的步驟1-4執(zhí)行重建。然后，所述方法繼續(xù)步驟S9，在那里它結(jié)束。
圖11顯示了操作根據(jù)本發(fā)明的CT掃描系統(tǒng)或數(shù)據(jù)處理裝置的方法的另一典型實施方式的另一流程圖。與參考其中未執(zhí)行預(yù)備的CT重建的圖10描述的方法相比，在參考圖11描述的方法中，可以在實際重建之前執(zhí)行CT重建。有利地，這可以允許提高的吸收補償和/或提高的射束硬化效應(yīng)補償。
當(dāng)在步驟S10中開始之后，在步驟S11中執(zhí)行空氣掃描以用于確定I0。然后，在隨后的步驟S12中，執(zhí)行CT采集。換句話說，在步驟S12中，例如可以沿著螺旋軌跡執(zhí)行關(guān)注對象體積的數(shù)據(jù)采集。為此，可以使用扇束。有利地，通過使用這樣的布置，可以同時確定透射的以及散射輻射的投影數(shù)據(jù)。然而，在本發(fā)明的該典型實施方式的變型中，可以執(zhí)行預(yù)掃描，其中僅僅測量透射輻射，即僅僅收集原輻射探測器的讀數(shù)。然后，可以執(zhí)行第二掃描以用于確定散射輻射。
然后，在隨后的步驟S13中，從原輻射探測器的讀數(shù)，即從透射輻射數(shù)據(jù)中重建體積數(shù)據(jù)集，其中每個體素(voxel)包括包含在關(guān)注對象體積中的關(guān)注對象的吸收系數(shù)。然后，在隨后的步驟S14中，執(zhí)行吸收補償和/或射束硬化效應(yīng)的補償。在這里，通過考慮在散射光子通過關(guān)注對象的路徑上出現(xiàn)的關(guān)注對象的材料，在體積數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上確定散射光子的平均能量。這些材料可以與在步驟S13中確定的體積數(shù)據(jù)集相區(qū)別。例如，可以通過執(zhí)行合適的閾值運算來區(qū)分這些材料。
換句話說，由于對象的投影路徑對于散射光子、對于已知光譜是已知的，因此沿著該路徑的計算衰減。通過執(zhí)行合適的閾值運算，可以識別沿著各個光子的散射路徑的材料，并且可以考慮其吸收光譜。從產(chǎn)生的光譜中可以確定散射光子的平均能量。
然后，在隨后的步驟S15中，可以通過使用這些平均能量執(zhí)行重建。因此，在步驟S15中執(zhí)行的實際重建期間，其中為每個體素確定散射函數(shù)，在步驟S14中確定的平均能量用于方程5，因此可以取決于波矢轉(zhuǎn)移允許重建散射函數(shù)的提高的光譜分辨率。
此外，在步驟S13中確定的吸收值的基礎(chǔ)上，可以為各個投影路徑執(zhí)行吸收校正，這也可以允許圖像質(zhì)量提高。然后，所述方法繼續(xù)步驟S16，在那里它結(jié)束。
圖12顯示了用于進一步解釋參考圖11描述的方法的簡化示意圖。從圖12可以看出，由輻射源發(fā)出的輻射通過關(guān)注對象7透射，并且可以借助于包括行15的原輻射探測器進行測量。可以借助于散射輻射探測器30確定從關(guān)注對象7散射的散射輻射。
在預(yù)備步驟中，在探測器行15的、即原輻射探測器的讀數(shù)的基礎(chǔ)上執(zhí)行CT重建。由此，重建體積數(shù)據(jù)集。從體積數(shù)據(jù)集，可以確定散射輻射44在其通過關(guān)注對象7的路徑上遇到的材料?？梢钥紤]由這些材料導(dǎo)致的射束硬化效應(yīng)，并且也可以考慮由這些材料導(dǎo)致的吸收光譜，以校正由探測器行30實際測量的能量。
圖13顯示了用于執(zhí)行本發(fā)明的方法，例如參考圖10和11描述的方法的數(shù)據(jù)處理設(shè)備的典型實施方式。從圖9可以看出，中央處理單元(CPU)或圖像處理器1連接到用于存儲來自探測器的讀數(shù)或最終的重建數(shù)據(jù)的存儲器2。如先前所述，可以由如圖1和6中所示的CSCT掃描器采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理器1可以進一步連接到多個輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)或其它診斷設(shè)備。圖像處理器1此外連接到顯示器4(例如連接到計算機監(jiān)視器)，該顯示器用于顯示在圖像處理器1中計算或適配的信息或圖像。操作者可以通過鍵盤5和/或未在圖1中示出的其它輸入或輸出設(shè)備與數(shù)據(jù)處理器1交互。
上述的本發(fā)明例如可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中。然而，如上所述，本發(fā)明也可以應(yīng)用于非破壞性測試或行李檢查的領(lǐng)域中。有利地，例如為了區(qū)分具有相同衰減值的材料，本發(fā)明可以允許重建散射函數(shù)的非常良好的光譜分辨率。此外，可以實現(xiàn)提高的圖像質(zhì)量，特別是對于醫(yī)學(xué)應(yīng)用。本發(fā)明可以被應(yīng)用作為錐束CT系統(tǒng)的增加的功能。優(yōu)選地，本發(fā)明與非能量分解探測器結(jié)合使用。
權(quán)利要求
1.用于重建關(guān)注對象的相干散射計算機斷層攝影(CSCT)數(shù)據(jù)的方法，該方法包括以下步驟從通過關(guān)注對象透射的原輻射中采集關(guān)注對象的衰減數(shù)據(jù)；在采集的衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上執(zhí)行散射輻射數(shù)據(jù)的射束硬化補償；其中散射輻射數(shù)據(jù)基于從關(guān)注對象散射的散射輻射；和通過使用被補償?shù)纳⑸漭椛鋽?shù)據(jù)重建相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在基于等效對象確定的能量偏移的基礎(chǔ)上執(zhí)行射束硬化效應(yīng)的補償；其中由射束硬化效應(yīng)導(dǎo)致的隨著該等效對象發(fā)生的能量偏移是已知的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括以下步驟在衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定由關(guān)注對象導(dǎo)致的平均衰減；在平均衰減的基礎(chǔ)上確定預(yù)選擇的第一材料的等效厚度；在預(yù)選擇的第一材料的等效厚度的基礎(chǔ)上確定能量偏移；和通過使用能量偏移補償散射輻射數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括以下步驟重建包括關(guān)注對象的吸收系數(shù)的體積數(shù)據(jù)集；為散射輻射的散射光子確定輻射光譜；在輻射光譜的基礎(chǔ)上確定散射光子的平均能量；和通過使用所述平均能量執(zhí)行相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)的重建。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定位于關(guān)注對象中的散射輻射的散射光子路徑上的第二材料；其中第二材料的吸收光譜用于確定散射光子的平均能量；并且其中平均能量用于重建。
6.相干散射計算機斷層攝影裝置，該裝置包括帶有輻射源(4)、第一探測器(15)和第二探測器(30，34)的探測器組件(1，4，15，30，34)；其中所述探測器組件被布置成用于圍繞關(guān)注對象(7)旋轉(zhuǎn)；其中第一和第二探測器被布置成與輻射源相對；其中第一探測器被布置成用于從通過關(guān)注對象透射的原輻射中采集關(guān)注對象的衰減數(shù)據(jù)；其中第二探測器被布置成用于從由關(guān)注對象散射的散射輻射中采集關(guān)注對象的散射輻射數(shù)據(jù)；其中所述裝置在采集的衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上執(zhí)行散射輻射數(shù)據(jù)的射束硬化補償；并且其中所述裝置通過使用被補償?shù)纳⑸漭椛鋽?shù)據(jù)來執(zhí)行相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)的重建。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中在基于等效對象確定的能量偏移的基礎(chǔ)上執(zhí)行射束硬化效應(yīng)的補償，其射束硬化是已知的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中，在衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定位于關(guān)注對象中的散射輻射的散射光子路徑上的第二材料；其中第二材料的吸收光譜用于確定散射光子的平均能量；并且其中平均能量用于重建。
9.用于重建關(guān)注對象(7)的相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其中該設(shè)備包括用于存儲衰減數(shù)據(jù)和散射輻射數(shù)據(jù)的存儲器(52)；和適于執(zhí)行以下操作的數(shù)據(jù)處理器(51)從通過關(guān)注對象透射的原輻射中采集關(guān)注對象的衰減數(shù)據(jù)；在采集的衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上執(zhí)行散射輻射數(shù)據(jù)的射束硬化補償；其中散射輻射數(shù)據(jù)基于從關(guān)注對象散射的散射輻射；和通過使用被補償?shù)纳⑸漭椛鋽?shù)據(jù)重建相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)。
10.用于重建關(guān)注對象(7)的相干散射計算機斷層攝影數(shù)據(jù)的計算機程序，其中，當(dāng)該計算機程序在數(shù)據(jù)處理器和相干散射計算機斷層攝影裝置其中之一上運行時，執(zhí)行以下操作從通過關(guān)注對象透射的原輻射中采集關(guān)注對象的衰減數(shù)據(jù)；在采集的衰減數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上執(zhí)行散射輻射數(shù)據(jù)的射束硬化補償；其中散射輻射數(shù)據(jù)基于從關(guān)注對象散射的散射輻射；和通過使用被補償?shù)纳⑸漭椛鋽?shù)據(jù)重建相干散射的計算機斷層攝影數(shù)據(jù)。
全文摘要
在CSCT中，每個體素的散射函數(shù)的精確重建對于多色原輻射是未知的。根據(jù)本發(fā)明的典型實施方式，在重建之前執(zhí)行射束硬化補償以允許在被確定的原輻射平均衰減值的基礎(chǔ)上執(zhí)行半精確重建，由此導(dǎo)出等效水厚度。從等效水厚度計算能量偏移，該能量平移用于校正散射輻射的初始平均能量。此外，可以在CSCT重建之前執(zhí)行CT重建以允許射束硬化校正。有利地，這可以允許提高圖像質(zhì)量和提高散射輻射的分辨率。
文檔編號G01V5/00GK1934590SQ200580008751
公開日2007年3月21日 申請日期2005年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月17日
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