專利名稱：用于確定探測單元的探測器能量加權(quán)函數(shù)的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定探測單元的探測器能量加權(quán)函數(shù)的設(shè)備和方 法。本發(fā)明還涉及一種使用所確定的探測器能量加權(quán)函數(shù)的成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
例如，從R.E.Alvarez和A.Macovski在Phys.Med.Biol. 21 (5)、 733頁 (1996)上發(fā)表的文章知曉，通過使用探測器能量加權(quán)函數(shù)而使得撞擊在 探測單元上的輻射譜與所測得的探測信號有關(guān)。這一關(guān)系例如可以表達為 如下方程
MwJ必./(￡).￡>(￡)， (1) 其中，M表示測得的探測信號，c表示已知的比例常數(shù)，X巧表示探測器能 量加權(quán)函數(shù)，而D(E)表示撞擊在探測單元上的輻射譜。測得的探測信號是 己知的，而將探測器能量加權(quán)函數(shù)通常定義為理想探測器的探測器能量加 權(quán)函數(shù)。這樣，由于測得的探測器信號和理想探測器的探測器能量加權(quán)函 數(shù)(即理想的探測器能量加權(quán)函數(shù))是已知的，因而可以使用方程(1)來 通過檢查撞擊在探測單元上的輻射譜而對受檢査對象的材料性質(zhì)進行重新 計算。
但是，事實上，不存在理想的探測單元。上述方法并未考慮進行信號 處理的探測器物理效應(yīng)，例如探測單元的像素之間的電荷分享或串擾。然 而，這導致對測得的探測信號的錯誤判讀。例如，在光子計數(shù)多閾值CZT 像素探測器的特定情況下，大量物理效應(yīng)產(chǎn)生對光子的錯誤分類。具體而 言，串擾效應(yīng)可以將總能量中的一部分散布至相鄰像素(電荷分享或K熒 光)，這導致例如兩個像素中的兩個光子計數(shù)，而不是一個像素中的一個光 子計數(shù)，兩個光子計數(shù)具有的能量低于原始光子的能量。此外，光子能量 中的一部分可能通過熒光或散射過程而泄漏，從而產(chǎn)生對光子能量的低估。 同樣，可能將探測到的兩個同時入射的光子作為一個光子("堆積"效應(yīng)，能量的過估計)。此外，電荷探測的統(tǒng)計效應(yīng)產(chǎn)生能量展寬。例如，在V.B. Cajipe、 R. Calderwood、 M Clajus、 B. Grattan、 S. Hayakawa、 R. Jayaraman、 T.O. Turner和O.Yossifor于2004年10月18-22日在意大利羅馬的第14屆 關(guān)于室溫半導體X射線和伽馬射線探測器的國際專題學術(shù)討論會上的 "Multi-Energy X-ray Imaging with Linear CZT Pixel Arrays and Integrated Electronics"中公開了一種光子計數(shù)多閾值CZT探測器。
實際探測器的這些效應(yīng)修改了測得的探測信號，從而使得如果通過使 用理想探測器能量加權(quán)函數(shù)來重新計算撞擊在探測單元上的輻射譜，則所 確定的撞擊在探測單元上的輻射譜不同于實際的撞擊在探測單元上的輻射 譜。此外，如果使用所確定的這一輻射譜來重建感興趣區(qū)域的圖像，例如， 在探測單元是計算機斷層攝影(CT)系統(tǒng)的探測器時，重建的圖像包括由 所確定的受到破壞的輻射譜引起的偽影。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于確定探測單元的探測器能量加權(quán)函數(shù)的 設(shè)備和方法，其考慮了像電荷分享或串擾這樣的探測器效應(yīng)，具體而言是 允許以提高的質(zhì)量確定撞擊在探測單元上的輻射譜。
在本發(fā)明的第一方面，提出一種用于確定探測單元的探測器能量加權(quán) 函數(shù)的設(shè)備，其中，該設(shè)備包括
-確定單元，其用于確定探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)，
-計算單元，其用于通過對探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想探測 器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分而確定探測器能量加權(quán)函數(shù)。
本發(fā)明基于這樣的想法，即，所確定的譜響應(yīng)函數(shù)包含關(guān)于探測單元 的效應(yīng)的信息，具體而言是關(guān)于上述像電荷分享和串擾這樣的物理效應(yīng)的 信息，因此，對所確定的探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想探測器能量 加權(quán)函數(shù)的乘積的積分產(chǎn)生考慮了這些效應(yīng)的探測器能量加權(quán)函數(shù)，即根 據(jù)本發(fā)明所確定的探測器能量加權(quán)函數(shù)是實際的探測器能量加權(quán)函數(shù)。
優(yōu)選的是，確定單元包括能夠利用具有可調(diào)整波長的單色輻射照射探 測單元的輻射源，確定單元適于利用輻射源的不同波長的單色輻射相繼照 射探測單元，確定單元適于通過在利用不同波長的單色輻射相繼照射探測單元的同時探測所述探測單元的探測信號而確定譜響應(yīng)函數(shù)。由于這樣做 所確定的譜響應(yīng)函數(shù)包含具有高可靠性的探測單元的上述效應(yīng)，因此通過 使用該譜響應(yīng)函數(shù)計算得到的探測器能量加權(quán)函數(shù)的質(zhì)量得到提高。
同樣優(yōu)選地是，確定單元適于通過模擬在利用不同波長的單色輻射相 繼照射探測單元時將探測到的探測單元的探測信號而確定譜響應(yīng)函數(shù)。該 模擬考慮了探測單元像實際情況下的電荷分享或串擾這樣的物理和電子效 應(yīng)。因此該模擬允許在無需單色輻射的情況下確定譜響應(yīng)函數(shù)。而且，可 以將該模擬與上述實驗確定的譜響應(yīng)函數(shù)，即與利用不同波長的單色輻射 相繼照射探測器單元并且探測對應(yīng)的探測信號一起使用，以便進一步提高 譜響應(yīng)函數(shù)的質(zhì)量，因而進一步提高計算得到的探測器能量加權(quán)函數(shù)的質(zhì)
量o
在一個實施例中，探測單元適于為多個能量箱(energybin)提供能量 分辨的探測信號，該設(shè)備適于為每個能量箱確定探測器能量加權(quán)函數(shù)，該 計算單元適于通過對探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)與相應(yīng)能量箱的給定的理想探 測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分而確定能量箱的探測器能量加權(quán)函數(shù)。 優(yōu)選的是，計算單元適于使得能量箱的給定的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)， 對于相應(yīng)能量箱內(nèi)的能量為一，而對于相應(yīng)能量箱外的能量為零。由于為 每個能量箱在考慮了相應(yīng)能量箱的所述效應(yīng)后確定出探測器能量加權(quán)函 數(shù)，因此所確定的探測器能量加權(quán)函數(shù)考慮了每個相應(yīng)能量箱的效應(yīng)，這 進一步提高所確定的探測器能量加權(quán)函數(shù)的質(zhì)量。
本發(fā)明的又一目的是提供一種用于對感興趣區(qū)域進行成像的成像系 統(tǒng)，其考慮了探測單元像電荷分享或串擾這樣的效應(yīng)，以便提高感興趣區(qū) 域的重建圖像的質(zhì)量。
在本發(fā)明的一個方面，給出了一種用于對感興趣區(qū)域進行成像的成像 系統(tǒng)，其中，所述成像系統(tǒng)包括-
-輻射和探測單元，其包括用于發(fā)射輻射的輻射單元以及用于探測透 過感興趣區(qū)域之后的輻射的探測單元，所述輻射和探測單元適于產(chǎn)生多個 能量相關(guān)的探測信號，所述探測信號包括不同的分量，所述成像系統(tǒng)提供 探測器能量加權(quán)函數(shù)，通過確定探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)并且通過對探測單 元的譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分，而確定所述探測器能量加權(quán)函數(shù)，-計算單元，其用于通過利用關(guān)于探測信號的模型，對關(guān)于多個能量相關(guān)的探測信號的方程組進行求解，從而確定至少一個衰減分量，所述模 型將探測信號描述為探測器能量加權(quán)函數(shù)的組合和用對應(yīng)的衰減分量對探 測信號作出貢獻的不同衰減特性的組合，-重建單元，其用于根據(jù)所確定的至少一個衰減分量重建感興趣區(qū)域 的圖像。由于計算單元所使用的探測器能量加權(quán)函數(shù)考慮了探測單元像電荷分 享或串擾這樣的效應(yīng)，因而確定出的至少一個衰減分量具有高質(zhì)量，并且， 由于重建單元使用該至少一個高質(zhì)量的衰減分量進行感興趣區(qū)域的圖像重 建，因此重建圖像具有高質(zhì)量，S卩，具體而言探測單元像電荷分享或串擾 這樣的效應(yīng)所引起的偽影得以減少，或者不再存在。在一個實施例中，輻射單元是用于發(fā)射多色輻射的多色輻射源，并且 探測單元是用于探測透過感興趣區(qū)域之后的輻射并且用于通過為多個能量 箱提供多個能量分辨的探測信號而提供能量相關(guān)的探測信號的能量分辨探 測器，所述成像系統(tǒng)為每個能量箱提供探測器能量加權(quán)函數(shù)，通過確定探 測單元的譜響應(yīng)函數(shù)并且通過對探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)與相應(yīng)能量箱的給 定的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分而確定能量箱的探測器能量 加權(quán)函數(shù)進而確定能量箱的探測器能量加權(quán)函數(shù)。由于為每個能量箱確定 出探測器能量加權(quán)函數(shù)，因此相應(yīng)探測器能量加權(quán)函數(shù)考慮了探測器單元 的每個能量箱的效應(yīng)，這進一步提高了使用探測器能量加權(quán)函數(shù)所計算得 到的至少一個衰減分量的質(zhì)量，因而，進一步提高重建圖像的質(zhì)量。進一步優(yōu)選的是，輻射單元是用于發(fā)射多色輻射的多色輻射源，其中， 多色輻射源的譜是可以改變的(例如，管電壓切換或切換的濾波)，其中， 輻射和探測單元適于通過利用不同譜的多色輻射照射感興趣區(qū)域并且通過 探測透過感興趣區(qū)域之后的具有所述不詞譜的多色輻射的輻射而提供能量 相關(guān)的探測信號。具有可以改變譜的多色輻射從而通過利用不同譜的多色 輻射照射感興趣區(qū)域來提供能量相關(guān)的探測信號的輻射單元，允許在無需 能量分辨探測單元的情況下提供能量相關(guān)的探測信號。這允許使用標準的 非能量分辨探測單元。在該情況下，優(yōu)選通過模擬確定譜響應(yīng)函數(shù)，以便使用該譜響應(yīng)函數(shù)確定根據(jù)本發(fā)明的探測器能量加權(quán)函數(shù)。衰減分量優(yōu)選是K邊緣分量、光電分量和康普頓分量。因而，優(yōu)選將 探測信號建模為感興趣區(qū)域中的對象或物質(zhì)的K邊緣效應(yīng)、光電效應(yīng)和康 普頓效應(yīng)的組合和探測器能量加權(quán)函數(shù)的組合。因此，計算單元優(yōu)選地能 夠確定K邊緣分量、光電分量和康普頓分量?？梢允褂眠@些分量中的每一 個來重建感興趣區(qū)域的圖像。優(yōu)選的是，使用K邊緣分量重建感興趣區(qū)域 的圖像。這允許僅重建感興趣區(qū)域中的對象或物質(zhì)(例如造影劑)的K邊 緣分量，而不受像光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)這樣的其他效應(yīng)擾亂。進一步優(yōu)選的是，在感興趣區(qū)域中，存在具有不同譜吸收的若干種材 料，其中，可以將探測信號描述為探測器能量加權(quán)函數(shù)的組合以及與若干種材料的不同譜吸收有關(guān)的衰減效應(yīng)的組合，并且其中，該衰減效應(yīng)以對 應(yīng)的衰減分量對探測信號作出貢獻。這些若干種材料例如是患者的骨骼和 軟組織，并且可能是造影劑。由于在該優(yōu)選實施例中，由第一材料、例如 由骨骼產(chǎn)生的衰減分量可以與第二材料、例如與造影劑引起的衰減分量區(qū) 分開，因此該實施例允許通過僅使用探測信號的相應(yīng)衰減分量而重建僅示 出造影劑的圖像和重建僅示出骨骼的另一圖像。成像系統(tǒng)優(yōu)選是譜計算機斷層攝影系統(tǒng)。使用根據(jù)本發(fā)明的譜計算機 斷層攝影系統(tǒng)允許通過已知的計算機斷層攝影重建方法、例如濾波反投影 而確定對應(yīng)于至少一個衰減分量的圖像。在本發(fā)明的又一方面，給出一種用于確定探測器能量加權(quán)函數(shù)的方法， 其中，該方法包括下列步驟-由確定單元確定探測器單元的譜響應(yīng)函數(shù)，-由計算單元通過對探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想探測器能量 加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分而確定探測器能量加權(quán)函數(shù)。在本發(fā)明的又一方面，給出一種用于對感興趣區(qū)域進行成像的成像方 法，其中，該成像方法包括下列步驟-由輻射和探測單元的輻射單元發(fā)射輻射，并且由輻射和探測單元的 探測單元探測透過感興趣區(qū)域之后的輻射，由輻射和探測單元產(chǎn)生多個能 量相關(guān)的探測信號，所述探測信號包括不同分量，所述成像系統(tǒng)提供探測 器能量加權(quán)函數(shù)，通過確定探測器單元的譜響應(yīng)函數(shù)以及通過對探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分，而確定 探測器能量加權(quán)函數(shù)，-通過由計算單元利用關(guān)于所述探測信號的模型，對關(guān)于所述多個能 量相關(guān)的探測信號的方程組進行求解，從而確定至少一個衰減分量，所述 模型將探測信號描述為所述探測器能量加權(quán)函數(shù)的組合和用相應(yīng)的衰減分 量對所述探測信號作出貢獻的不同衰減特性的組合，-由重建單元根據(jù)所確定的至少一個衰減分量重建感興趣區(qū)域的圖在本發(fā)明的又一方面，給出一種用于確定探測單元的探測器能量加權(quán) 函數(shù)的計算機程序，其包括程序代碼模塊，所述程序代碼模塊用于當在控 制根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備的計算機上運行所述計算機程序時使計算機執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法的步驟。在本發(fā)明的又一方面，給出一種用于對感興趣區(qū)域進行成像的計算機 程序，其包括程序代碼模塊，所述程序代碼模塊用于當在控制根據(jù)權(quán)利要 求6所述的設(shè)備的計算機上計算機程序運行時使得計算機實施根據(jù)權(quán)利要 求10所述的方法的步驟。應(yīng)當理解的是，權(quán)利要求1所述的用于確定探測器單元的探測器能量 加權(quán)函數(shù)的設(shè)備、權(quán)利要求6所述的用于對感興趣區(qū)域進行成像的成像系 統(tǒng)、權(quán)利要求9所述的用于確定探測單元的探測器能量加權(quán)函數(shù)的方法、 權(quán)利要求10所述的用于對感興趣區(qū)域進行成像的成像方法、權(quán)利要求11 所述的用于確定探測單元的探測器能量加權(quán)函數(shù)的計算機程序，以及權(quán)利 要求12所述的用于對感興趣區(qū)域進行成像的計算機程序，具有如從屬權(quán)利 要求中所定義的相似或/和相同的優(yōu)選實施例。


本發(fā)明的這些和其他方面將從下文所述的實施例中變得明顯，并且將參考所述實施例對其進行闡述。在附圖中圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的成像系統(tǒng)的表示；圖2示意性地示出了說明根據(jù)本發(fā)明的用于對感興趣區(qū)域進行成像的方法的流程圖；圖3示意性地示出了多色X射線源的(經(jīng)濾波的)譜(經(jīng)濾波的軔致 輻射譜)；
圖4示意性地示出了通常情況下光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)的衰減系數(shù)以 及感興趣區(qū)域內(nèi)兩種材料的衰減系數(shù)的能量性態(tài)(譜)；
圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明用于確定探測器能量加權(quán)函數(shù)的設(shè)備；
圖6示意性地示出了說明根據(jù)本發(fā)明的用于確定探測單元的探測器能 量加權(quán)函數(shù)的方法的流程圖7示意性地示出了譜響應(yīng)函數(shù)；
圖8示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)和探測器 能量加權(quán)函數(shù)。
具體實施例方式
圖1中所示的成像系統(tǒng)是譜計算機斷層攝影系統(tǒng)(CT系統(tǒng))。CT系統(tǒng) 包括掃描架l，其能夠圍繞平行于z方向延伸的旋轉(zhuǎn)軸R進行旋轉(zhuǎn)。多色 輻射源2在本實施例中是發(fā)射多色X射線福射的X射線管，將其安裝在掃 描架1上。X射線源2提供準直器和濾波裝置3，其在本實施例中將X射 線管2產(chǎn)生的輻射形成錐形輻射束4。輻射穿過位于檢查區(qū)5中感興趣區(qū)域 中的對象(未示出)，例如患者，所述檢査區(qū)在本實施例中為圓柱形。在已 經(jīng)穿過檢査區(qū)5之后，X射線束4入射到能量分辨探測單元6上，所述探 測單元在本實施例中包括二維探測表面。將能量分辨探測單元6安置在掃 描架1上。X射線源2和能量分辨探測單元6形成用于產(chǎn)生多個能量相關(guān) 的探測信號的輻射和探測單元。
成像系統(tǒng)包括具有兩個電動機7、 8的驅(qū)動裝置。掃描架1由電動機7 以優(yōu)選為恒定但可調(diào)整的角速度驅(qū)動。將電動機8設(shè)置成移動例如患者的 對象的位置，將所述對象布置在檢査區(qū)5中平行于旋轉(zhuǎn)軸R或z軸的方向 的掃描床上。這些電動機7、 8由控制單元9控制，例如使得輻射源2和檢 查區(qū)沿著螺旋軌跡(螺旋CT)相對彼此移動。然而，同樣可能的是，對象 或檢查區(qū)5不移動，而僅是旋轉(zhuǎn)X射線源2， g卩，輻射源相對于對象沿著 環(huán)形軌跡移動。此外，在其他實施例中，準直器和濾波裝置3可以適于形 成扇束，而能量分辨探測單元6還可以是一維探測器。例如，能量分辨探測單元根據(jù)對入射光子進行計數(shù)的原則進行工作，
并且輸出表示特定能量區(qū)域(窗口、箱)內(nèi)光子數(shù)量的信號。例如，在Llopart， X.等人的"Fisrt test measurements of a 64k pixel readout chip working in a single photon counting mode"(Nucl. Inst.和Meth. A 509( 1-3): 157-163,2003) 以及Llopart， X.等人的"Medipix2: A 64~k pixel readout chip with 55 ti m square elements working in a single photon counting mode" (IEEE Trans. Nucl. Sci. 49 (5): 2279-2283， 2002)中描述了這樣的能量分辨探測單元。優(yōu)選 地，能量分辨探測單元適于提供用于至少兩個不同能量箱的至少兩個能量 分辨的探測信號，從而允許重建例如光子效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和/或邊緣圖像。 然而，有利的是，具有更高的能量分辨率，以便于增強CT成像系統(tǒng)的靈 敏度和噪聲魯棒性。
將探測單元6采集的數(shù)據(jù)提供至用于生成感興趣區(qū)域的圖像的圖像生 成裝置10。圖像生成裝置10包括用于確定至少一個衰減分量的計算單元 12，以及使用所確定出的至少一個衰減分量重建感興趣區(qū)域的圖像的重建 單元13。
最終，可以將重建的圖像提供至用于顯示所述圖像的顯示器11。同樣， 所述圖像生成裝置優(yōu)選由控制單元9控制。
下文中，將參照圖2更詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的用于對感興趣區(qū)域進 行成像的成像方法的實施例。
在步驟101中，X射線源2圍繞旋轉(zhuǎn)軸R或z方向旋轉(zhuǎn)，而不移動對 象，即X射線源2圍繞對象沿著環(huán)形軌跡行進。在其他實施例中，X射線 源相對于對象可以沿著另一軌跡，例如沿著螺旋軌跡移動。X射線源2發(fā) 射多色X射線輻射，所述輻射穿過感興趣區(qū)域內(nèi)的對象。對象例如是患者 的人類心臟，其中已經(jīng)預(yù)先注射了造影劑，例如基于碘或釓的造影劑。由 探測單元6探測已經(jīng)透過對象及對象內(nèi)物質(zhì)的X射線輻射，所述探測單元 6生成探測信號。與X射線源2和探測單元6相對于對象的相同位置相對 應(yīng)的且已經(jīng)同時采集的探測信號形成投影。
將所采集的探測信號輸入至圖像生成裝置10的計算單元12。在步驟 102中，計算單元12確定探測信號的至少一個衰減分量。
探測信號包含與對象的不同衰減特性有關(guān)的不同衰減分量的信息。對象的這些不同衰減特性例如是由像光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或K邊緣效應(yīng)這樣的不同衰減效應(yīng)和/或由感興趣區(qū)域內(nèi)不同材料的不同吸收特性所引起。因此，衰減分量例如是K邊緣分量、光電分量和康普頓分量。而且，如果在感興趣區(qū)域內(nèi)存在不同種類的材料，例如，具有不同譜吸收特征的材料，如軟組織和骨骼，則衰減分量描述出存在于感興趣區(qū)域內(nèi)的不同種類材料的衰減，例如，由軟組織、骨骼引起的衰減，以及還可能是造影劑引起的衰減。在后者的情況中，可以將所述探測信號描述為軟組織分量、骨骼分量和造影劑分量的組合。 一般地，可以將所述探測信號描述為存在于感興趣區(qū)域內(nèi)的不同材料的衰減分量集合(同樣已知為衰減系數(shù)的基函數(shù))的組合。
給計算單元12的輸入是用于多個(在本實施例中最小四個)能量箱6,的能量分辨的探測信號M,。每個能量箱6,具有探測器能量加權(quán)函數(shù)，所述探測器能量加權(quán)函數(shù)有時也稱為譜靈敏度。將探測器能量加權(quán)函數(shù)乂(^)存儲在計算單元12中，并且已經(jīng)由用于確定探測器單元的探測器能量
加權(quán)函數(shù)的設(shè)備提供所述y;(^)，其將在下文進一步描述。能量分辨的探測
信號M可以建模為如下方程五
五' (2)
例如，不用體模而根據(jù)校準測量就能知到第/個能量箱的比例常數(shù)c,.。
五 和五/分別是能量的上下閾值，這限制了撞擊在探測單元上的輻射譜。
術(shù)語Z)(勾表示撞擊在探測單元6上的輻射譜，其可以描述如下方程<formula>formula see original document page 14</formula>
其中，D。(巧表示多色X射線管2的發(fā)射譜，4= >&表示沿著由參數(shù)s描述的投影線的衰減分量j的累積質(zhì)量密度，A("表示對應(yīng)于衰減分量j的能量相關(guān)的衰減系數(shù)，而^^表示衰減分量的數(shù)量。衰減系數(shù)^(￡)例如是光電效應(yīng)的衰減系數(shù)、康普頓效應(yīng)的衰減系數(shù)以及示出K邊緣的感興趣區(qū)域內(nèi)的不同材料的衰減系數(shù)。
方程(2)和(3)的組合產(chǎn)生出用于能量分辨的探測信號M的如下方<formula>formula see original document page 15</formula>
多色X射線管2的發(fā)射譜D。(巧通常己知(例如，通過模擬)或者可以預(yù)先測得。圖3中示意性地示出了多色X射線管的這種發(fā)射譜A^(5)的實例。在本實施例中都是衰減系數(shù)的光電效應(yīng)P(E)、康普頓效應(yīng)C(E)、第一材料的K邊緣效應(yīng)K,(E)以及第二材料的K邊緣效應(yīng)&(曰也是已知的并且被示范性地在圖4中示出。
探測單元6適于包括至少與衰減分量的數(shù)量一樣多的能量箱6,.，即本實施例中探測單元6提供至少四個能量箱VA的探測信號。 一般地，探測單元6包括至少^個能量箱，其中A^》2 。根據(jù)方程(4)，形成具有至少iVs
個非線性方程的方程組，其中具有作為衰減分量的累積質(zhì)量密度A的WB個未知數(shù)，在下文中將所述累積質(zhì)量密度^表示為密度長度乘積?？梢杂捎嬎銌卧?2采用己知的數(shù)值方法對這一方程組進行求解。如果可以獲得多于四個的能量箱，則優(yōu)選使用考慮了測量的噪聲統(tǒng)計的最大似然方法。 一般地，與衰減分量的數(shù)量一樣多的能量箱，即本實施例中的四個能量箱，是足夠的。然而，為了增加靈敏度和噪聲魯棒性，優(yōu)選獲得更多能量箱的更多探測信號。
每個能量箱包括另一探測器能量加權(quán)函數(shù),(^)。將所確定的衰減分量，即所確定的密度長度乘積，傳送至重建單元13。由于X射線源2相對于感興趣區(qū)域移動，探測信號，因而所確定的密度長度乘積對應(yīng)于從不同角度方向上已經(jīng)穿過感興趣區(qū)域的X射線u因而，通過使用已知的CT重建方法，例如使用對密度長度乘積之一的濾波反投影，可以重建不同衰減分量的質(zhì)量密度巧的圖像。例如，如果僅使用表示感興趣區(qū)域內(nèi)具有K邊緣的第一材料的分量的密度長度乘積A^皿，則僅重建感興趣區(qū)域內(nèi)第一材料的圖像，而不受其他衰減分量的影響。此外，通過分別僅使用其他密度長度乘積」光電、^康普頓或4c2-邊緣中的一個，可以重建感興趣區(qū)域內(nèi)第二材料的作為光電分量的質(zhì)量密度的>^*的圖像、作為康普頓分量的質(zhì)量密度的 普頓的圖像或者根據(jù)作為K邊緣分量的質(zhì)量密度的P^邊緣的圖像，其中生成的各幅圖像僅示出了己經(jīng)對各個效應(yīng)，即感興趣區(qū)域內(nèi)第二材料的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或K邊緣效應(yīng)作出貢獻的感興趣區(qū)域的各部分。
下文，將描述根據(jù)本發(fā)明的用于確定探測單元的探測器能量加權(quán)函數(shù) 的設(shè)備及對應(yīng)的方法。
圖5示意性地示出了用于確定探測單元的探測器能量加權(quán)函數(shù)的設(shè)備 20。設(shè)備20包括用于確定探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)的確定單元21和用于通 過對探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行 積分而確定探測器能量加權(quán)函數(shù)的計算單元22。
設(shè)備20執(zhí)行用于確定探測器單元的探測器能量加權(quán)函數(shù)的方法，將在 下文參考圖6中所示的流程圖更詳細地描述所述方法。
在步驟301中，確定單元21確定探測單元6的譜響應(yīng)函數(shù)。 為了確定譜響應(yīng)函數(shù)，確定單元21包括輻射源23，其能夠以具有可調(diào) 整波長的單色輻射照射探測單元6。輻射源23包括例如同步輻射源和像晶 格這樣的光柵，以提供單色輻射并且改變單色輻射的波長。確定單元21適 于使得以輻射源的不同波長的單色輻射相繼照射探測單元6， g卩，由輻射源 的不同波長的單色輻射逐一地照射探測單元6。而且，確定單元21連接至 探測單元6，并且從探測單元6接收探測信號，同時，使用不同波長的單色 輻射相繼照射探測單元6。因而，對于每個波長，確定單元21接收用于多 個能量箱6,和探測器像素(尤其相鄰)的探測信號M,。在由不同波長已經(jīng) 相繼照射探測單元的同時已經(jīng)探測得的探測信號，形成探測單元6的譜響 應(yīng)函數(shù)，其中優(yōu)選通過撞擊在探測器單元6上的單色輻射的強度來標準化 所述譜響應(yīng)函數(shù)。
在另一實施例中，所述確定單元適于通過模擬在使用不同波長的單色 輻射相繼照射所述探測單元時將探測得的探測單元的探測信號而確定譜響 應(yīng)函數(shù)。這種模擬考慮了探測單元6的已知物理和/或電子效應(yīng)，例如電荷 分享和串擾，并且例如公開在A. Zumbiehl等人的"Modelling and 3D optimisation of CdTe pixels detector array geometry - Extension to small pixels"中(Nucl.Instr. andMeth.A469 (2001) 227-239)。
如果使用模擬以確定探測單元6的譜響應(yīng)函數(shù)，則譜響應(yīng)函數(shù)對應(yīng)于 在將某一波長的單色輻射模擬成撞擊在探測單元6上時所模擬的多個能量 箱的探測信號。所確定的譜響應(yīng)函數(shù)具有下列特性。如果將某一波長的單色輻射輸入
至探測單元6，則多個能量箱的探測信號是探測單元6的譜響應(yīng)函數(shù)的輸 出。
圖7示意性地示出了具有100 keV入射能量的X射線光子的譜響應(yīng)函 數(shù)。在水平軸上，示出了具有l(wèi) keV的能量寬度的能量箱。在垂直軸上， 示出了各個能量箱中的發(fā)生概率。發(fā)生概率由入射光子的數(shù)量進行標準化。
如果探測單元是理想的探測單元，則標準化后的發(fā)生概率將在100keV 是l.O，而對其他能量箱是0。但是，實際上，如圖7中所見，由于探測器 效應(yīng)，譜響應(yīng)函數(shù)還示出了在能量區(qū)域A和B內(nèi)的不希望的光子。這些變 化例如由K熒光或串擾引起。在能量區(qū)域A中，記錄那些源自感興趣像素 外側(cè)(在鄰域中)的光子吸收事件的K熒光光子。在區(qū)域B中，最初的100 keV光子由于K熒光而損失一部分的能量，同時剩下的部分未被記錄在感 興趣的相同像素中。這些物理效應(yīng)和像"堆積"效應(yīng)或統(tǒng)計效應(yīng)這樣的其 他物理效應(yīng)存在于實際的探測單元6中，從而形成譜響應(yīng)函數(shù)。
在又一實施例中，確定單元21可以適于組合譜響應(yīng)函數(shù)的實驗確定和 通過模擬對譜響應(yīng)函數(shù)的理論確定，以提高所確定的譜響應(yīng)函數(shù)的質(zhì)量。 例如通過僅測量分布在預(yù)定能量范圍上的少數(shù)幾個波長、例如十個波長的 譜響應(yīng)函數(shù)，并且通過模擬所述少數(shù)幾個波長之間的譜響應(yīng)函數(shù)值從而在 所述少數(shù)幾個波長上，所模擬的譜響應(yīng)值符合測得的譜響應(yīng)值而實現(xiàn)上述 過程。
在步驟302，計算單元22通過對探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想 探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分，優(yōu)選根據(jù)如下方程而確定所述探測 器能量加權(quán)函數(shù)
<formula>formula see original document page 17</formula>
其中，//d(F)是理想探測單元的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)，并且其中，
/雙是譜響應(yīng)函數(shù)，即在入射光子的單色能量為￡'時由探測單元6測 量的譜。
如果在其他實施例中探測單元僅包括一個能量箱，則可以通過改變撞 擊在感興趣區(qū)域上的譜，例如通過改變X射線管(管電壓開關(guān))的發(fā)射譜，或者通過使用濾波器，而實現(xiàn)能量相關(guān)的探測信號。如果改變撞擊在感興 趣區(qū)域上的輻射譜，則可以使用非能量分辨的普通探測單元來探測能量相 關(guān)的探測信號M。在該情況下，將方程(4)變成下列方程
「 、
(6)
每個探測信號M對應(yīng)于撞擊在感興趣區(qū)域上的譜D。,(E)。因而，方程 (6)描述的方程組可以用于在存在至少與未知密度長度乘積的數(shù)量，即與 衰減分量一樣多的撞擊在感興趣區(qū)域上的不同譜時，確定不同衰減 分量的密度長度乘積。因而，在方程(6)所描述的實例中，需要使用撞擊 在感興趣區(qū)域上的至少A^個不同的譜。通過使用在上關(guān)于方程(4)所述 的方法，可以對該方程組求解以確定密度長度乘積。
在方程(6)中，探測器能量加權(quán)函數(shù)/問是根據(jù)本發(fā)明的探測器能量 加權(quán)函數(shù)，如方程(4)中所定義的，其中，通過模擬確定譜響應(yīng)函數(shù)
圖8示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)y;id(^)和 所確定的實際探測器能量加權(quán)函數(shù)/;(^)。在"c"所指示的區(qū)域中，由于
能量加寬，使得理想探測器能量加權(quán)函數(shù)的邊緣平滑。在"D"所指示的區(qū) 域中，探測器能量加權(quán)函數(shù)由于能量損失(K泄漏、串擾)而較低，并且 在K熒光發(fā)射之后由較高的光子能量引起由"G"所指示的探測器能量加 權(quán)函數(shù)的那部分。同樣的，探測單元的另外的效應(yīng)(例如，由于特殊的電 子特性而產(chǎn)生的另外的效應(yīng))可以對實際加權(quán)函數(shù)起作用。
雖然參考譜CT系統(tǒng)己經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本發(fā)明不 局限于使用譜CT系統(tǒng)。例如，還可以使用其他的譜X射線應(yīng)用。而且， 本發(fā)明還可以用以例如通過計算機模擬探測器物理學以及確定譜響應(yīng)函 數(shù)，來確定非能量分辨探測單元的探測器能量加權(quán)函數(shù)。
雖然上面已經(jīng)描述了特定的衰減系數(shù)A(五)和衰減分量，但是可以使用 構(gòu)成了對象的衰減的任意衰減系數(shù)及對應(yīng)的衰減分量?？梢允褂弥辽賰蓚€ 基函數(shù)以及至少兩個能量箱來確定衰減分量，尤其是累積的質(zhì)量密度，其 中使用所確定的衰減分量、尤其是累積的質(zhì)量密度進行重建。例如可以使 用上述的方法或者在P. Sukovic等人在IEEE IMTC 1999上發(fā)表的"BasisMaterial Decomposition Using Triple - Energy X— ray computed tomography"
中所述的方法(所述文獻以引用方式并入本文中)而執(zhí)行所述重建。
術(shù)語"進行積分"還包括對應(yīng)于積分的求和，并且例如因為用于積分 的值是離散值而執(zhí)行所述求和。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解和實現(xiàn)所公開實施例的其他變化，并且根據(jù) 對附圖、公開內(nèi)容和從屬權(quán)利要求的研究，可以實施所要求保護的發(fā)明。 在權(quán)利要求中，"包括"一詞不排除其他元件或步驟，并且無關(guān)的冠詞"一" 或"一個"不排除復數(shù)。
單一單元可以履行權(quán)利要求中所引用的數(shù)項功能。在互相不同的從屬 權(quán)利要求中所引用的一些措施不指示使用這些措施的組合不會帶來利益。
可以將計算機程序存儲/分配在與硬件一起或者作為其他硬件的一部 分提供的適當介質(zhì)上，例如光學存儲介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)，但是也可以以另一 形式，例如經(jīng)由因特網(wǎng)或其他有線或無線遠程通信系統(tǒng)來分配所述計算機 程序。
權(quán)利要求中的任何附圖標記不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1、一種用于確定探測單元(6)的探測器能量加權(quán)函數(shù)的設(shè)備，所述設(shè)備包括-確定單元(21)，其用于確定所述探測單元(6)的譜響應(yīng)函數(shù)，-計算單元(22)，其用于通過對所述探測單元(6)的所述譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分而確定所述探測器能量加權(quán)函數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述確定單元(21)包括能夠利用具有可調(diào)整波長的單色輻射照射所述探測單元(6)的輻射源(23)，其中，所述確定單元(21)適于利用所述輻射源(23)的不同波長的單色輻射相繼照射所述探測單元(6)，其中，所述確定單元(21)適于通過在利用不同波長的單色輻射相繼照射所述探測單元(6)的同時探測所述探測單元(6)的探測信號而確定所述譜響應(yīng)函數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述確定單元(21)適于通過模擬在利用具有不同波長的單色輻射相繼照射所述探測單元(6)時將探測到的所述探測單元(6)的探測信號而確定所述譜響應(yīng)函數(shù)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述探測單元(6)適于為多個能量箱提供能量分辨的探測信號，其中，所述設(shè)備適于為每個能量箱確定探測器能量加權(quán)函數(shù)，其中，所述計算單元(22)適于通過對所述探測單元的所述譜響應(yīng)函數(shù)與相應(yīng)能量箱的給定的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分而確定所述能量箱的探測器能量加權(quán)函數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述計算單元(22)適于使得能量箱的所述給定的理想探測器 能量加權(quán)函數(shù)對于所述相應(yīng)能量箱內(nèi)的能量為一，而對于所述相應(yīng)能量箱 外的能量為零。
6、 一種用于對感興趣區(qū)域進行成像的成像系統(tǒng)，所述成像系統(tǒng)包括-輻射和探測單元，其包括用于發(fā)射輻射(4)的輻射單元(2)以及 用于探測透過所述感興趣區(qū)域之后的輻射(4)的探測單元(6)，所述輻射 和探測單元適于產(chǎn)生多個能量相關(guān)的探測信號，所述探測信號包括不同的 分量，所述成像系統(tǒng)提供探測器能量加權(quán)函數(shù)，通過確定所述探測單元的 譜響應(yīng)函數(shù)并且通過對所述探測單元的所述譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想探測 器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分，而確定所述探測器能量加權(quán)函數(shù)，-計算單元(12)，其用于通過利用關(guān)于所述探測信號的模型，對關(guān)于 所述多個能量相關(guān)的探測信號的方程組進行求解，從而確定至少一個衰減 分量，所述模型將探測信號描述為所述探測器能量加權(quán)函數(shù)的組合和用對 應(yīng)的衰減分量對所述探測信號作出貢獻的不同衰減特性的組合，-重建單元(13)，其用于根據(jù)所確定的至少一個衰減分量重建所述感 興趣區(qū)域的圖像。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的成像系統(tǒng)，其中，所述輻射單元(2)是用于發(fā)射多色輻射的多色輻射源， 其中，所述探測單元(6)是用于探測透過所述感興趣區(qū)域之后的輻射 并且用于通過為多個能量箱提供多個能量分辨的探測信號而提供能量相關(guān) 的探測信號的能量分辨探測器，所述成像系統(tǒng)為每個能量箱提供探測器能 量加權(quán)函數(shù)，通過確定所述探測單元的譜響應(yīng)函數(shù)并且通過對所述探測單 元的所述譜響應(yīng)函數(shù)與相應(yīng)能量箱的給定的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘 積進行積分而確定所述能量箱的探測器能量加權(quán)函數(shù)進而確定能量箱的所 述探測器能量加權(quán)函數(shù)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的成像系統(tǒng)，其中，所述輻射單元(2)是用于發(fā)射多色輻射的多色輻射源，其中， 所述多色輻射的譜是可以改變的，其中，所述輻射和探測單元適于通過利 用不同譜的多色輻射照射所述感興趣區(qū)域并且通過探測透過所述感興趣區(qū) 域之后的具有所述不同譜的多色輻射的輻射而提供能量相關(guān)的探測信號。
9、 一種用于確定探測單元(6)的探測器能量加權(quán)函數(shù)的方法，所述方法包括下列步驟-由確定單元(21)確定所述探測器單元(6)的譜響應(yīng)函數(shù)，-由計算單元(22)通過對所述探測單元(6)的所述譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分而確定所述探測器能量加權(quán)函數(shù)。
10、 一種用于對感興趣區(qū)域進行成像的成像方法，所述成像方法包括 -由輻射和探測單元的輻射單元(2)發(fā)射輻射，并且由所述輻射和探測單元的探測單元(6)探測透過所述感興趣區(qū)域之后的輻射，由所述輻射和探測單元產(chǎn)生多個能量相關(guān)的探測信號，所述探測信號包括不同的分量，所述成像系統(tǒng)提供探測器能量加權(quán)函數(shù)，通過確定所述探測器單元(6)的 譜響應(yīng)函數(shù)以及通過對所述探測單元(6)的所述譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想 探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分而確定所述探測器能量加權(quán)函數(shù)，-通過由計算單元(12)利用關(guān)于所述探測信號的模型，對關(guān)于所述 多個能量相關(guān)的探測信號的方程組進行求解，從而確定至少一個衰減分量， 所述模型將探測信號描述為所述探測器能量加權(quán)函數(shù)的組合和用相應(yīng)的衰 減分量對所述探測信號作出貢獻的不同衰減特性的組合，-由重建單元(13)根據(jù)所確定的至少一個衰減分量重建所述感興趣 區(qū)域的圖像。
11、 一種用于確定探測單元(6)的探測器能量加權(quán)函數(shù)的計算機程序， 其包括程序代碼模塊，所述程序代碼模塊用于當在控制根據(jù)權(quán)利要求1所 述的設(shè)備的計算機上運行所述計算機程序時使計算機執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求9 所述的方法的步驟。
12、 一種用于對感興趣區(qū)域進行成像的計算機程序，其包括程序代碼 模塊，所述程序代碼模塊用于當在控制根據(jù)^(利要求6所述的成像系統(tǒng)的 計算機上運行所述計算機程序時使計算機執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法 的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定探測單元(6)的探測器能量加權(quán)函數(shù)的設(shè)備。該設(shè)備包括用于確定探測單元(6)的譜響應(yīng)函數(shù)的確定單元(21)，以及用于通過對探測單元(6)的譜響應(yīng)函數(shù)與給定的理想探測器能量加權(quán)函數(shù)的乘積進行積分而確定探測器能量加權(quán)函數(shù)的計算單元(22)。
文檔編號G01T1/164GK101542313SQ200780042907
公開日2009年9月23日 申請日期2007年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者C·博伊默, C·赫爾曼, G·蔡特勒, K·J·恩格爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司