CN101750621A - 对来自像素化探测器的测量的评估 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对分层像素化辐射探测器(D)提供的测量信号(Mk (l，p))进行评估的方法和数据处理装置(10)。提供了广义探测器响应(GDR)函数f(l，d)(Ein，Eout)，该函数描述了由入射在第d相邻像素中的辐射导致的与能量相关的串扰。借助于GDR函数，可以考虑到串扰效应以实现对与被成像对象(1)相关的成像参数(Aj)的更准确的确定。该方法尤其可以用于具有小的分层像素(p)的能谱分辨的、光子计数CT探测器中。

Description

对来自像素化探测器的测量的评估
技术领域
本发明涉及一种用于对来自像素化(pixelated)辐射探测器的测量信号进行评估(evaluating)的方法和数据处理装置。此外，本发明涉及一种包括这种装置的成像***和一种计算机程序产品、一种数据载体以及与该方法相关的传输方法。
背景技术
US 7208739B1公开了一种包括多个像素的辐射探测器，在所述像素中将入射辐射转换成电荷。该文献还公开了一种校正测量信号的方法，用于信号累积以及相邻像素间的电荷共享。
发明内容
基于这种情况，本发明的目的是提供一种用于改善对来自辐射探测器的与由所述探测器成像的对象相关的测量信号的评估的手段。
这个目的是通过根据权利要求1所述的数据处理装置、根据权利要求2所述的方法、根据权利要求13所述的成像***、根据权利要求14所述的计算机程序产品以及根据权利要求15所述的数据载体实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。
根据其第一方面，本发明涉及一种用于对辐射探测器提供的测量信号进行评估的数据处理装置，所述辐射探测器具有多个，即N＞1个像素，每个像素具有若干个，即L≥1个层。在下文中将用变量p(1≤p≤N)对像素编号，用变量l(1≤l≤L)对层编号。通常，“像素”是提供与利用探测器产生的对象图像的一个点(“图元”)相关的信号的探测器元件。在目前的情况下，像素可以任选地是分层的(如果L＞1)，即，由沿辐射入射方向逐一设置在不同层中的若干子单元构成，每个子单元提供与所产生图像中的相同像素位置相关的其自己的测量信号。此外，像素通常设置成一维或二维阵列。可以由专用电子硬件、具有相关软件的数字数据处理硬件或两者的混合来实现数据处理装置。其包括以下部件：
a)用于提供函数f(l，d)(Ein，Eout)的“串扰模块”，在下文中将把该函数称为“广义探测器响应函数”或简写为“GDR函数”。GDR函数描述命中给定像素p的第一层且具有入射能量Ein的光子对第d相邻像素的第l层中的沉积能量Eout处的测量分量的贡献。在这种情况下，整数变量d的范围在0和给定正数dmax之间，并且可以仅仅是相邻像素的任意编号。优选地，变量d与像素相对于其与所考虑的中心像素p的距离的排序相关，最邻近的例如对应于d＝1，次最近邻的对应于d＝2等等。应当指出，如果探测器配置相对于像素位置不是各向同性的，则GDR函数将额外地依赖于所考虑的中心像素p(例如表达为f(p，l，d)(Ein，Eout))。
串扰模块可以包括存储器，其中存储GDR函数的数值表示的参数，例如将其作为查找表加以存储。此外，可以明确或隐含地(例如，经由与GDR函数等价或由其导出的函数或关系)提供GDR函数。
b)评估模块(11)，用于确定对象的与辐射相关的参数，其中来自所述对象的辐射抵达探测器，并且其中所述确定基于测量信号和GDR函数。
本发明还涉及一种用于对来自辐射探测器的测量信号进行评估的方法，所述辐射探测器具有多个，即N＞1个像素，所述像素具有若干个，即L≥1个层，该方法包括：
a)(明确或隐含地)提供GDR函数，所述GDR函数描述入射在像素的第一层上的能量为Ein的辐射对第d相邻像素(0≤d≤dmax，dmax＞0)的第l层(1≤l≤L)中的沉积能量Eout处的测量分量的贡献；
b)确定对象的参数，辐射从所述对象抵达探测器，其中所述确定基于测量信号和GDR函数。
所述的数据处理装置和相关方法允许以改善的精确度对来自辐射探测器的测量信号进行与图像相关的评估，因为它们以能谱分辨的方式考虑了不同像素之间以及任选地探测器的不同层之间的串扰效应。在利用光子计数的能谱(spectral)X射线探测器中这种可能性尤其有利，通常将所述探测器细分成小的分层像素，以限制每个像素层必需要处理的计数速率。小的像素尺寸导致像素间的串扰增大，例如这是由康普顿散射或K边缘荧光引起的，尤其是在探测器包含具有低原子序数Z的材料(例如硅Si)的情况下。通过所述方法有效地补偿了这种串扰。
原则上，可以从理论考虑解析地导出由串扰模块提供的GDR函数。然而，由于基础机制是复杂的，因此可以优选地通过辐射探测器的仿真，例如利用蒙特卡洛过程来确定GDR函数。此外，可以以试验的方式(部分地或完全地)确定GDR函数，例如，通过利用单色辐射照射单个像素并通过测量来自其他像素和层的所得信号来确定GDR函数。可以在例如由查找表或拟合参数解析表达式(fitted parametric analytical expression)的参数确定之后表示GDR函数。
辐射探测器提供的测量信号通常可以对应于与入射辐射相关的任何值。于是，它们例如可以表示在给定时段期间命中所考虑的像素和层的入射辐射的光子总数或这些光子的总能量。优选地，测量信号提供关于入射辐射的光子的能量分辨(即能谱)信息，例如，如果它们表示在所考虑的像素的第l层中相对于多个给定能量窗口(或“箱(bin)”)探测到的辐射量的话。例如，可以通过所述能量窗口中的所有探测到的光子的总能量，或优选通过所述光子的数量来表示所述辐射量。例如，可以通过对直接转换材料中由入射光子产生的电脉冲相对于其形状(高度)和数量进行评估来获得这种测量信号。
由评估模块确定的对象参数一般可以包括与对象和探测器所测辐射的相互作用相关的任何值。在典型情形中，辐射探测器用于产生对象的透射图像，即，(例如用X射线源)照射对象并利用辐射探测器测量通过对象的辐射量作为投影图像。在这种情况下确定的对象参数是描述对象内部的入射辐射的局部吸收的衰减系数。优选地，将所述衰减系数分为若干个，即J≥1个与不同物理效应相关的分量，所述物理效应例如是光电效应、康普顿散射和/或特定材料的K边缘吸收。分别确定衰减系数的这些不同分量提供了额外信息，例如在患者的临床X射线检查中所述额外信息是有价值的。
在前述方法的进一步改进中，与衰减系数的J≥1个分量相关的对象参数包括在给定像素“前方”的对象区域中的所述分量的积分(即命中所考虑像素的辐射透射通过所述区域)。考虑沿着射线路径的积分考虑到了可以在透射测量中确定这种积分值。如本领域的技术人员所公知的，可以从多个针对不同辐射方向确定的这种积分在“计算机断层摄影”(CT)过程中计算对象内部的衰减系数或其分量的空间分布。
通常，应当确定的对象参数经由一些关系与辐射探测器提供的测量信号相关联。这种关系的转换允许精确地(例如，如果有与测量信号同样多的未知对象参数)或大致地(例如，如果有多于或少于对象参数的测量信号)从所述测量信号计算感兴趣的对象参数。用于确定对象参数的优选方式基于最大似然函数的优化，该函数将测量结果描述为取决于对象参数的随机过程的一种实现。然后可以确定一组对象参数，其为所观测的测量信号产生最高的概率。
最大似然函数尤其可以基于发生在像素p的第l层中的辐射探测事件的模型化泊松分布。泊松分布通常是光子的统计学独立行为的适当模型。
例如，如果单解析解是可能的话，可以在一步中进行对象参数的确定。在其他情况下，优选地可以在若干步骤中迭代地进行确定，其中在每个步骤中仅修改相互依赖的对象参数的一部分。
例如，由给定像素p的一些层提供的测量信号通常主要由直接命中该像素的辐射所引起，所述辐射取决于第一对象参数(例如沿着指向所考虑像素p的射束路径的衰减分量的线积分)。由于串扰效应，测量信号在某种程度上也将依赖于命中相邻像素的辐射量，该辐射取决于第二对象参数(例如沿着指向相邻像素的射束路径的衰减分量的线积分)。为了进行迭代，可以在给定迭代步骤中仅调节与所考虑像素p相关的第一对象参数(例如，通过最大似然优化)，而将对应于相邻像素的第二对象参数保持恒定(即从前面的迭代步骤中取得)。通过这种方式可以限制计算工作量，允许例如相应计算的并行化。
根据迭代过程的优选实施例，在迭代步骤n+1中，基于测量数据和在前一迭代步骤n中从前面的对象参数和GDR函数导出的入射能量(即入射在像素的第一层上的能量)的分布确定串扰得到校正的对象参数。
在迭代确定对象参数的另一个实施例中，所述确定从不考虑相邻像素间串扰的近似开始。这种近似对应于对来自辐射探测器的测量数据进行评估的典型技术发展水平，并因此已经提供了接近精确结果的解。
本发明还涉及一种包括辐射探测器和上述种类的数据处理装置的成像***。该成像***尤其可以是X射线、CT(计算机断层摄影)、PET(正电子发射断层摄影)、SPECT(单光子发射计算机断层摄影)或核成像***。
通常将借助于计算装置，例如微处理器或FPGA，实现根据本发明的方法。因此，本发明还包括一种计算机程序产品，在计算装置上执行该计算机程序产品时，其提供根据本发明的任何方法的功能。
此外，本发明包括数据载体，例如软盘、硬盘、EPROM或光盘(CD-ROM)，其存储采用机器可读形式的计算机产品并且当在计算装置上执行存储在数据载体上的程序时其执行至少一种本发明的方法。该数据载体可以尤其适于存储前述段落中提到的计算装置的程序。
当前，常常在因特网或公司内联网上提供这种软件以供下载，因此本发明还包括通过局域网或广域网发送根据本发明的计算机产品。
附图说明
参考下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明了并得到阐述。将借助于附图以举例的方式描述这些实施例，附图中：
图1示意性地示出使用根据本发明的数据处理装置的情形；
图2和3示出与数据处理装置执行的评估过程相关的公式；
图4示出穿过具有中间Si层的特定辐射探测器的截面；
图5示出在图4的探测器中的相邻像素中产生的串扰信号；
图6示出利用根据本发明的过程成像的仿真摸型；
图7-9示出利用图6的仿真摸型获得的测量结果。
附图中类似的参考标记表示相同或类似的部件。
具体实施方式
直接转换(DiCo)检测材料中的基于脉冲计数的能谱CT旨在测量穿过要扫描的对象的X射线光子的能量谱。可以通过如下方式解决接近直接射束以及直接射束中的对象区域后的极高计数速率的相关问题：求助于子像素化(典型像素间距大约为300μm)，将基于DiCo的探测器构造成若干层(典型厚度为500μm和更大)，以及接受只要存在底层，“饱和”顶层(即，计数速率超过给定最大值，使得不再能正确区分光子)就不提供测量结果(底层仍然提供测量结果)。
然而，由于若干串扰机制(例如康普顿散射、K荧光、电荷共享)的原因，任何像素都看到由其相邻像素导致的或甚至来自所考虑像素的上方或下方的层中的像素的信号分量。尤其是如果探测器还包含像Si那样的低Z材料，则由于康普顿散射或K荧光而导致的串扰量可能变得相当大，这对于重构的能谱CT图像的图像质量，尤其对于被扫描身体中的K边缘材料质量密度(例如，如在心脏成像中用作造影剂的Gd或碘的密度)的定量结果造成不利的影响。
为了解决上述问题，在此提出通过广义探测器响应(GDR)函数描述像素间串扰效应，该函数将所考虑的像素的响应结合到(同一层或不同层中)相邻像素的照射。可以将这种广义探测器响应有效地用于最大似然方法中，以得到对扫描对象建模的衰减系数的分解系数(例如在Roessl E.andProksa R.，“K-edge  imaging in x-ray computed tomography usingmulti-bin photon counting detectors”Phys.Med.Biol.52，4679-4696中描述了后一种过程)。
在下文中，将对于图1所示的特定实施例更详细地描述上述一般概念。该图的顶部示出了来自一些辐射源(未示出)的具有给定强度和能谱组成的X辐射X。仅考虑被引导到探测器D的给定像素p的那些射线，函数I0(Ein，p)描述了具有能量Ein的所述辐射的量，其中根据X射线源的特性，该能量Ein的范围在某一下限Emin和上限Emax之间。
所考虑的X辐射接下来通过应成像的对象1，例如患者的身体。在通过所述对象1时，根据衰减系数μ(E，x)的空间分量aj(x)的分布(其中1≤j≤J)，衰减该辐射。
在对象1之后，所考虑的辐射以减小的量I(Ein，A(p)，p)向探测器D的像素p传播。这个量取决于被引导到像素p的X射线所通过的对象区域(通常可以由一条线近似该区域，因为相对于对象厚度而言横向像素尺寸较小)中的衰减系数分量aj(x)的积分值A(p)＝(A1(p)，A2(p)，...AJ(p))。
探测器D是由多个，即N≥2个像素构成，所述像素的编号为p、p±1、p±2，....，每个像素包括若干个，即L≥1个层。在所示的范例中，给出了L＝4个层，编号为l＝1，...l＝4，可以分别读出其信号。应当指出，该图仅示出了若干个像素，而通常其数量要大得多，这些像素一般在所示的坐标系的x和y方向上具有二维布置。
探测器D连接到数据处理装置10，该数据处理装置读出并处理由探测器提供的测量信号Mk (l，p)。这些测量信号Mk (l，p)中的每一个都表示在像素p的层l中统计的在能量窗口EIk中具有能量Eout的光子的数量，其中将观测到的能量细分成K≥1个给定窗口或箱EI1，....EIK。由评估模块11处理测量信号Mk (l，p)，以确定对象1的特征参数，尤其是积分A(p)。
如上所述，命中像素p的第一层l＝1的X射线光子通常将在所述像素的所有其他层和相邻像素p±1、p±2...的所有层中导致串扰信号，其对这些层的测量信号造成影响。为了考虑到这一点，使用广义探测器响应或GDR函数f(l，d)(Ein，Eout)，该函数以适当的形式存储在数据处理装置10的串扰模块12中。
GDR函数的值f(l，d)(Ein，Eout)以相对频率描述了进入所考虑的被照射分层像素p的第一层的大量能量为Ein的X射线光子的能量为Eout的量的部分(fraction of quanta)，其沉积在第d相邻像素的第l层中(1≤l≤L，0≤d≤dmax，其中d＝0表示实际被照射的(分层)像素p)。在实践中，如下文所呈现的那样，可以通过理论思考(例如实际的直接转换传感器的蒙特卡罗模拟)确定GDR函数，或者通过利用入射在实际探测器的特定像素上的大量光子的专门试验确定GDR函数。
通常，广义探测器响应函数涉及二维探测器，一维平行于CT成像中围绕患者1旋转的探测器的旋转轴(图1中的y轴)，另一维平行于旋转方向(图1中的x轴；常常称为φ方向(phi))；因此，每个被照射像素在距离d具有(2d+1)2-(2(d-1)+1)2＝8d个相邻像素，它们位于所考虑的被照射像素周围的距离为d的方形边缘(margin)上。
在下文中，将描述可以确定对象参数A(p)的迭代过程。
该过程的第一迭代步骤试图通过首先忽略像素间串扰来为对象参数A(p)确定好的起始值。然后可以通过对描述像素p中的第l层中的第k能量窗口EIk的到达率λk (l)(A(p))的泊松过程的平均值建模，实现对分解系数aj(x)的搜索(参考上文的Roessl E.和Proksa R.)。图2的公式(1)到(4)给出相应的公式，其中：
-沿着通过对象1的X射线路径求公式(4)中的积分；
-fKN(E)表示用于代表康普顿效应的能量相关性的Klein-Nishina公式；
-μKe *(E)是具有K边缘的材料的质量衰减系数的能量相关性，该材料用作造影剂，例如Gd；
-ρKe(x)是前述材料的质量密度。
为了为每个像素p找到期望的对象参数A(p)，可能的方法是针对每个像素独立地使公式(5)的最大似然函数最大化，其中Mk (l，p)表示像素p的第l层的第k个能量窗口中的计数值，T为测量时间。这允许最大值化过程的高并行化，即原则上可以为独立计算实体中的每个像素寻找解。
在第二迭代步骤中，将在第一迭代步骤中找到的所有N个像素的解A(p)用作起始值以解决考虑到像素间串扰的类似问题。在图2的公式(6)中给出了相应公式。该公式是指向图1所示的一维探测器，条件“p+d∈D”应当表示仅有那些像素由实际仍在探测器d内的和构成。
利用(所有N个像素中)像素p中的第l层中的第k个能量窗口的修正的到达率(其中修正考虑到像素间串扰对所考虑的像素实际看到的到达率的影响)，对公式(7)的同一最大似然函数进行最大化。尽管原则上可以对所有对象参数A(p)、A(p ±1)、...A(p±dmax)同时进行该最大化，优选的是每次仅对单个对象参数进行最大化，其在公式(7)中被写为第(n+1)迭代步骤和所考虑像素p的变量A n+1(p)，而d≥1的剩余参数A(p±d)被视为常数，并由来自前一迭代步骤n的值A n(p±d)表示。在这种情况下，最大化再次是容易并行化的任务。
在已经(至少大致)确定最佳值A n+1(p)之后，对其余像素p’≠p执行类似过程，以便还确定它们的对象参数的第(n+1)个迭代值，即A n+1(p’)。当这对于所有像素都完成时，可以例如再次从像素p开始下一迭代阶段(n+2)。当结果接近稳态值时，迭代通常将结束。
图3的公式涉及对公式(6)和(7)的归纳，也包括二维探测器D的情况。为此，借助于像素p和p’之间的一些距离测度dist(p，p’)，在方程(8)中限定邻域U(p，dmax)。例如这可以是将值“1”分配给像素p的最近邻域p’，将值“2”分配给次最近邻域等的措施(当然dist(p，p)应当为零)。于是，公式(9)和(10)分别是公式(6)和(7)的直接等价物。
在下文中，将给出若干仿真结果。首先，图4示出了多层探测器D，在此例如具有四个CZT层l＝1到l＝4。“CMOS”层代表在CMOS集成电路上实现的读出电子线路(由纯Si层模拟)。
图5示出了如针对对象后的给定能谱Ibeh(E)所获得的、图4的探测器D的顶层l＝1中下一相邻像素的被吸收能量E的能谱Iabs(仅从模拟X射线相互作用过程的仿真探测器响应获得)。
图7到9中示出了所述数据处理方法的结果。图7示出了作为串扰迭代次数n的函数、为图6所示的测试对象1的右侧小脉管测量到的重构Gd质量密度ρGd(其中“mn”对应于平均值，而“std”对应于标准偏差)。探测器由厚度为10mm、10mm、8mm、8mm、6mm、6mm、5mm、4.6mm的八个Si层构成，像素尺寸大约为(1.5mm)2。随着校正迭代次数的增加，测量结果得到显著改善，其中，由右侧的点“XTiS”表示“理想”结果(这意味着例如通过像素之间的适当吸收分隔器对串扰进行了理想的抑制)。
图8和9分别示出了图6所示的测试对象1的左心室和右心室中的重构K边缘材料质量密度ρGd。利用与图7相同的(基于纯Si的)探测器测量数据。
结果表明，尤其是在部分(例如5个1mm厚的Si层、Si层下方的3个1mm厚的CZT层)或全部(仅利用几个Si层)基于低Z材料(像Si)的能谱CT探测器概念的情况下，通过利用所述GDR函数进行处理来消除串扰大大改善了所得到的测量值，例如包含在扫描对象中的K边缘材料(例如Gd)的质量密度。
此外发现，如果探测器层基于高Z材料，该技术也非常有价值，然而探测器层内可接受的计数速率的限制(直到该层被认为“饱和”，例如，由于材料不能在连续光子之间进行区分，因为它们的速率过高)非常保守，例如为1Mcps。
还可以将所述技术应用于“混合”探测器，例如具有L-1个能量分辨层(例如Si或CZT)和仅成一体化的最后(第L)层(例如GOS)的探测器。
本发明的主要应用是具有能量分辨率的计算机断层摄影、具有能量分辨率的投影成像或可能受益于能量分辨X射线光子计数的任何其他应用。
最后要指出，在本申请中，“包括”这一术语不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”不排除多个，且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明体现在每一个新颖特征和特征的每一种组合中。此外，权利要求中的附图标记不应被示为限制其范围。

Claims (15)

1.一种用于对来自辐射探测器(D)的测量信号Mk (l，p)进行评估的数据处理装置(10)，所述辐射探测器具有多个，即N＞1个像素(p)，所述像素具有若干个，即L≥1个层(l)，所述数据处理装置包括：
a)“串扰模块”(12)，用于提供被称为GDR函数的广义探测器响应函数f(l，d)(Ein，Eout)，所述函数描述入射在像素(p)的第一层上的能量为Ein的辐射对第d相邻像素(0≤d≤dmax，dmax＞0)的第l层(1≤l≤L)中的沉积能量Eout处的测量分量的贡献；
b)评估模块(11)，用于确定对象(1)的参数(Aj)，辐射从所述对象抵达所述探测器(D)，其中所述确定基于测量信号(Mk (l，p))和GDR函数。
2.一种用于对来自辐射探测器(D)的测量信号(Mk (l，p))进行评估的方法，所述辐射探测器具有多个，即N＞1个像素(p)，所述像素具有若干个，即L≥1个层(l)，所述方法包括：
a)GDR函数f(l，d)(Ein，Eout)，所述函数描述入射在像素(p)的第一层上的能量为Ein的辐射对第d相邻像素(0≤d≤dmax，dmax＞0)的第l层(1≤l≤L)中的沉积能量Eout处的测量分量的贡献；
b)确定对象(1)的参数(Aj)，辐射从所述对象抵达所述探测器(D)，其中所述确定基于测量信号(Mk (l，p))和GDR函数。
3.根据权利要求1所述的数据处理装置(10)或根据权利要求2所述的方法，其特征在于以试验方式或通过对所述辐射探测器(D)的仿真得到所述GDR函数。
4.根据权利要求1所述的数据处理装置(10)或根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述测量信号(Mk (l，p))代表相对于多个给定能量窗口(EIk)的在像素(p)的层(l)中测量到的辐射量。
5.根据权利要求1所述的数据处理装置(10)或根据权利要求2所述的方法，其特征在于所确定的对象参数(Aj)与对象(1)中的衰减系数的给定数量的，即J≥1个分量相关。
6.根据权利要求5所述的数据处理装置(10)或方法，其特征在于所述对象参数包括在像素(p)前方被辐照的所述对象(1)的区域中的所述分量的积分(Aj)。
7.根据权利要求1所述的数据处理装置(10)或根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述对象参数(Aj)是通过最大似然函数(ML)的优化确定的。
8.根据权利要求7所述的数据处理装置(10)或方法，其特征在于所述最大似然函数(ML)基于像素(p)的所述层(1)中的辐射探测事件的模型化泊松分布。
9.根据权利要求1所述的数据处理装置(10)或根据权利要求2所述的方法，其特征在于迭代地进行所述确定，在每个步骤中仅修改相互依赖的对象参数(A(p))的一部分。
10.根据权利要求9所述的数据处理装置(10)或方法，其特征在于在迭代步骤(n+1)中，基于在前一迭代步骤(n)中导出的、入射在所述像素(p’)的第一层上的入射能量(Ein)的分布(I(Ein，A n(p’)，p’))确定串扰得到校正的对象参数(A n+1(p))。
11.根据权利要求9所述的数据处理装置(10)或方法，其特征在于在每个迭代步骤中仅修改与单个像素(p)相关的对象参数(Aj(p))。
12.根据权利要求9所述的数据处理装置(10)或方法，其特征在于所述确定从不考虑相邻像素(p)之间的串扰的近似开始。
13.一种成像***，尤其是X射线、CT、PET、SPECT或核成像***，包括根据权利要求1所述的辐射探测器(D)和数据处理装置(10)。
14.一种计算机程序产品，用于能够执行根据权利要求2所述的方法。
15.一种记录载体，其上存储有根据权利要求13所述的计算机程序。
CN200910253149.XA 2008-12-08 2009-12-04 对来自像素化探测器的测量的评估 Pending CN101750621A (zh)

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