CN105188547B - 光子计数探测器校准 - Google Patents
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Abstract
一种方法包括通过组合光子计数探测器的启发式校准和光子计数探测器的分析式校准来确定针对校准谱成像***的光子计数探测器的校准因子，以及基于所述启发式校准和所述分析式校准的组合来生成光子计数校准因子的集合。当所述光子计数校准因子被应用于来自对象或物体的谱CT扫描的光子计数探测器的所述测得的能量分辨数据时，减轻由对所述谱CT扫描的辐射射束进行滤波的辐射强度轮廓整形器导致的谱失真。
Description
技术领域
下文总体上涉及校准成像探测器，更具体地，涉及校准光子计数成像探测器，并以对谱计算机断层摄影(CT)的具体应用进行描述。
背景技术
非谱CT扫描器包括被安装在穿过检查区域被定位的探测器阵列对面的可旋转机架上的X射线管。可旋转机架，以及因此X射线管围绕检查区域旋转。X射线管被配置为发射X射线辐射。诸如公知的“蝴蝶结”滤波器的辐射强度轮廓整形器在相对于更中心的区域的周边区域更大程度地衰减指向检查区域的发射的X射线辐射，从而降低外部区域的磁通，这提高了辐射效率。
源准直器对经滤波的X射线辐射进行准直，在检查区域方向上产生辐射束。经滤波的辐射束穿过检查区域(以及其中的对象或物体)，并由包括探测器像素的一维或二维阵列的探测器阵列来探测。作为响应，探测器像素生成并输出指示探测到的辐射的信号。所述信号能够被重建，以生成体积图像数据。此外，体积图像数据能够被处理，以生成对象或物体的一幅或多幅图像。
谱CT扫描器包括加入了光子计数探测器像素(例如，CdTe、CdZnTe等)的上述元件(以及，任选的多个源、kVp切换等)。不幸的是，蝴蝶结滤波器改变了X射线源的初级射束谱。即，尽管在蝴蝶结滤波器前面的谱能够被认为是对于所有角度是均匀的，但谱失真由蝴蝶结滤波器材料导致，并且蝴蝶结滤波器的形状导致扇形角度方向上的变化。由于谱失真，针对非光子计数探测器的校准方案不是非常适合于光子计数探测器。
光子计数探测器校准方法总体上被归入两种方法：启发式和分析式(数学上的)。从文献来看，启发式校准方法将已知的吸收剂成份的集合映射到探测器信号，所述探测器信号随后用作针对材料成份的查找表。然而，该技术需要校准体模(phantoms)，所述校准体模的复杂性随探测器像素的数量和吸收剂材料的数量而增加，因为可能出现在测量物体中的每种材料组合必须在校准程序或吸收剂的等效对中被实现。
例如，为了采集用于医学CT的经校准的数据，必须执行校准程序，其中，骨骼的所有相关厚度(例如0-10cm)和软组织的所有相关厚度(例如0–40cm)的所有组合必须予以考虑。适当的程序将分别产生具有与骨骼和软组织相似的X射线衰减特性的材料(例如铝和聚合物)的两个阶梯体模，并采集针对两个阶梯体模的阶梯数量的所有组合的数据。
为了允许改变依赖于X射线谱的个体像素或角度的特性，将需要针对所有探测器像素采集经校准的数据。例如，每个包括10种材料厚度的阶梯体模，将需要针对每个像素做出总共100个个体测量值。利用第三种材料，例如，碘或另一种造影剂，需要包括第三种材料，向校准程序增加了额外的维度。
与此相反，从文献来看，分析式方法描述了多色衰减和探测器物理学。尽管这些方法允许明确地计算探测器读数，但X射线源谱的精确认知、衰减截面和探测器性能是必需的。具体地，探测器增益、探测器灵敏度和脉冲堆积效应的像素-依赖性的变化向这类方法强加了显著的挑战。因此，分析式方法是复杂的和不准确的。
考虑到上述情况，存在对于用于校准光子计数探测器的其他方法的未解决的需要。
发明内容
本文所描述的各方面解决上述及其他问题。
以下描述一种光子计数探测器校准。总体上，诸如公知的“蝴蝶结”滤波器的射束强度轮廓整形器导致X射线射束中的谱失真。本文所描述的方法补偿这种谱失真，并减轻探测器增益的变化、脉冲堆积效应和/或可能影响分解和/或重建质量的测量链中的其他缺陷。
在一个方面中，一种方法包括通过组合光子计数探测器的启发式校准和光子计数探测器的分析式校准来确定用于校准谱成像***的光子计数探测器的校准因子，并且基于所述启发式校准和所述分析式校准的组合来生成光子计数校准因子的集合。当被应用于来自对象或物体的谱CT扫描的光子计数探测器的测得的能量分辨数据时，所述光子计数校准因子减轻由对所述谱CT扫描的辐射射束进行滤波的辐射强度轮廓整形器导致的谱失真。
在另一方面中，一种方法包括通过将校准因子的集合应用于每个探测器像素/能量分箱对的每个测量值来校准谱成像***的光子计数探测器像素，其中，所述校准因子是基于所述光子计数探测器的启发式校准和所述光子计数探测器的分析式校准的组合来确定的。所述校准因子减轻由辐射强度轮廓整形器导致的谱失真，所述辐射强度轮廓整形器对由所述谱成像***执行的谱CT扫描的辐射射束进行滤波。
在另一方面中，一种***包括校准因子生成器，其确定针对谱CT成像***的光子计数探测器像素的光子计数校准因子的集合。所述校准因子生成器从数据和分析模型基于针对每个探测器像素、能量分箱和厚度组合的计数来确定所述光子计数校准因子的集合，所述数据来自通过所述谱CT扫描成像***的单一材料组成的单个体模的多个阶梯的单次扫描，其中，每个阶梯具有已知的并且不同的大致均匀的厚度，所述分析模型估计针对相同探测器像素、能量分箱和厚度组合的计数。所述***还包括数据校正器，其基于所述光子计数校准因子的集合来校正来自响应于利用所述谱CT成像***的对象或物体的扫描所产生的对象或物体的所述光子计数探测器像素的测量数据。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安排的形式。附图仅用于图示说明优选实施例的目的，不应当被解读为限制本发明。
图1示意性地图示了与数据校正器结合的范例成像***，所述数据校正器经由校准因子校正针对X射线射束中的谱失真的测量信号。
图2图示了用于确定校准因子的范例方法。
图3图示了用于采用校准因子的范例方法。
图4示意性地图示了范例校准体模，其包括粘附在一起的均匀厚度材料的多个堆叠的和偏移片材。
图5示意性地图示了范例单一部件校准体模。
具体实施方式
以下描述了一种光子计数探测器校准。所述校准包括执行单一材料和多个不同但均匀厚度的阶梯构成的单一体模的单次扫描，并且将结果映射到分析式(数学上的)模型以生成校准(或缩放)因子，所述校准因子能够随后被应用到来自对象或物体的测量信号，以校准或转换测量信号来配分析模型，从而校正测量数据并生成经校正的测量数据。
首先参考图1，示意性图示了诸如计算机断层摄影(CT)扫描器的成像***100。
成像***100包括固定机架102和旋转机架104，旋转机架104由固定机架102可旋转地支撑。旋转机架104关于纵向或z轴围绕检查区域106旋转。诸如病榻的对象支撑物108支撑检查区域106中的物体或对象。对象支撑物108能够被用于在扫描之前、扫描期间和/或扫描之后相对于成像***100垂直地和/或水平地定位对象或物体。
诸如X射线管的辐射源110由旋转机架104支撑并连同旋转机架104一起关于纵向或z轴围绕检查区域106旋转。辐射源110包括焦斑112，其至少在检查区域106的方向上发射多能电离辐射。源准直器114对在检查区域106的方向中穿过的辐射进行准直，产生穿过检查区域106的射束116，射束116具有预先确定的感兴趣的几何形状，例如扇形、锥形、楔形或其他形状的射束。
辐射强度轮廓整形器118被布置在焦斑112和源准直器114之间。在所示实施例中，辐射强度轮廓整形器114包括“蝴蝶结”滤波器，如本文中所讨论的，所述“蝴蝶结”滤波器对穿过其的辐射的强度轮廓进行整形，从而使传输更多地接近射束116的中心射线120，并在远离射线120和朝向射束116的***射线122的方向上降低，并导致谱失真。本文也设想其他射束强度轮廓整形器。
探测器阵列124朝向相对于辐射源110的检查区域106对面的角弧。图示的探测器阵列124包括光子计数探测器像素的一维或二维阵列，例如直接转换探测器像素，其包括直接转换材料，例如碲化镉(CdTe)、碲化镉锌(CZT)和/或其他直接转换材料。探测器阵列124探测穿过检查区域106的辐射并生成指示所述辐射的能量的信号。
脉冲整形器126接收由探测器阵列124所生成的信号，并生成具有指示相应的入射的探测到的辐射的能量的高度或振幅峰值的脉冲(例如，电压或电流脉冲)。任选地，能够采用前置放大器在脉冲整形器126生成脉冲之前放大所述信号。其他预处理和/或调节能够额外地或备选地在脉冲整形之前和/或之后被应用于所述信号。
能量鉴别器128包括比较器1301、...、130N(本文中被统称为比较器130)和各自的能量阈值(TH)1321、...、132N(本文中被统称为阈值130)，其中，N是等于或大于一的整数。比较器130将输入脉冲的振幅(高度)与阈值132进行比较并生成指示阈值132中哪一个被脉冲的振幅所超过的输出信号，从而基于阈值130能量鉴别输入脉冲。
计数器134基于能量鉴别器128的输出针对每个阈值来递增子计数器135的计数值。例如，当用于具体阈值的比较器的输出指示脉冲的振幅超过相应的阈值时，针对该阈值递增计数值。能量分箱器136基于多个分箱对计数进行能量分箱，每个分箱表示不同的能量范围。例如，产生针对较低阈值而非针对下一个较高阈值的计数的光子将被分配给较低阈值分箱。
数据处理器138处理经分箱的测量信号。如在下文更详细描述的，这种处理包括但不限于将预定的校准因子140的集合应用于经分箱的测量信号。在一个实例中，校准因子140补偿由辐射强度轮廓整形器118的材料导致的谱失真。例如，这能够通过将测量信号拟合至分析模型来实现。
校准因子生成器141生成校准因子140。如下文更详细描述的，校准因子140能够基于混合方法来生成，所述混合方法包括启发式方法(即，能量分箱器136的输出)和分析式方法(即分析模型143和来自控制台146的扫描协议参数)的组合。总体上，分析式方法通过任何材料组合和探测物理学组成的吸收剂来建模衰减，并且启发式方法采用固有地包括来自分析模型的硬件特异性偏差的测量数据。
所产生的校准降低校准阶梯的数量(相对于不利用混合校准的配置)，同时使任意数量的不同吸收剂材料的处理成为可能，例如，若干造影剂或者甚至它们的组合。校准因子也可以补偿脉冲堆积效应、探测器增益的变化和/或在可能影响谱分解质量和/或谱重建质量的测量链中的其他缺陷，即使它们没有在校准中被明确地考虑。
数据校正器138或校准因子生成器141中的至少一个或多个经由硬件处理器(例如，中央处理单元或CPU)来实现，所述硬件处理器执行被编码或嵌入在诸如物理存储设备的计算机可读存储介质(非暂态介质)上的一个或多个计算机可读指令，并且不包括例如载波、信号等的暂态介质。额外地或备选地，由处理器执行的一个或多个计算机可读指令中的至少一个由暂态介质承载。
数据校正器138或校准因子生成器141中的至少一个或多个能够是控制台146或其外部的部分，例如，独立的计算***的部分。在后一情况下，数据校正器138和校准因子生成器141能够是相同的独立计算***或不同的独立计算***的一部分。
信号分解器142使用分析模型143将经校正的信号分解为各种能量相关分量。在一种情况下，这可以包括将经校正的信号分解为康普顿(Compton)分量、光电分量和/或(任选地)一个或多个K边缘分量。重建器144选择性地重建探测到的和/或经分解的信号。在一个实例中，这包括单独或组合重建康普顿、光电和/或K边缘分量。由此，能够产生一个或多个解剖结构(例如，骨骼和软组织)和/或其他材料(例如，造影剂)的图像。
计算机充当操作人员控制台146。控制台146包括诸如监视器或显示器的人类可读输出设备和诸如键盘和鼠标的输入设备。在控制台146上驻留的软件允许操作人员经由图形用户界面(GUI)或以其他方式与扫描器100进行交互。这种交互可以包括启动扫描，诸如对校准体模的光子探测器校准扫描或对对象或物体的扫描等，调用来自校准扫描的具有校准因子的扫描的测量数据的校正等。
图2和图3分别图示了用于确定和使用探测器光子计数探测器校准因子的范例方法。
应当理解，这些方法的动作的顺序不是限制性的。因此，本文中也设想其他顺序。此外，一个或多个动作可以被省略和/或可以包括一个或多个额外的动作。
转至图2，其图示了用于确定光子计数探测器校准因子的范例方法。
这种方法包括扫描校准体模。暂时转至图4，其描述了一种范例校准体模402。图示校准体模由单一材料构成。适当材料的范例包括但不限于热塑性塑料，诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸脂和/或其他热塑性塑料、铝、和/或其他材料。
此外，图示校准体模402包括材料的M个(其中M是大于1的整数)片材404，其包括片材4041、片材4042、片材4043、...、片材404M。在本范例中，片材404具有大致相同的厚度406。在变型中，至少一个片材可以具有不同的但公知的厚度。此外，穿过每个片材404的厚度大致均匀。
在图4中，片材4042被堆叠并固定至片材4041，在物理上沿纵向轴与其偏移，形成分别具有第一厚度4101(其为厚度406)和第二厚度4102(其为厚度406的大约2倍)的两个区域4081和4082。这种堆叠继续，形成具有第三厚度4103(其是厚度406的大约3倍)、..、以及第M厚度(其厚度406的大约M倍)的区域4083、...、和408M。
图5图示了图4的变型，其中，校准体模402是单一结构502，而不是被固定到彼此的多个个体片材402(如图4中所示)。其他变型包括图4和图5的组合，其中，具有多个阶梯的个体元件被固定在一起。应当理解，提供在图4和图5中的每个阶梯处的材料的相对厚度以及每个阶梯的偏移是用于说明的目的，而非限制。
返回至图2，在200处，经由对象支撑物108和/或以其他方式，校准体模402被定位在检查区域106中，从而阶梯408能够被扫描。
在202处，校准体模402的阶梯经由轴向扫描来扫描。
在204处，对于每个探测器像素和对于每个能量分箱的计数率根据阶梯的厚度来确定并被存储在存储设备中。
在206处，确定校准体模的具有相对于第一区域的不同厚度的另一区域是否要被扫描。
如果确定具有不同厚度的校准体模的另一阶梯要被扫描，则在208处，经由对象支撑物108和/或以其他方式，校准体模被定位在检查区域106中，至要被扫描的下一个阶梯408，并重复动作202-206。
扫描的数量可以是基于阶梯的数量(例如，其能够是两个到十个、二十个、五十个或更多)。例如，每个阶梯能够被扫描，或阶梯的子集能够被扫描。
如果确定另一阶梯不被扫描，则在210处，对于每个探测器像素、对于每个能量分箱及对于每个被扫描的厚度的估计的计数率基于分析模型来确定。这些估计能够在动作202-208之前、同时和/或之后被确定。
所述估计能够使用C++和/或提供衰减模型的其他程序库来计算，所述衰减模型包括角度相关的X射线谱、各种材料的衰减特性、以及通过响应函数表示的光子计数探测器的特性。能够使用或其他接口。
在212处，校准因子140基于所测量和所估计的值来生成。例如，在一个非限制性实例中，校准因子140被生成作为估计除以测量结果的商。总体上，每个校正因子是将测量值映射或缩放到针对像素、分箱和厚度的特定组合的估计值的值。
通过非限制性范例的方式，其中，计数率的测量结果是针对(例如，由管阳极电流I和加速度电压U、蝴蝶结滤波器确定的)一组X射线通量和X射线谱的针对所有像素p＝1、...、NP、能量分箱b＝1、...、Nb和阶梯尺寸s＝1、…NS的Mb,p,s，如在实际扫描协议中后续实现的，校准因子的计算能够被表示为Cb,p,s＝Vb,p,s/Mb,p,s，其中，Vb,p,s是使用针对相同X射线通量和X射线谱的分析模型计算的预期计数率。
在214处，校准因子140被存储为查找表(LUT)和/或以其他方式被存储在存储器设备中。
转至图3，图示了用于利用在图2中生成的校准因子校准光子计数探测器的范例方法。
在302处，利用谱扫描器100和/或具有光子计数探测器像素的其他谱扫描器来扫描对象或物体。
在304处，如在本文中所描述的通过光子计数探测器像素和/或以其他方式输出的指示探测到的光子的能量的信号是经能量分辨的。
在306处，对于探测器像素/分箱组合，针对探测器像素和分箱的校准值由针对相同探测器像素和相同分箱的至少两个所存储的校准因子的插值来生成，其中一个对应于较小的厚度，一个对应于较大的厚度。
在308处，分别向相应的探测器像素/分箱组合的测量结果应用校准值。总体上，每个校正因子值将测量值转换为一组经校正的数据，其针对每个像素、分箱和厚度匹配分析的估计值。
在一个非限制性实例中，校准值通过对校准因子的插值来生成。通过非限制性范例的方式，这能够通过针对每个所测量的X射线强度mb,p找到阶梯数量来实现，从而使并计算经校正的测量结果vb,p＝其中，interp是适当的内插函数，例如线性的、多项式的、三次样条的、和/或其他插值方法。
在310处，经校正的信号被分解和/或重建。
总体上，分析模型对吸收剂的衰减进行建模，并且校准扫描表征来自所述建模的硬件特异性偏差。
上述动作可以通过计算机可读指令的方式来实现，所述计算机可读指令被编码或嵌入在计算机可读存储介质上(即，物理存储器和其他非暂态介质)，当其由微处理器执行时，所述计算机可读指令使处理器执行所描述的动作。额外地或备选地，计算机可读指令中的至少一个由信号、载波及其他暂态介质承载。
已参考优选实施例对本发明进行了描述。对于一旦阅读并理解了前述详细说明的其他人，可能想起修改和变更。其意图是本发明解释为包括所有这种修改和变更，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围之内。
Claims (16)
1.一种用于确定用于校准谱成像***的光子计数探测器的校准因子的方法，包括：
将所述光子计数探测器的启发式校准和所述光子计数探测器的分析式校准进行组合，其中，所述分析式校准基于分析模型；并且
基于所述启发式校准和所述分析式校准的所述组合来生成光子计数校准因子的集合；
将所述校准因子应用于来自所述谱成像***的所述光子计数探测器测得的能量分辨数据，生成经校正的数据；并且
使用所述分析模型来将所述经校正的数据分解为能量相关分量。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括，对于所述启发式校准：
扫描校准体模的多个阶梯，其中，所述校准体模由单一材料组成，并且每个阶梯具有已知的且不同的大致均匀的厚度，产生指示所述校准体模的所述多个阶梯的信号；并且
根据所述信号确定针对每个探测器像素、能量分箱和阶梯厚度组合测得的计数率。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括，对于所述分析式校准：
基于所述分析式校准的所述分析模型来确定针对所述组合的估计的计数率。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
将经校正的数据分解为康普顿分量、光电分量、以及一个或多个K边缘分量中的至少一个。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法，其中，扫描至少包括：
将所述校准体模定位在检查区域中以扫描所述校准体模的第一阶梯；
执行对所述校准体模的所述第一阶梯的轴向扫描；
将所述校准体模定位在所述检查区域中以扫描所述校准体模的第二阶梯，所述校准体模的所述第二阶梯具有与所述校准体模的所述第一阶梯的厚度不同的厚度；并且
扫描所述校准体模的所述第二阶梯。
6.根据权利要求3至4中的任一项所述的方法，将光子计数校准因子的所述集合确定作为所述估计的计数率除以所述测得的计数率的商。
7.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法，其中，扫描包括仅仅对所述校准体模的所述多个阶梯扫描一次。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
利用所述谱成像***执行对对象或物体的谱CT扫描，生成所述测得的能量分辨数据。
9.根据权利要求8所述的方法，所述应用包括：
利用所述校准因子对所述测得的能量分辨数据进行缩放以拟合所述分析模型。
10.根据权利要求8至9中的任一项所述的方法，所述应用包括：
获得针对能量分箱和第一厚度的针对探测器像素的第一校准因子；
获得针对所述能量分箱和第二厚度的针对所述探测器像素的第二校准因子，其中，感兴趣厚度处于所述第一厚度和所述第二厚度之间；
通过对所述第一校准因子和所述第二校准因子的插值来生成针对所述探测器像素和所述能量分箱的校准值；并且
计算所述校准值与针对所述探测器像素和所述能量分箱的测得的数据的乘积来生成所述经校正的数据。
11.根据权利要求8至9中的任一项所述的方法，还包括：
将所述经校正的数据分解为两个或更多个能量相关分量。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
重建针对所述两个或更多个能量相关分量中的至少一个的体积图像数据。
13.一种用于校准谱成像***的光子计数探测器像素的方法，包括：
将校准因子的集合应用于每个探测器像素/能量分箱对的每个测得的值，其中，所述校准因子是基于所述光子计数探测器的启发式校准和所述光子计数探测器的分析式校准的组合而被确定的，其中，所述分析式校准基于分析模型；并且
使用所述分析模型来将经校准的数据分解为两个或更多个能量相关分量；
其中，所述校准因子减轻由辐射强度轮廓整形器引起的谱失真，所述辐射强度轮廓整形器对由所述谱成像***执行的谱CT扫描的辐射射束进行滤波。
14.根据权利要求13所述的方法，所述应用还包括：
获得针对能量分箱和第一厚度的针对探测器像素的第一校准因子；
获得针对所述能量分箱和第二厚度的针对所述探测器像素的第二校准因子，其中，感兴趣厚度处于所述第一厚度和所述第二厚度之间；
通过对所述第一校准因子和所述第二校准因子的插值来生成针对所述探测器像素和所述能量分箱的校准值；并且
计算所述校准值与针对所述探测器像素和所述能量分箱的测得的数据的乘积，从而生成经校准的数据。
15.根据权利要求14所述的方法，所述计算包括：
利用所述校准值对所述测得的能量分辨数据进行缩放以拟合所述分析模型。
16.一种光子计数探测***，包括：
校准因子生成器(114)，其确定针对谱CT成像***的光子计数探测器像素的光子计数校准因子的集合，其中，所述校准因子生成器根据数据和分析模型基于针对每个探测器像素、能量分箱和厚度组合的计数来确定光子计数校准因子的所述集合，所述数据来自通过所述谱CT成像***对由单一材料组成的单个体模的多个阶梯的单次扫描，其中，每个阶梯具有已知的且不同的大致均匀的厚度，所述分析模型估计针对相同探测器像素、能量分箱和厚度组合的计数；以及
数据校正器(138)，其基于光子计数校准因子的所述集合来校正来自响应于利用所述谱CT成像***对对象或物体的扫描所产生的所述对象或物体的所述光子计数探测器像素测得的数据；
信号分解器，其使用相同的分析模型来将经校正的测得的数据分解为两个或更多个能量相关分量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |