CN110161549B - 一种控制脉冲堆叠的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种控制脉冲堆叠的方法及装置，具体为，首先获取扫描仪参数，该扫描仪参数可以包括扫描所使用的曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量。并根据扫描仪参数中每圈扫描的投影数量和放射源初始位置计算每个投影对应的放射源角度，然后以目标函数的输出值最小化为目标，计算在上述曝光电压每个投影对应的最优曝光电流，从而获得每圈扫描中每个投影对应的最优曝光电流。在实际扫描时，可以实时根据每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，然后利用当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描，实现控制入射到像素单元的光子计数率，进而将每一次投影时光子计数探测器的脉冲堆叠控制在一定范围内，优化成像质量。

Description

一种控制脉冲堆叠的方法及装置
技术领域
本申请涉及CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)技术领域，具体涉及一种控制脉冲堆叠的方法及装置。
背景技术
CT扫描器一般包括放射源(例如球管)和探测器等主要部件。放射源发出放射线(例如X射线)，经过物体衰减后，被探测器接收到并转换成计算机能识别的信号，供图像重建使用。在实际应用中，探测器可以为光子计数探测器，光子计数探测器可以直接将单光子能量信息转换成脉冲信号，脉冲高度对应放射线光子的能量，脉冲数则对应光子的数量。
光子计数探测器具有能量分辨的优势，但在实际应用中也依然存在不足。由于光子探测计数器的脉冲形成、甄别和计数需要一定的时间(即死区时间)，如果先后入射到探测器像素单元的光子时间间隔小于死区时间，则探测器将无法独立分辨入射的每一个光子，这些相邻入射光子产生的脉冲信号将会叠加在一起，构成脉冲堆叠。脉冲堆叠不仅引起光子计数损失，而且会导致能谱畸变，这对光子计数CT成像十分不利。因此，在光子计数CT中，为了实现较好的成像质量，必须对脉冲堆叠进行有效的控制。
对脉冲堆叠的控制，本质上就是要控制入射到像素单元的光子入射计数率(即单位时间内入射到探测器像素单元的光子个数)。控制入射光子计数率(Incident CountRate，ICR)，目前主要的实现方法包括：(1)从射线源上减少发射光子数量，即从总体上适当减小管电压和管电流；(2)从衰减过程减少最终透射的光子数，即采用适当的形状过滤器对入射光子进行过滤；(3)减小像素单元尺寸，从而在同等曝光水平下，降低入射到每个像素单元的光子计数率。
上述方法虽然可以从总体上将脉冲堆叠控制在一定的水平，但是，无法根据扫描的实际情况动态控制脉冲堆叠的水平，适用范围具有局限性。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种控制光子计数探测器脉冲堆叠的方法及装置，以解决现有技术中无法动态控制脉冲堆叠的技术问题。
为解决上述问题，本申请实施例提供的技术方案如下：
一种控制脉冲堆叠的方法，所述方法包括：
获取扫描协议参数，所述扫描协议参数包括曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量；
根据所述每圈扫描的投影数量和放射源初始位置计算第i个投影对应的放射源角度；
以目标函数的输出值最小化为目标，计算在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流，i为正整数，i的取值为1至所述每圈扫描的投影数量；
所述目标函数的输出值由第i个投影对应的光子计数探测器各个像素单元的入射光子计数率ICR决定，所述目标函数满足如下条件：当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR大于ICR最大值越多或者小于ICR最小值越多，所述目标函数的输出值增加越多，当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR小于或等于所述ICR最大值且大于或等于所述ICR最小值，所述目标函数的输出值保持不变或增加预设范围内的值，j为正整数，j的取值为1至所述像素单元的数量；
所述第i个投影对应的第j个像素单元的ICR由所述曝光电压、曝光电流、扫描对象的衰减系数以及路径长度确定，所述路径长度为所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过扫描对象的路径长度；
在扫描过程中，根据所述每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，以所述当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
建立标准几何模型，所述标准几何模型的纵断面为椭圆；
则所述路径长度的计算过程包括：
计算所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过所述标准几何模型的路径长度，作为所述路径长度。
在一种可能的实现方式中，在计算在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流之前，所述方法还包括：
进行定位扫描，确定扫描对象的尺寸；
根据所述扫描对象的尺寸，对所述标准几何模型进行缩放得到所述扫描对象的等效几何模型；
则所述路径长度的计算过程包括：
计算所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过所述等效几何模型的路径长度，作为所述路径长度。
在一种可能的实现方式中，所述ICR最大值由计数损失率最大值以及死区时间确定的；
所述ICR最小值由信噪比最小值、所述像素单元的面积以及单个投影的持续曝光时间确定，所述单个投影的持续曝光时间由所述每圈扫描的曝光时间除以所述每圈扫描的投影数量得到。
在一种可能的实现方式中，所述以目标函数的输出值最小化为目标，计算在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流，包括：
根据所述曝光电压以及不同的曝光电流计算出多组所述第i个投影对应的各个像素单元的ICR；
根据每组所述第i个投影对应的各个像素单元的ICR，分别计算所述目标函数的输出值；
在计算得到的目标函数的输出值中确定出目标函数输出值的最小值；
将得到所述目标函数输出值的最小值对应的曝光电流确定为在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流。
一种控制脉冲堆叠的装置，所述装置包括：
获取单元，用于获取扫描协议参数，所述扫描协议参数包括曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量；
第一计算单元，用于根据所述每圈扫描的投影数量和放射源初始位置计算第i个投影对应的放射源角度；
第二计算单元，用于根据以目标函数的输出值最小化为目标，计算在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流，i为正整数，i的取值为1至所述每圈扫描的投影数量；
所述目标函数的输出值由第i个投影对应的光子计数探测器各个像素单元的入射光子计数率ICR决定，所述目标函数满足如下条件：当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR大于ICR最大值越多或者小于ICR最小值越多，所述目标函数的输出值增加越多，当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR小于或等于所述ICR最大值且大于或等于所述ICR最小值，所述目标函数的输出值保持不变或增加预设范围内的值，j为正整数，j的取值为1至所述像素单元的数量；
所述第i个投影对应的第j个像素单元的ICR由所述曝光电压、曝光电流、扫描对象的衰减系数以及路径长度确定，所述路径长度为所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过扫描对象的路径长度；
第一确定单元，用于在扫描过程中，根据所述每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，以所述当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：
建立单元，用于建立标准几何模型，所述标准几何模型的纵断面为椭圆；
则所述路径长度的计算过程包括：
计算所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过所述标准几何模型的路径长度，作为所述路径长度。
在一种可能的实现方式中，在执行所述第二计算单元之前，所述装置还包括：
定位单元，用于进行定位扫描，确定扫描对象的尺寸；
第二确定单元，用于根据所述扫描对象的尺寸，对所述标准几何模型进行缩放得到所述扫描对象的等效几何模型；
则所述路径长度的计算过程包括：
计算所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过所述等效几何模型的路径长度，作为所述路径长度。
在一种可能的实现方式中，所述ICR最大值由计数损失率最大值以及死区时间确定的；
所述ICR最小值由信噪比最小值、所述像素单元的面积以及单个投影的持续曝光时间确定，所述单个投影的持续曝光时间由所述每圈扫描的曝光时间除以所述每圈扫描的投影数量得到。
在一种可能的实现方式中，所述第二计算单元，包括：
第一计算子单元，用于根据所述曝光电压以及不同的曝光电流计算出多组所述第i个投影对应的各个像素单元的ICR；
第二计算子单元，用于根据每组所述第i个投影对应的各个像素单元的ICR，分别计算所述目标函数的输出值；
第一确定子单元，用于在计算得到的目标函数的输出值中确定出目标函数输出值的最小值；
第二确定子单元，用于将得到所述目标函数输出值的最小值对应的曝光电流确定为在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流。
由此可见，本申请实施例具有如下有益效果：
本申请实施例首先获取扫描仪参数，该扫描仪参数可以包括扫描所使用的曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量。并根据扫描仪参数中每圈扫描的投影数量和放射源初始位置计算每个投影对应的放射源角度，然后以目标函数的输出值最小化为目标，计算在上述曝光电压每个投影对应的最优曝光电流，从而获得每圈扫描中每个投影对应的最优曝光电流。在实际扫描时，可以实时根据每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，然后利用当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描。即，通过本申请实施例提供的技术方案，可以根据投影位置和投影角度的实时变化控制曝光电流，实现控制入射到像素单元的光子计数率，进而将每一次投影时光子计数探测器的脉冲堆叠控制在一定范围内，优化成像质量。
附图说明
图1为本申请实施例提供的扫描设备示意图；
图2为本申请实施例提供的一种控制脉冲堆叠的方法流程图；
图3为本申请实施例提供的一种放射源扫描实例图；
图4为本申请实施例提供的一种获取最优曝光电流的方法流程图；
图5为本申请实施例提供的一种控制脉冲堆叠的装置结构图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。
为便于理解本申请实施例提供的技术方案，先对本申请的背景技术进行说明。
发明人通过对传统的脉冲堆叠控制方法研究中发现，传统的对脉冲堆叠的控制，主要采用以下三种方法：一是，从总体上降低管电压和管电流。具体为通过适当降低曝光的电压和电流，在射线发射端抑制光子计数率，从而减小了单位时间内最终入射到探测器像素单元的光子数。二是，采用适当的过滤器对入射光子进行过滤。放射线束通过过滤器之后被衰减，入射到探测器的光子计数率降低，从而减少脉冲堆叠。三是，减小探测器像素单元尺寸。通过减小探测器像素单元尺寸，可以在同样的曝光水平下减小入射到每个探测器像素单元的光子数量，从而增大入射光子之间的平均时间间隔，达到减小脉冲堆叠的效果。虽然上述三种方法均可以从总体上将脉冲堆叠控制在一定水平，但在扫描过程中，随着扫描位置和投影角度的变化，射线衰减长度不断变化，而上述方法均无法自适应地实时控制每个扫描部位和投影角度下的脉冲堆叠水平，适用范围具有局限性。
基于此，本申请实施例提供了一种控制脉冲堆叠的方法及装置，在正式扫描之前，先获取扫描协议参数，根据扫描协议参数以及目标函数确定每圈扫描中每个投影对应的最优曝光电流。在进行扫描时，可以根据每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，即根据投影角度的实时变化，自适应地利用当前投影角度对应的最优曝光电流将脉冲堆叠控制在最佳水平，从而提升成像质量。
为便于理解本申请中对脉冲堆叠的控制，下面将结合附图对本申请中涉及的技术术语进行说明。参见图1所示，为现有技术中的计算机断层扫描(CT)设备示意图。其中，计算机断层扫描设备采用锥形束CT扫描仪，也可以利用扇形束来实现，对此不进行限制。
该扫描仪包括支架101，该支架101可以绕旋转轴102旋转。可以理解的是，该支架101可以由电机(图中未示出)来驱动。
放射源104可以为X光源，通过孔径105形成锥形辐射束106，锥形辐射束106可以穿过布置在支架101的中心位置的扫描对象107，撞击到探测器108上。探测器108布置在与放射源104相对位置的支架101上，这样可以使探测器器108的表面由锥形辐射束106覆盖。
对扫描对象107进行扫描期间，将放射源104、孔径105和探测器108以箭头116所示的方向沿支架101旋转。当应用于医疗领域时，所述扫描对象107为患者，患者沿着旋转轴102的方向平行移动，同时，支架101也可以旋转，沿着螺旋扫描路径对患者进行扫描。
其中，探测器108可以包括n行m列个像素单元，用于接收经扫描对象107衰减后的射线即光子，例如图中123则为位于第3行第7列的像素单元。
通过上述描述，可以清楚理解CT扫描仪的工作原理，下面将在上述的基础上，对本申请提供的技术方案先进行整体概括。本申请方案的实现主要包括三部分，一是相关***响应曲线的确定，二是标准控制模型的建立，三是实时扫描和控制，下面将一一进行介绍。
一、***响应关系曲线的确定
本实施例中，***响应曲线主要包括以下三个方面：
1、放射源发射光子计数率(Emitted Count Rate，ECR)与曝光电压、曝光电流之间的响应关系曲线，其中，放射源发射光子计数率ECR可定义为：真空(或空气)扫描情况下(即未放置扫描对象时)，单位时间内一个像素单元上的入射光子个数，也即没有扫描物体时，入射到探测器像素单元的光子计数率，具体三者之间的响应关系曲线可以如公式(1)：
ECR＝F(V,I,d) (1)
其中，V为曝光电压、I为曝光电流，d为放射源到探测器的距离，F表示ECR与V、I、d之间的函数关系。
2、像素单元的入射光子计数率ICR与ECR之间的响应关系曲线，其中，ICR表示放射线经过扫描对象衰减后单位时间内进入一个像素单元光子数，具体二者之间的响应关系曲线可以如公式(2)：
ICR＝g(ECR；I,μ,L) (2)
其中，I为曝光电流、μ为扫描对象的衰减***、L为当前投影对应的放射源角度下射线穿过物体的路径长度，g表示ICR与ECR、I、μ、L之间的函数关系。
3、像素单元的输出光子计数率(Observed Count Rate，OCR)与入射光子计数率ICR以及死区时间之间的响应关系，具体可以如公式(3)：
OCR＝h(ICR,TD) (3)
其中，ICR为入射光子计数率、TD为死区时间，h表示OCR与ICR、TD之间的函数关系。
二、标准控制模型的建立
标准控制模型的建立，主要包括以下两个方面：
1、建立扫描对象的标准几何模型，当扫描对象为人，则可对人身体部分任意纵断面建立椭圆型(设半长轴为a，半短轴为b)模型，则该断面的标准几何模型可表示为：
Figure BDA0002052001550000091
2、建立目标函数，该目标函数的确定主要考虑两个方面，一方面脉冲堆叠的程度取决于入射光子计数率ICR，因此，必须将像素单元的ICR控制在一定水平，以保证脉冲堆叠导致的计数损失和能谱畸变在可接受的范围；另一方面是应保证每个像素单元接收足够的光子数量，从而保证一定的信噪比，即需要对ICR设定下限。也就是，使得每个像素单元的入射光子计数率ICR控制在上下限之间，因此，目标函数可以表示为：
z＝f(ICR；ICRmin,ICRmax) (5)
其中，ICR表示各个像素单元的入射光子计数率ICR构成的向量，ICR＝[ICR[1]、ICR[2]、ICR[3]、…、ICR[N]]，其中，ICR[1]表示第一个探测器像素单元的入射光子计数率、ICR[2]表示第二个像素单元的入射光子计数率、ICR[3]表示第三个像素单元的入射光子计数率、ICR[N]表示第N个像素单元的入射光子计数率，N为像素单元个数。ICRmin和ICRmax分别为入射光子计数率的控制上下限。在实际应用时，尽量使得各个像素单元的ICR大于或等于ICRmin，并且小于或等于ICRmax。
在构造目标函数f时，需满足的条件是，当像素单元的ICR超过ICRmax或低于ICRmin越多，目标函数的输出值增加越快；当像素单元的ICR位于ICRmin与ICRmax之间时，目标函数的输出值不变或者增加较慢。本申请实施例中，目标函数可以在满足该条件的情况下任意构建。
其中，ICRmin和***本身的噪声相关，通过实验可以获得信噪比与ICR之间的关系表达式：
SNR＝H(ICR；Apixel,Tview) (6)
其中，Apixel表示一个像素单元面积，Tview为一个投影的扫描时间，H为函数关系，若要求信噪比SNR≥α，则可以获得：
ICRmin＝H-1(α；Apixel,Tview) (7)
其中，H-1为H的反函数，具体是指以Apixel和Tview为参数时，关于变量ICR和SNR的反函数。
ICRmax与计数损失率(Deadtime Loss Rate，DLR)有关，而DLR与入射光子计数率ICR以及输出光子计数率OCR相关，而OCR与ICR以及死区时间TD相关，则与计数损失率之间的关系可以：
Figure BDA0002052001550000111
公式(3)和公式(8)结合，可以得到：
DLR＝G(ICR,TD) (9)
若要求信噪比DLR≤β，则可以获得：
ICRmax＝G-1(β,TD) (10)
其中，G-1为G的反函数，具体是指以TD为参数时，关于变量ICR和DLR的反函数。
基于上述描述，下面将结合附图对本申请实施例提供的控制脉冲堆叠的方法进行说明。
参见图2，该图为本申请实施例提供的一种控制脉冲堆叠的方法流程图，如图2所示，该方法可以包括：
S201：获取扫描协议参数，扫描协议参数包括曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量。
本实施例中，首先获取扫描协议参数，该扫描协议参数可以为预先设定的参数，包括曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量。
需要说明的是，在本实施例中，用于扫描的曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量可以为确定值，在已知上述扫描协议参数的条件下，根据上述扫描仪参数执行S202。
S202：根据每圈扫描的投影数量和放射源初始位置计算第i个投影对应的放射源角度。
本实施例中，在每圈扫描的投影数量放射源初始位置已知的情况下，可以计算获得每个投影对应的放射源角度。参见图3所示，放射源扫描实例图，可以将放射源位于正上方时对应的放射源角度设置为初始位置，向左旋转，角度依次增加。例如，每圈扫描角度为360度，每圈扫描的投影数量为180个，则每个投影对应的放射源角度为2度，即第1个投影对应的放射源角度为2度，第2个投影对应的放射源角度为4度，第3个投影对应的放射源角度为6度，以此类推。
同理，在每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量确定的条件下，还可以确定出第i个投影对应的曝光时长，即每个投影对应的曝光时段。例如，每圈扫描的曝光时间为36秒，每圈扫描的投影数量为180个，则每个投影对应的曝光时长为0.2秒，即第1个投影对应的曝光时段为0秒-0.2秒，第2个投影对应的曝光时段为0.2秒-0.4秒，第3个投影对应的曝光时段为0.4秒-0.6秒，以此类推。
S203：以目标函数的输出值最小化为目标，计算在曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流，i为正整数，i的取值为1至所述每圈扫描的投影数量。
本实施例中，以目标函数的输出值最小化为目标，计算出在当前曝光电压下每个投影对应的最优曝光电流，从而实现可以在扫描过程中实时控制脉冲堆叠度。例如，每圈扫描的投影数量为180个，则共计算获得180个最优曝光电流。
其中，目标函数的输出值由第i个投影对应的光子计数探测器各个像素单元的入射光子计数率ICR决定，该目标函数满足如下条件：当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR大于ICR最大值越多或者小于ICR最小值越多，该目标函数的输出值增加越多，当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR小于或等于ICR最大值且大于或等于ICR最小值，该目标函数的输出值保持不变或增加预设范围内的值，j为正整数，j的取值为1至所述像素单元的数量。
通过前述可知，目标函数与某一投影对应的每个像素单元的入射光子计数率ICR、ICR最小值以及ICR最大值相关。其中，该投影对应的第j个像素单元的ICR由曝光电压、曝光电流、扫描对象的衰减系数以及路径长度确定，其中，路径长度为该投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过扫描对象的路径长度。在具体实现时，可以利用公式(2)计算获得该投影对应的每个像素单元的ICR。
当确定出该投影对应的每个像素单元的ICR后，确定每个ICR与ICR最大值以及ICR最小值之间的关系，如果第一个像素单元的ICR[1]大于ICR最大值，或ICR小于ICR最小值时，目标函数的输出值增加一个大数，如果第二个像素单元的ICR[2]大于ICR最大值，或ICR小于ICR最小值时，目标函数的输出值再增加一个大数，如果第三个像素单元的ICR[3]小于或等于ICR最大值且大于或等于ICR最小值，则该目标函数值的输出值保持不变或增加预设范围内的值，该预设范围内的值可以为一个比较小的值，依次计算，从而可以获得该投影对应的目标函数输出值。则通过调整曝光电流，可以得到该投影对应的不同的目标函数输出值，以目标函数输出值最小化为目标，则可以得到该投影对应的最优曝光电流。
在具体实现时，目标函数输出值的增加值可以根据实际情况进行设定，例如，当像素单元的ICR小于ICR最小值时，增加值Δ＝w0*(ICR-ICRmin)2，当像素单元的ICR大于ICR最大值，增加值Δ＝w1*(ICR-ICRmax)2，当像素单元的ICR小于或等于ICR最大值且大于或等于ICR最小值，增加值Δ＝w2*[(ICR-ICRmin)2+(ICR-ICRmax)2]，其中，w0、w1、w2可以根据实际情况设定，如w0＝w1＝0.5，w2＝0。当像素单元的ICR大于ICR最大值较多或者小于ICR最小值较小时，目标函数对应的增加值就会越大，从而使得目标函数的输出值增加越多；当像素单元的ICR小于或等于ICR最大值且大于或等于ICR最小值，目标函数对应的增加值较小，从而使得目标函数输出值保持不变或增加预设范围内的值。
其中，ICR最大值由计数损失率最大值以及死区时间确定的；ICR最小值由信噪比最小值、像素单元的面积以及单个投影的持续曝光时间确定，单个投影的持续曝光时间由每圈扫描的曝光时间除以每圈扫描的投影数量得到。在具体实现时，ICR最大值可以根据公式(10)计算获得，ICR最小值可以根据公式(7)计算获得。
在实际应用中，只要满足上述要求，可以根据实际需求任意构造目标函数。其中，关于如何确定第i个投影对应的最优曝光电流将在后续实施例进行说明。
S204：在扫描过程中，根据每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，以当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描。
本实施例中，当确定了每个投影对应的最优曝光电流后，在实际扫描过程中，可以根据每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，然后以当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描，从而实现实时控制曝光电流，控制每处投影的脉冲堆叠在最优水平。
在具体实现时，可以根据每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前投影。例如，每圈扫描的曝光时间为36秒，当前曝光时刻为第0.7秒，当每圈扫描的投影数量为180时，每个投影持续的曝光时间为0.2秒，则当前曝光时刻为第4个投影，则获取第4个投影对应的最优曝光电流，利用该最优曝光电流控制放射源发射放射线。
通过上述实施例可知，本申请实施例首先获取扫描仪参数，该扫描仪参数可以包括扫描所使用的曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量。并根据扫描仪参数中每圈扫描的投影数量和放射源初始位置计算每个投影对应的放射源角度，然后以目标函数的输出值最小化为目标，计算在上述曝光电压每个投影对应的最优曝光电流，从而获得每圈扫描中每个投影对应的最优曝光电流。在实际扫描时，可以实时根据每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，然后利用当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描。即，通过本申请实施例提供的技术方案，可以根据投影位置和投影角度的实时变化控制曝光电流，实现控制入射到像素单元的光子计数率，进而将每一次投影时光子计数探测器的脉冲堆叠控制在一定范围内，优化成像质量。
通过上述描述，像素单元的ICR与路径长度有关，而路径长度为当前投影对应的放射源角度下放射线由放射源到该像素单元时经过扫描对象的路径长度，为便于计算该路径长度，本实施例提供了一种可能的实现方式，即建立标准几何模型，该标准几何模型的纵断面为椭圆，然后计算第i个投影对应的放射源角度下放射源到第j个像素单元时经过该标准几何模型的路径长度，作为路径长度。
在具体实现时，建立的标准几何模型的纵断面可以如公式(4)所示，当确定第i个投影对应的放射源角度时，可以计算该放射源角度下放射源到第j个像素单元的放射线与标准几何模型的交点，并计算放射线与标准几何模型相交的两个交点之间的距离，即为路径长度。
需要说明的是，在实际应用中可以根据扫描对象建立不同的标准几何模型，例如椭圆柱体模型、椭球模型。
可以理解的是，在另一种可能的实现方式中，由于扫描对象不同，在实际扫描时，还可以根据扫描对象建立等效几何模型，以便利用等效几何模型确定实际路径长度。具体为，在计算在曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流之前进行定位扫描，确定扫描对象的尺寸；根据扫描对象的尺寸，对标准几何模型进行缩放得到扫描对象的等效几何模型；则路径长度的计算过程包括：计算第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过等效几何模型的路径长度，作为路径长度。
在具体实现时，通过定位扫描，确定扫描位置以及扫描范围进而确定扫描对象的尺寸，并根据扫描对象的尺寸，确定扫描对象纵断面的长半轴和短半轴，进而对标准几何模型进行缩放，获得扫描对象的等效几何模型。然后将第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元经过等效几何模型的路径长度，作为实际衰减长度。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，提供了一种获得每个投影对应的最优曝光电流的方法，下面将结合附图对该方法进行说明。
参见图4，该图为本申请实施例提供的一种获取最优曝光电流的方法流程图，如图4所示，该方法可以包括：
S401：根据曝光电压以及不同的曝光电流计算出多组第i个投影对应的各个像素单元的ICR。
本实施例中，将曝光电压作为确定值，曝光电流作为变量，遍历可能的曝光电流，从而得到多组第i个投影对应的各个像素单元的ICR。
为便于理解，以每圈扫描中的一个投影为例，例如光子计数探测器共包括15个像素单元，曝光电流为0.1mA时，根据公式(1)和公式(2)计算该投影对应的第一组ICR0.1[1]、ICR0.1[2]、ICR0.1[3]、…、ICR0.1[15]；曝光电流为0.2mA时，根据公式(1)和公式(2)计算该投影对应的第二组ICR0.2[1]、ICR0.2[2]、ICR0.2[3]、…、ICR0.2[15]；曝光电流为0.3mA时，根据公式(1)和公式(2)计算该投影对应的第三组ICR0.3[1]、ICR0.3[2]、ICR0.3[3]、…、ICR0.3[15]，遍历所有可能的曝光电流，得到多组ICR值。
S402：根据每组第i个投影对应的各个像素单元的ICR，分别计算目标函数的输出值。
本实施例中，当获得第i个投影的多组ICR值后，根据每组ICR对应的各个像素单元的ICR，计算该组对应的目标函数的输出值，从而获得每组ICR对应的目标函数的输出值。
在具体实现时，可以根据公式(5)构造具体的目标函数，并利用所构造的目标函数计算每组ICR对应的目标函数的输出值。例如，将第一组ICR代入所构造的目标函数中，获得输出值z1；将第二组ICR代入所构造的目标函数中，获得输出值z2；将第三组ICR所构造的目标函数中，获得输出值z3。
S403：在计算得到的目标函数的输出值中确定出目标函数输出值的最小值。
本实施例中，当通过S402计算获得每组ICR对应目标函数输出值后，在多组目标函数输出值中确定出最小值。例如，共获得三个目标函数输出值z1、z2、z3，从三个目标函数输出值中确定最小值。
S404：将得到目标函数输出值的最小值对应的曝光电流确定为在曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流。
本实施例中，当确定目标函数输出值的最小值后，将该最小值对应的曝光电流确定为在曝光电压下当前投影对应的最优曝光电流。当扫描时，当放射源进行当前投影时，则利用该曝光电流进行投影扫描。例如，最小值为z2，则将z2对应的曝光电流0.2mA确定为当前投影对应的最优曝光电流。
需要说明的是，对于每圈扫描对应的各个投影，均可以通过上述方案确定出每个投影对应的最优曝光电流。本实施例采用了穷举法来获得每个投影对应的最优曝光电流，在具体实现时，还可采用黄金分割法、抛物线法等数学方法来确定每个投影对应的最优曝光电流，本实施例在此不做限定。
通过本实施例提供的方法，可以确定出每圈扫描中每个投影对应的最优曝光电流，当实际扫描时，可以实时根据当前扫描时间或扫描角度获取当前投影对应的最优曝光电流，利用该最优曝光电流进行扫描，以达到实时控制脉冲堆叠在最优水平，提高成像质量。
为便于理解，下面以Non-paralyzable型光子探测器作为例子进行说明(所谓Non-paralyzable型，即光子入射到某个像素单元后，开始采集脉冲信号，无论是否发生脉冲堆叠，信号采集时间总是为一个固定的死区时间TD)，则变毫安控制方案的实现过程如下。
第一部分：确定***响应关系
(1)确定放射源发射光子计数率ECR与曝光电压V、曝光电流I以及d之间的响应关系曲线ECR＝F(V,I,d)。当曝光电压V一定时，发射光子计数率与管电流I成正比，因此可得：
ECR＝I*ECR0(V,d) (11)
其中，ECR0(V，d)表示曝光电压为V且放射源到探测器的距离为d时，1mAs(毫安秒)的曝光下，单个像素单元的入射光子数。因此，只需要在真空条件(或者以空气扫描近似)，采用较低的曝光电流进行曝光测量(确保脉冲堆叠几乎可以忽略不计)，得到不同管电压下的ECR0即可。
(2)探测器像素单元的输出光子计数率OCR与入射光子计数率ICR和死区时间TD之间的响应关系曲线，可直接采用Non-paralyzable型光子计数探测器的理论关系得到，即：
Figure BDA0002052001550000181
第二部分：建立标准控制模型
(1)建立标准几何模型。设扫描目标对象是人，则可对人的身体部分任意断层截面建立椭圆模型(设半长轴为a0，半短轴为b0)，则该断面的几何模型可表示为：
Figure BDA0002052001550000182
(2)计算衰减线积分。近似按平均衰减系数来估计，设该断面平均衰减系数为μ，则根据衰减系数μ和几何模型(13)确定等效几何模型，可计算出第i个投影下第j条射线(对应于某个探测器像素)的衰减长度即路径长度为Lij。
(3)建立控制标准和目标函数。控制标准的建立主要是确定光子入射计数率ICR的上下限，上限主要控制脉冲堆叠水平，下限则是为了保证每个像素单元都有足够的入射光子数，从而保证信噪比。对于脉冲堆叠水平，可由光子计数损失率DLR评价，其定义为：
Figure BDA0002052001550000191
其中OCR与ICR的响应曲线已由第一部分给出，由此可直接得到DLR与ICR的关系，即：
Figure BDA0002052001550000192
为了将脉冲堆叠控制在一定的水平，要求DLR≤DLR0，其中DLR0可根据需要确定(例如10％,30％...)。对于下限，可要求每个像素单元的入射光子数在一定水平以上，即ICR[j]*Tview≥N0,其中，Tview为每个投影的持续曝光时间，由此可得对ICR的上下限控制标准为：
Figure BDA0002052001550000193
然而在实际扫描中往往可能无法保证所有像素单元都处在上述水平，因此在实际中可要求尽可能多的像素单元满足上述关系，例如建立如下目标函数：
Figure BDA0002052001550000194
其中，
Figure BDA0002052001550000201
式中，w0、w1、w2为控制权重，通过调节三个权重可调节对入射光子数和脉冲堆叠的相对控制要求。例如可取w0＝w1＝0.5，w2＝0。
第三部分：实时扫描控制
输入扫描协议参数，例如扫描部位、曝光电压V、旋转一圈的曝光时间T、每一圈扫描的投影数量Nview等。曝光电压一旦确定则可由公式(1)得到放射源发射光子计数率ECR与管电流I之间的关系，根据运动参数可得到运动方程，对于上述断层扫描而言，运动方程即放射源旋转角度和时间的关系，即：
Figure BDA0002052001550000202
其中
Figure BDA0002052001550000203
为放射源初始位置，t为当前曝光时刻。根据上式，可计算得到当前曝光时刻的放射源位置，从而可以确定当前所处投影。
执行定位扫描，确定扫描位置和扫描范围，通过定位扫描，可确定扫描对象的尺寸，例如可估计扫描对象纵断面的等效半长轴和短轴分别为a1和b1，则对标准几何模型进行缩放，获得等效几何模型，进而得到第i个投影第j条射线的实际衰减长度。
根据缩放后的等效几何模型、响应关系、控制目标以及运动方程计算出最优曝光电流。第i个投影第j个像素单元的ICR与曝光电流的关系可表示为：
Figure BDA0002052001550000204
利用式(20)和式(17)可求解出第i个投影对应的最优曝光电流Ii，1≤i≤Nview，控制单元根据最优曝光电流实时控制曝光电流变化完成本次扫描。
通过该应用实施例可知，可根据投影位置和投影角度的变化实时控制入射到像素单元的光子数，将每一次投射时光子计数探测器的脉冲堆叠控制在最优水平，同时可以灵活调整信噪比。
需要注意的是，本申请实施例不仅适用于断层扫描，还适用于螺旋扫描。光子探测器不局限于Non-paralyzable型探测器，各个响应关系可以根据实测、模拟、理论估计等方式确定。
基于上述方法实施例，本申请还提供了一种控制脉冲堆叠的装置，下面将结合附图对该装置进行说明。
参见图5，该图为本申请实施例提供的一种控制脉冲堆叠的装置结构图，如图5所示，该装置包括：
获取单元501，用于获取扫描协议参数，所述扫描协议参数包括曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量；
第一计算单元502，用于根据所述每圈扫描的投影数量和放射源初始位置计算第i个投影对应的放射源角度；
第二计算单元503，用于根据以目标函数的输出值最小化为目标，计算在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流，i为正整数，i的取值为1至所述每圈扫描的投影数量；
所述目标函数的输出值由第i个投影对应的光子计数探测器各个像素单元的入射光子计数率ICR决定，所述目标函数满足如下条件：当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR大于ICR最大值越多或者小于ICR最小值越多，所述目标函数的输出值增加越多，当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR小于或等于所述ICR最大值且大于或等于所述ICR最小值，所述目标函数的输出值保持不变或增加预设范围内的值，j为正整数，j的取值为1至所述像素单元的数量；
所述第i个投影对应的第j个像素单元的ICR由所述曝光电压、曝光电流、扫描对象的衰减系数以及路径长度确定，所述路径长度为所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过扫描对象的路径长度；
第一确定单元504，用于在扫描过程中，根据所述每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，以所述当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：
建立单元，用于建立标准几何模型，所述标准几何模型的纵断面为椭圆；
则所述路径长度的计算过程包括：
计算所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过所述标准几何模型的路径长度，作为所述路径长度。
在一种可能的实现方式中，在执行所述第二计算单元之前，所述装置还包括：
定位单元，用于进行定位扫描，确定扫描对象的尺寸；
第二确定单元，用于根据所述扫描对象的尺寸，对所述标准几何模型进行缩放得到所述扫描对象的等效几何模型；
则所述路径长度的计算过程包括：
计算所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过所述等效几何模型的路径长度，作为所述路径长度。
在一种可能的实现方式中，所述ICR最大值由计数损失率最大值以及死区时间确定的；
所述ICR最小值由信噪比最小值、所述像素单元的面积以及单个投影的持续曝光时间确定，所述单个投影的持续曝光时间由所述每圈扫描的曝光时间除以所述每圈扫描的投影数量得到。
在一种可能的实现方式中，所述第二计算单元，包括：
第一计算子单元，用于根据所述曝光电压以及不同的曝光电流计算出多组所述第i个投影对应的各个像素单元的ICR；
第二计算子单元，用于根据每组所述第i个投影对应的各个像素单元的ICR，分别计算所述目标函数的输出值；
第一确定子单元，用于在计算得到的目标函数的输出值中确定出目标函数输出值的最小值；
第二确定子单元，用于将得到所述目标函数输出值的最小值对应的曝光电流确定为在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流。
需要说明的是，本实施例中各单元的实现可以参见上述方法实施例，本实施例在此不再赘述。
通过上述可知，本申请实施例首先获取扫描仪参数，该扫描仪参数可以包括扫描所使用的曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量。并根据扫描仪参数中每圈扫描的投影数量和放射源初始位置计算每个投影对应的放射源角度，然后以目标函数的输出值最小化为目标，计算在上述曝光电压每个投影对应的最优曝光电流，从而获得每圈扫描中每个投影对应的最优曝光电流。在实际扫描时，可以实时根据每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，然后利用当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描。即，通过本申请实施例提供的技术方案，可以根据投影位置和投影角度的实时变化控制曝光电流，实现控制入射到像素单元的光子计数率，进而将每一次投影时光子计数探测器的脉冲堆叠控制在一定范围内，优化成像质量。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种控制脉冲堆叠的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取扫描协议参数，所述扫描协议参数包括曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量；
根据所述每圈扫描的投影数量和放射源初始位置计算第i个投影对应的放射源角度；
以目标函数的输出值最小化为目标，计算在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流，i为正整数，i的取值为1至所述每圈扫描的投影数量；
所述目标函数的输出值由第i个投影对应的光子计数探测器各个像素单元的入射光子计数率ICR决定，所述目标函数满足如下条件：当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR大于ICR最大值越多或者小于ICR最小值越多，所述目标函数的输出值增加越多，当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR小于或等于所述ICR最大值且大于或等于所述ICR最小值，所述目标函数的输出值保持不变或增加预设范围内的值，j为正整数，j的取值为1至所述像素单元的数量；
所述第i个投影对应的第j个像素单元的ICR由所述曝光电压、曝光电流、扫描对象的衰减系数以及路径长度确定，所述路径长度为所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过扫描对象的路径长度；
在扫描过程中，根据所述每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，以所述当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
建立标准几何模型，所述标准几何模型的纵断面为椭圆；
则所述路径长度的计算过程包括：
计算所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过所述标准几何模型的路径长度，作为所述路径长度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在计算在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流之前，所述方法还包括：
进行定位扫描，确定扫描对象的尺寸；
根据所述扫描对象的尺寸，对所述标准几何模型进行缩放得到所述扫描对象的等效几何模型；
则所述路径长度的计算过程包括：
计算所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过所述等效几何模型的路径长度，作为所述路径长度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述ICR最大值由计数损失率最大值以及死区时间确定的；
所述ICR最小值由信噪比最小值、所述像素单元的面积以及单个投影的持续曝光时间确定，所述单个投影的持续曝光时间由所述每圈扫描的曝光时间除以所述每圈扫描的投影数量得到。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述以目标函数的输出值最小化为目标，计算在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流，包括：
根据所述曝光电压以及不同的曝光电流计算出多组所述第i个投影对应的各个像素单元的ICR；
根据每组所述第i个投影对应的各个像素单元的ICR，分别计算所述目标函数的输出值；
在计算得到的目标函数的输出值中确定出目标函数输出值的最小值；
将得到所述目标函数输出值的最小值对应的曝光电流确定为在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流。
6.一种控制脉冲堆叠的装置，其特征在于，所述装置包括：
获取单元，用于获取扫描协议参数，所述扫描协议参数包括曝光电压、每圈扫描的曝光时间以及每圈扫描的投影数量；
第一计算单元，用于根据所述每圈扫描的投影数量和放射源初始位置计算第i个投影对应的放射源角度；
第二计算单元，用于根据以目标函数的输出值最小化为目标，计算在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流，i为正整数，i的取值为1至所述每圈扫描的投影数量；
所述目标函数的输出值由第i个投影对应的光子计数探测器各个像素单元的入射光子计数率ICR决定，所述目标函数满足如下条件：当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR大于ICR最大值越多或者小于ICR最小值越多，所述目标函数的输出值增加越多，当第i个投影对应的第j个像素单元的ICR小于或等于所述ICR最大值且大于或等于所述ICR最小值，所述目标函数的输出值保持不变或增加预设范围内的值，j为正整数，j的取值为1至所述像素单元的数量；
所述第i个投影对应的第j个像素单元的ICR由所述曝光电压、曝光电流、扫描对象的衰减系数以及路径长度确定，所述路径长度为所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过扫描对象的路径长度；
第一确定单元，用于在扫描过程中，根据所述每圈扫描的曝光时间以及当前曝光时刻确定当前所处投影，以所述当前所处投影对应的最优曝光电流进行扫描。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
建立单元，用于建立标准几何模型，所述标准几何模型的纵断面为椭圆；
则所述路径长度的计算过程包括：
计算所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过所述标准几何模型的路径长度，作为所述路径长度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在执行所述第二计算单元之前，所述装置还包括：
定位单元，用于进行定位扫描，确定扫描对象的尺寸；
第二确定单元，用于根据所述扫描对象的尺寸，对所述标准几何模型进行缩放得到所述扫描对象的等效几何模型；
则所述路径长度的计算过程包括：
计算所述第i个投影对应的放射源角度下放射线由放射源到第j个像素单元时经过所述等效几何模型的路径长度，作为所述路径长度。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述ICR最大值由计数损失率最大值以及死区时间确定的；
所述ICR最小值由信噪比最小值、所述像素单元的面积以及单个投影的持续曝光时间确定，所述单个投影的持续曝光时间由所述每圈扫描的曝光时间除以所述每圈扫描的投影数量得到。
10.根据权利要求6-9任一项所述的装置，其特征在于，所述第二计算单元，包括：
第一计算子单元，用于根据所述曝光电压以及不同的曝光电流计算出多组所述第i个投影对应的各个像素单元的ICR；
第二计算子单元，用于根据每组所述第i个投影对应的各个像素单元的ICR，分别计算所述目标函数的输出值；
第一确定子单元，用于在计算得到的目标函数的输出值中确定出目标函数输出值的最小值；
第二确定子单元，用于将得到所述目标函数输出值的最小值对应的曝光电流确定为在所述曝光电压下第i个投影对应的最优曝光电流。
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