使用雙能計算機斷層造影的多材料分解的制作方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]這里所公開的主題涉及計算機斷層造影（computedtomography，CT)成像系統(tǒng)，尤其涉及使用用于CT成像系統(tǒng)的雙能（dualenergy)X射線源的多材料分解(multi-materialdecomposition)方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]通常，在CT成像系統(tǒng)中，X射線源向位于支撐體上的諸如患者或行李物品之類的主體或?qū)ο蟀l(fā)射扇形或錐形X射線束。所述X射線束撞擊在位于所述主體遠側(cè)的包括多個檢測器模塊的檢測器組件上，其中所檢測到的X射線束的強度是X射線束被所述主體衰減(attenuation)的函數(shù)。在已知的"第三代"CT系統(tǒng)中，X射線源和檢測器組件將主體部分地裝入可旋轉(zhuǎn)的機架（gantry)結(jié)構(gòu)中。跨機架角度的范圍收集表示所檢測X射線束的強度的數(shù)據(jù)，并且最終對所述數(shù)據(jù)進行處理以形成圖像。[0003]CT成像系統(tǒng)可被配置為能量鑒別、多能和/或雙能CT成像系統(tǒng)。雙能CT成像是以兩個不同能量級別（energylevel)或能譜在相同條件下對相同目標進行多次掃描的成像過程，并用來識別所述目標中的不同材料。例如，具有相對低密度的柔軟組織和類似材料通常比諸如骨頭或碘造影劑之類的相對高密度的材料將入射X射線衰減較低的程度。在相關(guān)領(lǐng)域中意識到以兩次成像掃描執(zhí)行CT成像，一次以諸如110-150kVp的較高X射線管電壓電平，而另一次成像掃描以諸如60-80kVp的較低X射線管電壓電平執(zhí)行，比單能CT成像掃描提供更多的關(guān)于所掃描材料的信息。[0004]從雙能CT成像掃描所獲取的數(shù)據(jù)可被用來使用基礎(chǔ)材料分解計算過程重構(gòu)圖像。所生成的圖像表示所選擇的基礎(chǔ)材料密度對。除了材料密度圖像之外，雙能投影數(shù)據(jù)可被用來產(chǎn)生具有與所選擇的單色能量相當(dāng)?shù)腦射線衰減系數(shù)的新圖像。這樣的單色圖像可包括這樣的圖像，其中圖像體素（voxel)的密度值被指定得就像通過用單色X射線束收集來自主體的投影數(shù)據(jù)所創(chuàng)建的CT圖像一樣。[0005]例如，在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，可以以約SOkVp的相對"低能量"級別以及約HOkVp的相對"高能量"級別執(zhí)行雙能CT掃描，其中可"背靠背（back-to-back)"或交織地獲取掃描?？稍赬射線源和能量敏感檢測器之間設(shè)置特殊濾波器，使得不同檢測器行收集不同X射線能譜的投影。[0006]可通過以下步驟獲得測量值：（i)利用兩個不同的能譜進行掃描；（ii)根據(jù)檢測器中的能量沉積檢測光子能量；并且（iii)利用多個能量艙（energybin)進行光子計數(shù)。在沒有對象散射的情況下，CT系統(tǒng)能夠基于來自光譜（spectrum)中兩個或更多光子能量區(qū)域的信號得出與相對于能量的對象衰減相關(guān)的信息，所述光譜中的兩個或更多光子能量區(qū)域例如是入射X射線光譜的低能量和高能量部分。在醫(yī)學(xué)CT中，兩個物理過程主導(dǎo)了X射線衰減：康普頓（Compton)散射和光電效應(yīng)。從兩個能量區(qū)域所檢測到的信號通常提供足夠的信息來解決所成像材料的能量依賴（energydependence)。此外，從兩個能量區(qū)域所檢測的信號提供足夠的信息來確定由兩種材料所構(gòu)成的對象的相對組分（composition)。[0007]使用在這些CT掃描期間所獲得的圖像，能夠生成基礎(chǔ)材料密度圖像和單色圖像，也就是表示以理想的單色管源執(zhí)行計算機斷層造影掃描的效果的圖像。給定一對材料密度圖像，可能生成其它的基礎(chǔ)材料圖像對。例如，根據(jù)相同解剖結(jié)構(gòu)（anatomy)的水和碘圖像，可能生成不同的材料密度圖像對，諸如鈣或釓。類似地，通過使用基礎(chǔ)材料圖像對，能夠生成均處于特定X射線能量的單色圖像對。類似地，能夠從單色圖像對獲得基礎(chǔ)材料圖像對或不同能量的單色圖像對。[0008]傳統(tǒng)的材料基礎(chǔ)分解利用以下概念：在醫(yī)學(xué)CT的能量區(qū)域中，任何給定材料的X射線衰減能夠由兩種其它材料的適當(dāng)密度混合（mix)來表示，所述兩種其它材料通常被表不為"基礎(chǔ)材料"。基礎(chǔ)材料丨幾積計算過程廣生兩幅CT圖像，每一幅表不一種基礎(chǔ)材料的等效（equivalent)密度。由于材料密度不依賴于X射線光子能量，所以所述兩幅CT圖像很大程度上擺脫了射束硬化偽影（beam-hardeningartifact)。操作員能夠選擇基礎(chǔ)材料來以感興趣的材料為目標，例如用以提高圖像對比度。[0009]因此，雙能CT是擴展了標準CT能力的成像模態(tài)，并且使得能夠?qū)D像體積中的每個體素估計全線性衰減曲線，而不是以Hounsfield為單位的標量圖像。如以上所解釋的，這是通過以兩個不同能譜獲取X射線投影并且在仔細校準下重構(gòu)材料分解圖像對來實現(xiàn)的。該對中的每個共同記錄（co-registered)的體素是對應(yīng)于構(gòu)成該體素的兩種預(yù)選材料的密度估計的二維向量，該估計與投影數(shù)據(jù)相一致。由于線性衰減曲線的空間可描述為二維流形加殘差（residualdifference)，所述殘差太小而無法在當(dāng)前CT技術(shù)下測量，該分解過程基本上局限于僅有兩種材料的規(guī)范。[0010]本發(fā)明在這里認識到需要一種通過多材料分解而產(chǎn)生多于兩種預(yù)選材料的計算機斷層造影圖像的方法?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0011]公開了一種用于獲取多材料分解圖像的方法，所述方法包括以下步驟：從成像對象的雙能計算機斷層造影掃描獲取圖像對；選擇用于所述圖像對的多材料分解的材料基礎(chǔ)；對所述基礎(chǔ)中的材料混合應(yīng)用物理化學(xué)或數(shù)學(xué)模型；并且使用所述物理化學(xué)或數(shù)學(xué)模型所施加的至少一個約束來執(zhí)行多材料分解。[0012]-旦閱讀了以下附圖和詳細描述，根據(jù)各實施例的其它系統(tǒng)和/或方法對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將會是顯而易見的。所有這些附加系統(tǒng)和方法意在落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)，并且由所附權(quán)利要求所保護?！靖綀D說明】[0013]圖1是依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的CT成像系統(tǒng)的等量（isometric)圖解視圖；[0014]圖2是圖1的CT成像系統(tǒng)的功能框圖；[0015]圖3是來自在雙能模式下運行的圖1的CT成像系統(tǒng)可提供的兩種材料的分解的水成分（water-component)圖像；[0016]圖4是來自在雙能模式下運行的圖1的CT成像系統(tǒng)可提供的兩種材料的分解的碘成分圖像；[0017]圖5是在雙能模式下運行的圖1的CT成像系統(tǒng)可獲得的單色圖像，其示出了在70keV下來自到兩幅單色圖像的分解的衰減；[0018]圖6是在雙能模式下運行的圖1的CT成像系統(tǒng)可獲得的單色圖像，其示出了在HOkeV下來自到兩幅單色圖像的分解的衰減；[0019]圖7是圖示雙能CT成像系統(tǒng)用來依據(jù)所公開的方法提供多材料分解的操作的流程圖；[0020]圖8是圖示在標稱密度的線性衰減系數(shù)的凸多面體的圖表；[0021]圖9是來自依據(jù)所公開方法所獲得的多材料分解的空氣成分圖像；[0022]圖10是從用來產(chǎn)生圖9的圖像的多材料分解過程所獲得的脂肪成分圖像；[0023]圖11是從用來產(chǎn)生圖9的圖像的多材料分解過程所獲得的血液成分圖像；[0024]圖12是從用來產(chǎn)生圖9的圖像的多材料分解過程所獲得的骨骼成分圖像；和[0025]圖13是從用來產(chǎn)生圖9的圖像的多材料分解過程所獲得的Omnipaque成分圖像?！揪唧w實施方式】[0026]如以上所提到的，傳統(tǒng)的雙能CT掃描儀處理并不對材料成分混合中"N多3"種材料的組分進行評估，由此通常局限于僅到兩種材料（即，N=2)的分解。在所公開方法的示例性方面，雙能CT掃描儀的能力從產(chǎn)生材料分解圖像對擴展到產(chǎn)生材料分解圖像三元組（triplet)。所述圖像三元組是通過假設(shè)在人體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)和組織類型的各種混合物具有與這里稱為"理想材料溶液（idealmaterialsolution)"的那些基本上相當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)特性而獲得的。這還能夠通過使用混合物的超額自由能（excessfreeenergy)的模型來進行。使用該等同形式提供了用于所成像的材料混合物的密度模型，其中所述模型對傳統(tǒng)CT數(shù)據(jù)所提供的圖像信息進行補充。根據(jù)該模型，對CT圖像中特定體素的質(zhì)量衰減曲線進行估計，并且導(dǎo)出材料分解圖像三元組（即，N=3)。在所公開方法的另一個示例性方面，可通過利用合適的函數(shù)對方程組的其它約束不足的解進行調(diào)整，并且解決所產(chǎn)生的優(yōu)化問題（byregularizinganotherwiseunder-constrainedsolutionofasystemofequationswithasuitablefunction，andsolvingtheresultingoptimizationproblem)來對多于三種的預(yù)選材料進行分解。所公開的方法還可以使用預(yù)先計算的查找表以便進行更快分解。[0027]圖1的等量圖解視圖示出了雙能CT成像系統(tǒng)10,如相關(guān)領(lǐng)域中已知的，該雙能CT成像系統(tǒng)10被配置為利用光子計數(shù)以及以高通量率進行X射線的能量鑒別來執(zhí)行計算機斷層造影成像。例如，可通過CT數(shù)差異（numberdifference)分解、基礎(chǔ)材料分解、康普頓和光電分解或?qū)?shù)減法（logarithmicsubtraction)分解來執(zhí)行成像。如示，雙能CT成像系統(tǒng)10包括當(dāng)前第1頁1 2 3