ФОРМИРОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
SPECTRAL IMAGE GENERATION

Нижеследующее, в целом, относится к формированию спектральных изображений и находит особое применение в спектральной компьютерной томографии (СТ). Однако оно также может использоваться и в других медицинских и немедицинских применениях.
Интегрирующий сканер для компьютерной томографии (СТ) обычно содержит рентгеновскую трубку, установленную напротив детекторной матрицы на поворотном гентри. Рентгеновская трубка вращается вокруг области исследования и испускает полихроматическое излучение, пересекающее область исследования, и детекторная матрица принимает излучение, пересекающее область исследования. Детекторная матрица содержит матрицу сцинтилляторов, оптически соединенную с матрицей фотодатчиков, которая электрически соединена с электронной схемой детектора. Матрица сцинтилляторов поглощает излучение и создает соответствующий ему свет, матрица фотодатчиков преобразует свет в соответствующий ему электрический сигнал, и электронная схема интегрирует электрический сигнал, создавая соответствующий среднему значению или среднему значению интенсивности сигнал для каждого периода интегрирования. Результирующий сигнал реконструируется для генерирования объемных данных изображения, которые могут быть обработаны для генерирования изображения сканированного пациента или объекта. Результирующее изображение содержит пиксели, которые обычно представляются в виде значений шкалы полутонов, соответствующих относительной рентгеноконтрастности. Такая информация отражает характеристики затухания сканированного пациента или объекта.
Для получения спектральной информации из интегрированного сигнала были предложены различные способы. Например, один способ содержит наложение рядов пикселей сцинтиллятора друг на друга в направлении падающего излучения и обеспечение соответствующих пикселей фотодатчика для каждой строки. Обычно фотоны с более низкой энергией поглощаются в рядах, ближних к падающему излучению, а фотоны с более высокой энергией поглощаются рядами, расположенными дальше от падающего излучения. В другом примере напряжение трубки переключается на различные напряжения, обеспечивая один набор результатов измерений для более низкого напряжения трубки и другой набор результатов измерений для более высокого напряжения трубки. Еще в одном примере, система формирования изображений выполнена с множеством рентгеновских трубок, каждая из которых работает с разными напряжениями трубки и, таким образом, получается множество наборов результатов измерений для различных эмиссионных спектров. К сожалению, упомянутые выше способы могут увеличивать потребность в специализированных технических средствах и/или повышать их сложность и/или увеличить общую стоимость системы.
Аспекты настоящей заявки направлены на решение упомянутых выше и других проблем.
В соответствии с одним аспектом, детекторная матрица системы формирования изображения содержит чувствительный к излучению детектор, выполненный с возможностью обнаружения излучения и генерирования соответствующего ему сигнала. Преобразователь "ток-частота" (I/F) преобразует сигнал в последовательность импульсов с соответствующей сигналу частотой в течение периода интегрирования. Электрическая схема генерирует первый момент и, по меньшей мере, один момент более высокого порядка или центральный момент более высокого порядка, основываясь на последовательности импульсов.
В соответствии с другим аспектом, способ содержит этапы, на которых обнаруживают полихроматическое излучение, сгенерированное источником излучения системы формирования изображений в течение периода интегрирования, генерируют электрический сигнал, соответствующий обнаруженному излучению, генерируют последовательность импульсов, соответствующую электрическому сигналу, и генерируют, по меньшей мере, два момента в течение периода интегрирования, основываясь на последовательности импульсов.
В соответствии с другим вариантом, система формирования изображения содержит источник, выполненный с возможностью испускания излучения, пересекающего область исследования, и детекторную матрицу, выполненную с возможностью обнаружения излучения, пересекающего область исследования. Детекторная матрица содержит чувствительный к излучению детектор, выполненный с возможностью приема излучения и генерирования соответствующего ему сигнала. Преобразователь "ток-частота" (I/F) преобразует сигнал в последовательность импульсов, имеющую соответствующую сигналу частоту. Электрическая схема генерирует первый момент и, по меньшей мере, один момент более высокого порядка, основываясь на последовательности импульсов.
Изобретение может принимать форму различных компонентов и связей компонентов и различных этапов и связей этапов. Чертежи служат только для целей иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны рассматриваться как ограничение изобретения.
Фиг. 1 - пример системы формирования изображения.
Фиг. 2 и 3 - пример электронной схемы обработки.
Фиг. 4 и 5 - пример спектральных детекторов.
Фиг. 6 и 7 - пример мультиэнергетических систем формирования изображения.
Фиг. 8 - пример способа.
На фиг. 1 представлена система 100 формирования изображения, такая как сканер для компьютерной томографии (СТ). Система 100 обычно содержит неподвижный гентри 102 и поворотный гентри 104. Поворотный гентри 104 обычно опирается с возможностью вращения на неподвижный гентри 102. Источник 106 излучения, такой как рентгеновская трубка, крепится на поворотном гентри 104 и поворачивается вместе с ним вокруг области 108 исследования относительно продольной оси или оси z и испускает полихроматическое излучение. Коллиматор источника или т.п. коллимирует излучение, испускаемое источником 106 излучения, создавая обычно конусный, веерный, клиновидный или иной формы пучок излучения, который пересекает область 108 исследования.
Детекторная матрица 110 стягивает угловую дугу, лежащую напротив области 108 исследования относительно источника 106 излучения. Детекторная матрица 110 принимает излучение, пересекающее область 108 исследования. Показанная детекторная матрица 110 содержит двумерную матрицу детекторного элемента 112. Пример такой детекторной матрицы, не предназначенный для создания ограничения, описывается в патенте США 6,510,195 B1, зарегистрированном 18 июля 2001 г., под названием "Solid State X-Radiation Detector Modules and Mosaics thereof, and an Imaging Method and Apparatus Employing the Same,", который полностью включен в настоящее описание посредством ссылки.
Детекторная матрица 110 содержит чувствительный к излучению детектор, такой как детекторный элемент 112, имеющий матрицу 114 сцинтилляторов, оптически соединенную с матрицей 116 фотодатчиков (как показано) или материалом преобразования направления, таким как CZT, CdTe, или другой материал преобразования направления. Матрица 114 сцинтилляторов принимает излучение и создает соответствующий ему свет. Матрица 116 фотодатчиков принимает свет и генерирует соответствующий ему сигнал, такой как электрический ток или напряжение. Электронная схема 118 детектора обрабатывает сигнал и генерирует соответствующие ему данные. Пример соответствующего детекторного элемента 112 описывается в документе "A New 2D-Tiled Detector for Multislice CT," Luhta и др., Medical Imaging 2006: Physics of Medical Imaging, том 6142, стр. 275-286 (2006).
В представленном варианте осуществления и как описано ниже более подробно электронная схема 118 детектора содержит преобразователь "ток-частота" (или "напряжение-частота"), который интегрирует сигнал на выходе матрицы 116 фотодатчиков в течение периода интегрирования и генерирует цифровые данные, такие как последовательность импульсов с соответствующей сигналу частотой в течение периода интегрирования. Пример подходящего преобразователя описывается в патенте США 6,671,345 B2, зарегистрированном 7 ноября 2001 г. и озаглавленном "Data Acquisition for Computed Tomography", который полностью включен в настоящее описание посредством ссылки. Другой подходящий преобразователь описывается в патенте США 4 052 620, зарегистрированном 28 ноября 1975 г. и озаглавленном "Data Acquisition for Computed Tomography", который полностью включен в настоящее описание посредством ссылки.
Электрическая схема или генератор 120 момента генерирует один или более моментов (например, 1-ый момент, 2-ой момент, 3-ий момент..., n-ый момент), основываясь на цифровом сигнале преобразователя "ток-частота". Генерирование, по меньшей мере, двух моментов позволяет получить спектральную информацию из интегрированного сигнала. Генератор 120 момента может быть частью электронной схемы 118 детектора на элементе 112, электронной схемой, удаленной от элемента 112 или комбинацией электронной схемы, частично интегрированной с электронной схемой 118 детектора на элементе 112 и частично удаленной от элемента 112.
Реконструктор 122 реконструирует выходной сигнал генератора 120 момента. В одном случае, реконструктор 122 индивидуально реконструирует, по меньшей мере, два момента, используя традиционный алгоритм реконструкции. Результирующие объемные данные изображения могут затем использоваться для получения дополнительной спектральной информации на попиксельной основе, исходя из эффективного поглощения при различных энергетических моментах. В другом случае, реконструктор 122 реконструирует моменты, основываясь на спектральном алгоритме реконструкции. Например, алгоритм реконструкции может содержать разложение сигналов для получения различных компонентов поглощения в сигналах, таких как фотоэлектрический компонент, компонент Комптона, один или более К-краев и т.д. Сигналы компонентов могут затем использоваться в традиционных алгоритмах реконструкции для генерирования компонентных изображений, показывающих распределение плотности компонентов.
Кушетка или опора 124 для пациента поддерживает пациента, такого как человек или животное, или объект в области 108 исследования. Опора 124 выполнена подвижной, что позволяет оператору или системе соответственно располагать пациента в области 108 исследования до, во время и/или после сканирования. Компьютерная система, такая как пульт 128 оператора, облегчает взаимодействие пользователя со сканером 100. Программные приложения, выполняемые пультом 128 оператора, позволяют пользователю создавать конфигурацию и/или управлять работой сканера 100. Например, пользователь может взаимодействовать с пультом 128 оператора, чтобы выбирать спектральный или традиционный протокол формирования изображения.
E(t)
N0
T
N1
T
T
N0
N1
Как отмечено выше, в представленном варианте осуществления преобразователь "ток-частота" (I/F) интегрирует выходной сигнал матрицы 116 фотодатчика в течение периода интегрирования и генерирует цифровые данные, такие как последовательность импульсов с соответствующей сигналу частотой в течение периода интегрирования. Выходной сигнал матрицы 116 фотодатчиков может быть представлен как , а выходной сигнал преобразователя I/F от первого пульса  в момент времени  до последнего импульса  в момент времени время  в течение периода интегрирования , может быть представлен как функция, соответствующая Уравнению 1
<maths num="1"><math display="block"><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><mi>E</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></math><img file="00000001.tif" he="13" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
1
или в дискретной форме, как показано в Уравнении 2
<maths num="2"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mi>N</mi><msub><mi>Q</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000002.tif" he="12" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
или <maths num="3"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mi>N</mi><msub><mi>Q</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>T</mi><mrow /></msub></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000003.tif" he="13" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
2,
N
T
T
Q
T
T
T
E(t)
E(t)
N0
N1
p
N1
N0
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
где  представляет количество импульсов в интервале от  до , исключая самый первый пульс,  представляет заданное постоянное значение заряда между соседними импульсами, и Δ=-. Уравнение 2 может использоваться в качестве оценки входного сигнала  и представляет среднее значение
или первый момент, .
Изменения между индивидуальными импульсами в последовательности импульсов могут использоваться для оценки более высоких моментов, как обсуждается далее. N-ый момент может быть определен, основываясь на Уравнении 3
<maths num="5"><math display="block"><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>n</mi></msup><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></math><img file="00000005.tif" he="13" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
3
Импульс генерируется в течение периода интегрирования, если удовлетворяется равенство в Уравнении 4
<maths num="6"><math display="block"><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><mi>E</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mrow></mstyle></mrow></math><img file="00000006.tif" he="13" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
4,
t
t
E(t)
t
t
i
i+1
i
i+1
где интервал от  до  представляет временной интервал между соседними импульсами в периоде интегрирования.  для интервала от  до  может быть аппроксимирована как функция, представленная Уравнением 5
<maths num="7"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000007.tif" he="12" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
или <maths num="8"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000008.tif" he="12" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
,
5
Подставляя Уравнение 5 в Уравнение 3, получаем Уравнение 6
<maths num="9"><math display="block"><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>n</mi></msup><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></math><img file="00000009.tif" he="13" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
6
или в дискретной форме получаем Уравнение 7
<maths num="10"><math display="block"><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>n</mi></msup></mrow></mstyle><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></math><img file="00000010.tif" he="12" wi="40" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
7
или как Уравнение 8
<maths num="11"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></msubsup><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow></mstyle></mrow></math><img file="00000011.tif" he="12" wi="31" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
8
T
T
N0
N1
Уравнения 7 и 8 обеспечивают оценку n-ого момента в интервале от  до .
На фиг. 2 представлен не создающий ограничения вариант осуществления пикселя 200 фотодатчика матрицы 116 фотодатчиков, электронной схемы 118 детектора и генератора 120 момента, выполненного с возможностью генерирования моментов, основываясь на Уравнениях 2 и 8. Аналого-цифровой (A/D) преобразователь 202 содержит интегратор 204 (усилитель 206 и интегрирующий конденсатор 208) и дискриминатор или компаратор 210. Как отмечено выше, представленный аналого-цифровой (A/D) преобразователь 202 используется как преобразователь "ток-частота" (I/F).
E(t)
Интегратор 204 интегрирует результат суммирования сигнала (), выведенный пикселем 200 фотодатчика, и тока 212 смещения в течение периода интегрирования. В одном случае, ток 212 смещения устанавливается так, чтобы аналого-цифровой преобразователь 202 создавал заданное количество импульсов за заданное количество периодов интегрирования, например, по меньшей мере, один импульс за три периода интегрирования, по меньшей мере, два импульса за время интегрирования, и т.д. Компаратор 210 сравнивает выходной сигнал интегратора 204 с порогом 214 в течение периода интегрирования и генерирует цифровой импульс, когда выходной сигнал интегратора 204 соответствует порогу 214.
Переключатель 216 сброса используется для установки интегратора 204 в исходное состояние в течение периода интегрирования в ответ на генерирование цифрового импульса. Переключатель 216 сброса может также использоваться для установки интегратора 204 в исходное состояние между периодами интегрирования. Запрет интегратора 204 может содержать подачу заряда, хранящегося в конденсаторе 218, на вход интегратора 204, чтобы отменить подачу заряда на вход интегратора 204. В разомкнутом состоянии переключатель 216 электрически соединяет конденсатор 218 сброса в исходное состояние с эталонным напряжением 220. Логическая схема 222 управляет переключателем 216 сброса, в том числе замыкает переключатель 216 сброса, чтобы установить интегратор 204 в исходное состояние в ответ на обнаружение импульса в выходном сигнале компаратора на границе периода интегрирования и/или как-либо иначе.
1
1
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
E(t)
Генератор 228 первого момента генерирует среднее значение
, например, посредством Уравнения 2, которое, как обсуждалось выше, обеспечивает оценку входного сигнала . В одном примере, счетчик 230 подсчитывает количество импульсов на выходе компаратора 210 в течение периода интегрирования и таймер 232 определяет время между первым импульсом и последним импульсом периода интегрирования. Из этих данных генератор 228 первого момента генерирует первый момент, например, как функцию отношения подсчета импульсов ко времени между первым и последним импульсами.
2
i
p
t
Q
2
Генератор 228 второго момента генерирует второй момент, основываясь, например, на Уравнении 8. Таймер 234 сброса используется для определения времени между соседними импульсами (Δ) в течение периода интегрирования для множества импульсов последовательности импульсов. Инвертор 236 инвертирует значение времени между соседними импульсами и накопитель 238 накапливает инвертированные данные. Таймер 234 сброса определяет новое значение времени для каждой пары соседних импульсов и накопитель 238 накапливает инвертированные данные в ответ на генерирование каждого импульса. Для примера, второй момент генерируется посредством приращений при генерировании каждого импульса в течение периода интегрирования. Умножитель 240 умножает накопленное время на постоянное значение заряда, возведенное во вторую степень ( ). Накопитель 238 первоначально запускается, чтобы накапливать выходной сигнал умножителя 240 в ответ на генерирование первого импульса в течение периода интегрирования, и очищается или останавливается в конце периода интегрирования, после того как накопленные данные считаны. В ответ на генерирование импульса таймер 234 сброса устанавливается в исходное состояние.
n
p
n
Q
n
Генератор 228 n-ого момента генерирует n-ый момент, основываясь, например, на Уравнении 8. Снова, таймер 234 сброса используется для определения времени между соседними импульсами. Инвертор 242 инвертирует значение времени, и умножитель 244 умножает инвертированное значение на само себя n-1 раз или возводит значение инвертора в (n-l)-ую степень. Накопитель 246 накапливает эти данные в течение периода интегрирования. Умножитель 248 умножает накопленное время на постоянное значение заряда, возведенное в n-ую степень ( ). Аналогично, накопитель 246 запускается для накопления в ответ на генерирование первого импульса в период интегрирования и очищается или устанавливается в исходное состояние в конце периода интегрирования, после того, как накопленные данные считаны, и таймер 234 сброса устанавливается в исходное состояние в ответ на генерирование импульса. Генератор 228 n-ого момента может альтернативно или дополнительно использоваться для генерирования первого и/или второго моментов, а также одного или более моментов более высокого порядка.
В представленном варианте осуществления логическая схема 222 устанавливает в исходное состояние таймер 234 сброса и запускает и очищает накопители 238 и 246. В другом варианте осуществления таймер 234 сброса иначе устанавливается в исходное состояние и/или накопители 238 и 246 иначе запускаются и/или очищаются. Кроме того, некоторая часть или все компоненты генератора 120 момента могут объединяться с электронной схемой 118 детектора на элементе 112 или могут располагаться на удалении от элемента 112. Сгенерированные моменты передаются на реконструктор 122, который реконструирует моменты индивидуально и/или в комбинации, как описано выше.
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
E(t)
Ниже описывается другой не создающий ограничений способ создания одного или более моментов. В этом примере центральные моменты используются для определения моментов более высокого порядка. Как отмечено выше, среднее значение
токового сигнала , которое фотодиод генерирует из света, сгенерированного сцинтиллятором, может быть оценено как функция Уравнения 2. Среднее значение
токового сигнала может также быть выражено, как показано в Уравнении 9
<maths num="15"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mi>N</mi><msub><mi>Q</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000013.tif" he="14" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
9,
t
i
где Δ представляет временные интервалы между соседними импульсами, и N=N1-N0 соответствует количеству всех импульсов в интервале измерения, исключая самый первый импульс. N-ый центральный момент токового сигнала может быть оценен как функция Уравнения 10 (которое представляет дискретизированную версию определения n-ого центрального момента)
<maths num="16"><math display="block"><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>I</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></mstyle><msup><mo stretchy="false">)</mo><mi>n</mi></msup><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></math><img file="00000014.tif" he="13" wi="48" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
10,
I
i
где  является функцией Уравнения 11
<i>I</i><sub>i</sub>=<i>Q</i><sub>p</sub>/Δ<i>t</i><sub>i</sub>
11
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
,
Подставляя Уравнение 11 в Уравнение 10 и выражая  как показано в Уравнении 12
<maths num="18"><math display="block"><mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><msub><mi>I</mi><mi>i</mi></msub><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><msub><mi>Q</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow></mstyle></mrow></math><img file="00000015.tif" he="14" wi="64" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
12
получаем в результате Уравнение 13
<maths num="19"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></msubsup></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></mstyle><mo>−</mo><mfrac><mi>N</mi><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>l</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><msup><mo stretchy="false">)</mo><mi>n</mi></msup><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></math><img file="00000016.tif" he="14" wi="65" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
13,
<mrow><mover accent="true"><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo></mrow>
E
I
E
I
E
I
I
2
2
2
которое может для n=2 быть также выражено как Уравнение 14 (заметим, что для случайного сигнала I(t) центральный момент второго порядка описывается выражением [(-[])]=[]-E[], где E[▪] означает значение математического ожидания или среднее значение)
<maths num="21"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle><mo>−</mo><mi>N</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mi>N</mi><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow /></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></math><img file="00000018.tif" he="14" wi="69" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
14,
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msup><mi>I</mi><mi>n</mi></msup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
где
снова выражается, как показано в Уравнении 12, и
(для n=2) выражается, как показано в Уравнении 15
<maths num="24"><math display="block"><mrow><mover accent="true"><mrow><msup><mi>I</mi><mi>n</mi></msup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></msubsup><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo></mrow></mstyle><mfrac><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></msubsup></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mi>l</mi><mrow><mi>N</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>l</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></mstyle><msup><mo stretchy="false">)</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow></math><img file="00000021.tif" he="14" wi="91" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
15
M
E
I
E
I
M*
E
I
M
M
M
M
М
n
M
М
*
M
*
Е[I]
n
n
3
3
1
2
1
n
0
1
n
n
n
3
<mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>n</mi></msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mtable><mtr><mtd><mi>n</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>j</mi></mtd></mtr></mtable></mrow></mstyle><mo stretchy="false">)</mo><msubsup><mi>M</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>j</mi></mrow><mo>*</mo></msubsup><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><msubsup><mi>M</mi><mn>1</mn><mo>*</mo></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>j</mi></msup></mrow>
Для n>2 общие соотношения между центральным моментом =[-[]) и "моментом относительно начала координат" =[] должны соблюдаться, например, =*-3**+2[*] для =3. Общее правило является следующим: =
, где =1, и = является обычным средним значением.
На фиг. 3 представлен не создающий ограничение вариант осуществления пикселя 200 фотодатчика, электронной схемы 118 детектора и генератора 120 момента, когда он выполнен с возможностью создания моментов, основываясь на Уравнениях 2 и 13 или 14. Как обсуждалось выше, аналого-цифровой (A/D) преобразователь 202, который выполнен с возможностью работы как преобразователь "ток-частота" (I/F), содержит интегратор 204 (усилитель 206 и интегрирующий конденсатор 208) и компаратор 210. Интегратор 204 интегрирует сумму сигнала на выходе пикселя 200 фотодатчика и тока 212 смещения 212 в течение периода интегрирования и компаратор 210 генерирует цифровой импульс, когда выходной сигнал интегратора 204 соответствует порогу 214. Логическая схема 222 управляет переключателем 216 сброса, который устанавливает в исходное состояние интегратор 204 в течение периода интегрирования и в ответ на генерирование цифрового импульса в течение периода интегрирования.
В этом варианте осуществления генератор 120 момента содержит счетчик 302 импульсов, который считает импульсы в выходном сигнале компаратора 210 в течение периода интегрирования. Генератор 120 момента также содержит фиксатор 304 времени, который фиксирует моменты времени импульсов в течение периода интегрирования. В одном примере, не предназначенном для создания ограничения, фиксатор 304 времени содержит регистр или подобное устройство с таким количеством ячеек запоминающего устройства, сколько имеется отметок времени за период интегрирования. При такой конфигурации ячейки устанавливаются в начальное известное состояние (например, "0") и логическая схема 222 записывает известное значение (например, "1") в ячейку, если вместе с соответствующей отметкой времени создается импульс. Расстояние между местоположениями ячеек для ячеек, хранящих логическую "1", предоставляет информацию, которая может использоваться, чтобы получить выраженную во временных отметках длительность по времени между соседними импульсами. Здесь также предполагаются другие варианты осуществления фиксатора 304 времени. Логическая схема 222 запускает считывание счетчика импульсов и моментов времени и устанавливает в исходное состояние или очищает счетчик 302 импульсов и/или фиксатор 304 времени.
Компонент 306 обработки создает один или более моментов, таких как, по меньшей мере, два момента на основе выходного сигнала счетчика 302 импульсов и выходного сигнала фиксатора 304 времени, основанных на Уравнении 13 или 14.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msup><mi>I</mi><mi>n</mi></msup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
I
(t)
I(t)
I
(t)
I(t)
n
n
Для представленных здесь вариантов осуществления и их вариаций частота выборки преобразователя 202 может определяться, основываясь на моменте самого высокого порядка, который должен быть создан. Посредством примера, не предназначенного для создания ограничения, частота выборки для определения соответствующей оценки
обычно выше, чем для определения соответствующей оценки
. Например, преобразование Фурье (F{})для  является n-кратным витком F{}. Как приближение, частота выборки измерений мгновенных значений для определения моментов более высокого порядка может быть увеличена с коэффициентом n, относительно n=1, поскольку ширина полосы F{} приблизительно в n раз шире полосы F{}. Частота выборки может регулироваться через порог 214, когда меньший порог приводит в результате к более высокой частоте выборки, чем при более высоком пороге, и/или наоборот.
Следует понимать, что описанные здесь варианты осуществления могут использоваться вместе с одним или более другими подходами к спектральному формированию изображений. Например, описанные здесь варианты осуществления могут использоваться в сочетании со спектральным детектором (например, двухуровневая система), переключением kVp и/или многотрубной системой. Объединяя описанные здесь варианты осуществления с одним или более способами и/или другими способами, спектральное разрешение при разделении может быть увеличено.
Пример спектрального детектора показан на фиг. 4. Решетка 402 сцинтиллятора содержит первый и второй уровни пикселей 404, 406 сцинтиллятора, которые накладываются друг на друга в направлении падающего излучения. Поглощение падающего излучения в матрице 402 сцинтиллятора зависит от энергии, причем фотоны с более низкой энергией проходят, в среднем, более короткое расстояние через матрицу 402 сцинтиллятора перед тем, как будут поглощены первым уровнем 404, и фотоны с большей энергией проходят, в среднем, большее расстояние через сцинтиллятор 402, прежде чем будут поглощены вторым уровнем 406. Также, глубина поглощения является показателем энергии обнаруженного излучения. Матрица 402 сцинтиллятора 402 оптически устанавливается на верхней стороне матрицы 408 фотодатчика, имеющего первый фоточувствительный пиксел 410 с первой спектральной характеристикой, настроенный на первый или второй уровень сцинтиллятора 404, 406, и второй фоточувствительный пиксел 412 со второй спектральной характеристикой, настроенный на другой из первого или второго уровней сцинтиллятора 404, 406. Таким образом, матрица 408 фотодатчика будет иметь два спектрально различных выходных сигнала.
Другой пример спектрального детектора показан на фиг. 5. В этом примере первый и второй пиксели 404, 406 сцинтиллятора соответственно смонтированы оптически сбоку от матрицы 408 фотодатчика. Аналогично, решетка 408 фотодатчика будет иметь два спектрально различных выходных сигнала. Светоотражающая пленка или покрытия могут быть нанесены на боковые стороны пикселей 404, 406 сцинтиллятора, не присоединенные к матрице 408 фотодатчика, чтобы направить свет в направлении фотодиодной матрицы 408. Фиг. 4 или 5 или оба вместе должны пониматься так, что пиксели 404, 406 сцинтиллятора могут быть сформированы из одного и того же или из разных материалов излучателя и/или пиксели 404, 406 сцинтиллятора могут иметь подобные или различные размеры, такие как подобные или различные глубины в направлении падающего излучения. Конечно, в других вариантах осуществления могут использоваться и больше уровней сцинтиллятора и фоточувствительных пикселей.
На фиг. 6 показан пример переключения напряжения kVp. В этом примере контроллер 602 рентгеновской трубки переключает напряжение трубки между двумя (или более) различными уровнями напряжения. Контроллер 602 может переключать напряжение трубки во время сканирования (например, во время просмотра, между просмотрами и т.д.), между сканированиями и/или как-либо иначе, например, основываясь на информации сканирования с пульта 128 управления. Детекторная матрица 110 будет генерировать первые сигналы, соответствующие первому напряжению трубки, и вторые сигналы, соответствующие второму напряжению трубки.
1
1
2
2
1
2
1
2
На фиг. 7 представлен пример системы с несколькими трубками. В целях объяснения система показана с первой парой трубка 106/детектор 110 и второй парой трубка 106/детектор 110. В других вариантах осуществления система может быть выполнена с большим количеством пар трубка/детектор, таким как три или более пар трубка/детектор. В этом примере каждая трубка 106/106 работает при разных напряжениях трубки. В результате, каждый детектор 110/110 обеспечивает выходной сигнал, соответствующий различным спектрам.
В еще одном примере, алгоритм спектрального разложения может использоваться для выделения различных компонентов, таких как компонента фотоэффекта и компонента Комптон-эффекта. Соответствующее разложение описывается в работе Roessl и др., "K-edge imaging in x-ray computed tomography using multi-bin photo counting detectors," Physics in Medicine and Biology, 2007, стр. 4679-4696, том 52. Другое подходящее разложение описывается в заявке № PCT/IB2007/055105, зарегистрированной 14 декабря 2007 г. и опубликованной как WO2008078231, которая полностью включена в настоящее описание посредством ссылки. В последнем случае, разложение расширяется, чтобы получать компоненты К-краев для материалов компонентов К-краев, применяемых посредством контрастных веществ.
Примеры применения, в которых описанные здесь системы и способы содержат, в частности, контроль багажа, медицинские применения, формирование изображений животных, сканирование сердца, проверку материалов, неразрушающее формирование изображений, машинное зрение и наука о материалах. Кроме того, заявки применяются к рентгеновским системам СТ, использующим многочисленные трубки (и многочисленные детекторы) на едином гентри для СТ. Другие соответствующие применения содержат применения, в которых желательны дифференциация тканей посредством более высоких спектральных характеристик плюс возможность осуществить формирование изображения К-краев в системе СТ, основываясь на интегрирующих ток детекторах.
На фиг. 8 представлен способ.
На этапе 802 обнаруживают полихроматическое излучение, пересекающее область исследования.
На этапе 804 генерируют соответствующий обнаруженному излучению сигнал.
На этапе 806, основываясь на сигнале, генерируют последовательность импульсов с соответствующей обнаруженному излучению частотой.
На этапе 808 генерируют один или более моментов, основываясь на последовательности импульсов, как описано в описании.
На этапе 810 осуществляют спектральное разрешение моментов в областях проекций и/или изображения.
Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. Специалистами в данной области техники после прочтения и понимания предшествующего подробного описания могут быть предложены модификации и изменения. Подразумевается, что изобретение должно истолковываться как содержащее в себе все такие модификации и изменения, насколько они попадают в пределы объема прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.