ФОРМИРОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
SPECTRAL IMAGES FORMATION

Последующее в целом относится к формированию спектральных изображений и более конкретно к определению подходящего напряжения на трубке для спектрального объемного сканирования на основе двух или нескольких двумерных (2D) проекционных сканирований (сканограмм), выполняемых при двух или более различных пиковых напряжениях в киловольтах при приблизительно одном и том же ракурсе получения, и описывается в конкретном применении к компьютерной томографии (КТ).
Традиционный сканер компьютерной томографии (CT) включает в себя рентгеновскую трубку, установленную на способном вращаться гентри напротив детекторной матрицы, поперек области обследования. Способный вращаться гентри и, таким образом, рентгеновская трубка вращаются вокруг области обследования. Рентгеновская трубка испускает излучение, которое проходит через область обследования и часть субъекта в ней и обнаруживается детекторной матрицей. Детекторная матрица генерирует и выводит сигнал, указывающий на сканируемую часть субъекта. Сигнал реконструируется для того, чтобы генерировать данные трехмерного объемного изображения, указывающие на сканируемую часть субъекта.
Данные объемного изображения включают в себя вокселы, представленные в показателях значений шкалы серого, соответствующие относительной рентгенопроницаемости. Показатели значений шкалы серого отражают характеристики затухания сканируемого субъекта и, как правило, показывают анатомические структуры внутри сканируемого субъекта. Так как поглощение фотона материалом зависит от энергии фотона, проходящего через материал, обнаруживаемое излучение также включает в себя спектральную информацию. Однако данные изображений обычной КТ не отражают спектральную информацию, так как сигнал пропорционален интегральной плотности потока энергии, интегрированной по энергетическому спектру.
Спектральный сканер КТ получает спектральную информацию, которая показывает элементарный или материальный состав (например, атомное число) материала сканируемой части субъекта. Конфигурации спектрального сканера КТ включают в себя две или более рентгеновские трубки с угловым смещением друг от друга и выполнены с возможностью испускать излучение, имеющие различные пиковые эмиссионные напряжения, одна рентгеновская трубка выполнена с возможностью переключения между, по меньшей мере, двумя различными пиковыми напряжениями в киловольтах (например, 80 кВт пикового напряжения и 140 кВт пикового напряжения), одну рентгеновскую трубку широкого спектра, и детекторы с энергетическим разрешением, и/или их сочетания.
Объемные сканирования обычно планируются (т.е., положение сканирующего пучка и длина сканирования) с использованием 2D проекционного изображения из 2D проекционного сканирования при фиксированном пиковом напряжении в киловольтах. Однако 2D проекционное изображение, как правило, не дает достаточной информации для оптимального выбора параметров сканирования, таких как пиковые напряжения в киловольтах для спектрального объемного сканирования, а качество изображения зависит от пикового напряжения в киловольтах. Например, хорошие спектральные рабочие характеристики могут быть достигнуты при более низком значении (например, 80 кВт пикового напряжения) для нижнего пикового напряжения в киловольтах. Однако при большем субъекте незначительное количество фотонов с 80 кВт пикового напряжения проходят через субъект, и данные объемного изображения могут быть зашумленными при ухудшенном качестве изображения.
Аспекты, описываемые в настоящем документе, обращены к вышеозначенным проблемам и другим.
В одном из аспектов система формирования изображений включает в себя источник излучения, который испускает излучение, которое проходит область обследования и часть субъекта в ней, и детекторную матрицу, которая обнаруживает излучение, которое проходит через область обследования и часть субъекта в ней, и генерирует сигнал, указывающий на это. Дающее рекомендации по параметрам объемного сканирования устройство рекомендует, по меньшей мере, одно значение параметра для объемного сканировании части субъекта на основе спектрального разложения первой и второй 2D проекций, полученных с помощью источника излучения и детекторной матрицы. Первая и вторая 2D проекции имеют разные спектральные характеристики. Консоль использует, по меньшей мере, одно рекомендованное значение параметра спектрального сканирования для выполнения объемного сканирования части субъекта.
В другом аспекте способ включает в себя прием первой 2D проекции, имеющей первую спектральную характеристику и прием второй 2D проекции, имеющей вторую спектральную характеристику, где первая и вторая спектральные характеристики различны. Способ дополнительно включает в себя спектральное разложение первых и вторых данных, по меньшей мере, на две различные компоненты. Способ дополнительно включает в себя определение физической характеристики сканируемого субъекта на основе разложенных данных. Способ дополнительно включает в себя определение, по меньшей мере, одного значения параметра спектрального сканирования для объемного сканирования субъекта на основе определенной физической характеристики. Способ дополнительно включает в себя выполнение объемного сканирования субъекта с использованием, по меньшей мере, одного значения параметра спектрального сканирования.
В другом аспекте машиночитаемый носитель информации кодируется с помощью машиночитаемых инструкций. Машиночитаемые инструкции, при исполнении их процессором, побуждают процессор получать несколько 2D проекций, по меньшей мере, для двух различных эмиссионных спектров, по меньшей мере, при одном угле получения и определять, по меньшей мере, одну установку параметров спектрального сканирования для объемного сканирования на основе нескольких полученных 2D проекций.
Изобретение может принимать форму в виде различных компонент и вариантов сочетания компонент, а также в виде различных этапов и компоновок этапов. Чертежи имеют целью только проиллюстрировать предпочтительные варианты осуществления и не должны толковаться как ограничивающие данное изобретение.
На Фиг. 1 схематично представлена примерная система формирования изображений вместе с устройством, дающим рекомендации по параметрам объемного сканирования.
На Фиг. 2 схематично представлен пример устройства, дающего рекомендации по параметрам объемного сканирования.
На Фиг. 3 схематично представлен многослойный сцинтиллятор/фотодатчик на основе детектора с энергетическим разрешением.
На Фиг. 4 схематично представлен другой многослойный сцинтиллятор/фотодатчик на основе детектора с энергетическим разрешением.
На Фиг. 5 схематично представлена электронная обработка выходных сигналов детектора подсчета фотонов с прямым преобразованием.
На Фиг. 6 представлен примерный способ определения пикового напряжения в киловольтах для спектрального объемного сканирования.
На Фиг. 1 схематично представлена система 100 формирования изображений, такая как сканер 100 компьютерной томографии (CT). Система 100 формирования изображений включает в себя стационарный гентри 102 и вращающийся гентри 104. Вращающийся гентри 104 поддерживается с возможностью вращения стационарным гентри 102. Вращающийся гентри 104 выполнен с возможностью вращения вокруг области 108 обследования вокруг продольной оси или по z оси.
По меньшей мере, один источник 106 излучения, такой как рентгеновская трубка, поддерживается вращающимся гентри 104 и вращается с ним. Вращающийся гентри 104 поворачивается, чтобы переместить источник 106 излучения в заданное статическое углового положение, если он еще не на месте, например для 2D проекционного сканирования. Вращающийся гентри 104 также поворачивается, чтобы поворачивать источник 106 излучения вокруг области 108 обследования для объемного сканирования.
Определитель 112 напряжения источника излучения выполнен с возможностью переключения пикового эмиссионного напряжения между двумя или более напряжениями (например, 80 кВт пикового напряжения, 100 кВт пикового напряжения, 140 кВт пикового напряжения и т.д.) для 2D проекционного и/или объемного сканирований. В качестве не имеющего ограничительного характера примера, для 2D проекционного сканирования можно использовать одно пиковое напряжение в киловольтах для переднезаднего (ПЗ) проекционного сканирования (и/или латерального сканирования) в одном направлении вдоль z оси и другое пиковое напряжение в киловольтах можно использовать для ПЗ сканирования (и/или латерального сканирования) в том же или противоположном направлении вдоль z оси.
Альтернативно, две разные 2D проекции при разных пиковых напряжениях в киловольтах и при приблизительно одном и том же угле получения могут быть получены посредством быстрого переключения пикового напряжения в киловольтах и обратного скачка фокусного пятна. Это может способствовать снижению искажения расхождения за счет движения гентри. Нижнее значение пикового напряжения в киловольтах, как правило, достаточно велико, чтобы смягчить последствия нехватки фотонов, вызванной поглощением всех или существенной части фотонов. Определитель 112 напряжения источника излучения также можно использовать для управления источником 106 с одним фиксированным пиковым напряжением в киловольтах.
Одно- или двумерная чувствительная к излучению детекторная матрица 114 охватывает угловую дугу напротив области 108 обследования по отношению к источнику 106 излучения. Детекторная матрица 114 обнаруживает излучение, которое проходит через область 108 обследования и генерирует выходной сигнал, показывающий его. Показанная детекторная матрица 114 включает в себя матрицу 116 фотодатчиков с фотодатчиками, такими как фотодиоды или т.п., и матрицу 118 сцинтилляторов, которая оптически соединена с матрицей 116 фотодатчиков на светочувствительной стороне матрицы 116 фотодатчиков.
Детекторная матрица 114 расположена в сканере 100 таким образом, что матрица 118 сцинтилляторов принимает излучение, испускаемое источником 106, который освещает детекторную матрицу 114. Альтернативно, детекторная матрица 114 может включать в себя детекторную матрицу с энергетическим разрешением, такую как детекторная матрица многослойных сцинтилляторов/фотодатчиков (Фиг. 3 и 4 ниже), матрица детекторов подсчета фотонов с прямым преобразованием с соответствующим электронным устройством (Фиг. 5), и/или другой детектор с энергетическим разрешением. С детекторной матрицей многослойных сцинтилляторов/фотодатчиков можно использовать одно или несколько пиковых напряжений в киловольтах для многоэнергетического получения. В основном, m пиковых напряжений в киловольтах можно использовать с n различными слоями детектора для m×n получений энергии и выходных сигналов детектора, зависящих от энергии. С детектором подсчета фотонов с прямым преобразованием используется одно пиковое напряжение в киловольтах для получения одной проекции, и спектральная информация получается путем анализа амплитуды импульсов электрического выходного сигнала детектора прямого преобразования.
Дающее рекомендации по параметрам объемного сканирования устройство 120 рекомендует один или несколько параметров протокола спектрального объемного сканирования, таких как напряжение на трубке (пиковое напряжение в киловольтах), ток трубки (мА-с), энергетический порог (для детекторов подсчета фотонов) и/или другие параметры протокола спектрального сканирования. Показанное дающее рекомендации устройство 120 спектрально разлагает 2D проекции и рекомендует параметр на основе спектрального разложения. Как правило, для спектрального разложения, данные для двух разных пиковых напряжений в киловольтах, полученных при приблизительно одном и том же угле получения, разлагаются, по меньшей мере, на две различные компоненты, например кости и мягкие ткани. Примерное спектральное разложение обсуждается в Alvarez, R. E. & Macovski, A. "Energy-selective Recon in X-ray Computerized Tomography", Phys Med Biol, 1976, 21, 733-44.
На Фиг. 2 схематично показан не имеющий ограничительного характера пример дающего рекомендации устройства 120. Определитель 202 характеристик определяет характеристику сканируемого субъекта из разложенных данных. Например, на основе разложения, устройство 120 может экстраполировать затухание объекта, даже при нижних установках пикового напряжения в киловольтах. Исходя из этих данных, устройство 120 может определить, будет ли объемное сканирование при определенном пиковом напряжении в киловольтах (например, 80 кВт пикового напряжения) испытывать нехватку фотонов. Это позволяет дающему рекомендации устройству 120 рекомендовать надлежащее значение пикового напряжения в киловольтах для объемного сканирования, которое реализует компромисс между риском нехватки фотонов и хорошими спектральными рабочими характеристиками.
В одном из примеров, не имеющих ограничительного характера, дающее рекомендации устройство 120 выполняет это определение на основе отображения 204 характеристики на пиковое напряжение в киловольтах, которое отображает значения уровней затухания (и/или другие характеристики) на значения пикового напряжения в киловольтах и которое основано на одном или нескольких заранее определенных компромиссах между риском нехватки фотонов и хорошими спектральными рабочими характеристиками и/или другими критериями. Например, определитель 202 характеристик размещает определенную(ые) характеристику(и) в отображение 204 характеристики на пиковое напряжение в киловольтах и извлекает значение пикового напряжения из отображения 204. Отображение 204 может генерироваться во время калибровки с соответствующим фантомом и сохраняться в виде таблицы соответствия (LUT) и/или другим способом. Извлеченное значение пикового напряжения в киловольтах может автоматически загружаться в систему 100, отображаться для рассмотрения оператором, использоваться для того, чтобы уведомить оператора о том, что установка пикового напряжения в киловольтах может привести к переполнению детектора или более высокой дозе для пациента и т.д.
В качестве не имеющего ограничительного характера примера, первое 2D проекционное сканирование, выполненное при 100 кВт пикового напряжения, и второе 2D проекционное сканирование, выполненное при 140 кВт пикового напряжения, можно спектрально разложить для предоставления данных, которые показывают, что нижняя установка пикового напряжения в киловольтах двухэнергетического сканирования может быть установлена ниже, чем 100 кВт пикового напряжения, например на 80 кВт пикового напряжения. Альтернативно, характеристика(и) может указывать на то, что нижняя установка пикового напряжения в киловольтах должна быть 100 кВт пикового напряжения или больше. Другие подходы также рассматриваются в данном описании. Например, дающее рекомендации устройство 120 может альтернативно вычислить одно или несколько значений пикового напряжения в киловольтах на основе набора правил, алгоритма и/или другой информации.
Как правило, дающее рекомендации устройство 120 позволяет определить и/или оптимизировать одно или несколько пиковых напряжений в киловольтах для спектрального объемного сканирования. Дающее рекомендации по параметрам объемного сканирования устройство 120 может быть реализовано с помощью, по меньшей мере, одного процессора, выполняющего исполняемые компьютером инструкции, встроенные или закодированные на машиночитаемом носителе данных, таком как физическая память или другой постоянный носитель. Дополнительно или альтернативно, дающее рекомендации по параметрам объемного сканирования устройство 120 может быть реализовано, по меньшей мере, посредством одного процессора, выполняющего исполняемые компьютером инструкции, переносимые несущей, сигналом или другой промежуточной средой.
Ссылаясь на Фиг. 1, компьютер общего назначения служит в качестве операторской консоли 122 и включает в себя устройство вывода, пригодное для понимания человеком, такое как монитор или дисплей, и устройство ввода, такое как клавиатура и мышь. Программное обеспечение, постоянно установленное на консоли 122, позволяет оператору взаимодействовать со сканером 100 через графический интерфейс (ГИП) пользователя или иным образом. Такое взаимодействие включает в себя выбор двух или более 2D проекционных сканирований (например, режим мульти-2D проекционного сканирования), установку и/или изменение параметров сканирования (например, пикового напряжения в киловольтах, мА·с и т.д.) для выбранных 2D проекционных сканирований, выбор протокола спектрального объемного сканирования, установку и/или изменение параметров протокола (например, пикового напряжения в киловольтах, мА·с и т.д.) для выбранного спектрального объемного сканирования.
Взаимодействие также может включать в себя отображение с помощью ГИП визуальной информации о рекомендуемых параметрах (например, пиковых напряжений в киловольтах) и дает возможность подтверждать, модифицировать и/или отклонять их оператором системы 100 формирования изображений с помощью мыши, сенсорного экрана, клавиатуры, кнопочной панели и т.д. Альтернативно, рекомендуемые параметры могут быть автоматически загружены в системе 100. Альтернативно, там, где рекомендуемые параметры отличаются от соответствующих выбираемых пользователем параметров или параметров по умолчанию, консоль 122 может уведомить оператора с помощью сообщения или предупреждения посредством визуального и/или звукового индикатора.
Реконструктор 124 реконструирует выходной сигнал детекторной матрицы и генерирует данные объемного изображения. Реконструктор 124 использует один или несколько обычных, спектральных, итеративных и/или других алгоритмов реконструкции. Данные объемного изображения могут включать в себя данные, соответствующие конкретной спектральной составляющей и/или составные данные, аналогичные данным изображения традиционной КТ. Реконструктор 124 также может генерировать 2D проекционные изображения, соответствующие определенной спектральной составляющей. Опора 126 для субъекта, такая как кушетка, поддерживает субъект в области 108 обследования. Опора 126 для субъекта может перемещаться во взаимодействии со сканированием для того, чтобы направлять субъект по отношению к области 108 обследования для выполнения 2D проекционного и/или объемного сканирований.
ОБСУЖДЕНИЕ ВАРИАНТОВ
Как кратко отмечалось выше, детекторная матрица 114 может альтернативно включать в себя детекторную матрицу многослойных сцинтилляторов/фотодатчиков и/или детектор подсчета фотонов с прямым преобразованием. На Фиг. 3 и 4 схематично показаны не имеющие ограничительного характера примеры детекторных матриц 300 и 400 двуслойных сцинтилляторов/фотодатчиков, и на Фиг. 5 показана электронная обработка выходных сигналов детекторной матрицы подсчета фотонов с прямым преобразованием.
На Фиг. 3 первый и второй слои 302 и 304 сцинтиллирующего вещества соединены таким образом, что первый слой 302 находится на стороне детектора, принимающей падающее излучение. Фотодатчики 310 и 312 соединены со второй противоположной стороной детектора 300. Поглощение энергии, как правило, зависит от толщины. Таким образом, большинство нижних энергетических фотонов поглощаются в первом слое 302 и большинство фотонов более низкой энергии поглощаются во втором слое 304. Слои 302 и 304 сцинтилляторов соответственно имеют эмиссионные спектры, которые соответствуют спектральной чувствительности фотодатчиков 310 и 312.
Таким образом, по существу, только свет, испускаемый первым слоем 302, поглощается фотодатчиком 310, и, по существу, только свет, испускаемый вторым слоем 304, поглощается фотодатчиком 312. Выходные сигналы фотодатчиков 310 и 311 указывают на излучение из различных энергетических зон, которые соответствуют первому и второму слоям 302 и 304. На Фиг. 4 фотодатчики 310 и 312 соединены со стороной сцинтилляционных слоев 302 и 304, которая перпендикулярна направлению падающего излучения.
Согласно Фиг. 5 выходной сигнал детекторной матрицы 114 обрабатывается предусилителем 502, который усиливает электрический сигнал, выводимый детекторной матрицей 114. Формирователь 504 импульсов обрабатывает усиленный электрический сигнал и генерирует импульс, такой как напряжение или другой импульс, указывающий на энергию обнаруженного фотона. Дискриминатор 506 энергии дискриминирует по энергии импульс. В показанном примере дискриминатор 506 энергии включает в себя компаратор 508, включающий в себя, по меньшей мере, два подкомпаратора, которые сравнивают амплитуду импульса с двумя или более различными энергетическими порогами, которые соответствуют различным энергиям, представляющим интерес. Компаратор 508 производит выходной сигнал, указывающий на энергию фотона на основе сравнения.
Счетчик 510 увеличивает значение счетчика для каждого порога на основании выходного сигнала от дискриминатора 506 энергии. Например, когда выходной сигнал компаратора 508 для определенного порога указывает, что амплитуда импульса превышает соответствующее пороговое значение, значение счетчика для этого порога увеличивается. Группировщик 512 энергии присваивает подсчитанные импульсы двум или более энергетическим интервалам на основе подсчетов. Каждый энергетический интервал охватывает диапазон энергии или окно. Например, интервал может быть определен для диапазона энергии между двумя порогами, где фотон, приводящий к подсчету для нижнего порога, но не для более высокого порога, будет присвоен этому нижнему интервалу.
Дающее рекомендации по параметрам объемного сканирования устройство 120 обрабатывает сгруппированные данные и дающее рекомендации устройство120 рекомендует параметры спектрального сканирования, такие как пиковое напряжение в киловольтах, мА·с, один или несколько энергетических порогов, и/или другой параметр(ы).
Другие варианты могут включать в себя больше сцинтилляционных слоев, и отдельные сцинтилляционные слои могут иметь одинаковую толщину и/или разную толщину. С помощью детектора с двумя пиковыми напряжениями в киловольтах и  двумя слоями, дающее рекомендации устройство 120 рекомендует установки для четырех различных получений энергии. В основном, для М пиковых напряжений в киловольтах и N слоев, дающее рекомендации устройство 120 рекомендует установки для M×N различных получений энергии. Что касается детектора с регистрацией счета фотонов, с N энергетическими интервалами, дающее рекомендации устройство 120 рекомендует установки для N различных получений энергии.
В другом варианте 2D проекции могут дополнительно или альтернативно использоваться для определения фильтра, который улучшают спектральные рабочие характеристики системы с двумя слоями. В случае, когда фильтр улучшает рабочие характеристики только для маленьких пациентов и ухудшает рабочие характеристики для толстых пациентов, дающее рекомендации устройство 120 рекомендует, следует ли использовать фильтр.
В другом варианте система 100 формирования изображений включает в себя более одного источника 106. Например, система 100 формирования изображений может включать в себя два источника 106 с угловым смещением относительно друг друга примерно на девяносто градусов вдоль поперечного направления, которое перпендикулярно z оси, три источника 106 с угловым смещением относительно друг друга примерно на шестьдесят градусов вдоль поперечного направления и т.д. Каждый из этих источников может работать, как описано в настоящем документе, для переключения между пиковыми напряжениями в киловольтах и/или парой детекторных матриц с энергетическим разрешением.
В другом варианте дающее рекомендации устройство 120 использует разложение 2D проекций для определения тока трубки (мА-с) для источника 106.
В другом варианте дающее рекомендации устройство 120 для переключения пикового напряжения в киловольтах, может рекомендовать параметр периодического повторения пикового напряжения в киловольтах. Например, устройство 120, дающее рекомендации, может рекомендовать, сколько собрать проекций при каждой установке пикового напряжения в киловольтах. Таким образом, отношение данных, полученных с двумя установками пикового напряжения в киловольтах можно регулировать для того, чтобы удовлетворить заранее определенному критерию вывода. Например, критерий может указывать, что данные для обеих установок пикового напряжения в киловольтах имеют одинаковое качество изображения. Таким образом, для более полного пациента, дающее рекомендации устройство 120 может рекомендовать больше проекций при низкой установке пикового напряжения в киловольтах по отношению к высокой установке пикового напряжения в киловольтах или альтернативно продолжительные периоды получения при низкой установке пикового напряжения в киловольтах относительно высокой установки пикового напряжения в киловольтах для компенсации недостаточности статистических данных. Фиг. 6 иллюстрирует примерный способ.
Следует иметь в виду, что порядок действий в способах, описываемый в настоящем документе, не является ограничивающим. Таким образом, другие порядки рассматриваются в данном документе. Кроме того, одно или несколько действий может быть опущено и/или одно или несколько дополнительных действий могут быть добавлены.
На этапе 602 получают первую 2D проекцию под углом получения, используя первое пиковое напряжение в киловольтах.
На этапе 602 получают вторую 2D проекцию под углом получения, используя второе пиковое напряжение в киловольтах, которое отличается от первого пикового напряжения в киловольтах.
На этапе 606 первая и вторая 2D проекции спектрально разлагаются, по меньшей мере, на две компоненты.
На этапе 608, по меньшей мере, одна характеристика (например, толщина, количество костной и/или мягкой ткани и т.д.) от сканируемого субъекта определяется из данных спектрального разложения.
На этапе 610, по меньшей мере, одно значение пикового напряжения в киловольтах для спектрального объемного сканирования субъекта определяется на основании, по меньшей мере, определенной физической характеристики.
На этапе 612 определенное пиковое напряжение в киловольтах, наряду, по меньшей мере, с одним другим определенным или заданным пользователем пиковым напряжением в киловольтах, используется для выполнения спектрального объемного сканирования.
Как описано в настоящем документе, альтернативно первая и вторая 2D проекции могут быть получены с помощью одного пикового напряжение в киловольтах и либо детекторной матрицы многослойных сцинтилляторов/фотодатчиков, детекторной матрицы подсчета фотонов с прямым преобразованием и/или другой детекторной матрицы с энергетическим разрешением.
По меньшей мере часть указанного выше может быть реализована в виде машиночитаемых инструкций, закодированных или встроенных на машиночитаемом носителе данных, которые при выполнении процессором(ами) компьютера, побуждают процессор(ы) выполнять описанные действия. Кроме того или альтернативно, по меньшей мере, одни из машиночитаемых инструкций переносятся сигналом, несущей или другой промежуточной средой.
Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. После прочтения и понимания предшествующего подробного описания могут возникнуть другие модификации и изменения. Предполагается, что изобретение было построено как включающее в себя все такие модификации и изменения постольку, поскольку они входят в объем прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.