УСТРОЙСТВО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
DETECTION DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству детектирования, способу детектирования и компьютерной программе детектирования.
Уровень техники
В статье «Dual Source КТ: Detecting Urinary Stones by Spiral Dual Energy Computed Tomography With Virtual Non-Enhanced Images» за авторством Paul Stolzmann et al. SOMATOM Sessions, стр. 49-51, ноябрь 2007 г., раскрыто устройство компьютерной томографии с двумя уровнями энергии, содержащее две рентгеновские трубки, излучающие рентгеновское излучение с разными энергетическими спектрами. Рентгеновское излучение, после прохождения области, представляющей интерес, детектируется детектором, в то время как две рентгеновские трубки вращаются вокруг области, представляющей интерес, для освещения области, представляющей интерес, в разных направлениях. Детектор генерирует два набора значений детектирования, которые соответствуют двум рентгеновским спектрам двух рентгеновских трубок, и блок реконструкции реконструирует два изображения области, представляющей интерес, из двух наборов значений детектирования. Это устройство компьютерной томографии с двумя уровнями энергии является достаточно сложным в техническом отношении.
В EP 1384440 A2 раскрыта система компьютерной томографии, содержащая детекторную решетку с множеством детекторных элементов. С помощью энергетического фильтра между детекторной решеткой и источником рентгеновского излучения можно обеспечить прием разными детекторными элементами рентгеновского излучения разных спектральных диапазонов. Процессор определяет спектральную информацию из соответствующих данных детектора.
В US 2010/172464 A1 раскрыт сканер багажа на основе КТ, в котором фильтр с шахматным шаблоном располагается между источником рентгеновского излучения и детектором рентгеновского излучения. Таким образом, элементы детекторной решетки облучаются рентгеновским излучением разных спектров.
В EP 1734405 A2 раскрыт рентгеноскоп, в котором последовательные кадры генерируются разными спектрами рентгеновского излучения. Разные спектры рентгеновского излучения можно генерировать, располагая фильтр перед источником рентгеновского излучения или удаляя его оттуда соответственно.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является обеспечение устройства детектирования, способа детектирования и компьютерной программы детектирования, которые позволяют генерировать разные наборы значений детектирования, которые соответствуют разным энергетическим спектрам, обладающих меньшей технической сложностью.
В первом аспекте настоящего изобретения представлено устройство детектирования, причем устройство детектирования содержит:
- источник излучения для генерации конического пучка излучения для прохождения через область, представляющую интерес, в зоне обследования,
- детектор с однородной поверхностью детектирования для генерации значений детектирования, указывающих пучок излучения, после прохождения области, представляющей интерес,
- блок перемещения для перемещения источника излучения и области, представляющей интерес, относительно друг друга по спиральной траектории вокруг оси вращения, чтобы пучок излучения мог проходить через область, представляющую интерес, в разных направлениях, в то время как детектор генерирует значения детектирования,
- фильтр для фильтрации пучка излучения для генерации, по меньшей мере, первой области и второй области пучка излучения, имеющих разные энергетические спектры, причем первая область пучка излучения освещает первую детекторную область на поверхности детектирования, таким образом, генерируя первый набор значений детектирования, и вторая область пучка излучения освещает вторую детекторную область на поверхности детектирования, таким образом, генерируя второй набор значений детектирования,
- блок управления для управления устройством детектирования для обеспечения избыточности первого набора значений детектирования и второго набора значений детектирования.
Используя фильтр, можно относительно простым в техническом отношении способом генерировать разные наборы значений детектирования, которые соответствуют разным энергетическим спектрам. Например, используя фильтр, устройство детектирования можно использовать как устройство компьютерной томографии с двумя уровнями энергии, при этом, например, стандартное устройство компьютерной томографии можно преобразовать в устройство компьютерной томографии с двумя уровнями энергии путем добавления фильтра в стандартное устройство компьютерной томографии, предпочтительно без модификации источника излучения и детектора.
Фильтр может создавать разные энергетические фильтрации для разных детекторных пикселей детектора. Фильтр выполнен с возможностью того, что первая область пучка излучения фильтруется иначе, чем вторая область пучка излучения. Например, первая половина пучка излучения может фильтроваться иначе, чем вторая половина пучка излучения. Фильтр может содержать разные материалы, разные толщины, разные плотности и т.д., чтобы по-разному фильтровать первую область и вторую область пучка излучения. Фильтр может быть выполнен с возможностью того, чтобы он иначе фильтровал дополнительные области пучка излучения. Например, третья, четвертая и т.д. область пучка излучения могут фильтроваться по-разному.
Первая область и вторая область располагаются предпочтительно рядом друг с другом, причем первая область и вторая область соседствуют в направлении оси вращения.
Граница между первой детекторной областью и второй детекторной областью может образовывать угол с осью вращения в пределах от 0 до 90 градусов. В предпочтительном варианте осуществления этот угол равен 90 градусов. В дополнительно предпочтительном варианте осуществления этот угол больше 0 градусов и меньше 90 градусов.
Согласно варианту осуществления, фильтр выполнен так, чтобы фильтровать первую область пучка излучения и не фильтровать вторую область пучка излучения. Это позволяет относительно простым способом обеспечивать первый набор значений детектирования и второй набор значений детектирования, которые соответствуют разным энергетическим спектрам.
В дополнительном варианте осуществления детектор, источник излучения и фильтр выполнены так, что первая детекторная область является первой половиной поверхности детектирования детектора, и вторая детекторная область является второй половиной поверхности детектирования детектора, причем первая половина поверхности детектирования и вторая половина поверхности детектирования соседствуют в направлении оси вращения. Это также позволяет относительно простым способом генерировать два набора значений детектирования, которые являются избыточными и которые соответствуют разным энергетическим спектрам.
Фильтр можно выполнить так, чтобы, по меньшей мере, одна из первой области и второй области содержала геометрически различные подобласти, имеющие одинаковые энергетические спектры, т.е. чтобы подобласти области имели одинаковые энергетические спектры.
Согласно варианту осуществления, фильтр выполнен так, что первая область содержит две подобласти, охватывающие вторую область в направлении оси вращения. Это означает, что первая подобласть первой области, вторая область и вторая подобласть первой области соседствуют рядом друг с другом в указанном порядке в направлении оси вращения. Предпочтительно выполнить фильтр так, чтобы устройство детектирования работало в режиме получения, в котором вторая область пучка излучения освещает вторую детекторную область таким образом, что она включает в себя, по меньшей мере, окно Тама-Даниэльсона на поверхности детектирования, и две подобласти первой области пучка излучения освещают две детекторные подобласти первой детекторной области. Если вторая детекторная область включает в себя, по меньшей мере, окно Тама-Даниэльсона на поверхности детектирования, можно генерировать соответствующий второй набор значений детектирования, который является математически точным и, таким образом, допускает реконструкцию с уменьшенными артефактами. Поскольку окно Тама-Даниэльсона центрировано на поверхности детектирования относительно оси вращения, пучок излучения имеет предпочтительно центральную вторую область и две подобласти первой области при увеличенных углах конуса, причем две подобласти первой области фильтруются одинаково и, таким образом, содержат одинаковые энергетические спектры, и вторая область фильтруется иначе и содержит другой энергетический спектр.
Согласно варианту осуществления, фильтр выполнен так, что границы между второй детекторной областью и двумя детекторными подобластями первой детекторной области образуют прямые линии. Поскольку границы образуют прямые линии, фильтр можно относительно легко изготавливать. Кроме того, прямые линии приводят к избыточности данных во второй детекторной области, что можно использовать для снижения шума в изображении, реконструированном из второго набора значений детектирования. Фильтр можно выполнить так, чтобы границы между второй детекторной областью и двумя детекторными подобластями первой детекторной области образовывали угол 90 градусов с осью вращения. Такой фильтр еще проще в изготовлении.
Предпочтительно выполнить фильтр так, чтобы устройство детектирования работало в режиме получения, в котором наборы значений детектирования являются полными массивами данных. В частности, два или более полных массива данных можно обеспечить наборами значений детектирования, причем каждый набор значений детектирования является полным в том смысле, что всю область, представляющую интерес, можно реконструировать точно или приблизительно, независимо от значений детектирования других наборов. Другими словами, фильтр может быть выполнен с возможностью разбиения пространства Радона в нескольких разных участках, причем область, представляющую интерес, можно реконструировать из одного из этих участков пространства Радона независимо от других участков пространства Радона. Участки, т.е. соответствующие наборы значений детектирования, являются избыточными и различаются спектром.
Предпочтительно, набор значений детектирования является полным, если все точки объекта, подлежащие реконструкции, облучались, по меньшей мере, на 180 градусов, соответствующей областью пучка излучения. Фильтр предпочтительно выполнен так, что для малого шага спиральной траектории, по меньшей мере, можно генерировать два набора значений детектирования, которые удовлетворяют критерию полноты. В частности, устройство детектирования предпочтительно работает так, что эти разные наборы значений детектирования можно генерировать одновременно, т.е. за один проход.
В предпочтительном варианте осуществления устройство детектирования дополнительно содержит блок реконструкции для реконструкции первого изображения области, представляющей интерес, из первого набора значений детектирования и второго изображения области, представляющей интерес, из второго набора значений детектирования. Предпочтительно, чтобы блок реконструкции был выполнен с возможностью применять метод компонентного разложения к первому и второму изображениям для определения первого изображения компонентного ослабления, которое указывает ослабление, вызванное первым ослабляющим компонентом в области, представляющей интерес, и второго изображения компонентного ослабления, которое указывает ослабление, вызванное вторым ослабляющим компонентом в области, представляющей интерес. Блок реконструкции может быть выполнен с возможностью применения метода разложения, который определяет более двух изображений компонентного ослабления. Например, можно рассматривать три или более ослабляющих компонента. Ослабляющие компоненты могут представлять материалы наподобие разных базовых материалов в области, представляющей интерес, например, кость, мягкую ткань, контрастный агент и т.д., и/или ослабляющие компоненты могут представлять разные физические эффекты, например, фотоэффект и комптон-эффект.
Устройство детектирования может быть выполнено с возможностью, по меньшей мере, одного из следующих применений: разделения материалов, картирования контрастного агента, формирования виртуального неконтрастного изображения, формирования моноэнергетического изображения. Для картирования контрастного агента контрастный агент предпочтительно располагается в области, представляющей интерес. Контрастный агент может содержать йод, который является видимым в изображениях компьютерной томографии.
Разделение материалов можно осуществлять, рассматривая разные материалы в области, представляющей интерес как разные ослабляющие компоненты. Например, можно определить первое и второе изображения, где первое изображение показывает только первый материал, и второе изображение показывает только второй материал.
В операциях сканирования методом компьютерной томографии с применением контрастного агента может быть важно получить карту распределения контрастного агента в теле человека, по меньшей мере, качественно. Этого можно добиться из двух массивов спектральных данных, (a) проверяя каждый воксель изображения с использованием обоих реконструированных изображений, является ли он вокселем, содержащим контрастный агент, и (b) оценивая количество контрастного агента с помощью соответствующих значений поглощения в первом и втором изображениях, в частности, с помощью соответствующих количеств единиц по шкале Хаунсфилда в двух изображениях. Полученные таким образом изображения рассматриваются как карты контрастного агента. Из карт контрастного агента и двух массивов спектральных данных можно также вывести виртуальные неконтрастные изображения, которые отображают информацию анатомического изображения и подавляют гиперплотные области в спектральных изображениях вследствие контрастного агента, напоминающие природную компьютерную томографию. Наконец, можно отображать моноэнергетические изображения, где локальные значения вокселей выведены из соответствующих значений вокселей в двух спектральных изображениях и аппроксимируют ослабление ткани на данной энергии.
Согласно варианту осуществления, по меньшей мере, один из источника излучения и детектора выполнен с возможностью генерации разрешаемых по энергии данных детектирования, благодаря чему разные наборы значений детектирования делятся на поднаборы значений детектирования, которые соответствуют разным энергиям. Например, детектор может быть детектором с возможностью разрешения по энергии для генерации разрешаемых по энергии данных детектирования, благодаря чему разные наборы значений детектирования делятся на поднаборы значений детектирования, которые соответствуют разным энергиям. Детектор может содержать двухслойную структуру, в которой два сцинтилляционных кристалла смонтированы один поверх другого, конструкцию для разрешения значений детектирования на две энергии. В двухслойном устройстве низкоэнергетичные фотоны предпочтительно регистрируются в переднем слое, а высокоэнергетичные фотоны - в заднем слое, что приводит к образованию двух спектрально различных эффективных спектров для детекторов. В сочетании с фильтром, который генерирует два набора значений детектирования, которые соответствуют двум разным энергиям, можно генерировать четыре поднабора значений детектирования, которые соответствуют четырем разным энергиям. Таким образом, устройство детектирования может быть выполнено с возможностью осуществления компьютерной томографии на четырех уровнях энергии. Дополнительно или альтернативно источник излучения может быть выполнен для излучения рентгеновского излучения, имеющего разные энергетические спектры. Например, источник излучения может содержать две рентгеновские трубки, излучающие рентгеновское излучение с разными энергетическими спектрами. В ходе получения значений детектирования две рентгеновские трубки могут попеременно излучать рентгеновское излучение для генерации разрешаемых по энергии данных детектирования. В сочетании с фильтром, который генерирует два набора значений детектирования, которые соответствуют двум разным энергиям, можно генерировать четыре поднабора значений детектирования, которые соответствуют четырем разным энергиям.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен способ детектирования, причем способ детектирования содержит этапы, на которых:
- генерируют конический пучок излучения для прохождения через область, представляющую интерес, в зоне обследования с помощью источника излучения,
- генерируют значения детектирования, указывающие пучок излучения после прохождения области, представляющей интерес, с помощью детектора с однородной поверхностью детектирования,
- перемещают, с помощью блока перемещения, источник излучения и область, представляющую интерес, относительно друг друга по спиральной траектории вокруг оси вращения, чтобы пучок излучения мог проходить через область, представляющую интерес, в разных направлениях, в то время как детектор генерирует значения детектирования,
- фильтруют, с помощью фильтра, пучок излучения для генерации, по меньшей мере, первой области и второй области пучка излучения, имеющих разные энергетические спектры,
причем первая область пучка излучения освещает первую детекторную область на поверхности детектирования, таким образом, генерируя первый набор значений детектирования, и вторая область пучка излучения освещает вторую детекторную область на поверхности детектирования, таким образом, генерируя второй набор значений детектирования,
- управляют, с помощью блока управления, устройством детектирования для обеспечения избыточности первого набора значений детектирования и второго набора значений детектирования.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена компьютерная программа детектирования, причем компьютерная программа детектирования содержит средство программного кода, предписывающее устройству детектирования по п. 1 осуществлять этапы способа детектирования по п. 14, когда компьютерная программа детектирования выполняется на компьютере, управляющем устройством детектирования.
Следует понимать, что устройство детектирования по п. 1, способ детектирования по п. 14 и компьютерная программа детектирования по п. 15 имеют аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, в частности, заданные в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления изобретения также может быть любой комбинацией зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.
Эти и другие аспекты изобретения далее будут пояснены со ссылкой на описанные ниже варианты осуществления.
Краткое описание чертежей
На нижеследующих чертежах:
фиг. 1 демонстрирует схематичное и иллюстративное представление устройства детектирования, которое является устройством компьютерной томографии,
фиг. 2 демонстрирует схематичное и иллюстративное представление фильтра для фильтрации пучка излучения устройства детектирования,
фиг. 3 и 4 иллюстративно демонстрируют освещение поверхности детектирования детектора устройства компьютерной томографии,
фиг. 5 иллюстративно демонстрирует блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую вариант осуществления способа детектирования, который является способом компьютерной томографии, и
фиг. 6-8 иллюстративно демонстрируют дополнительное освещение поверхности детектирования, причем центральная детекторная область и внешние детекторные области освещаются по-разному, и внутренняя, центральная детекторная область включает в себя окно Тама-Даниэльсона.
Осуществление изобретения
Фиг. 1 схематично и иллюстративно демонстрирует устройство детектирования, которое является устройством компьютерной томографии для формирования изображения области, представляющей интерес, в зоне 5 обследования. Устройство 30 компьютерной томографии включает в себя гентри 1, который способен поворачиваться вокруг оси R вращения, которая проходит параллельно направлению z. Источник 2 излучения генерирует конический пучок 4 излучения для прохождения через зону 5 обследования. Источник 2 излучения содержит рентгеновскую трубку 12 и коллиматор 3, который формирует конический пучок 4 излучения из излучения, генерируемого рентгеновской трубкой 12. Излучение 4 проходит через объект (не показан), например, пациента, и область, представляющую интерес, которая предпочтительно располагается в объекте, в области, представляющей интерес, которая в этом варианте осуществления имеет цилиндрическую форму. После прохождения области, представляющей интерес, пучок 4 излучения попадает на детектор 6, содержащий двумерную однородную поверхность 21 детектирования, в которой разные детекторные пиксели детектора сконструированы аналогично, что является обычным в стандартных устройствах компьютерной томографии. Детектор 6 смонтирован на гентри 1.
Устройство 30 компьютерной томографии дополнительно содержит фильтр 20, который схематично и иллюстративно показан на фиг. 2. На фиг. 2 показаны только некоторые компоненты устройства 30 компьютерной томографии, которые необходимы для демонстрации функции фильтра 20. Фильтр 20 может быть встроен в коллиматор 3, или фильтр 20 может размещаться так, чтобы фильтровать излучение до или после коллимации.
Фильтр 20 фильтрует пучок 4 излучения, который исходит из фокального пятна 24, благодаря чему генерируются первая область 22 и вторая область 23 пучка 4 излучения, имеющие разные энергетические спектры. Первая область 22 пучка 4 излучения генерирует первый набор значений детектирования, и вторая область 23 пучка 4 излучения генерирует второй набор значений детектирования. Фильтр 20 выполнен так, что первая область 22 пучка 4 излучения фильтруется иначе, чем вторая область 23 пучка 4 излучения. В частности, первая половина пучка 4 излучения фильтруется иначе, чем вторая половина пучка 4 излучения. Фильтр 20 может содержать разные материалы, разные толщины, разные плотности и т.д., чтобы фильтрация первой области 22 и второй области 23 пучка 4 излучения осуществлялась по-разному. В других вариантах осуществления фильтр может быть выполнен с возможностью того, чтобы фильтрация дополнительных областей пучка 4 излучения осуществлялась по-разному. Например, третья, четвертая и т.д. область пучка 4 излучения могут фильтроваться по-разному. Первая область 22 и вторая область 23 располагаются рядом друг с другом, причем первая область 22 и вторая область 23 соседствуют в направлении оси R вращения.
В этом варианте осуществления первая область 22 пучка 4 излучения освещает первую детекторную область 25 на поверхности 21 детектирования, таким образом, генерируя первый набор значений детектирования, и вторая область 23 пучка 4 излучения освещает вторую детекторную область 26 на поверхности 21 детектирования, таким образом, генерируя второй набор значений детектирования. В частности, детектор 6, источник 2 излучения и фильтр 20 выполнены так, что первая детекторная область 25 является первой половиной поверхности 21 детектирования детектора 6, и вторая детекторная область 26 является второй половиной поверхности 21 детектирования детектора 6, причем первая детекторная область 25 поверхности 21 детектирования и вторая детекторная область 26 поверхности 21 детектирования соседствуют в направлении оси R вращения.
Первая детекторная область 25 и вторая детекторная область 26 также показаны на фиг. 3. Граница 27 между первой детекторной областью 25 и второй детекторной областью 26 образует угол 28 с осью R вращения 90 градусов. Однако этот угол также может иметь другое значение, в частности, близкое к нулю, и граница между разными детекторными областями, которые соответствуют разным областям пучка излучения, не обязаны быть прямыми линиями, но также могут быть кривыми линиями.
Фиг. 4 схематично и иллюстративно демонстрирует другое освещение поверхности 21 детектирования. В соответствии с фиг. 4 детектор, источник излучения и фильтр можно выполнить так, чтобы первая детекторная область 35, которая освещается первой областью фильтрованного пучка излучения, и вторая детекторная область 36, которая освещается второй областью фильтрованного пучка излучения, разделялись границей 37, которая образует угол 38, больший 0 градусов и меньший 90 градусов. По сравнению с углом нуль градусов можно использовать значения детектирования, которые соответствуют центру вращения, поскольку граница 37 не выровнена с осью R вращения. Предпочтительно угол 38 составляет от 10 до 30 градусов.
Устройство компьютерной томографии содержит два двигателя 7, 8. Гентри приводится в движение двигателем 7 с предпочтительно постоянной, но регулируемой угловой скоростью. Двигатель 8 предусмотрен для перемещения объекта, например, пациента, который располагается на столе пациента в зоне 5 обследования, параллельно направлению оси R вращения или оси z. Двигатели 7, 8 управляются блоком 9 управления таким образом, чтобы источник 2 излучения и область, представляющая интерес, в зоне 5 обследования перемещались относительно друг друга по спиральной траектории. Гентри 1 и двигатель 7, 8 можно рассматривать как блок перемещения для перемещения источника 2 излучения и области, представляющей интерес, относительно друг друга по спиральной траектории вокруг оси R вращения, чтобы пучок 4 излучения мог проходить через область, представляющую интерес, в разных направлениях, в то время как детектор 6 генерирует значения детектирования. В ходе относительного перемещения источника 2 излучения и области, представляющей интерес, детектор 6 генерирует значения детектирования, указывающие пучок 4 излучения после прохождения области, представляющей интерес.
Блок 9 управления выполнен с возможностью управления устройством 30 компьютерной томографии для обеспечения избыточности первого набора значений детектирования и второго набора значений детектирования. В частности, фильтр 20 выполнен так, что устройство компьютерной томографии является управляемым в режиме получения, в котором наборы значений детектирования являются полными массивами данных. Предпочтительно можно обеспечить два или более полных набора значений детектирования, причем каждый набор значений детектирования является полным в том смысле, что всю область, представляющую интерес, можно реконструировать точно или приблизительно, независимо от значений детектирования остальных. Другими словами, фильтр 20 предпочтительно выполнен для разбиения пространства Радона в нескольких разных участках, причем область, представляющую интерес, можно реконструировать из одного из этих участков пространства Радона независимо от других участков пространства Радона. Эти участки, т.е. соответствующие наборы значений детектирования, являются избыточными и различаются спектром.
Набор значений детектирования является полным, если все точки в области, представляющей интерес, подлежащие реконструкции, облучаются, по меньшей мере, на 180° соответствующей областью пучка 4 излучения. Фильтр 20 предпочтительно выполнен так, что для малого шага спиральной траектории, по меньшей мере, можно генерировать два набора значений детектирования, каждый из которых удовлетворяет критерию полноты. В частности, устройство 30 компьютерной томографии работает так, что эти разные наборы значений детектирования можно генерировать одновременно, т.е. за один проход.
Разные наборы значений детектирования, которые в этом варианте осуществления являются разными наборами проекционных данных, поступают на блок 10 реконструкции для реконструкции первого изображения области, представляющей интерес, из первого набора значений детектирования и второго изображения области, представляющей интерес, из второго набора значений детектирования. Блок 9 управления также предпочтительно управляет блоком 10 реконструкции. Блок 10 реконструкции может быть выполнен с возможностью использования алгоритма реконструкции наподобие алгоритма фильтрованной обратной проекции, алгоритма алгебраической реконструкции, алгоритма инверсии Радона и т.д. для реконструкции первого изображения из первого набора значений детектирования и второго изображения из второго набора значений детектирования.
Блок 10 реконструкции дополнительно выполнен с возможностью применения метода компонентного разложения к первому и второму изображениям для определения первого изображения компонентного ослабления, которое указывает ослабление, вызванное первым ослабляющим компонентом в области, представляющей интерес, и второго изображения компонентного ослабления, которое указывает ослабление, вызванное вторым ослабляющим компонентом в области, представляющей интерес. Например, разные ослабляющие компоненты в области, представляющей интерес, могут представлять собой разные материалы, как то кость, мягкая ткань, контрастный агент и т.д., и/или ослабляющие компоненты в области, представляющей интерес, могут быть связаны с разными физическими эффектами, например, комптон-эффектом, фотоэффектом, K-краевым эффектом и т.д.
Метод компонентного разложения можно осуществлять в соответствии со следующими уравнениями:
и(1)
.(2)
В уравнениях (1) и (2)  обозначает первое изображение,  обозначает второе изображение,  обозначает среднюю энергию первой области фильтрованного пучка излучения,  обозначает среднюю энергию второй области фильтрованного пучка излучения, ,  обозначают пространственные координаты в соответствующем изображении,  обозначает известную энергозависимую функцию ослабления для первого ослабляющего компонента,  обозначает известную энергозависимую функцию ослабления для второго ослабляющего компонента,  обозначает неизвестную плотность первого ослабляющего компонента, и  обозначает неизвестную плотность второго ослабляющего компонента. С использованием двух уравнений (1) и (2) можно определить две неизвестные плотности  и . В уравнениях (1) и (2) используются только две пространственные координаты  и , т.е. уравнения (1) и (2) относятся к двухмерным изображениям. Однако уравнения (1) и (2) аналогично можно использовать для трехмерных изображений.
Блок 10 реконструкции предпочтительно выполнен с возможностью, по меньшей мере, одного из следующих применений: разделения материалов, картирования контрастного агента, формирования виртуального неконтрастного изображения и формирования моноэнергетического изображения.
Разделение материалов осуществляют, рассматривая разные материалы, например, кость, мягкую ткань, контрастный агент и т.д. в области, представляющей интерес, как разные ослабляющие компоненты. Например, можно определить первое и второе изображения компонентного ослабления, где первое изображение компонентного ослабления показывает только первый материал, и второе изображение компонентного ослабления показывает только второй материал. Например, изображение кости, изображение мягкой ткани и/или изображение контрастного агента можно определить как изображения компонентного ослабления.
Для картирования контрастного агента блок 10 реконструкции предпочтительно выполнен с возможностью генерировать карту контрастного агента, в частности, йодную карту, если контрастным агентом, присутствующим в области, представляющей интерес, является йод. Карта контрастного агента описывает распределение контрастного агента в области, представляющей интерес, например, в теле человека, присутствующем в области, представляющей интерес, по меньшей мере, качественно. Блок реконструкции может быть выполнен с возможностью генерации карты контрастного агента из первого изображения и второго изображения, (a) проверяя каждый воксель изображения с использованием обоих реконструированных изображений, является ли он вокселем, содержащим контрастный агент, и (b) оценивая количество контрастного агента с использованием значений поглощения, в частности, количества единиц по шкале Хаунсфилда, в первом и втором изображениях. Проверку каждого элемента изображения с использованием обоих реконструированных изображений на предмет, содержит ли элемент изображения контрастный агент, можно осуществлять, например, исследуя положение элементов изображения в двухмерной диаграмме рассеяния, причем по двум осям двухмерной диаграммы рассеяния отложены  и . В двухмерной диаграмме рассеяния можно обеспечить заранее заданную разделительную линию, причем элементы изображения, которые отделены от других элементов изображения, которые могут представлять, например, значения кальцификации, разделительной линией, содержат контрастный агент. Разделительная линия может быть заранее задана, например, калибровочными измерениями. Эта проверка вокселя изображения на предмет того, содержит ли воксель контрастный агент, и возможная количественная оценка количества контрастного агента раскрыты более подробно в докладе «Material Separation with Dual-Layer CT» за авторством R. Carmi et al. Proceedings of IEEE Nuclear Symposium 2005, Conference record 2005; 4: 1876-1878, 2005, который, таким образом, включен в настоящее описание посредством ссылки.
Виртуальное неконтрастное изображение показывает, например, информацию анатомического изображения, в котором гиперплотные области, которые являются гиперплотными вследствие контрастного агента, подавляются, таким образом, генерируя снимок природной компьютерной томографии. Блок 10 реконструкции может быть выполнен с возможностью генерации виртуального неконтрастного изображения из генерируемой карты контрастного агента и первого и второго изображений. Например, из карты контрастного агента, в частности, из йодной карты, можно оценить вклад контрастного агента в полное ослабление для каждого элемента изображения, в частности, для каждого вокселя, отмеченного как содержащий контрастный агент. Для оценивания вклада контрастного агента в полное ослабление соответствующего элемента изображения можно использовать приблизительное количество контрастного агента в соответствующем элементе изображения, определенное картой контрастного агента и известной кривой ослабления для контрастного агента. Вычитая эту оценку из первого и второго изображений, можно реконструировать виртуальные неконтрастные изображения независимо для каждого из первого и второго изображений.
Моноэнергетическое изображение содержит значения изображения, в частности, значения вокселей, которые выводятся из соответствующих значений изображения в первом изображении и втором изображении, причем значения изображения моноэнергетического изображения аппроксимируют ослабление в области, представляющей интерес на данной энергии.
Моноэнергетические изображения можно вывести из вышеприведенных уравнений (1) и (2) после определения изображений плотности  и . В частности, поскольку изображения плотности определены, и энергозависимые функции ослабления  и  известны, можно определить моноэнергетическое изображение  для произвольной энергии  в соответствии со следующим уравнением:
.(3)
Это можно сделать для произвольных энергий, что позволяет отображать всю энергозависимую кривую ослабления для каждого вокселя в отдельности.
Генерируемые изображения можно выводить на дисплей 11 для отображения изображений.
В дальнейшем вариант осуществления способа детектирования будет иллюстративно описан со ссылкой на блок-схему операций, показанную на фиг. 5.
На этапе 101 конический пучок излучения генерируется источником 2 излучения для прохождения через область, представляющую интерес, в зоне 5 обследования. Детектор 6 генерирует значения детектирования, указывающие излучение 4 после прохождения области, представляющей интерес, в то время как блок 1, 7, 8 перемещения перемещает источник 2 излучения и область, представляющую интерес, относительно друг друга по спиральной траектории вокруг оси вращения, чтобы пучок 4 излучения мог проходить через область, представляющую интерес, в разных направлениях. Значения детектирования генерируются детектором 6, имеющую однородную поверхность 21 детектирования. До прохождения через область, представляющую интерес, пучок 4 излучения фильтруется фильтром 20 в направлении оси R вращения, благодаря чему генерируются, по меньшей мере, первая область 22 и вторая область 23 пучка 4 излучения, имеющие разные энергетические спектры, причем первая область 22 пучка 4 излучения генерирует первый набор значений детектирования, и вторая область 23 пучка 4 излучения генерирует второй набор значений детектирования. В ходе генерации значений детектирования блок 9 управления управляет устройством компьютерной томографии для обеспечения избыточности первого набора значений детектирования и второго набора значений детектирования.
На этапе 102 блок 10 реконструкции реконструирует первое изображение области, представляющей интерес, из первого набора значений детектирования и второе изображение области, представляющей интерес, из второго набора значений детектирования. На этапе 103 блок 10 реконструкции применяет метод компонентного разложения к первому и второму изображениям для определения первого изображения компонентного ослабления, которое указывает ослабление, вызванное первым ослабляющим компонентом в области, представляющей интерес, и второго изображения компонентного ослабления, которое указывает ослабление, вызванное вторым ослабляющим компонентом в области, представляющей интерес. На этапе 104 дисплей 11 показывает, по меньшей мере, одно из первого изображения компонентного ослабления и второго изображения компонентного ослабления. Блок 10 реконструкции также может генерировать дополнительные изображения, например, карту контрастного агента, виртуальное неконтрастное изображение или моноэнергетическое изображение, которые могут отображаться на дисплее 11, альтернативно или дополнительно к первому изображению ослабляющего компонента и второму изображению ослабляющего компонента.
Вышеописанное устройство компьютерной томографии можно реализовать, например, путем модификации продуктов для компьютерной томографии, отвечающих уровню техники. Функциональность для двухэнергетичных приложений можно обеспечить без сложных аппаратных изменений. В частности, два или более разных спектральных измерений можно реализовать, не внося изменения ни в рентгеновскую трубку, ни в детектор рентгеновского излучения устройства компьютерной томографии без разрешения по энергии с использованием, например, фильтра 20. Фильтр, который также можно рассматривать как апертурную маску фильтра, может обеспечивать конический пучок рентгеновского излучения для создания разных фильтраций для разных детекторных пикселей, причем значения детектирования детектируются в режиме получения спиральной компьютерной томографии.
Для режимов получения спиральной компьютерной томографии с малым шагом данные в пространстве Радона характеризуются довольно высокой степенью избыточности. В общем случае, в способах приблизительной реконструкции для этих режимов получения нужно использовать надлежащие схемы взвешивания для обработки этих избыточностей и реконструкции изображений в поле зрения реконструкции, т.е. в области, представляющей интерес. Устройство компьютерной томографии, описанное выше со ссылкой на фиг. 1, разрешает эти избыточности с использованием фильтра 20, который представляет собой квазидвоичную маску-фильтр, которая разделяет данные в пространстве Радона на два разных участка. Предпочтительно каждый из участков является полным в смысле возможности приблизительно реконструировать всю область, представляющую интерес, независимо от данных другого участка в пространстве Радона. Согласно варианту осуществления, фильтр спроектирован таким образом, что два участка данных Радона могут быть геометрически избыточными, но по возможности спектрально различимыми. Согласно варианту осуществления, этого можно добиться, маскируя одну половину поверхности детектирования рентгеновским фильтром для приближения к фокальному пятну рентгеновской трубки, в то же время оставляя другую половину пучка нефильтрованной или фильтрованной иначе или слабее.
Для реконструкции первого и второго изображений блок 10 реконструкции может быть выполнен с возможностью осуществления алгоритма реконструкции апертурно-взвешенного клина для реконструкции первого и второго изображений.
Хотя согласно варианту осуществления, описанному выше со ссылкой на фиг. 1 и 2, фильтр 20 имеет определенную структуру, в других вариантах осуществления фильтр может иметь другую структуру. Фильтр предпочтительно выполнен с возможностью оптимизации разделения данных в пространстве Радона для реконструкции двух или более объемных массивов данных. Согласно варианту осуществления, фильтр можно выполнить так, чтобы, по меньшей мере, одна из первой области и второй области пучка излучения содержала геометрически различные подобласти, имеющие одинаковые энергетические спектры, т.е. чтобы подобласти области имели одинаковые энергетические спектры. Этот фильтр предпочтительно выполнен так, что первая область содержит две подобласти, охватывающие вторую область в направлении оси R вращения. Это означает, что первая подобласть первой области, вторая область и вторая подобласть первой области соседствуют рядом друг с другом в указанном порядке в направлении оси R вращения. Фильтр можно выполнить так, чтобы устройство компьютерной томографии работало в режиме получения, в котором вторая область пучка излучения освещает, по меньшей мере, окно Тама-Даниэльсона на поверхности детектирования, и две подобласти первой области пучка излучения освещают остальные части поверхности детектирования. Таким образом, фильтр можно выполнить так, чтобы можно было гарантировать освещение окна Тама-Даниэльсона. Это может позволить реконструировать первое и второе изображения, не подверженные эффектам полутени, которые могут возникать под влиянием границ двоичного фильтра, например, фильтра 20, показанного на фиг. 2, на детекторе.
Фиг. 6 схематично и иллюстративно демонстрирует поверхность 21 детектирования, в которой две детекторные подобласти 45, 47 первой детекторной области освещаются первой областью фильтрованного пучка излучения и в которой вторая детекторная область 46 поверхности 21 детектирования освещается второй областью фильтрованного пучка излучения. На фиг. 6 вторая детекторная область 46 является окном Тама-Даниэльсона.
Фиг. 7 схематично и иллюстративно демонстрирует дополнительно возможное освещение поверхности 21 детектирования. В этом варианте осуществления фильтр выполнен так, что устройство детектирования работает в режиме получения, в котором вторая область пучка излучения освещает вторую детекторную область 56, которая включает в себя и превышает размерами окно Тама-Даниэльсона на поверхности 21 детектирования, и две подобласти первой области пучка излучения освещают две детекторные подобласти 55, 57, образующие вторую детекторную область на поверхности 21 детектирования. На фиг. 7 границы 59, 60 между первой детекторной областью 55, 57 и второй детекторной областью 56 являются прямыми линиями, не перпендикулярными оси R вращения.
Фиг. 8 схематично и иллюстративно демонстрирует дополнительно возможное освещение поверхности 21 детектирования. Также в этом варианте осуществления фильтр выполнен так, что устройство детектирования работает в режиме получения, в котором вторая область пучка излучения освещает вторую детекторную область 66, благодаря чему она включает в себя и превышает размерами окно Тама-Даниэльсона на поверхности 21 детектирования, и подобласти первой области фильтрованного пучка излучения освещают две детекторные подобласти 65, 67 первой детекторной области. В этом варианте осуществления границы 69, 70 являются прямыми линиями и перпендикулярны оси R вращения.
Блок реконструкции может быть выполнен с возможностью применения алгоритма реконструкции апертурно-взвешенного клина к первому набору значений детектирования для реконструкции первого изображения и ко второму набору значений детектирования для реконструкции второго изображения. Если границы между первой и второй детекторными областями не являются прямыми линиями, перпендикулярными оси вращения, фильтрацию значений детектирования, осуществляемую в ходе реконструкции апертурно-взвешенного клина, можно выполнить, исходя из поперечного усечения значений детектирования. Это можно осуществлять с использованием расширения данных, например, согласование по Чжо, где дополнительные значения детектирования, т.е. значения детектирования от источника, находящегося в противоположной позиции, используются для создания неусеченных значений детектирования. Расширение данных раскрыто, например, в статье «Cone-beam КТ for radiotherapy applications» за авторством Paul S. Cho et al. Phys. Med. Biol. 40 (1995) 1863-1883, которая, таким образом, включена в настоящее описание посредством ссылки. Ребинирование в геометрию клина можно осуществлять до либо после расширения данных. После пилообразной фильтрации значения детектирования могут подвергаться обратной проекции. Значения детектирования, которые соответствуют второй детекторной области, показанной на фиг. 7 и 8, соответствуют области на поверхности 21 детектирования, которая превышает размерами окно Тама-Даниэльсона. Таким образом, во второй детекторной области обеспечиваются избыточные значения детектирования, которые позволяют осуществлять взвешивание за пределами сканирования.
Блок реконструкции также может быть выполнен с возможностью осуществления любого другого алгоритма реконструкции. Например, блок реконструкции может быть выполнен с возможностью осуществления итерационной реконструкции, которая описана, например, в статье «Statistical image reconstruction methods for transmission tomography» за авторством Fessler в Handbook of Medical Imaging, Vol. 2, SPIE Press, под ред. J. M. Fritzpatrick и M. Sonka, стр. 1-70 (2000), которая, таким образом, включена в настоящее описание посредством ссылки.
Хотя согласно варианту осуществления, описанному выше со ссылкой на фиг. 1 и 2, детектор является детектором без разрешения по энергии, детектор также может быть детектором с возможностью разрешения по энергии для генерации разрешаемых по энергии значений детектирования, благодаря чему разные наборы значений детектирования делятся на поднаборы значений детектирования, которые соответствуют разным энергиям. Например, детектор может содержать двухслойную структуру, в которой два сцинтилляционных кристалла смонтированы один поверх другого, конструкцию для разрешения значений детектирования на две энергии. Низкоэнергетичные фотоны предпочтительно регистрируются в переднем слое, и высокоэнергетичные фотоны предпочтительно регистрируются в заднем слое, что приводит к образованию двух спектрально различных эффективных спектров. В сочетании с фильтром, который генерирует два набора значений детектирования, которые соответствуют двум разным энергиям, можно генерировать четыре поднабора значений детектирования, которые соответствуют четырем разным энергиям. Таким образом, устройство компьютерной томографии может быть выполнено с возможностью осуществления компьютерной томографии на четырех уровнях энергии. Четыре поднабора значений детектирования можно использовать для реконструкции четырех изображений, причем для каждого из четырех поднаборов значений детектирования реконструируется единственное изображение. Эти четыре изображения можно использовать для повышения точности количественной оценки, например, контрастного материала в области, представляющей интерес.
Хотя в вышеописанных вариантах осуществления устройство детектирования является устройством компьютерной томографии, которое также содержит блок реконструкции для реконструкции изображений из разных наборов значений детектирования, устройство детектирования также может не содержать блок реконструкции и, таким образом, просто обеспечивать разные наборы значений детектирования, реконструкция в которых может осуществляться другим устройством.
Хотя в вышеописанных вариантах осуществления, карты контрастного агента, виртуальное неконтрастное изображение и моноэнергетическое изображение генерируются определенным образом, в других вариантах осуществления карта контрастного агента, виртуальное неконтрастное изображение и моноэнергетическое изображение также может определяться иначе. Первое изображение, второе изображение, карта контрастного агента, виртуальное неконтрастное изображение, моноэнергетическое изображение и т.д. могут быть двухмерными или трехмерными.
Другие разновидности раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистам в данной области техники при практическом осуществлении заявленного изобретения, на основании изучения чертежей, раскрытия и нижеследующей формулы изобретения.
В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, и употребление их названия в единственном числе не исключает наличия их множества.
Единичный блок или устройство может выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле изобретения. Лишь тот факт, что определенные меры упомянуты во взаимно различных зависимых пунктах, не говорит о том, что нельзя выгодно использовать комбинацию этих мер.
Вычисления наподобие реконструкции первого и второго изображений или метод разложения, осуществляемый одним или несколькими блоками или устройствами, можно осуществлять посредством любого другого количества блоков или устройств. Например, этапы 102 и 103 могут осуществляться одним блоком или любым другим количеством разных блоков. Вычисления и/или управление устройства детектирования в соответствии со способом детектирования можно реализовать в виде средства программного кода компьютерной программы и/или в виде специализированного оборудования.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, например, на оптическом носителе или твердотельном носителе, поставляемом совместно с или в составе другого оборудования, но также может распространяться в других формах, например через интернет или другие проводные или беспроводные системы электросвязи.
Никакие ссылочные позиции в нижеследующей формуле изобретения не следует рассматривать в порядке ограничения ее объема.
Изобретение относится к устройству детектирования, содержащему фильтр для фильтрации конического пучка излучения для генерации, по меньшей мере, первой области и второй области пучка излучения, имеющих разные энергетические спектры, причем первая область пучка излучения освещает первую детекторную область на поверхности детектирования детектора, таким образом, генерируя первый набор значений детектирования, и вторая область пучка излучения освещает вторую детекторную область на поверхности детектирования, таким образом, генерируя второй набор значений детектирования. Например, используя фильтр, устройство детектирования можно использовать как устройство компьютерной томографии с двумя уровнями энергии, при этом, например, стандартное устройство компьютерной томографии можно преобразовать в устройство компьютерной томографии с двумя уровнями энергии путем добавления фильтра в стандартное устройство компьютерной томографии, предпочтительно без модификации источника излучения и детектора.