计算机断层摄影X‑射线显微镜系统中谱表征的方法和系统技术方案

一种用于断层重建、束硬化校正、双能量CT和系统诊断等等的谱测量和估计方法，包括确定源加速电压、预滤器和/或检测器的组合的谱，并且在测量多个预滤器的透射值以后计算所述源加速电压、预滤器和/或检测器组合的校正谱。

Method and system for spectral characterization of computed tomography X X-ray microscope system

A method for spectrum measurement and estimation method of fault reconstruction, beam hardening correction, dual energy CT and system diagnosis and so on, including the combination to determine the source of accelerating voltage, pre filter and / or detector spectrum, and the calculation of the source spectrum correction accelerating voltage, pre filter and / or detector combination after transmission measurement of multiple pre filter value.

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
X-射线计算机断层摄影(CT)是一种用于检查和分析样品的内部结构的非破坏性技术。一般来说，当X-射线穿过样品时，X-射线被样品吸收或散射。没有被吸收或散射离开的X-射线透射通过样品，并且然后被检测器系统检测。在检测器系统形成的图像被称为X-射线投影。经由标准的CT重建算法，比如滤过反向投影算法(FBP)，从这一系列的不同角度的投影得出层析成像体积数据集。某些X-射线CT系统使用多色X-射线源来生成所述X-射线投影。多色X-射线源包括X-射线管(实验室光源)、白色同步加速器束或基于加速器的光源。总体而言，从这些光源发射的多色X-射线束包括具有许多不同能量的X-射线。这些X-射线的根据能量的分布规律一般叫做该射束的谱。多色X-射线束与只包括一种能量或很窄的能量范围的X-射线的单色射束是不一样的。白色同步加速器束即为一种多色X-射线源。随着电子通过所述同步加速器加速，所述电子以很窄的与环相切的角度释放出强烈的“白色”的多色辐射。该射束包括从柔和的紫外线到强烈的X-射线的辐射。可以通过应用滤波器，比如传递/反射选定能量的辐射的晶体单色器和/或X-射线镜，就可以从所述白色多色射束中创建单色X-射线源。实验室光源，比如X-射线管也可以产生多色X-射线，一般使用固定或旋转阳极。在真空管中，灯丝(比如钨丝)作为阴极而金属靶作为阳极。在所述阴极上施加高电压(加速)，在所述阴极和阳极间创建高电势。这使得电子在真空中从阴极向阳极流动并加速。电子与所述阳极材料碰撞并加速所述阳极材料中的其他电子、离子以及核子。这一过程生成X-射线。X-射线管产生的X-射线的谱是依据所述阳极靶材料和所述加速电压的结果。所述谱的特征在于连续地制动辐射谱(“刹车辐射”)X-射线，以及因为阳极材料芯电子去激发和离子化产生的特定频率的次级X-射线辐射，也叫X-射线荧光(XRF)。所述次级X-射线辐射或X-射线线为阳极材料中所用的金属所特有。所述制动辐射是主要的X-射线，可以用作多色X-射线源，而X-射线滤波器和/或X-射线镜可以应用在所述特征X-射线辐射和/或所述制动辐射以产生单色X-射线，如实施例所述。X-射线源发射的X-射线谱在使用所述X-射线源的期间会随着时间改变。例如，在X-射线管中，由于所述电子撞击所述阳极靶材料，靶材料的某些部分会烧蚀或剥落。这造成靶子随着时间的过去发生质量损失(例如变得单薄)。这一现象也叫做“光源靶烧毁”。随着所述靶子变得单薄，所述靶子传递的低X-射线能量的X-射线越来越多，由此造成所述X-射线的X-射线谱随着时间过去发生改变。在X-射线CT系统中使用多色X-射线束是有优势的。使用多色X-射线光的主要优势在于，对于给定的光源，多色X-射线束一般比单色X-射线更强。这是因为避免了有损耗的能量滤波器。但是使用多色X-射线束也有劣势。与单色光不同，多色X-射线的所述X-射线吸收通常与样品材料的厚度不成比例。这是因为当射束穿过样品的时候，所述多色X-射线束的较低X-射线能量相对较低X-射线能量被样品吸收更多。因此，在使用多色X-射线束生成X-射线投影的时候，使用一种叫做束硬化(BH)的处理。束硬化与X-射线谱中随着X-射线穿过样品朝着更高的X-射线能量的改变有关。在从多色X-射线到断层摄影重建的期间，束硬化常常产生伪影。束硬化生成的典型伪影包括杯突伪影以及条纹伪影。一般而言，样品中具有较高原子序数(Z)的元素，比如金属，在断层摄影重建影像中比原子序数低的元素会产生更多的BH伪影。为了减少或防止多色X-射线束创建的断层摄影重建中的伪影，对系统的X-射线源发射的X-射线的精确能量谱有先验知识，以及对不同X-射线能量上的检测系统的一个或多个检测器的灵敏度有先验知识是非常重要的。因此，在使用多色X-射线源的X-射线CT系统创建的样品的断层摄影重建的伪影减少中，X-射线源谱测量或估计通常是关键问题。对于X-射线成像/CT系统中X-射线源给定的加速电压(kVp)、预滤器和检测器的组合，典型的谱测量和估计方法如下：1)使用已知的标准体模(比如步进式光楔体模和锥体模)获取X-射线透射测量结果；以及2)通过某些迭代算法(例如期望最大化<EM>算法)，基于所述透射测量结果估计该组合的实际谱。一般而言，用蒙特卡洛模拟谱作为初始输入。参见L.Zhang,G.Zhang,Z.Chen,Y.Xing,J.ChengandY.Xiao,\X-rayspectrumestimationfromtransmissionmeasurementsusingtheexpectationmaximizationmethod,\2007IEEENuclearScienceSymposiumConferenceRecord,M13-293,3089-3993；andE.Sidky,L.Yu,X.Pan,Y.ZouandM.Vannier,\Arobustmethodofx-raysourcespectrumestimationfromtransmissionmeasurements:Demonstratedoncomputersimulated,scatter-freetransmissiondata,\JournalofAppliedPhysics97,124701(2005)。这两篇文章都在此引用。
技术实现思路
当前X-射线CT系统中的X-射线源谱测量和估计有不足之处。因为当前大多数灵活的X-射线CT系统支持多个加速电压、预滤器和/或检测器，所述透射率测量程序必须针对所述加速电压、预滤器和/或检测器的每个组合重复。因此，对所述不同组合的X-射线源谱测量和估计是非常消耗时间的。而且，基于体模的X-射线源谱测量/校准不适于长期断层摄影。因为X-射线源产生的所述X-射线的能量谱会随着时间改变(甚至在扫描期间就改变)，长期扫描一般要求至少有一次使用标准体模测量X-射线源发射的X-射线的能量谱的改变的扫描中再校准。为了这一目的，操作人员一般会停止扫描，从X-射线CT系统中移除样品(一般也包括样品座)，并将一个标准体模置于光路中以执行X-射线源谱测量。完成所述一次或多次校准之后，操作人员移除所述体模，更换包含样品的样品座并恢复扫描。这种X-射线源谱校准不方便、耗时久，并且可能在样品更换并恢复扫描之后生成的断层摄影重建中造成误差。如果这些样品没有被精准地如谱再校准之前一样地放置在光路中，则可能产生这些误差。X-射线源发射的X-射线的谱是X-射线CT系统的主要特征。因而，X-射线源谱校准以及测量可以被用作这些系统的问题或维护方面的诊断。本专利技术是简化的X-射线谱测量估计的系统和方法。本专利技术利用一些预滤器，所述预滤器作为X-射线源谱测量和/或校准工具具有不同的材料和/或不同厚度，而非使用传统的步进式光楔体模或锥体模。在一个实施例中，所述X-射线源谱的测量和校准使用X-射线CT系统的标准滤光轮组件。所述滤光轮一般包括一打或以上的位于X-射线源输出点附近的预滤器。所述预滤器用于在X-射线束入射到样品之前将X-射线束中的具有不同能量的X-射线移除。本专利技术的实施例的另一方面是关于在X-射线CT系统的计算机系统中执行的软件程序。因为X-射线CT系统不在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种X‑射线CT系统中的X‑射线源谱测量和估计方法，所述方法包括：确定以至少一个X‑射线加速电压、多于一个滤波器和至少一个检测器的多个不同组合的从X‑射线CT系统的X‑射线源发射的X‑射线的基线谱；在所述X‑射线CT系统的操作期间，监测所述X‑射线以确定所述X‑射线源谱的改变；并且响应于确定所述X‑射线源谱已经改变而基于测量至少1个或多个滤波器的测量透射值来计算新的基线谱。

【技术特征摘要】
2016.03.23 US 62/312,0421.一种X-射线CT系统中的X-射线源谱测量和估计方法，所述方法包括：确定以至少一个X-射线加速电压、多于一个滤波器和至少一个检测器的多个不同组合的从X-射线CT系统的X-射线源发射的X-射线的基线谱；在所述X-射线CT系统的操作期间，监测所述X-射线以确定所述X-射线源谱的改变；并且响应于确定所述X-射线源谱已经改变而基于测量至少1个或多个滤波器的测量透射值来计算新的基线谱。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于断层摄影重建和束硬化校正。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于多能量计算机断层摄影。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于X-射线CT系统诊断。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下来执行所述监测所述X-射线以确定所述X-射线源谱的改变：使用X-射线加速电压、一个滤波器和检测器的组合来获取透射值；并且将所获取的透射值与以所述X-射线加速电压、所述一个滤波器以及所述检测器的相同组合的所述基线谱内的透射值进行比较。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述基线谱包括：使用X-射线加速电压、滤波器和检测器的组合来获取透射测量结果；使用所述透射测量结果计算每个所述滤波器的透射曲线；并且从所述透射曲线计算每个所述滤波器的衰减曲线。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述基线谱包括：基于使用X-射线加速电压、滤波器和检测器的组合获取的透射测量结果计算每个所述滤波器的衰减曲线；以及将期望最大化(EM)算法应用于所述衰减曲线。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算新的基线谱包括：识别用于测量所述至少2或3个滤波器的透射值的加速电压和检测器的组合；以所识别的加速电压和检测器组合来测量空气滤波器的透射值；以及使用所述空气滤波器的所述透射值以及所述至少2或3个滤波器的所述透射值来创建透射曲线并从所述透射曲线来创建衰减曲线。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算新的基线谱包括：从所述基线谱以通常的加速电压和检测器组合来选择空气滤波器谱；针对所选择的空气滤波器谱来拟合所述衰减曲线；以及使用EM算法，在所拟合的衰减曲线内以所述通常的加速电压和检测器组合根据所述空气滤波器谱来估计所述空气滤波器的校正谱。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算新的基线谱包括：使用所测量的所述至少2或3个滤波器的透射值来创建空气滤波器的估计的校正谱；以及从所述空气滤波器的所述估计的校正谱来计算所述新的基线谱。11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在没有体模存在的情况下完成基于测量至...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志峰，托马斯·A·凯斯，洛伦斯·B·斯蒂格，
申请(专利权)人：卡尔蔡司X射线显微镜公司，
类型：发明
国别省市：美国;US