用于多源体积光谱计算机断层扫描的系统、设备及方法技术方案

一种多源体积光谱计算机断层扫描成像设备，包括具有多个空间分布的X射线焦斑的X射线源阵列、具有光圈阵列的X射线束准直器，其中每个光圈限定来自对应X射线焦斑的辐射以照射对象的对应片段、数字区域X射线探测器、以及使X射线源阵列和探测器围绕对象旋转的机架。电子控制单元激活来自X射线焦斑的辐射，以随着机架围绕物体旋转时多次扫描物体。这些图像被用于重构具有减少的散射辐射的对象的体积CT图像。对于双能和多能成像，来自每个焦斑的辐射由对应的光谱滤波器进行滤波以优化其能量谱。由对应的光谱滤波器进行滤波以优化其能量谱。由对应的光谱滤波器进行滤波以优化其能量谱。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于多源体积光谱计算机断层扫描的系统、设备及方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年10月9日提交的美国临时专利申请序列号63/089,875的权益和优先权，其公开内容通过引用以其整体纳入本文。


[0003]本文所公开的主题总体涉及计算机断层扫描(computed tomography，CT)成像。更具体地，本文所公开的主题涉及多源体积光谱CT成像。

技术介绍

[0004]自从大约五十年前问世以来，计算机断层扫描(CT)在成像技术方面经历了巨大的进步，并且在临床应用方面也有所增长。近年来，作为一种体积3D成像模态的锥形束CT(cone
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beam CT，CBCT)在包括用于放射治疗的机载图像引导(on
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board image guidance for radiation therapy，IGRT)、用于手术引导的术中成像、颌面部放射学以及肢体成像在内的领域中已经发现了越来越多的应用。
[0005]在CBCT中，来自X射线源的辐射被准直到圆锥形几何形状以覆盖大的感兴趣区域(region
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of
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interest，ROI)。使用大面积平板探测器(flat
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panel detector，FPD)，利用X射线源
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探测器对在开放式机架中的单次旋转来采集完整的体积数据集，消除了在常规扇形束CT中平移患者的需要。与扇形束CT相比，CBCT的其他优势包括占地面积小、移动性强和辐射剂量低。这使得CBCT对图像引导的治疗特别有吸引力。机载CBCT正被用于现代放射治疗中的病人安置、剂量验证和自适应重规划。基于C臂的CBCT给手术室带来了3D成像能力，导致术中成像取得了重大进步。
[0006]CBCT以相对较低的成本和较低的辐射剂量提供了具有最小的失真和改善的图像锐化的颅骨和牙列的颌面部区域的三维(3D)表示。自从20年前FDA批准以来，它已经在牙科领域得到广泛应用。由CBCT执行的临床任务的示例包括牙科种植和正畸治疗计划，以及牙髓和病理状况的评估。
[0007]CBCT有数个已知的限制，包括：(1)高散射辐射，(2)强烈金属诱导的成像伪迹，和(3)降低图像质量且损害其诊断准确性的各种锥形束图像伪迹。
[0008]然而，在待成像的解剖结构中和/或其上存在强烈金属诱导的成像伪迹，这在CBCT的使用中表现出明显的限制。在所有已知的基于CBCT的成像技术和系统中，由常见金属结构的存在所引起的强X射线衰减，特别是在牙科应用中经常遇到的金属牙科修复和种植，导致射束硬化和光子不足。这种现象导致使用CBCT产生的重构3D图像中的例如以条纹和光晕形式的成像伪迹。这样的金属诱导的成像伪迹降低了图像质量，损害了诊断准确性，而且使牙科CBCT完全无效，例如，在种植体的骨结合的术后评估中。众所周知，各种后处理技术已被研究用于金属伪迹减少(metal artifact reduction，MAR)，然而，这些算法的结果已被证明对于其预期目的通常是不可行的。
[0009]发散的锥形束也引入了混叠伪迹和截断误差。由于高散射辐射和图像伪迹，已知
CBCT低估了CT亨氏单位(Hounsfield Unit，HU)。
[0010]已知使用双能CT(dual
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energy CT，DECT)数据集在高虚拟单能能量下合成的虚拟单能图像(Virtual monoenergetic image，VMI)会减少金属伪迹，特别是对于诸如牙科种植体的小金属对象。
[0011]利用在两种不同的多色能量谱下所获得的图像，DECT使能进行更多的定量分析，包括确定光电效应和康普顿效应对衰减系数的贡献，合成虚拟单能图像(VMI)，计算有效原子序数和有效电子密度，以及在不增加患者的X射线曝光水平的情况下，更准确地确定CT亨氏单位。双能成像也被用于其他X射线成像模态，包括对比增强双能断层合成。
[0012]已经开发了数种技术用于DECT成像，其示例在图13A
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D中显示出。在图13A中，双源CT(dual source CT，DSCT)系统使用在不同管电压(kVp)下操作的两个X射线管以及两个能量积分探测器(energy integrating detector，EID)。在图13B的系统中，单个X射线管在低能(LE)与高能(HE)之间的快速kVp切换被用于产生两个多色谱。在图13C的系统中，使用了分裂滤波器CT，其具有单个X射线源和两个相邻的滤波器。图13D的系统是具有能量灵敏度探测器的CT成像系统。
[0013]然而，这些双能成像系统中的每一个都有与构建和操作这样的DECT系统所需的设备成本显著增加相关联的重大缺陷。另外，图13A
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D所示的示例每个已知DECT系统具有与其相关联的各种技术限制。在DSCT中，在独立控制管电流和kVp以平衡辐射剂量和用于解剖剂量调制的情况下，LE谱和HE谱可以同时生成，并且可以通过引入单独的滤波器来进一步优化。然而，在这种使用两个X射线管和探测器以及其他必要的附加电子设备的已知的DECT系统中，已知这种系统与单能CT系统相比要昂贵得多。
[0014]约60kV数量级的快速kVp切换也需要安装和使用昂贵的电子设备以将功率水平调制到这种程度。由这样的快速切换产生的kVp曲线也明显偏离用于CT成像的理想阶跃函数，这导致在定量分析中引入了不确定性和/或误差。通过使用常见的滤波，与DSCT相比，LE谱和HE谱具有实质上更多的重叠，这导致材料分解的精度降低。
[0015]使用目前已知的技术，难以在快速改变管电流的同时改变kVp，这导致与HE谱相比，LE谱中的光子通量低得多，而成像噪声高得多。另外，用于患者辐射剂量减少的解剖学剂量调节是具有挑战性的。在分裂滤波器DECT中，每个射束在轴线方向上仅覆盖探测器宽度的一半，并且具有比使用DSCT更小的能量分离。因此，有必要显著增加X射线输出，以补偿由使用这样的谱滤波器而产生的额外衰减。LE与HE谱之间增加的谱重叠也降低了组织区分的效率和精度。虽然在发展能量敏感探测器诸如光子计数探测器方面取得了重大进步，但是与这种探测器相关联的成本明显高于常规使用的能量积分探测器，并且已知这种探测器还会遭受光子堆积和串扰。
[0016]大多数已知的DECT系统都是基于扇形束几何形状的，并且DECT系统由于与其相关联的高成本在牙科诊所中并不常见。双能CBCT(DE
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CBCT)最近被引入用于需要快速kVp切换和光谱滤波两者的牙科成像。随着成本的增加，由于大的圆锥角，高散射辐射仍然存在。
[0017]为了解决现有技术成像技术中已知的缺点，本文公开了一种新的锥形束CT成像系统和方法。

技术实现思路

[0018]根据本公开，提供了一种体积光谱计算机断层扫描(CT)成像设备，该设备包括：X射线源阵列，包括M个空间分布的X射线焦斑(focal本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种体积光谱计算机断层扫描(CT)成像设备，包括：X射线源阵列，包括M个空间分布的X射线焦斑；X射线束准直器，其附接到所述X射线源阵列，其中，所述X射线束准直器包含光圈阵列，每个光圈被配置为限定来自对应X射线焦斑的X射线辐射以照射待成像对象的对应片段；数字区域X射线探测器，被配置为探测X射线辐射并形成被成像对象的X射线图像，其中，所述数字区域X射线探测器被定位在对象相对于所述X射线源阵列的相反侧上；机架，被配置为使所述X射线源阵列和所述数字区域X射线探测器围绕对象旋转，其中，空间分布的X射线焦斑基本上沿所述机架的旋转轴线方向或沿所述机架的旋转方向对准；电子控制单元，其激活M个X射线焦斑以随着所述机架围绕对象旋转时扫描对象N次；以及一个或多个处理系统，被配置为处理原始N
×
M个投影图像以重构对象的体积CT图像。2.根据权利要求1所述的成像设备，其中，来自每个焦斑的辐射被配置为由对应的光谱滤波器进行滤波。3.根据权利要求1所述的成像设备，其中，仅焦斑的子集被用于采集用于CT图像重构的投影图像。4.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述X射线焦斑被划分成第一集合和第二集合；其中，来自第一集合中的焦斑的X射线束由被配置为产生具有第一均值X射线光子能量的光谱的第一滤波材料进行滤波，并且第二集合中的X射线束由被配置为产生具有第二均值X射线光子能量的光谱的第二滤波材料进行滤波，所述第一均值X射线光子能量不同于所述第二均值X射线光子能量；并且其中，从第一集合和第二集合采集到的两个投影图像集合足以重构在每个不同的X射线光谱处的整个对象的体积CT图像。5.根据权利要求4所述的成像设备，其中，所述第一均值X射线光子能量低于所述第二均值X射线光子能量；并且其中，对使用所述第一均值X射线光子能量和所述第二均值X射线光子能量捕获的两个投影图像集合进行处理，以获得对象的双能CT图像。6.根据权利要求4所述的成像设备，其中，对所述两个投影图像集合进行处理，以获得在任何期望的虚拟单色能量处的对象的虚拟单色能量CT图像。7.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述X射线焦斑被划分成多个集合，其中来自每个集合中的X射线焦斑的X射线束由唯一光谱滤波器进行滤波以产生唯一X射线能量谱；其中，来自每个集合的X射线束基本上照射整个视场(FOV)，以在一次机架旋转中生成用于CT重构的一个完整的投影图像集合；并且其中，多个能量处的多个投影图像集合被用于多能量CT图像重构。8.根据权利要求1所述的成像设备，其中，来自多个焦斑的X射线束被配置为被顺序地激活；其中，对于每次X射线曝光，对象的对应片段的投影图像被形成在所述数字区域X射线探测器的对应片段上；并且其中，所述数字区域X射线探测器被配置为：拒绝在所述数字区域X射线探测器的对应
片段之外记录的作为散射辐射的任何X射线光子。9.根据权利要求1所述的成像设备，其中，具有多个X射线焦斑的X射线源阵列被容纳在一个公共真空外壳中，所述外壳具有一个细长阳极或多个阳极。10.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述X射线源阵列是基于碳纳米管的场发射X射线源阵列。11.根据权利要求1所述的成像设备，其中，来自每个焦斑的X射线束被配置为完全覆盖对象；并且其中，对象的N
×
M个投影图像被配置为要被用于对象的断层扫描或断层合成图像重构，其相当于从焦斑的2D区域阵列的断层扫描或断层合成图像重构。12.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述数字区域X射线探测器使用动态感兴趣区域(ROI)读出方法，以提高所述数字区域X射线探测器的数据读出速度；其中，在从每次准直的X射线束曝光之后，只有接收到初级透射的X射线光子的所述数字区域X射线探测器的“带”或ROI由所述数字区域X射线探测器而不是整个探测器读取。13.根据权利要求12所述的成像设备，其中，与每个X射线源(焦斑)相关联的每个探测器带的精确位置是根据成像系统的配置预先确定的，其中软件自动地确定对于每次特定X射线曝光的待读取的数字区域X射线探测器的区域。14.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述N
×
M个投影图像被视为使用基于模型的迭代重构方法的用于体积CT重构的一个完整数据集合，其中用于所述N
×
M个投影图像的X射线焦斑的位置是在系统校准期间预先确定的。15.根据权利要求1所述的成像设备，其中，重构的CT图像以医学数字成像和通信(DICOM)格式存储，并且可以使用第三方软件包进行查看、分析和存储。16.一种体积光谱计算机断层扫描成像设备，具有增加的对比度分辨率和减少的金属诱导的成像伪迹，所述设备包括：X射线源阵列，其包括被封闭在同一真空外壳中的M个空间分布的X射线焦斑，其中空间分布的焦斑被划分成两组，其中来自每组的X射线辐射由对应的光谱滤波材料进行滤波以产生不同的能量谱；X射线束限定设备，其附接到所述X射线源阵列，其中，所述X射线束限定设备包括：光圈阵列，每个光圈被配置为限定来自对应X射线焦斑的X射线辐射以形成具有窄圆锥角来照射对象的对应片段的扇形束形状，其中，来自每组焦斑的辐射共同地覆盖整个视场(FOV)；数字区域X射线探测器；机架，被配置为使所述X射线源阵列和所述数字区域X射线探测器围绕对象旋转；电子控制单元，被配置为激活M个X射线焦斑，每次一个或多个射束，以随着所述机架围绕对象旋转时扫描对象N次，并且对于每次X射线曝光，被配置为读出被记录在所述数字区域X射线探测器的对应区域上的图像，以及被配置为拒绝在数字区域X射线探测器的区域之外接收到的散射的X射线光子；以及一个或多个处理系统，被配置为处理由来自每组焦斑的辐射曝光形成的投影图像，以重构对象的两个体积CT图像数据集，每个体积CT图像数据集取自不同的均值X射线光子能量处，所述一个或多个处理系统还被配置为在减少的金属诱导的成像伪迹情况下的期望能
量级下合成虚拟单能CT图像数据集；其中，空间分布的X射线焦斑基本上沿机架旋转轴线方向对准。17.一种用于执行对象的体积光谱计算机断层扫描(CT)成像的方法，所述方法包括：提供一种体积光谱计算机断层扫描成像设备，包括：X射线源阵列，包括M个空间分布的X射线焦斑；X射线束限定器，其附接到所述X射线源阵列，其中所述X射线束限定器包含光圈阵列，每个光圈被配置为将来自对应X射线焦斑的X射线辐射限定到具有窄圆锥角来照射待成像对象的对应区段的扇形束；数字区域X射线探测器，被配置为探测X射线辐射并形成被成像对象的X射线图像，其中所述数字区域X射线探测器被定位在对象相对于所述X射线源阵列的相反侧上；以及机架，其被配置为使所述X射线源阵列和所述数字区域X射线探测器围绕对象旋转，其中，空间分布的X射线焦斑基本上沿所述机架的旋转轴线方向对准；激活M个X射线焦斑以扫描对象N次；在激活X射线焦斑的同时围绕对象旋转所述机架；由对应的光谱滤波器对来自每个焦斑的辐射进行滤波；以及使用一个或多个处理器处理N
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M个投影图像以重构对象的体积CT图像。18.根据权利要求17所述的方法，还包括：仅使用焦斑的子集以采集用于CT图像重构的投影图像。19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述X射线焦斑被划分成第一集合和第二集合；其中，来自第一集合中的焦斑的X射线束由被配置为产生具有第一均值X射线光子能量的光谱的第一滤波材料进行滤波，并且第二集合中的X射线束由被配置为产生具有第二均值X射线光子能量的光谱的第二滤波材料进行滤波，所述第一均值...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥托，
申请(专利权)人：北卡罗来纳大学教堂山分校，
类型：发明
国别省市：