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CN116071445A - 在计算机断层摄影成像系统中利用双能量成像的系统和方法 - Google Patents

在计算机断层摄影成像系统中利用双能量成像的系统和方法 Download PDF

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CN116071445A
CN116071445A CN202211297031.9A CN202211297031A CN116071445A CN 116071445 A CN116071445 A CN 116071445A CN 202211297031 A CN202211297031 A CN 202211297031A CN 116071445 A CN116071445 A CN 116071445A
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CN
China
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projection
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acquired
energy spectrum
measurements
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CN202211297031.9A
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范家华
闫铭
杰德·道格拉斯·帕克
普里蒂·马达夫
绪方健太郎
新井坚
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Original Assignee
GE Precision Healthcare LLC
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Abstract

一种方法，该方法包括采集第一能谱下的第一投影测量数据集和不同于第一能谱的第二能谱下的第二投影测量数据集，其方式是通过在以下操作之间切换：在第一能谱下以不同投影角度针对设定数量的连续视图采集第一数据集，以及在第二能谱下以不同投影角度针对该设定数量的连续视图采集第二数据集。该设定数量的连续视图大于一。该方法包括用第一能谱下的估计投影测量补充第一数据集并且用第二能谱下的估计投影测量补充第二数据集，以便为第一数据集和第二数据集提供在成像扫描期间未采集的不同投影角度的缺失投影测量。

Description

在计算机断层摄影成像系统中利用双能量成像的系统和方法
背景技术
本文所公开的主题涉及数字X射线系统，并且更具体地涉及用于利用双能量计算机断层摄影成像的技术。
非侵入式成像技术允许非侵入地获得受检者(患者、制造商品、行李、包裹或乘客)的内部结构或特征的图像。具体地，此类非侵入式成像技术依赖于各种物理原理(诸如X射线通过目标体积的差分传输或声波的反射)，以获取数据和构建图像或以其他方式表示受检者的内部特征。
例如，在基于X射线的成像技术中，X射线辐射跨越感兴趣的受检者(诸如人类患者)，并且一部分辐射影响收集强度数据的检测器。在数字X射线系统中，检测器产生表示影响检测器表面的离散像素区域的辐射的量或强度的信号。然后可以处理信号以生成可显示以供查看的图像。
在一种这样的基于X射线的技术(称为计算机断层摄影(CT))中，扫描仪可以在围绕被成像的对象(诸如患者)的多个视角位置处投射来自X射线源的扇形或锥形X射线束。X射线束在其穿过对象时衰减并且由一组检测器元件检测，该组检测器元件产生表示检测器上的入射X射线强度的强度的信号。处理信号以产生表示对象的线性衰减系数沿X射线路径的线积分的数据。这些信号通常称为“投影数据”或仅称为“投影”。通过使用诸如滤波反投影的重建技术，可以生成表示患者或被成像对象的感兴趣区域的体积或体积绘制的图像。在医学背景中，然后可以从重建的图像或绘制的体积中定位或识别感兴趣的病理结构或其他结构。
双能量CT成像(例如，光谱CT成像)涉及在两个不同X射线能谱下采集CT数据集，并且对那些数据集执行多材料分解以获得表示多种材料(水、碘、钙等)的两个或更多个材料图像(例如，材料分解图像或基础材料图像)。用于双能量成像的主要硬件解决方案包括快速kVp切换、分流滤波器、双X射线源和双层检测器。然而，该硬件的利用使CT成像系统更昂贵。低端CT成像系统(其缺乏用于双能量成像的上述硬件解决方案)由具有成本效益的硬件组成，并且仅具有较慢的kVp切换能力。另外，低端CT成像系统的检测器可利用更便宜的闪烁体材料，该闪烁体材料包括以下特性(例如，较慢的主要速度和较高的余晖)，这些特性使其不受欢迎并且难以在用快速kVp切换扫描的双能量图像中实现可接受的成像质量和材料量化。由于双能量成像的临床价值，许多CT用户正在转换其标准方案以将双能量用于大量临床应用(例如，肾结石、病变表征、骨水肿等)。期望向低端CT成像系统提供双能量能力。
发明内容
下文概述了与最初要求保护的主题范围相称的某些实施方案。这些实施方案并非旨在限制要求保护的主题的范围，而是这些实施方案仅旨在提供该主题的可能形式的简要概述。实际上，该主题可包括多种形式，这些形式可类似于或不同于下文所述的实施方案。
在一个实施方案中，提供了一种计算机实现的方法。该方法包括在成像扫描期间采集第一能谱下的第一投影测量数据集和不同于第一能谱的第二能谱下的第二投影测量数据集，其方式是通过在以下操作之间切换：在第一能谱下以不同投影角度针对设定数量的连续视图采集第一数据集，以及在第二能谱下以不同投影角度针对该设定数量的连续视图采集第二数据集，其中该设定数量的连续视图大于一。该方法还包括用第一能量下的估计投影测量补充第一数据集并且用第二能谱下的估计投影测量补充第二数据集，以便分别为第一数据集和第二数据集提供在成像扫描期间未采集的不同投影角度的缺失投影测量。
在另一个实施方案中，提供了一种或多种非暂态计算机可读介质。该一种或多种非暂态计算机可读介质对一个或多个处理器可执行例程进行编码，其中该一个或多个例程在由处理器执行时致使执行动作。该动作包括在成像扫描期间采集第一能谱下的第一投影测量数据集和不同于第一能谱的第二能谱下的第二投影测量数据集，其方式是通过在以下操作之间切换：在第一能谱下以不同投影角度针对设定数量的连续视图采集第一数据集，以及在第二能谱下以不同投影角度针对该设定数量的连续视图采集第二数据集，其中该设定数量的连续视图大于一。该动作还包括用第一能谱下的估计投影测量补充第一数据集并且用第二能谱下的估计投影测量补充第二数据集，以便分别为第一数据集和第二数据集提供在成像扫描期间未采集的不同投影角度的缺失投影测量。
在另一个实施方案中，提供了一种基于处理器的系统。该系统包括编码处理器可执行例程的存储器。该系统还包括处理器，该处理器被配置为访问存储器并且执行处理器可执行例程，其中该例程在由处理器执行时致使处理器执行动作。该动作包括在成像扫描期间采集第一能谱下的第一投影测量数据集和不同于第一能谱的第二能谱下的第二投影测量数据集，其方式是通过在以下操作之间切换：在第一能谱下以不同投影角度针对设定数量的连续视图采集第一数据集，以及在第二能谱下以不同投影角度针对该设定数量的连续视图采集第二数据集，其中该设定数量的连续视图大于一。该动作还包括用第一能谱下的估计投影测量补充第一数据集并且用第二能谱下的估计投影测量补充第二数据集，以便分别为第一数据集和第二数据集提供在成像扫描期间未采集的不同投影角度的缺失投影测量。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，附图中相同的符号在整个附图中表示相同的部分，其中：
图1为根据本公开的各方面的被配置为采集患者的CT图像并且处理该图像的计算机断层摄影(CT)系统的实施方案的示意图；
图2为根据本公开的各方面的kVp切换方法(例如，用于低间距螺旋扫描)的实施方案的示意图；
图3为根据本公开的各方面的用于执行kVp切换以进行双能量成像(例如，利用图像域材料分解)的方法的实施方案的流程图；
图4为根据本公开的各方面的用于执行kVp切换以进行双能量成像(例如，利用投影空间材料分解)的方法的实施方案的流程图；并且
图5为根据本公开的各方面的用于执行kVp切换以进行双能量成像的方法的实施方案的流程图。
具体实施方式
在下面将描述一个或多个具体的实施方案。为了提供这些实施方案的简明描述，可能未在说明书中描述实际具体实施的所有特征。应当理解，在任何此类实际具体实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于具体实施的决策以实现开发者的具体目标，诸如遵守可能因具体实施而不同的系统相关和业务相关约束。此外，应当理解，此类开发努力可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制作和制造的常规任务。
介绍本发明主题的各种实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个(种)所述要素。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意指除了列出的元件之外还可存在附加元件。此外，以下讨论中的任何数值示例旨在非限制性的，并且因此附加的数值、范围和百分比在所公开的实施方案的范围内。
虽然通常在医学成像背景下提供以下讨论，但应当理解，本技术不限于此类医学背景。实际上，在此类医学背景中提供示例和解释仅是为了通过提供现实具体实施和应用的实例来便于进行解释。然而，目前的方法可也用于其他背景，诸如对制造零件或货物的非破坏性检查(即质量控制或质量审查申请)，和/或对包裹、盒、行李箱等的非侵入式检查(即安全或筛选应用)。一般来讲，在使用光子计数检测器的任何成像或筛选背景中，本方法可为期望的。
本公开提供了使得能够在低端CT成像系统(其缺乏用于双能量成像的典型硬件解决方案)上利用kVp切换技术来进行双能量成像的方法和系统，该低端CT成像系统由具有成本效益的硬件组成并且仅具有较慢的kVp切换能力。具体地，低端CT成像系统中的检测器响应很慢，并且无法快速响应以足以进行逐个视图kVp切换。所公开的技术通过每n个视图(其中n大于一)在高能量和低能量之间切换管电压以为检测器提供足够的时间来对电压变化作出响应而经由kVp切换实现双能量成像。n的值和每次旋转的视图总数被配置为确保高kVp测量和低kVp测量(例如，投影测量)是交错的，并且它们中的每一者具有等效数据。然后用估计投影测量为高kVp测量和低kVp测量补充在成像扫描期间未采集的不同投影角度的缺失投影测量。用于高kVp测量和低kVp测量的估计投影测量源自对应于用于缺失投影测量的不同投影角度的低kVp测量和/或高kVp测量。然后补充的高kVp测量和低kVp测量可经受投影空间或图像空间分解，并且可应用分析以用于双能量目的。所公开的实施方案经由更新的软件(例如，算法)经由kVp切换实现双能量成像，而不必升级硬件。
考虑到前述讨论，图1示出了根据本公开的多个方面的用于获取并处理图像数据的成像系统10的实施方案。在例示的实施方案中，系统10为计算机断层摄影(CT)系统，其被设计成获取X射线投影数据，将投影数据重构为层析图像，以及处理图像数据用于显示和分析。CT成像系统10包括X射线源12。如本文所详述，源12包括单个X射线源，诸如X射线管或固态发射结构。根据本实施方案，X射线源12被配置为以一种或多种能量来发射X射线束20。例如，X射线源12可被配置为在相对较低能量多色发射光谱(例如，在约80kVp下)与相对较高能量多色发射光谱(例如，在约140kVp下)之间切换。如本文所用，术语“高”和“低”是相对的，其中高能量表示高于另一种能量的能量并且低能量表示低于另一种能量的能量。应当理解，X射线源12也可被操作以便发射多于两种不同能量的X射线，尽管本文讨论了双能量实施方案以简化说明。类似地，X射线源12可在位于除了本文列出的那些之外的能级周围的多色光谱下进行发射。实际上，用于发射的相应能级的选择可以至少部分地基于被成像的解剖结构和用于组织表征的感兴趣的化学物质或分子。
在某些具体实施中，源12可邻近准直仪22定位，该准直仪用于限定一个或多个X射线束20的尺寸和形状，该一个或多个X射线束穿过受检者24(例如，患者)或感兴趣的对象所定位的区域。受检者24使X射线的至少一部分衰减。所得的衰减X射线26对由多个检测器元件形成的检测器或检测器阵列28产生影响。系统10包括单个检测器28。每个检测器元件产生表示在光束照射检测器28时入射在检测器元件的位置处的X射线束的强度的电信号。获取并处理电信号以生成一个或多个扫描数据集。
系统控制器30命令成像系统10的操作，以执行检查和/或校准协议并且处理所获取的数据。相对于X射线源12，系统控制器30为X射线检查序列提供功率、焦点位置、控制信号等。检测器28耦接到系统控制器30，该系统控制器命令由检测器28生成的信号的采集。此外，经由马达控制器36，系统控制器30可控制用于移动成像系统10的部件(门架、台等)和/或受检者24的线性定位子系统32和/或旋转子系统34的操作。系统控制器30可包括信号处理电路和相关联的存储器电路。在此类实施方案中，存储器电路可存储由系统控制器30执行以操作成像系统10(包括X射线源12)并且根据本文讨论的步骤和过程来处理检测器28所获取数据的程序、例程和/或编码算法。在一个实施方案中，系统控制器30可被实现为基于处理器的系统诸如通用或专用计算机系统的全部或部分。
源12可以由包含在系统控制器30内的X射线控制器38控制。X射线控制器38可以被配置成向源12提供功率和定时信号。在某些实施方案中，X射线控制器38可被配置为提供X射线源12的kVp切换，以便在图像采集会话期间切换源12以连续发射相应多色能谱下的X射线(在针对每个多色能谱以不同角度采集了设定数量的视图之后)。例如，在双能量成像环境中，X射线控制器38可操作X射线源12，使得X射线源12针对每个多色能谱下的设定数量的视图在感兴趣的两个多色能谱下交替地发射X射线，使得以交替方式在不同能量下采集设定数量的视图的相邻投影集合(即，在高能量下采集不同角度的n个视图(其中N大于一)上第一投影集合，在低能量下采集n个视图上的第二投影集合，等等)。在一个此类具体实施中，由X射线控制器38执行的kVp切换操作产生与时间配准的投影数据。数据收集可在缓慢切换螺旋扫描(例如，低间距螺旋扫描)或轴向扫描期间(例如，在旋转-旋转模式期间)发生。在旋转-旋转模式中，在有序地收集两种能量扫描时，患者台保持固定。这可以是两次半扫描(例如，当利用半扫描重建时)或两次全扫描(例如，两次完整旋转)。在缓慢切换螺旋扫描中，使用低间距螺旋(例如，0.5:1间距)，并且X射线光谱在半扫描范围(180度加扇角)或全扫描范围(360度)内或者在其间的某处改变。
系统控制器30可以包括数据采集系统(DAS)40。DAS 40接收由检测器28的读出电子器件收集的数据，诸如来自检测器28的采样模拟信号。然后，DAS 40可以将数据转换为数字信号以供基于处理器的系统(诸如计算机42)进行后续处理。在其他实施方案中，检测器28可在传输至数据采集系统40之前将取样模拟信号转换为数字信号。计算机42可包括处理电路44(例如，图像处理电路)。计算机42可包括一个或多个非暂态存储器设备46或与其通信，该非暂态存储器设备可存储由计算机42处理的数据、将由计算机42处理的数据、或者将由计算机42的处理器(例如，处理电路44)执行的指令。例如，计算机42的处理电路44可执行存储在存储器46上的一个或多个指令集，该存储器可为计算机42的存储器、处理器的存储器、固件或类似实例。根据本实施方案，存储器46存储指令集，这些指令集在被处理器执行时执行如本文所讨论的图像处理方法。
CT成像系统10是低端CT成像系统。具体地，CT成像系统10缺乏用于双能量成像的硬件(例如，快速kVp切换、双X射线源和双层检测器)。另外，低端CT成像系统10的检测器28可利用更便宜的闪烁体材料，该闪烁体材料包括以下特性(例如，较慢的主要速度和较高的余晖)，这些特性使其不受欢迎并且难以在用快速kVp切换扫描的双能量图像中实现可接受的成像质量和材料量化。如下文所讨论的，存储器46还可存储指令(例如，一个或多个算法)以使得能够与CT成像系统一起利用双能量成像。例如，存储器47使得能够在两个不同的能级或能谱(例如，高kVp和低kVp)下采集投影测量，其方式是通过在以下操作之间切换：在第一能谱下以不同投影角度针对设定数量的连续视图采集第一数据集，以及在第二能谱下以不同投影角度针对该设定数量的连续视图采集第二数据集，其中该设定数量的连续视图大于一。存储器47使得能够用第一能谱下的估计投影测量补充第一数据集并且用第二能谱下的估计投影测量补充第二数据集，以便分别为第一数据集和第二数据集提供在成像扫描期间未采集的不同投影角度的缺失投影测量。
计算机42可还适于控制由系统控制器30启用的特征(即，扫描操作和数据采集)，诸如响应于由操作员经由操作员工作站48提供的命令和扫描参数。系统10还可包括联接到操作员工作站48的显示器50，该显示器允许操作员查看根据本公开产生的相关系统数据、成像参数、原始成像数据、重建数据、造影剂密度图等。另外，系统10可以包括打印机52，该打印机联接到操作员工作站48并且被配置成打印任何期望的测量结果。显示器50和打印机52也可直接或经由操作员工作站48连接到计算机42。另外，操作员工作站48可以包括或联接到图片存档和通信系统(PACS)54。PACS 54可耦接到远程系统56、放射科信息系统(RIS)、医院信息系统(HIS)或者耦接到内部或外部网络，使得不同位置处的其他人员能够访问图像数据。
图2为kVp切换方法(例如，用于低间距螺旋扫描)的实施方案的示意图。在所描绘的kVp切换方法中，每第n个(n>1)视图进行一次切换，管电压对每第n个视图变化一次并且针对接下来的n个视图保持恒定。为了形成用于高kVp重建和低kVp重建的足够视图，需要通过算法估计缺失的高kVp视图和低kVp视图。
假设管kVp对每n个视图切换一次，并且每次旋转有m个视图，则m和n需要满足以下要求：
m＝2kn+n，其中k是非负整数。       (1)
高(或低)kVp测量的第一个视图将处于起始角度，β0。然后，对于每个以下视图，管旋转
Figure BDA0003898065340000081
在每第n个视图之后，kVp从高切换到低或从低切换到高。在完成一次完整旋转之后，管将以角度β0(即，与第一次旋转相反的kVp)切换到低(或高)kVp。这样，高kVp视图和低kVp视图将各自能够从4π跨度(例如，两次完整旋转)形成一个2π采样(例如，一次完整旋转)。在某些实施方案中，用于采集数据的旋转次数可以是不同的(例如，4次旋转、6次旋转等)。针对螺旋扫描采集的数据的实际旋转次数将由需要覆盖的z范围确定。如图2所描绘的，用于扫描(例如，低间距螺旋扫描)的螺旋路径58围绕台60(不存在成像患者)进行描绘。在螺旋扫描期间，台60以恒定速度移动。沿着螺旋路径58以不同投影角度收集的在低kVp和高kVp下的投影测量的n个视图的集合分别由附图标记62和64表示。如所描绘的，第一次完整旋转66开始于n个视图处的低kVp测量集合62，而第二次完整旋转68开始于n个视图处的高kVp测量集合62。第一次旋转66中的低kVp测量集合62在投影角度上与第二次旋转68中的高kVp测量集合64相对应，而第一次旋转66中的高kVp测量集合64在投影角度上与第二次旋转68中的低kVp测量集合62相对应。例如，低kVp测量集合67在投影角度上与高kVp测量69相对应。以低kVp测量开始的第一次旋转将以低kVp测量结束。以高kVp测量开始的第二次旋转将以高kVp测量结束，以确保针对在投影角度上相对应的低kVp测量和高kVp测量采集相同量的数据。
在该方案中，两次旋转测量将形成高kVp测量的一次旋转和低kVp测量的一次旋转。除了低间距螺旋扫描模式(例如，如图2所描绘)之外，轴向扫描模式也可与该方案结合使用。对于轴向扫描，如果没有运动或对比度变化，则测量将足以以最小图像质量影响进行重建。轴向扫描可用于痛风、肾结石分析、骨水肿、无造影剂头部出血/钙化分化以及头部造影后出血检测。
作为用于低成本扫描仪(例如，低成本CT成像系统)的双能量解决方案，与依赖于更好硬件的当前高成本双能量解决方案相比，时间分辨率仍可能受到限制。然而，在低端CT扫描仪上使用这种提出的方法将有助于双能量CTA应用。利用低间距螺旋扫描和管kVp切换策略，将存在足以用于重建的全套高kVp和低kVp旋转测量。尽管扫描比较高成本CT慢，但其可实现价值CT的正常体积覆盖能力。即使kVp切换能力有限，减小k(每次旋转的kVp切换频率)和增加n(如果每次旋转的视图m保持为系统定义的常数)也可适应更快的旋转速度。
在某些实施方案中，如果需要提高时间分辨率，则也可实施半扫描重建并且不需要全部4π范围的数据。例如，平行投影可经由扇形光束到平行光束重组来获取，在每个管角处使用相同的kVp投影视图。然后使用加权滤波反投影来重建图像。对于每个投影射线(β,γ)，其共轭射线为(π+β-γ,-γ)或(3π+β-γ,-γ)。如果投影射线(β,γ)为高kVp测量，则共轭射线中的一者将为高kVp测量。还可实施加权方案以进一步提高时间性能。加权函数可由投影射线的重建平面的锥角确定。锥角越大，权重越小。
在一个实施方案中，在等式1中，当k＝0时，其变成旋转-旋转模式，其中CT扫描仪在一次旋转下测量第一能量信号(例如，高kVp信号)并且在另一次旋转下测量第二能量信号(例如，低kVp信号)。由于较少的运动并且没有对比度，所以该方法最适用于轴向模式。应该指出的是，我们也可在一个kVp下进行半扫描并且在另一kVp下进行另一半扫描。然后可使用基于半扫描的重建来生成图像。这将适用于轴向扫描模式和螺旋扫描模式两者。
存在一种kVp切换模式，其不满足等式1，但仍可被认为是提供双能量成像的良好候选。我们可使用半扫描切换采集，其中kVp仅大约每220度至240度切换一次(>半扫描+扇角)。在此使用基于半扫描的重建来生成高kVp图像和低kVp图像。该模式适用于轴向采集和低间距螺旋采集两者。
图3为用于执行kVp切换以进行双能量成像(例如，利用图像域材料分解)的方法70的实施方案的流程图。方法70的一个或多个步骤可由图1中的CT成像系统10的部件(例如，处理电路和存储器)执行。方法70包括开始CT成像扫描(框72)。该成像扫描可利用两次半扫描(例如，当利用半扫描重建时)或两次全扫描(例如，两次完整旋转)。
方法70还包括采集第一能谱(例如，低kVp)下的第一投影测量数据集和不同于第一能谱的第二能谱(例如，高kVp)下的第二投影测量数据集，其方式是通过在以下操作之间切换：在第一能谱下以不同投影角度针对设定数量的连续视图(例如，n个视图)采集第一数据集，以及在第二能谱下以不同投影角度针对该设定数量的连续视图采集第二数据集，其中该设定数量的连续视图大于一(框74)。在设定数量的连续视图之后在低kVp和高kVp之间的切换可重复发生，直到针对每次半扫描或全扫描采集了所需的视图总数(例如，等式1中的m个视图)。当利用多次半扫描或全扫描时，第一次半扫描或全扫描可开始于在第一能量(例如，低kVp)下采集投影测量，并且第二次半扫描或全扫描可开始于在第二能量(例如，高kVp)下采集投影测量，或反之亦然。针对第一数据集和第二数据集两者采集的数据量是相同的。另外，用于第一次半扫描或全扫描中的低kVp投影的投影角度对应于用于第二次半扫描或全扫描中的高kVp投影的投影角度。类似地，用于第一次半扫描或全扫描中的高kVp投影的投影角度对应于用于第二次半扫描或全扫描中的低kVp投影的投影角度。以低kVp测量开始的第一次半扫描或全扫描将以低kVp测量结束。以高kVp测量开始的第二次半扫描或全扫描将以高kVp测量结束，以确保针对在投影角度上相对应的低kVp测量和高kVp测量采集相同量的数据。在利用具有kVp切换的半扫描重建的情况下，可能需要生成附加数据以提供足够的数据来执行所公开的技术。例如，在某些实施方案中(当利用半扫描重建时)，可如上所述那样采集或生成附加投影测量(例如，平行投影)。
方法70还包括用第一能谱下的估计投影测量补充第一数据集并且用第二能谱下的估计投影测量补充第二数据集，以便分别为第一数据集和第二数据集提供在成像扫描期间未采集的不同投影角度的缺失投影测量(框76)。供应给第一数据集的缺失投影测量可源自第一数据集、第二数据集或两者。类似地，供应给第二数据集的缺失投影测量可源自第一数据集、第二数据集或两者。在任何情况下，缺失投影测量都源自所采集的投影测量。
投影测量的估计可通过多种方式发生。在一个实施方案中，可利用二维重建方法。利用该方法，在指定的重建平面位置处，可形成具有管角β∈[β0 βe]的高kVp或低kVp的π平行单行投影数据集的视图范围。投影射线(β,γ)处的缺失测量是利用加权平均方法基于到重建平面的管距离在低间距螺旋扫描中根据多次测量来估计。具体地，(β,γ)，处的缺失测量(其可以是高kVp测量或低kVp测量)可根据(β+2π,γ)and(β-2π,γ)测量来估计。例如，如果(β,γ)是低kVp测量，并且需要估计高kVp测量，则投影(β+2π,γ)and(β-2π,γ)应该是高kVp测量并且可用于利用加权平均方法基于到重建平面的管距离在低间距螺旋扫描中估计高kVp测量。在形成完整二维数据集之后，使用滤波反投影来重建高kVp图像和低kVp图像。
在另一种方法中，算法利用两个相邻的2π数据(例如，来自两个相邻的旋转66、68的投影数据)来填充视图。例如，来自第一2π跨度的第一高kVp视图(例如，图2的旋转66中的高kVp集合77)可通过使用在相同管角(例如，投影角度)处采集的来自第二相邻2π跨度的低kVp视图(例如，图2中的旋转68中的低kVp集合79)作为引导而被训练为被转换成低kVp视图。换句话说，图2的旋转68中的低kVp集合62可用于填充旋转66中的低kVp集合之间的缺失投影数据，并且图2的旋转66中的高kVp集合64可用于填充旋转68中的高kVp集合之间的缺失投影数据，或反之亦然。在某些实施方案中，可训练和利用深度神经网络(例如，卷积神经网络)来为第一数据集和第二数据集两者生成估计投影测量。例如，可训练深度神经网络以根据相邻旋转中的对应角度处的高kVp测量来估计缺失低kVp测量，或反之亦然。另外，可训练深度神经网络以根据相同旋转内的缺失低kVp测量侧翼的相邻高kVp测量来估计缺失低kVp测量，或反之亦然。在某些实施方案中，可训练深度神经网络以利用与同缺失测量相同的旋转内的缺失测量能量不同的能量下的侧翼测量，以及相邻旋转中的对应角度处的不同能量下的测量来估计缺失测量。
返回到方法70，方法70包括生成重建图像(框78)。具体地，分别根据补充的第一数据集和第二数据集生成第一能量(例如，低kVp)重建图像和第二能量(例如，高kVp)重建图像。方法70还包括对第一能量重建图像和第二能量重建图像执行图像域材料分解，以生成可用于各种双成像应用的材料图像(例如，材料分解图像或基础材料图像)(框80)。
图4为用于执行kVp切换以进行双能量成像(例如，利用投影空间材料分解)的方法82的实施方案的流程图。方法70的一个或多个步骤可由图1中的CT成像系统10的部件(例如，处理电路和存储器)执行。方法82中的框84、框86和框88与方法70中的框72、框74和框76相同。
方法84包括对补充的第一数据集和第二数据集执行投影空间材料分解以生成基础材料投影(框90)。方法84还包括根据可用于各种双能量成像应用的基础材料投影来重建材料图像(例如，材料分解图像或基础材料图像)(框92)。
图5为用于执行kVp切换以进行双能量成像的方法94的实施方案的流程图。方法94的一个或多个步骤可由图1中的CT成像系统10的部件(例如，处理电路和存储器)执行。方法70包括开始CT成像扫描(框96)。该成像扫描可利用两次半扫描(例如，当利用半扫描重建时)或两次全扫描(例如，两次完整旋转)。在某些实施方案中，旋转次数可以是不同的(例如，4次旋转、6次旋转等)。
方法94还包括在以下操作之间切换：在第一次完整或部分旋转期间以不同投影角度针对设定数量的视图(例如，等式1中的n个视图，其中n大于1)在第一能谱(例如，低kVp)下采集第一投影测量数据集，以及在第一次完整或部分旋转期间以不同投影角度针对相同设定数量的视图在不同于第一能谱的第二能谱(例如，高kVp)下采集第二投影测量数据集(框98)。然后，方法94确定是否满足第一次完整或部分旋转的视图总数(例如，等式1中的m个视图)(框102)。如果未满足第一次完整或部分旋转的视图总数，则方法94重复框98、框100和框102。应当注意的是，第一次完整或部分旋转开始于和结束于在第一能谱下采集投影测量。如果满足第一次完整或部分旋转的视图总数，则方法94包括在以下操作之间切换：在第二次完整或部分旋转期间以不同投影角度针对相同设定数量的视图在第二能谱(例如，高kVp)下采集第二投影测量数据集，以及在第二次完整或部分旋转期间以不同投影角度针对相同设定数量的视图在第一能谱(例如，低kVp)下采集第一投影测量数据集(框104)。然后，方法94确定是否满足第二次完整或部分旋转的视图总数(例如，等式1中的m个视图)(框102)。如果未满足第二次完整或部分旋转的视图总数，则方法94重复框104、框106和框108。应当注意的是，第二次完整或部分旋转开始于和结束于在第二能谱下采集投影测量。在框108之后，针对第一数据集和第二数据集两者采集的数据量是相同的。另外，用于第一次半扫描或全扫描中的低kVp投影的投影角度对应于用于第二次半扫描或全扫描中的高kVp投影的投影角度。类似地，用于第一次半扫描或全扫描中的高kVp投影的投影角度对应于用于第二次半扫描或全扫描中的低kVp投影的投影角度。
如果满足第二次完整或部分旋转的视图总数，则方法94继续进行。在利用具有kVp切换的半扫描重建的某些实施方案中，方法94包括生成附加数据(例如，平行投影)以提供足够的数据来执行如上所述的所公开的技术(框110)。
方法94还包括估计用于在成像扫描期间未采集的缺失投影角度的投影测量，以补充第一能量下的第一数据集和第二能量下的第二数据集两者(框112)。供应给第一数据集的缺失投影测量可源自第一数据集、第二数据集或两者。类似地，供应给第二数据集的缺失投影测量可源自第一数据集、第二数据集或两者。在任何情况下，缺失投影测量都源自所采集的投影测量。投影测量的估计可如图3所述那样发生。
方法94还包括执行材料分解和重建以生成材料图像(例如，材料分解图像或基础材料图像)(框114)。在某些实施方案中，对补充的第一数据集和第二数据集执行投影空间材料分解以生成基础材料投影，然后根据基础材料投影来重建材料图像。在某些实施方案中，对补充的第一数据集和第二数据集执行图像空间分解以分别生成第一能量下的重建图像和第二能量下的重建图像，然后进行图像域材料分解以生成材料图像。
所公开的主题的技术效果包括使得能够在低端CT成像系统(其缺乏用于双能量成像的典型硬件解决方案)上利用kVp切换技术来进行双能量成像，该低端CT成像系统由具有成本效益的硬件组成并且仅具有低kVp切换能力。将kVp切换技术用于双能量成像应用可仅经由软件更新(即，无需任何硬件改变)来实现。因此，低端CT成像系统可将双能量用于大量临床应用(例如，肾结石、病变表征、骨水肿等)。
参考本文所提出的并受权利要求书保护的技术并将其应用于具有实际性质的实物和具体示例，所述实际性质明确地改善目前的技术领域，因此，不是抽象的、无形的或纯理论的。此外，如果附加到本说明书末尾的任何权利要求含有指定为“用于[执行]…功能的装置”或“用于[执行]…功能的步骤”的一个或多个元素，则旨在将此类元素根据U.S.C.第35条第112(f)款加以解释。然而，对于含有以任何其他方式指定的元素的任何权利要求，则不旨在将此类元素根据U.S.C.第35条第112(f)款加以解释。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元素，则此类其他示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种计算机实现的方法，包括：
在成像扫描期间采集第一能谱下的第一投影测量数据集和不同于所述第一能谱的第二能谱下的第二投影测量数据集，其方式是通过在以下操作之间切换：在所述第一能谱下以不同投影角度针对设定数量的连续视图采集所述第一数据集，以及在所述第二能谱下以不同投影角度针对所述设定数量的连续视图采集所述第二数据集，其中所述设定数量的连续视图大于一；以及
用所述第一能谱下的估计投影测量补充所述第一数据集并且用所述第二能谱下的估计投影测量补充所述第二数据集，以便分别为所述第一数据集和所述第二数据集提供在所述成像扫描期间未采集的不同投影角度的缺失投影测量。
2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中针对所述第一数据集和所述第二数据集两者采集的数据量是相同的。
3.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述第一能谱和所述第二能谱下的所述估计投影测量源自所述第一数据集和所述第二数据集两者，并且其中所述第一能谱下的所述估计投影测量在投影角度上与其所源自的所述第一投影测量数据集和所述第二投影测量数据集两者相对应，并且所述第二能谱下的所述估计投影测量在投影角度上与其所源自的所述第一投影测量数据集和所述第二投影测量数据集两者相对应。
4.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，包括：
在补充之后，分别根据所述第一数据集生成第一重建图像并且根据所述第二数据集生成第二重建图像；以及
对所述第一重建图像和所述第二重建图像执行图像域材料分解以生成基础材料图像。
5.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，包括：
在补充之后，对所述第一数据集和所述第二数据集执行投影空间材料分解以生成基础材料投影；以及
根据所述基础材料投影重建基础材料图像。
6.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中重复地在以下操作之间进行切换：在所述第一能谱下以不同投影角度针对所述设定数量的连续视图采集所述第一数据集，以及在所述第二能谱下以不同投影角度针对所述设定数量的连续视图采集所述第二数据集。
7.根据权利要求6所述的计算机实现的方法，其中在开始于采集所述第一数据集的第一次完整旋转(66)上重复地在以下操作之间进行切换并且然后在开始于采集所述第二数据集的第二次完整旋转(68)上重复地在以下操作之间进行切换：在所述第一能谱下以不同投影角度针对所述设定数量的连续视图采集所述第一数据集，以及在所述第二能谱下以不同投影角度针对所述设定数量的连续视图采集所述第二数据集。
8.根据权利要求7所述的计算机实现的方法，其中在所述第一次完整旋转(66)期间采集的所述第一数据集在投影角度上与在所述第二次完整旋转(68)期间采集的所述第二数据集相对应。
9.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述第一能谱和所述第二能谱下的所述估计投影测量是利用经过训练的深度神经网络来导出的。
10.一种基于处理器的系统，包括：
存储器(46)，所述存储器对处理器可执行例程进行编码；和
处理器(44)，所述°处理器被配置为访问所述存储器(44)并且执行所述处理器可执行例程，其中所述例程在由所述处理器(44)执行时致使所述处理器(44)：
在成像扫描期间采集第一能谱下的第一投影测量数据集和不同于所述第一能谱的第二能谱下的第二投影测量数据集，其方式是通过在以下操作之间切换：在所述第一能谱下以不同投影角度针对设定数量的连续视图采集所述第一数据集，以及在所述第二能谱下以不同投影角度针对所述设定数量的连续视图采集所述第二数据集，其中所述设定数量的连续视图大于一；以及
用所述第一能谱下的估计投影测量补充所述第一数据集并且用所述第二能谱下的估计投影测量补充所述第二数据集，以便分别为所述第一数据集和所述第二数据集提供在所述成像扫描期间未采集的不同投影角度的缺失投影测量。
11.根据权利要求10所述的基于处理器的系统，其中针对所述第一数据集和所述第二数据集两者采集的数据量是相同的。
12.根据权利要求10所述的基于处理器的系统，其中所述第一能谱和所述第二能谱下的所述估计投影测量源自所述第一数据集和所述第二数据集两者，并且其中所述第一能谱下的所述估计投影测量在投影角度上与其所源自的所述第一投影测量数据集和所述第二投影测量数据集两者相对应，并且所述第二能谱下的所述估计投影测量在投影角度上与其所源自的所述第一投影测量数据集和所述第二投影测量数据集两者相对应。
13.根据权利要求10所述的基于处理器的系统，其中重复地在以下操作之间进行切换：在所述第一能谱下以不同投影角度针对所述设定数量的连续视图采集所述第一数据集，以及在所述第二能谱下以不同投影角度针对所述设定数量的连续视图采集所述第二数据集。
14.根据权利要求13所述的基于处理器的系统，其中在开始于采集所述第一数据集的第一次完整旋转(66)上重复地在以下操作之间进行切换并且然后在开始于采集所述第二数据集的第二次完整旋转(68)上重复地在以下操作之间进行切换：在所述第一能谱下以不同投影角度针对所述设定数量的连续视图采集所述第一数据集，以及在所述第二能谱下以不同投影角度针对所述设定数量的连续视图采集所述第二数据集。
15.根据权利要求10所述的基于处理器的系统，其中所述第一能谱和所述第二能谱下的所述估计投影测量是利用经过训练的深度神经网络来导出的。
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