多能成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及一种多能成像系统及成像方法，属于医疗设备技术领域。

背景技术

双能CT成像技术越来越普遍的应用于医疗CT设备中，相比传统单能量CT成像技术，基于双能的虚拟单能成像技术在去除金属伪影，物质定量分析，和减少造影剂用量等情景下具有显著优势。

在双能或多能CT领域，目前主流的CT成像技术主要为快速千伏切换技术、双源双探技术以及双层探测器技术，但是这些CT成像技术各有优缺点，如：采用快速千伏切换技术能够完成双能扫描，但是无法实现同一个角度同时采集两个不同能量的数据，且两个能谱的区分度比较差，虚拟单能成像效果一般。采用双能双探的技术能够提高两个能谱的区分度，但是双能量的采集时间间隔较长，容易在虚拟单能图像中引入时间间隔过长导致的运动伪影，且两套射线源系统的成本较高。双探测器的技术优势是可以获得同一个角度的两个不同能量的数据，但是两个能谱的区分度比较差。

有鉴于此，确有必要提供一种多能成像系统及成像方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、在相同角度能够获得高能和低能X射线图像的多能成像系统及成像方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种多能成像系统，包括多能射线源和单个探测器，所述多能射线源产生用于投射成像的射线，并沿所述探测器周向扫描旋转，包括第一射线源和第二射线源，所述第一射线源和所述第二射线源沿所述多能射线源的旋转平面排列，并交替地发射第一能量的射线和第二能量的射线，所述第二射线源在T

作为本发明的进一步改进，所述第一射线源和所述第二射线源之间的位置关系满足等式2*D*sin(s*(2n-1)*t/2)＝d，其中d为所述第一射线源和所述第二射线源的焦点距离，D为所述多能射线源的旋转半径，s为所述多能射线源的旋转角速度，n为自然数，t为曝光时间间隔。

作为本发明的进一步改进，所述第一能量大于所述第二能量，所述第一射线源与所述探测器之间设有过滤装置，所述过滤装置靠近所述第一射线源设置且与所述第一射线源保持相对静止。

作为本发明的进一步改进，所述多能成像系统还包括图像采集与处理单元，所述图像采集与处理单元对所述探测器接收到的所述第一射线源和所述第二射线源在相同位置发出的射线进行虚拟单能成像。

作为本发明的进一步改进，所述图像采集与处理单元在对所述第二射线源发出的射线进行虚拟单能成像前对所述第二射线源在T

本发明还提供了一种成像方法，应用于前述的多能成像系统，包括如下步骤：

S1：第一射线源与所述第二射线源沿多能射线源的旋转平面排列，并交替地发射第一能量的射线和第二能量的射线，所述第二射线源在T

S2：单个探测器交替地接收所述第一射线源发射的第一能量的射线和所述第二射线源发射的第二能量的射线并分别成像；

S3：图像采集与处理单元对所述探测器接收到的所述第一射线源和所述第二射线源在相同位置发出的射线进行虚拟单能成像。

作为本发明的进一步改进，所述第一射线源和所述第二射线源之间的位置关系满足等式2*D*sin(s*(2n-1)*t/2)＝d，其中d为所述第一射线源和所述第二射线源的焦点距离，D为所述多能射线源的旋转半径，s为所述多能射线源的旋转角速度，n为自然数，t为曝光时间间隔。

作为本发明的进一步改进，所述图像采集与处理单元在对所述第一射线源和所述第二射线源在相同位置发出的射线进行虚拟单能成像前，先将所述第一射线源/第二射线源的投影数据进行重排，使之与所述第二射线源/第一射线源的投影数据相对应。

作为本发明的进一步改进，所述第一射线源在T

P′

其中，d为所述第一射线源和所述第二射线源的焦点距离，L为所述第一射线源与所述第二射线源的连线中心点到所述探测器的距离，θ为探测器从T

作为本发明的进一步改进，所述虚拟单能成像的有效数据范围为所述第一射线源在T

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的多能成像系统及成像方法，通过使用单个探测器以接收多能射线源发出的不同能量的射线，以降低成像系统的成本。另外，通过将第一射线源与第二射线源沿沿多能射线源的旋转平面排列，并交替地发射第一能量的射线和第二能量的射线，第二射线源在T

附图说明

图1是现有技术的多能成像系统的结构示意图。

图2是本发明优选实施例的多能成像系统的结构示意图。

图3是本发明的多能成像系统的投照示意图。

图4是本发明的探测器的运动角度示意图。

图5是本发明的多能成像系统未设置过滤装置的光谱图。

图6是本发明的多能成像系统设置过滤装置的光谱图。

图7是第一射线源在T

图8是第二射线源在T

图9是本发明的多能成像系统的有效投照范围示意图。

图10是本发明的成像方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

请参阅图1所示，为现有技术的多能成像系统的三条主要技术路线，其中图1(a)为GE的快速千伏切换的方式，即在CT扫描过程中，射线源采用高低电压(通常为80kv和140kv)切换的方式交替采集不同能量的X射线图像。但是GE采用高低电压切换的方法完成双能扫描，无法实现同一个角度同时采集两个不同能量的数据，且两个能谱的区分度比较差，虚拟单能成像效果一般。图1(b)为Siemens的方式，采用两套成像系统，分别设置为80kv和140kv，并在140kv的射线源前面引入额外的X射线滤过片，以进一步区分两个不同能量的X射线谱。但是Siemens的双能双探的方式需要采用两套射线源系统，成本较高，而且双能的采集时间间隔较长，容易在虚拟单能图像中引入时间间隔过长导致的运动伪影。图1(c)为Philips的双能探测器的方法，其能够获得同一个角度的高能和低能X射线图像，利于后续图像处理操作，但是两个能谱的区分度比较差。

基于现有技术中的问题，本发明提供了一种多能成像系统100和成像方法。请参阅图2-3所示，多能成像系统100包括多能射线源10和单个探测器20，多能射线源10产生用于投射成像的射线，并沿探测器20周向扫描旋转，单个探测器20交替地接收多能射线源10发射的射线并分别成像。通过设置多能射线源10和单个探测器20的方法，可以通过单个探测器20以交替地接收多能射线源10发射的射线并分别成像，以降低多能成像系统100中的成本。

应当理解，本发明的多能射线源10包括两种不同能量的X射线进行成像，也可以是三种或更多不同能谱或能量的X射线，本发明对此不予限制。为了清楚的描述，以下说明书部分的多能射线源10以发出两种不同能量的X射线为例进行描述，但不应以此为限。

请继续参阅图2-3所示，多能射线源10包括第一射线源11和第二射线源12。第一射线源11和第二射线源12沿多能射线源10的旋转平面排列，并交替地发射第一能量111的射线和第二能量121的射线，第二射线源12在T

第一射线源11和第二射线源12可以是X射线管，也可以是X光机等任何获取X射线的装置。本实施例以X射线管为例，第一射线源11为第一X射线管，第二射线源12为第二X射线管，第一X射线管和第二X射线管可以为相同类型的球管，各自具有相应的工作电压，在该工作电压下，电子运动撞击靶材，从而发射出相应能量的X射线。根据需要获得的多能X射线的能量或能谱差异，可以选择第一X射线管和第二X射线管的工作电压大小及其差值。具体地，例如，在本实施例中，第一X射线管发射出的第一能量111的X射线可以为120-160kVp能量的X射线，第二X射线管发射出的第二能量121的X射线可以为60-100kVp能量的X射线。也就是说，在本实施例中，第一能量111大于第二能量121。即第一射线源11为高能射线源，第二射线源12为低能射线源。

进一步地，多能成像系统100还包括控制装置(未图示)，控制装置用以控制第一射线源11发射出高能射线，第二射线源12发射出低能射线。在本实施例中，控制装置包括一个高压发生装置，第一射线源11和第二射线源12是对应于高压发生装置设置，高压发生装置输出的第一工作电压V1和第二工作电压V2交替地分别施加在第一射线源11和第二射线源12上，从而，第一射线源11和第二射线源12在不同工作电压偏置下，分别发射出不同能量的X射线，即第一能量111的X射线和第二能量121的X射线。如此设置，可以降低多能成像设备的成本，并且减小体积。在其他实施例中，控制装置也可以通过其他方式以控制第一射线源11发出第一能量111的X射线和第二射线源12发出第二能量121的X射线，本发明对比不予限制。

探测器20的类型可以为平板探测器20，也可以为其他类型的探测器20，本发明对此不予限制。探测器20可以交替地接收从第一射线源11投射过来的第一能量111的X射线和从第二射线源12投射过来的第二能量121的X射线，并分别成像。

请参阅图3和图4所示，多能射线源10和探测器20绕着待成像物体40旋转，第一射线源11和第二射线源12沿着旋转平面间隔排列，并在旋转过程中交替发射第一能量111的射线和第二能量121的射线，探测器20在旋转过程中交替地接收第一射线源11发射的第一能量111的射线和第二射线源12发射的第二能量121的射线并分别成像。由于第一射线源11和第二射线源12是围绕旋转平面排列的，故在T＝0时(T

第二射线源12也到达第一位置处，并发出第二能量121的射线，也就是说在T

为了满足单个探测器20能够交替地接受到第一射线源11和第二射线源12在相同位置处发出的第一能量111的射线和第二能量121的射线，第一射线源11和第二射线源12之间的位置关系需要满足等式2*D*sin(s*(2n-1)*t/2)＝d。其中d为第一射线源11和第二射线源12的焦点距离，D为多能射线源10的旋转半径(旋转中心O到射线源焦点的距离)，s为多能射线源10的旋转角速度，n为自然数，t为曝光时间间隔。如此便能实现多能成像系统100在同一位置处获得第一能量111和第二能量121的射线，以方便后续图像处理，组合并重构出待成像物体40的三维立体结构。

为了提高第一能量111的射线与第二能量121的射线的分离能力，本发明还在第一射线源11与探测器20之间设有过滤装置30，过滤装置30靠近第一射线源11设置且与第一射线源11保持相对静止。也就是说过滤装置30固定设置在高能的第一射线源11的前方，以提高高能和低能射线的分离能力。请参阅图5-6所示，未添加过滤装置30的第一能量111和第二能量121的射线的区分度较低，而在第一射线源11前方添加过滤装置30后，第一能量111和第二能量121的射线的区分度较高。

在本实施例中，该过滤装置30为滤片，滤片固定设置在第一射线源11的前方，并位于第一射线源11和待成像物体40之间，随第一射线源11的转动而转动，与第一射线源11保持相对静止。在其他实施例中，过滤装置30也可以为其他过滤结构，本发明对此不予限制。

进一步地，多能成像系统100还包括图像采集和处理单元，图像采集与处理单元对探测器20接收到的第一射线源11和第二射线源12在相同位置发出的射线进行虚拟单能成像。也就是说图像采集与处理单元对探测器20上接收的第一范围21的成像数据与第二范围22的成像数据进行虚拟单能成像。

图像采集与处理单元在对第一射线源11和第二射线源12在相同位置发出的射线进行虚拟单能成像前，先将第一射线源11/第二射线源12的投影数据进行重排，使之与第二射线源12/第一射线源11的投影数据相对应，然后图像采集与处理单元对一一对应的第一能量111(高能)的投影数据和第二能量121(低能)的投影数据进行虚拟单能成像，如此，能够获得较佳的虚拟单能成像效果。

请参阅图7-8所示，第一射线源11在在T＝0时刻的投影数据为P

P′

其中，d为第一射线源11和第二射线源12的焦点距离，L为第一射线源11与第二射线源12的连线中心点到探测器20的距离，θ为探测器20从T

需要知道的是，本发明的较佳实施例中是将第二射线源12在T＝T

请参阅图9所示，由于探测器20接收到第一射线源11在第一位置发出第一能量111的射线为第一范围21，探测器20接收到第二射线源12在第一位置发出第二能量121的射线为第二范围22，故图像采集及处理单元进行虚拟单能成像的有效数据范围为第一射线源11在T

请参阅图10所示，本发明还提供了一种成像方法，应用于前述的多能成像系统100，包括如下步骤：

S1：第一射线源11与第二射线源12沿多能射线源10的旋转平面排列，并交替地发射第一能量111的射线和第二能量121的射线，第二射线源12在T

S2：单个探测器20交替地接收第一射线源11发射的第一能量111的射线和第二射线源12发射的第二能量121的射线并分别成像；

S3：图像采集与处理单元对探测器20接收到的第一射线源11和第二射线源12在相同位置发出的射线进行虚拟单能成像。

通过该成像方法，可以实现降低多能成像系统100的成本，同时能够实现相同角度的X射线的高能和低能的数据采集，便于后续虚拟单能成像处理。

进一步地，为了满足单个探测器20能够交替地接受到第一射线源11和第二射线源12在相同位置处发出的第一能量111的射线和第二能量121的射线，第一射线源11和第二射线源12之间的位置关系需要满足等式2*D*sin(s*(2n-1)*t/2)＝d。其中d为第一射线源11和第二射线源12的焦点距离，D为多能射线源10的旋转半径(旋转中心O到射线源焦点的距离)，s为多能射线源10的旋转角速度，n为自然数，t为曝光时间间隔。

进一步地，图像采集与处理单元在对第一射线源11和第二射线源12在相同位置发出的射线进行虚拟单能成像，并且在虚拟单能成像前，先将第一射线源11/第二射线源12的投影数据进行重排，使之与第二射线源12/第一射线源11的投影数据相对应，具体重排的方法与上述方法相似，在此不予赘述。虚拟单能成像的有效数据范围为第一射线源11在T

需要知道的是，多能成像系统100在使用时，待成像物体40全部或者部分地置于第一射线源11和第二射线源12投射过来的X射线的范围中并受相应能量的X射线辐射。待成像物体40具体可以为人或者人的某一器官或身体部位，也可以为其他受验对象，其可以根据本发明的多能成像系统100的应用领域不同而发生变化。

综上所述，本发明的多能成像系统100及成像方法，通过使用单个探测器20以接收多能射线源10发出的不同能量的射线，以降低成像系统的成本。另外，通过将第一射线源11与第二射线源12沿沿多能射线源10的旋转平面排列，并交替地发射第一能量111的射线和第二能量121的射线，第二射线源12在T

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。