ВИЗУАЛИЗАЦИЯ К-КРАЯ

В целом, настоящее изобретение относится к визуализации K-края. Несмотря на то, что оно описано в конкретном приложении к компьютерной томографии (КТ), также оно относится к другим приложениям в области медицинской и немедицинской визуализации.

Стандартный сканер компьютерной томографии (КТ) содержит рентгеновскую трубку, установленную на вращающемся гентри напротив одного или нескольких датчиков. Рентгеновская трубка вращается вокруг исследуемой области, расположенной между рентгеновской трубкой и одним или несколькими датчиками, и испускает полихроматическое излучение, которое пересекает исследуемую область и субъект и/или объект, расположенный в исследуемой области. Один или несколько датчиков регистрируют излучение, которое пересекает исследуемую область, и создают сигнал или проекционные данные, характеризующие исследуемую область и расположенный в ней субъект и/или объект. Проекционные данные используют для восстановления его объемных данных изображения, и объемные данные можно использовать для создания одного или нескольких изображений субъекта и/или объекта. Полученное изображение(я) содержит пиксели, которые, как правило, представляют в виде значений шкалы оттенков серого, которые соответствуют относительной рентгеноконтрастности.

Значения шкалы оттенков серого отражают характеристики ослабления сканируемого субъекта и/или объекта и, в целом, показывают структуру, например, анатомические структуры, внутри пациента, физические структуры внутри неодушевленного объекта и тому подобное. Однако поскольку поглощение фотона веществом зависит от энергии фотона, проходящего через вещество, то зарегистрированное излучение также содержит спектральную информацию, которая предоставляет дополнительную информацию, такую как информация, характеризующая элементный или молекулярный состав (например, атомный номер) ткани и/или вещества субъекта и/или объекта. К сожалению, проекционные данные стандартного КТ не отражают спектральные характеристики, так как выходной сигнал одного или нескольких датчиков пропорционален интегральной плотности потока энергии, интегрированного по энергетическому спектру. В спектральной КТ спектральные характеристики выгодно используются для предоставления дополнительной информации, такой как информация, характеризующая элементный состав.

Система спектральной КТ может содержать датчик счета фотонов с разрешением по энергии, такой как датчик прямого преобразования на основе CZT (или CdTe, Si, GaAs и т.п.), который создает электрический сигнал для каждого фотона, который он регистрирует, причем электрический сигнал характеризует значение энергии этого фотона. Устройство формирования импульсов обрабатывает сигнал и создает импульс напряжения или тока, максимальная амплитуда которого характеризует значение энергии зарегистрированного фотона. Дискриминатор сравнивает амплитуду импульса с одним или несколькими пороговыми значениями, которые устанавливают в соответствии с различными уровнями энергии. Для каждого порогового значения счетчик считает количество раз, когда амплитуда превышает пороговое значение. Группировщик группирует или приписывает зарегистрированный фотон к полосе дискриминации, основываясь на отсчетах. Получаемые зарегистрированные фотоны с разрешением по энергии предоставляют информацию, которую можно использовать для спектрального восстановления сигналов для зарегистрированных фотонов.

В визуализации K-края выгодно используется тот факт, что элементы с большим атомным номером склонны в значительно большей степени ослаблять фотоны с энергией выше конкретного значения энергии K-края данного элемента по отношению к ослаблению фотонов с энергией немного ниже K-края. Неоднородность характеристики поглощения элемента можно зарегистрировать, используя датчик счета фотонов с разрешением по энергии, такой как датчик, указанный выше. В целом, йод не достаточно хорошо подходит для визуализации K-края, когда общее ослабление велико, и рентгеновский спектр значительно смещен в коротковолновую сторону после прохождения через пациента, поскольку K-край йода соответствует достаточно низкому значению энергии, приблизительно равному 33 кэВ. Один способ улучшения чувствительности состоит в использовании элемента с более высоким атомным номером, чем у йода, такого как гадолиний, значение энергии K-края которого составляет приблизительно 50 кэВ. При такой энергии сдвиг пучка в коротковолновую сторону обладает значительно меньшим значением и приносит относительно хорошие результаты даже при значительном ослаблении.

Однако существует неудовлетворенная потребность в дальнейшем улучшении чувствительности визуализации K-края.

Аспекты по настоящей заявке направлены на указанные выше, а также другие вопросы.

Согласно одному аспекту система визуализации содержит источник излучения, который испускает полихроматическое излучение, которое пересекает исследуемую область, и датчик, который регистрирует излучение, пересекающее исследуемую область, и создает сигнал, характеризующий значение энергии зарегистрированного фотона. Кроме того, система содержит энергетический дискриминатор, который энергетически разрешает сигнал, основываясь на множестве различных пороговых значений энергии, причем по меньшей мере два пороговых значения энергии соответствуют по меньшей мере двум различным значениям энергии K-края двух различных элементов в смеси, расположенной в исследуемой области. Также система содержит устройство, разбивающее сигнал, которое разбивает сигнал с разрешением по энергии по меньшей мере на компонент с несколькими K-краями, представляющий по меньшей мере два различных значения энергии K-края.

В другом аспекте способ включает регистрацию полихроматического излучения, испускаемого источником излучения, которое пересекает исследуемую область и создает сигнал, характеризующий значение энергии зарегистрированного фотона. Кроме того, способ включает разрешение сигнала по энергии, основываясь на множестве различных пороговых значений энергии, причем значения по меньшей мере двух пороговых значений энергии соответствуют по меньшей мере двум различным значениям энергии K-края двух различных элементов в смеси, расположенной в исследуемой области, где известно стехиометрическое соотношение двух различных элементов в смеси. Кроме того, способ содержит разбиение сигнала с разрешением по энергии по меньшей мере на компонент с несколькими K-краями, представляющий по меньшей мере два различных значения энергии K-края. Кроме того, способ содержит восстановление изображения с несколькими K-краями, основываясь на компоненте с несколькими K-краями и стехиометрическом соотношении, для создания данных объемного изображения, характеризующего два различных элемента.

В другом аспекте машиночитаемый носитель информации, содержит инструкции, которые при исполнении компьютером предписывают компьютеру выполнение этапов: регистрации полихроматического излучения, пересекающего исследуемую область; создания сигнала, характеризующего значение энергии зарегистрированного фотона; разделения сигнала по энергии, основываясь на множестве различных пороговых значений энергии, причем по меньшей мере два пороговых значения энергии соответствуют по меньшей мере двум различным значениям энергии K-края двух различных элементов, расположенных в исследуемой области; и разбиения сигнала с разрешением по энергии на компонент с несколькими K-краями, представляющий по меньшей мере два различных значения энергии K-края.

После прочтения и осмысления следующего подробного описания специалисты в данной области оценят другие дополнительные аспекты настоящего изобретения.

Настоящее изобретение может принимать форму различных компонентов и схем расположения компонентов и различных этапов и схем расположения этапов. Чертежи выполняют исключительно функцию иллюстраций предпочтительных вариантов осуществления, и их не следует рассматривать в качестве ограничения изобретения.

На фиг.1 представлена система визуализации.

На фиг.2 представлен пример дискриминатора импульсов энергии.

На фиг.3 представлен пример устройства, разбивающего на компоненты.

На фиг.4 представлен пример кривой ослабления с несколькими K-краями.

На фиг.5 представлен способ.

На фиг.1 представлена система 100 компьютерной томографии (КТ), которая содержит, как правило, неподвижный гентри 102 и вращающийся гентри 104, который закреплен с возможностью вращения на неподвижном гентри 102. Вращающийся гентри 104 вращается вокруг исследуемой области 106 вокруг продольной оси или оси z 108. Источник 110 рентгеновского излучения, такой как рентгеновская трубка, закреплен на вращающемся гентри 104 и испускает полиэнергетическое излучение. Коллиматор 112 коллимирует пучок излучения для получения в целом конического, веерообразного, клиновидного или иной формы пучка излучения, который пересекает исследуемую область 106.

Массив 116 чувствительных к излучению датчиков регистрирует фотоны, которые пересекают исследуемую область 106. Изображенный датчик 116 представляет собой датчик с разрешением по энергии, такой как датчик прямого преобразования (например, Si, Ge, GaAs, CdTe, CdZnTe и т.п.) датчик на основе сцинтиллятора, который содержит сцинтиллятор в оптической связи с фотодатчиком. Датчик 116 создает электрический сигнал, такой как электрический ток или напряжение, для каждого зарегистрированного фотона.

Предварительный усилитель 118 усиливает электрический выходной сигнал датчика 116. Устройство 120 формирования импульсов обрабатывает усиленный электрический сигнал и создает импульс, такой как импульс напряжения или другой импульс, характеризующий значение энергии зарегистрированного фотона. Энергетический дискриминатор 122 разделяет импульс по энергии. В изображенном примере энергетический дискриминатор 122 содержит устройство 124 сравнения, которое сравнивает амплитуду импульса с двумя или более различными пороговыми значениями энергии, которые соответствуют различным значениям энергии, представляющими интерес. Устройство 124 сравнения создает выходной сигнал, характеризующий значение энергии фотона, основываясь на сравнении.

Устройство 126 установки порогового значения устанавливает пороговые значения. Как более подробно описано ниже, устройство 126 установки порогового значения можно использовать для установки двух или более пороговых значений в соответствии с энергиями K-края элементов, представляющих интерес, таких как различные контрастные элементы в контрастном средстве, которое вводят пациенту, подлежащему сканированию. Используя два или более пороговых значения, настроенные на K-края двух или более элементов с различными атомными номерами в данном контрастном средстве, можно увеличивать чувствительность способа визуализации K-края. По существу, когда конфигурация системы 100 содержит настраиваемые пороговые значения, может быть целесообразным настроить пороговые значения на значения энергий K-края. Конечно, можно установить пороговые значения также для того, чтобы различать компоненты, обусловленные эффектом Комптона и фотоэлектрическим эффектом.

Счетчик 128 увеличивает значение счета для каждого порогового значения, основываясь на выходном сигнале энергетического дискриминатора 122. Например, когда выходной сигнал устройства сравнения 124 для конкретного порогового значения указывает, что амплитуда импульса превышает соответствующее пороговое значение, происходит приращение значения счета для этого порогового значения. Группировщик 130 группирует сигналы по энергии и, следовательно, фотоны в две или более энергетических группы, основываясь на счетах. Энергетическая группа охватывает энергетический диапазон или полосу дискриминации. Например, можно определить группу для энергетического диапазона между двумя пороговыми значениями, где к этой группе будет приписан фотон, который вызывает увеличение счета для более низкого порогового значения, но не для более высокого порогового значения.

Устройство 132, разбивающее сигнал, разбивает сигналы с разрешением по энергии на различные энергетически зависимые компоненты. Например, в одном случае зарегистрированный сигнал с разрешением по энергии разбивают на комптоновский компонент, фотоэлектрический компонент и компонент с несколькими K-краями, представляющий два или более K-краевых вещества в контрастном средстве. Следует принимать во внимание, что альтернативно можно использовать способ максимального правдоподобия или другой способ разбиения.

Устройство 134 восстановления избирательно восстанавливает зарегистрированные сигналы. В одном случае оно включает восстановление комптоновского компонента, фотоэлектрического компонента и/или компонента с несколькими K-краями, по отдельности или в комбинации. Для компонента с несколькими K-краями стехиометрическое соотношение контрастных элементов в контрастном средстве должно быть известно и постоянно для того, чтобы охарактеризовать ослабление элементов в виде функции энергии.

Банк 136 характеристик содержит информацию, которая характеризует элементы, вносящие вклад в компонент с несколькими K-краями, как таковые. Эта информация может содержать значения энергии K-края двух или более элементов, стехиометрическое соотношение элементов и т.п. Такую информацию используют, когда восстанавливают компонент с несколькими K-краями, как более подробно описано ниже.

Компьютер общего назначения выполняет функцию консоли 138 оператора. Консоль 138 содержит ориентированное на пользователя устройство вывода, такое как монитор или дисплей, и устройство ввода, такое как клавиатура и мышь. Резидентное программное обеспечение на консоли 138 позволяет оператору взаимодействовать со сканером 100 через графический пользовательский интерфейс (GUI) или иным способом. Такое взаимодействие может включать выбор протокола сканирования, такого как протокол визуализации с несколькими K-краями, установка порогового значения разделения по энергии и т.п.

Опора 140 объекта, такая как кушетка, поддерживает пациента или другой объект в исследуемой области 106. Опору 140 объекта можно перемещать так, чтобы направлять объект относительно исследуемой области 106 для выполнения процедуры сканирования.

Как вкратце изложено выше, сканер 100 можно использовать для визуализации компонента с несколькими K-краями по меньшей мере двух различных контрастных элементов в контрастном средстве в субъекте или объекте, где стехиометрическое соотношение элементов известно и постоянно. При таком применении по меньшей мере два пороговых значения устройства 124 сравнения устанавливают в соответствии со значениями энергии K-края по меньшей мере двух различных контрастных элементов. В пояснительных целях и ради краткости далее описан пример контрастного средства, которое содержит как йод, так и гадолиний. Следует понимать, что в настоящем документе также рассматриваются другие контрастные средства, включая такие же или другие и/или сходные или отличные контрастные вещества.

На фиг.2 представлен неограничивающий пример устройства 124 сравнения с двумя пороговыми значениями, которые устанавливают в соответствии с двумя различными значениями энергии K-края для двух различных элементов в контрастном средстве. Как показано, устройство 124 сравнения содержит N подчиненных устройств 124₁,..., 124₂,..., 124₃,..., 124_N сравнения, где N представляет собой целое число, большее или равное четырем. Каждое подчиненное устройство 124 сравнения содержит первый вход, который принимает выходной сигнал устройства 120 формирования импульсов. Каждое устройство 124 сравнения также содержит второй вход, который принимает соответствующее пороговое значение TH₁,... TH₂,... TH₃,..., TH_N.

Соответственно, в этом примере установлены два пороговых значения, основываясь на значениях энергии K-края йода (K-край≈33 кэВ) гадолиния (K-край≈50 кэВ). Два других пороговых значения установлены для того, чтобы различать эффект Комптона и фотоэлектрический эффект. Когда в контрасте представлены другие или отличные элементы с желаемым K-краем, одно или несколько других пороговых значений можно установить соответствующим образом. Например, когда контрастное средство содержит золото (K-край≈80 кэВ), пороговое значение можно установить соответствующим образом. В целом, значения энергии K-края должны попадать в диапазон диагностической визуализации приблизительно от 25 кэВ приблизительно до 150 кэВ. В одном случае устройство установки порогового значения 126 устанавливает по меньшей мере одно пороговое значение, основываясь на выбранном протоколе сканирования. В другом случае оператор использует устройство 126 установки порогового значения для установки по меньшей мере одного порогового значения.

Для каждого устройства 124₁,..., 124₂,..., 124₃,..., 124_N сравнения, когда амплитуда входящего импульса превышает соответствующее пороговое значение, выходной сигнал устройства 124₁,..., 124₂,..., 124₃,..., 124_N сравнения меняет состояние, например, меняется с низкого на высокий, с 0 на 1, или происходит другое изменение. Выходной сигнал устройства 124 сравнения поступает на счетчик 128, который выполняет приращение счета для каждого порогового значения, основываясь на изменении состояния.

На фиг.3 представлен пример устройства 132, разбивающего сигнал. Далее представлен пример для случая четырех пороговых значений, который включает два пороговых значения, которые можно использовать для того, чтобы различать эффект Комптона и фотоэлектрический эффект, пороговое значение для первого значения энергии K-края и пороговое значение для второго значения энергии K-края. В этом примере устройство 132, разбивающее сигнал, получает по меньшей мере три сигнала регистрации с разрешением по энергии d_i, где i представляет собой целое число, для различных энергетических групп. Сигнал регистрации d_i показывает спектральную чувствительность D₁ (E) i-ой энергетической группы b_i. Кроме того, общеизвестен спектр испускания T (E) полихроматического источника 110 излучения.

Устройство 132, разбивающее сигнал, моделирует информацию в виде комбинации фотоэлектрического эффекта со спектром P(E), эффекта Комптона со спектром C(E) и контрастного средства с несколькими K-краями со спектром K(E). Произведение плотности на длину для каждого компонента, в частности, компонента фотоэффекта p, компонента эффекта Комптона c и компонента с несколькими K-краями k, в каждом сигнале регистрации d_i моделируют в дискретной системе в соответствии с уравнением 1:

Уравнение 1:

d_n=∫ dE T(E) D_n(E)exp(-(p P(E)+c C(E)+k K(E)))

Поскольку по меньшей мере три сигнала регистрации d₁, d₂ и d₃ доступны по меньшей мере для трех энергетических групп b₁, b₂ и b₃, формируют систему по меньшей мере из трех уравнений с тремя неизвестными величинами, которые, таким образом, можно решить известными численными способами. В целом в данном случае достаточно трех энергетических групп. Однако использование дополнительных сигналов регистрации для дополнительных энергетических групп может увеличить чувствительность и устойчивость к шуму. Если доступны более чем три энергетические группы, то можно использовать подход наибольшего правдоподобия, который учитывает данные о шуме при измерениях. Подходящий подход наибольшего правдоподобия описан в связи с «K-edge imaging in x-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors», E. Roessl и R. Proksa, 2007 Phys. Med. Biol. 52 4679-4696.

Затем можно использовать результаты, в частности, компоненты p, c и k, для того, чтобы восстановить изображение желаемого компонента стандартными способами восстановления, в частности, для восстановления изображения компонента с несколькими K-краями. Также можно восстановить стандартное изображение КТ, а также изображение комптоновского компонента и/или изображение фотоэлектрического компонента.

Когда стехиометрическое соотношение элементов в контрастном средстве не известно, уравнение 1 можно модифицировать, чтобы включать K-краевой компонент для каждого K-края, например, один для йода, один для гадолиния и т.п. Подходящий способ разбиения для отдельных K-краевых компонентов описан в заявке с серийным номером PCT/IB2007/055105, которая подана 14 декабря 2007 года, по которой испрашивают приоритет предварительной заявки с серийным номером EP 061266532, которая подана 20 декабря 2006 года, обе заявки полностью включены в настоящее описание посредством ссылки.

Когда стехиометрическое соотношение элементов в контрастном средстве известно и является по существу постоянным, стехиометрическое соотношение элементов в контрастном средстве, наряду с их значениями энергии K-края, характеризует ослабление комбинации элементов в виде функции энергии. Как следствие, стехиометрическое соотношение и значения энергии K-края используют во время восстановления для создания изображения компонента с несколькими K-краями. Информацию о стехиометрическом соотношении и значении энергии K-края можно хранить в банке 136 характеристик для использования в устройстве 134 восстановления.

В целом, стехиометрическое соотношение и значения энергии K-края обеспечивают уникальную сигнатуру или отпечаток пальца для комбинации элементов. Это проиллюстрировано на фиг.4, где представлена кривая 400 ослабления как функция энергии фотона для смеси йода и гадолиния в соотношении 1:1. Конечно, в настоящем документе рассмотрены другие соотношения смешивания (например, до 1:5 или более), другое число веществ и/или другие вещества, а смесь, содержащая йод и гадолиний, представлена для пояснительных целей.

На фиг.4, по оси x, оси 402, отложена энергия (E) в кэВ, а по оси y, оси 404, отложено ослабление (μ) как функция энергии (E). K-край йода (K-край≈33 кэВ) показан номером позиции 406, а K-край гадолиния (K-край≈50 кэВ) показан номером позиции 408. По существу, ослабление контрастного средства можно охарактеризовать двумя неоднородностями с соответствующими значениями энергии K-края и соответствующими фиксированными амплитудами. Если стехиометрическое соотношение отличается (не равно 1:1), например, две единицы (например, атома и т.п.) йода на одну единицу гадолиния, то соотношение амплитуд K-краев 406 и 408 на фиг.4 будет вдвое выше. Как следствие, кривую 400 можно использовать в качестве уникальной сигнатуры для конкретной комбинации элементов.

На фиг.5 представлен способ визуализации компонента с несколькими K-краями. На этапе 502 регистрируют испускаемое источником излучения полихроматическое излучение, пересекающее исследуемую область. На этапе 504 происходит разрешение зарегистрированного излучения по энергии и группировка по различным полосам дискриминации, основываясь на множестве пороговых значений, соответствующих различным энергиям, причем по меньшей мере два пороговых значения устанавливают в соответствии со значениями энергии K-края по меньшей мере двух элементов в контрастном средстве, предоставленном пациенту перед сканированием пациента. Как изложено выше, это может включать четыре (4) пороговых значения энергии, в которых два (2) пороговых значения настраивают на два различных значения энергии K-края в соответствии с контрастным средством, содержащим вещество с двумя K-краями. На этапе 506 данные с разрешением по энергии разбивают на составляющие компоненты, содержащие компонент с несколькими K-краями, представляющий два или более значения энергии K-края, соответствующие по меньшей мере двум элементам в контрастном средстве. На этапе 508 по меньшей мере K-краевой компонент восстанавливают, используя стехиометрическое соотношение элементов в контрастном средстве для создания изображения компонента с несколькими K-краями.

Настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. После прочтения и осмысления предшествующего подробного описания могут возникнуть модификации и изменения. Подразумевается, что изобретение составлено так, чтобы включать все такие модификации и изменения в такой мере, в какой они изложены в объеме приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.