專利名稱：位置分辨地確定檢查對象內元素濃度的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用X射線吸收技術位置分辨地確定檢查對象內元素和/或元素組合的濃度的方法和裝置，該檢查對象由這些元素和/或元素組合構成。
背景技術：
放射攝影方法的結果，如計算機斷層造影(CT)、乳腺造影、血管造影、X射線檢查技術等類似方法的結果，首先顯示在投影圖像中X射線從X射線源至X射線檢測器的路徑上的衰減。這種衰減是由于放射路徑上被透射的物質造成的，因此，這種衰減也被認為是對放射路徑上所有體素(Voxel)的衰減系數(shù)的線性積分。特別是在斷層造影方法中，例如在X射線計算機斷層造影中，通過再現(xiàn)方法可以從投影的衰減數(shù)據(jù)計算出各體素的衰減系數(shù)μ，并由此得到較之對投影圖像純觀察的方法敏感得多的檢查。
為了顯示衰減分布，代之以使用衰減系數(shù)通常采用對水的衰減系數(shù)標準化的值，即所謂的CT數(shù)。CT數(shù)根據(jù)通過測量確定的當前衰減系數(shù)μ和參考衰減系數(shù)μH2O按照下式計算得出C=1000xμ-μH2OμH2O[HU]]]>CT數(shù)C以[HU](Hounsfield單位)為單位。對于水來說，其值CH2O＝0HU，而對于空氣，該值CL＝-1000HU。由于兩種表示相互可以轉換或等同，以下所選用的衰減值或衰減系數(shù)的概念既指衰減系數(shù)μ又指CT值。
但是，根據(jù)X射線圖像的衰減值并不能確定檢查對象的物質組成，因為X射線的吸收既取決于物質的有效原子序數(shù)也取決于物質的厚度。因此，不同的化學及物理組成的物質在X射線圖像中可能具有相同的衰減值。
因此，為了提高基于局部衰減系數(shù)的X射線圖像的說服力，例如在US4247774 A中公開了采用不同的X射線頻譜或不同的X射線量子能量來產(chǎn)生X射線圖像的方法。這種應用于計算機斷層造影領域、通常也稱為雙頻譜CT的方法利用的是較高原子序數(shù)的物質對較低能量的X射線的吸收要遠大于原子序數(shù)較低的物質。反之，在較高X射線能量的情況下，衰減值得到平衡并且主要是物質厚度的函數(shù)。因此，通過計算利用不同X射線管電壓拍攝的X射線圖像中的區(qū)別，可以獲得關于各圖像區(qū)域所基于的物質的附加信息。
如果在X射線拍攝時還附加地采用所謂的基本物質分解方法，則還可以得到更具體的結論。在該方法中，利用較低能量和較高能量的X射線來測量檢查對象的X射線衰減值，并將所獲得的值分別與兩種基本物質的相應參考值進行比較，如對于骨骼物質的鈣和柔軟部分組織的水進行比較。在此假設每個測量值都表示這兩種基本物質的測量值的線性疊加。因此，對于圖像顯示的檢查對象的每種元素，可以通過與基本物質的值比較而計算出骨骼部分和軟組織部分，從而可以將原始拍攝轉換為對這兩種基本物質的顯示。
在德國專利申請文獻DE 10143131 A1中也公開了一種方法，其敏感性和說服力超過基本物質分解方法，并且例如可以進行高說服力的功能CT成像。利用該方法，可以通過分析X射線設備的影響頻譜的測量數(shù)據(jù)計算出厚度ρ(r)和有效原子序數(shù)Z(r)的空間分布。通過對厚度和有效原子序數(shù)的分布的組合分析，可以量子地確定人體組成部分，如碘等，以及例如將鈣化所基于的原子序數(shù)分離出來。
但是迄今為止的方法都不能位置分辨地確定構成檢查對象的元素和/或元素組合的濃度。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是，提供一種方法和一種裝置，位置分辨地確定檢查對象中元素和/或元素組合的濃度，該檢查對象由這些元素和/或元素組合構成。
本發(fā)明的技術問題是通過一種位置分辨地確定檢查對象內n個元素和/或元素組合的濃度的方法解決的，其中，該檢查對象由這些n個元素和/或元素組合構成，其中，利用X射線設備同時或相繼拍攝檢查對象的至少一個區(qū)域的多幅數(shù)字X射線圖像，這些數(shù)字X射線圖像是利用m≥n的不同X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)在相同的幾何條件下拍攝的，以便獲得每個在X射線圖像中表示相同位置的像素的m個衰減值μi(i＝1，...，m)。然后，根據(jù)m個衰減值μi，對一個或多個像素，在考慮n個元素和/或元素組合的已知頻譜吸收譜kj(E)(j＝1，...，n)以及m個不同的X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)的條件下，計算該n個元素和/或元素組合的濃度cj。
因此，為實施該方法，必須對每個頻譜分布已知頻譜裝置函數(shù)，即X射線設備的X射線頻譜S(E)和檢測器靈敏度D(E)的組合。在此，X射線頻譜分布S(E)通常取決于所采用的X射線管的類型以及管電壓，以及必要時附加采用的濾波器。檢測器靈敏度D(E)是所采用的X射線檢測器的特性，其利用不同的效率來轉換X射線的頻譜成分，并由此進行不同加權。這些特定于設備的參數(shù)可以一次性地直接確定，也可以借助標準試樣的衰減值間接確定。當然，也可以由X射線設備的技術說明中的相應的X射線管類型和檢測器類型推倒出這些函數(shù)。
多幅數(shù)字X射線圖像不必相繼拍攝，例如利用不同的管電壓拍攝。由于每種X射線管發(fā)射具有一定寬度的X射線頻譜，因此，通過相應的頻譜選擇的所屬的檢測器的實現(xiàn)，也可以最大程度地或完全地同時拍攝不同的X射線圖像。在此例如可以采用多個分立的現(xiàn)有X射線檢測器陣列。在一種優(yōu)選實施方式中，采用選擇量子能量的X射線檢測器，其提供按照不同的頻譜范圍得出的衰減值。在此，X射線檢測器對X射線的不同頻譜范圍、即不同能量范圍進行測量。為此優(yōu)選地，對主能量頻譜均勻地劃分，例如，對包含30-140keV的主能量頻譜以30-40keV、40-50keV、...、130-140keV的間隔進行劃分。
通過分別在相同的幾何條件下拍攝檢查對象的感興趣區(qū)域的多幅數(shù)字X射線圖像，可以對每個表示相同位置的像素得到m個通常不同的衰減值μi(i＝1，...，m)。然后，對于至少一個這樣的像素，根據(jù)該像素對應的m個吸收值或衰減值，在考慮由頻譜裝置函數(shù)表示的m個不同的頻譜分布以及考慮n個元素和/或元素組合的已知頻譜吸收譜kj(E)的條件下，計算出n個元素和/或元素組合的濃度cj(j＝1，...，n)。為此利用了，測量的衰減值僅與濃度和已知的或預先確定的裝置函數(shù)有關。每種元素和/或元素組合的頻譜吸收譜k(E)可輕易地從文獻中得到。這里元素組合應理解為元素連接，例如水或塑料，身體的固定組合、如骨骼，或者各元素的公知混合物。在各種情況下，都采用該物質的吸收頻譜來確定檢查對象中的物質濃度。
因此，利用本發(fā)明的方法可以確定檢查對象內由X射線圖像中像素表示的特定位置的元素或元素組合的濃度。這里，采用簡單的X射線透視方法可以得到穿過檢查對象的、由像素表示的X射線路徑上的平均值。在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方式中，采用X射線CT設備拍攝數(shù)字X射線圖像，其中可以這種方式確定檢查對象的檢查區(qū)域內每個體素內的元素和/或元素組合的濃度。因此，通過分析多個像素和X射線截面圖像，可以獲得檢查對象內包含的化學元素或元素組合(如氫、碳或鐵)濃度的空間分布。在對作為檢查對象的人體進行檢查時，這些元素和/或元素組合所涉及的尤其是元素氮、碳、氧、氫和鈣。通過使用非元素化的吸收頻譜也可以這種方式空間分辨地確定元素組合(如水或骨骼)的濃度。當然，本發(fā)明的方法不僅可以用于醫(yī)療領域，也可以用于很多其它技術領域，如材料探測或安全技術領域。由此可確定各種檢查對象的相應元素和/或元素組合的濃度。
本發(fā)明的方法所賴于的基礎是，利用X射線吸收方法測量的元素的衰減系數(shù)μ取決于所采用的X射線設備的頻譜裝置函數(shù)(以下也稱為頻譜加權函數(shù)w(E))和該元素的吸收頻譜k(E)μ＝∫k(E)w(E)dE其中，加權函數(shù)w(E)由X射線頻譜S(E)和頻譜檢測器靈敏度D(E)(其中0＜D(E)＜1)以下述方式得出w(E)=S(E)D(E)∫S(E)D(E)dE.]]>在有n個不同的元素或元素組合的情況下，在測量利用不同頻譜分布獲得的m個衰減值μ時，該關系式可如下以矩陣的形式表示為 其中，Mij=∫EWi(E)kj(E)dE.]]>利用該關系式，可從測量數(shù)據(jù)中最多確定n≤m個元素濃度，其中，μi表示m個(i＝1至m)測量的衰減值，wi表示第i個頻譜測量頻道、即第i個頻譜分布的頻譜加權函數(shù)。kj(E)表示各化學元素或元素組合的在文獻中已知頻譜吸收譜。由所示出的矩陣形的公式中可求出各元素或元素組合的濃度cjcj=ΣimMij-1μi.]]>Mij-1是Mij的逆矩陣，其由X射線設備的裝置函數(shù)、即wi(E)計算出。在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方式中，基于該公式根據(jù)測得的局部衰減值μ來計算濃度。在此，可以這樣選擇各X射線圖像的相應于頻譜加權函數(shù)wi(E)的不同頻譜分布使矩陣Mij盡可能遠離奇點(detMij≠0)，從而能夠得到精確的且相對于數(shù)值誤差穩(wěn)定的反轉矩陣。這通過將待確定的元素的一個K邊包括在頻譜分布或能量間隔之一中來實現(xiàn)，因為頻譜的這一特性對矩陣Mij的可反轉性并由此對濃度確定的準確性有積極的影響。
實現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置以公知的方式包括至少一個用于發(fā)射X射線的X射線源，和多個與該X射線源相對設置的X射線檢測器，用于采集位于該X射線源和X射線檢測器之間的檢查對象的X射線衰減值，以及用于將X射線檢測器的電信號轉換為衰減值的分析單元，該分析單元的特征在于其包括一用于確定濃度的模塊，該模塊根據(jù)m個衰減值對多幅數(shù)字X射線圖像中表示檢查對象的至少一個區(qū)域的同一位置的至少一個像素，在考慮n個元素和/或元素組合的已知頻譜吸收譜kj(E)以及m個不同的X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)的條件下，計算n個元素和/或元素組合的濃度cj，其中，這些數(shù)字X射線圖像是利用m≥n的不同X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)在相同的幾何條件下拍攝的。
本發(fā)明的方法使得采用X射線CT設備尤其具有優(yōu)點，利用該設備可獲得檢查對象的空間分辨的圖像。通過結合計算機斷層造影采用本發(fā)明的方法，可以得到新型的關于檢查對象內化學元素和/或元素組合的空間濃度的三維信息?，F(xiàn)有的或將來的X射線吸收系統(tǒng)的頻譜分辨率的提高為許多應用帶來足夠的準確性。
以下結合附圖和本發(fā)明的實施方式進一步簡述本發(fā)明的方法和裝置，其中示出

圖1是本發(fā)明方法的一實施方式的流程圖；圖2是本發(fā)明裝置的結構的示意圖。
具體實施例方式
圖1示意地示出了本發(fā)明方法的一實施方式的流程圖。在該方法中，第一步驟1決定并確定所采用的X射線設備的裝置函數(shù)，在本例中為計算機斷層造影8的裝置函數(shù)。該裝置函數(shù)Wi(E)由X射線源發(fā)射的輸入強度S(E)的頻譜分布和頻譜檢測器靈敏度D(E)組成。對于各個X射線圖像的不同頻譜分布的產(chǎn)生，可以在頻譜范圍內劃分X射線管頻譜S(E)，或者劃分檢測器靈敏度D(E)。
在決定并確定了裝置函數(shù)Wi(E)之后，在步驟3計算逆矩陣Mij-1。為此，提供組成檢查對象的待檢查區(qū)域的元素和/或元素組合的已知吸收頻譜(步驟2)。對于人類檢查對象來說，這例如是元素氫、碳、氮、氧和鈣的吸收頻譜。
在計算出逆矩陣之后，在步驟4在同樣在這里示出的X射線計算機斷層造影裝置8中對檢查對象進行檢查，以便得到在在先確定的m個不同的裝置函數(shù)下記錄的m幅數(shù)字X射線圖像。
在步驟5，基于由檢測器獲得的原始數(shù)據(jù)實施計算機斷層造影所要求的圖像再現(xiàn)，其中，對于每幅X射線圖像產(chǎn)生坐標為x和y的橫向截面圖像中的衰減值分布μi(x，y)，其中，i＝1至m。
然后，在步驟6，由衰減值μi(x，y)對至少一個像素、即位置x0，y0由其衰減值μi(x0，y0)通過下式計算濃度cjcj=Σi=1mMij-1μi.]]>在本例中，對感興趣區(qū)域的所有像素和截面圖像進行該計算，從而得到構成檢查對象的元素或元素組合的空間濃度分布。在步驟7，將相應的計算出的濃度輸出到相應的顯示器上。這種輸出例如也可以以圖形顯示的形式給出，其中，顯示可以逐元素地進行，即對檢查對象的每種元素和每一層給出一幅圖像，該圖像顯示出在該區(qū)域內該元素的濃度分布。在另一種實施方式中，還可以交互地實現(xiàn)，其中，操作者以常規(guī)的方式在顯示器上觀察選出的橫截面圖像，并例如通過圖形用戶界面利用鼠標箭頭點擊該橫截面圖像中的圖像點或圖像區(qū)域，來觸發(fā)對關于該區(qū)域內確定的元素濃度的信息的顯示。
最后，圖2高度示意性地舉例示出了本發(fā)明裝置的結構。圖中可見具有旋轉檢測器系統(tǒng)9的X射線CT設備8。由X射線管10發(fā)出的扇形X射線束11從一定的角位置透射過檢查對象12，最終觸及到按行排列的分立的檢測器。一個拍攝周期包含多個這樣的在對檢查對象的不同角位置上的透射。由X射線檢測器9提供的電信號在分析單元13中被轉換為X射線衰減值。本例中，分析單元13包含用于確定濃度的模塊14，該模塊14根據(jù)m個衰減值對多幅數(shù)字X射線圖像中表示檢查對象的至少一個區(qū)域的同一位置的至少一個像素，在考慮n個元素和/或元素組合的已知頻譜吸收譜kj(E)以及m個不同的X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)的條件下，計算n個元素和/或元素組合的濃度cj，其中，這些數(shù)字X射線圖像是利用m≥n的不同X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)在相同的幾何條件下拍攝的。本例中，n個元素和/或元素組合的已知頻譜吸收譜kj(E)被存儲在存儲裝置15中，模塊14從存儲裝置15中調用它們。計算的結果顯示在連接的顯示器16上。
權利要求
1.一種位置分辨地確定檢查對象(11)內n個元素和/或元素組合的濃度的方法，該檢查對象(11)由這些元素和/或元素組合構成，其中，利用X射線設備(8)同時或相繼拍攝檢查對象(11)的至少一個區(qū)域的多幅數(shù)字X射線圖像，這些數(shù)字X射線圖像是利用m≥n的不同X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)在相同的幾何條件下拍攝的，以便獲得每個在X射線圖像中表示相同位置的像素的m個衰減值μi，以及根據(jù)m個衰減值μi，對至少一個像素，在考慮該n個元素和/或元素組合的已知頻譜吸收譜kj(E)以及m個不同的X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)的條件下，計算該n個元素和/或元素組合的濃度cj。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述n個元素和/或元素組合的濃度cj是根據(jù)下式計算出的cj=Σi=1mμiMij-1]]>其中，Mij=∫EWi(E)kj(E)dE,]]>以及wi是第i個頻譜分布的頻譜加權函數(shù)，由下式給出w(E)=S(E)D(E)∫ES(E)D(E)dE.]]>
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于，數(shù)字X射線圖像是利用檢測器靈敏度D(E)的m個頻譜分布拍攝的，這些頻譜分布表示對由X射線設備(8)發(fā)射的X射線頻譜至少接近于均勻的劃分。
4.根據(jù)權利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，這樣選擇所述頻譜分布，使得所述n個元素或元素組合之一的至少一個K邊落入這些頻譜分布之一。
5.根據(jù)權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，利用X射線CT設備(8)拍攝所述X射線圖像。
6.一種用于位置分辨地確定檢查對象(11)內n個元素和/或元素組合的濃度的裝置，其具有用于發(fā)射X射線的X射線源(10)，和多個與該X射線源(10)相對設置的、用于位置分辨地采集所觸及的X射線的X射線檢測器(9)，以及用于將X射線檢測器(9)的電信號轉換為衰減值的分析單元(13)，其特征在于，所述分析單元(13)包括一用于確定濃度的模塊(14)，該模塊根據(jù)m個衰減值對多幅數(shù)字X射線圖像中表示檢查對象(11)的至少一個區(qū)域的同一位置的至少一個像素，在考慮n個元素和/或元素組合的已知頻譜吸收譜kj(E)以及m個不同的X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)的條件下，計算n個元素和/或元素組合的濃度cj，其中，這些數(shù)字X射線圖像是利用m≥n的不同X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)在相同的幾何條件下拍攝的。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述模塊(14)實現(xiàn)根據(jù)權利要求2所述的用于計算濃度的公式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種位置分辨地確定檢查對象(11)內構成檢查對象(11)的n個元素和/或元素組合的濃度的方法，利用X射線設備(8)同時或相繼拍攝檢查對象(11)的至少一個區(qū)域的多幅數(shù)字X射線圖像，這些圖像是利用m≥n的不同X射線頻譜分布S(E)和/或檢測器靈敏度D(E)在相同幾何條件下拍攝的，以獲得每個在X射線圖像中表示相同位置的像素的m個衰減值μ
文檔編號G01N23/04GK1614400SQ20041009232
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月8日 優(yōu)先權日2003年11月7日
發(fā)明者比約恩·海斯曼 申請人:西門子公司