CN100374080C

CN100374080C - 用于截断补偿的方法和装置

Info

Publication number: CN100374080C
Application number: CNB2003101196143A
Authority: CN
Inventors: 谢强; 罗伯特·H·阿姆斯特朗; 彼得·J·阿杜尼; 罗伯特·F·森齐格
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2003-10-04
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2023-10-04
Also published as: US20040066911A1; IL158197A0; DE10345705A1; IL158197A; JP2004121853A; US6810102B2; NL1024447C2; NL1024447A1; CN1504960A

Abstract

一种方法包括使用完全采样视野(60)数据增加部分采样视野(76)数据。

Description

用于截断补偿的方法和装置

本申请要求2002年10月4日申请的、美国临时申请号为60/416,072的申请的权益。

技术领域

本发明一般涉及计算机断层扫描(CT)图象重建的方法和装置，尤其涉及用于截断(truncation)补偿方案的方法和装置。

背景技术

在一些扫描条件下，病人身体部分可能会超出检测器测量的范围，这样会导致出现图象伪影和成象物体的不完整显现。一些已知的减少伪影但对超出视野(FOV)的病人身体部分不进行成像的方法已被公开。然而，对超出视野(FOV)的病人身体部分进行成像是令人期待的。

发明内容

一方面，提供了一种方法。该方法包括利用完全采样视野数据来增强部分采样视野数据。

另一方面，提供了一成像装置。该成像装置包括一辐射源，一响应辐射并处于接收从辐射源发出的辐射线的位置的检测器，和一与辐射源和检测器可操作的连接在一起的计算机。计算机设置为可接收对物体进行计算机断层扫描所得的数据，这些数据包括完全采样视野数据和部分采样视野数据。计算机还被设置为可利用全面采样视野数据来增强接收到的部分采样视野数据，并且利用全面采样视野数据和增强的部分采样视野数据对物体进行图象重建。

又一方面，提供了一经程序编码的计算机可读媒体，该程序可指令计算机对部分采样视野数据进行增强并利用全面采样视野数据与增强的部分采样视野数据进行图象重建。

附图说明

图1是一CT成像系统实施例的示意图。

图2是图1所示系统的方框图。

图3示出了截断伪影。

图4显示了所有通道总积分衰减作为一胸部体模投射角的函数的图形。

图5是临床情况下的截断图。

图6是表示截断投射对总衰减的影响的图形。

图7是斜率和边界估算图。

图8是用于截断投射的配合水圆柱体的示图。

图9是一根据预期总衰减绘制的投射延伸的示图。

图10显示了多幅图象。

具体实施方式

这里提供了在计算机断层扫描系统中扩展视野的截断补偿方法和装置。如下面将进行更详细的解释，一方面，一种方法至少部分地基于平行采样几何学的性质，所有通道积分衰减总量与投射角度无关。将参考附图描述该装置和方法，其中在所有附图中相同的数字表示相同的部件。这些附图是用来进行描述而不是限定，这样有助于对本发明的装置和方法的实施例进行解释说明。

在一些已知的CT成像系统结构中，辐射源投射出一扇形束，该扇形束被校准为位于笛卡儿坐标系的X-Y平面内且一般称为“成像平面”。辐射束穿过被成像物体，例如一个病人。该辐射束在穿过该物体发生衰减后，照射到一个辐射检测器阵列上。检测器阵列接收到的衰减后的辐射束的强度依赖于穿过所述物体后辐射束的衰减程度。检测器阵列的每个元件产生一个单独的电信号，该电信号是在该检测器处的辐射束衰减的测量值。从所有检测器分别获得衰减测量值以产生一转换剖面。

在第三代CT系统中，辐射源和检测器阵列随着一位于成像平面内的机架并且环绕要成像物体旋转从而使得辐射束与物体相交的角度不断变化。在某一机架角度从检测器阵列所得的一组辐射衰减测量值，也即投射数据，称为一个“视图”。对物体的一次“扫描”包括在辐射源和检测器的一次旋转过程中在不同机架角度，或视角形成的一组视图。

在轴向扫描中，投射数据经过处理重建成一相当于通过物体获得的二维断层图象。一种利用一组投射数据重建图象的方法在本领域称作过滤反投影(filter back projectio)技术。该技术将来自扫描的衰减测量值转换成称为“CT值”或“豪恩斯弗尔德单位”的整数，其用于控制显示装置上相应象素的亮度。

为了减少总扫描时间，可执行一“螺旋”扫描。为了执行“螺旋”扫描，在获取指定断层数数据的同时移动病人。该系统通过扇形束螺旋扫描产生一单一螺旋。由扇形束绘制的螺旋产生投射数据，从该投射数据可以重建每个指定断层的图象。

在这里所使用的，每个叙述为单数形式和在其前面含有单词“一”或“一个”的元件或步骤，除非有明确的叙述，应当理解为不排除包括多个所述元件或步骤的含义。另外，参考本发明的“一个实施例”并不表示排除还存在可结合所叙述特征的其它实施例。

同样，在这里所使用的短语“重建图象”并不表示排除下述的本发明的实施例，即其产生一代表图象的数据而不是一可视的图象。因此，在这里使用的术语“图象”含义广泛，既指可视的图象也指代表可视图象的数据。然而，许多实施例产生(或设置为产生)至少一幅可视图象。

图1是一CT成像系统10的图示。图2是图1所示系统10的方框图。在示范性的实施例中，示出了包括代表“第三代”CT成像系统的机架12的计算机断层扫描(CT)成像系统10。机架12具有一辐射源14，其可向位于机架12对面的检测器阵列18发射一锥面X-光束16。

检测器阵列18由多个检测器列(未示出)组成，该检测器列包括多个检测器元件20，其共同检测穿过一物体，如一病人的投射X-射线束。每个检测器元件20产生一表示辐射束照射强度和由此所得的穿过物体或病人22的辐射束衰减的电信号。具有多断层检测器18的成像系统10能够提供一表示物体22容积的多个图象。该多个图象中的每一个相应于容积的一单独“断层”。断层的“厚度”或孔径依赖于检测器列的厚度。

在扫描中为了获得辐射投射数据，机架12和安装在其上的部件环绕一个旋转中心24旋转。图2仅示出了一列检测器元件20(即一个检测器列)。然而，多断层检测器阵列18包括多个检测器元件20组成的平行检测器列，由此在扫描过程中可以同时获得相当于多个准平行或平行的断层的投射数据。

机架12的旋转和辐射源14的运作由CT系统10的控制机构26支配。控制机构26包括一为辐射源14提供能量和定时信号的辐射控制器28和一控制机架12旋转速度和位置的机架电动机控制器30。控制机构26中的一数据接收系统(DAS)32从检测器元件20处采集模拟数据并将该数据转换为数字数据以备随后处理。一图象重建装置34接收从DAS采样并数字化的辐射数据并进行高速图象重建。重建后的图象作为输入送入计算机36，并通过计算机36存储在一大容量存储设备38中。

计算机36同时通过带有键盘的控制台40从操作人员处接收命令和扫描参数。操作人员通过一相关联的阴极射线管显示装置42观察从计算机36得到的重建图象和其它数据。操作人员给出的命令和参数经计算机36向DAS32、辐射控制器28和机架电动机控制器30提供控制信号和信息。此外，计算机36操纵一控制着电动床46的床电动机控制器44以将病人22安置在机架12中。特别的，床46移动病人22部分身体通过机架开口48。

在一个实施例中，计算机36包括一设备50，例如，一个软盘驱动器或CD-ROM驱动器，用来读取一计算机可读媒体52如软盘或CD-ROM上的指令和/或数据。在另一个实施例中，计算机36执行存储在固件(未示出)中的指令。一般的，在图2中所示的DAS 32，图象重建装置34和计算机36中的至少一个中的处理器按程序工作以执行以下过程。当然，该方法不仅可应用于CT系统10中还可以用于许多其它类型和种类的成像系统。在一个实施例中，计算机36已被程式化以完成上述功能，因此，如在此所使用的，术语计算机不仅限于本领域中所指计算机的那些集成电路，还广泛地指计算机、处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路和其它可编程电路。尽管这里所述的方法是应用于医疗装置中的，但可预期的，本发明可以有益于增进非医疗成像系统的功能，例如在工业或运输环境中典型应用的系统，如，但不限于，用于机场或其它运输中心的行李扫描CT系统。

在某些扫描条件下，病人22的身体部分超出了检测器18的测量范围，这将会导致出现图象伪影和被成像物体的不完整显现。X-射线管和检测器18在一绕病人孔径72旋转的框架上刚性的固定在一起。旋转过程中，在一“完全采样视野”60范围内持续测量。穿过位于完全采样视野76之外的物体22任一区域的X-射线的衰减在一个限定的旋转角度范围内测量，这一区域称为“部分采样视野”区域。换句话说，处于完全采样视野76中的身体部分位于扇形束16内因而在全部机架角度可以得到测量，所收集的数据定义为完全采样视野数据。然而，某些部分在某些角度位于扇形束16内而在其它角度位于扇形束16外，从这些部分所收集的数据定义为部分采样视野数据。

一些可使伪影减小而不对超出视野(FOV)病人部分进行成像的已知方法已被公开。然而，对超出FOV的病人部分进行成像是被期待的。这在许多领域包括肿瘤学、自旋血管造影术、熔合成像系统和经济(In Economy)CT扫描仪中都非常有益处。当前的已知多断层CT扫描仪的硬件将重建视野(FOV)范围限制在约50厘米(cm.)。尽管这在大部分临床应用中已经足够，但扩展视野以对位于这个视野(FOV)以外的物体进行成像仍是被期待的。这在例如肿瘤学或CT/PET中的应用具有显著的优越性。对肿瘤学来说，期望较大的FOV。这主要应归于这样的事实，对于辐射治疗计划，病人的四肢经常位于扫描视野(FOV)之外从而可使肿瘤处于一较好位置。已知的CT重建算法忽略了截断投射且产生了具有严重伪影的图象。这些伪影可能会影响治疗计划中对衰减路径计算的精确性。图3示出了一个体模(phantom)实例。对于熔合成像系统例如CT/PET(计算机断层扫描/正电子发射断层扫描)，PET系统的视野(FOV)可能与现有的CT设计不匹配。具有一个与CT和其它成像系统、CT/PET、CT/NUC(CT/原子核)或CT/MR(CT/磁共振)相一致匹配的视野(FOV)是被期待的。这种修正可以用来调整视野(FOV)使之相匹配。对于PET这可使其获得较好的衰减修正。这里叙述的是通过一种算法逼近来增加超出由于检测器硬件所限的视野(FOV)的重建视野。这种修正算法可应用于多种重建算法包括，但不限于，全扫描、半扫面/分段、螺旋扫描、基于心脏分段(cardiac sector)的算法。另外，系统10设置为使用这里所述的算法。

图4示出了用于胸部体模扫描的作为带有平行辐射束采样几何形状的投射角度的函数而绘制的总衰减量。注意其曲线几乎是一水平线。然而，这种特性在扇形束采样几何形状中是不存在的。当被扫描物体位于扫描视野(FOV)之外，这种特性不再有效。这种不足的量等于超出投射视野的物体部分。几乎在所有的临床病例中，仅在投射角的一部分出现投射截断，如图5所示。在这个例子中，在3点钟位置的投射没有截断而在12点钟的投射严重地截断了。因此，可以通过未截断投射(即例如图5中3点钟周围的位置)来估算截断视图的截断量(例如图5中12点钟周围的位置)。在修正过程中的先期步骤是通过软件在投射的预处理过程中将扇形束重变换为平行束。在一个实施例中，这个先期步骤就是操作的第一步。该处理在现有技术中是公知的并不需要特殊的数据采集。一旦重变换结束，对所有检测器通道的投射进行积分得到总衰减曲线，如图6所示。注意总衰减曲线的倾角与截断视图相对应。曲线的水平部分对应于物体没有截断的视图。一旦估算出位于视野(FOV)之外的物体总量，下一步就是估算投射损失的分布。为了达到这个目的，在一个实施例中，首先计算图7所示截断投射的边界数据，如下面方程1所示的p_l和p_r。为了降低噪声，在一个实施例中，使用采样数m的平均值。根据经验m＝3对降低噪声有益。在另一个实施例中，m大于1且小于5。

方程1：

p_{l} = \frac{1}{m} Σ_{i = 1}^{m} p (i, k)

和

p_{r} = \frac{1}{m} Σ_{i = 1}^{m} p (N - i, k)

其中N是检测器通道数，k是投射视图指数。另外，在一实施例中，靠近两末端的斜率s_l和s_r也被估算出。通过一阶多项式在末端拟和n个采样得到该斜率估算。根据经验n＝5是有益的。在一个实施例中，n大于2且小于8。在另一个实施例中，n大于3且小于7。

为了进一步提高估算的可靠性，还可使用从相邻检测器列得到的投射。由于人体解剖结构在小范围(几个毫米)内一般变化很小，从相邻列获得的边界采样和斜率估算一般差异不大。因此，估算参数(p_l，p_r，s_l和s_r)可以是从几个检测器列所计算得到数值的加权平均值。基于边界和斜率信息，可以估算出一最适合截断投射的水圆柱体的位置和大小。如果我们水的衰减系数表示为μ_w，圆柱体的半径为R，到圆柱体中心的距离为X，投射值p(x)，以及斜率p’(x)，可以由下面的方程描述。

方程2：

p (x) = 2 μ_{w} \sqrt{R^{2} - x^{2}}

和

p^{'} (x) = \frac{- 2 μ_{w} x}{\sqrt{R^{2} - x^{2}}}

我们在截断投射边界对p(x)和p’(x)都进行计算，目的在于估算R和x从而得到附加于投射损失的圆柱体的大小和位置。估算这些参数的公式可以下述方程描述：

方程3：

x_{1} = \frac{- (s_{l}) (p_{l})}{4 {μ_{w}}^{2}}

和

R_{1} = \sqrt{\frac{{p_{l}}^{2}}{4 {μ_{w}}^{2}} + {x_{l}}^{2}}

方程4：

x_{1} = \frac{- (s_{r}) (p_{r})}{4 {μ_{w}}^{2}}

和

R_{1} = \sqrt{\frac{{p_{r}}^{2}}{4 {μ_{w}}^{2}} + {x_{r}}^{2}}

上面的变量代表需从截断物体延伸的圆柱物体的估算位置和大小。一旦这些参数确定，通过方程(2)即可计算出延伸的投射值。上述过程如图8所示。

在这个例子中，为了简明使用了一圆柱状充水体模。在现实中，其它物体形状，例如椭圆柱，也可以用来增加适应性。如果知道被扫描物体特性的先验信息，当然可以在选择附加物体的形状和材料时参考该信息。在估算投射损失数据时可以使用迭代法。

在该投射两个末端的估算圆柱体并不能总是恢复整个投射的衰减总量，这是因为这些物体是根据斜率和边界采样独自确定的。没有使用任何从总衰减曲线(图6)导出的信息。为了确保对衰减总量损失的适当补偿，左边的衰减分布T_l相对于右边的衰减分布T_r是基于p_l和p_r的大小确定的。

T_{l} = \frac{p_{l} T}{p_{l} + p_{r}}

和

T_{r} = \frac{p_{r} T}{p_{l} + p_{r}}

其中T是根据图6确定的衰减损失的总量。另外，如果在延伸曲线下的衰减量不足以补偿衰减损失，估算出的投射被伸展以弥补衰减的不足，如图9所示。另一方面，如果在延伸曲线下的衰减数量超出了衰减损失，估算出的投射通过一类似的方式进行压缩。在一个实施例中，计算过程如下。首先计算超出伸展投射曲线(图9中所示的阴影区域)之下面积的预期总衰减(如方程(5)所示)的比率。如果该比率大于一，x轴按该比率缩放从而使得初始估算投射(图9中所示的虚线)进一步扩展(图9中所示的粗实线)。类似的，如果比率远小于一，x轴的扩展投射可以被压缩。

图10所示的是未经修正和已经修正的重建体模图象的例子。以轴向扫描模式用4×1.25mm检测器配置对一肩部体模进行扫描。一个15厘米塑料体模以这种方式连接在该肩部体模上，使得该塑料体模的边缘靠近65cm视野的边界。截断物体几乎完全被覆盖。注意图10(a)是未经截断修正(目前产品所限)的具有50cm视野的重建图象，图10(b)是经过在此所述的修正后的具有65cm视野的重建图象。作为参考，图10(c)示出了部分截断的体模。

尽管上述系统和方法仅仅使用了衰减总量守恒、边界采样的数量和斜率来估算损失投射分布，但还可以使用另外的信息来估算。例如，可以应用断层X光摄影装置的Helgason-Ludwig条件(HL条件)以进一步改进上述技术。另外，可以采用不同的阈值以确保该算法在错误测量条件下适当地运行。例如，可以对图9所示伸展比率设置上限和下限以防止由于不可靠测量而增加错误的情况。另外，s_l和s_r的斜率计算值可设置为落在一合理的范围。如果已知被扫描物体的特性与水显著不同，可以使用已知材料(代替水)的衰减系数进行方程(3)和(4)所示的大小和位置的计算。

由于内插数据与位于完全采样视野内的数据具有不同的图象质量，对视野变为外插处的图象进行标记是有益的。在一个实施例中，提供了一在代表完全采样视野数据和部分采样视野数据之间的区域的重建图象的草图。图10(d)示出了边界用一虚线进行标记。也可以用一个色码或CT值的移动来标记。由于标记可能会影响图象数据的观察效率，因此提供了一个简单的方式来打开和关闭标记。系统10的使用者可以打开或关闭标记。

尽管已通过大量具体实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员可以认识到本发明可采用权利要求书精神和范围内的改进来实现。

部件列表

10	CT成像系统
10	CT成像系统	12	机架
14	辐射源	12	机架
14	辐射源	16	辐射束
18	探测器列	16	辐射束
18	探测器列	20	多个探测器元件
22	物体	20	多个探测器元件
22	物体	24	旋转中心
26	控制机构	24	旋转中心
26	控制机构	28	辐射控制器
30	机架电动机控制器	28	辐射控制器
30	机架电动机控制器	32	数据接收系统(DAS)
34	图象重建装置	32	数据接收系统(DAS)
34	图象重建装置	36	计算机
38	存储设备	36	计算机
38	存储设备	40	控制台
42	显示设备	40	控制台
42	显示设备	44	工作台电动机控制器
46	机动工作台	44	工作台电动机控制器
46	机动工作台	48	机架开口
50	设备	48	机架开口
50	设备	52	计算机可读媒体
60	完全采样视野	52	计算机可读媒体
60	完全采样视野	72	病人孔径
76	位于完全采样视野之外的物体部分	72	病人孔径

Claims

1.一成像装置(10)，包括：

一辐射源(14)；

一响应辐射的检测器(18)，定位于接收所述辐射源所发出的辐射的位置；和

一可操作的与所述辐射源和所述检测器连接在一起的计算机(36)，所述计算机被设定为：

接收一来自物体CT扫描的数据，该数据包括完全采样视野(60)数据和部分采样视野(76)数据；

利用完全采样视野数据增加接收到的部分采样视野数据；和

利用完全采样视野数据和增加的部分采样视野数据重建物体图象，

其中所述计算机(36)进一步设定为可估算损失投射数据的分布，并根据下面的公式，计算部分采样视野(76)数据的边界参数p₁和p_r，

p_{1} = \frac{1}{m} Σ_{i = 1}^{m} p (i, k)

和

p_{r} = \frac{1}{m} Σ_{i = 1}^{m} p (N - i, k)

其中m是所用的采样数，N是检测器通道数，k是投射视图指数。

2.根据权利要求1的装置(10)，其中所述计算机(36)进一步设定为利用从相邻检测器列获得的投射数据估算损失投射数据的分布。

3.根据权利要求1的装置(10)，其中所述计算机(36)进一步设定为可在接近多个截断点处利用一阶多项式拟合n个采样来计算斜率s₁和s_r。

4.根据权利要求3的装置(10)，其中所述计算机(36)进一步设定为可利用由多个检测器列所算出的数值的加权平均值来估算斜率s₁和s_r。

5.根据权利要求1的装置(10)，其中所述计算机(36)进一步设定为对物体进行扫描以从围绕物体的多个旋转角度得到扇形束检测器数据；并且将扇形束检测器数据重排序为具有跨越视野的平行传输路径的数据组。

6.根据权利要求5的装置(10)，其中所述计算机(36)进一步设定为对每个平行路径的数据组求和以得到每个路径的路径衰减值。

7.根据权利要求6的装置(10)，其中所述的计算机(36)进一步设定为可应用最大衰减路径来估算物体的总积分衰减。

8.根据权利要求1的装置(10)，其中所述的计算机(36)进一步设定为

可提供一在代表完全采样视野(60)区域和代表部分采样(76)区域之间作出标记的重建图象。

9.一种成像方法，其使用一成像装置，该成像装置包括一辐射源(14)；一响应辐射的检测器(18)，定位于接收所述辐射源所发出的辐射的位置；和一可操作的与所述辐射源和所述检测器连接在一起的计算机(36)，所述成像方法包括：

利用完全采样视野数据增加接收到的部分采样视野数据；和

p_{1} = \frac{1}{m} Σ_{i = 1}^{m} p (i, k)

和

p_{r} = \frac{1}{m} Σ_{i = 1}^{m} p (N - i, k)

10.根据权利要求9的成像方法，其中进一步包括：

利用从相邻检测器列获得的投射数据估算损失投射数据的分布。

11.根据权利要求9的成像方法，其中进一步包括：

提供一在代表完全采样视野(60)区域和代表部分采样(76)区域之间作出标记的重建图象。