CN101036164A - 采用与体素相关插值的图像重建 - Google Patents

Abstract

一种射线成像装置，包括辐射检测器(16)和将非平行辐射束投射进视场(14)的辐射源(12)。基于体素(ν)在视场(14)中相对于辐射检测器(16)和辐射源(12)的位置，校正每个体素(ν)投射到检测器(16)上的覆盖区。在从体素(ν)的中心点(82)到每个相邻冗余投影的中心的部分距离frac的基础上，进一步结合来自基本上平行的冗余投影的作用。

Description

采用与体素相关插值的图像重建

技术领域

本发明涉及诊断成像技术。其特别应用于对患者进行计算机断层成像，并将特别参照此来描述本发明。然而，其还应用于其它类型的计算机断层摄影成像、单光子发射计算机断层照相术(SPECT)、正电子发射断层摄影术(PET)、三维x射线成像等等。

背景技术

通常，计算机断层摄影系统典型地包括投射锥形或楔形辐射束的x射线源和两维x射线检测器，x射线源和x射线检测器围绕待检测目标一起旋转。以x射线源的发散x射线束在不同方向上辐照目标。x射线检测器在这些相应方向上接收经过目标的x射线并形成不同方向的衰减剖面。该衰减剖面代表沿着在不同方向经过目标的x射线路径吸收x射线所造成的入射x射线在目标中的衰减。

典型地，在CT图像重建过程中，对于每个待重建的体素，对沿着经过该体素的射线接收辐射的检测元件取样。如果多于一个的检测元件接收经过体素的射线，那么在检测元件之间进行与体素无关的插值。但是，与体素无关的插值一定程度上存在问题。以处于同一射线的两个体素为例，一个距辐射源较近，另一个距辐射源较远(距检测器较近)。在向前的投影中，该两个体素在测量期间因为该两个位置射线密度不同而对检测元件处的测量值的作用不同。但在逆投影中，因为检测器上的插值是与体素无关，所以逆投影值对两个体素相同。特别地，就非平行辐射束的几何形状来说，取样射线的中心与每个体素的中心不重合。逆投影不适合数据采集模型。这会产生重建图像中的伪影。

本发明期望提供克服上述局限及其它局限的改进的装置和方法。

根据本申请的一方面，公开一种重建投影数据的射线成像装置。一个装置对投影数据进行与体素相关的插值。一个装置三维地逆投影插值后的投影数据。

根据本申请另一方面，公开一种重建投影数据的射线成像方法。对投影数据进行与体素相关的插值。三维地逆投影插值后的投影数据。

本申请的一个优点在于对每个体素应用动态插值核。

另一个优点在于降低了混叠。

另一个优点在于对从基本上相同视图投影的多条射线加权而一个体素接一个体素地交错。

另一个优点在于分辨率提高。

而另一个优点在于图像伪影减少。

本领域技术人员在阅读下面对优选实施例的详细说明后，将清楚多种其它的优点和益处。

附图说明

本发明具体为各种组件和组件布置，及各种过程操作和过程操作布置。附图仅仅是为了解释优选实施例而不应当理解为限制本发明。

图1是计算机断层成像系统的示意图；

图2图示了投影至检测器的第一体素；

图3图示了投影至检测器的第二体素；

图4是一部分计算机断层摄影系统的示意图；

图5图示了沿O_z方向观察并横穿O_u方向的双焦点调制。

图6图示了由两个基本上平行的π对横穿的体素。

具体实施方式

参照图1，计算机断层摄影扫描装置10容纳或支撑辐射源12，辐射源在一个实施例中为x射线管，并将辐射束投射进扫描装置10限定的检测区14。辐射束经过检测区14后，由辐射检测器阵列16来检测，该阵列包括检测元件或像素18的阵列并且设置为在辐射束经过检测区14后对该辐射束进行检测。优选将检测元件18布置为矩形的像素矩阵。在典型的辐射源12的x射线管实施例中，x射线管生成具有锥形束、楔形束或其它束形状的发散x射线束，该x射线束在经过检测区14时扩大以基本上填充辐射检测器阵列16的区域。

将成像对象放在把成像对象送进检测区14的床20或其它支撑物上。该床沿着在图1中以Z方向表示的轴向Oz线性移动。辐射源12和辐射检测器16相对于旋转台架22上的检测区14相对地设置，从而台架22的旋转带动辐射源12关于检测区14旋转以提供视图的角度范围。因为每个检测元件检测对应于沿着从辐射源向检测元件延伸的线、射线、窄圆锥、或其它基本线性投影取衰减线积分的信号，所以采集的数据是指投影数据。图1中将辐射检测器16设置在旋转台架22上；然而，还考虑以设置在固定台架24周围的两维x射线检测元件带替换x射线检测器阵列16。

一个实施例中，旋转台架22旋转而床20固定时采集轴向投影数据集。该轴向投影数据集包括多个与横穿轴向或Z向的检测元件行或列对应的轴向层。可选择地，通过执行重复轴向扫描和在每次轴向扫描之间移动床20而采集另外的轴向层。

另一个实施例中，通过随着床20连续线性的运动同时旋转台架22以产生辐射源12围绕床20上面的成像对象的螺旋轨道而采集螺旋投影数据集。

典型地，在扫描期间，成像对象吸收经过每个投影的部分辐射以产生通常空间变化的辐射衰减。辐射检测器阵列16的检测器元件取样跨过辐射束的辐射强度以产生辐射吸收投影数据。当台架22旋转从而辐射源12关于检测区14旋转时，获得投影数据的多个角视图，共同限定储存在缓冲存储器26中的投影数据集。

对于多层扫描装置中的源聚焦采集几何形式，储存在缓冲存储器26中的衰减线积分的读数或者投影数据集的投影可以用参数表示为P(α，β，n)，这里α是由旋转台架22的位置决定的辐射源12的源角，β是扇形中的角(β∈[-Φ/2，Φ/2]，这里Φ是扇形角)，而n为O_z方向上的检测器行数。

重建处理器30应用过滤逆投影、反复重建、或者另一种图像重建技术以将投影数据集重建成一个或多个储存在重建图像存储器32中的重建图像。该重建图像由视频处理器34处理并且显示在用户界面36上，或者以别的方式处理或利用重建图像。一个实施例中，用户界面36也使得放射学家、技师、或其它操作人员能够与计算机断层摄影扫描装置控制器38交互以执行选择的轴向、螺旋、或其它计算机断层成像任务。

参照图2和3，第一体素v₁和第二体素v₂投射到检测器阵列16上相同的位置。每一次投射产生取决于视场(FOV)中体素v₁、v₂位置的不同覆盖区。由图2可以看出，第一体素v₁比第二体素v₂距离检测器阵列16更近，并在检测器阵列16上生成更小的覆盖区，同时第一体素v₁与大约九个像素或检器测元件18交叉。由图3可以看出，第二体素v₂比第一体素v₁距离检测器阵列16更远，并在大约三十个像素18的检测器阵列16上生成更大的覆盖区。例如，因为FOV中射线密度的变化，距离检测器16较远的体素产生较大的覆盖区；距离检测器16较近的体素产生较小的覆盖区。由图2和3可以看出，因为射线密度的变化，体素v₁、v₂对测量的贡献作用不同，如下面更详细的讨论在重建步骤中考虑这一点以减少伪影。

继续参照图1-3并进一步参照图4，覆盖区装置48校正检测器阵列16上的体素v覆盖区以解决射线密度变化，从而只对位于校正后的覆盖区下的像素18进行插值。更具体地，基函数装置50为每个体素v在检测器16上投射预先指定的基函数。一般地，可通过对以网格点x_i设置在网格上的基函数b(x)和系数c_i求和而近似扫描目标的连续μ值分布f′(x)：

$f^{\′}\left(x\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{c}_{i}b(x-x_i)$

这里c_i是图像表示的系数集合；

b(x)是单元体素基函数。

优选地，基函数是球面对称且连续的基函数，例如Kaiser-Bessel函数，该函数将体素v投射进检测器16上的球面对称斑点。球面体素的旋转对称允许有效计算图像表示的投影。但是，还考虑基函数可以是投射椭圆、立方体、或其它任何合适的几何形状的体素的其它任何合适的函数。

定标装置52以射线密度比率确定投影比例。一般地，对每个体素v，该斑点在检测器16上的覆盖区的大小在横穿轴向O_x的平面中以第一射线密度比率因数s_xy和在与轴向O_z平行的平面中以第二射线密度比率因数s_z确定比例：

s_xy＝d_d，xy/d_v，xy

s_z＝d_d，z/d_v，z

这里，d_v，xy，d_v，z是体素位置上的射线密度，d_d，xy是在横穿轴向O_z的平面中的检测器16上的射线密度，而d_d，z是与轴向O_z平行的平面中的检测器16上的射线密度。

一个实施例中，将锥形束的几何形状与焦点居中检测器一起使用，光子速率密度随着检测器16距源12的距离和体素v距源12的距离变化。定标装置52将第一比率因数s_xy用于横穿轴向O_z的平面中的斑点覆盖区，其如下进行计算：

s_xy＝R_d/R_v

这里R_d是从检测器16到源12的距离，R_v是从体素v到源12的距离。

定标装置52将第二比率因数s_z用于与轴向O₂平行的平面中的斑点覆盖区，其如下进行计算：

s_z＝s_xy/cos(γ)

这里s_xy是用在台架的平面中的第一比率因子；并且γ是横穿轴向O_z的平面与从源12指向体素v的向量之间的角。

斑点修正装置54改变斑点的覆盖区，F(u，w)，这里u和w分别是横穿轴向O_z的平面和平行于轴向O₂的平面中的检测器16上的坐标。修正的斑点覆盖区以F(u*s_xy，w*s_z)表示。修正的覆盖区提供了检测器16上与数据采集模型紧密配合的插值核56。例如，对处于修正覆盖区下面的像素18进行插值。校正的修正覆盖区或者校正的投影数据储存在校正投影数据存储器58中。

具有与体素相关的定标的斑点覆盖区的重建图像和与体素无关的重建图像相比伪影更少。

继续参照图1和4并进一步参照图5，交错装置或过程60基于插值加权因数结合来自基本上平行的冗余射线的贡献。优选地，重排(rebinning)处理器将从锥形到平行束形的校正投影数据重排成一组平行视图。每个视图包括等距π线，这里π线定义为在轴平面即与旋转轴垂直并且与扫描FOV交叉的平面中包含的线积分。重排可以表示为P(α，β，n)→P(θ，1，n)，这里θ表示投影数，该投影数由以代表在读数与等角点之间距离的1表示的并行读数组成，而n是检测器行数。重排并行射线投影数据集P(θ，1，n)储存在重排数据存储器64中。

当多于一个的π对或者冗余射线或者冗余π对或者起作用的投影66，68以相同角度θ但在稍微不同的位置70，72与体素v交叉时，可以交错冗余射线66，68以提高分辨率。冗余被用来暗示与给定体素交叉的通常平行的射线。冗余射线可以从相反方向横穿体素或者彼此稍微偏移。优选地，π对分组装置74将冗余π对分组在一起以获得最大交错。分组的π对储存在冗余π对存储器76中。

继续参照图4-5并且进一步参照图6，部分距离确定装置80计算从体素v的中心点82到每个冗余相邻射线66，68的中心的部分距离fracd1，d2。如果体素v不在两个投影之间，例如投影66，68几乎不接触体素v，那么部分距离d1，d2的每一个都等于1/2。这样的位置是最不优选的位置并且具备最低的插值加权因数。如果体素中心82直接位于投影射线66，68的其中一个上，那么部分距离d1，d2的其中一个为0。对于这样的投影，给出最大的插值加权因数。例如，离体素中心82最近的射线占比重较大；几乎不接触体素v的射线占比重较小。

交错因数确定装置84对每组冗余π对66，68确定交错因数I_f。提前确定交错因数I_f以在给定体素v的逆投影期间修正插值射线的权重，以获得最有效的交错。例如，如果选取交错因数I_f等于0，那么没有交错加权而使用正常插值。如果选取交错因数I_f小于1，那么若没有冗余π对或者交错射线，则投影输出值P_out回复到正常插值。当值I_f接近于1时，主要使用交错射线来计算投影输出值P_out。一般地，选取插值因数值I_f小于1以避免当插值射线恰好位于中点位置时的异常。优选地，插值因数值I_f小于[1-(最小非零W_t)]以避免正常化中的异常。可在μ(I_uf)和/或w(I_wf)方向上限定交错因数I_f。可选择地，交错因数值I_f从一个视图到另一个视图改变。

插值加权因数装置86为每个起作用的投影66，68生成插值加权因数W_t：

W_t＝a|5-frac|+b，

这里，frac是‘x’方向上插值指数的小数部分；

a＝2·I_f；

b＝1-I_f；并且

I_f是插值因数。

正常化装置90通过对起作用的投影66，68的所有权重求和而使对体素v的计算的作用正常化，该相加采用和现有技术所熟知的重建过程30中的正常化其它权重相同的方法：

P_out＝(W_t·W_o·P)/∑(W_t·W_o)，

这里P_out是投影输出值；

W_t是插值加权因数；

W_o代表所有权重；和

P是u-维插值采用值frac的插值投影值。

逆投影仪92将正常化投影输出P_out逆投影进入重建图像存储器32中。

再次参照图1并进一步参照图4-5，交错过程60在成像系统中结合冗余射线66，68的作用，该成像系统具有本领域公知的双焦点调制(DFS)。DFS用于借助O_w方向上辐射源12的双焦点调制而获得O_w方向(垂直于轴向O_z的方向)上的较高取样速率。焦点在辐射源12的阳极102的斜面100上的两个位置FS1和FS2之间转移。子午面104上的填充圆表示使用焦点FS1获得的样品，而子午面104上的断开正方形表示使用焦点FS2获得的样品。当然，也考虑其它多焦点调制。

重排处理器62将两个调制焦点FS1，FS2的投影66，68重排成平行束形状。π对分组装置74将冗余π对分组在一起以获得最大交错。部分距离确定装置80计算从体素v的中心点82到每个冗余相邻射线66，68的部分距离frac d1，d2。交错因数确定装置84对每组冗余π对66，68确定交错因数I_f。

插值加权因数装置86为每个起作用的投影66，68生成插值加权因数W_t：

W_t＝a|5-frac|+b，

这里，frac是‘x’方向上的插值指数的小数部分；

a＝2·I_f；

b＝1-I_f；和

I_f是插值因数。

当然，还考虑类似结合来自180°视图的射线。例如基于到体素的部分距离加权四条射线并正常化权重的总和。

正常化装置90通过对起作用的投影66，68的所有权重求和而使对体素v的计算作用正常化：

P_out＝(W_t·W_o·P)/∑(W_t·W_o)，

这里P_out是投影输出值；

W_t是插值加权因数；

W_o代表所有其它权重；和

P是u-维插值采用值frac的插值投影值。

逆投影仪92将正常化的投影输出P_out逆投影进入重建图像存储器32中。

应当理解，为受益于重建过程30中的交错过程60，投影样品应该距离其初始固有形状取样位置和方向(U和W中)尽可能的近。例如，U方向上的重排优选将初始样品位置保持在扫描中心附近，即dU＝Sdα与扫描中心附近的射线匹配(dα是采集投影中射线的初始角间距)。同样，在W方向上进行的重排优选将初始样品位置保持在锥形中心附近。

已经参照优选实施例描述了本发明。明显地，在阅读和理解前面的详细描述后其他人可以进行修正和变更。期望的是，将本发明理解为包括所有这些落入附加权利要求或其等价物范围内的修正和变更。

Claims (24)

1.一种用于重建投影数据的射线成像装置，包括：

用于对投影数据进行与体素相关的插值的装置(30)；和

用于三维地逆投影该插值后的投影数据的装置(92)。

2.如权利要求1所述的装置，还包括：

辐射检测器(16)；以及

辐射源(12)，其将非平行辐射束投射到视场(14)，其中插值装置(30)包括：

装置(48)，其用于基于体素(v)在视场(14)中相对于辐射检测器(16)和辐射源(12)的位置，校正每个体素(v)投射到检测器(16)上的覆盖区。

3.如权利要求2所述的装置，其中覆盖区校正装置(48)包括：

基函数装置(50)，用于将预先指定的基函数投影到检测器(16)上。

4.如权利要求3所述的装置，其中覆盖区校正装置(48)还包括：

装置(52)，其用于沿着横穿轴向(O_z)的平面以第一射线密度比率因数s_xy＝d_d，xy/d_v，xy和沿着与轴向(O_z)平行的平面以第二射线密度比率因数s_z＝d_d，z/d_v，z来确定投影体素(v)的覆盖区的比例，这里，d_v，xy，d_v，z是视场中体素(v)的位置处的射线密度，d_d，xy是在横穿轴向(O_z)的平面中的检测器(16)上的射线密度，而d_d，z是与轴向(O_z)平行的平面中的检测器(16)上的射线密度。

5.如权利要求3所述的装置，其中覆盖区校正装置(48)还包括：

定标装置(52)，其用于沿着横穿轴向(O_z)的平面以第一射线密度比率因数s_xy＝R_d/R_v确定投影体素(v)的覆盖区的比例，这里R_d是检测器(16)距源(12)的距离，而R_v是体素(v)距源(12)的距离；以及沿着与轴向(Oz)平行的平面以第二射线密度比率因数s_z＝s_xy/cos(γ)确定投影体素(v)的覆盖区的比例，这里γ是横穿轴向(O_z)的平面与从源(12)指向体素(v)的向量之间的角。

6.如权利要求5所述的装置，其中覆盖区校正装置(48)还包括：

装置(54)，其用于修正投影体素(v)的覆盖区以将检测器(16)上的体素(v)的覆盖区的坐标(u，w)变换为坐标(u*s_xy，w*s_x)，这里u和w分别是横穿轴向(O_z)的平面和平行于轴向(O_z)的平面中的检测器(16)上的投影体素(v)的覆盖区的坐标。

7.如权利要求3所述的装置，还包括：

装置(80)，其用于确定从体素(v)的中心点到每个相邻冗余投影的中心的部分距离frac；

装置(84)，其用于至少在部分距离frac的基础上确定交错因数I_f；和

装置(86)，其用于为每个冗余投影计算插值加权因数。

8.如权利要求1所述的装置，还包括：

装置(60)，用于结合来自基本上平行的冗余投影的作用。

9.如权利要求8所述的装置，其中结合装置(60)包括：

装置(80)，用于确定从体素(v)的中心点到每个相邻冗余投影的中心的部分距离frac。

10.如权利要求10所述的装置，其中结合装置(60)还包括：

装置(84)，用于至少在部分距离frac的基础上确定交错因数I_f；和

装置(86)，用于为每个冗余投影计算插值加权因数W_t＝a|5-frac|+b，这里，frac是横穿轴向(O_z)的方向上的部分距离，a＝2·I_f，b＝1-I_f，这里I_f是确定的插值因数。

11.如权利要求10所述的装置，还包括：

装置(90)，用于通过对冗余投影的所有权重求和而使计算的插值加权因数正常化，P_out＝(W_t·W_o·P)/∑(W_t·W_o)，这里P_out是投影输出值，W_t是插值加权因数，W_o代表所有其它权重，和P是插值投影值。

12.如权利要求11所述的装置，还包括：

辐射源(12)，其提供增加横穿轴向(O_z)的取样速率的焦点调制，其中该焦点调制生成至少两个基本上平行并且有效交错以增加沿轴向(O_z)的分辨率的投影，

13.如权利要求10所述的装置，还包括：

台架(22)，在其上面设置有辐射源(12)，该台架(22)在采集投影数据集的期间围绕相关联的成像对象旋转辐射源(12)，从而该投影数据集包括相应的角度间隔为180°的反向投影；和

重排处理器(72)，其将投影数据集重排成平行投影视图，其中结合装置(60)结合来自180°冗余投影的作用。

14.一种用于重建投影数据的射线成像方法，包括：

对投影进行与体素相关的插值；以及

三维地逆投影该插值后的投影数据。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：

将预先指定的基函数投影到检测器(16)上；以及

基于体素(v)在视场中相对于辐射检测器和辐射源的位置，校正每个投影体素(v)的覆盖区。

16.如权利要求15所述的方法，其中基函数是下面之一：

将体素(v)投影成体素(v)的球面对称的覆盖区的球面连续基函数；

Kaiser-Bessel函数；和

高斯函数。

17.如权利要求15所述的方法，其中校正覆盖区的步骤包括：

沿着横穿轴向(O_z)的平面以第一射线密度比率因数s_xy＝d_d，xy/d_v，xy和沿着与轴向(O_z)平行的平面以第二射线密度比率因数s_z＝d_d，z/d_v，z来确定投影体素(v)的覆盖区的比例，这里，d_v，xy，d_v，z是视场中体素(v)的位置的射线密度，d_d，xy是在横穿轴向(O_z)的平面中的检测器(16)上的射线密度，而d_d，z是与轴向(O_z)平行的平面中的检测器(16)上的射线密度。

18.如权利要求15所述的方法，其中校正覆盖区的步骤包括：

沿着横穿轴向(O_z)的平面以第一射线密度比率因数s_xy＝R_d/R_v确定投影体素(v)的覆盖区的比例，这里R_d是检测器(16)距源(12)的距离，而R_v是体素(v)距源(12)的距离；以及沿着与轴向(Oz)平行的平面以第二射线密度比率因数s_z＝s_xy/cos(γ)确定投影体素(v)的覆盖区的比例，这里γ是横穿轴向的平面与从源指向体素(v)的向量之间的角。

19.如权利要求18所述的方法，还包括：

修正投影体素(v)的覆盖区以将检测器上的体素(v)的覆盖区的坐标(u，w)变换为坐标(u*s_xy，w*s_z)，这里u和w分别是横穿轴向的平面和平行于轴向的平面中的检测器(16)上的投影体素(v)的覆盖区的坐标。

20.如权利要求15所述的方法，还包括：

确定从体素(v)的中心点到相邻冗余投影的部分距离frac；和

结合来自冗余投影的作用。

21.如权利要求20所述的方法，其中校正覆盖区的步骤包括：

沿着横穿轴向(O_z)的平面以第一射线密度比率因数s_xy＝d_d，xy/d_v，xy和沿着与轴向(O_z)平行的平面以第二射线密度比率因数s_z＝d_d，z/d_v，z来确定投影体素(v)的覆盖区的比例，这里，d_v，xy，d_v，z是视场中的体素(v)的位置处的射线密度，d_d，xy是在横穿轴向(O_z)的平面中的检测器(16)上的射线密度，而d_d，z是与轴向(O_z)平行的平面中的检测器(16)上的射线密度。

22.如权利要求20所述的方法，还包括：

为每个冗余投影计算插值加权因数W_t＝a|5-frac|+b，这里，frac是横穿轴向(O_z)的方向上的部分距离，a＝2·I_f，b＝1-I_f，这里I_f是预先确定的插值因数。

23.如权利要求22所述的方法，还包括：

通过对冗余投影的所有权重求和而使计算的插值加权因数正常化，P_out＝(W_t·W_o·P)/∑(W_t·W_o)，这里P_out是投影输出值，W_t是插值加权因数，W_o代表所有其它权重，和P是插值投影值。

24.一种用于执行权利要求15的方法的计算机断层摄影装置。

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