CN101061957A - 在x射线ct中进行散射校正的方法和应用该方法的ct - Google Patents

Abstract

按照本发明建议，在总是要测量的正弦图的基础上按照带有下列方法步骤的两个阶段的方法对散射进行估计：1.根据正弦图中的对象切线(S_T)为每条测量射线(S_M)确定可能的散射位置(Z)；以及2.根据到达所述散射位置(Z)上的原始辐射以及所述散射射线(S_S)、对象切线(S_T)和测量射线(S_M)的角度关系计算散射的强度。此外，本发明还提出了一种用于产生断层造影照片的X射线CT(1)，其包括至少两个焦点－检测器系统(2，3，4，5)以及一个控制和计算单元(10)，其控制和计算单元(10)包含程序代码(Prg_x)，在执行所述程序代码时实施上述方法。

Description

在X射线CT中进行散射校正的方法和应用该方法的CT

技术领域

本发明涉及一种用于在X射线CT(CT＝计算机断层造影仪)中进行散射校正的方法，该X射线CT包括至少两个角度错开设置的围绕对象旋转的射线源，这些射线源向该对象发射射线束，对该射线束穿过对象时的强度变化进行测量，其中，由于每个射线束还在对象上形成了朝向侧面的散射，该散射附加到直接朝向(direkt gerichteten)的测量射线的强度上而被测量并且导致了测量数据的失真，其中，此外在重建之前测量数据还经历一个在当前记录的对象的正弦图(Sinogramm)的基础上获得的散射校正。

背景技术

一般地公知的是，在CT检查中出现导致在对X射线辐射的吸收测量中的不精确性的散射效应。在此，该效应首先在单焦点-检测器系统中被观察到：所采用的射线扇面越宽，则散射的问题就越大，这是因为其上形成散射的位置对应地增加了。为了克服这种公知的效应，在这种CT系统中在检测器之前安装所谓的散射射线准直器(Steustrahlkollimator)，后者在每个检测器元件之前仅仅露出检测器元件和焦点之间的直接的射线方向，而尽可能地遮蔽所有其它的方向。在双或多焦点-检测器系统也采用这种散射射线准直器。不过，这种散射射线准直器不能减小如下的散射：其通过角度错开设置的其它焦点的射线形成，并且其取向与来自于和检测器相对的焦点且要对其强度进行测量的实际的直接射线所具备的空间取向相同。

此外，困难还来自于，被检查的对象(在此优选为不同的患者)在不同的检查中改变其空间的构成，因此，如果要按照足够的可靠性来进行的话，则所产生的散射仅仅可以被个别地确定。此外，要使被检查的对象在检查期间承受尽可能小的剂量，因此应该避免仅仅为了确定散射而可以被引入的众多的测试扫描。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，找出这样一种在X射线CT检查中进行散射校正的方法，即，其在没有额外的测试扫描的条件下设法实现、不过充分考虑了被检查对象的个别的比例。

发明者已经认识到，通过对在CT扫描期间记录的正弦图的相应分析，可能足够精确地确定在被检查对象上的散射形成位置，以便在关于那里射入的散射的射线以及其上所测量的散射射线的方向的认知的基础上，在CT检查中多个相互错开的射线源的条件下确定所测量的辐射强度的散射射线分量。

如果考察分别利用其射线源以及其带有检测器元件的检测器进行测量的系统，则可以从每个检测器元件出发找出与其相对应的测量射线作为至辐射源的连接线，其中，额外测量的散射的原始位置也必须位于该连接线上。不过，这点的前提条件是，检测器具有这样的辐射准直器，即，其实际上仅仅允许在检测器元件至辐射源的连线上的射线出现在检测器上，而其它的辐射方向则被这些准直器遮断。

此外，在此采用这样的认知：散射主要形成在对象的边沿区域，并且是在朝向焦点的一侧上，该焦点发射出产生散射的辐射并且该辐射在该处朝向检测器的一侧。

如果找出了该可能产生散射的位置，则寻找错开设置的辐射源的产生散射的射线，并且在对该散射的射线的强度的认知的基础上确定所产生的散射的量以及由此测量的散射分量。这点例如可以通过按照与散射的射线的强度的关系而对散射射线分量进行直接成比例地估计。不过，也存在这样可能性，即，在散射的射线的入射中相对于散射的反射角考虑角度依赖关系，并且由此得到更精确的数据。

对应于该基本思路，发明者建议，在无论如何测量出的正弦图的基础上，通过执行下列方法步骤来按照两个阶段的方法对散射进行估计：

1.根据正弦图中的对象切线为每条测量射线确定可能的散射位置；

2.根据到达所述散射位置的原始辐射(散射辐射)以及所述散射射线、对象切线和测量射线的角度关系计算散射强度。

此外，还建议改进一种用于在X射线CT中进行散射校正的方法，该X射线CT包括至少两个角度错开设置的、围绕所述对象旋转的射线源，这些射线源向该对象发射射线束，并且，对该射线束穿过该对象时的强度变化进行测量，其中，由每个射线束还在该对象上形成了朝向侧面的散射，该散射附加到直接朝向的测量射线的强度上而被测量并且导致了测量数据的失真，并且，在重建之前所述测量数据经历一个在当前记录的对象的正弦图的基础上获得的散射校正。对该方法按照本发明的改进在于，为了确定所测量的辐射强度的散射射线分量，对于每个投影角和检测器的每个检测器元件确定所形成的测量射线的分布(Verlauf)，从该分布以及所述对象的正弦图中确定散射的可能的形成位置，确定延伸通过该形成位置的散射射线，以及在考虑该散射射线的实际强度的条件下，计算所测量的辐射强度的散射射线部分。

通过该本发明的方法，现在可以在通过多个角度错开设置的射线源对射线吸收进行的测量中精确地并且个别地针对对象地确定散射射线分量，而无需额外的用于确定散射射线分量的测试扫描。

在本发明的方法一种特别的实施方式中，发明者还建议执行下列的方法步骤：

-在当前记录的至少一个截面的正弦图中确定对象阴影边界，

-确定通过所述对象阴影边界限定的正切射线，

-确定一条经过对象阴影边界和正切射线的交点的测量射线，

-确定至少一条来自至少一个第二辐射源的、延伸经过对象阴影边界和正切射线的交点的散射射线，

-确定正切射线和散射射线之间的入射角以及正切射线和测量射线之间的反射角，以及

-最后，在不同的入射角和反射角以及所述散射射线的强度的基础上计算散射强度。

按照本发明，所述对象阴影边界可以是例如通过所测量的辐射强度的预先给定的门限值来确定的，或者作为更为稳健的变形，是通过对在正弦图中所测量的辐射强度的由外向内进行的积分值的预先给定的门限值来确定的。

在所产生的散射强度、入射角和反射角以及散射射线的强度之间的函数关系，即可以实验地、即通过尝试确定，也可以通过统计计算确定或者根据物理模型计算出。

在此，在一种特别的实施方式中，本发明人建议利用下列公式计算在对象边界上形成的散射强度：

$I_S=I_{0}f\left({\mathrm{\φ}}_S\right)\frac{\sin {\mathrm{\φ}}_S}{\sin {\mathrm{\φ}}_M}f\left({\mathrm{\φ}}_M\right)g(\mathrm{\π}-{\mathrm{\φ}}_S-{\mathrm{\φ}}_M),$ 其中：

I_S＝所产生的散射的强度；

I₀＝产生散射的直接辐射的强度；

f(φ_S)＝散射强度与φ_S的函数依赖关系；

f(φ_M)＝散射强度与φ_M的函数依赖关系；

g(π-φ_S-φ_M)＝散射强度与入射射线(φ_S)和反射射线(φ_M)之间的角度的函数依赖关系；

φ_S＝正切射线(S_T)和散射射线(S_S)之间的入射角；

φ_M＝正切射线(S_T)和测量射线(S_M)之间的反射角。

在一种简单的变形中，可以在此将函数f(φ_S)、f(φ_M)或g(π-φ_S-φ_M)中的至少一个选择为常数、优选为1。不过，也存在将这些函数个别地或者全部根据尝试结果来确定的可能性。

通过尝试结果确定这些函数的一种特别的变形可以在于，将其进行改变直到在重建中形成缺少伪影的断层造影数据。不过，对最优函数的该寻找不必在每个被检查的对象中进行，而是对最优函数的一次性的确定就对此足够了，该最优函数随后可以被用于不同的被检查的对象。

发明者还建议，将所确定的散射射线分量利用一个其尺寸与所采用的检测器的各检测器元件的准直器的开口相对应的核(Kern)进行平滑。由此考虑使准直器具有有限的开口。

此外，发明者建议，将所述方法仅仅应用到测量通道的欠扫描的量(Menge)或者投影子集上。由此明显地减小了用于确定散射射线分量的计算时间。因为可以从如下条件出发：散射射线部分的大小在测量通道上仅仅缓慢地改变，而不会出现突然的或者不稳定的有关散射射线分量的改变，因此这种粗略的考虑方式是完全可以的。

附图说明

下面借助于附图根据优选的实施方式对本发明作进一步的说明，附图中仅仅示出了对于理解本发明所必需的特征，并且采用下列的参考标记：1：CT系统；2：第一X射线管；3：第一检测器；4：第二X射线管；5：第二检测器；6：支架外壳；7：患者；8：可以移动的患者卧榻；9：系统轴线；10：控制和计算单元；11：控制和计算单元的存储器；D₁：第一检测器；D₂：第二检测器；F₁：第一焦点；F₂：第二焦点；G：对象阴影边界；G_S：对象阴影边界的门限值；K₁：第一准直器；K₂：第二准直器；L：穿过投影角的正弦图的断面；p：测量通道；Prg₁-Prg_n：计算机程序；S_1.i：第一射线束的射线；S_2.i：第二射线束的射线；S_M：测量射线；S_S：散射射线；S_T：正切射线；S_1→2：从第一焦点-检测器系统进入第二检测器的散射；S_2→1：从第二焦点-检测器系统进入第一检测器的散射；T₁，T₂：对象阴影边界的测量通道；Z：散射位置；α：投影角；μ：吸收；μ_T：在正弦图中通过测量通道吸收的函数；φ_M：反射角；φ_S：入射角。具体地：

图1示出利用两个角度错开设置的焦点-检测器系统对患者进行扫描的示意性断面图；

图2示出腹部的CT断面；

图3示出图2中的腹部的正弦图；

图4示出用于确定对象阴影边界的投影角的正弦图数据；

图5示出确定散射形成的位置的示意图；以及

图6示出带有用于实施本发明方法的控制和计算单元的CT系统。

具体实施方式

图1示出了利用两个相互角度错开90°地设置的焦点-检测器系统对患者7进行扫描的示意性断面图。第一焦点-检测器系统具有焦点F₁和相对的检测器D₁，其中，从第一焦点F₁发出射线束S_1.i、该射线束穿透患者7并且在相对的检测器D₁上针对其强度被测量。从起始强度和在检测器上出现的强度的不同中可以确定患者7对辐射的吸收。

与之成直角设置的是带有第二焦点F₂和第二检测器D₂的第二焦点-检测器系统。在此，在焦点F₂中也产生射线束S_2.i，后者朝向相对的检测器D₂并且其穿过患者之后的强度被测量，其中，这里也是从辐射的起始强度和在检测器上测量的强度的关系中可以推断出在各自射线路径上患者的吸收。

这种同时角度错开设置的测量系统的问题在于，每条射线束S_1.i和S_2.i在击中患者的同时产生散射，该散射分别由与此角度错开设置的测量系统连同直接测量的辐射一起检测到，并且在此使得分别待测量的直接射线的所测量的辐射强度看上去提高了，或者相反地导致有关测量射线在穿透患者时的看上去减小的吸收。在图中将所产生的散射通过两个带有标记S_1→2和S_2→1的大箭头示意地示出。

此外，在图1中在患者7的示意图上还通过点线标记了对象阴影边界G。该对象阴影边界定义了在其上主要地或按照平均值产生散射的对象深度。在后面示出的正弦图显示中这点对应于第一个达到的吸收门限值。

图2举例地示出了腹部的CT断面照片，为此图3示出了从对于检测器行的一个完整的回转的扫描中得出的正弦图。在此，横坐标示出了各自的投影角α，而纵坐标示出了检测器行的测量通道p。

图4示出了沿着如在图3中显示的断面L的正弦图的吸收值，其中，绘出了整个测量通道上的吸收值μ_T。如果在该正弦图中从左侧或者右侧向中心靠近，则吸收值数据在位置t₁或者t₂处达到一个预定的门限值，该门限值在本申请中被称为对象阴影边界。通过改变该门限值，可以根据所采用的辐射的能量频谱为该对象阴影边界对应地设置在形成散射中的实际关系。

作为替换，也可以采用对于吸收值的最大实现的面积积分的门限值来替代对于吸收值的门限值。由此防止了对象阴影边界在不利的关系中过分靠近内部，并且该方法总体上更稳健。

图5再次示出了具有两个角度错开设置的焦点-检测器系统的测量情形，其中，为了说明准直器的作用，分别在对应的检测器上一同表示出了这些准直器K₁以及K₂。从焦点F₁向相对的检测器D₁发出测量射线S_M并且在此穿过患者7。对于该测量射线S_M在检测器一侧标示出了该测量射线S_M与对象阴影边界G以及这里与对象阴影边界相切地延伸的正切射线S_T的交点，在此的出发点是，散射的形成(散射位置)的主中心也位于该位置上，从而可以定义从角度错开设置的焦点-检测器系统的焦点F₂向检测器D₂延伸的散射射线S_S。此外，标出了如下两个角度：测量射线S_M和正切射线S_T之间的φ_M以及散射射线S_S和正切射线S_T之间的φ_S。

在本发明的方法中，仅仅通过对正弦图的分析来估计在多管CT中的横向散射，其中，基本上按照下列两个步骤进行计算：

1.根据正弦图中的对象阴影边界为所有测量射线计算散射射线的正切角并在必要时计算其强度；以及

2.根据所有测量射线的正切角为测量射线扇面计算散射强度。

测量射线是通过散射射线准直器限定的。正切射线S_T在正弦图中是如下给出的：在其中衰减D(p)首先或者最后达到特定的衰减值。如果此时了解了所有的正切射线，则可以对于每条测量射线确定正切角，在此成立的是：测量射线的正切射线是在最远离检测器处与该测量射线相交的射线。由此，对于每条测量射线，正切射线S_T是已知的，因此反射角φ_M也是已知的。此外，对于每条测量射线可以确定正切射线的交点至检测器的距离。由此，可以确定各个不直接入射的焦点的引起散射的射线，以及必要时计算该散射射线的强度。在下列情况下对于射线强度的这种确定可能是特别重要的：其中，辐射强度(例如由于所采用的形状滤波器)是依赖于扇面角的，或者与焦点角度呈现依赖关系，因为例如在扫描期间出现剂量调制。如果此时观察图5中的显示，则对于散射射线的强度I_S形成与正切射线的如下关系：

I_S＝I₀·f(φ_S)·sinφ_S，

其中，I₀表示入射的散射射线的强度，而f(φ_S)表示有待实验确定的函数，其例如可以考虑到在极小的角度φ_S下射线在散射之前已经被显著地衰减了。在最简单的情况下可以将该函数设为f(φ_S)＝1。

然后，可以按照下列的关系计算在测量射线中达到的散射强度I_M：

$I_M=I_S\·\frac{1}{\sin {\mathrm{\φ}}_M}\·f\left({\mathrm{\φ}}_M\right)\·g(\mathrm{\π}-{\mathrm{\φ}}_S-{\mathrm{\φ}}_M).$

带入对于I_S的关系得到：

$I_M=I_0\·f\left({\mathrm{\φ}}_S\right)\frac{\sin {\mathrm{\φ}}_S}{\sin {\mathrm{\φ}}_M}\·f\left({\mathrm{\φ}}_M\right)\·g(\mathrm{\π}-{\mathrm{\φ}}_S-{\mathrm{\φ}}_M)$

在此，函数f(φ_M)考虑了对于小角度φ_M在组织中对散射射线的吸收。函数g(π-φ_S-φ_M)考虑了散射强度、特别是微分的作用截面，即，散射强度与入射角φ_S和反射角φ_M的依赖关系。

为了考虑到测量射线的准直器具有有限的开口，可以额外地利用一个与该开口对应的核来对为所有通道确定的散射强度进行平滑。

此外，存在节省计算时间的可能性，方法是：不是计算所有的测量通道，而是仅仅对测量通道的一个欠扫描的子集以及仅仅对投影的欠扫描的部分进行计算，其中，可以随后内插出散射强度的中间值。

图6示出了按照本发明的计算机断层造影系统1，其中，在支架外壳6内设置了两个焦点-检测器系统。第一焦点-检测器系统通过X射线管2和相对的检测器3构成，而第二焦点-检测器系统通过X射线管4和相对的检测器5构成。为了进行扫描，可以将患者7或必要时的其它对象移动通过两个焦点-检测器系统的扫描区域。在所示出的显示中为此起作用的是可以移动的患者卧榻8，将患者7在其上沿着系统轴线9在扫描期间移动，从而相对于患者进行螺旋型的扫描。不过，要说明的是，按照本发明的方法也可以结合对待扫描对象的纯圆形扫描以及沿着系统轴线的顺序的移动，其中，在应用相应的宽的多行检测器的条件下，也可以对整个检查区域进行纯圆形的扫描。

按照本发明，可以在控制和计算单元10中进行对CT系统的控制以及对检测器数据进行分析，包括立体数据或者断层造影断面图像的重建，在该单元的存储器11中存放了对应的程序Prg₁至Prg_n，这些程序在运行时除了别的之外还执行了本发明的用于散射射线校正的方法。

可以理解的是，本发明上面提到的特征不仅可以按照各自给出的组合应用，而且可以按照其它的组合或单独地应用，而不脱离本发明的范围。

总之，按照本发明建议，在总是要测量的正弦图的基础上按照带有下列方法步骤的两个阶段的方法对散射进行估计：

1.根据正弦图中的对象切线为每条测量射线确定可能的散射位置；以及

2.根据到达所述散射位置的原始辐射以及所述散射射线、对象切线和测量射线的角度关系计算散射的强度。

Claims (14)

1.一种用于在X射线CT(CT＝计算机断层造影仪)中进行散射校正的方法，该X射线CT包括至少两个X射线源，其中，在从当前被扫描的对象、优选为患者(7)所测量的正弦图的基础上，如下地确定所述散射：

1.1.根据在正弦图中可以确定的、在检查对象(7)上的辐射切线(S_T)为每条测量射线(S_M)确定可能的散射位置(Z)，

1.2.根据在所述散射位置(Z)上出现的散射射线(S_S)(＝原始辐射)以及所述散射射线(S_S)、在检查对象(7)上的辐射切线(S_T)和测量射线(S_M)的角度关系计算散射的强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用至少两个角度错开设置的、围绕所述对象旋转的射线源(F₁，F₂)向该对象发射射线束(S_1.i，S_2.i)，对该射线束穿过该对象(7)时的强度变化进行测量，其中，

2.1.由于每个射线束(S_1.i，S_2.i)还在该对象(7)上形成了朝向侧面的散射(S_1→2，S_2→1)，该散射附加到直接朝向的测量射线(S_M)的强度上而被测量并且导致了测量数据的失真，以及

2.2.在重建之前所述测量数据经历一个在当前记录的对象的正弦图的基础上获得的散射校正，

2.3.为了确定所测量的辐射强度的散射射线分量，对于每个投影角(α)和检测器(D₁，D₂)的每个检测器元件确定所形成的测量射线(S_M)的分布，

2.4.从该分布以及所述对象(7)的正弦图中确定散射的可能的形成位置(Z)，

2.5.确定延伸通过该形成位置(Z)的散射射线(S_S)，以及

2.6.在考虑该散射射线(S_S)的实际的强度的条件下，计算所测量的辐射强度的散射射线部分。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

3.1.在当前记录的至少一个截面的正弦图中确定对象阴影边界(G)，

3.2.确定由所述对象阴影边界(G)限定的正切射线(S_T)，

3.3.确定一条经过对象阴影边界(G)和正切射线(S_T)的交点(Z)的测量射线(S_M)，

3.4.确定至少一条来自至少一个第二辐射源(4)的、延伸经过对象阴影边界(G)和正切射线(S_T)的交点(Z)的散射射线(S_S)，

3.5.确定正切射线(S_T)和散射射线(S_S)之间的入射角(φ_S)以及正切射线(S_T)和测量射线(S_M)之间的反射角(φ_M)，以及

3.6.最后，在不同的入射角(φ_S)和反射角(φ_M)以及所述散射射线(S_S)的强度(I₀)的基础上，计算散射强度(I_S)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对象阴影边界(G)是通过所测量的辐射强度的预先给定的门限值来确定的。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对象阴影边界(G)是通过在正弦图中对所测量的辐射强度的由外向内进行的积分值的预先给定的门限值来确定的。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，事先实验地确定在所产生的散射强度(I_S)、入射角(φ_S)和反射角(φ_M)以及散射射线(S_S)的强度(I₀)之间的函数关系。

7.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，事先通过统计计算确定在所产生的散射强度(I_S)、入射角(φ_S)和反射角(φ_M)以及散射射线(S_S)的强度(I₀)之间的函数关系。

8.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，事先根据物理模型解析地计算在所产生的散射强度(I_S)、入射角(φ_S)和反射角(φ_M)以及散射射线(S_S)的强度(I₀)之间的函数关系。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其特征在于，利用下列公式计算在对象边界上形成的散射强度：

$I_S=I_{0}f\left({\mathrm{\φ}}_S\right)\frac{\sin {\mathrm{\φ}}_S}{\sin {\mathrm{\φ}}_M}f\left({\mathrm{\φ}}_M\right)g(\mathrm{\π}-{\mathrm{\φ}}_S-{\mathrm{\φ}}_M),$ 其中：

I_S＝所产生的散射的强度；

I₀＝产生散射的直接辐射的强度；

f(φ_S)＝散射强度与φ_S的函数依赖关系；

f(φ_M)＝散射强度与φ_M的函数依赖关系；

g(π-φ_S-φ_M)＝散射强度与入射角(φ_S)和反射角(φ_M)的函数依赖关系；

φ_S＝正切射线(S_T)和散射射线(S_S)之间的入射角；

φ_M＝正切射线(S_T)和测量射线(S_M)之间的反射角。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将函数f(φ_S)、f(φ_M)或g(π-φ_S-φ_M)中的至少一个选择为常数、优选为1。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将函数f(φ_S)、f(φ_M)或g(π-φ_S-φ_M)中的至少一个进行改变直到形成缺少伪影的断层造影数据。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，将所确定的散射射线分量利用一个其尺寸与所采用的检测器的各检测器元件的准直器的开口相对应的核进行平滑。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，将所述方法仅仅应用到测量通道的欠扫描的量或者投影子集上。

14.一种X射线CT(1)，包括至少两个焦点-检测器系统(2，3，4，5)以及一个控制和计算单元(10)，以便产生断层造影的照片，其特征在于，所述控制和计算单元(10)包含程序代码(Prg_x，其中x等于数字1至n)，在执行所述程序代码时实施按照上述权利要求中任意一项所述的方法。

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