CN101228553B - 用于成像断层造影的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于对物体(1)的研究区域(2)进行成像的方法，包括以下步骤：以沿着多个投影方向的至少一个能量输入波束(3)照射研究区域(2)，其中，所述至少一个能量输入波束(3)包括多个独立的能量输入波束成分，其中，将所述能量输入波束(3)形成为，使得所述能量输入波束成分中的至少两个具有不同的横截面，平行于所述多个投影方向之一的多个平行能量输入波束成分(5.1、5.2、5.3、…)的组(5)提供对研究区域(2)的连续照射。而且，说明了一种用于对物体进行成像的装置。

Description

用于成像断层造影的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于对以沿多个投影方向的至少一个能量输入波束照射的物体进行成像的方法，具体的，涉及基于依据包含多个投影函数的Radon数据的重构图像函数的、一种用于对物体进行成像的方法，其中，所述多个投影函数是与多个投影方向相对应地测量的。而且，本发明涉及一种用于基于该成像方法而对物体进行成像的装置。

技术背景

在不同技术领域中，如材料科学、医学检查、考古学、建筑技术、与安全问题有关的技术等，样本的非破坏性研究是一项重要任务。一种用于例如借助于计算机断层造影(CT)来获得样本图像的方法，是以以下为基础的：用X射线从不同投影方向照射穿过物体，随后基于在不同方向测量的衰减数据来重构物体平面。全部测量的衰减数据可以借助于在Radon空间中的所谓的Radon数据(Radon data)来描述。

现在已知的最相关的常规重构方法可以总结为是基于迭代重构的方法，或者是基于所谓的滤波反投影(filtered backprojection)的方法。迭代重构方法本质上的缺陷是极其长的计算时间。另一方面，滤波反投影方法依赖于所谓的傅立叶截面定理(fourier-slice theorem)，该方法由于在重构中的内插步骤而具有总体上的缺陷，该内插步骤导致了误差和伪像，其往往会随着空间频率的增大而增大。而滤波反投影方法的另一个问题涉及重构图像数据必须依据的Radon数据的离散化。为了获得最佳的滤波反投影重构，必须使投影的照射射线与检测器的检测器元件精确匹配。而通常不会出现这种情况。因此之故，引入了由借助于滤波反投影算法的Radon数据重构造成的不确定性或平滑效果。

T.Bortfeld等人已经描述了一种算法，用于依据沿投影方向的多个投影的二维图像重构(“Phys.Med.Biol.”，Vol.44，1999，p.1105-1120)。采用该算法，将投影被表现为分解(decomposition)，并对所述分解进行以上的滤波反投影重构。例如采用扇形波束几何结构来测量投影，其中，测量了依据彼此之间具有均匀角度间隔的不同投影线的衰减值。能够将以扇形波束的不同投影方向测量的单一投影线进行再分类(resort)，来提供用于图像重构的平行投影。T.Bortfeld等人的算法没有得到实际应用。该算法假设了一种理想的扇形波束几何结构，其在实际上是无法实现的。因此，T.Bortfeld等人的算法需要内插步骤，如同常规的滤波反投影一样。而且，T.Bortfel等人的算法存在本质上的缺陷，即在重构图象中出现伪像。

可以用在未公开欧洲专利申请EP 04031043.5中描述的图像重构方法来避免滤波反投影过程和T.Bortfeld等人的方法的缺陷。采用该方法，基于包含多个投影函数的Radon数据来确定图像函数，所述多个投影函数是与多个预定投影方向相对应地测量的。将图像函数确定为是多项式乘以投影函数值之后的总和。在实际应用中，该图像重构是以与彼此之间具有相等角度的离散照射波束成分(discrete irradiation beam component)相对应的衰减值的测量为基础的。根据未公开EP 04031043.5，该离散波束成分可以借助于使用配备了如图12中示意性示出的源遮拦(mask)211’的辐射源210’，用扇形波束几何结构来产生。源遮拦211’包括遮蔽板212’，其例如由具有通孔213’的钨构成。源遮拦211’的遮蔽板212’可以具有如图12所示的平面形状，或者具有圆柱形状。通孔213’被布置为：使得开始于辐射源的投影线穿过具有以等弧长间隔的检测器元件的圆。

与T.Bortfeld等人的算法相比，未公开EP 04031043.5的图像重构可以用来代替常规滤波反投影算法。因此，能够避免由在滤波反投影中插值所引入的伪像。然而，已经发现根据EP 04031043.5的图像重构在实际中在重构图像中的伪像方面存在缺陷(所谓的锯齿伪像(aliasing artifact))。

当前在计算机断层造影中的进展提供了所谓的多截面CT(multi-slice-CT)和基于平板技术的CT系统。这些进展还面临着三个主要问题。首先，数据量非常大，用于这种数据量的重构时间过长，或者需要处理这种数据的计算机太昂贵。第二个问题由检测器的平面型几何结构所引起，其通常不适于常规CT装置的圆形几何结构。最后，由于分散辐射，低对比度细节的分辨率受到限制。

上述缺陷不仅与常规CT成像有关，还与涉及Radon数据的所有可利用的重构方法有关。

发明内容

本发明的目的是提供用于对物体进行成像的改进方法，其避免了上述常规技术的缺陷，具体而言，其能够减小图像重构中的伪像。而且，该成像方法被改进，以使其能够使用平板检测器设备。而且，本发明的目的是提供一种改进的成像装置，具体而言，其能够以减小的锯齿伪像更好地对研究区域进行成像。

采用包括专利权利要求1和18的特征的方法或装置来实现以上目的。在从属权利要求中定义了本发明有利的实施例和应用。

提出了一种成像方法，用于对物体的研究区域进行成像，包括以下步骤：以沿着多个投影方向的至少一个能量输入波束照射所述研究区域，其中，所述至少一个能量输入波束包括多个独立的能量输入波束成分，以及将所述能量输入波束形成为，使得提供所述能量输入波束成分中的至少两个，用以照射所述研究区域，其中，所述能量输入波束成分中的所述至少两个具有不同的横截面，其特征在于：平行于所述多个投影方向之一的、且以邻接方式排列的多个平行能量输入波束成分的组提供对所述研究区域的连续照射以及对所述研究区域的完整照射，不存在属于各自组的平行能量输入波束成分重叠和产生间隙的情况，其中，所述能量输入波束成分为所述多个平行能量输入波束成分的所述组，并且其中，所述多个平行能量输入波束成分的横截面随与中央能量输入波束成分之间的距离的增大而减小。

提出了一种成像装置，用于对物体的研究区域进行成像，包括：测量装置，用于测量与多个投影方向相对应的投影函数，所述测量装置包括：至少一个能量输入波束源，用于产生具有多个独立能量输入波束成分的至少一个能量输入波束；以及检测器装置，以及形成装置，适于将所述能量输入波束形成为，使得为照射所述研究区域而提供的能量输入波束成分中的至少两个具有不同横截面，其特征在于：平行于所述多个投影方向之一的、且以邻接方式排列的多个平行能量输入波束成分的组提供对所述研究区域的连续照射以及对所述研究区域的完整照射，不存在属于各自组的平行能量输入波束成分重叠和产生间隙的情况，其中，所述能量输入波束成分为所述多个平行能量输入波束成分的所述组，并且其中，所述多个平行能量输入波束成分的横截面随与中央能量输入波束成分之间的距离的增大而减小。

发明概述

根据本发明的第一总体方面，为用于照射研究区域的能量输入波束提供多个单个、离散的能量输入波束成分，其中至少两个能量输入波束成分具有不同的横截面。能量输入波束成分穿过所述研究区域。属于一个或不同能量输入波束的平行能量输入波束成分的组提供穿过所述研究区域的无级(step-less)照射。将所述能量输入波束构成为，使得所述平行能量输入波束成分以邻接方式排列，以便使所述研究区域按照各个投影方向被照射完全覆盖。

发明人发现采用常规技术会产生伪像(尤其是锯齿伪像)。如果投影线按需要彼此以等角度间隔开，则相应的能量束成分就在不等距的交点处与垂直于能量束当前投影方向的参考平面相交。因此，在未公开EP04031043.5中所述的图像重构算法与T.Bortfeld等人的常规算法以不均匀采样为特征。使用具有相等横截面的常规能量束成分，该不均匀采样在大多数情况下在相邻平行能量束成分之间产生重叠或间隙。发明人发现这些重叠或间隙是造成用常规成像方法得到的锯齿伪像的原因。

与上述使用不均匀采样的技术相反，本发明的成像方法提供了研究区域的连续照射。由于平行于当前投影方向的能量束成分具有不同横截面，因此能够补偿不均匀采样。因此，平行能量束成分彼此邻接。避免了任何双重照射或非故意的阴影，从而抑制了锯齿伪像。

根据本发明的能量输入波束形成对于用于对通过对研究区域进行照射而获得的衰减值进行检测的检测器装置的设计还具有进一步的重要优势。为了提供对研究区域的连续照射，能量束成分的横截面随与中央能量输入波束成分之间的距离的增大而减小。在特定能量输入波束成分与中央能量输入波束成分之间的角度越大，该特定能量输入波束成分的横截面就越小。这种从平行能量输入波束成分组中央向边界的横截面减小在直线(一维)或平面(二维)检测器装置上恰好造成能量输入波束成分投影的横截面相等，其中检测器装置定向为垂直于所考虑的能量输入波束成分组的投影方向。由此，以检测器装置的相同数量的检测器元件来感测每一个能量输入波束成分，从而避免了对检测器元件组的进一步校准或大小调整。

尽管常规计算机断层造影被定义为是基于采用具有相等横截面的波束对研究区域进行的照射，但发明人已经脱离这个概念。然而，在下面为了说明根据本发明的成像方法的实施例，保留了术语“计算机断层造影”。

在此所用的术语“研究区域”(ROI)通常指的是在正在研究的物体或其一部分。ROI可以被描述为二维或三维实体。在此所用的术语“投影方向”通常指的是通过ROI的能量输入的线状路线。投影方向可以由相对于所用的坐标系的角度来定义。如果考虑扇形或圆锥形波束，术语“投影方向”表示在扇形或圆锥形波束中的中央(或：主要)波束成分的方向。

在ROI上所测量的Radon数据是根据一组投影函数获得的，该组投影函数已经与穿过ROI的多个预定投影方向相对应地确定了。采用特定数量的“投影”来收集该数据。通过沿着波束成分所覆盖的条带对所关注结果进行累计来表征这些投影。通过测量足够数量的这些累计的“投影”，就能够根据Radon数据来重构物体的特征。

投影函数的值通常由沿着各自投影方向穿过ROI的能量输入波束的相互作用(尤其是衰减，例如由吸收、散射或反射所造成)来确定。尽管投影函数是一维函数，与所有可利用的投影方向相对应的全部投影函数横跨更高维度的空间(Radon空间)。

在此所用的术语“能量输入波束(energy input beam)”(或：“辐射波束”)指的是所有类型的物理量，其沿直线(或基本上为直线)穿过ROI，同时所携带的能量由于与ROI相互作用而改变。具体的，术语“能量输入波束”包括电磁辐射，尤其是X射线，粒子辐射或声波。

根据本发明的优选实施例，属于不同能量输入波束或属于一个特定能量输入波束的能量输入波束成分提供照射ROI的多组平行能量输入波束成分，并且在相邻能量输入波束成分之间无间隙和无重叠。本发明的该实施例的主要优势由这样的事实给出：以特定的有效方式来抑制锯齿伪像。在实际中，能量输入波束成分的边界在函数中不发生跳跃，而是取决于特定波束形成技术的连续函数。因此，如果在两个能量束成分之间的物理量(例如电磁场强度)与在相邻能量束成分中央的相应物理量相比不高于50％，则就实现了无间隙和无重叠照射(或：完全照射)的特点。

本发明提供了进一步的重要优点，即，能量输入波束形成能够用常规成像技术来实现，例如常规计算机断层造影技术。因此，依据本发明形成的能量输入波束是以至少一个波束源产生的扇形波束或圆锥形波束，并具有描述扇形或圆锥形波束散度的特定波束角。

如果能量输入波束以波束遮拦来形成，对于准确且可重复的输入方法而言则可以获得特别的好处，其中，所述输入方法提供的能量输入波束成分在预定波束角之内并且具有预定横截面。所述波束遮拦包括通孔，其传输多个能量输入波束成分，同时遮蔽能量输入波束的剩余部分。所述波束遮拦可以设置在波束源附近，并且其甚至可以作为源遮拦而随波束源(例如X射线源)移动。在此情况下，波束遮拦被称为源遮拦。反之，固定在成像装置上的波束遮拦被称为框遮拦(frame mask)。由于通常用于Radon数据的波束源的几何尺寸基于成像方法，因此波束遮拦允许能量输入波束的明显成形(sharp profiling)。发明人发现甚至可以在距波束源(结合了波束遮拦)达到1米或更大范围的距离处提供对ROI的连续照射。

根据本发明的优选实施例，波束遮拦(作为可移动源遮拦或作为固定框遮拦)包括具有通孔的平面固定板，其由遮蔽材料构成。固定板被布置为与X射线发射器之间的距离为s。通孔全都具有相等的尺寸。它们布置在位置s_j＝scotθ_j(θ_j描述单个波束成分的方向)。采用垂直于扇形或圆锥形波束的中央投影方向布置的平面波束遮拦，具有相等尺寸的通孔自动提供在能量输入波束边界处具有减小的横截面的能量输入波束成分。平面波束遮拦在简单的结构和广阔的应用范围方面具有特别的优势。可选地，波束遮拦可以由具有通孔的、采用遮蔽材料的弯曲的(例如，圆柱形的)构件形成。在此情况下，通孔具有不同尺寸，用于提供能量输入波束成分的不同横截面。圆柱形波束遮拦对于与相对于波束源的调整无关的横截面的准确定义具有特别的优势。

能够对波束遮拦的弯曲几何结构和通孔的直径进行修改，以便波束成分在垂直于当前投影方向的平面上的任何投影都具有相同的尺寸。

如果本发明的成像方法包括相对于能量输入波束源而对波束遮拦进行调整，则成像和重构结果可以通过波束遮拦的精确调整来改进。

根据本发明进一步的有利实施例，能量输入波束的形成不仅与能量输入波束成分的成形(profiling)相关，而且还与能量输入波束的外边界相关。为了这个目的，本发明的成像方法包括进一步的步骤：设定能量输入波束的波束角。该实施例对于波束源(可能结合了波束遮拦)对所研究的具体物体的适用性具有特别的优势。为了照射小物体，能够减小波束角，以便减小总体照射剂量。

优选地，采用起到遮光板(diaphragm)或快门作用的窗孔(aperture)来设定波束角。有利的是，窗孔具有简单的结构。而且，它可以被简单地安装在常规成像装置上，例如常规CT装置，以适用于本发明。窗孔进一步的优势来自于可以利用两个自由度来调整波束角。以第一可选方案，通过设定窗孔直径来调整波束角。这允许窗孔对研究的物体灵活的适用性。根据第二可选方案，通过设定在窗孔与波束源之间的距离来调整波束角。随着该距离的减小，波束角增大。这两个可选方案可以合并。

根据本发明的第二优选实施例，所述至少一个能量输入波束包括提供能量输入波束成分的平行笔形波束分布。在此情况下，每一组平行能量输入波束成分都仅属于一个能量输入波束。以已知的线状波束源，例如在常规CT成像装置中，产生该能量输入波束。

通过调制线状波束源的输出或通过具有适应性几何结构的波束遮拦，来实现用于提供具有不同横截面的至少两个笔形波束的能量输入波束的形成。

以上基于离散投影线的重构算法根据在不等距交点处与垂直于实际投影方向的参考平面相交的投影线，来查询衰减值的测量结果。因此，对于平行笔形波束而言，以上与具有相等横截面的能量束成分的影响有关的考虑也是有效的。采用本发明的该实施例，平行笔形波束表示特定能量输入波束的能量输入波束成分。虽然可以采用以上所阐述的波束遮拦来调整笔形波束的横截面，优选地是，通过调制波束源输出来调整平行笔形波束的不同横截面。

采用X射线波束源，平行笔形波束优选地采用移动波束源发射器连续地产生。在此情况下，对用于产生X射线的电子流进行调制，用以调整笔形波束的横截面。

为了得到所研究物体的一组完整的Radon数据，必须沿着多个投影方向来照射ROI。可以借助于用多个波束源产生的多个能量输入波束来获得这个照射。采用该实施例，波束源分布在要成像的物体周围。然而，根据本发明的优选实施例，通过相对于物体移动能量波束源来连续地设定投影方向。优选地，能量波束源在围绕物体的圆上移动。有利地是，该实施例完全兼容常规成像技术，尤其是常规计算机断层造影。

本发明的成像方法可以用能够测量穿过ROI传输的能量波束的衰减值的任何类型的检测器来实现。如果根据本发明的优选实施例，使用至少一个直线或平面检测器测量衰减值，则在与常规检测器技术兼容性和具有简单(平面)几何结构的检测器的可用性方面产生特别的好处。而且，如果能量输入波束包括一组平行笔形波束，则能够仅以一个检测器同时测量所有笔形波束的衰减值。对于扇形或圆锥形波束而言，可以使用多个检测器或者使用仅一个检测器。在后一情况下，检测器相对于移动能量波束源是可移动的。

本发明在数据处理方面提供了另一个主要优势。由于对能量输入波束成分横截面的调整，可以用检测器装置中的预定的多个检测器元件组来测量衰减值。所述多个检测器元件组对于所有波束成分具有相等的尺寸。仅仅将这些预定的组在无需调整大小的情况下读出，以便减小要处理的数据量。

为了完成图像重构，本发明的成像方法优选的包括步骤：将测量的衰减值提供给图像重构过程。为了补偿倾斜投影的剂量减小影响，通过用衰减值除以对各个衰减值有影响的波束成分的射线厚度，来按比例调整衰减值。优选地，图像重构过程包括上述算法之一。将EP 04031043.5和T.Bortfeld等人的公开内容引入到本说明书中作为参考。这个引入具体包括与图像重构算法的实现相关的特征。

本发明的主要优势在于成像方法和装置可以用于医疗成像中的各种应用，例如CT等。然而，还有更多可能的应用，如光学断层造影(lighttomography)，用于工业测试或生物研究等等的任意多维成像。优选地，根据在X射线计算机断层造影(CT)装置中所测量的Radon数据，或基于传输检测系统的中子来确定图像函数。

根据本发明的第二总体方面，借助于包含测量装置的成像装置来解决以上目的，所述成像装置包括至少一个能量输入波束源，用于产生以上具有单个能量输入波束成分的能量输入波束，其中，所述测量装置还包括形成装置，用于调整能量输入波束成分的横截面。根据本发明的优选实施例，所述形成装置包括布置在能量束源与ROI之间，优选地在能量束源之前的、具有通孔的波束遮拦。可选地，所述形成装置包括控制装置，用于所述能量束源的调制操作，例如用于调制X射线源的电子流的电流控制装置。

根据本发明进一步的优选实施例，所述成像装置包括第一调整装置与第二调整装置中的至少一个，其中，第一调整装置用于调整在所述源遮拦与所述能量输入波束源之间的距离，第二调整装置用于调整波束角窗孔直径和/或在所述窗孔与所述能量输入波束源之间的距离。

附图说明

以下参考附图来说明本发明进一步的细节和优点，其示出：

图1是根据本发明的波束形成的一个实施例的示意图；

图2和3是引导扇形波束穿过所研究物体的图示；

图4是使用具有相等横截面的波束成分的常规照射效果的图示；

图5是使用根据本发明的、以具有不同横截面的波束成分进行照射的效果的示意图；

图6和7是根据本发明所用的波束形成遮拦的可能实施例的示意图；

图8是根据本发明的成像装置的一个实施例的示意图；

图9是引导扇形波束穿过所研究物体的进一步的图示；

图10是根据本发明的、波束源与波束角窗孔和源遮拦的组合的示意图；

图11是引导笔形波束穿过所研究物体的进一步的图示；以及

图12是根据未公开EP 04031043.5的波束形成遮拦的示意图。

本发明的实施例

以下参考计算机断层造影中的应用来说明本发明。应强调本发明可以以类似方式采用上述其它应用来实现。而且，以下对优选实施例的说明主要指的是能量波束形成的步骤。没有说明用于实现本发明的CT或其它成像装置或图像重构算法的细节，只要它们可以从常规技术或由EP04031043.5中获得。

在图1中示意性示出了根据本发明的波束形成，其显示了对与物体相交的平面进行成像的二维情况。表示ROI的圆2要被重构，圆2上的黑点21是用于产生辐射波束的X射线源的位置，每一个辐射波束包括所示出的X射线辐射波束成分(箭头)中的一个。白点31表示例如9个离散的波束成分5.1到5.9(或：投影线)的分布，其按需要构成平行能量输入波束成分组5，用于以上基于离散采样的算法。同时，白点31是检测器装置接收器(bin)的位置的虚拟表示。采用这个实际布置，源和检测器装置位于ROI之外(见下图3、12)。

以上的使用离散采样的重构算法要求投影函数的测量(见图2)，其包括多个衰减值，其每一个都根据辐射波束成分之一来测量。沿着多个投影方向来测量多个投影函数。作为实例，示出了投影方向“x”(见箭头)。根据为提供波束5而布置的源和检测器装置的位置，波束成分5.1到5.9以相反的方向(+x/-x)示出。对于在螺旋形计算机断层造影中的三维成像，可以以相同方向来定向所有辐射波束成分。

采用等角度几何结构的能量输入波束成分对ROI所进行的所需的照射与参考平面(y-z)的相交有关，参考平面在不等距的交点处垂直于当前投影方向(见下图6、7)。在根据特定投影方向将能量输入波束成分再分类(resort)到多个平行成分组中之后，这些平行成分仍然具有与参考平面的不均匀分布的交点。这个特征在图1中示出。随着与中央波束成分5.5的距离的增大，交点(白点31)形成逐渐减小的间隔。

根据本发明，将能量输入波束成分(在此：X射线波束成分)的横截面选择为具有随着与中央波束成分5.5的距离的增大而逐渐减小的横截面。而且，将横截面选择为使得ROI完全被照射覆盖，且白点31在相应的波束成分的中间。

一个给定波束成分的直径d_j由以下来定义

$d_j=2\tan \left(\frac{\mathrm{\π}}{2(2m+1)}\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_{j,2m}\right),j=\mathrm{0,1},\·\·\·2m$

或d_j＝dsinθ_j，2m

其中，θ_j，2m与数据收集的等角度几何结构相对应，并取决于所选择的几何结构，d是对成像分辨率的测量。

以下示出提供能量输入波束成分的进一步的细节。

如果在计算机断层造影中应用本发明，则构造的成像装置类似于当前医疗CT系统。在图2中示意性的示出了在CT系统中引导连续的扇形或圆锥形波束3穿过ROI，以收集投影数据的情况。该CT系统(未完全示出)包括环形源载体220，其中X射线管(辐射源210)和平面检测器装置310以这样一种方式旋转：使整个系统能够在例如0.3到0.5s内完成一次完整的旋转。检测器装置310例如由1到64行(或多达256行或更多行)的检测器元件组成(如果多于一行，就称为多截面CT(multi-slice-CT))，每行约700到1000个检测器元件。在每一次旋转中，根据所需投影的数量来读取数据，例如约1000次。所研究的物体，例如患者，躺在连续移动的患者工作台上移动通过该CT环。借助于该方法，可以收集所谓的螺旋形或螺线形CT数据集合，因为所收集的数据位于螺线网上。检测器装置310是直线(一维)或平面(二维)布置的检测器元件，其被布置在垂直于来自辐射源的投影方向的参考平面上。

平行波束成分的选择，例如用于ROI的完全覆盖，可以用以下概述的常规CT系统来进行。所涉及的是扇形波束，同时可以以类似的方式处理圆锥形波束。如图2和3中所示的每一个扇形波束3都表示一束扇形波束成分4.1、4.2、4.3…。每一个扇形波束成分4.1、4.2、4.3…都可以被认为是直的笔形波束。虽然这样的笔形波束不具有相同的投影方向，但是按照每个所需的投影方向来确定离散的投影外形遵循图3所示的概念。

图3示出了多个扇形波束(例如扇形波束3)，其每一个都包括扇形波束成分4.1到4.7。黑点21是产生所示的X射线辐射扇形波束的X射线源的位置。对于与所示出的辐射源210的位置相对应的第一主要投影方向，扇形波束成分4.5穿过ROI 2，在检测器装置(检测器阵列)的检测器元件311(或一组检测器元件)上作为直的笔形波束而被检测到。为了获得平行于扇形波束成分4.5的另一个投影线的衰减值，例如在改变后的辐射源210的位置处被辐射的扇形波束3’或3”的扇形波束成分4.3’或4.1”，分别在检测器元件312或313上被检测到。在适当地选择了检测器元件位置和辐射源位置的情况下，尤其是在这些位置以等弧长间隔布置的情况下，采用具有相同的投影、尤其是平行的扇形波束成分所测量的衰减值可以用于构造离散的投影外形。扇形波束成分4.5、4.3’和4.1”在扇形波束3、3’和3”中具有不同的相对位置。使用以下所述的波束遮拦(beam mask)，扇形波束成分4.5、4.3’和4.1”具有不同的横截面(从波束中央到边界逐渐减小)，从而在该平行波束成分组中能够获得如图1所示的横截面分布。

这个概念可以用于依据以例如根据图8的CT装置收集的投影数据的图像函数重构。由于从扇形波束的每个所选择的中央投影方向获知辐射源210和检测器装置的位置及在检测器装置内的检测器元件311、312、313、…的位置，因此可以简单地从以CT装置获得的行数据的收集中获得用于构造与多个平行波束成分组相对应的离散的投影外形的累计的衰减值，并将所感测的累计衰减值再分类。

在图4和5中示出了根据本发明提供具有不同横截面的已形成波束成分所产生的效果的更多细节。图4示出了如在EP 04031043.5中所述的、根据图12的源遮拦的效果。为了提供具有相等横截面的波束成分，这个源遮拦具有直径d_j变化的通孔。随着与中心通孔的距离的增大，直径d_j也逐渐增大。结果，波束成分在检测器平面中的投影增大，例如投影7.1’大于投影7.2’。根据本发明，如图6所示，以波束形成来补偿这个效果。在检测器平面上的所有投影7.1、7.2和7.3都具有相同的尺寸。

图6和7示出了波束形成的实施例，使用了根据本发明的波束遮拦211。借助于使用配备了源遮拦211的辐射源210以扇形波束几何结构产生7个离散波束成分4.1到4.7。根据图6，源遮拦211包括具有通孔213的、例如由钨制造的遮蔽板212。通孔213被布置为使得开始于辐射源210的投影线在预定位置与检测器元件成直线地穿过该圆，具体的，它们以等弧长间隔布置。与图12所示的遮蔽板212’形成相比，在平板中的通孔213具有相同的直径d。使用钨的遮蔽板212的厚度在约100μm到约5mm范围内。图6为了清晰的目的而仅示出了7个波束成分。在实际中，遮蔽板212包括例如直径约为100μm的约200个孔。依据要获得的成像分辨率来选择孔的尺寸。

中央波束成分4.4与遮拦板及相应的检测器平面(未示出)垂直相交。因此，中央波束成分4.4的横截面等于直径d。另一方面，在边界的波束成分4.1相对于遮拦板倾斜。因此，波束成分4.1的横截面减小。通常，在从中心通孔开始到边界(到第m个通孔)编号的情况下，相应的第m个波束成分的横截面是

$d=2\tan \left(\frac{\mathrm{\π}}{2(2m+1)}\right)$

根据图7，源遮拦211包括具有通孔213的、例如由钨制造的(半)圆柱形遮蔽构件212。圆柱形遮蔽构件212以平行于CT环的轴的圆柱轴定向。在圆柱形构件中的通孔213具有不同的直径，用于准确的提供波束成分的不同横截面。

图8示意性的示出了成像装置100的实施例。成像装置100包括具有能量发生器200和检测器装置300的测量装置，以及连接到测量装置的重构装置400。而且，提供了支撑装置(holding device)500，其例如是载体工作台(carrier table)(其可以从CT系统中获知)或任何其它载体或底部支持架，用于在测量装置中放置所研究的物体1，并用于调整物体相对于能量发生器200和检测器装置300的几何位置。还提供了其它部件，如控制装置、显示装置(未示出)等，它们自身可以在现有技术装置中获知。

能量发生器200包括能量输入源210，例如布置在源载体220(例如导轨或托台)上的可移动X射线源，其可以从常规CT装置中获知。检测器装置包括检测器阵列310，其可移动的布置地与能量输入源210相对的源载体220上。采用该结构，能够通过在支撑装置500周围旋转部件210、310的组合来设定穿过ROI的投影方向(平行于图面)。可选地，具有在物体1周围的检测器阵列分布的检测器装置相对于源载体220固定。

图9示出了源载体220的不同实施例的更多细节。首先，包含扇形波束成分4.1，4.2，…的离散扇形波束3由结合了源遮拦211的辐射源产生。源遮拦211适于形成如上所述的辐射源的能量分布功能。源遮拦固定到辐射源(例如X射线管)上，具体地是借助于可分离的固定元件(例如夹具、锁扣连接或可调整载体)固定到辐射源210的输出窗口215的框214上(见图10)。其次，可以通过环形遮蔽222来实现遮蔽功能，环形遮蔽222示意性的以多个辐射窗口223示出。环形遮蔽222能够可分离地固定到源载体220，以使得遮蔽222的几何特性适于实际应用，尤其适于所用的遮拦。作为实例，环形遮蔽222包括201个辐射窗口223，每一个都具有6mm的直径(CT环直径：80cm)。

如果为环形遮蔽222的每一个辐射窗口223提供图9中所示的框遮拦224(其仅作为一个实例)，则上述的源遮拦211可以被省略。在实际中，无需同时提供源遮拦和框遮拦211、224。

采用以上所示的遮拦产生离散的扇形波束，来自检测例如沿相应投影线的衰减的累计值的检测器装置的检测器元件的信号仅在辐射源和检测器装置的特定位置处读出。所述读出位置是在环形源载体上的那些弧长位置，这实现了选择如图3所示的具有相同投影方向的扇形波束成分的条件。

图10示出了将辐射源210与源遮拦211和波束角窗孔216相结合的实施例。可调整载体217布置在输出窗口215的框214上，用于支撑组件211和216中至少一个。通常，可调整载体217起到至少一个调整装置的作用。波束角窗孔216由具有中心孔的遮蔽板构成。能够用可调整载体217来调整直径和/或在波束角窗孔216和辐射源210的辐射发射器210.1之间的垂直距离，以便定义辐射波束3的波束角α。按上述来形成源遮拦211，以便定义波束成分4.1、4.2…。在源遮拦211与辐射发射器210.1之间的距离是可以变化的，以便获得所需的成像分辨率。可以手动地或电动地(例如以压电驱动单元)操作可调整载体217。

根据本发明进一步的实施例，可以以如图10所示的、在辐射源210的各个位置处同时发射的、直的平行笔形波束6.1、6.2、6.3、…来照射所研究的物体。包含了直的平行笔形波束6.1、6.2、6.3、…的波束5分布在辐射场中，辐射场的范围由线状加长的辐射源确定。如上所述，以在辐射源上提供的遮拦来形成平行笔形波束6.1、6.2、6.3、…。可选地，按由第一代CT系统可知的，可以使用发出一个笔形波束的移动辐射源。在此情况下，以源210的电流控制器218来控制笔形波束的横截面。图10的实施例具有特别的优势：在无需如图3所示再分类成分选择的情况下，可以用检测器装置310直接测量离散投影的外形。

Claims (30)

1.成像方法，用于对物体(1)的研究区域(2)进行成像，包括以下步骤：

以沿着多个投影方向的至少一个能量输入波束(3)照射所述研究区域(2)，其中，所述至少一个能量输入波束(3)包括多个独立的能量输入波束成分(4.1、4.2、4.3、…、6.1、6.2、6.3、…)，以及

将所述能量输入波束(3)形成为，使得提供所述能量输入波束成分(4.1、4.2、4.3、…、6.1、6.2、6.3、…)中的至少两个，用以照射所述研究区域(2)，其中，所述能量输入波束成分(4.1、4.2、4.3、…、6.1、6.2、6.3、…)中的所述至少两个具有不同的横截面，

其特征在于：

平行于所述多个投影方向之一的、且以邻接方式排列的多个平行能量输入波束成分(5.1、5.2、5.3、…)的组(5)提供对所述研究区域(2)的连续照射以及对所述研究区域(2)的完整照射，不存在属于各自组(5)的平行能量输入波束成分(5.1、5.2、5.3、…)重叠和产生间隙的情况，其中，所述能量输入波束成分(4.1、4.2、4.3、…、6.1、6.2、6.3、…)为所述多个平行能量输入波束成分(5.1、5.2、5.3、…)的所述组(5)，并且其中，所述多个平行能量输入波束成分的横截面随与中央能量输入波束成分之间的距离的增大而减小。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述能量输入波束(3)是扇形波束或圆锥形波束。

3.根据权利要求1或2的方法，其中，形成所述能量输入波束(3)的步骤包括：传输所述能量输入波束通过具有通孔(213)的波束遮拦(211)，所述波束遮拦(211)由能量输入遮蔽材料制造。

4.根据权利要求3的方法，其中，形成所述能量输入波束(3)的步骤包括：传输所述能量输入波束通过具有全部都为相同尺寸的多个通孔(213)的平面波束遮拦(211)，或者通过具有不同尺寸的多个通孔(213)的弯曲波束遮拦(211)。

5.根据权利要求4的方法，还包括步骤：调整在所述波束遮拦(211)与能量输入波束源(210)之间的距离。

6.根据权利要求5的方法，其中，形成所述能量输入波束(3)的步骤包括进一步的步骤：设定所述能量输入波束(3)的波束角(α)。

7.根据权利要求6的方法，其中，以窗孔(216)来设定波束角(α)。

8.根据权利要求7的方法，还包括步骤：对所述窗孔(216)的直径和在所述窗孔(216)与所述能量输入波束源(210)之间距离中的至少一个进行调整。

9.根据权利要求1的方法，其中，所述能量输入波束(3)的能量输入波束成分包括平行笔形波束(6.1、6.2、6.3、…)的分布。

10.根据权利要求9的方法，其中，形成所述能量输入波束(3)的步骤包括源调制，用于提供所述平行笔形波束(6.1、6.2、6.3、…)的不同横截面。

11.根据权利要求10的方法，其中，通过相对于所述物体(1)移动所述能量输入波束源来连续地设定所述投影方向。

12.根据权利要求11的方法，其中，借助于至少一个一维线状检测器或通过至少一个二维平面检测器来测量多个累计衰减值。

13.根据权利要求12的方法，其中，所述能量输入波束成分包括所述平行笔形波束(6.1、6.2、6.3、…)，并且用所述检测器同时测量具有相同投影方向的所有能量输入波束成分的累计衰减值。

14.根据权利要求13的方法，其中，读出所述检测器中专门预定的多个检测器元件组，以获得所述累计衰减值。

15.根据权利要求14的方法，包括步骤：确定与所述多个投影方向相对应的多个投影函数，其中，每一个所述投影函数都包括用平行于所述当前投影方向并与参考平面相交的能量输入波束成分所测量的累计衰减值，所述参考平面在不等距的交点处垂直于该投影方向。

16.根据权利要求15的方法，包括以下步骤：

通过将所述多个累计衰减值除以相应波束成分的射线厚度，来对所述多个累计衰减值进行按比例调整，以及

将所述多个按比例调整后的衰减值提供给图像重构过程。

17.根据权利要求16的方法，其中，测量所述累计衰减值，用于提供以下装置中所测量的Radon数据：

X射线计算机断层造影(CT)装置，

光断层造影，或

基于中子的传输检测系统。

18.成像装置(100)，用于对物体(1)的研究区域(2)进行成像，包括：

测量装置(200，300)，用于测量与多个投影方向相对应的投影函数，所述测量装置(200，300)包括：至少一个能量输入波束源(200，210)，用于产生具有多个独立能量输入波束成分(4.1、4.2、4.3、…、6.1、6.2、6.3、…)的至少一个能量输入波束(3)；以及检测器装置(300)，以及

形成装置(211，218)，适于将所述能量输入波束(3)形成为，使得为照射所述研究区域(2)而提供的能量输入波束成分(4.1、4.2、4.3、…、6.1、6.2、6.3、…)中的至少两个具有不同横截面，

其特征在于：

平行于所述多个投影方向之一的、且以邻接方式排列的多个平行能量输入波束成分(5.1、5.2、5.3、…)的组(5)提供对所述研究区域(2)的连续照射以及对所述研究区域(2)的完整照射，不存在属于各自组(5)的平行能量输入波束成分(5.1、5.2、5.3、…)重叠和产生间隙的情况，其中，所述能量输入波束成分(4.1、4.2、4.3、…、6.1、6.2、6.3、…)为所述多个平行能量输入波束成分(5.1、5.2、5.3、…)的所述组(5)，并且其中，所述多个平行能量输入波束成分的横截面随与中央能量输入波束成分之间的距离的增大而减小。

19.根据权利要求18的成像装置，其中，所述形成装置包括具有通孔(213)的波束遮拦(211，224)，其由能量输入遮蔽材料制造。

20.根据权利要求19的成像装置，其中，所述波束遮拦(211，214)布置在至少一个能量输入波束源(200，210)与所述研究区域(2)之间。

21.根据权利要求19或20的成像装置，其中，所述形成装置包括具有多个全部为相同尺寸的通孔(213)的平面波束遮拦(211，224)，或者具有多个不同尺寸的通孔(213)的弯曲源遮拦(211)。

22.根据权利要求21的成像装置，还包括第一调整装置(217)，用于调整在所述波束遮拦(211)与所述能量输入波束源(200，210)之间的距离。

23.根据权利要求22的成像装置，其中，所述能量输入波束源(200，210)适于产生扇形波束或圆锥形波束。

24.根据权利要求23的成像装置，还包括窗孔(216)，用于设定所述能量输入波束(3)的波束角(α)。

25.根据权利要求24的成像装置，还包括第二调整装置(217)，用于对所述窗孔(216)的直径和在所述窗孔(216)与所述能量输入波束源(200，210)之间距离中的至少一个进行调整。

26.根据权利要求25的成像装置，其中，所述检测器装置(310)包括至少一个一维线状检测器或至少一个二维平面检测器。

27.根据权利要求26的成像装置，其中，所述能量输入波束源(200，210)相对于所述物体(1)是可移动的。

28.根据权利要求22的成像装置，其中，所述能量输入波束源(200，210)适于产生平行笔形波束(6.1、6.2、…)。

29.根据权利要求28的成像装置，其中，所述能量输入波束源(200，210)包括可移动辐射发射器(210.1)，所述形成装置包括电流控制器(218)，用于控制所述辐射发射器(210.1)。

30.根据权利要求29的成像装置，还包括重构电路(400)，用于基于所测量的投影函数来重构图像函数。

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