CN101297323B - 利用双读取扫描器的成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于对对象(1)的研究区域(2)进行成像的成像方法，包括如下步骤：利用能量束源(10)产生能量输入束(3)；利用所述能量输入束(3)的能量输入束分量(4)沿多个投影方向照射所述研究区域(2)，所述能量输入束分量(4)用框架遮光罩(40)形成，所述框架遮光罩设置于所述能量输入束(10)和所述对象(1)之间并包括框架遮光罩窗(41)；利用设置于所述框架遮光罩(40)外部的外探测器装置(21)测量所述能量输入束分量(4)的第一积分衰减值；利用设置于所述框架遮光罩(40)内表面上的框架遮光罩探测器装置(24)测量所述能量输入束分量(4)的第二积分衰减值；以及基于所述第一和第二积分衰减值重建所述研究区域(2)的图像。此外，描述了一种用于对对象(1)的研究区域(2)进行成像的成像装置(100)。

Description

利用双读取扫描器的成像方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于包括多个投影函数的Radon数据对对象的研究区域进行成像的方法，所述多个投影函数是与相对于对象的多个预定投影方向对应测量的。尤其，本发明涉及一种计算机断层摄影(CT)成像方法。此外，本发明涉及一种尤其基于上述成像方法对研究区域进行成像的装置，例如CT装置。

背景技术

在不同技术领域中，如材料科学、非破坏性测试、医学检查、考古学、施工技术、有关安全问题的技术等中，对样本进行非破坏性研究是一个重要目标。一种例如通过计算机断层摄影获得样本图像的方法是基于用X射线从不同投影方向穿过样本平面的照射，随后基于在不同方向上测得的衰减数据重建样本平面。可以根据Radon空间中的所谓Radon数据来描述全部测得的衰减数据。

目前已知有针对Radon数据的多种不同重建方法。为了介绍常规图像重建的数学和物理原理，参考W.A.Kalender编写的教科书“ComputedTomography-Fundamentals，System Technology，Image Quality，Applications”(第一版，ISBN 3-89578-081-2)；G.T.Herman著的“Image Reconstructionfrom Projections：The Fundamentals of Computerized Tomography”，AcademicPress，1980；以及Thorsten M.Buzug著的“Einführung in dieComputertomographie”(Springer-Verlag，Berlin 2004)。可以将常规重建方法概括为迭代重建方法和滤波反投影方法。

迭代重建是一种基于多个迭代步骤的逼近方法。较高分辨率图像的迭代重建本质上的缺陷在于迭代会导致极长的计算时间。滤波反投影方法依赖于傅里叶切片定理，该定理描述了Radon数据的傅里叶变换和傅里叶变换后的图像数据之间的关系。使用傅立叶切片定理的一般缺陷在于重建中的内插步骤导致误差和伪影，这些误差和伪影具有随着空间频率增大而增大的趋势。只有用具有高分辨率的探测器才能避免该缺陷。然而，在剂量负荷、成本和数据处理时间方面限制了这些探测器的应用。

EP 04031043.5(本专利说明书申请日时尚未公开)中描述了一种根据Radon数据重建图像函数的改进方法。对于这种采用在圆盘上正交多项式展开的(orthogonal polynomial expansions on the disk)方法(下文中称为OPED算法)而言，根据Radon数据将表示研究区域的图像函数确定为乘以投影函数值的多项式之和，所述投影函数值是对应于穿过研究区域的多个预定投影方向测量的。该OPED算法尤其是在计算时间减少、噪声减少和改善成像分辨率方面具有根本优势。

用于采集Radon数据的常规计算机断层摄影成像装置包括用于照射对象的X射线源、用于测量穿过对象的衰减辐射的探测器装置和用于支撑对象的支撑装置。支撑装置设置在机架中，机架包括用于带X射线源和探测器装置的可旋转照射单元的承载体。对于所谓的第四代计算机断层摄影装置来说，如图13所示，由可旋转X射线源10′与固定的探测器环20′的组合取代了可旋转源-探测器-单元(参见上述Thorsten M.Buzug编著的教科书“Einführung in die Computertomographie”第51页)。探测器环20′包括环绕对象一圈设置的大约5.000个探测器元件。为了避免辐射经过X射线源附近的探测器，常规方法包括动态地倾斜探测器环20′。动态倾斜带来一个缺陷，因为它要求探测器环具有复杂的结构和倾斜控制。

常规的计算机断层摄影装置还有一个缺陷在于，并非所有施加到对象上的辐射都被采集并转换成有用的重建数据。因此，例如患者的对象遭受不必要的高辐射剂量。

上述缺陷不仅与常规CT成像有关，而且与所有涉及到Radon数据的可用重建方法有关。

发明目的

本发明的目的是提供一种通过根据采集到的Radon数据重建图像函数来对对象研究区域进行成像的改进成像方法，从而扩大了非破坏性研究的应用范围并避免了常规成像技术的缺陷。具体而言，本发明的目的是提供一种成像方法，其中，采集施加到对象上的所有辐射并用于提供重建图像函数所用的Radon数据，以便可以减小成像期间的辐射剂量。此外，该成像方法应当能够重建增大分辨率的图像函数而没有计算时间长的缺陷。本发明的另一目的是提供一种改进的成像装置，用于通过重建采集到的Radon数据来对研究区域进行成像。根据特定方面，本发明的目的是提供一种成像装置，该成像装置允许减小能量输入的量(例如辐射剂量)和研究区域内的散射效应。

利用包括专利权利要求1或15所述特征的方法或装置实现上述目的。在从属权利要求中定义了本发明的有利实施例和应用。

发明内容

关于成像方法，本发明是基于通过测量能量输入束分量的两组积分衰减值采集Radon数据的通用技术，所述能量输入束分量是利用环绕研究区域的框架遮光罩形成的。用设置于框架遮光罩外部的外探测器装置测量第一组积分衰减值，而用设置于框架遮光罩内表面上的框架遮光罩探测器装置测量第二组积分衰减值。

利用设置在框架遮光罩外侧上的能量束源装置产生能量输入束。利用框架遮光罩的框架遮光罩窗使能量输入束分量成形。利用外探测器装置或框架遮光罩探测器装置之一测量每个能量输入束分量。利用穿过设置在关于研究区域相对侧上成对的框架遮光罩窗的能量输入束分量测量第一组积分衰减值。利用穿过框架遮光罩窗并击中研究区域内表面上的框架遮光罩探测器的能量输入束分量测量第二组积分衰减值。

因此，本发明的Radon数据采集得到改善，使得每个能量束，例如进入对象研究区域的X射线束都被探测器捕获并被计数。另一方面，可以使用所有测得的衰减值来重建图像函数，使得每个能量束光子都用于重建，而且可以减少能量束剂量，例如X射线剂量，而不会降低信噪比。

具体而言，本发明的成像方法包括如下步骤：将对象定位于框架遮光罩中；利用设置于框架遮光罩外部的能量束源产生能量输入束；利用能量输入束分量沿多个投影方向照射研究区域；测量所述能量输入束分量的第一组和第二组积分衰减值；以及基于所述第一和第二积分衰减值重建所述研究区域的图像。所述照射步骤包括设置由框架遮光罩界定的投影方向。

与第四代常规断层摄影装置相比，由于是通过框架遮光罩窗照射研究区域，因而可以省去框架遮光罩的任何移动，例如常规的动态倾斜。框架遮光罩窗实现了三种功能。首先，能量束经过遮光罩透射到研究区域和外探测器装置。此外，由遮光罩使能量束分量成形。最后，如下所述通过遮光罩形成多组平行能量束分量。

这里所用的“研究区域”(ROI)一词通常指待成像的对象或其一部分。通常，可以将ROI描述为2维实体。为了重建对象的3维图像，对多个ROI进行成像。

这里所用的“投影方向”一词通常是指能量输入束在3维空间中经过ROI的线性路线。可以用相对于所用坐标系的角度定义投影方向。

在ROI处测得的Radon数据包括一组投影函数，对应于穿行通过ROI的多个预定投影方向确定各投影函数。每个投影函数包括利用特定数量(其在理论上可能是无限大的)的平行于当前投影方向的“投影”采集的数据。这些投影的特征在于在一维线上进行积分。通过测量足够数量的这些积分“投影”，可以从Radon数据重建出对象的图像函数。

投影函数值一般是由沿相应投影方向经过ROI传播的能量输入束的变型(modification)(尤其是例如因吸收或散射导致的衰减)确定的。

根据本发明的优选实施例，将ROI的图像函数重建为乘以从第一组积分衰减值获得的第一投影函数值的第一多项式和与乘以从第二组积分衰减值获得的第二投影函数值的第二多项式和的叠加。优选地，提供线性叠加。首先，将EP 04031043.5中描述的重建算法(OPED算法)分别应用于用框架遮光罩和外探测器测得的多组衰减值。接下来，叠加用不同组衰减值获得的图像。因此，利用本发明的成像方法可以完全获得EP 04031043.5中描述的OPED算法的优点。

优选地，从利用感测相应的第一和第二组平行能量输入束分量的探测器测得的第一组和第二组积分衰减值获得用于OPED算法的投影函数。由于框架遮光罩提供的扫描几何结构，自动生成多组平行能量输入束分量。框架遮光罩固定的几何结构确保了每个探测到的束分量属于多个平行能量输入束分量。

本发明的另一个重要优点在于，应用该成像方法不一定局限于实施上述OPED算法，而是甚至可能用其他算法来重建图像。根据本发明的另一实施例，图像重建步骤包括实施滤波反投影算法(FBP算法)。本发明的该实施例在FBP软件工具的可用性以及与常规数据处理技术的兼容性方面具有特别的优点，但不像使用OPED算法时那样适当。

本发明的成像方法尤其包括如下步骤：沿着分布在至少180°的角范围上的多个不同投影方向利用由框架遮光罩成形的能量输入束分量照射ROI。至少在包括投影方向的平面内框架遮光罩和对象大致是相互固定的。可以用各种技术设置投影方向。

根据本发明的优选实施例，通过使能量束源和框架遮光罩相对于彼此地移动来设置投影方向。优选地，能量束源装置仅包括一个可绕框架遮光罩移动的能量束源。或者，移动的能量束源可以包括一个以上的能量束源，例如两个、三个或更多的能量束源。对于本实施例而言，通过参考对象相对于固定框架遮蔽罩移动能量束源并根据相对于ROI的特定角位置采集数据来设置投影方向。具有单个可移动能量束源的该实施例具有如下优点：避免了用于在与能量束源相对的位置设置外探测器装置的空间上的任何不足。优选地，连续地移动一个(或多个)能量束源。

根据本发明的另一优选实施例，外探测器装置包括一个可绕框架遮光罩移动的外探测器阵列，用于以变化的投影方向测量第一积分衰减值。如果移动的能量束源包括一个以上的能量束源，则外探测器装置相应地包括多个外探测器阵列。一个(或多个)外探测器阵列可与能量束源装置同步移动，从而能够通过将能量束源装置和外探测器装置的组合移动到相对于ROI的特定角位置来自动设置投影方向。

根据本发明特别优选的实施例，同时绕框架遮光罩旋转能量束源和外探测器阵列，以设置投影方向。优选地，两个部件都设置在环绕框架遮光罩和ROI的公共承载体上。该实施例的特别优点在于，可以利用常规成像装置，例如计算机断层摄影装置实现能量束源装置和外探测器装置绕ROI的同步旋转。

根据另一备选方案，能量束源和外探测器装置是固定的，而通过移动，例如旋转框架遮光罩以及源和探测器装置之间的对象来设置投影方向。该实施例对于显微CT应用，例如关于小的对象特别有益。

根据有一个备选方案，所有的部件都是固定的。在这种情况下，能量束源装置包括多个围绕框架遮光罩与相应外探测器阵列相邻的圆周分布的单个源。通过激活单个源并随后变化相对于对象的照射角度来设置投影方向。

可以利用不同类型的用于提供Radon数据的能量输入束来应用本发明的成像方法。这里所用的“能量输入束”一词是指经过ROI沿直线(或基本直线)传播的所有类型的物理量，由于与ROI的交互作用而导致所承载的能量发生变化。具体而言，“能量输入束”一词涵盖了电磁辐射或粒子辐射。优选地，能量输入束包括X射线。如果把X射线源装置用作能量束源装置，可以使用由框架遮光罩升级的常规计算机断层摄影装置来实施本发明的成像方法。

关于该装置，本发明一般基于提供一种成像装置，该成像装置具有设置于围绕被研究对象的承载体上的能量束源装置和用于测量来自能量束源的透射经过对象的辐射的探测器装置。该成像装置具有框架遮光罩，该框架遮光罩根据ROI取向的至少一个平面中围绕对象并包括使能量束分量成形的框架遮光罩窗。此外，该框架遮光罩窗界定多个用于照射ROI的可用投影方向。该探测器装置包括外探测器装置和框架遮光罩探测器装置。外探测器装置设置于框架遮光罩外部，而框架遮光罩探测器装置包括设置于框架遮光罩内表面上的各框架遮光罩窗之间。利用框架遮光罩，提供了一种新的探测几何结构，该结构使用了相对于ROI均匀间隔的投影角并将来自能量束源装置的具有例如扇形束几何结构的能量束自动转换成平行能量束分量。

优选地，框架遮光罩具有轴向延伸覆盖ROI的环形或平面圆柱形。或者，框架遮光罩具有轴向延伸覆盖整个对象的管形或长圆柱形。尤其优选的是具有圆形截面的环形或管形框架遮光罩。利用该圆形截面，获得了有效实施图像重建算法的优点。

有利地，框架遮光罩和支撑装置相对于承载体具有固定位置。在这种情况下，可以移动，例如绕着框架遮光罩旋转源和探测器装置中的至少一个以采集数据。或者，如果源和探测器装置包括多个环绕支撑装置分布的单个源和探测器阵列，则可以在空间中固定所有部件。

根据本发明的优选实施例，能量束源装置包括可移动地设置于承载体上的单个能量束源。有利地，一个能量束源足以设置变化的投影方向。如果单个能量束源和单个外探测器阵列都形成设置于承载体上的公共单元，且该公共单元被包括在如常规CT装置所知的CT机架中，则会获得更多优点。

根据本发明的另一优选实施例，框架遮光罩窗具有相等的尺寸，从而获得ROI的均匀照射和投影到平面外探测器上的能量束分量的相等尺度。优选地，框架遮光罩的外表面装备有屏蔽，这具有保护框架遮光罩探测器不受照射的优点。

根据本发明的有利实施例，成像装置具有重建电路，该重建电路适于基于由探测器装置探测到的衰减值进行图像重建。

本发明优选应用在如材料科学、非破坏性测试、医学检查、考古学、施工技术、有关安全问题技术的技术领域中。

附图说明

在下文中参照附图描述本发明的更多细节和优点，附图中：

图1为根据本发明的成像装置实施例的示意图；

图2为根据本发明的成像装置几何结构的另一图示；

图3为示出了根据本发明的成像方法实施例的流程图；

图4到12为示出了根据本发明的Radon数据采集原理的图示；以及

图13为常规成像装置(现有技术)的示意图。

具体实施方式

在下文中参考优选在计算机断层摄影中的应用描述本发明。应当强调的是，可以在应用其他类型能量输入束(例如在VIS或IR范围中的中子或光)时以类似方式实施本发明。此外，以下对优选实施例的描述主要是指扫描几何结构、数据采集及数据处理。参考固定的框架遮光罩和旋转的源探测器单元描述扫描几何结构。可以用固定的源探测器单元和旋转的框架遮光罩以类似方式实施本发明。只要是常规CT装置中已知的，就不会描述用于实施本发明的CT装置的细节。

1.本发明的成像装置

图1示意性示出了根据本发明的成像装置100的实施例，其包括设置在承载体50上的能量束源装置10；探测器装置20，其包括设置在承载体50上的外探测器装置21和设置在框架遮光罩40的内表面上的框架遮光罩探测器装置24；用于容纳对象1的支撑装置30以及重建电路60。

如从CT装置所知的，例如从当前的医疗CT系统所知的，构造部件10、30和50。具体而言，能量束源装置10包括可移动的X射线源11，且与外探测器装置21组成源探测器单元51。源探测器单元51设置在承载体50上，承载体50例如是常规CT机架中公知的导轨。承载体50被图示为一个允许绕着对象1旋转能量束源装置10和外探测器装置21的圆。根据变型，源承载体可以具有椭圆形或另一种形状。这能够带来适应被研究对象的几何形状的优点。支撑装置30例如是CT系统中公知的承载台，或是用于相对于能量束源装置10和探测器装置20设置和调节对象1的任何其他承载体或底层支架。如现有技术装置公知的，提供其他部件，例如控制装置、显示装置等(未示出)。

外探测器装置21包括与能量束源装置10相对地、可移动地设置在承载体50上的探测器阵列22。利用这种结构，可以通过绕着支撑装置30旋转带有部件10、21的源探测器单元51来设置通过ROI的投影方向(平行于图平面)。探测器阵列22是设置在诸如柱面或球面的弯曲参考面(参见图2)或平面参考面(参见图5)上的线性或2维传感器元件阵列。

框架遮光罩40(示意性示出)包括具有外侧的环形部件，在该外侧上设置能量束源装置10和外探测器阵列22。框架遮光罩40包括彼此隔开预定弧长的框架遮光罩窗41。框架探测装置24包括多个置于框架遮光罩窗41之间的框架遮光罩40内表面上的单框架探测器25。每个框架探测器25包括单个传感器。使用X射线屏蔽材料43，如铅或钨制造框架遮光罩40，或者至少根据框架遮光罩探测器25的位置覆盖框架遮光罩50的外表面。

相对于承载体50固定框架遮光罩40。为了记录2维图像，同样相对于支撑装置30固定框架遮光罩40。提供将框架遮光罩40支撑在适当位置并承载框架遮光罩探测器25的电连接的结构(未示出)。框架遮光罩40具有环形或柱形，其截面(通常为圆形截面)与参考平面对准，从X射线源11到外探测器装置21的射线穿过其中。这样设置对象1，使得在该参考平面中对准ROI。以下描述用于重建3维图像的相应技术。

重建电路60包括常规CT装置中公知的计算单元。根据本发明，计算单元包括适于实施构建投影函数和重建ROI图像的步骤的电路(参见下文)。

框架遮光罩40和源探测器单元51代表了成像装置的主要部分，其根据本发明确定照射和测量二者。参照图2进一步表征这些部分。

在包含ROI 2的圆盘边界处设置带有框架遮光罩探测器25的框架遮光罩40。在如下所述的算法语境中，将该圆盘视为单位圆盘。框架遮光罩40和圆盘都被固定。框架遮光罩探测器25代表了框架遮光罩探测器装置24的通道。每个框架遮光罩探测器25包括具有1维或2维设计的单个传感器。沿着框架遮光罩40的内表面分布了2m+1个框架(m为自然数)遮蔽罩探测器25。每个框架遮光罩探测器25具有相同的径向宽度，其等于单位圆上的弧长π/(2m+1)。框架遮光罩探测器25的中心位于2jπ/(2m+1)(其中0＜j＜2m)。框架遮光罩窗41分隔开由框架遮光罩探测器25形成的通道。框架遮光罩窗41具有与探测器25相同的宽度(2π/(4m+2)))。在医学应用中，可以提供如下的示例：单位圆盘的直径：60cm，每个探测器(每个窗)的径向宽度：1mm，探测器/窗数目：1000。对于重建2维图像而言，框架遮光罩的轴向宽度：0.5到50mm。对于其他应用，例如在显微CT应用中，可以使用其他尺寸。

成像装置的第二主要部分是带有X射线源11和外探测器装置21的源探测器单元51(参见图1)。源探测器单元51可以在承载体上绕着单位圆盘的中心(或另一定点)移动。X射线源11和外探测器装置21之间的距离大于单位圆盘的直径，使得源探测器单元51的(近侧)X射线源11和(宽的)外探测器装置21都在框架遮光罩40外部。外探测器装置21包括划分成若干探测器通道的探测器阵列，探测器通道的宽度仅取决于探测器装置21的距离和单位圆盘的半径。对于弯曲的探测器阵列而言，探测器通道的宽度取决于曲率。

在图2中，外探测器装置21被示为一段圆弧，但它也可以是图5所示的装有探测器的平板。通常，尽可能靠近ROI定位和移动X射线源11(图1、2)。不过，这一特征不是严格必须的。可以以更大距离设置X射线源11(例如在医学应用中，在15cm到100cm的范围内)。

X射线源11发射的X射线透射通过框架遮光罩40近端的框架遮光罩窗41，该框架遮光罩窗41充当着束成形装置。因此，形成了具有以下指定厚度的若干X射线束分量的扇形。

透射通过框架遮光罩窗41的X射线束分量将击中单位圆盘的远端。一些束分量将击中框架遮光罩40内表面上的框架遮光罩探测器25，而其他束分量将穿过框架遮光罩40远端的框架遮光罩窗41并击中外探测器装置21的探测器阵列22(源探测器单元51的宽端)。将用外探测器装置21测量的第一组衰减值称为动态数据，而将用固定框架遮光罩探测器25测量的第二组衰减值称为静态数据。

2.本发明的成像方法

在图3中，概括了执行本发明的成像方法的步骤。首先，准备要研究的对象，例如患者头部或患者身体的另一部分(步骤S1)。准备对象包括在CT机架中的支撑装置30上定位对象，使得研究区域与源探测器单元51和框架遮光罩40对准(参见图1)。接下来，对象受到照射(步骤S2)。操作X射线源11，用于生成指向对象和探测器装置20的扇形或锥形X射线束。X射线束透射通过框架遮光罩40，以便由框架遮光罩窗41形成X射线束分量。测量积分衰减值(步骤S3)包括感测由外探测器装置21和框架遮光罩探测器25接收的X射线。连续执行步骤S2和S3，用于在多个投影方向上测量照射穿过对象1的X射线。在承载体50上完全旋转源探测器单元51来设置投影方向。步骤S3自动包括数据的离散化。由于本发明的探测几何结构，记录下离散衰减值数据。外探测器装置21和框架遮光罩探测器25测得的衰减值形成第一组和第二组积分衰减值，这些积分衰减值用于构建投影函数的步骤(步骤S4)和用于重建ROI图像的数据处理步骤(步骤S5)。

在步骤S1到S3的至少一步中，可以对对象进一步进行例如增加造影剂或介入手段的操控。尤其是在医学应用的成像方法中，本发明的该实施例在采集动态图像或对变化对象进行成像方面具有特别的优点。

以下更加详细地描述构建投影函数的步骤(步骤S4)。每个投影函数包括多个平行的投影，它们是通过分配探测器装置20测得的束分量获得的。通过分配，扇形束几何形状变成根据Radon数据重建图像所需的平行几何形状。

在图4中，示意性示出了将扇形X射线束分量分配到多组平行X射线束分量。图4中的外侧圆圆周上的实心圆点表示来自X射线源11的束分量透射穿过的框架遮光罩窗的中心位置，而小圆圈表示框架遮光罩探测器25。仅绘出与ROI 2(内部圆盘)有交点的那些线。从X射线源11向框架遮光罩探测器25发射的X射线束分量自动变成平行线。例如，短划线L1表示第一组平行束。另一方面，从X射线源11向外探测器23发射的X射线束分量也变成平行线。这些投影的方向是从源11穿过框架遮光罩探测器25之间的框架遮光罩窗的线的方向。例如，点线L2表示第二组平行束。

对于通过图4所示的分配获得的一组平行线而言，平行短划线位于垂直于平行方向且中心位于单位圆盘的圆心的轴上的切比雪夫(Chebyshev)点，cos(2j+1)π/(2m+1)，j＝0，1，...2m。为了更详细地描述切比雪夫点，特别将EP 04031043.5引入到本说明书中。

3.动态数据的采集

参照图5到8描述动态数据的采集。图5示出了被框架遮光罩40围绕的支撑装置30上的对象1。X射线源11设置在承载体50上。在承载体50上与X射线源11相对地设置具有直线形探测器阵列22的外探测器装置21。探测器阵列22包括多个传感器元件23。每个传感器元件23由单个传感器或相连的单个传感器的子阵列构成，设置每个传感器元件23以探测通过相应一对框架遮光罩窗的一个能量束分量。因此，每个传感器元件23表示外探测器装置21的一个探测通道。由于经过成对框架遮光罩窗的投影宽度随着扇形角的增大而减小，因此传感器元件23的尺寸从探测器阵列22的中心到两端逐渐减小。

框架遮光罩40包括N个框架遮光罩窗41。在本说明书中，将框架遮光罩窗41的数目N设定为奇数。本发明的实施不限于该实施例。可以用类似方式考虑N为偶数的情况。

从X射线源11发射的扇形束3被转变成多个X射线束分量4。根据X射线源11和框架遮光罩窗41的相对位置，全部X射线束分量或其部分(4.1，4.2)分别击中框架遮光罩40内表面上的框架遮光罩探测器(例如25)或外探测器阵列22的传感器元件(例如23)。对传输到外探测器装置21的能量束分量重新排序或分配获得动态数据，该动态数据由图6中的平行X射线束分量5代表。

在图6中，将静止框架遮光罩40(半径r)与平行组的X射线束分量5一起绘示。每个黑色条纹对应于外探测器装置的探测器通道。这些条纹的几何形状由“窗到窗”的一对来定义，并可以由两个参数t和来描述。参数t为静止框架遮光罩40的中心和连接对应的框架遮光罩窗41中心的线(例如图6中的线L3)之间的带符号距离。参数

为初始方向e₀和垂直于L3的方向(图6中的方向e)之间的角度。

用以下两个表达式表示这些条纹：

${\mathrm{\θ}}_i^0=\frac{(1+2i)\mathrm{\π}}{N},t_i^0=r{\cos \mathrm{\θ}}_i^0,i=0,...,(N-3)/2;$

${\mathrm{\θ}}_i^1=\frac{2\mathrm{\πi}}{N},t_i^1=r\cos {\mathrm{\θ}}_i^1,i=1,...,(N-1)/2,$

其中δ为角度，在固定坐标系中其决定着e₀。

表达式(1)和(2)之一是冗余的。以下等价关系成立：

由(2)给出的描述条纹(图6中的附图标记5)的成对数目正好是比所有条纹(X射线束分量)数目大两倍，因为在绕固定框架遮光罩40旋转X射线源的一个周期中通过每个条纹两次。

外探测器装置21仅接收路径完全位于所述条纹之一中的那些光子。因此，在外探测器装置21的传感器元件23和条纹之间存在如下对应关系。以零偏移沿着逆时针方向对传感器元件进行计数，第k个传感器元件与条纹

相关，其中b＝kmod 2且l＝(k+b)/2。相反，路径位于条纹中的光子在传感器元件2l-b中被接收。这一对应关系的结果是，在外探测器装置的传感器元件和参数t_l ^b之间有一对一的映射。因此，可以基于对应的参数t_l ^b简单地识别和读取每个传感器元件。从以上等价关系(3)和(4)得出：传感器元件t_l ⁰和t_(N-1)/2-i ¹，0≤i≤(N-3)/2(或：t_l ¹和_t(N-1)/20i ⁰，0≤i≤(N-3)/2)采集相同条纹上的信息。可以通过X射线源相对于对应X射线束分量的位置的双重特征解释这种现象。将对应的传感器元件称为“等价传感器元件”。图6中描绘了等价传感器元件探测出的两组平行X射线束分量。

在源探测器单元51旋转期间，外探测器装置的单个传感器元件接收来自大组X射线束分量的信息。以下参照图7描述处理该信息的方式。

在图7中，绘出了单个传感器元件23的三个控制位置。传感器元件23接收X射线源11的位置P1和P2之间的光子，而在位置P2和P3之间则由框架遮光罩40屏蔽。因此，可以将位置P1视为“接通”，将位置P2视为“切断”，将位置P3视为再次“接通”。在“接通”和“切断”之间的时间间隔中，采集有关仅一个清楚X射线能量束分量(条纹)的信息。单个传感器元件t_l ^b的“接通”点β_l ^b(j)以2π/N角度增量均匀分布在X射线源的圆形轨迹上，可以如下描述：

其中R为源轨迹的半径。仅仅相对于由角度π/N设置的“接通”偏移该组对应的“切断”点。

在方程(5)的基础上，可以从传感器元件读出动态数据并分配给为图像重建步骤S5(图2)提供输入的预定顺序的平行通道。

图8中示出了动态数据采集的变型描述。该描述对应于本发明的变型实施例。这是基于源探测器单元51是固定的而带有框架遮光罩的圆盘是旋转的这一特征。在图8中，实线圆弧表示框架遮光罩40的一个位置，绘制出两条短划线L4来标记X射线透射到外探测器装置21所经过的特定框架遮光罩窗41。将外探测器装置21描绘成包括多个传感器元件23。点划线圆弧表示框架遮光罩40相对于源探测器单元51的另两个位置，它们是界定如两条实线L5所示的探测器上的通道尺寸的两个极限位置。左边的实线标记出当X射线源11与框架遮光罩窗41的两个端点对准时且框架遮光罩40处于短划线圆弧标记的位置时的位置，右边的实线标记出当框架遮光罩处于由点划线圆弧标记的位置时同样的对准情况。

当框架遮光罩40和源探测器单元彼此相对旋转时(在实践中：当源探测器单元旋转时)，通过外探测器装置21的通道采集由X射线源11发射的经过这两个特定框架遮光罩窗的X射线。因此，界定探测器装置的通道。探测到的光子积累表示从底部的框架遮光罩窗到顶部的框架遮光罩窗的X射线束分量的数据。还将这些数据分配给平行射线，它们的方向是图4所示点线L2的方向。

所得的动态数据被表示为

$R_2:=\{R_{2v+1}\left(\frac{2\mathrm{j\π}}{2m+1}\right):0\≤v\≤2m,1\≤j\≤m\}.---\left(6\right)$

4.静态数据的采集

在图9中，示出了通过测量第二组积分衰减值对静态数据的采集。标记出框架遮光罩探测器25的一个通道并指示出通过框架遮光罩窗41之一的X射线束分量。两条短划线L6表示经过框架遮光罩窗41透射到框架遮光罩探测器25的X射线束分量，而实线L7表示X射线源11绕单位圆盘运动时的极限位置。当源位于实线L7之间的圆弧内时，其发射的X射线束分量将击中框架遮光罩探测器25。所探测到的光子累积表示从框架遮光罩窗41到框架遮光罩探测器25的X射线束分量的积分衰减值。

在分配步骤之后，如图10所示的可以表示由框架遮光罩探测器25接收的平行组X射线束分量的配置。与图6的表示相反，基于“窗到探测器”对表示静态数据。灰色条纹(6)和黑色条纹(7)表示两组平行的X射线束分量。可以由(

t_i)对唯一地描述每一个条纹，其中

$t_i=r{\cos \mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_i=\frac{(1+2i)\mathrm{\π}}{2N},i=0,...,N-1---\left(7\right)$

可以通过如下关系用j＝0，...，N-1简单地标识框架遮光罩探测器25的每个传感器元件：

其中

为传感器元件中心的角坐标。

图11示出了如在动态数据采集情况下的“接通”-“切断”中框架遮光罩探测器25的单个传感器元件发生的活动。当源探测器单元51逆时针方向旋转时，框架遮光罩探测器25的活动是在X射线源11的位置P1处被接通，而在位置P2处被切断，并在位置P3处再次被接通。

在绕静止框架遮光罩40旋转期间，X射线源的辐射以交替切断-接通的方式击中特定的框架遮光罩探测器25，如图12所示。每个清楚的击中事件对应于X射线源11从框架遮光罩窗41汇聚到框架遮光罩探测器25的某一X射线束通道。在X射线源11逆时针方向旋转时，汇聚到探测器元件

的条纹组Ω_k可以如下表达。

$m_{2j}^k=(k+j)\mathrm{mod}N,j=0,...,(N-1)/2,$

$m_{2j+1}^k=(k+(N+1)/2+j)\mathrm{mod}N,j=0,...,(N-3)/2,$

以及

那么

探测器元件

的“接通”位置的坐标(β_k ^j)为：

其中如果j为偶数，s＝1，否则为-1。框架遮光罩探测器的“切断”位置的坐标为 ${\mathrm{\β}}_k^j+\mathrm{\π}/N.$

基于以上传感器元件活动的接通-切断状态以及在方程(5)和(10)中定义的对应控制点的信息适当地记录传感器元件的输出信号。可以以不同方式实施记录步骤。首先，可以将每个离散传感器元件与N维矩阵相关联。将给定传感器元件的每个击中脉冲记录到其矩阵的对应单元中。在绕着静止框架遮光罩旋转源探测器单元51一个周期之后完成向矩阵中的记录。

击中脉冲具有有限长度，即界定在有限区间或冲击支持之上。冲击支持点中的信号值与传感器元件即刻探测到的光子数有关。在冲击支持上的积分提供了在单个X射线束通道上传播时由传感器元件探测到的光子总数。

对于由单位圆盘B²＝{(x，y)：x²+y²≤1}上定义的函数f(x，y)描述的2维图像而言，Radon投影为如下的线积分：

R_θ(f；t)：＝∫_I(θ，t)f(x，y)dxdy，0≤θ≤2π，-1≤t≤1，    (11)

其中I(θ，t)＝{(x，y)：xcosθ+ysinθ＝t}∩B²为B²内的线段。粗射线表示平均值(Radon投影的积分)。在本说明书中，无论X射线束分量粗细与否，为Radon数据都使用相同的标记。因此，用下式表示Radon数据：

$R_v\left(\mathrm{\θ}\right):=R_{\mathrm{\ξv}}(f;\cos \mathrm{\θ}),{\mathrm{\ξ}}_v=\frac{\mathrm{v\π}}{4m+2},0\≤v\≤4m.---\left(12\right)$

可以为图4所示的遵循几何结构的OPED算法将在多个框架遮光罩探测器中采集到的衰减值分配给平行射线。有2m+1个视图，每个视图有M＝2m+1个与ROI相交的X射线束分量，由框架遮光罩探测器25登记其Radon数据。该组数据由下式表达：

$R_1:=\{R_{2v}\left(\frac{2j+1}{4m+2}\right):0\≤v\≤2m,0\≤j\≤2m\}---\left(13\right)$

其中应当将其X射线束分量在ROI之外的数据视为零。

5.OPED算法的应用

在源探测器单元51沿着圆盘运动时，采集包括静态数据和动态数据的Radon数据。将静态数据和动态数据一起用于重建ROI的图像(图2中的步骤S5)。用于重建的算法优选基于如下所述的分成两种不同类型几何结构的OPED算法。通过引用将EP 04031043.5中描述的图像构建算法的介绍并入本说明书中。在下文中，描述用于基于静态和动态数据重建图像的OPED算法的变型。

可以将单位圆盘B上的每个平方可积函数表示为如下总和：

其中投影_nf为f在n次正交多项式的子空间上的投影。在L²(B)范数中方程表示为

。函数S_nf为正交展开的第n个部分和，它是L²范数中的f的最佳多项式逼近。

变型的算法基于如下S_nf(x，y)的公式：

$S_n(f;x,y)=\underset{v=0}{\overset{2n+1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-1}^1{R}_{\mathrm{\ξv}}(f;t){\mathrm{\Φ}}_v(t;x,y)\mathrm{dt}---\left(16\right)$

其中

${\mathrm{\Φ}}_v(t;x,y)=\frac{1}{2n+2}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(k+1)U_k\left(t\right)U_k(x\cos \frac{\mathrm{v\π}}{2m+1}+y\sin \frac{\mathrm{v\π}}{2m+1}).---\left(17\right)$

为了从方程(16)导出变型的OPED算法，将两个不同的求积公式用于S_2m(n＝2m)中的积分。

$\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-1}^{1}f\left(t\right)\frac{\mathrm{dt}}{\sqrt{1-t^2}}\≈\frac{1}{2m+1}\underset{j=0}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\cos \frac{(2j+1)\mathrm{\π}}{4m+2}\right),---\left(18\right)$

$\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-1}^{1}g\left(t\right)\sqrt{1-t^2}\mathrm{dt}\≈\frac{1}{2m+1}\underset{j=1}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2\frac{\mathrm{j\π}}{2m+1}g\left(\cos \frac{\mathrm{j\π}}{2m+1}\right).---\left(19\right)$

利用本发明的成像方法采集两组数据。除了根据方程(6)的动态数据R₂之外，还考虑静态数据 $R_{2v+1}\left(\frac{(2j+1)\mathrm{\π}}{2m+1}\right),$ 其方向为从图4中的小圆到小圆的线。为此，使用后继框架遮光罩探测器的测量值之间的内插。

对于方程(13)中的静态数据R₁，采用方程(18)。这产生如下的和：

$A_{2m}^{\left(1\right)}f(x,y)=\underset{v=0}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{2v}\left(\frac{(2j+1)\mathrm{\π}}{4m+2}\right)T_{j,v}^{\left(1\right)}(x,y),---\left(20\right)$

其中

$T_{j,v}^{\left(1\right)}(x,y)=\frac{1}{2m+1}\sin \frac{(2j+1)\mathrm{\π}}{4m+2}{\mathrm{\Φ}}_v(\cos \mathrm{\ξ}{i}_{2j+1};x,y)---\left(21\right)$

对于方程(6)中的动态数据R₂，采用方程(19)。这产生如下的和：

$A_{2m}^{\left(2\right)}f(x,y)=\underset{v=0}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{2m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{2v+1}\left(\frac{\mathrm{j\π}}{2m+1}\right)T_{j,v}^{\left(2\right)}(x,y),---\left(22\right)$

其中

$T_{j,v}^{\left(2\right)}(x,y)=\frac{1}{(2m+1)}\sin \frac{\mathrm{j\π}}{2m+1}{\mathrm{\Φ}}_v({\mathrm{\ξ}}_{2j};x,y).---\left(23\right)$

最终的重建步骤由以上两项的平均给出：

$A_{2m}f(x,y)=\frac{1}{2}[A_{2m}^{\left(1\right)}f(x,y)+A_{2m}^{\left(2\right)}f(x,y)]---\left(24\right)$

以下数学描述指的是被圆圈围绕的圆盘。应当强调的是，可以针对椭圆围绕的区域进行类似考虑。对于椭圆方程(x²/a²)+(y²/b²)＝1，变量变化x＝au和y＝bv使其返回到圆盘u²+v²＝1的情形。如果能够引入相应的变量变化，则其他变型形状也是可能的。可以构建相应的框架遮光罩，但考虑到该算法，不如圆形或椭圆形截面适合。

为了了解本文所用的数学工具的更多细节，参考以下出版物：R.Marr的“On the reconstruction of a function on a circular domain from a samplingofits line integrals”，“J.Math.Anal.Appl.”第45卷，1974年，第357-374页；F.Natterer的“The mathematics of computerized tomography”1986年原始文本“Classics in Applied Mathematics 32”的重印版，SIAM，Philadelphia，PA，2001年；F.Natterer和F.Wuebbeling的“Mathematical Methods in ImageReconstruction”SIAM，Philadelphia，PA，2001年；C.Dunkl和Yuan Xu的“Orthogonal polynomials of several variables”Cambridge University Press，2001年；Yuan Xu“Funk-Hecke formula for orthogonal polynomials on spheresand on balls”，“Bull.London Math.Soc.”第32卷，2000年，第447-457页；以及Yuan Xu的“Representation of reproducing kernels and the Lebesgueconstants on the ball”，“J.Approximation Theory”第112卷，2001年，第295--310页。

6.其他算法的应用

根据本发明的另一实施例，步骤S5(图3)可以包括应用FBP算法。可以与后续的所得部分图像叠加相独立地在采集到的第一和第二组数据上采用FBP算法。或者，可以同时在所有采集到的数据上采用FBP算法。

7.3维图像的记录

利用本发明的探测几何结构，可以处理螺旋投影数据，以获得对象的3维图像。因此，沿预定方向，例如垂直于在照射对象以获得螺旋状投影数据的步骤S2期间投影方向平移对象和源探测器单元中的至少一个。优选地，将研究对象，例如患者移动通过CT机架，患者躺在患者台上。患者台进行连续移动。

为了采集到螺旋投影数据，可以使用上述平面环形框架遮光罩。在这种情况下，框架遮光罩可以相对于对象，例如垂直于包括投影方向的平面移动。或者，框架遮光罩具有在待成像对象的整个长度上延伸管状形状。管形框架遮光罩具有沿着管的纵向延伸成螺线或直线窗的框架遮光罩窗。此外，可以将管形框架遮光罩与固定管形外探测器和/或固定多焦点源装置结合使用。

利用这种方法，能够采集到所谓的螺旋CT数据集，其包括第一组和第二组衰减值。具体而言，可以用上述的类似方式重建螺旋CT数据集，以获得一堆2维图像，将这些2维图像组合成对象的3维图像。

Claims (26)

1.一种用于对对象(1)的研究区域(2)进行成像的成像方法，包括如下步骤：

-利用能量束源(10)产生能量输入束(3)，

其特征在于还包括如下步骤：

-利用所述能量输入束(3)的能量输入束分量(4)沿多个投影方向照射所述研究区域(2)，所述能量输入束分量(4)用框架遮光罩(40)形成，所述框架遮光罩设置于所述能量输入束(3)和所述对象(1)之间并包括框架遮光罩窗(41)，

-利用设置于所述框架遮光罩(40)外部的外探测器装置(21)测量所述能量输入束分量(4)的第一积分衰减值，

-利用设置于所述框架遮光罩(40)内表面上的框架遮光罩探测器装置(24)测量所述能量输入束分量(4)的第二积分衰减值，以及

-基于所述第一和第二积分衰减值重建所述研究区域(2)的图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重建图像的步骤包括如下步骤：将图像函数确定为与从所述第一积分衰减值获得的第一投影函数值相乘的第一多项式的和与与从所述第二积分衰减值获得的第二投影函数值相乘的第二多项式的和的加和。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一和第二投影函数分别是从针对第一和第二组平行能量输入束分量测得的第一和第二积分衰减值获得的，其中，由于所述框架遮光罩提供的扫描几何结构，自动生成所述第一和第二组平行能量输入束分量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重建图像的步骤包括通过滤波反投影算法确定图像函数的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述照射步骤包括通过使所述 能量束源(10)和所述框架遮光罩(40)相对于彼此进行移动来设置投影方向的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述照射步骤包括在所述外探测器装置(21)和所述框架遮光罩(40)相对于彼此移动的同时根据所述投影方向测量所述第二积分衰减值的步骤。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述框架遮光罩(40)和所述对象(1)具有固定位置，且所述能量束源(10)和所述外探测器装置(21)中至少一个绕所述框架遮光罩(40)移动。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述能量束源(10)和所述外探测器装置(21)同时绕所述框架遮光罩(40)移动。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述能量束源(10)和所述外探测器装置(21)在承载体(50)上绕所述框架遮光罩(40)旋转。

10.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述能量束源(10)和所述外探测器装置(21)具有固定位置，且所述框架遮光罩(40)和所述对象(1)相对于所述能量束源(10)和所述外探测器装置(21)移动。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述框架遮光罩(40)和所述对象(1)相对于所述能量束源(10)和所述外探测器装置(21)旋转。

12.根据权利要求1到4中至少一项所述的方法，其中，所述能量束源(10)、所述外探测器装置(21)、所述框架遮光罩(40)和所述对象(1)彼此之间是固定的，且所述照射步骤包括通过操作多焦点源来设置所述投影方向的步骤。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能量束源(10)包括X 射线源(11)。

14.根据权利要求1所述的方法，包括通过对多个研究区域(2)进行成像来重建所述对象(1)的3维图像的步骤。

15.一种用于对对象(1)的研究区域(2)进行成像的成像装置(100)，包括：

-适于照射所述对象(1)的能量束源装置(10)，

-适于测量来自所述能量束源装置(10)并透射通过所述对象(1)的辐射的探测器装置(20)，以及

-用于支撑所述对象(1)的支撑装置(30)，

其特征在于

-围绕所述支撑装置(30)并包括框架遮光罩窗(41)的框架遮光罩(40)，其中

-所述能量束源装置(10)设置于所述框架遮光罩(40)的外侧上，并且

-所述探测器装置(20)包括设置于所述框架遮光罩(40)的外侧上的外探测器装置(21)以及设置于所述框架遮光罩(40)的内表面(42)上的框架遮光罩探测器装置(24)。

16.根据权利要求15所述的成像装置，其中，所述框架遮光罩(40)包括环形遮光罩。

17.根据权利要求15或16所述的成像装置，其中，所述框架遮光罩(40)相对于所述支撑装置(30)是固定的。

18.根据权利要求15所述的成像装置，其中，所述能量束源装置(10)和所述外探测器装置(21)中的至少一个可移动地设置于承载体(50)上。

19.根据权利要求18所述的成像装置，其中，所述能量束源装置(10) 和所述外探测器装置(21)适于在所述承载体(50)上绕所述框架遮光罩(40)旋转。

20.根据权利要求19所述的成像装置，其中，所述能量束源装置(10)和所述外探测器装置(21)设置于计算机断层摄影机架中。

21.根据权利要求15所述的成像装置，其中，所述框架遮光罩(40)和所述支撑装置(30)可相对于具有固定位置的所述能量束源装置(10)和所述外探测器装置(21)移动。

22.根据权利要求15所述的成像装置，其中，所述框架遮光罩窗(41)具有相等的尺寸。

23.根据权利要求15所述的成像装置，其中，所述框架遮光罩探测器装置(24)包括彼此被所述框架遮光罩窗(41)隔开的多个框架遮光罩探测器(25)。

24.根据权利要求15所述的成像装置，其中，通过在所述框架遮光罩(40)的外表面上的屏蔽(43)保护所述框架遮光罩探测器装置(24)免受照射。

25.根据权利要求15所述的成像装置，其中，所述能量束源装置(10)包括X射线源(11)。

26.根据权利要求15所述的成像装置，还包括重建装置(60)，其适于基于用所述探测器装置(20)测得的第一和第二积分衰减值重建所述研究区域(2)的图像。 

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