CN101304688A - 用于产生图像的信号处理单元 - Google Patents

Abstract

本发明的示范性实施方式提供一种用于基于断层摄影系统的数据信号产生所检查目标的图像的信号处理单元，该信号处理单元包括处理器和输入接口，其中该输入接口适于接收所测量的数据信号。此外，该处理器适于基于所述所测量的数据信号生成肺部门控信号并进一步适于通过使用该肺部门控信号基于所测量的数据信号生成图像。

Description

用于产生图像的信号处理单元

本发明涉及用于产生图像的信号处理单元、包括信号处理单元的断层摄影系统、用于产生图像的方法、计算机可读介质和程序单元。

信号处理单元在众多领域中使用。一个领域是计算机断层摄影(CT)并且尤其是所谓的回顾性肺部门控(retrospective pulmonary gated)计算机断层摄影。回顾性肺部门控计算机断层摄影是一种逐渐引起关注的采集和分析模式。在这种回顾性肺部门控CT设备中，考虑到在成像期间目标的运动，将通过考虑门控信号来对从目标获得的数据执行信号处理。例如，当生成对象胸部或者腹部的图像时，只有那些涉及对象呼吸循环中确定点的数据用于生成图像。这样做的原因是由于呼吸将偏移胸部的外部位置和/或内部器官。通过这种方式能够减少由运动导致的伪影。一个与肺部门控CT特别有关的是门控设备自身。

例如，在US 2004/0081269中公开了一种常规门控设备。该文献中公开的CT系统包括：具有X射线源的扫描架，辐射探测器阵列，患者支撑结构以及患者腔。为了实现X射线源的肺部(呼吸)门控，该系统包括响应于患者呼吸循环并产生零相位脉冲的专用传感器系统。该脉冲用于对辐射束的生成以及扫描数据的采集进行门控，并且还在信号处理单元中用做信号处理和图像生成的门控信号。

然而，可能需要另一种用于产生图像的信号处理单元、另一种包括信号处理单元的断层摄影系统以及另一种产生图像的方法。

这种需要可以通过根据独立权利要求的信号处理单元、包括信号处理单元的断层摄影系统、用于根据断层摄影系统的数据信号产生图像的方法、计算机可读介质以及程序单元来满足。

本发明的一种示范性实施方式提供一种用于根据断层摄影系统的数据信号产生所检查目标的图像的信号处理单元，该信号处理单元包括处理器和输入接口，其中该输入接口适于接收所测量的数据信号。此外，该处理器适于根据所测量的数据信号产生肺部门控信号，并进一步适于通过使用该肺部门控信号根据所测量的数据信号生成图像。

此外，一种示范性实施方式涉及断层摄影系统，该系统包括信号处理单元和具有辐射源以及辐射探测器的断层摄影设备，其中该辐射探测器适于根据辐射源发射的、已经经过所检查目标之后的辐射测量数据信号。此外，该信号处理单元适于根据所测量的数据信号产生肺部门控信号，并且该信号处理单元还适于根据所测量的数据信号同时利用该肺部门控信号来生成图像。该辐射探测器可以由单个辐射传感器、多个辐射传感器或者传感器阵列形成。

此外，一种示范性实施方式涉及根据断层摄影系统的数据信号产生图像的方法，该系统包括具有辐射源和辐射探测器的断层摄影设备。该方法包括使用辐射探测器测量数据信号，该数据信号基于由辐射源发射的、已经经过所检查目标之后的辐射。该方法还包括根据所测量的数据信号产生肺部门控信号，以及通过使用该肺部门控信号根据所测量的数据信号产生图像。

此外，一种示范性实施方式涉及计算机可读介质，其中存储有用于根据具有辐射源和辐射探测器的断层摄影系统的数据信号产生图像的程序。当由处理器运行时，该程序适于控制如下方法，该方法包括通过使用辐射探测器测量数据信号，其中数据信号基于辐射源发出的、已经经过所检查目标之后的辐射。此外，该方法包括根据所测量的数据信号生成肺部门控信号，以及通过使用肺部门控信号根据所测量的数据信号产生图像。

一种示范性实施方式涉及程序单元，其用于根据具有辐射探测器的断层摄影系统的数据信号产生图像。当由处理器运行时，该程序适于控制如下方法，该方法包括通过使用辐射探测器测量数据信号，其中数据信号基于辐射源发出的、已经经过所检查目标之后的辐射。此外，该方法包括根据所测量的数据信号生成肺部门控信号，以及通过使用肺部门控信号根据所测量的数据信号产生图像。

根据本发明的典型特征可以是来自所测量的数据信号(也称为投影数据)的固有信息用于生成一个或者多个肺部门控信号，在下文中也称为门控信号。因此，可能不需要额外的探测器来提供可以用于生成门控信号的信号，而根据现有技术这是必需的。此外，投影数据可以用于校准门控设备，其可以在处理单元外部，但也可以是该断层摄影系统的一部分，或者可以不是该断层摄影系统的一部分。根据本申请，门控信号可以是用在图像生成中的信号，从而确定哪些所测量的数据用于图像的生成，而哪些所测量的数据不用于图像的生成。断层摄影系统可以是任意类型的断层摄影，如计算机断层摄影或者磁共振断层摄影。

根据本发明的典型特征可以具有特别的优势，即所有信息都从投影数据导出的优势，由此，该方法和该信号处理单元可以非常快速。该方法和该信号处理单元可以仅使用投影数据固有的信息。因此，采集方案可以得以简化。

通过使用投影数据，也就是同样用于生成所检查目标的图像的数据，来产生门控信号可以利用投影数据的高冗余度。在图像生成中肺部门控的生成和使用在生成位于人体胸腔处的肿瘤图像时可能特别感兴趣。胸腔的这种运动可以表示位于胸腔中的肿瘤的运动。因此，使用这种肺部门控信号比使用与心跳有关的门控信号可能更为有利。这可能特别有意义，因为胸腔的运动，也就是胸壁的运动是有意的运动，而心脏的运动是不受自由意志约束的运动。因此，可能所检查的肿瘤运动与胸部的运动相关联，而不与心跳相关联。

参考从属权利要求，本发明优选实施方式将在下文中进一步描述。

随后，将描述本发明信号处理单元的优选示范性实施方式。这些实施方式也可以应用于该断层摄影系统、该方法、该计算机可读介质以及该程序单元。

在信号处理单元的另一个示范性实施方式中，该处理器适于生成门控信号，该门控信号涉及目标周期运动的最小值。

在又一个示范性实施方式中，该处理器适于生成门控信号，该门控信号涉及目标周期运动的最大值。

上述两种实施方式可以以使处理器生成几个门控信号或者几组门控信号的方式结合。这些信号或信号组之一涉及所检查目标的周期运动的最大值并且一个涉及周期运动的最小值。除了其它目标以外，这种目标也可以是从其获得断层摄影的对象，如人。在这种情况下，周期运动可以是由人的呼吸所导致的人胸部、腹部和/或内部器官的运动。通过使用与所检查的目标的运动或者运动状态相关的门控信号，可以很大程度上减少由于目标运动例如由呼吸导致的运动引起的图像中的伪影。这种呼吸运动可以使上胸壁和腹部周围皮肤产生周期运动或者周期变化。通过例如探测上胸壁的局部最小值和最大值，可以局部地确定最大吸入和/或呼出时间。因此，可以局部地估计运动状态，同时根据本领域技术(art)状态，仅根据一个外部传感器对呼吸运动进行监测。因此，使用根据本发明的信号处理单元确定的运动状态比现有技术中公知的断层摄影系统的信号处理单元更适于实际运动。

根据信号处理单元的另一个示范性实施方式，处理器适于产生肺部门控信号，而不确定平行投影的重心。

通过不使用对不同平行投影重心的确定，该重心可以从所测量的数据生成，该生成过程可以被简化，例如在生成肺部门控信号时可以省略掉一种计算。

下面，将描述本发明断层摄影系统的优选示范性实施方式。这些实施方式也可以用于信号处理单元、该方法、该计算机可读介质以及该程序单元。

在断层摄影系统的另一个示范性实施方式中，辐射源是可以旋转的。在进一步的示范性实施方式中，辐射源适于以适于覆盖目标的周期运动的速度旋转。也就是，旋转的速度比移动的速度更大。在一个示范性实施方式中，该速度高于每秒1次旋转。也就是，辐射源将以每秒1次、2次、3次或者更多次旋转的速度旋转。通过以这种速度旋转，在所检查目标是特定人的对象的情况下，特别是对于其呼吸通常是比1次每秒的时标更长的过程的人，足以覆盖呼吸动作的数据采样是可行的。根据本申请，旋转速度不仅作为辐射源围绕其自身轴旋转的速度定义，而且还作为辐射源围绕所检查目标旋转的速度定义。

根据断层摄影系统的另一个示范性实施方式，断层摄影系统适于测量辐射源每旋转180°的数据信号。

通过这种辐射源每旋转180°进行采样的方式，能够在不增加旋转速度的情况下使采样率增加一倍。例如，在选择更短旋转速度的情况下，例如0.5秒，可以每250ms记录对应于虚拟平行投影(virtual parallel projection)的行的测量数据。这种采样可以充分地覆盖呼吸运动。此外，可以以很大的空间重叠进行采样。根据每次采样可以生成所谓的中央行(central row)，其可以大体上是所检查目标的一维平行投影。旋转半圈之后的中央行可以包括大体上相同的平行投影，只是偏移半个螺距(pitch)。根据0°和180°处的采样生成两个中央行，取其平均值，全扫描可以大体上给出所检查目标的二维平行投影。

根据另一个示范性实施方式，辐射适于为发射锥形束的形式。优选地，辐射探测器适于为使所测量的数据信号表示锥形束数据的形式。

下面将描述本发明方法的优选示范性实施方式。这些实施方式也可以用于信号处理单元、断层摄影系统、计算机可读介质和程序元单元。

根据该方法的另一个示范性实施方式，所测量的数据信号是锥形束数据，并且该方法还包括在根据所测量的数据信号生成图像之前将该锥形束数据重组(rebinning)为楔形几何形状(wedge geometry)。

当通过使用所谓的楔形几何形状生成图像时，能够考虑到锥形束的角度，并能够对冗余数据进行处理。

根据另一个示范性实施方式，该方法还包括根据该楔形几何形状形成所检查目标的虚拟平行投影。

也就是，作为中间步骤，可以根据螺旋数据计算一个或者多个虚拟平行投影，其与所谓的扫描照相术(sacnogram)相类似，螺旋数据即沿螺旋路径经过所检查目标获得的所测量数据。这种计算可以通过首先将锥形束数据即螺旋数据重组成楔形几何形状来实现。然后，可以在每个与辐射源的进一步180°旋转有关的位置获得虚拟平行投影，即沿中央探测器线的投影。由此，对于涉及所检查目标关于辐射探测器的运动的偏移(所谓的探测器偏移)，反射和校正每个其它虚拟平行投影。

根据进一步的示范性实施方式，根据多个虚拟平行投影生成门控信号。

通过使用多于一个的虚拟平行投影，例如使用表示0°、45°、90°、135°投影角以及在0°到180°之间的其它可能角度的虚拟平行投影，可以改善时间精确性。通过生成这种附加平行投影，可以得到具有相同特征的另一种信号曲线。当使用90°处的第一平行投影和0°处的第二平行投影时，可以得到两个信号曲线，其中该第二曲线的各样本可能正好处于第一曲线的各样本之间。从而如果这两个数据集相交错(interleave)那么就可能获得双倍的运动信号。也可以通过使用插值来实现这种改善。可以通过使用具有很大空间重叠的所测量数据进行插值，所述空间重叠可能足以插入诸如呼吸状态的运动状态。

根据该方法的又一个示范性实施方式，门控信号适于表示所检查目标的运动状态。特定地，该运动状态可以是所检查目标周期运动的最大或最小值。

本发明在医学领域的应用中特别感兴趣，例如在所谓的回顾性肺部门控计算机断层摄影领域中。优选地，本发明可以用于具有16或者更多探测器排的锥形束CT系统领域中，该CT系统可以在合理时间内切实可行地进行非常低螺距的螺旋采集。典型的螺距可以是大约0.1，例如2.4mm每次旋转。如果将这种低螺距与短旋转时间以及大的空间重叠相结合，使用连续的虚拟平行投影的插值获得精确的运动状态估计是可行的。

本发明的一个方面可以涉及用于计算机断层摄影的较少设备的肺部门控。也就是，根据该方面，不需要使用额外的传感器或者探测器来生成门控信号，从而生成所检查目标的图像，但是用于获得图像数据的辐射探测器用于提供门控信号，即可以使用相同的数据来生成门控信号和生成图像。因此，可以利用与短旋转时间相结合的投影数据的高冗余度来生成门控信号，并所述短旋转时间与所检查目标的典型呼吸周期相比。

上面限定的本发明各方面以及本发明的其它方面将从下文中描述的实施方式的实例变得显而易见，并参考这些实施方式的实例解释。

在下文中将更加详细地根据具体实施方式的实例对本发明进行描述，但是本发明不限于此。

图1示出计算机断层摄影系统的示意图；

图2示出胸腔的虚拟平行投影；

图3示意性地示出运动信号。

在附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，相似或者相同的元件具有相同或者相似的附图标记。

在下文中，参考附图1示出了计算机断层摄影系统(CT系统)的示意图。CT系统100包括能够支撑对象的支架101(图1中出于说明的目的，示意性地示出一位患者)。支架101可沿其纵轴102移动。CT系统100还包括外壳103，其中具有辐射源，在图1中没有示出该辐射源，但是其由用虚线104示意性描绘的辐射束指示，该辐射束是由该辐射源发射的。辐射源可以围绕支架101旋转并由此可围绕支架101上的对象旋转。此外，在外壳103中布置有多个辐射探测器或者辐射传感器，这在图1中用环105指示。这些辐射探测器以覆盖360°的探测器阵列的形式布置。此外，该CT系统100包括具有输入接口的信号处理单元107，其接收由探测器阵列105测量的信号数据，该接收过程由箭头106指示。

信号处理单元107还包括处理器，该处理器适于根据所测量的数据信号生成肺部门控信号。此外，该信号处理单元107适于通过使用肺部门控信号根据所测量的数据信号生成图像，该肺部门控信号在下文中也被称为门控信号。因此，该图像是根据用于生成门控信号的相同数据生成的。因此，可以省略那些其信号用于生成门控信号的额外传感器。

所产生的图像可以显示在显示器上，其在图1中以108示意性地描绘。

图2示出根据本发明实施方式的方法从小螺距(low-pitch)螺旋数据集中导出的虚拟平行投影。图像的计算通过执行中间步骤来实现，在中间步骤中，根据该螺旋数据计算几个虚拟平行投影。为了得到该虚拟平行投影，将螺旋或者锥形束数据重组为楔形几何形状。然后，通过每180°获取中央探测器线来提取虚拟平行投影，由此对探测器偏移的每个其它视图(view)进行反射和校正，探测器偏移与螺旋数据的螺距相对应。所有这些数据形成患者的虚拟平行投影，这在图2所示的两个实例中示出。上部的图2a中所示的图像示出患者胸腔的侧视图，也就是90°的投影，而在下部的图2b中的图像示出45°投影角处的胸腔。对该胸腔的扫描是在大约100秒期间进行的。在图2中该时标由纵轴(高度)表示。这两个图像的投影数据都是使用0.08的螺距以及16x1.5mm的准直采集的。通过识别胸壁的最大值，可以导出最大吸入时间。对应地，从最小值导出最大呼出时间。

图3示意性地示出运动信号并示出对胸壁最大和最小值的识别。该最大和最小值的识别是二维处理问题。然而，该问题可以简化成一维问题。X轴表示任意单位的时间轴。曲线300表示来自投影的运动信号，并且通过计算图2a中所示图像中接连的(succeeding)线之间的均方根差来获得曲线300。箭头301指示通过触发器系统例如Varian系统探测到的呼吸触发。在最大吸入和呼出点处获得最小的差值，但是通常每秒最小值的位置与专用(dedicated)肺部触发器设备的触发脉冲很好地相关。然而，在标记为302的点处，专用呼吸传感器漏掉了一次呼吸循环。此时，当从这些投影观察运动信号时可以看到呼吸深度发生强烈变化。

通过查看曲线300的时间形态，可以推断该信号的变化被我们的采样很好的恢复。当使用0.5秒的旋转时间时，运动信号具有0.25秒的时间分辨率，这意味着每250ms获取该曲线的一个样本。在这种环境下，不会发生欠采样(undersampling)。因此，能够在原始样本之间插入样本，从而更加精确地估计真实最小值。

应该注意，术语“包括”并不排除其它元件或者步骤，并且“一”或者“一个”也不排除多个。结合不同实施方式描述的元件可以进行组合。还应该注意，权利要求中的附图标记不应当理解为对权利要求范围的限制。

Claims (18)

1、一种用于基于断层摄影系统(100)的数据信号产生所检查目标的图像的信号处理单元(107)，所述信号处理单元(107)包括：

处理器；和

输入接口；

其中，所述输入接口适于接收所测量的数据信号；

其中，所述处理器适于基于所述所测量的数据信号生成肺部门控信号；以及

其中，所述处理器还适于通过使用所述肺部门控信号基于所述所测量的数据信号生成图像。

2、如权利要求1所述的信号处理单元(107)，其中，所述处理器适于生成肺部门控信号，所述肺部门控信号与所述目标的周期运动的最小值有关。

3、如权利要求1所述的信号处理单元(107)，其中，所述处理器适于生成肺部门控信号，所述肺部门控信号与所述目标的周期运动的最大值有关。

4、如权利要求1到3中任一项所述的信号处理单元(107)，其中，所述处理器适于生成所述肺部门控信号，而不确定平行投影的重心。

5、一种断层摄影系统(100)，该系统(100)包括：

信号处理单元(107)，以及

包括辐射源和辐射探测器(105)的断层摄影设备；

其中，所述断层摄影系统(100)适于基于由所述辐射源发射的、经过所检查目标之后的辐射由所述辐射探测器(105)测量数据信号；

其中，所述信号处理单元(107)适于基于所测量的数据信号生成肺部门控信号；以及

其中，所述信号处理单元(107)还适于在利用所述肺部门控信号的同时基于所测量的数据信号生成图像。

6、如权利要求5所述的断层摄影系统(100)，其中，所述辐射源是可旋转的。

7、如权利要求6所述的断层摄影系统(100)，其中，所述辐射源适于以如下速度旋转，该速度适于覆盖所述所检查目标的周期运动。

8、如权利要求7所述的断层摄影系统(100)，其中，所述速度高于每秒1次旋转。

9、如权利要求6到8中任一项所述的断层摄影系统(100)，其中，所述辐射探测器(105)适于测量所述辐射源每旋转180°的所述数据信号。

10、如权利要求5到9中任一项所述的断层摄影系统(100)，其中，所述辐射源适于为发射锥形束的形式。

11、一种用于基于断层摄影系统(100)的数据信号产生图像的方法，该系统包括具有辐射源和辐射探测器(105)的断层摄影设备，该方法包括：

通过使用所述辐射探测器(105)测量数据信号，该数据信号基于由所述辐射源发射的、经过所检查目标之后的辐射；

基于所述所测量的数据信号生成肺部门控信号；以及

通过使用所述肺部门控信号基于所述所测量的数据信号生成图像。

12、如权利要求11所述的方法，

其中，所测量的数据信号是锥形束数据，以及

其中，所述方法还包括：

在基于所测量的数据信号生成所述图像之前，将所述锥形束数据重组为楔形几何形状。

13、如权利要求11或12所述的方法，还包括形成所述所检查目标的虚拟平行投影。

14、如权利要求13所述的方法，

其中，所述肺部门控信号是基于多个虚拟平行投影生成的。

15、如权利要求10到14中任一项所述的方法，

其中，所述肺部门控信号适于表示所述所检查目标的运动状态。

16、如权利要求15所述的方法，其中，所述运动状态是所述所检查目标的周期运动的最大值或者最小值。

17、一种计算机可读介质，其中存储有用于基于具有辐射源和辐射探测器(105)的断层摄影系统(100)的数据信号产生图像的程序，当由处理器运行时，该程序适于控制包括如下内容的方法：

通过使用所述辐射探测器测量数据信号，该数据信号基于由所述辐射源发射的、经过所检查目标之后的辐射；

基于所述所测量的数据信号生成肺部门控信号；以及

通过使用所述肺部门控信号基于所述所测量的数据信号生成图像。

18、一种程序单元，其用于基于具有辐射源和辐射探测器(105)的断层摄影系统(100)的数据信号产生图像，当由处理器运行时，该程序适于控制包括如下内容的方法：

通过使用所述辐射探测器测量数据信号，该数据信号基于由所述辐射源发射的、经过所检查目标之后的辐射；

基于所述所测量的数据信号生成肺部门控信号；以及

通过使用所述肺部门控信号基于所述所测量的数据信号生成图像。

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