CN101341516A - 用于图像数据运动补偿的方法 - Google Patents

Abstract

根据示范性实施例，一种用于所关注对象的图像数据的运动补偿的方法包括：接收投影数据；接收运动矢量场数据；将所述运动矢量场数据分割为多层运动矢量场数据。而且，所述方法包括：通过将所述多层运动矢量场数据中的至少一个投影到所述投影数据上，并对所述投影应用二维运动补偿，来产生经过运动补偿的投影数据；并且通过对经过运动补偿的投影数据进行反向投影，来产生至少一个体素的图像数据。

Description

用于图像数据运动补偿的方法

技术领域

本发明涉及一种用于图像数据的运动补偿的方法，一种用于图像数据的运动补偿的重构单元，一种断层造影系统，一种计算机可读介质和一种程序模块。

背景技术

计算机断层造影(CT)是依据围绕单一旋转轴所拍摄的一系列二维X射线图像，使用数字处理来产生受研究对象(所关注对象)内部的三维图像的处理。CT图像的重构可以通过应用适当的算法来实现。

CT成像的基本原理是由CT系统的检测器获得受检查对象的投影数据。该投影数据表示被辐射波束穿过的对象的信息。为了从投影数据中产生图像，可以反向投影这些投影数据，产生二维图像，即表示一个圆盘。可以从多个这种二维图像中重构所谓的体素表示，即三维像素的表示。在已经以平面形式布置了检测器的情况下，可以获得二维投影数据，并且反向投影的结果是三维体素。可以用二维螺旋重构方法来进行这个处理，在该方法中，将一个投影的检测器数据中的不同部分反向投影到在不同位置处的平面中，所述平面甚至可以具有不同的方向。在现代的、更先进的所谓“锥形波束”重构方法中，在单个重构步骤中将二维检测器的投影数据直接反向投影到体素的三维分布中。

计算机断层造影的一个重要应用是所谓的心脏计算机断层造影，其涉及跳动的心脏的三维图像重构。在这种应用中，由于引入了一些模糊，跳动心脏的运动可能会使重构的图像变形。为了减小这些变形，可以将具有运动补偿的重构用于CT成像，以便减小运动伪像的程度。当在投影范围内-或者甚至可以是在投影的全集中-补偿运动时，可以在重构处理中使用已经进行了运动补偿了的全部投影，而不会引入额外的伪像。与无运动补偿的重构相比，这得到了更高的信噪比，并可以直接用于减小患者剂量。另外，有运动补偿的重构处理可以实现图像数据集中时间分辨率和空间分辨率的改善。

可能希望提供一种用于图像数据的运动补偿的备选方法、一种用于图像数据的运动补偿的重构单元、一种断层造影系统、一种计算机可读介质和一种程序模块。

发明内容

可以借助于根据独立权利要求的一种用于图像数据的运动补偿的方法、一种用于图像数据的运动补偿的重构单元、一种断层造影系统、一种计算机可读介质和一种程序模块来满足这个需要。

根据示范性实施例，一种用于所关注对象的图像数据的运动补偿的方法包括：接收表示所关注对象的投影数据；接收运动矢量场数据；以及将所述运动矢量场数据分割为多层运动矢量场数据。而且，该方法包括：通过将所述多层运动矢量场数据中的至少一层投影到所述投影数据上，并对该投影应用二维运动补偿，来产生经过运动补偿的投影数据。在此，采用二维运动补偿方法，可以使用所投影的运动矢量来计算经过运动补偿的投影，该二维运动补偿方法可以补偿在图像层中出现的对象运动，所述图像层可以对应于已被前向投影的运动矢量场的层。通过对所述经过运动补偿的投影数据进行反向投影，来使用所述经过运动补偿的投影产生在与该运动矢量场层相对应的图像层中的至少一个体素的图像数据。

根据示范性实施例，一种重构单元，用于对所关注对象进行检查的检查设备，所述重构单元适于：接收投影数据；接收运动矢量场数据；以及将所述运动矢量场数据分割为多层运动矢量场数据。所述重构单元还适于通过将所述多层运动矢量场数据中的至少一层投影到所述投影数据，并对该投影应用二维运动补偿，来产生经过运动补偿的投影数据，并适于通过对所述经过运动补偿的投影数据进行反向投影，来产生至少一个体素的图像数据。

根据示范性实施例，一种断层造影系统包括断层造影单元和根据本发明示范性实施例的重构单元。所述断层造影单元适于测量所关注对象的投影数据，并且还适于将所述投影数据传输到重构单元。

根据示范性实施例，提供了一种计算机可读介质，其中存储了程序，用于基于断层造影系统的投影数据来产生图像，所述程序在被处理器执行时，适于控制一种方法，该方法包括以下步骤：接收投影数据；接收运动矢量场数据；将所述运动矢量场数据分割为多层运动矢量场数据；通过将所述多层运动矢量场数据中的至少一层投影到所述投影数据，并在投影平面中执行运动补偿，将二维运动补偿用于该投影，来产生经过运动补偿的投影数据；以及通过对所述经过运动补偿的投影数据进行反向投影，来产生至少一个体素的图像数据。

根据示范性实施例，一种程序模块用于基于断层造影系统的投影数据来产生图像，所述程序当被处理器执行时，适于控制一种方法，该方法包括以下步骤：接收投影数据；接收运动矢量场数据；将所述运动矢量场数据分割为多层运动矢量场数据；通过将所述多层运动矢量场数据中的至少一层投影到所述投影数据，将二维运动补偿用于该投影，来产生经过运动补偿的投影数据；以及通过对所述经过运动补偿的投影数据进行反向投影，来产生至少一个体素的图像数据。

可以在第一例程中产生所述运动矢量场数据。这个第一例程可以包括对所关注对象(例如心脏)的几个三维图像的重构步骤。例如，可以重构与心动周期的不同阶段相关的三个三维体素表示，所述不同阶段例如所谓的RR周期的15％，30％和45％。所述RR周期有时还表示为心动周期，其描述了覆盖一次完整心跳的时间。通过使用这三个体素表示，通过例如在阶段30％与15％之间的运动估计以及在30％与45％之间的运动估计，可以产生三维运动矢量场，例如可以采用公知的算法。当然，可以使用三个以上的三维体素表示来产生三维运动矢量场，这会产生更适于心脏真实运动的运动矢量场。

在产生了所述三维运动矢量场之后，可以使用该运动矢量场来产生经过运动补偿的图像数据。这可以通过处理再次与在15％与45％之间的RR周期相关的全部投影数据来完成，例如可以使用与18％的RR阶段相对应的投影的投影数据。因此，可以使用与在30％与15％RR周期之间的运动相对应的运动矢量场。可选择的是，可以借助于一个因子，例如0.8，来缩放所述运动矢量场。在进一步的步骤中，与30％到15％相关的该运动矢量场可以被分割为N个层，每一层都具有面法线，其平行于用于检测投影数据的投影方向。对于属于层1的全部体素而言(其中，1是以0和N为边界进行间隔得到的一个元素)，可以在进行反向投影之前，将所述运动矢量场投影到所述投影数据上。可以在考虑到获取所述投影数据时的波束几何结构的情况下执行所述运动矢量场的投影。由该投影所得到的二维运动矢量场可以用于对所述投影数据执行运动补偿，即，通过消除运动来补偿在重构体积中的运动伪像。在出版物“Reduction of patient motion artifacts indigital subtraction angiography：evaluation of a fast and fully automatictechnique”，Meijering MH等人，Radiology 2001年4月刊的219(1)，第288到293页中描述了一种可行的运动补偿；在此将其引用为参考。就是说，可以使用二维运动矢量场，以执行运动补偿的方式来对投影数据进行变形。可以在执行运动补偿之前，对投影数据进行预处理和/或滤波。由于在该步骤之后已经对投影数据进行了运动补偿，因此可以使用标准反向投影处理，例如标准反向投影几何学，来产生属于层1的体素。例如在“Helical cardiaccone beam reconstruction using retrospective ECG gating”，M.Grass等人，Physics in Medicine and Biology 48(2003)第3069到3084页中描述了可以与本发明结合使用的反向投影处理。为了产生下一层1+1的体素，可以通过使用与上述步骤相对应的步骤来计算新的变形的投影，随后是同样使用了标准反向投影几何学的反向投影步骤。可任选择的是，可以使用这样的一种方法：在该方式中，不是使用了运动矢量场的多个独立层，而是使用了运动矢量场的多个平均层。可以通过对运动矢量场的几个层的运动矢量进行平均，来执行这个平均操作。这些平均后的运动矢量场对于产生在层之间过渡区域中的体素的内插的变形投影是尤其有利的。具体而言，在仅在几个支持点上确定运动矢量场的情况下，可以不必计算新的变形投影。

可以借助于计算机程序，即软件，或者借助于使用一个或多个专用电子优化电路，即硬件，或者采用混合形式，即借助于软件部件和硬件部件，来实现对于所关注对象的检查，例如对于根据本发明的多周期心脏计算机断层造影数据的分析。所述计算机程序可以用任何适合的编程语言来编写，诸如C++，并可以存储在计算机可读介质上，诸如CD-ROM。此外，可以从网络获得所述计算机程序，诸如环球网，可以从网络将程序下载到图像处理单元或处理器，或任何适合的计算机。

通过使用根据本发明示范性实施例的方法，可以减小重构过程复杂性，这是因为可以不再必须将运动矢量场的集成结合到反向投影步骤中。与此相反，根据现有技术，为要重构的数据集所估计的指定的运动矢量场常常可以覆盖视图的完整三维场。而且，根据示范性实施例，可以提高图像质量，这是因为可以在可能的投影滤波之前应用运动补偿。因此，可以提供一种用于运动补偿的快速且有效的方法，其可以与当前反向投影架构相兼容。由此，可以使用现有技术中已知的反向投影架构。根据示范性实施例，有可能的是，运动补偿处理的计算负载没有表现在反向投影回路本身的修改形式中，而是表现在投影预处理中。可以将其概括为：提供对运动结构的高质量重构，例如心脏重构，并且其具有改善的时间分辨率、减小的模糊不清、改善的信噪比水平。此外，当使用根据示范性实施例的方法时，可以减小辐射剂量。通过将运动矢量场的多个层投影到投影数据上，可以产生经过运动补偿的投影数据的多个层。

以下，将说明用于所关注对象的图像数据的运动补偿的方法的更多示范性实施例。然而，这些实施例还可应用于所述重构单元、所述断层造影系统、所述计算机可读介质以及所述程序模块。

根据本发明方法的另一个示范性实施例，以这样的方式进行分割为多层的步骤：使这些层具有与用来产生投影数据的投影的方向相平行的面法线。例如，在来自投影的中央射线在z方向上，即检测器平面朝向辐射源的情况下，这些层可以是在x-y平面中的层。

根据该方法的再另一个示范性实施例，使用通过对两个最接近的层进行投影而产生的经过运动补偿的投影数据，来产生所述至少一个体素的图像数据。这个实施例在体素位于运动矢量场的两个层之间的过渡区中时尤其有利。

根据该方法的再另一个示范性实施例，使用了采用笛卡尔坐标系的反向投影架构。笛卡尔坐标系的使用可以允许使用容易且快速的反向投影算法。具体而言，能够使用硬连线的电路。

根据该方法的再另一个示范性实施例，依据图像数据的预定精度来选择层数。以这样的方式来选择运动矢量场被分割的层数：在一层中，即在一层的厚度上，运动中的变化足够低，从而可以实现所期望的分辨率。另一方面，层数可以不必选择为很大，因为这样所需的数据存储量会较高。

以下，将说明所述重构单元的更多示范性实施例。然而，这些实施例也可应用于所述方法、所述断层造影系统、所述计算机可读介质以及所述程序模块。

根据再另一个示范性实施例，所述重构单元包括硬连线电路，其适于完成反向投影。硬连线电路的使用，例如硬件实现，可以提供较为容易的实现方式。此外，这种硬连线的电路可以是防故障的。可以使用包括具有适当软件的处理器的重构单元来代替硬连线的电路。

根据再另一个示范性实施例，所述重构单元还包括存储单元。所述存储单元适于至少暂时性地存储投影数据、运动矢量场数据、运动矢量场数据的层和/或经过运动补偿的投影数据。

在此背景下应注意，本发明不限于计算机断层造影，而是在多维数据集重构期间必须执行运动补偿的情况下总是可以使用本发明。

还应注意，这个技术对于其它医学成像形式，如基于C形臂的3D旋转X射线成像、核磁共振成像、正电子发射断层造影或采用基于射线的反向投影重构方法的其它成像形式也会是有用的。而且，除了心脏成像之外，用于运动对象(如呼吸选通成像(breathing gated imaging)或其它形式)的全部其它断层造影成像应用也可以得益于这个方案。

可以被视为本发明示范性实施例的要点的是：可以将扫描对象的指定三维运动矢量场m(x，y，z，t，t₀)细分为多个二维运动矢量场层m(x，y，l，t，t₀)，其中1表明标签，并且其中所述三维运动矢量场m(x，y，z，t，t₀)描述了在时间点t相对于参考状态t₀的对象运动。与从投影p(u，v，t)朝向断层造影单元辐射源的中心射线的方向相垂直地进行分割。在以上提供的对于运动矢量场的层的描述中，将从投影到源的中心射线选择为平行于z轴。优选地，依据要实现的精度和三维运动矢量场的粗糙度来选择层数。将与包含在各层中的全部体素的运动相对应的二维运动矢量场，前向投影到所考虑的投影p(u，v，t)上，产生了二维运动矢量场m(u，v，l，t，t₀)。

随后，利用这个二维矢量场m(u，v，l，t，t₀)来计算对象的经过运动补偿的投影p(u，v，l，t，t₀)。包含在层1中的体素v(x，y，z)的反向投影随后采用了经过运动补偿的投影p(u，v，l，t，t₀)，或者，在两个运动矢量场层之间的过渡区中的重叠层或体素的情况下，则采用与该体素之间具有最小距离的两个经过运动补偿的投影。由于使用运动矢量场来产生投影p(u，v，l，t，t₀)，因此已经对体素v(x，y，z)的反向投影进行了运动补偿。而且，可以在滤波之前对投影进行运动补偿，以便不将额外的近似值加到逆处理，即反向投影中。

从事实中可以领会到一个基本观点：在执行反向投影之前进行运动补偿，而且一次性地对整个层进行运动补偿，而不是对每一个体素进行运动补偿。

附图说明

依据参考下文并阐明的所述实施例，本发明的这些即其它方面会变得显而易见。

以下将参考附图来说明本发明的示范性实施例。

图1显示了根据本发明示范性实施例的计算机断层造影系统的简化示意性表示。

图2显示了分层的3D运动矢量场和检测器平面的示意性表示。

在附图中的图示说明是示意性的。在不同附图中，以相同的参考标记提供给相似的或相同的元件。

具体实施方式

图1显示了能够结合根据本发明的实施例的重构单元来使用的计算机断层造影扫描器系统的示范性实施例。

图1中示出的计算机断层造影设备100是锥形波束CT扫描器。然而，还可以用扇形几何结构来实施本发明。图1所示的CT扫描器包括台架101，其可围绕旋转轴102旋转。借助于电机103来驱动台架101。参考数字104标明了辐射源，例如X射线源，根据本发明的一个方面，其发出多波长或单波长的射线。

参考数字105标明了窗孔系统，其将从辐射源发出的辐射波束成形为锥形辐射波束106。引导锥形辐射波束106，以便使其穿过布置在台架101中央的，即在CT扫描器的检查区域中的所关注对象107，并照射到检测器108上。如可以从图1得到的，检测器108布置在台架101上与辐射源104相反的位置上，以便由锥形波束106覆盖检测器108的表面。图1所示的检测器108包括多个检测器元件123，每一个都能够检测被所关注对象107散射、衰减或穿过所关注对象107的X射线。图1中示意性示出的检测器108是二维检测器，即，各个检测器元件以平面形式布置，这种检测器用于所谓的锥形波束断层造影。还可以使用一维检测器设置。

在对所关注对象107进行扫描期间，辐射源104、窗孔系统105和检测器108沿台架101以由箭头116所指示的方向旋转。电机103连接到电机控制单元117，用于台架101与辐射源104、窗孔系统105和检测器108的旋转，电机控制单元117连接到控制单元118(其也可以表示为计算、重构或确定单元)。

在图1中，所关注对象107是人体，其被布置操作台119上。在对人107的心脏130进行扫描期间，在台架101围绕人107旋转的同时，操作台119沿平行于台架101的旋转轴102的方向移动人体107的位置。借助于此，沿螺旋形扫描路径来扫描心脏130。在扫描期间还可以停止操作台119，从而测量信号切片。应注意，在全部所述情况中都可以执行圆形扫描，在此情况下，没有在平行于旋转轴102的方向上的移位，而只有台架101围绕旋转轴102的旋转。

可任选性的是，可以提供心电图设备135，其在检测器108检测由于穿过心脏130而衰减的X射线的同时，测量人107的心脏130的心电图。将与所测量的心电图相关的数据传输到控制单元118。

此外，应强调的是，作为图1所示的锥形波束结构的备选方案，可以用扇形波束结构来实现本发明。为了产生主要的扇形波束，可以将窗孔系统105配置为狭缝准直器。

检测器108连接到控制单元118。控制单元118接收检测结果，即来自检测器108的检测器元件123的读数，并基于这些读数确定扫描结果。而且，控制单元118与电机控制单元117通信，以便协调台架101与电机103和120及操作台119的移动。

控制单元118可以适于依据检测器108的读数来重构图像。可以通过接口122，将由控制单元118所产生的重构图像输出到显示器(图1中未示出)。

可以以数据处理器来实现控制单元118，以处理来自检测器108的检测器元件123的读数。

图1所示的计算机断层造影设备捕获心脏130的多周期心脏计算机断层造影数据。换句话说，当台架101旋转时，且当延直线移位操作台119时，就由X射线源104和检测器108相对于心脏130执行螺旋状扫描。在这个螺旋状扫描期间，心脏130会跳动多次，并覆盖了多个RR周期。在这些跳动期间，采集了多个心脏计算机断层造影数据。同时，可以由心电图单元135测量心电图。在已采集了这些数据之后，将数据传递给控制单元118，可以回顾性地分析所测量的数据。

由控制单元118处理所测量的数据，即心脏计算机断层造影数据和心电图数据，还可以通过图形用户界面(GUI)140来控制该控制单元118。然而应注意，本发明不限于该特定数据采集和重构。

图2示意性地显示了三维矢量场的分层表示。图2a显示了断层造影系统的辐射源200(未示出)和重构体积201。该重构体积与分层的运动矢量场相关联，其中在图2a中，以参考标记202、203、204、205和206来标记运动矢量场的各个层。图2中所示的三维运动矢量场的分层表示对应于时间点t，在时间点t检测器平面207已经测量了投影p(t)，其被示意性示出，即，检测器平面207测量与该体积或者示意性显示为体积201的受检查对象相对应的投影数据。

当将各个运动矢量场投影到所测量的投影数据上时，得到了各个相应的经过运动补偿的投影层。在图2b中示意性的示出了这些相应的经过运动补偿的矢量层。由于运动矢量场被分割为5层，因此当将运动矢量场投影到投影数据上时，同样产生了5层经过运动补偿的投影数据。在图2b中这5个层被标记为208、209、210、211和212，然后可以使用这5个层来产生图像数据，即表示受检查对象一部分的三维图像的体素。

可以采用所述的方法，来为所关注的目标体积或为完整体积来实现完整的、经过三维运动补偿的重构。其可以用于增加数据集的时间分辨率，或减小运动模糊。另外，其可以有助于在心脏CT成像中使用更宽的选通窗口，这会产生更大的信噪比。

根据本发明的一个方面，可以执行对目标结构的高质量心脏重构，并且其具有改善的时间分辨率、减小的运动模糊或改善的信噪比或减小的剂量。

应注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，“一”不排除多个。此外可以合并相关于不同实施例描述的元件。还应注意，在权利要求中的参考标记不应解释为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1、一种用于所关注对象的图像数据的运动补偿的方法，所述方法包括以下步骤：

接收表示所述所关注对象的投影数据；

接收运动矢量场数据；

将所述运动矢量场数据分割为多层运动矢量场数据；

通过将所述多层运动矢量场数据中的至少一层投影到所述投影数据上，并应用二维运动补偿，来产生经过运动补偿的投影数据；并且

通过对所述经过运动补偿的投影数据进行反向投影，来产生至少一个体素的图像数据。

2、如权利要求1所述的方法，其中，以具有与所述投影方向相平行的面法线的层进行所述分割。

3、如权利要求1或2所述的方法，其中，在产生所述至少一个体素的图像数据的步骤中，使用了通过对两个最接近的层进行投影而产生的所述经过运动补偿的投影数据。

4、如权利要求1至3中任意一项所述的方法，在所述反向投影中，使用了笛卡尔坐标系。

5、如权利要求2至4中任意一项所述的方法，依据所述图像数据的预定精度来选择层数。

6、一种重构单元，用于对所关注对象进行检查的检查设备，其中，所述重构单元适于：

接收投影数据；

接收运动矢量场数据；

将所述运动矢量场数据分割为多层运动矢量场数据；

通过将所述多层运动矢量场数据中的至少一层投影到所述投影数据上，并应用二维运动补偿，来产生经过运动补偿的投影数据；并且

通过对所述经过运动补偿的投影数据进行反向投影，来产生至少一个体素的图像数据。

7、如权利要求6所述的重构单元，包括：

硬连线电路，其适于实现所述反向投影。

8、如权利要求6或7所述的重构单元，还包括：

存储单元。

9、一种断层造影系统，包括：

断层造影单元；以及

如权利要求6至8中任意一项所述的重构单元，

其中，所述断层造影单元适于测量所关注对象的投影数据，还适于将所述投影数据传输到所述重构单元。

10、一种计算机可读介质，其中存储了程序，用于基于断层造影系统的投影数据来产生图像，所述程序当被处理器执行时，适于控制一种方法，所述方法包括以下步骤：

接收投影数据；

接收运动矢量场数据；

将所述运动矢量场数据分割为多层运动矢量场数据；

通过将所述多层运动矢量场数据中的至少一层投影到所述投影数据上，并对所述投影应用二维运动补偿方法，来产生经过运动补偿的投影数据；并且

通过对所述经过运动补偿的投影数据进行反向投影，来产生至少一个体素的图像数据。

11、一种程序模块，用于基于断层造影系统的投影数据来产生图像，所述程序当被处理器执行时，适于控制一种方法，所述方法包括以下步骤：

接收投影数据；

接收运动矢量场数据；

将所述运动矢量场数据分割为多层运动矢量场数据；

通过将所述多层运动矢量场数据中的至少一层投影到所述投影数据上，并对所述投影应用二维运动补偿，来产生经过运动补偿的投影数据；并且

通过对所述经过运动补偿的投影数据进行反向投影，来产生至少一个体素的图像数据。

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