CN101449294A - Csct中q范围的扩展 - Google Patents

Abstract

依照本发明一个实施例，提供了一种用于CSCT的重构方案，其能够重构仅在半圈即180°加扇形角上采集的数据。与360°重构相比，如果该短扫描重构技术应用到完全扫描数据集合上，那么该重构方案可以提供所述重构向更小和更大的q区域的扩展。

Description

CSCT中Q范围的扩展

技术领域

本发明涉及层析成像领域。特别地，本发明涉及用于检查感兴趣目标的相干散射计算层析设备、检查感兴趣目标的方法、图像处理设备、计算机可读介质以及程序元件。

背景技术

在相干散射计算层析术(CSCT)中，在扇出平面方向上具有小发散的窄扇形束或者聚焦的扇形束穿透感兴趣目标。检测透射的辐射以及在扇出平面上散射的辐射。图2示出了具有单独的能量分辨散射检测器的示例性设置的几何结构。

在行李检查应用的情况下以及在用于检测疾病(该疾病改变了组织的分子结构)的医疗应用中，组合的CT和散射信息可以用于材料的识别。

然而，当前的CSCT重构算法要求360°上的数据采集。在这种情况下，满足完备性条件并且数据不需要进一步的加权，因为所有体元(voxel)都被均匀地暴露。在完整的一圈上进行采集不仅可以确保完备性条件，而且还可以给出数据的正确加权。不过，由于扫描仪几何结构的原因，360°完备性条件负责小值以及大值的q范围限制。

发明内容

因此，希望拥有一种用于CSCT的改进重构方案。

本发明提供了相干散射计算层析设备、图像处理设备、计算机可读介质、程序元件以及检查感兴趣目标的方法，其具有依照独立权利要求的特征。

应当指出的是，以下描述的本发明的示例性实施例同样适用于检查感兴趣目标的方法、计算机可读介质、图像处理设备以及程序元件。

依照本发明的第一个方面，提供了用于检查感兴趣目标的相干散射计算层析设备，该相干散射计算层析设备包括重构单元，所述重构单元适于从数据集合中选择体元和q范围，对包含该体元并且与所述q范围内的q值对应的投影进行加权，得到加权的投影，并且向后投射该加权的投影。

有利的是，所述相干散射计算层析设备可以适于重构只在半圈即180°加扇形角上采集的数据。此外，该CSCT设备可以适于分别将重构扩展到与360°重构相比更小和更大的q区域。

所述CSCT设备还可以适于在对投影加权之后进行发散卷积(divergent convolution)，其中所述向后投射沿着弯曲线进行。

因此，在加权之后对于图像重构进行发散卷积以及沿着弯曲线的向后投射。

在本发明这个方面的一个实施例中，所述加权是帕克(Parker)加权。

因此，执行了对于双扫描区域中的数据的平滑加权，其中权重及其导数在边界处连续。

依照本发明的另一个实施例，所选择的体元和q范围并不满足360°条件，而是至少满足180°条件。

依照本发明的另一个实施例，所述CSCT设备还适于在辐射源的360°旋转上进行相干散射计算层析数据采集，得到所述数据集合。该CSCT设备还适于估计任何单独的体元和q值看到的角度范围并且适于对所有满足360°完备性条件的体元和q值执行360°重构。

因此，依照本发明的这个实施例，上述180°重构算法可以用来在应用到完整的360°数据集合上时沿所有空间方向扩展该可达到的q范围。

依照本发明的另一个实施例，所述CSCT设备被配置成由材料试验设备和医疗应用设备构成的组中的一个。本发明的应用领域可以是医疗成像或者行李检查。

依照本发明的另一个实施例，所述CSCT设备还包括设置在电磁辐射源和检测器单元之间的准直器，其中该准直器适于对由电磁辐射源发出的电磁辐射束进行准直以便形成锥形束或者扇形束。

此外，所述CSCT设备可以调节成能量分辨相干散射计算层析设备。

此外，依照本发明的另一个实施例，提供了利用相干散射计算层析设备检查感兴趣目标的方法，该方法包括步骤：从数据集合中选择体元和q范围，对包含该体元并且与所述q范围内的q值对应的投影进行加权，得到加权的投影，并且向后投射该加权的投影。

如果只执行了半扫描，那么这可以导致测量时间的减少。此外，执行与半扫描重构方法结合的全扫描可以导致q范围的扩展。

依照本发明的另一个实施例，可以提供用于检查感兴趣目标的图像处理设备，该图像处理设备包括用于存储感兴趣目标的数据集合的存储器以及适于执行上述方法步骤的重构单元。

依照本发明的另一个实施例，可以提供计算机可读介质，其中存储了用于检查感兴趣目标的计算机程序，所述程序在由处理器执行时使得所述处理器执行上述方法步骤。

此外，依照本发明的另一个实施例，可以提供用于检查感兴趣目标的程序元件，其在由处理器执行时使得所述处理器执行上述方法步骤。

本领域技术人员应当容易理解，所述检查感兴趣目标的方法可以实施为所述计算机程序，即通过软件实施，或者可以通过使用一个或多个专用电子优化电路来实施，即以硬件实施，或者该方法可以以混合的形式来实施，即借助于软件部件和硬件部件来实施。

优选地，将依照本发明实施例的程序元件装载进数据处理器的工作存储器中。该数据处理器因而可以被装备成执行本发明的方法的实施例。所述计算机程序可以用任何适当的编程语言(例如C++)来编写，并且可以存储在诸如CD-ROM之类的计算机可读介质上。同样，该计算机程序可以从诸如万维网之类的网络上获取，该程序可以从所述网络下载到图像处理单元或处理器或者任何适当的计算机上。

可以视作本发明一个示例性实施例的要点的是，CSCT重构是根据只在台架的半圈即180°加扇形角上采集的数据集合来执行的。该新的重构方案的特征在于，相比于360°重构，它可以提供所述重构分别向更小和更大的q区域的扩展。

本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将变得清楚明白，并且将参照这些实施例进行阐述。

附图说明

现在将仅通过举例的方式参照附图来描述本发明，在附图中：

图1示出了依照本发明示例性实施例的CSCT设备的简化的示意性表示。

图2示出了CSCT的几何结构的示意性表示。

图3示出了CSCT几何结构在x-y平面上的示意性表示。

图4示出了CSCT几何结构在x-z平面上的示意性表示。

图5示出了CSCT几何结构在x-y平面上的示意性表示。

图6示出了CSCT几何结构在x-y平面上的示意性表示。

图7示出了CSCT几何结构在x-y平面上的示意性表示。

图8示出了图9中绘出的圆柱的散射函数F²(q)。

图9示出了与图8中绘出的数据对应的圆柱的示意性表示。

图10示出了可以重构的动量迁移范围的上下极限。

图11示出了依照本发明的图像处理设备的一个示例性实施例，其用于执行依照本发明的方法的示例性实施例。

具体实施方式

在不同的附图中，相似或相同的元件提供有相同的附图标记。

图1示出了依照本发明示例性实施例的CT/CSCT扫描仪系统的一个示例性实施例。参照该示例性实施例，将针对行李检查领域中的应用来描述本发明。然而，应当指出的是，本发明并不限于这种应用，而是还可以应用到医疗成像领域或者其他工业应用场合，例如材料试验。

图1中绘出的计算机层析设备100是扇形束CT/CSCT扫描仪。图1中绘出的该CT/CSCT扫描仪包括台架101，其可以围绕旋转轴102旋转。台架101借助于马达103驱动。附图标记104表示诸如X射线源之类的辐射源，其依照本发明的一个方面发出多色辐射。

附图标记105表示孔径系统，其使得从辐射源发出的辐射束形成扇形辐射束106。该扇形束106被引导，使得其穿透设置在台架101中心、即设置在该CT/CSCT扫描仪的检查区域中的感兴趣目标107，并且撞击到检测器108上。由图1可知，检测器108设置在台架101上与辐射源104相对的位置，使得检测器108的表面至少部分地由扇形束106照射。图1中绘出的检测器108包括多个检测元件123，每个检测元件能够以能量分辨或非能量分辨的方式检测穿透感兴趣目标107的X射线或单独的光子。

在扫描感兴趣目标107期间，辐射源104、孔径系统105和检测器108沿着台架101在箭头116所示的方向旋转。为了旋转带有辐射源104、孔径系统105和检测器108的台架101，马达103连接到马达控制单元117，所述马达控制单元117连接到计算或重构单元118。

在图1中，感兴趣目标107可以是设置在输送带119上的行李物件或者患者。在扫描感兴趣目标107期间，当台架101围绕行李物件107旋转的同时，输送带119停止。这样，沿着圆形扫描路径扫描感兴趣目标107。例如在其中感兴趣目标107为患者的医疗应用中，代替提供输送带119的是，可以使用可移动台。然而，应当指出的是，在描述的所有情况中，也可以实行其他扫描路径。

检测器108可以连接到计算单元118。计算单元118可以接收检测结果，即来自检测器108的检测元件123的读出，并且可以根据这些读出确定扫描结果。此外，计算单元118与马达控制单元117通信，以便使得台架101的运动与马达103和120以及输送带119协调。

依照本发明一个示例性实施例，计算单元118可以适于执行图像重构。由计算单元118产生的重构图像可以经由接口122输出到显示器(图1中未示出)。

计算单元118可以通过处理来自检测器108的检测元件123的读出的数据处理器来实现。

此外，由图1可知，计算单元118可以连接到扬声器121例如以便在检测到行李物件107中的可疑材料的情况下自动地输出警告。

用于检查感兴趣目标107的计算机层析设备100包括具有以矩阵状方式排列的多个检测元件123的检测器108，每个检测元件123适于检测X射线。此外，该计算机层析设备100包括适于重构感兴趣目标107的图像的确定单元或重构单元118。

该计算机层析设备100包括适于向感兴趣目标107发出X射线的X射线源104。在电磁辐射源104和检测元件123之间提供的准直器105适于对从电磁辐射源104发出的电磁辐射束进行准直以便形成扇形束。检测元件123形成多片段检测器阵列108。

图2示出了CSCT的几何结构的示意性表示。被调节成单线列或多线列检测器的中心检测器201检测所述辐射，该辐射直接从x射线管104发射并且由扇形束准直器105准直，从而形成扇形束203。此外，在偏离扇形束203的位置提供了一维散射准直器202和检测器204。CSCT检测器204可以调节成能量分辨检测器或非能量分辨检测器并且测量散射的辐射。

由CT算法可知，来自半圈即180°加扇形角的数据足以用于适当的图像重构。不利的是，在围绕感兴趣目标107旋转期间，目标107和检测器201、204之间的距离发生变化，从而固定目标体元和给定检测器行之间的散射角也发生变化。

当使用了多线列散射检测器时，同时测量出散射角的范围。根据散射角Θ和光子能量E，计算出动量迁移参数q，

$q=\frac{E}{\mathrm{hc}}\sin (\mathrm{\Θ}/2)$                                   (公式1)

式中，h为普朗克常数，c为光速。

该可达到的能量范围受到最小能量E_min和最大能量E_max的限制，例如E_min＝50keV...E_max＝100keV。因此，对于每个散射角Θ而言，只测量了有限的q范围。重构可以只针对该q值范围来进行，这些q值对于所有旋转步长(rotational step)均到达所述检测器。

依照本发明的一个方面，所需的旋转步长的数量减少了多达50％。结果，允许重构的散射角范围被扩展，从而可达到的q范围被扩展。更大的可达到q范围允许在行李检查应用中对材料进行改进的检测或者允许在医疗应用中更好地判别健康和病变组织。

图3示出了CSCT几何结构在x-y平面中的示意性表示。灰色填充圆301表示视场(FOV)。大圆的段302代表针对半扫描即180°加扇形角的轨迹。

x-y平面中的视场301由扫描仪的几何结构并且特别地由检测器108的宽度给定。可达到的q范围受到视场的限制，并且还依赖于扫描仪的几何结构、检测器的高度以及可测量的能量范围，如图4所示。Q值更小或更大时，视场减小，因为视场边缘处的体元不再满足所述360°条件。

图4示出了CSCT几何结构在x-z平面上的示意性表示。检测器的高度h以及检测器相对于中心平面406的距离a对于q范围而言是至关重要的。

附图标记402表示180°的源位置，附图标记403示出了0°的源位置。407绘出了从180°的源402发出的输入射线的路径。406示出了从0°的源403发出的输入射线的路径。输入射线406在目标点408处沿朝着检测器的方向401散射，所述检测器位于0°404。另一方面，如果源位于180°402，那么输入射线407由目标点408沿方向409散射，不会撞击位于180°405的检测器。

采集角减小到180°加扇形角可以通过引入带有检测器数据的适当加权的重构算法来实现。此外，当应用到来自360°扫描的数据上时，这种重构算法可以用于沿两个方向，即对于更小的以及对于更大的q值扩展所述q范围。

在下文中，更加详细地描述了依照本发明示例性实施例的用于半扫描采集的重构算法以及扩展q范围的方法：

用于半扫描采集的重构算法

由CT重构算法可知，从180°加发散扇形束上采集的一组发散射线投影获得的数据形成最小的完备数据集合。正是该最小集合的等距投影测量可以用于常规的卷积型重构算法。依照本发明的一个方面，所述CSCT360°重构方案是通过引入帕克加权由180°重构算法扩展而来的，

$\mathrm{\ω}(\mathrm{\α},\mathrm{\β})={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\β}}_{\max }-\mathrm{\β}}\right),$        0≤α≤2β_max-2β

ω(α，β)＝1，              2β_max-2β≤α≤π-2β

(公式2)

$\mathrm{\ω}(\mathrm{\α},\mathrm{\β})={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\frac{\mathrm{\π}+{2\mathrm{\β}}_{\max }-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\β}}_{\max }+\mathrm{\β}}\right),$       π-2β≤α≤π+2β_max，

式中，α表示源的旋转角，β_max表示扇形角303，β表示所述扇形内使感兴趣体元曝露于的射线的角度，如图3中由附图标记304所示。

“Optimal short scan convolution reconstruction for fan beam CT”，D.L.Parker，Med.Phys.9(2)，March/April 1982，pp.254-257中描述了帕克加权，该文献在此引作参考。

由上可知，该技术可以要求对双扫描区域中的数据进行平滑加权，同时要求权重及其导数在边界处连续。执行所述加权之后，执行发散卷积以及沿着弯曲线的向后投射以重构所述图像。

q范围的扩展

前面已经提到，q范围的限制由检测器到中心平面410的距离、由检测器的高度411以及由检测器的能量范围给定。不失一般性，我们就考虑依照图4的、到中心平面的距离为a 412的一个检测器行。如果我们假设(x，y)处的目标点以角度Θ将光子散射到α＝0°处的检测器，那么完备性条件要求检测器在完整的一圈期间从每个源位置接收散射中心的辐射。然而，如果源-检测器单元达到了相对的位置(例如180°)，那么情况不一定如此。到达检测器的辐射现在以不同的角度散射。为了依照等式1测量相同的q值，必须使用不同的能量。然而，该新的能量可能不包含在范围E_min...E_max内。这样，该q值在360°的情况下不能重构，如图5和6中同样示出的。

图5在x-y平面上示出了CSCT的几何结构。中心区域501示出了在360°上曝光的体元区域。301示出了最大视场。尽管对于波矢量迁移q＝2，5nm^-1而言可以对该最大视场成像，如图5所示，但是相对于旋转中心具有更大距离的体元不满足针对q＝1，04nm^-1的完备性条件(如图6所示)。在这种情况下，仅可以重构小的旋转对称区域601，其中在图5的情况下，可以重构最大视场301。

如果我们进一步假设来自源-检测器位置的、从90°到270°加扇形角的角度范围上的散射光子到达检测器，那么可以利用半扫描重构方法重构该目标点。

图7示出了CSCT几何结构在x-y平面上的示意性表示。在图7中，展示了针对重构过程可以将附加的部分考虑进来。来自外部区域的体元满足180°重构所需的条件。如图8所示，这可以针对视场的若干段来进行，其导致q范围的扩展。换言之，由图7可知，在波矢量迁移q＝1，04nm^-1下，相比于完全扫描重构方法，利用半扫描重构方法可以重构出所述最大视场的更大区域。

附图标记701表示在180°加扇形角上曝光的体元区域。

图8示出了图9中绘出的圆柱901的散射函数F²(q)，所述散射函数利用常规360°重构方法804(完全扫描)以及利用180°重构方法805重构出来。水平轴801代表q值，范围从0，5到6，0nm^-1。竖直轴802示出了任意单位下的散射函数。

尽管圆柱901的散射函数F²(q)利用360°重构方法只可以向下重构到q＝1，18nm^-1，但是它借助于所述180°重构方法可以扩展到q＝1，04nm^-1。给定视场越大，这种效果越大。

图9示出了与图8中绘出的散射函数对应的圆柱901的示意性表示。

图10示出了可以在360°重构(分别为1005、1006)的情况下以及关于所提出的180°重构(分别为1003、1004)而重构的动量迁移范围的上下极限。对于这些计算，采用了在从50到100keV的可估计光子的能量范围下覆盖从扇形平面测量的从32到80mm的高度范围的散射检测器。

水平轴1001示出了单位为mm范围从0到500的视场半径。竖直轴1002示出了范围从0到5nm^-1的q值。在360°的情况下，当视场增大时动量迁移范围显著收缩，而在180°的情况下，q范围的下限与视场的大小无关，并且上限对视场的依赖性远小于360°的情况。

当应用到完整的360°数据集合时，该新的180°重构方案可以通过下列方法用来沿所有空间方向扩展可达到的q范围：

首先，利用360°旋转上的数据采集执行CSCT测量。然后在步骤2中，估计由任何单独的体元和q值看到的角度范围。在步骤3中，对所有体元和q值执行常规的360°重构，所述体元和q值满足360°完备性条件。最后在步骤4中，选择不满足所述360°条件但是至少满足180°条件的所有体元和q值，并且将适当的加权应用到所有包含该体元/q值的投影上，接着是向后投射。

图11示出了图像处理设备400的一个示例性实施例，其用于执行本发明的方法方面。图11中绘出的图像处理设备400包括连接到用于存储图像的存储器402的中央处理单元(CPU)或图像处理器401，所述图像描绘诸如患者或行李物件之类的感兴趣目标。数据处理器401可以连接到多个输入/输出网络或诊断设备，例如CT设备。数据处理器401此外还可以连接到显示设备403(例如计算机监视器)，以用于显示数据处理器401中计算或调节的信息或图像。操作员或用户可以经由键盘404和/或其他输出设备与数据处理器401交互，所述其他输出设备在图11中没有绘出。

此外，通过总线系统405，还可以将该图像处理和控制处理器401连接到例如监视感兴趣目标的运动的运动监视器。在例如对患者的肺部成像的情况下，该运动传感器可以是呼气传感器。在对心脏成像的情况下，该运动传感器可以是心电图。

上述方面可以用于能量分辨CSCT或非能量分辨CSCT以及用于扇形束CSCT或锥形束CSCT。此外，这些方法可以应用在但不限于医疗领域中，作为用于CT的附加物，还应用在行李检查应用中，以用于明确而快速的材料识别。

应当指出的是，措词“包括”并没有排除其他的元件或步骤，“一”或“一个”并没有排除复数。此外，可以对结合不同实施例描述的元件进行组合。

还应当指出的是，权利要求中的附图标记不应当视为限制了权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种用于检查感兴趣目标(107)的相干散射计算层析设备，该相干散射计算层析设备包括：

重构单元(118)，其适于：

从数据集合中选择体元和q范围；

对包含该体元并且与所述q范围内的q值对应的投影进行加权，得到加权的投影；

向后投射该加权的投影。

2.权利要求1的相干散射计算层析设备，还适于：

在对所述投影加权之后进行发散卷积；

其中所述向后投射沿着弯曲线进行。

3.权利要求1的相干散射计算层析设备，其中所述加权是帕克加权。

4.权利要求1的相干散射计算层析设备，

其中所选择的体元和q范围不满足360°条件；并且

其中所选择的体元和q范围至少满足180°条件。

5.权利要求1的相干散射计算层析设备，还包括：

辐射源(104)；

其中该相干散射计算层析设备还适于：

在辐射源的360°旋转上进行相干散射计算层析数据采集，得到所述数据集合；

估计任何单独的体元和q值看到的角度范围；

对所有满足360°完备性条件的体元和q值执行360°重构；

对所有不满足360°完备性条件但是满足180°完备性条件的体元和q值执行180°重构。

6.权利要求1的相干散射计算层析设备，被配置成由材料试验设备、医疗应用设备构成的组中的一个。

7.权利要求1的相干散射计算层析设备，还包括：

检测器单元(108)；以及

设置在电磁辐射源(104)和检测器单元(108)之间的准直器(105)；

其中准直器(105)适于对由电磁辐射源(104)发出的电磁辐射束进行准直以便形成锥形束或者扇形束。

8.权利要求1的相干散射计算层析设备，被调节成能量分辨相干散射计算层析设备。

9.一种根据相干散射计算层析数据集合重构感兴趣目标的图像的方法，该方法包括步骤：

从所述数据集合中选择体元和q范围；

对包含该体元并且与所述q范围内的q值对应的投影进行加权，得到加权的投影；

向后投射该加权的投影。

10.权利要求9的方法，还包括步骤：

估计任何单独的体元和q值看到的角度范围；

对所有满足360°完备性条件的体元和q值执行360°重构；

对所有不满足360°完备性条件但是满足180°完备性条件的体元和q值执行180°重构。

11.一种用于检查感兴趣目标的图像处理设备，该图像处理设备包括：

用于存储该感兴趣目标(107)的数据集合的存储器；

重构单元(118)，其适于：

从所述数据集合中选择体元和q范围；

对包含该体元并且与所述q范围内的q值对应的投影进行加权，得到加权的投影；

向后投射该加权的投影。

12.一种计算机可读介质(402)，其中存储了用于检查感兴趣目标(107)的计算机程序，所述程序在由处理器(401)执行时使得所述处理器执行步骤：

从数据集合中选择体元和q范围；

对包含该体元并且与所述q范围内的q值对应的投影进行加权，得到加权的投影；和

向后投射该加权的投影。

13.一种用于检查感兴趣目标的程序元件，其在由处理器(401)执行时使得所述处理器执行步骤：

从数据集合中选择体元和q范围；

对包含该体元并且与所述q范围内的q值对应的投影进行加权，得到加权的投影；

向后投射该加权的投影。

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