CN101688917A - 用于消除计算机断层摄影中的散射伪影的方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于消除破坏使用计算机断层摄影的对象的图像的散射伪影的方法、计算机程序以及对应的装置，其中对象的X射线投影至少部分地被截断，其中，该方法包括以下步骤：根据投影重建具有有限视场的对象的截断的图像；使用对象的截断的图像在经扩展的视场中构建对象的模型；使用对象的模型通过蒙特卡罗模拟推导出散射估计；基于所述散射估计针对X射线散射校正对象的投影；使用经校正的投影重建经散射校正的图像。

Description

用于消除计算机断层摄影中的散射伪影的方法

技术领域

本发明涉及消除破坏使用计算机断层摄影的对象的图像的散射伪影的方法以及对应的装置。此外，本发明涉及用于在计算机上实现所述方法的计算机程序。

背景技术

文献WO 2006/082557示出了：模型估计单元，其用于通过前向投影的偏差的迭代优化估计对象的对象模型的模型参数，所述前向投影是通过根据对应的X射线投影使用所述对象模型和X射线投影的几何参数计算的；以及散射估计单元，其用于通过使用所述对象模型估计所述X射线投影中存在的散射量。

散射辐射是锥束计算机断层摄影中的图像退化以及非线性的主要来源。其特别作用于具有大锥角以及因此具有大辐照面积的系统几何结构，例如基于C型臂的体积成像，其中散射辐射产生显著的、在空间上缓慢变化的背景，该背景被加入到探测信号中。结果，经重建的体积由于散射而遭受杯状和条纹状伪影，从而妨碍了对绝对Hounsfield单位的报告。

由铅片层以及间隙材料组成的抗散射格栅已显示出对于典型的体积成像几何结构是无效的，因为它们增加了信噪比。此外，甚至在格栅的后面，散射辐射的一大部分仍然存在，并且因此抗散射格栅不是很适合作为减少杯状和条纹状伪影的仅有手段。因此，为了用基于C型臂的X射线系统实现均匀的、无伪影的并且准确重建的体积，准确的计算机化的散射校正方法是必然需要的。因为CT扫描器还趋于朝更大的锥束角发展，所以对于CT来说更先进的散射校正方案也可能变得重要。

因为对准确的软组织描绘的需求以及获取真实的绝对Hounsfield标度(例如，对于定量成像技术)的要求不断地升高，对准确的散射补偿的需求也增高。

例如，使用蒙特卡罗模拟是为了研究诊断放射学中的散射辐射的复杂分布的技术。最近，计算机能力的提升也允许为了散射校正的目的利用从经重建的CT图像获取的体素化对象模型执行蒙特卡罗模拟。

因为CT图像提供了关于对象几何结构的非常详细的信息并且因为散射的物理过程可以被更准确地建模，所以由这一技术获取的散射分布也非常准确并且就准确度而言可以优于大多数可利用的散射估计方案。而且，在图形硬件上执行蒙特卡罗模拟的观点提供了大大加速计算时间的潜力。进一步的加速可以通过针对单次散射的专用计算技术实现。

然而，在横向截断投影的情况下，上述技术面临大的问题。特别是可重建的视场仅覆盖总的对象区域的一小部分，并且因此，蒙特卡罗模拟缺少计算有意义的散射分布所需的重要信息。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种用于消除破坏对象的图像的散射伪影的方法和装置以及对应的计算机程序。

所述目标是根据本发明通过用于消除破坏使用计算机断层摄影的对象的图像的散射伪影的方法实现的，其中，对象的X射线投影至少部分地被截断，所述方法包括以下步骤：

根据所述投影重建具有有限视场的对象的截断的图像；

使用所述对象的截断的图像在经扩展的视场中构建对象的模型；

使用所述对象的模型通过蒙特卡罗模拟推导出散射估计；

基于所述散射估计针对X射线散射校正对象的投影；

使用经校正的投影重建经散射校正的图像。

根据示例性实施例，所述目标是根据本发明通过这样的一种方法实现的，其中对象的模型是通过下列构建的：

根据测得的投影的几何结构计算对象的截断的图像的前向投影；

计算所述对象的截断的图像的前向投影与测得的投影之间的差；

使用能说明所述差的材料沿着每条X射线在所述有限视场之前以及之后的两个部分中扩展对象的截断的图像。

根据另一示例性实施例，所述截断的图像是沿着每条X射线在所述有限视场之前和之后对称地扩展的。

认为所述材料与水相当或相似是有利的。

另外可替代地，所述目标是根据本发明通过这样的一种方法实现的，其中对象的截断图像是以这样的方式扩展的：使得穿过对象的模型的X射线衰减线积分的重心与穿过对象的另一模型的对应的X射线衰减线积分的重心相同。

根据另一示例性实施例，提供了一种方法，其中通过外推法，特别是使用多项式外推法计算重心。

根据另一示例性实施例，使用反映测得的投影数据与对象的模型的虚拟投影数据的相似性的代价函数迭代地确定对象的模型的参数。

根据本发明的另一实施例，通过使用对象的另外的数据构建对象的模型。

根据另一示例性实施例，将所述数据配准到对象的截断的图像。

另外可替代地，本发明的目标是通过这样的一种方法实现的，其中所述数据是来自另一CT扫描的图像。

根据本发明还通过计算机程序实现所述目标，该计算机程序包括用于当计算机程序在计算机上执行时使计算机执行根据权利要求1到10所述的方法的步骤的程序代码模块。

根据本发明还通过这样的一种装置实现所述目标，该装置用于消除破坏使用计算机断层摄影的对象的图像的散射伪影，其中，对象的X射线投影至少部分地被截断，该装置包括：

用于根据投影构建具有有限视场的对象的截断的图像的重建器；

用于使用所述对象的截断的图像在经扩展的视场中构建对象的模型的构建器；

用于使用所述对象的模型通过蒙特卡罗模拟推导出散射估计的推导器；

用于基于所述散射估计针对X射线散射校正对象的投影的校正器；

用于使用经校正的投影重建经散射校正的图像的重建器。

认为根据本发明的装置适于通过下列构建对象的模型是有利的：

用于根据测得的投影的几何结构计算对象的截断的图像的前向投影的计算器。

用于计算所述对象的截断的图像的前向投影与测得的投影的差的计算器；

用于利用能说明所述差的材料沿着每条X射线在所述有限视场之前以及之后的两个部分中扩展对象的截断的图像的扩展器。

根据本发明的装置适于沿着每条X射线在所述有限视场之前和之后对称地扩展所述截断的图像

根据另一示例性实施例，所述材料与水相当或相似。

根据本发明的又一实施例，所述装置包括以这样的方式扩展对象的截断图像的扩展器：使得穿过对象的模型的X射线衰减线积分的重心与穿过对象的另一模型的对应的X射线衰减线积分的重心相同。

认为所述装置包括通过外推法特别是使用多项式外推法计算所述重心的计算器是有利的。

根据本发明还通过这样的一种装置实现所述目标，该装置包括确定器，该确定器使用反映测得的投影数据与对象的模型的虚拟投影数据的相似性的代价函数迭代地确定对象的模型的参数。

根据另一示例性实施例，所述装置包括通过使用对象的另外的数据构建对象的模型的构建器。

认为根据本发明的装置包括将所述数据配准到对象的截断的图像的配准单元是有利的。

还认为所述数据是来自另一CT扫描的图像是有利的。

附图说明

现在将通过使用附图中所说明的示例性实施例更详细地解释本发明，在附图中：

图1说明了示出基于蒙特卡罗模拟的散射校正的原理的框图；

图2示出了利用完全对象表示可以正确地模拟散射辐射；

图3说明了由于缺少在经重建的视场之外的对象数据而引入到所述模拟中的误差；

图4示出了模型参数与测得的投影数据的适配；

图5说明了用于扩展视场的模型的使用；

图6示出了测得的以及重建的体积；

图7说明了来自外部数据源的体积表示；

图8示出了使用经配准的外部数据集构建的模型；

图9示出了测得的投影以及在有限视场中重建的前向投影；

图10示出了利用差的水当量沿着每条射线对截断的图像的扩展；

图11说明了从经适配的对象的模型得到的每条射线的重心；

图12示出了使用从经适配的对象的模型得到的重心对截断的图像的扩展；

图13示出了根据权利要求12所述的装置的流程图；

图14示出了根据权利要求11所述的计算机。

具体实施方式

图1示出了基于蒙特卡罗模拟的散射校正的原理。首先，存在完全投影数据集1。对该完全投影数据集进行子采样2得到粗投影数据集3，其导致快速的、粗糙的重建4。然后应用蒙特卡罗散射模拟程序5，其结果是粗散射数据集6。为了提高准确性可以通过迭代重复这最后3个步骤。对其结果进行上采样9并从原始完全采样数据集1中减去该结果，这导致最终的重建7。这一基于蒙特卡罗模拟的散射校正的原理为现有技术。

图2以及图3示出了在对象的X射线投影至少部分地被截断的情况下引入到蒙特卡罗模拟中的主要误差源，其中仅能重建具有有限视场的对象的截断的图像。首先，相对于主射束方向在所述视场之前以及之后缺失的区域对模拟射线的衰减并没有贡献，这将由于指数衰变律而引入大的误差。其次，相对于射束方向在所述视场之外横向缺失的区域并不贡献于进一步偏转源自对象的直接辐照部分中的散射事件的光子。

图2示出利用完全对象表示可以正确地模拟散射辐射。图2特别地示出了散射射线15以及正确建模的射束几何结构10和11。

图3说明了由于在经重建的视场之外的缺失的对象数据而引入到模拟中的误差，其中示出了具有小视场的重建区域12、由于缺失材料而缺失的散射辐射14以及缺失的衰减材料13。

图4以及图5示出了通过使用对象模型18执行截断的图像的所需扩展的简单方法。可以使用反映测得的投影数据与对象模型18的虚拟投影数据的相似性的代价函数迭代地确定对象模型18的参数。可以在每次迭代使用在每次迭代得到的成像几何结构以及模型参数计算所述虚拟的投影数据。

图4特别地示出了与测得的投影数据适配后的模型。

图5示出了用于截断的图像的扩展16、17的模型的使用。一旦得到了所述模型参数，将参数化对象表示转化为体素化表示，并且这两个数据集，即在成像系统的视场之内的经重建的数据以及对象模型的体素化表示，相融合。在所述成像系统的视场之内使用经重建的数据，在所述视场之外使用对象模型的体素化表示。

图6示出了测得的以及经重建的截断的图像23。如果对象体积的完全对象表示可从诸如诊断CT扫描或具有足够大的视场的先前扫描的其他数据源获得，则可以通过将外部数据配准到经重建的小视场而执行截断的图像的所需扩展。图7示出了来自诸如CT的外部数据源的体积表示19。图8是配准的结果。在配准之后，在所述小视场之外的所有体素被来自外部数据源的经配准的对象表示所替换。图8示出了将所述外部数据20加入所述小视场22中。通过不连续线21表示这两个区域之间的边界。

图9示出了测得的对象30以及经重建的截断的图像24，其导致投影25以及26。图10示出了将投影25和投影26进行比较的结果，其中用差的水当量沿着每条射线扩展截断的图像。为了通过体素化射线投射计算对应于用于测得的投影数据的几何结构的前向投影，使用对象的经重建的小视场。所述测得的投影与所述小视场的前向投影的差构成了每条射线的线积分的缺少的部分。然后线积分的这一缺少的部分被转换成水当量长度，并且被对称的放置在所述小视场27之前的部分28以及之后的部分29中。针对每个投影方向，即针对焦点-探测器系统的每个观察位置，应计算新的扩展模型。这样做的理由是使用该方法在每次观察中的扩展模型正确地反映了测得的线积分。这一特性对蒙特卡罗模拟的校正是最重要的，因为其保证了正确考虑到散射辐射在主传播方向上的自衰减。材料分布朝向焦点或朝向探测器元件的轻微移位——其不可以用这一方法防止——基本不改变射束衰减，因此不是很关键。由相应投影方向覆盖的区域之外的截断的图像的扩展也不是很关键，因为这些区域仅是造成第二级散射效应的原因并且因此对蒙特卡罗散射模拟的校正也仅有较小的影响。因此，这些区域中的截断的图像的扩展可以基于对用于由相应投影覆盖的区域内的最接近的射线的扩展的重复。

如下提出另一实施例：首先，使对象的模型与投影数据的完全集适配。然后，针对每条射线计算在所述模型内的射线部分的重心。在经重建的小视场的体素化射线投射期间，除了计算线积分之外还计算所述小视场内的射线部分的重心。最后，由测得的线积分与通过在所述小视场内的体素化射线投射得到的线积分的差异的水当量长度给出的每条射线的视场扩展被分成在所述小视场之前38以及之后39的两个部分。这是以这样的方式完成的：使得组合而成的经扩展的射线与经适配的对象的模型中对应的射线的重心的位置重合。可以通过外推法，例如使用多项式扩展来计算不与对象的模型相交的射线所需的重心点。图11说明了焦斑31、每条射线的重心32、可以通过外推法得到的在模型之外的点35以及对象的模型33和探测器34。如果不满足对称假设，图12示出了次优扩展36。当使用重心时也存在根据本发明的上述实施例的具有在很大程度上改善的扩展37的结果。

图13示出了用于消除破坏使用计算机断层摄影的对象的图像的散射伪影的装置的流程图，其中，对象的X射线投影至少部分地被截断，其中存在：

重建器40，其用于根据投影重建具有有限视场的对象的截断的图像；

构建器41，其用于使用对象的截断的图像在经扩展的视场中构建对象的模型；

推导器42，其用于使用所述对象的模型通过蒙特卡罗模拟推导出散射估计；

校正器43，其用于基于所述散射估计针对X射线散射校正对象的投影；

重建器44，其用于使用经校正的投影重建经散射校正的图像。

本发明还涉及如在权利要求11中所定义的可以被存储在记录载体上的计算机程序。图14示出了具有显示器45的计算机48，该计算机48中的CPU 46正在运行，其与诸如47的其他输入/输出单元相连接。

所提议的技术例如可用于基于平板探测器的锥束CT系统，诸如结合当前的X射线产品中的C型臂几何结构使用。此外，所述技术还可以在发生截断的情况下(诸如对于肥胖的患者)用于诊断CT应用。

具体描述了用于消除破坏使用计算机断层摄影的对象的图像的散射伪影的方法、计算机程序以及对应的装置，其中对象的X射线投影至少部分地被截断，其中，所述方法包括以下步骤：根据投影重建具有有限视场的对象的截断的图像；使用对象的截断的图像在经扩展的视场中构建对象的模型；使用对象的模型通过蒙特卡罗模拟推导出散射估计；基于所述散射估计针对X射线散射校正对象的投影；使用经校正的投影重建经散射校正的图像。

虽然已在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但是应将这样的说明和描述视为说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实施所主张的发明时通过对附图、公开内容以及随附的权利要求的研究可以理解并实现对所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单独的处理器或其他单元可实现权利要求中所记载的多个项目的功能。在彼此不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能被用于取得优势。可以将计算机程序存储/分布于适当的介质中，例如与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的一部分而提供的光学存储介质或固态介质中，但是也可以以其他形式分布，例如经由因特网或者其他有线或者无线通信系统。权利要求中的任何参考标记不应被解释为对其范围的限制。

Claims (21)

1、一种用于消除破坏使用计算机断层摄影的对象的图像的散射伪影的方法，其中，所述对象的X射线投影至少部分地被截断，所述方法包括以下步骤：

根据所述投影重建具有有限视场的所述对象的截断的图像；

使用所述对象的所述截断的图像在经扩展的视场中构建所述对象的模型；

使用所述对象的所述模型通过蒙特卡罗模拟推导出散射估计；

基于所述散射估计针对X射线散射校正所述对象的投影；

使用经校正的投影重建经散射校正的图像。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，通过下列构建所述对象的所述模型：

根据测得的投影的几何结构计算所述对象的所述截断的图像的前向投影；

计算所述对象的所述截断的图像的所述前向投影与所述测得的投影之间的差；

使用能说明所述差的材料沿着每条X射线在所述有限视场之前以及之后的两个部分中扩展所述对象的所述截断的图像。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，沿着每条X射线在所述有限视场之前以及之后对称地扩展所述截断的图像。

4、根据权利要求2或3中的一项所述的方法，其中，所述材料与水相当或相似。

5、根据权利要求2或4中的一项所述的方法，其中，以这样的方式扩展所述对象的所述截断的图像：使得穿过所述对象的所述模型的X射线的重心与穿过所述对象的另一模型的对应的X射线的重心相同。

6、根据权利要求5所述的方法，其中，通过外推法，特别是使用多项式外推法计算所述重心。

7、根据权利要求1所述的方法，其中，使用反映所测得的投影数据与所述对象的所述模型的虚拟投影数据的相似性的代价函数迭代地确定所述对象的所述模型的参数。

8、根据权利要求1所述的方法，其中，通过使用所述对象的另外的数据构建所述对象的所述模型。

9、根据权利要求8所述的方法，其中，将所述数据配准到所述对象的所述截断的图像。

10、根据权利要求9所述的方法，其中，所述数据是来自另一CT扫描的图像。

11、一种计算机程序，其包括程序代码模块，所述程序代码模块用于当计算机执行所述计算机程序时使所述计算机执行根据权利要求1到10所述的方法的步骤。

12、一种用于消除破坏使用计算机断层摄影的对象的图像的散射伪影的装置，其中，所述对象的X射线投影至少部分地被截断，所述装置包括：

用于根据所述投影重建具有有限视场的所述对象的截断的图像的重建器；

用于使用所述对象的所述截断的图像在经扩展的视场中构建所述对象的模型的构建器；

用于使用所述对象的所述模型通过蒙特卡罗模拟推导出散射估计的推导器；

用于基于所述散射估计针对X射线散射校正所述对象的投影的校正器；

用于使用经校正的投影重建经散射校正的图像的重建器。

13、根据权利要求12所述的装置，其中，所述装置适于通过下列构建所述对象的所述模型：

用于根据测得的投影的几何结构计算所述对象的所述截断的图像的前向投影的计算器；

用于计算所述对象的所述截断的图像的所述前向投影与所述测得的投影之间的差的计算器；

用于使用能说明所述差的材料沿着每条X射线在所述有限视场之前以及之后的两个部分中扩展所述对象的所述截断的图像的扩展器。

14、根据权利要求13所述的装置，其中，所述装置适于沿着每条X射线在所述有限视场之前以及之后对称地扩展所述截断的图像。

15、根据权利要求13或14中的一项所述的装置，其中，所述材料与水相当或相似。

16、根据权利要求13或15中的一项所述的装置，其包括以这样的方式扩展所述对象的所述截断的图像的扩展器：使得穿过所述对象的所述模型的X射线的重心与穿过所述对象的另一模型的对应的X射线的重心相同。

17、根据权利要求16所述的装置，其包括通过外推法，特别是使用多项式外推法计算所述重心的计算器。

18、根据权利要求12所述的装置，其包括确定器，所述确定器使用反映所测得的投影数据与所述对象的所述模型的虚拟投影数据的相似性的代价函数迭代地确定所述对象的所述模型的参数。

19、根据权利要求12所述的装置，其包括通过使用所述对象的另外的数据构建所述对象的所述模型的构建器。

20、根据权利要求19所述的装置，其包括配准单元，所述配准单元将所述数据配准到所述对象的所述截断的图像。

21、根据权利要求20所述的装置，其中，所述数据是来自另一CT扫描的图像。

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