CN101810491B - 降低由于x射线管的运动在重建的对象中引起的伪影 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过考虑焦点运动改进在通过迭代重建的图像确定中的图像质量的方法。为了考虑在计算的投影中焦点运动的影响，按照本发明提出，按照片段地对于焦点轨迹的各个片段计算多个不同投影，并且为了与在片段中拍摄的投影比较而进行平均。本发明产生改进的图像质量，主要在层析X射线照相组合应用中，在该应用中利用静止的检测器进行多个拍摄。

Description

降低由于X射线管的运动在重建的对象中引起的伪影
技术领域
本发明涉及用于改进在通过迭代重建的图像确定中的图像质量的一种方法和一种装置。
背景技术
在医学诊断中利用X射线照射待检查的对象。在穿透对象时辐射会衰减。借助探测器记录该穿过对象之后衰减的辐射。
X射线在通过对象的路径上的衰减形成对于透射物质的密度的度量。在医学诊断中由以图像形式显示的衰减或密度推断出存在异常或肿瘤。
在各个X射线拍摄中通过二维X射线图像获得关于三维对象的信息。这些信息有时不足以可靠地识别肿瘤组织。通过良性组织的重叠会导致诊断错误。
在各个X射线拍摄中该拍摄提供关于X射线沿着通过对象经过的路径的总衰减的信息。也就是，探测器的一个像素值对应于关于衰减值或衰减系数沿着通过对象引导的路径的积分。
对于可靠的诊断，值得期望的是，不仅获得关于衰减值的积分，而且获得衰减值本身作为位置的函数，也就是说，获得衰减系数作为标量的、取决于位置的场。为了在三维中确定衰减值，可以进行多次拍摄，从中确定衰减系数。这样的通过重建获得的衰减系数组还可以被视为3D图像数据组，并且以下也称为图像数据组或图像。该三维图像数据组通常由多个层图像组成。
从这些拍摄(关于这些拍摄人们也常说投影)中确定或重建衰减系数是一个复杂的数学问题。
为求解该问题提出了例如在【1】中列出的不同方法。这些方法的一组是所谓的迭代方法，或迭代重建方法。在该方法中，作为初始近似预先给出对象的取决于位置的衰减值或图像并且计算从中产生的投影。比较计算的投影与测量的投影(求差)。然后根据该比较进行图像的校正。此后重新计算投影并且与测量结果比较。当(在所需精确度的范围内)计算的和测量的投影之间呈现一致时，相应的图像是收敛的(auskonvergiert)并且提供所期望的衰减系数。
也就是，在该方法中，从图像中获得投影并且对于图像的校正使用(计算的和测量的)投影的差。为此目的需要在所谓的图像空间(对象的取决于位置的衰减系数)和所谓的投影空间(对于不同的投影方向获得的通过对象衰减的X射线的表示)的操作。对于一幅图像计算投影称为前向投影，从投影(或投影的差)计算图像(或图像校正)称为反向投影。
在该方法中在重建的图像中会出现错误。这些错误例如通过数据的不完整性、投影的重组(re-binning)或所谓的焦点运动引起。本发明针对在迭代方法中通过焦点运动导致的伪影。
X射线的产生和聚焦通常在所谓的X射线管中进行。X射线管通常产生锥形的辐射(锥形束，cone beam)或扇形辐射(扇形束，fan beam)。该辐射的出发点是在X射线管中的焦点，在该点进行X射线的聚集(Bündelung)。
由于多种原因，重建的图像会包含质的缺陷。在专业文献中为此提到伪影。除了别的之外，原因在于，在数字控制(Numerik)或在焦点运动中信息不完整。有益的是，根据作为层析X射线照相组合(Tomosynthese)公知的医学拍摄技术详细解释焦点运动的问题，因为在层析X射线照相组合中该问题产生特别强的影响。层析X射线照相组合例如应用在数字的乳房X线照相中。与计算机断层造影不同，其基于，在X射线管围绕待检查的对象的运动中仅扫描一个相对小的角度区间。区间的该限制通常由于待检查的对象(例如女性乳房)所致。
在乳房X线照相中层析X射线照相组合投影的序列可以借助修改的乳房X线照相系统或胸部层析X射线照相组合系统来记录。在X射线管在探测器上在-25°至25°之间的角度范围中运动时，在此例如建立25个投影。在该运动期间以规则的间隔触发辐射，并且从探测器中读出每个投影。然后，在层析X射线照相组合重建过程中(其例如象本文开头提到的那样运行)在计算机中从这些投影中重建检查的对象或图像的三维表示。然后在医学检查中通常仅观察所谓的Z层，即，与检测器平面平行取向的那些重建的层图像。
为了实现系统的机械稳定性，连续进行(不是静态调强方式(Step-and-shoot)运行)X射线管的运动。由此在同时触发辐射期间，X射线管保持运动(参见【2】)。这具有如下后果，拍摄的对象的内部结构的影像在投影图中被变得模糊不清(【3】、【4】)。在通常的重建过程之后，对象结构的该模糊化以模糊的显示反映在层图像中。
通过X射线管的运动引起的该所谓的模糊化伪影，首先对在其中不进行X射线管和图像接收器或者说检测器的同步同心运动的那些图像系统中产生影响。例如在具有静止的检测器的层析X射线照相组合系统中就是这样。此外，模糊化程度取决于X射线管的脉冲持续时间，脉冲持续时间又取决于输入剂量并由此取决于胸部厚度。该脉冲持续时间越长，则每个辐射脉冲管的路径越长并且由此对象结构的越模糊。
在非常小的解剖结构(例如在乳房X线照相术中对于检查结果是重要的微型钙化(Mikrokalzifizierungen))情况下，该模糊化可能是非常关键的。因为其导致，单个的微型钙化(Mikrokal)在图像中被融合或者其对比度在重建的层中被降低。这会导致错误的诊断。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，改进在通过迭代重建的图像确定中的图像质量。
本发明通过一种改进在通过迭代重建的图像确定中的图像质量的方法和装置解决上述技术问题。
下面，迭代重建被理解为从所测量的投影中的图像重建，其中进行在计算的和测量的投影之间的比较，以便使图像与测量的投影一致。在此，“迭代”的概念应该意味着，该方法适合于，如果图像质量要求没有满足(或没有满足收敛标准)，则重复在计算的和测量的投影之间的该比较。但是该概念不能排除如下情况(Konstellation)，在该情况中第一次比较就产生一幅满足所述要求的图像(不排除迭代的边界情况)。
迭代重建方法主要可以由以下步骤的重复处理组成：
1.估计开始体积(对象或图像的三维表示的初始近似)
2.对于X射线管的每个角度位置计算前向投影
3.通过求差比较计算的投影和测量的投影，并且从中计算校正投影(通常每个角度位置一个校正投影)
4.通过差图像的反向投影校正当前的体积
5.从步骤2继续
然而，本发明还延伸到上述方法的变形。例如在进行求差以及随后的差图像的反向投影之前，不需要计算所有的前向投影。取而代之，例如可以逐个投影地进行。还可以设置附加的步骤，例如滤波步骤(在一些方法中例如在所有的差投影的反向投影之后设置图像的低通滤波)。
本发明通过在计算时(通常通过前向投影)考虑X射线源或焦点的运动，来改进图像质量。本发明可应用于使用迭代重建的所有情况中，特别是在层析X射线照相组合或计算机断层造影(CT)领域的应用中。
具体来说，确定在拍摄投影时由X射线源的焦点行进的轨迹的一个片段。对于该片段计算多个不同投影。然后对多个计算的投影进行平均，用于经平均的投影与拍摄的投影的比较。
按照一种扩展，将整个焦点轨迹划分为片段，对于这些片段分别计算多个投影并且与测量的投影比较。
除了方法，用于执行该方法而构造或设置的装置也是本发明的内容。该装置的结构可以借助软件、硬件、固件或其组合来实现。该装置特别是可以包括实现一个或多个方法步骤的功能模块。
附图说明
以下在实施例的范围内详细解释本发明。其中，
图1示出了乳房X线照相设备的侧视图，
图2示出了按照图1的乳房X线照相设备的前视图，
图3示出了在层析X射线照相组合中在借助乳房X线照相设备照射的情况下的两个偏转位置，
图4示出了用于图像的迭代重建的方法，
图5示出了借助轨迹片段对按照本发明的方法的解释，
图6示出了与图4的方法不同的按照本发明的方法，
图7示出了按照图6的方法的初始化步骤。
相同的附图标记在不同的图中具有相同的含义。
具体实施方式
图1和图2相应地示出了乳房X线照相设备2的侧视图和前视图。乳房X线照相设备2具有构造为支架4的主体和从该支架4中突出的、偏转的(abgewinkelten)设备臂6，在其自由端设置一个构造为X射线辐射器的辐射单元8。此外，在设备臂6上还设置对象台10和挤压单元12。挤压单元12包括相对于对象台10沿着垂直的Z方向可移动地设置的挤压元件14以及用于挤压元件14的支座16。为了连同挤压元件14移动支座16，在此在挤压单元12中设置一种提升导引装置(Liftführung)。在对象台10的下部区域中还设置检测器18(参见图3)，其在该实施例中是数字的检测器。
乳房X线照相设备2特别用于层析X射线照相组合检查，其中辐射单元8在一个角度范围上围绕与Y方向平行延伸的中间轴M移动，如图3中可以看出的。在此，获得在对象台10和挤压元件14之间保持位置固定的待检查的对象20的多个投影。在从不同的角度位置的图像拍摄中，在横截面上是锥形或扇形的X射线21穿透挤压元件14、待检查的对象20和对象台10并且出现在检测器18上。在此，这样确定检测器18的参数，使得在具有相应的偏转角-25°及+25°的两个偏转位置22a、22b之间的角度范围中进行图像拍摄。偏转位置22a、22b在X-Z平面中设置在零位置23的两侧，在该零位置中X射线21垂直地出现在检测器18上。在该实施例中扇形的检测器18特别具有24×30cm的大小。
在轨迹从点22a至点22b的经历中，进行25次拍摄。对于检查的对象20从拍摄的投影迭代地确定一幅图像。图4示意性示出用于从测量的投影中重建图像的迭代方法。
在开始时利用初始值初始化对于对象的图像或相应的衰减值。基于该第一近似，在前向投影31期间计算投影32。在步骤33中比较该计算的投影32与测量的投影34。确定差或误差35。对于所有投影进行该误差确定。计算的和测量的投影之间的差在反投影36期间被转换到图像空间中。在那里获得校正图像37，在利用当前图像的更新38中将该校正图像37与新的图像39关联。(也有这样的变形：其中转换到图像空间36的结果直接利用对于重建结果的当前的近似计算为新的近似或新的图像。)然后，又借助前向投影31使用新的或当前的图像，用于计算投影。
如果在计算的和测量的投影之间呈现足够的一致，则结束该方法。在实践中，使用收敛标准，根据该收敛标准停止该方法。
在拍摄投影时X射线源经历一个轨迹，以便从不同的角度进行拍摄。在此通常不中断对于拍摄的X射线源的运动，而是从轨迹的开始到结束以恒定速度连续运动。由此各个投影来自于不是静止的、而是运动的源。由于投影的有限的脉冲持续时间或拍摄持续时间，在一次拍摄中焦点经历一个轨迹片段。
在迄今为止的方法中，对于每个角度位置只计算一个投影。在此，近似地假定静止的X射线源具有点状的(即，无穷小的)焦点。不考虑X射线管的连续运动。由于层析X射线照相组合系统的机械不稳定性导致的X射线管的非理想的扫描轨迹可以在使用投影矩阵的条件下被建模，这些投影矩阵在二维投影空间中描述三维对象空间(图像空间)的透视性成像。这些矩阵可以在系统的校准的范围内事先被确定。
按照本发明考虑焦点运动，方法是：对于与测量的投影相应的焦点轨迹或X射线源的片段，不再是仅计算是一个，而是计算多个投影。然后对这些计算的投影进行平均并且对于与测量的投影的比较使用经平均的投影。
在此，整个焦点轨迹被划分为片段，其分别对应于一个测量的投影。然后对于这些片段分别计算多个投影并进行平均。
图5示出了该过程。大部分用虚线示出了对于层析X线照相组合拍摄的焦点轨迹40。例如是利用根据图1-3示出的系统进行的拍摄，即，借助在具有静止的检测器的数字乳房X线照相术中的层析X射线照相组合系统。在此，X射线管在弧形轨迹(50°，半径590mm)上运动。整个扫描持续12.7秒，其中一个脉冲持续时间是50ms。于是一个圆弧的长度(focal path length，焦点路径长度)大约是2mm。
该轨迹40的一个片段41通过实线表示。在焦点经历片段41期间，检测器18记录对象20(例如在乳房X线照相检查中女性的乳房)的投影。在此，在拍摄期间检测器18是位置固定的。对于在投影的拍摄期间的三个位置42、43、44分别画出一个锥式射线(Strahlenkegel)45、46、47。对于这些焦点位置42、43、44或射线45、46、47计算投影。也就是说，替代对于(一般地关于该片段是中央的)焦点位置46通常进行的投影计算，对于三个焦点位置42、43、44进行相应的投影的计算。然后对三个结果求平均。在此，例如每个计算的投影用系数1/3加权。其它的权重(例如中央的焦点位置46的更强的加权)同样是可以考虑的。每个片段计算的投影以及对应的加权可以例如借助对模体的试验来确定。
还可以根据片段在扫描轨迹上的位置来改变每个片段计算的和待平均的投影的数量。在层析X射线照相组合的情况下例如可以更精细地扫描更靠外部的片段，因为其带来对象结构的较强的模糊化。此外，还可以在扫描中通过不同长的片段考虑非恒定不变的剂量分布(不同的脉冲长度)，其然后对于待计算的和待求平均的投影相应地又可以对应于焦点位置的取决于片段的可变数量。
该装置的一个扩展是，根据迭代选择焦点位置的特定于片段的数量。为了在迭代计算开始时对于对象的三维表示尽可能计算效率高地达到适合的近似，可以考虑片段的粗略扫描。然后可以在使用片段的更精细的扫描的条件下在随后的迭代步骤中改进该近似。
图6示出，本发明是如何对按照图4的过程起作用的。对于每个片段多次对于不同的轨迹点进行步骤31(计算投影)。于是也获得相应多个计算的投影32(例如对于在图5中示出的片段41是三个)。在步骤29中对不同的投影求平均(步骤29)，用于与相应的测量的投影34的比较33。
为了快速确定图像，可以在扫描之前进行用于计算的输入参数。这例如涉及在图7中示出的过程。根据轨迹的分段(步骤51)和按照片段选择用于投影计算的轨迹点(步骤52)，可以事先计算对于前向投影所需的投影矩阵(步骤53)。按照这种方式，通过按照本发明的多次计算投影的额外开销对于图像的计算的持续时间的影响不是非常大。只要关于轨迹和X射线源没有进行参数改变，就可以对于多次扫描使用该矩阵。
本发明不只是局限于实施例中描述的情况。特别是当检测器不是位置固定的，而是一起运动的，例如在CT检查中那样，也可以应用该方法。
引文列表
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【2】Bissonnette，M.and et al.，Digital breast tomosynthesis using anamorphous selenium flat panel detector.Proc.SPIE，5745，529(2005)
【3】Ren B，Ruth C，Stein J，Smith A，Shaw I，Jing Z.Design andperformance of the prototype full field breast tomosynthesis system withselenium based flat panel detector.Presented at SPIE Conf.on Medical Imaging，San Diego，CA，12-18 Feb.2005 and published in Proc.SPIE Physics of MedicalImaging，5745：550-61
【4】Zhao Bo；Zhao Wei Imaging performance of an amorphous seleniumdigital mammography detector in a breast tomosynthesis system.Medicalphysics 2008；35(5)：1978-87

Claims (12)

1.一种用于改进在通过迭代重建的图像确定中的图像质量的方法，其中，
-确定由X射线源(8)的焦点在拍摄投影时经历的轨迹(40)的一个片段(41)，所述片段(41)是在一次拍摄中焦点经历的一个轨迹片段，
-对于该片段(41)计算多个不同的投影，并且
-对所计算的多个投影进行平均得到平均的投影，用于与拍摄的投影进行比较，所述拍摄的投影是焦点运动一个片段对检查对象拍摄的投影。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行加权的平均。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
-将经历的整个轨迹(40)划分为片段，并且
-对于每个片段进行按照权利要求1所述的方法。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，按照一个片段在所述轨迹(40)上的位置确定对于所述片段计算的投影的数量。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，按照剂量分布确定片段的长度。
6.根据上述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，
-进行多个迭代步骤，其中对经平均的投影与拍摄的投影进行比较，并且
-按照迭代步骤确定对于一个片段计算的投影的数量。
7.一种用于改进在通过迭代重建的图像确定中的图像质量的装置，具有
-用于确定在拍摄一个投影时由X射线源(8)的焦点经历的轨迹(40)的一个片段(41)的部件，
-用于对于该片段(41)计算多个不同的投影的部件，所述片段(41)是在一次拍摄中焦点经历的一个轨迹片段，和
-用于对所述多个投影进行平均、以便该平均的投影与拍摄的投影的比较的部件，所述拍摄的投影是焦点运动一个片段对检查对象拍摄的投影。
8.根据权利要求7所述的装置，具有用于进行加权平均的部件。
9.根据权利要求7所述的装置，具有
-用于将经历的整个轨迹(40)划分为片段的部件，和
-用于对这些片段中的每个进行按照权利要求1所述的方法的部件。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，
按照一个片段在轨迹(40)上的位置能够确定对于该片段计算的投影的数量。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，按照剂量分布能够确定所述片段的长度。
12.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，
-进行多个迭代步骤，其中进行平均的投影与拍摄的投影的比较，以及
-按照迭代步骤能够确定对于一个片段计算的投影的数量。
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