CN102037495A - 用于散射校正的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
提供了一种校正光子散射的图像重建方法和设备。结合光子散射过程的物理模型使用散射光子的直接物理测量以进行校正。
Description
技术领域
本申请总体涉及成像技术,更具体而言,涉及用于散射光子校正的设备和方法。本申请用于X射线成像(使用X射线光子)、计算机断层摄影或CT成像(使用X射线光子),以及诸如图像引导辐射治疗系统的其他种类的系统。
背景技术
这种成像过程一般包括产生成像光子的辐射源。光子穿过被成像的受检者,由光子探测器收集或计数。然后对光子探测器生成的数据进行电子处理以生成受检者的图像。两种类型的光子到达光子探测器。第一种是“一次”光子,其由光子源生成并沿直线路径通过被成像的受检者行进以到达光子探测器。第二种是“散射”光子,包括由光子源生成但在其行进到光子探测器期间被重定向偏离直线路径的光子,并且还包括实际不是由光子源生成的外来背景光子。散射光子会向图像重建过程引入误差。因此,为了生成受检者的高度精确的图像,在图像重建过程期间通常对散射光子导致的由光子探测器生成的数据进行酌减或校正。
发明内容
根据本发明的一个方面,提供了一种用于经改进的光子散射校正的方法和设备。
根据本发明的特定方面,提供了一种成像方法。在图像重建期间结合使用散射光子的直接物理测量以及光子散射过程的模型以便在生成图像过程中对光子散射进行校正。这种方法可以附加地提供针对低频下降的校正。
根据本发明的另一方面,提供了一种成像设备。该成像设备具有光子源和光子探测器。光子探测器具有两个区域。光子探测器的第一成像区域接收沿着在直线路径上返回光子源的飞行路径行进的光子。通过光阀光子探测器的第二散射区域向这种光子关闭,但向其他光子打开。然后可以在图像重建期间结合光子散射过程的模型使用由光子探测器的第二散射区域接收的散射光子的测量来校正从光子探测器的第一成像区域收集的成像数据中的散射光子。
一个优点在于更加精确和鲁棒的散射校正,降低了图像中出现可见散射伪影的风险。另一优点在于产生了更加有用的X射线、CT、PET、SPECT或其他图像。通过阅读下文中对优选实施例的详细说明,更多附加的优点和益处对于本领域的普通技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
本发明可以具体化为不同的部件或部件布置,以及具体化为各种过程操作或过程操作安排。附图仅仅图示说明优选的实施例,而不应解释为是对本发明的限制。
图1是成像系统的示意性表示;
图2示意性图示说明了用于图1的成像系统中的X射线探测器和光阀;
图3示意性图示说明了备选的X射线探测器和光阀组合;
图4图示说明了在生成图像过程中对散射光子进行校正的过程;
图5A到5D是可以联合图4的过程使用的代表性图像。
具体实施方式
本申请的成像方法和设备总体上涉及对散射光子进行校正的任何成像系统。这种设备的一个范例是图1中所示的成像系统100,其在生成CT图像时特别有用。如前所述,这里所公开的成像方法和设备在各种其他种类的成像系统中具有应用。
如图1的图示说明,床或其他适当的对象支撑物102支撑在检查区域106内接受检查的对象104。提供了诸如X射线管的X射线源108以及诸如平板面探测器的X射线探测器110。X射线源108和X射线探测器110安装在具有旋转中心112的公共旋转机架(未示出)上。X射线源108和X射线探测器110一起随着机架绕支撑物102和被成像的受检者104旋转。通过这种方式,可以对横向视场(FOV)114进行成像测量,横向视场的中心对应于旋转中心112。X射线源108生成的X射线束116具有垂直于X射线探测器110的横向中心120的中心射线或投影118,并且与旋转中心112偏移距离d。如果d大于0,例如如图1所示,那么X射线探测器110处于“偏移”配置中。如果d等于0,那么中心射线118穿过旋转中心112,并且X射线探测器110处于“中心”配置中。
准直器122安装于探测器110和检查区域106之间接近X射线探测器110处,以减少探测器110接收的散射光子量。一般而言,准直器用于过滤入射光子流,从而仅允许沿指定方向行进的光子通过准直器。根据正在收集的数据类型(例如,是否将X射线源108或其他光子源配置成产生平行束、扇形束和/或锥形束)确定准直器的哪个(些)部分允许通过哪个(些)方向。图1中所示的准直器122包括多个聚焦于X射线源108的薄片。如果X射线源108是大致平行于旋转轴112延伸的线源,那么X射线束116将是“扇形束”。在那种情况下,准直器122的薄片将关于探测器110的横向中心120横向对称。如果X射线源108是点源,那么X射线束116将是“锥形束”。在那种情况下,准直器122的薄片将沿横向和轴向两个方向变化以指回点源。
X射线探测器110可以包括例如响应于入射的X射线光子116发射光或光子的二次闪烁的闪烁体,或任选地可以是固态直接转换材料(例如CZT)。在前一种情况下,探测器110中的光电倍增管或其他适当的光探测器的阵列接收二次光并将其转换成电信号。X射线探测器110在被成像受检者104周围的不同点记录多幅二维图像(也称为投影)。由成像数据处理器124将该X射线投影数据存储在存储器126中。一旦收集到所有X射线投影数据,可以通过成像数据处理器124对其进行电子处理。处理器124根据一种或多种数学算法生成受检者104的图像,可以在相关的显示器128上显示该图像。可以为用户提供用户输入130以控制处理器124。
可以将上述功能执行为软件逻辑。如本文使用的,“逻辑”包括,但不限于硬件、固件、软件和/或每种的组合,以执行功能或动作和/或从另一部件导致功能或动作。例如,基于预期的应用或需求,逻辑可以包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)的离散逻辑或其他可编程的逻辑器件。也可以将逻辑完全具体化为软件。
如本文使用的,“软件”包括,但不限于一条或多条计算机可读和/或可执行指令,其使计算机或其他电子器件按照预期的方式执行功能、动作和/或行为。指令可以具体化为各种形式,诸如例程、算法、模块或程序,包括来自动态链接库的独立应用或代码。还可以以各种形式来实施软件,诸如独立的程序、函数调用、小服务程序、小应用程序、存储在诸如存储器126的存储器中的指令、操作系统的一部分或其他类型的可执行指令。本领域的普通技术人员应当认识到,软件的形式取决于例如预期应用的要求、运行其的环境和/或设计人员/程序员的预期等。
可以在各种平台上实施本文所述的系统和方法,例如包括联网的控制系统和独立的控制系统。此外,本文所示和所述的逻辑、数据库或表优选驻留在诸如存储器126的计算机可读介质内或上面。不同计算机可读介质的范例包括闪速存储器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可编程只读存储器(PROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、磁盘或磁带、包括CD-ROM和DVD-ROM的光学可读介质,以及其他。再者,可以将本文所述的过程和逻辑合并为一个大的工艺流程或分成许多子工艺流程。本文已经描述的工艺流程的次序不是关键的,并且可以对其进行重新布置而仍然实现相同的结果。实际上,可以根据授权或预期,在其实施期间重新布置、合并和/或重新整理本文所述的工艺流程。
如已经论述的,所收集的投影数据一般包含由散射X射线导致的不精确。至少因为两个原因,图1所示的成像系统100的几何结构可能对X射线散射高度敏感。首先,X射线探测器110与X射线源108偏移大于零的距离d。第二,X射线源108发射锥形束配置的X射线。可以如下校正这种配置和其他配置的X射线散射。
向X射线探测器110收集的投影数据应用数学算法以校正X射线散射并生成足够精确的CT图像。该数学算法应用光子散射的模型。该模型可以是基于如下假设或估计的物理模型:该假设或估计与X射线源108和X射线探测器110之间、包括受检者104的物理空间相关。在题为“Method andSystem for Error Compensation”的PCT申请公布WO 2007/148263中公开了一种这样的算法。本文通过引用将该申请并入本申请,以并入其公开的基于物理模型的光子散射补偿。可以使用其他算法来校正光子散射,包括如下公开:
·J.Wiegert,M.Bertram,G.Rose和T.Aach,“ModelBased Scatter Correction for Cone-Beam ComputedTomography”,Medical Imaging 2005:Physics of MedicalImaging,Proceedings of SPIE Vol.5745(2005),271-82页;
·J.Wiegert,M.Bertram,D.N.Noordhoek,K.de Jong,T.Ach和G.Rose,“Soft Tissue ContrastResolution Within the Head of Human Cadaver by Means ofFlat Detector Based Cone-Beam CT”,Medical Imaging 2004:Physics of Medical Imaging,Proceedings of SPIE Vol.5368(2004),330-37页;
·M.Bertram,J.Wiegert和G.Rose,“ScatterCorrection for Cone-Beam Computed Tomography UsingSimulated Object Models”,Medical Imaging 2006:Physicsof Medical Imaging,Proceedings of SPIE Vol.6142(2006),C-1到C-12。
·L.A.Love和R.Kruger,“Scatter Estimation fora Digital Radiographic System Using ConvolutionFiltering”,Med.Phys.Vol.14,No.2(March/April 1987),178-85页;
·B.Ohnesorge,T.Flohr和K.Kl ingenbeck-Regn,“Efficient Object Scatter Correction Algorithm for Thirdand Fourth Generation CT Scanners”,Eur.Radiol.Vol.9(1999),563-69页;
·M.Zellerhoff,B.Scholz,E.P.Rührnschopf和T.Brunner,“Low Contrast 3D-Reconstruction from C-ArmData”,Medical Imaging 2005:Physics of Medical Imaging,Proceedings of SPIE Vol.5745(2005),646-55页;
·V.Hansen,W.Swindell和P.Evans,“Extractionof Primary Signal from EPIDs Using Only ForwardConvolution”,Med.Phys.Vol.24,No.2(Sept.1997),1477-84页;
·J.Seibert和J.Boone,“X-Ray Scatter Removalby Deconvolution”,Med.Phys.Vol.15,No.4(July/Aug.1988),567-75页;以及
·L.Spies,M.Ebert,B.Groh,B.Hesse和T.Bortfeld,“Correction of Scatter in MegavoltageCone-Beam CT”,Phys.Med.Biol.Vol.46(2001),821-33页。
据此通过参考它们对光子散射校正模型和算法的各自的公开将这些文献源并入本文。可以使用上述处理器124和存储器126应用这种模型和算法。
可以结合散射光子的直接物理测量来使用这种散射校正模型和算法。例如,如图1所示,可以在X射线源108和检查受检者104之间设置光阀机构132。光阀机构132用于遮挡除了光阀机构132中提供的孔径134之外的X射线束116。孔径134的尺寸可以是可调节的。在图1中图示说明的配置中,光阀机构132阻止X射线束116到达X射线探测器110的侧向边缘136。该边缘136大致定位在被成像受检者104的中心后方并靠近旋转中心112。
现在参考图2,示出了具有光阀机构132的图1的X射线探测器110。图2中未示出准直器122。X射线探测器110被分成两个区域:成像区域210和散射区域220。X射线探测器110的成像区域210对应于光阀机构132中的孔径134,因此它接收沿在直线路径上返回X射线源108的飞行路径行进的光子。换言之,成像区域210对于一次光子以及沿着与一次光子相同的飞行路径接近准直器122和探测器110的散射光子是开放的。光阀机构134阻止X射线探测器110的散射区域220接收一次光子,但散射部分220对于其他光子是开放的。于是,散射区域220对于散射光子是开放的,而对于一次光子不是开放的。
在成像区域210和散射区域220中X射线探测器110的结构或操作未必有任何差异。相反,X射线探测器110的成像区域210将对一次光子以及沿着与一次光子相同的飞行路径接近X射线探测器110的散射光子进行计数。并且X射线探测器110的散射区域220将对散射光子计数,而不对一次光子计数。当然,备选地,X射线探测器110可以是两个独立的X射线探测器,每个区域210、220中具有一个探测器。
如图2所示,X射线探测器110的散射区域220是探测器110的一个连续区域,跨过整个宽度W和长度L的一部分延伸。当在成像系统100中放置探测器110时,可以将散射区域220有利地定位在被成像受检者104的中心后方并沿着横向边缘126靠近旋转中心112,如图1所示。
X射线探测器的散射区域不需要像图2中所示的代表性散射区域220那样整体连续。例如,图3示出了具有成像区域310和散射区域320的X射线探测器300,散射区域320包括两个不连续的子部分320a和320b。子部分320a、320b设置于探测器300的相对侧向边缘。这种配置对于用于具有中心探测器布置、例如C臂布置的CT设备中的X射线探测器300尤其有用。可以使用任意数量的不连续子部分形成光子探测器中的散射部分。
其他配置当然也是可能的。光子探测器的散射区域可以沿着探测器的整个边缘(例如,矩形探测器的所有四个边)定位。或者,它例如可以是圆点花纹图案。专用于散射区域的总探测器面积的量应当任选地足够大以帮助补偿低频下降或LFD(下文进一步论述),还足够小从而为成像区域留下充分大的面积以产生有用的图像。已经发现,在诸如图2所示的矩形探测器110中,其中,L大约等于38cm,而W大约等于29cm,沿整个宽度和大约2cm的长度延伸的散射区域220是足够的。
可以在图像重建期间使用击中光子探测器的散射区域的散射光子的直接物理测量来校正在光子探测器的成像区域中记录的成像数据中的散射光子。通常,光子探测器的散射区域基本仅收集散射光子。光子探测器的散射区域随后生成仅反映这种散射光子的电子信号。可以使用散射光子的直接物理测量来估计散射光子对光子探测器的其他区域的贡献。然后可以从那些区域中的光子探测器产生的信号减去或去除该估计以校正散射光子并生成更精确的图像。
例如,图4和5A到5D中示出了这种过程400。一开始,如图4所示,通过与准直器122一起绕着被成像受检者104旋转X射线源108和X射线探测器110,收集原始图像数据410。数据410是由设置于受检者104周围的各成像位置处的X射线探测器110记录的若干二维投影图像的集合。然后选择那些投影之一以进行过程400,从而针对散射来校正选定的投影的成像数据420。一旦已经针对散射校正了所有这样的投影,那么作为总体共同处理投影以生成最终图像。
一开始常常可以针对X射线探测器110之内的低频下降(LFD)校正单投影图像420,以获得经LFD校正的投影图像430。LFD是由X射线探测器110的闪烁体部件内的光子散射造成的。LFD可以使X射线探测器110,尤其是大入射X射线强度附近的探测器部分记录的信号发生严重失真。尽管可以在X射线探测器110的成像区域210和散射区域220中进行LFD校正,但由于该区域220中的光子量较低,所以它们在散射区域220中尤其有用。因此,在X射线探测器110中距具有高入射X射线强度的区域足够远的区域中放置散射区域220通常是有利的。使用图1所示的几何结构,对于大致定位于被成像受检者104的中心后方且靠近旋转中心112的X射线探测器110的侧向边缘126而言,通常满足该条件。边缘126遭受相对低强度X射线的作用,因为它位于对象支撑物102和/或对象104的阴影中。因此,如果散射区域220沿着边缘126,图2的X射线探测器110尤其对于图1的成像系统100有用。其他配置将更适用于其他成像系统几何结构。例如,图3的X射线探测器300能够很好地适用于中心探测器布置,例如C臂布置。
图5A示出了利用具有系统100的几何结构的系统以及利用光阀132和X射线探测器110拍摄的代表性投影图像420或430。图像420或430中的打点区域510对应于用于生成图像420或430的X射线探测器110的散射区域220。
一旦选定了原始图像420,并且已经对该图像进行了LFD校正(如果希望的话),那么采用光子散射过程440的物理或经验模型。上文提供了这种物理模型的代表性范例。这种物理模型440有利地覆盖X射线探测器110的成像区域210的至少一部分以及散射区域220的至少一部分。使用物理模型440,为投影420或430计算对应于散射区域220的散射估计450。图5B示出了使用WO 2007/148263的物理模型生成的这种散射估计450的代表性范例。然后将对应于用于选定投影420(例如,图5B中的打点区域520)的散射区域220的模型化散射估计450与来自用于选定投影420(例如,图5A中的打点区域510)的散射区域220的测量数据420或430进行比较。
基于该比较,在整个X射线探测器区域210和220上对散射模型440进行全局调节以获得经更新的物理散射模型460。通过如下方式进行这种调节:在经更新的物理散射模型460和测得的数据420或经LFD校正的数据430之间的散射区域220中获得最大对应。例如,这可以通过如下方式实现:将初始散射估计450乘以缩放因子,选择该缩放因子,从而使得散射区域220中的散射估计450和测量数据420或430之间的均方根差异最小化。可以对缩放因子进行加权以更多依赖于区域220中被认为比其他部分更准确的部分。图5C基于用于生成图5A和5B的相同成像数据示出了经更新的散射模型460的代表性范例。
一旦针对特定的投影420或430计算了经改进的散射模型460,就将该经改进的模型460应用于成像投影数据420或430,以校正散射光子并生成经散射校正的投影图像470。例如,可以通过减法或乘法的方式进行这种校正。图5D示出了这种经散射校正的投影图像470的代表性范例。图像470中的打点区域530对应于X射线探测器110的成像区域210。经散射校正的数据对应于后来由图像处理器124用于生成受检者104的图像的区域210。
一旦根据图4的过程400已经对数据采集中所有的投影进行了调节,就将经散射校正的投影470重建在一起,以获得被扫描受检者104的断层摄影图像,如本领域的普通技术人员能够很好理解的那样。
尽管本散射校正技术在图1所示的具有偏移探测器的锥形束CT设备中特别有用,但其也在其他环境中有其应用。例如,可以将其用于校正具有诸如C臂的中心探测器的锥形束CT设备中的散射光子。
已经参考优选实施例描述了本发明。显然,在阅读了理解了前述详细说明的情况下,本领域技术人员可以认识到对其的修改和变化。这意味着,应当将本发明推断为包括所有此类落在权利要求及其等同要件的范围内的修改和变化。可以通过各种部件或部件设置,以及通过各种步骤或步骤设置实现本发明。附图的作用在于对优选实施例进行图示,不应认为其对本发明构成限制。
Claims (24)
- 已经由此描述了优选实施例,现在对本发明做出如下权利主张:1.一种用于校正光子散射的方法,所述方法包括:使用光子源(108)生成穿过待成像的受检者(104)的光子;将光子探测器(110)移动到所述受检者(104)周围的多个成像位置,从而在每个成像位置记录图像投影(420),其中,每幅图像投影(420)包括基本仅暴露于散射光子的散射区域(510)和暴露于一次光子和散射光子的成像区域(530);针对低频下降校正每幅图像投影(420)的至少一部分;针对每个成像位置应用光子散射过程的模型以产生所述散射区域(510)对散射光子的所述暴露的估计(520);将每幅图像投影(420)的所述散射区域(510)与所述散射区域(510)对散射光子的所述暴露的所述估计(520)进行比较;至少部分基于所述比较,修改所述模型以生成所述光子散射过程的经更新的模型;以及向每幅图像投影(420)的所述成像区域(530)应用所述经更新的模型以生成经散射校正的图像投影(470)。
- 2.如权利要求1所述的方法,其中,使用光阀(132)将所述散射区域(510)与所述成像区域(530)分开。
- 3.如权利要求2所述的方法,其中,所述光阀(132)设置于所述光子源(108)和所述受检者(104)之间。
- 4.如权利要求2所述的方法,其中,所述散射区域(510)包括沿所述光子探测器(110)的一个或多个边缘设置的细长区域。
- 5.如权利要求2所述的方法,其中,所述散射区域包括至少两个不连续的子部分。
- 6.如权利要求1所述的方法,其中,校正所述图像投影(420)的至少所述散射区域(510)以补偿低频下降。
- 7.如权利要求1所述的方法,其中,所述光子探测器(110)处于偏移配置。
- 8.如权利要求1所述的方法,其中,所述模型是基于关于光子到达所述光子探测器(110)之前所穿过的物理空间的假设或估计的物理模型。
- 9.如权利要求1所述的方法,其中,进一步处理所述图像投影以生成所述受检者的断层摄影图像。
- 10.如权利要求1所述的方法,其中,所述光子探测器(110)处于偏移配置,并且所述散射区域(510)沿处于所述受检者(104)的阴影中的所述光子探测器(110)的边缘设置。
- 11.一种用于校正光子散射的设备,所述设备包括:光子源(108),其用于生成穿过成像区域(106)中待成像的受检者(104)的光子;光子探测器(110),其在所述成像区域(106)周围的多个成像位置之间可移动,从而在每个成像位置记录图像投影(420),所述光子探测器(110)包括基本仅暴露于散射光子以生成散射区域信号的散射区域(220)以及暴露于一次光子和散射光子以生成成像区域信号的成像区域(210);以及图像处理器(124),其:从所述光子探测器(110)接收所述散射区域信号;针对低频下降校正所述散射区域信号或所述成像区域信号的至少一部分;使用光子散射过程的模型以产生所述散射区域(220)对散射光子的所述暴露的散射暴露估计;将所述散射区域信号与所述散射暴露估计进行比较;至少部分基于所述比较,生成所述光子散射过程的经更新的模型;以及向所述成像区域信号应用所述经更新的模型以生成经散射校正的图像投影;以及显示器(128),其供用户观察所述受检者(104)的图像。
- 12.如权利要求11所述的设备,还包括用于将所述散射区域(220)与所述成像区域(210)分开的光阀(132)。
- 13.如权利要求12所述的设备,其中,所述光阀(132)设置于所述光子源(108)和所述受检者(104)之间。
- 14.如权利要求12所述的设备,其中,所述散射区域(220)包括沿所述光子探测器(110)的一个或多个边缘设置的细长区域。
- 15.如权利要求12所述的设备,其中,所述散射区域(320)包括至少两个不连续的子部分(320a和320b)。
- 16.如权利要求11所述的设备,其中,至少校正所述散射区域信号以补偿低频下降。
- 17.如权利要求11所述的设备,其中,所述光子探测器(110)处于偏移配置。
- 18.如权利要求11所述的设备,其中,所述模型是基于关于光子到达所述光子探测器(110)之前所穿过的物理空间的假设或估计的物理模型。
- 19.如权利要求11所述的方法,其中,所述光子探测器(110)处于偏移配置,并且所述散射区域(220)沿处于所述受检者(104)的阴影中的所述光子探测器(110)的边缘设置。
- 20.一种用于校正图像中的光子散射的方法,所述方法包括:使用光子源(108)生成穿过待成像的受检者(104)的光子;使用光子探测器(110)记录所述受检者(104)的图像(420),其中,所述图像(420)包括基本仅暴露于散射光子的散射区域(510)和暴露于一次光子和散射光子的成像区域(530);针对低频下降校正所述图像(420)的至少一部分;应用光子散射过程的模型以产生所述散射区域(510)对散射光子的所述暴露的估计(520);将所述图像(420)的所述散射区域(510)与所述散射区域(510)对散射光子的所述暴露的所述估计(520)进行比较;至少部分基于所述比较,修改所述模型以生成所述光子散射过程的经更新的模型;以及向所述图像(420)的所述成像区域(530)应用所述经更新的模型以生成经散射校正的图像(470)。
- 21.如权利要求20所述的方法,其中,使用光阀(132)将所述散射区域(510)与所述成像区域(530)分开。
- 22.如权利要求20所述的方法,其中,至少校正所述图像(420)的所述散射区域(510)以补偿低频下降。
- 23.如权利要求20所述的方法,其中,所述光子探测器(110)处于偏移配置,并且所述散射区域(510)沿所述受检者(104)的阴影中的所述光子探测器(110)的边缘设置。
- 24.一种包括用于针对光子散射校正图像(420)的一条或多条计算机可执行指令的计算机可读介质,所述计算机可读介质包括:用于从光子探测器(110)接收图像信号的逻辑,其中,所述图像信号包括来自所述光子探测器(110)中基本仅暴露于散射光子的散射区域(220)的散射区域信号以及来自所述光子探测器(110)中暴露于一次光子和散射光子的成像区域(210)的成像区域信号;针对低频下降校正所述图像信号的至少一部分的逻辑;应用光子散射过程的模型以产生所述散射区域信号的估计的逻辑;将从所述光子探测器(110)接收的所述散射区域信号与所述散射区域信号的所述估计进行比较的逻辑;至少部分基于所述比较,修改所述模型以生成所述光子散射过程的经更新的模型的逻辑;以及向所述成像区域信号应用所述经更新的模型以生成经散射校正的图像(470)的逻辑。
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