CN102667856B - 成像数据的多部分对准 - Google Patents

Abstract

提供了一种对准成像数据的多个体积部分的方法。该方法包括对准主体积部分和与该主体积成像部分相邻的次体积部分，以便将次体积部分移动到与主体积部分对准。还提供了一种用于执行该方法的相关装置。

Description

成像数据的多部分对准

本发明一般地涉及成像领域并且更具体地涉及对准成像数据的多个体积部分以消除伪影且同时维持几何形状准确性。本申请的主题具体应用于基于X射线的成像系统，特别是计算机断层摄影（CT）成像系统，并将具体参考该系统进行描述。然而，它也可以结合其他成像系统使用，例如结合单光子发射计算机断层摄影（SPECT）或正电子发射断层摄影（PET）成像系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种对准成像数据的多个体积部分的方法。该方法包括选择主体积部分和与主体积成像部分相邻的次体积部分，以便将次体积部分移动到与主体积部分对准。然后确定一个或多个z轴对准参数及x、y轴参数，以便使次体积部分的位置移位以使次体积部分与主体积部分对准。还提供了一种用于执行该方法的相关装置。

存在许多可用的体积数据对准算法，每种算法适用于特定的应用。在一种应用中，本发明的方法可以结合组合式SPECT/CT或PET/CT成像系统的CT部件使用，从而使得最终的CT图像坐标系与用于SPECT/CT或PET/CT配准的CT坐标相一致。然后最终的CT图像可以容易地与SPECT或PET成像数据配准，以生成定位和衰减校正系数。在本发明的另一个有益应用中，成像数据的体积部分的对准可以与成像数据采集同时期进行，从而减少生成最终图像所选的总体时间量并且有效地使用计算和存储资源。此外，本发明是稳健的并且即使被成像的人或对象在成像采集过程中在成像台上移动位置，也能够给出准确的结果。

本领域普通技术人员在阅读优选实施例的以下详细描述后将容易想到许多额外的优点和益处。本发明可以体现为各种部件和部件的布置以及各种方法操作和方法操作的布置。附图仅用于图示说明优选的实施例，而不应被解读为限制本发明。

图1是示例性CT成像系统，其中静止扫描架的一部分被切除以显露旋转扫描架、X射线源和数据测量系统；

图2A和图2B分别是通过组合三个不同的体积部分而未去除最终伪影所得到的CT图像的侧视图和顶视图；

图3图示说明对准成像数据的多个体积部分以去除伪影的示例性方法；

图4A至图4E示意性图示说明对准五个不同的体积部分S₁至S₅，其从成像数据的一端延伸并且在一个方向上传播经过整组成像数据；

图5A至图5E示意性图示说明对准五个不同的体积部分S₁至S₅，其从中心部分延伸并在两个相反的方向上传播经过整组成像数据；并且

图6A和图6B分别是通过组合三个不同的体积部分并对准各部分以去除成像伪影所得到的CT图像的侧视图和顶视图。

本发明的医学成像系统和装置一般是任何医学成像系统，例如CT、SPECT或PET成像系统。更具体地，通过参考图1，在示例性实施例中医学成像系统100是CT成像系统。CT成像采集系统102包括扫描架104和沿z轴移动的台106。患者或其他被成像对象（未示出）躺在台106上并且被移动以被设置在扫描架104中的孔口108内。一旦患者或对象就位，X射线源110就发射X射线的投射，其被扫描架104内部的X射线数据测量系统112收集。（在图1中切除扫描架104的一部分114以示出容纳在扫描架104内部的X射线源110和X射线数据测量系统112。）数据测量系统112包括设置在支架118上的若干光电探测器116。X射线源110和数据测量系统112一起绕孔口108旋转以从不同位置记录CT成像数据。在一些实施例中这种旋转可以在台106静止的时候发生，在其他实施例中在“螺旋”扫描中这种旋转可以结合台106沿z轴的线性运动发生。该旋转是有可能的，因为X射线源110和支架118均被安装到扫描架104内部的公共转子（未示出）。

然后CT成像采集系统102通过通信链路101将CT成像数据传递到CT成像、处理和显示系统120。虽然为了图示说明的目的在此将系统102和120示出和描述为分离的系统，但是在其他实施例中它们可以是单个系统的部分。CT成像数据被传递到图像处理器122，其将该数据存储在存储器124中。图像处理器122对CT成像数据进行电子处理以生成被成像患者或其他对象的图像。图像处理器122可以在相关联的显示器126上示出最终图像。诸如键盘和/或鼠标设备的用户输入128可以被提供给用户来控制处理器122。

因此，前述的功能可以被执行为软件逻辑。如本文所用，“逻辑”包括但不限于用于执行功能或动作和/或导致来自另一部件的功能或动作的硬件、固件、软件和/或其组合。例如，基于期望的应用或需求，逻辑可以包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路（ASIC）的离散的逻辑或其他编程的逻辑设备。逻辑也可以完全体现为软件。

如本文所用，“软件”包括但不限于促使计算机或其他电子设备以期望的方式执行功能、动作或行为的一个或多个计算机可读和/或可执行指令。这些指令可以体现为各种形式，诸如例程、算法、模块或包括来自动态链接库的分离的应用程序或代码的程序。软件也可以实现为各种形式，诸如独立程序、功能调用、伺服小程序、小应用程序、保存在诸如存储器124的存储器中的指令、操作系统的部分或其他类型的可执行指令。本领域普通技术人员将认识到软件的形式取决于例如期望的应用的需求、其运行的环境和或设计者/编程者的期望等。

本文描述的系统和方法可以在各种平台上实现，所述平台包括例如联网控制系统和独立控制系统。另外，本文所示和所描述的逻辑优选存在于诸如存储器124的计算机可读介质中或其上。不同计算机可读介质的示例包括闪存存储器、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的光可读介质等。更进一步，本文所描述的方法和逻辑可以合并成一个大的方法流程或者划分成很多子方法流程。本文已描述的方法流程的顺序不是至关重要的并且可以重新布置同时仍然完成相同的结果。实际上，本文所描述的方法流程可以根据授权或期望在其实现方式中被重新布置、整理和/或重新组织。

成像系统100可以是仅提供基于CT的成像的独立单元，如图1所示。虽然未在图中示出，成像系统100可以额外包括与基于CT的成像部件相结合的适当的PET和/或SPECT的成像部件，或者一些其他种类的成像模态。

无论采用哪种成像模态，不管是CT、SPECT、PET还是一些其他模态还是其组合，由成像系统收集的成像数据都可以被以沿图1的纵向z轴的分离的体积成像部分记录。相邻体积成像部分可能或可能不在一定程度上彼此交叠。分离的体积成像部分可以组合在一起以形成被成像的人或对象的一个完整图像。这在例如图2A和图2B中示出。图2A是包括人的侧视图202的CT图像，而图2B是包括同一个人的顶视图204的CT图像。图像202和204均是从沿被成像的人的纵向z轴的三个分离的体积部分206A、206B和206C的组合得到。在图像202和204中可以看出，三个分离的部分206A、206B和206C尚未被适当对准。这导致在成像数据的相邻体积部分206之间的边界线和/或交叠面积处出现成像伪影208。

可以执行任何类型的成像采集以生成成像数据的分离的体积部分206，但是在优选实施例中，执行步进-发射（step-and-shoot）成像采集以生成每个部分206。在步进-发射成像采集中，台106保持静止且同时X射线源110和X射线数据测量系统112以离散的旋转间隔或“步距”围绕台106旋转，然后它们停下来以在每一步记录成像数据或“发射”。在特别优选的实施例中，每个体积部分206沿z轴的范围等于X射线数据测量系统112沿z轴的有效成像宽度。在该情况下，每个部分206得自于围绕台110的一次旋转步进-发射自旋。步进-发射采集在与作为平板X射线探测器的X射线数据测量系统112结合时特别有用。然而，如果被成像对象太长而不能被数据测量系统112沿z轴的宽度包围，则步进-发射成像采集自然地得到多个体积部分206，然后这些部分必须被组合以形成完整的图像。该方法在相邻部分之间的边界线/交叠处引入部分失准伪影，这在图2A和图2B中的208处示出。

因此，本公开关注于消除伪影的基于图像的方法300，例如如图3所示。在步骤302中，执行成像采集以生成体积部分成像数据304。例如，CT成像系统100可以被用于生成体积部分CT成像数据304。数据304包括成像数据的至少两个分离的体积部分304a、304b、304c等。在代表性示例中，成像数据的每个体积部分包括512×512×202成像体素的x、y、z矩阵，其中各向同性体素尺寸为1mm³。此类矩阵的x、y、z轴在图1、图2A和图2B中标识。在该代表性示例中，方法300产生具有512×512×(202)(S)体素的尺寸的最终图像，其中各向同性体素尺寸为1mm³，且其中S是构成整个体积部分数据304的体积部分的数量。

在步骤306中，选择两个相邻体积部分以进行对准：主部分和次部分。在该方法的便利实现方式中，主体积部分对应于第一成像部分304a并且次体积部分对应于第二成像部分304b。由于在成像扫描302期间记录台106和/或支撑X射线源110及X射线数据测量系统112的转子的位置时存在机械误差，所记录的成像数据304的z轴坐标经常具有少量的不准确度。因此，在步骤308中，应用匹配滤波以沿z轴对准主体积部分和次体积部分。步骤308的结果可以例如是z对准参数310，其表示为了使次体积部分与主体积部分适当匹配而沿z轴使次体积部分移位的距离。

在一个实施例中，可以在步骤308中采用以下匹配滤波算法。该特定的匹配滤波尝试匹配主体积部分304a中垂直于z轴的单个成像切片与次体积部分304b中垂直于z轴的对应成像切片。这两个切片在其成像强度图足够相似以表明它们是被成像的人或对象中相同部分的成像切片时相对应。因此，将主体积部分304a中单个成像切片的强度图表示为：

（1）f(x,y),(-N/2≤x,y≤N/2)，

其中f是所选成像切片中位于坐标x,y处的体素的被记录成像强度，且N等于沿x轴或y轴的体素的总数。然后将与主体积部分304a中方程（1）的被选切片的强度图匹配的次体积部分304b中垂直于z轴的整组成像切片的强度图表示为：

（2）g_i(x,y),(-N/2≤x,y≤N/2),(0≤i≤M),

其中g是垂直于z轴的给定成像切片i中位于坐标x,y处的体素的被记录成像强度，且M是次体积部分304b中这种成像切片的总数。

将方程（1）和（2）的Fourier变换相除得到：

（3） $H_i(u,v)=\frac{G_i(u,v)}{F(u,v)},$

从而测量函数被定义为Fourier变换的倒数：

（4）h_i(x,y)=F^-1(H_i)。

测量函数h_i(x,y)的最大值指示次体积部分304b中的哪个成像切片i最接近地匹配主体积部分304a中的被选成像切片。能量峰值的位置表示次体积部分304b的原点(x₀,y₀)相对于主体积部分304a沿z轴的位移以使它们对准。亦即，z对准参数310为：

（5） ${\mathrm{\δ}}_i=(x_0,y_0)=\underset{i}{\max }\left(\right|h_i(x,y)\left|\right)$

其表示次体积部分304b为了与主体积部分304a适当对准而沿z轴的位移。这一特定匹配滤波算法308的一个优势在于它利用成像数据的高频成分。因此它相对于强度值f和g的变化是稳健的。

一旦主和次相邻体积部分304a和304b已经在步骤308中匹配以沿z轴适当交叠，则在步骤312中，确定进一步的参数314以便使这两个相邻体积部分304a和304b沿它们各自的x、y坐标轴对准。例如，次体积部分304b可以沿x轴线性平移和/或沿y轴线性平移和/或围绕z轴旋转，以使其与主体积部分304a对准。

在一个代表性实施例中，对准312可以如下进行。首先，定义x、y轴对准参数314为：

（6） $\stackrel{\→}{v}=\{x,y,\mathrm{\θ}\}$

其中x和y值标识要对次体积部分304b沿那些相应的轴进行的线性平移移位的量，并且θ标识要对次体积部分304b围绕z轴进行的旋转移位的量，以便使这两个相邻体积部分304a和304b沿它们各自的x、y坐标轴对准。然后可以定义误差函数为：

（7） $e\left(\stackrel{\→}{v}\right)=\{g_I\left(\stackrel{\→}{v}\right)-f\}\·\mathrm{FOV}$

其中I是次体积部分304b沿z轴的给定成像切片编号i，且FOV是圆形掩模函数。函数FOV的圆的中心在z轴上且具有半径R，且函数FOV在圆内等于1而在圆外等于0。为方程（7）的误差函数提供最小值的方程（6）的位移矢量v将对应于要施加到次体积部分304b上以使其与主体积部分304a对准的位移量。这种最小化可以通过任何常规方法——如最小二乘法来确定。该最小化也可以利用单纯形法来完成，其中从方程（5）中导出位移的初始值。这些初始值倾向于得到快速且准确收敛的单纯形法结果。

在这一点上，在示例性方法300中，已经确定对准参数310、314以用于移动次体积部分304b以使其与主体积部分304a对准。接下来，在步骤316中，利用双线性内插来校正次体积部分304b的体积成像数据304。亦即，对准参数310、314被应用于数据304b以使强度图g的位置移位并使其与主体积部分304a对准，从而生成对准的次体积成像部分318。在该算法中，仅需要的来自主体积部分304a的信息是强度图f。利用先进先出或FIFO缓冲器实现次体积成像部分304b的这种移位可以使对准过程所需的额外存储器存储量最小化。

在示例性方法300中的接下来320处，选择另两个相邻体积部分以进行对准。在便利的实现方式中，如果头两个主体积和次体积部分分别被选择为第一体积成像部分304a和第二体积成像部分304b，则在该第二次迭代中主体积部分可以便利地被选择为第二体积成像部分304b（在第一迭代之后对准的）并且次体积部分被选择为第三体积成像部分304c。在该实现方式中，第二成像部分304b保持静止并且确定对准参数310、314以用于使第三成像部分304c的位置移位以使其与第二成像部分304b的位置对准。一旦这已完成，方法300再次循环320以对准另两个相邻体积部分，例如部分304c和304d。这些迭代320继续进行直到所有体积成像部分304已适当地彼此对准。

该过程在图4A-4E中利用对准5个不同体积部分S₁至S₅的代表性示例示意性图示说明。这些图图示说明随着对准方法过程的成像部分S₁-S₅的侧视图。在这些图中，z轴如图4E所示地水平延伸。图4A表示在应用该方法之前五个部分之间缺少对准。在方法300的初始迭代320之后，将头两个体积部分S₁和S₂对准以形成组合图像S′，如图4B所示。在该方法的下一次迭代320中，将下一个相邻体积部分S₃与组合图像S′对准以形成另一个组合图像S″，如图4C所示。在该方法的下一次迭代320中，将下一个相邻体积部分S₄与组合图像S″对准以形成另一个组合图像S″′，如图4D所示。在该方法的下一次且最终的迭代320中，将下一个相邻体积部分S₅与组合图像S″′对准以形成另一个组合图像S″″，如图4E所示。

双线性内插是一种近似方法，因此，图像中要校正的位移越小，最终结果将越准确。在前面的描述中，要对准的头两个相邻体积部分S₁和S₂是在成像数据的一端，然后对准算法在一个方向（在图4A-4E中为向右）传播经过整个成像数据，以对准每个后续相邻体积部分。在每一步，主体积部分用位移矢量v_p=[0,0,0]进行固定，然后次体积部分用非固定位移矢量v_a=[x,y，θ]进行内插，其中x、y和θ的值被确定以对准两个相邻体积部分。

然而，作为可替换的示例，主体积部分和次体积部分的位置都可以改变以便使其对准在一起。因此，位移矢量v_p和v_a都可以被视为非固定变量，从而两个体积部分都将被内插，但是以较小的位移进行。作为代表性示例，可以在成像数据的中心体积部分处开始并且然后进行两个对准传播变化，每个在远离中心体积部分延伸的每个方向上。因此，假设S=5，则存在5个将要对准的体积部分，如图5A-5D中示意性所示。然后中间体积S3的绝对位移可以被定义为：

（8） $\left|{\stackrel{\→}{v}}_3\right|=(v_{32}-v_{43})/2$

其中v_ji表示体积j相对于体积i的位移。这就存在两个位移传播链，即图5B和图5C所示的S₃至S₂至S₁以及图5D和图5E所示的S₃至S₄至S₅。以此方式全部5个体积部分S₁至S₅将得到必要的最小校正，开始于图像的中心并且向外移动到末端。与开始于一端并在一个方向向前移动经过整个图像集相比，这将很可能降低每个体积部分的绝对位移。绝对位移的这种最小化可以改善双线性内插对准的结果。

在图6A和图6B中示出通过应用对准方法——如方法300所得到的对准的图像的示例。图6A是包括人的侧视图602的CT图像，而图6B是包括同一个人的顶视图604的CT图像。图像602和604均是通过沿被成像的人的纵向z轴组合三个分离的体积部分606A、606B和606C得到的。从图像602和604中可以看出，三个分离的部分606A、606B和606C已经被适当对准，以避免在图2A和图2B的图像中存在的伪影。

在此描述的部分成像算法300可以有利地结合成像采集302本身来实现，以减少生成最终图像所需的总体时间量并且有效地使用计算和存储器存储资源。可替代地，可以仅在已经采集了所有成像数据304之后实现方法300，并且在一些情况下这可能提供较好的结果。

已经参考优选实施例描述了本发明。很明显，其他人员在阅读和理解前面的详细描述之后将容易想到各种修改和改变。意欲将本发明解读为包括所有这些修改和改变，只要它们落在随附权利要求或其等价物的范围内。本发明可以体现为各种化学成分、部件和布置、所公开实施例的元件的组合和子组合。

Claims (14)

1.一种对准成像数据的多个体积部分(304)的方法(300)，其包括以下步骤：

选择主体积部分和与所述主体积部分相邻的次体积部分，以便将所述次体积部分移动到与所述主体积部分对准；

确定一个或多个z轴对准参数(310)，以便在z轴方向使所述次体积部分的位置移位以沿所述z轴方向使所述次体积部分与所述主体积部分对准；

确定一个或多个x、y轴对准参数(314)，以便沿x轴方向和y轴方向使所述次体积部分的位置移位以沿所述x轴方向和所述y轴方向使所述次体积部分与所述主体积部分对准；

应用(316)所述一个或多个z轴对准参数(310)和所述一个或多个x、y轴对准参数(314)来使所述次体积部分的位置移位以使其与所述主体积部分对准。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述次体积部分的位置能够在对准过程中移动，而所述主体积部分的位置在对准过程中固定。

3.如权利要求1所述的方法，其中，存在从所述z轴的第一端处的第一体积部分S₁到所述z轴的与所述第一端相反的第二端处的最后体积部分S_S以连续顺序沿所述z轴方向对准的S个体积部分(304)，且S等于或大于3，所述方法还包括：

首先使所述第一体积部分S₁与第二体积部分S₂对准，然后使所述第二体积部分S₂与第三体积部分S₃对准，并且在沿所述z轴方向的单方向传播中继续将相邻体积部分对准在一起，直到每个体积部分都已经被与其相邻的体积部分对准。

4.如权利要求1所述的方法，其中，存在从所述z轴的第一端处的第一体积部分S₁到所述z轴的与所述第一端相反的第二端处的最后体积部分S_S以连续顺序沿所述z轴方向对准的S个体积部分(304)，且S等于或大于3，所述方法还包括：

选择在所述第一体积部分S₁与所述最后体积部分S_S之间的初始体积部分，并且在沿所述z轴朝向所述第一端的第一方向上使所述初始体积部分和与所述初始体积部分相邻的另一体积部分对准，并且继续相继地对准在所述第一方向上行进的相邻的体积部分，直到所述第一体积部分S₁被对准；

然后在沿所述z轴朝向所述第二端的第二方向上使所述初始体积部分和与所述初始体积部分相邻的另一体积部分对准，并且继续相继地对准在所述第二方向上行进的相邻的体积部分，直到所述最后体积部分S_S被对准。

5.如权利要求3或4所述的方法，还包括使用双线性内插方法来对准相邻体积部分。

6.如权利要求1所述的方法，其中，确定一个或多个z轴对准参数包括在所述主体积部分中选择主成像切片，使得所述主成像切片垂直于z轴，并且其中，所述次体积部分包括垂直于所述z轴的多个次成像切片，所述方法还包括：

将所述多个次成像切片中的每一个与所述主成像切片相比较，以估计所述多个次成像切片中的哪一个与所述主成像切片最佳匹配。

7.如权利要求1所述的方法，其中，确定一个或多个x、y轴对准参数(314)包括定义位移矢量，该位移矢量具有对应于沿所述x轴方向的线性平移位移的第一值、对应于沿所述y轴方向的线性平移位移的第二值以及对应于绕所述z轴的旋转位移的第三值。

8.如权利要求7所述的方法，其中，确定一个或多个x、y轴对准参数(314)还包括定义取决于所述位移矢量的误差函数，并且基于所述位移矢量的变化估计所述误差函数的最大值或最小值，以确定被用于使所述次体积部分的位置移位以使其与所述主体积部分对准的所述第一值、所述第二值和所述第三值。

9.一种用于对准成像数据的多个体积部分(304)的系统(120)，所述系统包括被如下配置的逻辑设备：

选择主体积部分和与所述主体积部分相邻的次体积部分，以便将所述次体积部分移动到与所述主体积部分对准；

确定一个或多个z轴对准参数(310)，以便在z轴方向使所述次体积部分的位置移位以沿所述z轴方向使所述次体积部分与所述主体积部分对准；

确定一个或多个x、y轴对准参数(314)，以便沿x轴方向和y轴方向使所述次体积部分的位置移位以沿所述x轴方向和所述y轴方向使所述次体积部分与所述主体积部分对准；以及

应用(316)所述一个或多个z轴对准参数(310)和所述一个或多个x、y轴对准参数(314)来使所述次体积部分的位置移位以使其与所述主体积部分对准。

10.如权利要求9所述的系统，其中，存在从所述z轴的第一端处的第一体积部分S₁到所述z轴的与所述第一端相反的第二端处的最后体积部分S_S以连续顺序沿所述z轴方向对准的S个体积部分(304)，且S等于或大于3，所述系统还包括被如下配置的逻辑设备：

首先使所述第一体积部分S₁与第二体积部分S₂对准，然后使所述第二体积部分S₂与第三体积部分S₃对准，并且在沿所述z轴方向的单方向传播中继续将相邻体积部分对准在一起，直到每个体积部分都已经被与其相邻的体积部分对准。

11.如权利要求9所述的系统，其中，存在从所述z轴的第一端处的第一体积部分S₁到所述z轴的与所述第一端相反的第二端处的最后体积部分S_S以连续顺序沿所述z轴方向对准的S个体积部分(304)，且S等于或大于3，所述系统还包括被如下配置的逻辑设备：

选择在所述第一体积部分S₁与所述最后体积部分S_S之间的初始体积部分，并且在沿所述z轴朝向所述第一端的第一方向上使所述初始体积部分和与所述初始体积部分相邻的另一体积部分对准，并且继续相继地对准在所述第一方向上行进的相邻的体积部分，直到所述第一体积部分S₁被对准；

然后在沿所述z轴朝向所述第二端的第二方向上使所述初始体积部分和与所述初始体积部分相邻的另一体积部分对准，并且继续相继地对准在所述第二方向上行进的相邻的体积部分，直到所述最后体积部分S_S被对准。

12.如权利要求9所述的系统，其中，确定一个或多个z轴对准参数包括在所述主体积部分中选择主成像切片，使得所述主成像切片垂直于z轴，并且其中，所述次体积部分包括垂直于所述z轴的多个次成像切片，所述系统还包括被如下配置的逻辑设备：

将所述多个次成像切片中的每一个与所述主成像切片相比较，以估计所述多个次成像切片中的哪一个与所述主成像切片最佳匹配。

13.如权利要求9所述的系统，其中，确定一个或多个x、y轴对准参数(314)包括定义位移矢量，该位移矢量具有对应于沿所述x轴方向的线性平移位移的第一值、对应于沿所述y轴方向的线性平移位移的第二值以及对应于绕所述z轴的旋转位移的第三值。

14.如权利要求13所述的系统，其中，确定一个或多个x、y轴对准参数(314)还包括定义取决于所述位移矢量的误差函数，并且基于所述位移矢量的变化估计所述误差函数的最大值或最小值，以确定被用于使所述次体积部分的位置移位以使其与所述主体积部分对准的所述第一值、所述第二值和所述第三值。