CN103310471A - Ct 图像生成装置及方法、ct 图像生成系统 - Google Patents

Ct 图像生成装置及方法、ct 图像生成系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种CT图像生成装置及方法、CT图像生成系统。该CT图像生成装置包括：通用处理单元，在扫描平面上创建多个坐标系；坐标确定单元，根据投影角度，从多个坐标系中选择用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系；距离驱动处理单元，按投影角度基于所选择的坐标系进行距离驱动反投影或距离驱动投影；以及图像信息处理单元，根据对投影信息进行距离驱动反投影而得到的图像信息，生成扫描对象的图像。由此，能够减少现有技术中基于距离驱动的投影与反投影中的模型误差，提高CT图像重建中的迭代重建技术和滤波反投影技术的重建精度，降低CT图像的伪影，改进实际的CT设备及CT设备的仿真系统。

Description

CT 图像生成装置及方法、CT 图像生成系统
技术领域
本发明涉及一种CT图像生成装置及方法、CT图像生成系统，尤其涉及利用投影、反投影来重建CT图像的CT图像生成装置及方法、CT图像生成系统。
背景技术
X射线计算机断层成像(CT)技术已被广泛用于对人体进行检查，CT图像作为对疾病诊断的依据已有30年的历史，对CT图像重建算法进行研究以提高CT图像质量，降低图像伪影一直是研究与临床中的热点问题。
CT图像重建算法一般包括滤波反投影算法、图像迭代重建算法和解析图像重建算法。其中，滤波反投影算法是CT图像重建的主流，在目前的CT产品中得到了广泛的应用。在滤波反投影算法中，对实际扫描得到的投影数据进行滤波反投影，从而得到图像数据。
然而，在滤波反投影算法中，重建图像的投影数据被假设为无噪声干扰的，而实际上，噪声是伴随着投影数据始终存在的，尤其是在低剂量扫描的情况下更是如此，因此难以获得高质量的CT图像。然而随着临床诊疗的发展，CT临床应用的广度和深度都日渐达到了前所未有的高度，这这种新的形势背景下，业界对CT使用的安全性考虑与图像质量均有了新的、更高的要求。这便使得滤波反投影法难以满足新的需求，而多用于中低端应用。
针对以上新的需求，在高端应用中，迭代重建算法被重视并研究。图像迭代重建算法可以很好地处理电子噪声或是其它物理因素所导致的图像伪影，从而保证图像的信息，降低检查时的射线剂量。然而由于其庞大的计算量和昂贵的计算成本，使其一度未能在实际CT产品中广泛应用。但随着计算机技术的飞速发展，使迭代重建算法应用于实际产品成为了可能，不仅能够提高CT图像的质量，减少图像伪影，同时也能降低了成像所需剂量。并且，随着医疗健康的发展，CT诊断中的X射线辐射对人体健康的影响越来越受到人们的重视，低辐射剂量CT已经成为CT发展的未来趋势。因此迭代重建算法越来越受到广泛的关注，是目前的研究热点。在迭代重建算法中，主要包括多次循环迭代的投影与反投影过程。
在传统的滤波反投影算法中，主要过程是反投影过程，如果利用传统的像素驱动(Pixel-Driven)等反投影方法，则模型误差较大。因此，新的反投影方法被研究以减小伪影，提高图像质量。
另一方面，在备受瞩目的迭代重建算法中，传统的如基于光线驱动(Ray-Driven)、像素驱动(Pixel-Driven)的投影与反投影方法模型误差较大，如果应用于迭代重建算法中的投影与反投影过程，则会使得算法难以收敛到较高的精度。
针对以上情况，很多新的投影与反投影方法被研究和提出，用于传统的滤波反投影算法，特别是用于备受瞩目的迭代重建算法。其中，最典型的距离驱动(Distance-Driven)和可分离足迹(Separable Footprint)方法。距离驱动(Distance-driven)方法使用像素方块的两个中线交点作为投影点，以获得比光线驱动(Ray-Driven)、像素驱动(Pixel-Driven)方法更高的模型精度。
然而，在基于距离驱动的投影和反投影方法中，存在以下技术问题。即，在某些投影/反投影角度范围中，模型误差仍然较大，这对重建后的图像质量仍然有较大的影响。
发明内容
针对现有技术中的以上技术问题，本发明的目的在于，提出一种CT图像生成装置及方法、CT图像生成系统，降低投影与反投影误差，既可用于迭代重建算法中，也可用于滤波反投影算法中来减少伪影。
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明提供一种CT图像生成装置，分析通过X射线对扫描对象在扫描平面上进行扫描而得到的投影信息，并生成所述扫描对象的图像，包括：通用处理单元，在扫描平面上创建多个坐标系；坐标确定单元，根据投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系；距离驱动处理单元，按所述投影角度，基于所选择的坐标系进行距离驱动反投影或距离驱动投影；以及图像信息处理单元，根据对投影信息进行距离驱动反投影而得到的图像信息，生成所述扫描对象的图像。
另外，本发明还提供一种CT图像生成方法，分析通过X射线对扫描对象在扫描平面上进行扫描而得到的投影信息，并生成所述扫描对象的图像，包括：通用处理步骤，在扫描平面上创建多个坐标系；坐标确定步骤，根据投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系；距离驱动处理步骤，按所述投影角度，基于所选择的坐标系进行距离驱动反投影或距离驱动投影；以及图像信息处理步骤，根据对投影信息进行距离驱动反投影而得到的图像信息，生成所述扫描对象的图像。
根据本发明的CT图像生成装置及方法，通过使用多个图像坐标系来进行基于距离驱动(Distance-driven)的投影和/或反投影，能够减少现有技术中基于距离驱动的投影与反投影中的模型误差。由此，能够提高CT图像重建中的迭代重建技术和滤波反投影技术的重建精度，降低CT图像的伪影，改进实际的CT设备及CT设备的仿真系统。
在本发明的CT图像生成装置中，也可以是，所述通用处理单元在所述扫描平面上建立的所述多个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角相等。
另外，在本发明的CT图像生成方法中，也可以是，所述通用处理步骤在所述扫描平面上建立的所述多个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角相等。
根据上述CT图像生成装置及方法，通过以平均分布的原则在扫描平面上建立多个坐标系，能够以较少的坐标系达到尽可能高的精度。由此，能够减少由于合并坐标系所带来的处理负担，并且保证尽可能高的CT图像重建精度。
在本发明的CT图像生成装置中，也可以是，所述通用处理单元在扫描平面上建立两个坐标系，且该两个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角为45度。
另外，在本发明的CT图像生成方法中，也可以是，所述通用处理步骤在扫描平面上建立两个坐标系，且该两个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角为45度。
根据上述CT图像生成装置及方法，通过以平均分布的原则在扫描平面上建立两个坐标系，能够减少由于合并坐标系所带来的处理负担，并且保证较高的CT图像重建精度。
在本发明的CT图像生成装置中，也可以是，所述通用处理单元根据所述CT图像生成装置的精度要求，在扫描平面上建立N个坐标系，其中N是2以上的整数。
另外，在本发明的CT图像生成方法中，也可以是，所述通用处理步骤根据所述CT图像生成方法的精度要求，在扫描平面上建立N个坐标系，其中N是2以上的整数。
根据上述CT图像生成装置及方法，基于精度要求来决定坐标系的个数。由此，能够在满足精度要求的前提下选择尽可能少的坐标系，能够减少由于合并坐标系所带来的处理负担，并且保证所要求的CT图像重建精度。
在本发明的CT图像生成装置中，也可以是，所述坐标确定单元从所述多个坐标系中，选择坐标轴与所述投影角度之间的夹角最小的坐标系，作为用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系。
另外，在本发明的CT图像生成方法中，也可以是，所述坐标确定步骤从所述多个坐标系中，选择坐标轴与所述投影角度之间的夹角最小的坐标系，作为用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系。
根据上述CT图像生成装置及方法，选择坐标系以使投影角度与坐标轴之间的夹角最小。由此，能够最大限度地减小基于距离驱动的投影与反投影中的模型误差。
在本发明的CT图像生成装置中，也可以是，所述坐标确定单元按所述投影平面上的每个投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于对该投影角度的投影信息进行距离驱动反投影的坐标系；所述距离驱动处理单元基于由所述坐标确定单元选择的坐标系，对每个投影角度的投影信息进行距离驱动反投影，得到各坐标系下的图像信息；所述图像信息处理单元对各坐标系下的图像信息进行插值求和从而得到图像信息，根据得到的图像信息生成所述扫描对象的图像。
另外，在本发明的CT图像生成方法中，也可以是，所述坐标确定步骤按所述投影平面上的每个投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于对该投影角度的投影信息进行距离驱动反投影的坐标系；所述距离驱动处理步骤基于由所述坐标确定步骤选择的坐标系，对每个投影角度的投影信息进行距离驱动反投影，得到各坐标系下的图像信息；所述图像信息处理步骤对各坐标系下的图像信息进行插值求和从而得到图像信息，根据得到的图像信息生成所述扫描对象的图像。
根据上述CT图像生成装置及方法，使用多个图像坐标系来进行基于距离驱动的反投影，能够减少现有技术中基于距离驱动的反投影中的模型误差。
在本发明的CT图像生成装置中，也可以是，所述图像信息处理单元对图像信息进行插值，由此获得各坐标系下的图像信息；所述坐标确定单元按所述投影平面上的每个投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于对该投影角度的图像信息进行距离驱动投影的坐标系；所述距离驱动处理单元基于由所述坐标确定单元选择的坐标系，对每个投影角度的该坐标系下的图像信息进行距离驱动投影从而得到该投影角度的投影信息，并对各个投影角度的投影信息进行汇总从而得到投影信息。
另外，在本发明的CT图像生成方法中，也可以是，所述图像信息处理步骤对图像信息进行插值，由此获得各坐标系下的图像信息；所述坐标确定步骤按所述投影平面上的每个投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于对该投影角度的图像信息进行距离驱动投影的坐标系；所述距离驱动处理步骤基于由所述坐标确定步骤选择的坐标系，对每个投影角度的该坐标系下的图像信息进行距离驱动投影从而得到该投影角度的投影信息，并对各个投影角度的投影信息进行汇总从而得到投影信息。
根据上述CT图像生成装置及方法，使用多个图像坐标系来进行基于距离驱动的投影，能够减少现有技术中基于距离驱动的投影中的模型误差。
在本发明的CT图像生成装置中，也可以是，该CT图像生成装置进行至少一次投影-反投影迭代，在所述投影-反投影迭代中，首先对通过距离驱动反投影得到的图像信息进行距离驱动投影从而得到投影信息，然后对通过距离驱动投影得到的投影信息进行距离驱动反投影从而得到图像信息。
另外，在本发明的CT图像生成方法中，也可以是，在该CT图像生成方法中进行至少一次投影-反投影迭代，在所述投影-反投影迭代中，首先对通过距离驱动反投影得到的图像信息进行距离驱动投影从而得到投影信息，然后对通过距离驱动投影得到的投影信息进行距离驱动反投影从而得到图像信息。
根据上述CT图像生成装置及方法，通过使用多个图像坐标系来进行由基于距离驱动的投影和反投影组成的迭代重建，能够减少现有技术中由基于距离驱动的投影和反投影组成的迭代重建中的模型误差。由此，能够提高CT图像重建中的当前备受瞩目的迭代重建技术的重建精度，能够进一步降低CT图像的伪影，进一步改进实际的CT设备及CT设备的仿真系统。
另外，本发明还提供一种CT图像生成系统，具备：X射线装置，通过X射线对扫描对象进行扫描；检测接收装置，检测并接收所述X射线的投影；数据保存装置，保存接收到的X射线的投影信息；以及本发明的CT图像生成装置。
根据本发明的CT图像生成系统，通过使用多个图像坐标系来进行基于距离驱动的投影和/或反投影，能够减少现有技术中基于距离驱动的投影与反投影中的模型误差。由此，能够提高CT图像重建中的迭代重建技术和滤波反投影技术的重建精度，降低CT图像的伪影。
附图说明
图1(a)、图1(b)是基于距离驱动的投影与反投影方法的原理图，图1(c)是基于距离驱动的投影与反投影方法的模型误差示意图。
图2是表示具备第一实施方式所涉及的CT图像生成装置的CT图像生成系统的结构的模块图。
图3(a)和图3(b)是在两个坐标系的情况下的各坐标系的示意图。
图4是在两个坐标系的情况下根据投影角度来选取坐标系的示意图。
图5(a)和图5(b)是在两个坐标系的情况下的插值原理图。
图6是在两个坐标系的情况下的图像累加原理图。
图7是表示第一实施方式所涉及的CT图像生成方法的流程图。
图8(a)和图8(b)是在两个坐标系的情况下的降低模型误差原理图。
图9(a)是表示在第二实施方式中建立多个坐标系的流程图，图9(b)是表示在建立多个坐标系的情况下各坐标系的旋转角度的示意图。
图10(a)、图10(b)和图10(c)是在三个坐标系的情况下的各坐标系的示意图。
图11是在三个坐标系的情况下根据投影角度来选取坐标系的示意图。
图12(a)和图12(b)是在三个坐标系的情况下的插值原理图。
图13(a)和图13(b)是在三个坐标系的情况下的降低模型误差原理图。
图14是表示第三实施方式所涉及的滤波反投影处理的流程图。
图15是表示第三实施方式所涉及的投影处理的流程图。
具体实施方式
以下对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，以下详细说明的具体实施方式只用于理解本发明的内容，并不作为对本发明的限定。
1、模型误差
首先，说明基于距离驱动的投影与反投影方法的原理及其模型误差。图1(a)、图1(b)是基于距离驱动的投影与反投影方法的原理图，图1(c)是基于距离驱动的投影与反投影方法的模型误差示意图。
如图1(a)、图1(b)所示，在距离驱动投影/反投影方法中，在对扫描对象进行扫描的扫描平面上，将投影/反投影源点101过图像102的某个像素104(图中由方形阴影示出的像素)的两个中线交点107所成的两条射线105投影到探测器103上而得到的两个交点之间的数据108，作为对应的探测器103上与此像素104相关的数据(图中由浅色阴影示出)。
然而，实际上在探测器103上与此像素相关的数据还包括109(图中由深色阴影示出)，即投影/反投影源点101过像素104最外侧的射线106投影到探测器上而得到的交点与数据108的该侧端点之间的探测器区域。在这里，109就是距离驱动投影/反投影算法中的模型误差。
以下具体分析上述模型误差。首先，建立一个具有与像素边界平行的坐标轴的平面直角坐标系，并以投影/反投影方向与坐标轴所成的角度作为投影/反投影角度(以下有时统称为投影角度)。在此，投影/反投影方向(以下有时统称为投影方向)是以投影/反投影源点101为起点过像素104的射线所成的方向，由于像素104实际上很小，因此该射线过像素104的具体位置不做限定，例如可以设为过像素104的中心点。其中，在投影/反投影角度为0°/90°/180°/270°附近时，模型误差较小。反之，在投影/反投影角度为45°/135°/225°/315°附近时，模型误差较大。图1(c)是基于距离驱动的投影与反投影方法的模型误差示意图，反映了模型误差与投影/反投影角度的关系。
举例对以上的模型误差分布进行详细说明。首先，建立一个以图1(a)、图1(b)中左右方向为X轴且以上下方向为Y轴的平面直角坐标系A，以投影/反投影方向与X轴正方向(设为图1(a)、图1(b)中的右方向)所成的角度为投影/反投影角度，例如可以从X轴正方向起沿逆时针方向为正值。在上述平面直角坐标系A中，图1(a)示出投影角度为270°附近的情况，区域109较小，即模型误差较小。而图1(b)示出投影角度为315°附近的情况，区域109较大，即模型误差较大。其中，只要建立的平面直角坐标系具有与像素边界平行的坐标轴，则都可以得到如图1(c)所示的模型误差分布，不限于以上建立的具体坐标系。
2、第一实施方式
以下对照附图来详细说明本发明的第一实施方式所涉及的CT图像生成装置及方法、以及具备该CT图像生成装置的CT图像生成系统。
2.1、具备CT图像生成装置的CT图像生成系统的结构
图2是表示具备第一实施方式所涉及的CT图像生成装置的CT图像生成系统的结构的模块图。如图2所示，CT图像生成系统1具备X射线装置10、检测接收装置20、数据保存装置30和本实施方式所涉及的CT图像生成装置40。
X射线装置10通过X射线对扫描对象进行扫描。其中，X射线装置10例如是X射线扫描器，扫描对象例如是人体。
检测接收装置20检测并接收所述X射线的投影。其中，检测接收装置20例如是X射线探测器(探头)等，接收从X射线装置10发出并对扫描对象进行了扫描的X射线。
数据保存装置30保存接收到的X射线的投影信息。其中，数据保存装置30例如可以由ROM、RAM、HDD、存储卡等实现。
本实施方式所涉及的CT图像生成装置40分析通过X射线对扫描对象在扫描平面上进行扫描而得到的投影信息，并生成所述扫描对象的图像。其中，CT图像生成装置40例如可以通过计算机、单片机或CPU、MPU、集成电路等实现。
2.2、CT图像生成装置的特征性模块
以下继续对照图2说明本实施方式所涉及的CT图像生成装置40的特征性模块。
本实施方式的CT图像生成装置40例如通过处理器执行预定的程序，作为通用处理单元41、坐标确定单元42、距离驱动处理单元43、图像信息处理单元44这几个特征性功能单元动作。当然，本实施方式的CT图像生成装置40的实现方式不限于此，例如也可以利用FPGA等通过集成电路来实现。
2.2.1、通用处理单元
通用处理单元41在扫描平面上创建多个坐标系。在本实施方式中，说明创建两个坐标系的情况，创建三个以上的坐标系的情况留待后述。
图3(a)和图3(b)是在两个坐标系的情况下的各坐标系的示意图。其中，图3(a)示出与前文中建立的平面直角坐标系A相同的坐标系201，以后将这样的坐标系称为基准坐标系。图3(b)示出将图3(a)所示的基准坐标系旋转了规定角度而得到的坐标系202，以后将这样的坐标系称为旋转坐标系。在此，基准坐标系和旋转坐标系仅仅是为了说明方便而任意决定的，它们之间相互等价。另外，在图中通过阴影表示的区域203表示待重建的有效图像区域。
如图3(a)和图3(b)所示，通用处理单元41在扫描平面上建立的两个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角相等，且为45度。即，旋转坐标系相对于基准坐标系的旋转角度为45度(以逆时针方向为正)，按照平均分布的原则在扫描平面(360度)内建立两个坐标系。由此，能够以尽可能少的坐标系达到较高的精度，能够减少由于合并坐标系所带来的处理负担，并且保证较高的CT图像重建精度。当然，旋转坐标系相对于基准坐标系的旋转角度也可以不为45度，而是在大于0度且小于90度的范围中选取的任意角度。
2.2.2、坐标确定单元
坐标确定单元42根据投影角度，从由通用处理单元41建立的多个坐标系中，选择用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系。在本实施方式中，说明从两个坐标系中选择的情况，从三个以上的坐标系中选择的情况留待后述。
图4是在两个坐标系的情况下根据投影角度来选取坐标系的示意图。如图4所示，301所表示的角度范围内的投影/反投影使用基准坐标系201，302所表示的角度范围内的投影/反投影使用旋转坐标系202。
坐标确定单元42针对各个投影角度，从坐标系201、202中选择某个坐标轴与投影角度之间的夹角最小的坐标系，作为在该投影角度进行距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系。由此，能够最大限度地减小基于距离驱动的投影与反投影中的模型误差。
2.2.3、距离驱动处理单元
距离驱动处理单元43按投影角度，基于由坐标确定单元42选择的坐标系进行距离驱动反投影或距离驱动投影。
其中，在距离驱动反投影中，距离驱动处理单元43基于由坐标确定单元42选择的坐标系，对各投影角度的投影信息进行距离驱动反投影，得到各坐标系下的图像信息。另外，在距离驱动投影中，距离驱动处理单元43基于由坐标确定单元42选择的坐标系，对各投影角度所对应的坐标系下的图像信息进行距离驱动投影，得到该投影角度的投影信息。
2.2.4、图像信息处理单元
图像信息处理单元44根据对投影信息进行距离驱动反投影而得到的图像信息，生成所述扫描对象的图像。
其中，在距离驱动反投影中，图像信息处理单元44对距离驱动处理单元43进行距离驱动反投影所得到的各坐标系下的图像信息进行插值求和，从而得到图像信息。另外，在距离驱动投影中，图像信息处理单元44对图像信息进行插值，获得由通用处理单元41建立的各坐标系下的图像信息。
以下具体说明由图像信息处理单元44进行的插值处理。图5(a)和图5(b)是在两个坐标系的情况下的插值原理图。多个(在此为两个)坐标系之间的图像插值是通过坐标系间像素的面积覆盖关系来计算的。图5(a)给出了将旋转坐标系202的像素插值计算得到在基准坐标系201的像素的具体方法，通过计算给定的基准坐标系的某个像素与旋转坐标系的像素重叠区域面积比例，利用这个面积比例加权累加旋转坐标系下各个覆盖到的像素。例如，可以通过下式来计算旋转坐标系202向基准坐标系201的像素(x，y)(图中由阴影示出)插值所得到的像素值C(x，y)。
C(x，y)＝ca×A+cb×B+cc×C+cd×D
其中，ca、cb、cc、cd如图所示，表示基准坐标系下的像素(x，y)与旋转坐标系下的像素A、像素B、像素C、像素D的像素重叠区域面积占像素面积的比例、即像素重叠区域面积比例。另外，式中的A、B、C、D分别表示旋转坐标系下的像素A、像素B、像素C、像素D的像素值。
另外，将基准坐标系插值计算到旋转坐标系也是使用同样的方法。在反投影中，需要将各个旋转坐标系下图像插值计算到基准坐标系下，而在投影中，需要将基准坐标系的图像插值计算到各个旋转坐标系下。
图5(b)是计算重叠区域面积比例的具体例，通过将基准坐标系下像素方块再次细划分为小的方块，统计落入旋转坐标系下像素中的方块个数比例来表示重叠区域的面积比例。在实施中，像素的插值关系以及插值的系数即面积比例可由处理器事先计算好并存储在存储器中。
以下继续说明图像信息处理单元44的处理。图6是在两个坐标系的情况下的图像累加原理图。在本实施方式中，说明对两个坐标系进行累加的情况，对三个以上的坐标系进行累加的情况也是类似的。如上所述，在反投影中，各个角度分布在不同的坐标系进行反投影，会生成多个(在此为两个)坐标系下的反投影图像。通过上述插值方法将旋转坐标系202下的图像601插值到基准坐标系下后得到插值图像602，再和基准坐标系201下的图像603进行累加得到最终的结果图像、即扫描对象的图像604。
2.3、CT图像生成方法的流程
以下结合附图说明本实施方式所涉及的CT图像生成方法。本实施方式所涉及的CT图像生成方法分析通过X射线对扫描对象在扫描平面上进行扫描而得到的投影信息，并生成所述扫描对象的图像。
图7是表示第一实施方式所涉及的CT图像生成方法的流程图。如图7所示，本实施方式所涉及的CT图像生成方法包括以下步骤。
通用处理步骤S1，在扫描平面上创建多个坐标系。
坐标确定步骤S2，根据投影角度，从通用处理步骤S1所建立的多个坐标系中，选择用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系。
距离驱动处理步骤S3，按投影角度，基于坐标确定步骤S2所选择的坐标系进行距离驱动反投影或距离驱动投影。
图像信息处理步骤S4，根据距离驱动处理步骤S3对投影信息进行距离驱动反投影而得到的图像信息，生成扫描对象的图像。
2.4、第一实施方式的效果
以下结合附图详细说明本实施方式的效果。
图8(a)和图8(b)是在两个坐标系的情况下的降低模型误差原理图。在图8(a)和图8(b)中，横轴表示投影/反投影角度，纵轴表示模型误差。
如图8(a)所示，在针对不同的投影/反投影角度选择了不同的坐标系的情况下，消除了图1(c)所示的单坐标系下的模型误差最大的部分(45度/135度/225度/315度附近)，使得各个投影角度在对应的坐标系下模型误差较小。因此，如图8(b)所示，将各个角度投影/反投影的结果合并后总的合并模型误差相对于图1(c)中的单坐标系下的距离驱动模型误差明显减小，在各个投影/反投影角度都保持较低的模型误差。
如上所述，根据本发明的CT图像生成装置及方法，通过使用多个图像坐标系来进行基于距离驱动(Distance-driven)的投影和/或反投影，能够减少现有技术中基于距离驱动的投影与反投影中的模型误差。由此，能够提高CT图像重建中的迭代重建技术和滤波反投影技术的重建精度，降低CT图像的伪影，改进实际的CT设备及CT设备的仿真系统。
3、第二实施方式
本发明的第二实施方式在第一实施方式的基础上，通过采取三个以上的坐标系，进一步减小模型误差，提高重建精度。以下着重说明第二实施方式相对于第一实施方式的不同点，对于与第一实施方式相同或类似之处省略说明。
3.1、第二实施方式的特征
3.1.1、坐标系建立
根据本发明的技术方案，随着坐标系的增加，误差较大的部分被降低，坐标系越多，合并模型误差就越小。但在实际实施中，考虑到越多的坐标系会带来越多的合并计算，因此可根据本实施方式进行坐标系数量的选取。
在本实施方式中，通用处理单元41根据CT图像生成装置40或CT图像生成系统1的精度要求，在扫描平面上建立N个坐标系，其中N是2以上的整数。另外，通用处理步骤S1根据CT图像生成方法的精度要求，在扫描平面上建立N个坐标系，其中N是2以上的整数。由此，基于精度要求来决定坐标系的个数，能够在满足精度要求的前提下选择尽可能少的坐标系，能够减少由于合并坐标系所带来的处理负担，并且保证所要求的CT图像重建精度。
图9(a)是表示在第二实施方式中建立多个坐标系的流程图，图9(b)是表示在建立多个坐标系的情况下各坐标系的旋转角度的示意图。图9(a)中建立多个坐标系的流程基于以下思路。即，在实施中，关于坐标系数目的选取，一般情况下初始使用两个坐标系，若在使用两个坐标系情况下不能满足精度要求，可增加坐标系数量，直到满足精度的要求。实施中建议将坐标系数设置为2的幂次数。另外，增加坐标系数目后，在基准图像坐标系201中进行的投影与反投影结果数据可重复使用之前计算的结果以节省部分计算时间。
另外，关于坐标系的旋转角度的选择方法，当选择的坐标系的数目K大于2时，如图9(b)所示，将K-1个旋转坐标系(图中第二个及其后的坐标系)的X轴旋转角度平均分布在0°～90°范围内最优，当然也可以分别选择其他角度，但这K-1个旋转坐标系的旋转角度不可以相同。
也就是说，在所述扫描平面上建立的多个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角可以相等，按照平均分布的原则在扫描平面(360度)内建立多个坐标系。由此，能够以较少的坐标系达到尽可能高的精度，能够减少由于合并坐标系所带来的处理负担，并且保证尽可能高的CT图像重建精度。当然，在所述扫描平面上建立的多个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角只要都不为0即可，各夹角也可以不彼此相等。
在以上具体例中，说明了从建立两个坐标系开始试验，直到满足精度要求的坐标系数量为止。但在知道满足精度要求的坐标系数量的情况下，当然也可以直接确定所要建立的坐标系数量。
3.1.2、坐标系的选择
与两个坐标系的情况类似，坐标确定单元42从多个坐标系中，选择坐标轴与投影角度之间的夹角最小的坐标系，作为用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系。另外，坐标确定步骤S2从多个坐标系中，选择坐标轴与投影角度之间的夹角最小的坐标系，作为用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系。由此，能够最大限度地减小基于距离驱动的投影与反投影中的模型误差。
3.2、三个坐标系的情况
作为三个以上坐标系的代表，以下结合附图详细说明使用三个坐标系的情况。其他数量的坐标系的情况类似，在此不做赘述。
图10(a)、图10(b)和图10(c)是在三个坐标系的情况下的各坐标系的示意图。图10(a)示出基准坐标系204，图10(b)示出将基准坐标系旋转30度(以逆时针方向为正)所得到的旋转坐标系205，图10(c)示出将基准坐标系旋转60度(以逆时针方向为正)所得到的旋转坐标系206。
图11是在三个坐标系的情况下根据投影角度来选取坐标系的示意图。与使用两个坐标系的情况类似，从三个坐标系中，选择坐标轴与所述投影角度之间的夹角最小的坐标系，作为用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系。如图11所示，304、305、306对应的角度范围分别使用坐标系204、205、206。
图12(a)和图12(b)是在三个坐标系的情况下的插值原理图。
与两个坐标系的情况类似，如图12(a)所示，可以通过下式来计算旋转坐标系205向基准坐标系204的像素(x，y)(图中由阴影示出)插值所得到的像素值C21(x，y)。
C21(x，y)＝ca×A+cb×B+cc×C+cd×D
另外，如图12(b)所示，可以通过下式来计算旋转坐标系206向基准坐标系204的像素(x，y)(图中由阴影示出)插值所得到的像素值C22(x，y)。
C22(x，y)＝ca×A+cb×B+cc×C+cd×D
其中，ca、cb、cc、cd如图所示，表示基准坐标系下的像素(x，y)与旋转坐标系下的像素A、像素B、像素C、像素D的像素重叠区域面积占像素面积的比例、即像素重叠区域面积比例。另外，式中的A、B、C、D分别表示旋转坐标系下的像素A、像素B、像素C、像素D的像素值。
与两个坐标系的情况类似，在三个坐标系的情况下，在距离驱动反投影中需将坐标系205、坐标系206插值后的结果与坐标系204的图像进行累加得到最终的重建图像。例如，可以按照下式来计算累加值Im(x，y)：
Im(x，y)＝C1(x，y)+C21(x，y)+C22(x，y)
其中，C1(x，y)为坐标系204的重建图像数据，C21(x，y)，C22(x，y)分别为坐标系2和坐标系3插值到坐标系1下的图像数据。
图13(a)和图13(b)是在三个坐标系的情况下的降低模型误差原理图。在图13(a)和图13(b)中，横轴表示投影/反投影角度，纵轴表示模型误差。如图13(a)和图13(b)所示，在针对不同的投影/反投影角度选择了三个坐标系的情况下，将各个角度投影/反投影的结果合并后总的合并模型误差不仅相对于图1(c)中的单坐标系下的距离驱动模型误差明显减小，而且相对于图8(b)所示的两个坐标系下的距离驱动模型误差进一步减小，在各个投影/反投影角度都保持很低的模型误差。
4、第三实施方式
本发明的第三实施方式将上述第一、第二实施方式适用于CT图像重建中的滤波反投影和迭代重建。以下着重说明第三实施方式相对于第一、第二实施方式的不同点，对于与第一、第二实施方式相同或类似之处省略说明。
4.1、滤波反投影
在反投影中，将不同角度的反投影的操作放在不同的坐标系中计算，再将最终不同坐标系下的图像结果进行插值累加得到最终的图像信息。
在将本发明适用于CT图像重建的滤波反投影时，坐标确定单元42按投影平面上的每个投影角度，从由通用处理单元41建立的多个坐标系中，选择用于对该投影角度的投影信息进行距离驱动反投影的坐标系；距离驱动处理单元43基于由坐标确定单元42选择的坐标系，对每个投影角度的投影信息进行距离驱动反投影，得到各坐标系下的图像信息；图像信息处理单元44对各坐标系下的图像信息进行插值求和从而得到图像信息，根据得到的图像信息生成扫描对象的图像。
另外，在将本发明适用于CT图像重建的滤波反投影时，坐标确定步骤S2按投影平面上的每个投影角度，从通用处理步骤S1建立的多个坐标系中，选择用于对该投影角度的投影信息进行距离驱动反投影的坐标系；距离驱动处理步骤S3基于由坐标确定步骤S2选择的坐标系，对每个投影角度的投影信息进行距离驱动反投影，得到各坐标系下的图像信息；图像信息处理步骤S4对各坐标系下的图像信息进行插值求和从而得到图像信息，根据得到的图像信息生成扫描对象的图像。
以下结合附图说明将本发明适用于滤波反投影的具体例。图14是表示第三实施方式所涉及的滤波反投影处理的流程图。如图14所示，首先对CT投影数据(投影信息)进行数据滤波，然后进行反投影，最终根据反投影的结果生成CT图像。在反投影中，步骤701用于初始化坐标系个数，旋转角度等参数。步骤702是根据参数建立坐标系并设置每个坐标系对应的初始清零的图像。步骤703计算各个旋转坐标系下图像像素与基准坐标系下图像像素之间的插值系数。步骤705中选择投影角度与坐标轴夹角最小的坐标系作为该角度投影数据进行反投影的坐标系。步骤706是在选择的坐标系下进行反投影，结果累加到该选择的坐标系对应的图像上。步骤707将所有坐标系下对应的反投影图像进行插值计算累加到基准坐标系下的图像上。
其中，在上述滤波反投影的具体例中，步骤702相当于本发明的通用处理步骤S1，步骤705相当于本发明的坐标确定步骤S2，步骤706相当于本发明的距离驱动处理步骤S3，步骤707相当于本发明的图像信息处理步骤S4。该具体例中的各个步骤是适用于滤波反投影的具体变形，可以根据实际情况调整顺序或进行变更。
如上所述，通过将本发明适用于CT图像重建中的滤波反投影，能够减少现有技术中基于距离驱动的反投影中的模型误差，提高CT图像重建中的滤波反投影技术的重建精度，由此能够降低CT图像的伪影，改进实际的CT设备及CT设备的仿真系统。
4.2、迭代重建
在将本发明适用于CT图像重建的迭代重建时，在如上所述进行了基于距离驱动的反投影之后，还进行至少一次投影-反投影迭代，以提高重建精度。在所述投影-反投影迭代中，首先对通过距离驱动反投影得到的图像信息进行距离驱动投影从而得到投影信息，然后对通过距离驱动投影得到的投影信息进行距离驱动反投影从而得到图像信息。
关于反投影已经做了说明。而在投影中，首先将投影的图像进行插值计算映射到不同的坐标系下，再根据投影角度选择不同的坐标系下的图像进行投影，集合所有角度的投影数据生成最终的投影数据。
在对通过距离驱动反投影得到的图像信息进行距离驱动投影时，图像信息处理单元44对图像信息进行插值，由此获得各坐标系下的图像信息；坐标确定单元42按投影平面上的每个投影角度，从由通用处理单元41建立的多个坐标系中，选择用于对该投影角度的图像信息进行距离驱动投影的坐标系；距离驱动处理单元43基于由坐标确定单元42选择的坐标系，对每个投影角度的该坐标系下的图像信息进行距离驱动投影从而得到该投影角度的投影信息，并对各个投影角度的投影信息进行汇总从而得到投影信息。
另外，在对通过距离驱动反投影得到的图像信息进行距离驱动投影时，图像信息处理步骤S4对图像信息进行插值，由此获得各坐标系下的图像信息；坐标确定步骤S2按投影平面上的每个投影角度，从通用处理步骤S1中建立的多个坐标系中，选择用于对该投影角度的图像信息进行距离驱动投影的坐标系；距离驱动处理步骤S3基于由坐标确定步骤S2选择的坐标系，对每个投影角度的该坐标系下的图像信息进行距离驱动投影从而得到该投影角度的投影信息，并对各个投影角度的投影信息进行汇总从而得到投影信息。
以下结合附图说明将本发明适用于迭代重建的具体例，着重说明迭代重建中投影的具体例。
图15是表示第三实施方式所涉及的投影处理的流程图。如图15所示，在投影处理中，对于CT图像数据(图像信息)进行前向投影(即投影)，从而生成CT投影数据(投影信息)。具体而言，步骤801初始化参数，包括初始化坐标系个数，旋转角度等参数。步骤802根据参数建立坐标系并设置每个坐标系对应的图像。步骤803计算各个坐标系下图像像素与基准坐标系下图像像素之间的插值系数。步骤804用插值的方法从原始图像获得各个坐标系图像，即用基准坐标系下的输入图像插值得到各个坐标系下的图像。步骤806根据投影角度选择坐标系，投影角度与坐标轴夹角最小的坐标系作为该角度前向投影的坐标系。步骤807在选择的坐标系下进行距离驱动前向投影。步骤808结束。
其中，在上述投影的具体例中，步骤802相当于本发明的通用处理步骤S1，步骤806相当于本发明的坐标确定步骤S2，步骤807相当于本发明的距离驱动处理步骤S3，步骤804相当于本发明的图像信息处理步骤S4。该具体例中的各个步骤是适用于投影的具体变形，可以根据实际情况调整顺序或进行变更。
如上所述，通过使用多个图像坐标系来进行基于距离驱动的投影，能够减少现有技术中基于距离驱动的投影中的模型误差。进而，通过使用多个图像坐标系来进行由基于距离驱动的投影和反投影组成的迭代重建，能够减少现有技术中由基于距离驱动的投影和反投影组成的迭代重建中的模型误差。由此，能够提高CT图像重建中的当前备受瞩目的迭代重建技术的重建精度，能够进一步降低CT图像的伪影，进一步改进实际的CT设备及CT设备的仿真系统。
5、补充
以上详细说明了本发明的几个实施方式和实施例，但本发明不限于此，能够在不脱离本发明主旨的范围内进行各种变更、组合和删除。而且，通过变更、组合和删除而得到的实施方式也包括在本发明的范围之内。
例如，关于本发明所涉及的参数和数据(例如投影信息和图像信息等)，可以通过以下形式保存：正弦图(Sinogram)，用于存储和管理投影数据；坐标系与插值系数，用于存储和管理坐标系参数(个数、旋转角度等)、坐标系图像像素间的插值系数；各坐标系对应图像，用于储存和管理各个坐标系对应的图像；输入/输出结果图像，用于储存和管理输入(针对投影)/输出(针对反投影)结果图像。
例如，本发明的CT图像生成系统1还可以具有用户接口模块。该用户接口模块用于为显示、打印图像等提供数据接口。由此，用户可以方便地获得由本发明的CT图像生成装置40或CT图像生成系统1生成的扫描对象的图像等数据。

Claims (17)

1.一种CT图像生成装置，分析通过X射线对扫描对象在扫描平面上进行扫描而得到的投影信息，并生成所述扫描对象的图像，包括：
通用处理单元，在扫描平面上创建多个坐标系；
坐标确定单元，根据投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系；
距离驱动处理单元，按所述投影角度，基于所选择的坐标系进行距离驱动反投影或距离驱动投影；以及
图像信息处理单元，根据对投影信息进行距离驱动反投影而得到的图像信息，生成所述扫描对象的图像。
2.如权利要求1所述的CT图像生成装置，
所述通用处理单元在所述扫描平面上建立的所述多个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角相等。
3.如权利要求1所述的CT图像生成装置，
所述通用处理单元在扫描平面上建立两个坐标系，且该两个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角为45度。
4.如权利要求1所述的CT图像生成装置，
所述通用处理单元根据所述CT图像生成装置的精度要求，在扫描平面上建立N个坐标系，其中N是2以上的整数。
5.如权利要求1～4所述的CT图像生成装置，
所述坐标确定单元从所述多个坐标系中，选择坐标轴与所述投影角度之间的夹角最小的坐标系，作为用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系。
6.如权利要求1所述的CT图像生成装置，
所述坐标确定单元按所述投影平面上的每个投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于对该投影角度的投影信息进行距离驱动反投影的坐标系；
所述距离驱动处理单元基于由所述坐标确定单元选择的坐标系，对每个投影角度的投影信息进行距离驱动反投影，得到各坐标系下的图像信息；
所述图像信息处理单元对各坐标系下的图像信息进行插值求和从而得到图像信息，根据得到的图像信息生成所述扫描对象的图像。
7.如权利要求1所述的CT图像生成装置，
所述图像信息处理单元对图像信息进行插值，由此获得各坐标系下的图像信息；
所述坐标确定单元按所述投影平面上的每个投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于对该投影角度的图像信息进行距离驱动投影的坐标系；
所述距离驱动处理单元基于由所述坐标确定单元选择的坐标系，对每个投影角度的该坐标系下的图像信息进行距离驱动投影从而得到该投影角度的投影信息，并对各个投影角度的投影信息进行汇总从而得到投影信息。
8.如权利要求1所述的CT图像生成装置，
该CT图像生成装置进行至少一次投影-反投影迭代，在所述投影-反投影迭代中，首先对通过距离驱动反投影得到的图像信息进行距离驱动投影从而得到投影信息，然后对通过距离驱动投影得到的该投影信息进行距离驱动反投影从而得到图像信息。
9.一种CT图像生成方法，分析通过X射线对扫描对象在扫描平面上进行扫描而得到的投影信息，并生成所述扫描对象的图像，包括：
通用处理步骤，在扫描平面上创建多个坐标系；
坐标确定步骤，根据投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系；
距离驱动处理步骤，按所述投影角度，基于所选择的坐标系进行距离驱动反投影或距离驱动投影；以及
图像信息处理步骤，根据对投影信息进行距离驱动反投影而得到的图像信息，生成所述扫描对象的图像。
10.如权利要求9所述的CT图像生成方法，
所述通用处理步骤在所述扫描平面上建立的所述多个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角相等。
11.如权利要求9所述的CT图像生成方法，
所述通用处理步骤在扫描平面上建立两个坐标系，且该两个坐标系的各个坐标轴相互之间的夹角为45度。
12.如权利要求9所述的CT图像生成方法，
所述通用处理步骤根据所述CT图像生成方法的精度要求，在扫描平面上建立N个坐标系，其中N是2以上的整数。
13.如权利要求9～12所述的CT图像生成方法，
所述坐标确定步骤从所述多个坐标系中，选择坐标轴与所述投影角度之间的夹角最小的坐标系，作为用于距离驱动反投影或距离驱动投影的坐标系。
14.如权利要求9所述的CT图像生成方法，
所述坐标确定步骤按所述投影平面上的每个投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于对该投影角度的投影信息进行距离驱动反投影的坐标系；
所述距离驱动处理步骤基于由所述坐标确定步骤选择的坐标系，对每个投影角度的投影信息进行距离驱动反投影，得到各坐标系下的图像信息；
所述图像信息处理步骤对各坐标系下的图像信息进行插值求和从而得到图像信息，根据得到的图像信息生成所述扫描对象的图像。
15.如权利要求9所述的CT图像生成方法，
所述图像信息处理步骤对图像信息进行插值，由此获得各坐标系下的图像信息；
所述坐标确定步骤按所述投影平面上的每个投影角度，从所述多个坐标系中，选择用于对该投影角度的图像信息进行距离驱动投影的坐标系；
所述距离驱动处理步骤基于由所述坐标确定步骤选择的坐标系，对每个投影角度的该坐标系下的图像信息进行距离驱动投影从而得到该投影角度的投影信息，并对各个投影角度的投影信息进行汇总从而得到投影信息。
16.如权利要求9所述的CT图像生成方法，
在该CT图像生成方法中进行至少一次投影-反投影迭代，在所述投影-反投影迭代中，首先对通过距离驱动反投影得到的图像信息进行距离驱动投影从而得到投影信息，然后对通过距离驱动投影得到的该投影信息进行距离驱动反投影从而得到图像信息。
17.一种CT图像生成系统，具备：
X射线装置，通过X射线对扫描对象进行扫描；
检测接收装置，检测并接收所述X射线的投影；
数据保存装置，保存接收到的X射线的投影信息；以及
权利要求1～8所述的CT图像生成装置。
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