CN103750854B - 高效迭代四维心脏锥束ct重建 - Google Patents

Abstract

如果使用锥束重建近似方法，那么当前的高端CT系统及未来的CT系统逐渐增大的锥角导致图像质量下降。根据本发明典型实施例，提供迭代四维心脏CT重建，其中从四维数据集中选择相位体积，每个在不同的相点具有同样的空间体积。然后把这些相位体积内相应的体素正向投影到同样的投影上。在计算不同投影后，更新这些体素。这可提供高效执行的迭代四维心脏锥束重建。

Description

高效迭代四维心脏锥束CT重建

本申请是申请号为200680033400.6的题为“高效迭代四维心脏锥束CT重建”的中国专利申请的分案申请。

本发明涉及X射线成像领域。尤其，本发明涉及用于检查感兴趣对象的检查装置、图像处理设备、检查感兴趣对象的方法、计算机可读介质及程序单元。

如果使用锥束重建近似方法，那么当前的高端CT系统及未来的CT系统的逐渐增大的锥角导致图像质量下降。对于心脏锥束CT的情况，精确重建是不可行的，并且因此，迭代重建方法对这种应用是潜在的候选。它们为大锥角提供出色的图像质量且它们能增加重建后的图像的信噪比（SNR）。

但是，这种迭代重建方法的应用由于它们的高计算消耗而受到限制。尤其是对于运动对象的四维重建而言，这个问题是严重的，因为其中必须针对大量相点重建整个体积。

因此，需要具有一种四维数据集的高效迭代图像重建。

根据本发明的典型实施例，提供用于检查感兴趣对象的检查装置，检查装置包括采集单元，用于采集感兴趣对象的四维数据集；计算单元，适于从四维数据集中选择第一相位体积和第二相位体积，基于第一组系数正向投影第一相位体积的第一体素，基于第二组系数正向投影第二相位体积的第二体素，基于第三组更新系数更新正向投影的第一体素，并且基于第四组更新系数更新正向投影的第二体素，其中第一体素和第二体素具有相同的空间坐标但相点不同。

因此，根据本发明的这个典型实施例，提供一种检查装置，其适于执行感兴趣对象的四维数据集的迭代重建，该重建可在硬件中高效地实现。因为第一体素和第二体素都具有同样的空间坐标而仅仅相点不同（因为它们是从不同的相位体积选择的），两种体素的正向投影以及两种体素的反向投影或更新可高效地执行。正向投影和更新体素具有同样的空间坐标（其中体素的正向投影可在第一步骤中执行，并且，其中两种体素的更新可在第二步骤中执行），这使得计算消耗下降。

根据本发明的另一个典型实施例，计算单元还适于计算加权函数，产生对应第一相位体积的第一权数和对应第二相位体积的第二权数。

然后，根据本发明的这个典型实施例，第一相位体积的第一权数和第二相位体积的第二权数可在一个计算步骤中得以计算（并且基本同时）。

根据本发明的另一个典型实施例，计算单元还适于计算用于将第一相位体积的第一体素映射到投影上的第一组系数，和用于将第二相位体积的第二体素映射到投影上的第二组系数。

因此，用于第一体素的系数和用于第二体素的系数可在同样的计算步骤中计算。因为两种体素具有同样的空间坐标，这个计算步骤是非常高效的。

根据本发明的另一个典型实施例，计算单元还适于基于第一投影和第二投影计算差分投影（differenceprojection）并基于该差分投影计算第一组更新系数和第二组更新系数。

因此，根据本发明的典型实施例，可对于相位相关投影的整个堆栈计算差分投影。

根据本发明的另一个典型实施例，用相应的心脏权数乘以该差分投影。

根据本发明的另一个典型实施例，检查装置还包括心电图单元，适于采集心电图数据，其中，加权函数为用于第一相位和第二相位的心脏加权函数。

因此，根据本发明的这个典型实施例，加权函数与感兴趣对象（其此时为患者）的心搏对应。这提供了运动伪影的高效减少。

根据本发明的另一个典型实施例，加权函数为来自心电图数据、扫描参数、视场大小、和视场位置的投影数量中的至少一个的函数。

因此，根据本发明的这个典型实施例，加权函数至少反映了心电图数据、数据采集过程的扫描参数、视场大小或位置。

根据本发明的另一个典型实施例，第一相位体积和第二相位体积具有相同的空间体积但相点不同。

例如，两种相位体积大小都为（nx,ny,nz），其中nx（ny,nz）描述了x（y,z）大小中的体素数量。但是在不同相点（时期）采集这两种相位体积。

根据本发明的另一个典型实施例，第一权数和第二权数大于零。

因此，根据本发明的这个典型实施例，仅仅从多相位数据集中选择那些相位体积，其对于该投影具有大于零的心脏权数并定义了相应的相位相关投影的集合。

根据本发明的另一个典型实施例，检查装置还包括电磁辐射源，适于向感兴趣对象发射电磁辐射；和准直器，布置在电磁辐射源与采集单元之间，其中，准直器适于使电磁辐射源发射的电磁辐射束准直，以形成扇束或锥束。

根据本发明的另一个典型实施例，检查装置作为心脏锥束计算机断层摄影装置。

而且，根据本发明的另一个典型实施例，四维数据集包括第一子集和第二子集，其中，第一和第二子集中每个的大小都与用于非门限迭代重建的子集大小乘以平均心动周期长度并除以平均门限窗口宽度对应。

这产生了子集大小，其提供与非门限重建相似的收敛速度。如果非门限重建的子集大小关于例如图像质量是优化的，其还适于门限重建。

根据本发明的另一个典型实施例，检查装置构造为包括行李检验装置、医疗应用装置、材料测试装置和材料科学分析装置的组中的一个。本发明的应用领域可以是材料科学分析，因为本发明限定的功能性允许快速、高效及高精度分析材料。

根据本发明的另一个典型实施例，提供检查感兴趣对象的方法，该方法包括采集感兴趣对象的四维数据集，从四维数据集中选择第一相位体积和第二相位体积，基于第一组系数正向投影第一相位体积的第一体素，基于第二组系数正向投影第二相位体积的第二体素，基于第三组更新系数更新正向投影的第一体素，基于第四组更新系数更新正向投影的第二体素，其中，第一体素和第二体素具有相同的空间坐标但相点不同。

根据本发明的另一个典型实施例，提供了检查感兴趣对象的图像处理设备，该图像处理设备包括存储器，用于存储感兴趣对象的四维数据集。而且，该图像处理设备包括计算单元，其适于执行上述方法步骤。

因此，提供图像处理设备，其适于基于四维数据集执行感兴趣对象的高效迭代重建。

根据本发明的另一个典型实施例，提供一种计算机可读介质，用于检查感兴趣对象的计算机程序存储在其中，当被处理器执行时，其适于执行上述方法步骤。

而且，本发明涉及检查感兴趣对象的程序单元，其存储在计算机可读介质上。该程序单元适于执行上述方法步骤。

程序单元优选地装载进数据处理器的工作存储器中。因此，数据处理器被装备以实现本发明方法的典型实施例。可用任意的编程语言编写计算机程序，例如C++并且存储在计算机可读介质上，例如CD-ROM。而且，计算机程序可从网络得到，例如WorldWideWeb，从中可将计算机程序下载到图像处理单元或处理器，或任何适合的计算机。

能够看出，作为本发明典型实施例的要点，从多相位数据集中选择相位体积，其中，每个相位体积具有相同的空间体积但是在不同的相点。在这些相位体积中的每个中，由于具有相同的空间坐标但是不同的相点，识别出一个体素。然后从不同的心脏相位体积将该体素集正向投影到定义为相位阵列的投影上。在计算了不同投影后，执行反向投影（再次对于整个体素集合，以同样的空间坐标并行）。

通过参照此后描述的实施例将清楚本发明的这些及其他方面。

将在下面参照附图描述本发明的典型实施例。

图1示出了代表根据本发明典型实施例的CT扫描器系统的简化视图；

图2示出了表示根据本发明典型实施例的方法的流程图；

图3示出了用于单个体素及所选的投影的投影几何结构的示意性表示；

图4示出了心脏加权函数的示意性表示；

图5示出了根据本发明的图像处理设备的典型实施例，其用于执行根据本发明的方法的典型实施例。

附图中的视图是示意性的。在不同的附图中，相似或相同的元件具有相同的参考标号。

图1示出了根据本发明典型实施例的CT扫描器系统的典型实施例。参照这个典型实施例，将针对医疗成像中的应用来描述本发明。但是，应当知道，本发明不限于这种应用，而是还可应用在行李检验，或其他工业应用领域，例如材料测试。

图1所示的计算机断层摄影装置100是锥束CT扫描器。图1所示的CT扫描器包括构架101，其绕旋转轴102旋转。构架101由马达103驱动。参考标号104代表辐射源，例如X射线源，其，根据本发明的一个方面，发射多波长辐射。

参考标号105代表孔径系统，其将从辐射源发射的辐射束整形为锥形辐射束106。锥束106被导向，从而其穿透布置在构架101的中央中，例如CT扫描器的检查区域中的感兴趣对象107，并入射到探测器108上。如从图1可知，探测器108布置在构架101上与辐射源104相对的一侧，从而探测器108的表面被锥束106覆盖。如图1所示，探测器108包括多个探测器元件123，每个元件能够以能量解析方式探测穿透感兴趣对象107的X射线或单独的光子。

在扫描感兴趣对象107期间，辐射源104、孔径系统105及探测器108沿构架101以箭头116指示的方向旋转。为了使带有辐射源104、孔径系统105及探测器108的构架101旋转，将马达103连接到马达控制单元117，其连接到计算或确定单元118。

在图1中，感兴趣对象107可以是放在传送带119上的患者或行李物品。在扫描感兴趣对象107期间，当构架101绕行李物品107旋转时，传送带119沿平行于构架101的旋转轴102的方向使感兴趣对象107移位。通过这种方式，可沿螺旋扫描路径扫描感兴趣对象107。在扫描期间还可停止传送带119由此测量单个切片。代替传送带119，例如，在感兴趣对象107为患者的医疗应用中，可采用可移动的平台。但是，应当知道，在所有描述的情况中，还可能通过以源-探测器装置的频率的两倍频率周期性地向后及向前移动平台，来执行其他扫描路径，例如鞍形轨迹。

探测器108连接到计算单元118。计算单元118接收探测结果，即来自探测器108的探测器元件123的读数，并且基于该读数确定扫描结果。而且，计算单元118与马达控制单元117通信，以便用马达103和120协调构架101与传送带119的运动。

根据本发明典型实施例，计算单元118适于迭代地重建感兴趣对象的图像。重建单元118产生的重建图像通过接口122输出到显示器（图1未示出）。

计算单元118由数据处理器实现，以处理来自探测器108的探测器元件的读数。

而且，由图1可知，重建单元118连接到扬声器121，例如，其用于在行李物品107中的探测到可疑材料时自动地输出警报。

用于检查感兴趣对象107的计算机断层摄影装置100包括探测器108，其具有以类似矩阵方式布置的多个探测器元件123，每个都适于探测X射线。而且，计算机断层摄影装置100包括确定单元或适于重建感兴趣对象107的图像的重建单元118。

计算机断层摄影装置100包括适于向感兴趣对象107发射X射线的X射线源104。设置在电磁辐射源104与探测元件123之间的准直器105适于准直从电磁辐射源104发射的电磁辐射束，以形成锥束。探测元件123构成多层探测器阵列108。

图2示出了根据本发明典型实施例的方法。由于有限的时间分辨率，在心脏锥束重建的情况下，所重建的用于产生四维数据集的心脏相位的数量大于心动周期的长度除以平均门限窗宽度。因此，不同心脏相位的心脏门限函数的非零加权值重叠。

心脏门限函数重叠的另一个原因是选择心脏相位，使得它们的距离与测量的时间分辨率对应并且用于整个心动周期的门限函数非零。

根据本发明的典型实施例，该方法从步骤1开始，将要重建的感兴趣的心脏体积f（x,y,z）定义为大小为（nx,ny,nz,nt）的多相位体积f（x,y,z,t）。此处，nx（ny,nz）表示在x（y,z）大小中的体素的数量，且nt表示相位的数量。

然后，在步骤2，将用于有序子集迭代重建的子集大小定义为用于非门限迭代重建的子集大小乘以平均心动周期长度与平均门限窗口宽度的比值。

然后，在步骤3，作为投影数量的函数，根据ECG值、扫描参数及视场大小和位置计算用于每个心脏相位的心脏加权函数。

之后，在步骤4，从多相位数据集选择那些体积，其对于这种投影具有大于零的心脏权数并定义了相应的相位相关投影的集合。

这样的一组体积201，202，203，204在图3中示出，其示出了用于单个体素及所选的投影的投影几何结构的示意性表示。每个体积201至204在不同的相点具有相同的空间体积。而且，如投影205，206，207，208所示，每个相位体积201至204与同样的投影205至208相关。

然后，在步骤5，计算出用于将在这些相位体积201，202，203，204中的位置（x,y,z）处的体素值映射到投影上的系数。

然后，在步骤6，应用这些计算出的系数将体素从全部不同的心脏相位体积201至204正向投影到定义为相位阵列的投影上。

重复步骤5和6，直到对于所考虑的全部相位，相位体积201到204的全部体素都被投影到特定投影上。

而且，对子集中的每个投影重复包括步骤4到7的循环。

然后，在步骤8，对这个子集的全部投影，计算相位相关投影的全部堆栈的不同投影并且乘以心脏权数。

对于子集中的每个投影执行后面的步骤9到11。

在步骤9，从这个投影计算更新在体积中的单个体素所需的系数。

在步骤10，使用这些系数更新在全部体积中的体素，该体素对于这个投影具有非零心脏权数。

然后，在步骤11，对每个体素重复步骤9和10，直至整个体积被更新。方法跳至步骤12。

在步骤13，对全部子集重复方法步骤4至12。

然后，方法跳至步骤14，在那里结束。

图4示出了心脏加权函数301的示意性表示。垂线302、303、304、305表示与图3中所述的四个相位体积对应的不同相点。如可从心脏加权函数301知道的，每个相位体积对应于不同的心脏权数。

图5示出了根据本发明的用于执行根据本发明方法典型实施例的图像处理设备的典型实施例。图5中的图像处理设备400包括中央处理单元（CPU）或图像处理器401，其连接到用于存储描述感兴趣对象（例如胸部或其它组织部分）的图像的存储器402。数据处理器401连接到例如CT设备的多个诊断设备的输入/输出网络。而且，数据处理器401连接到显示设备403，例如计算机监视器，用于显示数据处理器410中计算的或改编的信息或图像。操作者或用户通过键盘404和/或其它输出设备，其未在图5中示出，与数据处理器401交互。

而且，通过总线系统405，还可能把图像处理和控制处理器401连接到例如运动监视器，其监视感兴趣对象的运动。例如，运动传感器可以是呼气传感器或心电图单元。

本发明的典型实施例可以作为成像工作站的软件选项出售。

根据本发明典型实施例的检查装置、图像处理设备、方法、程序单元及计算机可读介质提供了改善的图像质量及更高速度的迭代心脏锥束CT重建。例如，重建50个心脏相位，并且为20％心动周期的平均门限窗口宽度再次导致10倍的重建速度。

应当注意到，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一个”或“一”不排除多个，并且单个处理器或系统可实现权利要求所述的多个装置或单元的功能。也可组合结合不同实施例描述的元件。

还应知道，权利要求中的参考标号不构成对权利要求范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于检查感兴趣对象(107)的检查装置(100)，所述检查装置(100)包括：

采集单元(108)，用于采集所述感兴趣对象(107)的四维数据集；

计算单元(118)，适于：

在步骤a)从所述四维数据集选择第一相位体积和第二相位体积；

在步骤b)计算用于将所述第一相位体积中的第一体素映射到投影上的系数；

然后，在步骤c)基于用于映射的所述系数将所述第一相位体积的第一体素和所述第二相位体积的第二体素正向投影；

重复步骤b)和c)直到所述第一相位体积和所述第二相位体积的所有体素都被正向投影；

然后，在步骤d)计算用于更新所述正向投影的第一体素的系数；

在步骤e)基于用于更新的所述系数更新所述正向投影的第一体素和所述正向投影的第二体素；

针对每个体素重复步骤d)和e)直到所述第一相位体积和所述第二相位体积被更新为止；

其中，所述第一相位体积和所述第二相位体积具有相同的空间体积但是处于不同的相点，并且是要被重建的体积；并且

其中，所述第一相位体积中的所述第一体素和所述第二相位体积中的所述第二体素具有相同的空间坐标但是不同的相点。

2.根据权利要求1所述的检查装置(100)，

其中，所述计算单元(118)还适于：

计算加权函数，产生对应于所述第一相位体积的第一权数和对应于所述第二相位体积的第二权数。

3.根据权利要求1所述的检查装置(100)，

其中，所述计算单元(118)还适于：

基于用于所述第一体素的投影和用于所述第二体素的投影计算差分投影；和

基于所述差分投影计算用于更新的所述系数。

4.根据权利要求3所述的检查装置(100)，

其中，用对应的心脏权数乘以所述差分投影。

5.根据权利要求2所述的检查装置(100)，还包括：

心电图单元，适于采集心电图数据；

其中，所述加权函数为用于所述第一相位和所述第二相位的心脏加权函数。

6.根据权利要求5所述的检查装置(100)，

其中，所述加权函数为至少一个投影数量的函数，所述投影数量来自所述心电图数据、扫描参数、视场大小、和视场位置。

7.根据权利要求2所述的检查装置(100)，

其中，所述第一权数和所述第二权数大于零。

8.根据权利要求1所述的检查装置(100)，还包括：

电磁辐射源(104)，适于向所述感兴趣对象(107)发射电磁辐射；和

准直器(105)，布置在所述电磁辐射源(104)与所述采集单元(108)之间；

其中，所述准直器(105)适于使所述电磁辐射源(104)发射的电磁辐射束准直以形成扇束或锥束。

9.根据权利要求1所述的检查装置(100)，

其中，所述检查装置(100)适于作为心脏锥束计算机断层摄影装置。

10.根据权利要求1所述的检查装置(100)，

其中，所述四维数据集包括第一子集和第二子集；

其中，所述第一和第二子集中每个的大小都与用于非门限迭代重建的子集大小乘以平均心动周期长度并除以平均门限窗口宽度相对应。

11.根据权利要求1所述的检查装置(100)，其中，所述检查装置(100)被配置作为行李检验装置、医疗应用装置、材料测试装置和材料科学分析装置中的一个。

12.一种用于检查感兴趣对象的图像处理设备，所述图像处理设备包括：

存储器，用于存储所述感兴趣对象(107)的四维数据集；

计算单元(108)适于：

在步骤a)从所述四维数据集选择第一相位体积和第二相位体积；

在步骤b)计算用于将所述第一相位体积中的第一体素映射到投影上的系数；

然后，在步骤c)基于用于映射的所述系数将所述第一相位体积的第一体素和所述第二相位体积的第二体素正向投影；

重复步骤b)和c)直到所述第一相位体积和所述第二相位体积的所有体素都被正向投影；

然后，在步骤d)计算用于更新所述正向投影的第一体素的系数；

在步骤e)基于用于更新的所述系数更新所述正向投影的第一体素和所述正向投影的第二体素；

针对每个体素重复步骤d)和e)直到所述第一相位体积和所述第二相位体积被更新为止；

其中，所述第一相位体积和所述第二相位体积具有相同的空间体积但是处于不同的相点，并且是要被重建的体积；并且

其中，所述第一相位体积中的所述第一体素和所述第二相位体积中的所述第二体素具有相同的空间坐标但是不同的相点。

13.一种用于检查感兴趣对象(107)的方法，该方法如下步骤：

采集所述感兴趣对象(107)的四维数据集；

在步骤a)从所述四维数据集选择第一相位体积和第二相位体积；

在步骤b)计算用于将所述第一相位体积中的第一体素映射到投影上的系数；

然后，在步骤c)基于用于映射的所述系数将所述第一相位体积的第一体素和所述第二相位体积的第二体素正向投影；

重复步骤b)和c)直到所述第一相位体积和所述第二相位体积的所有体素都被正向投影；

然后，在步骤d)计算用于更新所述正向投影的第一体素的系数；

在步骤e)基于用于更新的所述系数更新所述正向投影的第一体素和所述正向投影的第二体素；

针对每个体素重复步骤d)和e)直到所述第一相位体积和所述第二相位体积被更新为止；

其中，所述第一相位体积和所述第二相位体积具有相同的空间体积但是处于不同的相点，并且是要被重建的体积；并且

其中，所述第一相位体积中的所述第一体素和所述第二相位体积中的所述第二体素具有相同的空间坐标但是不同的相点。

14.一种用于检查感兴趣对象(107)的装置，该装置包括：

用于采集所述感兴趣对象(107)的四维数据集的单元；

用于在步骤a)从所述四维数据集选择第一相位体积和第二相位体积的单元；

用于在步骤b)计算用于将所述第一相位体积中的第一体素映射到投影上的系数的单元；

用于然后，在步骤c)基于用于映射的所述系数将所述第一相位体积的第一体素和所述第二相位体积的第二体素正向投影的单元；

用于重复步骤b)和c)直到所述第一相位体积和所述第二相位体积的所有体素都被正向投影的单元；

用于然后，在步骤d)计算用于更新所述正向投影的第一体素的系数的单元；

用于在步骤e)基于用于更新的所述系数更新所述正向投影的第一体素和所述正向投影的第二体素的单元；

用于针对每个体素重复步骤d)和e)直到所述第一相位体积和所述第二相位体积被更新为止的单元；

其中，所述第一相位体积和所述第二相位体积具有相同的空间体积但是处于不同的相点，并且是要被重建的体积；并且

其中，所述第一相位体积中的所述第一体素和所述第二相位体积中的所述第二体素具有相同的空间坐标但是不同的相点。