CN103907132B - 图像数据处理 - Google Patents

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Abstract

图像数据处理器(116)包括高分辨率恢复设备(218)，所述高分辨率恢复设备被配置为基于第二较高分辨率图像数据的对应体素邻域将第一图像数据中的体素的体素邻域恢复到较高的分辨率，从而生成恢复的较高分辨率图像数据，其中，第二较高分辨率图像数据具有比第一图像数据更高的分辨率。

Description

图像数据处理
技术领域
下文大体上涉及处理图像数据并以对计算机断层摄影(CT)的特定应用被描述，且更具体地涉及处理对应于常规扫描和/或较低剂量扫描的重建图像数据，以增加图像数据的分辨率；下文还适合于其他成像模态。
背景技术
CT扫描器通常包括被安装在可旋转机架上的X射线管，可旋转机架围绕检查区域关于纵轴或z轴旋转。X射线管发射横穿检查区域和其中的受试者或物体的辐射。探测器阵列对着检查区域与X射线管相对的角弧度。探测器阵列包括相对于彼此对齐并且沿着z轴延伸的一行或多行探测器。探测器探测横穿检查区域和其中的受试者或物体的辐射，并且生成指示所述辐射的投影数据。重建器处理投影数据并重建指示所述投影数据的三维(3D)体积图像数据。体积图像数据能够被处理，以生成检查区域的一幅或多幅图像，包括被布置在其中的受试者或物体的部分。
遗憾地是，CT扫描器发射电离辐射，其会增加被扫描的患者患癌症的风险。通常，沉积在患者体内的辐射剂量取决于多个因素，包括但不限于管电流(mAs)、管电压(kVp)、间距/暴露时间(针对螺旋状扫描)、切片厚度和间隔(对于轴向扫描)、在研究中的扫描的次数、以及患者体型(例如，较胖或较瘦)。能够通过减小管电流、管电压和/或扫描的次数，和/或增加间距、切片厚度和/或切片间隔来减小沉积剂量。然而，图像噪声与辐射剂量成反比，并且因而减小辐射剂量不仅减小剂量而且增加在重建期间传播到图像数据的采集到的数据中的图像噪声，从而降低图像质量(即，更嘈杂、更不清晰的图像)，这会降低成像数据的诊断值。
已经通过超分辨率算法来提高图像分辨率。一些超分辨率算法超过成像系统的衍射限制，而其他超分辨率算法提供在探测器的分辨率上的提高。多帧超分辨率算法通常使用在同一场景的多幅低分辨率图像之间的子像素移位，并且通过将多幅低分辨率图像融合或组合成单个较高分辨率图像来提高图像分辨率。遗憾地是，这样的处理会是复杂的且时间密集的。基于学习的超分辨率算法还合并与应用相关的先验知识，以推断未知的高分辨率图像。
鉴于上述内容，存在对用于减小患者剂量同时维持图像质量和/或提高图像质量的其他方法的未解决的需要。
发明内容
本文描述的各个方面解决上面提到的问题和其他问题。
在一个方面中，图像数据处理器包括高分辨率恢复设备，所述高分辨率恢复设备被配置为基于第二较高分辨率图像数据的对应体素邻域将第一图像数据中的体素的体素邻域恢复到较高的分辨率，从而生成恢复的较高分辨率图像数据，其中，第二较高分辨率图像数据具有比第一图像数据更高的分辨率。
在另一方面中，方法包括接收第一图像数据；接收第二较高分辨率图像数据；并且，利用第二较高分辨率图像数据来将第一图像数据恢复到第二较高分辨率图像数据的分辨率，从而生成恢复的较高分辨率第一图像数据。
在另一方面中，方法包括基于较高分辨率体素邻域与较低分辨率体素邻域之间的映射来增加低剂量或常规剂量图像数据的分辨率，其中，较高分辨率体素邻域对应于关于正被处理的低剂量或常规剂量图像数据的体素的体素邻域，并且较低分辨率体素邻域对应于经比例缩减的较高分辨率体素邻域。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件的布置以及各种步骤和步骤的布置。附图仅出于图示优选实施例的目的，且不应被解释为限制本发明。
图1示意性地图示了结合图像数据处理器的范例成像系统，所述图像数据处理器被配置为提高图像数据的分辨率，允许针对给定的图像质量和/或提高的图像质量的减小的剂量扫描。
图2示意性地图示了在图1中图示的图像数据处理器的范例。
图3图示了用于提高图像数据的分辨率的范例方法，允许针对给定的图像质量的减小的剂量扫描和/或提高的图像质量。
图4示意性地图示了针对灌注成像降低剂量的范例。
图5示意性地图示了针对多相成像降低剂量的范例。
图6示意性地图示了针对后续扫描降低剂量的范例。
图7示意性地图示了针对低剂量PET数据提高图像质量的范例。
图8示意性地图示了针对扫描降低剂量和/或提高图像质量的范例。
具体实施方式
最初参考图1，示意性地图示了成像系统100，诸如计算机断层摄影(CT)扫描器。成像系统100包括通常静止机架102和旋转机架104。旋转机架104由静止机架102可旋转地支承，并且围绕检查区域关于纵轴或z轴旋转。
辐射源110(诸如X射线管)由旋转机架104可旋转地支承。辐射源110随着旋转机架104旋转，并且发射横穿检查区域106的辐射。源准直器包括准直构件，所述准直构件将辐射准直，以形成通常为圆锥形、楔形、扇形或其他形状的辐射射束。
敏感探测器阵列112对着越过检查区域106与辐射源110相对的角弧度。探测器阵列112包括沿着z轴方向延伸的多行探测器。探测器阵列112探测横穿检查区域106的辐射，并且生成指示所述辐射的投影数据。
重建器114重建投影数据，并且生成指示所述投影数据的三维(3D)体积图像数据。重建器114可以采用常规3D过滤反投影重建、锥形射束算法、迭代算法和/或其他算法。
图像数据处理器116处理图像数据，从而生成较高分辨率图像数据。如下面更详细描述的，图像数据处理器116采用从先前生成的较高分辨率数据获得的信息来提高较低剂量和/或常规剂量图像数据的图像分辨率。在一个实例中，这允许针对给定的图像质量减小研究的患者剂量和/或提高研究的图像质量。作为范例，图像数据处理器116允许灌注扫描的剂量减小、多相扫描(例如三相肝扫描)的剂量减小、后续扫描(例如治疗响应的后续扫描)的剂量减小、PET数据的图像质量提高(例如PET图像的空间分辨率增强)、通用扫描的剂量减小和/或图像质量提高、和/或用于其他成像研究的其他剂量减小和/或图像质量提高。
受试者支架118例如长沙发支承物体或受试者例如在检查区域106中的人或动物患者。受试者支架118被配置为在扫描之前、期间和/或之后垂直和/或水平地移动，以关于系统100定位受试者或物体。
通用计算系统或计算机用作操作员控制台120。控制台120包括人可读输出设备(诸如监视器或显示器)和输入设备(诸如键盘、鼠标等)。存在于控制台120上的软件允许操作员经由图形用户界面(GUI)等与扫描器100交互。这个交互可以包括设置各种成像参数(诸如管电流、时间分辨率、角度采样、图像矩阵尺寸、反投影滤波器等)、选择图像数据分辨率提高后处理算法和/或交互。
数据存储库122能够用于存储由系统100和/或图像数据处理器116生成的图像数据、由图像数据处理器116使用的图像数据和/或其他数据。数据存储库122可以包括图片归档和通信系统(PACS)、放射信息系统(RIS)、医院信息系统(HIS)、电子病历(EMR)数据库、服务器、计算机和/或其他数据存储库中的一个或多个。数据存储库122能够对系统100来说是本地的或远离系统100。
应认识到，图像数据处理器116能够经由处理器来实现，该处理器执行在计算机可读介质(诸如物理存储器)上编码或嵌入的一个或多个计算机可读指令。这样的处理器能够是控制台120和/或其他计算设备(例如专用可视化计算机和/或其他计算设备)的一部分。额外地或备选地，处理器能够执行由载波、信号或其他非计算机可读存储介质(诸如暂态介质)携带的至少一个计算机可读指令。
图2示意性地图示了图像数据处理器116的范例。
图示的图像数据处理器116接收第一图像数据或图像数据，其要被处理以增加其分辨率，并且生成较高分辨率图像数据。该图像数据可以是较低剂量图像数据，其被处理来将其分辨率提高到例如常规(或较低或较高)剂量图像数据的分辨率的水平。备选地，图像数据可以是只被处理来增加分辨率的常规剂量图像数据。图像数据能够来自重建器114(图1)、数据存储库122(图1)和/或其他设备。
图示的图像数据处理器116还接收第二较高分辨率图像数据，其具有比第一图像数据的分辨率更高的分辨率。较高分辨率图像数据同样能够来自重建器114(图1)、数据存储库122(图1)和/或其他设备。第二较高分辨率图像数据可以对应于同一患者或不同患者。第二较高分辨率图像数据可以备选地从第一图像数据导出。
图像配准部件200将第一图像数据和第二较高分辨率图像数据进行配准。这可以包括将第一图像数据中的体素邻域和第二较高分辨率图像数据中的体素邻域进行匹配。能够采用弹性和/或刚性配准方法。在另一实施例中，省略图像配准部件200，并且利用默认匹配方案。
体素处理顺序确定器202确定第一图像数据的体素的处理排序。范例排序包括但不限于体素梯度大小的降序、体素的邻域的结构张量本征值的积的降序和/或其他排序。这样的排序可以取决于体素值，并且可以在图像数据与图像数据之间变化。在另一实施例中，利用固定排序。特定的排序能够由确定器202自动选择和/或基于由图像数据处理器116的用户提供的输入来手动选择。
词典库(dictionary bank)204存储各种词典或在较低分辨率体素和较高分辨率体素的组(例如，3x3、5x5等)之间的映射。图示的词典库204包括先前生成的词典206、导出词典208和自相似词典210中的至少一个。先前生成的词典206包括被提供到图像数据处理器116的已经生成的词典。词典确定器212确定导出词典208和/或自相似词典210。词典确定器214可以例如在第一图像数据和/或对应于同一患者和/或另一患者的其他图像数据的较早处理期间确定先前生成的词典206。
导出词典208包括针对第一图像数据中要被处理的每个体素的词典。在一个实例中，导出包括识别对应于第一图像数据中的体素的第二较高分辨率图像中的体素邻域。配准的结果能够用于识别体素邻域。经识别的第二较高图像数据中的体素邻域被按比例缩减为预定的较低分辨率。能够通过平滑化和/或使用适当滤波器的其他处理以及任选地对经滤波的较高分辨率图像数据进行子采样来实现按比例缩减。词典然后被导出作为在第二较高分辨率图像数据和经比例缩减的第二较高分辨率的体素邻域之间的匹配的集合。
自相似词典210类似于导出词典208，除了第一图像数据的体素邻域被按比例缩减，并且词典被确定为第一图像数据和经比例缩减的第一图像数据的体素邻域之间的匹配的集合以外。此外，在本范例中，词典确定器214仅收集第一图像数据的邻域中的体素。在另一实施例中，其他体素可以额外地或备选地被收集。
图示的词典确定器214将先前生成的词典206、导出词典208和自相似词典210中的两个或多个进行组合，针对在图示的实施例中能够被存储在映射词典存储器217中的每个体素创建映射词典215。例如，在本范例中，词典确定器214通过聚集先前生成的词典206、导出词典208和自相似词典210来形成体素的映射词典，以形成包括先前生成的词典、导出词典和自相似词典中的所有三个词典的针对体素的映射词典215。通常，映射词典共同表示在体素的矩阵(体素邻域)之间的映射或关系。
词典选择器216针对要处理的第一图像数据的每个体素从映射词典存储器217中选择对应的映射词典215。该选择能够基于默认和/或用户定义的偏好来自动完成和/或基于由图像数据处理器116的用户提供的输入来手动完成。在一个实例中，映射词典215的选择基于第二较高分辨率图像数据的词典与已经被恢复的体素的兼容性和/或第一图像数据的词典与第一图像数据中的体素邻域的兼容性。
高分辨率恢复设备218利用选择的映射词典的较高分辨率体素邻域来恢复在正被处理的第一图像数据的体素周围的较高分辨率邻域。
任选的子体素优化器220被配置为优化针对正被处理的体素的较高分辨率体素邻域的位置。在一个实例中，这可以提高选择的映射词典的兼容性。优化能够通过选择的映射词典的子像素移位和/或以其他方式来实现。
约束实施器222处理恢复的(或优化恢复的)图像数据，以实施在要处理的图像数据之间的任何全局恢复约束。这能够使用反投影和/或其他方法来实现。适当的反投影的范例是
Figure GDA0001578857570000061
其中，I低是输入研究，
Figure GDA0001578857570000062
是先前步骤的输出研究，US是按比例放大操作符，而DS是按比例缩减操作符。
图像数据处理器116可以使用单程或迭代细化方法来处理第一图像数据，其中，输出生成的较高分辨率图像数据被反馈作为如上所述的输入要被处理的第一图像数据。使用迭代方法，能够经由一次或多次迭代来处理图像数据。适当的停止标准可以包括但不限于在连续处理的输出之间的差异、迭代的次数、预定时间量的流逝和/或其他标准。迭代方法可以允许以每次迭代或给定组的迭代来提高选择的映射词典的兼容性。
图3图示了用于提高图像数据低剂量和/或常规剂量图像数据的范例方法。
应认识到，本文描述的方法中的操作的排序不是限制性的。因此，在本文设想其他排序。此外，一个或多个操作可以被省略和/或一个或多个额外的操作可以被包括。
在302，执行成像过程。例如，图1的成像系统100能够用于扫描物体或受试者，并且生成图像数据。扫描能够是常规剂量扫描或较低剂量扫描，其中，较低剂量扫描的沉积剂量小于常规剂量扫描的沉积剂量。
在304，要处理的图像数据(例如来自操作302的扫描的图像数据)和较高分辨率图像数据(即，具有比来自操作302的扫描的图像数据更高的分辨率的图像数据)被提供到图像数据处理器116。较高分辨率图像数据可以对应于相同或不同的物体或受试者。此外，较高分辨率图像数据可以已经在常规或较高剂量成像过程或较低剂量成像过程期间生成，其中，较低剂量成像数据被处理以生成较高分辨率图像数据。
在306，图像数据和较高分辨率图像数据被配准或以另外方式被映射到彼此。如在本文讨论的，适当的配准算法包括弹性或刚性配准算法。
在308，确定图像数据的体素的处理顺序。如在本文讨论的，排序能够是自适应的或固定的，并且通常基于由体素提供的信息。
在310，识别要处理的体素。
在312，针对体素生成映射词典。如在本文讨论的，映射词典表示在图像数据和/或较高分辨率图像数据的对应较低和较高分辨率体素邻域的矩阵之间的映射，其中，较低分辨率体素邻域是通过按比例缩减体素邻域来生成的。
在314，针对体素选择映射词典。
在316，正被处理的体素的邻域基于选择的映射词典的较高分辨率体素邻域被恢复到较高分辨率。
在318，任选地，针对要处理的体素优化较高分辨率体素邻域的位置。
在320，如果存在更多体素要处理，则重复操作310到318。
如果不存在更多体素要处理，则在操作322，如在本文描述的，恢复的(或任选地优化恢复的)图像数据被投影以实施在要处理的图像数据和生成的较高分辨率图像数据之间的任何全局恢复约束。
在324，如果经由一个或多个随后的迭代处理图像数据，则重复操作304到322，来自操作320的输出生成的较高分辨率图像数据是在嵌套迭代中被处理的输入图像数据。
否则，在操作326，恢复的(或任选地优化恢复的)图像数据(即，针对输入图像数据的生成的较高分辨率图像数据)被输出。
本文描述的方法可以经由一个或多个处理器来实现，处理器执行在计算机可读存储介质(诸如物理存储器)上编码或体现的一个或多个计算机可读指令，所述计算机可读存储介质使一个或多个处理器执行各种操作和/或其他功能和/或操作。额外地或备选地，一个或多个处理器能够执行由暂态介质(诸如信号或载波)携带的指令。
下文提出关于灌注扫描、多相扫描、后续扫描、PET/CT扫描和通用扫描的剂量减小和/或图像质量提高的非限制性范例和本文描述的系统和/或方法。
最初参考图4，图示了减小总剂量的范例灌注扫描协议。在本范例中，在第一时间帧402内执行常规剂量(全分辨率)扫描，并且对于每个随后的时间帧404、406、…408，能够执行较低剂量扫描。当所使用的较高分辨率图像数据增加较低剂量扫描的图像数据的分辨率时，如本文所述采用在第一时间帧402处的常规扫描的图像数据经由图像数据处理器116来提高每个随后的时间帧404-408的图像数据的图像质量。应认识到，常规剂量扫描不必是第一扫描。此外，常规剂量扫描能够来自不同扫描(除了范例灌注扫描以外的扫描)，例如CTA和/或其他扫描。
为了减轻与低X射线通量相关联的任何探测限制，能够使用预先确定的设置。适当的设置可以增加X射线通量，同时损害采样分辨率。作为范例，毫安秒(mAs)应减小，这引起剂量减小和X射线通量减小，积分周期(IP)应增加，这引起X射线通量增加和分辨率降低，当IP增加时角度采样(AS)应减小，引起X射线通量增加和分辨率降低的单个(而不是两个或多个)焦斑模式能够被使用，由于分辨率降低，能够使用较小图像矩阵，并且由于分辨率降低，反投影滤波器能够是软滤波器。
接着在图5，图示了减小总剂量的范例多相扫描协议。使用该协议，在第一(例如非对比度)感兴趣阶段502的阶段中执行单常规(全剂量)剂量扫描，并且对于每个随后的感兴趣阶段(例如动脉阶段、静脉/门静脉阶段、晚期阶段等)504、506、…508，能够执行较低剂量扫描。当所使用的较高分辨率数据增加较低剂量扫描的图像数据的分辨率时，能够采用在第一感兴趣阶段502处的常规扫描的图像数据经由如本文所描述的图像数据处理器116来提高在每个随后感兴趣阶段504-508处的图像数据的图像质量。如同灌注协议一样，能够通过使用适当的低剂量成像设置来减轻与低X射线通量相关联的探测限制。此外，在不同的感兴趣阶段中能够执行常规剂量扫描。
转到图6，图示了减小总剂量的范例后续扫描协议。同样，在第一扫描602中执行常规剂量(全灌注)扫描，并且对于每个随后的扫描604、606、…608，能够执行较低剂量扫描。当所使用的较高分辨率数据增加较低剂量扫描的图像数据的分辨率时，能够采用在第一扫描602处的常规扫描的图像数据经由如本文所描述的图像数据处理器116来提高在每个随后扫描处的图像数据的图像质量。如同灌注和多相协议一样，能够通过使用适当的低剂量成像设置来减轻与低X射线通量相关联的探测限制，并且能够在后续扫描中执行常规剂量扫描。
图7图示了使用CT图像数据704作为图像数据以增加PET数据702的分辨率经由图像数据处理器116利用常规分辨率CT图像数据704来提高常规低分辨率PET数据702的空间分辨率的实施例。图8图示了实施例，在该实施例中，通用词典802由图像数据处理器116利用来提高如在804所示的常规剂量图像数据或如在806所示的较低剂量图像数据的图像质量。在一个变型中，这两个图像质量都被提高，并且使用通用词典802来减小剂量。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解以上具体描述下对于其他人可能想到修改或变型。本文意图将本发明解释为包括所有这种修改和变型，只要它们落入所附权利要求及其等价方案的范围之内。

Claims (7)

1.一种图像数据处理器(116)，包括：
高分辨率恢复设备(218)，其被配置为基于第二较高分辨率图像数据的对应体素邻域将第一图像数据中的体素的体素邻域恢复到较高的分辨率，从而生成恢复的较高分辨率第一图像数据，其中，所述第二较高分辨率图像数据具有比所述第一图像数据更高的分辨率，其中，第二分辨率图像数据的所述体素邻域是基于所述体素的映射词典(215)来确定的，
其中，所述映射词典表示在所述第一图像数据和/或所述第二较高分辨率图像数据的对应较低和较高分辨率体素领域的矩阵之间的映射，其中，所述较低分辨率体素邻域是通过按比例缩减对应体素邻域而生成的，其中，所述第一图像数据是第一剂量图像数据或第二剂量图像数据，其中，所述第二剂量图像数据的剂量小于所述第一剂量图像数据的剂量，并且，所述第二较高分辨率图像数据的剂量大于所述第二剂量图像数据的所述剂量。
2.根据权利要求1所述的图像数据处理器，还包括：
约束实施器(222)，其处理所述恢复的较高分辨率图像数据，以实施在所述第一图像数据和所述恢复的较高分辨率图像数据之间的至少一个预定的全局恢复约束。
3.根据权利要求1到2中的任一项所述的图像数据处理器，还包括：
子体素优化器(220)，其优化所述第二较高分辨率图像数据的所述体素邻域相对于所述第一图像数据的所述体素邻域的位置。
4.根据权利要求1到2中的任一项所述的图像数据处理器，还包括：
体素处理顺序确定器(202)，其基于体素梯度大小的降序或所述体素的结构张量本征值的乘积的降序中的至少一个来确定所述第一图像数据的所述体素的处理排序。
5.根据权利要求1到2中的任一项所述的图像数据处理器，其中，所述第一图像数据是CT或PET图像数据，并且所述第二较高分辨率数据是CT图像数据。
6.一种图像数据处理的方法，包括：
接收第一图像数据；
接收第二较高分辨率图像数据；并且
利用所述第二较高分辨率图像数据来将所述第一图像数据恢复到所述第二较高分辨率图像数据的分辨率，从而生成恢复的较高分辨率第一图像数据，
所述方法还包括：
识别所述第一图像数据中要处理的体素；
识别关于所述体素的体素邻域；
识别所述第二较高分辨率图像数据中的对应体素邻域；
按比例缩减所述对应体素邻域，由此生成按比例缩减的第二较高分辨率图像数据；
确定所述第二较高分辨率图像数据和所述按比例缩减的第二较高分辨率图像数据的对应体素邻域之间的第一映射；并且
基于所述第一映射将所述第一图像数据恢复到所述第二较高分辨率图像数据的分辨率；
其中，所述第二较高分辨率图像数据的剂量大于所述第一图像数据的剂量。
7.一种计算机可读存储介质，其上编码或体现有一个或多个计算机可读指令，所述一个或多个计算机可读指令当由一个或多个处理器运行时使所述一个或多个处理器执行根据权利要求6所述的方法。
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