CN104039233B - 使用迭代近似法的x射线计算机断层摄影装置(x射线ct装置) - Google Patents

Abstract

提供一种能够改善迭代近似法中的噪音抑制和空间分辨率的X射线计算机断层摄像装置。上述X射线计算机断层摄像装置具备：正向投影单元，对根据基于摄像的第1投影数据生成的摄像图像或者更新后的上述摄像图像进行正向投影，生成与至少一个光线方向对应的第2投影数据；滤波处理单元，使用至少1个角度变动的低通滤波器，对与上述至少一个光线方向对应的第2投影数据执行滤波处理；计算单元，计算上述第1投影数据与上述滤波处理后的第2投影数据的差分；以及更新单元，使用上述差分更新上述摄像图像。

Description

使用迭代近似法的X射线计算机断层摄影装置(X射线CT装置)

技术领域

涉及图像处理方法以及系统，更具体而言，涉及向代数重建法(ART)、同时代数重建法(SART)以及有序子集同时代数重建法(OS-SART)等迭代近似法应用确定的低通滤波器。

背景技术

为了容积图像的重建，由各种团体开发了迭代算法，其中包含全变动(TV)最小化迭代近似算法。在迭代近似法(IR)中，还包含代数重建法(ART)、同时代数重建法(SART)或者有序子集同时代数重建法(OS-SART)。

在X射线计算机断层摄影(CT)中，为了与以往类型的滤波校正反投影法(FBP)相比改善图像的质量的确定的特征，将部分注意力集中于迭代近似法(IR)。IR基于一边将计算的复杂度维持在可管理的范围、一边准确地评估衰减线积分的正演模型。另一方面，FBP基于重建核。

以往技术尝试在IR法以及FBP法的双方中改善空间分辨率。在以往型的FBP法中，为了改善空间分辨率，存在通过适用伴随高频提升的清晰的卷积核(FBP-HR)，来除去有限的焦点大小、有限的检测器单元大小、检测器的串音以及方位模糊等、图像化系统中的空间上的模糊因素的方法。IR不具有重建核这样的概念，但依然能够改善图像分辨率和图像噪音。

基于以往技术的IR法使用确定的噪音补偿装置提高空间分辨率。在基于以往技术的某一IR法中，在正演模型中，使用放大后的体素足迹，但此时，组合使用设计成除去由于放大后的体素的使用而造成的任何不希望的过冲或者下冲伪影的频带抑制滤波器。作为基于以往技术的另一方法，使用点分散函数的库，对空间上变动的体素足迹进行模型化处理。

发明内容

尽管上述的那样的以往技术进行了努力，在迭代近似法中的噪音抑制与空间分辨率的改善之间，依然存在折衷的关系。

本发明的目的在于提供一种能够改善迭代近似法中的噪音抑制和空间分辨率的X射线计算机断层摄像装置。

本实施方式所涉及的X射线计算机断层摄像装置具备：正向投影单元，对根据基于摄像的第1投影数据生成的摄像图像或者更新后的上述摄像图像进行正向投影，生成与至少一个光线方向对应的第2投影数据；滤波处理单元，使用至少1个角度变动的低通滤波器，对与上述至少一个光线方向对应的第2投影数据执行滤波处理；计算单元，计算上述第1投影数据与上述滤波处理后的第2投影数据的差分；以及更新单元，使用上述差分更新上述摄像图像。

附图说明

图1是表示基于本实施方式的多切片X射线CT装置或者扫描仪的实施方式的图。

图2是表示基于本实施方式的另一实施方式中的分辨率改善设备的图。

图3是表示通过本实施方式对图像进行迭代近似时实质性地改善空间分辨率的过程所包含的多个步骤的流程图。

图4是与基于本实施方式的图像像素和检测器相关地表示示例性的焦点的确定的特性的图。

图5是表示基于本实施方式的角度依赖性的空间变动的低通滤波器的一个例子的确定的特性的图。

图6A是表示使用标准核(FBP-ST)时的、确定的曝光中的规定的条纹的空间分辨率的图。

图6B是表示使用伴随着高频提升的清晰的卷积核(FBP-HR)时的、确定的曝光中的相同的规定的条纹的空间分辨率的图。

图6C是表示使用基于本实施方式的迭代近似(IR)法中的角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器时的、确定的曝光中的相同的规定的条纹的空间分辨率的图。

图7A是表示使用滤波校正反投影(FBP)法时的、肺图像的空间分辨率的图。

图7B是表示使用基于本实施方式的迭代近似(IR)法中的角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器时的、相同的肺图像的空间分辨率的图。

图8A是表示在标准核(FBP-ST)、伴随高频提升的清晰的卷积核(FBP-HR)、基于本实施方式的迭代近似(IR)法中的角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器之间，改善空间分辨率时的规定的曝光范围与噪音水平的关系的曲线图。

图8B是表示在标准核(FBP-ST)、伴随高频提升的清晰的卷积核(FBP-HR)、基于本实施方式的迭代近似(IR)法中的角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器之间，改善空间分辨率时的规定的曝光范围与调制对噪音比的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本实施方式所涉及的X射线CT装置。在以下的说明中，当在多个附图中使用相同的参照编号时，表示对应的构造。特别地，参照图1，示出多切片X射线CT装置或者扫描仪的实施方式，包含台架100和其以外的设备或者单元。台架100示出从侧面观察到的状态，还包含X射线管101、环形架102、多行或者二维排列型的X射线检测器103。X射线管101和X射线检测器103在横穿被检体S的直径方向，设置在以旋转轴RA为中心可旋转的方式被支承的环形架102上。旋转单元107在被检体S沿着轴RA向附图的深度方向或者向从附图延伸出的方向移动的期间，以0.4秒/转左右的高速度使架102旋转。

多切片X射线CT装置还包含通过经由滑动环108对X射线管101施加管电压使X射线管101产生X射线的高电压发生器109。朝向被检体S放射X射线，由圆表示被检体的剖面面积。X射线检测器103横穿被检体S，配置在X射线管101的相反侧，检测以通过被检体S发送的方式放射的X射线。

另外，参照图1，X射线CT装置或者扫描仪还包含对来自X射线检测器103的检测到的信号进行处理的其他设备。数据取得电路或者数据取得系统(DAS)104针对各个通道将从X射线检测器103输出的信号转换成电压信号，对其进行放大，进而将其转换成数字信号。X射线检测器103和DAS104构成为在每一次旋转对规定的总数的投影(TPPR)进行处理。该处理在最高900TPPR、900TPPR到1800TPPR之间、以及900TPPR到3600TPPR之间进行。

上述的数据经由非接触数据发送机105，发送至设置于台架100的外部的控制台中的预处理设备106。预处理设备106对原始数据执行灵敏度修正等确定的修正。接着，存储设备112存储作为结果得到的数据。该数据在紧接重建处理之前的阶段中被称为投影数据。存储设备112经由数据/控制总线与系统控制器110连接，重建设备114、显示设备116、输入设备115、以及扫描计划支持装置200也相同。扫描计划支持装置200包含支持图像负责技术者制作扫描计划的功能。

重建设备114的实施方式还包含各种软件组件和硬件组件。根据一个方式，CT装置的重建设备114使用迭代近似法有效地改善空间分辨率。在某一实施方式中，本实施方式中的重建设备114执行全变动迭代近似(TVIR)算法。该算法对于投影数据执行有序子集同时代数重建法(OS-SART)的步骤和TV最小化步骤。这两个步骤在决定多次重复的主循环中按顺序执行。

在TV最小化步骤之前，在重建设备114的实施方式中，对于投影数据执行有序子集同时代数重建法(OS-SART)。投影数据分别被分组为具有确定数的视角的规定数的部分集合(子集)N。在有序子集同时代数重建法(OS-SART)之间，各个部分集合在某一实施方式中按顺序进行处理。在另一实施方式中，能够通过利用多个中央运算装置(CPU)或图形运算装置(GPU)等确定的微处理器，并行地对这些多个部分集合进行处理。

在有序子集同时代数重建法(OS-SART)之间，重建设备114还执行2个重要的动作。即，对于各个部分集合N，重建设备114的实施方式对图像体进行重新投影，形成计算出的投影数据。并且，对在测量到的投影数据与计算出的投影数据之间的被归一化了的差进行反投影，重建更新后的图像体。更具体而言，在重建设备114的某一实施方式中，通过使用系统矩阵的系数均没有缓存的射线跟踪(raytracing)法，对图像体进行重新投影。另外，在重建设备114的某一实施方式中，同时对某一部分集合中的所有的射线进行投影，但该步骤能够以任意选择并行地执行。在反投影中，在重建设备114的某一实施方式中，使用像素驱动法，对某一部分集合中的归一化的所有的差投影数据进行反投影，形成所希望的更新后的图像体。重建设备114对某一部分集合中的所有的射线的和、即对差投影数据进行反投影形成图像体，因此，该动作也能够以任意选择并行地执行。通过对所有的部分集合N适用这些动作，从而一个OS-SART的步骤结束。该执行方式和其以外的执行方式能够以任意选择包含于在本发明的权利要求书的范围内记载的本X射线CT装置的范围。

在全变动(TV)最小化步骤中，重建设备114的实施方式能够以任意选择，通过使用线搜索策略搜索正的步长来确认成为现在的图像体的目的的函数比成为以前的图像体的目的的函数小的情况。在实现本实施方式的情况下，全变动(TV)最小化步骤是可选择的。

在本实施方式中，还包含用于在对图像进行迭代近似的期间使用规定的滤波实质性地改善计算机断层摄影图像的空间分辨率的各种软件模块或硬件组件。根据一个方式，CT装置的分辨率改善设备117有效地改善空间分辨率。在某一实施方式中，分辨率改善设备117与存储设备112、重建设备114、显示设备116以及输入设备115等、其他的软件模块和/或系统组件经由数据/控制总线操作性地连接。这样，分辨率改善设备117在其他的实施方式中不一定限定于单独地执行分辨率功能和/或与其相关联的任务。之后更详细地进行叙述，但分辨率改善设备117使用也是角度敏感性的空间变动低通滤波器，实质性地改善空间分辨率。

参照图2，分辨率改善设备117还能够以任意选择作为重建设备114等其他设备的一部分。重建设备114代替具有单独的分辨率改善设备117，还包含迭代近似单元(IR)118和模糊核119。本质上，当迭代近似单元118对图像进行迭代近似时，模糊核119实质性地改善空间分辨率。针对进一步的细节将后述，但模糊核119使用还是角度敏感性的空间变动的低通滤波器，实质性地改善空间分辨率。

接下来参照图3，流程图示出通过本实施方式对图像进行迭代近似时实质性地改善空间分辨率的过程所包含的多个步骤。在该示例的过程中，通过适用具有空间变动的角度敏感性的低通滤波器，当对图像进行迭代近似时，实质性地改善空间分辨率。在步骤S100中，使用规定的CT扫描仪系统，取得图像评估(基于通过摄像(测量)得到的投影数据(第1投影数据)的摄像图像)。在步骤S110中，该图像评估至少使用单一的光线进行正向投影，生成重新投影数据。通过步骤S110中的示例的正向投影，能够以任意选择考虑系统光学(systemoptics)的组合。例如，在此处的系统光学中，包含焦点大小、检测器大小、图像体素大小。图像体素大小在通过本实施方式对图像进行迭代近似时实质性地改善空间分辨率的示例的过程中不会被放大。

在步骤S120中，对重新投影数据适用至少一个规定的角度变动低通滤波器，生成处理完成数据。在此，所谓角度可变的低通滤波器是根据扇角使滤波系数(滤波特性)变动的低通滤波器。在步骤S130中，确定步骤S120的处理完成数据(通过正向投影取得的投影数据(第2投影数据))与在步骤S100中使用的测量数据(通过摄像取得的投影数据(第1投影数据))之间的差。其结果，在步骤S140中，根据在步骤S130中确定的差更新图像评估，生成更新后的图像。在基于本实施方式的示例的IR过程中，在步骤S150中，将该更新后的图像作为步骤S110中的图像评估使用，将从步骤S110到步骤S140仅仅重复规定的次数，或者重复从步骤S110到步骤S140，直到满足规定的条件。即，步骤S150决定基于本实施方式的示例的IR过程继续重复还是结束。

另外，参照图3，在特定的情况下，为了使图像清晰，过度地评估系统光学模糊。IR作为去卷积来发挥作用，实质性地克服焦点大小或检测器的要素大小等系统光学的界限。即，系统模糊核为了改善空间分辨率在正向投影中完成模拟。根据示例的IR过程，图像通过在步骤S120中至少将角度变动低通滤波器适用于重新投影数据生成处理完成数据，从而实质性地改善空间分辨率。步骤S120中的角度变动低通滤波器是系统模糊核的一个例子，能够以任意选择包含对低通滤波器的特性产生影响的距离与角度的组合等其他的追加的可变分量。步骤S120的角度变动低通滤波器的细节根据与其他的附图的关系将后述。其结果，在需要高精度的空间分辨率的肺或冠状动脉的计算机断层血管造影图(CTA)的图像化等临床上的CT的应用中，实质性地改善基于本实施方式的空间分辨率的上述示例的IR过程改善用于诊断的值。

参照图4，在图中示出基于本实施方式的与图像像素和检测器相关的示例的焦点的确定的特性。焦点FS和检测器配列DET被配置在相对于视野FOV中的图像像素IP的确定的位置。焦点FS如由某一角度的虚线所示的那样，被投影为检测器DET上的宽度比较窄的条纹或者宽度dsx。另一方面，焦点FS如由以另一角度通过图像像素IP的实线所示的那样，投影为检测器DET上的比较长的条纹dsy。

接着，参照图5，在图中示出基于本实施方式的角度依赖性的空间变动的低通滤波器的一个例子的确定的特性。该角度依赖性的空间变动的低通滤波器的特性通过与和图4所示的图像像素和检测器相关的示例的焦点的关系进行说明。该角度依赖性的空间变动的低通滤波器的特性通过基础a和稳定水平b来添加特征，它们对模糊核大小进行定义。基础a如由朝向两侧的箭头所示的那样，是滤波的范围(幅度)，稳定水平b如由1对虚线所示的那样，是滤波的最大值中的部分区域，例如，能够由以下的式子(1)、(2)表示。

a＝(D-S/2)θ4-(D+S/2)θ1 (1)

b＝(D-S/2)θ3-(D+S/2)θ2(如果b＜0，则设置为b＝0)(2)

在此，如图4所示，D是焦点FS与检测器DET之间的距离，S是确定的角度γ中的有效源的大小。γ是通道角度。S通过S＝dsxcosγ+dsy|sinγ|来提供。例如，dsx是1mm，dsy是7mm。中心通过(∠sx＝Rcosγ)来近似。在此，∠sx是距离焦点的距离。像素由(∠sx，γ)决定。另外，θ1、θ2、θ3、θ4能够分别由以下的式子(3)～(6)表示。

【数学公式1】

θ1≈asin((r-dx/2)/(R+S/2)) (3)

θ2≈asin((r-dx/2)/(R-S/2)) (4)

θ3≈asin((r+dx/2)/(R+S/2)) (4)

θ4≈asin((r+dx/2)/(R-S/2)) (6)

在此，r＝R|sinγ|，dx＝FOV/Nx。如图4所示，r是从等中心点(视野FOV的中心)到图像像素IP的中心的距离，dx是图像像素IP的大小。还如图4所示，R是从视野FOV的中心到焦点FS的中心的距离。如在上述的公式(1)至(6)观察到的那样，角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器的效果依赖于包含基于本实施方式的角度的空间变量。相对于上述的近似，在另一实施方式中，角度变动性的模糊核根据放大或倾斜等焦点的真的几何学性质(geometry)来计算。

接着，参照图6A至6C，将基于本实施方式的迭代近似法中的角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器的效果与其他的重建法进行比较。在以往类型的滤波校正反投影(FBP)法中，通过使用伴随高频提升的清晰的卷积核(FBP-HR)代替使用标准核(FBP-ST)，改善空间分辨率。图6A表示使用标准核(FBP-ST)的确定的曝光(300毫安/秒(mAs)以及90mAs)中的规定的条纹的空间分辨率。图6B表示使用伴随高频提升的清晰的卷积核(FBP-HR)的确定的曝光(300mAs以及90mAs)中的相同的规定的条纹的空间分辨率。最后，图6C表示在基于本实施方式的迭代近似(IR)法中使用角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器的确定的曝光(300mAs以及90mAs)中的相同的规定的条纹的空间分辨率。在图6A与图6B之间，看上去虽然实质上改善了分辨率，但噪音水平也在增加。另一方面，如图6C所示，如果在基于本实施方式的迭代近似法中使用角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器，则在双方的曝光中实质上改善相同的规定的条纹的空间分辨率。特别地，如果在基于本实施方式的迭代近似法中使用角度依赖性的空间变动的空间变动性的示例的低通滤波器，则实质上改善空间分辨率，同时在300mAs中噪音水平实质上变低。

接着，参照图7A以及图7B，使用临床数据示出基于本实施方式的迭代近似法中的角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器的效果。图7A表示使用滤波校正反投影(FBP)法的肺的图像的空间分辨率。图7B是表示在基于本实施方式的迭代近似(IR)法中使用角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器的相同的肺的图像的空间分辨率。在肺的图像的确定的区域中，如由圆所示，通过基于本实施方式的迭代近似法中的角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器实质性地改善空间分辨率，同时降低噪音水平。

接着，参照图8A以及图8B，将基于本实施方式的迭代近似法中的角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器的效果与其他的重建法进行比较。在以往型的滤波校正反投影(FBP)法中，通过使用伴随高频提升的清晰的卷积核(FBP-HR)代替使用标准核(FBP-ST)，改善空间分辨率。图8A表示在标准核(FBP-ST)、伴随高频提升的清晰的卷积核(FBP-HR)、基于本实施方式中的迭代近似(IR)法中的角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器之间，改善空间分辨率时的规定的曝光范围内的噪音水平。FBP-ST在曝光范围的整体中噪音水平最低，但空间分辨率与其他的方法相比较变得更低。FBP-HR法与IR法均实质性地改善被重建的图像中的空间分辨率的水平，但在曝光范围的整体中噪音水平增高。通过将FBP-HR法和IR法进行比较，基于本实施方式的IR法与FBP-HR法的情况相比较，很明显在曝光范围的整体中产生的噪音水平降低。

图8B表示在标准核(FBP-ST)、伴随高频提升的清晰的卷积核(FBP-HR)、基于本实施方式的迭代近似(IR)法中的角度依赖性的空间变动的示例的低通滤波器之间，改善空间分辨率时的规定的曝光范围内的调制对噪音比。FBP-ST与其他的方法相比较，在曝光范围的整体中调制对噪音比最低，但空间分辨率也低。FBP-HR法与IR法均实质性地改善被重建的图像中的空间分辨率的水平，但在曝光范围的整体中调制值对噪音比也变高。通过将FBP-HR法和IR法进行比较，基于本实施方式的IR法与FBP-HR法的情况相比较，很明显在曝光范围的整体中产生的调制对噪音比实质性地变高。

另外，在上述实施方式中，示例出作为角度可变的低通滤波器，使用根据扇角使滤波系数变动的低通滤波器的情况。然而，并不拘泥于该例子，例如作为角度可变的低通滤波器，也可以使用根据锥角使滤波系数变动的低通滤波器、或者根据锥角以及扇角的至少一方使滤波系数变动的低通滤波器。

但是，以上，针对本实施方式的多个特征或效果与本实施方式的结构及功能的细节一起进行了说明，但本发明仅仅是说明的目的，应该理解，关于细节，特别地，关于构成要素的形状、大小或排列，并且即使关于基于软件、硬件或两者的组合的实施方式进行了变更，这些变化关于在本发明的权利要求书的范围的记载中使用的用语的广义一般含义所示的全部范围，也包含在本发明的原理的范围内。

Claims (11)

1.一种X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，具备：

正向投影单元，对根据基于摄像的第1投影数据生成的摄像图像或者根据基于摄像的第1投影数据生成并更新后的摄像图像进行正向投影，生成与至少一个光线方向对应的第2投影数据；

滤波处理单元，使用至少1个角度变动的低通滤波器，对与上述至少一个光线方向对应的第2投影数据执行滤波处理；

计算单元，计算上述第1投影数据与上述滤波处理后的第2投影数据的差分；以及

更新单元，使用上述差分更新上述摄像图像。

2.根据权利要求1所述的X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，

上述角度变动的低通滤波器根据扇角使滤波系数变动。

3.根据权利要求1或2所述的X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，

上述角度变动的低通滤波器根据锥角使滤波系数变动。

4.根据权利要求1或2所述的X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，

上述角度变动的低通滤波器具有基于焦点大小、检测器大小以及图像单元大小的组合的角度变动的模糊核。

5.根据权利要求4所述的X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，

上述滤波处理单元控制上述模糊核而取得临床上所希望的空间分辨率。

6.根据权利要求5所述的X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，

通过滤波校正反投影生成根据上述基于摄像的第1投影数据生成的摄像图像，

上述滤波处理单元根据由上述基于摄像的第1投影数据生成的摄像图像的分辨率，控制上述模糊核。

7.根据权利要求4所述的X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，

上述滤波处理单元使用根据被近似的焦点的几何学性质计算出的上述模糊核。

8.根据权利要求7所述的X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，

根据伴随现实的延长后的足迹的焦点来计算被近似的焦点的几何学性质。

9.根据权利要求5所述的X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，

上述滤波处理单元利用上述角度变动的模糊核的大小，该角度变动的模糊核的大小是通过使用以下的公式(1)、(2)的基础a和稳定水平b来确定的，

a＝(D-S/2)θ4-(D+S/2)θ1 (1)

b＝(D-S/2)θ3-(D+S/2)θ2(如果b＜0，则设置为b＝0) (2)

其中，D是焦点与检测器之间的距离，S是规定的角度中的有效源大小，θ1至θ4由以下的公式(3)、(4)、(5)、(6)提供，

θ1≈a sin((r-dx/2)/(R+S/2)) (3)

θ2≈a sin((r-dx/2)/(R-S/2)) (4)

θ3≈a sin((r+dx/2)/(R+S/2)) (5)

θ4≈a sin((r+dx/2)/(R-S/2)) (6)

其中，r是从等中心点到规定的图像像素的中心为止的距离，dx是图像像素大小，R是从等中心点到焦点为止的距离。

10.根据权利要求4所述的X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，

上述滤波处理单元使用根据焦点的真的几何学性质计算出的上述角度变动的模糊核。

11.根据权利要求1或2所述的X射线计算机断层摄像装置，其特征在于，

上述更新单元对上述摄像图像进行更新，并且进行归一化处理。