CN106462983A - 计算机化层析图像曝光和重构方法 - Google Patents
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Abstract
一种计算机化层析图像曝光和重构方法，其中，在辐射源、所述对象和辐射检测器的相对移动期间使对象经受照射，并且其中，通过对从被照射辐射检测器读出的图像数据应用层析重构算法来计算所述对象的辐射图像的数字表示。生成多个投影图像，所述投影图像中的每一个是通过对在通过预定义移动路径的所述相对移动期间连续地发射的X射线束求积分而生成的，并且所创建的投影图像在层析重构算法中被建模。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于层析图像曝光和重构的计算机化方法。
背景技术
计算机断层照相涉及通过用在不同方向上发射的X射线束来照射患者或对象而获取X射线投影图像（也称为X射线投影）并借助于辐射检测器来检测X射线投影图像且生成这些投影图像的数字表示的第一步骤。
然后通过对获取的数字X射线投影图像应用层析重构算法来计算患者的3D图像。
可以以不同的方式获取针对层析图像重构所需的大量X射线投影图像。
在称为静态调强（step-and-shoot）协议的第一方法中，X射线管和辐射检测器是不动的，并且仅在曝光之间移动至下一位置。虽然此协议从图像重构的观点来说是最容易的，但其对模态的设计施加严重的约束，并且通常导致更长的获取时间。
替换获取策略是将X射线源保持在恒定运动中，即所谓的连续获取模式。当应用常规重构算法时，曝光期间的射束的固有角积分在重构图像中引起模糊。通常，这被视为此获取模式的不想要的副作用，并且因此获取协议被设计成尽可能限制角射束积分。在例如螺旋CT扫描仪中，X射线管和工作台的恒定运动能够实现与原始静态调强模态相比大大减少的获取时间，同时大量的投影减小积分的角度并限制重构图像中的模糊。
在最近的断层合成（tomosynthesis）和锥形束CT系统中，使用平板检测器来捕捉X射线。与CT扫描仪相比，这些检测器通常更加缓慢，并且用缓慢地旋转并以指定间隔辐射对象的闪光X射线源来进行获取。在连续获取模式中不断移动的管还允许较短的获取时间，其是以用静态调强重构算法的略微降低的分辨率为代价，其是由X射线闪光期间的射束的角积分而引起。投影期间的积分的角受到短曝光时间和低转速的限制。
本发明的目的是改善重构图像质量。
在Michielsen Koen等人的出版物“Patchwork reconstruction withresolution modeling for digital breast tomosynthesis”，Medical Physics，AIP，Melville，NY，US，vol.40，no.3中，公开了一种计算机化层析图像曝光和重构方法，其中使对象在辐射源、所述对象和辐射检测器的相对移动期间经受照射，并且其中，通过将层析重构算法应用到从被照射辐射检测器读出的图像数据来计算所述对象的辐射图像的数字表示。生成多个投影图像并将其建模到层析重构算法中。
发明内容
本发明提供了一种基于在如在权利要求1中阐述的投影图像中的每个的获取期间的连续曝光的层析图像获取和重构方法。
在从属权利要求中阐述了本发明的优选实施例。
根据本发明，考虑一种连续获取模型，由此通过在辐射源、对象和辐射检测器的相对移动期间使对象经受照射来获得每个投影图像。本发明中的相对移动是预定义移动路径上的连续移动。
通过对由辐射源从预定义移动路径上的不同位置发射的X射线束求积分来获取投影图像。该照射因此在所述预定义移动路径（例如圆形或线性路径）内也是连续的。
在层析重构算法（诸如同时重复重构技术（SIRT）或滤波反向投影算法（FBP））中对连续投影进行建模。
用辐射检测器来检测X射线投影图像，该辐射检测器在一个实施例中是被布置成捕捉连续投影的二维平板直接射线照相检测器。
诸如线检测器之类的替换检测器类型也是可能的。
此类平板直接射线照相检测器的每个线被连续地读出，并且当在重构算法中应用在线中获取的连续投影时，考虑此线的照射期间的相对移动的移动路径。
可以以适于设想类型的应用的各种方式来实现辐射源、对象和辐射检测器的连续相对移动。
在一个示例中，使辐射源和检测器围绕着不动对象连续地旋转。此移动的旋转中心是固定的，或者其本身可移动，例如平移。
在另一实施例中，通过使源相对于不动检测器或平移检测器连续地旋转来获得连续的相对移动。
源和检测器的相对移动可以是非线性或非圆形的。
在又一应用中，对象正在旋转，并且源-检测器设置是不动的。
已相对于患者的X射线照射开发了本发明。
本发明还适用于其它类型的辐射，诸如电子束辐射、γ射线等。
它适用于人体的检查，但是还可以被应用于其它类型的应用的检查，诸如兽医断层照相或层析材料检查。
与以相等的总辐射剂量和投影次数从静态调强模型进行的重构相比的对连续曝光进行建模的重构的图像质量的影响是在旋转中心附近的增加的重构图像质量。
针对诸如感兴趣区域断层照相之类的特定应用，从连续曝光进行的重构可相对于静态调强协议显著地改善图像质量。与静态调强协议相比可以增加获取速度，并且在重构中出现较少的纹理伪像。
根据下面的描述和图形，本发明的更多优点和实施例将变得显而易见。
附图说明
图1（a）是在两个维度中的示例性平行射束图像获取几何结构的图形说明。以角获取平行射束，其中。
图1（b）示出了傅立叶空间中的这些投影的对应的线。在连续获取中，检测器对在和之间的所有射束求积分，并且并且因此在静态投影的两个角度之间从傅立叶空间中的整个区域收集信息。
图2示出了具有充分的（b）且具有少量视图（c）投影的Shepp Logan幻影（a）的重构，示出了典型伪像。
图3图示出检测器的逐线读出的方面。在本示例中，X射线源围绕着对象在圆形路径上移动。用S1、S2等来指示不同的连续曝光的开始位置。用S1b来指示用于第一连续曝光的检测器的读出的开始，并且用S2来指示此读出的结束。由于源正在连续地发射X射线且每个检测器行被连续地读出，这举例说明每个检测器图像行被不同的辐射角范围覆盖。这在重构算法中被建模。
图4图示出针对静态曝光沿着单个射线（实线）且针对连续曝光沿着多个射线（实线和点线）的值bi的反向投影。
具体实施方式
在其中在辐射源（诸如X射线源）与辐射敏感检测器（优选地2维直接X射线检测器）之间执行相对移动的层析辐射图像记录系统中应用本发明的方法。
在本发明中，设想辐射检测器、辐射源和对象的连续相对移动。在此连续相对移动期间，照射也是连续的，即X射线源连续地发射辐射。发射的辐射被放置在照射路径中的对象衰减。
接下来，用X射线检测器来检测被衰减辐射，并读出检测器从而生成所谓的数字投影图像。
将这样生成的数字投影图像应用于计算模块，其通过应用层析重构算法来计算被照射对象（也称为图像）的衰减系数。重构算法在本领域中是众所周知的。
纹理伪像是少量投影重构（考虑少量的投影）中的常见问题。图2图示出此类纹理伪像的外观。
针对平行射束几何结构，在中心切片定理中可以找到用于创建连续投影的基本原理。根据此定理，图像的1D投影的傅立叶变换对应于图像的傅立叶变换中的行。由于关于傅立叶空间的信息不足，从仅少量投影进行的重构因此遭受众所周知的纹理伪像。
为了对此进行举例说明，在图1（a）中示出了示例性获取几何结构。以角获取平行射束，其中。图1（b）示出了傅立叶空间中的这些投影的对应的线。在连续获取中，检测器对在和之间的所有射束求积分，并且并且因此在静态投影的两个角度之间从傅立叶空间中的整个区域收集信息。
在概念上，可以容易地理解的是通过获取仅少量投影图像，图像的傅立叶空间将被严重地欠采样，并且因此重构图像将包含重构伪像。
这可以在图2（c）中看到，其中，从仅10个投影的重构清楚地示出所谓的纹理伪像。
本发明的方法是基于连续投影。与‘静态’投影相反，‘连续’投影是通过在一系列投影图像中的每一个的获取期间在预定义路径上相对地不断地移动X射线源、对象和检测器而获取的。在此移动期间，X射线源不断地照射对象。
图1a图示出用于二维平行射束几何结构的此概念。在2个静态投影表示傅立叶空间中的2条线（图1b）的情况下，连续投影将对在角和之间的所有射线求积分，并且因此在静态投影的两个对应的线之间对傅立叶空间中的整个区域进行采样。
然后将连续投影建模到重构算法（诸如众所周知的SIRT算法或FBP算法）中。
从并非本发明的一部分的静态调强协议开始来解释此建模。下面的段落解释用于具有不动对象和围绕着对象在圆形路径上旋转的源-检测器系统的平行射束几何结构的建模，但是可以被容易地广义化至对象、源和检测器的其它相对运动及其它几何结。
可以如下表示静态调强协议的情况下的X射线束进一步在称为静态投影上的衰减：
(1)
其中。此外，是在没有对象的情况下由检测器测量的强度，并且I是被对象衰减之后的强度。用来表示被成像对象的衰减系数，并且在从源至检测器的X射线束上取线积分，如图1（a）中所示。
在通过除以进行投影数据的变换和离散化之后，可以将等式（1）表示为沿着射线路径的中的衰减系数的线性组合：
(2)
其中，表示投影数据，并且表示位置i处的投影像素。图像矢量x是的离散表示，并且图像像素处的衰减系数的权重是，其与射线与此像素的交叉长度相关。
用于所有投影像素的等式（2）的组合导致线性方程组
(3)
其中，表示系统矩阵，x表示μ的离散表示中的未知衰减系数的矢量，以及b，该b表示整体投影数据。
在连续投影的情况下，每个投影值是源-检测器系统从至的旋转期间的光子积分的结果。当给予相同的总辐射剂量且X射线源和检测器以恒定速度相对地移动时，测量的强度由下式给定：
(4)
其中
在等式（4）中，假设管将发射恒定密度。
为了获得等式（4）的离散公式表示，在与之间对S个射线进行采样。等式（2）被修改成：
(5)
其中，现在表示用于具有角的射束的像素处的衰减系数的权重。
应将采样因数S选择成高到足以正确地对如图1b中所示的傅立叶空间中的对应的线之间的全部区域进行采样。可以通过用个投影将被采样连续投影系统建模为静态投影系统来获得系数。
具有连续SIRT的重构
可以使用现有技术的同时重复重构技术（SIRT）算法来对方程组（3）求解，可用矩阵公式表示将其写为：
其中，表示迭代处的重构图像，并且C和R分别地表示具有系统矩阵A的逆（inverse）列和行和的对角矩阵。
运算对应于所谓的前向投影，并且转置被称为反向投影算子。
用根据现有技术的静态曝光，使用被从源至检测器的射线部分地交叉的所有像素之间的内插方案，此前向投影归结成此射线上的图像像素值的加权和。类似地，反向投影是跨该射线的邻域中的相同图像像素的值的加权再分配。
针对具有连续投影的协议，修改前向和反向投影仪。作为对沿着单个射线的值反向投影的替代，使此值沿着对应于每次曝光的S个源-检测器位置的S个射线分布，如在图4中针对具有沿着圆形路径旋转的源-检测器系统和静态对象的平行射束2D几何结构所示的。
用与被采样连续曝光匹配的S个射线来对前向投影仪进行建模。
连续投影和滤波反向投影算法（FBP）。
在替换实施例中，用滤波反向投影（FBP）算法而不是SIRT算法来重构连续投影。
就此而言，通过将每条线复制S次而从连续正弦图中的N条线创建由条线组成的虚拟静态正弦图。也可以使用更高级的上采样技术（正弦图内插技术）。
然后通过应用FBP算法来重构虚拟正弦图，如同其源自于等距离地遍布于整个角范围上的个不同角一样。相比于SIRT而将FBP用于重构连续投影的益处是增加的计算速度。
逐线地重构
在连续投影系统中，X射线源、对象和检测器在不断地发射辐射的同时处于恒定的相对运动中。为了确保连续投影的全角度覆盖，检测器应在先前的投影结束之后立即开始针对下一个投影对X射线求积分。因此，用于检测器读出信号所需的时间应尽可能小。
在平板检测器（使用该平板检测器的锥形束系统）的情况下，从检测器读出全图像所需的时间不能忽视，如图3中针对圆锥束几何结构的示例所示。用S1、S2、...来标记用于获取投影图像的X射线源的开始点。如果X射线源以恒定的转速连续地移动，则平板检测器读出在轨迹S1b—S2期间发生。
由于源正在连续地发射X射线且每个检测器线被连续地读出，所以这说明每个检测器图像线被不同的辐射角范围覆盖。这在重构算法中被建模。
检测器的逐线地读取和重置解决了读出延迟。这促使每条线与其相邻线相比从略微移位的角范围收集信息，其还可以在重构中被建模。
例如，在用于读出检测器的时间帧td期间，平板检测器中的每条线被连续地读出并重置。用圆形路径上的不断发射的源和两个读出之间的时间td，处在读出时间的线的X射线源的实际角末端位置取决于投影索引n和行索引r：
其中，R是检测器中的线的总数。这可以被建模成连续的重构算法。用于前向和反向投影的射线角不仅取决于投影图像数，而且取决于线数。
虽然已结合本发明的特定和/或优选实施例描述了本发明，但将理解的是其并不意图使本发明局限于那些实施例。
Claims (13)
1.一种计算机化层析图像曝光和重构方法，其中，在辐射源、所述对象和辐射检测器的相对移动期间使对象经受照射，并且其中，通过对从被照射辐射检测器读出的图像数据应用层析重构算法来计算所述对象的辐射图像的数字表示，其特征在于
—生成多个投影图像，所述投影图像中的每一个是通过对在通过预定义移动路径的所述相对移动期间连续地发射的X射线束求积分而生成的，并且其中
—所述创建的投影图像在层析重构算法中被建模。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述辐射检测器是被布置成捕捉所述投影图像的2维平板检测器。
3.根据权利要求2所述的方法，其中
—所述2维平板检测器的线被连续地读出，并且
—当用重构算法来重构在线中获取的投影时，考虑所述移动路径的开始和结束位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过以下来执行层析重构算法中的所述投影图像的所述建模
—创建投影几何结构，其由分布在所述移动路径上的用于连续投影的一组中间投影位置组成，
—在重构算法中复制用于所述集合中的每个中间位置的所述连续投影的值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述重构算法是迭代重构算法，包括
—通过将所述集合的中间投影组合以创建前向连续投影的前向层析投影，
—通过使投影差图像沿着所述集合中的每个中间位置的路径分布的反向投影。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重构算法是通过对所述复制连续投影应用重构算法而实现的FBP算法。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使辐射源和辐射检测器连续地绕着具有固定旋转中心的不动对象旋转而获得所述连续相对移动。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使辐射源和辐射检测器连续地绕着具有移动旋转中心的不动对象旋转而获得所述连续相对移动。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使辐射源相对于不动检测器连续地旋转而获得所述连续相对移动。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使辐射源和平移检测器连续地旋转而获得所述连续相对移动。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，辐射源和辐射检测器的所述连续相对移动是非线性的。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，辐射源和辐射检测器的所述连续相对移动是非圆形的。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对象正在旋转，并且辐射源和辐射检测器的组合是不动的。
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