CN108877892B - 自动估算和减少计算机断层成像扫描中的散射 - Google Patents

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Abstract

根据本公开的至少一些实施方案，提供一种用来估算包含在用于计算机断层成像(CT)重建的x射线投影中的散射辐射的过程。所述过程可基于使用x射线辐射源和检测器面板由对象的CT扫描生成的多个投影图像来构建对象模型。所述过程可基于所述x射线辐射源构建虚拟辐射源和基于所述检测器面板构建虚拟检测器面板。所述过程可通过模拟从所述虚拟辐射源发射、穿过所述对象模型并且由所述虚拟检测器面板检测的粒子的宏观行为来执行所述对象模型的模拟CT扫描。并且所述过程可基于在所述对象模型的所述模拟CT扫描期间散射的第一粒子子集来生成模拟散射图像。

Description

自动估算和减少计算机断层成像扫描中的散射
技术领域
本公开的实施方案总体涉及用来估算和减少计算机断层成像扫描中的散射伪影的快速、准确和完全自动化的系统和方法。
背景技术
除非本文另有指明，否则在本部分所描述的方法不是本申请的权利要求书的现有技术,也不因包含于本节中而被承认是现有技术。
由于从x射线辐射源发射的宽面积波束的本质，散射仍为锥面波束计算机断层成像(CBCT)图像质量的主要挑战之一。CBCT散射线对初级射线比(SPR)经常超过1，即使在适当处采取散射减少措施(诸如添加蝶形滤波器和抗散射格栅)的情况下。尽管采取了这些散射减少措施，包括归因于患者和患者台的散射信号尤其难以减少。基于蒙特卡罗计算的其他散射估算和校正方法可随机地追踪通过对象和成像系统的部件的粒子。然而，蒙特卡罗计算通常缓慢、资源密集并且生成有噪声的结果。
发明内容
本发明公开了用来估算包含在用于计算机断层成像(CT)重建的x射线投影中的散射辐射的方法，以及被配置为执行该方法的散射估算系统。
附图说明
图1展示了示出被配置来估算和减少CT扫描图像中的散射伪影的示例性系统的块图；
图2示出用于估算和减少CT投影图像中的散射伪影的示例性散射估算系统；
图3示出基于CT体积来构建对象模型的场景；
图4示出模拟的临床CT扫描操作；
图5示出使用BTE来估算在模拟CT扫描操作期间散射的和未散射的粒子以便生成初级图像和散射图像；
图6示出用来生成散射减少图像的示例性方法；并且
图7展示了全部根据本公开的某些实施方案的示出用来估算包含在用于CT重建的x射线投影中的散射辐射的过程的一个实施方案的流程图。
具体实施方式
在以下详述中，参照附图，所述附图形成以下详述的一部分。在附图中，类似符号通常标识类似部件，除非上下文另外指示。在详细描述、附图和权利要求书中描述的示例性实施方案并不意味着限制。在不脱离本文呈现的主题的精神或范围的情况下，可使用其它实施方案并且可做出其它改变。将容易理解的是，如在本文中大体描述的并在附图中说明的本公开的方面可以各种各样的不同配置进行布置、取代、组合以及设计，所有所述配置都是在本文中明确考虑的。
图1展示了根据本公开的某些实施方案示出被配置来估算和减少CT扫描图像中的散射伪影的示例性系统的块图。在图1中，医学成像装置110可对患者执行CT扫描操作，并且生成可包含散射伪影的医学数字成像与通信(DICOM)图像120的集合。散射估算系统130可采用DICOM图像120作为输入，并且生成已减少散射伪影的散射减少图像140的集合。散射减少图像140可用来生成更好质量的CT体积以用于诊断目的。
医学成像装置110的实例可包括但不限于x射线装置、CT装置、锥面波束CT(CBCT)装置及其他。医学成像装置110可具有用于发射锥面波束、笔形波束和/或扇形波束粒子(例如，光子和电子)的“辐射源”。医学成像装置110可具有“检测器面板”，所述面板用于检测从辐射源发射并且穿过放置在辐射源与检测器面板之间的“CT扫描对象”(例如，患者)的粒子。所发射的粒子可在从0keV到150keV的光谱范围内生成，并且可通过光电子吸收、瑞利(或相干)散射和康普顿(或非相干)散射与扫描对象相互作用。本公开评估可到达医学成像装置110的检测器面板的粒子的辐射效应。
在一个CT扫描探询期间，医学成像装置110可以特定角度/方向朝向检测器面板投影粒子，并且基于由检测器面板检测的粒子生成DICOM图像120或投影。之后，辐射源-检测器面板(源-检测器对)可被旋转到不同角度/方向，以便对扫描对象执行另一轮CT扫描探询，并且生成另一个DICOM图像120。在整个公开中，术语“图像”、“投影”、“投影图像”和“DICOM图像”可互换使用以广泛地指代从单一CT扫描探询生成的2维(2D)医学数据。因此，“CT扫描操作”可包括来自多个角度/方向的多个CT扫描探询，并且可生成对应的DICOM图像120的集合。
在一些实施方案中，散射估算系统130可提供接口以允许用户上传从CT扫描操作获得的患者的DICOM图像120。散射估算系统130可处理DICOM图像120，并且生成散射图像的集合，所述散射图像的集合中的每一个包含对DICOM图像120中的散射伪影的估算。散射估算系统130可进一步利用散射图像来减少DICOM图像120中的散射伪影以及生成散射减少图像140的集合。
在一些实施方案中，散射估算系统130可包括一个或多个处理器131、存储器132和/或其他部件，使得它可处理DICOM图像120并且生成散射减少图像140。在一些实施方案中，一个或多个处理器131可包括用于控制散射估算系统130的整体操作的中央处理单元(CPU)。一个或多个处理器131可通过执行存储在存储器132中的软件或固件实现这一点。一个或多个处理器131可为或可包括一个或多个可编程通用或专用微处理器、数字信号处理器(DSP)、可编程控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑设备(PLD)、图形处理单元(GPU)等或这类设备的组合。存储器132可呈现以下任何形式：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、快闪存储器(如上所述)等或这类设备的组合。在使用中，存储器132除其它之外可包含一组机器可读指令，当所述指令由处理器131执行时导致处理器131进行本公开的至少一些实施方案。
图2示出根据本公开的某些实施方案的用于估算和减少CT投影图像中的散射伪影的示例性散射估算系统。在图2中，散射估算系统130可被配置来模拟针对对象模型215的CT扫描操作，并且在所述模拟的CT扫描操作期间估算散射效应。散射估算系统130除其他元件之外可包含扫描模拟模块220和图像校正模块250。包含在散射估算系统130中的模块可被实现为在合适计算机上运行的硬件部件或软件应用程序。另外，可将上述模块中的一些组合到单一模块中，或可将单一模块划分成另外的子模块(图2中未示出)。
在一些实施方案中，散射估算系统130可执行第一遍重建操作以将原始图像205的集合(例如，图1的DICOM图像120)转化成CT体积210。CT体积210可用来展示材料在扫描对象内的3维(3D)分布。在整个公开中，术语“体积”、“3D体积”和“CT体积”可互换使用以广泛地指代基于DICOM图像集合重建的3D医学数据。例如，患者心脏的3D CT体积可基于由CT扫描器通过患者心脏及其周围解剖结构取得的2DDICOM图像的集合和2D投影重建。
在一些实施方案中，散射估算系统130可进一步基于CT体积210构建一个或多个对象模型215。由于CT体积210基于特定扫描对象(例如，患者)生成，因而模型215可用来对患者的解剖部分(诸如乳房、肺、心脏、胃、肝、胰腺、脾脏、肾、结肠、小肠、膀胱、生殖腺、子宫/宫颈(女性)、前列腺(男性)、骨骼、骨髓和皮肤等)建模并且模拟所述解剖部分。另外，扫描模拟模块220可被配置来对对象模型215执行模拟的CT扫描操作，以便估算/预测可能发生在对扫描对象执行的实际CT扫描操作期间的散射效应。
在一些实施方案中，扫描模拟模块220可被配置来对对象模型215模拟CT扫描操作，并且生成模拟的CT图像(例如，初级图像240和散射图像245)的集合。具体来说，扫描模拟模块220可基于虚拟化物理模型230的集合来构建“虚拟扫描环境”。虚拟化物理模型230可被配置来模仿/模拟实际CT扫描操作所利用的“物理扫描环境”。例如，物理扫描环境可包括但不限于x射线波束、检测器面板、准直器、蝶形滤波器、抗散射格栅和患者台。同样，虚拟扫描环境可包括但不限于虚拟x射线波束、虚拟检测器面板、虚拟准直器、虚拟滤波器、虚拟抗散射格栅和虚拟患者台，其中的全部对应于它们在物理扫描环境中相应的物理对应物。
在一些实施方案中，在构造对象模型215和虚拟扫描环境之后，扫描模拟模块220可模拟在行进路径上尽力的x射线粒子的宏观行为，包括从虚拟x射线波束发射，穿过对象模型215并且由虚拟检测器面板检测。任选地，扫描模拟模块220可模拟在上述行进路径期间穿过虚拟准直器、虚拟滤波器和/或虚拟抗散射格栅的x射线粒子。
在一些实施方案中，扫描模拟模块220可估算在由虚拟检测器面板检测之前未被散射的那些x射线粒子并且基于这些未散射粒子生成模拟图像(初级图像240)。同样，扫描模拟模块220可基于在上述模拟的行进路径期间被散射至少一次的粒子来生成另一个模拟图像(散射图像245)。换句话说，初级图像240(其包含不受散射影响的估算信息)可用来确知原始图像205中的可用信息，散射图像245(其包含受散射影响的估算信息)可用来评估原始图像205中的散射伪影。
在一些实施方案中，类似于在一个CT扫描操作中的多个CT扫描探询，扫描模拟模块220可模拟虚拟辐射源和虚拟检测器面板旋转至不同角度/方向，并且针对对象模型215执行多轮模拟CT扫描探询。在每个模拟CT扫描探询期间，扫描模拟模块220可生成对应的初级图像240和对应的散射图像245。在模拟的CT扫描探询操作中完成全部模拟CT扫描探询之后，散射估算系统130可将初级图像240和散射图像245发送至图像校正模块250以供进一步处理。
在一些实施方案中，图像校正模块250可被配置来通过使用散射图像245处理原始图像205来估算散射减少图像140的集合。“散射减少”图像可指代在散射图像245的帮助下使其散射伪影减少/消除的原始图像205。具体来说，图像校正模块250可通过基于散射图像245使用减法和微扰调整原始图像205来生成散射减少图像140。换句话说，图像校正模块250可将散射图像245从原始图像205减去或使用散射图像245对原始图像205执行微扰操作。所产生的散射减少图像140可用于重建相比较于CT体积210具有减少的散射伪影的CT体积。
图3示出根据本公开的某些实施方案基于CT体积来构建对象模型的场景。在图3中，散射估算系统(类似于图2的散射估算130)可首先执行第一遍重建以基于原始图像的集合生成CT体积310。之后，散射估算系统可创建对应于CT体积310的对象模型320。
在一些实施方案中，“CT体积”或“对象模型”可包含3D单元格(或“体素”)的集合。体素(例如，体素321)表示3D空间中固定或规则格栅上的值，并且可对应于多个3D结构(诸如但不限于立方体、长方体、六边结构(例如，具有两个六边形作为底部和六个长方形侧面，其中全部边的长度完全相同)或呈任何各向同性/非各向同性的形状和大小(例如，1cm)的结构)中的一个。当基于CT体积310构建对象模型320时，散射估算系统可指定对象模型320的尺寸、体素大小和中心的位置。
在一些实施方案中，散射估算系统可鉴于CT体积310中的体素而配置体素大小相同或不同的对象模型320。例如，散射估算系统可将CT体积310离散化成两个体素大小，一个具有较小的各向同性体素(例如，1.25mm)，而另一个具有较大的各向同性体素(例如，12.5mm)。之后，散射估算系统可利用较小的各向同性体素来生成初级图像，并且利用较大的各向同性体素来估算散射图像。将对象模型320的体素配置成大于CT体积310中的体素可称为向下取样。换句话说，向下取样可允许对象模型320具有比CT体积310少的体素(例如，46×46×25体素)，从而提高估算散射图像的速度。
在一些实施方案中，CT体积310的体素中的每一个可包含源自原始图像的Hounsfield单位(HU)值。散射估算系统可基于CT体积310中的对应体素的HU值来针对对象模型320的体素中的每一个分配对应HU值。在向下取样情况下，对象模型320中的单一体素可与CT体积310中的多个体素相关联。在这种情况下，散射估算系统可计算从这些多个体素获得的HU值的平均值，并且将这一平均HU值分配给对象模型320中的单一体素。
在一些实施方案中，散射估算系统可进一步基于体素的HU值针对对象模型320的体素中的每一个分配特定材料类型和密度值。体素的材料类型和密度值可确定体素的x射线衰减和散射性质。示例性材料类型可包括但不限于水、骨、脂肪、肺、肌肉、软骨、铝、钛。根据体素的材料类型的物理特性，体素的密度值然后可基于这一材料类型而确定。
在一些实施方案中，散射估算系统可基于多个材料类型的线性组合来分配体素的材料类型。散射估算系统可评估对象模型320中体素的HU梯度，并且使用此前定义的HU值阈值和密度范围来标识CT体积310中特征各异的结构。然后每个标识的结构可基于其相应的HU值而归类成非器官材料(诸如空气、水)或器官区域(诸如肺、脂肪、软组织、肌肉或骨)。可替代地，散射估算系统可针对每个体素支持两个或更多材料类型和密度值。对于小于某个阈值(例如，100mHU)的HU值，散射估算系统可将零密度值分配给体素，以便简化后续处理。
在一些实施方案中，由于一些粒子可能会在CT扫描操作期间散射到这些区域中并且返回到扫描对象和/或检测面板中，因而散射估算系统可在上-下方向上延伸对象模型320。换句话说，CT体积310可在上下方向上截断，并且散射估算系统可在顶部和底部方位上均一地延伸对象模型320以创建另外的体素体积，以便在这一上下方向上捕获散射。
在一些实施方案中，用来支持扫描对象的患者台可以是实际CT扫描操作中，特别是在横向观看CT扫描探询期间散射的实质性来源。在这种情况下，散射估算系统可在其第一遍重建期间延伸CT体积310的视场(FOV)，以便确保患者台可包含在FOV内。因此，尽管患者台可经常在原始图像中被截断，但是散射估算系统可在重建CT体积310中至少部分地延伸/重建被截断的患者台。
在一些实施方案中，散射估算系统可涵盖/模拟对象模型320中的虚拟台330以虑及由患者台引起的散射。具体来说，散射估算系统可基于已有知识(诸如患者台的CAD模型或预扫描)来对虚拟台建模。例如，散射估算系统可使虚拟台330配置有已知的台类型、空间约束(例如，高度、横向方位、纵向方位)和配置(例如，台下方的滑轨)。描述在轴向平面中沿部件表面(台外部/内部、左/右轨、顶部/底部/侧面)的点的已有知识可提供在XML文件中。在台表面的顶部下面的对象模型320中的任何事物可由虚拟台330替换。用于台部件的材料可被设定为水。
图4示出根据本公开的某些实施方案的模拟临床CT扫描操作。假设对象模型420基于由具有辐射源(例如，x射线波束)和检测器面板的CT扫描器生成的投影图像而构建，扫描模拟模块(例如，图2的扫描模拟模块240)可被配置来模拟这类CT扫描器，从而对对象模型420执行类似的CT扫描操作。具体来说，扫描模拟模块可构建虚拟辐射源410和虚拟检测器面板430，并且通过模拟从虚拟辐射源410发射、穿过对象模型420并且由虚拟检测器面板430检测的粒子(“虚拟波束”)的宏观行为来对对象模型420执行模拟的CT扫描。扫描模拟模块可模拟另外的虚拟化物理模型，诸如虚拟准直器413、虚拟滤波器415和/或虚拟抗散射格栅435。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可模拟描述(在能量、串流方向和空间上)x射线粒子如何从虚拟辐射源410通过虚拟准直器413和虚拟滤波器415进入对象模型420中的虚拟波束。虚拟波束可在x射线粒子的射线追踪期间虑及辐射源电压、准直性、滤波性、足跟效应和/或半影。例如，虚拟波束可包括虚拟滤波器415的效应，虑及次级辐射源(诸如来自虚拟滤波器415的离焦辐射和散射)，允许虚拟辐射源410扩展超过虚拟检测器面板430，和/或由虚拟准直器413调整准直来捕获半影。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可将虚拟辐射源410建模为位于距模拟CT扫描操作的等中心点特定距离(例如，100cm)处的x射线点-源。可将来自虚拟辐射源410的虚拟波束的光谱离散化成能量分组(即，频段)，并且扫描模拟模块可对具有各种波束强度的虚拟波束建模。另外，扫描模拟模块可朝向虚拟检测器面板430引导虚拟波束的每个能量分组(例如，通过行进路径411和413)。在一些实施方案中，扫描模拟模块可基于实际CT扫描器的配置参数(诸如扫描器模型、kV、曝光、扫描范围、纵向覆盖率、螺距、扫描起始/停止角度、噪声指数、源滤波性、蝶形滤波器、CTDIvol、DLP等)对虚拟辐射源410建模。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可基于在实际CT扫描操作期间使用的物理准直器对虚拟准直器413建模。例如，虚拟准直器413的全部侧面可配置有8mm的准直刀片余量，以确保由来自虚拟辐射源410的粒子引起的半影处于由虚拟检测器面板430生成的图像外侧。扫描模拟模块可利用虚拟准直器413来模拟可由物理准直器引起的额外散射。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可基于在实际CT扫描操作期间使用的物理蝶形滤波器对虚拟滤波器415建模。扫描模拟模型还可在使用具有蝶形滤波器和不具有蝶形滤波器的情况下获取的图像对虚拟滤波器415建模。具体来说，扫描模拟模块可估算蝶形滤波器的相等的铝厚度(“蝶形厚度”)，并且基于所估算的蝶形厚度衰减虚拟波束。此外，所估算的蝶形厚度的边缘可在全部方向上均一地延伸。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可基于在实际CT扫描操作期间使用的物理抗散射格栅对虚拟抗散射格栅435建模。具体来说，扫描模拟模块可配置用于虚拟抗散射格栅435的抗散射格栅功能，以模拟抗散射格栅435滤波器相对于散射的和未散射粒子的表现方式。抗散射格栅功能可取决于散射粒子的入射角度、未散射粒子的入射角度和散射粒子的能量。另外，抗散射格栅功能可取决于保护虚拟检测器面板430的像素以摆脱散射粒子的薄板的相对厚度。抗散射格栅功能还可基于抗散射格栅硬件的多个模型来实现。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可基于在实际CT扫描操作期间使用的物理检测器面板对虚拟检测器面板430建模。具体来说，扫描模拟模块可配置用于虚拟检测器面板430的检测器响应功能以模拟虚拟检测器面板430捕获x射线粒子的方式。检测器响应功能可取决于粒子的能量以及入射角度。检测器响应功能可计算由散射粒子或未散射粒子施加的能量。检测器响应功能还可基于检测器面板硬件的多个模型来实现。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可对具有形成格栅的多个虚拟像素的虚拟检测器面板430建模。例如，虚拟检测器面板430可具有75×100个虚拟像素，其中每个像素的大小是4mmx4mm。扫描模拟模块可估算沉积在虚拟像素中的每一个中的能量，并且利用所沉积的能量来生成估算图像(例如，初级图像或散射图像)。
如由图4的上半部分所示，在配置包括虚拟辐射源410和虚拟检测器面板430，并且任选地包括虚拟准直器413、虚拟滤波器415和/或虚拟抗散射格栅435的虚拟扫描环境之后，扫描模拟模块240可通过模拟粒子从虚拟辐射源410沿源轨迹发射，并且通过行进路径411和413穿过对象模型420，之后到达虚拟检测器面板430来执行模拟CT扫描操作。
如由图4的下半部分所示，扫描模拟模块可模拟从虚拟辐射源440(初级源)发射并且通过行进路径441、443、445和447穿过虚拟模型450的粒子的波束。来自初级源的粒子的这一波束可被称为“初级波束”。在模拟的第一迭代期间，扫描模拟模块可射线追踪初级波束的行进路径，并且模拟穿过对象模型450的体素、在所述体素中被散射或被吸收的初级波束的粒子。在图4的实例中，由行进路径441指明的粒子可在对象模型450的体素中的一个中散射。扫描模拟模块可将散射的位置视作散射源451，粒子从所述散射源451以相同或更低能量开始新的行进路径442。在模拟的第一迭代期间，扫描模拟模块可从初级波束收集由粒子发起的全部散射源，并且将这些散射源视为“第一迭代散射源”。
在模拟的第二迭代期间，扫描模拟模块可模拟从第一迭代散射源输送到附近体素。粒子中的一些可穿过附近体素(如由行进路径444所示)或被所述附近体素吸收，而其他粒子可散射至其他方向(如由行进路径446所示)，从而创建新的散射源(第二迭代散射源)。在模拟的后续迭代中，扫描模拟模块可模拟从第二迭代散射源行进至附近体素的粒子(如由行进路径448所示)，并且更新散射源以用于下一个迭代。扫描模拟模块可执行上述模拟操作的其他迭代，直到出现收敛(到达接近某个预指定误差容差、例如0.001％内的确切解的解)，以便估算在实际CT扫描操作期间被散射的那些粒子和未散射的那些粒子。
在一些实施方案中，在模拟的上述多个迭代期间，扫描模拟模块可监测在粒子的射线追踪期间受到影响或未受到影响的那些粒子。具体来说，扫描模拟模块可将在到达虚拟检测器面板460之前(如由行进路径447所示)未被中断(未散射和未被吸收)的那些粒子视为“未散射粒子”。相比较而言，扫描模拟模块可将可在到达虚拟检测器面板之前具有至少一个散射事件的那些粒子视作“散射粒子”。被吸收或最终到达虚拟检测器面板460的任何其他粒子可被忽略。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可检查这些散射粒子和未散射粒子的成角轮廓和能量幅值。由扫描模拟模块配置的虚拟辐射源410的成角轮廓和能量幅值可用来确定从初级源440发射的粒子的行为。同样，粒子可在体素中被散射或吸收的方式以及体素可影响粒子的能量和行为的方式可由在对象模型450的每个体素中定义的材料类型和密度值指示。然后，扫描模拟模块可将粒子的衰减和散射性质转换成适当的相互作用系数(对应于瑞利散射、光电吸收、康普顿散射等)。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可利用Boltzmann输运方程(BTE)来跟随估算的上述多个迭代，所述Boltzmann输运方程(BTE)能够描述粒子(例如，具有某种成角轮廓和能量幅值的光子)流过对象(例如，具有某种材料类型和密度的体素)的宏观行为。扫描模拟模块可射线追踪可基于对象模型中每一个体素的材料类型和质量密度组成而朝向虚拟检测器面板460衰减和散射的粒子。然后，扫描模拟模块可求解BTE以提供解，以便估算当行进通过对象模型450，之后到达虚拟检测器面板460时被散射或未被散射的那些粒子。
图5示出根据本公开的某些实施方案使用BTE来估算在模拟CT扫描操作期间散射的和未散射的粒子以便生成初级图像和散射图像。在一些实施方案中，扫描模拟模块(类似于图2的扫描模拟模块240)可利用BTE 510来记录模拟的上述多个迭代。BTE 510是支配粒子的初级行为和散射行为的微分方程，并且可通过离散化相-空间(空间位置、能量和/或角度)并且应用确定性有限元算法来在数字上求解。空间上的离散化可使用有限元完成，能量上的离散化可使用能量分组完成，并且角度上的离散化可使用离散纵坐标完成。BTE 510的解可用来展示粒子注量在对象模型的体素上的分布。
在图5中，BTE 510在其方程左边具有两项：漏损算符511和相互作用算符512；并且在其方程右边具有两项：外部源513和散射源514。换句话说，漏损算符511和相互作用算符512的总和等于外部源513和散射源514的总和。漏损算符511定义从体积流走的净粒子；相互作用算符512定义与介质相互作用(诸如通过吸收或散射)的粒子比率；外部源513定义来自未散射源(诸如x射线源)的粒子的总和；以及散射源514定义散射到相空间中的粒子。
关于BTE 510中的数学方程，变量r表示粒子的空间坐标，变量E表示粒子的能量，并且变量Ω表示粒子的流动方向。另外，μt表示线性衰减系数(其描述体素可由粒子穿过的难易程度)，S表示粒子的外部源，并且ψ定义关于空间坐标r、能量E和流动方向Ω描述的粒子注量(或角通量)。换句话说，“粒子注量”或“角通量”是在方向Ω上在点r处每单位体积和单位时间粒子追踪长度的总和。与已知量(诸如线性衰减系数(粒子将每单位追踪长度进行相互作用的可能性)或比释动能(由与对象相互作用的粒子释放的能量))组合，粒子注量可用来导出物理上可测量的量(诸如粒子能量(例如，kV能量))。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可通过射线追踪由虚拟检测器面板的虚拟像素检测的那些模拟未散射粒子来生成初级图像。扫描模拟模块还可基于达到虚拟检测器面板的虚拟像素的散射粒子来预测散射图像。具体来说，扫描模拟模块可对虚拟检测器面板的虚拟像素的成像性能建模，以便基于在虚拟检测器面板的虚拟像素中的每一个处估算的这些kV能量来生成初级图像和散射图像。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可启用BTE求解器来执行如下：从初级源到对象模型中射线追踪粒子并且在对象模型内以多个迭代散射粒子，之后从对象模型到虚拟检测器面板射线追踪散射的粒子。然后，扫描模拟模型可通过射线追踪并且求和对象模型中使散射粒子穿过、之后到达虚拟检测器面板520中的虚拟像素的那些体素的散射角通量贡献来计算散射图像。
例如，扫描模拟模块240可记录在模拟期间到达虚拟像素521的散射或未散射粒子。然后，扫描模拟模块240可将那些粒子的宏观行为值应用到BTE 510中的相应坐标变量r、能量E和方向变量Ω。在将全部相关信息输入到BTE 510中之后，扫描模拟模块可通过生成解ψ(其展示粒子注量在全部虚拟体素中的分布)来求解BTE 510。然后，可将在全部虚拟体素中的粒子注量分布射线追踪到虚拟检测器面板的虚拟像素上，所述虚拟像素然后可用来生成初级图像或散射图像。换句话说，使未散射或散射粒子穿过、之后到达虚拟检测器面板的虚拟像素的那些虚拟体素可具有用来分别生成初级图像或散射图像的对应粒子注量分布值。
在一些实施方案中，扫描模拟模块240可利用“蒙特卡罗方法”求解器或“确定性方法”求解器来计算BTE 510的粒子注量解。蒙特卡罗方法求解器可通过增加模拟粒子的数目来收敛到解(随机收敛)，而确定性方法求解器可通过改善角度、空间或能量网格分辨率来收敛到解(确定性收敛)。确定性方法求解器可使用平行算法实现，从而使它很好地适用于通用图形处理单元。因此，扫描模拟模块可选择确定性方法求解器用于求解BTE 510，以实现其在计算效率和允许在台式计算机上进行快速和准确的剂量计算方面的改进。
在一些实施方案中，扫描模拟模块可改善离散化变量或调整BTE求解器的参数，以便最佳化BTE求解器的准确性并且最小化其运行时间。例如，可被最佳化的BTE求解器参数包括体素大小、能量分组方案、角度离散化和散射源表示。这些参数可进一步被调整来虑及商用CT扫描器的轨迹、源光谱(包括足跟效应)、变量准直、蝶形滤波和管电流调制。
返回参考图2，基于由扫描模拟模块240生成的初级图像240和散射图像245，图像校正模块250可被配置来生成一个或多个散射减少图像140，所述一个或多个散射减少图像140可用来生成相比较于CT体积210具有减少的散射伪影的另一个CT体积。
图6示出根据本公开的某些实施方案的生成散射减少图像的示例性方法。在图6中，原始图像610可以是在实际CT扫描操作期间由CT扫描器测量/生成的DICOM图像，并且可包含通过散射x射线粒子引起的伪影。散射估算系统(类似于图2的散射估算系统130)的扫描模拟模块可基于原始图像610生成初级图像620和散射图像630。之后，散射估算系统的图像校正模块可执行缩放操作635来生成增益映射640，并且基于原始图像610、散射图像630和/或增益映射640执行散射减少/散射校正操作645来生成散射减少图像650。
在一些实施方案中，图像校正模块可通过将散射图像630从原始图像610直接减去(“直接减法”)来生成散射减少图像650。在执行直接减法之前，图像校正模块可首先执行缩放操作635来在类似的信号强度方面将散射图像630与原始图像610匹配。当散射图像630可具有每球面度(或“sr”)归一化为一(1)个源粒子的散射信号时，图像校正模块可将原始图像610与散射图像630进行比较来确定针对每个原始图像610的增益映射640，并且利用这一增益映射640相应地缩放成散射图像630。之后，图像校正模块可通过将缩放的散射图像630从原始图像610直接减去来执行散射减少/校正操作650，以便生成对应的散射减少图像470。可替代地，图像校正模块可通过微扰来执行散射减少/校正操作650，以便生成散射减少图像470。
在一些实施方案中，图像校正模块可基于下列公式确定针对每个原始图像610的增益映射640：
G(u′，v′)＝M(u′，u′)/(A′P(u′，u′)+A′S(u′，u′))，
其中变量G表示增益映射；变量(u’，v’)表示图像610、620和630中对应的像素方位；变量M表示原始图像610；并且变量Ap’和As’分别表示初级图像620和散射图像630。图像校正模块可将针对初级图像620和散射图像630的投影角度中的插值与原始图像610的机架角度匹配。
在一些实施方案中，图像校正模块可基于针对每个原始图像610的增益映射640使用下列公式生成散射减少图像660：
Figure GDA0003280509670000141
其中变量C表示散射减少图像；变量(u，v)表示图像610、620和630中的对应的像素方位；变量M表示原始图像610，变量As’表示散射图像；以及变量G表示增益映射640的平滑版本。图像校正模块可通过基于最大散射分数(例如，SFmax＝0.8)应用散射分数平滑操作来使增益映射640平滑。
在一些实施方案中，为了缩放散射图像630，图像校正模块可应用如上文所述的图像投影相关的、空间上变化的增益映射，或应用“投影相关的标量增益”或“基于范数空间(norm chamber)的标量增益”。例如，“投影相关的标量增益”可以是增益映射640的平均值(或中值)，或它可以是中心射线的穿透点(例如，半扇形几何结构中的平滑的增益映射G(925,384))处较小区域(例如，41×41像素)中的平均值。然后，图像校正模块可将这一投影相关的标量增益应用到整个计算的散射图像630，之后将缩放的散射图像630从测量的图像610减去。
在一些实施方案中，图像校正模块可通过基于散射图像630和原始图像610执行微扰操作(“微扰方法”)来生成散射减少图像650，尤其当在模拟CT扫描操作中使用的对象模型和虚拟的物理模型中可能存在缺陷时。在微扰方法中，图像校正模块可通过将估算的初始图像620与原始图像610进行比较来生成微扰映射。之后，图像校正模块可通过微扰来校正原始图像610中的任何误差。由于微扰映射是无单位的，因而所述方法可消除直接减法的缩放问题。
图7展示了根据本公开的某些实施方案的示出用来估算包含在用于CT重建的x射线投影中的散射辐射的过程701的一个实施方案的流程图。过程701提出可被描述为处理步骤、功能操作、事件和/或行为的、可通过硬件、软件和/或固件进行的各种功能块或动作。根据本公开，本领域技术人员将认识到，图7中所示的功能块的大量替代方案可以各种实施方式实践。在一些实施方案中，过程701的机器可执行指令可存储在存储器中、由处理单元执行和/或在散射估算系统(诸如图1的散射估算系统130)中实现。
本领域技术人员将认识到，对于本文公开的这个和其他流程和方法，流程和方法中进行的功能可以不同的顺序实施。此外，所概述的步骤和操作仅提供作为实例，并且所述步骤和操作中的一些可为任选的、组合为更少的步骤和操作、或扩展为附加的步骤和操作，而不损害所公开的实施方案的本质。而且，一个或多个所概述的步骤和操作可并行进行。
在块710处，散射估算系统可被配置来基于使用x射线辐射源和检测器面板由对象的CT扫描生成的多个投影图像来构建对象模型。散射估算系统可将虚拟患者台构建到对象模型中，并且可在对象模型的轴向方向或纵向方向上延伸所述对象模型以说明在CT扫描期间发生的截断。
在一些实施方案中，所构建的对象模型可包含多个体素，并且散射估算系统可基于多个体素的Hounsfield单位(HU)值中的每一个将多个体素中的每一个分配给具有密度的特定材料类型。
在块720处，散射估算系统可被配置来构建虚拟CT扫描环境。具体来说，构建虚拟CT扫描环境可包括构建用于模拟x射线辐射源的虚拟辐射源和构建用于模拟检测器面板的虚拟检测器面板。在一些实施方案中，x射线辐射源具有锥面波束CT(CBCT)几何结构，而检测器面板是平坦面板。
在一些实施方案中，多个投影图像可使用蝶形滤波器、准直器和/或抗散射格栅生成。在这些情况下，构件虚拟CT扫描环境还可包括基于蝶形滤波器构建虚拟蝶形滤波器；基于准直器构建虚拟准直器，和/或基于抗散射格栅构建虚拟抗散射格栅。
在块730处，散射估算系统可通过模拟从虚拟辐射源发射、穿过对象模型并且由虚拟检测器面板检测的粒子的宏观行为来执行对象模型的模拟CT扫描。在一些实施方案中，散射估算系统可进一步模拟粒子从虚拟辐射源发射之后穿过虚拟准直器和虚拟蝶形滤波器以及穿过虚拟抗散射格栅、之后由虚拟检测器面板检测的的宏观行为。
在一些实施方案中，散射估算系统可射线追踪从虚拟辐射源发射、穿过多个体素并且由虚拟检测器面板中的多个虚拟像素检测的粒子，并且标识在射线追踪期间散射的第一粒子子集。具体来说，散射估算系统可通过如下来执行射线追踪：输送从虚拟辐射源发射、通过多个体素的粒子来计算散射源集，跨过多个体素输送来自散射源集的粒子，迭代计算散射源和输送粒子，以及将粒子从多个体素输送至虚拟检测器面板中的多个像素。
在块740处，散射估算系统可基于在对象模型的模拟CT扫描期间散射的第一粒子子集来生成模拟散射图像。具体来说，散射估算系统可针对散射的第一粒子子集构建Boltzmann输运方程(BTE)，并且使用确定性方法来求解BTE并且计算多个体素中的对应粒子注量分布值。之后，散射估算系统可通过射线追踪多个体素中的使第一粒子子集穿过、之后到达虚拟检测器面板的虚拟像素的那些体素的对应的粒子注量分布值来生成模拟散射图像。
在一些实施方案中，虚拟检测器面板中的多个像素的空间分辨率比检测器面板中的像素的空间分辨率更粗糙。散射估算系统可使用插值法来对模拟散射图像进行向上采样，以匹配多个投影图像中的一个的空间分辨率。另外，散射估算系统可基于多个投影图像的子集计算多个模拟散射图像的第一子集，并且基于多个模拟散射图像的计算的第一子集来对多个模拟散射图像的第二子集进行插值。通常，散射图像在CT扫描中获取的相继投影上缓慢地变化，并且基于多个投影图像的子集模拟散射图像可允许模拟散射图像的数目减少。多个模拟散射图像的第二子集可通过对多个模拟散射图像的计算的第一子集插值来快速地计算。
在一些实施方案中，虚拟检测器面板中的多个像素可表示在检测器面板上非均一地采样的点。散射估算系统可使用插值法来对模拟散射图像的采样点进行向上采样以匹配多个投影图像中的一个的空间分辨率。另外，散射估算系统可基于多个投影图像的非均一地采样的子集(例如，当散射在相继散射图像之间更快速地改变时更高的采样密度)计算多个模拟散射图像的第一子集，并且基于多个模拟散射图像的计算的第一子集来对多个模拟散射图像的第二子集进行插值。
在一些实施方案中，散射估算系统可基于在对象模型的模拟CT扫描期间衰减但未散射的第二粒子子集来生成模拟初级图像，并且基于模拟初级图像和模拟散射图像来生成增益映射。之后，散射估算系统可通过基于模拟散射图像和增益映射调整多个投影图像来估算散射减少图像。在一些实施方案中，散射估算系统可通过基于模拟散射图像使用减法或微扰调整多个投影图像中的一个来估算散射减少图像。
在块750处，散射估算系统可基于模拟散射图像来估算对应于多个投影图像中的一个的散射减少图像。在块760处，散射估算系统可基于散射减少图像来重建具有减少的散射伪影的CT对象体积。
因此，已经描述了用于估算包含在x射线投影中的散射辐射的方法和系统。上面介绍的技术可以专用硬件电路、软件和/或固件(结合可编程电路)、或其组合实施。专用硬件电路可处于(例如)一个或多个专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)等的形式。
上述详细描述已经通过块图、流程图和/或实例的使用阐述了装置和/或过程的各种实施方案。在这类含有一个或多个功能和/或操作的块图、流程图和/或实例的范围内，本领域技术人员将理解，这类块图、流程图和/或实施例内的每个功能和/或操作可通过范围广泛的硬件、软件、固件或实际上其任何组合来单独和/或共同地实施。本领域技术人员将认识到，本文公开的实施方案的一些方面可作为在一个或多个计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，作为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序)、作为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，作为一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)、作为固件、或实际上作为其任何组合，全部或部分地在集成电路中等效地实施，并且为软件和或固件设计电路和/或编写代码根据本公开，将完全处于本领域技术人员的能力之内。
实施本文介绍的技术的软件和/或固件可存储在非瞬时性机器可读存储介质上并且可通过一个或多个通用或专用可编程微处理器执行。如同本文所用的术语一样，“机器可读存储介质”包括以机器(例如，计算机、网络设备、个人数字助理(PDA)、移动设备、制造工具、具有一组一个或多个处理器的任何设备等)可访问的形式提供(即，存储和/或传输)信息的任何机制。例如，机器可访问存储介质包括可记录的/非可记录的介质(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、快闪存储器设备等)。
虽然本公开已参照特定的示例性实施方案进行描述，但将认识到，本公开不限于所描述的实施方案，而可在所附权利要求书的精神和范围内通过修改和改变来实践。相应地，本说明书和附图应被认为是说明性意义而不是限制性意义的。

Claims (19)

1.一种用来估算包含在用于计算机断层成像CT重建的x射线投影中的散射辐射的方法，包括：
基于使用x射线辐射源和检测器面板通过对象的CT扫描生成的多个投影图像来构建对象模型，其中所述对象模型包含多个体素，并且所述对象模型的构建包括：基于所述多个体素的Hounsfield单位HU值中的每一个来将所述多个体素中的每一个分配给具有密度的至少一个材料类型；
基于所述x射线辐射源构建虚拟辐射源；
基于所述检测器面板构建虚拟检测器面板；
通过模拟从所述虚拟辐射源发射、穿过所述对象模型并且由所述虚拟检测器面板检测的粒子的宏观行为，来执行所述对象模型的模拟CT扫描；以及
基于在所述对象模型的所述模拟CT扫描期间散射的第一粒子子集来生成模拟散射图像；
其中生成所述模拟散射图像包括：
在所述对象模型的所述模拟CT扫描期间，针对散射的所述第一粒子子集构建玻耳兹曼输运方程BTE；
使用确定性方法来求解所述BTE并且计算所述多个体素中的对应粒子注量分布值；以及
基于所述多个体素中的所述对应粒子注量分布值来生成所述模拟散射图像。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述模拟散射图像来估算与所述多个投影图像中的一个投影图像对应的散射减少图像；以及
基于所述散射减少图像来重建具有减少的散射伪影的CT对象体积。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述散射减少图像的所述估算包括：
基于在所述对象模型的所述模拟CT扫描期间衰减但未散射的第二粒子子集来生成模拟初级图像；
基于所述模拟初级图像和所述模拟散射图像来生成增益映射；以及
通过基于所述模拟散射图像和所述增益映射调整所述多个投影图像来估算散射减少图像。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述散射减少图像的所述估算包括：
通过基于所述模拟散射图像使用减法或微扰调整所述多个投影图像中的一个投影图像来估算所述散射减少图像。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述多个投影图像使用蝶形滤波器生成，并且所述对象模型的所述模拟CT扫描的所述执行还包括：
基于所述蝶形滤波器来构建虚拟蝶形滤波器；以及
模拟在从所述虚拟辐射源发射之后、穿过所述虚拟蝶形滤波器的所述粒子的所述宏观行为。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述多个投影图像使用抗散射格栅生成，并且所述对象模型的所述模拟CT扫描的所述执行还包括：
基于所述抗散射格栅来构建虚拟抗散射格栅；以及
模拟在由所述虚拟检测器面板检测之前穿过所述抗散射格栅的所述粒子的所述宏观行为。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述构建所述对象模型包括：
将虚拟患者台构建到所述对象模型中。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述对象模型的所述构建还包括：
在所述对象模型的轴向方向或纵向方向上延伸所述对象模型以考虑到在所述CT扫描期间发生的截断。
9.如权利要求1所述的方法，其中通过模拟粒子的所述宏观行为来执行所述对象模型的所述模拟CT扫描包括：
模拟从所述虚拟辐射源发射、穿过所述多个体素并且由所述虚拟检测器面板中的多个虚拟像素检测的所述粒子；以及
标识在所述粒子的模拟期间散射的所述第一粒子子集。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述粒子的所述模拟包括：
输送从所述虚拟辐射源发射、通过所述多个体素的所述粒子以计算散射源集；
从所述散射源集输送所述粒子跨过所述多个体素；
迭代散射源的所述计算和所述粒子的输送；以及
将所述粒子从所述多个体素输送至所述虚拟检测器面板中的所述多个像素。
11.如权利要求1所述的方法，还包括：
在构建所述BTE之前，从所述虚拟辐射源到所述对象模型射线追踪所述第一粒子子集；以及
在构建所述BTE之后，从所述对象模型到所述虚拟检测器面板射线追踪所述第一粒子子集。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述虚拟检测器面板中的所述多个像素的空间分辨率比所述检测器面板中的像素的空间分辨率更粗糙，并且基于所述多个像素中的所述对应粒子注量分布值生成所述模拟散射图像还包括：
使用插值法来对所述模拟散射图像进行向上采样，以匹配所述多个所述投影图像中的一个投影图像的空间分辨率。
13.一种用来确定包含在用于计算机断层成像CT重建的x射线投影中的散射辐射的方法，包括：
基于使用x射线辐射源和检测器面板通过对象的CT扫描生成的多个投影图像来重建第一CT体积；
基于所述CT体积来构建对象模型，其中所述对象模型包含多个体素，并且所述对象模型的构建包括：基于所述多个体素的Hounsfield单位HU值中的每一个来将所述多个体素中的每一个分配给具有密度的至少一个材料类型；
构建具有虚拟辐射源和虚拟检测器面板的虚拟CT扫描环境，所述虚拟辐射源基于所述x射线辐射源，所述虚拟检测器面板基于所述检测器面板，其中所述虚拟检测器面板包含多个虚拟像素；
通过模拟从所述虚拟辐射源发射、穿过所述对象模型并且由所述虚拟检测器面板检测的粒子的宏观行为，来执行所述对象模型的模拟CT扫描；
通过估算在所述对象模型的所述模拟CT扫描期间散射的第一粒子子集来生成与所述多个投影图像对应的多个模拟散射图像，其中通过以下来生成所述多个模拟散射图像中的每个模拟散射图像：
在所述对象模型的所述模拟CT扫描期间，针对散射的所述第一粒子子集构建玻耳兹曼输运方程BTE；
使用确定性方法来求解所述BTE并且计算所述多个体素中的对应粒子注量分布值；以及
基于所述多个体素中的所述对应粒子注量分布值来生成所述模拟散射图像；以及
基于所述多个投影图像和所述多个模拟散射图像来重建具有减少的散射伪影的第二CT体积。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述多个模拟散射图像的第一子集基于所述多个投影图像的子集来计算，并且所述多个模拟散射图像的第二子集基于所述多个模拟散射图像的所计算的所述第一子集来插值。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述x射线辐射源具有锥面波束CT几何结构，并且所述检测器面板是平坦面板。
16.如权利要求13所述的方法，其中生成所述多个模拟散射图像中的所述每个模拟散射图像还包括：
在构建所述BTE之前，从所述虚拟辐射源到所述对象模型射线追踪所述第一粒子子集。
17.如权利要求16所述的方法，其中生成所述多个模拟散射图像中的所述每个模拟散射图像还包括：
在构建所述BTE之后，从所述对象模型到所述虚拟检测器面板射线追踪所述第一粒子子集。
18.一种被配置为估算包含在用于计算机断层成像CT重建的x射线投影中的散射辐射的散射估算系统，包括：
扫描模拟模块，被配置为：
基于使用x射线辐射源和检测器面板通过对象的CT扫描生成的多个投影图像来构建对象模型，其中所述对象模型包含多个体素，并且所述对象模型的构建包括：基于所述多个体素的Hounsfield单位HU值中的每一个来将所述多个体素中的每一个分配给具有密度的至少一个材料类型，
基于所述x射线辐射源构建虚拟辐射源，
基于所述检测器面板构建虚拟检测器面板，以及
通过模拟从所述虚拟辐射源发射、穿过所述对象模型并且由所述虚拟检测器面板检测的粒子的宏观行为，来执行所述对象模型的模拟CT扫描；以及
图像校正模块，所述图像校正模块与所述扫描模拟模块耦合，其中所述图像校正模块被配置为：
基于在所述对象模型的所述模拟CT扫描期间散射的第一粒子子集来生成模拟散射图像，其中生成所述模拟散射图像包括：
在所述对象模型的所述模拟CT扫描期间，针对散射的所述第一粒子子集构建玻耳兹曼输运方程BTE；
使用确定性方法来求解所述BTE并且计算所述多个体素中的对应粒子注量分布值；以及
基于所述多个体素中的所述对应粒子注量分布值来生成所述模拟散射图像，以及
基于所述模拟散射图像来估算与所述多个投影图像中的一个投影图像对应的散射减少图像。
19.如权利要求18所述的散射估算系统，其中所述多个投影图像使用蝶形滤波器和抗散射格栅来生成，并且所述扫描模拟模块进一步被配置为：
基于所述蝶形滤波器来构建虚拟蝶形滤波器；
基于所述抗散射格栅来构建虚拟抗散射格栅；以及
模拟在由所述虚拟检测器面板检测之前穿过所述虚拟蝶形滤波器和所述虚拟抗散射格栅的所述粒子的所述宏观行为。
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