CN110389139A - 用于感兴趣区域的断层摄影的扫描轨迹 - Google Patents

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Abstract

用于感兴趣区域的断层摄影的扫描轨迹。本文公开了用于实现用于ROI断层摄影的扫描轨迹的设备和方法。示例性方法包括：基于样本的外接圆半径确定第一焦物距，该样本包括感兴趣区域；基于包含感兴趣区域的最小圆柱体的半径确定第二焦物距；响应于第一焦物距从多个可能的视角确定多个视角，其中所述多个视角中的每个视角均具有从感兴趣区域测量的相关联的焦物距，并且其中多个视角中的每一个中的相关联的焦物距小于第一焦物距并且大于第二焦物距；并且使用至少所述多个视角来扫描感兴趣区域。

Description

用于感兴趣区域的断层摄影的扫描轨迹
技术领域
本公开总体涉及计算机断层摄影，更具体地涉及感兴趣区域的特定扫描轨迹。
背景技术
计算机断层摄影(CT)使用x射线来研究样本，并包括获得内部结构的数据。基于CT的系统通常将样本和x射线源以及检测器相对于彼此移动，例如旋转，以围绕样本以可获得的视角获得图像。然后可以通过算法操纵扫描数据，以获得样本的各种切片的重建。图像的分辨率可能受到如源、样本以及检测器等各种部件之间距离的影响。例如，在锥束CT系统中，源与样本源之间的大距离降低了所获得图像的质量。
另外，样本内的感兴趣区域(ROI)可能需要的分辨率的数据比通过典型扫描轨迹所获得的更高，例如，ROI与源之间的相对距离可能由于使ROI交叉的较低的锥角而影响x射线的通量。虽然可以获得ROI的潜在可接受的扫描分辨率，但是期望ROI的更高质量的图像。
附图说明
图1A是根据本公开的实施方案的CT系统的说明性示意图。
图1B示出了根据本公开的实施方案的源、样本和检测器的平面图。
图1C是示例性样本轨迹并且示出了传统的微CT扫描。
图1D是基于ROI的示例性轨迹，并且示出了传统的微CT ROI扫描。
图1E示出了根据本公开的实施方案的包括用于增加扫描轨迹效率和最小化基于ROI的FOD的一组视角的扫描。
图1F示出了根据本公开的实施方案的对畸变样本的扫描。
图2A至图2C显示了根据本公开的实施方案的示例性扫描。
图3A和图3B是根据本公开的实施方案的示例性三维扫描。
图3C根据本文公开的实施方案显示样本的平面图，以显示ROI的位置。
图4是根据本文公开的实施方案的用于对样本中的ROI执行CT扫描的示例性方法。
图5是根据本公开的实施方案使用减少的视角集用于ROI扫描的示例性方法。
图6是根据本公开的实施方案的CT系统的示例性功能框图。
在附图的全部多个视图中，相同的附图标记是指相对应的部分。
具体实施方式
下面在使用锥形x射线束和圆形轨迹、螺旋形轨迹或空间填充的扫描(样本)轨迹来使用视角扫描感兴趣区域来在特别是圆柱体形样本中在小物体的微米级或纳米级计算机断层摄影(CT)的断层摄影成像设备的背景下描述本发明的实施方案，选择所述视角来最小化相对于感兴趣区域的焦物距，并最大化扫描轨迹效率。然而，应当理解的是，本文所描述的方法通常适用于各种不同的断层摄影方法和设备，包含锥形束系统和平行束系统两者，并且不限于任何特定的设备类型、光束类型、物体类型、长度尺度或扫描轨迹。
如在本申请书和权利要求书中所使用的，除非文中另外明确指明，否则单数形式的“一个(a)”、“一个(an)”以及“所述(the)”包含复数形式。另外，术语“包含”意指“包括”。进一步地，术语“联接”不排除联接项之间存在中间元素。
本文所描述的系统、设备以及方法不应以任何方式被解释为限制性的。相反，本公开涉及各种公开的实施方案(单独和以彼此的各种组合和子组合)的所有新颖和非显而易见特征和方面。所公开的系统、方法以及设备不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法以及设备也不要求存在任何一个或多个具体优点或者要求问题被解决。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法以及设备不限于这种操作理论。
尽管所公开的方法中的一些的操作被以用于方便呈现的特定顺序次序描述，但是应当理解的是，此描述方式涵盖重新布置，除非特定排序是在下面所阐述的具体语言所要求的。例如，在某些情况下，可以重新布置或并发执行按顺序描述的操作。此外，为简明起见，附图可能未示出所公开的系统、方法以及设备可以与其它系统、方法以及设备结合使用的的各种方式。另外，本说明书有时使用像“产生”和“提供”等术语来描述所公开的方法。这些术语是被执行的实际操作的高级抽象。与这些术语相对应的实际操作将取决于特定实现而变化并且易于由本领域普通技术人员辨别。
在一些实例中，数值、程序或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。将被认识到的是，此类描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这种选择不需要更好、更小或者优选于其它选择。
可以用于获得微米尺度和/或纳米尺度的数据的基于实验室的CT系统用于对各种样本成像。样本可以是生物材料、矿物材料和复合材料等，以及所得图像可以是内部结构的重建。通常，CT系统包含x射线源和检测器，其间设置有样本。CT源可以在大锥体上例如在广角上均匀地发射辐射，并且锥束断层摄影的效率随着入射在样本上的锥角增加而增加。效率的提高可能主要是由于入射在样本上的x射线通量的增加。在一些实施方案中，可以使用源与样本之间的小距离来获得更高的锥角。如所指出的，这些CT系统要么相对于源和检测器移动样本，要么围绕样本一致地旋转源和检测器。各种物理约束可能影响所获得的扫描的分辨率、信噪比和质量中的一个或多个，例如样本的形状、从源到样本的距离、从源到检测器的距离、从样本到检测器的距离以及它们的组合。这些相对距离影响穿过样本或样本的一部分并与检测器相交的x射线束锥的量。更具体地，部件之间的距离影响穿过样本并撞击检测器的x射线通量的量。穿过样本并入射到检测器上的通量的量是数据分辨率和质量的一个主要方面。因此，源与样本之间以及源与检测器之间的大距离可能导致扫描质量的降低，而小距离可能导致更高的扫描质量。
样本的其他因素也可能影响扫描的质量，例如信噪比(SNR)或分辨率。通常，样本内ROI的大小、形状和位置以及从ROI到源和检测器的相对距离可能影响ROI的扫描质量。由于距离，样本的旋转轴上的ROI可以从源接收较少的通量，这可能导致ROI的低质量扫描/投影。该距离影响入射在ROI上的锥角，这导致穿过ROI并入射到检测器上的X射线通量减少。入射在ROI上并由检测器收集的通量的量影响扫描的质量例如SNR和扫描的分辨率。如本文所用并且在ROI扫描的上下文中，“锥角”可以被称为ROI所对应的角度。
在一些实施方案中，如果ROI不位于样本的运动轴(或源-检测器对的旋转轴)上，则可以限制ROI的重建图像的质量。例如，如果ROI从原始(样本)旋转轴沿着径向移位并且约束在靠近样本的一个表面的区域中(例如，参见图1B的112)，则由于样本和/或源/检测器移动时ROI和源之间的距离变化，穿过ROI的x射线的通量将不同。例如，当ROI与源相反时，由于穿过ROI的x射线通量的减少，来自这些x射线的数据的强度将低于ROI与源相邻时的强度。由于锥角的减小，可以减小x射线通量，锥角由于源与ROI之间的距离而减小。通过ROI的x射线通量的减少可能影响所获得的图像质量。在一些实施方案中，全样本旋转轴线的位置将是最接近于该样本的中心，以便采集期间最小化样本的摆动，并允许它最方便填充检测器(参见图1E)。在一些实施方案中，然而，ROI被放置在旋转轴线上，这可能导致所述样本旋转更像围绕轴线的呼拉圈，例如，偏心旋转，其中，所述样本的中心可以以圆形路径或螺旋路径移动，这可能会影响在源与样本之间的距离，以避免两者之间的干扰(参见图1F)。因此，期望一种用于提高ROI扫描的图像质量的技术。
关于图像重建，标准滤波反投影(FBP)技术基于用于Radon变换的反演公式，并且可以应用于非常小的常规轨迹集：它们仅直接适用于均匀和密集地采样的圆形轨迹和螺旋轨迹。对于其他轨迹，重建包含严重的伪影，例如具有更稀疏或可变角度采样的轨迹，或者具有焦点-探测器-距离(FDD)的变化的轨迹或具有焦点-物体-距离(FOD)的变化的轨迹。关于ROI扫描，FOD可以是焦点-ROI-距离。迭代重建技术(IRT)能够从较稀疏、较不完整或较不规则的数据重建，但是这导致成本通常比FBP方法的计算时间慢超过一个数量级。通常，IRT要么非常慢且稳健，要么快速且不可靠。即使使用IRT，不完整的轨迹也会导致较低质量的重建。
最近的工作已经确定了快速迭代方法、由反投影滤波器(BPF)预处理并通过多网格方法进一步加速。这些技术适用于比FBP方法范围更的轨迹，但它们可能对不对称性和不完整性敏感。这里提出的轨迹和BPF重建的组合似乎特别有利于以合理的计算量产生高质量的ROI数据。这里公开的轨迹可能不适用于FBP重建，但是应该使用IRT或BPF产生比其他ROI轨迹更高质量的数据。
一种解决方案可以包括基于样本的外接圆半径确定最小FOD并且仅使用满足关于最小FOD的关系的那些视角来扫描ROI。基于使用与扫描系统的旋转轴对齐的ROI来放置样本来确定外接圆半径。如上所述，这样安装的样本将具有偏心旋转，并且需要放置源和检测器，以避免与样本的碰撞。然而，这种构造通常会增加FOD，这会降低图像质量。然而，可以使用比所有可能的视角更少的视角来执行ROI中心扫描，并且将选择所实现的视角以提高扫描效率，所述扫描效率可以基于所确定的最小FOD而提高。应注意，扫描效率近似于FOD的倒数。用于选择实现的视角的一种技术是用于选择具有小于最小FOD的均方基于ROI的FOD的那些视角。在一些实施方案中，这可导致所实现的视角包括在最靠近ROI的样本的一侧上所选择的多个视角，这可以导致扫描轨迹部分地围绕附近样本以弧形图案或锯齿形图案振荡。虽然一些视角可能具有大于最小FOD的相关FOD，但是FOD距离的均方将小于最小FOD。在其他实施方案中，均方FOD距离可以通过在每个所选视角处获取数据所花费的时间来加权。
另一种解决方案可以涉及样本的多次扫描，其中一次扫描使用包括相对完整的视角集和/或整个样本的轨迹，而另一种扫描具有有限的轨迹或更小的视角集。如本文所用，“一组视角”是指样本周围的位置，其中获得投影(样本的x射线灰度测量)，所述投影可以由实现的轨迹确定。例如，另一扫描可以使用减小的轨迹，而第一扫描可以使用更完整的轨迹。与更全面扫描的FOD例如基于样本的FOD相比，减小的轨迹可以允许源与ROI之间的距离减小，例如，基于ROI的FOD的减少。基于ROI的扫描的FOD的减少例如减小的轨迹可以通过最小化基于ROI的FOD来提高扫描效率。在一些实施方案中，源与检测器之间的距离也可以减小，但是在一些情况下，样本的整体形状可以限制该距离的减小。在一些实施方案中，用于另一扫描例如第二扫描的扫描轨迹可以不围绕样本进行完整旋转，而是可以以ROI为中心的有限角度进行扫描，或者限制为样本的区域，在该区域中ROI最接近样本表面(参见例如图2B)。例如，有限的角度可能包括180°扫描，小于180°，甚至是由于样本形状而错过/省略某些角度的扫描。因此，在轨迹中使用的有限角度中，给定样本形状约束的情况下，扫描可以使源保持接近ROI。然后可以组合来自两次扫描的数据以提供ROI的高质量重建，例如，高分辨率，改进的SNR等，同时仍然提供样本中ROI的背景。尽管为了便于讨论将这样的实施方案讨论为使用两个单独的扫描，但是本文公开的技术不需要使用两个完全独立的扫描。通常，两个扫描可以组合成单个轨迹，其中不止一次地观察样本的相同区域并且具有不同的放大率、FOD和扫描时间等。在一些实施方案中，这里实现的有限的扫描轨迹可以导致与减小的视角集相关联的扫描时间的减少。
图1A是根据本公开的实施方案的CT系统100的说明性示意图。CT系统100可用于获得样本(例如，投影)的x射线衰减数据，并作为响应提供图像重建。CT系统100可以至少包含源102、平台108和检测器106。在一些实施方案中，源102、平台108和检测器106可以联接到控制它们的操作并至少从检测器106接收数据的控制电子设备(未示出)。CT系统100可以获得样本104的投影，例如，x射线衰减数据(灰度数据)，然后所述数据可以用于形成样本104的重建和/或样本104的期望面积。在一些实施方案中，如图1B所示，样本104内的ROI 112可以是用于分析CT扫描数据的期望区域。
源102可以提供锥形的x射线，所述x射线以高锥角从源焦点向外照射，所述高锥角也可以称为宽锥角。如本文所用，“高锥角”限定一角度，所述角度由样本所对或由在源102焦点处的ROI所对。基于此限定，低锥角将是较小角度。通常，高锥角限定较宽的锥体，并且低锥角限定较窄的锥体。另外，用于获得任何给定投影的锥角可能受到源102、样本104与检测器106之间的相对距离的影响。更具体地，源102与样本104之间的距离或样本的期望区域(例如，ROI 112，焦物距(FOD))可以影响X射线例如x射线通量的发射锥的量，所述x射线入射在样本104或所需区域上，并通过样本104或所需区域。应当注意，FOD可以通常被限定为源到样本的旋转轴或到样本内的感兴趣区域的距离，这取决于扫描的目标以及样本安装在平台108上的方式。就ROI扫描而言，以ROI为中心的FOD是从源到ROI的中心的距离，并且不一定是样本104的中心。FOD可以确定ROI的平均放大率(对于给定的FDD)和ROI对应的锥角。通常，FOD越小，由于源102在非常大的立体角上各向同性地发射辐射，因此越多x射线通量通过样本/ROI，这提高了所获得的图像/重建的质量。此外，源102与检测器106之间的距离和焦点-检测器-距离(FDD)也可以影响图像和重建的质量。通常，大的FDD可能导致入射在检测器106上的低锥角的x射线，并且较小的距离可能导致入射在检测器106上的较高锥角的x射线。这些距离、FOD和FDD可能会影响扫描质量，也会影响视场(FOV)。如所指出的，通常，这些距离越小，由于穿过样本104并入射到检测器106上的x射线通量的增加，可以获得更高质量的低噪音的扫描，这改进了扫描效率。
检测器106可以定位成接收已通过样本104的x射线。在一些实施方案中，可以基于样本形状和旋转来最小化FDD，以最大化已经通过样本102的入射x射线通量，所述入射x射线通量包括ROI 112。检测器106可以包含闪烁体，所述闪烁体在被x射线照射时产生可见光，以及安装在闪烁体后面的CCD、CMOS或非晶硅平板传感器，所述CCD、CMOS或非晶硅平板传感器产生表示由闪烁体产生的闪烁的空间布置的二维图像的图像数据。结果是透射过物体的x射线的二维图像或x射线强度的图。作为将被认识到的，这些图像中的每一个均包括关于样本104的外部结构特征和内部结构特征的信息，如沿着透射过样本104到达检测器106的x射线的方向所投影的那样。
平台108支撑样本104。在一些实施方案中，平台108可以能够沿着顺时针、逆时针或顺时针和逆时针两者(图1A中所示的Θ)旋转，并且能够沿着X方向、Y方向和Z方向(正和负)平移，所述X方向、Y方向和Z方向如图1A中所示的参考轴所指示的那样。然而，在一些实施方案中，平台108可以保持固定，而源102和检测器106一致地围绕样本旋转，同时还沿着+/-Z方向平移。样本104和/或源102/检测器106对的相对移动可以限定在获得扫描数据例如图像数据和投影时使用的轨迹。在固定样本轨迹设置中，轨迹指的是源102围绕样本的移动，其中x射线通量的锥体源自源102。在一些实施方案中，轨迹可以是二维的，而在其它实施方案中，轨迹可以是三维的。例如，2D轨迹可以包括围绕样本104的圆例如完整的旋转，并且3D轨迹可以包括围绕样本104的螺旋。
轨迹由CT系统100执行，以从期望的视角获得样本104的扫描数据，例如图像和投影。轨迹可以包括扫描轨迹或源轨迹和检测器轨迹，如上所述，其中源102相对于样本104移动(不管哪个组件实际上正在移动)，在检测器轨迹中样本104和检测器106的关系改变。当沿着期望的轨迹(源或检测器)移动时，CT系统100可以以不同速率拍摄图像，所述不同速率包括连续地、半连续地或周期性地。拍摄投影的每个位置可以称为视角。虽然大多数轨迹包括相对完整的视角集，所述相对完整的视角集可以例如是围绕样本的完整旋转或更小，但是本文公开了包括减小或限制的视角集的调节或缩短的轨迹。例如，减少/限制的视角可用于获得ROI例如ROI 112的更高质量数据。在一些实施方案中，可以使用更短和/或可变的FOD来执行使用减小或受限制的视角集的扫描，所述FOD包括基于ROI调节并且至少相对于样本104的外接圆半径最小化的FOD。
调节的、有限的、缩短的轨迹和减小/限制的视角集可以不包括完整的旋转或甚至半旋转，而是可以进行样本104的部分旋转，或者在ROI最接近样本104的表面的区域中包括在少量离散视角下拍摄的投影。在2D背景中，调节的轨迹可以围绕样本104的一部分形成弧。另外，可以包括一些额外的旋转以考虑锥角。例如，在调节的轨迹期间可以执行180°的弧(和上锥角量)，以便通过样本中的每个点提供180°的光线。在一些实施方案中，可以选择经调节的轨迹，使得在轨迹的大部分期间(例如，在不成比例的大部分采集时间期间)，源点位于样本的一侧，其中ROI 112更接近于表面。通过如此定位调节的轨迹，来自调节的轨迹的数据可以尽可能多地包括尽可能靠近一距离的ROI 112，例如，针对ROI 112减少/最小化FOD。通常，通过将轨迹调节到围绕样本的有限弧或使用一组受限的视角集，可以最小化FOD。反过来，最小化的FOD可以提供更高质量的扫描，这可以导致图像具有更高的分辨率和/或增加的SNR。CT系统100包括安装在样本旋转平台上的样本定位平台，以允许样本104中心点(和ROI 112)相对于仪器的旋转轴沿着X和Y移动。这样，轨迹可不再具有单个旋转中心；然而，源102可以始终瞄准ROI 112的中心(或附近)，并且可以定位检测器106，使得ROI112的投影在检测器106内居中。
图1B根据本公开的实施方案示出源102、样本104和检测器106的平面图。如图所示，ROI 112可以不与样本104同心，而是ROI 112可以是偏心的。在ROI 112偏心的情况下，样本104和源102/检测器106对的相对运动可导致ROI 112和源102的距离在旋转期间改变(参见例如图1C)。由于源102与ROI 112之间的FOD波动，ROI 112与源102之间的距离的这种改变可以影响穿过ROI 112的x射线通量的量。或者，样本104可以安装成使得ROI 112以旋转轴为中心，这将使ROI 112的FOD恒定，但是可能由于样本104的形状而迫使最坏情况的FOD被实施(参见例如图1D)。在任一情况下，当源102与ROI 112之间的距离增加时可以减小的x射线通量的变化可以影响ROI 112的投影的质量。
为了改善ROI 112的图像数据，系统100可以调节用于获得ROI 112的更高质量扫描的轨迹/视角，其中调节的视角被选择以最小化基于ROI的FOD。在一些实施方案中，系统100可以使样本104相对于源102/检测器106对的相对运动小于完整旋转。例如，系统100可以使用弧形轨迹和相关联的视角，其中弧的中点位于ROI 112最接近样本104的表面的位置。此外，FOD减小，使得更多的x射线通量传播通过ROI 112。当在旋转轴上安装有ROI 112时，减小的FOD可以基于样本104的外接圆半径由系统100确定。此外，还可以减小FDD，以便保持从每次旋转获取的数据的分辨率。然而，FOD和FDD的减小可能受到样本104的形状的限制，从而不会导致样本104影响源102或检测器106。对于任何给定的视角，可以将“最佳”FOD和FDD视为最小化FOD而不引起源样本干扰的以及调节FDD使得ROI填充检测器视野的那些。
由于入射和穿过ROI 112的x射线通量的增加，最小化FOD可以提供更高质量和更高分辨率的扫描数据。虽然单独从调节后的轨迹获得的数据可能不完全覆盖ROI 112、提供ROI 112的内部结构的高质量断层图像或者提供用于ROI 112的直接重建的足够数据，但是数据可以被增强，在一些实施方案中，所述数据来自第二或另外的扫描，所述第二或另外的扫描例如包括样本104的更完整的视角集。在一些实施方案中，附加扫描可以具有较低分辨率，并且可以包括其视野内的完整样本。例如，除了使用较短FOD和调节轨迹的第二扫描之外，可以执行使用较长FOD和完整轨迹的第一扫描。附加地或替代地，可以在扫描期间动态地调节第二扫描的FOD，例如，可变FOD。FDD也可以调节以保持几何放大率，或者它可以保持不变。在一些实施方案中，第一扫描可以是低放大率扫描，以及第二扫描可以是更高放大率扫描。另外，用于实现ROI 112的扫描轨迹的工作流程可以包括进行低放大率扫描，从低放大率扫描确定ROI，然后使用调节后的轨迹/限制视角和更短/可变FOD执行高放大率扫描。
图1C是示例性样本轨迹101，并且示出了传统的微CT扫描。例如，扫描轨迹可以包括圆形或螺旋形轨迹，其中FOD从样本104的旋转轴到源被测量，在图中标记为FOD样本。源102位于虚线圆114A处，所述虚线圆114A表示扫描轨迹114A。随着样本104相对于源102/检测器106对的相对旋转运动的进行，FOD样本的距离将不会改变，而是将是恒定的。如果是2D，扫描轨迹可以围绕样本104完成完整旋转或大于180°的弧，或者如果是3D，则可以完成样本104周围的螺旋运动或点的轨迹，例如空间填充轨迹。
图1D是基于ROI的示例性轨迹103，并且示出了传统的微CT ROI扫描。传统的ROI扫描继续安装样本104，使得样本104和源102/检测器106对的相对旋转以ROI 112的质心为中心，而不是以样本104的轴心为中心。这样，样本104相对于源102/检测器106对的旋转导致样本104围绕ROI 112摆动，如虚线所示。因此，必须调节ROI轨迹114B以考虑样本104的移动，并且最终可能大于图1C的样本轨迹。必须设置FOD ROI距离，以避免样本104与源102之间的碰撞。还必须放置检测器106以避免碰撞，但是在图1C或1D中未示出。
根据本公开确定ROI中心FOD的最小距离的一种方式是当在ROI 112上居中旋转时确定样本104的外接圆半径。外接圆半径限定为与点A、B和C指定的三角形的三个点相交的圆的半径，如图1D所示。应该注意的是，样本中ROI的位置将影响样本的外接圆半径以及样本的尺寸。
如上所讨论的那样，用于最小化FOD ROI的一个标准是仅选择具有小于样本104的外接圆半径的均方FOD距离的那些视角。例如，ROI的扫描可以仅使用样本的ROI最接近表面的一侧上的视角，例如沿着以ROI最靠近表面的样本为中心的弧。通过最小化FOD ROI，扫描轨迹效率增加，这导致ROI的更高质量扫描。
图1E示出了根据本公开的实施方案的扫描105，其包括用于增加扫描轨迹效率和最小化基于ROI的FOD的一组视角。扫描105包括用于最大化扫描轨迹效率的扫描轨迹114B。通过使用最小化基于ROI的FOD例如FOD 2的视角，可以最大化扫描轨迹效率。扫描轨迹114B的视角可以是所有可能的视角中的有限视角集(参见图1D的用于完整的可能的视角集的一个实施例的轨迹118B)。确保所选视角具有最小FOD的一个阈值可以是当如图1D中所示安装为最小期望FOD时使用样本104的外接圆半径。然后，基于最小值，可以选择具有小于最小值的计算出的均方FOD距离的多个视角。例如，用于2D扫描的所实现的扫描轨迹114B可以仅是样本104周围的弧，其中弧以样本的区域为中心，其中ROI 112最靠近表面。
还应注意，与图1D中所示的传统相比，通过限制所示的扫描轨迹114B导致基于ROI的可变的FOD。为了说明，当源102沿轨迹114B移动时，源102与ROI 112的质心之间的距离增大和减小。虽然一些视角将具有比其他视角更长的相关FOD，但是为减小的轨迹扫描选择的视角将具有小于最小FOD的均方FOD距离。因此，与图1D的FOD ROI相比，减小的FOD 2导致最大化的扫描轨迹效率和改善的图像质量。
图1F示出了根据本公开的实施方案的用于畸形样本的扫描105A。可以选择扫描105A的扫描轨迹114B以使FOD 2最小化，并且可以仅包括由两条虚线表示的视角。如图所示，扫描轨迹可能不需要在ROI上完全通过，但是可以仅包括使相关联的FOD最小化，尤其是使FOD 2距离的均方最小化的视角。
在一些实施方案中，可以基于它们相关联的FOD来调节在每个视角处花费的时间。例如，如果扫描105包括不完全满足最小清晰度的视角，则满足最小清晰度的视角可以具有比不满足该清晰度的那些更长的相关的观看时间。
图2A和图2B分别是根据本公开的实施方案的示例性扫描201，203和205。扫描201和203示出了执行扫描序列以获得整个样本204的低分辨率数据，然后获得ROI 212的高分辨率数据。扫描201和203可以例如由CT系统100执行。扫描205示出了扫描201和203的组合，并且仅出于说明目的而包括在内。可以组合在每次扫描期间获得的扫描数据，以提供没有伪像的单个高分辨率数据集。例如，高分辨率数据可以包含合理完整的高分辨率信息，但是需要低分辨率射线照片，以允许重建算法在合理的时间内收敛到没有伪像的良好解决方案。在其他实施方案中，高分辨率数据可能是不完整的，因此在这种情况下，可以使用低分辨率扫描数据来最小化伪像和分辨率的损失。然而，在其他实施方案中，可以仅执行扫描203，以获得ROI 212的高质量扫描。为清楚起见，未示出源和检测器，但是源将位于轨迹位置(图2A-2C中的粗虚线/虚线)，并且旨在最大化通过ROI的通量，而检测器可位于距样本204类似的距离或向后更远的距离。
扫描201可以是相对低放大率的扫描。在一些实施方案中，扫描201包括圆形轨迹214A，所述圆形轨迹214A在第一FOD例如FOD1处从相对完整的一组视角完成样本204的扫描。FOD 1可以是距离源的距离，其将位于轨迹214A处，以及样本204的中心。
扫描203可以是相对大的放大率扫描。在一些实施方案中，扫描203包括调节的或有限的轨迹(例如，具有减小的视角集)，并且在可变FOD例如FOD 2处执行，所述可变FOD可以基于样本204的外接圆半径来最小化，并且可能通常比FOD 1短。FOD 2是将位于轨迹214B处的源与ROI 212的(中心)的距离，所述ROI 212的(中心)可以基于轨迹214B中实现的视角而改变。扫描203包括轨迹214B，所述轨迹214B通常可以小于样本204的整个旋转，并且至少相对于轨迹214A包括减小的视角集。在一些实施方案中，可以基于最小化的FOD 2来选择轨迹214B的视角，使得与所选择的视角相关联的均方FOD距离小于最小FOD。在其他实施方案中，FOD 2小于FOD 1。在任一情况下，可以选择在扫描203中实现的视角以提高ROI 212的扫描效率。
在一些实施方案中，轨迹214B覆盖样本204周围约180°的旋转。轨迹214B可以覆盖附加的弧的180°的旋转，以覆盖锥角。在一些实施方案中，可以调节轨迹214B，以获得尽可能多的ROI 212的覆盖范围，同时使ROI 212在期望的FOV中居中，并且同时在样本204的形状和大小的约束内最小化FOD 2。通过限制轨迹214B的范围，可以在扫描203期间动态地减小FOD 2，使得更多的x射线通量穿过ROI 212并且入射在检测器上，这可以导致至少ROI212的更高质量的扫描。在一些实施方案中，可以在扫描203期间改变FOD 2，并且在这样的实施方案中，FDD也可以改变，以在FOD改变期间保持放大率。在FOD被限定为源与ROI 212之间的距离的实施方案中，FOD可以随着ROI 212改变(例如，由于样本或源的移动)而改变，从而最小化FOD 2。
扫描205示出了轨迹214A和214B的相对位置和长度。可以组合基于两个轨迹的扫描数据，以重建ROI的单个高质量高分辨率视图。换句话说，扫描数据的组合可以允许用户从低分辨率数据到高分辨率数据放大ROI 212。在一些实施方案中，低分辨率扫描数据可用于填充来自高分辨率扫描的一些丢失数据，这可能在重建过程期间发生。
图3A和图3B分别是根据本公开的实施方案的示例性三维扫描307和309。图3C示出了样本304的平面图，以示出样本304内ROI 312的位置。扫描307和309可以由CT系统例如CT系统100执行。类似于样本104和204，样本304包括偏心定位的ROI 312。这样，可以首先执行使用轨迹314A的低分辨率的第一扫描，然后可以执行使用轨迹314B的经调节的或局部化的扫描。然而，在一些实施方案中，可以仅执行扫描309，以获得ROI 312的图像数据。轨迹314A在第一FOD、FOD 1处执行，所述FOD 1可以大于用于轨迹314B的FOD 2。FOD 2可以基于扫描的主体，并且可以在一些实施方案中动态地改变。例如，FOD 1可以是从可以位于轨迹314A处的源到样本304的中心的距离，而FOD 2可以是从例如位于轨迹314B处的源到ROI 312的中心的距离。在扫描309期间，例如，FOD 2可能由于源与ROI 312之间的距离改变而变化。
在一些实施方案中，轨迹314A可以是螺旋形的。这样，样本304或源/检测器对可以在旋转时沿+/-Z方向平移。一旦确定了ROI 312，就可以执行轨迹314B以基于选择具有相关联的FOD的视角来获得ROI的更高放大率数据，所述相关联的FOD小于FOD 1或具有小于最小FOD的组合值，如前所述。在一些实施方案中，轨迹314B可以是弧形的锯齿形图案或格子型的空间填充轨迹。格子型的空间填充轨迹包括点阵列，其中在样本304的区域上获得投影。通常，可以在样本304的一部分周围的空间的可访问区域(例如，Z、θ和FOD 2的变化)中获得扫描数据，其中允许FOD 2在整个轨迹中变化，同时保持最小要求。在一些实施方案中，轨迹314B可包括覆盖180°旋转加上锥角的弧。虽然使用特定轨迹讨论了扫描307和309，但是所有预期的轨迹均落入本公开的范围内。
图4是根据本文公开的实施方案的用于对样本中的ROI执行CT扫描的示例性方法409。方法409可以由如CT系统100等CT系统执行。方法409可以包括用于最小化基于ROI的扫描的焦物距的过程。例如，这样的过程可以基于样本内ROI的位置并且还基于样本的形状来选择视角。在一些实施方案中，样本可以安装在CT系统的平台上，使得ROI与旋转轴对齐。在这种情况下，样本相对于CT系统的源和检测器的相对旋转可以限制FOD以避免样本和源/检测器之间的碰撞。然而，所公开的技术允许通过选择允许最小化FOD的视角来最小化FOD。通过选择视角来最小化FOD也适用于偏心ROI。
该方法409可以开始于进程框411，所述进程框411包括选择基于一个样本内的感兴趣区域的位置的第一多个视角，其中所述第一多个视角与在样本中的感兴趣区域的位置之间的关系允许最小化第一焦物距。
过程框411之后可以是过程框413，所述过程框413包括利用第一焦物距处的第一扫描轨迹扫描样本内的感兴趣区域。在一些实施方案中，第一焦物距可以是可变的，并且第一焦物距的长度基于感兴趣的区域，至少相对于样本的形状和其在样本内的位置。第一扫描轨迹将包括第一多个视角。过程框413之后可以是过程框415，所述过程框415包括使第一多个视角的至少一个视角的第一焦物距最小化。当然，也可以最小化第一多个视角的其他数量的视角。在一些实施方案中，第一多个视角可以限于允许最小化第一焦物距的那些视角，并且其他视角可以从第一扫描轨迹中省略或受到限制。
在一些实施方案中，受限制的视角可以具有相关联的焦物距，所述焦物距大于另一扫描的焦物距(过程框417，其是可选的)。也可选的另一扫描可以利用第二扫描轨迹来执行，该第二扫描轨迹包括在大于第一焦物距的第二焦物距处的大部分完整的视角集。该另一扫描可以是整个样本的低放大率扫描，并且第二焦物距可以大于第一焦物距，以适应样本形状。
在一些实施方案中，第一扫描可以是ROI的高放大率扫描，而第二扫描可以是整个样本的低放大率扫描。此外，可以组合来自第一扫描和第二扫描的数据，以向基于ROI的扫描提供上下文。
图5是根据本公开的实施方案的使用减少的视角集的ROI扫描的示例性方法501。该方法可以在诸如系统100的CT系统上实现，并且基于ROI扫描提供重建。方法501可以在过程框503开始，所述过程框503包括基于样本的外接圆半径确定第一FOD，该样本包括ROI。可以首先基于样本内ROI的位置来确定外接圆半径。例如，安装样本以在旋转轴上与ROI一起旋转，然后基于由样本的摇摆旋转产生的外圆周确定外接圆半径。沿圆周的三个点可以限定外接圆半径。由于样本运动的改变，样本内ROI的位置可能影响外接圆半径的大小。另外，第一焦物距可以基于大于第一FOD的它们的FOD来设置所使用的任何视角的外边界。
过程框503之后是过程框505，所述过程框505包括基于包含感兴趣区域的最小圆柱体的半径确定第二焦物距。在一些实施方案中，包含ROI的最小圆柱体可以是半径等于ROI的半径的虚拟圆柱体。因此，由于第二FOD位于样本内，因此可能无法获得第二FOD。因此，最小的第二FOD可以是从ROI到样本的最近表面的距离。虽然这可能是最小的可能的FOD，但为了避免样本与源之间的碰撞，在获取图像期间可以使用稍长的FOD。
过程框505之后可以是过程框507，所述过程框507包括响应于第一焦物距从多个可能的视角确定多个视角，其中多个视角中的每个视角均具有从感兴趣区域测量的相关联的焦物距，并且其中多个视角中的每一个的相关联的焦物距均小于第一焦物距且大于第二焦物距。在一些实施方案中，将基于它们相关联的FOD的均方FOD距离小于第一FOD来选择多个视角。这样，选择视角包括连续地更新均方FOD计算，并将该计算与最小FOD进行比较。如果选择使得均方FOD计算增加到最小值以上的视角，则可以取消选择该视角并将其放在一边以不提供期望的FOD。在一些实施方案中，均方FOD距离还可以通过在每个所选视角处获得数据所花费的时间来加权。虽然可能希望仅在扫描期间使用满足该关系的视角，但是如果需要，可以允许包括其他例如具有更长FOD的视角。通常，所选择的视角是具有与样本内ROI的位置相关的最短FOD的视角。过程框507之后是过程框509，所述过程框509包括使用多个视角扫描ROI。
图6是根据本公开的实施方案的CT系统600的示例性功能框图。CT系统600可以是CT系统100的实施例，并且可以用于获得样本的CT扫描并提供样本的各种切片和区域的投影。CT系统600至少可以包含控制器620、存储器622、平台624、程序626、检测器628和源630。通常，CT系统600可以执行如本文所述的样本扫描。
控制器620可以是微控制器、CPU、一个或多个计算核等。控制器620可以控制CT系统600的多个方面，并且可以被联接以从CT系统600的各种其它组件接收数据并向其提供控制信号。例如，控制器620可以执行存储在程序626中的代码，以使CT系统600使用不同FOD处的不同轨迹执行样本的低和高放大率扫描。此外，可以将由检测器628获得的扫描数据提供给控制器620。作为响应，控制器620可以对数据执行算法以提供CT扫描、投影等。如所指出的，算法可以是程序626的一部分。
存储器622可以是易失性或非易失性存储器，其被联接以保留数据和指令。可以是存储器622的一部分的程序626可以包含用于执行CT系统600的各种任务的操作指令和代码，如控制平台、源和检测器，以及各种其它辅助组件。
平台624可以响应于控制器620提供的控制信号来支持样本并提供其移动。控制器620可以在执行存储在存储器622和/或程序626中的平台控制指令的同时生成控制信号。举例来说，平台控制可使平台根据例如螺旋、锯齿状图案的期望轨迹移动。
检测器628可以检测已穿过样本的x射线并记录它们的强度。由于穿过样本的衰减，可以降低x射线的强度。衰减量可以是用于对样本成像和用于生成重建的数据。可以将图像数据或扫描数据提供给控制器620以进行处理，或者将其存储在存储器622中以供稍后处理。另外，可以响应于来自控制器620的控制信号移动检测器628，以调节FDD。可以调节FDD以考虑样本形状和大小或以获得期望的FOV。
源630将X射线提供给样本并且可以由控制器620控制。例如，响应于来自控制器620的控制信号，源630可以产生期望强度的x射线，并且还可以以相对于样本的方向移动。可以执行源630的移动，以调节CT系统600的FOD。可以调节FOD以考虑样本的形状、大小或以获得期望的FOV。
本文所讨论的用于说明所公开的技术的实施方案不应被视为限制性的，而仅提供执行的实施例。本领域技术人员将理解可以如何实现所公开的技术的其他无数方式，这些方式在本文中考虑并且在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
基于样本的外接圆半径确定第一焦物距，所述样本包括感兴趣区域；
基于包含所述感兴趣区域的最小圆柱体的半径确定第二焦物距；
响应于所述第一焦物距从多个可能的视角确定多个视角，其中所述多个视角中的每个视角均具有从所述感兴趣区域测量的相关联的焦物距，并且其中所述多个视角中的每一个的所述相关联的焦物距均小于所述第一焦物距且大于所述第二焦物距；以及
使用至少所述多个视角扫描所述感兴趣区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中响应于所述第一焦物距从多个可能的视角确定多个视角包括：基于它们的相关联的焦物距的均方小于所述第一个焦物距来选择所述多个视角。
3.根据权利要求2所述的方法，其中它们的相关联的焦物距的均方通过在所述多个视角中的每个视角处扫描花费的时间来加权。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括从基于具有相关联的焦物距的所述多个可能的视角的子集扫描所述感兴趣区域中排除所述多个可能的视角的子集，所述相关联的焦物距相对于所述第二个焦物距被最小化。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个视角在选自锯齿形轨迹、螺旋形轨迹的子集和格子型空间填充轨迹中的一个所选择的扫描轨迹中实现。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个视角在是圆弧的扫描轨迹中实现。
7.根据权利要求1，其中所述多个视角在包括视角的不连续轨迹的扫描轨迹中实现。
8.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
基于所述样本内的所述感兴趣区域的位置选择所述多个视角，其中在所述多个视角与所述样本内的所述感兴趣区域的位置之间的关系允许最小化所述第一焦物距。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个视角被选择为相对于所述样本内所述感兴趣区域的位置最小化它们的相关联的焦物距。
10.根据权利要求1所述的方法，其中使用至少所述多个视角扫描所述感兴趣区域还包括来自所述多个可能的视角的一个或多个视角，所述多个可能的视角所具有的相关联的焦物距大于或等于所述第一焦物距。
11.一种用于执行计算机断层扫描的系统，所述系统包括：
平台，所述平台用于保持和移动样本；
源，所述源用于向所述样本提供x射线束；
检测器，所述检测器用于在穿过所述样本后检测至少一部分所述x射线束；以及
控制器，所述控制器至少联结到所述平台，用于控制所述平台的移动，所述控制器联结到或包括可执行代码，当由所述控制器执行时，所述可执行代码使所述系统：
基于样本的外接圆半径确定第一焦物距，所述样本包括感兴趣的区域；
基于包含所述感兴趣区域的最小圆柱体的半径确定第二焦物离；
响应于所述第一焦物距从多个可能的视角确定多个视角，其中所述多个视角中的每个视角均具有从所述感兴趣区域测量的相关联的焦物距，并且其中所述多个视角中的每一个的所述相关联的焦物距均小于所述第一焦物距且大于所述第二焦物距；以及
使用至少所述多个视角来扫描所述感兴趣区域。
12.根据权利要求11所述的系统，其中使所述控制器响应于所述第一焦物距从多个可能的视角确定多个视角的所述可执行代码还包括当由所述控制器执行时导致所述系统执行以下的可执行代码：
基于它们的相关联的焦物距的均方小于所述第一焦物距来选择所述多个视角。
13.根据权利要求12所述的方法，其中它们的相关联的焦物距的所述均方通过在所述多个视角中的每个视角处扫描所花费的时间来加权。
14.根据权利要求11所述的系统，其还包括当由所述控制器执行时使得所述系统执行以下的可执行代码：
从基于具有相关联的焦物距的所述多个可能的视角的子集扫描所述感兴趣区域中排除所述多个可能的视角的子集，所述相关联的焦物距相对于所述第二焦物距不能最小化。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个视角在从锯齿形轨迹、螺旋形轨迹的子集和格子型的空间填充轨迹中的一个中选择的扫描轨迹中实现。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个视角在是圆弧的扫描轨迹中实现。
17.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个视角在包括视角的不连续轨迹的扫描轨迹中实现。
18.根据权利要求11所述的系统，其还包括当由所述控制器执行时使得所述系统执行以下的可执行代码：
基于所述样本内的所述感兴趣区域的位置选择所述多个视角，其中在所述多个视角与所述样本内的所述感兴趣区域的位置之间的关系允许最小化所述第一焦物距。
19.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个视角被选择为相对于所述样本内所述感兴趣区域的位置最小化它们的相关联的焦物距。
20.根据权利要求11所述的系统，其中使所述控制器使用至少所述多个视角来扫描所述感兴趣区域的可执行代码包括当由所述控制器执行时使得所述系统执行以下的可执行代码：
使用来自所述多个可能的视角的一个或多个视角来扫描所述感兴趣区域，所述多个可能的视角所具有的相关联的焦物距大于或等于所述第一焦物距。
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