CN110599559B - 多能量金属伪影减少 - Google Patents
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Abstract
本公开内容涉及多能量金属伪影减少。一种用于CT图像数据(1)中的金属伪影减少的方法，CT图像数据(1)包括多个2D投影图像，2D投影图像使用不同投影几何形状来获取并且适合于重建成像对象特别是患者的体积的3D图像数据集，该方法包括具有至少一个步骤的金属伪影减少处理，其特征在于，通过使用多能量CT技术，获取与多能量范围相关联的能量分辨CT图像数据(1)，其中，在金属伪影减少处理的至少一个步骤中使用多能量技术的至少一个结果。
Description
技术领域
本发明涉及用于计算的断层摄影(CT)图像数据中的金属伪影(artefact)减少的方法和系统。本发明还涉及计算机程序，如果在计算机上执行计算机程序，则计算机程序执行本发明方法的步骤，并且本发明还涉及电子可读存储介质，其上存储有这样的计算机程序。
背景技术
用于根据通过CT系统对对象的扫描来从投影图像数据重建断层摄影图像数据集的方法通常是已知的。如果金属物品位于对象中，则由于增加的射束硬化、更多的散射辐射、部分体积效应和增加的噪声而产生强烈的图像伪影——称为金属伪影，其明显降低了重建图像的质量。
具有金属伪影的CT图像被伪影破坏，伪影可以被分成低频伪影(主要由射束硬化处理产生)和高频(HF)伪像(主要由于由光子饥饿引起的噪声增加和在存在非常“尖锐”的高衰减结构的情况下有限的空间分辨率在重建期间产生不一致/条纹的事实而产生)。
在文献中建立的并由不同供应商实现的当前方法基于被称为“归一化正弦图插值”的机制(参见，例如，Med Phys.2010年10月；37(10)：5482-93中；Meyer E、Raupach R、Lell M、Schmidt B、Kachelriess M的文章“Normalized metal artifact reduction(NMAR)in computed tomography”)来代替被金属迹线(trace)破坏的正弦图部分。然而，这些方法特别是在金属伪影在阈值处理(thresholding)期间被误认为金属对象本身的情况下或存在其它高度衰减的材料的情况下易于出错，从而实现了次优的结果。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于改善CT图像数据的金属伪影减少算法的性能特别是产生增加的图像质量的装置。
该目的通过提供根据独立权利要求的方法、系统、计算机程序和电子可读存储介质来实现。从属权利要求描述了有利的实施方式。
根据本发明，多能量信息用于改善金属伪影减少、分割或成像任务。具有分辨不同x射线光子能量的能力的CT系统在与同一对象有关的多个数据集或投影图像数据集中提供CT图像数据。例如，使用多个能量阈值来记录该类型的图像数据集，从而产生多能量扫描。在这样的多能量扫描中，光子计数探测器的数据设置有一个或更多个能量阈值，其中不同的数据子集被分配给由能量阈值分开的相应能量范围。换句话说，优选地，通过使用利用至少一个能量阈值的光子计数探测器在单次扫描中获取多能量CT图像数据。可替选地，可以通过利用不同的相应能量范围或能量谱的x射线分别扫描对象来获得与不同能量范围或能量谱有关的投影图像数据的数据集。然而，这是不太优选的，因为利用光子计数，可以在每次扫描中使用CT多能量成像信息，因此当前CT重建流水线中的算法步骤可以利用多能量信息来改善例如金属伪影减少算法的结果，如本文档中所描述的。换句话说，可以在没有显著努力的情况下获得另外的多能量信息。
这些能量分辨图像数据集具有另外的光谱信息的优点。这意味着：基于多能量的应用可以包含在重建流水线中，并且可以用作其他算法步骤如金属伪影减少的附加输入。以下基于多能量的应用可以用于改善金属伪影减少中的算法步骤，例如比如，基于“归一化正弦图插值”的金属伪影减少方法：
1.使用最佳能量阈值进行分割或成像任务。
2.使用最高阈值(即最高区段(bin)图像->最硬光谱)进行金属分割和骨骼掩模(mask)生成(最高区段由于射束硬化而具有最少的金属伪影，因此最适合于阈值处理)。
3.将光谱信息用于不同的算法步骤，例如掩模、分割或材料分类，以生成材料特定的阈值处理掩模(例如，区分骨骼和碘并在阈值处理期间对它们进行不同的处理)。多能量评估可以用于不同的阈值处理任务。
如已知的，当在投影空间中处理2D投影图像或其他信息时，这可以被称为在投影域而不是3D图像空间、图像域中处理。
根据一个实施方式，在第一步骤中，可以例如基于使用最高阈值或最高区段通过阈值处理在图像域中对金属进行分割。(例如3D)前向投影可以识别原始投影中的金属迹线。在插值之前，可以基于先前图像的(3D)前向投影来对投影进行归一化。该先前图像可以例如通过初始图像的多阈值分割例如通过使用最高阈值来获得。原始的原始数据可以被除以先前图像的投影图像数据，并且在插值之后再次被去归一化。可以执行模拟和测量以基于简单长度归一化利用线性插值和MAR将归一化的金属伪影减少(NMAR)与标准金属伪影减少(MAR)进行比较。
因此，优选地，金属伪影减少处理包括以下步骤：
——在投影域和/或图像域中分割金属区域，
——通过由金属区域中的插值数据替换投影图像数据来校正投影图像，以及
——根据如此校正的投影图像重建伪影减少的3D图像数据集。
在具体实施方式中，通过阈值处理在图像域中执行分割，其中投影图像中的金属区域由前向投影确定，并且在投影域中执行插值。这里可以采用根据现有技术的特别是关于插值步骤的任何已知MAR技术，使得这里将不详细讨论这些选项。
然而，如在本发明期间可以示出并且令人惊讶地发现的那样，能量分辨CT图像数据的最高能量范围数据子集，即“最高区段”或“最高阈值”，遇到基本上较少的金属伪影。因此，在第一具体有利的实施方式中，与最高能量范围相关联的特别是使用光子计数探测器中的最高阈值确定的CT图像数据特别是在图像域中被用于金属分割步骤。因此，如果仅使用最高能量范围的投影图像数据执行初始重建，则该初始重建将具有较少的金属伪影，基本上简化了分割的任务，使得在图像域中实现了改善的分割结果。当然，如果在成像流水线中特别是在金属伪影减少处理期间执行其他高衰减材料例如骨骼的进一步分割，则当然也可以有利地使用最高能量范围数据而不是完整的CT图像数据/投影图像数据。例如，可以基于最高能量范围数据确定高衰减材料掩模，特别是骨骼掩模。
在本发明的实施方式中，如上所述的NMAR，特别是归一化的正弦图插值，也可以用作金属伪影减少处理。亦即，优选地，在插值步骤之前，基于通过多阈值分割根据从原始获取的投影图像重建的3D初始图像确定的3D先前图像的前向投影对投影图像进行归一化，其中，在插值之后对投影图像进行去归一化。例如，先前图像可以在水样组织和骨样组织之间进行区分；然而，可以使用另外的材料和/或衰减值范围。在归一化处理中，也可以有利地使用多能量技术的结果。
优选地，在第一选项中，如上面已经说明的，根据与最高能量范围相关联的特别是使用光子计数探测器中的最高阈值确定的CT图像数据重建3D初始图像。由于这样的初始图像具有较少的伪影的事实，因此可以进行更高质量的分割以确定3D先前图像。
在另一有利选项中，被确定为多能量技术的结果的光谱信息可以在确定先前图像时用于细化(refine)多阈值分割和/或用于材料分类。例如，如果成像体积包括骨骼以及碘或高衰减材料的其他组合，则可以分析能量分辨CT图像数据，以将否则将无法区分的这样的材料进行区分。例如，可以在具有相同的一般衰减值的区域中执行多材料分解。从现有技术中已知多能量CT中的这样的材料分解。
但是同样通常地，有利的是，被确定为多能量技术的结果的光谱信息用于分割和/或材料分类步骤，例如用于材料特定阈值处理掩模的限定。特别地，如果光谱信息用于在金属和碘之间进行区分，则插值可以限于金属区域，不包括碘区域等。以这种方式，节省了重要的图像信息。
如已经讨论的，优选地通过使用利用至少一个能量阈值的光子计数探测器在单次扫描中获取多能量CT图像数据。在这样的情况下，在有利实施方式中，根据金属伪影减少处理的至少一个步骤中的多能量技术的结果的至少一次使用和/或根据至少一个成像任务信息来选择至少一个能量阈值。例如，如果要使用最高能量范围数据来更好地分割金属和/或其他高衰减材料，则可以选择阈值以允许尽可能少的伪影，但是在子集中产生足够的最高能量范围数据以允许用于分割。在另一示例中，如果已知图像体积将包含碘、金属和骨骼，则可以选择能量阈值以允许这些材料的最佳分解。通常，如果成像任务信息描述要成像的体积中的至少两种材料在重建的3D图像中具有可比较的衰减值，则可以选择能量阈值以允许这些材料的最佳分解。当然，成像任务信息还可以描述要成像的体积中的其他属性和/或获取的一般目标。例如，可以将阈值调整到患者身体的感兴趣区域。
本发明还涉及一种用于CT图像数据中的金属伪影减少的系统，包括用于评估图像数据的至少一个中央处理单元或计算机，其中根据本发明的方法在系统的中央处理单元或计算机上实现。关于方法的所有评论和意见也适用于系统。
优选地，系统是医学成像系统或包括医学成像系统。因此，本发明还可以涉及医学成像系统，例如计算断层摄影系统，其包括用于评估图像数据的中央处理单元或计算机，其中根据本发明的方法在医学成像系统的中央处理单元或计算机上实现。以这种方式，可以在已经获取投影图像的计算断层摄影设备中实现所有后处理，即特别是整个重建流水线。
根据本发明的另一实施方式，提供的是，系统的部件是网络的一部分，其中优选地，网络和提供图像数据的医学成像系统彼此通信。这样的联网解决方案可以经由因特网平台和/或在基于云的计算系统中实现。换句话说，中央处理单元或计算机可以是与医学成像系统通信的网络的一部分。
本发明还提供了一种计算机可读介质，其上存储有可以由计算机读取和执行的程序单元，以便当程序单元由计算机执行时执行根据本发明的方法及其各种实施方式的步骤。
本发明还提供了一种计算机程序产品，其具有可以由计算机读取和执行的程序单元，以便当程序单元由计算机执行时执行根据本发明的方法及其各种实施方式的步骤。
此外，提供了一种电子可读存储介质，其上存储有如上所述的计算机程序。
附图说明
本发明的进一步的细节和优点可以根据以下结合附图对详细实施方式的描述获得，在附图中：
图1示出了根据本发明的方法的实施方式的一般流程图，
图2是第一具体实施方式的流程图，
图3是第二具体实施方式的流程图，
图4是医学成像系统的原理图，以及
图5示出了根据本发明的系统的计算机的功能结构。
具体实施方式
在下文中，描述了用于在患者的成像体积的CT图像数据中改善金属伪影减少(MAR)的实施方式。这些实施方式利用了使用具有光子计数探测器的计算断层摄影设备的事实，该计算断层摄影设备因此可以被控制以根据限定至少两个能量范围的能量阈值来获取能量分辨CT图像数据。根据光子的能量对单光子事件进行计数。
图1示出了总体概述。在步骤S1中，使用不同的投影几何形状例如沿着圆形获取轨迹的不同投影角度来获取2D投影图像。对于该成像处理，在步骤S2中，确定用于光子计数探测器的能量阈值，其最适合于后处理/重建流水线。例如，如果已知成像体积包括金属、碘和骨骼，则可以选择能量阈值并因此选择能量范围，使得这些材料的材料分解具有最佳的分离性能。在其他情况下或另外地，可以选择至少最高能量阈值，使得在仅使用最高能量范围数据的3D重建中存在尽可能少的伪影，同时仍然提供足够的图像质量，使得可以执行特别是金属区域的可靠的分割。
因此，所得到的CT图像数据1包括子集2、3，子集2、3包含针对各个能量范围的能量范围数据。虽然在该示例中，出于简化的原因，仅示出了两个能量范围并且因此示出了两个子集2、3，但是当然可以存在另外的能量阈值并且因此存在限定和使用的能量范围。
在步骤S3中，执行根据CT图像数据1的2D投影图像重建3D图像数据集。作为该重建流水线的一部分，在步骤S4中执行金属伪影减少处理。该金属伪影减少处理的至少一个步骤使用所采用的多能量技术的结果来改善伪影减少，如从子集2、3发出的连接箭头4所示。
图2和图3示出了重建流水线和金属伪影减少的两个具体实施方式。
在图2的实施方式中，示出了常规的插值(没有归一化)。在步骤S5中，使用例如滤波反投影(FBP)，根据所获取的与最高能量范围相关联的投影图像的投影图像数据确定初始3D重建或3D初始图像，在这种情况下，例如是子集3(也可以称为“最高能量范围数据”)。由于射束硬化，该3D初始图像包含显著较少的金属伪影。
在步骤S6中，例如通过简单的阈值处理，在3D初始图像中分割金属区域，其通过稀疏性或甚至不存在伪影来实现。如果成像体积还包含碘或具有与金属的衰减值相当的衰减值的其他材料，则能量分辨CT图像数据1，特别是子集2、3，也可以用于允许区分这些材料的材料分解步骤，使得产生仅金属掩模。
在步骤S7中，使用投影图像的投影几何形状向前投影金属区域以产生投影域中的金属区域，使得在步骤S8中，可以去除这些金属区域中的投影图像数据，可以添加插值的新数据，使得产生校正的投影图像。在步骤S9中，使用校正的投影图像重建3D图像数据集。
图3示出了使用归一化金属伪影减少作为金属伪影减少处理的实施方式，其也可以称为“归一化正弦图插值”。关于一般概念，请参考最初引用的文章。
这里，步骤S5、S6和S7如关于图2所描述的并且在投影域中产生金属区域，然而，在插值(步骤S8)发生之前，在步骤S10中通过多阈值处理根据3D初始图像或另外的3D初始图像(在这种情况下，优选地，其使用所有子集2、3的投影图像数据来重建)确定先前图像，在这种情况下将骨骼与水当量组织(water-equivalent tissue)区分开。评估子集2、3的材料分解可以再次用于将骨骼与碘或具有相当衰减的其他材料区分开。例如，造影剂如碘会被归类为骨骼，最终的校正结果可能会具有较差的图像质量。使用多能量技术，这里将能量阈值应用于光子计数探测器允许光谱分析以从在步骤S10中确定先前图像排除碘或其他造影剂。具体地，可以使用多材料分解例如将“碘”或“骨骼”分配给3D初始图像的各个体素(voxel)来计算分类掩模。
在步骤S11中，使用投影图像的投影几何形状也向前投影先前图像，以产生2D归一化图像。然后在步骤S12中使用它们，以通过将原始投影图像以像素方式(pixel-wise)除以各个归一化图像来对投影图像进行归一化。
在步骤S7中确定的投影域的金属区域中的插值使用归一化的2D图像在步骤S8'中进行，如上面引用的E.Meyer等人的文章中所描述的。在插值之后，在步骤S13中，使用在步骤S11中确定的2D归一化图像在这种情况下使用乘法对经校正的归一化2D图像进行去归一化。结果是校正的投影图像，其可以在步骤S9'中再次用于重建伪影减少的3D图像数据集。
在图4中，示出了医学成像系统的原理图，在这种情况下医学成像系统是计算机断层摄影系统5。计算机断层摄影设备包括机架6，其中可移动地安装有x射线源7和x射线探测器8。X射线探测器8是光子计数探测器。计算机断层摄影系统还包括计算机9作为控制装置，计算机9被配置成执行根据本发明的方法，特别是如上面参照图1至图3所描述的方法。
应注意，在根据本发明的用于金属伪影减少的系统的另一实施方式中，计算机还可以设置在计算断层摄影系统5的外部，例如作为与医学成像系统通信的网络的一部分。
图5示出了根据本发明的系统的计算机(在这种情况下计算机9)的示例性功能结构。
如现有技术中已知的，计算机9包括：用于执行如步骤S5和S9、S9'中的三维重建的重建单元10、用于执行步骤S6的金属分割单元11、用于如步骤S7和S11中的向前投影的前向投影单元12、在步骤S8、S8'中使用的插值单元13、可选地分别用于步骤S10、S12和S13的先前图像确定单元14和归一化单元15以及利用计算断层摄影系统5控制X射线数据的获取尤其是步骤S1中的能量分辨CT图像数据的获取的获取单元16。在调整单元17中，可以根据步骤S2选择合适的能量阈值。
计算机9还包括补充单元18，如所描述的，其适用于将多能量技术的结果应用于步骤S6和/或S10以及可选的其他步骤。在这种情况下，补充单元18可以是材料分解单元或包括材料分解单元。另外地或可替选地，补充单元可以在步骤S5中和/或在步骤S10之前将通过重建单元10的重建限制为最高能量范围数据。
尽管已经参考优选实施方式详细描述了本发明，但是本发明不限于公开示例，根据公开示例，本领域技术人员能够在不脱离本发明的范围的情况下得出其他变型。
Claims (17)
1.一种用于CT图像数据(1)中的金属伪影减少的方法，所述CT图像数据(1)包括多个2D投影图像，所述2D投影图像使用不同的投影几何形状来获取并且适合于重建成像对象的体积的3D图像数据集，所述方法包括具有至少一个步骤的金属伪影减少处理，
其特征在于，通过使用多能量CT技术，获取与多能量范围相关联的能量分辨CT图像数据(1)，其中，在所述金属伪影减少处理的至少一个步骤中使用所述多能量技术的至少一个结果，
其中，所述金属伪影减少处理包括以下步骤：
——在投影域和/或图像域中分割金属区域，
——通过由所述金属区域中的插值数据替换投影图像数据来校正所述投影图像，以及
——根据所校正的投影图像重建伪影减少的3D图像数据集，
其中，在插值步骤之前，基于3D先前图像的前向投影对所述投影图像进行归一化，所述3D先前图像通过多阈值分割根据从原始获取的投影图像重建的3D初始图像来确定，并且
其中，根据与最高能量范围相关联的CT图像数据(1)重建所述3D初始图像，以及/或者被确定为所述多能量技术的结果的光谱信息用于在确定所述先前图像时细化所述多阈值分割和/或材料分类。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成像对象是患者。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CT图像数据(1)使用光子计数探测器中的最高阈值来确定。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过阈值处理在所述图像域中执行所述分割，其中，所述投影图像中的所述金属区域由前向投影确定，并且在所述投影域中执行插值。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，与最高能量范围相关联的CT图像数据(1)被用于金属分割步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述CT图像数据(1)在所述图像域中被用于金属分割步骤。
7.根据权利要求1至4以及6中任一项所述的方法，其特征在于，在插值之后对所述投影图像进行去归一化。
8.根据权利要求1至4以及6中的任一项所述的方法，其特征在于，被确定为所述多能量技术的结果的光谱信息用于分割和/或材料分类步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光谱信息用于限定针对特定材料进行阈值处理的掩模。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光谱信息用于在金属和碘以及/或者骨骼和碘之间进行区分。
11.根据权利要求1至4、6、9和10中的任一项所述的方法，其特征在于，通过使用利用至少一个能量阈值的光子计数探测器来在单次扫描中获取所述能量分辨CT图像数据(1)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，根据所述金属伪影减少处理的至少一个步骤中的所述多能量技术的结果的至少一次使用和/或根据至少一个成像任务信息来选择所述至少一个能量阈值。
13.一种用于CT图像数据中的金属伪影减少的系统，包括用于评估图像数据的至少一个中央处理单元或计算机(9)，其中，根据前述权利要求中的一项所述的方法在所述系统的所述中央处理单元或所述计算机(9)上实现。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述系统是医学成像系统或包括医学成像系统。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述医学成像系统是计算断层摄影系统(5)。
16.根据权利要求14或15所述的系统，其中，所述中央处理单元或所述计算机(9)是与所述医学成像系统通信的网络的一部分。
17.一种电子可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序包括能够由计算机读取和执行的程序单元，以便当所述程序单元由所述计算机执行时执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的步骤。
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