CN1196227A - 减少分体积图像赝像的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明形式上是运用一个分体积赝像计算算法,来提高计算机层析X射线摄影系统中图像质量的一种方法。根据算法的一个实施例,对研究对象进行扫描,并生成图像数据。图像数据被进行分段处理,分成为低衰减数据和高衰减数据。之后,生成了图像数据两个相邻切片的一个梯度图像。然后,对梯度图象进行正向投影和平方运算。平方后的梯度图像即是图像数据中分体积赝像的一个计算值,并因此可将其从图象数据中分解出来。

Description

减少分体积图像赝像的方法及装置

本发明总的来说，涉及计算机层析X射线摄影(CT)成像，尤其涉及减少由扫描数据而再现的图像的分体积赝像。

在至少一个已知的CT系统配置中，X射线源射出一束扇形光束，该扇形光束经校准后落在一个直角坐标系的X-Y平面内，此平面通常被称作“成像平面”。X射线光束穿过被成像对象，如一个病人。光束经被成像对象衰减后，射到一个辐射探测器阵列上。该探测器阵列接收到的、经过衰减的光束辐射强度取决于被成像对象对X射线的衰减量。该阵列的每个探测器元件都会产生一个不同的电信号，每个电信号即是该探测器位置处光束衰减量的测量结果。分别采集来自所有探测器的衰减量测量结果可产生一个发射分布图。

在已知的第三代CT系统中，X射线源和探测器阵列与一个机架一起，在成像平面内并绕被成像对象旋转，因此X射线束穿过成像对象的角度恒定地变化。一组X射线衰减量测量值，即在某一机架角度时，来自探测器阵列的投影数据被称作一个“断层像”。一个对象的“扫描”应包括X射线源和探测器旋转一周期间在不同的机架角度时所形成的一组断层像。在轴向扫描时，投影数据经过处理后可生成一个图像，此图像对应的是透过被成像对象的一个二维切片。

由一组投影数据而再现出一个图像的方法，在本领域内被称作滤波背投影技术。此技术可将来自一扫描过程的衰减测量结果转换为称作“CT数目”或“一单元”的整数，这些整数可用来调整阴极射线管显示器上相应的象素的亮度。

为了降低多个切片所需要的整个扫描时间，可进行“螺旋”扫描。要完成“螺旋”扫描，需移动病人，来获取上面所述数目的切片数据。这样的一个系统，由一个扇束螺旋扫描便会产生一个唯一的螺旋线，由整个扇束映射出的螺旋线便生成了投影数据，由此投影数据可再现每个所述切片的图像。除了可降低扫描时间之外，螺旋扫描还有其它优点，如提高的图像质量以及较好的对比度控制。

在螺旋扫描中，如上所介绍的，在每个切片位置上只收集一个断层数据。为了再现一个切片图像，切片的其他断层数据是根据其他断层上收集的数据而产生的。螺旋再现算法已是公知的，并已被C.Crawford和K.King在“在移动病人的同时进行计算机层析X射线摄影扫描”Med.phys.17(6)，11/12 1990中进行了描述。

在扫描期间，已知X射线束可沿Z轴方向扩散，并形成一个“扫描平面”。对于每个图像切片，被成像对象通常只是部分地侵入到扫描平面上。特别是，成像对象只是部分地受到X射线束的照射，因此造成了在投影数据上的不一致。当再现一个特定的切片的图像时，这些不一致就会在生成的图像中产生不正确的CT数目、条纹以及其他赝像。当切片厚度增大时，部分侵入的可能性也就会增加。由部分侵入而产生的图像误差通常被称作“分体积赝像”。

为了减少分体积赝像，操作人员一般必须选择厚度足够小的切片，以保证通过切片的衰减特性恒定，即保证被成像对象不会部分地侵入到扫描平面上。然而薄的切片一般需要足够长的扫描时间和X射线管的冷却延迟。相反，较厚一些的切片更适合于提高X射线光通量。因此，在允许用较厚一些的切片的同时，又能够减少分体积赝像，是很有必要的。

减少分体积赝像的另一公知的方法，其中包括在扫描期间改变X射线源校准仪。例如，当扫描一个几乎无骨结构的区域时，可以使用能够提供10mm切片厚度的一个10mm校准仪。而当扫描一个多骨结构的区域时，可以使用能够提供3mm切片厚度的一个3mm校准仪。此方法既费时又麻烦。而且，此方法在扫描相邻的不同的区域时既不实际也没有效率。

另外一种减少分体积赝像的已知的方法，其中包括内插多个切片数据。特别是，要计算相邻的切片之间的轴向变化量。被成像的切片再被细分成三个子切片。计算出的变化量被送到子切片以减少被成像切片的分体积赝像。然而这种方法不总是精确的，而且这种方法也很麻烦。

另外一种已知的方法，是将几个薄切片结合起来，产生一个单一的图像。每个薄切片都要选择地足够得小，以避免分体积赝像。图像在投影区域或图像区域内结合起来，或者加起来。尽管这种方法在减少分体积赝像方面相对较好，但这种方法大大地降低了CT系统的效率和检查病人的效率。

所需要的当然是，在不降低CT系统效率的情况下，而又能够减少分体积赝像。同样，能够减少分体积赝像，而又不影响图像的分辩率，也是很必要的。

实际上，通过从由扫描数据而再现的对象图像中分解出分体积赝像而不降低图像的分辩率的方法和装置可以达到这些以及其他的目的。根据一个实施例，对成像对象进行扫描，并生成对象的至少两个切片的投影数据。此投影数据经过处理后可生成每个切片的图像数据。每个切片的图像数据被进行滤波，并去掉低衰减区域。此滤波是通过将数据进行分段处理分成两部分来完成的，一部分被称作低衰减部分，另一部分被称作高衰减部分。这种分段处理可利用临界灰度法来完成。

在如上所述的、对每个切片的图像数据进行滤波后，利用两个切片的图像数据就会生成一个梯度图像。然后此梯度图像经过正向投影和平方运算，计算出分体积误差。在显示该图像之前，将此计算出的分体积误差从要显示的图像中分解出来。

利用上述算法，在不降低CT系统效率的情况下即可减少分体积赝像。此外还能保持图像的分辩率。

图1是CT成像系统的一个示意图。

图2是图1所示系统的一个方框示意图。

图3是X射线源、探测器以及一个部分地侵入研究对象的一个示意图。

图4图示了根据本发明的一个实施例所执行的步骤顺序。

图5图示了根据本发明的一个实施例、在衰减变化计算期间所执行的步骤顺序。

参见图1和2，一个计算机层析X射线摄影(CT)成像系统10如图所示，代表一个“第三代”CT扫描仪，包括一个机架12。机架12具有一个X-射线源14，可向机架12另一侧的探测器阵列18射出一束X射线16。X射线束由一个校准仪(未示出)进行准直校正后，落在直角坐标系的一个X-Y平面内，该平面通常被称为“成像平面”。探测器阵列18由探测器元件20构成，所述的探测器元件可一起感应穿过病人22而射出的X射线。每个探测器元件20都产生一个电信号，该电信号可表示照射的X射线束的强度以及光束穿过病人22后的衰减量。在扫描期间，要获得X-射线投影数据，机架12及其上安装的组件需绕一个旋转中心24进行旋转。

机架12的旋转以及X-射线源14的操作，由CT系统10的一个控制机构26进行控制。控制机构26包括：一个X射线控制器28，它向X射线源14提供电源及定时信号；和一个机架电机控制器30，它可控制机架12的转速和位置。控制机构26中的数据采集系统(DAS)32可对探测器元件20进行模拟数据采样，并将此采样数据转换成可进行后续处理的数字信号数据。一个显像管34接收来自DAS 32的经过采样以及数字化的X射线数据，并进行高速图像再现。再现的图像被输入计算机36，计算机36将图像保存在一个大容量存储器38中。

计算机36同时也接收由操作人员经由带有键盘的操作台40发出的命令及扫描数据。相应的阴极射线管显示器42使操作人员可观察到再现的图像以及来自计算机36的其他数据。计算机36利用操作人员提供的命令和参数，向DAS32、X射线控制器28以及机架电机控制器30提供控制信号和信息。此外，计算机36还控制一个工作台电机控制器44，该控制器44可控制电动的工作台46，以使病人22在机架12内进行定位。特别是，工作台46可将病人22部分地移入机架的开口48内。

下述关于减少图像赝像的说明有时是特指轴向扫描。而赝像减少算法并不仅限于在轴向扫描中运用，也可用于其他扫描如螺旋扫描中。应进一步理解，算法是在计算机36内实现的，并将处理例如保存在大容量存储器38内的图像数据；另外，算法也可在显像管34内实现并将经过滤波的图像数据提供给计算机36。其他可行的实现方法当然也是可能的。

图3是X射线源14、探测器阵列18和部分侵入的研究对象50的一个示意图。研究对象50，典型地来说，是正接受扫描的病人22的一部分。X射线源14发出的射线束16以β角射向研究对象50和探测器阵列18。X射线束16以等角点52为中心沿Z轴方向发散，并形成一个“扫描平面”54。射到探测器阵列18上的X射线束16的发散量在此被称作“切片厚度”。

如图3所示，X射线束16仅穿过研究对象50的一部分，即研究对象50“部分地侵入”到扫描平面54上。如上所述，此部分侵入物可在研究对象50的切片图像中产生误差并造成赝影。此外，部分侵入物的范围与角度有关。尤其是，在角度为β+π时，研究对象50更靠近X射线源16，因此，研究对象50的一较小的部分就会部分地侵入扫描平面54(如图3中的虚像所示)。这种对角度的要求使得研究对象50在扫描期间所获得的投影数据不一致。这些不一致，如上所述，造成了研究对象的最终图像中存在分体积赝像。

研究对象50一般来说，具有一个衰减分布μ(x，y，z)，所扫描的切片厚度为h。假设Z轴与扫描平面垂直，并且自X射线源14射出的X射线通量在Z上近似相等。则研究对象50在切片厚度h上的衰减量的平均线性积分可由下式来表示： $\mathrm{Pav}=1/h{{\∫}^h}_{0}P\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(1\right)$

其中，P(z)是在高度Z处通过平面的衰减量分布的理想线性积分，表示如下：

P(z)＝∫μ(x，y，z)ds                    (2)

由下面等式可近似得出一个所要测得的线性积分，Pm： $\mathrm{Pm}=\mathrm{Pav}-1/2h{{\∫}^h}_0[P\left(z\right)-\mathrm{Pav}{]}^2\mathrm{dz}---\left(3\right)$

由等式(3)可以看出，分体积误差的大小，与研究对象50在Z处时的衰减分布变化的平方近似成比例。也可看出，分体积误差的量与切片厚度h有关。而且，还可看出，公式中研究对象50具有两种不同的物质，而最大的分体积误差出现在z中每种物质大约各占1/2的空间处。

如上所述，已知的减少分体积赝像或分体积误差的方法，包括降低扫描中所用的切片厚度h。尽管这些方法通常来说都很成功，但他们同时会增加扫描研究对象50所需要的时间，并带来一定的延迟，例如管的冷却延迟。这些方法因此也会降低病人的检查率。

根据本发明的一个实施例，可通过计算研究对象50的衰减量变化、并根据计算出的衰减量变化、从图像中分解出分体积赝像，来减少分体积赝像。特别是，参见图4，本算法56可以计算出研究对象50的衰减量变化，而且根据该衰减量变化计算结果56，算法58可以计算出分体积误差、或分体积赝像。之后，减去计算出的分体积误差，从而可生成一个分体积已修正的图像。

参见图5，对于衰减量变化计算56，在60中对研究对象50进行轴向扫描，并获得投影数据。特别是，在60中扫描研究对象50要获得至少两个切片的投影数据。之后，经过62再现可生成每个切片的图像数据。关于图像再现，许多图像再现算法已是公知的，并且一些公知的算法已经被用于一些可应用的CT机中。本算法可与许多这种再现算法共同应用，并非只指或只限于与某一特殊的图像再现算法共同应用。

由62轴向再现后，由64对所得到的图像数据进行滤波，以去掉低衰减区域。此滤波作用64是通过将图像数据分成两个数据段来完成的。特别是，生成了一个低衰减部分66和一个高衰减部分68。这种数据分段处理，在一个实施例中，是利用灰度临界法来完成的。灰度临界法指的是将CT数目与一个预定范围值、即一个临界值相比较，并根据相应的CT数是高于还是低于临界值，而将每个CT数分配到一个特殊的部分中的过程。关于灰度临界法的进一步详细说明，在已转让给本受让人的美国专利号54003771-应用贯穿平面的射线的层析X射线摄影图像再现中赝像的减少方法中已有所陈述。临界值，例如，可以是200HU，CT数低于临界值的每个图像数据部分可被置为0。临界法例如可由计算机36来完成。

由64对图像数据进行滤波作用之后，便可生成一个梯度图像70。特别是，至少在两个相邻的切片之间，可生成一个梯度图像，以识别出研究对象50经过切片的变化量。相邻切片之间的差别越大，在研究对象50的最终图像中便越有可能存在分体积赝像。

在识别了经过切片后的变化量之后，可由58根据等式(3)计算出分体积赝像。特别是，如上所述，分体积赝像与研究对象50衰减变化量的平方近似成比例。因此，可通过对梯度图像正向投影、并对此正向投影进行平方运算，来计算研究对象50的分体积赝像。正向投影技术是公知的，而且许多该项技术都可与本算法一起应用。由于分体积赝像本身一般频率较低，所以正向投影的平滑特性相信不会有损于本算法的性能。

之后，在显示该图像之前，将此计算出的分体积赝像从图像中分解出来。特别是，假设要显示的是研究对象50的一个预期的图像。梯度图像投影经过处理，可生成一个“只有赝像”的图像。只有赝像的图像仅仅包括计算出的分体积赝像。此种处理方法可根据传统的CT再现来完成。于是此只有赝像的图像被进行度量并从原始图像中除去，从而可生成一个已修正的分体积图像。之后在显示器42(图2)上显示此已修正的分体积图像。

上述的算法是结合轴向扫描来进行描述的。此算法也可结合用于如螺旋扫描中。用于螺旋扫描中时，不需额外的数据采集就会生成部分叠加的图像，并且可以相信，能够在更精确的步骤中生成一个梯度图像。例如，如果用10mm的校准仪来完成轴向扫描，则相邻的切片可能会有大约5mm的间隔。然而对于一个1∶1间距的螺旋扫描来说，其中工作台每旋转一周，工作台便会上升10mm，便会生成大约1mm间隔的图像。因此，应当相信，由螺旋扫描生成的梯度图像，具有更好一些的分体积赝像计算值。

上面所述的算法通过对梯度图像投影进行平方来计算分体积赝像。然而也可使用高级的修正方法，如立方或5次幂。与此相似，参数，如图像尺寸、一个投影中的断层像的数目，以及投影的尺寸，都可以改变，以使分体积赝像计算的运算率和准确性之间有所协调。

上面所述的算法通过对梯度图像投影进行处理，来分解出分体积赝像，从而生成了一个“只有赝像”的图像，然后，从原始图像中除去“只有赝像”的图像。然而，根据本发明的另一个实施例，分体积赝像可由原始投影数据中而不是原始图像中分解出。特别是，对经过平方运算的梯度图像投影进行换算并将其从一个初始投影中除去，从而生成一个实际上“没有赝像”的投影数据。此“没有赝像”的投影数据经过处理后，可生成一个已修正的分体积图像，可在显示器42(图2)上显示出来。

由前面所描述的本发明的各个不同的实施例，很明显可以达到本发明的目的。尽管本发明已经详细地进行了描述和图解，但也应清楚地知道，利用图解方式和只通过举例方式意在说明本发明，并不以此作为限制。例如，尽管在此处所述的CT系统是“第三代”系统，但许多其他系统，如“第四代”系统也可使用。此外，此处所述的算法是结合轴向扫描来完成的。然而，此算法也可结合螺旋扫描来完成。而且，尽管此处所确定的临界值是200HU，其他的临界值也是可用的。因此，本发明的精神和范围只受附加的权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种减少对象扫描数据中分体积赝像的方法，扫描数据是在层析X射线摄影扫描过程中收集的，所述方法的特征在于，它包括下列步骤：

计算对象的衰减变化量；和

用计算出的衰减变化量计算分体积误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括从对象扫描数据消除所计算出的分体积误差的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，计算出的分体积误差的消除包括产生仅赝像的图像的步骤。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对象衰减变化量的计算包括下列步骤：

扫描对象，以便取得对象的至少两切片的投影数据；

处理所取得的投影数据，以产生至少两切片的图像数据；

对所述产生的各切片的图象数据进行滤波；以及

产生梯度图像。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所产生图像数据的筛选包括将所产生图像数据分段成小衰减量图像数据和大衰减量图像数据的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所产生图像数据的分段是用灰度阈值转换法进行的。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对象的扫描是用轴向扫描进行的。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对象的扫描是用螺旋扫描进行的。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，分体积误差的计算包括下列步骤：

正向投影梯度图像；

对正向投影出的梯度图像进行平方运算。

10.一种减少对象扫描数据中分体积赝像的系统，扫描数据是在层析X射线摄影扫描过程中收集的，所述系统的特征在于，系统配置成可以：

计算对象的衰减变化量；并

用计算出衰减变化量计算分体积误差。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，系统还配置成可以从对象扫描数据消除计算出的分体积误差。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，为消除计算出的分体积误差，所述系统配置得使其产生仅赝像的图像。

13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，为计算对象的衰减变化量，所述系统还配置成可以：

扫描对象，以取得对象的至少两切片的投影数据；

处理所取得的数据以产生至少两切片的图像数据；

对所产生的各切片的图象数据进行滤波；以及

产生梯度图像。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，为筛选所产生的图像数据，所述系统配置成可以将所产生的图像数据分段成小衰减量图像数据和大衰减图像数据。

15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述系统配置成可以进行轴向扫描。

16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述系统配置成可以进行螺旋扫描。

17.如权利要求13所述的系统，其特征在于，为计算分体积误差，所述系统还配置成可以：

正向投影梯度图像；并

对正向投影出的梯度图像进行平方运算。

18.一种用于从对象扫描数据产生对象的层析X射线摄影扫描图像的系统，所述系统有一个X射线源和一个检测器，所述检测器具有多个检测元件，所述系统从对象的扫描数据消除分体积膺像，且配置成可以：

计算对象的衰减变化量；且

用计算出的衰减变化量计算分体积误差。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，为计算对象的衰减变化量，所述系统还配置成可以：

扫描对象以取得对象的至少两切片的投影数据；

处理所取得的投影数据以产生至少两切片的图像数据；

对所产生的各切片的图象数据进行滤波；以及

产生梯度图像。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，系统还配置成可以进行轴向扫描。

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