CN1198537C - 对对象进行计算机断层成像的方法 - Google Patents

Abstract

在本发明的一方面中，提供一种对对象(22)进行计算机X射线断层(CT)成像的方法，该方法包括如下步骤：应用CT成像系统(10)扫描对象以采集包括对象的投影采样的视图；在所选择的视图范围内对视图进行非均匀地插值以产生非均匀地插值的视图；对视图进行加权，包括对所采集的视图和非均匀地插值的视图都进行加权，以补偿非均匀的插值；以及对视图进行滤波和背向投影以产生对象的图象。因此通过降低视混叠假像但同时空间分辨率不会减低到临床上不可接收的水平来改善了CT成像。

Description

对对象进行计算机断层成像的方法

技术领域

本发明涉及一种断层成像，更具体地说涉及在计算机断层成像中降低混叠假像的方法和装置。

背景技术

在至少一种已知的计算机断层(CT)成像系统结构中，X-射线源投射出扇形束，这种扇形束经准直后位于笛卡儿坐标系统的X-Y平面中，通常称之为“成像平面”。X-射线束穿过所成像的对象比如患者。在被对象衰减后的射线束辐射到辐射检测器阵列上。检测器所接收的被衰减的束的辐射强度取决于对象对X-射线的衰减情况。阵列的每个检测器元件分别产生电信号，该电信号为射线束在该检测器位置上的束衰减的测量值。分别采集来自所有检测器的衰减测量值以得到透射断层图像。

在已知的第三代CT系统中，X-射线源和检测器阵列都在成像平面内围绕要成像的对象与台架一起旋转，以使X-射线与对象相交的角度恒定地变化。在台架上的某一角度上来自检测器阵列的一组X-射线衰减测量值(即投影数据(projection data))称为一个“视图(view)”。在X-射线源和检测器旋转一圈的过程中对对象的一次“扫描”包括在不同台架角度(或称为视角)上得到的一系列视图。在轴向扫描中，处理投影数据以构造与从对象中抽起的两维片层相对应的图像。在本领域中将从一系列的投影数据中重构图像的方法称为滤波背向投影技术。这种方法将扫描所得的衰减测量值转换成称为“CT数”或“Houndsfield单元”的整数，应用这种整数来控制在阴极射线管显示器上的相应像素的亮度。

至少有一种公知的CT成像系统可以应用，这种系统将台架旋转一圈为0.8s的速率和1230Hz的数据采集系统(DAS)采样速率相结合。因此，投影采样速率为台架每旋转一圈采样984个视图。理论上、实验上以及临床研究上都已表明，从混叠的观点上看这种采样速率接近下限。比较理想的是将扫描速率增加到至少台架每旋转一圈为0.5s以减少运动假象并降低成像的次数，但这样做将要求更高的采样速率。然而，硬件局限性限制了采样速率。例如，硬件和软件的限制都将DAS采样速率限制在1408Hz。对于0.5s的扫描，在这种系统中台架每旋转一圈可得到704个视图，与台架每旋转一圈得到984个视图的系统相比降低了28.5％。如果不进行正确的补偿，将会导致视图混叠假象比如条纹。大家都知道这种混叠假象对于放射科医师来说是丝毫不能容忍的。

因为假像导致降低了视图采样速率，试图在视图方向上增加在应用插值重构过程中的视图的数量似乎合乎逻辑。例如，对所采集的数组以2:1扩展可以将所采集的视图数量从704增加到1408。然而，因为视图插值通常是一种低通滤波处理，所以这种方法将导致极大地降低空间分辨率。仿真实验表明空间分辨率的降低可能达到在临床上不可接收的程度。

因此，理想的是提供一种能够降低视图混叠假像但在临床上空间分辨率没有不可接收地降低的CT成像方法和装置。

发明内容

因此，在本发明的一个实施例中，提供一种对对象进行计算机X射线断层(CT)成像的方法，该方法包括如下步骤：应用CT成像系统扫描对象以采集包括对象的投影采样的视图；在所选择的视图范围内对视图进行非均匀地插值以产生非均匀地插值的视图；对该视图进行加权，包括对所采集的视图和非均匀地插值的视图进行加权，以补偿非均匀的插值；以及对该视图进行滤波和背向投影以产生对象的图象。

因此，在本实施例中通过降低视图混叠假像但同时空间分辨率不会减低到临床上不可接收的水平来改进CT成像。

附图说明

图1所示为CT成像系统示意图。

图2所示为在附图1中所示的系统的方决示意图。

具体实施方式

参考图1和2，所示的计算机断层(CT)成像系统10包括代表“第三代”CT扫描器的台架12。台架12具有朝在台架12的对面上的检测器阵列18投射X-射线束16的X-射线源14。检测器元件20形成检测器阵列18，这些检测器元件一起感测穿过对象12(例如内科病人)的投射X-射线。检测器阵列18可以制成单片结构或多片结构。每个检测器元件20产生表示辐照的X-射线束和当它穿过病人22时该X-射线束的衰减的强度的电信号。在采集投影数据的扫描的过程中，台架12和所安装的部件围绕转轴中心24转动。

CT系统10的控制机构26控制着台架12的转动和X-射线源14的运行。控制机构26包括给X-射线源14提供功率和时序信号的X-射线控制器28和控制台架12的转速和位置的台架马达控制器30。在控制机构26中的数据采集系统(DAS)32采集来自检测器元件20的模拟数据并将该数据转换为随后处理的数字数据。图像重构器34从DAS 32中接收所采样并数字化的数据，并进行高速图像重构。将所重构的图像输出到计算机36，该计算机36将图像存储在大容量存储设备38中。

计算机36还接收操作者经过具有键盘的控制台40输入的指令和扫描参数。相应的阴极射线管显示器42允许操作者观察所重构的图像以及其它来自计算机36的数据。计算机36执行操作者所输入的指令和参数并给DAS 32、X-射线控制器28和台架马达控制器30提供控制信号和信息。此外，计算机36操作控制机动化的工作台46的工作台马达控制器44，以将病人22定位在台架12中。具体地说，工作台46将病人22的一部分移过台架开口48。

由于视图条件大致与对象距CT的等角点的距离成比例，所以大多数的临床混叠假像出现在致密的对象位于视域的外部区域附近时。在人体中，产生假像的致密的对象主要朝水平方向。例如，患者22的肩胛骨50，当对患者进行扫描时肩胛骨一般朝水平方向，它通常产生混叠条纹。理想的是在最经常产生混叠的方向上最大地降低混叠，而在混叠很少产生的方向上最小地降低混叠。这种混叠降低设置在降低混叠假像和降低空间分辨率之间能够很好地进行折衷。

因此，在本发明的一个实施例中，应用CT成像系统10对对象22例如患者进行扫描以采集包括对象22的投影采样的视图。通过图象重构器34将这些视图进一步处理为通过计算机存储在存储装置38中的图象以在CRT显示器42上查看。(由于存在多种设计选择，在这些选择方案中执行在各种CT成像系统10中的图象分布处理，因此可以理解的是本发明并不限制在通过具体的图象重构器34执行所有的处理的实施例中)。这种处理包括如下的步骤：在所选择的视图范围中对对象的视图进行非均匀地插值以得到非均匀地插值的视图；对该视图进行加权包括对非均匀地插值的视图和所采集的视图进行加权以补偿非均匀的插值；以及对视图进行滤波和背向投影以产生对象的图像。

在[0.5π-β₀-β₁，0.5π+β₀+β₁]和[1.5π-β₀-β₁，1.5π+β₀+β₁]的视图范围中进行视图插值，这里β₀和β₁是参数。在一个实施例中，参数β₀和β₁都等于0.357弧度(20.45)并且在临床阶段中可更改。许多视图插值模式都合适。例如，在一个实施例中应用普通的拉格朗日插值。一组投影采样p(γ，β_i)位于视角β_i处，这里γ是投影扇形角，i＝，......，N，N是在该采样组中的视角数量。在位置β处的估计投影p’(γ，β)可以写为：

$p^{\′}(\mathrm{\γ},\mathrm{\β})=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ξp}(\mathrm{\γ},{\mathrm{\β}}_i),$

这里：

$\mathrm{\ξ}=\frac{\underset{\∀k\≠i}{\∏}(\mathrm{\β}-{\mathrm{\β}}_k)}{\underset{\∀k\≠i}{\∏}({\mathrm{\β}}_i-{\mathrm{\β}}_k)},$

有利地是一种拉格朗日插值(例如，在一个实施例中所应用的四阶拉格朗日插值)保留在β＝β_i时的原始数据采样。为避免在插值范围的边界附近的锐过渡产生的条纹假像，在经滤波背向投影处理之前以下面所示的函数对经插值的视图进行加权：

这里β_c＝0.5π或β_c＝1.5π，其取决于插值的投影区；

α是参数，在一个实施例中α等于0.25；

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\β}-({\mathrm{\β}}_c-{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1)}{{\mathrm{\β}}_1};$ 和

$\mathrm{\ψ}=\frac{\mathrm{\β}-({\mathrm{\β}}_c+{\mathrm{\β}}_0)}{{\mathrm{\β}}_1},$

因为在整个2π的范围上投影采样是非均匀地插值，所以射线采样模式不再是均匀的。更具体地说，对于每个射线通路增加了在进行插值的区域中的采样密度。因此，需要提供适当的补偿以降低黑斑假像。

为补偿非均匀的采样，应用在扇形束几何结构中存在的共轭采样对。对于2π的投影角度，两个采样(γ，β)和(-γ，β+π-2γ)是冗余的，它们表示相同的射线路径的采样。通过给插值的视图的共扼采样提供适当的权重，所有采样的整体贡献保持恒定。更具体地说，共扼采样的贡献降低相同的量以确保保持整体均匀性。在进行经滤波背向投影之前通过函数w(γ，β)对所采集的投影进行加权。为便于引用，应用Г表示w’(γ，β)所应用的区域。在Г之外，w’(γ，β)＝1，否则w’(γ，β)为：

这里β_c＝0.5π或β_c＝1.5π，取决于插值的投影区；

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{\mathrm{\β}-({\mathrm{\β}}_c-{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1\±\mathrm{\π}-2\mathrm{\γ})}{{\mathrm{\β}}_1}$ 和

${\mathrm{\ψ}}^{\′}=\frac{\mathrm{\β}-({\mathrm{\β}}_c+{\mathrm{\β}}_0\±\mathrm{\π}-2\mathrm{\γ})}{{\mathrm{\β}}_1},$

对于许多临床应用，将附加的加权函数应用到投影以补偿投影数据的不一致性。例如，为补偿患者的运动，应用欠扫描权重。对于螺旋形的应用，应用相关的螺旋形的加权函数以降低螺旋形假象。因此，在一个实施例中，结合至少一个其它的加权函数应用上面所描述的自适应插值。依据等式(2)和适当的附加的螺旋形或欠扫描权重对经过插值的视图进行加权。因此，以w(γ，β)μ(γ，β)对经插值的视图加权，这里μ(γ，β)是适当的螺旋或欠扫描权重。在另一个的实施例中，对螺旋形加权的投影进行插值。然后将加权函数w(γ，β)应用到经插值的数据中。对于由Г所确定的区域来说，本实施例的加权函数可以表示为μ(γ，β)-[1-μ(γ，β)I1-w‘(γ，β)]。对于在Г以外的区域，应用螺旋形加权函数μ(γ，β)。由于并不要求附加的滤波或背向投影，因此本实施例并不极大地影响重构速度。

从上文对本发明的不同实施例的描述中可以很明显地看出本发明的方法和装置通过降低视图混叠假象但同时并不将空间分辨率降低到临床上不可接收的水平来改善CT成像。

虽然上文已经详细地描述并示出了本发明的各种具体的实施例，但是应该清楚的是实例仅是说明本发明，它并不构成对本发明的限制。此外，这里所描述的CT系统是“第三代”系统，在这种“第三代”CT系统中X-射线源和检测器与台架一起旋转。只要校正每个检测器元件以使其对于给定的X-射线束产生基本均匀的响应，则也可以应用包括“第四代”系统的许多其它的CT系统，在“第四代”系统中检测器是整环式静止的检测器并只有一个X-射线源与台架一起旋转。此外，这里所描述的系统进行轴向扫描，然而，本发明也可以应用螺旋扫描。因此，仅依据所附加的权利要求以及合法的等同替换方案限制本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种对对象进行计算机断层成像的方法，所说的方法包括如下步骤：

应用计算机断层成像系统扫描对象以采集包括对象的投影采样的视图；

在所选择的视图范围内对视图进行非均匀地插值以产生非均匀地插值的视图；

对视图进行加权，包括对所采集的视图和非均匀地插值的视图都进行加权，以补偿非均匀的插值；以及

对视图进行滤波和背向投影以产生对象的图象。

2.依据权利要求1所述的方法，其中在所选择的范围中进行非均匀地插值视图的步骤包括在[0.5π-β₀-β₁，0.5π+β₀+β₁]和[1.5π-β₀-β₁，1.5π+β₀+β₁]的视图范围中对视图进行非均匀地插值的步骤，这里β₀和β₁是参数。

3.依据权利要求2所述的方法，其中β₀＝β₁＝0.357弧度。

4.依据权利要求2所述的方法，其中对象是患者，并且进一步包括在患者的临床阶段中改变参数β₀和β₁的步骤。

5.依据权利要求2所述的方法，其中在所选择的范围中对视图进行非均匀地插值的步骤包括对对象的投影采样应用拉格朗日插值器的步骤。

6.依据权利要求5所述的方法，其中对对象的投影采样应用拉格朗日插值器的步骤包括对该对象的投影采样应用四阶拉格朗日插值器的步骤。

7.依据权利要求5所述的方法，这里对对象的投影采样应用拉格朗日插值器的步骤包括确定如下的估计投影p‘(γ，β)：

$p^{\′}(\mathrm{\γ},\mathrm{\β})=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ξp}\left(\mathrm{\γ}{,\mathrm{\β}}_i\right),$

这里：

$\mathrm{\ξ}=\frac{\underset{\∀k\≠1}{\mathrm{\Π}}(\mathrm{\β}-{\mathrm{\β}}_k)}{\underset{\∀k\≠1}{\mathrm{\Π}}\left({\mathrm{\β}}_i{-\mathrm{\β}}_k\right)};$

p(γ，β_i)是在视角β_i处的一组投影采样，这里i＝1，......，N，N是在该采样组中的视角数；并且

γ是投影扇形角。

8.依据权利要求5所述的方法，进一步对经拉格朗日插值的视图进行加权以消除条纹假象的步骤。

9.依据权利要求8所述的方法，其中对经拉格朗日插值的视图进行加权以消除条纹假象的步骤包括以如下的函数对经拉格朗日插值的视图进行加权：

这里β_c＝0.5π或β_c＝1.5π，取决于插值的投影区；

α是参数，

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\β}-({\mathrm{\β}}_c-{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1)}{{\mathrm{\β}}_1}$ 和

$\mathrm{\ψ}=\frac{\mathrm{\β}-({\mathrm{\β}}_c+{\mathrm{\β}}_0)}{{\mathrm{\β}}_1}.$

10.依据权利要求9所述的方法，其中α＝0.25。

11.依据权利要求2所述的方法，其中对视图进行加权的步骤包括在滤波和背向投影之前在区域Γ中以函数w‘(γ，β)对所采集的投影进行加权，这里，在Γ之外，w‘(γ，β)＝1，而在Γ之内：

这里β_c＝0.5π或β_c＝1.5π，取决于插值的投影区，

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{\mathrm{\β}-({{\mathrm{\β}}_c-{\mathrm{\β}}_0-\mathrm{\β}}_1\±\mathrm{\π}-2\mathrm{\γ})}{{\mathrm{\β}}_1}$ 和

${\mathrm{\ψ}}^{\′}=\frac{\mathrm{\β}-({\mathrm{\β}}_c-{\mathrm{\β}}_0\±\mathrm{\π}-2\mathrm{\γ})}{{\mathrm{\β}}_1}.$