CN1218935A - 用于计算机层析摄影系统中单片层螺旋扫描图象重构的滤波器 - Google Patents

Abstract

能够兼顾片层分布加宽与噪声和mAs减少的滤波算法。一实施例中,根据螺旋线间隔调整FWHM以使噪声减少量不变。FWHM增加率为螺旋线间隔的函数。用于重构图象的投影数据量是固定的,与螺旋线间隔无关。用于重构图象的投影数据量也是螺旋线间隔的函数。上述的滤波器具有这样的特性,对于各种螺旋线间隔,该滤波器保持mAs或噪声的减少量相同,或者保持FWHM的增加率相同。

Description

用于计算机层析摄影系统中单片层螺旋扫描图象重构的滤波器

一般来说，本发明涉及计算机层析摄影(CT)成象技术，更具体地说，本发明涉及在单片层螺旋扫描中使用由一个CT系统采集的数据进行图象重构的技术。

至少在一种已知的单片层CT系统构造中，一个X-射线源发射出扇形射线束，这些射线束经过准直处于卡笛尔坐标系的一个X-Y平面中，该平面通常被称为“成象平面”。X-射线束穿过被成象的物体，例如一个病人身体。在被该物体吸收之后，射线束照射到一个辐射探测器阵列。在探测器阵列中接收到的经过衰减的辐射束的强度依赖于物体对X-射线束的衰减程度。探测器阵列中的每一个探测器单元都产生一个独立的电信号，这个信号是在该探测器位置处射线束衰减程度的一种量度。独立地采集所有探测器的衰减测量结果以生成一个透射分布图。

在公知的第三代CT系统中，X-射线源和探测器阵列都随着机架一起在成象平面内围绕着被成象物体旋转，使得X-射线束与物体相交角度始终在变化。在一个机架角度由探测器阵列获得的一组X-射线衰减测量值，即投影数据，被称为一个“视图”。对于物体的一次“扫描”包括在X-射线源和探测器转动一圈过程中在不同的机架角度获得的一组视图。

在轴向扫描中，将投影数据进行处理以构成对应于从物体上所取的一个两维片层的一幅图象。有一种用于根据一组投影数据重构图象的方法在本领域中被称为滤波背投影技术。这种方法将在一次扫描中获得的衰减测量值转换成整数，即所谓的“CT数”或“Hounsfield单位”，这种数值用于控制阴极射线管显示器上对应象素的亮度。

为了减少总扫描时间，可以实施“螺旋”扫描。为了进行“螺旋”扫描，在采集预定体积范围的数据的同时，移动病人身体。这样一个系统在利用一束扇形束进行的螺旋扫描中产生一条螺旋线。由扇形束绘出的这条螺旋线获得的投影数据可以重构每个预定片层的图象。

螺旋扫描的重构算法通常使用螺旋加权算法，这种算法将采集的数据作为视角和探测器信道地址的函数进行加权处理。具体地说就是，在经过滤波的背投影之前，根据螺旋加权因子对这些数据进行加权处理，所说螺旋加权因子是机架角度和探测器角度的函数。尽管已知的算法能够生成紧密的片层分布，但是在重构的图象中可能产生某些显著的赝象。此外，这些算法导致对病人总的辐射剂量的增加和/或重构图象中噪声的增大。

因此需要提供一种方法，它能够对于紧密片层分布的赝象、噪声和病人受辐射剂量的减少进行可选择的折衷处理。此外，还需要提供一种灵活的算法，使得对于各种螺旋间隔，它或者能够保持相同量的mAs或噪声减少，或者保持图象的半最大值全宽度(FWHM)具有相同的增加率。还需要提供一种算法，它能够无需明显地增加处理时间就完成这些任务。

本发明的这些和其它目的可以在用于进行单片层螺旋扫描的一个CT系统中实现，其包括一种投影域z滤波器算法，该算法产生一个改善的加权因子。更具体地说，相对于产生改善的加权因子，将螺旋重构算法加权因子沿视角方向位移，并求平均以生成改善的加权因子。在Crawford和King所写的“Computed Tomography Scaning WithSimultaneous Patient Translation”(Med.Phys.17(6),967-982,1990)一文中介绍了可以用于根据在一次螺旋扫描中获得的数据重构图象的一些图象重构算法的实例。

在一个实施例中，螺旋加权因子根据机架角度(β)、探测器角度(γ)、和滤波器影响函数(kernel)(h(i))的不同而改变，所说影响函数如下式所示： $W_f(\mathrm{\β},\mathrm{\γ})=\underset{i=-n}{\overset{i=\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}h\left(i\right)W(\mathrm{\β}-\mathrm{i\Δ\β},\mathrm{\γ})$ 其中：

γ         为探测器角度；

β         为机架角度；

W(β,γ)   为按照螺旋重构算法生成的原始加权系数；

Δβ       为沿视角方向的位移，和；

h(i)       为应用于第i个位移项的加权函数。如下文所述，滤波器影响函数(h(i))是可以选择的以使图象平滑，即减少噪声和图象赝象，或者增加图象“清晰度”。因此，改善的加权因子是原始加权因子经过位移和加权平均处理后所得的值。

图象半最大值全宽度(FWHM)可以根据螺旋线间隔进行调整，以使噪声减少保持不变。如下文所详述的，FWHM增加率是螺旋线间隔的函数。用于重构图象的投影数据的数量是固定的，与螺旋线间隔无关。或者，保持FWHM增加率基本不变，同时使mAs或噪声减少量随螺旋线间隔增大而减小。采用这种选择，用于重构图象的投影数据数量也是螺旋线间隔的函数。

上述的滤波器具有这样的特性，对于各种螺旋线间隔，该滤波器保持相同的mAs或噪声减少量，或者保持FWHM的相同增加率。这种滤波器还有利于减少赝象和不明显地增加处理时间。

图1为一个CT成象系统的示意图。

图2为图1所示系统的方块示意图。

图3为根据本发明的一个实施例表示FWHM的增加率相对于螺旋线间隔的曲线图。

图4为根据本发明另一个实施例表示螺旋线间隔相对于mAs的减小率的曲线图。

参照图1和图2，图中表示的一台单片层计算机层析摄影(CT)成象系统10包括代表“第三代”CT扫描机的机架12。机架12包括一个X-射线源14，该射线源向位于机架12另一侧的一个探测器阵列18投射一束X-射线16。探测器阵列18是由一列探测器单元20构成的，它们共同检测从一位病人22身体中透过的投影X-射线。每个探测器单元20产生一个表示入射X-射线束强度，进而表示射线束穿过病人22身体时衰减程度的电信号。在获取X-射线投影数据的一次扫描中，机架12和安装在其上的各个部分都围绕着旋转中心24转动。

机架12的旋转和X-射线源14的工作由CT系统10中的一个控制机构26控制。控制机构26包括向X-射线源14提供电源和时序信号的一个X-射线控制器28和控制机架旋转速度和位置的一个机架马达控制器30。控制机构26中的一个数据采集系统(DAS)32从探测器单元20中采样模拟数据，并将这些数据转换成数字信号以备后续处理之用。一个图象重构器34从DAS32中接收经采样和数字化的X-射线数据，并进行高速图象重构。重构的图象作为输入信号传输到一台计算机36中，该计算机将该图象存储在主存储器38中。

计算机36还接收一个操作者经由包括键盘的控制台40输入的指令和扫描参数。一个相应的显示器42使操作者可以看到重构的图象和来自计算机36的其它数据。计算机使用操作者输入的指令和参数向DAS32、X-射线控制器28和机架马达控制器30发出控制信号和信息。此外，计算机36还操纵一个平台马达控制器44，该控制器控制一张带有马达的平台46将病人22定位在机架12中。具体地说，平台46将病人22身体的一部分移动通过机架通孔48。

已知的螺旋线重构算法一般可以分为螺旋线外插(HE)算法或螺旋线内插(HI)算法。这些算法通常对投影数据施加一个加权因子以重构一幅图象。这个加权因子一般与扇形角度和视角有关。

如上所述，利用螺旋线重构算法生成的每一幅图象都对应于通过病人22身体所取的一个两维片层。每幅图象通常包括在机架12仅仅旋转一圈过程中获得的投影数据，或相当于2π范围的数据。如上文所解释的，这样生成的图象可以具有赝象和噪声，特别是旋转开始时和结束时，即，β=0或β=2π。

下文中对于滤波器算法和图象质量的讨论有时特指投影数据．但是，滤波器算法并不局限于用于这种投影数据，而是可以用于图象数据。此外，这些算法不涉及任何具体的螺旋线图象重构算法。相反，这些滤波器算法可以与多种不同类型的螺旋线重构算法结合使用。此外，在一个实施例中，滤波可以在计算机36中实施，计算机将处理，例如，存储在主存储器38中的数据。当然，许多其它的实施方式也是可能的。

作为一个特殊的实例，在具有一列探测器的一个单片层系统中，在重构时对于投影数据应用的一种螺旋线重构算法包括一个加权因子W(β、γ)，其与机架角度(β)和探测器角度(γ)有关。根据本发明，改善的加权因子W_f(β、γ)为： $W_f(\mathrm{\β},\mathrm{\γ})=\underset{i=-n}{\overset{i=\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}h\left(i\right)W(\mathrm{\β}-\mathrm{i\Δ\β},\mathrm{\γ})$ 其中：

γ        为探测器角度；

β          为机架角度；

W(β、γ)   为应用于或按照一种螺旋重构算法生成的加权系数

Δβ        为沿视角方向的位移；和

h(i)        为应用于第i个位移项的加权。这个改善的加权因子W_f(β、γ)是螺旋线加权函数的一种位移和加权平均的结果。影响函数核长度为2n+1项。在大多数情况下，n=1，或3项，就足够了。将改善的加权因子W_f(β、γ)应用于投影数据以生成z-平均的片层。使用多于一圈转动，即大于2π范围的数据生成z-平均片层。利用多于一圈转动获取的数据，可以使不连续性得以“平滑”，而不会明显地增加片层宽度。

在已知的单片层螺旋线重构中，重构图象的片层分布和图象噪声主要是由X-射线的准直性、病人身体进入速度、X-射线管输出强度、和加权函数W(β、γ)确定的。在本发明中，除了上述内容，滤波器影响函数核h(i)还影响片层分布和图象噪声。具体地说，如果滤波器影响函数核h(i)为(1,1,1)，则可以减少图象赝象和噪声，即图象变得“平滑”了。所以，通过选择滤波器影响函数核h(i)，可以兼顾片层分布和图象噪声两个方面。

所得的z-平均片层的分布宽度与固有的片层分布，即，没有进行z滤波的原始片层分布，和滤波器影响函数核两者有关。滤波器影响函数核的区域表示为2nΔβ。所得片层分布的具体形状也受到影响函数核h(i)的作用。因此，与已知的算法相反，所得的片层分布宽度能够宽于固有的片层分布宽度。所以，减少了图象噪声。此外，可以相信能够减小为获得令人满意的图象所需的X-射线管的输出。

在本发明的一个实施例中，根据螺旋线间隔调整FWHM以使噪声的减小不变。特别是，FWHM的增加率是螺旋线间隔的函数，如以下的表Ⅰ所示。用于重构一幅图象的投影数据量是固定的，不依赖于螺旋线间隔。

螺旋线间隔	HE算法的FWHM(相对于准直度归一化)	螺旋重构算法的FWHM的增加(相对于HE算法的FWHM归一化)	#旋转圈数
				0.25	1.00	1.00	1.6
0.50	1.00	1.00	1.6
				0.75	1.00	1.02	1.6
1.00	1.00	1.10	1.6
				1.25	1.03	1.22	1.6
1.50	1.09	1.33	1.6
				1.75	1.17	1.43	1.6
2.00	1.27	1.50	1.6
				2.25	1.38	1.53	1.6
2.50	1.50	1.55	1.6
				2.75	1.63	1.56	1.6
3.00	1.75	1.57	1.6

                          表ⅠFWHM的增加率(相对于相应间隔的HE重构)列于表Ⅰ的第3栏，并且在图3中作为螺旋线间隔的函数绘出。

如图3和表Ⅰ所示，FWHM的增加率相对于在相应的螺旋线间隔和准直度条件下的HE重构的FWHM。例如，使用一台5毫米准直度和1∶1间隔的螺旋CT机，可以实现37％的mAs减少和FWHM10％的加宽(从5毫米到5.5毫米)。但是，对于1.5∶1间隔的螺旋CT机，在mAs减少量相同的情况下可以实现FWHM33％的加宽(从5.45毫米到7.25毫米)。在这个实例中，使用了1.6圈转动获取的投影数据来重构图象，与螺旋线间隔无关。

在另一个实施例中，保持FWHM的增加率基本不变，同时mAs或噪声的减少量随螺旋线间隔增加而减少。用于重构图象的投影数据量也是螺旋线间隔的函数。

例如，对于滤波器在螺旋线间隔从1至3条件下保持FWHM大约10％的增加率，mAs减少列于表Ⅱ的第4栏，并且作为螺旋线间隔的函数标绘的图4中。FWHM的变化和重构图象所需的投影数据量也列于表Ⅱ的第3和第5栏。

螺旋线间隔	HE算法的FWHM(相对于准直度归一化)	螺旋重构算法的FWHM的增加(相对于HE算法的FWHM归一化)	mAs的减少率	#旋转圈数
					0.50	1.00	1.00	0.49	1.81
1.00	1.00	1.101	0.37	1.60
					1.25	1.03	1.128	0.28	1.48
1.50	1.09	1.125	0.21	1.39
					1.75	1.17	1.118	0.17	1.34
2.00	1.27	1.118	0.16	1.32
					3.00	1.75	1.12	0.15	1.31

                           表Ⅱ该滤波器是螺旋线间隔的函数，其可以利用对一组预定点的曲线拟合来近似。这些点列于表Ⅲ中，该函数为：

Δβ=2π(a0+alp+a2p²+a3p³+a4p⁴+a5p⁵)其中Δβ为较位移，p为螺旋线间隔，a为根据曲线拟合获得的一组系数。a的值在表Ⅳ中给出。对于曲线拟合，一个简单的三点影响函数核(h=[1,1,1])就足够了。用于重构图象的投影数据量可以计算出为1+2*Δβ／2π圈(获得的数据)，这也是螺旋线间隔的函数。

螺旋线闻隔	0.30	0.70	1.00	1.25	1.50	1.75	2.00	2.50	3.00
										Δβ/2π	0.40	0.37	0.30	0.24	0.19	0.17	0.16	0.16	0.16
螺旋重构算法的FWHM的增加(相对于HE算法的FWHM归一化)	1.00	1.02	1.10	1.12	1.12	1.12	1.12	1.12	1.12

                              表Ⅲ

α0	0.24922
		α1	0.90792
α2	-1.63913
		α3	1.034665
α4	-0.28467
		α5	0.029039

                     表Ⅳ

上述的滤波器具有这样的特性，对于各种螺旋线间隔，该滤波器保持mAs或噪声减少量相同，或者保持FWHM具有相同的增加率。这种滤波器能够在不明显增加处理时间的前提下实施。

根据以上对于本发明各个实施例的描述，显然实现了本发明的目的。尽管已经详细介绍和描述了本发明，但是应当理解上述内容只是示例性的，而不是限定性的。因此，本发明的构思和范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1、用于使用在一次螺旋扫描中从一列探测器获得的数据生成一个物体的层析摄影图象的一种系统，所说系统包括一个编程的处理器，以便：

产生一个螺旋加权因子；

根据所说产生的螺旋加权因子产生一个改善的螺旋加权因子，所说改善的加权因子W_f(β,γ)为： $W_f(\mathrm{\β},\mathrm{\γ})=\underset{i=-n}{\overset{i=\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}h\left(i\right)W(\mathrm{\β}-\mathrm{i\Δ\β},\mathrm{\γ})$ 其中：

γ          为探测器角度；

β          为机架角度；

W(β、γ)   为螺旋加权系数；

Δβ        为沿视角方向的位移；和

h(i)        为应用于第i个位移项的加权。其中噪声减少量基本不变，图象的半最大值全宽度为螺旋线间隔的函数；和

将该改善的加权因子应用于这些数据。

2、如权利要求1所述的一种系统，其特征在于将所说改善的加权因子应用于投影数据。

3、如权利要求1所述的一种系统，其特征在于将所说改善的加权因子应用于图象数据。

4、用于使用在一次螺旋扫描中从一列探测器获得的数据生成一个物体的层析摄影图象的一种系统，所说系统包括一个编程的处理器，以便：

产生一个螺旋加权因子；

根据所说产生的螺旋加权因子产生一个改善的螺旋加权因子，所说改善的加权因子W_f(β,γ)为： $W_f(\mathrm{\β},\mathrm{\γ})=\underset{i=-n}{\overset{i=\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}h\left(i\right)W(\mathrm{\β}-\mathrm{i\Δ\β},\mathrm{\γ})$ 其中：

γ          为探测器角度；

β          为机架角度；

W(β、γ)   为螺旋加权系数；

Δβ        为沿视角方向的位移；和

h(i)        为应用于第i个位移项的加权。其中半最大值全宽度的增加率保持不变，噪声减少量的随螺旋线间隔增大而减小；和

将该改善加权因子应用于这些数据。

5、如权利要求4所述的一种系统，其特征在于用于重构图象的投影数据量为螺旋线间隔的函数。

6、如权利要求4所述的一种系统，其特征在于通过按螺旋线间隔的函数调整滤波器而使FWHM的增加率保持不变，所说函数表示为：

Δβ=2π(a0+a1p+a2p²+a3p³+a4p⁴+a5p⁵)其中Δβ为角位移，p为螺旋线间隔，a为根据曲线拟合获得的一组系数。

7、如权利要求4所述的一种系统，其特征在于将所说改善的加权因子应用于投影数据。

8、如权利要求4所述的一种系统，其特征在于将所说改善的加权因子应用于图象数据。

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