CN1315436C - 荧光检查计算机断层方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种荧光检查计算机断层方法，在该方法中连续采集测量值以进行重组和滤波，在这之后以密集的时间序列从该该测量值中重建CT图像。反投影包括扇形束的滤波数据覆盖正好180°的整个投影角度范围，同时考虑了在直径上相对设置的区域上的数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种荧光检查计算机断层方法、实施这种方法的计算机断层装置以及处理由这种断层装置所产生的测量值的计算机程序。
技术背景
EP948930描述了一种荧光检查系统，该系统同时可用作形成三维CT(CT＝计算机断层)图像(体积CT)的CT系统。荧光检查系统包括具有辐射源和平面检测器的台架，该辐射源和平面检测器以5至90秒之间的时间间隔绕旋转轴旋转一圈，由此产生300至500个二维荧光检查图像，从这些图像中可以重建三维CT图像。
然而，在本发明中，荧光检查计算机断层被理解为不仅形成单个的三维CT图像而且还连续地形成作为在要检查的对象的连续成像时刻的三维表示的CT图像的方法，在两个连续时刻之间的时间间隔小于要检查的对象(在工业对象的情况下)或辐射源(在医疗检查的情况下)绕旋转轴旋转一圈所要求的时间周期。
例如这种类型的方法要求CT导向的活组织检查，在这种检查中将活体组织穿刺针插入到要检查的目标中，并且基于一系列的三维CT图像连续地检验这种活体组织穿刺针的插入过程。对于这种检查，重要的是CT图像代表要检查的对象的尽可能宽的区域，并且它们包含尽可能小的运动假像。运动假像由如下的事实引起：重建利用在不同的时刻上所采集的值。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种满足所描述的要求的计算机断层方法。根据本发明通过包括如下步骤的荧光检查计算机断层方法实现这一目的：
通过由辐射源发射的锥形束连续地辐射要检查的对象，同时要检查的对象或辐射源绕旋转轴旋转。
在使用检测器单元的同时连续采集测量值，该测量值取决于越过要检查的对象的辐射束的强度。
在时间上彼此间隔设置的成像时刻上连续地重建代表要检查的对象的CT图像，该时间间隔短于要检查的对象或辐射源绕旋转轴旋转一圈所需的时间周期，该重建包括如下的步骤：
a)重组(rebinning)该测量值以形成多个组，每个组包含扇形束测量值，在辐射的过程中形成该扇形束并且该扇形束位于彼此平行并平行于旋转轴地延伸的平面中。
b)对通过重组所产生的每组的数据进行一维滤波以形成滤波数据。
c)反投影多个组的滤波数据，对于要重建的每个体素，使用来自在相关的成像时刻之前所形成的最后扇形束的滤波数据，所说的扇形束已经从正好为180°的总的投影角度范围上辐射了相关的体素。
包括步骤a)和b)的计算机断层方法公开在Grass等人的文章(Phys.Med.Biol.(2329-347))中或EP-A 990892(PHD 98-123)中。在所引用的出版物中它解释存在一个中心圆柱形区，该圆柱形区具有垂直于旋转轴延伸的平侧面，并且在该圆柱形区内通过来自至少180°的角度范围的辐射源辐射每个体素。在这种区域之外不能以足够的质量进行辐射衰减的重建。因此中心区是能够重建CT图像的平侧面的最大可能的区域。这方面用于本发明。
所引用的出版物解释了中心区包含第一子体积，该第一子体积垂直于旋转轴延伸并朝侧面锥形地逐渐减小，在其中存在的体素暴露在处于辐射源的所有的位置上的辐射之中，并且还包含第二子体积，该第二子体积的体素不暴露在处于所有辐射源位置上的辐射之中。根据公知的方法，将从360°的总的投影角度范围上辐射相关的体素的扇形束的滤波数据用于在第一子体积中要重建的每个体素。然而，根据本发明，对于每个体素仅将最近已经从正好180°的总的投影角度范围上辐射相关的体素的扇形束的滤波数据用于中心区的两个第二子区。因此用于重建的扇形束的采集所需的时间周期短于在上述公知的方法中的时间周期，因此在扇形束的采集的过程中由运动引起的假像更小。
如上文所述，能够重建的区域包含其体素不连续地暴露在扇形束中的子体积。在这种子体积中的一部分体素暴露在在成像时刻之前作为最后扇形束的180°的角度范围中的所有的扇形束中。这些体素的重建类似于连续地暴露在扇形束中的体素的重建。这种第二子体积的其它体素暴露在在成像时刻之前作为最后扇形束的180°的角度范围中已经采集的所有的扇形束中。因此，为重建这些体素，需要使用位于更后面的扇形束，以便对用于这些体素的重建的扇形束获得180°的总的投影角度范围。
在这些情况下可能存在扇形束组，该扇形束组在直径上彼此相对地设置。权利要求2和3描述了处理这些扇形束的滤波数据的变型方案。权利要求2的技术方案可能提供了更好的信号噪声比，因为使用两个扇形束的滤波数据，然而权利要求3的技术方案可能包含更小的运动假像，因为不考虑更早采集的扇形束的滤波数据。
权利要求4公开了一种实施如权利要求1所述的方法的计算机断层装置，以及权利要求5定义了一种处理如在权利要求4中所述的计算机断层装置的测量值的计算机程序。
下文参考附图详细地描述本发明。
附图1所示为实施根据本发明的方法的计算机断层装置，
附图2所示为说明这种方法的流程图，
附图3所示为在辐射源位置中所产生的锥形辐射束，
附图4所示为通过重组在平行平面中所形成的扇形束组，
附图5所示为在包含旋转轴的代表检查区中的几何条件，
附图6在与其垂直的方向上取向的代表检查区中的几何条件，以及
附图7所示为用于反投影的存储器。
在附图1中所示的计算机断层装置包括能够绕旋转轴14旋转的台架1，该旋转轴14平行于在附图1中所示的坐标系的z方向延伸。为此，马达2优选以恒定的但可调整的角速度驱动。辐射源S，例如X-射线源，连接到台架。该源具有准直装置3，该准直装置3从由辐射源S中所产生的辐射中形成锥形束4，即，在z方向以及在与其垂直的方向上(即在垂直于旋转轴的平面上)具有除了零以外的有限尺寸的辐射束。
辐射束4穿过检查区13，容纳在患者工作台上的要检查的对象(例如患者)(两者都没有示出)位于该检查区中。检查区13为圆柱形。在已经穿过了检查区13之后，X-射线束4入射在连接到台架1的二维检测器单元16上。检测器单元包括多个检测器行，该检测器行彼此相邻地设置在z方向上，并且每个检测器行包括多个检测元件。检测器行位于垂直于旋转轴的平面中并在辐射源S周围的圆的弧线上；然而，它们可以交替地绕旋转轴14的圆弧运动或沿直线设置。每个检测器元件提供了在辐射源的每个位置上对辐射束4的射线的测量值。
以参考标记αmax表示的辐射束的孔径角度(孔径角度定义为由位于垂直于旋转轴的平面中的辐射束4的边缘中的射线相对于由旋转轴14和辐射源S所定义的中心射线的平面所包围的角度)确定了在采集测量值的过程中要检查的对象所位于其中的圆柱的直径。通过马达5，检查区13或要检查的对象或患者工作台可平行于旋转轴14位移。在马达2和5同时启动的同时，辐射源S和检测器单元16绕检查区13执行螺旋扫描运动。然而，用于在z方向上传输的马达5是静止而马达2单独旋转台架时，辐射源S和检测器单元16相对于检查区13执行圆形扫描运动。
通过检测器单元16所采集的测量数据应用到图像处理计算机10，图像处理计算机10从该数据中重建一部分的检查区13的吸收分布，并且例如将它显示在监视器上。两个马达2和5、图像处理计算机10、辐射源S和将测量值从检测器单元16传递到图像处理计算机10都受合适的控制单元7控制。
附图2所示为由在附图1中所示的计算机断层装置能够实施的测量和重建方法的执行过程。
在方块101中进行初始化之后，台架以恒定的速度旋转，旋转周期为1秒或更小。辐射源S发出穿过检查区的锥形辐射束，对由检测器单元16的检测器元件所采集的测量值进行缓存并在图像处理计算机10中进行进一步处理。
附图3所示为辐射源S和检测器单元16绕旋转轴14运动的环形路径17。所示的辐射束4用于给定的辐射束位置S0。这种锥形辐射束可以分解为多个扇形束，这些扇形束象在附图3中的扇形束401、402和403一样都位于与旋转轴平行的平面中。扇形束从相同的辐射源位置发射出并通过检测器单元16的相应列的检测器元件进行检测，该检测器列定向在平行于旋转的方向上。
附图3所示为在辐射束的其它位置上比如S-2、S-1或S2上也测量所发出的锥形辐射束。这些辐射源位置或从其中发射的辐射束4的特征在于参数β，该参数β对应于由从辐射源位置到旋转轴14的垂线相对于包含旋转轴的参考平面所包围的角度(与绕旋转轴旋转的辐射源的数量对应，β可以大于2π)。在辐射束中每个扇形束的位置的特征在于描述在暴露在扇形束中的检测器单元16内的检测器元件的列的位置的参数s。在这种扇形束本身内的每个射线的特征在于描述暴露在相关的射线中的检测器元件的列内的检测器元件的位置或者描述在这种检测器元件和包含环形路径17的中心平面之间的距离的参数t。
所采集的测量值因此构成了三维数据组M0(β，s，t)，每个测量值对应于在三维(β，s，t)参数空间中的常规笛卡儿坐标格的网格点。因此测量值的采集以许多点的形式构成了所谓的对象函数的扫描(在辐射衰减的线性积分的情况下)，这些许多点规则地分布在(β，s，t)参数空间中。
在步骤102中测量值的采集和在随后的步骤103中这些测量值的处理以及进一步的步骤可以在时间上并行执行，因此在仍然采集进一步的测量值的同时已经处理了所存在的测量值。
在步骤103中测量值乘以由已经沿着它采集测量值的射线和垂直于旋转轴的平面所包围的角度的余弦。然而，在检测器单元的尺寸在z方向上较小时，无需这一步骤，因为在这种情况下角度如此小以致角度的余弦总是接近1。
对于进一步的处理，在步骤102中采集的并且在步骤103可能修改的数据组M0(β，s，t)仍然不是最佳的。因此，在步骤104和105中执行所谓测量值的重组。然后对该数据进行再分类并再插值，就象以不同的辐射源(发射平行扇形束的环形辐射源)和以不同的检测器(包含旋转轴的平、矩形检测器)已经测量了它一样。为此，在步骤104中，首先，组合来自不同的辐射源位置并位于彼此相互平行的平面中的扇形束以形成相应的组。
附图4所示为由此形成的扇形束组。每次每个辐射源位置S-2...S0...S2的一个扇形束属于这种组。
与一组相关的扇形束满足如下的条件：
φ＝α+β (1)
这里，φ是扇形束组穿过检查区并由这一组的每个扇形束相对于包含旋转轴的参考平面所包围的投影角度。α表示由在原始辐射束中的相关的扇形束(附图3)和由旋转轴14和辐射源位置(例如，由角度β本身所确定的S2)所确定的中心平面所包围的角度。对于每次彼此偏离给定的投影角度增量dφ的不同的投影角度φ形成这类辐射扇形束组。在辐射束的扇形束并不精确满足等式1时，相应的扇形束必需通过从辐射束的相邻的扇形束的射线(附图3)中插值来确定。
包括在附图4中所示的扇形束411...415的一组扇形束确定了辐射束410，该辐射束410具有帐篷状的形状并由位于彼此平行并平行于旋转轴的平面中的扇形束组成。附图4也示出了在通过包含旋转轴14并垂直于扇形束411...415的平面的平面与辐射束410相交时获得的交叉面420。上部和下部边缘是象衬垫一样朝外弯曲，因为在中心的辐射源位置距离交叉平面比在边缘上的辐射源位置距离更远。
在步骤105中确定矩形区同时省去了交叉面420的弯曲的上部和下部边缘，扇形束组的射线再次通过插值进行计算，即，以这样的方式以使它们穿过在常规的笛卡儿坐标的网格点上的交叉面420中的所说的矩形，该笛卡儿坐标的特征在于坐标u(垂直于旋转轴)和v(平行于旋转轴)。重组由此将由在参数空间(β，s，t)中的常规的网格所确定的测量值M0(β，s，t)转换为由在三维(φ，u，v)参数空间中常规网格所确定的测量值M1(φ，u，v)。
因为位于交叉面420的弯曲的上部和下部区域中的原点辐射源的射线部分(即，在确定测量值M1(φ，u，v)的矩形之外)不再用于执行该方法，比较有利的是，设计准直器装置3以使锥形辐射束并不包含这些射线。代替垂直于旋转轴延伸的直线边缘，准直器装置3应该具有朝内弯曲的边缘。因此可以减少患者所受到的辐射剂量。
在步骤106中执行对测量值M1(φ，u，v)的一维斜坡状滤波。然后对具有相同的投影角度φ和相同的参数v的所有的测量值进行滤波，在滤波的过程中透射系数作为频率函数以斜坡状方式增加。
随后将经滤波的数据F(φ，u，v)通过反投影用于重建在检查区中的吸收分布，假使它首先存储在缓冲存储器中。在随后的重建步骤107以及进一步的步骤中，对仍然在采集的测量值连续地执行步骤103至106(在步骤102)，得到由此滤波的稳定的数据流F(φ，u，v)。从这种滤波的数据流中，通过相应的反投影形成代表在不同的扫描时刻的对象的CT图像。为了避免患者暴露在辐射载荷中而没有对由此所形成的测量值被需要用于重建，在连续成像时刻之间的时间间距必需短于绕旋转轴14旋转一整周的辐射源所需的时间周期。
因此，在步骤107中选择相应的时刻tA。这种成像时刻与给定的辐射源位置(β)相关。然而，因为给定的延迟总是发生在测量值的采集和在步骤106中从这些测量值中形成滤波的数据之间，所以辐射源当时已经经过了这个位置。反投影包括在步骤108中选择体素P(x，y，z)和在步骤109至111中对在先前已经辐射到相关的体素的射线中滤波的数据的贡献进行求和。
为解释反投影，假设在辐射源每旋转一圈的过程中重建六个CT图像，该CT图像代表与沿圆17规则地分布的六个辐射源位置相关的每次六个成像时刻上的对象。还假设在成像时刻之前在360°的投影角度范围上存在滤波数据并且这种数据存储在存储器中。在附图7中示出了这种存储器，这种存储器具有对应于成像时刻的数量的多个段S1至S6(在本实例中为六)；这些段能够存储每次60°的投影角度范围的数据，并以移位寄存器的形式组织，在该移位寄存器中最新到达的数据F(φ，u，v)替换先前的数据。因此，在步骤107之后，从φA-60°到φA的投影角度范围的最新的数据F(φ，u，v)出现在成像时刻tA的第一段S1中，这里φA是最后进入的滤波数据F(φA，u，v)的投影角度。然后第二段S2包含从φA-120°至φA-60°的投影角度范围的数据，而第三段S3包含从φA-180°至φA-120°的投影角度范围的数据，等等。
在步骤109中，对存储在段S1至S3中并与从φA至φA-180°的投影角度范围已经辐射体素的射线相关的滤波数据的贡献dF(φ，S1-S3)进行求和。随后，在步骤110中对于每个投影角度φ(φ＜φA-180°)校验是否已经从投影方向φ+180°辐射了该体素(因此在步骤109中累加该体素的贡献)。如果是这种情况，则跳过接下来的步骤112。在步骤109中，对于其它的投影方向，通过存储在段S4至S6中的滤波数据的并与已经从φ-180°至φ-360°的投影角度范围辐射体素的射线相关的贡献dF(φ，S4-S6)进行求和。
求和的结果取决于在检查区中的体素P(x，y，z)的位置。在这方面参考附图5和6。
附图5以虚线示出了通过重组已经形成的并经过旋转轴14的一个扇形束41。然后辐射源S垂直位于旋转轴的上方。如图所示，扇形束41′从在旋转轴14下面的辐射源S′垂直地发射出。由于这种对称的几何结构，两个扇形束的边缘射线在旋转轴14上交叉，并且它还示出了这些交叉点确定了在其中吸收分布可以全部重建的圆柱形体积V0的宽度。在所说的体积V0之外不能重建在要检查的对象13中的吸收分布。
体积V0可以细分为通过扇形束41、41′的边缘射线彼此间隔开的第一子体积V1和第二子体积V2。在中心的第一子体积V1旋转对称并且呈铁饼形区，而第二子体积V2包括在体积V0内的第一子体积V1的两边的所有的剩余区域。在第一子体积V1内的所有的体素连续暴露在辐射之中。然而，在第二子体积V2中的体素并不连续暴露在辐射之中。例如，扇形束41不辐照位于旋转轴14之上的体素P1(但它由扇形束41′辐照)，然而正好位于其下并相对于旋转轴14对称的体素P2受到扇形束41辐照但不受扇形束41′辐照。
因此，在步骤109中在体积V0中的体素的位置确定了在哪种投影角度φ下获得相关的体素的贡献dF(φ，S1-S3)。
参考附图6以进一步解释。附图6所示为在垂直于旋转轴14的剖视图中的检查区13。圆弧φ1表示投影角度范围，从该角度范围通过辐射辐照该体素P1(从辐射源位于距旋转轴的距离远大于距这种圆弧的距离的距离上讲，这代表了一种简化的情况)。在第二子体积中的所有的体素具有等于至少180°和至少360°的这种投影角度范围，并且位于相对于旋转轴不同的位置上。
附图6还示出了部分由虚线表示的其它的圆。在成像时刻tA时的辐射源的位置由字母S表示。所示的位置A相对于位置S移动角度2αmax，即相对于与箭头30一致的旋转方向。这种位置确定了投影角度φA，在该投影角度中从重组直到成像时刻tA所得出的测量值仍然适合于精确地形成完整的扇形束组(即，已经穿过检查区的整个截面的组)。位置B、C、D、E和F表示从先前所采集的测量值的重组中得出的投影角度φB、φC、φD、φE和φF。
在第一子体积中的体素的重建要求在从位于φA至φD的投影角度范围中，即在180°的投影角度范围的射线的滤波数据。在所有的角度位置φA...φD通过扇形束以对应的投影角度比如体素P2已经采集了这些数据时对在第二子体积V2中的一部分体素进行相同的处理。在步骤110和111中这些体素不再从在存储器的片段S4至S6中接收先前采集的数据的贡献。
然而，这种投影角度对于体素P1并不足够，因为这种体素不受从φB至φc的范围中的任何扇形束辐照。对于这种体素必需使用甚至先前采集的测量值的滤波数据(从存储器的片段S4至S6)。因为在计算机断层中从移位180°的方向测量是等效的，从φB至φC的范围的扇形束的丢失的数据可以由位于在直径上与投影角度范围φB至φC相反的从投影角度范围φE至φF的扇形束的滤波数据所替换。这种实例说明了必需使用多个先前采集的测量数据直到来自达到180°的投影角度的相干范围(在这种情况下为φC至φF)中的滤波数据可用于相关体素(P1)。仅在这种情况下可以将来自正好180°的整个投影角度范围的扇形束的贡献分配给在这种情况下的体素。
在这种情况下对于体素P1存在两个在直径上相反的投影角度范围，即范围φA-φB和φD-φE。这种事实在步骤110被认识，因此，这种体素并不接收来自存储器的段S4至S6的投影角度范围φD-φE的贡献。然而，对于范围φE-φF存在段S4至S6的贡献，因为该体素还没有接收来自范围φB-φC的贡献。
然而，还有处理来自这些范围中的滤波数据的其它可能方式。这是因为对于像素P1来自投影角度范围φA-φB以及范围φD-φE的贡献以两个加权系数进行求和(例如，0.5)，所说的系数之和正好等于在反投影的过程中使用来自范围φC-φD或φE-φF的扇形束的滤波数据的权重。
由此所重建的在体积V0中的辐射的吸收的CT图像适合于显示在监视器11上(步骤112)。同时将步骤103至106连续地运用到仍然正在采集的测量值(在步骤102)。对于在后的成像时刻从经滤波的数据的结果流中重建进一步的CT图像，所说的CT图像例如与在旋转方向上已经朝前移动了60°的辐射源位置相关。
对于最后形成的数据，对60°的投影角度范围的经滤波的数据F(φ，u，v)存储在存储器的第一段S1中，然后将先前存储的数据移动到下一段中。擦除先前存储在最后的片段S6中的最老的数据。然后重复执行包括步骤107至112的循环直到在步骤113中用户终止该CT荧光检查。
在前文中已经假设辐射源和检测器单元绕旋转轴14旋转，而检查区或在检查区中存在的要检查的对象是静止的。在医疗领域中这是需要。在例如工件的工业检查情况下，要检查的对象可以旋转并且辐射源和检测器单元都可以保持静止。本发明也可以在这种情况下实施。但在这种情况下投影角度φ和辐射源β由要检查的对象的角度位置确定。
Claims (4)
1.一种荧光检查计算机断层方法，包括如下步骤：
-通过由辐射源发射的锥形辐射束连续地辐射要检查的对象，同时要检查的对象或辐射源绕旋转轴旋转，
-在使用检测器单元的同时连续地采集测量值，该测量值取决于穿越要检查的对象的辐射束的强度，
-在时间上彼此间隔设置的成像时刻上连续地重建代表要检查的对象的CT图像，该时间间隔短于要检查的对象或辐射源绕旋转轴旋转一圈所需的时间周期，该重建包括如下的步骤：
a)重组该测量值以形成多个组，每个组包含扇形束的测量值，该扇形束在辐射的过程中形成并且位于彼此平行并平行于旋转轴地延伸的平面中，
b)对通过重组所产生的每组的数据进行一维滤波以形成滤波数据，
c)反投影多个组的滤波数据，对于要重建的每个体素，使用来自在相关的成像时刻之前所形成的最后扇形束的滤波数据，所述扇形束已经从正好为180°的总投影角度范围辐射了相关的体素。
2.如权利要求1所述的荧光检查计算机断层方法，其中以加权的方式对扇形束的滤波数据进行求和以重建仅仅暂时出现在扇形束中的体素的吸收，该扇形束从彼此已经相对移动了180°并位于180°的总投影角度范围内的投影角度范围φA-φB和φD-φE中已经辐射了相关体素。
3.如权利要求1所述的荧光检查计算机断层方法，其中对仅仅暂时出现在扇形束中的体素中的吸收的重建而言，仅仅使用在从彼此已经相对移动了180°并位于180°的总投影角度范围内的方向上已经辐射了体素的扇形束的滤波数据中的、所形成的最后扇形束的数据φA-φB。
4.一种实施在权利要求1中所述的方法的计算机断层装置，该装置包括：
-连续地产生锥形辐射束(4)的辐射源(S)，
-在辐射源(S)和要检查的对象之间实现环形相对运动的驱动装置(2，5)，
-连续采集取决于在检查区中的射线衰减的测量值的检测器单元(16)，以及
-重建单元，该重建单元在成像时刻上连续地重建代表要检查的对象的CT图像，该成像时刻彼此间的间隔短于要检查的对象或辐射源绕旋转轴旋转一圈所需的时间周期，该重建单元按照如下处理测量值：
a)重组该测量值以形成多个组，每个组包含扇形束的测量值，该扇形束在辐射的过程中形成并且位于彼此平行并平行于旋转轴地延伸的平面中，
b)对通过重组所产生的每组的数据进行一维滤波以形成滤波数据，
c)反投影多个组的滤波数据，对于要重建的每个体素，使用来自在相关的成像时刻之前所形成的最后扇形束的滤波数据，所述扇形束已经从正好为180°的总投影角度范围上辐射了相关的体素。
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