CN1442115A - 产生三维、多分辨率受检体立体图像的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种根据二维投影图像产生受检体的三维多分辨率立体图像的方法，其中所述二维投影图像是在对受检体的一次扫描中，利用一种辐射图像拍摄装置所拍摄的，所述拍摄装置具有一个辐射源和一个辐射接收器，所述方法具有以下步骤：拍摄一组二维投影图像，其中，一部分图像具有低分辨率，另一部分图像具有高分辨率；对高分辨率的投影图像进行变换，使之与低分辨率的投影图像具有相同的尺度、扫描速率和分辨率(缩减尺度(downscaling))；借助低分辨率的投影图像以及经过变换的投影图像产生一幅低分辨率的三维立体图像，以及借助高分辨率的投影图像产生高分辨率立体图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据二维投影图像产生三维多分辨率受检体立体图像的方法，其中，所述二维投影图像是利用辐射图像拍摄装置对受检体进行拍摄得到的，所述拍摄装置具有一个辐射源和一个辐射接收器。
背景技术
在一种这样的常常用来产生和显示医学评价的图像的方法中，需要拍摄多个二维投影，以获得良好的对比度分辨率。然而，投影次数的增加，在未来的应用中将比现在有更多的投影数，即多于100次投影，会显著增加投影数据量。此外，对传输带宽、投影数据处理和存储的要求也会惊人地增长。解决这个问题的一种方法是，减少以二维探测器阵列为基础的辐射接收器探测元件的数量。这可以通过所谓的“像素合并(pixelbinning)”来实现，其中，将相邻的探测器元件或像素合并，并且例如由这些信号产生一用于对该像素群区域进行进一步处理的信号平均值。然而，由于探测器的面积相等，所以像素合并会导致空间分辨率降低，这是因为，此时要覆盖和没有进行像素合并前相同的探测器区域，需要使用较大的有效像素尺寸。不利的是，增加探测器像素尺寸或将区域合并不仅会降低探测器的空间分辨率，还会降低相关体数组(Volumendatensatz)中的空间分辨率。而在对低对比度物体需要高空间分辨率和良好识别性的实际应用中，不希望降低空间分辨率。
在DE 199 35 093 A1中公开了一种具有多排探测器系统的CT机，其中，该探测器系统的不同列与不同数量的电子元件相连接，这些电子元件用于读出探测器元件中产生的信号。此外，在DE 199 56 585 A1中公开了一种计算机层析摄影法，其中，通过以下方法较好的兼顾了传输带宽和图像质量，即，将至少每两个相邻探测器元件的信号组合成一个测量值，并使不同辐射源位置的组合周期性地变化。此外，在DE 195 24 858 A1中所描述的一种X射线成像系统表明，其结构形式能以低成本方式实现不同的图像分辨率。为此所述系统设置了一个Si：H探测器，该探测器由多个位于同一平面内具有不同分辨率的分探测器构成。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是提供一种方法，使得仅用一组投影数据产生不同分辨率的立体图像成为可能。
上述技术问题是通过根据本发明方法的以下步骤来解决的：
-拍摄一组二维投影图像，其中一部分图像具有低分辨率，另一部分图像具有高分辨率；
-对高分辨率的投影图像进行变换，使之与低分辨率的投影图像具有相同的尺度(Massstab)、扫描速率和分辨率(缩减尺度(downscaling))；以及
-根据上述低分辨率的投影图像和经过变换的投影图像，产生低分辨率的三维立体图像，以及根据上述高分辨率投影图像产生一高分辨率立体图像。
本发明基于这样的思想，根据二维投影图像计算出两幅立体图像，所述二维投影图像是在对受检体的一次拍摄过程中，确切地说是在辐射源和辐射接收器围绕受检体旋转一次的过程中以不同的位置分辨率记录的。本发明建议，在一个投影图像组内拍摄两种不同的图像组。其中一组包含低分辨率的投影图像，而另一组包含高分辨率的投影图像。为此，可以使探测器分辨率以预定的顺序变化，例如，在高分辨率和低分辨率之间交替转换。接着，对于高分辨率的投影图像，首先在缩减尺度时适当地用低通滤波器进行滤波，然后在就尺度或扫描速率而言的缩减采样(downsampling)中，使其与低分辨率的投影图像相匹配，也就是说，随后使所有的投影图像(无论其分辨率高还是低)都具有相同的尺度。因此，经过变换的投影图像也具有与低分辨率投影图像相同数量的像素。最后，优选通过滤波反投影，用上述两组不同的投影图像产生两幅三维立体图像，即一幅高分辨率立体图像和一幅低分辨率立体图像，在此过程中，基于以前采用的缩减尺度步骤，可以在进行用于产生两幅立体图像的滤波反投影时，使用相同的滤波器。
在进行滤波反投影时可供利用的投影越多，再现的立体图像就越有说服力，也越精确。因此，合适的是，要产生低分辨率的立体图像，还需要利用高分辨率的投影图像，为此要减小该投影图像的分辨率。这意味着要对高分辨率的立体图像进行再处理，使其在处理之后具有与低分辨率投影图像相同的分辨率，从而可以将其积分到低分辨率的投影图像中。也就是说，通过先使用低通滤波器对高分辨率的投影图像进行滤波，然后进行辅助扫描(Unterabtastung)，从而通过计算降低高分辨率投影图像的位置分辨率。在这种“缩减尺度”后，有降低了位置分辨率的原高分辨率投影图像，以及原始的低分辨率投影图像可供用于再现另一幅立体图像，因为所有的投影图像随后都具有相同的位置分辨率，以及尺度和扫描速率。借助增加了的可处理的投影图像数量，以及其降低了的探测器位置分辨率，可以比最初仅采用较少数量的低分辨率图像时计算出具有更好对比度分辨率的立体图像。
为了再现具有足够高位置分辨率的立体图像以诊断具有高对比度的对象，对最大投影图像数量的要求并不是必须的，而是也可以在减少图像数量的情况下再现立体图像。在每次扫描具有足够高的图像拍摄速率的情况下，尽管分辨率发生变化，仍然能提供足够多的高分辨率投影图像，从而可以再现具有说服力的具有高位置分辨率的立体图像。
因此，根据本发明，可以获得两幅不同分辨率的立体图像，其中低分辨率的立体图像表现出良好的对比度分辨率，而高分辨率立体图像则表现出高空间分辨率或位置分辨率。然而，由此表明，并不是绝对需要使用相同的滤波器或运算器来再现和显示两组立体数据。由此提供了以下进一步的自由度，即，可以根据要求强调不同立体数据组的不同特性，也就是说，例如可针对需要达到的对比度分辨率或位置分辨率等进行不同的处理。
然后，可以用不同的方式向使用者(例如医生)输出两幅立体图像。可以将两幅图像单独或是同时输送给显示器，也可以考虑叠加显示两幅立体图像。
合适的是，通过连接多个并排设置的辐射接收器的像素(像素合并)来产生低分辨率投影图像。这种能够对探测器分辨率进行所需的快速转换的辐射接收器已为公众所知，例如可以是通常所称的CMOS探测器。
根据本发明，可以按预定的交替顺序拍摄低分辨率和高分辨率投影图像。该过程中合适的是，在拍摄N幅投影图像时，将每第n幅图像拍摄成高分辨率的投影图像。例如，可将每第10幅投影图像拍摄成高分辨率的投影图像。当然，也可以考虑产生相同大小但不同分辨率的投影图像数据组，其中，在拍摄每幅投影图像时交替变化分辨率。
如上所述，可以通过滤波反投影产生立体图像，但这并不是必须的。如果采用滤波反投影，合适的是，使用能提高对比度分辨率的滤波器来产生低分辨率立体图像。此外，可以使用能提高位置分辨率的滤波器产生高分辨率的立体图像。
本发明所述方法的优点一方面在于，仅用一次扫描就可以获得两种不同空间分辨率的立体图像。此外，在使用相同的拍摄装置，也就是相同硬件的情况下，基于混合分辨率的数据采集以及之后的处理，可以比至今在全分辨率数据采集的情况明显拍摄出更多的视图和投影。最后，使用者还可从一次扫描中获得明显更多的信息，即两幅独立的具有说服力的立体图像。
本发明中对上述技术问题的解决还通过上述类型的另一种方法来实现，其中，额外使用了一个具有高分辨率接收区域和低分辨率接收区域的辐射接收器，该方法包括以下步骤：
-用辐射探测器拍摄一组二维投影图像，其在一个区域内为高分辨率，在另一个区域内为低分辨率，其中，低分辨率区域是通过连接相邻的探测元件而形成的；
-对投影图像的低分辨率区域进行内插，以匹配扫描速率，使得低分辨率区域的扫描速率和高分辨率区域的扫描速率相同；
-对具有同一扫描速率的投影图像进行滤波反投影，以产生具有高分辨率立体区和低分辨率立体区的立体图像。
这一发明实施方式的构思还在于，根据图像拍摄装置在围绕受检体旋转一次过程中所拍摄的立体图像，计算出三维立体图像，其中，所述同一幅立体图像以分区的方式具有不同的分辨率，也就是说，该立体图像由一个具有低位置分辨率和高对比度分辨率的区域，以及一个具有高位置分辨率和低对比度分辨率的区域构成。在此还拍摄具有高位置分辨率和低位置分辨率区域的投影图像。在本发明的这种实施方式中，使用了一个探测器，该探测器或者区域性地具有不同的分辨率，或者可以相应地转换其分辨率。这种探测器例如是已公知的“Fovea探测器”。就每幅已拍摄的投影图像而言，均由高分辨率区域和低分辨率区域构成。在拍摄后对这些投影图像进行处理或对低分辨率区域进行内插，使得对所有处理后的投影图像，确切说是既在低分辨率区域又在高分辨率区域的扫描速率均相同。为了能紧接着在用于产生立体图像的滤波反投影中使用相同的滤波器，或者说是为了能进行滤波反投影，进行上述处理非常必要。其最终效果是获得了一幅包含两个不同立体区域的立体图像，即一个低分辨率区域和一个高分辨率区域。这里使用者或医生也可以仅从一次投影数据组拍摄中，也就是仅从一次扫描中获得大量不同信息，这些信息存在于用不同分辨率图像区域产生的最终再现立体图像中。在此，通过滤波反投影或更准确地说是利用锥形射线层析摄影法(Kegelstrahltomographieverfahren)再现立体图像，该方法将具有相同扫描速率的投影图像再现为立体图像。
作为辐射探测器可以采用原本具有高位置分辨率的辐射探测器，且该探测器可以通过连接多个并排设置的像素(在此也是通过像素合并)在投影图像中形成低位置分辨率区域。此外，除了使用确切地预先给出或定义的不同位置分辨率区域的辐射探测器之外，还可以使用以下辐射探测器，在这种辐射探测器中，能对可变的高分辨率区域进行调节，这意味着，对不同的投影图像其高位置分辨率的图像区域是可变的。这也可以通过极为快速的像素合并来实现。
在本发明的所述方法中，可以通过以下步骤进行内插。下面列出的示例是基于以下前提，即具有两个分辨率不同的区域，其两个分辨率之间相差一个系数：
-在进行分离的二维小波变换时，采用一个低通滤波器和一个高通滤波器对每幅投影图像的高分辨率区域进行滤波，从而获得具有四个子带的频带矩阵，其中一个子带以近似系数的形式仅包含该投影图像的低通分量，而另外三个子带则以清晰度系数的形式包含该投影图像的不同的高通分量；
-积分出具有近似系数的子带来代替原投影图像的高分辨率区域，以形成具有低位置分辨率的积分图像；
-将该积分图像作为第二频带矩阵的低通子带使用；
-用已存在子带的清晰度系数在与系数有关的频带位置处，以及用填充系数(例如空值)在其它频带位置处，填充假定频带矩阵的另外三个子带；
-对上述假定频带矩阵进行小波反变换。
接着，对所有经过上述方法处理过的投影图像进行滤波反投影。就滤波或所有内插的数学描述而言，小波变换的使用给出了一个在一定程度上固定的流程图。小波法允许对低分辨率投影图像区域进行一致的内插。
按照本发明，可对所涉及的投影图像多次重复上述内插步骤，直到低分辨率区的扫描速率或尺度与高分辨率区的扫描速率或尺度一致。
除了所述本发明的方法之外，本发明还涉及一种拍摄辐射图像的装置，用来实现本发明的所述两种方法或其中之一。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节将由下面描述的实施方式以及附图中给出。其中：
图1是本发明所述方法的流程图，该方法用于周不同分辨率的投影图像数据组产生两幅独立的立体图像；
图2是显示本发明所述方法的流程图，该方法用于产生一幅具有不同分辨率立体区域的立体图像；
图3是解释内插方法的流程图；
图4是一种用于实现本发明所述方法的合适的装置，所述装置为C状弓形。
具体实施方式
图1以典型的功能流程图的形式示出了产生两幅独立的具有不同分辨率的立体图像的主要步骤。在步骤1中，首先在一次扫描中拍摄一个完整的投影图像数据组P，该数据组由N幅用P低标出的低分辨率投影图像和n幅用P高标出的高分辨率投影图像构成。接着在步骤2中用n幅高分辨率投影图像P高产生高分辨率立体图像V高。
在步骤3中，对所有的高分辨率投影图像P高进行变换，从而使其尺度或扫描速率与低分辨率图像的尺度或扫描速率一致，也就是用一个低通滤波器和一次缩减采样(确切地说是一次有组织的像素合并)进行一次缩减尺度。由此可获得n幅经过变换的高分辨率投影图像P′高。在步骤4中，用全部N幅低分辨率投影图像P低和n幅现在也是低分辨率(以前是高分辨率)的投影图像P′高产生低分辨率立体图像V低。在步骤5中，将这两幅立体图像输出到显示器上，并使其每次以上下、并排或彼此重叠的形式显示。
可以表明，显然也可以取消步骤3，而仅仅用N幅低分辨率投影图像P低产生低分辨率立体图像V低。
通过滤波反投影，以合适的方式产生当时的立体图像。根据对当时的立体图像所提出的不同要求，可以使用不同的滤波器。合适的是，为了产生低分辨率立体图像，可以使用能提高对比度分辨率的滤波器，以便在立体图像中，即使是对很小的物体，也能识别出其滤波器对比度的细微差别。为了产生高分辨率立体图像V高，合适的方式是使用具有高位置分辨率或高空间分辨率的滤波器。
图2示出了说明本发明所述方法的流程图，该方法产生具有不同分辨率区域的立体图像。在此，首先在步骤6中，拍摄一组具有高分辨率区域和低分辨率区域的投影图像P，其中，两个区域具有不同的扫描速率R扫描。在步骤7中，对低分辨率区域进行内插，从而使低分辨率区域的扫描速率R扫描(低)与高分辨率区域的扫描速率R扫描(高)一致。最后在步骤8中，通过采用锥形射线再现法的滤波反投影产生具有高分辨率和低分辨率区域的立体图像V。
图3以流程图的形式详细表示出了内插步骤7的流程。投影图像P的中间区域是以双倍的高扫描速率R扫描(高)拍摄的，该图像还具有一个以低扫描速率R扫描(低)扫描的外围区域。在上述投影图像P的基础上，首先对其高扫描速率的中间区域进行小波变换，其中，通过这种采用一个低通滤波器和一个高通滤波器的变换，产生四个子带S1、S2、S3和S4。子带S1也可称为“低-低频带”，包含投影图像P中部高分辨率区域的低通分量，该分量为近似系数形式。子带S2、S3和S4也可称为“低-高频带”(S2)、“高-低频带”(S3)和“高-高频带”(S4)，包含原投影图像中部高分辨率区域的高频分量。S2和S3是在采用低通滤波器和高通滤波器的情况下产生的，而S4是在仅采用高通滤波器的情况下产生的。子带S2和S3之间的区别在于，所采用的两个滤波器分别在不同方向上使用。
接着将所述低-低子带S1在原始投影图像的原具有高扫描速率R扫描(高)的高分辨率区域进行积分。由此可获得积分图像I，该图像将在下面的步骤中进一步与一个同样由四个子带构成的频带矩阵进行积分。这些被称为子带S1′、S2′、S3′和S4′的子带同样分别是低-低频带、低-高频带、高-低频带和高-高频带。现在将积分图像I与上述假定频带矩阵的低-低子带S1′进行积分。三个原始子带S2、S3和S4给出了清晰度系数和高通分量，并描述了投影图像P的边缘，及其内部的其它细节，现在将这些子带分别在上述假定频带矩阵的相应子带S2′、S3′和S4′上进行积分。可以将所述子带S2、S3和S4的清晰度系数分别与原始投影图像的像素位置相对应，这些像素位置又分别位于假定频带矩阵的各子带S2′、S3′和S4′中。分别将各子带S2、S3和S4的清晰度系数准确地写到也可以定义为二维位置x，y的这些像素位置。由此这些清晰度系数就相应地位于假定频带矩阵各子带的中部。对剩余的频带区域用填充系数(此处分别是“0”)进行填充。现在将进行二维小波反变换，其结果是得到一个二维投影图像，其中，所有区域内的扫描速率都相同，而且与原高扫描速率R扫描(高)一致，但中间区域的位置分辨率是外围区域的两倍。紧接着在步骤9中通过锥形射线再现法，用产生立体图像V的滤波反投影对投影图像P′进行处理。
可以表明，可以多次连续地进行上述内插步骤，直到进行逆向反投影为止，其中，重复的次数取决于高分辨率区域和低分辨率区域之间的扫描速率差。每次直到逆向反投影为止的内插都会导致扫描速率或尺度加倍。
图4表示一种用于实现本发明的一种或两种方法的装置10。装置10呈C状弓形，具有一个辐射源11和一个辐射接收器，该辐射接收器优选数字式平面探测器的形式。所述辐射源和辐射接收器均安装在C状弓形体13上，并且可通过C状弓形体一起运动。这里，C状弓形体可以在弓形体支架14上沿箭头A移动。如箭头B所示，弓形体支架可以与C状弓形体及其组件一起绕水平轴转动。
如果要对躺在患者卧榻15上的患者16进行检查，为了拍摄三维再现所需的投影图像，将C状弓形体13和与之相连的辐射源11以及辐射接收器12一起绕水平轴沿箭头B转动。在此过程中，辐射源11和辐射接收器12围绕患者16旋转。在旋转过程中，以不同的角度连续拍摄检查区的二维投影图像，所述检查区位于同心(Isozentrum)IZ处。从辐射接收器上读出每幅投影图像并将其输送给图像拍摄和处理装置17，从这里在拍摄完所有投影图像之后，再现一幅或两幅立体图像。这里，所需的所有投影图像在一次扫描中，也就是在围绕患者16的一次旋转过程中拍摄。
根据图像拍摄和处理装置17为了实现本发明的三维再现而采用的不同图像处理方法，需要采用相应的拍摄方式。有两种方式：一种是必须以不同的分辨率拍摄各投影图像，为此通过图像拍摄和处理装置17来控制所述辐射接收器，使其位置分辨率例如在高分辨率和低分辨率之间交替转换，这可以例如通过像素合并来实现。另一种是所拍摄的投影图像必须具有不同位置分辨率的区域，其中使用了例如所谓的“Fovea”探测器，该探测器本身具有分辨率不同的区域或是在该探测器中可以电选择和转换这些区域。这也可以通过图像拍摄和处理装置来进行控制。
在图像拍摄和处理装置中，将根据所采用的本发明的处理方法对各二维投影图像进行相应的处理。例如，如果采用的是所述第一种方法，可根据高分辨率投影图像首先再现高位置分辨率立体图像。接着，将原来的高分辨率投影图像进行变换，从而使其在尺度、扫描速率和分辨率方面与低分辨率投影图像一致。用这些尺度、扫描速率、分辨率和像素数都相同的图像，其数量大致与所拍图像的总数一致，再现第二幅低位置分辨率或高对比度分辨率的立体图像。接着将再现的图像分别或是同时(必要时重叠)输出到显示器18。
如果所拍摄的投影图像具有不同的分辨率区域，则在图像拍摄和处理装置中对低分辨率区域进行数据内插，以使低分辨率区域的扫描速率与高分辨率区域的扫描速率相匹配。接着，通过锥形射线三维再现方法，利用具有相同扫描速率的投影图像的滤波反投影再现所述立体图像。该图像将显示出一个高位置分辨率区域，例如立体图像中部，以及一个低分辨率区域，例如图像边缘。这幅多分辨率区域的立体图像也将输出到监视器18用于检查鉴定。
Claims (15)
1.一种根据二维投影图像产生受检体的三维多分辨率立体图像的方法，其中所述二维投影图像是在对受检体的一次扫描中，利用一种辐射图像拍摄装置所拍摄的，所述拍摄装置具有一个辐射源和一个辐射接收器，所述方法具有以下步骤：
-拍摄一组二维投影图像，其中，一部分图像具有低分辨率，另一部分图像具有高分辨率；
-对高分辨率的投影图像进行变换，使之与低分辨率的投影图像具有相同的尺度、扫描速率和分辨率(缩减尺度)；
-借助低分辨率的投影图像以及经过变换的投影图像产生一幅低分辨率的三维立体图像，以及借助高分辨率的投影图像产生高分辨率立体图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生低分辨率的投影图像是通过连接辐射探测器上多个彼此并排设置的像素实现的。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以预定的交替顺序拍摄所述低分辨率和高分辨率投影图像。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在拍摄N幅投影图像时，以高分辨率拍摄每第n幅投影图像。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用锥形射线再现方法再现立体图像。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在锥形射线再现方法下采用滤波反投影产生立体图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为了产生低分辨率的立体图像，采用了能提高对比度分辨率的滤波器。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，为了产生高分辨率的立体图像，采用了能提高位置分辨率的滤波器。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将具有不同分辨率的两幅立体图像单独或重叠地输送到监视器。
10.一种根据二维投影图像产生受检体的三维多分辨率立体图像的方法，其中所述二维投影图像是在对受检体的一次扫描中，利用一种辐射图像拍摄装置所拍摄的，所述拍摄装置具有一个辐射源和一个辐射接收器，所采用的辐射接收器具有高分辨率和低分辨率接收区域，所述方法包括以下步骤：
-用辐射接收器拍摄一组二维投影图像，所述投影图像在一个区域中具有高分辨率，在另一个区域中具有低分辨率，其中，低分辨率区域是通过连接相邻探测元件形成的；
-对投影图像的低分辨率区域进行内插，以匹配扫描速率，使得低分辨率区域的扫描速率与高分辨率区域的扫描速率相同；以及
-在具有相同扫描速率的投影图像的基础上，特别是采用滤波反投影实施锥形射线再现方法，以产生一幅具有高分辨率立体区域和低分辨率立体区域的立体图像。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在立体图像中形成具有低分辨率的区域是通过连接辐射接收器上多个并排设置的像素实现的。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在内插过程中完成以下步骤：
-在小波变换过程中，用一个低通滤波器和一个高通滤波器对每幅投影图像的高分辨率区域进行滤波，从而获得一个具有四个子带的频带矩阵，其中，一个子带仅以近似系数的形式包含该投影图像的低通分量，而另外三个子带则以清晰度系数的形式包含该投影图像的高通分量；
-嵌入具有近似系数的子带来代替原投影图像中的高分辨率区域，以形成一幅积分图像；
-用该积分图像作为第二频带矩阵的低通分量；
-用已存在子带的清晰度系数在与系数有关的频带位置处，以及用填充系数在其它频带位置处，填充频带矩阵的另外三个子带；
-对上述假定频带矩阵进行小波反变换。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，重复进行与投影图像有关的步骤，直到低分辨率区域的扫描速率与高分辨率区域的扫描速率一致。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，采用具有可变高分辨率区域的辐射探测器。
15.一种用于拍摄辐射图像的装置，设计用来实施如权利要求1至9中任一项所述方法和/或权利要求10至14中任一项所述方法。
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