CN1461949A - 为计算机断层造影设备的探测器信道确定校正系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种为计算机断层造影设备的探测器信道确定校正系数或校正参数，尤其是确定信道校正系数和/或间隔系数的方法。其中，通过进行扫描来获得模型(11)的X射线照片，该模型具有平滑的横截面特性曲线，并在该计算机断层造影设备中被这样采用，即，在一次全扫描中，由几乎所有的探测器信道(3)获得多个不同的衰减值。根据该X射线照片，将该扫描的每次投影所获得的衰减特性曲线进行高通滤波，以获得与通过该模型(11)给定的理想特性曲线的偏离值。将模拟函数与每个探测器信道根据获得的衰减值得到的偏离值进行匹配，其中根据衰减值获得校正系数或校正参数。本方法可以简单地同时确定信道校正系数和间隔系数。

Description

为计算机断层造影设备的探测器信道 确定校正系数的方法

技术领域

本发明涉及一种通过模型(Phantom)测量为计算机断层造影设备的探测器信道确定校正系数或校正参数，尤其是确定信道校正系数和/或间隔系数(Spacing-Koeffizient)的方法。

背景技术

除其它装置外，计算机断层造影设备还包括X射线管、设置为行式或矩阵形、并代表各探测器信道的X射线探测器，以及患者卧榻。X射线管和X射线探测器设置在一个支架(Gantry)上，该支架在测量期间围绕患者卧榻或平行于运动的检查轴旋转。或者，为此也可以将X射线探测器设置在围绕患者卧榻的固定的探测器环上，其中，X射线管与支架一起运动。

患者卧榻一般可以相对于支架沿着检查轴移动。X射线管产生在层平面中垂直于检查轴的扇形发射的射线束。通过在X射线管的目标物质上的焦距大小或焦点直径以及一个或多个设置在X射线束射线通路中的光阑，调节射线束在层厚方向上的边界。X射线束在层平面中进行检查时穿过对象层，例如躺在患者卧榻上的患者的身体的断层，并照射到位于X射线管对面的X射线探测器上。在用计算机断层造影设备拍摄图像期间，X射线束穿过患者身体截面的角度和患者卧榻位置(必要时)相对于支架的位置不断地发生变化。

在穿透患者之后到达X射线探测器的X射线束的X射线的强度取决于X射线穿过患者时的衰减。在此，每个X射线探测器根据所接收的X射线的强度产生电压信号，该信号对应于为从X射线管到相应的X射线探测器或探测器信道的X射线所进行的身体整体透明度的测量。一组X射线探测器的电压信号称为投影，该电压信号与从中计算出衰减值的衰减数据对应，且该电压信号是在X射线源相对于患者的特殊位置上获得的。一组在支架围绕患者旋转期间在支架的不同位置上进行的投影也称为扫描。计算机断层造影设备在X射线源相对于患者身体的不同位置上进行许多投影，以便再现一幅对应于患者身体的二维断层图像或三维图像。常见的根据所获得的衰减数据或从中推导出的衰减值再现断层图像的方法是公知的滤波反投影方法。

再现的基础是，对每个探测器信道k和支架的每个投影角或每次投影p，都可以计算出正确的衰减值。但在实践中，探测器从来都不是毫无误差的。除了其它误差外，各探测器都存在频谱的非线性性，且在信道与信道之间误差可能有所不同。这导致根据各探测器元件或探测器信道的信号计算的衰减值 $x_k\left(d\right)=-\ln \left(\frac{I_k\left(d\right)}{I_{0k}}\right)$ 是被透射物质的厚度d的函数，该函数还另外依赖于各探测器信道k。I_k(d)代表在透射物质或身体后由探测器信道k测量的X射线剩余信号，I_0k是相应的未衰减信号。由于在透射物质过程中产生的射线硬化，虽然用X射线探测器测量的相关性X_k(d)反正不是线性的，但可以对在数据处理过程的相应射线硬化校正中的所有信道一起考虑该非线性。其它的误差必须在单独校正中加以克服。这种校正，尤其是对所述频谱非线性的校正是必需的，以避免在用计算机断层造影设备拍摄的图像中产生环形的图像虚影。

在此公知的是，通过一个对每个探测器信道k都不同的多项式 ${\mathrm{\Δx}}_k^{\mathrm{ccr}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k,n}\·x_k^n$ 来近似各信道不同的频谱误差，其中多项式的级数N一般不大于2。在此，以上述公知方法对每个探测器元件或探测器信道测量的数据取对数，以获得衰减值x_k。最后，在用衰减值进行滤波反投影之前，用为每个信道分别确定的校正值Δx_k ^ccr校正该衰减值。

在这类校正方法中的重要技术问题是确定多项式系数a_k,n，下面也称为信道校正系数。目前，为了确定这些多项式系数，用计算机断层造影设备对不同厚度的测试模型(Balkenphantomen)进行测量，而无需旋转支架。根据这些测量，每个探测器信道给出多个不同的衰减值，根据这些衰减值，在采用的各模型的已知衰减中可以确定偏离正确值的大小，并由此确定校正系数。然而，通过采用测试模型的测量很复杂。此外，测试模型的体积相对较大，必须用各计算机断层造影设备携带，并存放在使用地点。此外，必须在不旋转的系统上进行测量，从而使得在确定校正系数中的设备状态与实际测量中的使用状态不一致。尤其是，在系统静止状态下的温度效应可能与旋转状态下的温度效应大为不同。

另一种通过探测器元件在计算机断层造影设备中引起的误差是所谓的间隔误差，该误差是由几何上非等间隔的探测器结构引起的。在第一近似中，可以通过下面的方程近似该间隔误差： ${\mathrm{\Δx}}_k^{\mathrm{sp}}=c_k\·\frac{{\∂x}_k}{\∂k}$ 为了在由测量推导出的衰减值X_k上应用该校正，必须另外确定间隔系数c_k。迄今为止，都通过对用一种有介电性质的有机玻璃(Plexiglas)制成的圆柱形模型进行扫描获得间隔系数，其中该圆柱形模型具有相对很小的仅40mm的直径，该模型偏心的位于计算机断层造影设备的检查区域内。通过用这种方式获得的X射线照片(Sinogramm)，首先确定模型在计算机断层造影设备内的位置。随后，将该位置与从每个探测器信道获得的数据进行比较，并根据与各最大值的差距推导出校正系数。然而，模型定位与数据处理都花费较大。

发明内容

基于现有技术，本发明要解决的技术问题是，为计算机断层造影设备的探测器信道提供一种确定校正系数，尤其是确定信道校正系数和/或间隔系数的方法，可以简单地实现这种确定。

本发明的技术问题是通过一种为计算机断层造影设备的探测器信道确定校正系数或校正参数的方法解决的。其中，在该计算机断层造影设备中这样采用具有平滑横截面特性曲线的模型，即，在一次包括多个投影的扫描中，由几乎所有的探测器信道获得多个不同的衰减值；至少进行一次扫描，以获得该模型的X射线照片(Sinogranm)；根据该X射线照片，将该扫描的每次投影所获得的衰减特性曲线进行高通滤波，以获得与通过该模型预先给定的理想特性曲线的偏离值；以及对于每个探测器信道，将模拟函数与每个探测器信道的根据所获得的衰减值得到的偏离值进行匹配，其中，根据衰减值获得校正系数或校正参数。

在为计算机断层造影设备的探测器信道确定校正系数，尤其是确定信道校正系数和/或间隔系数的本方法中，在计算机断层造影设备的检查区域中这样采用了具有平滑横截面特性特性曲线的模型，即，在一次全扫描中，也就是在利用支架的完全旋转所进行的测量中，由几乎所有的探测器信道各采集到多个不同的衰减值。在使用模型之后，至少进行一次扫描，以获得模型的X射线照片。根据该X射线照片，将扫描的每次投影所获得的衰减特性曲线进行高通滤波，以获得与通过模型形式给定的理想特性曲线的偏离值。随后，对于每个探测器信道，分别将模拟函数(Modellfunktion)与每个探测器信道根据所获得的衰减值得到的偏离值进行匹配，其中根据衰减值获得校正系数或校正参数。

因此，本方法只采用了一个模型。在此，在每个探测器信道的模型设置合适的情况下，通过一次扫描的不同投影所测量的不仅是一次衰减值，而是大量的衰减值，在模型具有公知的几何形状下，可以将这些衰减值用于推导校正系数。通过使用具有光华横截面特性曲线的模型，也就是没有棱角或突变的表面结构，可以利用随后的高通滤波获得与通过模型形状的预定的理想特性曲线的偏离值，该偏离值是特定于各信道的，因为信道与信道之间的偏离变化很大。

在本方法中，在X射线照片中包含的数据可以用于确定校正系数或校正参数和/或确定间隔系数。也可以根据该偏离值确定空气校准表的校正，也就是常数

空气校准表考虑了探测器信道的不同放大性。

在一起确定校正系数或校正参数以及间隔系数时，不再需要不同的模型。用具有平滑横截面特性曲线的模型进行一次测量，也就是一次扫描就足够。因此，不再需要使用不同的大体积的测量模型。对旋转系统进行校准测量，从而具备了实际测量的条件。此外，对间隔系数的确定也不再需要对模型进行精确定位以及对数据进行花费较大的处理。

优选的，在本方法中，采用圆柱形的模型，例如直径在15cm到30cm之间，该模型偏心地设置在由探测器信道获得的检查区域内。通过这种偏心设置，所有或至少最大部分的探测器信道在旋转期间各自测量不同的衰减值。通过对利用每次投影根据信道获得的信号或衰减值进行高通滤波，其中该衰减值代表衰减特性曲线，获得与模型的实际平滑特性曲线的偏离值，其中该平滑特性曲线在本专利中称为理想特性曲线，这些偏离值是由于噪声、间隔误差和信道特定的频谱非线性而出现的。

当然可以用不同方式进行高通滤波，只要通过该滤波可以获得信道特定的与理想特性曲线的偏离值，其中，滤波一般理解为一次数学运算，以获得在探测器信道上剧烈波动的衰减值的波动振幅。高通滤波的一个例子是从获得的测量曲线或衰减特性曲线中减去被平滑的特性曲线。可以通过用合适的滤波核(Filterkern)，例如通过使用一个或可能时使用多个矩形滤波器、高斯滤波器、Savitsky-Golay滤波器等对测量曲线进行合并(Faltung)来获得平滑曲线。此外，可以通过多项式近似或通过测量曲线拟合来实现平滑的曲线。还有一个可能是，将理论上计算的平滑衰减特性曲线通过拟合与所测量的曲线进行匹配。通过从测量曲线中减去被平滑曲线，给出了待计算的偏离值，然后对这些偏离值进行进一步的处理。另一个高通滤波的可能在于用特定的高通滤波器合并各测量曲线的数据，类似于在再现CT图像过程中使用的合并核(Faltungkern)。可能时，在这种情况下还必须随后去掉被平滑曲线。

通过对X射线照片的数据逐行使用高通滤波器，其中逐行理解为在X射线照片的信道方向的应用，对不同的衰减值获得信道特定的与各理想值的偏离值。现在对每个信道，通过模拟函数的匹配可以平衡偏离值对衰减的依赖性，根据该匹配可以获得期望的信道校正系数或间隔系数。为了确定信道校正系数，优选使用多项式，如在开始部分所述。该方程适用于确定间隔系数。如果要同时确定两个系数，则模拟函数由这两个所述多项式相加而成。匹配本身可以通过公知的方法进行，例如通过最小化差值总和的最小平方拟合。

此外，确定间隔系数和/或信道校正系数的同时还可以进行空气校准，对各模拟函数补充依赖于信道的常数d_k，作为待确定的用于空气校准的参数。

通过本方法的简单方式，可以用唯一的例如设计为水模型的模型实现本方法。

作为该模型的横截面形状，优选选择这样一种几何形状，其衰减特性曲线可以通过数学函数描述。利用这种方式，可以通过减去预定的匹配函数非常简单和精确的进行高通滤波。

附图说明

下面借助结合附图所述的实施方式再次简要说明本发明。在此示出了：

图1为用于获得患者身体层的截面图像的计算机断层造影设备的部分示意图；

图2简化地示出了实施本方法的模型定位；

图3为利用这种设置测量的X射线照片；

图4为根据图3的X射线照片推导出的沿着图3所示的直线的理想衰减特性曲线；

图5为根据该X射线照片获得的沿着图3中所示的直线的实际测量特性曲线，以及通过高通滤波获得的数据；

图6为根据各探测器信道的衰减从X射线照片获得的偏离值，以及与该偏离值相匹配的模拟函数曲线的例子。

图1示出了用于说明在测量数据拍摄中的几何关系的计算机断层造影设备的部分的示意图。该计算机断层造影设备具有一个X射线管4形式的X射线源，其向具有一行2探测器元件3的探测器座方向上发射扇形的X射线束7。X射线管4和探测器元件3都设置在支架9上，该支架可以围绕患者1连续旋转。患者1位于图1中未示出的插入到支架9中的患者卧榻上。支架9在图1中示出的笛卡尔坐标系x-y-z的x-y平面中旋转。患者卧榻沿着z轴移动，其中，z轴对应于待示出的患者1各断层的层厚方向5。此外，在该图中还可以看到被X射线束7透射的断层10，由该断层产生断层图像。

图2从另一视角示出了图1的计算机断层造影设备的一部分，其中，使用圆柱形模型11来代替患者，并设置于偏离旋转轴12的位置，从而在支架9的旋转过程中，除了探测器行2最外侧的探测器元件之外，所有探测器元件3都采集到模型11的大量不同衰减值。

图3示出了对这种模型用扫描获得的X射线照片的例子。从该图中可以看出，除了最外侧的信道之外，每个探测信道在扫描期间都通过模型11测量到大量的衰减。为此，图4中示出了理想特性曲线，即在探测器没有误差的情况下，由模型11在投影中获得的，该投影在图3中用直线在X射线照片中标出。与该平滑模型11的其它投影相同，在这种投影中，衰减特性曲线具有同样光滑的变化过程。

然而，通过各个信道的探测器误差以及间隔误差，这类模型衰减特性曲线的实际测量曲线看起来有所不同，如图5所示，图5示出了沿着图3中直线的实际获得的测量曲线。在图5中可以清楚地看出与平滑的理想特性曲线的偏离。

在获得X射线照片之后，通过应用合适的高通滤波器对X射线照片的各行进行滤波，以获得偏离值。由此，从该X射线照片中虑除偏离值。在本例中，通过从各测量曲线(测量曲线)中减去图5中示出的平滑曲线(理想曲线)来进行滤波。可以通过对测量曲线应用合适的平滑函数来获得平滑曲线。其它可能性已在前面的描述中说明。在从测量曲线中减去平滑曲线之后，获得误差变化曲线或偏离值变化曲线，如图5的下半部分图所示。因此，高通滤波提供了各测量值x_kp的偏离值Δx_kp，其中k是信道号，p是扫描或X射线照片的投影号。

下面，根据对每个信道k以所述方式获得的偏离值确定用于信道校正、间隔校正和空气校准表校正的校正系数a_k,n、c_k和d_k：

确定a_k,n、c_k和d_k，使得误差和 $F=\underset{P}{\mathrm{\Σ}}{({\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{kp}}-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k,n}{x}_{\mathrm{kp}}^n-c_k\·\frac{{\∂x}_{\mathrm{kp}}}{\∂k}-d_k)}^2$ 最小化。在此，将在面提到的模拟函数用于信道校正和间隔校正。对空气校准表的校正对应于函数

在本方法中，x_kp可以是相应投影p的相应信道k的测量值。然而，对于该值，如果通过平滑测量曲线实现高通滤波器，则也可以是在该信道中通过平滑而出现的相应的值。如果x_kp是实际的测量值，则必须通过求差来近似上面误差和等式中的导数，例如通过 $\frac{{\∂x}_{\mathrm{kp}}}{\∂k}\≈\frac{1}{2}(x_{k+1,p}-x_{k-1,p})$ 如果通过低通滤波出现x_kp，也可以应用相同的公式。如果通过测量曲线拟合进行平滑，则也可以通过对被拟合的函数的分析微分进行求导。

除了多项式形式的模拟函数之外，还可以用其它任意函数关系 ${\mathrm{\Δx}}_k^{\mathrm{ccr}}=f_a\left(x_k\right)$ 模拟信道特定的频谱非线性，其中，a表示模拟参数或校正参数的向量。然后，通过最小化模拟误差和来确定参数a和上述参数c和d。

当然，也可以通过只匹配模拟函数仅对校正系数中的一个进行优化，例如仅对间隔系数或仅对信道校正系数进行优化。这样，探测器信道的其它相应误差应当在该匹配之前就已经在预处理步骤中计算出来。

图6示例性地示出了用于确定信道校正系数的匹配的模拟函数。在该图中，示出了根据图3的X射线照片，通过高通滤波对一个信道获得的依赖于衰减的偏离值Δx。放大的X射线探测器的量子噪声导致了在较高的衰减值下该偏离值的可识别的较强散射。匹配的模拟函数用虚线示出。根据该模拟函数对所确定的偏离值Δx的匹配，可以为信道确定系数a_n。

除了为频谱非线性和间隔误差以及可能的空气校准表误差单独或共同确定校正系数之外，也可以在多个相邻的步骤中确定各系数。例如可以首先确定信道校正系数，然后用该系数校正数据，然后确定间隔系数，并在用该系数相应地校正数据之后，确定空气校准表的误差。

通常在计算机断层造影设备交付使用之前以及通常在维护周期内或在修理之后确定校正系数。然后，可以利用所确定的校正系数和所属的模拟函数或多项式对在确定使用计算机断层造影设备中测量的衰减值自动进行校正。

当然，本方法也可以应用到多行探测器或平面探测器，其中，分别对每个探测器行的信道进行分析处理。

Claims (14)

1.一种为计算机断层造影设备的探测器信道确定校正系数或校正参数的方法，其中，

-在该计算机断层造影设备中这样采用具有平滑横截面特性曲线的模型(11)，即，在一次包括多个投影的扫描中，由几乎所有的探测器信道(3)获得多个不同的衰减值；

-至少进行一次扫描，以获得该模型(11)的X射线照片；

-根据该X射线照片，将该扫描的每次投影所获得的衰减特性曲线进行高通滤波，以获得与通过该模型(11)预先给定的理想特性曲线的偏离值；以及

-对于每个探测器信道(3)，将模拟函数与每个探测器信道(3)的根据所获得的衰减值得到的偏离值进行匹配，其中，根据衰减值获得校正系数或校正参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用一个圆柱形模型(11)，并偏心地设置在所述计算机断层扫描设备中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用直径在15cm到30cm之间的圆柱形模型(11)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述高通滤波这样进行，即，通过平滑由所述X射线照片获得的各衰减特性曲线来获得所述理想特性曲线，并从由所述X射线照片获得的衰减特性曲线中减去该理想特性曲线。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述高通滤波这样进行，即，通过对由所述X射线照片获得的各衰减特性曲线进行曲线拟合来获得所述理想特性曲线，并从由所述X射线照片获得的衰减特性曲线中减去该理想特性曲线。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述高通滤波这样进行，即，通过利用理论计算的衰减特性曲线对由所述X射线照片获得的衰减特性曲线进行曲线拟合来获得所述理想特性曲线，并从由所述X射线照片获得的衰减特性曲线中减去该理想特性曲线。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述高通滤波这样进行，即，通过利用适当的函数合并根据所述X射线照片获得的衰减特性曲线来获得所述理想特性曲线。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，通过最小化所述投影上的误差和来进行所述模拟函数的匹配。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，为了确定信道校正参数，用模拟函数f_a(x_k)最小化所述误差和 $F=\underset{P}{\mathrm{\Σ}}{({\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{kp}}-f_a\left(x_{\mathrm{kp}}\right))}^2$

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，为了确定信道校正系数，用模拟函数 $\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k,n}\·x_k^n$ 最小化所述误差和 $F=\underset{P}{\mathrm{\Σ}}{({\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{kp}}-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k,n}{x}_{\mathrm{kp}}^n)}^2$

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，为了确定间隔系数，用模拟函数 $c_k\·\frac{{\∂x}_k}{\∂k}$ 最小化所述误差和 $F=\underset{P}{\mathrm{\Σ}}{({\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{kp}}-c_k\·\frac{{\∂x}_{\mathrm{kp}}}{\∂k})}^2$

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，为了确定间隔系数和信道校正系数，用模拟函数 $\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k,n}\·x_k^n+c_k\·\frac{{\∂x}_k}{\∂k}$ 最小化所述误差和 $F=\underset{P}{\mathrm{\Σ}}{({\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{kp}}-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k,n}{x}_{\mathrm{kp}}^n-c_k\·\frac{{\∂x}_{\mathrm{kp}}}{\∂k})}^2$

13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于，在确定间隔系数和/或信道校正系数的同时还确定用于校正空气校准表的系数d_k。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，采用水模型。

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