CN1462016A - 三维物体的计算机辅助重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维物体的计算机辅助重构方法：将一物体(4)的至少三个彼此相对错开差角(β)的二维投影(P)传送到计算机(5)；投影面(2)中的每个面积元(3)与投影面(2)中的每一个位置(ij)对应，每个投影(P)与每一个面积数据值(fij)对应；由计算机(5)借助传送的投影(P)对与空间中每一个位置(xyz)相对应的大量体积元(9)求出为二元值的体积数据值(Vxyz)，从而这些体积元(9)在其整体上体现了该物体(4)的三维图像。

Description

三维物体的计算机辅助重构方法
本发明涉及一种三维物体的计算机辅助重构方法，其中，
-将该物体数量至少为三个的、彼此相对错开差角的二维投影传送到一分析计算机，
-差角处于一共同的转动平面内，
-面积元与投影面中的每一个位置对应，每个投影与每一个面积数据值对应，
-由分析计算机借助传送的二维投影对与空间中每一个位置相对应的大量体积元求出体积数据值，从而这些体积元在其整体上体现物体的三维图像。
这类方法对所谓的C形X射线装置(C-Bogen-Rntgenanlag)来说是普遍公知的。其中，射线源和投影面同步和同向转动至少180°，并在此时拍摄44-400个X光片。然后借助于Feldkamp的背投算法完成重构。
在Feldkamp的背投算法中，转动至少180°是强制性的要求。但是，可以作这种转动180°和更多的C形X射线装置成本相当高。因此存在大量只能作小于180°角度转动的设备。现有技术中这类设备不能进行物体的三维重构。
本发明要解决的技术问题在于提供一种即使在放射源和投影面转动小于180°时仍能在许多应用场合实现物体三维重构的计算机辅助重构方法。
上述技术问题是通过二元值的体积数据值来实现的。
体积数据值为二元值确切地说是近似的。但是这种近似是可以接受的，因为在许多使用情况下检查的是高对比度物体。例如在血管造影术时向待了解的血管注入造影剂，或者骨头本身就已经是这种高对比度物体。
当然，本发明的重构方法在转动180°或者更多时也可使用。但转动180°或者更多不再是强制性要求。差角之和也可以小于180°。特别是可以仅为60-120°。
所述投影关于转动轴最好在转动范围内均匀分布。投影可以是平行投影，但最好是透视投影。
基于此简化的重构方法，现在投影的数量可以小于40，特别是小于20，例如小于10。基于本发明的重构方法，还可以使患者所受到的放射程度要明显低于现有技术的重构方法。
体积数据值体现了物体的基本透明度和最低透明度。这就可以由分析计算机将基本透明度和/或最低透明度与体积数据值一起计算出。当然，也可以选择向分析计算机给定基本透明度和/或最低透明度。
当被计算出的体积数据值由分析计算机这样储存到一大容量存储器内，使得那些在空间中处于一共同平面内的位置的体积元的体积数据值共同存储，则在体积的各层上会产生特别简单的存取。
当被计算出的体积数据值由分析计算机按DICOM-格式存储在大容量存储器内时，可使用大大扩展的存储器格式。
鉴于该体积数据值只能接受两个不同数值，可以首先确定可靠体现物体基本透明度那个体积数据值的体积元，然后对其余的体积元通过尝试可能性(试算法)求出其余的体积数据值实际接受的数值。但是，当使用离散X断层照相术方法来求出体积数据值，则更加简单也更加快速。
下面借助附图和对实施方式的描述对本发明的其他优点和细节进行说明：
图1示出一医学成象设备；
图2示出一转动平面的俯视图；
图3示出了对一投影的说明；
图4示出一流程图。
图1所示的医学成象设备，例如X射线设备，具有一放射源1(这里为一X射线管1)和一投影面2。该投影面2具有许多面积元3(参见图3)。在放射源1和投影面2之间设置、可借助放射源1透射的待检查三维物体4。
此外，医学成象设备具有一台与放射源1和投影面2作控制和数据技术连接的控制和分析计算机5。控制和分析计算机5利用一确定控制和分析计算机5特性的计算机程序产品6编程。在利用计算机程序产品6编程的基础上，控制和分析计算机5实施下面还要详细介绍的物体4的重构方法。
如在图1中由放射源1和投影面2处彼此相对的箭头所示，由控制和分析计算机5使放射源1和投影面2相对于一共同的转动轴7同步和同向转动一转角α，也就是转动以一个转动平面方式完成。在转动一转角α期间连续或者脉冲式地使放射源1工作。这样，投影面2(部分处于物体4的透射下)受到放射源1的辐射照射。这样得出的物体4的二维投影P传送给控制和分析计算机5。得到的各次投影彼此相隔开一个差角(Differenzwinkel)β。在这种情况下由差角β之和得出转角α。
如从图2所见，转角α小于180°。在此实施例中它仅为90°，特别是处于60°和120°之间。在此实施例中，转角α内各次投影P之间的差角β始终相同。亦即差角β彼此相等，且(通常)小于90°。但是它们也可以变化。图2中只标出了各次投影P期间放射源1的位置。出于清楚起见在图2中没有同时标出投影面2的位置。
按照图2，投影P的数量N为6，但也可以大于或者小于6。数量N至少为3。数量N的上限原则上是任意的。但为了对物体4的辐射保持在最小程度，它应小于40，特别是小于20，例如小于10。
如从图3清楚看出的那样，放射源1基本上可以采用点状。于是，投影P为透视投影P。
按照图3，投影面2中的面积元3呈二维分布。因此，每个面积元3对应着投影面2中的每一个位置ij。此外，每次投影P为每个面积元3提供一个面积数据值fij。面积数据值fij取决于投影射线8通过物体4的衰减。因此面积数据值fij可以处于最小值和最大值之间。
前提条件是物体4为高对比度物体4。例如，物体4为血管造影术所要了解的充有造影剂的血管系统。作为一种替换，物体4例如可以为由骨头和包围骨头的组织构成。于是，高对比度物体4的每个位置根据各个位置处于物体4的强吸收区还是弱吸收区具有或者基本透明度t1或者最低透明度t2。
物体4由许多体积元9来表示，这些体积元分别相应于空间中的每一个位置xyz和一体积数据值Vxyz。在此，体积数据值Vxyz为二元值。如果它们接受的数值为0，相应的体积元9体现的是物体4具有基本透明度t1的位置。如果它们接受的数值为1，它们体现的是物体4具有最低透明度t1的位置。
控制分析计算机5借助传送的二维投影P为所有体积元9这样计算体积数据值Vxyz，使这些体积元9在其整体上体现物体4的三维图像。
体积数据值Vxyz的计算例如可以这样进行：首先确定那些可靠地具有基本透明度t1的体积元9的体积数据值Vxyz。通常，这是体积元9的绝大部分。由于其余的体积元9随之在数量上已明显减少、且体积数据值Vxyz为二元值(binr)，也就是只能接受两个数值，则可以用不高的计算费用通过尝试、即试算法(trail and error)来计算出其余体积元9的体积数据值Vxyz。
但是，如果借助于离散X断层照相术的方法计算出体积数据值Vxyz，则更快更可靠。这类方法例如由Kuba、Herman，“Discrete Tomographie”，Birkhuser Verlag，1999公开，且在本发明中可以毫无困难地加以使用。
可以直接或者间接地向控制和分析计算机5预先给定基本透明度t1和/或最低透明度t2。例如使用者可以预定在血管造影术中使用哪一种造影剂，从而控制和分析计算机5可以借助存储在计算机内的表格计算出对应的透明度t1、t2。作为一种替换，尤其在使用离散X断层照相术方法时，可以由控制和分析计算机5自身将透明度t1、t2随同该体积数据值Vxyz一起计算出来。
在计算出体积数据值Vxyz后，可以在显示设备10上显示物体4的相应图像。在此，图像的计算可以按照公知的方式完成，例如借助于普遍公知的体积透视(Rendring)方法。作为一种替换或补充，还可以将体积数据值Vxyz存储在大容量存储器11内。存储可以按任意的格式完成。但优选采用DICOM-格式。
体积数据值Vxyz优选这样储存在大容量存储器内，使得那些在空间中处于一共同平面内的位置xyz的体积元9的体积数据值Vxyz共同存储。这一点在图1中由大容量存储器11的层状分布来表示。
下面结合图4再次简要说明本发明的优选方法。
按照图4，如在用虚线表示的步骤21中，首先向控制和分析计算机5预先给定一基本透明度t1和一最低透明度t2。根据选择给定的透明度t1，t2，在步骤22中将放射源1和投影面2转动到其起始位置。然后直接在步骤23中将指数n置零。
然后在步骤24中，投影面2由放射源1透过物体4照射。这样得出的投影P在步骤25中传送到控制和分析计算机5。在步骤26中指数增加1。在步骤27中检查指数n是否大于数N。
如果指数n还未大于数N，则在步骤28中将放射源1和投影面2转动一差角β(在实施例中为常数)。然后返回步骤24。
如果与此相反指数n达到数N，控制和分析计算机5根据投影P的面积数据值fij计算出体积元9的体积数据值Vxyz。必要时计算机在步骤29中也计算出透明度t1，t2。计算出的体积数据值Vxyz和透明度t1，t2在步骤30中分层以DICOM-格式存储在大容量存储器11内。最后在步骤31中，重构的物体显示在显示设备10上。
由于局限在高对比度物体4上，因此借助于本发明的重构方法，尽管仅拍摄非常少数量N的投影P、且转角α小于180°，仍可以对物体4进行三维重构。

Claims (16)

1.一种三维物体(4)的计算机辅助重构方法，其中，
-将该物体(4)数量(N)至少为三个的、彼此相对错开差角(β)的二维投影(P)传送到一分析计算机(5)，
-该差角(β)处于一共同的转动平面内，
-面积元(3)与投影面(2)中的每一个位置(ij)对应，每个投影(P)与每一个面积数据值(fij)对应，
-由分析计算机(5)借助传送的二维投影(P)对与空间中每一个位置(xyz)相对应的大量体积元(9)求出为二元值的体积数据值(Vxyz)，从而这些体积元(9)在其整体上体现了该物体(4)的三维图像。
2.按照权利要求1所述的重构方法，其特征在于：所述差角(β)小于90°。
3.按照权利要求1或2所述的重构方法，其特征在于：所述差角(β)彼此相等。
4.按照权利要求1、2或3所述的重构方法，其特征在于：所述差角(β)的和小于180°，特别是处于60°和120°之间。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的重构方法，其特征在于：所述投影(P)为透视投影(P)。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的重构方法，其特征在于：所述投影(P)的数量(N)小于40，特别是小于20，例如小于10。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的重构方法，其特征在于：所述体积数据值(Vxyz)体现该物体(4)的一个基本透明度(t1)和一个最低透明度(t2)；且由所述分析计算机(5)将该基本透明度(t1)和/或该最低透明度(t2)与体积数据值(Vxyz)一起算出。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的重构方法，其特征在于：所述体积数据值(Vxyz)体现该物体(4)的一个基本透明度(t1)和一个最低透明度(t2)；且该基本透明度(t1)和/或该最低透明度(t2)是预先向所述分析计算机(5)给定的。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的重构方法，其特征在于：所述被计算出的体积数据值(Vxyz)由所述分析计算机(5)这样存储到一大容量存储器(11)内，使得那些在空间中处于一共同平面内的位置(xyz)的体积元(9)的体积数据值(Vxyz)共同存储。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的重构方法，其特征在于：所述被计算出的体积数据值(Vxyz)由分析计算机(5)按DICOM-格式存储在大容量存储器(11)内。
11.按照权利要求1至10中任一项所述的重构方法，其特征在于：为求出所述体积数据值(Vxyz)使用一种离散X断层照相术方法。
12.按照权利要求1至11中任一项所述的重构方法，其特征在于：将所述方法用于血管造影术和/或重构一由骨头和周围组织构成的物体。
13.一种计算机程序产品，用于实施如上述权利要求之一所述的重构方法。
14.一种利用权利要求13所述的计算机程序产品(6)进行编程的分析计算机。
15.一种医学成象设备，尤其是X射线设备，带有一放射源(1)和一可由放射源(1)照射的、带有大量面积元(3)的投影面(2)，其中，该投影面(2)与一台如权利要求14所述的分析计算机(5)从数据技术角度相连接。
16.按照权利要求15所述的医学成象设备，其特征在于：所述分析计算机(5)为控制和分析计算机(5)；且所述放射源(1)和投影面(2)与该控制和分析计算机(5)从控制技术角度相连接。
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