CN1617171A - 在计算机断层成像系统中减少假象的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的某些配置提供一种用于对具有检测器阵列(18)和辐射源(14)的计算机断层成像系统(10)的对象(22)进行图像重建的方法，其中检测器阵列的弧(56)与辐射源(14)的聚焦点不同心。该方法包括：使用该计算机断层成像系统扫描对象以获得扇形束数据集，将该扇形束数据集重组成一组并行数据集；和利用该组并行数据集重建图像。

Description

在计算机断层成像系统中减少假象的方法和装置

技术领域

本发明总体涉及计算机断层(CT)成像，并且更具体涉及一种CT系统中用于减少假象的方法和装置，其对于带有宽孔几何形状的这种CT系统特别有用。

背景技术

在许多计算机断层成像的临床应用中，较大的机架开口是有用的。例如：在肿瘤学的应用中，大的孔尺寸使得患者可被放置其中，其方式类似于患者在一个典型的具有大开口放射治疗机器中的位置。当计算机断层扫描器用于辅助执行干涉操作时，操作者对患者的接触机会受到该孔尺寸的限制。在至少一种已知的计算机断层系统中，在远离等角点的位置放置X射线管和检测器，以增加操作者的接触机会。然而为了改进费用的节省及几何调整的灵活性，就要使用为原始几何形状设计的检测器，使得成像设备中检测器的弧不再与X射线的聚焦点同心。结果，由于X射线的路径不再是重建过程所假定的原始路径，从而在重建的图像中引入了图像假象。

发明内容

因此在本发明的某些配置中，提供一种用于在带有检测器阵列和辐射源的计算机断层成像系统中重建对象图像的方法，其中检测器阵列的弧与辐射源聚焦点不同心。该方法包括：用计算机断层成像系统扫描对象以获取投影数据集，根据校正后的扇形角对投影数据集执行几何校正；和利用该校正后的投影数据集重建图像。

本发明的各种配置也提供一种用于重建带有检测器阵列和辐射源的计算机断层成像系统对象图像的方法，其中检测器阵列的弧与辐射源聚焦点不同心。该方法包括：计算机断层成像系统在不应用加权函数的情况下用步射扫描法(step-and-shoot)扫描对象以获取投影数据集，将投影数据集重组为一套并行数据集。利用这套并行数据集重建图像。

本发明的其它配置提供一种用于重建带有检测器阵列和辐射源的计算机断层成像系统的对象图像的方法，其中检测器阵列的弧与辐射源聚焦点不同心。这些方法包括：计算机断层成像系统用螺旋或半扫描采集扫描对象以获取投影数据集。根据加权函数w′对投影数据集进行加权，该加权函数衍生于原始几何形状的加权函数w，该原始几何形状中检测器阵列的弧与辐射源聚焦点同心。该方法进一步包括将投影数据集重组(rebin)为一套并行数据集，和利用这套并行数据集重建图像。

本发明的另一方面，提供一种带有检测器阵列和辐射源的计算机断层成像系统，其中检测器阵列的弧与辐射源聚焦点不同心。该成像系统的结构可以扫描对象以获取投影数据集，根据校正后的扇形角对投影数据集进行几何校正，并利用校正后的投影数据集重建图像。

在本发明的其他配置中，提供一种带有检测器阵列和辐射源的计算机断层成像系统，其中检测器阵列的弧与辐射源聚焦点不同心。该成像系统的结构可以用步射扫描法而不使用加权函数扫描对象以获取投影数据集，将该投影数据集重组为一套并行数据集，并利用这套并行数据集重建图像。

本发明的各种配置提供一种带有检测器阵列和辐射源的计算机断层成像系统，其中检测器阵列的弧与辐射源聚焦点不同心。该成像系统的结构可以使用螺旋或半扫描采集扫描对象以获得投影数据集并根据加权函数w′对投影数据集进行加权，该加权函数w′衍生于原始几何形状的加权函数w，该几何形状中检测器阵列的弧与辐射源聚焦点同心。成像系统的结构进一步可以将投影数据集重组为一套并行数据集，并利用这套并行数据集重建图像。

当需要较大的机架孔时，本发明的配置对减少重建的图像中的假象很有用。通过允许使用为原始几何形状设计的检测器，在保持可调整几何形状灵活性的同时，减少了改进的费用。通过本发明的结构，减少了否则将在重建图像中引入的图像假象。

附图简述

图1是CT成像系统的绘图。

图2是图1中所示系统的方框示意图。

图3是大孔几何形状的表示，其中检测器和管远离等角点放置。

图4是示出了附加变量的图3的几何形状进一步表示。

图5展示了在某些配置中，在重组过程中，在其上进行原始扇形束弦波图的插值的线。

图6是大孔几何形状的图示，其示出了聚焦点之外的X射线的聚焦点，即：与每个检测器元件对应的扇形角已经相对于检测器阵列的标定设计发生改变。

图7所示为在某些配置中，扇形并行光束在其上发生重组的线，其中与每个检测器元件对应的扇形角都改变了。

图8是现有技术，其在没有利用本发明的配置提供的补偿的情况下，CT成像系统在步射模式中扫描的幻影。

图9是类似于图8中的幻影扫描，其中采用了本发明的配置提供的补偿。

图10是现有技术的螺旋体幻影的重建图像，其没有利用本发明的螺旋加权调整配置。

图11是类似于图10中的螺旋体幻影的重建图像，其已经应用了本发明的螺旋加权调整配置。

发明详述

在一些已知的CT成像系统配置中，X射线源投射出扇形束，该光束被准直使之位于笛卡儿坐标系的X-Y平面中，其通常被称为“成像平面”。X射线束通过正被成像的对象，例如患者。该光束在被对象衰减之后，撞击到辐射检测器阵列上。在检测器阵列处接收到的被衰减后的辐射束的强度取决于对象对X射线束的衰减。阵列的每个检测器元件产生一个单独的电信号，该信号是在检测器位置上束强度的测量。分别采集来自所有检测器的强度测量，以产生透射分布。

在第三代CT系统中，X射线源和检测器阵列在成像平面中围绕要被成像的对象与机架一起旋转，从而X射线束与对象相交的角度不断的改变。在一个机架角度的、来自检测器阵列的一组X射线的衰减测量，即投影数据，称为“视图”。在X射线源和检测器的一次旋转中，对象的“扫描”包括在不同的机架角度、或者观察角度得到的一组视图。

在轴向扫描中，处理投影数据，以构建对应于透过该对象提取的二维片层的图像。现有技术中一种用于从一组投影数据重建图像的方法称为滤波反向投影技术。该处理将来自扫描的衰减测量转换为整数，该整数称之为“CT数”或“Hounsfield单元”(HU)，其用于控制阴极射线管或其它类型显示器上对应象素的亮度。

为了减少总扫描时间，可以进行“螺旋”的扫描。为了进行“螺旋”扫描，在采集指定数量的片层的数据的同时要移动患者。这种系统从扇形光束的螺旋扫描中产生单个螺旋线。由扇形束映射出的螺旋线产生投影数据，从该数据中可以重建每个指定片层中的图像。

用于螺旋扫描的重建算法典型的使用螺旋加权算法，该算法按观察角度和检测器通道索引(channel index)的函数对采集的数据进行加权。特别是，在滤波反向投影处理之前，根据螺旋加权因数对数据加权，该因数是机架角和检测角的函数。然后处理加权后的数据以产生CT数，并构建对应于透过该对象获取的二维片层的图像。

为了进一步减少总采集时间，引入了多片层CT。在多片层CT中，在任何时刻都同时采集多行投影数据。当与螺旋扫描模式组合时，该系统产生锥形束投影数据的单螺旋线。类似于单片层螺旋，可以得出一种方法，加权方案，在滤波反向投影算法之前，将投影数据与权重相乘。

如此处所用到的，单数形式的以及以单词“一”开始的元件或步骤，应该理解为不排除多个元件或步骤的可能，除非这种排除是明确说明的。而且，提及本发明的“一个实施例”也不应该理解为不存在同样引入所述特征的其它实施例。

如此处所用到的，短语“重建图像”并非意欲排除在本发明实施例中产生了表示图像的数据，而没有产生可以观看的图像。然而，许多实施例产生(或设定产生)至少一个可观看的图像。

参照图1和图2，所示为多片层扫描成像系统，例如：计算机断层(CT)成像系统10，包括代表“第三代”CT成像系统的机架12。机架12具有可能为X射线管14(在此也称作X射线源14)的辐射源14，其朝向在机架12的相对侧上的检测器阵列18投影辐射束16。(尽管在图1和图2中所示的CT成像系统10的配置利用了X射线源和X射线辐射，但是本发明的配置并不限于X射线源或X射线辐射。)检测器阵列18由包括多个检测器元件20的多个检测器行(未显示)形成，它们一起感测穿过对象，例如在阵列18和源14之间的医疗患者22的辐射(即在此描述的配置中的投射X射线)。每个检测器元件20产生一电信号，其表示撞击的X射线束的强度，从而可用来估算当辐射束穿过对象或患者22时束的衰减。在采集X射线投影数据的扫描过程中，机架12和安放在其中的组件围绕旋转中心24旋转。图2仅仅示出了单行检测器元件20(即一检测器行)。然而，多片层检测器阵列18包括检测器元件20的多个并行检测器行，从而可以在扫描中同时采集对应于多个准并行或并行片层的投影数据。

通过CT系统10的控制机构26控制机架12上的组件旋转和X射线源14的操作。控制机构26包括X射线控制器28，其给X射线源14和机架马达控制器30提供功率和定时信号，该控制器30控制机架12上组件的转动速度和位置。控制机构26中的数据采集系统(DAS)32从检测器元件20采样模拟数据，并将该数据转化为数字信号，提供给接下来的处理。图像重建器34从DAS32接收采样并数字化的X射线数据，并实施高速图像重建。重建图像作为输入应用到计算机36，其将该图像储存在存储装置38中。图像重建器34可以是专用的硬件或在计算机36上执行的计算机程序。

计算机36也通过带有键盘的控制台40接收来自操作者的指令和扫描参数。操作者可通过相关联的阴极射线管或其它类型的显示器42观察重建的图像和来自计算机36的其它数据。计算机36利用操作者发出的命令和参数将控制信号和信息提供给DAS32、X射线控制器28和机架马达控制器30。此外，计算机36操作工作台马达控制器44，该控制器控制被驱动的桌台46使其定位机架12中的患者22。具体地，桌台46将患者22的部分移动通过机架开孔48。

在一个实施例中，计算机36包括大容量存储装置50，例如：软盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)装置，或任何其它的数字装置，包括网络连接装置例如以太装置，用于从计算机可读介质52，诸如软盘、CD-ROM、DVD或诸如网络或互联网的其它数字源中读取指令和/或数据，以及仍待发展的数字装置。在另一实施例中，计算机36执行存储于固件(未示出)中的指令。计算机36被编程以执行此处所描述的功能，并如此处所用到的，术语计算机并非仅限于本领域中被称为计算机的那些集成电路，而是广泛指代计算机、处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、特定用途集成电路、和其它可编程电路，并且这些术语在这里可替换使用。尽管以上提到的特定实施例参照的是第三代CT系统，但是此处所描述的方法同样应用于第四代CT系统(固定的检测器-旋转X射线源)和第五代CT系统(固定的检测器和X射线源)。另外，预计本发明的益处可出现在CT成像之外的成像模态。另外，虽然是在医疗设施中描述此处所描述的方法和设备，但是预计本发明的益处能应用于非医疗成像系统，如那些特别是在工业设施或交通设施中应用的系统，例如但不限于，在机场或其它交通中心的行李扫描系统。

在本发明的各种配置中，并且参照图3，本发明的技术效果是产生其中结果：图像中假象减少了的患者或对象22的图像。通过使用者利用CT成像系统10扫描对象或患者22，和操作CT成像系统10以重建被扫描对象的图像，而获得本发明的技术效果。

在本发明的某些配置中，先前为带有第一机架开口48大小的第一CT成像系统10的几何形状而设计的检测器阵列18，被用于带有不同机架开口48大小的第二CT成像系统10。在第二CT成像系统10中，X射线源14和检测器阵列18都被定位在相对于第一CT成像系统10的几何形状离等角点54更远距离的位置，以扩大操作者的接触。这样定位使得成像装置10中检测器阵列18的弧56不再与X射线的聚焦点同心。例如，X射线源14的聚焦点从第一点58移到第二点60，并且等角点54线上的检测器阵列18的中心从第三点62移到第四点64。本发明的某些配置因此在重建之前，将原始扇形束16数据重组为一组并行数据集，以对扇形束数据集进行几何校正。参照图3、图4和图5，该重组过程包括沿如下关系式定义的线插值原始扇形束16弦波图(sinogram)：

        β＝β₀-γ                 (1)

其中β₀是等射束(isoray)66的角度，γ是检测器扇形角，以及β表示投影角。当X射线管14和检测器阵列18如图6所示向后移动时，对应于每一检测器元件20的扇形角相对于检测器阵列18的标定设计改变。通常，参照新管14的位置60的新角γ′小于相对参照检测器阵列18的实焦点68的原始角γ。角γ和γ′的关系如下：

${\mathrm{\γ}}^{\′}=\mathrm{ta}{n}^{-1}\[\frac{R\sin \mathrm{\γ}}{R\cos \mathrm{\γ}+{\mathrm{\Δ}}_s+{\mathrm{\Δ}}_d}\]---\left(2\right)$

其中R是原始几何形状中源14到检测器元件20的距离(也就是检测器阵列18的弧半径)，Δ_s和Δ_d分别是X射线源14和检测器元件20往回移动的距离。因此参照图7，在某些配置中，沿下式表示的线进行扇形到并行束的重组：

           β＝β₀-γ′           (3)。

本发明的某些配置重新采样并行样品，使得它们均匀隔开。也就是，每一射线距等角点54的距离被确定，并且将采样均匀插值到均匀间隔。根据以下关系式确定每一射线到等角点54距离t：

           t＝(r+Δ_s)sinγ′      (4)，

其中r是在原始几何形状中X射线源14到等角点54的距离。在重组中，根据以下关系式从距等角点54的距离t确定检测器阵列18索引s：

$s=\frac{1}{\mathrm{\Δ\γ}}\{\mathrm{si}{n}^{-1}\[\frac{t}{r+{\mathrm{\Δ}}_s}\]+\mathrm{si}{n}^{-1}\[\frac{({\mathrm{\Δ}}_s+{\mathrm{\Δ}}_d)t}{R(r+{\mathrm{\Δ}}_s)}\]\}---\left(5\right)$

其中Δγ是原始几何形状中相邻检测器元件20之间的扇形角。通过调整，如图8和图9之间的对照显示，消除或显著的减少了图像假象和失真。

在某些配置中使用了扇形束的重建公式，通过将扇形光束数据集第一插值到均匀间隔的扇形光束数据集，使用以上关系式根据校正的扇形角γ′对扇形光束数据集进行几何校正。根据新几何形状执行该反向投影过程。

如上讨论的本发明的配置可在不应用加权函数的步射扫描法一起用，并且本发明的配置可以利用步射模式并且其中应用了加权函数。在因螺旋采集或半扫描而要用到加权函数的配置中，调整原加权函数以避免假象。为了描述，图10示出了螺旋地采集的数据，该数据被重建而没有进行适当的螺旋加权调整。图像假象特别明显。

通过w(γ，β，n)表示在具有原始几何形状的成像装置10中所使用的加权函数，其中n表示检测器阵列18的行索引，由原始函数以γ′代替γ，其中γ′如等式(2)中所定义，得到新的加权函数w′：

           w′＝w(γ′，β，n)           (6)。

图11示出了使用适当的加权函数重建的同一扫描，其说明了消除了或显著减少了阴影假象。

以上描述的本发明的配置为CT成像系统10中的单片层配置，其中使用了扇形束数据集。然而，当用到多片层检测器阵列18时，本发明的许多配置也可用于多片层锥形束数据集。此处所描述的等式和关系式同样可以应用于单片层和多片层配置，同样适用于扇形束数据集也和锥形束数据集。因而，本发明更一般的配置可以描述为对投影数据集的操作，而不应该局限于扇形束数据集或锥形束数据集。

因而可见，当需要较大机架孔的时候，本发明的配置对于在重建图像中减少假象是很有用的。通过允许使用为原始几何形状设计的检测器，在保持可调节几何形状的灵活性的同时，减少了改进的花费。通过本发明的配置减少了重建图像中否则被引入的图像假象。更一般地，应该理解的是，在许多其中成像系统10的检测器阵列18的弧56不与X射线源14的聚焦点同心的情况下，本发明的配置很有用。

虽然已经根据各种具体实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员会认识到在权利要求的精神和范围之内可以实践本发明的修改。

                   部件列表

10.计算机断层(CT)成像系统

12.机架

14.辐射源或X射线管

16.辐射束

18.检测器阵列

20.检测器元件

22.对象或患者

24.转动中心

26.控制机构

28.X射线控制器

30.机架马达控制器

32.数据财经系统(DAS)

34.图像重建器

36.计算机

38.存储装置

40.控制台

42.显示器

44.桌台马达控制器

46.桌台

48.机架开口

50.大容量存储装置

52.计算机可读介质

54.等角点

56.圆弧

58.第一点

60.第二点

62.第三点

64.第四点

66.等射束的角

68.实焦点

Claims (10)

1.一种用于对具有检测器阵列(18)和辐射源(14)的计算机断层成像系统(10)的对象(22)的图像进行重建的方法，其中检测器阵列的弧(56)与辐射源的聚焦点不同心，所述方法包括：

用该计算机断层成像系统扫描对象以获取投影数据集；

根据校正后的扇形角对投影数据集进行几何校正；和

利用校正后的投影数据集重建图像。

2.根据权利要求1的方法，其中所述执行几何校正包括将该投影数据插值到均匀间隔的投影数据集中。

3.根据权利要求1的方法，其中所述执行几何校正包括将该投影数据集重组成一组并行数据集。

4.根据权利要求3的方法，进一步包括对该并行数据集重新采样，使得数据集均匀间隔。

5.一种用于对具有检测器阵列(18)和辐射源(14)的计算机断层成像系统(10)的对象(22)的图像进行重建的方法，其中检测器阵列的弧(56)与辐射源的聚焦点不同心，所述方法包括：

在不应用加权函数的情况下，用该计算机断层成像系统使用步射扫描法扫描该对象，以获得投影数据集；

将该投影数据集重组成一组并行数据集；和

利用该组并行数据集重建图像。

6.一种计算机断层成像系统(10)，具有检测器阵列(18)和辐射源(14)，其中检测器阵列的弧(56)与辐射源的聚焦点不同心，所述成像系统被配置成：

扫描对象(22)以获得投影数据集；

根据校正后的扇形角对该投影数据集执行几何校正；和

利用该校正后的投影数据集重建图像。

7.根据权利要求6的系统(10)，其中为了执行几何校正，所述系统被配置成将该投影数据集插值到均匀间隔的投影数据集中。

8.根据权利要求6的系统(10)，其中为了执行几何校正，所述系统被配置成将该投影数据集重组成一组并行数据集。

9.一种计算机断层成像系统(10)，具有检测器阵列(18)和辐射源(14)，其中检测器阵列的弧(56)与辐射源的聚焦点不同心，所述成像系统被配置成使得可以：

扫描对象(22)以获得投影数据集；

将该投影数据集重组成一组并行数据集，包括沿通过如下关系式定义的线插值弦波图：

                      β＝β₀-γ′，

其中：

${\mathrm{\γ}}^{\′}={\tan }^{-1}\left[\frac{R\sin \mathrm{\γ}}{R\cos \mathrm{\γ}+{\mathrm{\Δ}}_s+{\mathrm{\Δ}}_s}\right]$

并且β₀是辐射束(16)距辐射源的等射束(66)的角度，γ是检测器扇形角，β是投影角，R是原始几何形状中辐射源到检测器元件(20)的距离，在原始几何形状中检测器阵列的弧与辐射源的聚焦点同心，并且Δ_s和Δ_d分别是该辐射源和该检测器元件距离它们在各自原始几何形状中的位置的距离；

重新采样该并行数据集，使得该数据集均匀隔开；和

利用该组重新采样的并行数据集重建图像。

10.一种计算机断层成像系统(10)，具有检测器阵列(18)和辐射源(14)，其中检测器阵列的弧(56)与辐射源的聚焦点不同心，所述成像系统被配置成：

在不应用加权函数的情况下，使用步射扫描法扫描该对象(22)，以获得投影数据集；

将该投影数据集重组成一组并行数据集；和

利用该组并行数据集重建图像。

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