CN1623511A - 目标角脚跟效应补偿的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种扫描物体(22)的成像系统(10)，包括x射线源(14)，具有多个定位为从该源接收x射线(16)的探测器行(20)的x射线探测器，工作连接于x射线源和x射线探测器的计算机(36)，以及位于x射线源和x射线探测器之间的滤波器，该滤波器包括非固定滤波器，其中，该非固定滤波器设置成基于探测器行的数量不同地过滤不同的探测器行。

Description

目标角脚跟效应补偿的方法和系统

技术领域

本发明通常涉及一种计算机断层(CT)成像系统，更特别地，涉及目标角脚跟效应(heel effect)的补偿。

背景技术

在至少一些已知的成像系统中，X射线管源投射X射线束，穿过被成像物体如患者，并且撞击到X射线探测器行的阵列上。这种技术在医用CT扫描器上相当有效，但是当探测器的覆盖变大时，如在多切片CT的情况下，有一些缺点。随着包括多个探测器行的多切片CT成像系统的出现，至少存在两个主要的缺点：不均匀的X射线通量和不均匀的切片厚度。不均匀的X射线通量可以导致脚跟效应，而不均匀的切片厚度可以导致空间分辨率的变化。

脚跟效应的结果可以在探测器行上产生图象质量的差异。例如，具有额定7度目标角的40mm的容积计算机断层(VCT，Volumetric ComputedTomography)探测器在外部阳极侧面行具有5度的有效目标角，在外部阴极侧面行具有9度的有效目标角，这就导致了从探测器的一个末端到另一个末端大约20％的强度变化。这种由于脚跟效应的辐射强度的变化降低了X射线探测器行上的图象质量，因而，降低了X射线照片上的图象质量。

当第一投影的焦点高度远大于第二投影的焦点高度时产生不均匀的切片厚度。不均匀的切片厚度转化为成为探测器行的函数的Z轴上的空间分辨率。

在多切片CT中，希望设计一种系统，使得X射线通量和空间分辨率从探测器行到行都不会较大的改变。

发明内容

在一个方面中，提供一种至少部分地补偿x射线管目标角脚跟效应的方法。该方法包括提供x射线源，提供具有多个定位为从该源接收x射线的探测器行的x射线探测器，以及，利用滤波器提高投影噪声和空间分辨率中至少一个的均匀性，其中，投影噪声和空间分辨率是不均匀的，并且是目标角沿z轴的函数。

在另一个方面中，提供扫描物体的成像系统。该成像系统包括x射线源，具有多个定位为从该源接收x射线的探测器行的x射线探测器，工作连接于x射线源和x射线探测器的计算机，其中，该计算机设置成过滤投影噪声和空间分辨率中至少一个以提高均匀性，其中，投影噪声和空间分辨率是不均匀的，并且是沿z轴目标角的函数。

而在另一个方面中，提供一种编码有由至少部分地补偿x射线管目标角脚跟效应的系统可执行的程序的计算机可读介质。该程序设置成指示计算机提供x射线源，提供具有多个定位为从该源接收x射线的探测器行的x射线探测器，并且使用滤波器提高投影噪声和空间分辨率中至少一个的均匀性，其中，该投影噪声和空间分辨率是不均匀的，并且是沿z轴目标角的函数。

附图说明

图1是CT成像系统的示图。

图2是图1所示系统的方框图。

图3说明X射线的输出。

图4说明目标角脚跟效应。

图5说明投影的焦点高度沿Z轴的变化。

图6是说明计算的FWHM和FWZM的曲线图。

图7是说明计算的FWHM，FWZM，以及自适应滤波之后的等效通量。

图8是减少脚跟效应补偿的方法的方框图。

具体实施方式

在一些已知的CT成像系统结构中，X射线源投射扇形射线束，该射线束被校准以位于笛卡儿坐标系并通常称作“成像面”的X-Y平面内。X射线束穿过被成像物体如患者。该射线束在被物体衰减后，撞击到辐射探测器阵列上。在探测器阵列接收的衰减的辐射线束的强度取决于物体对X射线束的衰减。该阵列的每一个探测元件产生单独的电信号，该电信号是在探测器位置射线束强度的测量。单独地得到所有探测器的强度的测量，以产生传输轮廓。

在第三代CT系统中，X射线源和探测器阵列在成像平面内与构台一起绕被成像的物体旋转，这样，X射线束与物体相交的角度不断地改变。从一个构台角度探测器阵列得到的一组X射线衰减测量即投影数据被称作“视图”。物体的“扫描”包括在X射线源和探测器的一个回转周期内在不同构台角度或视图角度产生的一组视图。

在轴向扫描中，处理投影数据以构成相应于通过物体得到的二维切片的图像。在本领域中，一种从一组投影数据重建图像的方法被称作过滤背投技术(filtered backprojection technique)。该过程将扫描的衰减测量转变成称做“CT数”或“霍斯菲尔德单元”(HU，Hounsfield unit)的整数，该整数用于控制在阴极射线管显示器上的相应象素的亮度。

为了减少总扫描时间，可以进行“螺旋”扫描。为了进行“螺旋”扫描，移动患者，而得到切片的预定数量的数据。这种系统从扇形射线束螺旋扫描产生单个螺旋(helix)。通过扇形射线束映射的该螺旋产生可以重建每一个预定切片中的图像的投影数据。

螺旋扫描的重建算法通常地使用螺旋加权算法(helical weighingalgorithms)，该算法加权收集的数据作为视图角和探测器通道索引的函数。特别地，在过滤背投过程之前，该数据根据作为构台角度和探测角度的函数的螺旋加权因素而加权。然后，处理该加权的数据以产生CT数，并且构成相应于通过物体所取的二维切片的图像。

为了进一步减少总的获取时间，已经引入多切片CT。在多切片CT中，投影数据的多行在任何时候同时地得到。当与螺旋扫描模式结合时，该系统产生锥形射线束投影数据的单个螺旋。类似于单个切片螺旋、加权方式，可以在过滤方向投影之前导出加权与投影数据相乘的方法。

在此使用的以单数叙述并和词语“一个”进行的元件或步骤应当理解为不排除复数的所述元件和步骤，除非明确地叙述这种排除。而且，参考本发明的“一个实施方式”也不应当解释为排除同样结合所述特征的附加的实施方式的存在。

同样，在此使用的短语“重建图像”不应当认为排除本发明的实施方式，其中，产生表示图像的数据，但是没有产生可视的图像。然而，许多实施方式产生(或设置成产生)至少一个可视的图像。

参照图1和2，所示的多切片扫描成像系统例如计算机断层(CT)成像系统10包括表示“第三代”CT成像系统的构台12。构台12具有向构台12的对边上的探测器阵列18投影X射线束16的X射线管14(在此，也称作X射线源14)。探测器阵列18由包括多个探测器元件20的多个探测器行(未在图1和2中示出)形成，该探测器元件20一起感应穿过在阵列18和源14之间的物体如医学患者22的投影的X射线。每一个探测器元件20产生表示撞击的X射线束的强度的电信号，因此，可以在该X射线束穿过物体或患者时用于估计射线束的衰减。在获得X射线投影数据的扫描期间，构台12和安装在其中的部件绕旋转中心24旋转。图2仅表示单行探测器元件20(即探测器行)。然而，多切片探测器阵列18包括探测器元件20的多个平行的探测器行，这样，在扫描期间，可以同时得到相应于多个准平行或平行的切片的投影数据。

在构台12上的部件的旋转和X射线源14的操作可以由CT系统10的控制机械装置26控制。控制机械装置26包括向X射线源提供电源和定时信号的X射线控制器28，以及控制构台12上的部件的旋转速度和位置的构台电机控制器30。控制机械装置26中的数据采集系统(DAS)32从探测器元件20采样模拟数据，并将该数据转换成后续处理的数字信号。图像重建器34从DAS32接收采样的和数字化的X射线数据，并且进行高速图像重建。将重建的图像作为输入应用于在存储装置38中存储图像的计算机36。图像重建器34可以是专用的硬件或在计算机36上执行的程序。

计算机36同时通过具有键盘的控制台40从操作者接收命令和扫描参数。伴随的阴极射线管显示器42允许操作者从计算机36观察重建的图像和其它数据。操作者应用计算机使用的命令和参数，从而将控制信号和信息提供给DAS32，X射线控制器28以及构台电机控制器30。此外，计算机36操作工作台电机控制器44，其控制机动的工作台46以在构台12中定位患者22。特别地，工作台46通过构台的开口48移动患者22的一部分。

在一个实施方式中，计算机36包括装置50，例如软盘驱动器，CD-ROM驱动器，DVD驱动器，磁光盘(MOD)装置，或任何其它包括从计算机可读介质如软盘，CD-ROM，DVD或其它数据源如网络或因特网读取指令和/或数据的网络连接装置如以太网装置的数字装置，以及发展的数字装置。在另一个实施方式中，计算机执行存储在固件(未示出)的指令。计算机36按程序执行所述的功能，并且，在此使用的词语不仅限于那些在本领域中称作计算机的集成电路，而是更广泛地涉及计算机，处理器，微控制器，微计算机，可编程控制器，集成了特别应用的电路，以及其它可编程电路，这些词语在此交替地使用。虽然上述特殊的实施方式涉及第三代CT系统，但是，在此描述的方法同样应用于第四代CT系统(固定的探测器-旋转的X射线源)和第五代CT系统(固定的探测器和X射线源)。此外，可以预期，除了CT，本发明的益处增加了成像方式。此外，虽然在此描述的方法和装置在医用装置中描述，但是可以预期，本发明的益处也可以增加到非医用成像系统如那些通常地在工业装置或传输装置，例如，飞机场或其它运输中心的行李扫描系统中使用的系统，但是不限于此。

在一个实施例中，在此描述的方法和装置通过使用非固定滤波器(non-stationary filter)，增加由X射线探测器行探测的辐射测量的标准偏差的均匀性，而至少部分地补偿脚跟效应。

参照图3-5，X射线管14包括阴极线圈102和目标104。通常，电子106在X射线管14内从线圈102移动到目标104。电子106以不同的位置接触目标104，并且造成了X射线16向探测器18和探测器行20以不同角度离开目标14而发射。特别地，在图3中，电子106相对于扫描平面112、沿实际焦点长度L114、以浅角α接触目标14的表面108。焦点h116的投影高度等于L114乘以sin(α)。

                  h＝Lsin(α)          (1)

结果是，实际焦点长度L114远大于投影的焦点高度h116。这具有两个效果。一个是在Z轴穿过切片的不均匀的X射线通量(如图4所示)，另一个是不均匀的切片厚度(图5所示)。

图4表示多个X射线束16，目标角度ξ120和相互作用的平均深度122。多个X射线束16包括第一X射线束124和第二X射线束126。目标104发射的X射线124在离开目标104之前在目标104内移动第一距离d₁130。这是比X射线126在离开目标104之前在目标104内移动的距离d₂132更短的距离。由于d₂132大于d₁130，X射线126比X射线124更多衰减地离开目标104。这种衰减上的差异即是脚跟效应。因此，X射线通量的强度作为由X射线16和目标表面108形成的目标角ξ120的函数变化。给出的目标角ξ120和探测器行20之间一对一的关系，X射线的强度与每一个探测器行20单调地变化。通常，更小的目标角ξ120相应于减少的X射线通量强度。

图5表示切片厚度的不均匀性。如上所述，电子106以不同的位置与目标104接触，并且造成向探测器18和探测器行20以不同的角度离开目标14的X射线16的发射。切片厚度的不均匀性由投影的焦点高度h116(图3所示)的变化造成。特别地，如图5所示，投影的焦点高度h₁140远大于投影的焦点高度h₂142。这转变成作为探测器行20的函数的Z轴中的空间分辨率的变化。

在多切片CT中，希望设计使得与投影噪声密切联系的X射线通量和空间分辨率从探测器的行到行都不会较大地改变。为了充分理解脚跟效应的效果，我们利用简单的模型估计系统的空间分辨率，虽然可以使用更复杂的模型，但是通常的结论不会改变。通常，z轴中系统空间分辨率s(z)是投影的焦点函数h(z)和投影的探测器孔径函数d(z)的卷积。

               s(z)＝h(z)d(z)          (2)

当投影的探测器孔径由假设点X射线源得到，投影焦点函数h(z)由假设点探测器得到。Z轴中的系统空间分辨率s(z)通常称作切片灵敏度轮廓(SSP，slice-sensitivity-profile)。如果焦点函数和探测器孔径函数通过矩形函数接近，则SSP的半最大值全宽(FWHM，full-width-half-maximum)等于两个投影函数的大的FWHM。相似地，零最大值全宽(FWZM，full-width-atzero-maximum)是两个投影函数的宽度的和。

图6是表示SSP的FWHM210和两个投影函数的FWZM220的曲线图。曲线图20明显地表示了SSP的显著的非均匀性。对iso中心(iso-center)0.525mm的探测器孔径(在探测器行之间具有0.1mm钨线的0.625mm的探测器节距)计算FWHM210和FWZM220，对中心平面处、iso的40mm的探测器覆盖(detector coverage)以及7°目标角来测量的1.2mm的额定焦点高度。

对X射线通量的不均匀性的研究由于要求对相互作用的平均深度，平均X射线光子能，以及目标的相应的衰减特征的估计而更加复杂。已经确定，对7度目标角和在iso中心40mm的覆盖，从探测器的一端到另一端强度的变化大约为20％。

我们的分析显示，当投影噪声随目标角ξ120减少时，SSP随目标角ξ120增长(图4所示)。希望减少探测器行20之间的变化。减少该变化的一种方法是利用自适应滤波器。通常，低通滤波器的应用减少了空间分辨率，同时减少了噪声。我们可以设计非固定滤波器(non-stationary filter)(沿z)，其特征随探测器行20的函数改变。也就是说，滤波量随着目标角ξ120的函数而减小。由于FWHM220和FWZM230不以相同的方式改变，因而滤波器核(filter kernel)的形状也需要改变，以便两个特征的均匀性一致。由于最初的SSP s(z)和目标SSP函数t(z)已知，因而设计这种滤波器的技术也已知。例如，我们可以设置目标响应函数为最大目标角ξ120的最初SSP函数。然后，滤波器函数可以通过已知的信号处理技术导出以满足下面的关系：

            t(z)＝s(z)f(z)                (3)

例如，一个最公知的技术是维纳滤波器。滤波量随目标角ξ120(图4所示)的减小而增加。因此，噪声减小的数量也随目标角ξ120的减小而增加。这转变成等价光通量的增长。图7是表示过滤后得到的FWHM 310和FWZM 320的曲线图300。注意到，两个参数在z上更加均匀。同时，从探测器20(图4所示)一端到另一端的等价光通量增长330大约为20％。给定的上述通量下降大约20％的研究，在投影中得到的噪声随过滤变得更均匀。

可以选择目标函数t(z)不同于最大目标角ξ120的SSP。例如，选择目标函数为中心行的SSP。在这种情况下，目标角ξ120大于中心行的过滤函数为高通滤波器。目标角ξ120小于中心行的滤波器函数为低通滤波器。因此，噪声水平由于与大的目标角ξ120一起投影而提高，噪声水平由于与小的目标角ξ120一起投影而减少。

可选择地，滤波器函数可以基于X射线通量而不是SSP确定。基于前面的分析，我们知道X射线通量随目标角ξ120的减少而减少。因此，导出一组滤波器函数，这样，它们使穿过所有探测器行的投影噪声平衡。例如，可以将3点滤波器用于基于相邻的三个探测器行的投影产生最终的投影。探测器行k-1，k和k+1的滤波器系数由w_k-，w_k，w_k+表示，η_k是探测器行k的标准X射线通量等级(参考行具有统一的标准通量等级)，该滤波器需要满足下面的关系：

$w_{k-}^2+w_k^2+w_{k+}^2={\mathrm{\η}}_k------------\left(4\right)$

可选择地，滤波器的设计可以依靠X射线通量和SSP的结合。例如，滤波器基于目标角ξ120大于中心行的X射线通量确定，并且滤波器基于目标角ξ120小于中心行的SSP函数确定。

非固定滤波器的应用可以与非均匀性探测器尺寸结合。也就是说，可以设计多切片探测器以便探测器孔径从行到行改变。在这种结合中，X射线通量的不均匀性和系统响应通过两种技术得到。这样允许更随意的滤波器设计。

图8是利用成像系统10在人工制品中促进减少的方法400。方法400包括提供X射线源410，提供具有多个定位为从该源接收X射线的探测器行的X射线探测器420，以及利用滤波器提高投影噪声和空间分辨率中至少一个的均匀性430，其中，X射线通量和空间分辨率是不均匀性的，并且是目标角沿z轴的函数。

前面减少X射线管脚跟效应的尝试集中在X射线管目标角的修改。这种方法将X射线通量的不均匀性和系统响应与X射线管效率交换。该提出的方法避免这种交换。此外，避免X射线管的重新设计。

上面详细描述了脚跟效应补偿的滤波器的示范性的实施例。该装置不限于在此描述的特定实施例，每一个装置的元件可以相对于在此描述的其它元件独立地和分别地使用。

尽管本发明根据不同的特定实施例描述，但是本领域的的技术人员可以认识到本发明在权利要求的精神和范围内可以变型实施。

              元件列表

10	多切片计算机断层(MECT)成像系统
		12	构台
14	X射线源
		16	X射线
18	探测器阵列
		20	探测器元件
22	物体
		24	旋转中心
26	控制机构
		28	X射线控制器
30	构台电机控制器
		32	数据采集系统(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	工作台电机控制器
46	机动的工作台
		48	构台开口
50	装置
		52	计算机可读介质
102	阴极线圈

104	目标
		106	电子
108	表面
		110	浅角α
112	扫描平面
		114	实际焦点长度L
116	投影的焦点高度H
		120	目标角ξ
122	相互作用的平均深度
		124	第一X射线束
126	第二X射线束
		130	第一距离d1
132	第二距离d2
		140	投影的焦点高度h1
142	投影的焦点高度h2
		200	曲线图
210	半最大值全宽(FWHM)
		220	零最大值全宽(FWZM)
300	曲线图
		310	FWHM
320	FWZM
		330	等价光通量增长
400	方法
		410	提供X射线源
420	提供X射线探测器

Claims (10)

1.一种扫描物体(22)的成像系统(10)，包括：

x射线源(14)；

x射线探测器(18)，其具有多个定位为从所述源接收x射线(16)的探测器行(20)；

计算机(36)，其与所述x射线源和所述x射线探测器工作连接；以及

位于所述x射线源和所述x射线探测器之间的滤波器，所述滤波器包括非固定滤波器，其中，所述非固定滤波器设置成基于探测器行的数量不同地过滤不同的探测器行。

2.一种扫描物体(22)的成像系统(10)，包括：

x射线源(14)；

x射线探测器(18)，其具有多个定位为从所述源接收x射线(16)的探测器行(20)；

计算机(36)，其与所述x射线源和所述x射线探测器工作连接，其中，所述计算机设置成过滤投影噪声和空间分辨率中的至少一个以提高均匀性，其中，所述投影噪声和所述空间分辨率是不均匀的，并且是目标角沿z轴的函数。

3.根据权利要求2所述的系统(10)，其中，所述滤波器设置成提高所述空间分辨率的均匀性，该滤波器f(z)根据t(z)＝s(z)f(z)确定，其中，t(z)是目标空间分辨率函数，并且s(z)＝h(z)d(z)，其中，h(z)是投影的焦点函数，d(z)是投影的探测器孔径函数。

4.根据权利要求2所述的系统(10)，其中，所述滤波器设置成提高所述投影噪声的均匀性，使得

$w_{k-}^2+w_k^2+w_{k+}^2={\mathrm{\η}}_k$

其中，w_k-，w_k，w_k+表示探测器行k-1，k和k+1的滤波器系数；其中，η_k是探测器行k的标准投影噪声水平。

5.根据权利要求2所述的系统(10)，其中，所述滤波器进一步设置成当目标角(120)小于中心探测器行时提高所述空间分辨率的均匀性，并且当目标角大于中心探测器行时提高所述投影噪声的均匀性。

6.根据权利要求5所述的系统(10)，其中，所述滤波器进一步设置成当目标角(120)小于中心探测器行时提高所述空间分辨率的均匀性，其中，滤波器f(z)根据t(z)＝s(z)f(z)确定，其中，t(z)是目标空间分辨率函数，并且s(z)＝h(z)d(z)，其中，h(z)是投影的焦点函数，d(z)是投影的探测器孔径函数。

7.根据权利要求5所述的系统(10)，其中，所述滤波器进一步设置为根据

$w_{k-}^2+w_k^2+w_{k+}^2={\mathrm{\η}}_k$

其中，w_k-，w_k，w_k+表示探测器行k-1，k和k+1的滤波器系数；其中，η_k是探测器行k的标准投影噪声水平。

8.一种编码有由至少部分地补偿x射线管目标角度脚跟效应的系统可执行的程序的计算机可读介质(52)，所述程序设置成指示计算机(36)：

提供x射线源(14)；

提供具有多个定位为从该源接收x射线(16)的探测器行(20)的x射线探测器(18)；以及

利用一滤波器提高投影噪声和空间分辨率中至少一个的均匀性，其中，投影噪声和空间分辨率是不均匀的，并且是沿z轴目标角的函数。

9.根据权利要求8所述的计算机可读介质(52)，其中，利用一滤波器包括使用所述滤波器提高空间分辨率的均匀性，该滤波器f(z)根据t(z)＝s(z)f(z)确定，其中t(z)是目标空间分辨率函数，并且s(z)＝h(z)d(z)，其中，h(z)是投影的焦点函数，d(z)是投影的探测器孔径函数。

10.根据权利要求8所述的计算机可读介质(52)，其中，使用一滤波器包括使用所述滤波器提高投影噪声的均匀性，其根据

$w_{k-}^2+w_k^2+w_{k+}^2={\mathrm{\η}}_k$

其中，w_k-，w_k，w_k+表示探测器行k-1，k和k+1的滤波器系数；其中，η_k是探测器行k的标准投影噪声水平。

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