CN1654014A - 锥形射束ct图像重构中减少失真的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在一个方面，一种利用计算机体层摄影(CT)成像系统产生对象(22)的图像的方法包括利用CT成像系统进行轴向扫描以便获得多于180°的对象投影数据。所述方法还包括：按照投影位置和待重构的图像的像素位置对投影数据进行加权；以及利用加权后的投影数据重构对象的图像。

Description

锥形射束CT图像重构中减少失真的方法和设备

技术领域

本发明一般地涉及计算机体层摄影(CT)成像，更具体地说，涉及CT系统中减少失真的方法和设备，所述方法和设备对具有宽开孔几何结构的CT系统特别有用。

背景技术

虽然已经表明Feldkamp算法对于中等锥形角度，在对抗锥形射束失真方面是有效的，但是相对于某些其它图像重构方法，它具有减小z-轴覆盖的缺点。例如，为了保证无失真重构，必须通过所有投影对图像中的每个体素采样。在实践中，为了利用多次轴向扫描获得一个连续的重构体积，把每一次扫描的重构体积限制为相邻轴向扫描之间的距离。例如，在至少一个已知的CT系统中，每一次轴向扫描可以覆盖的圆柱形体积限制为10.8毫米。为了获得一个器官的连续覆盖，相邻扫描之间的距离被限制为10.8毫米，这是等中心处检测器z-覆盖的一半。为了重构一个20mm的体积，必须进行外推以便利用FDK(Feldkamp)重构算法。然而，外推把失真引入重构图像。

发明内容

因此，本发明的某些配置提供一种方法，用以利用计算机体层摄影(CT)成像系统产生对象的图像。所述方法包括：利用CT成像系统进行轴向扫描，以便获得大于180°的对象投影数据；按照要重构的图像的投影位置和像素位置，对投影数据进行加权；以及利用加权后的投影数据重构对象的图像。

在某些配置中，本发明提供一种方法，用以利用计算机体层摄影(CT)成像系统产生对象的图像，其中所述方法包括：利用CT成像系统对对象进行轴向扫描，以便获得对象的大于180°的投影数据。所述方法还包括：按照投影位置，对投影数据进行加权；以及在笛卡尔坐标系中利用所述加权后的投影数据重构对象的图像。

本发明的其他配置提供一种方法，用以利用计算机体层摄影(CT)成像系统产生对象的图像。这些配置包括：利用CT成像系统对对象进行轴向扫描，以便获得对象的大于180°的投影数据；按照要重构的对象图像的像素位置，选择投影范围；以及利用选定的投影范围重构所述图像。

本发明的某些配置提供一种具有检测器阵列和辐射源的计算机体层摄影成像系统。为了产生对象的图像，所述系统配置成对对象进行轴向扫描，以便获得对象的大于180°的投影数据。成像系统还配置成按照要重构的图像中投影位置和像素位置，对投影数据进行加权，并且利用加权后的投影数据重构对象的图像。

另外，本发明的某些配置提供一种具有检测器阵列和辐射源的计算机体层摄影成像系统，其中所述成像系统配置成对对象进行轴向扫描，以便获得对象的大于180°的投影数据。所述成像系统还配置成按照投影位置对投影数据进行加权计算，并且在笛卡尔坐标系中利用加权后的投影数据重构所述对象的图像。

本发明的其他配置提供一种具有检测器阵列和辐射源的计算机体层摄影成像系统。为了产生对象的图像，这些配置中的所述成像系统配置成对对象进行轴向扫描，以便获得对象的大于180°的投影数据。所述成像系统还配置成按照要重构的对象图像的像素位置选择投影范围，并利用选定的的投影范围重构所述对象的图像。

本发明的各种配置显著地减少或消除在由轴向CT扫描中获得的数据产生的图像中的令人讨厌的锥形射束失真。这样，相对于已知试图减少中等锥形角度的锥形射束失真的方法和设备，可以随着相邻轴向扫描之间增大的距离获得连续覆盖。

附图说明

图1是CT成像系统的配置视图。

图2是举例说明于图1的系统的方块示意图。

图3是分步摄影(step-and-shoot)多切片CT成像系统的先有技术配置中减小体积覆盖的几何例图。

图4是分步摄影(step-and-shoot)多切片CT成像系统的先有技术配置中所需的和实际的重构体积的例图。

图5是利用先有技术Feldkamp算法重构的16×1.25mm采集的图像，其中切片是中心平面以上8.125mm，同时ww＝400。

图6是分步摄影方式下减小体积覆盖的另一个几何例图。

图7是CT成像系统的配置的几何例图，其中通过例图来定义这里使用的某些变量。

图8是仅仅具有180°投影的重构图像。

图9是图8中可见的失真的来源的例图。

图10是在ww＝400的情况下利用本发明的配置的重构图像的例图。

具体实施方式

在某些已知的CT成像系统结构中，X射线源投射一束扇形射束，所述扇形射束被准直到处于笛卡尔坐标系X-Y平面(一般称作″成像平面″)内。X射线束穿过正在被成像的诸如病人等对象。所述射束被对象衰减之后，射在辐射检测器阵列上。在检测器阵列处接收的衰减后的辐射射束强度取决于X射线被对象衰减的程度。所述阵列的每一个检测器元件都产生单独的电信号，也就是说所述信号是检测器位置处射束强度的量度。分开采集来自所有检测器的强度测量值，以便产生透射分布曲线。

在第三代CT系统中，X射线源和检测器阵列随着台架在成像平面内围绕要成像的对象旋转，使得X射线与对象相交的角度不断地变化。在一个台架角度下从检测器阵列获得的一组X射线衰减测量值，亦即，投影数据称作一个″视图″。在X射线源和检测器转一圈的过程中，对象的一次″扫描″包括一组以不同的台架角度或视角形成的视图。

在轴向扫描中，处理投影数据，以便构造一个对应于穿过所述对象获取的二维切片的图像。用于从一组投影数据重构图像的方法在先有技术中称作滤波背面投影技术。所述处理把来自扫描的衰减测量值转换为被称为″CT号″或″Hounsfield单元″(HU)的整数，用以控制阴极射线管或其它类型的显示器上相应像素的亮度。

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，在采集预定数目的切片的数据的同时，使病人移动。这样的一个系统从扇形射束螺旋扫描中产生单螺旋结构(Helix)。由扇形射束绘制的螺旋结构产生用于重构每一个预定切片的图像的投影数据。

用于螺旋扫描的重构算法一般使用螺旋加权算法，它对随视角和检测器通道索引号而变的所收集的数据进行加权。具体地说，在滤波背面投影处理之前，按照随台架角度和检测器角度而变的螺旋加权因子对数据进行加权。然后，对加权后的数据进行处理，以便产生CT号和构造对应于穿过对象获取的二维切片的图像。

为了进一步减少总采集时间，已经引入了多切片CT。在多切片CT中，在任何时刻都同时采集多行投影数据。当与螺旋扫描方式结合时，所述系统产生锥形射束投影数据的单螺旋结构。类似于单切片螺旋结构、加权方案，可以衍生一种方法，在滤波背面投影算法之前，把权重乘以投影数据。

正如在这里使用的，在单独地引用或以单词″a″或″an″开头的元素或步骤应该理解为不排除多个所述元素或多个所述步骤，除非明确地指出这样的例外。另外，说到本发明的″一个实施例″是想要说明包括也包含所引用的特征的其他实施例。

也正如在这里使用的，短语″重构图像″并不是想要排除本发明的产生代表图像(但不是可见的图像)的数据的实施例。然而，许多实施例产生(或配置成产生)至少一个可见的图像。

参见图1和图2，其中示出一种多切片扫描成像系统，例如，计算机体层摄影(CT)成像系统10，它包括″第三代″CT成像系统典型的台架12。台架12具有辐射源14，可以是X射线管14(在这里亦称为X射线源14)，它把辐射射束16投射到在台架12相反一侧的检测器阵列18上。(本发明的结构不限于X射线源或X射线辐射，虽然图1和图2所示CT成像系统10的配置利用X射线源和X射线辐射。)检测器阵列18是由包括多个检测器元件20的多个检测器行(未示出)形成，它们共同检测通过阵列18和辐射源14之间的对象，诸如医学的病人22的辐射(亦即，在这里描述的配置中，投射的X射线)。每一个检测器元件20产生代表入射X射线的强度、因此可以用来估计射束通过对象或病人22时受到的衰减的电信号。在扫描过程中，为了采集X射线投影数据，台架12和安装于其上的组件绕旋转中心24旋转。图2只显示单排检测器元件20(亦即，一个检测器排)。然而，多切片检测器阵列18包括检测器元件20的多个平行的检测器行，使得在一次扫描过程中可以同时采集对应于多个准平行或平行的切片的投影数据。

台架12上组件的旋转和X射线源14的操作受CT系统10的控制机构26的控制。控制机构26包括：X射线控制器28，它向X射线源14提供电源和定时信号；和台架马达控制器30，它控制台架12上组件的转速和位置。控制机构26中的数据采集系统(DAS)32从检测器元件20采集模拟数据，并把所述数据转换为后来的处理用的数字信号。图像重构器34从DAS 32接收采样和数字化X射线数据并进行高速图像重构。重构后的图像作为输入信号施加在计算机36上，计算机把所述图像存入存储装置38。图像重构器34可以是专用硬件或在计算机36上执行的计算机程序。

计算机36还通过具有键盘的控制台40从操作员接收命令和扫描参数。相关的阴极射线管或其它类型的显示器42使操作员可以观察重构的图像及来自计算机36的其他数据。操作员提供的命令和参数由计算机36用来向DAS 32、X射线控制器28和台架马达控制器30提供控制信号和信息。另外，计算机36操作平台马达控制器44，控制马达操作的平台46，以便使病人定位在台架12中。具体地说，平台46使病人22的部分通过台架的开孔48移动。

在一个实施例中，计算机36包括存储装置50，例如软盘驱动器、CD-ROM(只读光盘)驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)装置或任何其它的装置，包括网络连接装置，诸如以太网装置，用以从诸如软盘、CD-ROM、DVD或诸如网络或互联网等其他数字源等52以及尚在开发的数字装置，读取指令和/或数据。在另一个实施例中，计算机36执行存储在固件(未示出)的指令。对计算机36进行编程以便执行这里描述的功能，并且，如在这里使用的，术语计算机不限于只是指先有技术上称作计算机的那些集成电路，而是泛指计算机、处理器、微控制器、微型计算机、可编程的逻辑控制器、专用集成电路和其他可编程的电路，而这些术语在这里可以交换使用。虽然上述的具体的实施例是指第三代CT系统，但是在这里描述的方法同样适用于第四代CT系统(固定检测器，旋转X射线源)和第五代CT系统(固定检测器和X射线源)。另外，还打算使CT以外的成像方式产生本发明的优点。另外，虽然在这里描述的方法和设备是按医学设施描述的，但还打算使本发明的优点出现在诸如一般使用在工业设施或运输设施，诸如，例如，但是不限于机场或其它运输中心用的集装袋扫描系统等非医学显象系统扫描系统。

本发明的技术效果是产生一种其中减少图像失真的病人或对象22的图像。所述技术效果是通过以下方法实现的：用户利用CT成像系统10扫描对象或病人22并操作CT成像系统10以便重构被扫描对象的图像。

虽然在对抗中等锥形角度的锥形射束失真方面，Feldkamp算法已经表明是有效的，但是它有个缺点，就是相对于某些其它图像重构方法，减小了z轴覆盖。例如，参见图3，圆柱形区域100代表多切片CT扫描设备10轴向扫描的重构体积。参见图4，矩形代表所需的重构区域102。矩形102的高度H与等中心120处检测器18的投影高度相同。对于其中使用2π投影的FDK类型重构算法，图像中的每一个体素必须通过所有投影采样。满足所述条件的体积由梯形104代表。在实践中，为了以多个轴向扫描获得连续重构体积，每一次扫描用的重构体积限于包围在梯形104内粗轮廓线所示的矩形106。结果，相邻轴向扫描之间的距离无法大于矩形106的长度L。

用D表示等中心处的投影检测器宽度，用S表示源到等中心的距离，用R表示视图重构场(FOV)(x-y)的半径，用于连续覆盖的相邻轴向扫描之间的距离t必须满足以下条件：

$t\≤\left(\frac{S-R}{S}\right)D---\left(1\right)$

例如，对于S＝541mm，R＝250mm并且D＝20mm的CT系统，可以由每个轴向扫描覆盖的圆柱形的体积只有10.8mm。为了获得一个器官的连续覆盖，相邻扫描之间的距离限制为10.8mm，这大约为等中心处检测器z覆盖的一半。为了重构20mm的体积，必须进行外推以便利用FDK(Feldkamp)重构算法。然而，外推把失真引入重构图像。例如，图5显示一个从16×1.25mm轴向方式扫描重构的图像。所描绘的图像位于扇形射束中心平面以上9.375mm处。在模拟肋部附近阴影失真清晰可见。

为了避免在图像重构中引入失真，本发明的某些配置避免采用投影外推。例如，参见图6，考察其中原始锥形射束数据被重新联编一组倾斜的平行射束样值的情况。对于扫描体积顶部和底部附近的图像切片，每一次投影只照亮圆形区域124的一半122，显示分步摄影多切片CT成像系统的减小的体积覆盖。参见图6，对于平行几何结构，完全的重构的最小角度范围是180°。这样，由整个180°投影完全采样的数据部分是中心在所述投影范围的直线126。这样，可以完全由任何180°投影数据范围支持的唯一区域只是直线126。重构顺序是从等中心120向外辐射的每一条辐射线的顺序，需要不同的180°投影数据集。没有两条线完全利用相同的数据集

为了进行其中不同的180°投影数据集用于每一条从等中心120向外辐射的辐射线的重构，本发明的某些配置在极坐标系而不是在笛卡尔坐标系进行重构。对于每一个平面段，从平面角度看，只有角度小于90°的投影视图可用以影响平面段上像素。这样，在背面投影过程中就不需要外推。参见图7，重构是按照以下表达式进行的：

$f(r,\mathrm{\φ},z)={\∫}_{\mathrm{\φ}-\mathrm{\π}/2}^{\mathrm{\φ}+\mathrm{\π}/2}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}P(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ},z^{\′})\left|\mathrm{\ω}\right|e^{j2\mathrm{\π\ωt}}\mathrm{d\ωd\θ},---\left(1\right)$

其中P(ω，θ，z′)是在角度θ下锥形射束重新联编和加权的投影的富里叶换变，而z′是倾斜的平行射束几何图形中点(r，，z)的投影高度。

虽然所述途径避免采用外推，但是如图8所示，图像失真仍可能产生。和平行射束几何图形不同，180°以外的倾斜投影的投影数据是不同的。因此，180°以外的样值不是平行射束情况那样的冗余样值。这种不一致或差异可以导致重构图像失真。对于其中使用刚好180°角度的传统重构，所述阴影失真与第一个和最后一个180°以外投影之间投影角度所述失真以直线的形式出现。然而，在本发明的配置中，所述用于图像的投影角度范围是与位置有关的。例如，参见图9，对于重构直线110，用于重构的两端投影与箭头112对齐。不一致的最大数量发生在具有z变化的高密度对象，诸如用圆114表示的病人(或人体模型)的肋部。因此，在重构直线110上产生的失真是重构直线110与穿过圆114的点线116的交点。在所有重构直线上产生的失真形成圆118，既通过等中心120又通过圆114。

这样，在本发明的某些配置中，为了产生对象的图像，把具有辐射源和检测器阵列的计算机体层摄影(CT)成像系统用以对对象进行轴向扫描，以便获得大于180°的投影数据。按照不同配置中的投影位置和待重构的图像中的像素位置对所述投影数据进行加权，例如，如方程式(1)所表明的。利用所述加权投影数据重构对象的图像。

最大的不一致由180°以外的投影产生。这样，在本发明的某些配置中，在形成图像时，减少180°以外投影的贡献。反之，使用大于180°的投影数据，并且按照它们的位置和重构图像像素位置对所述投影加权。这样，在本发明的某些配置中，重构是按照下列关系进行的：

$f(r,\mathrm{\φ},z)={\∫}_{\mathrm{\φ}-\mathrm{\Γ}}^{\mathrm{\φ}+\mathrm{\Γ}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}w(\mathrm{\φ}-\mathrm{\θ})P(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ},z^{\′})\left|\mathrm{\ω}\right|e^{j2\mathrm{\π\ωt}}\mathrm{d\ωd\θ}---\left(2\right)$

其中权重w(-θ)＝w(α)由以下关系式定义：

Γ是指定用于重构投影数据范围的参数，而η是指定过渡区域的参数。

一般说来，Γ＞π/2。在某些配置中，η＝π/4。利用这些参数值所得的图像产生具有显著地减少的失真的图像。

在本发明的某些配置中，极坐标用于图像重构。若使用极坐标，则重构图像内插入显示器用的笛卡尔坐标系。然而，在其它的结构中，采用笛卡尔坐标系和取决于位置的加权函数来限制每一个投影对重构图像的贡献，以便达到同样效果。更具体地说，对重构图像的每一个锥形-平行重新联编的投影的加权是与像素位置有关的。对最靠近CT成像系统X射线源的图像部分的投影的加权小于图像另一半的加权。对于图像的一半(也就是说，比较接近X射线源14的一半)，使贡献小。净效果和利用极坐标系重构图像是相同的，但是利用笛卡尔坐标系的某些配置有利地省去第二内插步骤，以便对重构的图像重新采样，回到笛卡尔坐标。

这样，本发明的某些配置利用CT成像系统，以便对对象进行轴向扫描，以获得对象的大于180°的投影数据。按照投影位置对所述投影数据加权，并且在笛卡尔坐标系中利用加权的投影数据重构对象的图像。

在本发明的其他配置中，把对投影数据的加权限于远离中心平面的切片。对于接近于扇形射束中心平面的切片，所有投影数据(360°)可以在不会遇到外推问题的情况下使用。这样，某些配置只是对于接近于重构体积或者重构体积一端的图像切片才把投影数据范围限制为180°。对于中心平面和重构体积端部之间的切片，投影数据在某些配置中限于大于180°，但是小于360°的数量。在提供高信噪比的配置中，使用尽可能多的数据。这样的配置随着切片位置改变方程式(2)中的参数F。

这样，某些配置利用计算机体层摄影(CT)成像系统对对象进行轴向扫描，以获得大于180°的对象投影数据。按照要重构的对象图像像素位置选定投影范围，并且利用选定的投影范围重构对象的图像。在某些配置中，投影范围的选择包括选择之间的投影范围，其中是像素的极角。

因此，应当指出，本发明的配置显著地减小或消除在轴向CT扫描中获得的数据产生的图像中的令人讨厌的锥形射束失真。这样，相对于已知的试图减少中等锥形角度的锥形射束失真的方法和设备，可以在用相邻轴向扫描之间增大的距离获得连续覆盖。

虽然已经就不同具体的实施例描述了本发明，但本专业的技术人员会意识到，在权利要求书的精神和范围之内，可以利用各种修改来实施本发明。

Claims (10)

1.一种利用计算机体层摄影(CT)成像系统(10)产生对象(22)图像的方法，所述方法包括：

利用所述CT成像系统对所述对象进行轴向扫描，以便获得所述对象的大于180°的投影数据；

按照投影位置和待重构的图像中的像素位置对投影数据进行加权；和

利用所述加权后的投影数据重构所述对象的图像。

2.如权利要求1所述的方法，其中按照所述投影数据对所述投影数据进行加权的步骤包括减小180°以外的投影对重构图像像素的贡献的加权。

3.如权利要求2所述的方法，其中对所述投影数据加权的步骤包括采用由下列关系式定义的权重w(φ-θ)＝w(α)：

其中η是指定过渡区域的参数。

φ是极坐标系中图像像素的角度；而θ是投影角度。

4.一种利用计算机体层摄影(CT)成像系统(10)产生对象(22)图像的方法，所述方法包括：

利用所述CT成像系统对所述对象进行轴向扫描，以便获得所述对象的大于180°的投影数据；

按照投影位置对所述投影数据进行加权；和

在笛卡尔坐标系中利用所述加权后的投影数据重构所述对象的图像。

5.一种利用计算机体层摄影(CT)成像系统(10)产生对象(22)的图像的方法，所述方法包括：

利用所述CT成像系统对所述对象进行轴向扫描，以便获得所述对象的大于180°的投影数据；

按照待重构的对象图像的像素位置选择投影范围；和

利用所述选定的投影范围重构所述对象的图像。

6.一种具有检测器阵列(18)和辐射源(14)的计算机体层摄影成像系统(10)，其中为了产生对象(22)的图像，所述系统配置成：

对对象进行轴向扫描，以获得所述对象的大于180°的投影数据；

按照投影位置和待重构的图像中的像素位置对所述投影数据进行加权；和

利用所述加权后的投影数据重构所述对象的图像。

7.如权利要求6所述的系统(10)，其中为了按照所述投影数据对所述投影数据进行加权，所述系统配置成减小180°以外的投影对重构图像像素的贡献的权重。

8.如权利要求7所述的系统(10)，其中，为了对投影数据进行加权，所述系统配置成采用由下列关系式定义的权重w(φ-θ)＝w(α)；

其中η是指定过渡区域参数；

φ是极坐标系中图像像素的角度；和

θ是投影角度。

9.一种具有检测器阵列(18)和辐射源(14)的计算机体层摄影成像系统(10)，其中为了产生对象(22)的图像，所述系统配置成：

对对象进行轴向扫描，以获得所述对象的大于180°的投影数据；

按照投影位置对所述投影数据进行加权；和

在笛卡尔坐标系中利用所述加权后的投影数据重构所述对象的图像。

10.一种具有检测器阵列(18)和辐射源(14)的计算机体层摄影成像系统(10)，其中为了产生对象(22)的图像，所述系统配置成：对对象进行轴向扫描，以获得所述对象的大于180°的投影数据；

按照待重构的对象图像的像素位置选择投影范围；和

利用所述选定的投影范围重构所述对象的图像。

Images