CN1711561A - 使用三维背景投射的计算机断层扫描装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种计算机断层扫描方法，其中沿着圆形轨迹由扇形辐射束辐射检查区域。由探测器单元测量检查区域中相干散射的辐射，根据所述测量值重构检查区域中的散射强度在空间中的变化。通过在由旋转面的两个线性独立矢量和波矢量转移所限定的空间中的背景投射来实现重构。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算机断层扫描(computed tomograph)方法，其中沿着圆形轨迹通过扇形辐射束辐射检查区域，并且其中探测器单元探测初级辐射和检查区域中相干散射的辐射。本发明也涉及一种用于实现这种方法的计算机断层扫描装置、以及一种用于控制计算机断层扫描装置的计算机程序。
背景技术
在已提出的各种已知方法中，通过探测器单元测量探测区域中相干散射的辐射；然后从所述测量值重构检查区域中散射强度的空间中的变化。一般通过基于代数重构技术(ART)的迭代方法实现重构，其中整个辐射检查区域的重构是必需的。检查区域的部分重构是不可能的。此外，迭代方法需要大量的计算工作，并因此导致相对长的重构时间。可替代方法包括基于背景投射(back projection)的两维重构技术；在这些技术中，在检查区域和探测器单元之间存在或被假想这种大的距离，探测器单元上散射线的入射点和散射角之间存在明确的关系。然而，在医学应用中不能理解这种几何图形，从而使两维背景投射只产生不精确的结果。
发明内容
因此，本发明的一个目标是提供一种能实现在检查区域中散射强度分布的快速重构、同时考虑医学应用中的实际几何图形的方法、计算机断层扫描装置以及计算机程序。
对于该方法，通过包括以下步骤的计算机断层扫描方法实现依据本发明的该目的：
-利用辐射源和设置于检查区域和辐射源之间的隔板设置，产生横向穿过检查区域或存在于其中的目标的扇形射束；
-在一侧上的辐射源和另一侧上的检查区域或目标之间，产生包括围绕旋转轴的旋转的相对运动；
-通过在相对运动过程中探测器单元探测来自扇形射束的初级辐射和检查区域中或目标上相干散射的辐射，获得取决于辐射强度的测量值；
-根据测量值重构检查区域的CT图像，在该重构过程中，在由旋转面的两个线性独立矢量和波矢量转移(wave vector transfer)所限定的空间(volume)中实施背景投射。
散射强度不仅取决于材料，而且取决于辐射的散射角和波长。尽管由于已知波矢量转移与逆波长和散射角一半的正弦的乘积成比例，然而在由旋转面的两个线性独立矢量和波矢量转移所限定的空间中的背景投射的优点在于，用参数表示的散射强度唯一地取决于散射材料。在上下文中，散射角是被相对于没有散射处理时射线遵循的路径的散射线的路径包围的角度。
散射线在所述空间(volume)中具有弯曲形状。对依据权利要求2的背景投射，考虑散射线的弯曲形状，提高了重构散射强度分布的品质。
依据在权利要求3中公开的优选重构方法，在背景投射之前加权测量值。这种加权考虑当散射角增大时探测器表面的效率减小、以及当探测器单元上的散射线的入射点和散射中心之间的距离增大时辐射强度减小的事实。有效的探测器表面是投射在垂直于探测射线的路径的平面中的探测器表面。权利要求4中的加权考虑当辐射源和散射中心之间距离增大时辐射强度减小的事实。当考虑这种效应时，提高了重构散射强度分布的品质。
权利要求5说明了优选重构方法，相比于其它方法，其需要较少的计算工作，并仍然提供了良好的成像品质。
在权利要求6中公开了用于实施依据本发明的方法的计算机断层扫描装置。
权利要求7限定了用于控制如权利要求6所述的计算机断层扫描装置的计算机程序。
附图说明
下面基于具体实施例并参照附图详细说明本发明。其中：
图1示出了适用于实施依据本发明的方法的计算机断层扫描装置；
图2是在旋转轴的方向上图1的计算机断层扫描装置的示意性横截面图；
图3示出了依据本发明的方法的方案的流程图；
图4是一列探测器元件的平面图；
图5是虚拟辐射源的设置的示意性表示；
图6示出了穿过虚拟辐射源的射线的横截面；
图7是被辐射的检查区域和在旋转面的方向上探测器的示意性横截面图；
图8图解说明了检查区域中的散射中心和探测器的底部之间的距离上的波矢量转移的量的相关性(探测器单元上初级射束的入射点)。
具体实施方式
在图1中示出的计算机断层扫描装置包括台架1，其能够围绕旋转轴14旋转。为此，由电动机2以优选恒定、但可调节的角速度驱动台架1。在台架1上装配辐射源S，例如X射线源。隔板设置31限定了辐射扇形射束41，其用于检查并由图1中的实线表示。扇形射束41垂直于旋转轴14延伸，并具有其方向上的小的尺寸，例如1mm。在隔板设置31和辐射源S之间可以设置第二隔板装置32，其形成来自由X-射线源S所产生的辐射的锥形辐射束42。由虚线表示在没有隔板设置31时会出现的锥形辐射束42。
扇形射束41横向穿过圆柱形检查区域13，目标、例如病床上的病人(都没有示出)或工艺目标可被设置在其中。在横向穿过检查区域13之后，扇形射束41入射至探测器单元16上，该探测器单元16连接至台架1并包括具有以矩阵形式设置的多个探测器元件的测量面17。以行和列设置探测器元件。探测器列平行于旋转轴14延伸。探测器行被设置在垂直于旋转轴延伸的平面中，即，优选在围绕辐射源S的圆周的弧线上。尽管它们也可以具有不同的形状，例如围绕旋转轴的圆周的弧线的形状，或是直线的。然而一般来说，探测器行包括基本上比探测器列(例如16)更多的探测器元件(例如1000)。
扇形射束41、检查区域13和探测器单元16彼此适合。在垂直于旋转轴14的平面中，选择扇形射束41的尺寸，以使检查区域13被完全辐射，并选择探测器单元16的行的长度以便彻底探测扇形射束41。扇形射束入射至中心探测器行(行)上。
当考虑取代病人的工艺目标时，在检查过程中目标被旋转而辐射源S和探测器单元16保持静止。通过电动机5可以平行于旋转轴14移动检查区域13、或目标或病床。作为等同，从而也可以在该方向上移位台架。
当电动机2和5同时工作，辐射源S和探测器单元16描述了相对于检查区域13的螺旋形轨迹。尽管用于沿旋转轴14的方向上的移动的电动机5是静止的，并且电动机2旋转台架时，但是获得用于旋转辐射源S和探测器单元16的圆形轨迹。下文中仅考虑圆形轨迹。
图2示出了在检查区域13和探测器单元16之间设置的包括多个叶片60的准直仪装置6。叶片60由强烈吸收X-射线的材料组成，并位于平行旋转轴14延伸的平面中，并在辐射源S的焦点处彼此交叉。它们的间隔可以等于例如1cm，并且每一叶片60可以具有在附图的平面中例如20cm的尺寸。准直仪装置6这样将扇形射束41再分成多个邻近的段，从而实质上仅通过来自一段的初级辐射或散射辐射冲击探测器元件的列。
将通过探测器单元16获得的测量值施加至与探测器单元16连接的图像处理计算机10，例如，通过无线数据发射。图像处理计算机10重构检查区域13中的散射强度分布，并对其再生，例如在监视器11上。控制单元7控制两个电动机2和5、图像处理计算机10、辐射源S以及从探测器单元16至图像处理计算机10的测量值的转移。
在其它的实施例中，可将获得的测量值首先施加至一个或多个用于重构的重构计算机，重构计算机施加重构数据至图像数据计算机，例如，通过光导纤维电缆。
图3示出了说明通过在图1中示出的计算机断层扫描装置可以实现的一种测量和重构方法的执行的流程图。
在步骤101中初始化之后，台架以恒定的角速度旋转。在步骤103中，接通辐射源S的辐射，以使探测器单元16能够探测来自多个角位置的初级辐射和散射辐射。在每一探测器列的中心处的探测器元件或元件实质上探测初级辐射，然而也由在更临近列端设置的探测器元件探测散射辐射(次级辐射)。
在图4中图解表示了前述内容，图4是探测器元件的列的平面图。由简单的单阴影表示的探测散射辐射的探测器元件161，而通过交叉标记位于中心处并探测初级辐射的探测器元件160。在其它的辐射源中，特别是在具有大焦点的辐射源中，通过多于一个的探测器也可以探测初级辐射。由于辐射源的焦点的有限尺寸，设置在中心探测器元件两侧的被散射辐射源冲击的探测器元件，而且也可被一定量(减少的)初级辐射冲击的探测器元件(临近160的白色元件)。在该实施例中，认为散射辐射是在附图中通过阴影表示的探测器元件所测量的辐射。
散射强度尤其取决于散射X-射线量子(X-ray quantum)的能量。因此，必须测量散射X-射线量子的能量，这意味着探测器元件将能够以分辨能量的方式测量，或散射X-射线必须由具有来自尽可能小的范围(在理想情况中的单色射线)的量子能的X-射线组成。存在用于相对于它们的能量最小化X-射线量子的能量差的各种可能性：
-使用适合的过滤材料，例如初级射束中的铜。结果，由X-射线源产生的软X-射线(即具有低量子能的X-射线)被高度抑制。
-另外，使用选择的滤波器可以优化X-射线管的电压。
-最后可以施加所谓的“平衡滤波器”技术。依据该技术，两次获得数据，并然后每次在射束路径中设置具有稍微不同原子数和其K边沿被用于滤波的滤波器。随后，析取来自两次测量的差信号。
在步骤105中，规格化散射辐射的测量值。然后用已经引起散射线的那些初级射线的测量值除以散射辐射的每一辐射源位置的测量值。
在步骤107中，测量值取决于再分级(rebinning)操作。每一测量值然后与一条从其中已经探测测量值的探测器元件至辐射源位置的线相关。这样，假定假象的射线，锥形辐射束42已经引起测量值，而没有散射射线。由于再分级(rebinning)操作，再分组测量值，就好像通过不同的辐射源(能够发射相互平行的扇形射束的圆形辐射源)和不同的探测器(平面、矩形虚拟探测器)已经测量它们一样。
现在参照图5详细说明。其中，参考数字17表示圆形轨迹，辐射源沿着该圆形轨迹辐射检查区域。参照数字413表示扇形辐射射束，其从辐射源位置S0发出，并且它的射线在包括旋转轴14的平面中传播。可以假定通过位置S0中的辐射源发射的锥形辐射束由位于与旋转轴14平行的平面中的多个平面扇形射束组成，旋转轴14与辐射源位置相交。图5仅示出了这些扇形射束的单个，即扇形射束413。
此外，图5也进一步示出了平行于扇形射束413延伸并位于彼此平行且平行于旋转轴14的平面中的扇形射束411、412和414、415。在分别到达辐射源位置S0之前和之后，相关的辐射源位置S-2、S-1和S1、和S2被辐射源S占据。扇形射束411至415中的全部射线依据相同的投射角度。投射角度是由扇形射束的平面相对于平行于旋转轴14的参考表面而围绕的角度。
扇形射束411至415限定具有类似帐篷形状的辐射束410。图5和6示出了截面区域420，该区域是当辐射源410被包括旋转轴14并垂直于扇形射束411至415的平面延伸的平面横向穿过时获得的。与旋转轴相交的截面区域420的两个边缘是弯曲的。该曲率是由于在中心处的辐射源位置(例如S0)的辐射源位置比在边缘处的那些辐射源位置(例如S2或S-2)，距离截面更远、并且扇形射束全部具有相同孔径角度。因此，对于每一组扇形射束，在平面截面区域420中限定矩形虚拟探测器170，由平面截面区域中的外部扇形射束411和415的尺寸给出所述虚拟探测器的边缘171和172。
图6也示出了包括在扇形射束411...415中、穿过所述虚拟探测器的一些射线的穿孔点(通过园点标记)。最后，十字形标记规则笛卡尔栅格的支撑点。穿孔点和支撑点一般不重合。因此，根据用于穿孔点的测量值，不得不确定在虚拟探测器170中等距支撑点处的测量值。在DE19845133A1中详细说明了这种再分级(rebinning)，在此说明作为参考。
在步骤109中，如通过再分级产生的散射线的测量值接受一维滤波，该一维滤波具有一个作为空间频率的函数而类似斜面增大的因数。为此，每次在平行于旋转面的方向上都考虑连续值，即，沿着虚拟探测器的行。对于全部投射角度，沿着虚拟检测探测器的每一行执行滤波。
在另一实施例中，也可以省略再分级。已知在这种情况下，由于探测器单元是弯曲的，必须改变滤波，例如以围绕辐射源或围绕旋转轴的弧线的形式。
滤波测量值随后被用于在检查区域中通过背景投射的散射强度分布的重构。
在一个由矢量
和
限定的空间中实施背景投射，单一矢量
和
位于旋转面中并被分别水平和垂直地定向，而波矢量转移
被平行于旋转轴定向。在另一实施例中，可以使用旋转面的两个其它、线性独立矢量取代矢量
和
如已经说明的，波矢量转移
的量正比于散射X-射线量子的逆波长λ和散射角Θ的一半的正弦的乘积：
q＝(1/λ)sin(Θ/2) (1)
基于通过扇形射束41辐射的检查区域15和在图7示出中的探测器单元16的安排可以确定散射角Θ。与基于背景投射的已知两维方法相反，该图考虑医学应用中的真实几何学。对于一个或每个探测器元件Di，这给出了依据下面的等式计算的不同的散射角Θ：
Θ＝arctan(a/d) (2)
其中，d表示散射中心Si的距离，a表示探测器元件Di和探测器的底部12之间的距离。
探测器元件Di探测在通过扇形射束41辐射的检查区域15中已经以角度Θ1＜Θ＜Θ2散射的射线。
根据上面的两个等式，下面获得用于小的角度Θ的方程：
q≈a/(2dλ) (3)
波矢量转移
的值的变化取决于散射中心和探测器的底部之间的距离d，具有双曲线的形状，并因此不是线性的(如图8所示)。它同样遵循，在(x、y、q)空间中的散射线的原始线性路径是弯曲。然后沿着以双曲线形式弯曲的射线发生背景投射。
在步骤111中，在可选择(x，y)的区域(视场或FOV)中和在由计算机断层扫描装置的几何图形产生的波矢量转移
的值的范围中确定三维象素V(x、y、q)。
在步骤113中，以对应于散射角的余弦的倒数的权重因数乘以滤波值。这样考虑了随逐渐增大的散射角而逐渐减小的有效探测器表面。当所述角度是小的，角度的余弦实际上常常为1，从而可以无需加权。此外，考虑到当散射中心(即，三维象素V(x、y、q))与测量面上散射线的入射点之间的距离增大时辐射强度减小，通过以一个和散射中心与测量面上散射线的入射点之间的距离的平方相对应的权重因数乘以用于每一辐射源位置的全部测量值，在散射中心，与测量值相关的射线被散射。
在其它方案中省略再分级，通过加权因数对滤波的测量值进行附加相乘是必需；该因数等于辐射源位置和散射中心之间的距离的平方的倒数，在散射中心，所探测的射线被散射。
在步骤115中的在背景投射过程中，考虑通过三维象素V(x、y、q)的全部弯曲射线。假如没有一条来自辐射源位置的射线将准确地通过三维象素的中心，必须通过临近射线的测量值的插入来确定相关值。在三维象素V(x、y、q)上累加与通过三维象素的射线相关的测量值或通过插入获得的测量值。在累加了所有辐射源位置对于相关三维象素的作用之后，在步骤107中检查是否已经处理了被重构的(x、y、q)区域中的全部三维象素。如果否，流程分支至步骤111。否则已经对于FOV中的所有三维像素确定了散射强度分布，并终止重构方法(步骤119)。
在其它方案中，在由旋转面的两个线性独立矢量和波矢量转移所限定的空间中的背景投射可以沿着直射线执行类似的处理。
Claims (7)
1、一种计算机断层扫描方法，包括步骤：
a)利用辐射源(S)和设置于检查区域(13)和辐射源(S)之间的隔板设置(31)，产生横向穿过检查区域(13)或存在于其中的目标的扇形射束(41)；
b)在一侧上的辐射源(S)和另一侧上的检查区域(13)或目标之间，产生包括围绕旋转轴(14)的旋转的相对运动；
c)使用探测器单元(16)获得取决于辐射强度的测量值，在相对运动过程中，该探测器单元探测来自扇形射束(41)的初级辐射和在检查区域(13)中或目标上相干散射的辐射，；
d)根据测量值重构检查区域(13)的CT图像，在重构过程中，在由旋转面的两个线性独立矢量和波矢量转移所限定的空间中实施重构背景投射。
2、如权利要求1所述的计算机断层扫描方法，其中在重构步骤d)过程中，沿着具有弯曲形状的射线实施背景投射。
3、如权利要求1所述的计算机断层扫描方法，其中在重构步骤d)中的背景投射之前，测量值被乘于以和散射中心与探测器单元上的散射线的入射点之间距离的平方相对应的权重因数，在散射中心，探测到的射线被散射，并以对应于散射角的余弦的倒数的第二权重因数乘以测量值。
4、如权利要求3所述的计算机断层扫描方法，其中在重构步骤d)中的背景投射之前，以对应于辐射源和散射中心之间距离的平方的倒数的权重因数乘以用于每一辐射源位置的全部测量值，在散射中心，探测到的射线被散射。
5、如权利要求1所述的计算机断层扫描方法，其中重构步骤d)包括下面的步骤：
-在平行于旋转面的方向上测量值的一维滤波；
-再分级测量值，从而形成多个组，由探测器元件测量的测量值与从探测器元件至辐射源位置的线相关，并且每一组包括彼此平行且平行于旋转轴、并且其中存在各自的线扇形(411…415)的多个平面；
-从测量值重构散射强度的分布，然后在通过旋转面的两个线性独立矢量和波矢量转移所限定的空间中实施背景投射。
6、用于实现如权利要求1所述方法的计算机断层扫描装置，其包括：
-辐射源(S)和设置于检查区域(13)和辐射源(S)之间的隔板设置(31)，从而产生横向穿过检查区域(13)或在那里存在的目标的扇形射束(41)，探测器单元耦合至辐射源(S)，并包括测量面(17)；
-驱动装置(2、5)，其用于围绕旋转轴(14)和/或平行于旋转轴(14)彼此相对地移位辐射源(S)和存在于检查区域(13)内的目标；
-重构单元(10)，其用于从通过探测器单元(16)获得的测量值，重构检查区域中散射强度的分布；
-控制单元(7)，其用于依据权利要求1的步骤a)至d)控制辐射源(S)、探测器单元(16)、驱动设置(2、5)和重构单元(10)。
7、一种用于控制单元(7)的计算机程序，用于控制计算机断层扫描装置的辐射源(S)、隔板设置(31)、探测器单元(16)、驱动设置(2、5)和重构单元(10)，从而实现权利要求1的步骤。
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