CN1722178A

CN1722178A - 图像的三维重建方法和系统

Info

Publication number: CN1722178A
Application number: CNA2005100922876A
Authority: CN
Inventors: J·希; X·唐
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2006-01-18
Also published as: NL1029357A1; JP2006015139A; JP4711245B2; US20060002507A1; NL1029357C2; US7215734B2

Abstract

本发明提供了一种图像的三维重建方法(100)和系统。该方法包括：接收来自扫描对象的成像设备的投影数据，识别(102)对应于一个投影射线共轭对的投影数据，和插值(104，106，108)对应于所述投影射线共轭对的所述投影数据以重建被扫描对象的图像。

Description

图像的三维重建方法和系统

技术领域

本发明大体上涉及图像重建，尤其涉及体积式(volumetric)计算机断层摄影(CT)图像的重建方法和系统。

背景技术

三维(3D)或锥形射束(CB)滤波背投影(FBP)用于多行CT扫描仪以提供体积式CT(VCT)扫描操作。在VCT扫描仪中使用3D背投影算法来利用映射过程重建图像是公知的。例如，3D FBP可以用于从自圆形源轨迹获取的锥形射束投影进行图像重建。利用基于像素的背投影，典型地执行从重建像素的中心到探测器平面的映射过程。然而，在许多情况下，重建点未必在探测器行的中心。结果，在探测器各行上进行插值。例如，确定背投影的值，其为几个经滤波的投影样本(例如，来自四个相邻探测器元件的四个经滤波的投影样本)的加权和。

因此，执行插值的已知背投影过程使用几个可以来自相邻探测器行的探测器元件，从而从交叉位置计算背投影的值。从而使用估计值来重建图像。该过程导致了较大的重建图像片厚度，由此减小了空间分辨率。

发明内容

在一个典型实施例中，提供了一种重建对象的图像的方法。该方法包括：接收来自扫描对象的成像设备的投影数据，识别对应于一个投影射线共轭对的投影数据，和插值对应于该投影射线共轭对的所述投影数据以重建被扫描对象的图像。

在另一个典型实施例中，具有一个多行探测器的计算机断层摄影(CT)成像设备被提供并且被配置成：从对于对象的扫描获取投影数据，识别对应于一个投影射线共轭对的投影数据，和插值对应于该投影射线共轭对的所述投影数据以重建被扫描对象的图像。

附图说明

图1是表示依照本发明的各种实施例的CT成像设备的示意图。

图2是图1所示的CT成像设备的功能框图。

图3是显示了锥形射束-平行射束重组(rebinning)几何结构的图示。

图4显示了非倾斜的平行射线的共轭样本。

图5显示了倾斜的平行射线的共轭样本。

图6是根据本发明一个典型实施例的背投影过程的流程图。

具体实施方式

下面具体描述了用于重建对象图像的系统和方法的各种典型实施例。这里所述的系统和方法的技术效果包括在插值期间使用多个投影束，从而为对象真实图像的图像重建提供改善的片灵敏度曲线(SSP)。

在一些已知的CT成像系统构造中，X射线源投射扇形射束，该扇形射束被校准从而位于笛卡尔坐标系的X-Y平面内，该平面通常被称为“成像平面”。X射线束通过诸如患者的待成像对象。当被该对象衰减后，该射束撞击在辐射探测器的阵列上。在探测器阵列上接收到的经衰减的射线束的强度取决于对象对X射线束的衰减。该阵列的每个探测器元件产生单独的电信号，该电信号是对该探测器位置处的射束强度的测量值。来自所有探测器的强度测量值被单独地获取以产生传输曲线。

在第三代CT系统中，X射线源和探测器阵列随台架在成像平面中围绕待成像的对象旋转，从而X射线束与对象效的角度不断地改变。在一个台架角度下来自探测器阵列的一组X射线衰减测量值(即投影数据)称为“视图”。对象的“扫描”包括在X射线源和探测器的一次旋转期间在不同的台架角度(或者视角)下得到的一组视图。

在轴向扫描中，投影数据被处理以构建对应于通过对象获取的二维片的图像。从一组投影数据重建图像的一个方法在本领域中称为滤波背投影技术。该处理过程将来自扫描的衰减测量值转换为称为“CT数”或“Hounsfield单位”(HU)的整数，所述整数用于控制阴极射线管显示器上对应像素的亮度。

为了减小总扫描时间，可以进行“螺旋”扫描。为了进行“螺旋”扫描，当获取规定数量的片的数据时患者被移动。该系统从扇形射束扫描产生单螺旋线。由扇形射束映射出的该螺旋线产生投影数据，可以从所述投影数据重建每个规定片中的图像。

螺旋扫描的重建算法典型地使用螺旋加权算法，所述算法作为视角、检测器行系数和检测器通道系数的函数来加权所收集的数据。具体而言，在滤波背投影过程之前，根据螺旋加权因子来加权数据，该螺旋加权因子是台架角度、检测器行和检测器角度的函数。加权后的投影然后被滤波和背投影以重建对应于通过对象取得的二维片的图像。

为了进一步减小总获取时间，多片CT已经被提出。在多片CT中，一次同时获取多行投影数据。当与螺旋扫描模式组合时，该系统生成锥形射束投影数据的单螺旋线。类似于单片螺旋加权方案，可以衍生出一种方法，从而在滤波背投影算法之前将权重和投影数据相乘。

当用于这里时，以单数形式叙述并且前面有“一个”一词的元件或步骤应当被理解为不排除多个元件或步骤，除非这种排除被明确指出。而且，本发明的“一个实施例”并不意味着被理解为排除包含所述特征的另外实施例的存在。

同样当用于这里时，短语“重建图像”并不意味着排除这样的本发明的实施例，在所述实施例中生成表示图像的数据而不产生可视的图像。然而，许多实施例生成(或者被配置成生成)至少一个可视图像。

参考图1和2，例如计算机断层摄影(CT)成像系统10的多片扫描成像系统被图示为包括代表“第三代”CT成像系统的台架12。台架12具有X射线管14(这里也称为X射线源14)，该X射线管朝着台架12相对侧上的探测器阵列18投射X射线束16。探测器阵列18由包括多个探测器元件20的多个探测器行(未示出)形成，所述探测器元件一起检测通过对象的所投射的X射线，所述对象例如为在阵列18和源14之间的医疗患者22。每个探测器元件20产生电信号，该电信号表示碰撞X射线束的强度，因此能够用于估计射束穿过对象或患者22时的衰减。在通过扫描来获取X射线投影数据时，台架12和安装在其中的部件围绕旋转中心24旋转。图2仅仅显示了单行的检测器元件20(即一个检测器行)。然而，多片检测器阵列18包括多个平行的探测器元件20的探测器行，从而在一次扫描期间能够同时获取对应于多个准平行或平行片的投影数据。

台架12上部件的旋转和X射线源14的操作由CT成像系统10的控制机构26支配。控制机构26包括为X射线源14提供电力和定时信号的X射线控制器28，以及控制台架12上的部件的旋转速度和位置的台架马达控制器30。控制机构26中的数据获取系统(DAS)32采样来自探测器元件20的模拟数据并且将该数据转换为用于随后处理的数字信号。图像重建器34接收来自DAS 32的经采样和数字化的X射线数据并执行高速图像重建。重建的图像被作为输入施加到计算机36，该计算机在存储设备38中存储该图像。图像重建器34可以是专门的硬件或在计算机36上执行的计算机程序。

计算机36也通过具有键盘的控制台40接收来自操作者的命令和扫描参数。相关的阴极射线管显示器42(或任何其它合适的显示设备)允许操作者观察来自计算机36的重建图像和其它数据。操作者提供的命令和参数被计算机36使用，从而为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操作床台马达控制器44，该床台马达控制器控制机动化的床台46以在台架12中定位患者22。特别地，床台46将患者22的一部分移动通过台架开口48。

在一个实施例中，计算机36包括指令获得设备50，例如软盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)设备或者其它任何包括诸如以太网设备这样的网络连接设备的数字设备。指令获得设备50被提供用于读取来自计算机可用介质52的指令和/或数据，所述计算机可用介质例如为在其上带有计算机可读程序的软盘、CD-ROM或者DVD。所述程序在一些实施例中被设置成指示计算机(例如计算机36)执行这里所述的功能和/或将信号发送到其它设备以执行一些或所有所述功能。在一些实施例中，指令获得设备50从另一个数字源(例如网络和因特网，或者尚待开发的数字装置)获得程序指令。在另一个实施例中，计算机36执行存储在固件(未示出)中的指令。计算机36被编程以执行这里所述的功能和/或将信号发送到其它设备以执行一些或所有所述功能。当在这里使用时，术语“计算机”并不局限于在本领域中被称为计算机的集成电路，而是广义地表示计算机、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，在这里这些术语可互换地使用。尽管上述的特定实施例涉及第三代CT系统，但这里所述的方法同样地适用于第四代CT系统(固定探测器-旋转X射线源)和第五代CT系统(固定探测器和X射线源)。另外，可以预见，本发明的各种实施例的益处可用于不同于CT的成像模式。另外，尽管这里所述的方法和系统是在医疗应用中描述的，但是可以预见，本发明的各种实施例的益处可用于非医疗成像系统，例如典型地用于工业应用或者交通应用的那些系统，例如(但不局限于)用于机场或其它交通中心的行李扫描系统。

当CT成像系统10用作体积式CT扫描仪时，体积式CT扫描仪中的螺旋源轨迹和投影数据获取的透视几何结构如图3所示，其中(x，y，z)表示用于圆柱形多行CT探测器阵列18的局部坐标系。具体而言，在使用CT成像系统10进行重建的过程期间，首先执行已知的锥形射束到平行射束的重组。该重组过程之后，初始扇形射束采样被转换为倾斜的平行几何结构，如图3所示。应当注意在该构造中，在单个视图中的所有样本具有相同的投影角度，尽管它们可以具有不同的倾斜角度。因此，提供了源轨迹70的锥形射束-平行射束重组几何结构(在图中显示为虚线)，如图3所示。

作为重组过程的结果，一个投影中的每个样本对应于另一个投影中的共轭样本。这是由于在相同视图中的所有样本具有相同的视角。因此，对于彼此相差180°的两个视角(其在这里被称为共轭对)，如果不考虑z的差别，每对样本对应于相同的投影或射线路径。应当注意，在非倾斜情况下，如图4所示，非倾斜的平行投影或射线72的两个样本形成用于沿水平线的每个重建位置的共轭样本。在倾斜锥形射束的情况下，如图5所示，由倾斜投影限定的共轭采样对随着重建像素位置而改变。具体而言，在图5中，实线表示当前的感兴趣视图。特别地，探测器76表示在该感兴趣视图的探测器位置，射线80表示用于相同视图的其中一个背投影射线。虚线表示共轭的感兴趣视图。这些共轭视图与感兴趣视图相差180度。探测器86和射线72、74显示了探测器位置和共轭视图的其中两个背投影射线。应当注意，对于每个重建像素，存在唯一的一对共轭样本。例如，对于重建像素80，在该位置交叉的射线对为78和74。用于重建像素82的射线对是射线78和72。

本发明的各种实施例提供了图6所示的背投影过程100。如图中所示，在步骤102中，共轭样本在逐像素的基础上被识别。具体而言，相差180°(即共轭对)的其中两个投影或射线(例如，图5所示的由所投影的X射线限定的射线对74)同时被识别和检查以获得与之对应的投影数据。更特别地，计算两个交叉。第一个与传统的反投影相同。第二个为经过相同重建像素(和对应的源位置)的射线与在和当前视图相差180度的投影角度下的探测器的交叉。使用来自上面两个视图的投影样本来进行最后的插值。下面将详细描述样本和插值系数的选择。

之后，在步骤104中，定义共轭对中的投影或射线。具体而言，p(γ，β，q)和p(-γ，β+π，q′)表示对应于两个射线的投影样本，这两个射线例如为形成穿过重建像素(x，y，z)并且与两个探测器元件76和86(如图5所示)交叉的射线对78和74(如图5所示)的两个射线。应当注意，两个射线的投影角度相差180度。应当注意，q定义例如探测器阵列18(如图3所示)中的探测器行的非绝对距离(例如以毫米(mm)计)，γ定义探测器角度，β定义投影角度。进一步地，i和i′分别表示q和q′的整数部分，Δ和Δ′分别表示q和q′的分数部分。应当注意q的值大于零。

仅仅作为举例，现在将描述重建像素80(如图5所示)的背投影。然而，应当注意，该过程适用于任何像素。在步骤106中，计算交叉。具体而言，基于已知的源和探测器位置(例如如图3所示)计算射线78(如图5所示)(与重建像素80交叉)与探测器76的交叉。接着，计算射线74(与相同的重建像素80交叉)与探测器86的交叉。实质上，对于每个体元(voxel)位置，计算两个交点。特别地，为射线78及其共轭射线计算分数部分(Δ和Δ′)和整数部分(i和i′)。具体而言，在步骤108中由下述方程计算像素(x，y，z)的背投影值：

\{\begin{matrix} \frac{1 - Δ^{'}}{1 - Δ^{'} + Δ} p (γ, β, i) + \frac{Δ}{1 - Δ^{'} + Δ} p (- γ, β + π, i^{'} + 1), Δ \leq Δ^{'} (1) \\ \frac{Δ}{1 - Δ^{'} + Δ} p (γ, β, i + 1) + \frac{1 - Δ^{'}}{1 - Δ^{'} + Δ} p (- γ, β + π, i^{'}), Δ > Δ^{'} (2) \end{matrix}

应当注意，尽管使用了线性插值，但是各种实施例并不局限于此。例如，可以按照期望或需要进行拉格朗日插值和其它形式的插值。

然后，在110，为所有投影视图累计或合计背投影值以确定重建图像的最终强度。

本发明的各种实施例为使用两个投影或射线(尤其是共轭射线对)的背投影图像处理提供插值。各种实施例提供了改善的片灵敏度曲线(SSP)同时不会引入另外的伪像。

尽管根据各种特定实施例描述了本发明，本领域的熟练技术人员将会认识到本发明可以在权利要求精神和范围内进行改进。

Claims

1.一种重建对象图像的方法(100)，所述方法包括：

接收来自扫描对象的成像设备的投影数据；

识别(102)对应于一个投影射线共轭对的投影数据；和

插值(104，106，108)对应于该投影射线共轭对的所述投影数据以重建被扫描对象的图像。

2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中所述成像设备为计算机断层摄影成像设备(10)。

3.根据权利要求1所述的方法(100)，其中所述插值包括确定所述投影数据的整数部分和分数部分。

4.根据权利要求3所述的方法(100)，其中为对应于所述共轭对中的每个投影射线的投影数据和为源投影射线确定整数部分和分数部分。

5.根据权利要求4所述的方法(100)，进一步包括比较共轭射线的分数部分以确定要进行插值的投影射线。

6.根据权利要求1所述的方法(100)，其中所述共轭对由两个关于投影角相差180度的投影射线定义。

7.根据权利要求1所述的方法(100)，其中识别对应于一个共轭对的投影数据包括在逐像素的基础上确定投影数据。

8.根据权利要求1所述的方法(100)，其中所述插值包括根据下式进行计算：

\{\begin{matrix} \frac{1 - Δ^{'}}{1 - Δ^{'} + Δ} p (γ, β, i) + \frac{Δ}{1 - Δ^{'} + Δ} p (- γ, β + π, i^{'} + 1), Δ \leq Δ^{'} (1) \\ \frac{Δ}{1 - Δ^{'} + Δ} p (γ, β, i + 1) + \frac{Δ}{1 - Δ^{'} + Δ} p (- γ, β + π, i^{'}), Δ > Δ^{'} (2) \end{matrix}

其中q定义探测器行，γ定义探测器角度，β定义投影角度，i和i′表示q和q′的整数部分，Δ和Δ′表示q和q′的分数部分。

9.根据权利要求1所述的方法(100)，其中为所述共轭对中的每个投影射线进行所述插值。

10.一种具有一个多行探测器的计算机断层摄影(CT)成像设备，所述成像设备被配置成：

从对象的扫描获取投影数据；

识别对应于一个投影射线共轭对的投影数据；和

插值对应于所述投影射线共轭对的所述投影数据以重建被扫描对象的图像。