CN1748647A - 去除计算机断层造影设备产生的体层图像环伪影的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法和一种计算机断层造影设备，它们使得能够按照简单的方式，特别是在计算机断层造影设备的拍摄系统(1，2)每个回转中拍摄区域迅速进动的条件下，通过对每幅体层图像I_k计算环伪影图像R_k而从体层图像I_k中去除环伪影。在此，首先对每幅体层图像I_k计算临时环伪影图像Rt_k，并随后通过对临时环伪影图像Rt_k的至少一部分T_sub的平均来建立最后的环伪影图像R_k，其中，将临时环伪影图像Rt_k在平均之前这样旋转，使得在临时环伪影图像Rt_k中的现有环伪影基本上重合并且就其位置而言基本上与在体层图像I_k中现有的环伪影一致。

Description

去除计算机断层造影设备产生的体层图像环伪影的方法

技术领域

本发明涉及一种从利用计算机断层造影设备产生的体层图像中去除环伪影的方法以及一种按照该方法工作的计算机断层造影设备。

背景技术

例如由EP 0819406A1公开的计算机断层造影设备的拍摄系统包括X射线辐射源和多行检测器。X射线辐射源和检测器在转动架上位置相对地设置，从而使得当转动架围绕转动轴转动以及当放置在支承装置上的物体按照转动轴的方向连续进动时可以以螺旋扫描的形式对物体体积进行扫描。对于体层以及体积图像的再现是在螺旋扫描期间由检测器从不同投影方向上采集的X射线图像的基础上实现的。

多行检测器的单个检测器元件的信号错误造成在体层图像中的环伪影，环伪影是以在体层图像中可以识别的、断层造影设备的拍摄系统的旋转中心为中心的。DE 19835451A1描述了一种在利用计算机断层造影设备产生的体层图像中去除环伪影的方法。该公知的方法包括用于计算校正图像的方法步骤，该校正图像基本上仅包括在体层图像中现有的环伪影。为此目的，对体层图像进行至少一次中值过滤。随后的低通滤波用来抑制起干扰作用的噪声成分和噪声结构。该低通滤波在图像中沿着围绕旋转中心的圆弧进行。通过随后将输入图像减掉该低通滤波后的校正图像，在该公知的方法中形成了其中抑制了环伪影的结果图像，不过，其中作为成功抑制的先决条件是环伪影不需具有一定的最小长度。

环伪影的长度或者环伪影所代表的环片段的长度，由用来在拍摄系统的每次回转中沿旋转轴方向使物体的待扫描拍摄区域进动的速度决定。在此，环片段越短则待扫描的拍摄区域的进动就越快。然而，正如在对拍摄区域的快速扫描中形成的、具有极小长度的环片段，在该公知的方法中完全不能或仅能被不充分地采集和抑制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能够按照简单的方式在体层图像中更好地去除环伪影的方法。

按照本发明，该去除环伪影的方法包括：在基本上等距离的拍摄位置上沿旋转轴的方向再现N幅体层图像I_k(k＝1，...，N)；对于每幅体层图像I_k计算一幅临时环伪影图像Rt_k，其具有至少在各自的体层图像I_k中的现有环伪影；以及对于每幅体层图像I_k计算一幅环伪影图像R_k，其中，各个环伪影图像R_k通过对临时环伪影图像Rt_k的至少一部分T_sub的平均而构成，并且其中，将临时环伪影图像Rt_k在平均之前这样旋转，使得在该临时环伪影图像Rt_k中现有的环伪影基本上重合并且就其位置而言基本上与在体层图像I_k中现有的环伪影一致。还包括从各自的体层图像I_k减去有关的环伪影图像R_k的方法步骤，其中分别形成一幅其中去除了环伪影的结果图像E_k。

本发明出于这样的基本认知，即，在基本上等距离拍摄位置并且在相同的扫描条件下采集的、相互跟随的体层图像中的环伪影，就形式而言是相同的，只不过是相互围绕各自的体层图像旋转中心转动一个角度。对于每幅体层图像计算的临时环伪影图像除了在各自体层图像上现有的环伪影之外，还可能具有额外的图像干扰，例如像素噪声。在体层图像中对环伪影的校正不是如迄今为止那样在单个图像的基础上进行，而是在对不同拍摄位置上获得的临时环伪影图像上一部分进行平均的基础上进行，从而通过低通效应抑制了在这些临时环伪影图像中现有的图像干扰。为了使在这些临时环伪影图像中现有的环伪影重合，参考待校正的体层图像旋转这些临时环伪影图像。

因此，与公知的方法相反，本发明包括一种在不同的拍摄位置或者在不同的时间采集的图像的基础上的、时域中的低通滤波。此外，将起干扰作用的噪声结构和起干扰作用的像素噪声独立于现有环伪影的长度来去除。

按照本发明的一种优选的实施方式，对临时环伪影图像Rt_k的计算按照下列方法步骤实现：

b1)在各体层图像I_k中掩蔽骨骼和空气部分，使得对于每个体层图像I_k分别形成一幅掩蔽后的图像N_k，

b2)在掩蔽后的图像N_k中按照相对于旋转中心的径向方向分别对掩蔽后的图像N_k进行高通滤波，使得对于每幅掩蔽后的图像N_k形成一幅高通滤波后的图像H_k，

b3)利用负的伪影门限和正的伪影门限在各自高通滤波后的图像H_k中建立伪影阈值，使得对于每幅高通滤波后的图像H_k形成临时环伪影图像Rt_k，该临时环伪影图像Rt_k具有在有关的体层图像I_k中现有的环伪影。

对骨骼和空气部分的掩蔽优选地以下列方法步骤实现：

b11)将所有大于上门限SWO的图像值设定为等于SWO，以及

b12)将所有小于下门限SWU的图像值设定为等于SWU，从而形成一幅掩蔽后的图像N_k。

对各掩蔽后的图像的高通滤波优选地包括下列方法步骤：

b21)在掩蔽后的图像N_k中按照通过旋转中心(D_z)的延伸的径向方向上进行中值滤波，从而形成中值滤波后的图像M_k，

b22)从体层图像I_k中减去该中值滤波后的图像M_k，从而形成高通滤波后的图像H_k。

临时环伪影图像Rt_k不仅包括环伪影，而且还包括被错误地识别为伪影的、物体局部的噪声结构。该噪声结构可以优选地通过按照沿至少一个圆片段的方位角方向在有关临时环伪影图像Rt_k中进行低通滤波来消除。在此，该圆片段对应于位于旋转中心的圆的一部分，该圆片段例如覆盖了整个圆的10度的角范围并且与环伪影的相关长度匹配。

在这样获得的临时环伪影图像Rt_k的基础上，按照下列规则对于各个输入图像计算用于校正环伪影的环伪影图像R_k：

$R_k=\underset{l=-T}{\overset{+T}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l{\·\mathrm{Rot}}_{l,\mathrm{\δ}}\left({\mathrm{Rt}}_{l+k}\right),$

其中1是值介于-T和+T之间的下标，w₁是依赖于下标1的加权系数，δ是两个相邻的体层图像之间的环伪影的角度距离，而Rot是旋转算符，其将临时环伪影图像Rt_1+k围绕旋转中心转动角度1*δ，其中，下列关系成立：

T_sub＝2*T+1， $\underset{l=-T}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l=1$ 和δ＝2*л*d/V，并且其中d是相邻拍摄位置之差，而V是在系统轴方向上拍摄系统的进动。

分别按照上述计算规则与各旋转后的临时环伪影图像Rt_k相乘的加权系数w₁具有下列的形式：

w₁＝1/T_sub。

不过，也可以采用任意的其它加权系数，使得能够按照与情形相匹配的特性进行低通滤波。但关键的仅是，所有系数的和为1。

代之以在各个临时环伪影图像Rt_k中的低通滤波，也可以对计算的最后的环伪影图像R_k进行低通滤波。该在环伪影图像R_k中的低通滤波也是优选地通过按照沿至少一个圆片段的方位角方向在有关环伪影图像R_k中进行，该圆片段对应于位于旋转中心的圆的一部分，并且具有与环伪影匹配的圆片段长度。该圆片段长度例如覆盖了整个圆的10度的角范围。

在本发明的一种优选的实施方式中，将所述方法步骤的至少一部分在坐标原点位于图像的旋转中心的极坐标中进行。

按照本发明，这样地构造一种计算机断层造影设备，即，可以实施本发明的用于去除环伪影的方法。

附图说明

在下列示意的附图中示出了本发明实施方式。图中：

图1以部分框图、部分透视图的形式示出了计算机断层造影设备的基本部分，

图2以草图的形式示出了本发明的利用按照图1的计算机断层造影设备、从体层图像中去除环伪影的方法的流程，

图3示出在三幅临时环伪影图像的基础上对环伪影图像的计算。

具体实施方式

图1以部分透视图、部分框图的形式示出了计算机断层造影设备。该计算机断层造影设备基本上包括：带有X射线源1和检测器2的拍摄系统1，2，该检测器2具有按照检测器阵列设置成列和行的检测器元件3；计算装置5，用于实施按照本发明的、用于去除环伪影的方法；以及显示单元6，用于显示不含环伪影的结果图像E_k。

X射线源1和检测器2相互这样相对地被安装在没有示出的转动架上，即，在计算机断层造影设备的运行中由X射线源1的焦点F发出并由边沿射线7限定的X射线束到达检测器2。

转动架可以借助于一个没有示出的驱动装置围绕旋转轴D_a转动。在此，旋转轴D_a平行于在图1中示出的空间正交坐标系的z轴延伸。对于例如在患者卧榻4上、没有示出的患者的检查区域来说，可以按照这种方式从不同的投影方向或者转动角位置出发完成用于再现多幅体层图像I_k的X射线照片。在此，拍摄区域通过患者卧榻4在z轴方向上的连续进动并且在拍摄系统1，2按照螺旋扫描8的形式围绕待检查的拍摄区域的条件下得到了扫描。

由于螺旋形式的扫描，检测器2的错误工作或者有故障的检测器元件3会造成在有关体层图像I_k中的环伪影S_k，该环伪影作为环片段可见并且在图像中以旋转中心为中心。环片段的长度取决于用来在拍摄系统1，2的每次回转中沿z轴的方向将拍摄区域进动的速度。原理上环片段越短，则拍摄区域的进动就越迅速。例如，可以考虑在较快的扫描中环片段的长度仅覆盖整个圆的10度的角度。

图2结合图3以流程图的形式示出了本发明的从体层图像中去除环伪影的方法的流程。为了简化表示，例如在拍摄位置k＝1上的3幅体层图像I₀，I₁，I₂的基础上对该方法进行说明。

该方法包括后面将说明的下列主要的方法步骤：

第一方法步骤A：

在沿旋转轴D_a的方向上基本等距离的拍摄位置0，1，2上再现N幅、在本例中为3幅体层图像I_k(k＝0，...，2)。

第二方法步骤B：

对于每幅体层图像I₀，I₁，I₂计算临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂，它们分别具有至少在各自的体层图像I₀，I₁，I₂中的现有环伪影S₀，S₁，S₂。

第三方法步骤C：

对体层图像I₁计算环伪影图像R₁，其中，该环伪影图像R₁通过对三幅临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂进行平均而构成，并且其中，将临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂在平均之前这样旋转，使得在这些临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂中的现有环伪影S₀，S₁，S₂基本上重合并且就其位置而言基本上与在体层图像I₁中的现有环伪影S₁一致。

第四方法步骤D：

从体层图像I₁中减去环伪影图像R₁，在此形成其中去除了环伪影S₁的结果图像E₁。

对拍摄区域的扫描例如借助于在图1中示出的计算机断层造影设备这样实现，即，在第一方法步骤A中在扫描中所产生的原始数据的基础上、在基本上等距离的拍摄位置上再现3幅体层图像I₀，I₁，I₂。每幅体层图像I₀，I₁，I₂包括M×M个例如按照像素矩阵排列的像素。每个像素具有与由一个检测器元件3所采集的X射线成比例的像素值。在此，每个像素值可以利用通过检测器2确定的位深度(Bittiefe)来表示。在例如12位的位深度下像素值处在0到4095之间的区域中。

在本例中，体层图像I₀，I₁，I₂分别具有至少一个在对拍摄区域的螺旋扫描中由于检测器2的故障检测器元件3而造成的环伪影S₀，S₁，S₂。此外，为了简化对本发明的方法的解释，在本例中假设对于拍摄系统1，2的每次旋转在旋转轴D_a方向上拍摄区域的进动是常数。这样，位于在基本上等距离的拍摄位置0，1，2上再现的幅体层图像I₀，I₁，I₂中的环伪影S₀，S₁，S₂作为环片段可见，这些环片段在相邻的体层图像I₀，I₁以及体层图像I₁，I₂之间分别旋转同样的角度δ。

在再现了N幅体层图像I₀，I₁，I₂之后，在第二方法步骤B中对每个体层图像I₀，I₁，I₂计算临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂，其基本上仅包含环伪影S₀，S₁，S₂。

为此，在对体层图像I₀，I₁，I₂的掩蔽B1中首先利用上门限SWO和下门限SWU构成阈值SW，以便对骨骼和空气成分的图像区域按照其像素值进行限制，并且在后续的计算中不被错误地检测为环伪影。构成阈值SW是这样进行的，即，将所有大于上门限SWO且可能来自骨骼部分的像素值设定为等于SWO，而将所有小于下门限SWU且可能来自空气或者空气加杂物的图像值设定为等于SWU。上门限SWO和下门限SWU基本上取决于所设置的X射线、所使用的检测器2的动态以及最大可观察到的衰减值，并且可以试验地确定。从该方法步骤中分别获得的掩蔽后的图像N₀，N₁，N₂也具有M×M个像素。

随后，在掩蔽后的图像N₀，N₁，N₂中在掩蔽后的图像N₀，N₁，N₂中成像的拍摄系统1，2的旋转中心D_z的方向上进行高通滤波B2。在此，该高通滤波B2优选地借助于中值滤波B21沿多条通过旋转中心D_z的延伸的直线进行。这些直线这样覆盖像素矩阵，使得每个像素位于一条这样的直线上。对于该中值滤波B21所采用的中值滤波器例如具有2*A1+1(如，A1＝3)个支持位置，这些支持位置分别相对于各个待处理的像素对称地设置。这样选择支持位置之间的距离，使得通过中值滤波器大约覆盖环伪影S₀，S₁，S₂的半个线宽。中值滤波器的这种配置保证了对环伪影S₀，S₁，S₂的检测，而对于其它更大的图像结构则优选地进行了抑制。

通过从所属的体层图像I₀，I₁，I₂中减去按照这种方式获得的中值滤波后的图像M₀，M₁，M₂，得到高通滤波图像H₀，H₁，H₂，利用下伪影门限和上伪影门限对该图像进行阈值建立B3。该阈值建立B3用来抑制在图像中可能还存在的、例如可能出现在骨骼边沿区域中的图像干扰。将高通滤波后的图像H₀，H₁，H₂中具有大于上伪影门限或者低于下伪影门限的像素值的像素识别为被错误地检测为环伪影的图像干扰。将这种被识别为干扰的像素按照其像素值限制为下伪影门限或上伪影门限，从而作为结果形成其中存在环伪影S₀，S₁，S₂的临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂。

在对体层图像I₀，I₁，I₂计算临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂之后，为了抑制起干扰作用的噪声成分，在图像中进行低通滤波T1。该低通滤波T1对于在临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂的每个像素、按照沿多个圆片段的方位角方向进行，这些圆片段分别对应于位于旋转中心的圆的一部分，并且这些圆片段具有与环伪影S₀，S₁，S₂匹配的圆片段长度。圆片段这样地覆盖像素矩阵，即每个像素位于一个这种圆片段中。为了清楚起见，在图3中的临时环伪影图像中分别仅标出了一个圆片段K₀，K₁，K₂。低通滤波T1可以例如具有2*A2+1(如，A2＝3)个支持位置，这些支持位置分别相对于各个待处理的像素沿圆片段K₀，K₁，K₂对称地设置。

这样选择支持位置之间的距离，使得通过低通滤波器T1大约覆盖环伪影S₀，S₁，S₂的长度。低通滤波器T1的这种配置保证了在图像中足够好地抑制高频噪声分量，与此同时在图像中保持包含的环伪影S₀，S₁，S₂的结构。低通滤波T1例如可以通过对在支持位置上现有像素值的简单平均而实现。不过，也可以考虑具有传输特性或者具有对支持位置的其它加权的其它低通滤波器。

对于每幅体层图像I₀，I₁，I₂进行第二方法步骤B，使得对于每幅体层图像形成一幅临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂。

在第三方法步骤C中，在图2和图3所示出的例子中对体层图像I₁计算环伪影图像R₁，其中，该环伪影图像R₁通过对此前确定的临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂的平均构成，并且其中，将临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂在平均之前这样旋转，使得在这些临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂中的现有环伪影S₀，S₁，S₂基本上重合并且就其位置而言基本上与在体层图像I₁中现有的环伪影S₁一致。

图3中示出了例如在三幅临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂的基础上在拍摄位置1计算环伪影图像R₁。临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂分别包含环伪影S₀，S₁，S₂，其中环伪影S₀，S₁，S₂具有相同的形式。由于螺旋扫描，相邻的临时环伪影图像Rt₀，Rt₁或者Rt₁，Rt₂的环伪影不是出现在相同的位置上，而是出现在一个围绕旋转中心D_z旋转了角度δ的位置上。如在图3中示出的方法步骤C2中那样，在平均之前将临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂这样转动，使得环伪影S₀，S₁，S₂在图像内处于相同的位置上。在此，旋转按照下列计算规则进行，并且可以例如在极坐标表示的图像中进行：

$R_k=\underset{l=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\·{\mathrm{Rot}}_{l,\mathrm{\δ}}\left({\mathrm{Rt}}_{l+k}\right),$

其中1是值在0至2的下标，w₁是依赖于下标1的加权系数，δ是两个相邻的体层图像之间的环伪影的角度距离，而Rot是旋转算符，其将临时环伪影图像Rt_1+k围绕旋转中心转动角度1*δ，

其中，下列关系成立：

$\underset{l=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l=1$ 和δ＝2*л*d/V，并且其中d是相邻拍摄位置之差，而V对应于在系统轴方向上拍摄系统的进动。作为加权系数w₀，w₁，w₂例如可以分别采用系数1/3。

在计算了环伪影图像R₁之后，代之以在图2中示出的在临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂中的低通滤波T1，可以在最后的环伪影图像R₁中进行在图2中用虚线表示的低通滤波T2。在环伪影图像R₁中的可选的低通滤波T2与低通滤波T1对应，在临时环伪影图像Rt₀，Rt₁，Rt₂中按照沿多个圆片段的方位角方向进行，这些圆片段分别对应于位于旋转中心的圆的一部分。

在第四方法步骤D中，进行体层图像I₁和环伪影图像R₁之间的相减，从而分别形成去除了环伪影的结果图像E₁。

Claims (10)

1.一种从利用计算机断层造影设备产生的体层图像中去除环伪影的方法，该计算机断层造影设备包括至少一个围绕旋转轴(Da)旋转的拍摄系统(1，2)，所述方法具有如下步骤：

a)在基本上等距离的拍摄位置上沿所述旋转轴(Da)的方向再现N幅体层图像I_k(k＝1，…，N)，

b)对于每幅体层图像I_k计算临时环伪影图像Rt_k，其分别具有至少各自的体层图像I_k中的现有环伪影，

c)对于每幅体层图像I_k计算环伪影图像R_k，其中，各个环伪影图像R_k通过对所述临时环伪影图像Rt_k的至少一部分T_sub的平均而构成，并且其中，将所述临时环伪影图像Rt_k在平均之前这样旋转，使得在该临时环伪影图像Rt_k中的现有环伪影基本上重合并且就其位置而言基本上与在体层图像I_k中现有的环伪影一致，以及

d)从各体层图像I_k减去有关的环伪影图像R_k，其中，分别形成其中去除了环伪影的结果图像E_k。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤b)中对临时环伪影图像Rt_k的计算包括下列方法步骤：

b1)在各体层图像I_k中掩蔽骨骼和空气部分，使得对于每个体层图像I_k分别形成一幅掩蔽后的图像N_k，

b2)在所述掩蔽后的图像N_k中按照相对于旋转中心(D_z)的径向方向分别对掩蔽后的图像N_k进行高通滤波，使得对于每幅掩蔽后的图像N_k形成一幅高通滤波后的图像H_k，

b3)利用负的伪影门限和正的伪影门限在各高通滤波后的图像H_k中建立伪影阈值，使得对于每幅高通滤波后的图像H_k形成临时环伪影图像Rt_k，该临时环伪影图像Rt_k具有在有关的体层图像I_k中的现有环伪影。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在步骤b1)中对骨骼和空气部分的掩蔽包括下列方法步骤：

b11)将所有大于上门限SWO的图像值设定为等于SWO，以及

b12)将所有小于下门限SWU的图像值设定为等于SWU，从而形成掩蔽后的图像N_k。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在步骤b2)中的高通滤波包括下列方法步骤：

b21)在掩蔽后的图像N_k中按照通过旋转中心(D_z)延伸的径向方向上进行中值滤波，从而形成中值滤波后的图像M_k，

b22)从体层图像I_k中减去该中值滤波后的图像M_k，从而形成高通滤波后的图像H_k。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述方法在步骤c)中对环伪影图像R_k进行计算之前包括下列方法步骤：

-按照沿至少一个圆片段的方位角的方向在有关临时环伪影图像Rt_k中进行低通滤波，该圆片段对应于位于旋转中心(D_z)的圆的一部分，并且该圆片段具有与环伪影匹配的圆片段长度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述方法在步骤c)中对环伪影图像R_k进行计算之后包括下列方法步骤：

-按照沿至少一个圆片段的方位角的方向在环伪影图像R_k中进行低通滤波，该圆片段对应于位于旋转中心(D_z)的圆的一部分，并且该圆片段具有与环伪影匹配的圆片段长度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在步骤c)中对环伪影图像R_k的计算按照下列计算规则进行：

$R_k=\underset{l=-T}{\overset{+T}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\·{\mathrm{Rot}}_{l,\mathrm{\δ}}\left({\mathrm{Rt}}_{l+k}\right),$

其中1是值介于-T和+T之间的下标，w₁是依赖于下标1的加权系数，δ是两个相邻的体层图像之间的环伪影的角度距离，而Rot是旋转算符，其将临时环伪影图像Rt_1+k围绕旋转中心转动角度1*δ，

其中，下列关系成立：

$T_{\mathrm{sub}}=2*T+1,\underset{l=-T}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l=1$ 和δ＝2*π*d/V,

其中d是相邻拍摄位置之差，而V是在系统轴方向上拍摄系统的进动。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，对于所述加权系数w₁下式成立：w₁＝1/T_sub。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，将所述方法步骤的至少一部分在坐标原点位于图像的旋转中心(D_z)的极坐标中进行。

10.一种计算机断层造影设备，其构造用来实施根据权利要求1至9中任一项所述的方法。

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