CN1981303A - 用于校正层析x射线摄影图像中的时间伪像的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于对对象(4)进行成像的成像系统,所述成像系统包括:检测单元(3),用于接连地采集对象(4)的投影数据组(Pi),所述检测单元(3)具有由至少一个时间常数(τ)所表征的时间响应函数;旋转单元,它在投影数据组(Pi)被采集时以基本上恒定的角速度(ω)围绕对象(4)移动检测单元(3);重建单元(9),用于根据投影数据组(Pi)来计算对象(4)的图像数据组(13);以及滤波器单元(10),它在工作状态下把滤波器(f)应用到图像数据组(13)上,以便计算校正值,该滤波器基本上用作为对于被扰动的图像在与角速度方向相对应的方向上的导数,并且基本上正比于时间常数(τ)和基本上正比于角速度(ω),所述滤波器单元(10)被安排成从图像数据组(13)中减去校正值。
Description
本发明涉及用于校正在计算的层析X射线摄影(CT)或类似的成像技术中出现的时间伪像的系统和方法。
在对象的医疗X射线检查中,X射线源发射由准直单元准直的X辐射。X辐射通过正在被检查的对象,透射的X辐射在X射线敏感的检测器上被检测。通过使用X射线敏感的检测器而采集透射数据可得到X射线投影图像。如果这样的医疗X射线检查包括一系列接连的采集,后面采集的X射线图像会被X射线检测器的时间性能恶化,在这里时间性能是指从接收的X射线信号到电荷的变换(的多步骤过程)并不立即发生,而是在时间上延伸的,正如下面描述的那样。
典型的X射线检测器单元包括一个把X射线量子变换成光子的变换器层(也称为闪烁器)和一个用于把光子变换成电荷的光电二极管。当由短的X射线脉冲进行照射时,这样的检测器单元显示一种信号响应,它可以用多个指数衰减曲线之一或其总和来建模,每个衰减曲线由衰减时间常数表征。例如,如果在接连的采集中被检查的对象的投影大于在以前的采集时的投影,则由于对象引起的衰减,以前的被充分照射的区域仅仅以一个减小的X射线强度被曝光。一个残余信号在以前未遮蔽的检测器区域中被检测,它起源于在这个区域中检测器单元的延迟的时间响应。这个残余信号恶化对比分辨率,而且把平均信号电平移位到比起没有恶化时的实际数值更高的数值。同样,对于在以前的和接连的采集之间改变的所有的信号强度,都出现这样的信号模糊,但差值越大,则影响越大。如果接连的采集用于被检查的对象的截面图像的层析X射线摄影图像的重建,则检测器的时间响应导致重建的图像中的时间伪像。层析X射线摄影图像是在计算的层析X射线摄影术(CT)扫描器或其它装置中生成的,在其中X射线源和/或检测器被安排成围绕对象旋转,以使得对象的截面图像或体积图像可被重建。
从美国专利5,249,129知道,通过对投影图像应用递归滤波器来校正CT检测器的时间响应和使用滤波的投影图像来重建对象的截面图像。
本发明的目的是为时间伪像校正的替换的概念提供一种系统和方法。
这个目的是通过一个用于成像对象的成像系统而达到的,所述成像系统包括:检测单元,用于接连地采集对象的投影数据组,所速检测单元具有由至少一个时间常数表征的时间响应函数;旋转单元,它在投影数据组被采集时以基本上恒定的角速度围绕对象移动检测单元;重建单元,用于根据投影数据组计算对象的图像数据组;以及滤波器单元,它在工作状态下把滤波器应用到图像数据组上以计算校正值,其中滤波器基本上用作为对于扰动的图像在与角速度方向相对应的方向上的导数,并且基本上正比于时间常数和基本上正比于角速度,所述滤波器单元被安排成从图像数据组中减去该校正值。
所描述的系统把滤波器应用到重建的图像上。这允许滤波器单元远离检测单元本身。图像可以在新的图像已经被检测单元采集的同时被校正。通过对重建的图像应用校正,校正操作的次数也被减小。校正本身也变为与汉字(sinogram)数据(投影图像)无关的。而且,也有可能在不用知道滤波器参数的情况下应用校正。校正可以被迭代直至被校正的图像给出如检查人员判断的最好的视觉结果为止,或直至达到给定的清晰度为止。
这个目的也是通过一种校正对象的图像数据组中的时间伪像的方法而达到的,该方法包括以下步骤:在围绕对象的不同的角度位置处接连地采集对象的投影数据组(Pi),其中角度位置的改变以基本上恒定的角度速度进行,所述投影数据组被至少以一个时间常数表征的时间响应函数所恶化,藉助于重建操作根据投影数据组而确定图像数据组,把滤波器应用到图像数据组以便计算校正值,其中该滤波器基本上用作为对于被扰动的图像在与角速度方向相对应的方向上的导数,并且基本上正比于时间常数和基本上正比于角速度,所述滤波器单元被安排成从图像数据组中减去校正值。
本发明还涉及一种计算机程序产品,它包含可被下载到作为本发明成像系统的一部分的处理装置上的软件,然后它执行按照上述方法的步骤。
参照此后描述的实施例和参照附图将明白和阐述本发明的这些和其它方面。
在图上:
图1是时间响应函数的示意图,
图2是时间响应函数对强度信号的影响的示意图,
图3是由两个具有不同的时间常数的时间响应函数组成的时间响应函数的示意图,
图4是被用来获得在第一时刻显示的对象的投影数据组和最终的投影数据组的示例性成像设备图,
图5是成像设备和在第二时刻的最终的投影数据组的图,
图6是成像设备以及重建单元、滤波器单元和显示单元的示意图,
图7是具有滤波器操作指示的重建的图像数据组的示意图,
图8a显示表示时间性能对图像细节的影响的仿真结果,以及
图8b显示表示与图8a相同的图像细节,但在应用本发明的校正方案后的仿真结果。
图1显示由时间常数τ表征的示例性时间响应函数R(t)=αexp(-t/τ)。这样的时间响应函数描述在由脉冲函数(狄拉克δ函数)激励后的系统的性能。如果系统是一个用于检测辐射和生成表示辐射强度的电子信号的检测单元,则时间响应函数导致时间上恶化的电子信号。从辐射到电子信号的变换被延时。假设一个辐射信号s(u,t),其中u是位置参数和t是时间,则由检测单元生成的电子信号
被给出为:
其中x是比例常数。如果检测单元是一个通过首先在闪烁器层中把X射线变换成光子和然后由光电二极管把光子变换成电荷而把入射的X射线变换成表示X射线强度的电子信号的X射线检测器,正如技术上已知的那样,则时间响应函数可以是由闪烁器层和/或由光电二极管造成的。闪烁器层的时间响应函数通常被称为闪烁器余晖,以及光电二极管的时间响应函数通常被称为光电二极管滞后。这些效应例如在J.H.Siewerdsen和D.A.Jaffray,“A ghost story:Spatio temporalresponse characteristics of an indirect-detection flat-panel imager(幻象故事:非直接检测平板成像器的空间时间响应特征)”,Med.Phys26(1999)1624-1641中描述。
图2显示时间响应函数对例如代表X射线强度的输入信号s(u=u0,t)(实线)的影响。为了清晰起见,表示例如由检测单元生成的电子信号的最终得到的时间的恶化的输出信号
(u=u0,t)(虚线)是按输入信号被归一化(x=1)的。在图2上,I表示以任意单位计的强度。假设输入信号s(u,t)具有某个开始的强度水平,它在t=t1时突然增加到较高的强度值,并且在t=t2时突然下降到较低的强度,然后再在t=t3时突然上升到开始的强度。在t1以前,时间响应被假设为处在平衡状态,因为假设信号强度相对于特征时间常数τ而言在时间段ΔT的长度内(例如,ΔT=100ms>>τ=1ms)是不变的。结果,在对于当前输入信号的响应中的延时被来自早先的输入信号的剩余信号所平衡,这意味着输出信号遵循输入信号,如从图2可以看到的。在t1,输入信号强度突然上升到较高的强度值。由于由时间响应函数R(t)引起的延时,输出信号按照公式1跟随输入信号。这在图2上由虚线示意地表示。在t2,输入信号强度突然下降到低于开始强度的强度值。输出信号再次显示按照公式1有时间上的延时。在t3,输入信号强度再次突然上升到它的原先的开始强度电平。在t3,输出信号(虚线)在时间段[t2,t3]内还没有达到输入信号电平。输出信号然后再次上升,直至它达到输入信号的强度电平为止。从这个示意图可以看到,时间响应函数使输入信号在时间方向上平滑。如果输入信号改变以高的时间频率或以高的幅度而发生,如图2所示,则快速改变和大幅度改变会被时间响应函数所平滑。
图3显示由两个特征时间常数τ1和τ2表征的示例性时间响应函数。第一时间常数τ1代表时间性能的快衰减部分τ1,和第二时间常数τ2代表时间性能的慢衰减部分。实际上,可以看到,典型的X射线检测单元的时间性能可以由三个或四个特征时间常数描述。对于某些用途,或当在校正后允许有一定的残余伪像水平时,时间性能无论如何可以用一个或两个常数被描述,或有人可能想使用甚至更多的时间常数。
由时间响应函数引起的输出信号的恶化的校正在技术上是已知的,例如在Jiang Hsieh,IEEE Transactions on Medical Imaging(医疗成像学报),Vol.19,No.9,September 2000,p.930-940中描述的,其中递归时间滤波器被直接应用到输出信号上。
图4显示示例性成像设备1(在描述的实施例中这是CT扫描仪),它具有静止部分和旋转部分。在旋转部分中,固定地安装着X射线源2和检测单元3(在描述的实施例中这个检测单元是X射线检测器)。X射线源2和检测单元3围绕被布置在病人支撑架5上的对象4旋转。X射线源2发射X射线,X射线由波束成形器或准直装置(未示出)形成为扇状波束7。对象4被安置在扇状波束7内,并且被X射线照射。发送的X射线被检测单元3测量,并被变换成表示入射到检测单元的X射线强度的电子信号。当沿方向A旋转时,检测单元3被接连地读出。在每个读出周期中,从电子信号导出的投影数据组从检测单元3被读出。如果检测单元是一个具有多个D个检测器单元的单线检测器,则投影数据组是一系列D个投影值。在所显示的实施例中,投影数据组的投影方向是由发源于X射线源2的焦点并穿过成像设备1的旋转中心6的一条线所规定的方向。在图4上,为在图4的右面画出的投影数据组P1显示投影方向p1。在时间t1测量的投影数据组P1被显示为在检测单元3上测量的在位置u处的强度值。在检测单元3上的中心位置具有数值u=0,以及边界值分别是在位置u=-U/2和u=U/2处。因此检测单元3的总长度是U。
在图5上,显示与图4相同的但在处在一个较后面的时刻ti的成像设备1。固定地安装的X射线源2和检测单元3围绕对象4被旋转到不同的位置。这样的旋转位置可以由相对于其中心为旋转中心6的成像设备固定的坐标系统的X射线源的旋转角度唯一地规定。投影数据组Pi在时间ti时被测量。最终得到的强度值还是画在图5的右面。可以看到,对于给定的检测器单元,在位置u=u0,入射的X射线的强度随时间变化,因为X射线管2和检测单元3相对于对象4的相对位置由于旋转而变化。如果检测单元具有一个时间响应函数,则测量的强度信号因而类似于图2所示的恶化那样被在时间上恶化。
正如技术上已知的,表示对象的空间分辨的X射线衰减特性的被照射的对象4的截面图像数据组可以根据至少覆盖180度旋转角加扇形角的投影数据组所重建。对于如图4和5所示的CT扫描仪,X射线扇形波束7的角度约为60度。由于投影数据组的时间恶化,最终得到的重建的截面图像数据组也因检测单元的时间响应函数而恶化。因为时间响应函数使在随时间变化的输出信号中的高频得到平滑,在重建的图像数据中对比度的差别在图像数据组中在旋转方向上被模糊。示例性时间恶化的图像细节显示于图8a。图8a是考虑到时间性能的仿真结果。图像细节显示由均匀材料(水)包围的十字形铝结构。在这个图像细节上的旋转方向是沿着垂直条从底部到顶部。可以看到,由于检测器的时间响应性能,十字形结构的水平条以及垂直条的顶部和底部边缘严重地模糊。图像细节是3cm宽。图像细节根据仿真结果被生成,在这里假设单个衰减常数为1ms。它应当只是示意地表示时间响应函数的影响。
下面,估计时间滤波对重建的图像的影响。对于这个估计,投影数据组需要进行如下处理:在重建以前,代表每个投影数据组的信号值被归一化为一个当不存在要被成像的对象的情形下得到的信号值。这是技术上已知的标准过程。被用于归一化的相应的投影数据组由s0(u,t)表示,并被称为参考投影数据组。假设检测单元的时间响应函数对于s0没有影响,因为假设当测量s0时,检测单元处在平衡状态。这可以通过在参考投影数据组被读出之前提前对检测单元照射而达到。因此,s0(u,t)/t=0成立,以及
是正确的。对于下式执行归一化:
公式1是在s(u,t)=0的边界条件下公式2的解。
在归一化后,对归一化的公式2的两边取对数,此后应用重建算子R。通过把b≡RIn(s/s0)表示为未恶化的重建的图像和把
表示为时间恶化的图像数据组,求出在时间恶化的图像与非恶化的图像之间的差值为
其中
通过引入角速度ω:=θ/t,相对于时间的导数可被重新写为一个角度导数。于是/t=ω/θ和 如果我们假设对数可被线性化,即ln(1+γ)≈γ,则对于Δb的估值可以直接找出。然后通过利用重建操作是线性的和 成立的事实,在未恶化的和恶化的图像数据组之间的差值导致
由于τ是在重建操作之前提取的,可隐含地假设τ是检测单元的检测器元件的时间响应函数的总的表示,并且因此是对于所有的检测器单元不变的(小的偏差实际上可以忽略,直到某个强度为止)。同样地,隐含地假设,在旋转期间角速度ω相对于时间是常数(再次地,小的变化可被忽略)。通过最后假设重建操作和微分操作由于它们的直线性而可以交换,未恶化的图像数据组b被计算成为
其中f是时间校正滤波器,它被应用到时间恶化的图像,以便确定校正值c,然后从恶化的图像
中减去该校正值。换句话说,校正的图像数据组b是通过从恶化的图像数据组
中减去校正值c
而被计算的。滤波器f基本上用作为对于扰动的图像在相应于角速度方向的方向上的导数,基本上正比于时间常数τ和基本上正比于角速度ω,在这里“基本上”是指:在旋转期间的角速度中和/或在检测器中时间常数的均匀性上会出现稍微变化,但只要滤波器按照它们的平均值操作,这些变化可被忽略。
类似于以上得到的结果,对于时间响应函数由一个以上的时间常数表征的情形,可计算滤波器操作。通常,假设对于N个表征的时间常数,
描述在由脉冲函数激励后的时间响应。加权系数被归一化,以使得
成立。然后,重复上述的过程,从而,
是要加到未校正的图像上的滤波操作以计算校正的图像。这可以再次被简化以产生
对于如图4和图5所示的具有D个检测器元件的单线检测器的成像装置,投影数据组Pi是D个测量值的一维向量Pi=(V1,i,V2,i,…,VD,i)。在至少覆盖180度加扇形角的不同的角度情况下得到的多个这样的投影数据组然后例如通过滤波的后向投影算法而被供重建之用,正如技术上已知的。因此根据投影数据组可重建一个图像数据组I。在给定的实施例中,I是一个N×N图像数字值的矩阵,表示在实际空间中在相应各点处被照射的对象4的衰减特性。自然,图像数据组不限于N×N矩阵,而是也可以是N×M矩阵或非笛卡尔矩阵(例如,包含六边形分布的图像值)。当被显示时,图像数据值也被称为像素。像素具有二维扩展。在笛卡尔矩阵中,像素具有在x方向的延伸和在y方向的扩展。取决于重建程序过程,图像数据值可以表示在给定的像素的中心位置处对象的衰减特性或在像素的扩展上进行平均的平均衰减值。
图6示意地显示用于对对象进行成像的成像系统,它包括:成像设备1,重建单元9,它根据在围绕对象的源-检测器安排的角度间隔的位置处得到的投影图像重建对象的截面图像;校正单元10,在重建的切片图像上对它应用所描述的滤波;以及显示器11,在其上显示对象的经校正的切片图像12。校正单元10可以是成像设备1的处理单元的一部分,但它也可以是藉助于耦合8而耦合到重建单元9的独立装置,该耦合8可以是连线耦合或无线耦合。这里,无线耦合将包括如红外连接或蓝牙连接以及经由数据载体的连接那样的技术。后者意味着载送未校正的切片图像的数据载体被写入,并且这个数据载体用来输送信息到校正单元10。有关旋转速度、特征时间常数等的必须信息对校正单元10可以是已知的或可以是藉助于连线或无线耦合8被传送到校正单元的一部分信息。
在图7上显示图像数据组13。正如图7的右上角部分表示的,图像数据组包含图像数据值的笛卡尔像素矩阵,其中每个像素具有由Δx给出的、在x方向上的扩展和由Δy给出的、在y方向上的扩展。在图像数据组中,显示了成像的对象切片14的的X射线衰减值的截面图像表示。时间校正滤波器f例如被应用到在离相应于CT系统的旋转中心的点的距离为
的坐标x1,y1处的像素值上。向量r相对于笛卡尔坐标系统的x轴的相对角度由θ表示。这里,图像坐标系统的x和y轴被选择成使得它们与实际空间中的坐标系统一致,从而旋转中心与图像坐标系统的原点一致。
为了施加以上在笛卡尔图像值矩阵上推导的通用的时间滤波器f,按照公式3的滤波器操作被离散化,以及总的校正公式为
其中n和m表示在(2N+1)×(2M+1)图像数据组中在位置n和m处的图像数据值,其中-N≤n≤N和-M≤m≤M,以及b(0,0)是中心像素。这里 如果使用均匀像素矩阵,则可以得到类似的公式,并且将也有可能得到一个用于不同于笛卡尔像素矩阵的像素矩阵的公式。依赖于实施方案:是对于每个像素值计算校正值,然后从恶化的图像像素值中减去它;还是对于所有的像素计算校正值以生成校正图像,然后从恶化的图像中减去它。
图8b显示与图8a相同的、但在施加了按照公式7用于校正时间响应函数的滤波器后的细节。铝十字的轮廓基本上得以恢复。
这表明推导出了一个时间校正滤波器,它可以被应用到图像上而代替应用到投影数据组。能够把滤波器应用到图像的一个优点是,不再必须存储以前的信号值。把滤波器应用到投影数据组需要存储以前的投影数据组的强度值,以便应用递归的滤波器操作,正如从US5,249,123中已知的那样。另外,图像像素的数目典型地(例如,512×512)小于需要被校正的投影数据值的数目(例如,每次旋转1000个检测器元件×2000采集数)。对于给定的数值,这意味着校正运算减小到八分之一。由于滤波器是应用到重建的图像上的,它的使用与汉字数据的可获得性无关,或换句话说,这使得校正扫描仪是独立的。
所描述的概念对于通过螺旋扫描技术生成的图像也是有效的,只要所使用的内插可以与公式1的积分互换。这例如是对于线性或双线性内插的情形。
特征时间常数(或特征时间常数组)可以以各种方式被确定。第一种方式是用短脉冲照射检测器,并且以高的时间分辨率来测量检测器的时间响应。然后可以使用标准拟合过程来确定特征时间常数。在第二种方式中,对一个或多个已知的参考对象成像。然后,例如通过与例如可以藉助于仿真来计算的理想的信号响应相比较,测量信号可以与该理想信号相比较,然后可以确定特征时间常数。
Claims (6)
1.用于对对象(4)进行成像的成像系统,包括:
·检测单元(3),用于接连地采集对象(4)的投影数据组(Pi),所述检测单元(3)具有由至少一个时间常数(τ)所表征的时间响应函数,
·旋转单元,它在投影数据组(Pi)被采集的同时以基本上恒定的角速度(ω)围绕对象(4)移动检测单元(3),
·重建单元(9),用于根据投影数据组(Pi)计算对象(4)的图像数据组(13),以及
·滤波器单元(10),它在工作状态下把滤波器(f)应用到图像数据组(13)上,以便计算校正值,其中该滤波器
-基本上用作为对于受扰动的图像在与角速度方向相对应的方向上的导数,
-基本上正比于时间常数(τ)和
-基本上正比于角速度(ω),
所述滤波器单元(10)被安排成从图像数据组(13)中减去校正值。
2.按照权利要求1的成像系统,其特征在于,检测单元是一个具有导致时间响应函数的至少一个变换层的X射线检测器。
3.按照权利要求1到2的任一项的成像系统,其特征在于,时间响应函数由两个或多个时间常数来表征,以及该滤波器(f)是一个在滤波器各个项上的加权的和值,其每个滤波器项表示对于各个相应的时间常数的滤波器。
4.按照权利要求1到3的任一项的成像系统,其特征在于,滤波器单元远离成像设备的其它部件,以及它通过无线连接接收图像数据组。
5.校正对象(4)的图像数据组(13)中的时间伪像的方法,包括以下步骤:
·在围绕对象(4)的不同角度的位置处接连地采集投影数据组(Pi),其中该角度位置的改变以基本上恒定的角度速度(ω)发生,所述投影数据组(Pi)被由至少一个时间常数(τ)所表征的时间响应函数恶化,
·通过重建操作根据投影数据组来确定图像数据组(13),
·把滤波器(f)应用到图像数据组(13)以便计算校正值,其中该滤波器
-基本上用作为对于受扰动的图像在相应于角速度方向的方向上的导数,
-基本上正比于时间常数(τ)和
-基本上正比于角速度(ω),
·从图像数据组(13)中减去校正值。
6.计算机程序产品,包括用于校正图像数据组中的时间伪像的软件程序,所述程序当被下载到处理装置时适合于在图像数据组上执行按照权利要求5方法。
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