ES2321559T3 - Procedimiento y dispositivo de formacion de imagen con escaner de doble lectura. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de formación de imagen para formación de una imagen de una zona de investigación (2) de un objeto (1), que comprende las etapas de: - generar un haz de entrada de energía (3) con una fuente de haz de energía (10), caracterizado por las etapas adicionales de: - irradiar la zona de investigación (2) con las componentes del haz de entrada de energía (4) del haz de entrada de energía (3) a lo largo de una pluralidad de direcciones de proyección, estando formadas las componentes del haz de entrada de energía (4) con una máscara de imagen (40) que está dispuesta entre el haz de entrada de energía (10) y el objeto (1) e incluyendo ventanas de máscara de imagen (41), - medir primeros valores de atenuación integrados de las componentes del haz de entrada de energía (4) con un dispositivo detector exterior (21) dispuesto fuera de la máscara de imagen (40), - medir segundos valores de atenuación integrados de las componentes del haz de entrada de energía (4) con un dispositivo detector de máscara de imagen (24) que está dispuesto sobre una superficie interior de la máscara de imagen (40), y - reconstruir una imagen de la zona de investigación (2) basándose en los primeros y segundos valores de atenuación integrados.
Description
Procedimiento y dispositivo de formación de
imagen con escáner de doble lectura.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para formación de una imagen de una zona de
investigación de un objeto basándose en datos de Radon que
comprenden una pluralidad de funciones de proyección medidas que
corresponden a una pluralidad de direcciones de proyección
predeterminadas en relación con el objeto. En particular, la
presente invención se refiere a un procedimiento de formación de
imagen por tomografía computarizada (TC). Además, la presente
invención se refiere a un dispositivo para formación de una imagen
de una zona de investigación, por ejemplo un dispositivo TC, en
particular basándose en el procedimiento de formación de imagen
anterior.
La investigación no destructiva de muestras es
un objetivo importante en diversos campos técnicos como las
ciencias de materiales, ensayos no destructivos, exámenes médicos,
arqueología, técnica de construcción, técnicas sobre temas de
seguridad, etc. Una propuesta para obtener una imagen de una
muestra, por ejemplo por tomografía computarizada, está basada en
una irradiación a través de un plano de la muestra desde diferentes
direcciones de proyección con rayos X, seguida de la reconstrucción
del plano de la muestra basándose en datos de atenuación medidos en
diferentes direcciones. La totalidad de los datos de atenuación
medidos pueden describirse en términos de los denominados datos de
Radon en un espacio de Radon.
Hoy en día se conocen diferentes procedimientos
de reconstrucción para datos de Radon. Para una introducción a los
principios matemáticos y físicos de la reconstrucción de imagen
convencional, se hace referencia a los libros de texto "Computed
Tomography Fundamentals, System Technology, Image Quality,
Applications" de W.A. Kalender (1ª edición, ISBN
3-89578-081-2);
"Image Reconstruction from Projections: The Fundamentals of
Computerized Tomography" de G.T. Herman, Academic Press, 1980; y
"Einführung in die Computertomographie" de Thorsten M. Buzug
(Springer-Verlag, Berlín 2004). Los procedimientos
de reconstrucción convencionales pueden resumirse como
procedimientos de reconstrucción iterativa y procedimientos de
retroproyección filtrada.
La reconstrucción iterativa es un procedimiento
de aproximación basado en una pluralidad de etapas de iteración. La
desventaja esencial de la reconstrucción iterativa de imágenes de
resolución más elevada es que la iteración conduce a tiempos de
cálculo sumamente largos. El procedimiento de retroproyección
filtrada está basado en principio en el teorema de las rebanadas de
Fourier que describe una relación entre la transformada de Fourier
de los datos de Radon y datos de imagen transformados mediante la
transformada de Fourier. Una desventaja general de usar el teorema
de las rebanadas de Fourier radica en el hecho de que una etapa de
interpolación en la reconstrucción tiene como resultado errores y
artefactos que tienen tendencia a aumentar con frecuencia espacial
creciente. Esta desventaja sólo puede evitarse usando detectores de
elevada resolución. Sin embargo, la aplicación de estos detectores
es limitada en cuanto a carga de dosis, costes y tiempo de
procesamiento de datos.
En la patente EP1677253A1 se describe un
procedimiento mejorado de reconstrucción de funciones de imagen a
partir de datos de Radon. Con este procedimiento de usar desarrollos
polinómicos ortogonales sobre el disco (en lo sucesivo: algoritmo
OPED), se determina una función de imagen que representa la zona de
investigación a partir de datos de Radon como una suma de
polinomios multiplicada por valores de funciones de proyección
medidos que corresponden a una pluralidad de direcciones de
proyección predeterminadas a través de la zona de investigación. El
algoritmo OPED tiene ventajas esenciales en particular en cuanto a
reducción de tiempo de cálculo, reducción de ruido y resolución de
formación de imagen mejorada.
Los dispositivos de tomografía computarizada
convencionales usados para recoger datos de Radon comprenden una
fuente de rayos X para irradiar el objeto, un dispositivo detector
para medir la irradiación atenuada que pasa a través del objeto y
un dispositivo de sujeción para sujetar el objeto. El dispositivo de
sujeción está dispuesto en un pórtico, el cual comprende un soporte
para una unidad de irradiación giratoria con la fuente de rayos X y
el dispositivo detector. Con los dispositivos de tomografía
computarizada denominados de 4ª generación, la unidad de
fuente-detector giratoria es sustituida por una
combinación de una fuente de rayos X giratoria 10' con un anillo
detector fijo 20' tal como se ilustra en la Figura 13 (véase el
libro de texto arriba indicado "Einführung in die
Computertomographie" de Thorsten M. Buzug, página 51). El anillo
detector 20' incluye aproximadamente 5000 elementos detectores
dispuestos en un círculo alrededor del objeto. Con el fin de evitar
una irradiación a través de detectores cerca de la fuente de rayos
X, la técnica convencional incluye una inclinación dinámica del
anillo detector 20'. La inclinación dinámica representa una
desventaja ya que requiere una estructura complicada y un control
de inclinación del anillo detector.
Los dispositivos de tomografía computarizada
convencionales tienen una desventaja adicional porque no toda la
irradiación aplicada al objeto es recogida y transferida a datos de
reconstrucción útiles. Por lo tanto, el objeto, por ejemplo un
paciente, es sometido a una dosis de irradiación innecesariamente
alta.
Las desventajas anteriores están asociadas no
sólo con la formación de imagen de TC convencional, sino también
con todos los procedimientos de reconstrucción disponibles
relacionados con datos de Radon.
El objetivo de la invención es proporcionar un
procedimiento mejorado de formación de imagen para formar una
imagen de una zona de investigación de un objeto reconstruyendo una
función de imagen a partir de datos de Radon recogidos, que
conduzca a una mayor gama de aplicaciones en investigaciones no
destructivas y que evite las desventajas de las técnicas de
formación de imagen convencionales. En particular, el objetivo de la
invención es proporcionar un procedimiento de formación de imagen,
en el que toda la irradiación aplicada al objeto sea recogida y
usada para proporcionar datos de Radon para reconstruir la función
de imagen, de manera que pueda reducirse la dosis de irradiación
durante la formación de imagen. Además, el procedimiento de
formación de imagen debe ser capaz de reconstruir funciones de
imagen con mayor resolución sin el inconveniente del elevado tiempo
de cálculo. Otro objetivo de la invención es proporcionar un
dispositivo de formación de imagen mejorado para formar imágenes de
una zona de investigación reconstruyendo datos de Radon recogidos.
Según un aspecto particular, el objetivo de la invención es
proporcionar el dispositivo de formación de imagen que permita una
reducción de una cantidad de entrada de energía (por ejemplo, la
dosis de radiación) y efectos de dispersión dentro de la zona de
investigación.
Los objetivos anteriores se logran con
procedimientos o dispositivos que comprenden las características de
las reivindicaciones de patente 1 ó 15. Las realizaciones y
aplicaciones ventajosas de la invención están definidas en las
reivindicaciones dependientes.
\vskip1.000000\baselineskip
Con relación al procedimiento de formación de
imagen, la presente invención está basada en la técnica general de
recoger daos de Radon midiendo dos grupos de valores de atenuación
integrados de componentes del haz de entrada de energía, que se
forman con una máscara de imagen que rodea una zona de
investigación. El primer grupo de valores de atenuación integrados
se mide con un dispositivo detector exterior que está dispuesto
fuera de la máscara de imagen, mientras que el segundo grupo de
valores de atenuación integrados se mide con un dispositivo
detector de máscara de imagen que está dispuesto sobre una
superficie interior de la máscara de imagen.
Se genera un haz de entrada de energía con un
dispositivo de fuente de haz de energía dispuesto en un lado
exterior de la máscara de imagen. Las componentes del haz de entrada
de energía son conformadas con ventanas de máscara de imagen de la
máscara de imagen. Cada componente del haz de entrada de energía se
mide con uno del dispositivo detector exterior o el dispositivo
detector de máscara de imagen. El grupo de primeros valores de
atenuación integrados se mide con componentes del haz de entrada de
energía, que pasan a través de pares de ventanas de máscara de
imagen dispuestas en lados opuestos de la zona de investigación. El
grupo de segundos valores de atenuación integrados se mide con
componentes del haz de entrada de energía, que pasan a través de
ventanas de máscara de imagen e impactan en el detector de máscara
de imagen sobre la superficie interior de la máscara de imagen.
Por consiguiente, la recogida de datos de Radon
de la invención se mejora de manera que cada haz de energía, por
ejemplo el haz de rayos X que entra en una zona de investigación en
el objeto es captado por los detectores y contado. Por otra parte,
todos los valores de atenuación medidos pueden usarse para
reconstruir una función de imagen, de manera que cada fotón del haz
de energía se utiliza en la reconstrucción y la dosis de energía,
por ejemplo la dosis de rayos X, puede reducirse sin una reducción
de la relación señal/ruido.
En particular, el procedimiento de formación de
imagen de la invención comprende las etapas de colocar el objeto
dentro de la máscara de imagen, generar el haz de entrada de energía
con la fuente de haz de energía estando dispuesta fuera de la
máscara de imagen, irradiar la zona de investigación con las
componentes del haz de entrada de energía a lo largo de una
pluralidad de direcciones de proyección, medir el primer y segundo
grupos de valores de atenuación integrados de las componentes del
haz de entrada de energía, y reconstruir la imagen de la zona de
investigación basándose en los primeros y segundos valores de
atenuación integrados. La etapa de irradiación comprende una
determinación de las direcciones de proyección, que son definidas
por la máscara de imagen.
Al contrario que los dispositivos de tomografía
convencionales de la 4ª generación, cualquier movimiento de la
máscara de imagen como, por ejemplo, la inclinación dinámica
convencional, puede ser omitido a medida que la zona de
investigación es irradiada a través de las ventanas de máscara de
imagen. Las ventanas de máscara de imagen cumplen tres funciones.
En primer lugar, el haz de energía se transmite a través de la
máscara a la zona de investigación y el dispositivo detector
exterior. Además, las componentes del haz de energía son
conformadas por la máscara. Por último, conjuntos de componentes de
haces de energía paralelas son formados por la máscara como se
resume más adelante.
El término "zona de investigación" (ZDI)
utilizado en este documento se refiere en general a un objeto o una
parte del mismo del que ha de formarse una imagen. En general, la
ZDI puede describirse como una entidad bidimensional. Para
reconstruir una imagen tridimensional del objeto, se forma la imagen
de una pluralidad de ZDIs.
El término "dirección de proyección" usado
en este documento se refiere en general al recorrido lineal de un
haz de entrada de energía a través de la ZDI en el espacio
tridimensional. La dirección de proyección puede definirse por
ángulos relativos a un sistema de coordenadas usado.
Los datos de Radon medidos en la ZDI comprenden
un conjunto de funciones de proyección, que se ha determinado que
corresponden a una pluralidad de direcciones de proyección que
corren a través de la ZDI. Cada función de proyección comprende
datos, los cuales son recogidos con un cierto número, que en teoría
podría ser infinitamente grande, de "proyecciones" paralelas a
la dirección de proyección actual. Estas proyecciones son
caracterizadas integrando por líneas unidimensionales. Midiendo un
número suficiente de estas "proyecciones" integradas, puede
reconstruirse una función de imagen del objeto a partir de los datos
de Radon.
Los valores de las funciones de proyección
generalmente son determinados por la modificación (en particular
atenuación, por ejemplo por absorción o dispersión) de un haz de
entrada de energía que se propaga a través de la ZDI a lo largo de
la dirección de proyección respectiva.
Según una realización preferida de la invención,
la función de imagen de la ZDI se reconstruye como una superposición
de una primera suma de polinomios multiplicada por valores de
primeras funciones de proyección obtenidos a partir del primer
grupo de valores de atenuación integrados y una segunda suma de
polinomios multiplicada por valores de segundas funciones de
proyección obtenidos a partir del segundo grupo de valores de
atenuación integrados. Preferentemente, se proporciona una
superposición lineal. En primer lugar, el algoritmo de
reconstrucción descrito en la patente EP1677253A1 (algoritmo OPED)
se aplica a los grupos de valores de atenuación medidos con la
máscara de imagen y detectores exteriores, respectivamente.
Posteriormente, las imágenes obtenidas con los diferentes grupos de
valores de atenuación son superpuestas. Por consiguiente, las
ventajas del algoritmo OPED, que se describe en la pa-
tente EP1677253A1, pueden obtenerse completamente con el procedimiento de formación de imagen de la invención.
tente EP1677253A1, pueden obtenerse completamente con el procedimiento de formación de imagen de la invención.
Preferentemente, las funciones de proyección
sometidas al algoritmo OPED se obtienen a partir del primer y
segundo grupos de valores de atenuación integrados medidos con
detectores que detectan el primer y segundo grupos correspondientes
de componentes de haces de entrada de energía paralelas. Debido a la
geometría de exploración proporcionada por la máscara de imagen,
los grupos de componentes de haces de entrada de energía paralelas
se crean automáticamente. La geometría fija de la máscara de imagen
asegura que cada componente de haz detectada pertenece a una
pluralidad de componentes de haces de entrada de energía
paralelas.
Una nueva ventaja importante de la invención
viene dada por el hecho de que la aplicación del procedimiento de
formación de imagen no está restringida necesariamente a la
implementación del algoritmo OPED anterior sino que incluso es
posible con otros algoritmos para reconstruir la imagen. Según una
nueva realización de la invención, la etapa de reconstrucción de la
imagen comprende la implementación de un algoritmo de
retroproyección filtrada (algoritmo FBP). Esta realización de la
invención tiene particulares ventajas en cuanto a disponibilidad de
herramientas de software de FBP y compatibilidad con técnicas
convencionales de procesamiento de datos, pero no es tan adecuada
como usar el algoritmo OPED.
El procedimiento de formación de imagen de la
invención comprende en particular la etapa de irradiación de la ZDI
con las componentes del haz de entrada de energía conformadas por la
máscara de imagen a lo largo de una pluralidad de direcciones de
proyección diferentes distribuidas por un intervalo angular de al
menos 180º. La máscara de imagen y el objeto generalmente están
fijos uno con respecto a otro al menos en un plano que incluye las
direcciones de proyección. Las direcciones de proyección pueden
establecerse por diversas técnicas.
Según una realización preferida de la invención,
las direcciones de proyección se establecen desplazando la fuente
de haz de energía y la máscara de imagen una respecto a la otra.
Preferentemente, el dispositivo de fuente de haz de energía
comprende sólo una única fuente de haz de energía, que es móvil
alrededor de la máscara de imagen. Alternativamente, la fuente de
haz de energía móvil puede comprender más de una única fuente de
haz de energía, por ejemplo dos, tres o más fuentes de haz de
energía. Con esta realización, las direcciones de proyección se
establecen desplazando la(s) fuentes(s) de haz de
energía en relación con la máscara de imagen fija con el objeto y
recogiendo los datos según posiciones angulares particulares en
relación con la ZDI. Esta realización con una única fuente de haz
de energía móvil tiene la ventaja de evitar cualquier escasez de
espacio para disponer el dispositivo detector exterior en una
posición opuesta en relación con la fuente de haz de energía.
Preferentemente, la(s) fuente(s) de haz de energía
es(son) desplazada(s) continuamente.
Según una nueva realización preferida de la
invención, el dispositivo detector exterior comprende una única
matriz de detectores exteriores que es móvil alrededor de la máscara
de imagen para medir los primeros valores de atenuación integrados
con direcciones de proyección variables. Si la fuente de haz de
energía móvil comprende más de una única fuente de haz de energía,
el dispositivo detector exterior comprende en consecuencia una
pluralidad de únicas matrices de detectores exteriores. La(s)
matriz(es) de detectores exteriores es (son)
móvil(es) síncronamente con el dispositivo de fuente de haz
de energía, de manera que las direcciones de proyección pueden
establecerse automáticamente desplazando la combinación del
dispositivo de fuente de haz de energía y el dispositivo detector
exterior a una posición angular particular en relación con la
ZDI.
Según una realización particularmente preferida
de la invención, la fuente de haz de energía y la matriz de
detectores exteriores son giradas simultáneamente alrededor de la
máscara de imagen para establecer las direcciones de proyección.
Preferentemente, ambos componentes están dispuestos sobre un soporte
común que rodea la máscara de imagen y la ZDI. La ventaja
particular de esta realización viene dada por el hecho de que la
rotación sincrónica del dispositivo de fuente de haz de energía y
el dispositivo detector exterior alrededor de la ZDI puede ser
proporcionada con un dispositivo de formación de imagen
convencional, como, por ejemplo, un dispositivo de tomografía
computarizada.
Según una nueva alternativa, la fuente de haz de
energía y el dispositivo detector exterior están fijos, mientras
que las direcciones de proyección se establecen desplazando, por
ejemplo girando la máscara de imagen y el objeto entre los
dispositivos generador y detector. Esta realización tiene
particulares ventajas para aplicaciones de micro TC, por ejemplo con
objetos pequeños.
Según otra realización alternativa más, todos
los componentes están fijos. En este caso, el dispositivo de fuente
de haz de energía comprende una pluralidad de fuentes únicas
distribuidas alrededor de una circunferencia de la máscara de
imagen adyacente a matrices de detectores exteriores
correspondientes. Las direcciones de proyección se establecen por
activación de las únicas fuentes variando posteriormente los ángulos
de irradiación en relación con el objeto.
El procedimiento de formación de imagen de la
invención puede aplicarse con diferentes tipos de haces de entrada
de energía usados para proporcionar datos de Radon. El término
"haz de entrada de energía" utilizado en este documento se
refiere a todos los tipos de una cantidad física, que se propaga a
lo largo de una línea recta (o una línea esencialmente recta) a
través de la ZDI mientras la energía transportada se cambia debido a
una interacción con la ZDI. En particular, el término "haz de
entrada de energía" abarca radiación electromagnética o
radiación de partículas. Preferentemente, el haz de entrada de
energía comprende rayos X. Si se usa un dispositivo de fuente de
rayos X como el dispositivo de fuente de haz de energía, los
dispositivos de tomografía computarizada convencionales mejorados
con la máscara de imagen pueden usarse para implementar el
procedimiento de formación de imagen de la invención.
Haciendo referencia al dispositivo, la presente
invención está basada en general en proporcionar un dispositivo de
formación de imagen que posee un dispositivo de fuente de haz de
energía dispuesto en un soporte que rodea un objeto bajo
investigación y un dispositivo detector para medir la radiación
procedente de la fuente de haz de energía transmitida a través del
objeto. El dispositivo de formación de imagen está provisto de una
máscara de imagen que rodea el objeto en al menos un plano según la
orientación de la ZDI y que incluye ventanas de máscara de imagen
que conforman las componentes del haz de energía. Además, las
ventanas de máscara de imagen definen una pluralidad de direcciones
de proyección disponibles para irradiar la ZDI. El dispositivo
detector comprende un dispositivo detector exterior y un dispositivo
detector de máscara de imagen. El dispositivo detector exterior
está dispuesto fuera de la máscara de imagen, mientras que el
dispositivo detector de máscara de imagen comprende detectores de
máscara de imagen dispuestos entre las ventanas de máscara de imagen
sobre una superficie interior de la máscara de imagen. Con la
máscara de imagen, se proporciona una nueva geometría de detección,
que utiliza ángulos de proyección espaciados por igual en relación
con la ZDI y que transforma automáticamente haces de energía
procedentes del dispositivo de fuente de haz de energía que tienen,
por ejemplo, una geometría de haz en abanico en componentes del haz
de energía paralelas.
Preferentemente, la máscara de imagen tiene una
forma de un anillo o cilindro plano con una prolongación axial que
abarca la ZDI. Alternativamente, la máscara de imagen tiene una
forma de un tubo o cilindro largo con una prolongación axial que
abarca todo el objeto. Particularmente preferida es una máscara de
imagen en forma de anillo o tubo con una sección transversal
circular. Con la sección transversal circular, se obtienen ventajas
para una implementación eficaz de los algoritmos de reconstrucción
de imagen.
Ventajosamente, la máscara de imagen y el
dispositivo de sujeción tienen una posición fija en relación con el
soporte. En este caso, al menos uno de los dispositivos generador y
detector puede ser desplazado, por ejemplo ser girado alrededor de
la máscara de imagen para recogida de datos. Alternativamente, todos
los componentes pueden estar fijos en el espacio, si los
dispositivos generador y detector comprenden una pluralidad de
únicas matrices de fuentes y detectores distribuidas alrededor del
dispositivo de sujeción.
Según una realización preferida de la invención,
el dispositivo de fuente de haz de energía comprende una única
fuente de haz de energía que está dispuesta de manera móvil sobre el
soporte. Ventajosamente, una única fuente de haz de energía es
suficiente para establecer direcciones de proyección variables. Se
obtienen más ventajas si tanto la única fuente de haz de energía
como una única matriz de detectores exteriores forman una unidad
común dispuesta en el soporte, que está incluido en un pórtico de TC
tal como es conocido por los dispositivos de TC convencionales.
Según una nueva realización preferida de la
invención, las ventanas de máscara de imagen tienen tamaños iguales,
de manera que se obtienen una irradiación uniforme de la ZDI y
dimensiones iguales de las componentes del haz de energía
proyectadas sobre un detector exterior plano. Preferentemente, la
superficie exterior de la máscara de imagen está provista de un
blindaje, el cual tiene ventajas para una protección de los
detectores de la máscara de imagen frente a la irradiación.
Según una realización ventajosa de la invención,
el dispositivo de formación de imagen está provisto de un circuito
de reconstrucción que está adaptado para una reconstrucción de
imagen basada en valores de atenuación detectados con el
dispositivo detector.
Las aplicaciones preferidas de las invenciones
están en los campos técnicos como las ciencias de los materiales,
formación de imagen no destructiva, ensayos no destructivos,
exámenes médicos, arqueología, técnica de la construcción, y
técnicas sobre temas de seguridad.
A continuación se describen más detalles y
ventajas de la invención con referencia a los dibujos adjuntos, los
cuales muestran en:
la Figura 1 una representación esquemática de
una realización de un dispositivo de formación de imagen según la
invención;
la Figura 2 una nueva ilustración de la
geometría de un dispositivo de formación de imagen según la
invención;
la Figura 3 un organigrama que ilustra una
realización del procedimiento de formación de imagen según la
invención;
las Figuras 4 a 12 diagramas que ilustran los
principios de la recogida de datos de Radon según la invención;
y
la Figura 13 una ilustración esquemática de un
dispositivo de formación de imagen convencional (técnica
anterior).
A continuación se describe la invención con
referencia a la aplicación preferida en tomografía computarizada.
Se hace hincapié en que la invención puede implementarse de una
manera análoga con la aplicación de otros tipos de haces de entrada
de energía (como, por ejemplo, neutrones o luz, por ejemplo en el
intervalo de VIS o IR). Además, la siguiente descripción de las
realizaciones preferidas se refiere principalmente a la geometría
de exploración, la recogida de datos y el procesamiento de datos. La
geometría de exploración se describe con referencia a una máscara
de imagen fija y una unidad de fuente-detector
giratoria. La invención puede implementarse con una unidad de
fuente-detector fija y una máscara de imagen y un
objeto giratorios de una manera análoga. Los detalles de los
dispositivos de TC utilizados para implementar la invención no se
describen a continuación puesto que son conocidos de los
dispositivos de TC convencionales.
La Figura 1 ilustra esquemáticamente una
realización del dispositivo de formación de imagen 100 según la
invención, que comprende el dispositivo de fuente de haz de energía
10 dispuesto sobre un soporte 50, el dispositivo detector 20 el
cual comprende un dispositivo detector exterior 21 dispuesto sobre
el soporte 50 y un dispositivo detector de máscara de imagen 24
dispuesto sobre una superficie interior de la máscara de imagen 40,
un dispositivo de sujeción 30 para alojar un objeto 1 y un circuito
de reconstrucción 60.
Los componentes 10, 30 y 50 son estructurados,
tal como se conoce de los dispositivos de TC, por ejemplo sistemas
de TC médica actuales. En particular, el dispositivo de fuente de
haz de energía 10 comprende una fuente de rayos X móvil 11
combinada con el dispositivo detector exterior 21 como unidad de
fuente-detector 51. La unidad de
fuente-detector 51 está dispuesta sobre el soporte
50, el cual es, por ejemplo, un carril de guía tal como se conoce
de un pórtico de TC convencional. El soporte 50 se ilustra como un
círculo que permite la rotación del dispositivo de fuente de haz de
energía 10 y el dispositivo detector exterior 21 alrededor de un
objeto 1. Según una modificación, el soporte de fuente puede tener
una forma elíptica u otra forma. Esto puede representar una ventaja
en cuanto a una adaptación a la geometría del objeto que ha de ser
investigado. El dispositivo de sujeción 30 es, por ejemplo, una
mesa de soporte tal como se conoce de los sistemas de TC o cualquier
otro soporte o dispositivo de sujeción de sustrato para disponer y
ajustar el objeto 1 en relación con el dispositivo de fuente de haz
de energía 10 y el dispositivo detector 20. Están permitidos más
componentes, tales como un dispositivo de control, un dispositivo
de visualización, etc. (no mostrados) así como los que son conocidos
por si mismos de los dispositivos de la técnica anterior.
El dispositivo detector exterior 21 comprende
una matriz de detectores 22, el cual está dispuesto de manera móvil
sobre el soporte 50 enfrente del dispositivo de fuente de haz de
energía 10. Con esta estructura, la dirección de proyección a
través de la ZDI (paralela al plano del dibujo) puede establecerse
girando la unidad de fuente-detector 51 con los
componentes 10, 21 alrededor del dispositivo de 30. La matriz de
detectores 22 es una matriz bidimensional de elementos sensores que
están dispuestos sobre una superficie de referencia curvada, por
ejemplo cilíndrica o esférica (véase la Figura 2) o plana (véase la
Figura 5).
La máscara de imagen 40 (mostrada
esquemáticamente) comprende un componente en forma de anillo con un
lado exterior, donde están dispuestos el dispositivo de fuente de
haz de energía 10 y la matriz de detectores exteriores 22. La
máscara de imagen 40 incluye ventanas de máscara de imagen 41 que
están espaciadas entre sí con una longitud de arco predeterminada.
El dispositivo detector de imagen 24 comprende una pluralidad de
detectores de imagen individuales 25, los cuales están colocados
sobre una superficie interior 42 de la máscara de imagen 40 entre
las ventanas de máscara de imagen 41. Cada detector de imagen 25
comprende un único sensor. Se utiliza un material de blindaje para
rayos X 43, tal como plomo o tungsteno, para hacer la máscara de
imagen 40 o al menos para cubrir la superficie exterior de la
máscara de imagen 50 según las posiciones de los detectores de
máscara de imagen 25.
La máscara de imagen 40 está fija en relación
con el soporte 50. Para registrar imágenes bidimensionales, la
máscara de imagen 40 también está fija en relación con el
dispositivo de sujeción 30. Está provista una estructura (no
mostrada) que sujeta la máscara de imagen 40 en posición y que lleva
conexiones eléctricas de los detectores de máscara de imagen 25. La
máscara de imagen 40 presenta una forma anular o cilíndrica con una
sección transversal (normalmente sección transversal circular)
alineada con un plano de referencia, por el que los rayos
procedentes de la fuente de rayos X 11 hacia el dispositivo detector
exterior 21 se están propagando. El objeto 1 se dispone de manera
que la ZDI esté alineada en este plano de referencia. La técnica
correspondiente para el caso de reconstruir imágenes
tridimensionales se describe más adelante.
El circuito de reconstrucción 60 incluye una
unidad de cálculo tal como se conoce de los dispositivos de TC
convencionales. Según la invención, la unidad de cálculo incluye
circuitos adaptados para implementar las etapas de construir las
funciones de proyección y reconstruir la imagen de la ZDI (véase más
adelante).
La máscara de imagen 40 y la unidad de
fuente-detector 51 representan partes principales
del dispositivo de formación de imagen, que determinan tanto la
irradiación como la medición según la invención. Estas partes están
caracterizadas además con referencia a la Figura 2.
La máscara de imagen 40 con los detectores de
máscara de imagen 25 está dispuesta en el límite de un disco, que
contiene la ZDI 2. En el contexto de los algoritmos descritos más
adelante, este disco se considera como el disco unitario. Tanto la
máscara de imagen 40 como el disco están fijos. Los detectores de
máscara de imagen 25 representan canales del dispositivo detector
de máscara de imagen 24. Cada uno de los detectores de máscara de
imagen 25 comprende un único sensor con un diseño unidimensional o
bidimensional. Hay 2m+1 (siendo m un número natural) detectores de
máscara de imagen 25 distribuidos a lo largo de la superficie
interior de la máscara de imagen 40. Cada detector de máscara de
imagen 25 tiene la misma anchura radial igual a la longitud de arco
\pi/(2m+1) sobre el círculo unitario. Los centros de los
detectores de máscara de imagen 25 están situados en 2j\pi/(2m+1)
(con 0 \leq j \leq 2m). Las ventanas de máscara de imagen 41
separan los canales formados por los detectores de máscara de imagen
25. Las ventanas de máscara de imagen 41 tienen las mismas anchuras
que los detectores 25 (2\pi/(4m+2)). En aplicaciones médicas,
pueden proporcionarse los siguientes ejemplos: diámetro del disco
unitario: 60 cm, anchura radial de cada detector (cada ventana):
1mm, número de detectores/ventanas: 1000. Anchura axial de la
máscara de imagen: 0,5 a 50 mm para el caso de reconstruir imágenes
bidimensionales. Con otras aplicaciones, por ejemplo en aplicaciones
de micro TC, pueden usarse otros tamaños.
La segunda parte principal del dispositivo de
formación de imagen es la unidad de fuente-detector
51 con la fuente de rayos X 11 y el dispositivo detector exterior
21 (véase la Figura 1). La unidad de fuente-detector
51 es móvil sobre el soporte alrededor del centro del disco
unitario (u otro punto fijo). La distancia entre la fuente de rayos
X 11 y el dispositivo detector exterior 21 es más que el diámetro
del disco unitario, de tal manera que tanto la fuente de rayos X
(cercana) 11 como el dispositivo detector exterior (ancho) 21 de la
unidad de fuente-detector 51 están fuera de la
máscara de imagen 40. El dispositivo detector exterior 21 comprende
una matriz de detectores, la cual está dividida en varios canales
detectores, cuyas anchuras dependen sólo de la distancia del
dispositivo detector 21 y el radio del disco unitario. Con una
matriz de detectores curvada, las anchuras de los canales
detectores dependen de la curvatura.
En la Figura 2, el dispositivo detector exterior
21 se muestra como un arco, pero también podría ser un panel plano
equipado con detectores como se muestra en la Figura 5.
Generalmente, la fuente de rayos X 11 es colocada y desplazada tan
cerca de la ZDI como sea posible (Figuras 1, 2). Sin embargo, esta
característica no es estrictamente necesaria. La fuente de rayos X
11 podría estar dispuesta a una distancia mayor (por ejemplo, en
aplicaciones médicas en el intervalo de 15 cm a 100 cm).
Los rayos X emitidos desde la fuente de rayos X
11 se transmiten a través de las ventanas de máscara de imagen 41
en el extremo cercano de la máscara de imagen 40, la cual sirve como
dispositivo de conformación del haz. Por consiguiente, se forma un
abanico de varias componentes del haz de rayos X con grosores
especificados más adelante.
Las componentes del haz de rayos X transmitidas
a través de las ventanas de máscara de imagen 41 impactarán en el
lado alejado del disco unitario. Algunas de las componentes del haz
incidirán en los detectores de máscara de imagen 25 sobre la
superficie interior de la máscara de imagen 40, mientras que otras
componentes del haz pasarán las ventanas de máscara de imagen 41
por el extremo alejado de la máscara de imagen 40 e impactarán en
la matriz de detectores 22 del dispositivo detector exterior 21 (el
extremo ancho de la unidad de fuente-detector 51).
Un primer grupo de valores de atenuación medidos con el dispositivo
detector exterior 21 se denominan datos dinámicos, mientras que un
segundo grupo de valores de atenuación medidos con los detectores de
máscara de imagen fijos 25 se denominan datos estacionarios.
En la Figura 3 se resumen las etapas para llevar
a cabo el procedimiento de formación de imagen de la invención. En
primer lugar, se prepara el objeto que ha de ser investigado, como,
por ejemplo, la cabeza u otra parte del cuerpo de un paciente
(etapa S1). Preparar el objeto comprende una colocación del objeto
sobre el dispositivo de sujeción 30 en un pórtico de TC de manera
que la zona a investigar esté alineada con la unidad de
fuente-detector 51 y la máscara de imagen 40 (véase
la Figura 1). Posteriormente, el objeto es sometido a la irradiación
(etapa S2), La fuente de rayos X 11 es accionada para generar un
haz de rayos X en abanico o cono dirigido hacia el objeto y el
dispositivo detector 20. El haz de rayos X se transmite a través de
la máscara de imagen 40 de manera que las componentes del haz de
rayos X son formadas por las ventanas de máscara de imagen 41. Medir
valores de atenuación integrados (etapa S3) comprende detectar los
rayos X recibidos con el dispositivo detector exterior 21 y con los
detectores de máscara de imagen 25. Las etapas S2 y S3 se llevan a
cabo continuamente para medir una pluralidad de de direcciones de
proyección de irradiación de los rayos X a través del objeto 1. Las
direcciones de proyección se establecen con una rotación completa de
la unidad de fuente-detector 51 sobre el soporte
50. La etapa S3 incluye automáticamente una discretización de datos.
Debido a la geometría de detección de la invención, se registran
datos de valores de atenuación discretos. Los valores de atenuación
medidos con el dispositivo detector exterior 21 y los detectores de
máscara de imagen 25 forman el primer y segundo grupos de valores
de atenuación integrados, los cuales son sometidos a las etapas de
construir las funciones de proyección (etapa S4) y procesamiento de
datos para reconstruir una imagen de la ZDI (etapa S5).
Durante al menos una de las etapas S1 a S3, el
objeto puede ser manipulado nuevamente, por ejemplo añadiendo un
agente de contraste o por una intervención. Esta realización de la
invención tiene particulares ventajas para la recogida de imágenes
dinámicas o formación de imagen de objetos cambiantes, en particular
en aplicaciones médicas del procedimiento de formación de
imagen.
La etapa de construir las funciones de
proyección (etapa S4) se describe con más detalles más adelante.
Cada función de proyección comprende una pluralidad de proyecciones
paralelas, las cuales se obtienen por una asignación de las
componentes del haz medidas con el dispositivo detector 20. Con la
asignación, la geometría del haz en abanico se convierte en una
geometría paralela tal como se requiere para reconstruir una imagen
a partir de los datos de Radon.
En la Figura 4 se ilustra esquemáticamente la
asignación del abanico de componentes del haz de rayos X a grupos
de componentes de haces de rayos X paralelas. Los puntos negros
sólidos sobre la circunferencia del círculo exterior en la Figura 4
indican las posiciones centrales de las ventanas de máscara de
imagen a través de las que se transmiten las componentes del haz
desde la fuente de rayos X 11, mientras que los pequeños círculos
indican los detectores de máscara de imagen 25. Sólo se representan
aquellas líneas que tienen una intersección con la ZDI 2 (el disco
interior). Las componentes del haz de rayos X que emiten desde la
fuente de rayos X 11 hasta los detectores de máscara de imagen 25
se convierten automáticamente en líneas paralelas. Como ejemplo,
las líneas de trazos L1 representan un primer conjunto de haces
paralelos. Por otra parte, las componentes del haz de rayos X que
emiten desde la fuente de rayos X 11 hasta los detectores exteriores
23 también se convierten en líneas paralelas. Las direcciones de
estas proyecciones son las de las líneas procedentes de las fuentes
11 a través de las ventanas de máscara de imagen entre los
detectores de máscara de imagen 25. Como ejemplo, las líneas de
trazos L2 representan un segundo conjunto de haces paralelos.
Para un conjunto de líneas paralelas obtenido a
partir de la asignación descrita en la Figura 4, las líneas de
trazos paralelas están situadas sobre los puntos de Chebyshev
cos(2j+1)\pi/(2m+1), j=0, 1,...2m, sobre el eje que
es perpendicular a la dirección paralela y tiene un centro en el
origen del disco unitario. La patente EP04031043.5 se introduce en
la presente memoria descriptiva en particular con respecto a la
descripción de más detalles de los puntos de Chebyshev.
La recogida de los datos dinámicos se describe
con referencia a las Figuras 5 a 8. La Figura 5 ilustra el objeto 1
sobre el dispositivo de sujeción 30 rodeado por la máscara de imagen
40. La fuente de rayos X 11 está dispuesta sobre el soporte 50. El
dispositivo detector exterior 21 con una matriz de detectores en
forma de línea recta 22 está dispuesto sobre el soporte 50 enfrente
de la fuente de rayos X 11. La matriz de detectores 22 comprende
una pluralidad de elementos sensores 23. Cada elemento sensor 23,
que está constituido por un único sensor de una submatriz de únicos
sensores conectados, está dispuesto para detectar una componente del
haz de energía que pasa a través de un par respectivo de ventanas
de máscara de imagen. Por consiguiente, cada elemento sensor 23
representa un canal de detección del dispositivo detector exterior
21. Como las proyecciones a través de pares de ventanas de máscara
de imagen tienen una anchura decreciente con un ángulo de abanico
creciente, los tamaños de los elementos sensores 23 son decrecientes
desde el centro hasta ambos extremos de la matriz de detectores
22.
La máscara de imagen 40 incluye N ventanas de
máscara de imagen 41. En la presente descripción, se supone que el
número N de ventanas de máscara de imagen 41 es impar. La
implementación de la invención no está restringida a esta
realización. Puede considerarse de una manera análoga el caso con N
par.
El haz en abanico 3 emitido desde la fuente de
rayos X 11 es convertido en una pluralidad de componentes del haz
de rayos X 4. Dependiendo de la posición relativa de la fuente de
rayos X 11 y las ventanas de máscara de imagen 41, las componentes
del haz de rayos X completo o partes del mismo (4.1, 4.2) impactan
en los detectores de máscara de imagen (por ejemplo 25) sobre la
superficie interior de la máscara de imagen 40 o los elementos
sensores (por ejemplo 23) de la matriz de detectores exteriores 22
respectivamente. Reordenar o asignar los componentes del haz de
energía transmitidos al dispositivo detector exterior 21 conduce a
los datos dinámicos, que están representados como componentes del
haz de rayos X paralelos 5 en la Figura 6.
En la Figura 6, la máscara de imagen
estacionaria 40 (radio r) está representada junto con el conjunto de
componentes del haz de rayos X paralelas 5. Cada una de las rayas
negras corresponde a un canal detector del dispositivo detector
exterior. La geometría de estas rayas está definida por pares
"ventana a ventana" y puede describirse por dos parámetros t y
\varphi. El parámetro t es la distancia con signo entre el centro
de la máscara de imagen estacionaria 40 y la línea que conecta los
centros de las ventanas de máscara de imagen 41 correspondientes
(por ejemplo, la línea L3 en la Figura 6). El parámetro \varphi es
el ángulo entre la dirección inicial eo y la dirección que es
perpendicular a L3 (dirección e en la Figura 6).
Las rayas se representan con la siguiente
representación doble:
En las que \delta es el ángulo, que determina
e_{0} en un sistema de coordenadas fijas.
Una de las representaciones (1) y (2) es
redundante. Son válidas las siguientes relaciones de
equivalencia:
El número de pares que describen las rayas dadas
por (2) (número de referencia 5 en la Figura 6) es exactamente dos
veces mayor que el número de todas las rayas (componentes del haz de
rayos X) ya que cada raya se pasa dos veces durante un ciclo de
rotación de la fuente de rayos X alrededor de la máscara de imagen
fija 40.
El dispositivo detector exterior 21 recibe sólo
aquellos fotones cuya trayectoria cae totalmente en una de las
rayas descritas. Por consiguiente, entre los elementos sensores 23
del dispositivo detector exterior 21 y las rayas existe la
siguiente correspondencia. Contando los elementos sensores en
sentido contrario a las agujas del reloj con excentricidad cero, el
elemento sensor k-ésimo está relacionado con la raya
(\varphi_{i}^{b},t_{l}^{b}),j=0,...,N-1
donde b =k mod 2 y l=(k+b)/2. A la inversa, los fotones con
trayectorias que caen en las rayas
(\varphi_{i}^{b},t_{l}^{b}),j=0,...,N-1,
son recibidos en el elemento sensor 2l-b. Como
resultado de esta correspondencia, hay una aplicación de uno a uno
entre los elementos sensores del dispositivo detector exterior y los
parámetros t_{l}^{b}. Por lo tanto, cada elemento sensor
puede identificarse y leerse simplemente basándose en el parámetro
t_{l}^{b} correspondiente. A partir de las relaciones de
equivalencia anteriores (3) y (4) se deduce que los elementos
sensores t_{l}^{0} y
t^{1}_{(N-1)/2-i},
0\leqi\leq(N-3)/2
(o: t_{l}^{1} y
t^{0}_{(N-1)/2-i},
0\leqi\leq(N-3/2) recogen
la información sobre las mismas rayas. Este fenómeno puede
explicarse por un carácter doble de las posiciones de la fuente de
rayos X en relación con la componente del haz de rayos X
correspondiente. Los elementos sensores correspondientes se
denominan "equivalentes". En la Figura 6 se representan dos
conjuntos de componentes de haces de rayos X paralelas detectadas
con elementos sensores equivalentes.
Durante la rotación de la unidad de
fuente-detector 51, un único elemento sensor del
dispositivo detector exterior recibe información procedente de un
gran conjunto de componentes del haz de rayos X. La manera en que
se trata esta información se describe más adelante con referencia a
la Figura 7.
En la Figura 7 se representan tres posiciones de
control de un único elemento sensor 23. El elemento sensor 23
recibe fotones entre las posiciones P1 y P2 de la fuente de rayos X
11, mientras que es enmascarado por la máscara de imagen 40 entre
las posiciones P2 y P3. Por consiguiente, la posición P1 puede
interpretarse como "encendido", la posición P2 como
"apagado", y la posición P3 como "encendido" de nuevo. En
el intervalo de tiempo entre "encendido" y "apagado", se
recoge información acerca sólo de una componente (raya) del haz de
energía de rayos X distinta. Los puntos de "encendido"
\beta_{l}^{b}(j) de un único elemento sensor
t_{l}^{b} están distribuidos uniformemente sobre la
trayectoria circular de la fuente de rayos X con un incremento
angular 2\pi/N y pueden describirse de la siguiente manera:
\vskip1.000000\baselineskip
donde R es un radio de la
trayectoria de la fuente. El conjunto de puntos de "apagado"
correspondientes simplemente está desplazado el ángulo \pi/N en
relación al conjunto de
"encendido".
Basándose en la ecuación (5), pueden leerse los
datos dinámicos de los elementos sensores y asignarse a un orden
predeterminado de canales paralelos que proporciona la entrada para
la etapa de reconstrucción de la imagen S5 (Figura 2).
En la Figura 8 se muestra una descripción
modificada de la recogida de datos dinámicos. Esta descripción
corresponde a una realización modificada de la invención. Está
basada en la característica de que la unidad de
fuente-detector 51 está fija pero el disco con la
máscara de imagen gira. En la Figura 8, los arcos continuos
representan una posición de la máscara de imagen 40, y las dos
líneas de rayas L4 están dibujadas para marcar la ventana de
máscara de imagen 41 particular a través de la cual se transmiten
los rayos X al dispositivo detector exterior 21. El dispositivo
detector exterior 21 está representado comprendiendo una pluralidad
de elementos sensores 23. Los arcos de trazos y de puntos y trazos
indican dos posiciones más de la máscara de imagen 40 en relación
con la unidad de fuente-detector 51, que son dos
posiciones extremas que definen los tamaños de un canal en el
detector tal como se indica por las dos líneas continuas L5. La
línea continua de la izquierda marca la posición cuando la fuente
de rayos X 11 está alineada con los dos puntos extremos de las
ventanas de máscara de imagen 41 y cuando la máscara de imagen 40
está en la posición marcada por el arco de trazos, y la línea
continua de la derecha marca la misma alineación cuando la máscara
de imagen está en la posición marcada por el arco de trazos y
puntos.
A medida que la máscara de imagen 40 y la unidad
de fuente-detector giran la una con respecto a la
otra (en la práctica: cuando gira la unidad de
fuente-detector), los rayos X emitidos desde la
fuente de rayos X 11 a través de estas dos ventanas de máscara de
imagen particulares son recogidos por el canal del dispositivo
detector exterior 21. Por consiguiente, se definen los canales del
dispositivo detector. La acumulación de los fotones detectados
representa los datos para la componente del haz de rayos X desde la
ventana de máscara de imagen de la parte inferior hasta la ventana
de máscara de imagen de la parte superior. Estos datos también
están asignados a rayos paralelos, cuyas direcciones son las de las
líneas de puntos L2 mostradas en la Figura 4.
\vskip1.000000\baselineskip
Los datos dinámicos resultantes se representan
como
\vskip1.000000\baselineskip
En la Figura 9 se ilustra la recogida de los
datos estacionarios midiendo el segundo grupo de valores de
atenuación integrados. Está marcado un canal de los detectores de
máscara de imagen 25 y está indicada la componente del haz de rayos
X a través de una de las ventanas de máscara de imagen 41. Las dos
líneas de trazos L6 indican la componente del haz de rayos X que
se transmite por la ventana de máscara de imagen 41 hasta el
detector de máscara de imagen 25, mientras que las líneas continuas
L7 indican las posiciones extremas de la fuente de rayos X 11 a
medida que es desplazada alrededor del disco unitario. Cuando la
fuente está dentro del arco entre las líneas continuas L7, la
componente del haz de rayos X que emite incidirá en el detector de
máscara de imagen 25. La acumulación de fotones detectados
representa los valores de atenuación integrados para la componente
del haz de rayos X desde la ventana de máscara de imagen 41 hasta el
detector de máscara de imagen 25.
Después de la etapa de asignación, la
configuración de un conjunto de componentes del haz de rayos X
paralelas recibidas por los detectores de máscara de imagen 25
puede representarse como se muestra en la Figura 10. Al contrario
que la representación de la Figura 6, los datos estacionarios se
representan basándose en pares de "ventana a detector". Las
rayas gris (6) y negra (7) representan dos conjuntos de componentes
del haz de rayos X paralelas. Cada una de las rayas puede
describirse unívocamente por un par (\varphi_{j}, t_{i}),
donde
Cada elemento sensor del detector de máscara de
imagen 25 puede identificarse simplemente con \varphi_{j},
j=0,...,N-1 por la relación
donde \tilde{\theta}_{j} son las
coordenadas angulares de los centros de los elementos
sensores.
La Figura 11 ilustra que la actividad de un
único elemento sensor del detector de máscara de imagen 25 se
produce en un régimen de "encendido"-"apagado", como en el
caso de la recogida de datos dinámicos. Con una rotación en sentido
contrario a las agujas del reloj de una unidad de
fuente-detector 51, la actividad del detector de
máscara de imagen 25 se enciende en la posición P1 de la fuente de
rayos X 11, mientras que se apaga en la posición P2 y se vuelve a
encender en la posición P3 de nuevo.
Durante la rotación alrededor de la máscara de
imagen estacionaria 40, la emisión de la fuente de rayos X impacta
en un detector de máscara de imagen 25 particular en un orden de
apagado-encendido alternativo como se muestra en la
Figura 12. Cada impacto distinto corresponde a un cierto canal de
haz de rayos X que converge hacia el detector de máscara de imagen
25 desde la ventana de máscara de imagen 41 atravesada por la fuente
de rayos X 11. Con una rotación en sentido contrario a las agujas
del reloj de la fuente de rayos X 11, el conjunto \Omega_{k} de
rayas que convergen hacia el elemento detector 25 (\varphi_{k})
puede describirse de la siguiente manera.
Entonces
Las coordenadas (\beta^{j}_{k}) de las
posiciones "encendidas" para el elemento detector
(\varphi_{k}) son:
donde s=1 si j es par y -1 en caso
contrario. Las coordenadas de las posiciones "apagadas" para
los detectores de máscara de imagen son \beta^{j}_{k} +
\pi/N.
El registro apropiado de las señales de salida
de los elementos sensores está basado en el régimen de
encendido-apagado anterior de la actividad de los
elementos sensores junto con la información de los puntos de control
correspondientes definidos en las ecuaciones (5) y (10). La etapa
de registro puede implementarse de diferentes maneras. En primer
lugar, cada elemento sensor distinto puede ser asociado con una
matriz N-dimensional. Cada pulso de impacto para un
elemento sensor dado es registrado en una celda correspondiente de
su matriz. El registro en la matriz está terminado después de un
ciclo de rotación de la unidad de fuente-detector 51
alrededor de la máscara de imagen estacionaria.
El pulso de impacto tiene una duración finita,
es decir, definida sobre el intervalo finito o el soporte de
impulso. Los valores de la señal en los puntos del soporte de
impulso están relacionados con los números de fotones detectados
instantáneamente por los elementos sensores. La integral a lo largo
del soporte de impulso proporciona el número total de fotones
detectados por el elemento sensor durante la traslación por el único
canal de haz de rayos X.
Para una imagen bidimensional descrita por una
función f(x,y) definida en el disco unitario
B^{2}={(x.y):x^{2}+y^{2}\leq1}, una proyección de Radon es
una integral de línea como la siguiente:
donde
I(\theta,t)={(x,y):xcos\theta+ysin\theta=t}\capB^{2}
es un segmento de línea dentro de B^{2}. Un rayo grueso
significa una media (integral de las proyecciones de Radon). En la
presente memoria descriptiva, se usa la misma notación para los
datos de Radon, ya sea gruesa o no la componente del haz de rayos X.
Por consiguiente, los datos de Radon se indican
con:
Los valores de atenuación recogidos en la
pluralidad de detectores de máscara de imagen pueden asignarse a
rayos paralelos para el algoritmo OPED siguiendo la geometría
ilustrada en la Figura 4. Estos son 2m+1 vistas y M=2m+1
componentes del haz de rayos X por vista que intersectan la ZDI,
cuyos datos de Radon son registrados por los detectores de máscara
de imagen 25. El conjunto de datos se representa por:
en donde los datos, cuyas
componentes del haz de rayos X están fuera de la ZDI deben tomarse
como
cero.
\vskip1.000000\baselineskip
A medida que la unidad de
fuente-detector 51 es desplazada a lo largo del
disco, se recogen los datos de Radon que comprenden datos
estacionarios y dinámicos. Juntos, los datos estacionarios y los
datos dinámicos se utilizan para reconstruir la imagen de la ZDI
(etapa S5 en la Figura 2). El algoritmo usado para la reconstrucción
está basado preferentemente en el algoritmo OPED en dos tipos
diferentes de geometrías tal como se describe más adelante. La
descripción del algoritmo de construcción de imagen descrito en la
patente EP1677253A1 se introduce en la presente memoria descriptiva
por referencia. A continuación se describe la modificación del
algoritmo OPED para reconstruir una imagen basándose en los datos
estacionarios y dinámicos.
Cada función cuadrada integrable sobre el disco
unitario B puede representarse como una suma
donde proj_{n}f es la proyección
de f en el subespacio de los polinomios ortogonales de grado n. La
igualdad significa
que
en norma de L^{2}(B). La
función S_{n}f es la suma parcial n-ésima del desarrollo ortogonal
y es la mejor aproximación polinómica de f en norma de
L^{2}.
El algoritmo modificado está basado en la
siguiente fórmula para S_{n}f(x,y):
donde
\vskip1.000000\baselineskip
Para deducir el algoritmo OPED modificado a
partir de la ecuación (16), se usan dos fórmulas de cuadratura
diferentes para las integrales en S_{2}m (n=2m).
\vskip1.000000\baselineskip
Con el procedimiento de formación de imagen de
la invención, se recogen dos grupos de datos. Además de los datos
dinámicos R_{2} según la ecuación (6), se consideran los datos
estacionarios 100 cuyas direcciones son líneas
desde los pequeños círculos hasta los pequeños círculos en la Figura
4. Con este fin, se usa una interpolación entre los valores medidos
de detectores de máscara de imagen subsiguientes.
Para los datos estacionarios R_{1} en la
ecuación (13), se utiliza la ecuación (18). Esto conduce a la
suma
donde
\vskip1.000000\baselineskip
Para los datos dinámicos R_{2} en la ecuación
(6), se utiliza la ecuación (19). Esto conduce a la suma
donde
La etapa de reconstrucción final viene dada por
la media de los dos términos anteriores:
La descripción matemática de más adelante se
refiere a un disco rodeado por un círculo. Se hace hincapié en que
puede hacerse una consideración análoga para una zona rodeada por
una elipse. Con la ecuación de la elipse
(x^{2}/a^{2})+(y^{2}/b^{2})=1, un cambio de variables x=au e
y=bv vuelve a conducir al caso del disco u^{2}+v^{2}=1. Más
formas modificadas son posibles si pueden introducirse cambios de
variables correspondientes. La construcción de máscaras de imagen
correspondientes es posible, pero no tan adecuada como una sección
transversal de máscara circular o elipsoide en vista del
algoritmo.
Para más detalles de las herramientas
matemáticas usadas en este documento, se hace referencia a las
publicaciones de R. Marr: "On the reconstruction of a function on
a circular domain from a sampling of its line integrals" en
"J. Math. Anal. Appl." vol. 45, 1974, p.
357-374; F. Netterer: "The mathematics of
computerized tomography", reimpresión del original de 1986
"Classics in Applied Mathematics 32" SIAM, Philadelphia, PA,
2001; F. Natterer y F. Wuebbeling por "Mathematical Methods in
Image Reconstruction" SIAM, Philadelphia, PA, 2001; C. Dunkl y
Yuan Xu: "Orthogonal polynomials of several variables",
Cambridge University Press, 2001; Yuan Xu
"Funk-Hecke formula for orthogonal polynomials on
spheres and on balls" en "Bull. London Math. Soc." vol. 32,
2000, p. 447-457; y Yuan Xu "Representation of
reproducing kernels and the Lebesgue constants on the ball" en
"J. Approximation Theory" vol. 112, 2001, p.
295-310.
Según otra realización de la invención, la etapa
S5 (Figura 3) puede comprender una aplicación del algoritmo FBP. El
algoritmo FBP puede aplicarse por separado sobre el primer y segundo
grupos de datos recogidos con una superposición posterior de la
imagen parcial resultante. Alternativamente, el algoritmo FBP puede
aplicarse simultáneamente sobre todos los datos recogidos.
Con la geometría de detección de la invención,
pueden procesarse datos de proyección helicoidal para obtener
imágenes tridimensionales del objeto. Por consiguiente, al menos uno
del objeto y la unidad de fuente-detector se
traslada en una dirección predeterminada, por ejemplo perpendicular
a las direcciones de proyección durante la etapa S2 de irradiar el
objeto para obtener los datos de proyección helicoidal.
Preferentemente, el objeto bajo investigación, por ejemplo un
paciente, se mueve a través del pórtico de TC, tendido sobre una
mesa de pacientes, que está desplazándose continuamente.
Para recoger los datos de proyección helicoidal,
puede usarse la máscara de imagen en forma de anillo plano, que se
ha descrito anteriormente. En este caso, la máscara de imagen es
móvil en relación con el objeto, por ejemplo perpendicular al plano
que incluye las direcciones de proyección. Alternativamente, la
máscara de imagen tiene una forma de tubo que se extiende por toda
la longitud del objeto del que ha de formarse la imagen. La máscara
de imagen en forma de tubo tiene ventanas de máscara de imagen que
se extienden como ventanas espirales o rectas a lo largo de la
dirección longitudinal del tubo. Además, la máscara de imagen en
forma de tubo puede usarse en combinación con un detector exterior
fino en forma de tubo y/o un dispositivo de fuente fija
multifocal.
Mediante este procedimiento puede reunirse un
conjunto de datos denominados de TC helicoidal o espiral, incluyendo
tanto primeros como segundos grupos de valores de atenuación. En
particular, el conjunto de datos de TC helicoidal puede ser
reconstruido de una manera análoga a la descrita anteriormente para
obtener un montón de imágenes bidimensionales que se combinan en
una imagen tridimensional del objeto.
\vskip1.000000\baselineskip
En la lista de documentos indicados por el
solicitante se ha recogido exclusivamente para información del
lector, y no es parte constituyente del documento de patente
europeo. Ha sido recopilada con el mayor cuidado; sin embargo, la
EPA no asume ninguna responsabilidad por posibles errores u
omisiones.
- \bullet EP 1677253 A1[0005][0020][0020][0082]
- \bullet EP 04031043 A [0055]
\bullet W.A. KALENDER. Computed
Tomography – Fundamentals, System Technology, Image Quality,
Aplications [0003]
\bullet G.T. HERMAN. Image
Reconstruction from Projections: The Fundamentals of Computerized
Tomography. Academic Press, 1980 [0003]
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\bullet R. MARR. On the reconstruction
of a function on a circular domain from a sampling of its line
integrals. J. Math. Anal. Appl., 1974, vol. 45,
357-374 [0091]
\bullet F. NATTERER. The mathematics of
computerized tomography. "Reprint of the 1986 original"
Classics in Applied Mathematics 32. SIAM, 2001
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\bullet F. NATTERER; F.
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SIAM, 2001 [0091]
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Orthogonal polynomials of several variables. University
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spheres and on balls. Bull. London Math. Soc., 2000,
vol. 32, 447-457 [0091]
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reproducing kemels and the Lebesgue constans on the ball. J.
Approximation Theory, 2001, vol. 112,
295-310 [0091]
Claims (26)
1. Procedimiento de formación de imagen para
formación de una imagen de una zona de investigación (2) de un
objeto (1), que comprende las etapas de:
- -
- generar un haz de entrada de energía (3) con una fuente de haz de energía (10),
caracterizado por las etapas adicionales
de:
- -
- irradiar la zona de investigación (2) con las componentes del haz de entrada de energía (4) del haz de entrada de energía (3) a lo largo de una pluralidad de direcciones de proyección, estando formadas las componentes del haz de entrada de energía (4) con una máscara de imagen (40) que está dispuesta entre el haz de entrada de energía (10) y el objeto (1) e incluyendo ventanas de máscara de imagen (41),
- -
- medir primeros valores de atenuación integrados de las componentes del haz de entrada de energía (4) con un dispositivo detector exterior (21) dispuesto fuera de la máscara de imagen (40),
- -
- medir segundos valores de atenuación integrados de las componentes del haz de entrada de energía (4) con un dispositivo detector de máscara de imagen (24) que está dispuesto sobre una superficie interior de la máscara de imagen (40), y
- -
- reconstruir una imagen de la zona de investigación (2) basándose en los primeros y segundos valores de atenuación integrados.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la etapa de reconstruir la imagen comprende la etapa de
determinar una función de imagen como una superposición de una
primera suma de polinomios multiplicada por valores de primeras
funciones de proyección obtenidos a partir de los primeros valores
de atenuación integrados y una segunda suma de polinomios
multiplicada por valores de segundas funciones de proyección
obtenidos a partir de los segundos valores de atenuación
integrados.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el que las primeras y segundas funciones de proyección se obtienen
a partir de los primeros y segundos valores de atenuación integrados
medidos para primeros y segundos grupos de componentes del haz de
entrada de energía paralelos, respectivamente.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la etapa de reconstruir la imagen comprende la etapa de
determinar una función de imagen por un algoritmo de retroproyección
filtrada.
5. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de irradiación
comprende la etapa de establecer las direcciones de proyección
desplazando la fuente de haz de energía (10) y la máscara de imagen
(40) la una respecto a la otra.
6. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de irradiación
comprende la etapa de medir los segundos valores de atenuación
integrados según las direcciones de proyección mientras que son
desplazados el dispositivo detector exterior (21) y la máscara de
imagen (40) el uno respecto a la otra.
7. Procedimiento según la reivindicación 5 ó 6,
en el que la máscara de imagen (40) y el objeto (1) tienen una
posición fija y al menos uno de la fuente de haz de energía (10) y
el dispositivo detector exterior (21) es desplazado alrededor de la
máscara de imagen (40).
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en
el que la fuente de haz de energía (10) y el dispositivo detector
exterior (21) son desplazados simultáneamente alrededor de la
máscara de imagen (40).
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en
el que la fuente de haz de energía (10) y el dispositivo detector
exterior (21) son girados sobre un soporte (50) alrededor de la
máscara de imagen (40).
10. Procedimiento según la reivindicación 5 ó 6,
en el que la fuente de haz de energía (10) y el dispositivo detector
exterior (21) tienen una posición fija y la máscara de imagen (40) y
el objeto (1) son desplazados en relación con la fuente de haz de
energía (10) y el dispositivo detector exterior (21).
11. Procedimiento según la reivindicación 10, en
el que la máscara de imagen (40) y el objeto (1) son girados en
relación con la fuente de haz de energía (10) y el dispositivo
detector exterior (21).
12. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que la fuente de haz de energía (10),
el dispositivo detector exterior (21), la máscara de imagen (40) y
el objeto (1) están fijos uno respecto a otro y la etapa de
irradiación comprende la etapa de establecer las direcciones de
proyección accionando una fuente multifocal.
\newpage
13. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, en el que la fuente de haz de energía
(10) comprende una fuente de rayos X (11).
14. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones precedentes, que comprende la etapa de reconstruir
una imagen tridimensional del objeto (1) formando imágenes de una
pluralidad de zonas de investigación (2).
15. Dispositivo de formación de imagen (100)
para formar una imagen de una zona de investigación (2) de un objeto
(1), que comprende:
- -
- un dispositivo de fuente de haz de energía (10) que está adaptado para irradiar el objeto (1),
- -
- un dispositivo detector (20) que está adaptado para medir la radiación procedente del dispositivo de fuente de haz de energía (10) transmitida a través del objeto (1), y
- -
- un dispositivo de sujeción (30) para sujetar el objeto (1),
caracterizado por
- -
- una máscara de imagen (40) que rodea el dispositivo de sujeción (30) y que comprende ventanas de máscara de imagen (41), en el que
- -
- el dispositivo de fuente de haz de energía (10) está dispuesto en un lado exterior de la máscara de imagen (40), y
- -
- el dispositivo detector (20) comprende un dispositivo detector exterior (21) dispuesto en el lado exterior de la máscara de imagen (40) y un dispositivo detector de máscara de imagen (24) dispuesto sobre una superficie interior (42) de la máscara de imagen (40).
16. Dispositivo de formación de imagen según la
reivindicación 15, en el que la máscara de imagen (40) comprende una
máscara anular.
17. Dispositivo de formación de imagen según la
reivindicación 15, en el que la máscara de imagen (40) está fija en
relación con el dispositivo de sujeción (30).
18. Dispositivo de formación de imagen según al
menos una de las reivindicaciones 15 a 17, en el que al menos uno
del dispositivo de fuente de haz de energía (10) y el dispositivo
detector exterior (22) está dispuesto de manera móvil sobre un
soporte (50).
19. Dispositivo de formación de imagen según la
reivindicación 18, en el que el dispositivo de fuente de haz de
energía (10) y el dispositivo detector exterior (22) están adaptados
para ser girados sobre el soporte (50) alrededor de la máscara de
imagen (40).
20. Dispositivo de formación de imagen según la
reivindicación 19, en el que el dispositivo de fuente de haz de
energía (10) y el dispositivo detector exterior (22) están
dispuestos en un pórtico de tomografía computarizada.
21. Dispositivo de formación de imagen según al
menos una de las reivindicaciones 15 a 17, en el que la máscara de
imagen (40) y el dispositivo de sujeción (30) son móviles en
relación con el dispositivo de fuente de haz de energía (10) y el
dispositivo detector exterior (22), que tienen una posición
fija.
22. Dispositivo de formación de imagen según al
menos una de las reivindicaciones 15 a 21, en el que las ventanas de
máscara de imagen (41) tienen un tamaño igual.
23. Dispositivo de formación de imagen según al
menos una de las reivindicaciones 15 a 22, en el que el dispositivo
detector de máscara de imagen (24) comprende una pluralidad de
detectores de máscara de imagen (25), que están separados unos de
otros por las ventanas de máscara de imagen (41).
24. Dispositivo de formación de imagen según al
menos una de las reivindicaciones 15 a 23, en el que el dispositivo
detector de máscara de imagen (24) está protegido contra la
irradiación por un blindaje (43) sobre una superficie exterior de la
máscara de imagen (40).
25. Dispositivo de formación de imagen según al
menos una de las reivindicaciones 15 a 24, en el que el dispositivo
de fuente de haz de energía (10) comprende una fuente de rayos X
(11).
26. Dispositivo de formación de imagen según al
menos una de las reivindicaciones 15 a 25, que además comprende un
dispositivo de reconstrucción (60) adaptado para reconstruir una
imagen de la zona de investigación (2) basándose en primeros y
segundos valores de atenuación integrados medidos con el dispositivo
detector (20).
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