TWI517093B - Computer tomography reconstruction method - Google Patents

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    • G06T2211/40—Computed tomography
    • G06T2211/424—Iterative

Description

電腦斷層影像重建方法
本發明係關於一種電腦斷層影像重建方法，特別是指一種透過二維系統矩陣進行投影、比對、反投影以及修正之方式，以降低運算量及儲存空間的電腦斷層影像重建方法。
目前電腦斷層重建影像中使用系統矩陣之重建法，雖已普遍廣泛地被使用在疊代式重建法；然而，隨著電腦科技技術以及影像擷取技術之提升，影像偵檢器之解析度越來越高，伴隨之資料量也越來越龐大，需要消耗相當大的運算及儲存資源。雖然一般儀器公司之開發採用多部影像工作站串聯以達成其運算目的，但是在技術上仍需儲存多組影像之數據，極佔儲存空間與運算之記憶體容量。
請參考美國公開專利第US6850585B2號和第US20120098832號報告，其係揭露一種使用多角度二維平面造影以呈現三維影像的影像重建方法，係針對偵檢系統掃描一待測物所產生之至少一條射線穿越待測物後所量測之一量測值進行影像重建，該影像重建方法包括有下列步驟：首先以複數個分別具有數值之立體像素對該待測物建立一影像空間；然後，對沿該射線方向進行投影並與該量測計數值比較以得到一校正計數值；接著，據該校正計數值與該反應線上每一個立體像素值，進行反投影；最後，根據該校正計數值與每一個立體像素值依其對應關係進行 修正以得到修正後的數值，並以更新後的值取代原數值，並視使用者需求重複疊代方式數次進行影像重建。而上述所知的技術中，疊代前需根據每一個影像的畫素進行三維影像的處理，其運算量較高。
本發明的目的，係在於提供一種電腦斷層影像重建方法，係利用不同角度的二維影像以及虛擬的二維系統矩陣，以圓球體空間為基礎，進行投影、比對、反投影以及修正等步驟進行處理，進而在預定差異值內獲得所欲獲得的斷層影像輸出，藉此以降低所需運算量與儲存空間。
為達上述目的，本發明係提供一種電腦斷層影像重建方法，其步驟係包括：收集資訊步驟：以一影像系統在每隔一預定角度之一位置環繞一物體，以該物體為中心收集該物體之不同方向之相對應的一投影資料，並將該投影資料記錄成該影像系統的一幾何參數，各方向的該幾何參數係建立成一組三維影像重建空間資訊；投影步驟：建構該影像系統之虛擬數據模型並對其立體特性簡化成一簡化數據模型，並虛擬化一組感興趣區域之一數據資料當作一預測資料，最後將該感興趣空間之數據資料透過該簡化數據模型進行模擬投影；比對步驟：將該模擬投影所得到的資訊與該影像系統所收集各角度之投影影像資訊進行差異比對，計算一差異值；反投影步驟：該差異值再透過該簡化數據模型進行反投影之運算；修正步驟：根據該反投影後之差異值修正原始三維影像重建空間的資訊； 循環步驟：確認該差異值是否小於一預定差異值，若否的話，則回到該投影步驟，若是的話，則下一組三維影像重建空間資訊開始依序進行該投影步驟、該比對步驟、該反投影步驟以及該修正步驟，直至各方向的該組三維影像重建空間資訊依序完成該投影步驟、該比對步驟、該反投影步驟以及該修正步驟，且該組三維影像重建空間的數據與前一次疊代之差異值小於該預定差異值
影像輸出步驟：輸出最終之經來自各方向所得到的模擬投影之數據所形成之三維影像重建影像。
其中，該感興趣區域係為一圓球體空間。
其中，該簡化數據模型係為一截圓影像資料。
其中，該影像系統係一影像偵檢器及相對應之一能量源，該物體係位在該影像偵檢器及該能量源之間。
其中，該能量源係為光源、輻射射源或非輻射射源。
其中，該比對步驟系採用以一投影資料中心為軸進行旋轉之方式對模擬投影之資訊以及該組三維影像重建空間資訊進行比對。
其中，該影像輸出步驟中所輸出之影像係為三維或多維斷層影像。
10‧‧‧物體
100‧‧‧能量源
13‧‧‧截圓區域資料
14‧‧‧數據
20‧‧‧影像偵檢器
21‧‧‧投影資料
22‧‧‧投影區域
23‧‧‧投影資料
30‧‧‧位置
31‧‧‧投影資料
32‧‧‧區域
33‧‧‧區域
θ‧‧‧角度
Φ‧‧‧角度
步驟S1~S7‧‧‧本發明之電腦斷層影像重建方法
第1圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法中物體透過影像系統呈現投影資料之示意圖。
第2圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法中簡化成二維幾何架構的示意圖。
第3圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法中進行投影、反投影以及修正之示意圖。
第4圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法在另一組旋轉角度θ後進行投影比對之示意圖。
第5圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法在不同角度Φ時的示意圖。
第6圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法的流程圖。
第7圖係表示一組感興趣區域(圓球體空間)之數據資料作為預定資料並經過二維系統矩陣所投影出之初始投影影像。
第8圖係為本發明之影像偵檢器所收集到的投影資料(泛指其他非起始之投影資料)。
第9圖係表示本發明所收取到的投影資料根據其物理特性轉換成物體衰減圖(minus log map)。
第10圖係表示本發明其中一三維弦波圖(sinogram)。
第11圖係表示透過本發明多方投影資料收集所輸出的影像(projenogram)。
第1圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法中物體透過影像系統呈現投影資料之示意圖。
請參考第1圖，影像系統係可包括一能量源100及一影像偵檢器20；物體10係位在能量源100與影像偵檢器20之間，能量源100係可為光 源、輻射射源或者是非輻射射源等，一般係為X射線，而物體10係可為能量源100之吸收體或衰減體；以X射線之能量源為例，能量源100朝物體10投射，會在影像偵檢器20上形成一投影資料21，假設物體10係為一球體空間。
第2圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法中簡化成二維幾何架構的示意圖。
請參考第2圖所示，將物體10的三維架構透過簡化且可重複使用之二維幾何架構來呈現，而物體10之重建空間係利用一二維系統矩陣在此平面上(二維)形成一截圓區域資料13。
第3圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法中進行投影、反投影以及修正之示意圖。
請參考第3圖所示，透過截圓區域13進行投影，可在投影區域22產生一組虛擬投影資料，並與原投影資料在投影區域22進行比對，再將其差異進行反投影，並針對截圓區域資料13進行修正。
第4圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法在另一組旋轉角度θ後進行投影比對之示意圖。
在上述流程完成後，係以相同的二維系統矩陣重複套用，繼續進行另一組以投影資料中心(即y軸)旋轉角度θ後之數據14，並進行投影與其對應之投影資料23進行比對，重複疊代修正之步驟，依此類推，直到完成投影資料21上所有的資料比對。
第5圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法在不同角度Φ時的示意圖。
在不同角度Φ時，影像偵檢器20的位置30與其投影資料31上 對應之區域32及33，係根據前述重複之步驟以同樣之二維系統進行不同方位之資料比對，直到所有資料之誤差值小於一預定誤差值，即可輸出數據以顯示三維或多維斷層影像。
第6圖係表示本發明電腦斷層影像重建方法的流程圖。
請參考第6圖所示，本發明的電腦斷層影像重建方法之步驟如下。
收集資訊步驟S1：以影像系統在每隔一預定角度之一位置環繞一物體10，以物體10為中心收集物體10之不同方向之相對應的一投影資料21，並將投影資料21記錄成影像系統的一幾何參數，各方向的幾何參數係建立成一組三維影像重建空間資訊。
投影步驟S2：建構影像系統之虛擬數據模型並對其立體特性簡化成一簡化數據模型(即二維系統矩陣)，並虛擬化一組感興趣區域之一數據資料當作一預測資料(如第7圖所示)，將感興趣空間之數據資料透過簡化數據模型(即二維系統矩陣)進行模擬投影(如第8圖所示)。
比對步驟S3：將模擬投影所得到的資訊與影像系統所收集該組三維影像重建空間資訊進行差異比對，計算一差異值。
反投影步驟S4：上述的差異值再透過簡化數據模型(即二維系統矩陣)進行反投影之疊代運算。
修正步驟S5：根據上述的差異值修正一差異影像。
循環步驟S6：確認上述的差異值是否小於一預定差異值，若否的話，則回到投影步驟，若是的話，則下一組三維影像重建空間資訊開始依序進行投影步驟、比對步驟、反投影步驟以及修正步驟，直至各方 向的該組三維影像重建空間資訊依序完成投影步驟、比對步驟、反投影步驟以及修正步驟，且各方向的修正步驟中的差異值小於預定差異值。
影像輸出步驟S7：輸出最終之所有各方向所得到的模擬投影之數據所形成之影像。
其中，感興趣區域係為一圓球體空間；簡化數據模型係為一截圓影像資料13；比對步驟係採用以投影資料中心(如y軸)為軸進行旋轉之方式對模擬投影之資訊以及該組三維影像重建空間資訊進行比對。
第9圖係表示本發明所收取到的投影資料根據其物理特性轉換成物體衰減圖(minus log map)。
第10圖係表示本發明其中一三維弦波圖(sinogram)，係指來自所有方向之物體衰減圖，亦即本發明中依照不同角度Φ依序堆疊而成的圖式。
第11圖係指透過本發明多方投影資料收集所輸出的影像(projenogram)。
請參考第11圖所示，其係將物體衰減圖之座標系(u，v)轉換成極座標(R，θ)並將其繪出即可；每一次經二維系統矩陣運算後的數值以及在影像偵檢器20上的投影便可透過此資料收集進行比對。
此外，若將此資料依照所對應之方向回填至影像偵檢器20所在之平面的話，係可還原原始影像之投影，如第9圖所示。
因此，根據上述的方法，係可有效地減少傳統三維或多維影像之重建時所建立龐大系統矩陣運算，本發明使用時僅需二維截平面之陣列資料(二維系統矩陣)來建立部分的系統矩陣以取代傳統建置三維或多維 影像之系統矩陣，透過其球座標之對稱特性減少運算時記憶體用量與儲存之空間量，達到計算量縮減之效果。
當前述係針對本發明之各實施例時，本發明之其他或進一步的實施例可被設計出而無須違反其基本範圍，且其基本範圍係由下列的申請專利範圍所界定。
雖然本發明以相關的較佳實施例進行解釋，但是這並不構成對本發明的限制。應說明的是，本領域的技術人員根據本發明的思想能夠構造出很多其他類似實施例，這些均在本發明的保護範圍之中。
步驟S1~S7‧‧‧本發明之電腦斷層影像重建方法

Claims (7)

  1. 一種電腦斷層影像重建方法，其步驟係包括：收集資訊步驟：以一影像系統在每隔一預定角度之一位置環繞一物體，以該物體為中心收集該物體之不同方向之相對應的一投影資料，並將該投影資料記錄成該影像系統的一幾何參數，各方向的該幾何參數係建立成一組三維影像重建空間資訊；投影步驟：建構該影像系統之虛擬數據模型並對其立體特性簡化成一簡化數據模型，並虛擬化一組感興趣區域之一數據資料當作一預測資料，最後將該感興趣空間之數據資料透過該簡化數據模型進行模擬投影；比對步驟：將該模擬投影所得到的資訊與該影像系統所收集各角度之投影影像資訊進行差異比對，計算一差異值；反投影步驟：該差異值再透過該簡化數據模型進行反投影之運算；修正步驟：根據該反投影後之差異值修正原始三維影像重建空間的資訊；循環步驟：確認該差異值是否小於一預定差異值，若否的話，則回到該投影步驟，若是的話，則下一組三維影像重建空間資訊開始依序進行該投影步驟、該比對步驟、該反投影步驟以及該修正步驟，直至各方向的該組三維影像重建空間資訊依序完成該投影步驟、該比對步驟、該反投影步驟以及該修正步驟，且該組三維影像重建空間的數據與前一次疊代之差異值小於該預定差異值；以及影像輸出步驟：輸出最終之經來自各方向所得到的模擬投影之數據所形成之三維影像重建影像。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該感興趣區域係為一圓球體空間。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述的方法，其中，該簡化數據模型係為一截圓影像資料。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該影像系統係一影像偵檢器及相對應之一能量源，該物體係位在該影像偵檢器及該能量源之間。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述的方法，其中，該能量源係為光源、輻射射源或非輻射射源。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該比對步驟系採用以一投影資料中心為軸進行旋轉之方式對模擬投影之資訊以及該組三維影像重建空間資訊進行比對。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該影像輸出步驟中所輸出之影像係為三維或多維斷層影像。
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