CN101023875A - 在x射线计算机断层造影中产生断层造影显示的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在X射线计算机断层造影中造影剂辅助地产生CT显示(19)的方法，在此降低了模糊效应，其中，在采用两种不同的能量谱(S1，S2)扫描对象时，将该对象分解成三种物质组合物(M1，M2，M3)，并且通过分割来确定第一组合物(M1)及其物质强度(dM1)。随后根据所测量的两个能量谱(S1，S2)的衰减值(A1，A2)为每条射线确定另外两种物质组合物(M2，M3)及其物质强度(dM2，dM3)，并从由此得知的不同物质组合物(M1，M2，M3)的物质强度(dM1，dM2，dM3)中为各物质组合物(M1，M2，M3)构建具有虚拟吸收系数的虚拟吸收数据(A′)并用于再现CT显示(19)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在X射线计算机断层造影中产生CT显示的方法，其中，对由具有不同吸收系数的N+1种物质或者物质组合物组成的对象通过具有N≥2个不同能量谱的在空间上产生大量扫描射线的旋转的射线扇形进行扫描，并从所测量的吸收数据中再现作为截面图像或作为立体数据的吸收系数的CT显示。
背景技术
由于在通过X射线-CT方法扫描的对象中存在多种物质，在再现和由此产生图像时，特别是在后面的定量分析时，会出现可能导致错误解释的伪影。一方面存在射线硬化问题，它在对原始数据的预处理中仅一次性地对通常为水的一种物质进行校正。但因为射线硬化特性对被扫描的对象，特别是患者体内的不同物质组合和分布来说，例如像水、骨头或在采用造影剂拍摄的情况下的碘完全不同，所以会在再现中产生伪影。另一方面，存在所谓的“模糊(Blooming)”问题。在CT血管造影中，需要定量地测量出狭窄区域内的血管直径。这种通过钙化斑造成的狭窄由于其吸收系数明显高于其周围的吸收系数和在再现时所使用的滤波器一般情况下大于其实际尺寸而显现出来。这使得正确地确定所观察血管的剩余立体变得困难并导致错误解释。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种在X射线计算机断层造影中产生CT显示的方法，其特别是导致减小模糊效应。此外，在再现时能够更好地考虑根据被扫描对象的实际情况的射线硬化。
本发明人认识到，可以降低模糊效应并同时进行改进的射线硬化校正，其方法是在采用两种不同的能量谱扫描对象时，将该对象分解成三种物质组合物，其中，第一组合物通过分割来确定，而另外两种物质组合物根据所测量的两个能量谱的衰减值对每个射线来确定，并随后从这样得知的不同物质组合物的物质强度中为各物质组合物构建具有虚拟吸收系数的虚拟吸收数据并用于再现CT显示。
因此在第一方法步骤中，从再现的图像中在使用单个能量谱或者两个能量谱的数据组合的情况下，通过分割来确定一个物质组合物的局部密度的空间分布。在此方面，可以对CT值使用下边界值及上边界值，或者也可以使用窗口。还可以选择对这样的分割进行ρ/z分解，例如像专利申请DE 101 43 131 A1中所介绍的那样，可能或者可以针对分割对采用不同能量谱拍摄的两个经再现的CT图像的CT值的比进行观察。现在可以利用对两种能量谱存在的投影数据以及此前确定的第一物质的物质厚度来确定另外两种物质被透射的物质厚度。这例如可以通过查找过程或者通过相应匹配的函数来实现。
随后将所有物质厚度在使用原则上任意的衰减系数的情况下反算成虚拟的伪单色衰减数据。通过选择假定的衰减系数，现在可以明显降低模糊效应。原则上这相当于一种非线性对比度降低，但这种降低不是应用于已完成的图像数据上的，而是应用于CT测量的原始存在的衰减数据。如果要在完成的图像中例如使原始分割的物质大反差地突出，那么可以将原始分割的图像与来自虚拟衰减数据的图像叠加，从而可以大反差地突出所分割的物质或者通过特殊的着色来标记该物质。如果所观察的物质或者物质组合物就其衰减系数具有足够明显的差别，以及每种单独的物质也是利用实际拍摄的衰减值来再现和分割的，则原则上存在这样的可能性，即还可以在每种单独的物质的多色显示中通过与从虚拟衰减数据中再现的图像叠加使得可以特别醒目地突出。
与这种基本设想相应，本发明人提出这种用于在X射线计算机断层造影中产生CT显示的本身公知的方法，其中对由具有不同吸收系数的N+1种物质或者物质组合物组成的对象、最好是患者，通过具有N≥2个不同能量谱的在空间上产生大量扫描射线的旋转的射线扇形进行扫描，并且从所测量的吸收数据中再现作为截面图像或作为立体数据的吸收系数的CT显示，在此，依据本发明至少实施下列方法步骤：
-从至少一个能量谱的吸收数据中再现第一CT显示，并且通过对第一物质或者第一物质组合物的吸收系数的认识来分割该第一物质或者第一物质组合物，
-对空间中的每条扫描射线，基于该第一CT显示确定该第一物质或者第一物质组合物的物质强度，
-对空间中的每条扫描射线，在考虑该第一物质的已知吸收的情况下，从不同能量谱的N条空间相同的扫描射线中确定N种其它物质或者物质组合物的物质强度，
-对空间中的每条扫描射线，利用新定义的吸收系数从N+1个已知的物质强度中计算出虚拟衰减值，以及
-利用该虚拟衰减值再现第二CT显示。
为降低模糊效应具有优点的是，新定义的吸收系数的数值范围小于所述N+1种物质或者物质组合物的吸收系数的数值范围。然而，这样选择数值间距彼此相同或者尽可能平衡的新定义的吸收系数也足以降低模糊效应。由此降低了物质过渡时的对比度，从而进一步降低了模糊效应。
原则上通过具有较小数值范围的吸收系数形成的CT显示的对比度较弱，从而使各种物质组合物在光学上被较差地突出。这种缺点例如可以通过将第二CT显示与分割后的第一CT显示相叠加产生第三CT显示来消除。
在依据本发明方法的一种特别的实施方式中，本发明人还提出，为确定N种不同物质或者物质组合物的物质强度，在第一物质的已知物质强度的基础上根据在至少一个查找表中提供的N个能量谱的吸收值来进行。在这种情况下查找表中缺少的中间值可以通过插值来确定。
这种查找表例如可以如下来确定：对物质厚度dM1，...，dMN+1的所有组合测量在能量谱S1，...，SN下的吸收A1，...，AN。然后对固定值dM1倒置映射F_dM1：(dM2，...，dMN+1)-＞(A1，...，AN)，这根据所有变量中的严格单调性是可能的。得出映射G_dM1：(A1，...，AN)-＞：(dM2，...，dMN+1)，利用其可以为物质厚度dM1和N个能量谱测量值计算其余的物质厚度dM2，...，dMN+1，并可以将其对固定的值dM1在每N个N维数据场中表格化。除了测量吸收外，还可以通过由计算机模拟的计算来确定映射F_dM1。
在此方面需要指出的是，通过上述这种伪单色合成还可以同时达到射线硬化校正的效果。
在依据本发明方法的另一种实施方式中，可以通过在考虑物质或者物质组合物的已知吸收系数的情况下根据能量谱，通过解具有N个吸收方程式和N个未知物质强度的方程组，来确定N种其它不同物质或者物质组合物的物质强度。
本发明人还提出，通过为吸收系数设置至少一个边界值来对第一物质或者第一物质组合物进行分割。该边界值可以是一个阈值，从而所有具有高于该边界值的吸收系数的图像值都被视为特定于物质的，或者还可以形成上边界值和下边界值，将其作为窗口设置，或者定义上边界值，从而所有低于该边界值的图像值都被视为是针对分割特定于物质的。
如果观察依据本发明方法的主要应用领域，即其中对患者进行扫描的CT血管造影，其中，患者就吸收系数来说基本上由类似于水的组织、含钙的骨骼或斑以及最好为含碘的造影剂组成，由此作为第一物质组合物基本上可视为钙、作为第二物质组合物基本上可视为碘而作为第三物质组合物基本上可视为水。
此外在CT显示中还提出，将至少一种物质或者一种物质组合物(Mx)与一种特定的颜色相对应，在此，为改善对于每个单个物质组合物的对比度，可以从原始CT数据中进行分割，从而随后可以进行与分割的CT数据的相应的图像叠加。
原则上所提出的方法适用于各种类型的CT机，其中，所使用的不同能量谱例如可以通过改变产生X射线辐射的射线管上的加速电压实现。还可以通过相应的中间滤波器来不同地硬化X射线，从而为扫描提供不同的X射线谱。对该实施方式可以使用具有唯一焦点/检测器***的CT机。也可以选择使用具有多个焦点/检测器***的CT机，其中，优选每个焦点/检测器***用于扫描不同的能量谱。例如，如果使用具有不同加速电压的双焦点/检测器***，那么可以通过不同的滤波将总计至少四个不同的能量谱用于扫描，在此可以将被扫描的对象分解成总计五种物质组合物。
需要指出的是，在本发明的框架内还包括在足够不同的物质吸收系数下通过初级分割将这些不同的物质本身分割，并在对被扫描对象中这些物质的位置和混合的认识的基础上利用具有N个不同能量谱的扫描还确定N+J种物质，其中，J相当于可在初级分解中分割的物质的数量。
附图说明
下面借助附图的优选实施例对本发明进行详细说明，其中，仅示出对理解本发明所需的特征。相同的部分在不同的附图中具有相同的附图标记，其中，这些附图标记具有下列意义：1：CT***；2：第一X射线管；3：第一检测器；4：第二X射线管；5：第二检测器；6：支架外壳；7：患者；8：患者检查床；9：***轴；10：控制和计算单元；11：第一能量谱S1的吸收数据；12：第二能量谱S2的吸收数据；13：用于分割的再现；14：分割；15：倒置再现(＝前向投影)；16：物质分解；17：数据合成；18：图像再现；19：CT图像I；20：叠加；21：叠加的CT图像I′；22：具有斑块和造影剂的血管；23：具有造影剂的血管；A′：虚拟吸收；Ay：能量谱Sy的吸收数据；dMx：物质Mx的物质强度；Mx：物质组合物x；Prg1-Prgn：计算机程序；Sy：能量谱。其中：
图1示出用于实施依据本发明方法的具有两个焦点/检测器***的计算机X射线断层扫描***的3D显示；
图2示出依据本发明方法的示意流程图；
图3示出采用附加叠加分割图像的依据本发明方法的示意流程图；以及
图4-8示出对依据本发明方法的图像拍摄的模拟。
具体实施方式
图1举例示出计算机X射线断层扫描***1，具有由第一X射线管2及相对的检测器3和第二X射线管4及相对的检测器5组成的两个焦点/检测器***。两个焦点/检测器***为实施依据本发明的方法可以采用不同的工作电压工作或者具有不同的滤波器附件。利用可移动的患者检查床8使患者7沿***轴9为检查而顺序或者连续地通过设置在支架外壳6内在此看不到的支架上的两个焦点/检测器***的射线路径移动，并通过两个具有不同能量谱的射线扇形来扫描。在此，与X射线管2、4相对设置的检测器3、5在整个能量范围上，也就是非特定于能量地采集X射线的衰减。CT***1通过控制和计算单元10进行控制，该单元内也进行包括依据本发明方法在内的数据收集和再现。为此使用反映依据本发明方法步骤的计算机程序Prg1-Prgn。
图2示出依据本发明方法的简单举例，其中使用通过小方框11和12示出的两种能量谱S1和S2，以便最好在CT血管造影中扫描对象，特别是患者。将通过能量谱S1记录的吸收数据A1输送到再现13。该再现在没有特别考虑所存在的图像噪声的情况下利用相对陡的滤波器实施，从而可以将所获得的图像数据输送到随后的分割14，其中对相当于第一物质或者第一物质组合物M1的CT图像值进行分割。
在分割的数据的基础上在步骤15中现在对空间中透射对象的每个射线确定所穿透的物质强度dM1。根据对这种物质强度dM1的认识现在可以在吸收A1和A2的基础上通过X射线谱S1或S2来确定，对空间中各所观察的X射线来说物质强度dM2和dM3有多高。为此例如可以使用查找表，该查找表通过测量三种物质的不同物质强度的吸收来记录，并通过对固定的dM1的倒置映射(dM2，dM3)-＞(A1，A2)来计算。因此在步骤16中作为结果得知物质强度dM2和dM3，其中，物质强度dM1已经从倒置的再现15中已知。从这些现在已知的物质强度dM1-dM3出发，在步骤17中赋予每种物质M1-M3一个虚拟的吸收系数μ1′-μ3′，从而在已知的物质强度的基础上可以为每条单个的扫描射线计算虚拟的吸收A′，其中A′＝μ1′*dM1+μ2′*dM2+μ3′*dM3。因此利用该方法可以计算虚拟投影，随后可以在步骤18中将其再现成CT图像数据或者CT立体数据。因为虚拟吸收系数可以自由选择，所以可以这样选择这些系数，使CT图像中出现的对比度跳跃适度，特别是碘与骨之间的这种跳跃，并由此大大降低了通过非常强的对比度跳跃和在再现时同时相对柔和的滤波产生的模糊效应。
因此产生在其灰度值标度方面与所选择的虚拟吸收系数相应的CT显示19。
因为这样的具有减小的吸收系数的分离的显示具有降低的对比度，所以本发明人还建议，附加地将在分割中获得的数据与再现的图像叠加，由此对所选择的物质或者物质组合物M1产生易于解释的显示。例如在图3中示出这种方法。该方法与图2的方法基本上相应，但在这种情况下为了再现在方法步骤13中对两个能量谱S1和S2相应于其所使用的剂量重量进行加权、组合并用于再现。具有优点的被证明是噪声优化的加权，其中，相应于数据S1和S2的剂量来选择它们的加权。步骤14中的分割和步骤15中随后的倒置再现保持不变，后面的方法步骤16、17、18和19同样保持不变。该方法中的新颖之处在于，在方法步骤14之后将经分割的图像在新的方法步骤20中与再现的图像19相叠加，并产生新的、就其对比度来说更强构成的CT图像21。因为在方法步骤14中的滤波比方法步骤18中的更加陡峭，所以这里大大减小了模糊效应，从而可以更高的精确性通过分割的图像来显示物质M1的实际强度。
图4-8举例示出本发明的方法在虚拟模型上的效果。这种虚拟模型在图4中示出并由圆柱体的水模型构成，其中设置了流通造影剂的两个血管22和23。左侧的血管22在该立体的一半上还具有钙化。图4的CT显示是采用常规的再现方法计算的。
图5示出在正常再现情况下该半边有斑块的左侧血管22的放大图。可以看到，由于模糊效应可以清楚识别放大的钙化体。
图6示出与图2和3中方法步骤14相应的分割的结果，其中可以看出界限清晰的半圆形钙分割。图7示出从图2和3的方法步骤18中再现的结果，其中，在这里为虚拟的吸收系数选择明显小于其实际存在的带宽。相应地血管也通过模糊效应得到不失真的放大。但可以看出，对于钙化的诊断来说，对比度-至少同这里所选择的虚拟吸收系数那样-并不够。因此在依据本发明的方法中将图6和图7进行叠加。图8示出这种叠加。这里现在显示出血管内存在的斑块的清晰界限，其中，该立体不是通过模糊效应放大并因此可以明显改善诊断。
总而言之，通过本发明提供了用于在X射线计算机断层造影中造影剂辅助产生CT显示的方法，其中降低了模糊效应，方法是在采用两种不同的能量谱S1和S2扫描对象时，将该对象分解成三种物质组合物M1、M2和M3，并且第一组合物M1及其物质强度dM1通过分割来确定。随后根据所测量的两个能量谱S1和S2的衰减值A1和A2为每条射线确定另外两种物质组合物M2和M3及其物质强度dM2和dM3并从这样得知的不同物质组合物M1、M2和M3的物质强度dM1、dM2、dM3中为各物质组合物M1、M2和M3构建具有虚拟吸收系数的虚拟吸收数据A′并用于再现所要制作的CT显示。
Claims (16)
1.一种用于在X射线计算机断层造影(CT)中产生CT显示的方法，其中，
1.1.对由具有不同吸收系数(μ1，μ2，μ3)的N+1种物质或者物质组合物(M1，M2，M3)组成的对象、最好是患者，通过具有N≥2个不同能量谱(S1，S2)的在空间上产生大量扫描射线的旋转的射线扇形进行扫描，以及
1.2.从所测量的吸收数据中再现作为截面图像或作为立体数据的吸收系数的CT显示，其特征在于，至少实施下列方法步骤：
1.3.从至少一个能量谱(S1，S2)的吸收数据中再现第一CT显示，并且通过对第一物质或者第一物质组合物(M1)的吸收系数(μ1)的认识来分割该第一物质或者第一物质组合物(M1)，
1.4.对空间中的每条扫描射线，基于该第一CT显示确定该第一物质或者第一物质组合物(M1)的物质强度(dM1)，
1.5.对空间中的每条扫描射线，在考虑该第一物质(M1)的已知吸收情况下，从不同能量谱(S1，S2)的N条空间相同的扫描射线中确定N种其它物质或者物质组合物(M2，M3)的物质强度(dM2，dM3)，
1.6.对空间中的每条扫描射线，利用新定义的吸收系数(μ1′，μ2′，μ3′)从N+1个已知的物质强度(dM1，dM2，dM3)中计算出虚拟衰减值，以及
1.7.利用该虚拟衰减值再现第二CT显示。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新定义的吸收系数(μ1′，μ2′，μ3′)的数值范围小于所述N+1种物质或者物质组合物(M1，M2，M3)的吸收系数(μ1，μ2，μ3)的数值范围。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过将所述第二CT显示与分割后的第一CT显示相叠加产生第三CT显示。
4.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，为确定N种其它不同物质或者物质组合物(M2，M3)的物质强度(dM2，dM3)，基于所述第一物质(M1)的已知物质强度(dM1)根据在至少一个查找表中提供的N个能量谱(S1，S2)吸收值来进行。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述查找表中缺少的中间值通过插值来确定。
6.按权利要求4或5所述的方法，其特征在于，通过利用所使用的能量谱(S1，S2)在所观察的物质或者物质组合物(M1，M2，M3)的不同物质强度(dM1，dM2，dM3)上的吸收测量来确定所述查找表。
7.按权利要求4或5所述的方法，其特征在于，通过计算所使用的能量谱(S1，S2)在所观察的物质或者物质组合物(M1，M2，M3)的不同物质强度(dM1，dM2，dM3)上的吸收来确定所述查找表。
8.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，通过在考虑物质或者物质组合物(M1，M2，M3)的已知吸收系数(μ1，μ2，μ3)情况下根据能量谱(S1，S2)，通过解具有N个吸收方程式和N个未知物质强度(dM2，dM3)的方程组，来确定N种其它不同物质或者物质组合物(M2，M3)的物质强度(dM2，dM3)。
9.按权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，通过为吸收系数设置至少一个边界值来对所述第一物质或者第一物质组合物(M1)进行分割。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，通过为吸收系数设置上边界值和下边界值来对所述第一物质或者第一物质组合物(M1)进行分割。
11.按前述权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，所述第一物质组合物(M1)基本上由钙(Ca)组成。
12.按权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，所述第二物质组合物基本上由碘(I)组成。
13.按权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，所述第三物质组合物基本上由水(H2O)组成。
14.按权利要求1至13之一所述的方法，其特征在于，在CT显示中将至少一种物质或者一种物质组合物(Mx)与一种颜色相对应。
15.按权利要求1至14之一所述的方法，其特征在于，所使用的不同能量谱(S1，S2)通过分离的焦点/检测器***产生。
16.按权利要求1至14之一所述的方法，其特征在于，所使用的不同能量谱(S1，S2)通过唯一的焦点/检测器***产生。
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