CN103824266B

CN103824266B - 具有增强噪声控制滤波的迭代重建

Info

Publication number: CN103824266B
Application number: CN201410119261.5A
Authority: CN
Inventors: J·耶; L·邵; Z·赵; M·K·德宾
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2026-08-21
Also published as: EP1934942A2; CN101292269A; EP3067864A1; WO2007034342A2; JP5091865B2; EP3067864B1; US20090232375A1; EP1934942B1; WO2007034342A3; JP2009510400A; US8208599B2; CN103824266A

Abstract

成像***(10)包括至少一个邻近受试者接收孔径(18)放置的辐射探测器(20)，用于探测来自受试者的辐射，接收该辐射并生成测得数据。图像处理器(38)迭代地将探测到的辐射重建为图像表示，在每次重建迭代中，图像处理器(38)至少对测得的数据和前一迭代图像表示的一部分之间的差应用降噪算法。

Description

具有增强噪声控制滤波的迭代重建

本申请是申请号为200680035257.4、名称为“具有增强噪声控制滤波的迭代重建”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及诊断成像***和方法。它认为与正电子发射断层摄影(PET)和单光子发射断层摄影(SPECT)***一起有特别应用，并将特别参考这些***进行描述。应当领会到的是，本发明也可应用于其它医学成像***，例如计算机断层摄影***(CT)等，以及非医学成像***。

背景技术

核医学成像使用放射性源对患者进行成像。典型地，将放射性药物注射到患者体内。放射性药物成分含有以可预测的速率和特征能量经历伽马射线衰减的放射性同位素。将一个或多个辐射探测器靠近患者放置，用于监测和记录发射出的辐射。有时，探测器围绕患者旋转或编制索引(index)，以从多个方向监测发射出的辐射。基于诸如探测到的位置和能量的信息，确定体内的放射性药物分布，并且重建分布的图像，以研究循环***、所选器官或组织中的放射性药物吸收等。

典型地，在迭代重建技术中，将图像数据的重建体积的估计值被正向投影到探测器的平面上。将正向投影的数据与测得的投影数据进行比较。如果重建图像的估计值很理想，那么这两种投影数据将相互匹配且没有差别。然而，在构建图像时，通常存在差别或误差。然后将该误差或其逆反向投影到图像体积以校正体积图像并且为下次迭代创建新的估计值。

典型地，迭代重建步骤继续进行直到测得的数据集和正向投影的数据集在可接受的误差范围内相互匹配。然而，尤其是在核医学中，存在噪声问题。即，测得的投影混杂有噪声并且正向投影也混杂有噪声。作为一个实际问题，该噪声绝对不会相互匹配。因此，迭代过程若运行太长时间，会开始退化重建的图像。一项技术是在重建期间的一点处对测得的数据进行滤波，或对重建图像进行滤波。尽管这样的滤波有助于降低图像中的噪声，但是它也降低图像分辨率。

本发明提供了一种新的改进的成像设备和方法，其克服了以上提及的问题及其它方面。

发明内容

根据一个方面，公开了一种成像***。该成像***包括至少一个辐射探测器，其被配置为探测来自受试者的辐射，接收所述辐射并生成测得的数据；以及图像处理器，其迭代地将探测到的辐射重建成图像表示，在每次重建迭代中，所述图像处理器至少对所述测得的数据和前一迭代图像表示的一部分之间的差异应用降噪算法。所述图像处理器包括正向投影器，其从图像存储器中正向投影所述前一迭代图像表示，其中对所述迭代图像表示进行迭代重建；比较器，其将经处理的正向投影迭代图像表示与经处理的测得投影数据进行比较，并且基于所述比较，确定差异数据；反向投影器，其将所述差异数据反向投影为重建的差异数据；数据更新器，其用所述重建的差异数据将所述前一迭代图像表示更新为重建的图像数据，第一数据操纵器，其使用第一降噪算法处理所述正向投影的迭代图像表示；以及第二数据操纵器，其使用第二降噪算法处理所述测得的投影数据，其中，通过使得所述第一降噪算法和所述第二降噪算法为相同类型的算法，所述第一降噪算法被配置为抵消所述第二降噪算法在所述差异数据上的模糊效应。

根据另一方面，公开了一种成像方法，其包括探测来自受试者的辐射；

生成测得的数据；以及迭代地将探测到的辐射重建为图像表示，在每次重建迭代中，至少对所述测得的数据和前一迭代图像表示的一部分之间的差异应用降噪算法，所述迭代地重建的步骤包括：从图像存储器(42)中正向投影前一迭代图像表示，其中对所述迭代图像表示进行迭代重建；使用第一降噪算法对所述正向投影的迭代图像表示进行处理；以及使用第二降噪算法对测得的投影数据进行处理；将经处理的正向投影迭代图像表示与经处理的测得投影数据进行比较；基于所述比较，确定差异数据，在所述差异数据中，所述第二降噪算法的模糊效应通过使得所述第一降噪算法和所述第二降噪算法为相同类型的算法而被抵消；将所述差异数据反向投影为重建的差异数据；以及用重建的差异数据对所述前一迭代图像表示进行更新。

根据另一方面，公开了一种图像处理器，其迭代地将输入图像数据重建为图像表示，所述图像处理器包括：正向投影器，其从图像存储器中正向投影前一迭代图像表示，其中对所述迭代图像表示进行迭代重建；第一数据操纵器，其使用第一降噪算法操纵所述正向投影的迭代图像表示；第二数据操纵器，其使用第二降噪算法操纵所述输入图像数据；比较器，其将经操纵的正向投影迭代图像表示与经操纵的输入图像数据进行比较，并且基于所述比较，确定差异数据；反向投影器，其将所述差异数据反向投影为重建的差异数据；以及数据更新器，其用所述重建的差异数据将所述前一迭代图像表示更新为重建的图像数据，其中，通过使得所述第一降噪算法和所述第二降噪算法为相同类型的算法，所述第一降噪算法被配置为抵消所述第二降噪算法在所述差异数据上的模糊效应。

一个优点在于在使降噪对原始数据的影响最小化的同时降低图像噪声。

另一个优点在于更好的图像分辨率。

对于本领域的技术人员，通过对以下优选实施例的详细描述的阅读和理解，本发明的其他优点和益处将变得显而易见。

附图说明

本发明可采用多种部件和部件布置的形式，以及多种步骤和步骤布置的形式。附图仅用于说明优选实施例，而不应理解为限制本发明。

图1是成像***的示意图；

图2是成像***中一部分的详细示意图；

图3是成像***另一部分的详细示意图；以及

图4是成像***又一部分的详细示意图。

具体实施方式

参照图1，核成像***10典型地包括支撑可旋转机架14的固定机架12。可旋转机架14携带的一个或多个探测头16用于探测从感兴趣区域或检查区域18发射出的辐射事件。或者，尤其是在PET扫描器中，该检查区域围绕有一圈固定探测器。每个探测头包括二维的探测器元件阵列或探测器20，例如闪烁器以及诸如光电倍增器管、光电二极管等的光敏元件。还预期有直接辐射信号到电信号的转换器，如CZT元件。每个头16包括电路22，该电路用于将每个辐射响应转换为表示其在探测面上的位置(x，y)及其能量(z)的数字信号。在具有名义上称作x和y坐标的二维(2D)直角坐标系中对事件在探测器20上的位置进行分辨和/或确定。然而，预期有其他坐标系。在一个实施例中，散射格栅和/或准直仪24控制方向和角度分布，探测器20的每个元件可通过该散射格栅和/或准直仪24接收辐射。尤其在SPECT扫描器中，探测器20限制接收只沿着已知射线的辐射。因而，探测器20上探测到辐射所确定的位置和照相机16的角度位置定义了沿其发生每一辐射事件的名义射线。

典型地，向待成像对象注射一种或多种放射性药物或放射性同位素，并将该对象放置在由床26所支撑的检查区域18中。这样的同位素的一些示例是Tc-99m、Ga-67和In-111。对象内部放射性药物的存在产生了来自对象的发射辐射。由探测头16探测辐射，探测头可围绕检查区域18进行角度编制索引或旋转，以在一个或多个选定的投影方向上收集投影发射数据。投影发射数据，例如围绕检查区域18的每个探测头16的位置(x，y)、能量(z)以及角度位置(θ)(例如，从角度位置分解器28获取)，被存储在测得数据存储器30中。

继续参照图1，如下面详细讨论的，图像处理器38在重建中不同的阶段经由降噪***或机构(mechanism)或装置40使用降噪算法迭代地重建3D图像。在一个实施例中，图像处理器38执行最大似然期望最大值算法(MLEM)。在准备重建过程的第一迭代中，通过将图像的假设或第一估计值载入存储器42而对图像存储器42进行初始化。图像估计值经常特征在于轮廓内部为统一数值而轮廓外部为零值。或者，附加的先验信息的可利用性允许第一估计值更精确。

继续参照图1并进一步参照图2，图像处理器38迭代地重建3D图像表示并将当前的图像迭代存储在图像存储器42中。每个重建迭代包括正向投影或变换操作和反向投影或变换操作。正向投影器或估计器50根据存储在图像存储器42中的当前图像迭代创建当前估计的投影数据52。降噪机构40的第一或估计数据操纵器54对估计的数据52进行修改或处理，以降低或消除估计数据52中的噪声。将修改的估计数据存储在修改的估计数据存储器56中。降噪机构40的第二或测量数据操纵器60对来自测量数据存储器30的测量投影数据进行修改或处理，以消除该测量投影数据中的噪声。将修改的测量投影数据存储在修改的测量数据存储器62中。比较器64将修改的测量投影数据与修改的估计数据沿着同一方向进行比较，以确定差或差异数据66。可选地，降噪机构40的第三或差数据操纵器70对差数据66进行修改或处理，以降低或消除差数据66中的噪声。将修改的差数据存储在修改的差数据存储器72中。向后投影器74向后投影修改的差数据72，以在向后投影或重建差图像存储器76中形成重建的差图像。可选地，降噪机构40的第四数据操纵器78对重建差图像存储器76中的重建差图像进行修改或处理，以降低或消除重建差图像中的噪声。图像更新器80使用重建差图像存储器76中的重建差图像对图像存储器42中的当前图像迭代进行更新。可选地，降噪机构40的第五或更新数据操纵器82对图像存储器42中的重建图像进行修改或处理，以降低或消除重建图像数据中的噪声。

结束确定准则处理器84确定何时停止迭代重建过程。如果差降到预选择水平之下，那么结束迭代重建步骤。可选地，降噪机构40的第六或最终数据操纵器86对最终的重建图像数据88进行修改或处理，以降低或消除最终的重建图像数据88中的噪声。将修改的最终重建数据存储在修改的最终重建图像数据存储器90中，该存储器可为与图像存储器42相同的存储器。可选地，从最终图像存储器中检索到的图像可根据适于诊断医师的研究和喜好进行滤波或操纵，例如平滑、边缘增强等。这样，使用最近更新的图像执行每一连续的迭代。

第一、第二、第三、第四、第五和第六数据操纵器的示例是能够进行数据操纵以改进信噪比的任何类型的处理器或算法，例如高通滤波器、低通滤波器、高斯滤波器、中值滤波器和汉宁滤波器。预期第一、第二、第三、第四、第五和第六数据操纵器中的所有或一些可为相同类型或不同类型的数据操纵器或滤波器，这取决于***特征。更具体到优选实施例，第一和第二数据操纵器应用匹配或对应的算法。其余的算法可不同或被消除。

视频处理器100从修改的最终重建图像存储器90中检索切片、投影、3D绘制和其它图像信息，并且合适地安排图像表示的格式以供在一个或多个人可观看的显示器上显示，例如视频监控器102、打印机、存储介质等。如果视频处理器在重建期间重复地检索所选择的图像信息，由于重建图像收敛于最终图像因此显示将随着每次迭代变得更清楚。

继续参照图2并进一步参照图3，在该实施例中，将可选的第三、第四、第五和第六数据操纵器70、78、82、86从降噪机构40中省略。仅对估计的投影数据和测得的投影数据经由相应的第一和第二操纵器54、60进行处理和操纵。一般地，MLEM迭代算法可表示为：

其中λⁿ是图像的当前估计值，

p_j是测得的投影数据，并且

w_ij是从图像空间的位置i发射出的光子被探测器在位置j探测到的概率。

用于双重数据操纵的MLEM迭代算法，其中使用第一和第二数据操纵器54、60，可表示为：

其中F₁{}表示对估计的投影数据进行滤波或处理或其它降噪操纵；并且F₂{}表示对测得的投影数据进行滤波或处理或其它降噪操纵。

在一个实施例中，将相同的降噪滤波器应用到测得的投影数据和估计的投影数据。对测得的投影数据应用滤波器有助于控制测得的投影数据中的噪声。在估计的投影数据中应用相同的滤波器易于抵消前一滤波器的模糊效应。

这样，通过应用双重滤波技术，将原始数据中的随机噪声和重建期间的处理噪声得到降低，并且同时将滤波对原始信号的影响降到最低。

继续参照图2并进一步参照图4，在该实施例中，将第四、第五和第六数据操纵器78、82和86从降噪机构40中省略。将测得的投影数据、估计的投影数据以及修改的测量投影数据与修改的估计投影数据之间的差数据经由第一、第二和第三数据操纵器54、60和70进行处理。

MLEM迭代算法，其中使用第三数据操纵器70处理差数据，可表示为：

其中F₃{}表示对差数据进行处理或滤波或其它降噪操纵。

用于三重数据操纵的MLEM迭代算法，其中使用第一、第二和第三数据操纵器54、60、70，可表示为：

其中F₁{}表示对估计的投影数据进行滤波或处理或操纵；

F₂{}表示对测得的投影数据进行滤波或处理或操纵；并且

F₃{}表示对差数据进行滤波或处理或操纵。

在一个实施例中，图像处理器38执行有序子集期望最大化算法(OSEM)。将测得的投影数据分成多个子集。第二数据操纵器60一次对一个数据子集进行修改或处理。

当然也预期图像处理器38执行其它备选算法，包括最大后验概率(MAP)、代数重建技术(ART)、迭代滤波反向投影(IFBP)和其它类似的迭代算法。

尽管通过参考3D重建进行了描述，但是以上的方法和设备也可应用于2D和1D图像复原，其中相同或不同的上述滤波器或数据操纵器的任何组合可用于在保存图像数据的同时降低或取消噪声。

本发明已通过参考优选实施例进行了描述。显然，当他人阅读并理解前述说明时将会想到修改和变更。本发明旨在被解释为包括落入随附权利要求或其等价物的范围内的所有这些修改和变更。

Claims

1.一种成像***(10)，包括：

至少一个辐射探测器(20)，其被配置为探测来自受试者的辐射，接收所述辐射并生成测得的数据；以及

图像处理器(38)，其迭代地将探测到的辐射重建成图像表示，在每次重建迭代中，所述图像处理器(38)至少对所述测得的数据和前一迭代图像表示的一部分之间的差异应用降噪算法，所述图像处理器(38)包括，

正向投影器(50)，其从图像存储器(42)中正向投影所述前一迭代图像表示，其中对所述迭代图像表示进行迭代重建；

比较器(64)，其将经处理的正向投影迭代图像表示与经处理的测得投影数据进行比较，并且基于所述比较，确定差异数据；

反向投影器(74)，其将所述差异数据反向投影为重建的差异数据；

数据更新器(80)，其用所述重建的差异数据将所述前一迭代图像表示更新为重建的图像数据，

第一数据操纵器(54)，其使用第一降噪算法处理所述正向投影的迭代图像表示；以及

第二数据操纵器(60)，其使用第二降噪算法处理所述测得的投影数据，

其中，通过使得所述第一降噪算法和所述第二降噪算法为相同类型的算法，所述第一降噪算法被配置为抵消所述第二降噪算法在所述差异数据上的模糊效应。

2.如权利要求1所述的***，其中，所述第一数据操纵器(54)和所述第二数据操纵器(60)被从如下组中选择：高通滤波器，低通滤波器，高斯滤波器，中值滤波器以及汉宁滤波器。

3.如权利要求1所述的***，其中，所述图像处理器(38)还包括差异数据操纵器(70)，其在使用降噪算法进行所述反向投影之前处理所述差异数据。

4.如权利要求1所述的***，其中，所述图像处理器(38)还包括：

第四数据操纵器(78)，其使用降噪算法处理所述重建的差异数据。

5.如权利要求1所述的***，其中，所述图像处理器(38)还包括降噪机构(40)，其包括以下中的至少一个：

第三数据操纵器(70)，其在进行所述反向投影之前使用第三降噪算法处理所述差异数据；

第四数据操纵器(78)，其使用第四降噪算法处理所述重建的差异数据；以及

第五数据操纵器，其在进行更新之后使用第五降噪算法处理所述重建的图像数据。

6.如权利要求1所述的***，所述探测器(20)是以下至少一个中的部件：

PET扫描器；

SPECT扫描器；以及

CT扫描器。

7.一种成像方法，包括如下步骤：

探测来自受试者的辐射；

生成测得的数据；以及

迭代地将探测到的辐射重建为图像表示，在每次重建迭代中，至少对所述测得的数据和前一迭代图像表示的一部分之间的差异应用降噪算法，所述迭代重建的步骤包括：

从图像存储器(42)中正向投影前一迭代图像表示，其中对所述迭代图像表示进行迭代重建；

使用第一降噪算法对所述正向投影的迭代图像表示进行处理；以及

使用第二降噪算法对测得的投影数据进行处理；

将经处理的正向投影迭代图像表示与经处理的测得投影数据进行比较；

基于所述比较，确定差异数据，在所述差异数据中，所述第二降噪算法的模糊效应通过使得所述第一降噪算法和所述第二降噪算法为相同类型的算法而被抵消；

将所述差异数据反向投影为重建的差异数据；以及

用重建的差异数据对所述前一迭代图像表示进行更新。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一降噪算法和所述第二降噪算法被从如下组中选择：高通滤波器，低通滤波器，高斯滤波器，中值滤波器以及汉宁滤波器。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述迭代重建的步骤还包括在进行反向投影之前使用降噪算法对所述差异数据进行处理。

10.如权利要求7所述的方法，其中，所述重建步骤还包括：

使用降噪算法对所述重建的差异数据进行处理。

11.如权利要求7所述的方法，其中，所述重建步骤包括：

将每个迭代图像表示与结束准则进行比较；

响应于满足所述结束准则，终止所述迭代重建；以及

使用降噪算法对最终的迭代图像表示进行处理。

12.如权利要求11所述的方法，其中，不对所述最终的迭代图像表示进行滤波。

13.如权利要求7所述的方法，其中，在迭代地将探测到的辐射重建为图像表示中应用的迭代重建为：

λ^{n + 1} = λ^{n} \frac{\underset{j}{Σ} w_{i j} \frac{F_{2} {p_{j}}}{F_{1} {\underset{1}{Σ} w_{1 j} λ^{n}}}}{\underset{j}{Σ} w_{i j}}

其中F₁{}表示对所述正向投影迭代数据进行滤波或处理或其它降噪操纵；以及

F₂{}表示对所述测得的数据进行滤波或处理或其它降噪操纵；

λⁿ是针对第n次迭代的图像表示的估计值；

P_j是所述测得的投影数据；

W_ij是从图像空间的位置i发射的光子被所述探测器在位置j处探测到的概率。

14.一种图像处理器(38)，其迭代地将输入图像数据重建为图像表示，所述图像处理器包括：

正向投影器(50)，其从图像存储器(42)中正向投影前一迭代图像表示，其中对所述迭代图像表示进行迭代重建；

第一数据操纵器(54)，其使用第一降噪算法操纵所述正向投影的迭代图像表示；

第二数据操纵器(60)，其使用第二降噪算法操纵所述输入图像数据；

比较器(64)，其将经操纵的正向投影迭代图像表示与经操纵的输入图像数据进行比较，并且基于所述比较，确定差异数据；

反向投影器(74)，其将所述差异数据反向投影为重建的差异数据；以及

15.如权利要求14所述的图像处理器，其中，所述图像处理器(38)还包括第三数据操纵器(70)，其在进行所述反向投影之前使用降噪算法操纵所述差异数据。

16.如权利要求14所述的图像处理器，其中，所述图像处理器(38)还包括：

第四数据操纵器(78)，其在进行所述反向投影之后使用降噪算法操纵所述重建的差异数据。