CN1161713C - 计算机x-射线断层透视***中用于螺旋图像重构的方法和设备 - Google Patents

计算机x-射线断层透视***中用于螺旋图像重构的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明，一般地讲，是为螺旋扫描所需的投射数据提供图象重构的***。更明确地讲，***为螺旋扫描投射数据实现了增量重构算法，该算法不必为生成每一幅图像而对上述投射数据进行滤波，加权和反向投射。特别是，过扫描加权算法生成施加于投射数据以便生成基本图像投射数据的加权因子。更新加权算法生成施加于基本图像投射数据以便生成后续图像投射数据的更新加权因子。

Description

计算机x-射线断层透视***中用于螺旋图像重构的方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及计算机x-射线断层(CT)成像技术，更明确地讲是涉及CTx-射线透视***中的图像重构。
背景技术
在至少一种已知的CT***配置中，x-射线源投射出扇形线束，该线束经准直后处于笛卡儿坐标***的X-Y平面内，一般称之为“像平面”。x-射线线束穿透待成像的物体，例如患者。线束在经物体衰减之后射到辐射检测器阵列上。检测器阵列接收到的衰减线束的辐射强度取决于物体对x-射线线束的衰减。阵列的每一个检测器单元产生独立的电信号，该信号是在检测器位置上对线束衰减程度的度量。来自所有检测器的衰减度量分别用来产生透射断层图形。
在已知的第三代CT***中，x-射线源和检测器阵列在像平面内与门式台架一起绕待成像物体旋转，因此x-射线线束切入物体的角度总是在变化的。一组以一个门式台架角度对来自于检测器阵列的x-射线衰减的度量，即投射数据，称为一幅“视图(view)”。物体的一次“扫描”包括在x-射线源和检测器的一次转动过程中以不同的门式台架角度或视角获得的一组视图。在轴向扫描中，投射数据经处理构成一幅与贯穿物体的二维断层相对应的图像。从一组投射数据重构图像的一种方法在本领域中称为滤波反向投射技术。该处理过程把来自扫描过程的衰减度量转换为被称作“CT数”或“Hounsfield单元”的整数，该数字用于控制阴极射线管显示器上的相应像素的亮度。
已知某些重构过程步骤会在图像中产生噪声结构。例如，在“运动(cine)”扫描中，即在患者保持静止的同时获取预定断层号数据的扫描过程，欠扫描加权(“USW”)技术用于降低在扫描过程中由于患者组织的移动而产生的移动赝像。欠扫描加权算法一般是把搜集到的数据作为视角和检测器通道指数的函数来进行加权。明确地讲，在滤波反向投射之前，数据根据作为视角和检测器角度函数的螺旋加权因子进行加权。特别是，对投射数据首先被滤波，然后被加权，接着被反向投射以生成各幅图像。
为了降低总扫描时间，可以执行“螺旋”扫描。为了执行“螺旋”扫描，可以使患者移动，同时获取预定断层号的数据。该***由一个扇形线束螺旋扫描过程生成单个的螺旋线结构。由扇形线束影射出的螺旋线结构产生投射数据，根据此数据可以重构各个预定断层的图像。
螺旋扫描重构算法一般地使用螺旋加权(“HW”)算法，该算法把搜集到的数据作为视角和检测器通道指数的函数进行加权。明确地讲，在滤波反向投射之前，根据螺旋加权因子对数据进行加权，该因子是视角和检测器角度的函数。与利用欠扫描加权一样，在HW算法中，对投射数据进行滤波、加权、并反向投射以生成各幅图像。
在运动扫描和螺旋扫描中，对相同的投射数据重复地进行滤波、加权和反向投射，尽管总是被赋予相同的加权。例如，投射数据P1可以用w1加权以生成第一幅图像I1，还可以用w1加权以生成图像I2。然而，只有对投射数据P1进行再滤波、再加权和再反向投射，才能生成第二幅图像I2。欠扫描加权算法和螺旋加权算法都需要图像I1和I2分别独立地由投射数据P1生成。因此，在欠扫描加权算法和螺旋加权算法中出现显著的计算冗余。
改进图像生成的某些方面的重构技术是已知的。例如，过扫描加权用于降低与利用投射数据重构叠盖图像有关的计算冗余。特别是，在过扫描加权中，搜集到的投射数据只作为视角的函数进行加权。因此，在没有消除计算冗余的情况下，过扫描加权降低了图像重构所需的计算量。此外，已知过扫描加权可以降低在360度的CT扫描过程中由于患者移动而产生的移动赝像。患者的移动使在投射开始和结束时的视图不一致和不连续。然而，尽管过扫描加权可以有效地降低移动赝像，但过扫描加权还可能在终级图像中产生噪声结构，并使图像质量恶化。在螺旋扫描中，由过扫描加权产生的图像恶化一般是十分严重的，因此在螺旋扫描中应避免使用过扫描加权技术。
在CTx-射线透视***中(“CT透视”)，已知的是生成连续帧图像。一帧，如同一幅视图，对应于一幅贯穿待成像物体的二维断层。特别是，以帧速率处理投射数据以构成物体的图像帧。一般情况下，不对投射数据加权可以增加帧速率。然而，已知未加权的投射数据在生成的图像中会产生显著的阴影和条纹。为了降低这种阴影和条纹，可以使用螺旋加权算法加权对相应于每个帧的投射数据。然而，对投射数据的过滤、加权和反向投射愈频繁，帧速率愈低。帧速率受限于CT透视***的计算能力。
发明内容
因此，本发明的目的是，在螺旋扫描图像重构中，降低计算的冗余性。还期望的是促进赝像的降低，并在CTx-射线透视螺旋图像重构中，在降低赝像和帧速率间提供合理的折衷。
这些和其它目的可以在一种***中实现，该***在一个实施方案中对螺旋扫描投射数据使用了增量重构算法，该算法不需要对生成各幅图像的全部投射数据进行滤波、加权和反向投射。特别是，根据本发明的一个实施方案，过扫描加权算法生成施加于投射数据以便生成基本图像投射数据的加权因子。对于后续图像，基本图像投射数据用于生成图像数据。明确地讲，更新加权算法生成施加于基本图像投射数据以便生成后续图像投射数据的更新加权因子。
利用上述的增量重构算法能够由螺旋扫描数据重构后续图像，而不需要独立地生成每一幅图像。此外，在CT透视螺旋图像重构中，还降低了生成图像的计算成本和在CT透视螺旋成像重构中产生图像的费用。该算法还降低了处理时间，并在降低赝像和帧速率之间提供了合理的折衷。另外，可以相信，该图像算法不会显著地降低图像质量。
附图说明
图1是CT成像***的图解视图。
图2是示于图1的***的框图。
图3a是根据本发明的一个实施方案，示例了用于生成第一幅图像的过扫描加权因子与视角的关系曲线。
图3b是根据本发明的一个实施方案，示例了用于生成第二幅图像的过扫描加权因子与视角的关系曲线。
图3c是根据本发明的一个实施方案，示例了用于生成第二幅图像的更新加权因子与视角的关系曲线。
具体实施方式
参照图1和图2，计算机x-射线断层(CT)成像***10显示为包括代表“第三代”CT扫描机的门式台架12。门式台架12具有一个x-射线源14，射线源把一束x-射线16投射到门式台架12相对边上的检测器阵列18上。检测器阵列18由检测器单元20构成，这些单元共同检测透射过医疗患者22的投射x-射线。每个检测器单元20产生表示照射x-射线线束强度的电信号，并因此表示了在它透射患者22时线束的衰减程度。在获取x-射线投射数据的扫描过程中，门式台架12和安装于其上的元件绕转动中心24转动。
门式台架12的转动和x-射线源14的操作受CT***10的控制机构26控制。控制机构26包括为x-射线源14提供能量和定时信号的x-射线控制器28和控制门式台架12的转动速度和位置的门式台架电机控制器30。控制机构26中的数据获取***(DAS)32对来自检测器单元20的模拟量数据进行采样，并把数据转换为供后续处理用的数字信号。图像重构器34接收来自DAS 32的取样数字化x-射线数据，并进行高速图像重构。重构图像作为在大容量存储设备38中存储图像的计算机36的输入施加。
计算机36还通过具有键盘的控制台40从操作者处接收命令和扫描参数。辅助阴极射线管显示器42允许操作者从计算机36观察重构的图像和其它数据。操作者提供的命令和参数被计算机36用来向DAS32、x-射线控制器28和门式台架电机控制器30提供控制信号和信息。另外，计算机36控制工作台电机控制器44，该控制器控制电动工作台46把患者22放置于门式台架12内。特别是，工作台46把患者22部分移过门式台架孔48。
已知螺旋重构算法一般可以分为螺旋外差(HE)算法和螺旋内差(HI)算法。为了重构图像，这些算法通常对投射数据施加加权因子。该加权因子通常是基于，即取决于，扇形角度和视角。虽然HE和HI算法通常能够提供可接受的图像质量，但该算法有了显著的计算冗余，并且在对重构速度有严格要求时需要很高的硬件花消。例如，几乎所有用于生成原始图像的投射必须经过再加权、再滤波和再反向投射以便生成甚至只是转动部分的一小部分的新图像。特别是，甚至于在后续图像的投射发生显著重叠的位置上，为在每次门式台架转动中生成n幅图像，n倍的生成单幅图像所需的计算量为在门式台架转动过程中所需的计算量。
下面对过扫描加权算法和更新加权算法的讨论常常是明确地指利用螺旋扫描或移动扫描的CT透视***。然而，过扫描加权算法和更新算法并不局限于在该***中使用，可以用于其它CT***。此外，在一个实施方案中，过扫描加权算法和更新算法可以用于计算机36，例如，可以处理存储在大容量存储设备38中的数据。当然，许多其它的应用也是可能的。
根据本发明的一个实施方案，过扫描加权用于为基本图像生成基本图像数据。明确地讲，为生成基本图像，门式台架12转动的角度为一周加上视角β0，即转动范围为(0，2π+β0)，以便获取投射数据。角度β0表示在螺旋扫描过程中门式台架转动得超过360°的角度。然后，在螺旋扫描过程中获取的滤波投射数据利用过扫描加权算法加权。过扫描加权算法把加权因子w(β)施加给在不同视角β获取的投射数据。在一个实施方案中，加权因子w(β)是：
w(β)＝3x2(β)-2x3(β)，                         (1)
其中：
       β/β0                 0≤β≤β0
x(β)＝1                       β0≤β≤2π      (2)
       (2π+β0-β)/β0      2π≤β≤2π+β0
其中，β为视角；
β0为在螺旋扫描过程中超过360°的门式台架转动角度；
x(β)为加权函数；和
w(β)为相应于视角β的过扫描加权因子。
每一个生成的加权因子施加于投射数据以便为基本图像生成基本图像投射数据。特别是，把滤波投射数据和生成的加权因子相乘，然后反向投射。
然后，把更新加权因子施加于基本图像投射数据以便生成后续图像。特别是，为后续图像的第一次投射选定视角ξ。对后续图像有贡献的投射数据处于(ξ，2π+ξ+β0)范围内。通过执行更新加权算法，生成基于各个视角β的更新加权因子和在范围(ξ，2π+ζ+β0)内的过扫描加权因子w(β)。明确地讲，更新加权算法决定了施加给先前经滤波、加权和反向投射的基本图像投射数据的更新加权因子，这样，不需要对所有的基本图像投射数据进行再滤波、再加权和再反向投射就可以生成后续图像。
例如，图3a是根据本发明的一个实施方案示例了用于生成第一幅图像的过扫描加权因子与视角的关系曲线。图3b是示例了用于生成后续图像的过扫描加权因子与视角的关系曲线，其中后续图像从视角ξ开始。特别是，ξ表示后续图像的第一次投射所处的视角，曲线示例了为生成后续图像而施加给投射数据的加权。图3c是根据本发明的一个实施方案示例了用于生成后续图像的更新加权因子与视角的关系曲线。如图所示，更新加权因子对应于施加于基本图像投射数据的过扫描加权因子和施加于相同的后续图像投射数据的过扫描因子间的差异。因此，更新加权因子直接施加于先前经滤波和加权的基本图像投射数据(图3a)，以便生成该投射数据(图3b)对后续图像的适当贡献。
如图3c所示，对于范围(ξ+β0，2π)内的投射数据，过扫描加权因子对于第一幅和后续图像是相同的。因此，更新加权算法在该范围内生成的加权因子的值为零。明确地讲，先前经滤波、加权和反向投射的基本图像投射数据只是简单地被重新用来生成后续图像。相反的是，施加于范围(0，ξ+β0)和(2π，2π+ξ+β0)内的投射数据的过扫描加权因子对于第一幅图像和后续图像是不同的。因此，更新加权算法在这些范围内生成非零更新加权因子。更加明确地讲，更新加权算法生成更新加权因子，该因子在施加于基本图像投射数据时，对基本图像投射数据重新进行加权，这样，依据过扫描加权因子，基本数据对后续图像的贡献示例于图3b。然而，不必再对这种基本投射数据图像进行滤波。因此，未经对先前获取的基本图像投射数据进行再滤波、再加权或再反向投射就可以生成后续图像的基本部分。相应地，略去了大量的滤波、相乘和反向投射过程，由此提高了***的计算效率。更加明确地讲，需要经滤波后生成后续图像的投射数据只是先前为生成基本图像投射数据而未经滤波的投射数据。如图3c所示，不存在大量的数据。
更新加权算法根据是ξ＜β0还是ξ≥β0而变化，特别是，f(β)表示区域(0，β0)的过扫描加权，那么在ξ≥β0时，用于生成第k幅图像(其中k＝0表示基本图像)的更新加权因子F(β)为：
Figure C9712002500121
在ξ＜β0时，用于生成第k幅图像的更新加权因子F(β)为：
Figure C9712002500122
然后，加权因子F(β)施加于投射数据以便生成图像。
作为一个明确的例子，其中β0＝ξ＝π/4，只有在视角范围(2.25π，2.5π)内的123附加视图(984之外)经滤波后生成后续图像。在范围(0，0.5π)和(2π，2.5π)范围内的视图只需用更新加权因子再加权，并再次反向投射。此外，由于范围(0，0.5π)和(2π，2.5π)内的视图不在一次转动之内，可以在滤波和反向投射之前首先进行加权投射。然而，范围(0.5π，2π)内的视图既不需要再滤波、再加权，也不需要再反向投射。因此，只需对大约1/8的投射数据组进行滤波，只需对大约1/4的视图进行反向投射以便获得后续图像。
上面的β0和ξ的值均为π/4。然而，β0和ξ可以具有其它值，并不需要具有相同值。类似地，例如，β0和ξ的值可以选定并存储在计算机36中。另外，当然，该值可以在图像质量评估的最后阶段选定。
β0的值与CT透视***的计算效率和图像质量紧密相关。特别是，较小的β0值一般可提供较高的计算效率，因为需要滤波的视图数目和需要反向投射的视图数目直接与β0有关。然而，如果β0过小，将会降低CT透视***对赝像的抑制能力，由此降低了图像质量。
另外，ξ与所需的CT透视***的帧速率密切相关。特别是，帧速率越高，ξ值越小。然而，如果选择了十分高的帧速率，例如24帧每转，ξ值将十分地小，降低了计算效率。因此，β0和ξ的值可以进行修改以便在图像质量和计算效率间进行折衷。
类似地，根据已知的螺旋加权算法，更新加权算法可以用于折衷计算效率和图像质量。特别是，可相信的是，只要在CT透视***的z方向满足恩奎斯特(Nyquist)采样定理，在螺旋加权算法中使用的图像空间内差就不会降低图像质量。
上述算法便于提高计算效率，而不会在CT透视***的图像重构中显著降低图像质量。该算法还可以降低处理时间，并在减少赝像和帧速率间提供合理的折衷。
根据上面对本发明各种实施方案的描述，很明显的是实现了发明目的。尽管已经详细地描述和示例了本发明，应当理解的是这仅仅是说明和举例，而不是限制性的。例如，这里所述的CT***是CT透视***。可以使用许多其它的CT***。类似地，在此描述的β和ξ的值可以在图像质量评估的最后阶段选定，任何一个或所有的这些值可以预先选定并存储在计算机中。此外，所述的过扫描加权由线性函数，即w(β)正比于β，决定。然而，过扫描加权也可以由非线性函数或其它的线性函数生成。另外，根据螺旋扫描描述了本发明，本发明也可以用于移动扫描。相应地，本发明的精神和范围只受附属权利要求的条款的限制。

Claims (14)

1.一种利用在扫描过程中获得的投射数据产生物体的基本x-射线断层扫描图像和后续x-射线断层扫描图像的***，包括x-射线源和检测器阵列，所述检测器阵列包括多个检测器，所述x-射线源将一束x-射线投向所述检测器阵列，所述检测器阵列搜集投射数据，所述***包括：
向投射数据施加过扫描加权算法以便生成基本图像投射数据的装置；
判定后续图像视角的装置；和
利用判定的后续图像视角、向基本图像投射数据施加更新加权算法以便生成后续图像投射数据的装置。
2.根据权利要求1的***，其特征在于过扫描加权算法是：
w(β)＝3x2(β)-2x3(β)，
其中：
Figure C971200250002C1
β为视角；
β0为在螺旋扫描过程中超过360°的门式台架转动角度；
x(β)为加权函数；和
w(β)为相应于视角β的过扫描加权因子。
3.根据权利要求1的***，其特征在于更新加权算法F(β)为：
其中≥ξβ0，和
Figure C971200250003C1
其中ξ＜β0；和
其中：
β为视角；
β0为在螺旋扫描过程中超过360°的门式台架转动角度；
k为编号的生成图像；
f(β)为区域(0，β0)内的过扫描加权；和
ξ为后续图像视角。
4.根据权利要求3的***，其特征在于ξ＝π/4。
5.根据权利要求3的***，其特征在于β0＝π/4。
6.根据权利要求3的***，其特征在于还包括具有存储器的计算机，其中ξ和β0的值存储在存储器中。
7.根据权利要求1的***，其特征在于，至少X射线源和检测器其中之一安装在转动的门式台架上，所述***还包括合并在同一次门式台架转动内分开的投射数据。
8.一种利用在CT***的扫描过程中获得的投射数据重构物体图像的方法，CT***具有投射x-射线的x-射线源和搜集投射数据的检测器阵列，该检测器阵列包括多个检测器，该方法包括以下步骤：
向投射数据施加过扫描加权算法以便生成基本图像投射数据；
判定后续图像视角；和
利用判定的后续图像视角、向基本图像投射数据施加更新加权算法以便生成后续图像投射数据。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于过扫描加权算法是：
w(β)＝3x2(β)-2x3(β)，
其中：
Figure C971200250004C1
β为视角；
β0为在螺旋扫描过程中超过360°的门式台架转动角度；
x(β)为加权函数；和
w(β)为相应于视角β的过扫描加权因子。
10.根据权利要求8的方法，其特征在于更新加权算法F(β)为：
Figure C971200250004C2
其中ξ＝＞β0，和
其中ξ＜β0；和
其中：
β为视角；
β0为在螺旋扫描过程中超过360°的门式台架转动角度；
k为编号的生成图像；
f(β)为区域(0，β0)内的过扫描加权；和
ξ为后续图像视角。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于ξ＝π/4。
12.根据权利要求10的方法，其特征在于β0＝π/4。
13.根据权利要求10的方法，其特征在于所述CT***还包括具有存储器的计算机，所述方法还包括为ξ和β0选值的步骤，并把选定的ξ和β0值存储在计算机存储器中。
14.根据权利要求8的方法，其特征在于，在所述CT***中至少X射线源和检测器其中之一安装在转动的门式台架上，所述方法还包括合并在同一次门式台架转动内分开的投射数据的步骤。
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