CN117425918A - 用于ct重建的方法 - Google Patents

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Abstract

一种对使用双X射线焦斑采集法采集的锥形束投影数据进行预处理的方法，其中，投影数据是在CT扫描器关于身体的一系列角位置上采集的，并且其中，随着所述扫描器绕所述身体沿轨道旋转，交替激活至少两个角度间隔的X射线源(焦斑)。所述预处理涉及对从第一焦斑和第二焦斑到位于所述第一焦斑和第二焦斑之间中途的新虚拟采样点的所述投影数据进行重采样。

Description

用于CT重建的方法
技术领域
本发明涉及一种用于X射线计算机断层摄影图像重建的方法，尤其是锥形束X射线CT图像重建。
背景技术
常规的计算机断层摄影(CT)扫描器包括安装在可旋转机架上与一个或多个集成探测器相对的X射线辐射发生器。X射线发生器围绕位于X射线发生器与一个或多个探测器之间的检查区域旋转，并发射穿过检查区域和被设置在所述检查区域中的对象和/或物体的(通常为多色的)辐射。一个或多个探测器探测穿过检查区域的辐射，并生成指示检查区域以及被设置于其中的对象和/或物体的信号(或投影数据)。投影数据是指原始探测器数据。
重建器通常还用于处理投影数据并重建对象或物体的体积图像。体积图像由多个横断面图像切片组成，每个横断面图像切片都是通过对断层摄影重建的处理(例如通过应用滤波反投影算法)根据投影图像生成的。所重建的图像数据实际上是对原始投影数据的逆拉东变换。
人们重新对在CT领域存在着构建具有非常大覆盖范围的***产生了兴趣，例如覆盖范围为16cm。会从这样的***受益的两个主要的临床应用是轴向心脏CT和脑灌注，无需来回移动患者。
轴向扫描意味着在其中对象在由可旋转机架围绕的扫描区域内保持静止并且机架绕静止的患者沿轨道旋转的扫描。轴向“全面扫描”意味着在其中在X射线源围绕正被扫描的身体作完整360度旋转下采集数据的扫描。轴向“短扫描”意味着在其中针对X射线源小于完整360度旋转采集数据的扫描。短扫描常常可以用于在其中运动伪影可能是个问题的应用，例如当成像器官经历运动时，例如心脏或肺，或是由于器官而运动的其他物体，例如肝。
为了改善所采集的CT图像的分辨率，一种CT扫描常见模式采用锥形束X射线源和2D探测器阵列。锥形束X射线源生成实际上具有矩形横截面的X射线束，即，射束在x和y方向具有扇形角度。它与包括多个行(2D阵列)的X射线探测器组合使用。锥形束几何的使用导致对得到的投影数据进行重建的更为复杂方法。
锥形束CT中常见的困难是满足所谓的数据充足条件(DSC)，不满足该条件可能导致重建图像中的锥形束伪影。特别是，即使是全面扫描轴向采集也不能提供用于精确重建的充足数据。这被称作轴向CT中的缺失数据问题。缺失数据问题的根本原因在于以下事实，由锥形X射线束沿圆形源轨迹的数据采集不能覆盖源轨迹绕其运行的3D物体区域中的每个数据点。
缺失数据问题可以通过考虑拉东空间中的采集平面来理解。所有的重建技术都至少涉及一种对采集的测量数据的有效逆拉东变换。特别是，要被重建的3D物体可以通过球坐标系中的对象函数f(r)来表示。f(r)的3D X射线变换被定义为沿线L的积分：
其中，r0指代连接线L中的点与坐标系的原点的向量，并且k是方向平行于线L的方向的单位向量。
3D对象函数的拉东变换能够被定义为：
对3D对象函数的拉东变换是在由范数n和离原点O的距离ρ共同确定的平面上的积分，并且这样的平面被称为拉东平面，其范数在球坐标中被定义为：
图1示意性地描绘了基于2D探测器阵列14上的测量数据来对对应于拉东平面12(拉东空间里的平面)的数据的采集。
理论上，如果拉东域中的全部信息都已知，则可以使用3D逆拉东变换从Rf(r)重建3D对象函数f(r)。本领域技术人员将了解逆拉东变换的公式。
因此，从拉东空间的视点看，随着锥形束扫描器围绕3D对象沿轨道旋转，其在拉东平面的圆圈形体积内采集数据。这在图2(a)中针对在其中源在位于z＝0的xy平面里旋转的采集得到图示。
可以看出，即使是围绕对象的整个360°旋转，在拉东空间中z轴附近仍有缺失数据(数学上被称作零空间)的区域。在全面旋转扫描中，如图2(a)中所示，在z轴附近存在锥形的零空间。
在180°旋转的轴向扫描中，缺失的数据位于楔形区域，如图2(b)中所图示。图2(c)示出了针对轴向短扫描(180°加扇形角度)所采集的拉东平面。再一次存在楔形缺失数据，这次(仅)在xy平面闭合。
在每种情况下，除了缺失数据以外还存在冗余数据(即，拉东域中拉东平面交叠或交叉的位置)。
已开发出能够基于不完整的数据以稳定方式重建3D图像的算法。一种针对原型轨道广泛使用的算法是Feldkamp、Davis和Kress(FDK)算法(L.A.Feldkamp、L.C.Davis和J.W.Kress，“Practical cone-beam algorithm”，J.Opt.Soc.Am.1，第612-619页，1984年)。这是对常用的2D滤波反投影针对扇形束数据到3D域的相对简单的拓展(以适应锥形束投影)。
针对全面扫描轴向采集，针对被测量的拉东空间中的每个点都采集两个冗余测量结果。该均质采样使得相对容易地使用FDK算法进行正确的重建。
然而，针对轴向短扫描重建(例如，针对心脏CT成像)，拉东空间包含较大量的非测量区域，并且同时，冗余测量的数据的区域不同于测量数据的区域。因此，需要应用专用的冗余补偿算法。医学CT中的当前标准是将使用圆柱形探测器在锥形束几何学中本地采集的数据重分箱到所谓的楔形几何学(楔形重分箱)。重分箱是指将数据重采样到不同的、更方便的几何学的过程。楔形重分箱是对2D中平行束重分箱的3D模拟。通过启发式地将已知的过扫描方法从2D CT调整到3D CT，来执行冗余加权。楔形重分箱算法的范例在文件US6104775A中得到详细概述。
然而，楔形重分箱导致仅为近似的重建，伪影在得到的图像数据中仍会发生。
本领域还已知能够正确利用全部测量数据的方法，即该方法能够执行精确重建的方法，具有完全准确的冗余加权。该算法可以被应用于任意采集几何学，包括轴向全面扫描、轴向短扫描以及螺旋扫描。由Defrise和Clack提出的移变滤波方法就是这样一种方法，并且在该文章中得到概述：Defrise和Clack，IEEE Transaction on Medical Imaging，13(1)，1994。该方法由Schomberg在以下文章中进一步发展：H.Schomberg，Proceedings ofthe Fully 3D conference 2005，Salt Lake City，第184页。该方法被称作Defrise-Clack-Schomberg(DCS)方法。
遵循相同原理的另一范例重建算法也在Kudo和Saito的以下文章中得到详细描述：“Derivation and implementation of a cone-beam reconstruction algorithm fornonplanar orbits”，IEEE Trans Med Imaging，1994；13(1)：196-211.
图3示出了16cm CT扫描机使用不同的扫描和重建法的图像重建结果。图3(a)示出对利用轴向短扫描采集的投影数据应用楔形重建算法的重建结果。图3(b)示出对利用轴向全面扫描采集的投影数据应用频率分割算法的重建结果，并且图3(c)示出对利用轴向短扫描采集的投影数据应用Defrise-Clack-Schomberg(DCS)方法的重建结果。频率***楔形重建方法例如在文件WO2020193546中有描述。
可见，DCS方法相比短扫描楔形重建方法(其因缺失数据以及因对冗余数据的不当加权而产生伪影)生成少得多的伪影，以及还相比频率分割方法更少和的伪影，后者需要全面扫描轴向采集。DCS图像重建中剩下的伪影仅仅是由于缺失数据。
在现有技术的医学CT***中，双焦斑(DFS)采集通常被用于增加空间分辨率并减少混叠。在双焦斑采集中，在CT扫描器关于检查区域的整个轨道旋转期间，以高频率在两个相邻位置之间交替X射线管焦斑的位置(即X射线源位置)。实际上，随着X射线扫描装置关于3D对象旋转，同时采集了两个数据集，一个对应于第一焦斑，并且一个对应于第二焦斑。
在文件US4637040中详细描述了双焦斑(DFS)采集法，并且读者参考该文献了解双焦斑CT采集方法的实施细节。双焦斑投影数据可以使用楔形重建算法来重建。可以在楔形重建算法中处理对应于两个不同焦斑(两个不同X射线源位置)的双数据集，作为平行重分箱(重采样)操的部分，在平行重分箱操作中，针对每个锥形束投影的投影数据被重分箱成一组有效的平行束测量样本。
然而，对于Defrise、Clack和Schomberg的或Kudo和Saito的更为精密的算法而言，不发生平行重分箱，而是在锥形束几何中处理全部数据。
因此，来自两个焦斑的投影数据的有效交叠(其固有地实现楔形重分箱)在这些重建方法里不可行。结果，这些方法目前不能被用于使用双焦斑采集法采集的数据。因此，可供双焦斑投影数据使用的重建方法的范围有限。
存在着对于一种使得更宽范围的图像重建方法能够被应用于使用双焦斑途径采集的投影数据的机构的需要。
发明内容
本发明由权利要求书来限定。
根据本发明的一方面的范例，提供一种用于重建锥形束X射线计算机断层摄影(CT)投影数据的方法，包括：
接收身体的输入锥形束CT投影数据，其中，所述CT投影数据至少包括第一X射线探测器测量数据和第二X射线探测器测量数据，对应于利用提供交替激活的第一X射线点源和第二X射线点源的X射线发生器采集的各自的测量数据，所述交替激活的第一X射线点源和第二X射线点源沿所述发生器关于身体的轨道旋转轴的方向相对于彼此移位，并且所述X射线源生成各自的X射线锥形束，并且其中，第一测量数据和第二测量数据中的每个均包括针对所述发生器关于身体的一系列轨道角位置的测量数据；
利用重采样操作处理所述第一测量数据和第二测量数据，以导出第三测量数据集，所述第三测量数据集对应于位于所述第一X射线点源和第二X射线点源之间中途的虚拟单个X射线点源，所述第三测量数据集基于所述第一测量数据和第二测量数据的组合；
对所述第三测量数据集应用重建算法。这因此得到重建的图像数据。
所述第三测量数据集可以表示针对从所述虚拟单个X射线点源传播的单个虚拟锥形束的投影数据。
所述第三测量数据集可以表示针对所述虚拟单个X射线点源关于所述身体的多个轨道角采样位置的投影数据。
本发明的实施例基于对数据执行从所述两个X射线焦斑(X射线点源)到共同角度网格的角度重采样的概念。换言之，数据被重分箱到新的数据集，该新数据集表示来自位于所述第一X射线源点和第二X射线源点之间的虚拟单个源点的虚拟投影数据，该单个源点具有多个轨道角采样位置。一旦数据被映射到角度采样点的单个共同组，它们就被有效交叠以生成具有增加数量的有效探测器像素的锥形束投影。换言之，两个测量数据集被映射到轨道角度采样分箱的单个集合，其中，该角度采样分箱集合是如由两个测量数据集中的每个单独提供的角度采样分箱(探测器列)数目的两倍。
可选地，所述重建算法可以包括被应用于所述第三测量数据集的数据冗余补偿操作。这可以是预定操作，或者其可以在所述重建算法的运行期间实时确定。
然后，这些交错投影适于应用广泛的重建算法，包括上文讨论的DCS重建算法。
第一X射线点源和第二X射线点源在所述X射线发生器的参考系内相对于彼此移位，即，它们在所述X射线发生器上或里相对于彼此移位。其移位优选地是沿所述机架的轨道轴的方向的移位。因此，所述发生器载有可操作为生成相对于彼此移位的两个点源的X射线生成装置，并且其中，所述发生器的轨道旋转使这些点源中的每个围绕一系列轨道角位置移动，以采集第一测量数据和第二测量数据。
第一测量数据对应于针对所述第一X射线点源的数据，并且第二测量数据对应于针对所述第二X射线点源的数据。
所述虚拟单个X射线点源在空间上处于第一点源和第二点源之间中途的点。第三测量数据包括针对一系列虚拟点源位置的虚拟测量数据，所述虚拟点源位置在所述发生器的不同轨道角位置处的每对第一X射线点源位置和第二X射线点源位置之间中途。
所述X射线发生器可以包括至少一个X射线管。
所述重建算法可以是不对数据执行平行或楔形重分箱的重建算法。所述重建算法可以是不执行重分箱的算法。所述重建算法可以是在锥形束几何中处理所述投影数据的算法，即，其在整个所述重建算法中都将数据保留在锥形束几何中。本发明的实施例找到了针对这样的重建算法尤其有利的应用，因为这些算法，通过以这些方式不对数据重分箱，自身固有地不执行所采集的数据到角度采样点的共同组合的任何交织或合并。
所接收到的CT投影数据可以是针对轴向扫描的投影数据。这意味着例如，在其中X射线发生器关于检查区域中的被扫描身体旋转并且在其中身体不发生通过检查区域(通过机架)的轴向移动的CT扫描。所接收到的CT投影数据可以是针对轴向扫描的投影数据，在轴向扫描中X射线发生器(关于被扫描的身体)旋转经过覆盖小于360度的角度范围的一系列轨道位置。本发明的实施例找到了这样的算法的尤其有利的应用，因为对这样的投影数据的重建固有地更容易因缺失数据问题造成伪影。
第三测量数据集的导出可以基于在第一测量数据集和第二测量数据集之间的插值。所述插值得到一组新的虚拟测量数据，包括基于在针对所述第一X射线源点与第二X射线源点的虚拟探测器读数之间的插值，针对从虚拟单个X射线点源投影的虚拟X射线锥形束的所述探测器读数。
根据一个或多个实施例，虚拟单个点源位置可以是沿所述轨道旋转轴，在第一X射线点源位置与第二X射线点源位置之间的中点。
中点的使用是优选的，因为这意味着被用于重采样来自第一X射线源点和第二X射线源点中每个的数据的插值权重是相同的，这意味着针对这两个点源，插值导致的平滑化是相同的，使伪影的风险最小化。
在一个或多个实施例中，所述插值可以是沿关于所述身体的所述轨道旋转轴的角度插值。
在一个或多个实施例中，所述第三测量数据集可以包括，针对所述单个虚拟点源的每个轨道角采样位置，关于第一测量数据集和第二测量数据集中的每组的探测器角度采样分箱的数量的两倍。
在一个或多个实施例中，所述虚拟单个锥形束投影可以包括所述第一锥形束投影和第二锥形束投影的交错。
在一个或多个实施例中，所述重采样可以包括第一锥形束和第二锥形束中的每个关于所述轨道旋转的等中心的有效旋转，使得它们的点源在所述单个虚拟点源位置处重合。
根据本发明另外一方面的范例，提供一种包括代码装置的计算机程序产品，所述代码装置被配置为，在被处理器运行时，引起所述处理器执行根据上文概述或下文描述的任意范例或实施例的，或根据本申请的任意权利要求的方法。
根据本发明另外一方面的范例，提供一种用于对锥形束X射线计算机断层摄影(CT)投影数据的重建的处理装置，包括输入部/输出部；以及，一个或多个处理器。所述一个或多个处理器适于：
在所述输入部/输出部处，接收身体的输入锥形束CT投影数据，其中，所述CT投影数据至少包括第一X射线探测器测量数据和第二X射线探测器测量数据，对应于利用提供交替激活的第一X射线点源和第二X射线点源的X射线发生器采集的测量数据，所述第一X射线点源和第二X射线点源沿所述发生器关于身体的轨道旋转轴相对于彼此移位，并且所述X射线源生成各自的X射线锥形束，并且其中，第一测量数据和第二测量数据中的每个均包括针对所述发生器关于身体的一系列轨道角度位置的测量数据；
利用重采样操作处理第一测量数据和第二测量数据，以导出第三测量数据集，第三测量数据集对应于针对从位于所述第一X射线点源与第二X射线点源之间中途的虚拟单个X射线点源，所述第三测量数据集基于所述第一测量数据和第二测量数据；
对所述第三测量数据集应用重建算法。
可选地，所述重建算法可以包括被应用于所述第三测量数据集的数据冗余补偿操作。这可以是预定操作，或者其可以在所述重建算法的运行期间实时确定。
根据本发明另外一方面的范例，提供一种X射线计算机断层摄影(CT)成像***，包括：
X射线CT成像装置，包括X射线发生器和X射线探测器，所述X射线探测器和X射线发生器被安装在可旋转机架上，所述可旋转机架允许所述探测器和发生器绕所述检查区域的轨道角度旋转，
其中，所述X射线发生器适用于交替激活沿所述发生器的所述轨道旋转轴相对于彼此移位的第一X射线点源和第二X射线点源，并且所述第一X射线源和第二X射线源生成各自的X射线锥形束，并且
其中，所述X射线探测器包括2D探测器阵列。
所述***还包括处理模块，处理模块适于：
获得来自所述X射线探测器第一X射线探测器和第二X射线探测器的测量数据，对应于利用所述交替激活的第一X射线点源和第二X射线点源采集的测量数据，并且第一测量数据和第二测量数据均包括针对所述发生器关于所述身体的一系列轨道旋转位置的测量数据；
利用重采样操作处理第一测量数据和第二测量数据，以导出对应于虚拟单个X射线点源的第三测量数据集，所述虚拟单个X射线点源位于所述第一X射线点源与第二X射线点源之间中途，第三测量数据集基于第一测量数据和第二测量数据；
对所述第三测量数据集应用重建算法。
可选地，重建算法可以包括被应用于所述第三测量数据集的数据冗余补偿操作。这可以是预定操作，或者其可以在重建算法的运行期间实时确定。
根据后文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些及其他方面将是明显的，并将参考这些实施例得以阐明。
附图说明
为了更好地理解本发明，以及为了更清楚地示出如何将本发明付诸实施，现在将仅以举例的方式参考附图，附图中：
图1示意性地图示了拉东域中的投影数据样本；
图2示意性地图示了锥形束CT图像重建中的缺失数据问题；
图3图示了使用不同的现有技术的重建方法的范例图像重建结果；
图4示意性地图示了根据一个或多个实施例的范例CT成像***；
图5示意性地图示了根据现有技术方法的双焦斑成像方案；
图6示意性地图示了根据现有技术的CT扫描方法，由单个X射线焦斑源(单个X射线点源)生成的一扇X射线束；
图7示意性地图示了根据双焦斑CT扫描操作生成的一扇X射线束；
图8概述了根据本发明的一个或多个实施例的范例方法的步骤；
图9示意性地图示了在对针对交替的第一和第二X射线源的X射线测量数据进行处理之后得到的针对虚拟单个X射线点源(单个X射线焦斑)的X射线束的有效扇形；
图10示意性地图示了从在不同轨道旋转位置的原始第一点源和第二点源插值的虚拟单个X射线点源；
图11和12示意性地描绘了在(r,φ)平面的X射线样本点，以及范例插值共同采样点；
图13A和13B概述了适于基于原始第一测量数据和第二测量数据生成第三测量数据之后应用的两种范例图像重建算法的步骤；以及
图14和15示出了针对根据本发明的实施例的方法和针对替代性现有技术的方法的比较性图像重建结果。
具体实施方式
将参考附图描述本发明。
应当理解，具体实施方式和具体范例，在指示装置、***和方法地示范性实施例时，意图仅出于示例的目的，并且不意图限制本发明的范围。通过后文的描述、所附权利要求书和附图，会更好地理解本发明的装置、相同和方法的这些以及其他特征、方面和优点。应当理解，附图仅为示意性地并非按比例绘制。还应当理解，附图中使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。
本发明提供一种预处理使用双X射线焦斑采集法采集的锥形束投影数据的方法，在双X射线焦斑采集法中，投影数据是在CT扫描器关于身体的一系列角位置上采集的，并且其中，随着扫描器围绕身体沿轨道旋转，交替激活至少两个角度移位的X射线源(焦斑)。预处理涉及从第一焦斑和第二焦斑到在第一焦斑与第二焦斑之间中途的新虚拟采样点，对投影数据的重采样。
为了帮助理解接下来的描述，图4图示了计算机断层摄影(CT)成像***100，例如X射线CT扫描器。
成像***100包括大体上静止机架102和旋转机架104。旋转机架104由静止机架102可旋转地支撑并绕纵轴或z轴沿轨道旋转，在机架的中心环带处轴向延伸穿过检查区域106。
患者支架120，例如卧榻，支撑检查区域中的对象或物体，例如人类患者。支架120被配置为移动对象或物体以供装载、扫描和/或卸载对象或物体。
辐射源或发生器108，例如X射线管，由旋转机架104可旋转地支撑。辐射发生器108与旋转机架104一起旋转，并发出穿过检查区域106的辐射。
辐射敏感探测器阵列110跨检查区域106与辐射发生器108相对地形成一角度弧。探测器阵列110包括沿z轴方向延伸的一行或多行探测器，探测穿过检查区域106的辐射，并生成指示其的投影数据。
对于锥形束扫描，辐射源生成X射线锥形束，并且探测器阵列为2D探测器阵列。辐射发生器和探测器围绕检查区域106(其容纳待扫描的身体)的旋转可以被描述为轨道旋转，旋转的轨迹被描述为轨道角度旋转轴或路径。
通用计算***或计算机可以从当操作者控制台112并且可以包括诸如鼠标、键盘等等的(一个或多个)输入设备114，以及诸如显示监视器、胶片机等等的(一个或多个)输出设备116。控制台112允许操作者控制***100的操作。
重建装置118处理投影数据并重建图像数据，例如体积图像数据。数据可以通过(一个或多个)输出设备116的一个或多个显示监视器来显示。
常规***中的重建装置118可以采用滤波反投影(FBP)重建，(图像域和/或投影域)降噪重建算法(例如迭代重建)和/或其他算法。要理解，重建装置118可以通过(一个或多个)微处理器来实现，微处理器运行被编码或嵌入在诸如物理存储器及其他非暂时性介质的计算机可读存储介质上的(一个或多个)计算机可读指令。额外地或替代地，(一个或多个)微处理器可以运行由载波、信号及其他瞬时性(或非瞬时性)介质承载地(一个或多个)计算机可读指令。
如上所述，一种针对心脏成像的有利的扫描方案是轴向短扫描方案。这里，X射线源和探测器关于一弧来旋转，该弧横向小于围绕物体的全面360度旋转。这对于心脏成像是优选的，因为采集时间比全面360度扫描短，减少了运动伪影。
如上文简要讨论的，为了增加空间分辨率和采样，双焦斑(DFS)采集法已得到发展。在双焦斑采集中，在CT扫描器的整个轨道旋转中，以高频率在两个相邻位置之间交替X射线管焦斑的位置(即，X射线点源位置)。实际上，随着X射线扫描装置关于3D对象旋转，同时采集两个数据集，一个对应于第一焦斑位置，一个对应于第二焦斑位置。每个焦斑形成有效X射线点源。在本公开中可以互换地使用术语“焦斑”和“点源”。
这在图5中得到示意性地图示。这图示了X射线发生器关于正被扫描的身体的旋转弧的位置。将针对每个被测样本的X射线焦斑位置fs0、fs1分别示为实心和空心圆圈。以一系列规则角度间隔Δατ中的每个，顺序地采集针对两个焦斑的测量样本。在所图示的范例中，对针对fs0和fs1中的每个的采样周期进行定时，使得在规则角度测量间隔Δατ的一半以内，采集针对二者的测量数据。然而这并非必须。
在X射线发生器的参考系内，两个X射线焦斑优选地相对于彼此处于固定的角度距离。由于在整个数据采集过程中机架持续进行角度移动，由投影数据集内的两个焦点形成的X射线源的有效角度间隔大于它们之间的静态间隔。
存在不同的方法来创建交替的X射线点源。二者都可以通过具有一对灯丝的单个X射线管来提供。备选地，它们可以通过来提供具有一对X射线管的辐射源来提供，每个管包括不同的辐射点源。然而，优选地，它们可以通过诸如静电或电磁的偏转装置来提供，以使电子束在目标电极上的至少两个不同焦斑之间偏转。
在图6中示意性地示出了由单个焦斑46产生的X射线束48的扇形，其中，通过弧50图示2D探测器的平面。
通过比较，图7示意性地图示了分别由一对焦斑fs0、fs1中的每个产生的X射线束48a、48b各自的扇形。
本发明的实施例基于对针对第一和第二焦斑的测量数据执行到单个组合测量数据集的变换，单个组合测量数据集表示针对位于每对相邻的真实源点之间的一组有效X射线源点的有效测量数据。换言之，对数据重采样到一组新的共同的有效角度X射线源点(或采样点)。该过程被称为重分箱或重采样。然而，在已知的重建操作中，完成重分箱以将采集的数据映射到表示有效平行源射线的一组构建的采样点(平行充分箱)。然而，根据本发明的实施例，提出将来自每个系列的轨道旋转位置处两个交替的源点的数据重分箱到在一系列轨道旋转位置处的单个共同角度网格的有效点源。
图8以框图形式概述了根据本发明的一个或多个实施例的范例方法的步骤。所述方法用于对锥形束X射线计算机断层摄影(CT)投影数据的重建。
所述方法包括接收62身体的输入锥形束CT投影数据，其中，CT投影数据至少包括第一X射线探测器测量数据和第二X射线探测器测量数据，对应于利用提供交替激活的第一X射线点源和第二X射线点源的X射线发生器采集的测量数据，第一X射线点源和第二X射线点源沿发生器关于身体的轨道旋转轴相对于彼此移位，并且X射线源生成各自的X射线锥形束，并且其中，第一测量数据和第二测量数据中的每个均包括针对发生器关于身体的一系列轨道旋转位置的测量数据。
所述方法还包括利用重采样操作处理64第一测量数据和第二测量数据，以导出针对位于第一源与第二源之间中途的单个虚拟X射线点源的第三虚拟测量数据集，第三测量数据集基于第一测量数据和第二测量数据的组合。
所述方法还包括对第三测量数据集应用66重建算法。在某些范例中，重建算法可以包括被应用于第三测量数据集的数据冗余补偿操作。数据冗余补偿操作可以是预定操作，或者可以在重建算法的运行期间实时确定或配置。
图9和10示意性地图示了对数据的重采样，以导出第三测量数据集。图9示意性地图示了从虚拟中间X射线源点fs2投影的X射线束的虚拟扇形，所述虚拟中间X射线源点fs2是经由对来自第一射线源点和第二射线源点的测量数据的变换而构建的。得到的束扇形有效地等同于每个扇形48a、48b(参见图7)关于扇形的等中心的相互旋转，从而使每个焦点fs0、fs1与虚拟焦斑位置fs2重合。得到的第三测量数据集(针对虚拟源点fs2)具有与第一测量数据和第二测量数据单独每个相比(分别针对第一X射线源点和第二X射线源点)，两倍数量的有效探测器采样点，即，两倍的采样分辨率。第三测量数据集表示针对从虚拟焦斑位置fs2传播的虚拟单个锥形束的测量数据。该虚拟锥形束有效地包括第一锥形束投影和第二锥形束投影的交错，并使得第三测量数据集包括，针对单个虚拟点源fs2的每个轨道角采样位置，关于第一测量数据集和第二组测量数据集中的每个，探测器角度采样分箱的数量的两倍。
图10还图示了用于导出第三测量数据集的插值过程。图10示意性地图示了随着机架沿轨道旋转的X射线源点轨道角位置。X射线源点fs0和fs1的位置分别被示为实心(黑色)和白色圆圈。通过对对应于源位置fs2(示为灰色圆圈)的虚拟投影数据集的角度插值，对来自每个焦斑的投影数据进行插值。
原则上，可以对任何角度网格执行角度重采样。在图9和图10的具体范例中，新的虚拟X射线源位置fs2被选择为沿轨道角度轴φ，在fs0与fs1之间的每个中点处。出于两个主要原因，优选使用中点进行插值。首先，到每个原始测量样本的最近样本的距离是相同的。因此，被用于重采样来自焦斑位置fs0和来自焦斑位置fs1的数据的插值权重是相同的。因此，插值导致的平滑化针对fs0和fs1两者是相同的，这使产生伪影的风险最小化。第二，保持到最近被测角度样本的距离小，并且因此由插值引入的角度平滑化得以最小化。
通过进一步解释，参考图10，将每个第一焦斑和第二焦斑的后续焦斑位置之间的角间距表示为2Δατ。为了帮助进一步解释，可以将fs0与fs1之间的角距离定义为Δβ。不失一般性地，可以假设Δβ<Δατ。因此，对于整数n，存在针对在角度φ0+iΔατ的fs0和针对在角度φ0+Δβ+nΔατ的fs1的角度采样点。如上文讨论的，目的是将这些数据重采样到共同角度采样网格。举例来说，对于整数n，共同角度采样网格可以被选择为φ0+0.5Δβ+nΔατ。这表示由一组新的虚拟单个点源位置组成的角度采样网格，每个新的虚拟单个点源位置都在第一X射线点源位置fs0与第二X射线点源位置fs1之间沿轨道旋转轴的中点。如果不期望是中点，则可以简单地利用具有在0与1之间的值的任何期望的系数μ来代替系数0.5，以得到不同的期望插值点。
在该重采样步骤中，针对相邻角位置之间的每个探测器像素对探测器值独立进行插值。例如，为了对从第一焦斑位置到期望角位置φ0+0.5Δβ+iΔατ的数据重采样，将在φ0+iΔατ和φ0+(i-1)Δατ处采集的测量数据之间执行插值。对应地，为了对来自第二焦斑的数据进行重采样，在φ0+Δβ+(i-1)Δατ和φ0+Δβ+iΔατ处采集的测量数据之间执行插值。
注意，角度插值意味着插值是针对每个探测器像素独立完成的。
众所周知，插值常常引入平滑化。平滑化意味着通过重建过程获得的最终图像的精细细节会较不明显或者可能甚至变得不可见。因此，优选的是最小化重建期间的任何平滑化。
由插值造成的分辨率损失常常通过所谓的插值核的谱图来描述。在该方法中，插值通过对手头的离散样本与插值核进行卷积接着在新的期望采样点进行采样来描述。例如，最近相邻插值对应于具有输入信号的采样距离的宽度的盒形核，而线性插值对应于具有半高全宽等于输入信号的采样距离的三角形插值核。
通常，具有小支持(support)插值核比大插值内容在频率空间下降地更快，这意味着小插值核引入了平滑化。然而，如果考虑重采样数据的平均位置，这仅在“平均”的情况下成立。如果目标采样点接近原始采样点，则该原理不一定还成立。举例来说，这针对目标采样点与原始采样点重合的极端情况很容易看出：该情况下，最近相邻和线性插值导致相同的插值，并且任一种插值方案都不会引入任何平滑化。然而，采取另外的极端情况，如果目标采样点总是在原始采样点之间中途，则(例如线性插值的)平滑化影响理论上是最强的，因为线性插值实际上简单地表示相邻样本的平均。
然而，尽管优选的是使重采样隐含的平滑化效果最小化，但是使插值核的大小最小化以使插值所需要的计算工作最小化，也是期望的目的。因此，在本发明的实施例的上下文中，优选的是选择尽可能接近原始采样点的目标采样点。由于也期望匹配从fs0和fs1重采样的数据的分辨率，最优选择是选取在原始样本之间中途的新样本点(即，新的虚拟源位置)，如图10中所图示的。
通过进一步解释，图11以图形方式示意性地图示了插值过程。X射线发生器在扫描过程中发射的每条射线都被表示为所描绘的图表中的圆圈。成像***可以通过柱形坐标系[z，r，φ]来表示，其中，φ是发生器围绕旋转机架中部的扫描区域(包含物体)的轨道角，r是到扫描区域中心的距离，并且z是穿过扫描区域的轴向尺寸。每条射线可以通过其关于z轴的角度φ及其到原点的(带符号的)距离r来描述(如果将角度限制到180°)。因此，每个被测样本都可以被表示为(r，φ)平面中的一点。针对fs0和fs1的样本点在图14中分别被示为灰色圆圈和白色圆圈。此外，针对fs2所期望的(插值)样本被示为黑点。
图12示出了图11的区域的放大视图。在角度插值期间，插值发生在具有相同r坐标的样本之间。例如，仅使用来自fs0的数据(最接近的灰色点，参见浅灰色虚线)对图12中图示的样本点fs2a进行插值，同时仅使用来自fs1的数据(最接近的白色点，参见深灰色虚线)对样本点fs2b进行插值。
在生成针对虚拟单个焦斑fs2的第三测量数据集之后，所述方法还包括应用重建算法。
可选地，重建算法可以包括应用于第三测量数据集的确定的数据冗余补偿操作。
重建算法可以是不对数据执行平行或楔形重分箱的重建算法。重建算法可以是不执行重分箱的算法。重建算法可以是在锥形束几何中处理投影数据的算法，即，其在整个重建算法中都将数据保留在锥形束几何中。本发明的实施例尤其找到了针对这样的重建算法的有利应用，由于这些算法，通过不以这些方法重分箱数据，而自身固有地不执行对所采集的数据到一组共同的角度采样点的任何交织或合并。
如上文讨论的，一种优选的冗余加权和重建方法是由Defrise和Clack在以下文献中描述的：Defrise及Clack，IEEE Transaction on Medical Imaging，13(1)，1994。该方法被称作Defrise及Clack方法。
Schomberg在以下文献中进一步发展了该方法：H.Schomberg，Proceedings ofthe Fully 3D conference 2005，Salt Lake City，第184页。该方法被称作Defrise-Clack-Schomberg(DCS)方法。
在以下Kudo和Saito的文献中也详述了遵循相同原理的另一种范例重建算法：“Derivation and implementation of a cone-beam reconstruction algorithm fornonplanar orbits”，IEEE Trans Med Imaging，1994；13(1)：196-211.
这些重建算法中的每个都包含涉及冗余加权的数据冗余补偿操作。这些方法中的任意一种都可以被应用于根据本发明的实施例所导出的第三测量数据集，以获得重建的图像数据，尽管具体提及了这些方法，但更一般地，任何锥形束重建技术都可以被应用于第三测量数据。本发明的实施例的优点之一在于，上文描述的重采样操作使得到的经变换的投影数据处于适合于应用几乎任何本领域已知的重建技术。
对于Defrise及Clack重建方法，在图13A中以概要的形式概述了该方法的步骤。图13B以概要形式概述了Defrise-Clack-Schomberg(DCS)方法的步骤。通过图13A和图13B之间的灰色箭头示意性地指示了Defrise及Clack与DFS方法之间的关系。在每种情况下，对各自的重建算法的输入是通过对第一测量数据和第二测量数据的上述处理导出的第三测量数据(第三投影数据)。可以在上文引用的相关文献中找到以下概述的步骤中每个步骤的完整细节。
首先对于Defrise及Clack方法，所述方法的步骤包括首先执行对输入投影数据的预加权82。
所述方法还包括对经预加权的数据应用2D拉东变换84。
所述方法还包括在拉东变换之后应用1D径向导数86。如上文参考图11和图12所讨论的，可以通过极坐标r和φ将来自X射线发生器的射线参数化。在本上下文中，φ具有0到360°的值，并且r具有从0到无穷的值。径向滤波意味着沿具有相同φ值的样本进行滤波。
在1D径向导数之后，执行冗余补偿操作88，其包括对来自探测器相对于物体的不同轨道角位置的测量数据应用加权。
在冗余补偿之后，再次应用1D径向导数90，接下来是2D逆拉东变换92(反向投影)。接下来是3D反投影94以得到重建的图像数据。
图13B中概述了DCS方法的步骤。这些步骤类似于图13A中的Defrise及Clack方法的步骤，除了2D拉东变换和1D径向导数的步骤略有改变。
DFS方法以对输入投影数据(第三测量数据)应用的预加权步骤152开始。该步骤类似于上文Defrise-Clack方法中的步骤。接下来是2D快速傅里叶变换(FFT)154，其被应用于将坐标系从笛卡尔坐标变换到极坐标。接下来是1D径向导数156。接下来是1D FFT 158。
所述方法接下来包括冗余补偿操作160。这可以类似于在Difrise和Clack方法中执行并且在上文描述的操作。
在冗余补偿操作之后，所述方法包括1D FFT 162。
接下来是1D径向希尔伯特滤波器164的应用。
接下来是2D FFT 166，以实现从极坐标回到笛卡尔坐标的坐标系变换。
然后应用3D反投影168，得到重建的图像数据。
在图14和图15中图示了根据本发明的一个或多个实施例的方法的应用结果。图14(a)和图15(a)示出了针对单个焦斑(SFS)CT扫描方法的应用及DCS重建算法的应用的重建结果。图14(b)和图15(b)示出了针对根据本发明的实施例的方法的重建结果，包括上文概述的双焦斑(DFS)CT扫描方法的应用及DCS重建算法的应用。图14(c)和图15(c)每个示出了使用窄准直和楔形重建导出的参考重建结果。
如从不同结果可见，每种情况的SFS-DCS图像(图14(a)、图15(a))都具有比参考重建(图14(c)、图15(c))更低的空间分辨率，而每种情况的DFS-DCS重建(图14(b)、图15(b))都提供与参考重建(图14(c)、图15(c))相比得到改善的分辨率。
作为本发明的实施例的方法的部分执行的额外插值不会引入伪影。
根据本发明另一方面的范例提供一种包括代码装置的计算机程序产品，代码装置被配置为当在处理器上被运行时，引起处理器执行根据上文概述或下文描述的任意范例或实施例的方法，或者根据本申请任意权利要求的方法。
根据本发明另一方面的范例提供一种用于对锥形束X射线计算机断层摄影(CT)投影数据的重建的处理装置。处理装置包括输入部/输出部；以及与输入部/输出部可操作地耦合的一个或多个处理器。多个处理器适于执行以下步骤：
在输入部/输出部处，接收身体的输入锥形束CT投影数据，其中CT投影数据至少包括第一X射线探测器测量数据和第二X射线探测器测量数据，对应于利用提供交替激活的第一X射线点源和第二X射线点源采集的测量数据，第一X射线点源和第二X射线点源沿发生器关于身体的轨道旋转轴相对于彼此移位，并且X射线源生成各自的X射线锥形束，并且其中，第一测量数据和第二测量数据中的每个均包括针对发生器关于身体的一系列轨道旋转位置的测量数据；
利用重采样操作处理第一测量数据和第二测量数据，以导出第三测量数据集，第三测量数据集对应于位于第一X射线点源与第二X射线点源之间中途的虚拟单个X射线点源，第三测量数据集基于第一测量数据和第二测量数据的组合；以及
对第三测量数据集应用重建算法。
根据本发明另外一方面的范例还提供一种X射线计算机断层摄影(CT)成像***。所述***包括X射线CT成像装置，X射线CT成像装置包括X射线发生器和X射线探测器，X射线探测器和X射线发生器被安装在允许探测器和发生器围绕检查区域的轨道角度旋转的可旋转机架上。X射线发生器适用于在使用中交替激活沿轨道旋转轴相对于彼此移位的第一X射线点源和第二X射线点源，并且第一X射线源和第二X射线源生成各自的X射线锥形束，X射线探测器包括2D探测器阵列。
***还包括适于执行以下步骤的处理模块：
从X射线探测器获得第一X射线探测器测量数据和第二X射线探测器测量数据，对应于利用交替激活的第一X射线点源和第二X射线点源采集的测量数据，并且第一量数据和第二测量数据均包括针对关于身体的一系列轨道旋转位置的测量数据；
利用重采样操作处理第一测量数据和第二测量数据，以导出对应于位于第一X射线点源与第二X射线点源之间中途的虚拟单个X射线点源的第三测量数据集，第三测量数据集基于第一测量数据和第二测量数据的组合；以及
对第三测量数据集应用重建算法。可选地，重建算法可以包括应用于第三测量数据集的数据冗余补偿操作。这可以是预定操作，或者其可以在重建算法的运行过程中实时确定。
举例来说，上文参考图4已详细描述了适用于根据本发明的实施例的一个范例CT成像装置。根据范例，上文的CT成像***的处理模块可以由图4中概述的范例***的重建装置118来实现。
上文描述的本发明的实施例采用处理装置。处理装置一般可以包括单个处理器或多个处理器。其可以位于单个容纳设备、结构或单元中，或者其可以分布在多个不同设备、结构或单元之间。因此对处理不知适于或被配置为执行特定步骤或任务的引用可以对应于该步骤或任务由多个处理部件中的任意一个或多个，单独或组合地，来执行。本领域技术人员将理解，可以如何实现这样的分布式处理装置。处理装置包括用于接收数据并将数据输出到另外的部件的通信模块或输入部/输出部。
处理装置的一个或多个处理器可以以多种方式来实现，与软件和/或硬件一起，以执行所需要的各种功能。处理器通常采用一个或多个微处理器，可以使用软件对微处理器(例如微代码)进行编程以执行所需功能。处理器可以被实现为用于执行一些功能的专用硬件与执行其他功能的一个或多个编程微处理器及关联电路的组合。
可以在本公开的各个实施例中采用的电路的范例包括，但不限于常规的微处理器、专用集成电路(ASIC)以及现场可编程门阵列(FPGA)。
在各个实施方式中，处理器可以与诸如易失性和非易失性计算机存储器的一个或多个存储介质相关联，例如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以编码有一个或多个程序，当这些程序在一个或多个处理器和/或控制器上运行时，执行所需要的功能。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器内，或者可以是可移动的，使得被存储于其上的一个或多个程序可以被加载到处理器中。
本领域技术人员在实践要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，能够理解对所公开实施例的变形。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
单个处理器或其他单元可以实现权利要求书中记载的若干项目的功能。
某些措施被记载在不同的从属权利要求中这一仅有事实并不指示不能利用这些措施的组合。
计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但也可以以其他形式来分布，例如经由互联网或是其他有线或无线电信***。
如果在权利要求书或说明书中使用术语“适于”，要指出术语“适于”意图相当于术语“被配置为”。权利要求书中的任何附图标记都不应当被解释为限制保护范围。

Claims (17)

1.一种用于重建锥形束X射线计算机断层摄影(CT)投影数据的方法，包括：
接收身体的输入锥形束CT投影数据，其中，所述CT投影数据至少包括第一X射线探测器测量数据和第二X射线探测器测量数据，所述第一X射线探测器测量数据和所述第二X射线探测器测量数据对应于利用提供交替激活的第一X射线点源和第二X射线点源的X射线发生器采集的测量数据，所述第一X射线点源和所述第二X射线点源沿所述发生器关于所述身体的轨道旋转轴相对于彼此移位，并且所述X射线源生成各自的X射线锥形束，并且其中，所述第一测量数据和所述第二测量数据中的每个均包括针对所述发生器关于所述身体的一系列轨道旋转位置的测量数据；
利用重采样操作处理所述第一测量数据和所述第二测量数据，以导出第三测量数据集，所述第三测量数据集表示针对从位于所述第一X射线点源与所述第二X射线点源之间中途的虚拟单个X射线点源传播的单个虚拟锥形束的投影数据，所述单个点源具有关于所述身体的多个轨道角采样位置，并且所述第三测量数据集基于所述第一测量数据和所述第二测量数据；并且
对所述第三测量数据集应用重建算法。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述重建算法包括应用于所述第三测量数据集的数据冗余补偿操作。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述虚拟单个点源位置为沿所述轨道旋转轴在第一X射线点源位置与第二X射线点源位置之间的中点。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，导出所述第三测量数据集是基于在所述第一测量数据与所述第二测量数据之间的插值。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述插值为沿关于所述身体的所述轨道旋转轴的方向的角度插值。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，所述第三测量数据集包括，针对所述单个虚拟点源的每个轨道角采样位置，相对于第一测量数据集和第二测量数据集中的每个，两倍于探测器角度采样分箱的数目。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述虚拟单个锥形束投影包括第一锥形束投影和第二锥形束投影的交错。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述重采样包括所述第一锥形束和所述第二锥形束中的每个关于所述轨道旋转的等中心的有效旋转，使得所述第一锥形束的点源和所述第二锥形束的点源在所述单个虚拟点源位置处重合。
9.一种计算机程序产品，其包括代码单元，所述代码单元被配置为，在被处理器运行时，使所述处理器执行如权利要求1-8中任一项所述的方法。
10.一种用于对锥形束X射线计算机断层摄影CT投影数据的重建的处理装置，包括：
输入部/输出部；以及
一个或多个处理器，其适于：
在所述输入部/输出部处，接收身体的输入锥形束CT投影数据，其中，所述CT投影数据至少包括第一X射线探测器测量数据和第二X射线探测器测量数据，所述第一X射线探测器测量数据和所述第二X射线探测器测量数据对应于利用提供交替激活的第一X射线点源和第二X射线点源的X射线发生器采集的测量数据，所述第一X射线点源和所述第二X射线点源沿所述发生器关于所述身体的轨道旋转轴相对于彼此移位，并且所述X射线源生成各自的X射线锥形束，并且其中，所述第一测量数据和所述第二测量数据中的每个均包括针对所述发生器关于所述身体的一系列轨道旋转位置的测量数据，
利用重采样操作处理所述第一测量数据和所述第二测量数据，以导出第三测量数据集，所述第三测量数据集表示针对从位于所述第一X射线点源与所述第二X射线点源之间中途的虚拟单个X射线点源传播的单个虚拟锥形束的投影数据，所述单个点源具有关于所述身体的多个轨道角采样位置，并且所述第三测量数据集基于所述第一测量数据和所述第二测量数据，以及
对所述第三测量数据集应用重建算法。
11.如权利要求10所述的处理装置，其中，所述重建算法包括应用于所述第三测量数据集的数据冗余补偿操作。
12.如权利要求10或11所述的处理装置，其中，所述虚拟单个点源位置为沿所述轨道旋转轴在第一X射线点源位置与第二X射线点源位置之间的中点。
13.如权利要求10-12中任一项所述的处理装置，其中，导出所述第三测量数据集是基于在第一测量数据集与第二测量数据集之间的插值。
14.如权利要求13所述的处理装置，其中，所述插值为沿关于所述身体的所述轨道旋转轴的方向的角度插值。
15.一种X射线计算机断层摄影(CT)成像***，包括：
X射线CT成像装置，其包括X射线发生器和X射线探测器，所述X射线探测器和所述X射线发生器被安装在允许所述探测器和所述发生器绕检查区域的轨道角度旋转的可旋转机架上，
其中，所述X射线发生器适用于在使用中交替激活沿所述轨道旋转轴相对于彼此移位的第一X射线点源和第二X射线点源，并且所述第一X射线源和所述第二X射线源生成各自的X射线锥形束，
其中，所述X射线探测器包括2D探测器阵列；以及
处理模块，其适于：
从所述X射线探测器获得第一X射线探测器测量数据和第二X射线探测器测量数据，所述第一X射线探测器测量数据和所述第二X射线探测器测量数据对应于利用交替激活的第一X射线点源和第二X射线点源采集的各自的测量数据，并且第一测量数据和第二测量数据均包括针对所述X射线发生器关于身体的一系列轨道旋转位置的测量数据，
利用重采样操作处理所述第一测量数据和所述第二测量数据，以导出第三测量数据集，所述第三测量数据集表示针对从位于所述第一X射线点源与所述第二X射线点源之间中途的虚拟单个X射线点源传播的单个虚拟锥形束的投影数据，所述单个点源具有关于所述身体的多个轨道角采样位置，并且所述第三测量数据集基于所述第一测量数据和所述第二测量数据的组合，以及
对所述第三测量数据集应用重建算法。
16.如权利要求15所述的***，其中，所述虚拟单个X射线点源位置为沿所述轨道旋转轴的方向在第一X射线点源位置与第二X射线点源位置之间的中点。
17.如权利要求15或16所述的***，其中，导出所述第三测量数据集基于在所述第一测量数据与所述第二测量数据之间的插值。
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