CN1230781C - 对用ct仪记录的原始图象进行射束硬化校正的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对于用CT仪记录的、按矩阵排列的象素组合成的原始图象进行射束硬化校正的方法。用这种方法，根据原始图象，通过在多个投影角度下将原始图象象素再投影求得校正数据，在对每个投影角度再投影时将原始图象的象素与一个阈值相比较，并仅对原始图象中象素值大于阈值的那些象素进行再投影；使用校正数据以由原始图象求得校正图象。
Description
技术领域
本发明涉及一种对用CT仪记录的、按矩阵排列的象素组合成的原始图象进行射束硬化校正的方法，它的步骤是：
根据原始图象通过在多个投影角度下将原始图象象素再投影求得校正数据，在对每个投影角度再投影时，将原始图象的象素与一个阈值相比较，及
使用校正数据以由原始图象求得校正图象。
背景技术
这样的方法有例如已由US6 035 012及US4 217 641公知的。
由于真实物体的射线衰减性能的光谱相关性，在多色的X射线的情况下将会观察到由被穿透物体透射出的X射线的平均能量向较高的能量值偏移。该效应被称为“射束硬化”。在物体的重现图象中通过相对于理论情况的灰度值偏移可观察到线性的、与光谱相关的射线衰减。这尤其是通过具有高核电荷数及高密度的材料(例如骨头)引起的重现图象中的灰度值偏移-或射束硬化虚象-使重现后的图象干扰对图象的正确判断，并可能在最坏的情况下导致做检查的医生对图象的错误解释。进行射束硬化校正至少可部分地排除这种虚象。
在本文开头所述类型的公知方法中：在进行整个象素矩阵的再投影前，对于各个投影角度，将那些低于阈值的象素置零。
对于再投影基本上考虑使用两种方法：
-反向傅里叶重现方法
这里将可逆地进行原始图象的图象重现的完整的积分变换(见US4,616,318)。该算法，尤其是对由重现核(Rekonstruktionskern)，如Cupping校正等引起的效果进行校正。另一方面，反向傅里叶重现方法的复杂性相当高，以致在实际中不能实时地使用。
-射线跟踪算法
这里根据原始图象的象素矩阵通过线性积分的近似计算来直接确定相应的平行投影。射线跟踪算法被分为两类：(a)象素截获方法，及(b)向前投影方法(VPM)。这两种方法在这样的意义上是象素驱动的：不指定投影射线，而是将象素坐标作为对衰减作用估值的原点。因此可以不考虑重现核的影响。然而这表明，当使用无Cupping校正的核时，第一图象的重现是不必要的。
以下作为象素取向算法的例子来概述由T.M.Peters提出的，在“计算断层造影法中的快速后投影及再投影算法”(IEEE Trans.Nucl.Sci.，vol.NS-28，第3641-3647页，1981年)中所述的VPM方法。
由一个具有N×N个正方形象素的原始图象出发，如果b是一个象素的边长，则在一个具有轴x及y的直角坐标系中得到象素(n，n’)的中心坐标：
xn＝nb，yn′＝n′b。
一组给定的平行射线由相对一个固定选择的参考轴如y轴的角度θ来确定。因此象素(n，n’)与原点(＝象素(0，0))的距离由下式给出：
t＝xncosθ+yn′sinθ。
如果平行射线间的距离为a，则所选择的象素(n，n’)在射线K及K+1之间有：
K≤t/a＜K+1。
为了判定象素值Pn，n′是以何种方式影响衰减积分的，按如下计算权重：
αk＝t/a-K (0≤αk＜1)，
并得到对相邻射线的影响：
S(K)→S(K)+(1-αk)Pn，n′，
S(K+1)→S(K+1)+αkPn，n′。
显然，射线数目对算法的复杂性不起作用。如果Np是并行数据的投影数，则一次完整的图象重现的运行时间的数量级为Np.N2。
对于VPM方法在射束硬化校正过程中的实际应用，运行时间是首要因素。优化运行时间的第一个着眼点是减小图象矩阵的规模，这相当于减小图象中包含的最大频率。这导致对比度的“衰减”，这仅在一定的范围内是允许的，因为为了达到实用的结果，在校正过程中一定骨密度的精确度的数量级不必要处于象素大小的数量级。在图象的大小以倍数c线性缩小时，基于象素取向花费的计算时间以倍数c2减小。
能够减少计算时间的一般措施被描述在Dieberger，A.发表的杂志文章“源的优化”(第3部分，c’t，第3期，1991年，第302-312页)中。
发明内容
本发明的目的在于，这样构成在开始部分所述的方法，即在不减小图象矩阵的情况下，也可减少运行时间。
本发明的目的通过一种对用CT仪记录的、按矩阵排列的象素组合成的原始图象进行射束硬化校正的方法来实现，该方法具有以下步骤：
-根据原始图象通过在多个投影角度下将原始图象象素再投影求得校正数据，其中在对每个投影角度再投影时，将原始图象的象素与一个阈值相比较，并且仅对原始图象中象素值大于阈值的那些象素进行再投影，及
-使用校正数据以由原始图象求得校正图象。
本发明利用这种情况，对通过硬化材料衰减影响的估值仅涉及图象中大于阈值的象素，即那些象素值，亦即CT数大于所涉及的材料的阈值的象素。在扫描骨骼的情况下，例如在头骨基部区域，根据经验对少于原始图象象素20％的象素作射束硬化校正是比较理想的。
因此，根据本发明在求得校正数据时仅涉及到在再投影时原始图象中的这些象素，即仅对于其象素值大于阈值的这些象素进行再投影就足够了。
这样做由于只需考虑较少的象素而使再投影过程所用的时间得到优化，并且不会降低所产生的数据、尤其是并行数据的质量。
根据本发明的第一变型采取：在再投影期间对于每个投影角度求得那些象素值大于阈值的原始图象中的象素。
在此情况下，对每个投影的图象矩阵的线性变址，其连续循环的下标变化为从1到N2。由于对每个象素直接确定其象素值是否大于阈值，相对原来花费时间的步骤、如象素的两维坐标的重组，在这里仅需对象素值大于阈值的象素进行。设α是对投影有用的部分象素、即原始图象中象素值大于阈值的象素相对于所有象素数目的比，则相对花费时间的步骤上得到的加速的倍数为α-1。但由于循环运算的开销，即用于求得象素值小于阈值的象素所需的运行时间，使得这种理论上可能的加速在总体上是无法实现的。
如果根据本发明的一种特别有利的实施形式，在对原始图象再投影前求得并存储那些象素值大于阈值的象素，并对再投影的每个投影角度使用已存储的象素，则可以得到与理论值α-1非常接近的加速，因为用于对象素值大于阈值的相关象素的再投影所需的额外的运行时间，仅是一次地求得相关象素所需的时间。对于每个投影角度的再投影的实际循环的下标变化为从1到αN。在实际中，由于执行所述操作是在电子计算装置的高速缓冲存储器中进行存取，这种加速甚至可大于α-1。
在这里，根据本发明的另一优选变型中采用：将原始图象中象素值大于阈值的象素存储在一个数组中，该数组对于每个象素值大于阈值的象素含有其象素中点坐标及象素值。这种方法与根据本发明的一个实施相比，也提供了一种将相关象素值存储在数组中的方法，该数组含有相关象素的线性下标及象素值，并优化了运行时间，因为用于再投影所需的相关象素的两维坐标仅需被计算一次。
附图说明
本发明的一个实施例被表示在概要的附图中。附图所示为：
图1：一个部分以透视图，部分以框图表示的适于实施本发明的方法的CT仪的示图，
图2：图1中CT仪的一个纵剖面图，及
图3及4：说明本发明方法的作用的剖面图。
具体实施方式
在图1及2中表示出适于实施本发明的第三代多层CT仪。其中用1总地表示测量装置，它具有：一个用2总地表示的X射线源，它具有在其源前面附近的射线光阑3(图2)；及一个由按多行及列排列的，多个检测元件(其中一个在图1中用4表示)组成的多个平面阵列的检测***5，该***具有一个在检测器前面附近的射线光阑6(图2)。以具有射线光阑3的X射线源2为一方面，以具有射线光阑6的检测***5为另一方面，它们被用图2中所示的方式彼此相对地设置在一个转动框架7上，即在CT仪工作中由X射线源2发出的，通过一个可调节射线光阑3聚光的角锥形X射线束入射在检测***5上，X射线束边缘射线用8表示。此时，射线光阑6这样调节由射线光阑3调节过的X射线束的横截面，即仅释放检测***5的可被X射线束直接照射的区域。在图1及图2所示的工作状态中有四行检测元件。另外被射线光阑6遮盖的诸行检测元件在图2中用点来表示。
旋转框架7可借助一个未示出的驱动装置绕由Z表示的***轴转动。***轴Z沿平行于图1中所示的空间直角坐标系中z-轴的方向延伸。
检测***5的列同样在z-轴方向上延伸，而它的行则垂直于***轴Z或z-轴，行的宽度b在z-轴方向上被测量，它为例如1mm。
为了能将一个检查对象、例如一个病人置于X射线束2的射线中，设置了一个支承装置9，例如一个病人支承台，它可与***轴Z即z-轴的方向平行地移动。
为了记录一个处于支承装置9上的检查对象23的体积数据，实施对检查对象23的扫描，方法是，在测量单元1绕***轴Z转动时，记录来自不同投影方向的多个投影，这时将检测在图1中以虚线表示的、具有检查对象的圆形横截面的测量区22。
当测量单元1连续地绕***轴Z转动时，支承装置9同时在***轴Z的方向上相对测量单元1连续地移动，其中转动框架7的旋转运动及支承装置9的平移运动是这样同步的，即平移速度相对转动速度的关系恒定，且该恒定的关系是可以调节的，其方式是，相对于转动框架7的每圈转动选择支承装置9的平移量h，以保证对检查对象感兴趣的部位的体积的完整扫描。从检查对象来看，X射线源2的焦点F沿图1中S所示的螺线形的旋转轨道绕***轴Z运动，因此这种体积数据记录的描述方式也称为螺旋扫描。在此情况下由检测***5的每行检测元件提供的体积数据将被并行地读出，在一个序列发生器10中被转换为串行数据并传送到图象计算机11中。
在图象计算机11的预处理单元12中对体积数据预处理后，所产生的数据流被送到存储器14，在其中存储与数据流相应的体积数据。
图象计算机11包括一个重现单元13，它由体积数据以专业人员公知的方法重现图象数据，例如对检查对象23所需层面的断面图象形式的图象数据。由重现单元13重现的图象数据被存储在存储器14中，并可以在一个与图象计算机11相连接的显示单元16、如一个视频监视器上显示出来。在此情况下，图象计算机11在显示前可在需要时进行重现图象数据的射束硬化校正。
X射线源2、例如一个X射线管由一个发电机单元17供给所需的电压及电流。为了可将它们调节到所需值上，对发电机单元17配备了一个带有键盘19及鼠标20的控制单元18，它实施必要的调节。
也可借助控制单元18，键盘19以及鼠标20对CT仪进行其它的操作及控制，如图所示，控制单元18与图象计算机11相连接。
断面图象以数组的形式存储在存储器14中，数组中含有每个象素的线性下标及象素值，即在图象显示时根据灰色标度转换成灰度值的CT数。
在根据本发明方法的射束硬化校正的过程中，总是由重现过的、在存储器14中存储的断面图象-以下称为原始图象-求出象素值大于一个阈值的象素。该阈值譬如对于骨头的CT数是180HU(Hounsfield单位)。通过在多个投影角度投影可对这些象素求得校正数据，这些校正数据可用来求得射束硬化校正意义上的校正图象数据。
如果例如根据图2由排列成矩阵的象素组合成的原始图象涉及一个人的头骨的典型断面图象，则在这种情况下，为了校正由骨骼引起的射束硬化，仅考虑那些象素值在CT数＞180HU的象素，即只有在所谓的阈值图图3中所包含的象素在射束硬化校正过程中在再投影时被考虑。在例如图3及图4的情况中，它们为原始图象象素的12.7％。这相当于α-1的值大约为8。
根据本发明方法的第一变型，CT仪的第一种工作方式是，对再投影期间的每个投影角度求得原始图象中象素值大于阈值的那些象素。
确定象素值是否大于阈值，即图象计算机11对每个投影循环通过所有的象素，只需花费不多的运行时间。因为对于每个象素直接确定其是否大于阈值，这相对于原来花费时间的步骤-例如象素两维坐标的重组-只须对大于阈值的那些象素作出判断。设α是对投影有用的部分象素、即原始图象中象素值大于阈值的象素相对于所有象素数目的比，则相对花费时间的步骤上得到的加速的倍数为α-1。
这可由表1清楚地看出，它表示：在以图3及图4为例的第一工作方式中，运行时间减小的系数约为4，而相应的理论值约为8。
根据本发明方法的第二变型，CT仪的第二种工作方式是，将原始图象中象素值大于阈值的那些象素在再投影前被一次性地求得并存储。为了再投影，则对每个投影角度使用已存储的、大于阈值的象素。原始图象中象素值大于阈值的象素被存储在一个数组中，该数组对于每个大于阈值的象素含有其象素中点的两维坐标及所属的象素值，其中象素的中点坐标在存储前由图象计算机11计算出来。
在第二工作方式中，由于原始图象中象素值大于阈值的象素对所有投影角都预先被求出并存储，因此对于再投影的每个投影角度可以使用已存储的、大于阈值的象素。这样运行速度的提高非常接近理论值α-1，因为重投影象素值大于阈值的象素所需的运行时间仅仅是一次性地求得大于阈值的象素所需的时间。当图象计算机11通过一个高速缓冲存储器存取数据时，由于通过高速缓中存储器存取节省的时间可使运行速度的提高甚至大于α-1。
如由表1所示，在以图3及图4为例的第二工作方式中，运行时间的减小的系数约为8，它相当于约为8的理论值。
在求得校正数据后，接着根据校正数据以公知的方式对原始数据进行校正，例如借助“查找表”(Look-Up-Tabelle)。
使用具有Pentium III(650MHz)处理器的标准PC，对于以图3及图4为例的情况，对作为现有技术讨论的VPM以及上述两种工作方式，在不同大小的原始图象矩阵的不同量及投影数Np＝580的情况下，得到以下的运行时间值：
表1
| 图象矩阵规模 | 运行时间[s]标准VPM | 运行时间[s]第一种工作方式 | 运行时间[s]第二种工作方式 |
| 512×512 | 35.2 | 9.2 | 4.0 |
| 256×256 | 8.8 | 2.3 | 1.0 |
| 128×128 | 2.1 | 0.56 | 0.25 |
这里由表1还可清楚地看到，在第二种工作方式中，所达到的运行时间小于现有技术中运行时间的12％，对于当前的例子实际上可以低于理论值12.7％。
在第二种工作方式中，在CT仪的存储器中以另一种存储模式存储象素值大于阈值的象素，即对每个这样的象素存储其线性下标及象素值。但这种基于象素线性变址的存储方式相应于CT仪中通常使用的方式，具有使运行时间稍微增加的缺点。
在以上实施例中，射束硬化校正作为一次性过程被描述。但在实际中，射束硬化校正可能是一个叠代过程，即将用所述方式校正过的图象作为新的原始图象，以此位基础，用所述方式再进行新的射束硬化校正。该过程可不断地重复，直至得到满意的图象为止。
在所述实施例中，作为造成射束硬化的材料列举了骨头。其它造成射束硬化的材料例如是金属，它们可以是病人体内的植入物或牙齿镶嵌物。
作为对上述实施例的变化，也可设置两个阈值，其中相关的象素是指这样的象素，即处于由这两个阈值确定的范围内的象素。当引起射束硬化的材料是强反差材料时，适用这种方式。
在上述实施例中以一种方式描述了图象计算机11的结构，其中预处理单元12及重现单元13是硬件单元。实际上就是如此。但通常所述的这些单元也可通过软件来实现，它们可在配有所需接口的通用计算机上运行，与图1不同，此时变得多余的控制单元18的功能可由该通用计算机接管。
在上述实施例中，该CT仪具有一个带有行的检测***5，每行在z方向的宽度相同，并为譬如1mm。在本发明的范围内，也可使用一个不同的检测***，它的各行的宽度是不同的。例如里边的两行每行宽度为1mm，而两侧的每行宽度为2mm。
在上述实施例中，测量单元1及支承装置9之间的相对运动是通过支承装置9的移动产生的。但在本发明的范围内，也可以使支承装置9位置固定，代之以使测量单元1移动。此外在本发明的范围内，还可以使所需的相对运动通过既移动测量单元1也移动支承装置9来产生。
上述实施例的应用与第三代CT仪相关，这就是说，X射线源及检测***在图象产生过程中共同围绕***轴被支承。但本发明的应用也可以与***的CT仪相关，其中仅是X射线源围绕***轴被支承并与固定的检测环协同作用，只要检测***是一个多面的测量单元阵列。
本发明的方法也可应用于第五代的CT仪，即这样的CT仪：其中X射线不仅可从一个焦点，而且可从多个绕***轴支承的一个或多个X射线源的多个焦点出发，只要检测***是一个多面的测量单元阵列。
应用于上述实施例的CT仪具有一个检测***，它的检测单元按正变矩阵排列。但本发明也可用于与具有按多面阵列排列的检测单元不同方式的检测***的CT仪。
上述实施例涉及根据本发明方法的医学应用。但本发明也可用于医学以外的应用，例如在包裹检查及材料检查等方面。
Claims (5)
1.一种对用CT仪记录的、按矩阵排列的象素组合成的原始图象进行射束硬化校正的方法，它具有以下步骤：
-由原始图象出发，通过在多个投影角度下对原始图象象素的再投影求得校正数据，在对每个投影角度再投影时将原始图象的象素与一个预定的阈值相比较，并仅对原始图象中其象素值大于阈值的那些象素进行再投影，及
-使用校正数据，以由原始图象求得校正图象。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在再投影过程中，对每个投影角度求得其象素值大于阈值的那些原始图象中的象素。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在再投影前求得并存储原始图象中象素值大于阈值的那些象素，并对再投影的每个投影角度使用已存储的象素。
4.根据权利要求3所述的方法，原始图象中象素值大于阈值的象素被存储在一个数组中，该数组含有每个象素的象素中点坐标及象素值。
5.根据权利要求3的方法，原始图象中象素值大于阈值的象素被存储在一个数组中，该数组含有每个象素的线性下标及象素值。
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