CN1759811B - 重构倾斜锥形射束数据的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于重构利用CT装置(10)获取的倾斜锥形射束(14)数据的方法。CT装置(10)具有台架(24)和工作台(39)。台架(24)具有x射线源(12)和具有行和列的检测器阵列(20)。台架(24)以相对于工作台(39)的台架倾斜角倾斜，并用CT装置(10)获取投影数据。逐行进行平行扇形重分装，以便形成多个重构像素。根据台架倾斜角来调节多个重构像素的坐标位置，所述坐标位置用于形成重构图像。

Description

重构倾斜锥形射束数据的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及计算机断层摄影(CT)成像装置，更具体地说，涉及对CT台架倾斜时收集的扫描数据的处理。

背景技术

在至少一种已知的计算机断层摄影(CT)成像***配置中，x射线源投射扇形射束，射束被准直，使其位于笛卡尔坐标系的X-Y平面，通常称为”成像平面”上。x射线束穿过待成像的物体，例如患者。射束被物体衰减后照射到辐射检测器阵列上。检测器阵列所接收的衰减的射束辐射的强度取决于物体对x射线束的衰减。阵列的每个检测器元件产生单独的电信号，所述电信号是在所述检测器位置上射束衰减的测量值。分别从所有检测器获取衰减测量值，以产生传输分布。

在已知的第三代CT***中，x射线源和检测器阵列在成像平面内随台架围绕待成像物体旋转，所以x射线束和物体相交的角度不断在改变。在一个台架角度从检测器阵列获得的一组x射线衰减测量值，即投影数据，称为”视图”。对物体的”扫描”包括在x射线源和检测器旋转一周期间以不同的台架角度(或视角视角)形成的一组视图。在轴向扫描时，对投影数据进行处理，以便构成对应于通过物体所取的二维切片的图像。从一组投影数据重构图像的一种方法在本专业中称为过滤滤反投影(filtered back projection)技术。所述过程将来自扫描的衰减测量值转换成整数，称为”CT值”或”Hounsfield单位”，用它们来控制阴极射线管显示器上相应像素的亮度。

锥形射束扫描是利用多维检测器阵列进行的，而不是在扇形射束扫描时所用的线性检测器阵列。在锥形射束螺线扫描中，x射线源和多维检测器阵列在成像平面内随台架旋转，同时使患者随台架旋转同步地在z轴方向上移动。这种***产生投影数据的多维螺旋线。在锥形射束”分步拍摄(step-and-shoot)”扫描中，工作台保持静止，而x射线源和多维检测器阵列围绕z轴旋转并获取切片数据。然后将工作台沿z轴移到下一位置，获取下一扫描切片。所述过程反复进行，直到患者的所需部分均已被扫描。

在许多临床应用中，使CT台架倾斜，以避免患者的视网膜直接暴露于x射线辐射或确保最佳的空间分辨率。过去，曾提出数种算法来校正因台架倾斜时几何形状改变所引起的失真(artifact)。这些算法在扇形射束或锥形射束重构过程中仅处理多切片配置。就是说，投影样品以与数据获取相同的几何形状被过滤和反投影。结果，单一视图的所有样品具有共同的相交点，它对应于x射线源的位置。已表明这种重构过程由于反投影过程中的缩放因子而产生很差的噪声特性(缩放因子与重构像素到x射线源的距离平方的倒数成正比)。

所以，需要一种***和方法来改进CT台架倾斜时的图像噪声均匀性，以解决上述和以前所经历过的其它问题。

发明内容

在一个实施例中，提出利用CT装置所获取的倾斜锥形射束数据的重构方法。CT装置具有台架和工作台。台架具有x射线源和有行与列的检测器阵列。使台架以相对于工作台的台架倾斜角倾斜，并利用所述CT装置获取多个投影数据。逐行进行平行扇形重分装(rebinning)，以便形成多个重构像素。根据台架倾斜角调节多个重构像素的坐标位置，并将其用来形成重构图像。

在另一实施例中，提出利用具有台架和工作台的CT装置所获取的倾斜锥形射束数据的重构方法。台架具有x射线源和有行与列的检测器阵列。台架以相对于工作台的台架倾斜角倾斜，并使用所述CT装置获取多个投影数据。对投影数据进行平行扇形重分装，以便形成包括多个重构像素的多个平行视图。对每个平行视图计算工作台移动距离。根据对应于每个平行视图的工作台移动距离调节多个重构像素的坐标位置。多个重构像素用来形成重构图像。

在另一实施例中，提出获取计算机断层摄影数据以及重构物体图像的装置。所述装置具有台架、工作台(有工作台电动机控制器用于移动工作台)、数据获取***和计算机。工作台承载所关注的物体，且使台架以相对于工作台的台架倾斜角倾斜。台架具有：x射线源，它投射穿过所关注的物体的x射线锥形射束；以及检测器阵列，它具有安排成行与列的多个检测器元件。检测器元件检测穿过关注物体的x射线所投影的图像。投影图像包括多个投影数据。数据获取***接收来自检测器阵列的投影数据。计算机逐行处理平行扇形重分装的投影数据，以便形成多个重构像素。计算机根据台架倾斜角调节多个重构像素的坐标位置，而所述重构像素用来形成重构图像。

附图说明

图1为按照本发明实施例形成的CT成像***的实物视图。

图2为按照本发明实施例形成的图1所示***的示意方框图。

图3图解说明按照本发明实施例的检测器行的等中心位置。

图4图解说明按照本发明实施例的CT成像***的倾斜几何形状，其中台架以及检测器阵列相对于***z轴倾斜。

图5图解说明按照本发明实施例由(γ，β)定义的扇形射束样品和由(t，β+γ)定义的平行射束样品之间的关系。

图6图解说明按照本发明实施例的平行扇形重分装。

图7图解说明按照本发明实施例的重构平面坐标。

具体实施方式

图1示出按照本发明实施例形成的CT成像***10。CT成像***10包括x射线源12，x射线源12这样取向：从焦点16(图2)投射x射线的锥形射束14，射束14穿过患者18，由二维检测器阵列20接收。二维检测器阵列20包括许多检测器元件22，后者以一般垂直的行和列的形式设置在检测器阵列20的区域上，以便检测x射线源14的穿过患者18的投射的图像。检测器元件22的行可以沿切片内维度伸展。举例来说，每一行可以包括1，000个单独的检测器元件，而检测器阵列20可以包括沿切片维度布置的16行。检测器22可以是气态或固态检测器，它们产生电信号，所述电信号与在样品周期期间接收的x射线通量成正比。

x射线源12和二维检测器阵列20分别安装在台架24的两侧，以便围绕通常位于患者范围18内的旋转轴(或z轴)26旋转。旋转轴形成笛卡尔坐标系(其原点集中在锥形射束14内)的z轴26。由所述坐标系的x和y轴所定义的平面于是就定义了旋转平面，具体地说就是台架24的台架平面28。以距台架平面28内任意参考位置的角度β来测量台架24的旋转。在螺旋形获取中，β通常在数次旋转中各不相同。β在本文中也称为投影角β。

图2示出按照本发明实施例形成的CT成像***10的方框图。CT成像***10的控制子***具有与台架关联的控制模块30，控制模块30包括：x射线控制器32，它向x射线源12提供电源和定时信号；以及台架电动机控制器34，它控制台架24的旋转速度和位置。数据获取***(DAS)36接收来自二维检测器阵列20的投影数据，并将数据转换成数字形式，供以后计算机处理。x射线控制器32、台架电动机控制器34和数据获取***36都连接到计算机38上。计算机38还控制工作台电动机控制器37的工作，工作台电动机控制器37驱动电动机，电动机沿z轴26移动患者工作台39。

计算机38是通用微计算机，将其编程为获取和操作投影数据，在以下详述。计算机38连接到图像重构器40，它按照本专业中已知方法进行高速图像重构。

计算机38通过操作员控制台42接收指令和扫描参数，操作员控制台42通常是阴极射线管(CRT)显示器和键盘，使操作员能够输入用于CT扫描的参数以及显示重构图像。大容量存储装置44提供存储操作程序的装置。

在数据获取期间，CT成像***10作为传统的锥形射束***来收集数据。在”分步拍摄”获取方法中，工作台39保持静止，而x射线源12和检测器阵列20围绕台架24绕z轴26旋转一整圈。在多个角度位置中的每个位置上，来自阵列20中所有检测器22的衰减数据都存储在大容量存储器44中。在完成一次完整的旋转后，计算机38命令工作台电动机控制器37将工作台39沿z轴26前进到另一位置，并进行患者18的另一次旋转扫描。所述过程反复进行，直到患者18的所需部分已全部被扫描。或者，CT成像***10可以用螺旋获取方式获取数据，即，电动机控制器37推进工作台39，同时使x射线源12和检测器阵列20旋转，并获取扫描数据。

图3示出按照本发明实施例的检测器行46的等中心位置64。在此实例中，台架12不相对***z轴62倾斜。如前所述，检测器阵列20具有多个检测器行46。检测器行46的等中心位置64落在z轴62上，而且检测器阵列20中所有行的等中心位置都落在z轴62上。对于每一行，相应的等中心位置就是z轴62与由检测器行和x射线源12形成的平面的交点。

图4示出按照本发明实施例的CT成像***10的倾斜几何形状，其中台架12以及检测器阵列20相对于***z轴62倾斜。所以，检测器阵列20具有检测器旋转轴z’轴68，它不同于***z轴62。检测器阵列20具有检测器中心平面70，它垂直于z’轴68并穿过检测器中心平面70的等中心位置72。每一检测器行46的等中心位置72和CT***10的等中心位置64不重合，如图3所示，而是和z’轴68(即倾斜台架12的等中心位置)重合。在***y轴66和检测器中心平面70之间形成倾斜角α。

通过利用一种算法(例如Feldkamp算法)在进行反投影之前首先对扇形或锥形射束进行平行射束重分装，可以显著改进处理后的扫描数据的图像噪声均匀性。在这种处理中，把原始的扇形或锥形射束数据重分装成或重新内插成一组平行或倾斜的射束样品。然后将重构过程应用于平行样品。台架24倾斜时与所述过程关联的重构算法见下述。

图5示出按照本发明实施例由(γ，β)定义的扇形射束样品和由(t，β+γ)定义的平行射束样品之间的关系。图中示出射线88和具有等中心位置72的同等射线86。检测器单元84和同一检测器行中的检测器同等单元82与x射线源12之间形成的角称为γ。同等射线86和y’轴之间形成的角称为β。在扇形射束抽样时，射线88可以用(γ，β)唯一定义。在平行射束抽样时，射线88可以用(t，β+γ)唯一定义，其中t是从射线88到等中心位置72的距离。换句话说，γ是利用同等射线对原始扇形射束样品进行重分装的扇形角。

图6示出按照本发明实施例的平行扇形重分装。多个x射线源位置92落在由螺旋x射线源轨迹99所定义的曲线上。平行视图93-98是通过多个锥形射束投射的平行扇形重分装而形成的。

重分装过程之后出现了另外的复杂性，因为对于每个平行视图93-98来说源位置92不再是单一的点。每个源位置92对应于***z轴62上不同的z位置。图中还示出检测器中心平面70和重构平面74。当重构切片和检测器中心平面70相同时，估算出Δz移位76。当重构平面74不同于，但平行于检测器中心平面70时，估算出Δz移位78。

回到图5，对于倾斜分步拍摄获取方式，每一检测器行46的等中心位置72需要逐层重新映像。在倾斜螺旋获取方式下，工作台39不是垂直于检测器中心平面70，或沿z’轴68移动。而是，工作台39沿z轴62移动。结果，等中心位置72的调节不仅取决于投影角β，也取决于重构像素的位置。以下将先讨论倾斜螺旋方式，再讨论分步拍摄方式。

在平行扇形重分装过程中，在到等(t)的平行距离和从其中产生扇形射束样品88的投影角(β+Δβ)之间有固定关系。β是待重分装的平行视图的投影角，基于相同平行投影的扇形88和同等扇形86。所述关系由方程1描述。

$\mathrm{\Δ\β}=-\mathrm{\γ}=-{\sin }^{-1}\left(\frac{t}{R}\right)$ 方程1

式中R是x射线源12和等中心位置72之间的距离，γ是原始中心射束样品重分装的扇形角，t是等中心位置72和扇形射束样品80之间的距离。如前所述并为了便于讨论，方程1假定检测器中心平面70与具有中心视角β_c的重构平面74重合。此外，显然，平行扇形重分装以及像素和图像的重构处理可以由计算机38和/或图像重构器40来完成。

在螺旋扫描方式下，工作台39以恒速移动，且x射线源12的位置定标与投影角β成正比。换句话说，x射线源12和工作台都以恒速移动，因此是线性相关。所以，角度的变化量Δβ对应于工作台39沿z轴移动的距离，如方程2所描述。

$\mathrm{\Δz}=\frac{p\·W}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\Δ\β}=\frac{p\·W}{2\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{t}{R}\right)$ 方程2

式中p是螺距，而W是在等中心位置72处x射线束的宽度。

在投影角为β时，从通过任何重构像素(x’，y’)(即沿射线88的任一点)的射线88到等中心位置72的距离t可用方程3计算：

t＝x’cos(β)+y’sin(β)方程3

距离t现可用(x’，y’)代替，因为在图像重构中，需要每个重构像素(x’，y’)的z移位量。所以可将方程2和3合并，形成方程4。

$\mathrm{\Δz}=\frac{p\·W}{2\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{x^{\′}\cos \left(\mathrm{\β}\right)+y^{\′}\sin \left(\mathrm{\β}\right)}{R}\right)$ 方程4

在螺旋获取方式下，工作台39不是垂直于检测器中心平面70或沿z’轴68移动，而是沿CT成像***10的z轴62移动。所以，可以利用方程5计算工作台相对于重构平面74的移动距离总量。或者，可以将Δz描述为x射线源12的位置变化。

$\mathrm{\Δz}=\frac{p\·W}{2\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{x^{\′}\cos \left(\mathrm{\β}\right)+y^{\′}\sin \left(\mathrm{\β}\right)}{R}\right)+\frac{(\mathrm{\β}-{\mathrm{\β}}_c)p\·W}{2\mathrm{\π}}$ 方程5

以下将讨论重构平面74不同于检测器中心平面70的情况。参阅图6，重构平面74距检测器中心平面70的距离为z_c。所以，利用方程6计算z平面的调节，这包括将z_c加到方程5的附加调节。

$\mathrm{\Δz}=\frac{p\·W}{2\mathrm{\π}}[\mathrm{\β}-{\mathrm{\β}}_c+{\sin }^{-1}\left(\frac{x^{\′}\cos \left(\mathrm{\β}\right)+y^{\′}\sin \left(\mathrm{\β}\right)}{R}\right)]+z_c$ 方程6

这样，当检测器中心平面70与重构平面74重合时，方程6也可代替方程5，因为z_c＝0。

图7示出按照本发明实施例的重构平面坐标。坐标系(x-y-z)代表台架24不倾斜时获取的图像，而坐标系(x’-y’-z’)代表台架24相对于CT成像***10的z轴26倾斜时获取的图像。在倾斜螺旋重构时，重构图像是切片90-98的堆叠，它们平行于(x’-y’)且中心在z轴上。结果，切片90-98堆叠的坐标系是(x’-y’-z)。换句话说，在相应的切片90-98中，移位48(或调节量Δz)对应于同等移位50(或调节量Δy’)。

Δy’＝Δz·sin(α)方程7

方程6和7表示在反投影过程中需要进行的坐标调节量。为了重构，重构图像处在(x’-y’-z)坐标系中。所以，其坐标调节示于方程8中，且将位置(x’，y’，z)上的每个重构图像映像到新坐标系(x”，y”，z”)中。

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′\′}=x^{\′},\\ y^{\′\′}=y^{\′}+\mathrm{\Δ}{y}^{\′},\\ z^{\′\′}=z+\mathrm{\Δz}\end{array}\right.$ 方程8

在以倾斜分步拍摄扫描方式获取数据时，螺距p＝0。所以，分步拍摄工作方式是倾斜螺旋工作方式的特例，此时螺距等于零，且重构像素在y’平面上不调节。通过将p＝0代入所有方程，方程9定义了用于倾斜分步拍摄扫描方式的映像：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′\′}=x^{\′},\\ y^{\′\′}=y^{\′}+z_c\·\sin \left(\mathrm{\α}\right),\\ z^{\′\′}=z+z_c.\end{array}\right.$ 方程9

现在可以按照已知的反投影方法在新的坐标上进行反投影。

虽然已就各种具体实施例对本发明作了说明，但是本专业的技术人员会理解，可以利用权利要求书的精神和范围内的修改来实现本发明。

Claims (10)

1.一种用于重构利用计算机断层摄影CT装置所获取的倾斜锥形射束数据的方法，所述CT装置具有台架和工作台，所述台架包括x射线源和具有行与列的检测器阵列，所述方法包括：

使用所述CT装置获取多个投影数据，其中所述台架以相对于所述工作台的台架倾斜角倾斜，其中所述投影数据具有第一坐标系，所述第一坐标系具有与所述台架倾斜角相对应的z’轴并且所述CT装置具有第二坐标系，所述第二坐标系具有与所述工作台的移动相对应的z轴，所述z’轴和所述z轴是不同的，并且在获取所述投影数据的同时沿所述z轴进一步移动所述工作台；

计算所述工作台沿所述z轴移动的距离，所述距离包括关于所述第一坐标系的两个不同方向x’和y’的分量；对所述投影数据进行平行扇形重分装，以便形成多个重构像素，所述平行扇形重分装是逐行进行的；

根据所述台架倾斜角和所述距离调节所述多个重构像素的坐标位置以便形成多个调节的重构像素；

根据多个调节的重构像素形成重构图像，

其中第一坐标系和第二坐标系均为笛卡尔坐标系，第一坐标系的三个轴为x’、y’、z’，第二坐标系的三个轴为x、y、z。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

所述平行扇形重分装步骤还包括形成包含所述多个重构像素的多个平行视图，所述多个重构像素具有所述第一坐标系中的一组第一坐标；

根据所述调节步骤，将所述多个重构像素映像到所述第二坐标系，所述重构图像基于所述第二坐标系。

3.如权利要求1所述的方法，所述调节步骤还包括根据投影角和螺距中的至少一个来计算调节量，所述调节量使所述多个重构像素的坐标位置移位。

4.如权利要求1所述的方法，所述调节步骤还包括逐个像素地调节所述多个重构像素的坐标位置。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：

所述平行扇形重分装步骤还包括形成包含所述多个重构像素的多个平行视图，所述多个重构像素具有所述第一坐标系中的一组第一坐标；

根据所述调节步骤，将所述多个重构像素映像到所述第二坐标系；以及

对所述多个重构像素的每一个执行反投影以便形成所述重构图像，所述重构图像基于所述第二坐标系。

6.一种用于重构利用计算机断层摄影CT装置所获取的倾斜锥形射束数据的方法，所述CT装置具有台架和工作台，所述台架包括x射线源和具有行与列的检测器阵列，所述方法包括：

使用所述CT装置获取多个投影角的多个投影数据，其中所述台架以相对于所述工作台的台架倾斜角倾斜；所述投影数据具有第一坐标系，所述第一坐标系具有与所述台架倾斜角相对应的z’轴，所述第一坐标系具有与所述投影角的每一个相对应的等中心位置，所述CT装置具有第二坐标系，所述第二坐标系具有与所述工作台的移动相对应的z轴；

对所述投影数据进行平行扇形重分装，以便形成包括多个重构像素的多个平行视图；

根据重构像素的坐标和相应的投影角计算在相应的投影角时从通过重构像素的射线到所述等中心位置的距离；

计算每个平行视图的工作台移动距离，所述工作台移动距离包括关于所述第一坐标系的两个不同方向x’和y’的分量；

根据对应于每个所述平行视图的所述工作台移动距离，调节所述多个重构像素的坐标位置以便形成调节的多个重构像素；以及

根据所述调节的多个重构像素形成重构图像，

其中第一坐标系和第二坐标系均为笛卡尔坐标系，第一坐标系的三个轴为x’、y’、z’，第二坐标系的三个轴为x、y、z。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

所述检测器阵列还包括检测器中心平面；以及

计算从所述检测器中心平面到重构平面的距离，所述工作台移动距离是相对于所述重构平面进行计算的，所述重构图像处在所述重构平面内。

8.如权利要求6所述的方法，其中：

计算所述工作台移动距离的步骤还包括根据所述CT装置的螺距和所述等中心位置处x射线束的宽度中的至少一个来计算所述工作台移动距离。

9.一种用于获取计算机断层摄影数据和重构物体图像的装置，所述装置包括：

台架，它包括投射穿过所关注物体的x射线锥形射束的x射线源；所述台架还包括具有排列成行与列的多个检测器元件的检测器阵列，所述检测器元件检测穿过所关注物体的x射线的投影图像，所述投影图像包括多个投影数据；

工作台，它承载所关注物体，所述台架以相对于所述工作台的台架倾斜角倾斜；

工作台电动机控制器，用于移动所述工作台；

数据获取***，被配置成接收来自所述检测器阵列的所述多个投影数据，所述多个投影数据是以多个投影角获取的，所述多个投影数据具有第一坐标系，所述第一坐标系具有与所述台架倾斜角相对应的z’轴，所述第一坐标系具有与所述投影角的每一个相对应的等中心位置，所述台架和工作台具有第二坐标系，所述第二坐标系具有与所述工作台的移动相对应的z轴；以及

计算机，被配置成处理所述多个投影数据，所述计算机对所述多个投影数据进行平行扇形重分装以便形成多个重构像素，所述平行扇形重分装是逐行进行的，所述计算机根据重构像素的坐标和相应的投影角计算在相应的投影角时从通过重构像素的射线到所述等中心位置的距离，所述计算机还包括形成包括有多个重构像素的多个平行视图，所述计算机计算每个平行视图的工作台移动距离，所述工作台移动距离包括关于所述第一坐标系的两个不同方向x’和y’的分量，所述计算机根据所述台架倾斜角和工作台移动距离调节所述多个重构像素的坐标位置以便形成调节的多个重构像素，所述工作台移动距离对应于多个平行视图的每一个，所述调节的多个重构像素被用来形成重构图像，

其中第一坐标系和第二坐标系均为笛卡尔坐标系，第一坐标系的三个轴为x’、y’、z’，第二坐标系的三个轴为x、y、z。

10.如权利要求9所述的装置，其中：

所述数据获取***还被配置成在所述工作台电动机控制器移动所述工作台的同时获取所述多个投影数据，所述多个投影数据还包括多维螺旋投影数据。

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