專利名稱：在重構(gòu)圖像中進(jìn)行預(yù)濾波型加權(quán)的方法和裝置的制作方法
一般地說(shuō)本發(fā)明涉及應(yīng)用在計(jì)算機(jī)斷層掃描中所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu)，更具體地說(shuō)涉及應(yīng)用一半投影數(shù)據(jù)產(chǎn)生空間計(jì)算機(jī)斷層成像。
在至少一種已知的計(jì)算機(jī)斷層(CT)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，X-射線源投射出扇形束，這種扇形束經(jīng)準(zhǔn)直后位于笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)的X-Y平面中，通常稱之為“成像平面”。X-射線束穿過(guò)所成像的目標(biāo)比如患者。在被目標(biāo)衰減后的射線束投射到輻射檢測(cè)器陣列上。檢測(cè)器所接收的被衰減的束的輻射強(qiáng)度取決于目標(biāo)對(duì)X-射線的衰減情況。陣列的每個(gè)檢測(cè)器元件分別產(chǎn)生電信號(hào)，該電信號(hào)為射線束在該檢測(cè)器位置上的束衰減的測(cè)量值。分別采集來(lái)自所有檢測(cè)器的衰減測(cè)量值以得到透射斷層圖像。
在已知的第三代CT系統(tǒng)中，X-射線源和檢測(cè)器陣列都在成像平面內(nèi)圍繞要成像的目標(biāo)與臺(tái)架一起旋轉(zhuǎn)，以使X-射線與目標(biāo)叉交的角度恒定地變化。在臺(tái)架上的某一角度上來(lái)自檢測(cè)器陣列的一組X-射線衰減測(cè)量值(即投影數(shù)據(jù)(projection data))稱為一個(gè)“視圖(view)”。在X-射線源和檢測(cè)器旋轉(zhuǎn)一圈的過(guò)程中對(duì)目標(biāo)的一次“掃描”包括在不同臺(tái)架角度(或稱為視角)上得到的一系列視圖。在軸向掃描中，處理投影數(shù)據(jù)以構(gòu)造與從目標(biāo)中切取的兩維片層相對(duì)應(yīng)的圖像。在本領(lǐng)域中將從一系列的投影數(shù)據(jù)中重構(gòu)圖像的方法稱為濾波背反向投影技術(shù)。這種方法將掃描所得的衰減測(cè)量值轉(zhuǎn)換成稱為“CT數(shù)”或“Houndsfield單位”的整數(shù)，應(yīng)用這種整數(shù)來(lái)控制在陰極射線管顯示器上的相應(yīng)像素的亮度。
在空間CT中，應(yīng)用大平面控制板數(shù)字X-射線設(shè)備或檢測(cè)器采集數(shù)據(jù)，這種大平面控制板數(shù)字X-射線設(shè)備或檢測(cè)器具有許多成行或成列設(shè)置的像素。更具體地說(shuō)，該成像系統(tǒng)包括X-射線源和至少一個(gè)固態(tài)X-射線檢測(cè)器。為產(chǎn)生空間圖像，至少有一個(gè)X-射線源和X-射線檢測(cè)器圍繞所要成像的目標(biāo)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于每個(gè)所識(shí)別的視圖從X-射線源朝X-射線檢測(cè)器發(fā)射X-射線并采集該視圖的投影數(shù)據(jù)。
由于錐形束的幾何放大作用，即使具有最大可用的平面控制板檢測(cè)器的系統(tǒng)的有用掃描視場(chǎng)還是太小以至不能覆蓋一般的患者。為克服控制板的尺寸的限制，通過(guò)旋轉(zhuǎn)投影2π的角度可以將控制板從等中心點(diǎn)偏移以增加掃描視場(chǎng)。在這種結(jié)構(gòu)中，由于每個(gè)投影都被截?cái)嗔?，因此一般?huì)產(chǎn)生圖像假像。
本發(fā)明描述了對(duì)在計(jì)算機(jī)斷層掃描中應(yīng)用數(shù)字平面控制板采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括選擇滿足如下標(biāo)準(zhǔn)的加權(quán)函數(shù)的步驟。
(a)共軛采樣的權(quán)之和等于1。
(b)加權(quán)函數(shù)是連續(xù)的并對(duì)γ可微分，這里γ是扇形角。
(c)在控制板的邊沿附近的加權(quán)函數(shù)接近零，而在控制板的邊界附近接近1。
(d)在范圍§1＜§＜§2中加權(quán)函數(shù)保持恒定，這里基于在重構(gòu)的視場(chǎng)內(nèi)的互補(bǔ)的射線的端部交點(diǎn)確定§1和§2。
加權(quán)函數(shù)的一個(gè)實(shí)例為 其中θ(γ)=γ+γb2γb·]]>附

圖1所示為CT成像系統(tǒng)示圖。
附圖2為在附圖1中所示的系統(tǒng)的方塊示意圖。
附圖3所示為應(yīng)用半控制板結(jié)構(gòu)采集數(shù)據(jù)的相關(guān)幾何結(jié)構(gòu)的示意圖。
附圖4說(shuō)明了與數(shù)據(jù)采樣相關(guān)的加權(quán)函數(shù)的實(shí)例。
附圖5所示為傾斜角度的相關(guān)性。
附圖6投影數(shù)據(jù)的外推。
現(xiàn)在參考附圖1和2，所示的計(jì)算機(jī)斷層(CT)成像系統(tǒng)10包括代表“第三代”CT的臺(tái)架12。臺(tái)架12具有朝在臺(tái)架12的對(duì)面上的檢測(cè)器陣列18投射X-射線束16的X-射線源14。檢測(cè)器元件20形成檢測(cè)器陣列18，這些檢測(cè)器元件一起感測(cè)所發(fā)射的穿過(guò)目標(biāo)12(例如內(nèi)科病人)的X-射線。檢測(cè)器陣列18可以制成單片結(jié)構(gòu)或多片結(jié)構(gòu)。每個(gè)檢測(cè)器元件20產(chǎn)生表示輻照的X-射線束和當(dāng)它穿過(guò)病人22時(shí)該X-射線束的衰減的強(qiáng)度的電信號(hào)。在采集投影數(shù)據(jù)的掃描的過(guò)程中，臺(tái)架12和所安裝的部件圍繞轉(zhuǎn)軸中心24轉(zhuǎn)動(dòng)。
CT系統(tǒng)10的控制機(jī)構(gòu)控制著臺(tái)架12的轉(zhuǎn)動(dòng)和X-射線源14的運(yùn)行?？刂茩C(jī)構(gòu)26包括給X-射線源14提供功率和時(shí)序信號(hào)的X-射線控制器28和控制臺(tái)架12的轉(zhuǎn)速和位置的臺(tái)架馬達(dá)控制器30。在控制機(jī)構(gòu)26中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)32采集來(lái)自檢測(cè)器元件20的模擬數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為隨后處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。圖像重構(gòu)器34從DAS32中接收所采樣并數(shù)字化的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行高速圖像重構(gòu)。將所重構(gòu)的圖像輸出到計(jì)算機(jī)36，該計(jì)算機(jī)36將圖像存儲(chǔ)在大容量存儲(chǔ)設(shè)備38中。
計(jì)算機(jī)36還接收操作者經(jīng)過(guò)具有鍵盤的控制臺(tái)40輸入的指令和掃描參數(shù)。相應(yīng)的陰極射線管顯示器允許操作者觀察所重構(gòu)的圖像以及其它來(lái)自計(jì)算機(jī)36的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)36執(zhí)行操作者所輸入的指令和參數(shù)并給DAS32、X-射線控制器28和臺(tái)架馬達(dá)控制器30提供控制信號(hào)和信息。此外，計(jì)算機(jī)36操作控制機(jī)動(dòng)化的工作臺(tái)46的工作臺(tái)馬達(dá)控制器44，以將病人22定位在臺(tái)架12中。具體地說(shuō)，工作臺(tái)46將病人22的一部分移過(guò)臺(tái)架開口48。
圖3所示為半個(gè)控制板CT系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)。單控制板覆蓋在稍微超過(guò)一半的視場(chǎng)上，X-射線源和控制板都旋轉(zhuǎn)360度。通過(guò)將要求采集的數(shù)據(jù)減少到大約由控制板所采集的數(shù)據(jù)的一半，能夠增加有用的掃描視場(chǎng)。
為了消除截?cái)嗟耐队八a(chǎn)生的假像，應(yīng)用下述的加權(quán)算法。例如，通過(guò)計(jì)算機(jī)36或通過(guò)在圖像重構(gòu)器34中的處理器執(zhí)行加權(quán)算法。
特別地，對(duì)于簡(jiǎn)單的扇形束掃描幾何結(jié)構(gòu)(在VCT中的中心片層)，可以通過(guò)應(yīng)用在2π范圍內(nèi)的投影數(shù)據(jù)的冗余采樣的加權(quán)函數(shù)來(lái)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)。在扇形束幾何結(jié)構(gòu)中，采樣(γ,β)和(-γ,β+π-2γ)形成了共扼采樣對(duì)，這里γ是扇形角和β是投影視角。
對(duì)于平面控制板，當(dāng)控制板輕微地超過(guò)相同的通道時(shí)，重疊的(冗余采樣)區(qū)域如附圖4所描述。附圖4所示為Radon空間采樣模式。加權(quán)函數(shù)滿足下述三個(gè)條件(a)互補(bǔ)的采樣的權(quán)之和等于單位1，(b)加權(quán)函數(shù)是連續(xù)的并對(duì)γ可微分，和(c)在控制板的邊沿附近權(quán)接近于零，而在其它邊界附近上接近單位1。
因?yàn)閮墒渚€并不是冗余采樣，所以術(shù)語(yǔ)“互補(bǔ)的”代替了“共扼”。射線僅具有的共同特性是它們的β角相隔180度。
加權(quán)函數(shù)的實(shí)例有 其中θ(γ)γ+γb2γb]]>對(duì)于并沒有形成扇形束采樣(即偏離了中心片層)的投影采樣，并不存在共扼采樣，而對(duì)于不同的圖像重構(gòu)位置，錐形束的傾角不同。參看附圖5，每個(gè)投影采樣以(γ,β,§)表示，其中γ,β和§分別是扇形角、投影視角和傾斜角。對(duì)于中心平面，如果兩點(diǎn)(標(biāo)為A和B)的連線與投影射線重合，則該點(diǎn)也將與共扼采樣射線重合。如果相同的兩點(diǎn)在垂直上偏離了中心平面(標(biāo)為A’和B’)，則形成A’的互補(bǔ)采樣的射線對(duì)將不同于形成B，的互補(bǔ)采樣的射線對(duì)。
為確保對(duì)每個(gè)所重構(gòu)點(diǎn)的總的貢獻(xiàn)保持恒定的特性，另外還限制在范圍§1＜§＜§2中加權(quán)函數(shù)保持恒定，這里基于輻射的射線與重構(gòu)的視場(chǎng)的端部交叉點(diǎn)確定§1和§2。在等式1中描述了滿足這些條件的加權(quán)函數(shù)的簡(jiǎn)單實(shí)例。在整個(gè)范圍§上權(quán)保持恒定。
應(yīng)用如上所描述的加權(quán)函數(shù)，控制板的尺寸比視場(chǎng)的半徑稍稍大一點(diǎn)(覆蓋范圍-γ0＜γ＜0)。雖然比依據(jù)前述的加權(quán)算法需要的所有的加權(quán)通道(一般大約要求為20個(gè)通道)更少，但是能夠進(jìn)一步構(gòu)造加權(quán)算法以使不要求附加的重疊通道。
特別是，將在控制板邊沿的投影數(shù)據(jù)進(jìn)一步外推到-γ0＜γ＜0上。應(yīng)用公知的外推技術(shù)就可以進(jìn)行這種外推。例如，可以基于在邊沿附近的投影數(shù)據(jù)的斜率形成外推數(shù)據(jù)或?qū)υ谕队斑呇氐耐队皵?shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。外推的結(jié)果如附圖6所示。
應(yīng)用外推的投影數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用上述的加權(quán)方案以抑制在邊沿處的投影的不連續(xù)性。一般地，由于外推的數(shù)據(jù)的可靠性小于真實(shí)測(cè)量值，所以構(gòu)造加權(quán)函數(shù)以給所測(cè)量的數(shù)據(jù)提供比外推的數(shù)據(jù)更大的權(quán)。
通過(guò)上文對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例的描述，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的是很顯然的。雖然已經(jīng)詳細(xì)地描述并示出了本發(fā)明，但是應(yīng)該清楚的是實(shí)例僅是說(shuō)明本發(fā)明，它并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。此外，這里所描述的CT系統(tǒng)是“第三代”系統(tǒng)，在這種“第三代”CT系統(tǒng)中兩個(gè)X-射線源和檢測(cè)器與臺(tái)架一起旋轉(zhuǎn)。只要校正單個(gè)檢測(cè)器元件以使其對(duì)X-射線束產(chǎn)生基本均勻的響應(yīng)，則也可以應(yīng)用包括“第四代”系統(tǒng)的許多其它的CT系統(tǒng)，在“第四代”系統(tǒng)中檢測(cè)器是整環(huán)式靜止的檢測(cè)器并只有X-射線源與臺(tái)架一起旋轉(zhuǎn)。此外，這里所描述的系統(tǒng)執(zhí)行軸向掃描，然而，盡管需要超過(guò)360度的數(shù)據(jù)，本發(fā)明也可以應(yīng)用螺旋掃描。因此，僅依據(jù)所附加的權(quán)利要求限制本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1．一種用于在計(jì)算機(jī)斷層系統(tǒng)中對(duì)從一部分?jǐn)?shù)字平面控制板中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)的方法，所說(shuō)的方法包括如下步驟選擇一種加權(quán)函數(shù)，在該加權(quán)函數(shù)中互補(bǔ)采樣的權(quán)重之和等于單位1；加權(quán)函數(shù)是連續(xù)的并對(duì)γ可微分，這里γ是扇形角；在控制板的邊沿附近加權(quán)函數(shù)接近零，而在控制板的邊界附近上接近單位1，并且在范圍§1＜§＜§2中加權(quán)函數(shù)保持恒定，這里基于在重構(gòu)視場(chǎng)中的互補(bǔ)射線的端部交點(diǎn)確定§1和§2，和將加權(quán)函數(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中。
2．依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中加權(quán)函數(shù)為 這里θ(γ)=γ+γb2γb.]]>
3．依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將在控制板的邊沿的投影數(shù)據(jù)外推到的-γ0＜γ＜0范圍的步驟。
4．依據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所說(shuō)的外推基于在控制板邊沿的投影數(shù)據(jù)的斜率。
5．依據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所說(shuō)的外推基于在控制板邊沿的投影數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合。
6．依據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所說(shuō)的加權(quán)函數(shù)給所測(cè)量的數(shù)據(jù)的權(quán)比外推的數(shù)據(jù)的權(quán)更大。
7．應(yīng)用在計(jì)算機(jī)斷層掃描中所采集的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu)的裝置，所說(shuō)的裝置包括按照下述編程的處理器獲得投影數(shù)據(jù)；和將加權(quán)函數(shù)應(yīng)用到投影數(shù)據(jù)中，加權(quán)函數(shù)滿足互補(bǔ)采樣的權(quán)之和等于1；加權(quán)函數(shù)是連續(xù)的并對(duì)γ可微分，這里γ是扇形角；在控制板的邊沿附近加權(quán)函數(shù)接近零，而在靠近控制板的邊界上接近單位1，并且在范圍§1＜§＜§2中加權(quán)函數(shù)保持恒定，這里基于在重構(gòu)的視場(chǎng)中的輻射射線的端部交點(diǎn)確定§1和§2。
8．依據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中加權(quán)函數(shù)為 這里θ(γ)=γ+γb2γb·]]>
9．依據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所說(shuō)的處理器進(jìn)一步被編程為將在控制板的邊沿的投影數(shù)據(jù)外推到的-γ0＜γ＜0范圍。
10．依據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所說(shuō)的處理器進(jìn)一步被編程為基于在控制板邊沿附近的投影數(shù)據(jù)的斜率進(jìn)行外推。
11．依據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所說(shuō)的處理器進(jìn)一步被編程為基于在控制板邊沿附近的投影數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合進(jìn)行外推。
12．依據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所說(shuō)的處理器進(jìn)一步被編程為給測(cè)量數(shù)據(jù)的權(quán)比外推的數(shù)據(jù)的權(quán)更大。
13．一種計(jì)算機(jī)斷層系統(tǒng)，包括采集數(shù)據(jù)的平面控制板數(shù)字檢測(cè)器和處理器，對(duì)處理器進(jìn)行編程使其通過(guò)將加權(quán)函數(shù)應(yīng)用到投影數(shù)據(jù)中對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，所說(shuō)的加權(quán)函數(shù)滿足互補(bǔ)采樣的權(quán)之和等于單位1；加權(quán)函數(shù)是連續(xù)的并對(duì)γ可微分，這里γ是扇形角；在控制板的邊沿附近加權(quán)函數(shù)接近零，而在控制板的邊界附近接近1，并且在范圍§1＜§＜§2中加權(quán)函數(shù)保持恒定，這里基于在重構(gòu)的視場(chǎng)中的輻射的射線的端部交點(diǎn)確定§1和§2。
14．依據(jù)權(quán)利要求13所述的計(jì)算機(jī)斷層系統(tǒng)，其中加權(quán)函數(shù)為 這里θ(γ)=γ+γb2γb·]]>
15．依據(jù)權(quán)利要求13所述的計(jì)算機(jī)斷層系統(tǒng)，其中所說(shuō)的處理器進(jìn)一步被編程為將在控制板的邊沿的投影數(shù)據(jù)外推到的-γ0＜γ＜0范圍。
16．依據(jù)權(quán)利要求15所述的計(jì)算機(jī)斷層系統(tǒng)，其中所說(shuō)的處理器進(jìn)一步被編程為基于在控制板邊沿附近的投影數(shù)據(jù)的斜率進(jìn)行外推。
17．依據(jù)權(quán)利要求15所述的計(jì)算機(jī)斷層系統(tǒng)，其中所說(shuō)的處理器進(jìn)一步被編程為基于在控制板邊沿附近的投影數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合進(jìn)行外推。
18．依據(jù)權(quán)利要求15所述的計(jì)算機(jī)斷層系統(tǒng)，其中所說(shuō)的處理器進(jìn)一步被編程為給測(cè)量數(shù)據(jù)的權(quán)比外推數(shù)據(jù)的權(quán)更大。
全文摘要
描述了一種對(duì)在計(jì)算機(jī)斷層掃描中應(yīng)用數(shù)據(jù)平面控制板采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中,所述的方法包括選擇滿足如下標(biāo)準(zhǔn)的加權(quán)函數(shù);互補(bǔ)采樣的權(quán)之和等于1;加權(quán)函數(shù)是連續(xù)的并對(duì)γ可微分(這里γ是扇形角);在控制板的邊沿附近加權(quán)函數(shù)接近零,而在接近控制板的邊界上趨于1,并且在范圍§
文檔編號(hào)A61B6/03GK1287327SQ0012633
公開日2001年3月14日 申請(qǐng)日期2000年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月7日
發(fā)明者J·希 申請(qǐng)人:通用電氣公司