CN101416072B - 用于计算机断层造影成像的改进的重组 - Google Patents

Abstract

一种断层造影设备：包括辐射源(12)，其具有多个焦点(F_a、F_b、F_c、F_d)；以及检测器(20)，其产生输出信号，所述输出信号表示沿多个射线所接收的辐射。高度重组器(34)对所获得的射线执行高度重组，以产生高度内插读数。横向重组器(36)在正则空间中对高度内插的射线执行二维横向内插，以产生多个横向内插读数(302)。对横向内插读数(302)进行重构，以产生人可读懂的图像。

Description

用于计算机断层造影成像的改进的重组

说明

本发明涉及计算机断层造影(CT)成像。其发现了对多焦点获取技术的特定应用。其还发现了对心脏的应用及其它应用，其中，想要改善剖析结构的显影并抑制重构图像中的条纹和其它伪像。

在心脏锥形波束CT中不断增加的分辨率有可能改善冠状动脉成像的质量。获得改善的分辨率的一种方法是在横向和纵向上同时调节焦点。然而，检测器元件有限的动态范围以及可能的电子噪声限制了角度采样速率。随着台架旋转速度增加，这个问题被加剧。

其结果是，从多个焦点位置获取数据就需要减少每次台架旋转所获得的帧数量。这进而导致了条纹伪像(streak artifact)并降低了重构图像中的横向空间分辨率。因此，所希望的是：获益于多焦点技术，同时减小由于每次旋转所获得的帧数量的减少而导致的有害影响。

另外，常规横向重组(re-binning)技术使用了平行几何形状3D反投影锥形波束CT重构算法，该技术遵循两步骤过程。在第一步骤中，将所获得的射线重组为不等距的平行射线。在第二步骤中，对所述不等距平行射线执行一维径向内插，以产生等距的平行射线。这个两步骤内插处理导致了不准确性，其引起了重构图像中的拖尾效应和其它伪像。随着角度采样的减少，这些误差还会加剧。因此，所希望的是：减小由扇形到平行重组处理所引入的不准确性，尤其是在角度采样速率有限的情况下。

本发明的各个方面针对这些问题及其它的问题。

根据本发明的第一方面，一种断层造影设备，包括：辐射源，其围绕成像区旋转；对辐射敏感的检测器，其检测由所述辐射源发出的辐射，并产生输出信号，所述输出信号表示沿多个射线所接收的辐射的；横向重组器(rebinner)，其对所述输出信号进行内插，以产生横向内插读数(reading)；以及重构器，其对所述横向内插读数进行重构，以产生人可读的图像。所述辐射源包括至少第一和第二焦点，并且所述内插包括：对所述输出信号进行加权，作为所述输出信号与所述横向内插读数的二维正则距离的函数。

根据本发明的更受限制的方面，所述内插包括：计算输出信号的加权平均值，所述输出信号表示沿着在正则空间中位于与所述横向内插读数最接近处的射线所接收的辐射。

根据本发明仍更受限制的方面，所述断层造影设备具有横向视场，其具有径向尺寸。所述内插包括：重新调节所述正则距离，作为所述径向尺寸的函数。

根据本发明的另一受限制的方面，所述内插包括：对输出信号进行内插，所述输出信号表示来源于所述第一和第二焦点两者的射线。

该设备还可以包括高度重组器，其对所述输出信号进行内插，以产生高度重组的读数，并且所述横向重组器可以对所述高度重组的读数进行内插。

根据本发明的再更受限制的方面，所述高度内插读数的z坐标是所述高度内插读数与一圆柱表面相交处的z坐标，所述圆柱表面具有穿过标称焦点的纵向轴。所关注曲面可以与等中心点相交。

根据本发明的仍更受限制的方面，所述检测器包括在z方向上延伸的多行检测器元件。在所述高度内插读数之间的距离等于在所述检测器的中心行之间的距离。

根据本发明的另一受限制的方面，第一和第二焦点具有不同的z坐标。所述重构器基于第一和第二焦点的平均z坐标来对所述横向内插读数进行重构。x射线源可以具有两个以上的焦点，例如三个、四个或更多。

根据本发明的另一方面，一种计算机断层造影重构方法，包括以下步骤：对在计算机断层造影扫描中获得的多个射线执行二维横向内插，以产生横向内插读数；多次重复所述执行二维横向内插的步骤，以产生多个横向内插读数；以及对所述横向内插读数进行重构，以产生人可读懂的图像。所述获得的射线和所述内插读数每一个在正则空间内都具有位置，并且所述内插包括：加权所述获得的射线，作为所述获得的射线在所述正则空间中与所述横向内插读数之间的距离的函数。

根据本发明受限制的方面，所述多个横向内插读数位于正则空间中，以便构成多个等距平行投影。根据本发明更受限制的方面，所述内插可以包括：计算n个获得的射线的加权平均值，所述n个获得的射线在所述正则空间中位于最接近于所述横向内插读数处。N优选地是大于或等于4的数。

根据本发明另一更受限制的方面，该方法还包括：重新调节所述获得的射线的正则坐标中至少一个。

根据本发明受限制的方面，该方法还包括：对所述获得的射线执行纵向内插，以产生纵向内插读数。执行二维横向内插的步骤包括：对具有共同z坐标的多个纵向内插读数执行二维横向内插。

根据本发明的再更受限制的方面，所获得的射线来源于具有第一和第二焦点的x射线源。执行纵向内插的步骤包括：对来源于第一焦点的射线和来源于第二焦点的射线分别进行内插。根据本发明的仍更受限制的方面，所述获得的射线来源于具有第一、第二、第三和第四焦点的x射线源，执行纵向内插的步骤包括：对来源于每一个所述焦点的射线分别进行内插。

根据本发明的另一更受限制的方面，所述纵向内插读数的z坐标是所述读数与一表面相交处的z坐标，该表面与用于获得所述射线的CT扫描器的视场相交。

根据本发明的另一更受限制的方面，所述表面与所述视场的等中心点相交。根据本发明的再更受限制的方面，所述表面是圆柱形表面，其具有与标称焦点位置相交的纵向轴。

本发明的一个方面的优势在于：可以执行相对准确的横向内插。

本发明的一个方面的另一优势在于：可以平衡由于横向内插所引起的角度和径向拖尾效应。

本发明的一个方面的另一优势在于：可以减少图像伪像，同时提供了改进的横向空间分辨率。

本发明的一个方面的另一优势在于：可以执行高度重组，同时保持内插射线的横向坐标。

本发明的一个方面的另一优势在于：从多个焦点获得的数据的重构被简化，同时提供了良好的准确性。

在阅读并理解了所附的说明后，本领域技术人员会意识到仍有其它的优势和益处。

图1是CT系统的框图；

图2a示出了在x-z平面中的x射线管的焦点；

图2b示出了在横平面中所观察到的x射线波束的几何形状；

图2c示出了在y-z平面中所观察到的x射线波束的几何形状；

图3a示出了正则坐标系的角度和线性坐标；

图3b示出了在正则坐标中的横向重组；以及

图4示出了经线性重新调节的角度的几何形状。

参考图1，CT扫描器10包括旋转台架18，其围绕z轴旋转。台架18支撑x射线源12，例如x射线管，其产生常见的圆锥形辐射波束。x射线源12包括动态焦点，其在源12的旋转期间迅速移动或偏转到多个位置。台架18还支撑对x射线敏感的检测器20，其对着在检查区14的相对侧上的有角度的弧。检测器20是多切片(multi-slice)检测器，其包括在z方向上延伸的多行或多片检测器元件，及在横向延伸的多列检测器元件。检测器20产生输出信号，其表示沿多个射线接收的辐射。也可以使用平板或其它检测器20结构，以及第四代或其它系统几何形状。

病人支架16，例如病床，在检查区14中支撑病人。病人支架16优选地可以在z方向上移动。控制器28按照执行预期的扫描协议所必需的来协调各种扫描参数，包括x射线源12的参数，例如管电压、电流和焦点位置。

对由检测器20收集的数据进行重构，以产生表示病人内部剖析情况的体积数据。高度或z轴重组器34对由检测器20所获得的射线的执行高度重组，横向重组器36执行横向重组。卷积器38和反投影器40合作重构所获得的数据。高度重组器34、横向重组器36、卷积器38和反投影器40优选地实现为与扫描器10相关联的重构子系统30的一部分。这些项目还可以在独立的系统或计算机中实现。

图像处理器42处理由重构器30产生的体积图像数据，用于以人们可读懂的形式来进行显示。

通用计算机充当操作员控制台44。控制台44包括：人可读的输出设备，例如监视器或显示器；以及输入设备，例如键盘和鼠标。驻留在控制台上的软件通过创建预期的扫描协议，开始并终止扫描、观看或者处理体积图像数据，或者与扫描器10交互，来允许操作员控制扫描器10的操作。

图2a示出了x射线管12焦点在横穿轴向剖面中的几何形状。x射线管12包括四个(4)焦点F_ac、F_bc、F_ad和F_bd，在此a和b表示沿z轴的焦点位置，c和d表示在横平面中焦点的位置。标称焦点(nominal focal spot)位置F_n定义在实际焦点F_ac、F_bc、F_ad和F_bd的中心处。

图2b示出了在横平面或x-y平面中的常见圆锥形x射线波束206的几何形状。管12及由此得到的标称焦点F_n沿圆形轨迹204围绕等中心点(isocenter)202旋转，其一段被示出。管12射出x射线波束206，其近似地与视场208一起共同延伸。中心射线206_c穿过等中心点202，并被检测器20的中心行接收。随着管12围绕轨迹204旋转，焦点在焦点F_ac、F_bc、F_ad和F_bd之间迅速移动，并且分别为每个焦点位置收集由检测器12所接收的数据。

图2c为中心射线示出了在y-z平面中常见圆锥形x射线波束206的几何形状，中心射线穿过等中心点202，并被多行检测器12的中心列接收。焦点F_ac和F_ad的投影图示为点F_ax，焦点F_bc和F_bd的投影图示为F_bx。从焦点F_ax和F_bx射出的x射线波束206的中心射线的相对位置分别在206_a和206_b示出。如可见到的，焦点位置的移动导致了在等中心点202的有缺陷的交错。

参考图1和图2c，高度重组器34为每一个焦点位置F_ac、F_bc、F_ad和F_bd和检测器列执行各自的高度内插。这保持了读数的横坐标。首先会结合中心射线来解释高度重组器，中心射线在沿z轴的不同位置与等中心点202相交。

在z方向上对中心射线进行内插，以在沿z轴的预期位置上产生内插读数。在内插读数之间的距离优选地被选择为与在多切片检测器20的中间行之间的距离相等。忽略焦点位置的移动，于是输入和输出光栅相吻合，就无需对中间行进行高度内插。这避免了由于中间行的内插造成的拖尾效应。

要被内插的每一射线的z坐标被定义为该射线与等中心点202相交处的位置。内插读数的z坐标同样定义为该读数与等中心点202相交处的位置。尽管针对每一z轴焦点位置F_ac、F_bc、F_ad和F_bd执行各自的高度重组，但是将内插读数近似为来源于标称焦点位置F_n。

如所意识到的，只有中心射线与等中心点202相交。因此，要被内插的射线206的z坐标和高度内插读数的z坐标实际上相对于它们与曲面或平面220的交点来定义。图2c示出了投影到横平面中的曲面202。曲面220可以被设想为圆柱表面的一部分，该圆柱具有与标称焦点Fn相交的纵向轴及半径RFS，在此RFS是焦点轨迹202的半径(即，在横平面中的、在标称焦点F_n的纵向位置处的距离)。因此，z坐标相对于它们与圆柱表面220的交点来定义。

将曲面220定义为与等中心点202相交的一个优点在于，在等中心点处内插误差为0，而在视场208的边缘处达到最大值。当然，曲面220不是必须要与等中心点202相交，也可以实现其它适当的表面或函数。

为每一个焦点位置F_ac、F_bc、F_ad、F_bd和检测器列分别执行高度内插，以便为每一个检测器列和焦点位置产生一维内插值的输出光栅。为在由于源12围绕z轴的旋转而得到的多个源12的位置处所获取的数据，重复该过程。

还应注意，不是必须要在执行高度内插之前对来源于不同焦点位置的射线进行交错。尽管对来源于各个焦点的射线执行各自的内插会导致不太密集的输入光栅，但来自不同焦点的输入读数(即要被内插读数)仍然在等中心点202处交错，如在图2c中所见的。所产生的非相干性效果有助于抑制风车状伪像(windmill artifact)，同时仍旧提供了良好的z轴分辨率。

返回到图1，横向重组器36接收高度内插读数，并执行横向重组，以产生多个等距的平行视图。在逐行的基础上执行横向重组。换一种说法，分别对具有不同z坐标的高度内插读数执行横向重组。

参考图3a，可以采用正则坐标系表示射线位置或读数。第一坐标表示读数相对于x轴202的角度θ。第二坐标表示读数相对于等中心点的径向距离1。在图3b中示出了要在示范性采集中获得的射线的正则表示，并且采用不同的形状来标记来源于焦点F_ac、F_bc、F_ad和F_bd的射线。横坐标表示以毫米为单位的线性正则坐标1，而纵坐标表示比例改变为毫米的角坐标θ。星号302表示想要的横向内插读数的正则位置。优选地，横向内插读数的位置被选择为构成多个等距的平行视图。

优选地，对视角θ进行重新调节(rescale)或变换，以平衡由角度和线性方向上的内插所产生的x-y平面中的拖尾效应。通过避免给予位于相对于内插读数更远处的射线过大的加权，在角度与线性拖尾效应之间的平衡会导致图像伪像的减少，同时改善了横向空间分辨率。在一个实施例中，角度坐标θ可以用缩放系数以毫米为单位表示，该缩放系数是扫描FOV 208的半径的函数。执行重新调节，以使得由于沿线性轴和角度轴的内插所造成的、在横向视场208边缘处的拖尾效近似相等。

参考图4，其中以极为放大的形式显示了几何形状，示出了两条射线302、304，其由同一检测器接收，但处于连续的积分时间或帧处。假定两条射线302、304源于标称焦点位置F_n处。这两条射线在其与横向视场208交点处之间的距离D给予了拖尾效应的合理的近似值，该拖尾效应起因于在视场208边缘处沿角度方向的内插。拖尾效应在更靠近等中心点202的位置会减小。距离D及由此的缩放系数可以约为如下：

$D=\frac{2\mathrm{\πr}}{f}$ 公式1

在此，r是横向视场的半径，f是x射线源12每次旋转的帧数。因此，对于250mm的视场及每次旋转330帧的采样，适当的缩放系数约为2.38毫米/度。

当然，可以使用其它方法来确定两个轴的比例。在另一方法中，对缩放进行选择以使得拖尾效应不相等。在再另一方法中，除了在视场208的边缘处之外，获得了想要的拖尾效应。而且，缩放无需是线性的，并可以作为角度位置的函数而变化。当然，通过沿线性轴而不是角度轴，或者沿着两个轴进行重新调节，也可以获得相同的结果。

横向重组器36基于在正则空间中要被内插的射线与想要的内插读数之间的数值和距离，执行二维内插。在一个实施例中，通过计算n个射线的加权平均值来执行内插，这n个射线位于最接近想要的横向内插读数的位置。用于想要的内插读数304的示范性内插及n＝6的情况会基于六个最接近的所获得的射线306、308、310、312、314、316来计算加权平均值。每一个所获得的射线都以对于其与想要的内插视图的正则距离单调递减的关系进行加权。因此，射线310的权重会比射线306大，射线306的权重会比射线312大。优选地，执行加权平均，以使得一阶矩(即加权射线的总和乘以在每一射线与内插读数之间的位移向量)为0。

在另一实施例中，通过将n个相邻射线分组为全部可能的包含4个射线的子组，来执行所获得的射线的加权平均。对每一个子组执行双线性内插，单独存储每一个双线性内插的结果。随后依据对不同子组进行内插所获得的结果来计算加权平均值，给予位于更接近于想要的内插读数位置的结果更大的权重。再一次，与相距更远的那些射线相比，为位于更接近想要的读数位置的射线给予更大的权重。由于双线性内插的性质，一阶矩为0，因为依据来自每个子组的分布的第一矩为0。

当然，可以用不同数量n的所获得射线来执行加权平均。在另一实例中，n等于4。而且，可以使用其它计算和加权技术。

卷积器38用本领域公知的常规斜坡滤波器对重组的读数进行卷积。类似地，反投影器40用适当的反投影算法执行反投影。反投影器40将焦点F_a、F_b、F_c、F_d的平均z坐标(即标称焦点F_n的z坐标)用作重组读数的起点z坐标。换种方式来说，重构器假定重组读数从标称焦点F_n开始。由该近似值所引起的误差δz可由以下来计算：

$\mathrm{\δz}\≤\frac{\mathrm{SW}\·(\mathrm{RD}+\mathrm{RS})\·(r-\mathrm{RFS})}{4\·\mathrm{RD}\·\mathrm{RFS}}$ 公式2

在此，SW是准直切片宽度，RD是在检测器20与等中心点202之间的最小距离，RFS是焦点轨迹204的半径，RS是扫描视场208的半径，r是在读数上的点与读数起点之间的横向距离。对于通常的系统几何形状，误差δz在等中心点变为0，且在FOV的边缘小于约0.15mm。

尽管以上说明集中在具有四个焦点F_ac、F_bc、F_ad、F_bd的x射线源，该技术也可以结合双焦点源或具有其它更多或更少焦点数量的源一起来实施。在焦点具有相同的z坐标的情况下，例如在横平面中对焦点进行偏移的双焦点系统中，高度重组器34可以省略。该技术也可以结合焦点位置没有与扫描器的坐标系对齐的结构一起实施。例如，在双焦点系统中，该技术可以结合所谓的对角线结构一起实施，在此焦点具有不同的z和横向坐标。横向重组也可以结合具有单一焦点的源一起来实施。

已经参考优选实施例说明了本发明。当然，在阅读并理解了前述的说明后，其他人可以想到修改和变化。本发明意图被解释为包括全部这种修改和变化，只要它们在所附的权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种断层造影设备，包括：

辐射源(12)，其围绕成像区(14)旋转，其中，所述辐射源包括第一和第二焦点(F_ac、F_bc、F_ad、F_bd)；

对辐射敏感的检测器(20)，其检测由所述辐射源(12)发出的辐射，并产生输出信号，所述输出信号表示沿多个射线所接收的辐射；

横向重组器(36)，其对所述输出信号(306、308、310、312、314、316)进行内插，以产生横向内插读数(304)，其中，所述内插包括：对所述输出信号进行加权，作为其与所述横向内插读数之间的二维正则距离的函数；

重构器(38、40)，其对所述横向内插读数进行重构，以产生人可读的图像。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述内插包括：计算输出信号的加权平均值，所述输出信号表示沿着在正则空间中位于与所述横向内插读数最接近处的射线所接收的辐射。

3.如权利要求2所述的设备，其中，所述断层造影设备具有横向视场，所述横向视场具有径向尺寸，并且其中，所述内插包括：重新调节所述正则距离，作为所述径向尺寸的函数。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述内插包括：对输出信号进行内插，所述输出信号表示来源于所述第一和第二焦点两者的射线。

5.如权利要求4所述的设备，还包括高度重组器(34)，其对所述输出信号进行内插，以产生高度内插读数，并且其中，所述横向重组器(36)对所述高度内插读数进行内插。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述高度内插读数的z坐标是所述高度内插读数与一曲面(220)相交处的z坐标，所述曲面(220)具有穿过标称焦点(F_n)的纵向轴。

7.如权利要求6所述的设备，其中，所述断层造影设备具有一带有等中心点(202)的视场，并且其中，所述曲面与所述等中心点相交。

8.如权利要求7所述的设备，其中，所述检测器包括在z方向上延伸的多行检测器元件，并且其中，所述高度内插读数之间的距离等于所述检测器的中心行之间的距离。

9.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二焦点具有不同的z坐标，并且所述重构器基于所述第一和第二焦点的平均z坐标来重构所述横向内插读数。

10.如权利要求9所述的设备，其中，所述X射线源(12)包括第三和第四焦点。

11.一种计算机断层造影重构方法，包括以下步骤：

对在计算机断层造影扫描中获得的多个射线(306、308、310、312、314、316)执行二维横向内插，以产生横向内插读数(304)，其中，所述获得的射线和所述内插读数每一个在正则空间内都具有位置，并且其中，所述内插包括：对所述获得的射线进行加权，作为其在所述正则空间中与所述横向内插读数之间的距离的函数；

多次重复执行二维横向内插，以产生多个横向内插读数；

对所述横向内插读数进行重构，以产生人可读的图像。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个横向内插读数位于所述正则空间中，以便构成多个等距平行投影(302)。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述内插包括：计算n个获得的射线的加权平均值，所述n个获得的射线在所述正则空间中位于最接近于所述横向内插读数处，其中，n是大于或等于4的数。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括：重新调节所述获得的射线的正则坐标中的至少一个。

15.如权利要求11所述的方法，包括：对所述获得的射线执行纵向内插，以产生纵向内插读数，并且其中，执行二维横向内插的步骤包括：对具有共同z坐标的多个纵向内插读数执行二维横向内插。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述获得的射线来源于具有第一和第二焦点的x射线源(12)，并且其中，执行纵向内插的步骤包括：对来源于所述第一焦点的射线和来源于所述第二焦点的射线分别进行内插。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述获得的射线来源于具有第一、第二、第三和第四焦点的x射线源(12)，并且其中，执行纵向内插的步骤包括：对来源于每一个所述焦点的射线分别进行内插。

18.如权利要求15所述的方法，其中，所述纵向内插读数的z坐标是所述纵向内插读数与一表面(220)相交处的z坐标，该表面(220)与用于获得所述射线的CT扫描器的视场(208)相交。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述表面(220)与所述视场的等中心点(202)相交。

20.如权利要求18所述的方法，其中，所述表面是圆柱形表面，其具有与标称焦点位置(f_n)相交的纵向轴。

21.一种计算机断层造影重构设备，包括：

用于对在计算机断层造影扫描中获得的多个射线(306、308、310、312、314、316)执行二维横向内插，以产生横向内插读数(304)的装置(36)，其中，所述获得的射线和所述内插读数每一个在正则空间内都具有位置，并且其中，所述内插包括：对所述获得的射线进行加权，作为其在所述正则空间中与所述横向内插读数之间的距离的函数；

用于多次重复执行二维横向内插，以产生多个横向内插读数的装置；

用于对所述横向内插读数进行重构，以产生人可读的图像的装置(38、40)。

22.如权利要求21所述的设备，包括：用于对所述获得的射线执行纵向内插，以产生纵向内插读数的装置(34)，并且其中，所述用于执行二维横向内插的装置包括：用于对具有共同z坐标的多个纵向内插读数执行二维横向内插的装置。

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