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CN102123664B - 使用旋转中心寻找算法进行环形伪影校正的校准方法 - Google Patents

使用旋转中心寻找算法进行环形伪影校正的校准方法 Download PDF

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CN102123664B CN200980130829.0A CN200980130829A CN102123664B CN 102123664 B CN102123664 B CN 102123664B CN 200980130829 A CN200980130829 A CN 200980130829A CN 102123664 B CN102123664 B CN 102123664B
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Abstract

本发明涉及一种在计算机断层摄影（CT）中使用的3D旋转X射线成像系统以及一种快速、准确并且数学稳健的校准方法，其用于确定不完美等中心3D旋转C型臂系统中的有效旋转中心（I），并消除在使用这种CT扫描器系统时产生的大致圆形环状伪影（RA）。为此，基于C型臂的旋转CT扫描器包括辐射探测器（D）和X射线管（S），所述辐射探测器和X射线管中的每个沿不理想圆形轨迹（TF，TCD）围绕感兴趣对象进行旋转，以通过扫描校准体模并计算X射线管的焦斑和X射线探测器的中心的3D位置来提供几何校准数据。为了近似X射线管和放射探测器旋转所围绕的旋转轴的准确的3D位置和角度方向，采用了使用大量数学稳健的最小二乘拟合的圆形回归技术。

Description

使用旋转中心寻找算法进行环形伪影校正的校准方法
技术领域
本发明涉及供在计算机断层摄影（CT）中使用的3D旋转X射线成像系统，特别涉及一种快速、准确并且数学稳健的校准方法，其用于在不完美等中心3D旋转C型臂系统中确定有效旋转中心，并用于在使用这种CT扫描器系统采集待三维重建的感兴趣对象的一组2D投影图像时，充分消除圆形环状伪影。为此，基于C型臂的旋转CT扫描器包括至少一个旋转探测器，该旋转探测器具有接受至少一个X射线管发射的X射线束的X射线敏感表面，每个X射线管都沿不理想圆形轨迹围绕（从一组2D投影图像进行三维重建的）感兴趣对象进行旋转，以用于通过从多个不同的投影方向扫描校准体模来提供几何校准数据，并为每个投影方向计算X射线管焦斑和X射线探测器中心的3D位置。为了近似至少一个X射线管和至少一个辐射探测器旋转所围绕的旋转轴的准确3D位置和角度方向，采用了使用大量数学稳健的最小二乘拟合的圆形回归技术。
背景技术
如今，断层摄影X射线成像技术已经在诸如临床诊断、工业探查和安全扫测等不同领域获得了广泛的认同。在临床领域，专业的高分辨率CT成像系统近期已经成为用于癌症研究的重要的新工具，这是因为CT扫描器对于患者身体内部感兴趣区域（例如内部器官、心血管系统和/或任何其他解剖或病理结构）的无创检查是基本的医疗图像模态。断层成像系统因此从大量的不同投影方向上围绕患者采集一组2D投影图像，然后将其用于生成解剖结构的三维重建以实现可视化。
最近，随着螺旋CT（新一代的CT扫描器）的使用，放射学家能够在一次屏住呼吸期间，通过对患者的快速检查而节省大量的时间，从而可利用当今旋转CT成像系统的3D成像能力。在如多层螺旋CT中所用的旋转扫描架类型的常规等中心3D旋转X射线扫描器系统中，对X辐射敏感的探测器阵列受到与所属探测器阵列对径布置的X射线管发射的扇形或锥形X射线束的照射，其中，所述X射线管和所述探测器阵列置于能连续围绕患者旋转的旋转扫描架上。为了采集一组2D投影图像（其可用于重建待无创检查的患者体内解剖结构的三维图像），当患者躺在沿旋转轴向前推进的患者台上时，所述X射线管和探测器阵列沿圆形轨迹围绕患者身体旋转。
面束探测器3D成像系统可通过在围绕中央旋转轴的圆形路径上旋转X射线管和探测器进行操作。将所述旋转轴定位在患者解剖结构的感兴趣区域/体积的中心。X射线管和X射线探测器（例如图像增强器）典型地安置在旋转的C型臂支持组件的相对端。所述X射线管对患者照射X射线，该X射线撞击感兴趣区域（ROI）并被内部解剖结构衰减。所述X射线穿过患者并被患者的内部解剖结构所衰减，然后衰减的X射线撞击X射线探测器。当X射线管/C型臂/探测器组件围绕以患者体内感兴趣区域为中心的旋转轴进行旋转时，通过进行一系列图像来采集3D图像数据。将多个二维（2D）截面图像进行处理和结合以生成扫描对象的3D图像。
常规的移动C型臂组件利用简单的支持结构和几何结构将X射线管和X射线探测器安置在C型臂上。该支持结构将X射线管和X射线探测器固定在C型臂上，并在X射线管和X射线探测器之间保持预定的恒定距离。这样，X射线管和旋转轴之间的距离以及探测器和旋转轴之间的距离保持恒定且固定。
在当前的C型臂X射线荧光透视成像系统中，通过在围绕感兴趣对象的半圆形弧中对C形臂进行扫视，可进行3D断层图像重建。使用跨臂运动，弧是圆形的，并因此是等中心的。例如，使用C型臂，X射线束可围绕患者的头部进行扫视（例如，在围绕所述头部的圆弧内进行的CT扫描）。通过2D投影扫描图像进行体积图像重建。随着位于患者台头端的C型臂围绕患者台头端进行扫视，在跨臂运动上实现多次扫视。这样，对象处于中心点处（等中心运动）。
不考虑所使用的技术，感兴趣对象的三维重建图像（其从旋转CT扫描器在若干不同投影方向上采集的一组2D投影图像中计算得到）常常受到CT伪影的严重失真，所述CT伪影由采集的CT图像中各探测强度值与待可视化对象各期望衰减系数之间的差异所产生。这归因于将在下面章节中进行简要解释的多个原因。这些伪影（其如在常规断层摄影X射线成像中存在的那样，在螺旋CT中仍会存在）会严重恶化重建CT图像的图像质量，并在诊断精度上扮演着重要的角色。不幸的是，并非总能断定CT图像中是否实际存在伪影，因为这常常取决于放射学家的判断。然而，一旦存在严重的伪影，医生常常不能给出可靠的诊断，这是因为感兴趣的解剖结构可能被隐藏和完全受到失真。
通常，可将CT伪影分成四类：a)基于物理学的伪影，包括射束硬化伪影、光子不足伪影和欠采样伪影，b)基于患者的伪影，包括金属伪影和运动伪影，c)基于扫描器的伪影，包括由探测器灵敏度和机械不稳定性造成的伪影（其是本发明致力于解决的伪影类型）以及d)基于螺旋的伪影，其由于螺旋插值而产生。因此，仔细进行患者定位、避免患者移动和扫描参数的最佳选择是避免CT伪影的重要因素。
CT图像中最主要的伪影表现为条纹效应（streak effect），并且可能是由金属物体、射束硬化、光子不足和/或对象移动造成的。如果一个探测器通道的测量值在一次读取中被扭曲，就会出现一个条纹。如果一个通道在整个旋转中都不参与，将是这样的情况，既如果第三代旋转CT扫描器系统的X射线探测器没有校准，则探测器在每个角度位置上将给出一致的错误读数，因此导致圆形环状伪影。
环状伪影出现的另一重要原因在于这样的实事，既常规在计算机断层摄影中使用的基于C型臂的3D旋转X射线扫描器系统（其能够进行旋转扫描以便对感兴趣对象（例如借助于断层摄影X射线成像对待无创检查的患者体内的解剖区域）进行三维重建）可能不具有完美的等中心性。实际上，机械弯曲和运转以及各机械部件的不完美对准可使“旋转中心”随旋转角度而改变。由于X射线管和探测器阵列的轨迹可能不是完美等中心的，因此使用中的很多常规C型臂系统不能用C型臂的轨道运动进行准确的3D断层摄影重建。这样，所采集的针对待三维重建的感兴趣对象的2D投影图像，由于非等中心成像弧而受到扭曲，并且无法用于临床、诊断或介入目的。虽然圆形环状伪影很少搞乱病理结构，但他们可以严重影响断层摄影图像的诊断质量。为了使环状伪影的探测和校正准确无误，非常准确地知道环状伪影的中心（其构成有效旋转中心）是极其重要的，这意味着将3D体积体素的尺寸（尤其对于软组织成像）降低到亚毫米水平的精度。然后在对待可视化对象的3D重建的绘制中，该中心位置可用于消除环状伪影。因此，非常需要一种通过消除圆形环状伪影来提高断层摄影图像重建的校准系统和方法，所述圆形环状伪影是由于当借助于不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统来采集对象的2D投影图像时，由于X射线管和探测器阵列的非等中心运动而产生的。
US2005/0084147A1提出了一种基于一组沿非等中心轨迹采集的2D投影图像对感兴趣对象进行三维重建的方法。如该文献中描述的，所述方法包括如下步骤：确定并改变对象与X射线管和X射线敏感探测器中至少一个之间的距离以形成虚拟的等中心、在对所述对象进行成像期间保持该对象位于所述虚拟的等中心上以及在保持所述虚拟等中心的同时，规范所获图像数据中的放大变化并基于所述图像数据和所述规范的放大变化，重建所述对象的图像。在此所公开的方法可进一步包括这样的步骤，既在非圆形弧内移动包括X射线探测器和X射线管的支架，从而在改变所述探测器和所述对象间的距离时，围绕所述对象移动所述探测器和所述管。
发明内容
当使用不完美等中心的基于C型臂的3D旋转X射线扫描器系统时，根据已有技术的常规重建方法通常应用非线性数学方法来确定有效旋转中心。这些方法的缺陷在于：这些方法提供了“一种解决方案”但未必是最好的，这些方法对跨越180°或更小角度范围的CT扫描（例如像XperCT滚动扫描，其是Philips的Xtra Vision产品的一部分）不起作用，并且这些方法无法解决旋转轴不能完美垂直于大致圆形轨迹的图像采集平面，其中X射线管和探测器阵列在采集一组2D投影图像时沿所述大致圆形轨迹进行移动。
因而，本发明的目的在于促进对基于扫描器的圆形环状伪影的校准，所述伪影是在使用不完美等中心的3D旋转X射线扫描器系统时由于X射线管和探测器阵列的非等中心运动而引发的，从而提高了经断层摄影重建的3D图像的图像质量，所述3D图像是基于通过结合一组2D投影图像的图像数据而获得的一组体数据进行计算获得的，所述组2D投影图像是从若干不同投影方向上沿大致圆形轨迹围绕待可视化感兴趣对象而采集的。
考虑到这一目的，本发明的第一范例实施例涉及充分用于消除一组X射线摄影2D投影图像中大致圆形环状伪影的校准方法，所述组2D投影图像是由配有至少一个X射线管和相对于所述X射线管对径布置的相关联的至少一个X射线探测器的不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统从若干不同投影方向上采集的。
由此，所提出的校准方法包括如下步骤：当沿圆形轨迹围绕待可视化及断层摄影重建的对象移动所述X射线管和X射线探测器中的每一个时，从所述投影方向中的每一个上扫描校准体模。对于每一个投影方向，从所采集的2D投影图像计算至少一个X射线管的焦斑的3D位置和相关联的至少一个X射线探测器的3D中心位置。此后，从一组几何校准数据确定不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统旋转所围绕的有效旋转中心的3D坐标，所述组几何校准数据是作为基于计算得到的3D位置数据所执行的3D校准程序的结果而获得的。
根据该第一范例实施例，可以预见，所述3D校准程序基于圆形回归算法，该圆形回归算法计算与大致圆形环状伪影的2D投影最佳拟合的回归圆的中心位置和半径，所述大致圆形环状伪影的2D投影是在从所述投影方向中的每一个上扫描所述校准体模并将所得到的大致圆形环状伪影投影到所述回归圆位于的投影平面上时获得的。该圆形回归算法可包括产生与形成大致圆形环状伪影的一组点最佳拟合的圆的最小二乘拟合，该组点指示通过根据给定的分割率分割出连接至少一个X射线管的焦斑位置和相关联的至少一个X射线探测器的中心位置的每条线所获得的3D位置。对于所述投影方向中的每一个而言，该分割比率是通过至少一个X射线管的瞬时焦斑位置和相应图像采集时间时的特定投影角度的旋转中心的当前位置之间的距离与所述至少一个X射线探测器的瞬时中心位置和该时刻时的该投影角度的当前旋转中心之间的距离之商而确定的。然后，将借助于3D校准程序计算所得的回归圆的中心位置解释成当从所采集的该组X射线摄影2D投影图像重建感兴趣对象时大致圆形环状伪影的投影平面中的有效旋转中心。
根据该第一范例实施例的进一步改进，可以预见，将垂直于所得的回归圆的平面的矢量方向解释成当从所采集的该组X射线摄影2D投影图像重建感兴趣对象时有效旋转轴的方向矢量。由此，基于最小二乘优化标准计算该方向矢量，所述最小二乘优化标准将一组点拟合成回归圆并将所得的回归圆的平面上的法向矢量解释成有效旋转轴的方向矢量，所述点包括当从所述若干不同的投影方向上采集所述组X射线摄影2D投影图像时针对一组离散图像采集时间而言至少一个X射线管的焦斑在焦斑轨迹上的不同角度位置处的给定数量的离散点和至少一个X射线探测器的中心在探测器轨迹上的对径位置处的对应数量的离散点。
然后，有效旋转中心可被计算为位于至少一个X射线管的焦斑的轨迹平面与相关联的至少一个X射线探测器的中心的轨迹平面之间的点，其中，所述点由此位于所述法向矢量的方向上，即位于距所述焦斑轨迹平面和所述探测器轨迹平面的一定距离处，距所述焦点轨迹平面和所述探测器轨迹平面的距离比等于所述分割比。
本发明的第二实施例针对一种一组X射线摄影2D投影图像对感兴趣对象进行断层摄影重建的方法，所述组X射线摄影2D投影图像是由包括至少一个X射线管和相对于所述X射线管对径布置的相关联的至少一个X射线探测器的不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统从若干不同的投影方向上采集的，其中，所述图像是在沿两个圆形轨迹围绕所述对象移动所述X射线管和所述X射线探测器时采集的。根据本发明，如上面参考所述第一范例实施例提到的，所述方法可包括用于消除大致圆形环状伪影的校准方法。
本发明的第三范例实施例针对一种在计算机断层摄影中使用的不完美等中心的基于C型臂的3D旋转X射线扫描器系统，其中，所述系统包括适于执行如上面参考所述第一范例实施例提到的校准方法的校准单元。另外，所提议的C型臂系统可包括与所述校准单元进行交互的重建单元，其中，所述重建单元适于执行如上面参考所述第二范例实施例提到的重建方法。
最后，本发明的第四范例涉及一种当在用于对如上面参考所述第三范例实施例实施提到的基于C型臂的3D旋转X射线扫描器系统进行校准的校准单元上实施并运行时执行如上面参考所述第一范例实施例提到的方法的计算机程序产品。作为本发明有利的方面，进一步提供，所述计算机程序产品可包括用于当在如前面参考所述第三范例实施例提到的基于C型臂的3D旋转X射线成像系统上实施并运行时执行如上面参考所述第二范例实施例提到的方法的软件例程。
附图说明
本发明的这些和其他有利方面将通过举例参考下文描述的各实施并参考附图得以阐述。在附图中：
图1a示出了如现有技术所知的在断层摄影X射线成像中使用的基于可移动C型臂的旋转X射线扫描器系统的常规机构配置；
图1b示出了图示出用于对图1a所示的基于可移动C型臂的旋转X射线扫描器系统的操作进行控制所需要的信号流的示意性方框图；
图2示出了被圆形环状伪影恶化的横断身体扫描，所述圆形环状伪影是由于基于可移动C型臂的旋转X射线扫描器系统的机械部件的不完美对准造成的，而这种不完美对准使得旋转中心随旋转角度而改变；
图3图示出使用完美等中心的第三代3D旋转X射线扫描器系统（其包括一个没有校准的X射线探测器）在图像采集期间的圆形环状伪影的形成；
图4a是一3D图形，其示出了不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统的X射线管的焦斑进行移动的不完美圆形轨迹的一半和与所述X射线管对置的X辐射敏感探测器的中心进行移动的不完美圆形轨迹的对应另一半，所述轨迹通过使用校准体模来确定，并且该3D图形还示出了作为在本申请中提到的校准方法而获得的对应的有效旋转中心和有效旋转轴；
图4b是一个2D图形，其示出了投影到2D投影平面上的形成焦斑轨迹（用粗体线类型印刷的具有大半径的半圆）的一组点和形成探测器轨迹（用粗体线类型印刷的具有小半径的半圆）的另一组点，以及根据最小二乘优化标准与相应轨迹最佳拟合的对应回归圆；
图4c示出了图4b中2D图形靠近所计算的有效旋转中心的区域的放大版本，从而示出了投影到前述2D投影平面上的形成伪影的一组点，所述点基本上类似于一个圆，该组点根据最小二乘优化标准与回归圆拟合；
图5示出了图示出根据本发明的校准和3D重建方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，根据本发明上述各范例实施例的所要求保护的校准方法和基于C型臂的3D旋转X射线成像系统将针对具体细节并参考各附图详细解释。
在图1a中，示出了如相关现有技术（例如像在US2002/0168053A1中所公开的）所知的在断层摄影X射线成像中使用的基于可移动C型臂的旋转X射线扫描器系统的常规机构配置。所述CT系统包括X射线源S和设置于C型臂CA相对端的X射线探测器D，所述C型臂CA枢轴安置从而可围绕水平推进轴PA旋转，并且可借助于C型臂底座M围绕垂直于所述推进轴的水平C型臂轴CAA旋转，这样使得所述X射线源和X射线探测器能够围绕横越直角坐标轴x、y、z的静态3D笛卡尔坐标系的y轴和/或z轴以旋转角（分别为θ1或θ2,）旋转，其中，x轴具有C型臂轴CAA的方向，y轴是垂直于患者台平面（z-x平面）的竖直轴，而z轴具有推进轴PA的方向。C型臂轴CAA，其指向垂直于绘制平面（y-z平面）的方向，从而经过C型臂组件的等中心IC。X射线源S的焦斑位置与X射线探测器D的中心位置之间的连接直线与推进轴PA和C型臂轴CAA相交于等中心IC的坐标处。C型臂CA借助于L型臂LA枢轴设置，从而可围绕L型臂轴LAA旋转，该L型臂轴LAA具有y轴的方向并且与推进轴PA和C型臂轴CAA相交于等中心IC的坐标处。设置控制单元CU以对用来沿着指定轨迹围绕感兴趣对象移动X射线源S和X射线探测器D的至少两个电机的操作进行连续控制，所述感兴趣对象在围绕L型臂轴LAA或推进轴PA进行旋转时被置于由C型臂CA覆盖的球形轨道（检查范围）内的等中心IC的区域中。从图1a可以轻松地看出，具有X射线探测器D和X射线源S的C型臂CA能够围绕C型臂轴CAA旋转的同时，C型臂底座M围绕推进轴PA旋转，并且采集待检查感兴趣对象的投影图像。
在图1b中示出了按需要对图1a所示的基于可移动C型臂的旋转X射线扫描器系统100a的操作进行控制的信号流的示意性方框图100b。在图1b的示意性方框图中，仅示出了单排探测器元件D（即探测器排）。然而，诸如由附图标记DA所指示的多片层探测器阵列包括多排平行的探测器元件D，使得在一次扫描时可同时采集对应于多个准平行或平行片层的投影数据。或者，可使用区域探测器来采集锥束数据。X射线源S的操作可由CT系统100a的控制机构进行控制，所述控制机构由控制单元CU运行。控制单元CU包括给X射线源S提供电能和计时信号的X射线控制器Ctr。属于所述控制机构CU的数据采集系统DAS从探测器元件D中采样模拟数据，并将所述数据转换成数字信号以用于后序处理。图像重建器IR从数据采集系统DAS接收经采样并数字化的X射线数据，并进行高速图像重建。将重建后的图像作为输入应用到工作站WS中，所述工作站将所述图像保存在大容量存贮设备St中。图像重建器IR可以是位于工作站WS内的专门硬件或者是由该计算机运行的软件程序。
所述工作站WS还经用户界面或图形用户界面（GUI）接收信号。具体而言，所述计算机从操作者控制台OC接收指令和扫描参数，所述操作者控制台在一些配置中可包括键盘和鼠标（未示出）。相关联的显示器DIS（例如阴极射线源显示器）能够使操作者观察来自工作站WS的重建后的图像和其他数据。由工作站WS将操作者提供的指令和参数用于给X射线控制器Ctr、数据采集系统DAS和与机动化患者台PT进行通信的台电机控制器MC（也被称为“移动控制器”）提供控制信号和信息，所述台电机控制器MC控制所述患者台以便精确定位患者Pt。在一些配置中，工作站WS可包括存储设备MR（也被称为“介质读取器”），例如软盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁性光盘（MOD）设备或包括网络连接设备（例如以太网设备）的任何其他数字设备，用来从诸如软盘、CR-ROM或DVD的计算机可读介质CRM读取指令和/或数据。
图2示出了被若干等中心圆形环状伪影（RA1，RA2，RA3，RA4和RA5）恶化的横断身体扫描，所述圆形环状伪影是由于不完美等中心的基于可移动C型臂的旋转X射线扫描器系统的机械部件的不完美对准（更准确的说，是由于X射线管的焦点和暴露于所述X射线管发射的X射线束且受其照射的X辐射敏感探测器或探测器阵列的不完美对准）所造成的，这使得旋转中心随旋转角度而改变。由于旋转轴不能完美垂直于由两个正交坐标轴x和y生成的横断成像平面（x-y平面），因此对于三维重建感兴趣对象的每个切片而言，旋转中心可能是不同的（见图4c）。
在图3中，示出了一示意图，其描述了利用具有旋转X射线管S和与所述X射线源对置的共同旋转X辐射敏感探测器阵列DA的完全等中心的第三代3D旋转X射线扫描器系统在图像采集期间圆形环状伪影RA的形成，所述旋转X射线管S的焦斑在图像采集平面中沿圆形轨迹TF围绕感兴趣对象（未示出）移动，其中，所述探测器阵列DA中所含的一个X射线探测器Di没有校准。如前面所解释的，这种圆形环状伪影RA可能是在从一组2D投影图像的体数据对感兴趣对象进行三维重建时出现的，在X射线管的焦斑和X射线探测器的探测器中心分别沿不完美圆形焦点轨迹TF或不完美圆形探测器轨迹TCD进行移动的同时，已经由不理想等中心的3D旋转X射线扫描器系统的X射线管和X射线探测器采集该组2D投影图像。
现在参考图4a，示出了一3D图形，正如在本申请所述和要求保护的校准方法范围内确定的，该3D图形描绘出由3D旋转X射线扫描器系统的X射线管S的焦斑所经过的不完美圆形焦点轨迹TF的一半和由与所述X射线管对径布置并暴露于来自所述X射线管发射的X射线束且被其照射的X辐射敏感探测器D的中心所经过的不完美圆形轨迹TCD的对应另一半。如上所述，所述轨迹可通过使用校准体模在3D中确定。作为本文所述方法的结果，获得有效旋转中心
Figure GDA00003003692100101
的位置矢量
Figure GDA00003003692100102
（其中O是具有三个正交坐标轴x、y和z的静态3D笛卡儿坐标系的原点）和有效旋转轴（或“有效等中心”）的方向矢量
Figure GDA00003003692100103
其中，将后者描绘成在由这些坐标轴生成的3D矢量空间中的直线
Figure GDA00003003692100104
在图4b中，描绘了一2D图形，其示出了投影到由焦点轨迹平面（此处范例地假定与探测器轨迹平面共面）给定的2D投影平面（x’-y’平面）上的形成所述焦点轨迹TF的一组点（用粗体线类型印刷的具有大半径的半圆）和形成所述探测器轨迹TCD的另一组点（用粗体线类型印刷的具有小半径的半圆）。此外，在该2D图形中描绘了根据最小二乘优化标准，与焦点轨迹最佳拟合的对应回归圆RCF和与探测器轨迹最佳拟合的对应回归圆RCD。点PF(t=tn)和PCD(t=tn)表示X射线管的焦斑和所述X辐射敏感探测器D的中心在离散图像采集时间t=tn(其中tn=t0+nΔt且n∈{0,1,2,…,N}的瞬时位置，其中，t0是图像采集时期的开始时间，而Δt表示当围绕待断层摄影重建和可视化的感兴趣对象，旋转3D旋转C型臂扫描器系统的X射线管S和X射线探测器D时，从两个相邻投影方向的随后两个2D投影图像的采集之间的扫描间隔）。
图4c示出了图4b中的2D图形中靠近所计算的有效旋转中心
Figure GDA00003003692100114
的区域的放大版本，从而示出了投影到焦点轨迹平面（x’-y’平面）上的形成伪影的一组点，所述伪影基本上类似于与根据最小二乘优化标准的回归圆RC相拟合的圆。例如，在由
Figure GDA00003003692100112
and F.Hakl撰写的公开文献“Study ofundeterministic methods for data separation in physics.Technical report No.903”（Institute of Computer Science，Academy of Sciences of the CzechRepublic。2003年12月；ftp://ftp.cs.cas.cz/pub/reports/v903-03.pdf）中描述的方法可用于使该问题线性化。作为该方法的结果，获得所述回归圆RC的中心MRC和半径rRC，其中，所述中心坐标可解释为3D旋转C型臂扫描器系统的有效旋转中心（“有效等中心”）。根据本申请所公开的发明，通过对每个投影方向（从而对于每个图像采集时间tn）画出从X射线焦点到探测器中心的连接直线，并根据分割比χn分割出连接X射线管的焦斑位置PF(t=tn)和X射线探测器的中心位置PCD(t=tn)的每条线来获得所述组点，对于每个投影方向而言，通过所述X射线管的瞬时焦斑位置PF(t=tn)和时间t=tn时的相应投影角度的旋转中心的当前位置之间的距离与所述X射线探测器的瞬时中心位置PCD(t=tn)和此时刻时的该投影角度的当前旋转中心之间的距离之商来确定所述分割比χn。这样，将所得的回归圆RC的中心MRC（其对应于大致圆形环状伪影的质心位置）解释为C型臂系统的有效旋转中心
Figure GDA00003003692100113
如从图4c中可以轻松地看出，与所有焦点位置和探测器位置（在图4c中称之为“焦点质心位置”和“探测器质心位置”，其分别由焦点回归圆RCF和探测器回归圆RCD的中心MF和MD给定）拟合的中心未必与所计算的回归圆RC的中心位置MRC所给定的有效旋转中心重合。从图4c中还可以得出，所计算的回归圆RCF和RCD也未必是等中心的，如同将他们的中心MF和MD描绘成并不重合的单独点。
值得注意的是，上述方法仅涉及将形成所述伪影的投影到焦点轨迹平面内的所述组点到位于该平面内的回归圆的最小二乘拟合。然而，实际上，由于机械剪切力和施加到C型臂CA末端（X射线管和X射线探测器安装于此）的弯曲力矩，和/或由于这些系统部件的不完美对准，真正的有效旋转轴（在此范例地由推进轴PA给定）并不完美垂直于按照精确执行横断身体扫描所需的那样的精确竖直图像采集平面（x-y平面）。因此，必须执行一个额外的步骤。根据如上所述的程序的进一步细化，所建议的方法包括将一组点到3D中回归圆的线性二乘拟合，所述点包括焦点轨迹TF上的离散焦斑位置PF(t=tn)和探测器轨迹TCD上的对应离散探测中心位置PCD(t=tn)。所获得的回归圆位于一个平面内，可将该平面解释成构成了真正的有效旋转平面E，在下文中也称之为x”-y”平面（未示出）。对垂直于该平面（获得该平面的3D坐标作为该方法的结果）的矢量
Figure GDA00003003692100124
特别是对长度标准化的法向矢量进行计算并将其解释为指向真正的有效旋转轴的方向。这不同于如图4c中所描述的情形，在图4c中有效旋转轴的角度方向分别是焦点轨迹平面或共面探测器轨迹平面上的法向矢量。
所述细化程序进一步预见到，真正的有效旋转轴（在下面称之为
Figure GDA00003003692100121
）能按照介于焦点轨迹平面和探测器轨迹平面之间的点（其位于标准化法向矢量
Figure GDA00003003692100122
的方向上）来寻找（find），即距所述焦点轨迹平面和所述探测器轨迹平面一定距离，其距离比等于所述分割比χn。这样通过将回归圆RC的中心MRC投影到x’’-y’’平面上可寻找
Figure GDA00003003692100123
的坐标。
图5中示出了根据本发明的校准和3D重建方法的流程图。
所述方法开始于询问核查（S1）是否已经接收到启动新图像采集时期的控制命令（例如加电信号）。只要不是这种状况，程序在给定的延迟时间后继续循环步骤S1。在已经受到这种切换命令后，当沿圆形轨迹围绕待可视化和断层摄影重建的对象移动所述X射线管和X射线探测器中的每个时，从所述投影方向中的每一个上扫描（S2）校准体模。对于每个投影方向，从采集的2D投影图像中计算（S3）至少一个X射线管的焦斑的3D位置和相关联的至少一个X射线探测器（D）的3D中心位置。此后，从一组几何校准数据（其作为根据计算的3D位置数据所运行的3D校准程序（S4）的结果而获得）中确定（S5，S5’）不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统旋转所围绕的有效旋转中心的3D坐标以及有效旋转轴的方向矢量，作为基于所计算的3D位置数据执行的3D校准程序（S4）的结果而获得该组几何校准数据。当接收到（S6）终止运行图像采集时期的切换命令（例如去电信号）时，所采集的2D投影图像进行3D重建程序（S7），所述3D重建程序使用所计算的有效旋转中心的坐标和/或所计算的有效旋转轴的方向矢量，以对应地校正大致圆形环状伪影，其是在所述图像采集时期期间围绕感兴趣对象进行旋转的同时，由于所述X射线管的焦斑和所述X射线探测器的中心在不完美等中心的焦点上和探测器轨迹上移动以其他方式所造成的。另外，在给定的延迟时间期满后，所述程序继续重复步骤S6。
本发明的应用
本发明和上面各范例实施例可在计算机断层摄影中使用的不完美等中心3D旋转X射线成像系统的范围内使用，更具体地，在使用基于体模的3D校准程序以进行环状伪影校正算法（例如由Xtra Vision6.2.2版本的XperCT环状伪影校正模块所执行的）的3D重建应用的范围内使用。从而所建议的方法证明对200°角度范围内的推进器扫描和180°角度范围内的滚动扫描均能很好地工作。
虽然已经在附图和说明书中详细地说明和描述了本发明，但是这种说明和描述应被认为是说明性的或示例性的，而非限制性的，这意味着本发明并不限于所描述的各个实施例。本领域技术人员在研究附图、说明书和权利要求书后实施所要求保护的发明时能够理解并实现对于所公开各实施例的其他变型。在权利要求中，单词“包括”并不排除其他元件或步骤，而不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。在多个不同从属权利要求中记载的特定措施并不表示不能使用这些措施的组合以产生良好的效果。可将计算机程序存储或分布在合适的介质中，例如光存储介质或连同其他硬件或作为其一部分的固态介质，但也可将其以其他形式分布，例如经因特网或者其他有线或无线电信系统。权利要求书中的任何附图标记不应理解为是对发明范围的限制。

Claims (17)

1.一种用于消除在基于一组X射线摄影2D投影图像的3D图像重建中发生的大致圆形环状伪影（RA1，RA2，RA3，RA4，RA5）的校准方法，所述组X射线摄影2D投影图像要由配有至少一个X射线管（S）和相对于所述X射线管（S）对径布置的相关联的至少一个X射线探测器（D）的不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统从若干不同投影方向上采集，其中，所述不完美等中心对应于具有以下两者的不完美对准的所述3D旋转X射线扫描器系统：（i）所述至少一个X射线管（S）的焦点，和（ii）暴露于从所述至少一个X射线管（S）发射的X射线束且受其照射的所述相关联的至少一个X射线探测器（D），这使得旋转中心针对所述不同投影方向随旋转角度而改变，所述校准方法包括如下步骤：
-当沿不完美圆形轨迹（TF，TCD）围绕校准体模移动所述X射线管（S）和X射线探测器（D）中的每一个时，从所述投影方向中的每一个上扫描（S2）所述校准体模，
-对于每一个投影方向，从所采集的所述校准体模的2D投影图像计算（S3）所述至少一个X射线管的焦斑的3D位置（PF）和相关联的所述至少一个X射线探测器（D）的3D中心位置（PCD），以及
-从一组几何校准数据确定（S5）所述不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统旋转所围绕的有效旋转中心（MRC，
Figure FDA0000392787040000011
或
Figure FDA0000392787040000012
’）的3D坐标，所述组几何校准数据是作为基于计算得到的3D位置数据所执行的3D校准程序（S4）的结果而获得的；
其中，所述3D校准程序（S4）基于圆形回归算法，所述圆形回归算法计算与大致圆形环状伪影（RA）的2D投影最佳拟合的回归圆（RC）的中心位置（MRC，
Figure FDA0000392787040000013
）和半径（rRC），所述大致圆形环状伪影（RA）的2D投影是在从所述投影方向中的每一个上扫描所述校准体模并将计算得到的所述X射线管焦斑的3D位置（PF）和所述X射线探测器（D）的3D中心位置（PCD）投影到所述回归圆（RC）位于的投影平面上时获得的；并且
其中，将借助于所述3D校准程序计算所得的回归圆（RC）的中心位置（MRC）解释为当从所采集的该组X射线摄影2D投影图像中重建感兴趣对象时所述大致圆形环状伪影（RA）的投影平面中的有效旋转中心
2.根据权利要求1所述的校准方法，其中
所述圆形回归算法包括产生与形成大致圆形环状伪影（RA）的一组点最佳拟合的圆的最小二乘拟合，所述组点指示通过根据给定的分割比（χn）分割连接所述至少一个X射线管的焦斑位置（PF）和相关联的所述至少一个X射线探测器（D）的中心位置（PCD）的每条线而获得的3D位置。
3.根据权利要求2所述的校准方法，
其中，对于所述投影方向中的每一个而言，所述分割比（χn）是通过所述至少一个X射线管的瞬时焦斑位置（PF(t=tn)）和相应的图像采集时间（tn）时的特定投影角度的旋转中心的当前位置之间的距离与所述至少一个X射线探测器（D）的瞬时中心位置（PCD(t=tn)）和该图像采集时间（tn）时的该特定投影角度的当前旋转中心之间的距离之商而确定的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的校准方法，
其中，将垂直于所得的回归圆（RC）的平面的矢量方向解释为当从所采集的该组X射线摄影2D投影图像重建感兴趣对象时有效旋转轴的方向矢量（LAA或PA）。
5.根据权利要求1所述的校准方法，
其中，基于最小二乘优化标准计算有效旋转轴的方向矢量（LAA或PA），所述最小二乘优化标准用于将一组点拟合成回归圆（RC）并将所得的回归圆的平面（E）上的法向矢量
Figure FDA0000392787040000022
解释成所述有效旋转轴的方向矢量（LAA或PA），所述点包括当从所述若干不同的投影方向上采集所述组X射线摄影2D投影图像时针对一组离散图像采集时间（tn）而言所述至少一个X射线管的焦斑在焦斑轨迹（TF）上的不同角位置处的给定数量的离散点（PF(t=tn)）和所述至少一个X射线探测器的中心在探测器轨迹（TCD）上的对径位置处的对应数量的离散点（PCD(t=tn)）。
6.根据权利要求5所述的校准方法，
其中，所述有效旋转中心
Figure FDA0000392787040000031
被计算为位于所述至少一个X射线管的焦斑的轨迹平面和相关联的所述至少一个X射线探测器的中心的轨迹平面之间的点，所述位于所述至少一个X射线管的焦斑的轨迹平面和相关联的所述至少一个X射线探测器的中心的轨迹平面之间的点位于所述法向矢量
Figure FDA0000392787040000032
的方向中，即位于距所述焦斑轨迹平面和所述探测器轨迹平面的一定距离处，距所述焦斑轨迹平面和所述探测器轨迹平面的距离比等于给定的分割比（χn）。
7.一种从一组X射线摄影2D投影图像对感兴趣对象进行断层摄影重建的方法，所述组X射线摄影2D投影图像是由包括至少一个X射线管（S）和相对于所述X射线管（S）对径布置的相关联的至少一个X射线探测器（D）的不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统从若干不同的投影方向上采集的，其中，所述不完美等中心对应于具有以下两者的不完美对准的所述3D旋转X射线扫描器系统：（i）所述至少一个X射线管（S）的焦点，和（ii）暴露于从所述至少一个X射线管（S）发射的X射线束且受其照射的所述相关联的至少一个X射线探测器（D），这使得旋转中心针对所述不同投影方向随旋转角度而改变，所述图像是在沿两个圆形轨迹围绕所述对象移动所述X射线管（S）和所述X射线探测器（D）时采集的，
其中，所述方法包括用于消除发生大致圆形环状伪影（RA1，RA2，RA3，RA4，RA5）的校准方法，所述校准方法是根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
8.一种在计算机断层摄影中使用的不完美等中心的基于C型臂的3D旋转X射线扫描器系统，其中，所述不完美等中心对应于具有以下两者的不完美对准的所述基于C型臂的3D旋转X射线扫描器系统：（i）至少一个X射线管（S）的焦点，和（ii）暴露于从所述至少一个X射线管（S）发射的X射线束且受其照射的相关联的至少一个X射线探测器（D），这使得旋转中心针对不同投影方向随旋转角度而改变，其包括适于执行如权利要求1至6中任一项所述的校准方法的校准单元。
9.一种根据权利要求8所述的基于C型臂的3D旋转X射线扫描器系统，其包括与所述校准单元进行交互的重建单元，其中，所述重建单元适于执行如权利要求7所述的重建方法。
10.一种用于消除在基于一组X射线摄影2D投影图像的3D图像重建中发生大致圆形环状伪影（RA1，RA2，RA3，RA4，RA5）的装置，所述组X射线摄影2D投影图像要由配有至少一个X射线管（S）和相对于所述X射线管（S）对径布置的相关联的至少一个X射线探测器（D）的不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统从若干不同投影方向上采集的，其中，所述不完美等中心对应于具有以下两者的不完美对准的所述3D旋转X射线扫描器系统：（i）所述至少一个X射线管（S）的焦点，和（ii）暴露于从所述至少一个X射线管（S）发射的X射线束且受其照射的所述相关联的至少一个X射线探测器（D），这使得旋转中心针对所述不同投影方向随旋转角度而改变，所述装置包括：
-用于当沿不完美圆形轨迹（TF，TCD）围绕校准体模移动所述X射线管（S）和X射线探测器（D）中的每一个时，从所述投影方向中的每一个上扫描所述校准体模的模块，
-用于对于每一个投影方向，从所采集的所述校准体模的2D投影图像计算所述至少一个X射线管的焦斑的3D位置（PF）和相关联的所述至少一个X射线探测器（D）的3D中心位置（PCD）的模块，以及
-用于从一组几何校准数据确定所述不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统旋转所围绕的有效旋转中心（MRC，
Figure FDA0000392787040000041
或
Figure FDA0000392787040000042
’）的3D坐标的模块，所述组几何校准数据是作为基于计算得到的3D位置数据所执行的3D校准程序的结果而获得的；
其中，所述3D校准程序基于圆形回归算法，所述圆形回归算法计算与大致圆形环状伪影（RA）的2D投影最佳拟合的回归圆（RC）的中心位置（MRC，
Figure FDA0000392787040000043
）和半径（rRC），所述大致圆形环状伪影（RA）的2D投影是在从所述投影方向中的每一个上扫描所述校准体模并将计算得到的所述X射线管焦斑的3D位置（PF）和所述X射线探测器（D）的3D中心位置（PCD）投影到所述回归圆（RC）位于的投影平面上时获得的；并且
其中，将借助于所述3D校准程序计算所得的回归圆（RC）的中心位置（MRC）解释为当从所采集的该组X射线摄影2D投影图像中重建感兴趣对象时所述大致圆形环状伪影（RA）的投影平面中的有效旋转中心
Figure FDA0000392787040000051
11.根据权利要求10所述的装置，其中
所述圆形回归算法包括产生与形成大致圆形环状伪影（RA）的一组点最佳拟合的圆的最小二乘拟合，所述组点指示通过根据给定的分割比（χn）分割连接所述至少一个X射线管的焦斑位置（PF）和相关联的所述至少一个X射线探测器（D）的中心位置（PCD）的每条线而获得的3D位置。
12.根据权利要求11所述的装置，
其中，对于所述投影方向中的每一个而言，所述分割比（χn）是通过所述至少一个X射线管的瞬时焦斑位置（PF(t=tn)）和相应的图像采集时间（tn）时的特定投影角度的旋转中心的当前位置之间的距离与所述至少一个X射线探测器（D）的瞬时中心位置（PCD(t=tn)）和该图像采集时间（tn）时的该特定投影角度的当前旋转中心之间的距离之商而确定的。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，
其中，将垂直于所得的回归圆（RC）的平面的矢量方向解释为当从所采集的该组X射线摄影2D投影图像重建感兴趣对象时有效旋转轴的方向矢量（LAA或PA）。
14.根据权利要求10所述的装置，
其中，基于最小二乘优化标准计算有效旋转轴的方向矢量（LAA或PA），所述最小二乘优化标准用于将一组点拟合成回归圆（RC）并将所得的回归圆的平面（E）上的法向矢量
Figure FDA0000392787040000052
解释成所述有效旋转轴的方向矢量（LAA或PA），所述点包括当从所述若干不同的投影方向上采集所述组X射线摄影2D投影图像时针对一组离散图像采集时间（tn）而言所述至少一个X射线管的焦斑在焦斑轨迹（TF）上的不同角位置处的给定数量的离散点（PF(t=tn)）和所述至少一个X射线探测器的中心在探测器轨迹（TCD）上的对径位置处的对应数量的离散点（PCD(t=tn)）。
15.根据权利要求14所述的装置，
其中，所述有效旋转中心被计算为位于所述至少一个X射线管的焦斑的轨迹平面和相关联的所述至少一个X射线探测器的中心的轨迹平面之间的点，所述位于所述至少一个X射线管的焦斑的轨迹平面和相关联的所述至少一个X射线探测器的中心的轨迹平面之间的点位于所述法向矢量
Figure FDA0000392787040000062
的方向中，即位于距所述焦斑轨迹平面和所述探测器轨迹平面的一定距离处，距所述焦斑轨迹平面和所述探测器轨迹平面的距离比等于给定的分割比（χn）。
16.一种从一组X射线摄影2D投影图像对感兴趣对象进行断层摄影重建的装置，所述组X射线摄影2D投影图像是由包括至少一个X射线管（S）和相对于所述X射线管（S）对径布置的相关联的至少一个X射线探测器（D）的不完美等中心3D旋转X射线扫描器系统从若干不同的投影方向上采集的，其中，所述不完美等中心对应于具有以下两者的不完美对准的所述3D旋转X射线扫描器系统：（i）所述至少一个X射线管（S）的焦点，和（ii）暴露于从所述至少一个X射线管（S）发射的X射线束且受其照射的所述相关联的至少一个X射线探测器（D），这使得旋转中心针对所述不同投影方向随旋转角度而改变，所述图像是在沿两个圆形轨迹围绕所述对象移动所述X射线管（S）和所述X射线探测器（D）时采集的，其中，所述装置包括根据权利要求10至15中任一项所述的用于消除发生大致圆形环状伪影（RA1，RA2，RA3，RA4，RA5）的装置。
17.如由根据权利要求1至6中任一项所述的校准步骤所确定的有效旋转中心（MRC，
Figure FDA0000392787040000063
或
Figure FDA0000392787040000064
’）的3D坐标的使用，以用于基于C型臂的3D旋转X射线扫描器系统的校准或者用于3D图像重建。
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