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      從在遍歷軌跡時拍攝的x射線投影確定圖像的方法和設(shè)備的制作方法

      文檔序號:854700閱讀:228來源:國知局
      專利名稱:從在遍歷軌跡時拍攝的x射線投影確定圖像的方法和設(shè)備的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種借助運動的X射線源和探測器確定對于對象的衰減系數(shù)的方法 和設(shè)備。
      背景技術(shù)
      X射線方法是醫(yī)學(xué)技術(shù)中的標準方法。在簡單的X射線拍攝中,X射線被發(fā)射通過 待檢查的對象并且然后由探測器接收。拍攝或投影表示了關(guān)于發(fā)射的X射線在通過對象的 路徑上的衰減的信息。X射線的衰減在此主要取決于穿透的對象部分的密度。該密度又提 供關(guān)于對象的特征的信息,這些信息通常以可視的形式被顯示用于診斷。在X射線拍攝中 通過探測器記錄的強度取決于沿著由X射線遍歷的路段上的全部的對象成分,即,呈現(xiàn)在 路段上集成的信息。由此不可能從單個的X射線拍攝中作為所有三個空間坐標的函數(shù)獲得 對象的衰減系數(shù)。因此,對于三維圖像從不同的拍攝位置上進行多個X射線拍攝并且從中 重建一幅三維圖像。在以這種方式進行的醫(yī)學(xué)技術(shù)中的一種最重要的技術(shù)是計算機斷層造 影(CT)。在計算機斷層造影范圍內(nèi)X射線源和X射線探測器遍歷一個軌道或軌跡。在此沿 著該軌跡進行拍攝。然后從這些拍攝中由又與密度相關(guān)的衰減系數(shù)重建三維圖像。在透射式計算機斷層造影中的圖像重建是復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題。對于三維圖像重建, 建立了兩組方法,即,精確的方法(參見[1]、[2]、[3]和[4])和近似的方法(參見[5])。 在此,是指(理論上)精確的方法,這些方法在數(shù)學(xué)上不包含近似;數(shù)值轉(zhuǎn)換和技術(shù)上的實 現(xiàn)當(dāng)然會帶來誤差。這些方法主要在考慮以下步驟的條件下從二維投影數(shù)據(jù)中計算檢查的對象的三 維密度分布i)計算沿著X射線源的掃描軌道拍攝的投影的數(shù)值導(dǎo)數(shù)(參見用于不同可能性的),ii)對微分的投影數(shù)據(jù)沿著一簇濾波線(Filterlinien)進行一維位移不變的濾 波,并且iii)將經(jīng)濾波的投影加權(quán)地反投影到圖像空間。在實際的應(yīng)用中投影數(shù)據(jù)不是以連續(xù)的而是離散的形式出現(xiàn)。因為數(shù)據(jù)拍攝導(dǎo)致 有限數(shù)量的投影圖像,其中的每個以被采樣的形式出現(xiàn)。由此在重建期間必定會進行內(nèi)插 步驟。要求的內(nèi)插一般地對重建結(jié)果的圖像質(zhì)量產(chǎn)生負面影響,例如由于其限制最大可達 的位置分辨率。迄今為止這樣執(zhí)行重建方法在導(dǎo)數(shù)計算、濾波和反投影期間必須進行內(nèi)插運算。 在各個計算步驟之間中間存儲結(jié)果。這樣進行數(shù)值導(dǎo)數(shù)的計算,使得獲得在最初的探測位 置上的結(jié)果,盡管在濾波中需要在通過濾波線確定的其它的位置上的導(dǎo)數(shù)。如果計算在笛 卡爾坐標上的導(dǎo)數(shù),但是濾波線與坐標軸不平行,則內(nèi)插是特別必需的。在此,在Feldkamp 方法[5]中濾波線通常沿著在X射線圖像探測器中的水平線延伸。在主要結(jié)合新的采樣 軌道,諸如圓形和線、圓形和弧形、馬鞍形...的新的近似和精確的重建方法中(參見[1]、[2]、[3]和[4]),大多使用非水平的濾波線。由此通常必須的是,既在計算導(dǎo)數(shù)時又在在投影圖像上提取濾波線時進行內(nèi)插。 濾波線的提取對于圖像質(zhì)量(位置分辨率)是特別關(guān)鍵的,為此提出了改進的內(nèi)插方法 (Joseph [7]的方法),以最小化圖像質(zhì)量損失。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是,改進在重建方法中圖像重建的質(zhì)量并且更有效地進 行圖像重建。按照本發(fā)明借助運動的X射線源和探測器確定對于對象的衰減系數(shù),其中探測器 用于拍攝投影。在此確定對于運動的X射線源的軌跡。對于投影數(shù)據(jù)的濾波確定濾波線。 “線”的概念在此不是僅僅解釋為“直線”。因此在非平面探測器的情況下通常沿著在探測 器上布置的曲線(或線)進行濾波。按照本發(fā)明確定在濾波線上或沿著濾波線的要借助數(shù)學(xué)準則進行用于反投影 的 投影求導(dǎo)的位置。然后確定在軌跡上的采樣位置。該確定可以按照在濾波線上的確定的位 置進行。在此考慮,對于在濾波線上的位置需要對軌跡求導(dǎo)數(shù)。因此,優(yōu)選地這樣確定采樣 位置,使得在數(shù)值求導(dǎo)時得到恰好在濾波線上的確定的位置上的導(dǎo)數(shù)。如果由于存在的邊界條件(例如軌跡的形狀、探測器的特征,...)而不可以恰好 在濾波線上的確定的位置上進行用于數(shù)值求導(dǎo)的采樣位置的確定,則有意義的是,規(guī)定對 于采樣點的確定,使得能夠以盡可能高的(數(shù)值)精度進行還需要的內(nèi)插。例如然后這樣 進行采樣點的確定,使得相應(yīng)的數(shù)值導(dǎo)數(shù)盡可能靠近濾波線上的位置。在確定采樣點之后,利用X射線源遍歷軌跡,并且對于每個采樣點進行投影的拍 攝。在此通過由探測器元件拍攝的射線強度值給出投影。軌跡的遍歷優(yōu)選以恒定的速度進 行,以避免源的波動。所記錄的射線強度值被直接用于在濾波線上的每個位置對軌跡進行 投影導(dǎo)數(shù)的數(shù)值計算。在此直接意味著,在投影導(dǎo)數(shù)的計算中使用如下關(guān)系該關(guān)系將近似 直接與射線強度值相關(guān)并且不使用在其它位置上的導(dǎo)數(shù)。避免了通常在濾波中所需的導(dǎo)數(shù) 值內(nèi)插以獲得在濾波線上的位置上的導(dǎo)數(shù)值。以這種方式提高了該方法的精度。此外按照 本發(fā)明僅對于在濾波線上的位置確定導(dǎo)數(shù)。該方法比對于探測器的所有采樣點或?qū)τ诟采w 探測器面積的格柵確定導(dǎo)數(shù)的常規(guī)的方法開銷低。然后從計算的投影導(dǎo)數(shù)中借助(理論上精確的或近似的)數(shù)學(xué)準則為了重建進行 對于對象的衰減系數(shù)的確定。按照本發(fā)明的用于執(zhí)行本方法的設(shè)備可以借助軟件、硬件和固件來實現(xiàn)。特別 地可以采用特殊硬件,例如FPGA技術(shù)、ASIC技術(shù)、DSP方案和特殊處理器(例如Cell Broadband Engine或圖形加速器)。


      以下在實施例的范圍內(nèi)詳細解釋本發(fā)明。其中,圖1以在ζ方向上的示意圖示出了具有多行探測器元件的螺旋CT設(shè)備圖2示出了沿著通過按照圖1的設(shè)備的ζ軸的縱向剖面圖;圖3示意性示出了螺旋形的焦點和探測器運動;
      圖4示出了常規(guī)的投影圖像;圖5示出了用于解釋內(nèi)插的必要性的具有濾波線的常規(guī)投影圖像;圖6示出了在 應(yīng)用按照本發(fā)明的方法的情況下的投影圖像。
      具體實施例方式圖1和圖2示出了具有多行探測器的適合于執(zhí)行按照本發(fā)明的方法的螺旋CT設(shè) 備。圖1在垂直于ζ軸的截面中示意性示出了機架1,其具有焦點2和同樣旋轉(zhuǎn)的探測器 5 (具有寬度B和長度L),而圖2示出了在ζ軸的方向上的縱向剖面圖。機架1具有X射線 源,該X射線源具有其示意性示出的焦點2和在焦點之前設(shè)置的靠近源的射線光圈3。射線 束4從焦點2出發(fā),通過射線光圈3限制,射向相對的探測器5,該射線束穿過臥于其間的患 者P。在焦點2和探測器5圍繞ζ軸旋轉(zhuǎn)期間進行采樣,其中患者P同時在ζ軸的方向上運 動。以這種方式在患者P的坐標系中形成對于焦點2和探測器5的螺旋形軌跡S,具有增量 或位移V,如在圖3中在空間上并且示意性示出的。在對患者P的采樣中通過數(shù)據(jù)/控制導(dǎo)線6將由探測器5采集的取決于劑量的信 號傳輸?shù)接嬎銌卧?。然后借助在示出的程序模塊P1至Pn中存儲的公知方法,從測量的原 始數(shù)據(jù)中以公知的方式計算患者的被采樣的區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)的吸收值。按照本發(fā)明在此應(yīng) 用理論上精確的重建方法。CT設(shè)備的其它操作和控制同樣借助計算單元7和鍵盤9進行。計算的數(shù)據(jù)可以通 過監(jiān)視器8或者未示出的打印機進行輸出。例如在[4],[6],[7]或者在US 6,771,733B2中描述了現(xiàn)代的重建方法。在該專 利文獻中給出了重建公式(公式10),其很好適宜于精確的方法的數(shù)值轉(zhuǎn)換。為了執(zhí)行,該 方法通常要求相應(yīng)于使用的軌道或軌跡的變形。對于螺旋軌跡,相應(yīng)的公式例如在提到的 文獻中作為公式29給出。在US 6,771,733B2的圖2中描述了借助這樣的公式的重建的典 型流程。在步驟30中(或者說在示出了步驟30的圖4中),描述了對于濾波線的確定。在 步驟40中進行用于計算在濾波線上的位置的導(dǎo)數(shù)的內(nèi)插。本發(fā)明由此著手。通過導(dǎo)數(shù)的 計算與濾波線的位置的匹配,完全避免了沿著濾波線所需的導(dǎo)數(shù)值的提取。首先,在最初的 投影圖像中確定濾波線的所需的采樣位置。然后才計算恰好在這些位置上的數(shù)值導(dǎo)數(shù)。這 點在以下結(jié)合圖4-7詳細描述。圖4示出了利用探測器元件6的常規(guī)的投影圖像。探測器元件的采樣點7用點符 號(黑點)表示。常規(guī)地,對于各個采樣點數(shù)值地計算關(guān)于軌跡的導(dǎo)數(shù)(即,對在軌跡或軌道中參 數(shù)化的參數(shù)求導(dǎo))。作為下一步驟確定濾波線8。這點在圖5中示出?,F(xiàn)在用方塊表示此時在其上計算了數(shù)值導(dǎo)數(shù)的采樣點9。示 例性示出了濾波線10,在該濾波線上示出了位置11 (作為菱形示出),對于這些位置需要求 導(dǎo)(對于利用US 6,771,733B2中的公式10的種類的公式的反投影)。導(dǎo)數(shù)的確定借助內(nèi) 插、即通過近似來進行。按照本發(fā)明,避免了該近似或者說內(nèi)插。這點在圖6中示出。對于在濾波線上的 所需的導(dǎo)數(shù)值(從拍攝的投影中)直接計算數(shù)值導(dǎo)數(shù)。總而言之可以確定的是,所描述的本發(fā)明允許,計算在經(jīng)濾波的投影圖像中精確地在所需位置上的求導(dǎo)的值。雖然如前面那樣需要在數(shù)值計算導(dǎo)數(shù)時進行近似,但是取消 了在濾波線上提取值的情況下所需的內(nèi)插。因此本發(fā)明提供在濾波線的采樣位置上的最佳 的數(shù)值導(dǎo)數(shù)值。由此實現(xiàn)了圖像質(zhì)量的提高。 此外,本發(fā)明允許將數(shù)值求導(dǎo)限制到濾波線的位置上。由此取消了在投影圖像的 不包含濾波線的區(qū)域(例如圖6的右上方區(qū)域)或在其中由于濾波線的切斷而不需要求導(dǎo) 的區(qū)域(參見DE 102008031530A1)中的采樣。這點導(dǎo)致較少的采樣結(jié)果并且由此可以帶 來與常規(guī)的方法相比更好的運行時間特性(取決于濾波線的數(shù)量)。本發(fā)明不限于所描述的實施例,而是可以應(yīng)用于所有利用濾波線的重建方法。[1]A. Katsevich ,Theoretically Exact FBP-Type Inversion Algorithm for Spiral CT”,SIAM J. App 1. Math.,Vol. 62,No. 6,pp. 2012-2026,2002[2]A.Katsevich “Image Reconstruction for the Circle-and-Line Trajectory”,Physics in Medicine and Biology,Vol. 49,No. 22,pp. 5059—5072,2004[3] A. Katsevich “ Image Reconstruction for the Circle-and-Arc Trajectory”,Physics in Medicine and Biology,Vol. 50,No. 10,pp. 2249—2265,2005[4] J. Pack and F. Noo "Cone-Beam Reconstruction Using ID Filtering Along the Projection of M-Lines, Inverse Problems”,Vol. 21,No.3,pp. 1105—1120,2005[5] H. Yu and G. Wang : “ Fe 1 dkamp-t ype VOI reconstruction from super-short-scan cone-beam data”,Med. Phys. 31(6),pp.1357-62,2004[6]F. Noo and S. Hoppe and F. Dennerlein and G. Lauritsch and J. Hornegger “A New Scheme for View-Dependent Data Differentiation in Fan-Beam and Cone-Beam Computed Tomography”,Physics in Medicine and Biology, Vol. 52,No. 17, pp.5393-5414,2007[7]F. Noo, J. Pack and D. Heuscher "Exact helical reconstruction using native cone-beam geometries,,,Phys. Med. Biol. 48,23pp. 3787-3818 (2003)。
      權(quán)利要求
      1.一種借助運動的X射線源(2)和用于拍攝投影的探測器(5)確定對于對象(P)的衰 減系數(shù)的方法,包括步驟-確定對于該運動的X射線源(2)的軌跡, -對于投影數(shù)據(jù)的濾波確定濾波線(10),-確定在所述濾波線上的要借助數(shù)學(xué)準則進行用于反投影的投影求導(dǎo)的位置(11), -確定在所述軌跡上的采樣位置,-利用所述X射線源(2)遍歷所述軌跡,并且對于每個采樣點進行投影的拍攝,其中,通 過由探測器元件(6)拍攝的射線強度值給出投影,-借助所記錄的射線強度值對于在濾波線上的每個位置(11)對軌跡直接計算投影導(dǎo) 數(shù),并且-借助數(shù)學(xué)準則從所計算的投影導(dǎo)數(shù)中確定對于對象(P)的衰減系數(shù)以便用于重建。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,按照在濾波線上的確定的位置(11)進行 在軌跡上的采樣位置的確定。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述探測器(5)是平面探測器(5)。
      4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法,其特征在于,所述濾波線(10)不是平行的。
      5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法,其特征在于,所述X射線源(2)以恒定的速 度遍歷所述軌跡。
      6.一種借助運動的X射線源(2)和用于拍攝投影的探測器(5)確定對于對象(P)的衰 減系數(shù)的設(shè)備,包括-用于確定對于該運動的X射線源(2)的軌跡的裝置, -用于確定濾波線(10)以對投影數(shù)據(jù)進行濾波的裝置,-用于確定在濾波線上的要借助數(shù)學(xué)準則進行用于反投影的投影求導(dǎo)的位置(11)的裝置,_用于根據(jù)在濾波線上的確定的位置(11)確定在軌跡上的采樣位置的裝置, _用于利用所述X射線源(2)遍歷軌跡并且對于每個采樣點進行投影的拍攝的裝置, -用于對在濾波線上的每個位置(11)對軌跡數(shù)值地計算投影導(dǎo)數(shù)的裝置,以及 -用于借助數(shù)學(xué)準則從所計算的投影導(dǎo)數(shù)中為了重建而確定對于對象(P)的衰減系數(shù) 的裝置。
      7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備,其特征在于,所述探測器(5)是平面探測器(5).
      8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備,其特征在于,-成組地確定所述采樣位置,其中,分別對于在位置(11)上的投影導(dǎo)數(shù)的數(shù)值計算設(shè) 置采樣位置的各個組。
      9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備,其特征在于,按照數(shù)值求導(dǎo)的精度確定在一個組之內(nèi) 采樣位置的間隔。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一種借助運動的X射線源(2)和用于拍攝投影的探測器(5)確定對于對象(P)的衰減系數(shù)的方法和設(shè)備。按照本發(fā)明通過如下實現(xiàn)本發(fā)明確定對于運動的X射線源(2)的軌跡;對于投影數(shù)據(jù)的濾波確定濾波線(10);確定在濾波線上的要借助數(shù)學(xué)準則進行用于反投影的投影求導(dǎo)的位置(11);確定在軌跡上的采樣位置;利用X射線源(2)遍歷軌跡并且對于每個采樣點進行投影的拍攝;對于直接在濾波線上的每個位置(11)對軌跡數(shù)值地計算投影導(dǎo)數(shù);并且借助數(shù)學(xué)準則從計算的投影導(dǎo)數(shù)中確定對于對象(P)的衰減系數(shù)以用于重建。本發(fā)明通過避免近似方法改進了對象的重建的質(zhì)量。
      文檔編號A61B6/03GK102028490SQ20101028340
      公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日
      發(fā)明者弗蘭克·丹納萊因, 霍爾格·舍爾 申請人:西門子公司
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