專利名稱：用于截斷補償?shù)姆椒ê脱b置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及計算機斷層掃描(CT)圖象重建的方法和裝置，尤其涉及用于截斷(truncation)補償方案的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在一些掃描條件下，病人身體部分可能會超出檢測器測量的范圍，這樣會導(dǎo)致出現(xiàn)圖象偽影和成象物體的不完整顯現(xiàn)。一些已知的減少偽影但對超出視野(FOV)的病人身體部分不進行成像的方法已被公開。然而，對超出視野(FOV)的病人身體部分進行成像是令人期待的。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，提供了一種方法。該方法包括利用完全采樣視野數(shù)據(jù)來增強部分采樣視野數(shù)據(jù)。
另一方面，提供了一成像裝置。該成像裝置包括一輻射源，一響應(yīng)輻射并處于接收從輻射源發(fā)出的輻射線的位置的檢測器，和一與輻射源和檢測器可操作的連接在一起的計算機。計算機設(shè)置為可接收對物體進行計算機斷層掃描所得的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括完全采樣視野數(shù)據(jù)和部分采樣視野數(shù)據(jù)。計算機還被設(shè)置為可利用全面采樣視野數(shù)據(jù)來增強接收到的部分采樣視野數(shù)據(jù)，并且利用全面采樣視野數(shù)據(jù)和增強的部分采樣視野數(shù)據(jù)對物體進行圖象重建。
又一方面，提供了一經(jīng)程序編碼的計算機可讀媒體，該程序可指令計算機對部分采樣視野數(shù)據(jù)進行增強并利用全面采樣視野數(shù)據(jù)與增強的部分采樣視野數(shù)據(jù)進行圖象重建。


圖1是一CT成像系統(tǒng)實施例的示意圖。
圖2是圖1所示系統(tǒng)的方框圖。
圖3示出了截斷偽影。
圖4顯示了所有通道總積分衰減作為一胸部體模投射角的函數(shù)的圖形。
圖5是臨床情況下的截斷圖。
圖6是表示截斷投射對總衰減的影響的圖形。
圖7是斜率和邊界估算圖。
圖8是用于截斷投射的配合水圓柱體的示圖。
圖9是一根據(jù)預(yù)期總衰減繪制的投射延伸的示圖。
圖10顯示了多幅圖象。
具體實施例方式
這里提供了在計算機斷層掃描系統(tǒng)中擴展視野的截斷補償方法和裝置。如下面將進行更詳細的解釋，一方面，一種方法至少部分地基于平行采樣幾何學(xué)的性質(zhì)，所有通道積分衰減總量與投射角度無關(guān)。將參考附圖描述該裝置和方法，其中在所有附圖中相同的數(shù)字表示相同的部件。這些附圖是用來進行描述而不是限定，這樣有助于對本發(fā)明的裝置和方法的實施例進行解釋說明。
在一些已知的CT成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，輻射源投射出一扇形束，該扇形束被校準為位于笛卡兒坐標系的X-Y平面內(nèi)且一般稱為“成像平面”。輻射束穿過被成像物體，例如一個病人。該輻射束在穿過該物體發(fā)生衰減后，照射到一個輻射檢測器陣列上。檢測器陣列接收到的衰減后的輻射束的強度依賴于穿過所述物體后輻射束的衰減程度。檢測器陣列的每個元件產(chǎn)生一個單獨的電信號，該電信號是在該檢測器處的輻射束衰減的測量值。從所有檢測器分別獲得衰減測量值以產(chǎn)生一轉(zhuǎn)換剖面。
在第三代CT系統(tǒng)中，輻射源和檢測器陣列隨著一位于成像平面內(nèi)的機架并且環(huán)繞要成像物體旋轉(zhuǎn)從而使得輻射束與物體相交的角度不斷變化。在某一機架角度從檢測器陣列所得的一組輻射衰減測量值，也即投射數(shù)據(jù)，稱為一個“視圖”。對物體的一次“掃描”包括在輻射源和檢測器的一次旋轉(zhuǎn)過程中在不同機架角度，或視角形成的一組視圖。
在軸向掃描中，投射數(shù)據(jù)經(jīng)過處理重建成一相當于通過物體獲得的二維斷層圖象。一種利用一組投射數(shù)據(jù)重建圖象的方法在本領(lǐng)域稱作過濾反投影(filter back projectio)技術(shù)。該技術(shù)將來自掃描的衰減測量值轉(zhuǎn)換成稱為“CT值”或“豪恩斯弗爾德單位”的整數(shù)，其用于控制顯示裝置上相應(yīng)象素的亮度。
為了減少總掃描時間，可執(zhí)行一“螺旋”掃描。為了執(zhí)行“螺旋”掃描，在獲取指定斷層數(shù)數(shù)據(jù)的同時移動病人。該系統(tǒng)通過扇形束螺旋掃描產(chǎn)生一單一螺旋。由扇形束繪制的螺旋產(chǎn)生投射數(shù)據(jù)，從該投射數(shù)據(jù)可以重建每個指定斷層的圖象。
在這里所使用的，每個敘述為單數(shù)形式和在其前面含有單詞“一”或“一個”的元件或步驟，除非有明確的敘述，應(yīng)當理解為不排除包括多個所述元件或步驟的含義。另外，參考本發(fā)明的“一個實施例”并不表示排除還存在可結(jié)合所敘述特征的其它實施例。
同樣，在這里所使用的短語“重建圖象”并不表示排除下述的本發(fā)明的實施例，即其產(chǎn)生一代表圖象的數(shù)據(jù)而不是一可視的圖象。因此，在這里使用的術(shù)語“圖象”含義廣泛，既指可視的圖象也指代表可視圖象的數(shù)據(jù)。然而，許多實施例產(chǎn)生(或設(shè)置為產(chǎn)生)至少一幅可視圖象。
圖1是一CT成像系統(tǒng)10的圖示。圖2是圖1所示系統(tǒng)10的方框圖。在示范性的實施例中，示出了包括代表“第三代”CT成像系統(tǒng)的機架12的計算機斷層掃描(CT)成像系統(tǒng)10。機架12具有一輻射源14，其可向位于機架12對面的檢測器陣列18發(fā)射一錐面X-光束16。
檢測器陣列18由多個檢測器列(未示出)組成，該檢測器列包括多個檢測器元件20，其共同檢測穿過一物體，如一病人的投射X-射線束。每個檢測器元件20產(chǎn)生一表示輻射束照射強度和由此所得的穿過物體或病人22的輻射束衰減的電信號。具有多斷層檢測器18的成像系統(tǒng)10能夠提供一表示物體22容積的多個圖象。該多個圖象中的每一個相應(yīng)于容積的一單獨“斷層”。斷層的“厚度”或孔徑依賴于檢測器列的厚度。
在掃描中為了獲得輻射投射數(shù)據(jù)，機架12和安裝在其上的部件環(huán)繞一個旋轉(zhuǎn)中心24旋轉(zhuǎn)。圖2僅示出了一列檢測器元件20(即一個檢測器列)。然而，多斷層檢測器陣列18包括多個檢測器元件20組成的平行檢測器列，由此在掃描過程中可以同時獲得相當于多個準平行或平行的斷層的投射數(shù)據(jù)。
機架12的旋轉(zhuǎn)和輻射源14的運作由CT系統(tǒng)10的控制機構(gòu)26支配。控制機構(gòu)26包括一為輻射源14提供能量和定時信號的輻射控制器28和一控制機架12旋轉(zhuǎn)速度和位置的機架電動機控制器30?？刂茩C構(gòu)26中的一數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)(DAS)32從檢測器元件20處采集模擬數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)以備隨后處理。一圖象重建裝置34接收從DAS采樣并數(shù)字化的輻射數(shù)據(jù)并進行高速圖象重建。重建后的圖象作為輸入送入計算機36，并通過計算機36存儲在一大容量存儲設(shè)備38中。
計算機36同時通過帶有鍵盤的控制臺40從操作人員處接收命令和掃描參數(shù)。操作人員通過一相關(guān)聯(lián)的陰極射線管顯示裝置42觀察從計算機36得到的重建圖象和其它數(shù)據(jù)。操作人員給出的命令和參數(shù)經(jīng)計算機36向DAS32、輻射控制器28和機架電動機控制器30提供控制信號和信息。此外，計算機36操縱一控制著電動床46的床電動機控制器44以將病人22安置在機架12中。特別的，床46移動病人22部分身體通過機架開口48。
在一個實施例中，計算機36包括一設(shè)備50，例如，一個軟盤驅(qū)動器或CD-ROM驅(qū)動器，用來讀取一計算機可讀媒體52如軟盤或CD-ROM上的指令和/或數(shù)據(jù)。在另一個實施例中，計算機36執(zhí)行存儲在固件(未示出)中的指令。一般的，在圖2中所示的DAS 32，圖象重建裝置34和計算機36中的至少一個中的處理器按程序工作以執(zhí)行以下過程。當然，該方法不僅可應(yīng)用于CT系統(tǒng)10中還可以用于許多其它類型和種類的成像系統(tǒng)。在一個實施例中，計算機36已被程式化以完成上述功能，因此，如在此所使用的，術(shù)語計算機不僅限于本領(lǐng)域中所指計算機的那些集成電路，還廣泛地指計算機、處理器、微控制器、微型計算機、可編程邏輯控制器、專用集成電路和其它可編程電路。盡管這里所述的方法是應(yīng)用于醫(yī)療裝置中的，但可預(yù)期的，本發(fā)明可以有益于增進非醫(yī)療成像系統(tǒng)的功能，例如在工業(yè)或運輸環(huán)境中典型應(yīng)用的系統(tǒng)，如，但不限于，用于機場或其它運輸中心的行李掃描CT系統(tǒng)。
在某些掃描條件下，病人22的身體部分超出了檢測器18的測量范圍，這將會導(dǎo)致出現(xiàn)圖象偽影和被成像物體的不完整顯現(xiàn)。X-射線管和檢測器18在一繞病人孔徑72旋轉(zhuǎn)的框架上剛性的固定在一起。旋轉(zhuǎn)過程中，在一“完全采樣視野”60范圍內(nèi)持續(xù)測量。穿過位于完全采樣視野76之外的物體22任一區(qū)域的X-射線的衰減在一個限定的旋轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)測量，這一區(qū)域稱為“部分采樣視野”區(qū)域。換句話說，處于完全采樣視野76中的身體部分位于扇形束16內(nèi)因而在全部機架角度可以得到測量，所收集的數(shù)據(jù)定義為完全采樣視野數(shù)據(jù)。然而，某些部分在某些角度位于扇形束16內(nèi)而在其它角度位于扇形束16外，從這些部分所收集的數(shù)據(jù)定義為部分采樣視野數(shù)據(jù)。
一些可使偽影減小而不對超出視野(FOV)病人部分進行成像的已知方法已被公開。然而，對超出FOV的病人部分進行成像是被期待的。這在許多領(lǐng)域包括腫瘤學(xué)、自旋血管造影術(shù)、熔合成像系統(tǒng)和經(jīng)濟(In Economy)CT掃描儀中都非常有益處。當前的已知多斷層CT掃描儀的硬件將重建視野(FOV)范圍限制在約50厘米(cm.)。盡管這在大部分臨床應(yīng)用中已經(jīng)足夠，但擴展視野以對位于這個視野(FOV)以外的物體進行成像仍是被期待的。這在例如腫瘤學(xué)或CT/PET中的應(yīng)用具有顯著的優(yōu)越性。對腫瘤學(xué)來說，期望較大的FOV。這主要應(yīng)歸于這樣的事實，對于輻射治療計劃，病人的四肢經(jīng)常位于掃描視野(FOV)之外從而可使腫瘤處于一較好位置。已知的CT重建算法忽略了截斷投射且產(chǎn)生了具有嚴重偽影的圖象。這些偽影可能會影響治療計劃中對衰減路徑計算的精確性。圖3示出了一個體模(phantom)實例。對于熔合成像系統(tǒng)例如CT/PET(計算機斷層掃描/正電子發(fā)射斷層掃描)，PET系統(tǒng)的視野(FOV)可能與現(xiàn)有的CT設(shè)計不匹配。具有一個與CT和其它成像系統(tǒng)、CT/PET、CT/NUC(CT/原子核)或CT/MR(CT/磁共振)相一致匹配的視野(FOV)是被期待的。這種修正可以用來調(diào)整視野(FOV)使之相匹配。對于PET這可使其獲得較好的衰減修正。這里敘述的是通過一種算法逼近來增加超出由于檢測器硬件所限的視野(FOV)的重建視野。這種修正算法可應(yīng)用于多種重建算法包括，但不限于，全掃描、半掃面/分段、螺旋掃描、基于心臟分段(cardiac sector)的算法。另外，系統(tǒng)10設(shè)置為使用這里所述的算法。
圖4示出了用于胸部體模掃描的作為帶有平行輻射束采樣幾何形狀的投射角度的函數(shù)而繪制的總衰減量。注意其曲線幾乎是一水平線。然而，這種特性在扇形束采樣幾何形狀中是不存在的。當被掃描物體位于掃描視野(FOV)之外，這種特性不再有效。這種不足的量等于超出投射視野的物體部分。幾乎在所有的臨床病例中，僅在投射角的一部分出現(xiàn)投射截斷，如圖5所示。在這個例子中，在3點鐘位置的投射沒有截斷而在12點鐘的投射嚴重地截斷了。因此，可以通過未截斷投射(即例如圖5中3點鐘周圍的位置)來估算截斷視圖的截斷量(例如圖5中12點鐘周圍的位置)。在修正過程中的先期步驟是通過軟件在投射的預(yù)處理過程中將扇形束重變換為平行束。在一個實施例中，這個先期步驟就是操作的第一步。該處理在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的并不需要特殊的數(shù)據(jù)采集。一旦重變換結(jié)束，對所有檢測器通道的投射進行積分得到總衰減曲線，如圖6所示。注意總衰減曲線的傾角與截斷視圖相對應(yīng)。曲線的水平部分對應(yīng)于物體沒有截斷的視圖。一旦估算出位于視野(FOV)之外的物體總量，下一步就是估算投射損失的分布。為了達到這個目的，在一個實施例中，首先計算圖7所示截斷投射的邊界數(shù)據(jù)，如下面方程1所示的pl和pr。為了降低噪聲，在一個實施例中，使用采樣數(shù)m的平均值。根據(jù)經(jīng)驗m＝3對降低噪聲有益。在另一個實施例中，m大于1且小于5。
方程1pl=1mΣi=1mp(i,k)]]>和pr=1mΣi=1mp(N-i,k)]]>其中N是檢測器通道數(shù)，k是投射視圖指數(shù)。另外，在一實施例中，靠近兩末端的斜率sl和sr也被估算出。通過一階多項式在末端擬和n個采樣得到該斜率估算。根據(jù)經(jīng)驗n＝5是有益的。在一個實施例中，n大于2且小于8。在另一個實施例中，n大于3且小于7。
為了進一步提高估算的可靠性，還可使用從相鄰檢測器列得到的投射。由于人體解剖結(jié)構(gòu)在小范圍(幾個毫米)內(nèi)一般變化很小，從相鄰列獲得的邊界采樣和斜率估算一般差異不大。因此，估算參數(shù)(pl，pr，sl和sr)可以是從幾個檢測器列所計算得到數(shù)值的加權(quán)平均值?；谶吔绾托甭市畔?，可以估算出一最適合截斷投射的水圓柱體的位置和大小。如果我們水的衰減系數(shù)表示為μw，圓柱體的半徑為R，到圓柱體中心的距離為X，投射值p(x)，以及斜率p’(x)，可以由下面的方程描述。
方程2p(x)=2μwR2-x2]]>和p′(x)=-2μwxR2-x2]]>我們在截斷投射邊界對p(x)和p’(x)都進行計算，目的在于估算R和x從而得到附加于投射損失的圓柱體的大小和位置。估算這些參數(shù)的公式可以下述方程描述方程3x1=-(sl)(pl)4μw2]]>和R1=pl24μw2+xl2]]>方程4x1=-(sr)(pr)4μw2]]>和R1=pr24μw2+xr2]]>上面的變量代表需從截斷物體延伸的圓柱物體的估算位置和大小。一旦這些參數(shù)確定，通過方程(2)即可計算出延伸的投射值。上述過程如圖8所示。
在這個例子中，為了簡明使用了一圓柱狀充水體模。在現(xiàn)實中，其它物體形狀，例如橢圓柱，也可以用來增加適應(yīng)性。如果知道被掃描物體特性的先驗信息，當然可以在選擇附加物體的形狀和材料時參考該信息。在估算投射損失數(shù)據(jù)時可以使用迭代法。
在該投射兩個末端的估算圓柱體并不能總是恢復(fù)整個投射的衰減總量，這是因為這些物體是根據(jù)斜率和邊界采樣獨自確定的。沒有使用任何從總衰減曲線(圖6)導(dǎo)出的信息。為了確保對衰減總量損失的適當補償，左邊的衰減分布Tl相對于右邊的衰減分布Tr是基于pl和pr的大小確定的。
Tl=plTpl+pr]]>和Tr=prTpl+pr]]>其中T是根據(jù)圖6確定的衰減損失的總量。另外，如果在延伸曲線下的衰減量不足以補償衰減損失，估算出的投射被伸展以彌補衰減的不足，如圖9所示。另一方面，如果在延伸曲線下的衰減數(shù)量超出了衰減損失，估算出的投射通過一類似的方式進行壓縮。在一個實施例中，計算過程如下。首先計算超出伸展投射曲線(圖9中所示的陰影區(qū)域)之下面積的預(yù)期總衰減(如方程(5)所示)的比率。如果該比率大于一，x軸按該比率縮放從而使得初始估算投射(圖9中所示的虛線)進一步擴展(圖9中所示的粗實線)。類似的，如果比率遠小于一，x軸的擴展投射可以被壓縮。
圖10所示的是未經(jīng)修正和已經(jīng)修正的重建體模圖象的例子。以軸向掃描模式用4×1.25mm檢測器配置對一肩部體模進行掃描。一個15厘米塑料體模以這種方式連接在該肩部體模上，使得該塑料體模的邊緣靠近65cm視野的邊界。截斷物體幾乎完全被覆蓋。注意圖10(a)是未經(jīng)截斷修正(目前產(chǎn)品所限)的具有50cm視野的重建圖象，圖10(b)是經(jīng)過在此所述的修正后的具有65cm視野的重建圖象。作為參考，圖10(c)示出了部分截斷的體模。
盡管上述系統(tǒng)和方法僅僅使用了衰減總量守恒、邊界采樣的數(shù)量和斜率來估算損失投射分布，但還可以使用另外的信息來估算。例如，可以應(yīng)用斷層x光攝影裝置的Helgason-Ludwig條件(HL條件)以進一步改進上述技術(shù)。另外，可以采用不同的閾值以確保該算法在錯誤測量條件下適當?shù)剡\行。例如，可以對圖9所示伸展比率設(shè)置上限和下限以防止由于不可靠測量而增加錯誤的情況。另外，sl和sr的斜率計算值可設(shè)置為落在一合理的范圍。如果已知被掃描物體的特性與水顯著不同，可以使用已知材料(代替水)的衰減系數(shù)進行方程(3)和(4)所示的大小和位置的計算。
由于內(nèi)插數(shù)據(jù)與位于完全采樣視野內(nèi)的數(shù)據(jù)具有不同的圖象質(zhì)量，對視野變?yōu)橥獠逄幍膱D象進行標記是有益的。在一個實施例中，提供了一在代表完全采樣視野數(shù)據(jù)和部分采樣視野數(shù)據(jù)之間的區(qū)域的重建圖象的草圖。圖10(d)示出了邊界用一虛線進行標記。也可以用一個色碼或CT值的移動來標記。由于標記可能會影響圖象數(shù)據(jù)的觀察效率，因此提供了一個簡單的方式來打開和關(guān)閉標記。系統(tǒng)10的使用者可以打開或關(guān)閉標記。
盡管已通過大量具體實施例對本發(fā)明進行了描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認識到本發(fā)明可采用權(quán)利要求書精神和范圍內(nèi)的改進來實現(xiàn)。
部件列表

權(quán)利要求
1.一成像裝置(10)包括一輻射源(14)；一響應(yīng)輻射的檢測器(18)，定位于接收所述輻射源所發(fā)出的輻射的位置；和一可操作的與所述輻射源和所述檢測器連接在一起的計算機(36)，所述計算機被設(shè)定為接收一來自物體CT掃描的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括完全采樣視野(60)數(shù)據(jù)和部分采樣視野(76)數(shù)據(jù)；利用完全采樣視野數(shù)據(jù)增加接收到的部分采樣視野數(shù)據(jù)；和利用完全采樣視野數(shù)據(jù)和增加的部分采樣視域數(shù)據(jù)重建物體圖象。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置(10)，其中所述計算機(36)進一步設(shè)定為可估算損失投射數(shù)據(jù)的分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置(10)，其中所述計算機(36)進一步設(shè)定為利用從相鄰檢測器列獲得的投射數(shù)據(jù)估算損失投射數(shù)據(jù)的分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置(10)，其中所述計算機(36)進一步設(shè)定為可根據(jù)下面的公式，計算部分采樣視野(76)數(shù)據(jù)的邊界參數(shù)pl和pr，pl=1mΣi=1mp(i,k)]]>和pr=1mΣi=1mp(N-i,k)]]>其中m是所用的采樣數(shù)，N是檢測器通道數(shù)，k是投射視域指數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置(10)，其中所述計算機(36)進一步設(shè)定為可在接近多個截斷點處利用一階多項式擬和n個采樣來計算斜率sl和sr。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置(10)，其中所述計算機(36)進一步設(shè)定為可利用由多個檢測器列所算出的數(shù)值的加權(quán)平均值來估算斜率sl和sr。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置(10)，其中所述計算機(36)進一步設(shè)定為對物體進行掃描以從圍繞物體的多個旋轉(zhuǎn)角度得到扇形束檢測器數(shù)據(jù)；并且將扇形束檢測器數(shù)據(jù)重排序為具有跨越視野的平行傳輸路徑的數(shù)據(jù)組。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置(10)，其中所述計算機(36)進一步設(shè)定為對每個平行路徑的數(shù)據(jù)組求和以得到每個路徑的路徑衰減值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置(10)，其中所述的計算機(36)進一步設(shè)定為可應(yīng)用最大衰減路徑來估算物體的總積分衰減。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置(10)，其中所述的計算機(36)進一步設(shè)定為可提供一在代表完全采樣視野(60)區(qū)域和代表部分采樣(76)區(qū)域之間作出標記的重建圖象。
全文摘要
一種方法包括使用完全采樣視野(60)數(shù)據(jù)增加部分采樣視野(76)數(shù)據(jù)。
文檔編號G06T11/00GK1504960SQ20031011961
公開日2004年6月16日 申請日期2003年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月4日
發(fā)明者強 謝, 謝強, H 阿姆斯特朗, 羅伯特·H·阿姆斯特朗, J 阿杜尼, 彼得·J·阿杜尼, F 森齊格, 羅伯特·F·森齊格 申請人:Ge醫(yī)藥系統(tǒng)環(huán)球科技公司