計(jì)算機(jī)斷層成像中圖像數(shù)據(jù)的迭代重建的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例通常涉及用于從投影數(shù)據(jù)中重建對(duì)象的圖像數(shù)據(jù)集的 方法，其中通過(guò)X射線計(jì)算機(jī)斷層成像（CT)系統(tǒng)從對(duì)象中采集投影數(shù)據(jù)。本發(fā)明的進(jìn)一步 實(shí)施例通常還涉及用于從投影數(shù)據(jù)中重建對(duì)象的圖像數(shù)據(jù)集的計(jì)算單元，包括該計(jì)算單元 的計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)，以及包括用于執(zhí)行該本發(fā)明的方法的程序代碼的數(shù)據(jù)載體。
【背景技術(shù)】
[0002] 在X射線計(jì)算機(jī)斷層成像中，將從中采集投影數(shù)據(jù)的對(duì)象通常從許多投影 方向暴露于X射線輻射。然后從投影數(shù)據(jù)中重建圖像數(shù)據(jù)集。這通常使用反向投影 (back-proiection)方法來(lái)完成，其中投影數(shù)據(jù)經(jīng)常被預(yù)處理。例如，經(jīng)常執(zhí)行所謂的重排 (rebinning)步驟，其中重新布置從x射線的扇形束中生成的投影數(shù)據(jù)，使得它出于如同x 射線束已平行的這樣一種形式。因此已經(jīng)被重新布置和濾波的數(shù)據(jù)然后用于反向投影到感 興趣的體積內(nèi)的各個(gè)圖像點(diǎn)或體素（voxel)上。
[0003] 通常用于重建的一種標(biāo)準(zhǔn)方法是所謂的濾波反向投影方法（FBP)。用這種方法，重 排的數(shù)據(jù)通常首先被轉(zhuǎn)換到其中通過(guò)用到卷積核的乘法而發(fā)生濾波的頻率范圍中。然后反 變換濾波后的數(shù)據(jù)，并在濾波后的數(shù)據(jù)上完成反向投影。卷積核的選擇允許影響的期望的 圖像特性，特別是圖像銳化器和噪聲。經(jīng)常使用的一種算法是所謂的Feldkamp算法。
[0004] 然而，簡(jiǎn)單的反向投影方法具有缺點(diǎn)：當(dāng)投影數(shù)據(jù)不完整時(shí)，例如在投影方向沒有 覆蓋180°的角加上對(duì)象周圍的扇形波束角時(shí)，或者對(duì)象不完全在所有投影的視野內(nèi)，它們 不產(chǎn)生滿意的結(jié)果。它們還不能完全說(shuō)明數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)性能。
[0005] 最近已開發(fā)的其它重建方法是迭代圖像重建方法。在這種迭代重建方法中，從測(cè) 量的投影數(shù)據(jù)中重建初始圖像數(shù)據(jù)首先發(fā)生。從該初始圖像數(shù)據(jù)中，應(yīng)該盡可能接近地?cái)?shù) 學(xué)映射CT系統(tǒng)的投影幾何構(gòu)造和數(shù)據(jù)采集過(guò)程的"投影儀"（投影算子）被用來(lái)生成合成 的投影數(shù)據(jù)。然后反向投影關(guān)于測(cè)量的投影數(shù)據(jù)的差，從而重建可用來(lái)更新初始圖像的殘 余圖像。更新后的圖像數(shù)據(jù)反過(guò)來(lái)可用于：在下一個(gè)迭代步驟中通過(guò)投影算子的幫助而生 成新的合成的投影數(shù)據(jù)，以再次形成與測(cè)量信號(hào)的差并計(jì)算新的殘余圖像，其反過(guò)來(lái)可用 于改善當(dāng)前迭代階段的圖像數(shù)據(jù)。
[0006] 然而，這些迭代的圖像重建算法經(jīng)常不快速收斂，并且因此是非常計(jì)算密集的。已 經(jīng)提出了基于懲罰加權(quán)的最小二乘模型的多個(gè)重建算法。然而，當(dāng)前沒有任何迭代重建方 法被認(rèn)為是對(duì)常規(guī)臨床用途滿意。
[0007] 所謂的FISTA(快速迭代收縮閾值處理算法）是一種用于x射線CT的統(tǒng)計(jì)迭代 重建方法的算法。它用快速外部收斂循環(huán)同時(shí)更新所有的體素。然而，該方法由于需要 在每個(gè)迭代時(shí)用相關(guān)的體素解決非線性圖像去噪問題而受阻礙。在由Amir Beck和Marc Teboulle 的"A Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm for Linear Inverse Problems" SIAM，J. Imaging Sciences，第 2 卷，第 1 期，第 183-202 頁(yè)的論文中 描述了 FISTA。在此通過(guò)引用將該論文的內(nèi)容并入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種用于CT數(shù)據(jù)的迭代重建方法，以及相應(yīng)的計(jì)算單元和 包括執(zhí)行該方法的合適程序代碼的數(shù)據(jù)載體，其克服現(xiàn)有技術(shù)方法的以上缺點(diǎn)。特別地，本 發(fā)明的目的是提供一種快速收斂的重建方法，本發(fā)明通常是快速和穩(wěn)定的，能夠?qū)Ω恫煌?整或稀疏的數(shù)據(jù)，以便允許減少給予患者的劑量，并且能夠充分解釋數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)性能。
[0009] 本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例涉及一種用于從投影數(shù)據(jù)中重建對(duì)象的圖像數(shù)據(jù)集的 方法，其中通過(guò)X射線計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)而從對(duì)象中采集投影數(shù)據(jù)，該方法包括步驟：
[0010] -通過(guò)反向投影算法而從投影數(shù)據(jù)中重建初始圖像數(shù)據(jù)集；
[0011] -將初始圖像數(shù)據(jù)集分成體素的塊，每個(gè)塊至少近似具有相同的尺寸；
[0012] -定義第一圖像數(shù)據(jù)集內(nèi)體素的組，其中通過(guò)從每個(gè)塊中選擇一個(gè)體素而定義每 個(gè)組，一個(gè)組內(nèi)的每個(gè)體素相對(duì)于其塊內(nèi)的其它體素具有相同位置，其中一個(gè)組內(nèi)的體素 定義子空間；
[0013] -通過(guò)最小化包括第一項(xiàng)和第二項(xiàng)的優(yōu)選加權(quán)和的函數(shù)，為一個(gè)組內(nèi)的所有體素 更新體素值，從而生成中間圖像數(shù)據(jù)集，所述第一項(xiàng)至少表示數(shù)據(jù)采集過(guò)程的幾何構(gòu)造，所 述第二項(xiàng)優(yōu)選是正則項(xiàng)；
[0014] -使用中間圖像數(shù)據(jù)集作為輸入來(lái)重復(fù)為一個(gè)組內(nèi)的所有體素更新體素值的步 驟，直到所有組的體素已經(jīng)更新至少一次，由此獲得最終的圖像數(shù)據(jù)集。
[0015] 在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，最終的圖像數(shù)據(jù)集具有良好的質(zhì)量，即使在輸入 的測(cè)量的投影數(shù)據(jù)不完整或稀疏時(shí)。在發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，可至少部分地通過(guò)并行 處理而進(jìn)行迭代重建方法，其中可并行執(zhí)行幾個(gè)計(jì)算步驟。
[0016] 發(fā)明還涉及一種用于從投影數(shù)據(jù)中重建對(duì)象的圖像數(shù)據(jù)集的相應(yīng)計(jì)算單元，其適 于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施例，它將至少包括用于存儲(chǔ)投影數(shù)據(jù)和最終 的圖像數(shù)據(jù)集的第一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，并且該第一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元可以是硬盤、服務(wù)器、USB棒、 光學(xué)或其它長(zhǎng)期存儲(chǔ)設(shè)備。它可進(jìn)一步包括用于存儲(chǔ)中間圖像數(shù)據(jù)集的第二數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單 元，其中該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件可以是更快和更臨時(shí)的組件，諸如計(jì)算機(jī)的工作存儲(chǔ)器。計(jì)算單元 還需要用于重建第一圖像數(shù)據(jù)集并用于執(zhí)行更新步驟的數(shù)據(jù)處理單元。這種數(shù)據(jù)處理單元 可以是任何計(jì)算機(jī)類型的計(jì)算組件，例如PC或其它工作站或計(jì)算機(jī)的CPU。通常，計(jì)算單元 可以是任何類型的計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、便攜式設(shè)備的一部分以及當(dāng)然可以是對(duì)于醫(yī)療圖 像的任何采集系統(tǒng)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算單元還將包括用于輸出最終的圖像數(shù)據(jù)集 的圖像數(shù)據(jù)集接口，例如屏幕、顯示器或打印機(jī)。根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施例，計(jì)算單元還將包括 用于傳送使用x射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置采集的投影數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口。
[0017] 該計(jì)算單元可以是計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的一部分，計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)包括可旋 轉(zhuǎn)的投影數(shù)據(jù)采集單元，可旋轉(zhuǎn)的投影數(shù)據(jù)采集單元包括X射線源和用于采集對(duì)象的投影 數(shù)據(jù)的檢測(cè)器。
[0018] 該方法可以軟件的形式實(shí)現(xiàn)，例如在計(jì)算單元或計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)上。發(fā)明還 涉及一種包括計(jì)算機(jī)程序的程序代碼的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)載體，在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序時(shí)，數(shù) 字?jǐn)?shù)據(jù)載體能夠根據(jù)本發(fā)明的方法的任何實(shí)施例實(shí)現(xiàn)方法。還通過(guò)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)該 目的，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可被加載到可編程計(jì)算單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中，該可編程計(jì)算單元 可以是計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的一部分。
[0019] 發(fā)明的進(jìn)一步有利的實(shí)施例和發(fā)展將來(lái)自從屬權(quán)利要求和下面的描述。還可以按 照與不同權(quán)利要求類別的從屬權(quán)利要求相同的方式開發(fā)一個(gè)權(quán)利要求類別的方法或主題。 此外，所有從屬權(quán)利要求的主題可彼此組合。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 基于示例性實(shí)施例，下面參照附圖更詳細(xì)地描述發(fā)明。相似的組件在圖中被指定 相同的附圖標(biāo)記。
[0021] 圖1示出具有圖像重建設(shè)施的計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的第一示例性實(shí)施例的示意 性表示，
[0022] 圖2示出具有圖像構(gòu)造設(shè)施的計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的第二示例性實(shí)施例的示意 性表示，
[0023]