Ct圖像生成裝置和ct圖像生成方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種CT圖像生成裝置和方法，該裝置具備：X射線掃描器，包括X射線源和檢測器；存儲模塊，包括檢測器數(shù)據(jù)塊、附加權(quán)重數(shù)據(jù)塊、參數(shù)數(shù)據(jù)塊；處理器模塊，包括：通用處理器、附加權(quán)重計算單元、權(quán)重向量乘法單元、以及可分離足跡運算單元；由掃描器所掃描的數(shù)據(jù)作為檢測器數(shù)據(jù)被存儲至檢測器數(shù)據(jù)塊，附加權(quán)重計算單元從參數(shù)數(shù)據(jù)塊獲取幾何參數(shù)，并計算附加權(quán)重向量，通用處理器使用幾何參數(shù)控制投影/反投影角度循環(huán)，權(quán)重向量乘法單元將檢測器數(shù)據(jù)與附加權(quán)重向量相乘，從而獲得改進(jìn)的檢測器值，可分離足跡運算單元使用改進(jìn)的檢測器值執(zhí)行可分離足跡投影和反投影算法。根據(jù)本發(fā)明的CT圖像生成裝置，能夠減少投影和反投影的誤差。
【專利說明】CT圖像生成裝置和CT圖像生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種CT圖像生成裝置和CT圖像生成方法，特別是涉及一種利用改進(jìn)的可分離足跡(Separable Footprint)方法的CT圖像生成裝置和CT圖像生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線計算機(jī)斷層成像(CT)技術(shù)已被廣泛用于對人體進(jìn)行檢查，CT圖像作為對疾病診斷的依據(jù)已有30年的歷史，對CT圖像重建算法進(jìn)行研究以降低輻射劑量、提高CT圖像質(zhì)量、降低圖像偽影一直是研究與臨床中的熱點問題。
[0003]實際應(yīng)用中，CT圖像重建算法主要包括濾波反投影方法和迭代重建算法。其中，濾波反投影方法是CT圖像重建的傳統(tǒng)方法，已經(jīng)在目前的CT產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。但在濾波反投影方法中，重建圖像的投影數(shù)據(jù)被假設(shè)為無噪聲干擾的，而實際上，噪聲是伴隨著投影數(shù)據(jù)始終存在的，尤其是在低劑量掃描的情況下更是如此，因此難以獲得高質(zhì)量的CT圖像。然而隨著臨床診療的發(fā)展，CT臨床應(yīng)用的廣度和深度都日漸達(dá)到了前所未有的高度，在這種新的形勢背景下，業(yè)界對CT使用的安全性考慮與圖像質(zhì)量均有了新的、更高的要求。這便使得濾波反投影法難以滿足新的需求。
[0004]針對以上新的需求，在高端應(yīng)用中，迭代重建算法被重視并研究。迭代重建算法可以很好地處理電子噪聲和其它物理因素所導(dǎo)致的圖像偽影，從而在保證圖像質(zhì)量的情況下，降低檢查時的X射線劑量。但是由于其龐大的計算量導(dǎo)致成像速度緩慢而無法實際臨床應(yīng)用。近年，但隨著計算機(jī)硬件和計算科學(xué)的飛速發(fā)展，迭代重建算法應(yīng)用于實際產(chǎn)品成為了可能，并且隨著 社會對醫(yī)療健康的日益重視，CT診斷中的X射線輻射對人體健康的影響越來越受到人們的關(guān)注，低X射線輻射劑量已經(jīng)成為CT發(fā)展的未來趨勢。因此迭代重建算法越來越受到廣泛的關(guān)注，是目前的研究熱點。同時在中低端應(yīng)用中，濾波反投影方法中新的更加精確的反投影方法被研究以減小偽影，提高圖像質(zhì)量。
[0005]在迭代重建算法中，主要包括多次循環(huán)迭代的投影與反投影過程，而在傳統(tǒng)的濾波反投影算法中主要步驟是反投影。投影與反投影方法主要包括傳統(tǒng)的如基于光線驅(qū)動(Ray-Driven),像素驅(qū)動(Pixel-Driven),因為其模型誤差較大,應(yīng)用在迭代重建算法中會使得迭代算法難以收斂，因此高精度的投影與反投影方法被研究和提出，最典型的是近年提出的距離驅(qū)動(Distance-Driven)和可分離足跡(Separable Footprint)方法，其中可分離足跡方法是目前學(xué)術(shù)界最優(yōu)的投影與反投影模型，但該方法也是一種近似方法，仍存在一定的模型誤差，模型精度有待進(jìn)一步改進(jìn)提高。
[0006]基于以上背景，在可分離足跡方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了一種進(jìn)一步降低其投影與反投影誤差的CT圖像生成裝置和CT圖像生成方法，主要應(yīng)用于對投影與反投影精度要求很高的迭代重建算法中，也可用于濾波反投影算法中來減少偽影。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，本發(fā)明的發(fā)明人提出對可分離足跡算法的加權(quán)系數(shù)作進(jìn)一步修正，從而減小加權(quán)系數(shù)的誤差。
[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種CT圖像生成裝置，其特征在于，具備:X射線掃描器，包括X射線源和檢測器，并檢測置于所述X射線源和所述檢測器之間的對象；存儲模塊，包括檢測器數(shù)據(jù)塊、附加權(quán)重數(shù)據(jù)塊、參數(shù)數(shù)據(jù)塊、輸入/輸出結(jié)果圖像數(shù)據(jù)塊；處理器模塊，包括:通用處理器、附加權(quán)重計算單元、權(quán)重向量乘法單元、以及可分離足跡運算單元；數(shù)據(jù)接口模塊；以及用戶接口模塊，由所述X射線掃描器所掃描的數(shù)據(jù)作為檢測器數(shù)據(jù)通過所述數(shù)據(jù)接口模塊被存儲至所述檢測器數(shù)據(jù)塊，所述附加權(quán)重計算單元從所述參數(shù)數(shù)據(jù)塊獲取幾何參數(shù)，并根據(jù)該幾何參數(shù)計算附加權(quán)重向量，所述通用處理器使用所述幾何參數(shù)控制投影/反投影角度循環(huán)，所述權(quán)重向量乘法單元將所述檢測器數(shù)據(jù)與所述附加權(quán)重向量相乘，從而獲得改進(jìn)的檢測器值，所述可分離足跡運算單元使用所述改進(jìn)的檢測器值執(zhí)行可分離足跡投影和反投影算法。
[0009]根據(jù) 該CT圖像生成裝置，通過權(quán)重向量乘法單元將檢測器數(shù)據(jù)與附加權(quán)重向量相乘，從而獲得改進(jìn)的檢測器值。使用該檢測器值進(jìn)行投影與反投影的情況與采用一般的可分離足跡方法的裝置相比，能夠降低其投影與反投影誤差，提高算法建模的精度。
[0010]另外，本發(fā)明的CT圖像生成裝置中，所述X射線源和所述檢測器的距離隨投影與反投影角度發(fā)生變化時，所述附加權(quán)重計算單元從所述參數(shù)數(shù)據(jù)塊獲取幾何參數(shù)，并計算投影/反投影角度循環(huán)中每個角度的與所述距離相關(guān)的附加權(quán)重向量。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大本發(fā)明的CT圖像生成裝置的應(yīng)用范圍，并且由于所增加的計算量非常小，所以能夠保持迭代算法的速度性能。
[0011]另外，本發(fā)明的CT圖像生成裝置中，在每個角度的所述附加權(quán)重向量由Ι/sin Θ獲得，其中，Θ表示所述檢測器和所述X射線源之間的角度。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠精確地計算X射線穿過每個像素的長度，使該附加權(quán)重向量更加精確。
[0012]另外，本發(fā)明的CT圖像生成裝置中，在反投影中，先對所述檢測器數(shù)據(jù)用所述附加權(quán)重進(jìn)行加權(quán)，然后再進(jìn)行可分離足跡反投影操作；在投影中，先進(jìn)行可分離足跡投影操作，然后將投影得到的檢測器數(shù)據(jù)用附加權(quán)重進(jìn)行加權(quán)。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠精確地進(jìn)行投影和反投影，從而降低其投影與反投影誤差，提高算法建模的精度。
[0013]另外，本發(fā)明的CT圖像生成裝置中，所述幾何參數(shù)是所述X射線源和所述檢測器之間的距離、檢測器元件尺寸和檢測器中心位置。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?yīng)于各種各樣的檢測器類型和檢測條件，進(jìn)行高精度的投影和反投影。
[0014]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種CT圖像生成裝置的CT圖像生成方法，其特征在于，所述CT圖像生成裝置具備:x射線掃描器，包括X射線源和檢測器，并檢測置于所述X射線源和所述檢測器之間的對象；存儲模塊，包括檢測器數(shù)據(jù)塊、附加權(quán)重數(shù)據(jù)塊、參數(shù)數(shù)據(jù)塊、輸入/輸出結(jié)果圖像數(shù)據(jù)塊；處理器模塊，包括:通用處理器、附加權(quán)重計算單元、權(quán)重向量乘法單元、以及可分離足跡運算單元；數(shù)據(jù)接口模塊；以及用戶接口模塊，所述CT圖像生成方法包括:由所述X射線掃描器所掃描的數(shù)據(jù)作為檢測器數(shù)據(jù)通過所述數(shù)據(jù)接口模塊被存儲至所述檢測器數(shù)據(jù)塊的步驟，所述附加權(quán)重計算單元從所述參數(shù)數(shù)據(jù)塊獲取幾何參數(shù)，并根據(jù)該幾何參數(shù)計算附加權(quán)重向量的步驟，所述通用處理器使用所述幾何參數(shù)控制投影/反投影角度循環(huán)的步驟，所述權(quán)重向量乘法單元將所述檢測器數(shù)據(jù)與所述附加權(quán)重向量相乘，從而獲得改進(jìn)的檢測器值的步驟，所述可分離足跡運算單元使用所述改進(jìn)的檢測器值執(zhí)行可分離足跡投影和反投影算法的步驟。
[0015]根據(jù)該CT圖像生成方法，通過權(quán)重向量乘法單元將檢測器數(shù)據(jù)與附加權(quán)重向量相乘，從而獲得改進(jìn)的檢測器值。使用該檢測器值進(jìn)行投影與反投影的情況與一般的可分離足跡方法相比，能夠降低其投影與反投影誤差，提高算法建模的精度。
[0016]另外，本發(fā)明的CT圖像生成方法中，所述X射線源和所述檢測器的距離隨投影與反投影角度發(fā)生變化時，所述附加權(quán)重計算單元從所述參數(shù)數(shù)據(jù)塊獲取幾何參數(shù)，并計算投影/反投影角度循環(huán)中每個角度的與所述距離相關(guān)的附加權(quán)重向量。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大本發(fā)明的CT圖像生成裝置的應(yīng)用范圍，并且由于所增加的計算量非常小，所以能夠保持迭代算法的速度性能。
[0017]另外，本發(fā)明的CT圖像生成方法中，在每個角度的所述附加權(quán)重向量由Ι/sin Θ獲得，其中，Θ表示所述檢測器和所述X射線源之間的角度。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠精確地計算X射線穿過每個像素的長度，使該附加權(quán)重向量更加精確。
[0018]另外，本發(fā)明的CT圖像生成方法中，在反投影中，先對所述檢測器數(shù)據(jù)用所述附加權(quán)重進(jìn)行加權(quán)，然后再進(jìn)行可分離足跡反投影操作；在投影中，先進(jìn)行可分離足跡投影操作，然后將投影得到的檢測器數(shù)據(jù)用附加權(quán)重進(jìn)行加權(quán)。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠精確地進(jìn)行投影和反投影，從而降低其投影與反投影誤差，提高算法建模的精度。
[0019]另外，本發(fā)明的CT圖像生成方法中，所述幾何參數(shù)是所述X射線源和所述檢測器之間的距離、檢測器元件尺寸和檢測器中心位置。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?yīng)于各種各樣的檢測器類型和檢測條件，進(jìn)行高精度的投影和反投影。 [0020]本發(fā)明的效果在于:可以降低投影與反投影的模型誤差，提高算法建模精度，從而提高迭代重建算法效率和降低CT圖像的偽影。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1A，IB是CT圖像重建算法的模塊圖。
[0022]圖2是CT圖像重建算法中基于長度的投影與反投影加權(quán)原理圖。
[0023]圖3是CT圖像重建算法中可分離足跡投影與反投影方法原理圖及其模型誤差示意圖。
[0024]圖4是說明本發(fā)明所涉及CT圖像生成裝置中的計算附加權(quán)重的原理圖。
[0025]圖5是說明本發(fā)明所涉及CT圖像生成裝置中用于計算附加權(quán)重的函數(shù)和附加權(quán)重向量的示意圖。
[0026]圖6是說明本發(fā)明所涉及CT圖像生成裝置中附加權(quán)重對檢測器數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)的示意圖。
[0027]圖7是說明本發(fā)明所涉及CT圖像生成裝置的結(jié)構(gòu)模塊圖。
[0028]圖8A，SB是說明本發(fā)明所涉及CT圖像生成裝置中的投影與反投影過程的操作流程圖。
[0029]圖9A，9B是說明本發(fā)明所涉及CT圖像生成裝置中的當(dāng)X射線源和檢測器相對位置變化時的操作流程圖。
【具體實施方式】[0030]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
[0031]以下參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明所涉及的圖形用戶界面操作的監(jiān)控方法和監(jiān)控裝置的優(yōu)選的實施方式。此外，在附圖的說明中，給同一或者相當(dāng)部分附以同一符號，省略重復(fù)的說明。
[0032]圖1A，IB給出整個圖像重建算法的模塊圖。可應(yīng)用在傳統(tǒng)的濾波反投影重建和迭代重建中。在濾波反投影重建中，將X射線掃描得到的投影數(shù)據(jù)用附加權(quán)重模塊105進(jìn)行加權(quán)，然后再進(jìn)行可分離足跡反投影得到CT圖像。在迭代重建中，附加權(quán)重模塊在每次迭代中加權(quán)作用于投影與反投影過程中，作用方式參考圖8、9中的投影和反投影流程。圖中迭代重建算法主要包括投影模塊101、反投影模塊102、比較模塊103、更新模塊104，其中投影模塊101與反投影模塊102使用可分離足跡方法，附加權(quán)重模塊105用于修正提高投影與反投影模型的精度。
[0033]圖2是基于長度的投影與反投影加權(quán)原理圖。該圖中射線201穿過某個像素202的長度被定義為該投影射線201與該像素之間的相關(guān)系數(shù)，也即該射線投影到的對應(yīng)檢測器單元203對應(yīng)該像素單元的投影與反投影的加權(quán)系數(shù)。該基本模型是可分離足跡投影與反投影方法以及本發(fā)明的基礎(chǔ)。
[0034]圖3是可分離足跡 投影與反投影方法原理圖及其模型誤差示意圖。在可分離足跡投影與反投影方法中，對給定一個像素301的投影與反投影，從X射線源302出發(fā)，分別穿過像素301的4個頂點，在檢測器303上分別對應(yīng)4個位置。對于投影過程，像素值分別加權(quán)累加到這4個位置范圍304內(nèi)的檢測器單元上，加權(quán)系數(shù)305如圖中所示，根據(jù)檢測器單元的位置不同，加權(quán)系數(shù)不同，對于給定的一個像素301，可分離足跡投影的加權(quán)系數(shù)305被近似為一個梯形，梯形的橫向位置由4個頂點的投影位置確定。而梯形的高由投影射線穿過像素的距離來近似確定，在可分離足跡方法中，近似認(rèn)為加權(quán)系數(shù)在4個頂點投影確定的位置范圍304之間是線性變化關(guān)系，而實際上，根據(jù)圖中幾何關(guān)系及圖2中的加權(quán)原理可以看出，4個頂點投影確定的位置之間的理想加權(quán)系數(shù)306并不是線性變化關(guān)系，因此可分離足跡投影的加權(quán)系數(shù)305存在一定的誤差。反投影過程與投影過程類似，4個頂點投影確定位置范圍304內(nèi)檢測器的值通過加權(quán)反向累加到像素值上，加權(quán)系數(shù)305也存在類似的誤差。
[0035]圖4描述了計算附加權(quán)重的原理圖。根據(jù)原理圖2，附加權(quán)重是根據(jù)X射線401穿過給定像素402不同位置時，穿過像素402時截取長度的幾何關(guān)系來確定的。圖中403的長度為可分離足跡方法中的加權(quán)值，截線404的長度為理想加權(quán)值，在可分離足跡方法中，404的長度值被403近似代替，因此可以通過403與404之間的幾何關(guān)系進(jìn)行修正，即附加權(quán)重的計算函數(shù)，用公式表示為
[0036]Z404 = —;~— X Lm
SinH
[0037]其中，L4tl3、L4(i4分別表示截線403和404的長度，Θ為射線401和射線源到檢測器的垂線405的夾角的余角。
[0038]圖5描述了用于計算附加權(quán)重的函數(shù)示意圖和附加權(quán)重向量示意圖。由于在投影中，X射線501路徑上的所有像素502的值均加權(quán)累加到投影對應(yīng)的檢測器503上，而對這些像素的修正系數(shù)均只與射線角度有關(guān)，如式X所示[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種CT圖像生成裝置，其特征在于， 具備: X射線掃描器，包括X射線源和檢測器，并檢測置于所述X射線源和所述檢測器之間的對象； 存儲模塊，包括檢測器數(shù)據(jù)塊、附加權(quán)重數(shù)據(jù)塊、參數(shù)數(shù)據(jù)塊、輸入/輸出結(jié)果圖像數(shù)據(jù)塊； 處理器模塊，包括:通用處理器、附加權(quán)重計算單元、權(quán)重向量乘法單元、以及可分離足跡運算單元； 數(shù)據(jù)接口模塊；以及 用戶接口模塊， 由所述X射線掃描器所掃描的數(shù)據(jù)作為檢測器數(shù)據(jù)通過所述數(shù)據(jù)接口模塊被存儲至所述檢測器數(shù)據(jù)塊， 所述附加權(quán)重計算單元從所述參數(shù)數(shù)據(jù)塊獲取幾何參數(shù)，并根據(jù)該幾何參數(shù)計算附加權(quán)重向量， 所述通用處理器使用所述幾何參數(shù)控制投影/反投影角度循環(huán)， 所述權(quán)重向量乘法單元將所述檢測器數(shù)據(jù)與所述附加權(quán)重向量相乘，從而獲得改進(jìn)的檢測器值， 所述可分離足跡運算單元使用所述改進(jìn)的檢測器值執(zhí)行可分離足跡投影和反投影算法。
2.如權(quán)利要求1所述的CT圖像生成裝置，其特征在于， 所述X射線源和所述檢測器的距離隨投影與反投影角度發(fā)生變化時， 所述附加權(quán)重計算單元從所述參數(shù)數(shù)據(jù)塊獲取幾何參數(shù)，并計算投影/反投影角度循環(huán)中每個角度的與所述距離相關(guān)的附加權(quán)重向量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的CT圖像生成裝置，其特征在于， 在每個角度的所述附加權(quán)重向量由Ι/sin Θ獲得，其中，Θ表示所述檢測器和所述X射線源之間的角度。
4.如權(quán)利要求廣3中任一項所述的CT圖像生成裝置，其特征在于， 在反投影中，先對所述檢測器數(shù)據(jù)用所述附加權(quán)重進(jìn)行加權(quán)，然后再進(jìn)行可分離足跡反投影操作； 在投影中，先進(jìn)行可分離足跡投影操作，然后將投影得到的檢測器數(shù)據(jù)用附加權(quán)重進(jìn)行加權(quán)。
5.如權(quán)利要求1~4中任一項所述的CT圖像生成裝置，其特征在于， 所述幾何參數(shù)是所述X射線源和所述檢測器之間的距離、檢測器元件尺寸和檢測器中心位置。
6.一種CT圖像生成裝置的CT圖像生成方法，其特征在于， 所述CT圖像生成裝置具備: X射線掃描器，包括X射線源和檢測器，并檢測置于所述X射線源和所述檢測器之間的對象； 存儲模塊，包括檢測器數(shù)據(jù)塊、附加權(quán)重數(shù)據(jù)塊、參數(shù)數(shù)據(jù)塊、輸入/輸出結(jié)果圖像數(shù)據(jù)塊； 處理器模塊，包括:通用處理器、附加權(quán)重計算單元、權(quán)重向量乘法單元、以及可分離足跡運算單元； 數(shù)據(jù)接口模塊；以及 用戶接口模塊， 所述CT圖像生成方法包括: 由所述X射線掃描器所掃描的數(shù)據(jù)作為檢測器數(shù)據(jù)通過所述數(shù)據(jù)接口模塊被存儲至所述檢測器數(shù)據(jù)塊的步驟， 所述附加權(quán)重計算單元從所述參數(shù)數(shù)據(jù)塊獲取幾何參數(shù)，并根據(jù)該幾何參數(shù)計算附加權(quán)重向量的步驟， 所述通用處理器使用所述幾何參數(shù)控制投影/反投影角度循環(huán)的步驟， 所述權(quán)重向量乘法單元將所述檢測器數(shù)據(jù)與所述附加權(quán)重向量相乘，從而獲得改進(jìn)的檢測器值的步驟， 所述可分離足跡運算單元使用所述改進(jìn)的檢測器值執(zhí)行可分離足跡投影和反投影算法的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的CT圖像生成方法，其特征在于， 所述X射線源和所述檢測器的距離隨投影與反投影角度發(fā)生變化時， 所述附加權(quán)重計算單元從所述參數(shù)數(shù)據(jù)塊獲取幾何參數(shù)，并計算投影/反投影角度循環(huán)中每個角度的與所述距離相關(guān)的附加權(quán)重向量。
8.如權(quán)利要求6或7所述的CT圖像生成方法，其特征在于， 在每個角度的所述附加權(quán)重向量由Ι/sin Θ獲得，其中，Θ表示所述檢測器和所述X射線源之間的角度。
9.如權(quán)利要求6~8中任一項所述的CT圖像生成方法，其特征在于， 在反投影中，先對所述檢測器數(shù)據(jù)用所述附加權(quán)重進(jìn)行加權(quán)，然后再進(jìn)行可分離足跡反投影操作； 在投影中，先進(jìn)行可分離足跡投影操作，然后將投影得到的檢測器數(shù)據(jù)用附加權(quán)重進(jìn)行加權(quán)。
10.如權(quán)利要求6、中任一項所述的CT圖像生成方法，其特征在于， 所述幾何參數(shù)是所述X射線源和所述檢測器之間的距離、檢測器元件尺寸和檢測器中心位置。
【文檔編號】A61B6/03GK103976753SQ201310050641
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月8日
【發(fā)明者】盛興東 申請人:株式會社日立醫(yī)療器械