專利名稱：使用三維背景投射的計算機斷層掃描裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種計算機斷層掃描(computed tomograph)方法，其中沿著圓形軌跡通過扇形輻射束輻射檢查區(qū)域，并且其中探測器單元探測初級輻射和檢查區(qū)域中相干散射的輻射。本發(fā)明也涉及一種用于實現(xiàn)這種方法的計算機斷層掃描裝置、以及一種用于控制計算機斷層掃描裝置的計算機程序。
背景技術：
在已提出的各種已知方法中，通過探測器單元測量探測區(qū)域中相干散射的輻射；然后從所述測量值重構檢查區(qū)域中散射強度的空間中的變化。一般通過基于代數(shù)重構技術(ART)的迭代方法實現(xiàn)重構，其中整個輻射檢查區(qū)域的重構是必需的。檢查區(qū)域的部分重構是不可能的。此外，迭代方法需要大量的計算工作，并因此導致相對長的重構時間?？商娲椒òɑ诒尘巴渡?back projection)的兩維重構技術；在這些技術中，在檢查區(qū)域和探測器單元之間存在或被假想這種大的距離，探測器單元上散射線的入射點和散射角之間存在明確的關系。然而，在醫(yī)學應用中不能理解這種幾何圖形，從而使兩維背景投射只產(chǎn)生不精確的結果。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的一個目標是提供一種能實現(xiàn)在檢查區(qū)域中散射強度分布的快速重構、同時考慮醫(yī)學應用中的實際幾何圖形的方法、計算機斷層掃描裝置以及計算機程序。
對于該方法，通過包括以下步驟的計算機斷層掃描方法實現(xiàn)依據(jù)本發(fā)明的該目的-利用輻射源和設置于檢查區(qū)域和輻射源之間的隔板設置，產(chǎn)生橫向穿過檢查區(qū)域或存在于其中的目標的扇形射束；-在一側上的輻射源和另一側上的檢查區(qū)域或目標之間，產(chǎn)生包括圍繞旋轉軸的旋轉的相對運動；-通過在相對運動過程中探測器單元探測來自扇形射束的初級輻射和檢查區(qū)域中或目標上相干散射的輻射，獲得取決于輻射強度的測量值；-根據(jù)測量值重構檢查區(qū)域的CT圖像，在該重構過程中，在由旋轉面的兩個線性獨立矢量和波矢量轉移(wave vector transfer)所限定的空間(volume)中實施背景投射。
散射強度不僅取決于材料，而且取決于輻射的散射角和波長。盡管由于已知波矢量轉移與逆波長和散射角一半的正弦的乘積成比例，然而在由旋轉面的兩個線性獨立矢量和波矢量轉移所限定的空間中的背景投射的優(yōu)點在于，用參數(shù)表示的散射強度唯一地取決于散射材料。在上下文中，散射角是被相對于沒有散射處理時射線遵循的路徑的散射線的路徑包圍的角度。
散射線在所述空間(volume)中具有彎曲形狀。對依據(jù)權利要求2的背景投射，考慮散射線的彎曲形狀，提高了重構散射強度分布的品質。
依據(jù)在權利要求3中公開的優(yōu)選重構方法，在背景投射之前加權測量值。這種加權考慮當散射角增大時探測器表面的效率減小、以及當探測器單元上的散射線的入射點和散射中心之間的距離增大時輻射強度減小的事實。有效的探測器表面是投射在垂直于探測射線的路徑的平面中的探測器表面。權利要求4中的加權考慮當輻射源和散射中心之間距離增大時輻射強度減小的事實。當考慮這種效應時，提高了重構散射強度分布的品質。
權利要求5說明了優(yōu)選重構方法，相比于其它方法，其需要較少的計算工作，并仍然提供了良好的成像品質。
在權利要求6中公開了用于實施依據(jù)本發(fā)明的方法的計算機斷層掃描裝置。
權利要求7限定了用于控制如權利要求6所述的計算機斷層掃描裝置的計算機程序。


下面基于具體實施例并參照附圖詳細說明本發(fā)明。其中圖1示出了適用于實施依據(jù)本發(fā)明的方法的計算機斷層掃描裝置；圖2是在旋轉軸的方向上圖1的計算機斷層掃描裝置的示意性橫截面圖；圖3示出了依據(jù)本發(fā)明的方法的方案的流程圖；圖4是一列探測器元件的平面圖；圖5是虛擬輻射源的設置的示意性表示；圖6示出了穿過虛擬輻射源的射線的橫截面；圖7是被輻射的檢查區(qū)域和在旋轉面的方向上探測器的示意性橫截面圖；圖8圖解說明了檢查區(qū)域中的散射中心和探測器的底部之間的距離上的波矢量轉移的量的相關性(探測器單元上初級射束的入射點)。
具體實施例方式
在圖1中示出的計算機斷層掃描裝置包括臺架1，其能夠圍繞旋轉軸14旋轉。為此，由電動機2以優(yōu)選恒定、但可調節(jié)的角速度驅動臺架1。在臺架1上裝配輻射源S，例如X射線源。隔板設置31限定了輻射扇形射束41，其用于檢查并由圖1中的實線表示。扇形射束41垂直于旋轉軸14延伸，并具有其方向上的小的尺寸，例如1mm。在隔板設置31和輻射源S之間可以設置第二隔板裝置32，其形成來自由X-射線源S所產(chǎn)生的輻射的錐形輻射束42。由虛線表示在沒有隔板設置31時會出現(xiàn)的錐形輻射束42。
扇形射束41橫向穿過圓柱形檢查區(qū)域13，目標、例如病床上的病人(都沒有示出)或工藝目標可被設置在其中。在橫向穿過檢查區(qū)域13之后，扇形射束41入射至探測器單元16上，該探測器單元16連接至臺架1并包括具有以矩陣形式設置的多個探測器元件的測量面17。以行和列設置探測器元件。探測器列平行于旋轉軸14延伸。探測器行被設置在垂直于旋轉軸延伸的平面中，即，優(yōu)選在圍繞輻射源S的圓周的弧線上。盡管它們也可以具有不同的形狀，例如圍繞旋轉軸的圓周的弧線的形狀，或是直線的。然而一般來說，探測器行包括基本上比探測器列(例如16)更多的探測器元件(例如1000)。
扇形射束41、檢查區(qū)域13和探測器單元16彼此適合。在垂直于旋轉軸14的平面中，選擇扇形射束41的尺寸，以使檢查區(qū)域13被完全輻射，并選擇探測器單元16的行的長度以便徹底探測扇形射束41。扇形射束入射至中心探測器行(行)上。
當考慮取代病人的工藝目標時，在檢查過程中目標被旋轉而輻射源S和探測器單元16保持靜止。通過電動機5可以平行于旋轉軸14移動檢查區(qū)域13、或目標或病床。作為等同，從而也可以在該方向上移位臺架。
當電動機2和5同時工作，輻射源S和探測器單元16描述了相對于檢查區(qū)域13的螺旋形軌跡。盡管用于沿旋轉軸14的方向上的移動的電動機5是靜止的，并且電動機2旋轉臺架時，但是獲得用于旋轉輻射源S和探測器單元16的圓形軌跡。下文中僅考慮圓形軌跡。
圖2示出了在檢查區(qū)域13和探測器單元16之間設置的包括多個葉片60的準直儀裝置6。葉片60由強烈吸收X-射線的材料組成，并位于平行旋轉軸14延伸的平面中，并在輻射源S的焦點處彼此交叉。它們的間隔可以等于例如1cm，并且每一葉片60可以具有在附圖的平面中例如20cm的尺寸。準直儀裝置6這樣將扇形射束41再分成多個鄰近的段，從而實質上僅通過來自一段的初級輻射或散射輻射沖擊探測器元件的列。
將通過探測器單元16獲得的測量值施加至與探測器單元16連接的圖像處理計算機10，例如，通過無線數(shù)據(jù)發(fā)射。圖像處理計算機10重構檢查區(qū)域13中的散射強度分布，并對其再生，例如在監(jiān)視器11上?？刂茊卧?控制兩個電動機2和5、圖像處理計算機10、輻射源S以及從探測器單元16至圖像處理計算機10的測量值的轉移。
在其它的實施例中，可將獲得的測量值首先施加至一個或多個用于重構的重構計算機，重構計算機施加重構數(shù)據(jù)至圖像數(shù)據(jù)計算機，例如，通過光導纖維電纜。
圖3示出了說明通過在圖1中示出的計算機斷層掃描裝置可以實現(xiàn)的一種測量和重構方法的執(zhí)行的流程圖。
在步驟101中初始化之后，臺架以恒定的角速度旋轉。在步驟103中，接通輻射源S的輻射，以使探測器單元16能夠探測來自多個角位置的初級輻射和散射輻射。在每一探測器列的中心處的探測器元件或元件實質上探測初級輻射，然而也由在更臨近列端設置的探測器元件探測散射輻射(次級輻射)。
在圖4中圖解表示了前述內容，圖4是探測器元件的列的平面圖。由簡單的單陰影表示的探測散射輻射的探測器元件161，而通過交叉標記位于中心處并探測初級輻射的探測器元件160。在其它的輻射源中，特別是在具有大焦點的輻射源中，通過多于一個的探測器也可以探測初級輻射。由于輻射源的焦點的有限尺寸，設置在中心探測器元件兩側的被散射輻射源沖擊的探測器元件，而且也可被一定量(減少的)初級輻射沖擊的探測器元件(臨近160的白色元件)。在該實施例中，認為散射輻射是在附圖中通過陰影表示的探測器元件所測量的輻射。
散射強度尤其取決于散射X-射線量子(X-ray quantum)的能量。因此，必須測量散射X-射線量子的能量，這意味著探測器元件將能夠以分辨能量的方式測量，或散射X-射線必須由具有來自盡可能小的范圍(在理想情況中的單色射線)的量子能的X-射線組成。存在用于相對于它們的能量最小化X-射線量子的能量差的各種可能性-使用適合的過濾材料，例如初級射束中的銅。結果，由X-射線源產(chǎn)生的軟X-射線(即具有低量子能的X-射線)被高度抑制。
-另外，使用選擇的濾波器可以優(yōu)化X-射線管的電壓。
-最后可以施加所謂的“平衡濾波器”技術。依據(jù)該技術，兩次獲得數(shù)據(jù)，并然后每次在射束路徑中設置具有稍微不同原子數(shù)和其K邊沿被用于濾波的濾波器。隨后，析取來自兩次測量的差信號。
在步驟105中，規(guī)格化散射輻射的測量值。然后用已經(jīng)引起散射線的那些初級射線的測量值除以散射輻射的每一輻射源位置的測量值。
在步驟107中，測量值取決于再分級(rebinning)操作。每一測量值然后與一條從其中已經(jīng)探測測量值的探測器元件至輻射源位置的線相關。這樣，假定假象的射線，錐形輻射束42已經(jīng)引起測量值，而沒有散射射線。由于再分級(rebinning)操作，再分組測量值，就好像通過不同的輻射源(能夠發(fā)射相互平行的扇形射束的圓形輻射源)和不同的探測器(平面、矩形虛擬探測器)已經(jīng)測量它們一樣。
現(xiàn)在參照圖5詳細說明。其中，參考數(shù)字17表示圓形軌跡，輻射源沿著該圓形軌跡輻射檢查區(qū)域。參照數(shù)字413表示扇形輻射射束，其從輻射源位置S0發(fā)出，并且它的射線在包括旋轉軸14的平面中傳播?？梢约俣ㄍㄟ^位置S0中的輻射源發(fā)射的錐形輻射束由位于與旋轉軸14平行的平面中的多個平面扇形射束組成，旋轉軸14與輻射源位置相交。圖5僅示出了這些扇形射束的單個，即扇形射束413。
此外，圖5也進一步示出了平行于扇形射束413延伸并位于彼此平行且平行于旋轉軸14的平面中的扇形射束411、412和414、415。在分別到達輻射源位置S0之前和之后，相關的輻射源位置S-2、S-1和S1、和S2被輻射源S占據(jù)。扇形射束411至415中的全部射線依據(jù)相同的投射角度。投射角度是由扇形射束的平面相對于平行于旋轉軸14的參考表面而圍繞的角度。
扇形射束411至415限定具有類似帳篷形狀的輻射束410。圖5和6示出了截面區(qū)域420，該區(qū)域是當輻射源410被包括旋轉軸14并垂直于扇形射束411至415的平面延伸的平面橫向穿過時獲得的。與旋轉軸相交的截面區(qū)域420的兩個邊緣是彎曲的。該曲率是由于在中心處的輻射源位置(例如S0)的輻射源位置比在邊緣處的那些輻射源位置(例如S2或S-2)，距離截面更遠、并且扇形射束全部具有相同孔徑角度。因此，對于每一組扇形射束，在平面截面區(qū)域420中限定矩形虛擬探測器170，由平面截面區(qū)域中的外部扇形射束411和415的尺寸給出所述虛擬探測器的邊緣171和172。
圖6也示出了包括在扇形射束411...415中、穿過所述虛擬探測器的一些射線的穿孔點(通過園點標記)。最后，十字形標記規(guī)則笛卡爾柵格的支撐點。穿孔點和支撐點一般不重合。因此，根據(jù)用于穿孔點的測量值，不得不確定在虛擬探測器170中等距支撐點處的測量值。在DE19845133A1中詳細說明了這種再分級(rebinning)，在此說明作為參考。
在步驟109中，如通過再分級產(chǎn)生的散射線的測量值接受一維濾波，該一維濾波具有一個作為空間頻率的函數(shù)而類似斜面增大的因數(shù)。為此，每次在平行于旋轉面的方向上都考慮連續(xù)值，即，沿著虛擬探測器的行。對于全部投射角度，沿著虛擬檢測探測器的每一行執(zhí)行濾波。
在另一實施例中，也可以省略再分級。已知在這種情況下，由于探測器單元是彎曲的，必須改變?yōu)V波，例如以圍繞輻射源或圍繞旋轉軸的弧線的形式。
濾波測量值隨后被用于在檢查區(qū)域中通過背景投射的散射強度分布的重構。
在一個由矢量 和 限定的空間中實施背景投射，單一矢量 和 位于旋轉面中并被分別水平和垂直地定向，而波矢量轉移 被平行于旋轉軸定向。在另一實施例中，可以使用旋轉面的兩個其它、線性獨立矢量取代矢量 和 如已經(jīng)說明的，波矢量轉移 的量正比于散射X-射線量子的逆波長λ和散射角Θ的一半的正弦的乘積q＝(1/λ)sin(Θ/2)(1)基于通過扇形射束41輻射的檢查區(qū)域15和在圖7示出中的探測器單元16的安排可以確定散射角Θ。與基于背景投射的已知兩維方法相反，該圖考慮醫(yī)學應用中的真實幾何學。對于一個或每個探測器元件Di，這給出了依據(jù)下面的等式計算的不同的散射角ΘΘ＝arctan(a/d) (2)其中，d表示散射中心Si的距離，a表示探測器元件Di和探測器的底部12之間的距離。
探測器元件Di探測在通過扇形射束41輻射的檢查區(qū)域15中已經(jīng)以角度Θ1＜Θ＜Θ2散射的射線。
根據(jù)上面的兩個等式，下面獲得用于小的角度Θ的方程q≈a/(2dλ) (3)波矢量轉移 的值的變化取決于散射中心和探測器的底部之間的距離d，具有雙曲線的形狀，并因此不是線性的(如圖8所示)。它同樣遵循，在(x、y、q)空間中的散射線的原始線性路徑是彎曲。然后沿著以雙曲線形式彎曲的射線發(fā)生背景投射。
在步驟111中，在可選擇(x，y)的區(qū)域(視場或FOV)中和在由計算機斷層掃描裝置的幾何圖形產(chǎn)生的波矢量轉移 的值的范圍中確定三維象素V(x、y、q)。
在步驟113中，以對應于散射角的余弦的倒數(shù)的權重因數(shù)乘以濾波值。這樣考慮了隨逐漸增大的散射角而逐漸減小的有效探測器表面。當所述角度是小的，角度的余弦實際上常常為1，從而可以無需加權。此外，考慮到當散射中心(即，三維象素V(x、y、q))與測量面上散射線的入射點之間的距離增大時輻射強度減小，通過以一個和散射中心與測量面上散射線的入射點之間的距離的平方相對應的權重因數(shù)乘以用于每一輻射源位置的全部測量值，在散射中心，與測量值相關的射線被散射。
在其它方案中省略再分級，通過加權因數(shù)對濾波的測量值進行附加相乘是必需；該因數(shù)等于輻射源位置和散射中心之間的距離的平方的倒數(shù)，在散射中心，所探測的射線被散射。
在步驟115中的在背景投射過程中，考慮通過三維象素V(x、y、q)的全部彎曲射線。假如沒有一條來自輻射源位置的射線將準確地通過三維象素的中心，必須通過臨近射線的測量值的插入來確定相關值。在三維象素V(x、y、q)上累加與通過三維象素的射線相關的測量值或通過插入獲得的測量值。在累加了所有輻射源位置對于相關三維象素的作用之后，在步驟107中檢查是否已經(jīng)處理了被重構的(x、y、q)區(qū)域中的全部三維象素。如果否，流程分支至步驟111。否則已經(jīng)對于FOV中的所有三維像素確定了散射強度分布，并終止重構方法(步驟119)。
在其它方案中，在由旋轉面的兩個線性獨立矢量和波矢量轉移所限定的空間中的背景投射可以沿著直射線執(zhí)行類似的處理。
權利要求
1.一種計算機斷層掃描方法，包括步驟a)利用輻射源(S)和設置于檢查區(qū)域(13)和輻射源(S)之間的隔板設置(31)，產(chǎn)生橫向穿過檢查區(qū)域(13)或存在于其中的目標的扇形射束(41)；b)在一側上的輻射源(S)和另一側上的檢查區(qū)域(13)或目標之間，產(chǎn)生包括圍繞旋轉軸(14)的旋轉的相對運動；c)使用探測器單元(16)獲得取決于輻射強度的測量值，在相對運動過程中，該探測器單元探測來自扇形射束(41)的初級輻射和在檢查區(qū)域(13)中或目標上相干散射的輻射，；d)根據(jù)測量值重構檢查區(qū)域(13)的CT圖像，在重構過程中，在由旋轉面的兩個線性獨立矢量和波矢量轉移所限定的空間中實施重構背景投射。
2.如權利要求1所述的計算機斷層掃描方法，其中在重構步驟d)過程中，沿著具有彎曲形狀的射線實施背景投射。
3.如權利要求1所述的計算機斷層掃描方法，其中在重構步驟d)中的背景投射之前，測量值被乘于以和散射中心與探測器單元上的散射線的入射點之間距離的平方相對應的權重因數(shù)，在散射中心，探測到的射線被散射，并以對應于散射角的余弦的倒數(shù)的第二權重因數(shù)乘以測量值。
4.如權利要求3所述的計算機斷層掃描方法，其中在重構步驟d)中的背景投射之前，以對應于輻射源和散射中心之間距離的平方的倒數(shù)的權重因數(shù)乘以用于每一輻射源位置的全部測量值，在散射中心，探測到的射線被散射。
5.如權利要求1所述的計算機斷層掃描方法，其中重構步驟d)包括下面的步驟-在平行于旋轉面的方向上測量值的一維濾波；-再分級測量值，從而形成多個組，由探測器元件測量的測量值與從探測器元件至輻射源位置的線相關，并且每一組包括彼此平行且平行于旋轉軸、并且其中存在各自的線扇形(411…415)的多個平面；-從測量值重構散射強度的分布，然后在通過旋轉面的兩個線性獨立矢量和波矢量轉移所限定的空間中實施背景投射。
6.用于實現(xiàn)如權利要求1所述方法的計算機斷層掃描裝置，其包括-輻射源(S)和設置于檢查區(qū)域(13)和輻射源(S)之間的隔板設置(31)，從而產(chǎn)生橫向穿過檢查區(qū)域(13)或在那里存在的目標的扇形射束(41)，探測器單元耦合至輻射源(S)，并包括測量面(17)；-驅動裝置(2、5)，其用于圍繞旋轉軸(14)和/或平行于旋轉軸(14)彼此相對地移位輻射源(S)和存在于檢查區(qū)域(13)內的目標；-重構單元(10)，其用于從通過探測器單元(16)獲得的測量值，重構檢查區(qū)域中散射強度的分布；-控制單元(7)，其用于依據(jù)權利要求1的步驟a)至d)控制輻射源(S)、探測器單元(16)、驅動設置(2、5)和重構單元(10)。
7.一種用于控制單元(7)的計算機程序，用于控制計算機斷層掃描裝置的輻射源(S)、隔板設置(31)、探測器單元(16)、驅動設置(2、5)和重構單元(10)，從而實現(xiàn)權利要求1的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種計算機斷層掃描方法，其中沿著圓形軌跡由扇形輻射束輻射檢查區(qū)域。由探測器單元測量檢查區(qū)域中相干散射的輻射，根據(jù)所述測量值重構檢查區(qū)域中的散射強度在空間中的變化。通過在由旋轉面的兩個線性獨立矢量和波矢量轉移所限定的空間中的背景投射來實現(xiàn)重構。
文檔編號G06T11/00GK1711561SQ200380102947
公開日2005年12月21日 申請日期2003年10月24日 優(yōu)先權日2002年11月11日
發(fā)明者J·-P·施洛姆卡, M·格拉布 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司