專利名稱：圖像的三維重建方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及圖像重建，尤其涉及體積式(volumetric)計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)圖像的重建方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
三維(3D)或錐形射束(CB)濾波背投影(FBP)用于多行CT掃描儀以提供體積式CT(VCT)掃描操作。在VCT掃描儀中使用3D背投影算法來利用映射過程重建圖像是公知的。例如，3D FBP可以用于從自圓形源軌跡獲取的錐形射束投影進(jìn)行圖像重建。利用基于像素的背投影，典型地執(zhí)行從重建像素的中心到探測(cè)器平面的映射過程。然而，在許多情況下，重建點(diǎn)未必在探測(cè)器行的中心。結(jié)果，在探測(cè)器各行上進(jìn)行插值。例如，確定背投影的值，其為幾個(gè)經(jīng)濾波的投影樣本(例如，來自四個(gè)相鄰探測(cè)器元件的四個(gè)經(jīng)濾波的投影樣本)的加權(quán)和。
因此，執(zhí)行插值的已知背投影過程使用幾個(gè)可以來自相鄰探測(cè)器行的探測(cè)器元件，從而從交叉位置計(jì)算背投影的值。從而使用估計(jì)值來重建圖像。該過程導(dǎo)致了較大的重建圖像片厚度，由此減小了空間分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)典型實(shí)施例中，提供了一種重建對(duì)象的圖像的方法。該方法包括接收來自掃描對(duì)象的成像設(shè)備的投影數(shù)據(jù)，識(shí)別對(duì)應(yīng)于一個(gè)投影射線共軛對(duì)的投影數(shù)據(jù)，和插值對(duì)應(yīng)于該投影射線共軛對(duì)的所述投影數(shù)據(jù)以重建被掃描對(duì)象的圖像。
在另一個(gè)典型實(shí)施例中，具有一個(gè)多行探測(cè)器的計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)成像設(shè)備被提供并且被配置成從對(duì)于對(duì)象的掃描獲取投影數(shù)據(jù)，識(shí)別對(duì)應(yīng)于一個(gè)投影射線共軛對(duì)的投影數(shù)據(jù)，和插值對(duì)應(yīng)于該投影射線共軛對(duì)的所述投影數(shù)據(jù)以重建被掃描對(duì)象的圖像。


圖1是表示依照本發(fā)明的各種實(shí)施例的CT成像設(shè)備的示意圖。
圖2是圖1所示的CT成像設(shè)備的功能框圖。
圖3是顯示了錐形射束-平行射束重組(rebinning)幾何結(jié)構(gòu)的圖示。
圖4顯示了非傾斜的平行射線的共軛樣本。
圖5顯示了傾斜的平行射線的共軛樣本。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)典型實(shí)施例的背投影過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面具體描述了用于重建對(duì)象圖像的系統(tǒng)和方法的各種典型實(shí)施例。這里所述的系統(tǒng)和方法的技術(shù)效果包括在插值期間使用多個(gè)投影束，從而為對(duì)象真實(shí)圖像的圖像重建提供改善的片靈敏度曲線(SSP)。
在一些已知的CT成像系統(tǒng)構(gòu)造中，X射線源投射扇形射束，該扇形射束被校準(zhǔn)從而位于笛卡爾坐標(biāo)系的X-Y平面內(nèi)，該平面通常被稱為“成像平面”。X射線束通過諸如患者的待成像對(duì)象。當(dāng)被該對(duì)象衰減后，該射束撞擊在輻射探測(cè)器的陣列上。在探測(cè)器陣列上接收到的經(jīng)衰減的射線束的強(qiáng)度取決于對(duì)象對(duì)X射線束的衰減。該陣列的每個(gè)探測(cè)器元件產(chǎn)生單獨(dú)的電信號(hào)，該電信號(hào)是對(duì)該探測(cè)器位置處的射束強(qiáng)度的測(cè)量值。來自所有探測(cè)器的強(qiáng)度測(cè)量值被單獨(dú)地獲取以產(chǎn)生傳輸曲線。
在第三代CT系統(tǒng)中，X射線源和探測(cè)器陣列隨臺(tái)架在成像平面中圍繞待成像的對(duì)象旋轉(zhuǎn)，從而X射線束與對(duì)象效的角度不斷地改變。在一個(gè)臺(tái)架角度下來自探測(cè)器陣列的一組X射線衰減測(cè)量值(即投影數(shù)據(jù))稱為“視圖”。對(duì)象的“掃描”包括在X射線源和探測(cè)器的一次旋轉(zhuǎn)期間在不同的臺(tái)架角度(或者視角)下得到的一組視圖。
在軸向掃描中，投影數(shù)據(jù)被處理以構(gòu)建對(duì)應(yīng)于通過對(duì)象獲取的二維片的圖像。從一組投影數(shù)據(jù)重建圖像的一個(gè)方法在本領(lǐng)域中稱為濾波背投影技術(shù)。該處理過程將來自掃描的衰減測(cè)量值轉(zhuǎn)換為稱為“CT數(shù)”或“Hounsfield單位”(HU)的整數(shù)，所述整數(shù)用于控制陰極射線管顯示器上對(duì)應(yīng)像素的亮度。
為了減小總掃描時(shí)間，可以進(jìn)行“螺旋”掃描。為了進(jìn)行“螺旋”掃描，當(dāng)獲取規(guī)定數(shù)量的片的數(shù)據(jù)時(shí)患者被移動(dòng)。該系統(tǒng)從扇形射束掃描產(chǎn)生單螺旋線。由扇形射束映射出的該螺旋線產(chǎn)生投影數(shù)據(jù)，可以從所述投影數(shù)據(jù)重建每個(gè)規(guī)定片中的圖像。
螺旋掃描的重建算法典型地使用螺旋加權(quán)算法，所述算法作為視角、檢測(cè)器行系數(shù)和檢測(cè)器通道系數(shù)的函數(shù)來加權(quán)所收集的數(shù)據(jù)。具體而言，在濾波背投影過程之前，根據(jù)螺旋加權(quán)因子來加權(quán)數(shù)據(jù)，該螺旋加權(quán)因子是臺(tái)架角度、檢測(cè)器行和檢測(cè)器角度的函數(shù)。加權(quán)后的投影然后被濾波和背投影以重建對(duì)應(yīng)于通過對(duì)象取得的二維片的圖像。
為了進(jìn)一步減小總獲取時(shí)間，多片CT已經(jīng)被提出。在多片CT中，一次同時(shí)獲取多行投影數(shù)據(jù)。當(dāng)與螺旋掃描模式組合時(shí)，該系統(tǒng)生成錐形射束投影數(shù)據(jù)的單螺旋線。類似于單片螺旋加權(quán)方案，可以衍生出一種方法，從而在濾波背投影算法之前將權(quán)重和投影數(shù)據(jù)相乘。
當(dāng)用于這里時(shí)，以單數(shù)形式敘述并且前面有“一個(gè)”一詞的元件或步驟應(yīng)當(dāng)被理解為不排除多個(gè)元件或步驟，除非這種排除被明確指出。而且，本發(fā)明的“一個(gè)實(shí)施例”并不意味著被理解為排除包含所述特征的另外實(shí)施例的存在。
同樣當(dāng)用于這里時(shí)，短語(yǔ)“重建圖像”并不意味著排除這樣的本發(fā)明的實(shí)施例，在所述實(shí)施例中生成表示圖像的數(shù)據(jù)而不產(chǎn)生可視的圖像。然而，許多實(shí)施例生成(或者被配置成生成)至少一個(gè)可視圖像。
參考圖1和2，例如計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)成像系統(tǒng)10的多片掃描成像系統(tǒng)被圖示為包括代表“第三代”CT成像系統(tǒng)的臺(tái)架12。臺(tái)架12具有X射線管14(這里也稱為X射線源14)，該X射線管朝著臺(tái)架12相對(duì)側(cè)上的探測(cè)器陣列18投射X射線束16。探測(cè)器陣列18由包括多個(gè)探測(cè)器元件20的多個(gè)探測(cè)器行(未示出)形成，所述探測(cè)器元件一起檢測(cè)通過對(duì)象的所投射的X射線，所述對(duì)象例如為在陣列18和源14之間的醫(yī)療患者22。每個(gè)探測(cè)器元件20產(chǎn)生電信號(hào)，該電信號(hào)表示碰撞X射線束的強(qiáng)度，因此能夠用于估計(jì)射束穿過對(duì)象或患者22時(shí)的衰減。在通過掃描來獲取X射線投影數(shù)據(jù)時(shí)，臺(tái)架12和安裝在其中的部件圍繞旋轉(zhuǎn)中心24旋轉(zhuǎn)。圖2僅僅顯示了單行的檢測(cè)器元件20(即一個(gè)檢測(cè)器行)。然而，多片檢測(cè)器陣列18包括多個(gè)平行的探測(cè)器元件20的探測(cè)器行，從而在一次掃描期間能夠同時(shí)獲取對(duì)應(yīng)于多個(gè)準(zhǔn)平行或平行片的投影數(shù)據(jù)。
臺(tái)架12上部件的旋轉(zhuǎn)和X射線源14的操作由CT成像系統(tǒng)10的控制機(jī)構(gòu)26支配。控制機(jī)構(gòu)26包括為X射線源14提供電力和定時(shí)信號(hào)的X射線控制器28，以及控制臺(tái)架12上的部件的旋轉(zhuǎn)速度和位置的臺(tái)架馬達(dá)控制器30。控制機(jī)構(gòu)26中的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DAS)32采樣來自探測(cè)器元件20的模擬數(shù)據(jù)并且將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用于隨后處理的數(shù)字信號(hào)。圖像重建器34接收來自DAS 32的經(jīng)采樣和數(shù)字化的X射線數(shù)據(jù)并執(zhí)行高速圖像重建。重建的圖像被作為輸入施加到計(jì)算機(jī)36，該計(jì)算機(jī)在存儲(chǔ)設(shè)備38中存儲(chǔ)該圖像。圖像重建器34可以是專門的硬件或在計(jì)算機(jī)36上執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序。
計(jì)算機(jī)36也通過具有鍵盤的控制臺(tái)40接收來自操作者的命令和掃描參數(shù)。相關(guān)的陰極射線管顯示器42(或任何其它合適的顯示設(shè)備)允許操作者觀察來自計(jì)算機(jī)36的重建圖像和其它數(shù)據(jù)。操作者提供的命令和參數(shù)被計(jì)算機(jī)36使用，從而為DAS 32、X射線控制器28和臺(tái)架馬達(dá)控制器30提供控制信號(hào)和信息。另外，計(jì)算機(jī)36操作床臺(tái)馬達(dá)控制器44，該床臺(tái)馬達(dá)控制器控制機(jī)動(dòng)化的床臺(tái)46以在臺(tái)架12中定位患者22。特別地，床臺(tái)46將患者22的一部分移動(dòng)通過臺(tái)架開口48。
在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)36包括指令獲得設(shè)備50，例如軟盤驅(qū)動(dòng)器、CD-ROM驅(qū)動(dòng)器、DVD驅(qū)動(dòng)器、磁光盤(MOD)設(shè)備或者其它任何包括諸如以太網(wǎng)設(shè)備這樣的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的數(shù)字設(shè)備。指令獲得設(shè)備50被提供用于讀取來自計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)52的指令和/或數(shù)據(jù)，所述計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)例如為在其上帶有計(jì)算機(jī)可讀程序的軟盤、CD-ROM或者DVD。所述程序在一些實(shí)施例中被設(shè)置成指示計(jì)算機(jī)(例如計(jì)算機(jī)36)執(zhí)行這里所述的功能和/或?qū)⑿盘?hào)發(fā)送到其它設(shè)備以執(zhí)行一些或所有所述功能。在一些實(shí)施例中，指令獲得設(shè)備50從另一個(gè)數(shù)字源(例如網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)，或者尚待開發(fā)的數(shù)字裝置)獲得程序指令。在另一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)36執(zhí)行存儲(chǔ)在固件(未示出)中的指令。計(jì)算機(jī)36被編程以執(zhí)行這里所述的功能和/或?qū)⑿盘?hào)發(fā)送到其它設(shè)備以執(zhí)行一些或所有所述功能。當(dāng)在這里使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)”并不局限于在本領(lǐng)域中被稱為計(jì)算機(jī)的集成電路，而是廣義地表示計(jì)算機(jī)、處理器、微控制器、微型計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器、特定用途集成電路和其它可編程電路，在這里這些術(shù)語(yǔ)可互換地使用。盡管上述的特定實(shí)施例涉及第三代CT系統(tǒng)，但這里所述的方法同樣地適用于第四代CT系統(tǒng)(固定探測(cè)器-旋轉(zhuǎn)X射線源)和第五代CT系統(tǒng)(固定探測(cè)器和X射線源)。另外，可以預(yù)見，本發(fā)明的各種實(shí)施例的益處可用于不同于CT的成像模式。另外，盡管這里所述的方法和系統(tǒng)是在醫(yī)療應(yīng)用中描述的，但是可以預(yù)見，本發(fā)明的各種實(shí)施例的益處可用于非醫(yī)療成像系統(tǒng)，例如典型地用于工業(yè)應(yīng)用或者交通應(yīng)用的那些系統(tǒng)，例如(但不局限于)用于機(jī)場(chǎng)或其它交通中心的行李掃描系統(tǒng)。
當(dāng)CT成像系統(tǒng)10用作體積式CT掃描儀時(shí)，體積式CT掃描儀中的螺旋源軌跡和投影數(shù)據(jù)獲取的透視幾何結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中(x，y，z)表示用于圓柱形多行CT探測(cè)器陣列18的局部坐標(biāo)系。具體而言，在使用CT成像系統(tǒng)10進(jìn)行重建的過程期間，首先執(zhí)行已知的錐形射束到平行射束的重組。該重組過程之后，初始扇形射束采樣被轉(zhuǎn)換為傾斜的平行幾何結(jié)構(gòu)，如圖3所示。應(yīng)當(dāng)注意在該構(gòu)造中，在單個(gè)視圖中的所有樣本具有相同的投影角度，盡管它們可以具有不同的傾斜角度。因此，提供了源軌跡70的錐形射束-平行射束重組幾何結(jié)構(gòu)(在圖中顯示為虛線)，如圖3所示。
作為重組過程的結(jié)果，一個(gè)投影中的每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)于另一個(gè)投影中的共軛樣本。這是由于在相同視圖中的所有樣本具有相同的視角。因此，對(duì)于彼此相差180°的兩個(gè)視角(其在這里被稱為共軛對(duì))，如果不考慮z的差別，每對(duì)樣本對(duì)應(yīng)于相同的投影或射線路徑。應(yīng)當(dāng)注意，在非傾斜情況下，如圖4所示，非傾斜的平行投影或射線72的兩個(gè)樣本形成用于沿水平線的每個(gè)重建位置的共軛樣本。在傾斜錐形射束的情況下，如圖5所示，由傾斜投影限定的共軛采樣對(duì)隨著重建像素位置而改變。具體而言，在圖5中，實(shí)線表示當(dāng)前的感興趣視圖。特別地，探測(cè)器76表示在該感興趣視圖的探測(cè)器位置，射線80表示用于相同視圖的其中一個(gè)背投影射線。虛線表示共軛的感興趣視圖。這些共軛視圖與感興趣視圖相差180度。探測(cè)器86和射線72、74顯示了探測(cè)器位置和共軛視圖的其中兩個(gè)背投影射線。應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于每個(gè)重建像素，存在唯一的一對(duì)共軛樣本。例如，對(duì)于重建像素80，在該位置交叉的射線對(duì)為78和74。用于重建像素82的射線對(duì)是射線78和72。
本發(fā)明的各種實(shí)施例提供了圖6所示的背投影過程100。如圖中所示，在步驟102中，共軛樣本在逐像素的基礎(chǔ)上被識(shí)別。具體而言，相差180°(即共軛對(duì))的其中兩個(gè)投影或射線(例如，圖5所示的由所投影的X射線限定的射線對(duì)74)同時(shí)被識(shí)別和檢查以獲得與之對(duì)應(yīng)的投影數(shù)據(jù)。更特別地，計(jì)算兩個(gè)交叉。第一個(gè)與傳統(tǒng)的反投影相同。第二個(gè)為經(jīng)過相同重建像素(和對(duì)應(yīng)的源位置)的射線與在和當(dāng)前視圖相差180度的投影角度下的探測(cè)器的交叉。使用來自上面兩個(gè)視圖的投影樣本來進(jìn)行最后的插值。下面將詳細(xì)描述樣本和插值系數(shù)的選擇。
之后，在步驟104中，定義共軛對(duì)中的投影或射線。具體而言，p(γ，β，q)和p(-γ，β+π，q′)表示對(duì)應(yīng)于兩個(gè)射線的投影樣本，這兩個(gè)射線例如為形成穿過重建像素(x，y，z)并且與兩個(gè)探測(cè)器元件76和86(如圖5所示)交叉的射線對(duì)78和74(如圖5所示)的兩個(gè)射線。應(yīng)當(dāng)注意，兩個(gè)射線的投影角度相差180度。應(yīng)當(dāng)注意，q定義例如探測(cè)器陣列18(如圖3所示)中的探測(cè)器行的非絕對(duì)距離(例如以毫米(mm)計(jì))，γ定義探測(cè)器角度，β定義投影角度。進(jìn)一步地，i和i′分別表示q和q′的整數(shù)部分，Δ和Δ′分別表示q和q′的分?jǐn)?shù)部分。應(yīng)當(dāng)注意q的值大于零。
僅僅作為舉例，現(xiàn)在將描述重建像素80(如圖5所示)的背投影。然而，應(yīng)當(dāng)注意，該過程適用于任何像素。在步驟106中，計(jì)算交叉。具體而言，基于已知的源和探測(cè)器位置(例如如圖3所示)計(jì)算射線78(如圖5所示)(與重建像素80交叉)與探測(cè)器76的交叉。接著，計(jì)算射線74(與相同的重建像素80交叉)與探測(cè)器86的交叉。實(shí)質(zhì)上，對(duì)于每個(gè)體元(voxel)位置，計(jì)算兩個(gè)交點(diǎn)。特別地，為射線78及其共軛射線計(jì)算分?jǐn)?shù)部分(Δ和Δ′)和整數(shù)部分(i和i′)。具體而言，在步驟108中由下述方程計(jì)算像素(x，y，z)的背投影值1-Δ′1-Δ′+Δp(γ,β,i)+Δ1-Δ′+Δp(-γ,β+π,i′+1),Δ≤Δ′(1)Δ1-Δ′+Δp(γ,β,i+1)+1-Δ′1-Δ′+Δp(-γ,β+π,i′),Δ>Δ′(2)]]>應(yīng)當(dāng)注意，盡管使用了線性插值，但是各種實(shí)施例并不局限于此。例如，可以按照期望或需要進(jìn)行拉格朗日插值和其它形式的插值。
然后，在110，為所有投影視圖累計(jì)或合計(jì)背投影值以確定重建圖像的最終強(qiáng)度。
本發(fā)明的各種實(shí)施例為使用兩個(gè)投影或射線(尤其是共軛射線對(duì))的背投影圖像處理提供插值。各種實(shí)施例提供了改善的片靈敏度曲線(SSP)同時(shí)不會(huì)引入另外的偽像。
盡管根據(jù)各種特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明可以在權(quán)利要求精神和范圍內(nèi)進(jìn)行改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種重建對(duì)象圖像的方法(100)，所述方法包括接收來自掃描對(duì)象的成像設(shè)備的投影數(shù)據(jù)；識(shí)別(102)對(duì)應(yīng)于一個(gè)投影射線共軛對(duì)的投影數(shù)據(jù)；和插值(104，106，108)對(duì)應(yīng)于該投影射線共軛對(duì)的所述投影數(shù)據(jù)以重建被掃描對(duì)象的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100)，其中所述成像設(shè)備為計(jì)算機(jī)斷層攝影成像設(shè)備(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100)，其中所述插值包括確定所述投影數(shù)據(jù)的整數(shù)部分和分?jǐn)?shù)部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法(100)，其中為對(duì)應(yīng)于所述共軛對(duì)中的每個(gè)投影射線的投影數(shù)據(jù)和為源投影射線確定整數(shù)部分和分?jǐn)?shù)部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法(100)，進(jìn)一步包括比較共軛射線的分?jǐn)?shù)部分以確定要進(jìn)行插值的投影射線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100)，其中所述共軛對(duì)由兩個(gè)關(guān)于投影角相差180度的投影射線定義。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100)，其中識(shí)別對(duì)應(yīng)于一個(gè)共軛對(duì)的投影數(shù)據(jù)包括在逐像素的基礎(chǔ)上確定投影數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100)，其中所述插值包括根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算1-Δ′1-Δ′+Δp(γ,β,i)+Δ1-Δ′+Δp(-γ,β+π,i′+1),Δ≤Δ′(1)Δ1-Δ′+Δp(γ,β,i+1)+Δ1-Δ′+Δp(-γ,β+π,i′),Δ>Δ′(2)]]>其中q定義探測(cè)器行，γ定義探測(cè)器角度，β定義投影角度，i和i′表示q和q′的整數(shù)部分，Δ和Δ′表示q和q′的分?jǐn)?shù)部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100)，其中為所述共軛對(duì)中的每個(gè)投影射線進(jìn)行所述插值。
10.一種具有一個(gè)多行探測(cè)器的計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)成像設(shè)備，所述成像設(shè)備被配置成從對(duì)象的掃描獲取投影數(shù)據(jù)；識(shí)別對(duì)應(yīng)于一個(gè)投影射線共軛對(duì)的投影數(shù)據(jù)；和插值對(duì)應(yīng)于所述投影射線共軛對(duì)的所述投影數(shù)據(jù)以重建被掃描對(duì)象的圖像。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種圖像的三維重建方法(100)和系統(tǒng)。該方法包括接收來自掃描對(duì)象的成像設(shè)備的投影數(shù)據(jù)，識(shí)別(102)對(duì)應(yīng)于一個(gè)投影射線共軛對(duì)的投影數(shù)據(jù)，和插值(104，106，108)對(duì)應(yīng)于所述投影射線共軛對(duì)的所述投影數(shù)據(jù)以重建被掃描對(duì)象的圖像。
文檔編號(hào)G06T11/00GK1722178SQ20051009228
公開日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者J·希, X·唐 申請(qǐng)人:通用電氣公司