減少分體積圖像贗像的方法及裝置的製作方法
2023-10-04 07:56:49 2
專利名稱：減少分體積圖像贗像的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明總的來說，涉及計算機層析X射線攝影(CT)成像，尤其涉及減少由掃描數據而再現的圖像的分體積贗像。
在至少一個已知的CT系統配置中，X射線源射出一束扇形光束，該扇形光束經校準後落在一個直角坐標系的X-Y平面內，此平面通常被稱作「成像平面」。X射線光束穿過被成像對象，如一個病人。光束經被成像對象衰減後，射到一個輻射探測器陣列上。該探測器陣列接收到的、經過衰減的光束輻射強度取決於被成像對象對X射線的衰減量。該陣列的每個探測器元件都會產生一個不同的電信號，每個電信號即是該探測器位置處光束衰減量的測量結果。分別採集來自所有探測器的衰減量測量結果可產生一個發射分布圖。
在已知的第三代CT系統中，X射線源和探測器陣列與一個機架一起，在成像平面內並繞被成像對象旋轉，因此X射線束穿過成像對象的角度恆定地變化。一組X射線衰減量測量值，即在某一機架角度時，來自探測器陣列的投影數據被稱作一個「斷層像」。一個對象的「掃描」應包括X射線源和探測器旋轉一周期間在不同的機架角度時所形成的一組斷層像。在軸向掃描時，投影數據經過處理後可生成一個圖像，此圖像對應的是透過被成像對象的一個二維切片。
由一組投影數據而再現出一個圖像的方法，在本領域內被稱作濾波背投影技術。此技術可將來自一掃描過程的衰減測量結果轉換為稱作「CT數目」或「一單元」的整數，這些整數可用來調整陰極射線管顯示器上相應的象素的亮度。
為了降低多個切片所需要的整個掃描時間，可進行「螺旋」掃描。要完成「螺旋」掃描，需移動病人，來獲取上面所述數目的切片數據。這樣的一個系統，由一個扇束螺旋掃描便會產生一個唯一的螺旋線，由整個扇束映射出的螺旋線便生成了投影數據，由此投影數據可再現每個所述切片的圖像。除了可降低掃描時間之外，螺旋掃描還有其它優點，如提高的圖像質量以及較好的對比度控制。
在螺旋掃描中，如上所介紹的，在每個切片位置上只收集一個斷層數據。為了再現一個切片圖像，切片的其他斷層數據是根據其他斷層上收集的數據而產生的。螺旋再現算法已是公知的，並已被C.Crawford和K.King在「在移動病人的同時進行計算機層析X射線攝影掃描」Med.phys.17(6)，11/12 1990中進行了描述。
在掃描期間，已知X射線束可沿Z軸方向擴散，並形成一個「掃描平面」。對於每個圖像切片，被成像對象通常只是部分地侵入到掃描平面上。特別是，成像對象只是部分地受到X射線束的照射，因此造成了在投影數據上的不一致。當再現一個特定的切片的圖像時，這些不一致就會在生成的圖像中產生不正確的CT數目、條紋以及其他贗像。當切片厚度增大時，部分侵入的可能性也就會增加。由部分侵入而產生的圖像誤差通常被稱作「分體積贗像」。
為了減少分體積贗像，操作人員一般必須選擇厚度足夠小的切片，以保證通過切片的衰減特性恆定，即保證被成像對象不會部分地侵入到掃描平面上。然而薄的切片一般需要足夠長的掃描時間和X射線管的冷卻延遲。相反，較厚一些的切片更適合於提高X射線光通量。因此，在允許用較厚一些的切片的同時，又能夠減少分體積贗像，是很有必要的。
減少分體積贗像的另一公知的方法，其中包括在掃描期間改變X射線源校準儀。例如，當掃描一個幾乎無骨結構的區域時，可以使用能夠提供10mm切片厚度的一個10mm校準儀。而當掃描一個多骨結構的區域時，可以使用能夠提供3mm切片厚度的一個3mm校準儀。此方法既費時又麻煩。而且，此方法在掃描相鄰的不同的區域時既不實際也沒有效率。
另外一種減少分體積贗像的已知的方法，其中包括內插多個切片數據。特別是，要計算相鄰的切片之間的軸向變化量。被成像的切片再被細分成三個子切片。計算出的變化量被送到子切片以減少被成像切片的分體積贗像。然而這種方法不總是精確的，而且這種方法也很麻煩。
另外一種已知的方法，是將幾個薄切片結合起來，產生一個單一的圖像。每個薄切片都要選擇地足夠得小，以避免分體積贗像。圖像在投影區域或圖像區域內結合起來，或者加起來。儘管這種方法在減少分體積贗像方面相對較好，但這種方法大大地降低了CT系統的效率和檢查病人的效率。
所需要的當然是，在不降低CT系統效率的情況下，而又能夠減少分體積贗像。同樣，能夠減少分體積贗像，而又不影響圖像的分辯率，也是很必要的。
實際上，通過從由掃描數據而再現的對象圖像中分解出分體積贗像而不降低圖像的分辯率的方法和裝置可以達到這些以及其他的目的。根據一個實施例，對成像對象進行掃描，並生成對象的至少兩個切片的投影數據。此投影數據經過處理後可生成每個切片的圖像數據。每個切片的圖像數據被進行濾波，並去掉低衰減區域。此濾波是通過將數據進行分段處理分成兩部分來完成的，一部分被稱作低衰減部分，另一部分被稱作高衰減部分。這種分段處理可利用臨界灰度法來完成。
在如上所述的、對每個切片的圖像數據進行濾波後，利用兩個切片的圖像數據就會生成一個梯度圖像。然後此梯度圖像經過正向投影和平方運算，計算出分體積誤差。在顯示該圖像之前，將此計算出的分體積誤差從要顯示的圖像中分解出來。
利用上述算法，在不降低CT系統效率的情況下即可減少分體積贗像。此外還能保持圖像的分辯率。
圖1是CT成像系統的一個示意圖。
圖2是圖1所示系統的一個方框示意圖。
圖3是X射線源、探測器以及一個部分地侵入研究對象的一個示意圖。
圖4圖示了根據本發明的一個實施例所執行的步驟順序。
圖5圖示了根據本發明的一個實施例、在衰減變化計算期間所執行的步驟順序。
參見圖1和2，一個計算機層析X射線攝影(CT)成像系統10如圖所示，代表一個「第三代」CT掃描儀，包括一個機架12。機架12具有一個X-射線源14，可向機架12另一側的探測器陣列18射出一束X射線16。X射線束由一個校準儀(未示出)進行準直校正後，落在直角坐標系的一個X-Y平面內，該平面通常被稱為「成像平面」。探測器陣列18由探測器元件20構成，所述的探測器元件可一起感應穿過病人22而射出的X射線。每個探測器元件20都產生一個電信號，該電信號可表示照射的X射線束的強度以及光束穿過病人22後的衰減量。在掃描期間，要獲得X-射線投影數據，機架12及其上安裝的組件需繞一個旋轉中心24進行旋轉。
機架12的旋轉以及X-射線源14的操作，由CT系統10的一個控制機構26進行控制。控制機構26包括一個X射線控制器28，它向X射線源14提供電源及定時信號；和一個機架電機控制器30，它可控制機架12的轉速和位置。控制機構26中的數據採集系統(DAS)32可對探測器元件20進行模擬數據採樣，並將此採樣數據轉換成可進行後續處理的數位訊號數據。一個顯像管34接收來自DAS 32的經過採樣以及數位化的X射線數據，並進行高速圖像再現。再現的圖像被輸入計算機36，計算機36將圖像保存在一個大容量存儲器38中。
計算機36同時也接收由操作人員經由帶有鍵盤的操作臺40發出的命令及掃描數據。相應的陰極射線管顯示器42使操作人員可觀察到再現的圖像以及來自計算機36的其他數據。計算機36利用操作人員提供的命令和參數，向DAS32、X射線控制器28以及機架電機控制器30提供控制信號和信息。此外，計算機36還控制一個工作檯電機控制器44，該控制器44可控制電動的工作檯46，以使病人22在機架12內進行定位。特別是，工作檯46可將病人22部分地移入機架的開口48內。
下述關於減少圖像贗像的說明有時是特指軸向掃描。而贗像減少算法並不僅限於在軸向掃描中運用，也可用於其他掃描如螺旋掃描中。應進一步理解，算法是在計算機36內實現的，並將處理例如保存在大容量存儲器38內的圖像數據；另外，算法也可在顯像管34內實現並將經過濾波的圖像數據提供給計算機36。其他可行的實現方法當然也是可能的。
圖3是X射線源14、探測器陣列18和部分侵入的研究對象50的一個示意圖。研究對象50，典型地來說，是正接受掃描的病人22的一部分。X射線源14發出的射線束16以β角射向研究對象50和探測器陣列18。X射線束16以等角點52為中心沿Z軸方向發散，並形成一個「掃描平面」54。射到探測器陣列18上的X射線束16的發散量在此被稱作「切片厚度」。
如圖3所示，X射線束16僅穿過研究對象50的一部分，即研究對象50「部分地侵入」到掃描平面54上。如上所述，此部分侵入物可在研究對象50的切片圖像中產生誤差並造成贗影。此外，部分侵入物的範圍與角度有關。尤其是，在角度為β+π時，研究對象50更靠近X射線源16，因此，研究對象50的一較小的部分就會部分地侵入掃描平面54(如圖3中的虛像所示)。這種對角度的要求使得研究對象50在掃描期間所獲得的投影數據不一致。這些不一致，如上所述，造成了研究對象的最終圖像中存在分體積贗像。
研究對象50一般來說，具有一個衰減分布μ(x，y，z)，所掃描的切片厚度為h。假設Z軸與掃描平面垂直，並且自X射線源14射出的X射線通量在Z上近似相等。則研究對象50在切片厚度h上的衰減量的平均線性積分可由下式來表示Pav=1/hh0P(z)dz---(1)]]>其中，P(z)是在高度Z處通過平面的衰減量分布的理想線性積分，表示如下P(z)＝∫μ(x，y，z)ds(2)由下面等式可近似得出一個所要測得的線性積分，PmPm=Pav-1/2hh0[P(z)-Pav]2dz---(3)]]>由等式(3)可以看出，分體積誤差的大小，與研究對象50在Z處時的衰減分布變化的平方近似成比例。也可看出，分體積誤差的量與切片厚度h有關。而且，還可看出，公式中研究對象50具有兩種不同的物質，而最大的分體積誤差出現在z中每種物質大約各佔1/2的空間處。
如上所述，已知的減少分體積贗像或分體積誤差的方法，包括降低掃描中所用的切片厚度h。儘管這些方法通常來說都很成功，但他們同時會增加掃描研究對象50所需要的時間，並帶來一定的延遲，例如管的冷卻延遲。這些方法因此也會降低病人的檢查率。
根據本發明的一個實施例，可通過計算研究對象50的衰減量變化、並根據計算出的衰減量變化、從圖像中分解出分體積贗像，來減少分體積贗像。特別是，參見圖4，本算法56可以計算出研究對象50的衰減量變化，而且根據該衰減量變化計算結果56，算法58可以計算出分體積誤差、或分體積贗像。之後，減去計算出的分體積誤差，從而可生成一個分體積已修正的圖像。
參見圖5，對於衰減量變化計算56，在60中對研究對象50進行軸向掃描，並獲得投影數據。特別是，在60中掃描研究對象50要獲得至少兩個切片的投影數據。之後，經過62再現可生成每個切片的圖像數據。關於圖像再現，許多圖像再現算法已是公知的，並且一些公知的算法已經被用於一些可應用的CT機中。本算法可與許多這種再現算法共同應用，並非只指或只限於與某一特殊的圖像再現算法共同應用。
由62軸向再現後，由64對所得到的圖像數據進行濾波，以去掉低衰減區域。此濾波作用64是通過將圖像數據分成兩個數據段來完成的。特別是，生成了一個低衰減部分66和一個高衰減部分68。這種數據分段處理，在一個實施例中，是利用灰度臨界法來完成的。灰度臨界法指的是將CT數目與一個預定範圍值、即一個臨界值相比較，並根據相應的CT數是高於還是低於臨界值，而將每個CT數分配到一個特殊的部分中的過程。關於灰度臨界法的進一步詳細說明，在已轉讓給本受讓人的美國專利號54003771-應用貫穿平面的射線的層析X射線攝影圖像再現中贗像的減少方法中已有所陳述。臨界值，例如，可以是200HU，CT數低於臨界值的每個圖像數據部分可被置為0。臨界法例如可由計算機36來完成。
由64對圖像數據進行濾波作用之後，便可生成一個梯度圖像70。特別是，至少在兩個相鄰的切片之間，可生成一個梯度圖像，以識別出研究對象50經過切片的變化量。相鄰切片之間的差別越大，在研究對象50的最終圖像中便越有可能存在分體積贗像。
在識別了經過切片後的變化量之後，可由58根據等式(3)計算出分體積贗像。特別是，如上所述，分體積贗像與研究對象50衰減變化量的平方近似成比例。因此，可通過對梯度圖像正向投影、並對此正向投影進行平方運算，來計算研究對象50的分體積贗像。正向投影技術是公知的，而且許多該項技術都可與本算法一起應用。由於分體積贗像本身一般頻率較低，所以正向投影的平滑特性相信不會有損於本算法的性能。
之後，在顯示該圖像之前，將此計算出的分體積贗像從圖像中分解出來。特別是，假設要顯示的是研究對象50的一個預期的圖像。梯度圖像投影經過處理，可生成一個「只有贗像」的圖像。只有贗像的圖像僅僅包括計算出的分體積贗像。此種處理方法可根據傳統的CT再現來完成。於是此只有贗像的圖像被進行度量並從原始圖像中除去，從而可生成一個已修正的分體積圖像。之後在顯示器42(圖2)上顯示此已修正的分體積圖像。
上述的算法是結合軸向掃描來進行描述的。此算法也可結合用於如螺旋掃描中。用於螺旋掃描中時，不需額外的數據採集就會生成部分疊加的圖像，並且可以相信，能夠在更精確的步驟中生成一個梯度圖像。例如，如果用10mm的校準儀來完成軸向掃描，則相鄰的切片可能會有大約5mm的間隔。然而對於一個1∶1間距的螺旋掃描來說，其中工作檯每旋轉一周，工作檯便會上升10mm，便會生成大約1mm間隔的圖像。因此，應當相信，由螺旋掃描生成的梯度圖像，具有更好一些的分體積贗像計算值。
上面所述的算法通過對梯度圖像投影進行平方來計算分體積贗像。然而也可使用高級的修正方法，如立方或5次冪。與此相似，參數，如圖像尺寸、一個投影中的斷層像的數目，以及投影的尺寸，都可以改變，以使分體積贗像計算的運算率和準確性之間有所協調。
上面所述的算法通過對梯度圖像投影進行處理，來分解出分體積贗像，從而生成了一個「只有贗像」的圖像，然後，從原始圖像中除去「只有贗像」的圖像。然而，根據本發明的另一個實施例，分體積贗像可由原始投影數據中而不是原始圖像中分解出。特別是，對經過平方運算的梯度圖像投影進行換算並將其從一個初始投影中除去，從而生成一個實際上「沒有贗像」的投影數據。此「沒有贗像」的投影數據經過處理後，可生成一個已修正的分體積圖像，可在顯示器42(圖2)上顯示出來。
由前面所描述的本發明的各個不同的實施例，很明顯可以達到本發明的目的。儘管本發明已經詳細地進行了描述和圖解，但也應清楚地知道，利用圖解方式和只通過舉例方式意在說明本發明，並不以此作為限制。例如，儘管在此處所述的CT系統是「第三代」系統，但許多其他系統，如「第四代」系統也可使用。此外，此處所述的算法是結合軸向掃描來完成的。然而，此算法也可結合螺旋掃描來完成。而且，儘管此處所確定的臨界值是200HU，其他的臨界值也是可用的。因此，本發明的精神和範圍只受附加的權利要求的限制。
權利要求
1.一種減少對象掃描數據中分體積贗像的方法，掃描數據是在層析X射線攝影掃描過程中收集的，所述方法的特徵在於，它包括下列步驟計算對象的衰減變化量；和用計算出的衰減變化量計算分體積誤差。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，它還包括從對象掃描數據消除所計算出的分體積誤差的步驟。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，計算出的分體積誤差的消除包括產生僅贗像的圖像的步驟。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，對象衰減變化量的計算包括下列步驟掃描對象，以便取得對象的至少兩切片的投影數據；處理所取得的投影數據，以產生至少兩切片的圖像數據；對所述產生的各切片的圖象數據進行濾波；以及產生梯度圖像。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所產生圖像數據的篩選包括將所產生圖像數據分段成小衰減量圖像數據和大衰減量圖像數據的步驟。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所產生圖像數據的分段是用灰度閾值轉換法進行的。
7.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，對象的掃描是用軸向掃描進行的。
8.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，對象的掃描是用螺旋掃描進行的。
9.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，分體積誤差的計算包括下列步驟正向投影梯度圖像；對正向投影出的梯度圖像進行平方運算。
10.一種減少對象掃描數據中分體積贗像的系統，掃描數據是在層析X射線攝影掃描過程中收集的，所述系統的特徵在於，系統配置成可以計算對象的衰減變化量；並用計算出衰減變化量計算分體積誤差。
11.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，系統還配置成可以從對象掃描數據消除計算出的分體積誤差。
12.如權利要求11所述的系統，其特徵在於，為消除計算出的分體積誤差，所述系統配置得使其產生僅贗像的圖像。
13.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，為計算對象的衰減變化量，所述系統還配置成可以掃描對象，以取得對象的至少兩切片的投影數據；處理所取得的數據以產生至少兩切片的圖像數據；對所產生的各切片的圖象數據進行濾波；以及產生梯度圖像。
14.如權利要求13所述的系統，其特徵在於，為篩選所產生的圖像數據，所述系統配置成可以將所產生的圖像數據分段成小衰減量圖像數據和大衰減圖像數據。
15.如權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述系統配置成可以進行軸向掃描。
16.如權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述系統配置成可以進行螺旋掃描。
17.如權利要求13所述的系統，其特徵在於，為計算分體積誤差，所述系統還配置成可以正向投影梯度圖像；並對正向投影出的梯度圖像進行平方運算。
18.一種用於從對象掃描數據產生對象的層析X射線攝影掃描圖像的系統，所述系統有一個X射線源和一個檢測器，所述檢測器具有多個檢測元件，所述系統從對象的掃描數據消除分體積膺像，且配置成可以計算對象的衰減變化量；且用計算出的衰減變化量計算分體積誤差。
19.如權利要求18所述的系統，其特徵在於，為計算對象的衰減變化量，所述系統還配置成可以掃描對象以取得對象的至少兩切片的投影數據；處理所取得的投影數據以產生至少兩切片的圖像數據；對所產生的各切片的圖象數據進行濾波；以及產生梯度圖像。
20.如權利要求19所述的系統，其特徵在於，系統還配置成可以進行軸向掃描。
全文摘要
本發明形式上是運用一個分體積贗像計算算法,來提高計算機層析X射線攝影系統中圖像質量的一種方法。根據算法的一個實施例,對研究對象進行掃描,並生成圖像數據。圖像數據被進行分段處理,分成為低衰減數據和高衰減數據。之後,生成了圖像數據兩個相鄰切片的一個梯度圖像。然後,對梯度圖象進行正向投影和平方運算。平方後的梯度圖像即是圖像數據中分體積贗像的一個計算值,並因此可將其從圖象數據中分解出來。
文檔編號A61B6/03GK1196227SQ9712642
公開日1998年10月21日 申請日期1997年11月13日 優先權日1996年11月13日
發明者J·思厄 申請人:通用電氣公司