計算機斷層造影灌注測量的射線硬化校正的製作方法

2023-05-20 10:28:01 2

專利名稱：計算機斷層造影灌注測量的射線硬化校正的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於從測量數據中重建檢查對象的圖像數據的方法，其中，在計 算機斷層掃描系統的輻射源與檢查對象之間相對旋轉運動時，事先採集一系列測量數據 組，並且這些測量數據組涉及在連續時間點上檢查對象的相同片段。
背景技術：
利用CT系統掃描檢查對象的方法眾所周知。在此，例如使用圓掃描，具有進給的 順序圓掃描或者螺旋掃描。也可以是不以圓周運動為基礎的其它類型的掃描，例如具有線 性片段的掃描。利用至少一個X射線源和至少一個相對的採集器從不同的拍攝角度拍攝檢 查對象的吸收數據並將這樣收集的吸收數據或投影藉助相應的重建方法計算出檢查對象 的剖面圖像。為從計算機斷層掃描儀(CT機)的X射線-CT-數據組中，也就是從所採集的投影 中重建計算機斷層掃描的圖像，目前作為標準方法使用所謂的濾波反投影方法(Filtered Back Projection ;FBP)。在數據採集之後進行所謂的「重排(Rebirming) 」步驟，其中這樣 重排利用扇形地從源傳播的射線所產生的數據，使得其以一種如在探測器由平行地朝向探 測器的X射線所射中時那樣的形式出現。然後將該數據變換到頻域。在頻域中進行濾波， 然後將經濾波的數據進行反變換。利用這樣經整理(umsortierten)和濾波的數據，然後在 關注體積內進行到各體素的反投影。近年來開發出迭代的重建法。在此方面，首先從投影測量數據中重建初始的圖像 數據。為此例如可以使用卷積反投影方法(Faltungsrilckprojektionsverfahren)。然後利 用「投影器」、數學上應儘可能良好反映測量系統的投影算子，從這些初始圖像數據中產生 合成的投影數據。然後利用附屬於投影器的算子將與測量信號的差進行反投影並且因此重 建殘留圖像(Residuum-Bild)，利用該殘留圖像更新初始圖像。又可以使用更新的圖像數 據，以便在下一個迭代步驟中藉助投影算子產生新的合成投影數據，從中又形成與測量信 號的差並且計算新的殘留圖像，利用該殘留圖像又可以改善當前的迭代級的圖像數據，等 等。利用這種方法可以重建圖像清晰度相當好，但圖像噪聲小的圖像數據。根據測量數據採集時的情況並取決於各自所觀察的檢查對象，CT圖像中會出現不 同類型的偽影。此方面的例子是射線硬化偽影。這種偽影通過如下產生，即由CT-X射線源 發射的輻射不是單色，而是多色的，而且X射線輻射的衰減取決於其各自的能量。此外，不 同的物質具有取決於能量的不同衰減分布。如果在圖像重建時不考慮這一點，就會出現偽 影。如果存在檢查對象的具有高衰減值的成分的話，這一點特別嚴重。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於，提供一種用於重建CT圖像的方法，其中，爭取避 免射線硬化偽影。此外提供一種相應的控制和計算單元、CT系統、電腦程式和計算機程 序製品。
在用於從測量數據中重建檢查對象的圖像數據的本發明方法中，在計算機斷層掃 描系統的輻射源與檢查對象之間相對旋轉運動時，首先採集一系列測量數據組；在此方面， 這些測量數據組涉及在連續時間點上檢查對象的相同片段。從這些測量數據組中分別重建 第一圖像數據，從而存在一系列第一圖像數據。確定顯示該系列第一圖像數據內的在時間 上的變化的改變量。藉助該改變量在第一圖像數據內進行檢查對象不同成分之間的區分。 這種區分在用於計算改善的圖像數據的迭代算法中被用於射線硬化校正。因此不僅存在所要重建的單個圖像的測量數據，而且也存在系列圖像的測量數 據。這些測量數據表示圖像的時間順序。因為測量數據包含檢查對象的相同片段，所以可 以從該圖像系列中獲悉，該片段在測量的過程中在時間上如何變化。這種方法特別適用於 灌注測量。在第一圖像重建之後，對於每個測量數據組存在一個第一圖像。但這些第一圖像 由於射線硬化而含有偽影。這種不希望的效應利用進一步的方法得到減少。為此首先確定 改變量。從這些量中提取在不同的第一圖像之間是否存在和/或者存在多大變化的信息。 因為第一圖像的系列表示時間上的順序，所以改變量因此表明在檢查對象的所觀察的片段 內部的在時間上的變化。改變量被用於區分檢查對象的不同成分。這種區分之所以可能，是因為存在時間 上不變的成分和隨著時間改變的其它成分。使用迭代算法，以便通過減少由射線硬化引起的偽影來改善圖像數據。這種迭代 算法最好以第一圖像數據開始。迭代算法在此方面這樣設計，使其執行射線硬化校正。在 這種校正中，包括不同成分之間所確定的區分。在本發明的進一步構成中，用於該系列第一圖像數據的改變量逐個圖像點地提供 變化值。即每個圖像點存在一個或者多個數值，從中提取關於時間上變化的信息。特別具有優點的是，為區分不同的成分，使用改變量區分靜態與動態的成分。這一 點由於提供改變量的時間信息而可能。靜態成分是經過第一圖像系列在圖像內其布置方面 沒有或者很少變化的那些成分。相反，動態成分在該系列圖像的過程中例如通過出現、消 失、量變或者形變等運動。此外特別具有優點的是，為區分靜態成分內部的不同成分，使用第一圖像數據區 分衰減不同強度的X射線的成分。即，按照這種方式可以給出具有靜態和強衰減物質的圖 像區以及具有靜態和僅少量衰減物質的圖像區並將其彼此分離。這種區分通過觀察第一圖 像數據的數值進行。同樣具有優點的是，為區分動態成分內部的不同成分，使用第一圖像數 據區分衰減不同強度的X射線的成分。即，按照這種方式可以給出具有動態和強衰減物質 的圖像區以及具有動態和僅少量衰減物質的圖像區並將其彼此分離。這種區分也通過觀察 第一圖像數據的數值進行。在本發明的構成中，進行成分水，骨和造影劑之間的區分。造影劑特別可以是通常 在灌注測量時使用的碘。這三種成分在其X射線輻射的衰減的能量依賴性方面明顯不同， 從而在射線硬化校正時分離具有特別重要的意義。依據本發明的進一步構成，從第一圖像數據中確定與不同成分相應的多個分圖像 數據。這意味著，每種成分各自存在分圖像，從其獲悉，各個成分在哪些圖像點上存在。此外，在與分圖像數據的結合下具有優點的是，在迭代算法中對第一圖像數據進行正向投影，其中，分圖像數據與取決於X射線能量的和對各個成分來說是特定的衰減值 相關聯。這樣可以進行非常精確的射線硬化校正。依據本發明的進一步構成，通過從變化值中至少部分去除檢查對象的運動，在區 分不同成分之前，對變化值進行校正。為此最好在單個第一圖像的內部採用梯度形成。如 果從改變量中計算出檢查對象的運動，例如心臟運動，呼吸運動，位置變化，在使用這些這 樣校正的改變量情況下可以更好地彼此區分這些成分。依據本發明的控制和計算單元用於從CT系統的測量數據中重建檢查對象的圖像 數據。該單元包括用於儲存程序代碼的程序存儲器，其中，裡面-此外需要時-存在適用於 實施上述方法的程序代碼。依據本發明的CT系統包括這種控制和計算單元。此外該系統 可以包括採集測量數據所需的其它組成部分。依據本發明的電腦程式具有程序代碼資源，其適用於在計算機上執行計算機程 序的情況下實施上述的方法。依據本發明的電腦程式製品包括儲存在計算機可讀數據載體上的程序代碼資 源，其適用於在計算機上執行電腦程式的情況下實施上述的方法。


下面藉助實施例對本發明進行詳細說明。其中圖1示出具有圖像重建組成部分的計算機斷層掃描系統的第一示意圖；圖2示出具有圖像重建組成部分的計算機斷層掃描系統的第二示意圖；圖3示出用於三種不同物質的、取決於能量的衰減分布；圖4示出用於在檢查對象的不同成分之間進行區分的計算過程；圖5示出CT圖像、從中計算的標準偏差圖像和修改的標準偏差圖像。
具體實施例方式圖1首先示意示出具有圖像重建裝置C21的第一計算機斷層掃描系統Cl。處於門 架外殼C6內的是這裡未示出的封閉門架，上面設置第一 X射線管C2及相對的採集器C3。 在這裡所示的CT系統中，可選地設置第二 X射線管C4及相對的採集器C5，從而通過附加可 供使用的放射器/採集器組合可以達到更高的時間解析度，或者在使用不同的X光能量譜 時，在放射器/採集器系統內也可以進行「雙能量(Dual-Energy)」檢查。CT系統Cl此外具有病床C8，檢查時患者可以在病床上沿也稱為ζ軸的系統軸線 C9移動到測量場內，其中，掃描本身可以作為純圓形掃描在無患者進給的情況下，僅在所關 心的檢查範圍內進行。在這種情況下，X射線源C2或C4各自環繞患者旋轉。在此方面，採 集器C3或C5與X射線源C2或C4相對地平行運轉，以採集然後用於重建剖面圖像的投影測 量數據。作為逐步地在單個掃描之間將患者移動通過檢查區的順序掃描的替換，不言而喻， 也存在螺旋掃描的可能性，其中在採用X射線的循環掃描期間將患者連續沿系統軸線C9移 動通過在X射線管C2或C4與採集器C3或C5之間的檢查區。通過患者沿軸線C9的運動 和X射線源C2或C4的同時循環，在測量期間X射線源C2或C4相對於患者的螺旋掃描時 形成螺旋軌跡。這種軌跡也可以通過如下得到，即在患者不運動的情況下門架沿軸線C9移 動。
通過具有存在於存儲器內的電腦程式代碼I^rg1-Pan的控制和計算單元ClO控 制CT系統10。需要指出的是，不言而喻，這種電腦程式代碼I^rg1-Pan也可以包含在外 部的存儲媒體上並且在需要時可以載入控制和計算單元ClO內。從控制和計算單元ClO可 以通過控制接口 M傳遞採集控制信號AS，以便依據確定的測量協議控制CT系統Cl。
由採集器C3或C5獲得的投影測量數據ρ (下面也稱為原始數據)通過原始數據接 口 C23傳送到控制和計算單元ClO。然後這些原始數據ρ在可能的適當預處理後在圖像重建 組成部分C21內被進一步處理。圖像重建組成部分C21在該實施例中在控制和計算單元ClO 內以處理器上的軟體方式，例如以一個或者多個電腦程式代碼I3rgl-Pi^n的方式實現。關 於圖像重建，正如關於測量過程的控制已經介紹的那樣，這些電腦程式代碼I3rgl-Pi^n也 可以包含在外部的存儲媒體上，並在需要時可以被載入控制和計算單元ClO內。由圖像重建組成部分C21重建的圖像數據f然後寄存在控制和計算單元ClO的存 儲器C22內和/或者以常見的方式在控制和計算單元ClO的屏幕上輸出。它們也可以通過 圖1中未示出的接口輸入到與計算機斷層掃描系統Cl連接的網絡內，例如放射信息系統 (RIS)並寄存在那裡接入的大容量存儲器內或者作為圖像輸出。控制和計算單元ClO附加地還可以執行EKG函數，其中，導線C12用於在患者與控 制和計算單元Cio之間傳到(Ableitung)EKG勢能。圖1中所示的CT系統Cl附加地還具 有造影劑注射器Cl 1，通過其可以附加地將造影劑注入患者的血液循環內，從而可以更好顯 示患者的血管，特別是跳動的心臟的心室。此外因此還存在實施灌注測量的可能性，對於灌 注測量，所提出方法同樣適用。圖2示出一個C形架系統，其中與圖1的CT系統相反，外殼C6攜帶C形架C7，在 上面一方面固定X射線管C2、另一方面固定相對的採集器C3。C形架C7為掃描同樣環繞系 統軸線C9迴轉，從而可以從大量的掃描角度進行掃描並可以從大量的投影角度中確定相 應的投影數據P。圖2的C形架系統Cl與圖1中的CT系統一樣具有圖1所述類型的控制 和計算單元C10。在圖1和2所示的兩個系統中都可以應用本發明。此外，原則上其也可以用於其 它CT系統，例如具有形成完整一圈採集器的CT系統。灌注測量時，將造影劑注入檢查對象的血管內，並隨後進行多次在時間上連續的 CT拍攝。因此存在一系列CT圖像，從而可以看到檢查對象體內處於血液內並與血液同時輸 送的造影劑的在時間上的分布。從血流量的這種時間上的信息中，例如通過造影劑延遲到 達確定部位上可以識別缺損。特別重要的是心臟的局部缺血區，也就是心肌血流不暢的部 位。這些部位可以提醒面臨心梗的危險。這種涉及心肌的CT技術稱為心肌CT灌注檢查。通常使用碘作為造影劑。這種造影劑對X射線輻射強吸收，從而其在CT圖像中是 可以清晰可見的。碘的CT值處於300到500HU(HOunsfield Units)之間。這種高值典型地 達到血管或者其中碘還具有高反差的心室內，在肌肉內該值變小，一般情況下處於約100HU 的數量級。與此相應，肌肉內碘的濃度也可以容易地以稀釋的方式藉助CT圖像確定。拍CT時使用多色的X射線輻射。X射線輻射穿過物質時，X射線的低能量部分比 高能量部分更強地衰減，也就是被吸收和散射。多能量的輻射在穿過物質時因此硬化。這 種效應在強吸收的物質例如像骨或者碘相互靠近時特別明顯。處於其間的軟組織的CT值 在這種情況下被明顯低估。這些偽影相當於所謂的杯狀凹陷(Cupping)效應。人們稱之為6射線硬化偽影。在例如心CT的灌注測量的分析時，通過典型的30秒的時間重複拍攝恆定的層 位置。事先給予的造影劑灌注心肌並獲得可以對所拍攝的組織進行灌注分析的時間-密 度曲線。在這種情況下，CT值的高精確度是重要的，因為否則關於血流方面的結果斷 言是不可靠的。因此射線硬化偽影在灌注測量時是一個特殊問題。特別是在造影劑團 (Kontrastmittelbolus)流過心室和/或主動脈的時刻，出現使得不可能準確確定灌注的 幹擾射線硬化偽影。這種情況出現於造影劑的高衰減值時。因此嘗試通過適當的措施盡可 能降低射線硬化偽影。存在大量用於射線硬化校正的簡單方法。這些方法的內容通常包括水的預校正。 在此假定，所檢查的組織具有與水的衰減相應的取決於能量的衰減。所有CT值在這種情況 下均以水的CT值為標準。這種類型方法的例子在下列文獻中有所介紹P.Kijewski. B. Bjarngard :Correction for beam hardening in CT, Med. Phys. Vol. 5，no. 3，S. 209-214，Mai/Juni 1978G. Hermann Correction for beam hardening in CT. Phys. Med. Biol.，vol. 24, no. 1，S. 81-106，1979M. Kachelrie β , K. Sourbelie, E. Kalender :Empirical Cupping Correction :a first order rawdata precorrection for cone beam computed tomography,Med. Phys.， vol. 33，no. 5，S.1269-1274，Mai 2006。因為根據水的能量依賴性標準化，所以對所有的其它物質存在誤差。相應地，這些 標準預校正特別是在圖像內存在更高序數的物質例如像骨或者碘的情況下不起作用。在這 種情況下，儘管進行預校正，仍導致上述的射線硬化偽影。因此具有優點的是進行迭代的圖 像重建，其中射線硬化偽影從迭代到迭代逐步下降。迭代法的基礎在於，在正向投影時考慮 檢查對象不同成分的準確的能量依賴性。即，能量依賴性雖然已知，但圖像內各個物質的空 間分布並不已知。圖3示出對於三種不同物質，物質的單位密度的取決於X射線的能量E(單位為keV)的X射線輻射衰減# (單位為13^^)。繪出水Wa的曲線，骨Bo的曲線和碘Jo的Pιυ g曲線。可以清楚看出，骨和碘雖然具有兩個高CT衰減值，但衰減的能量依賴關係彼此不同。 在骨衰減非常小的35keV時對於碘的K邊特別出現這一點。因此缺點是，在射線硬化校正 時僅關注骨，而不區分碘這種成分。因為由此沒有排除通過碘的存在而產生的射線硬化偽影。下面首先介紹如何獲得用於迭代算法的更新方程式或迭代方程式。首先採集測量 數據。採集如在灌注測量時那樣通常在多個時間點上進行，從而存在系列測量數據。從這 些測量數據中分別通過重建算法Rf-1計算出第一圖像f。重建算法Rf-1的下標f在此方面 表示，應用導致對於所有物質的射線硬化偽影的水預校正，這些物質的取決於能量的衰減 與水的明顯不同。現在存在一系列的第一圖像f。這些圖像由於射線硬化而包含偽影。所尋找的無 射線硬化偽影的結果圖像採用g標註。尋找多色氡變換算子艮，從而適用Rff = Rgg公式(1)
方程式左側的表達式是測量數據；通過在第一圖像f上使用正向投影&獲得 這些測量數據。氡變換算子&就此而言是多色的，因為它不僅考慮水的、而且也考慮了不同物質 的衰減的能量依賴性。為獲得迭代方程式，在使用艮=Rg+R-R的情況下改寫公式(1)。在這種情況下，R 是單色的氡變換，也就是說，沿射線L的簡單線積分Rf = / dLf。R可逆。通過代入公式(1)得出Rff = (Rg+R-R) g公式在兩側上使用IT1後這得出g = g+R—1 (Rff-Rgg)公式(3)從中直接導出更新或迭代方程式g(n+1) = Sw+^1 (Rff-Tgg(n))公式 G)在這種情況下，g(n)是第η次迭代的圖像，從中藉助公式(4)計算出第η+1次迭代 的圖像g(n+1)。迭代過程以g(°) = f開始。可以看到，每次迭代時在測量數據與藉助正向 投影利用艮從當前圖像g(n)中獲得的投影之間進行平衡。這種偏差越大，則下個圖像g(n+1) 與當前圖像g(n)的差別越多。依據公式(4)的迭代方程式用於時間系列的所有圖像。多色正向投影算子&越好，迭代的結果就越好。下面介紹如何建立特別適用的算 子Rg°為射線L測量投影值q (L)q(L) = -In f dEe—J dLlJ (Ε, 公式(5)在這種情況下，μ (Ε, r)是所尋找的衰減值。該衰減值取決於X射線輻射的能量 E和圖像內部的位置r。衰減值μ (Ε, r)可以劃分成其取決於能量的部分Ψ (E)和其空間 上的分布g(r)。下面將對象分成三種物質μ U』r) = ig々k^) = gWf (五)公式(6)i = li在這種情況下表示三種物質水、骨和碘。因此是與確定的物質相應的分圖 像。如果將公式(6)代入公式(5)，那麼得到q = Rgg = -In f dEe—f dLg(r). ψ (E)公式(7)已知能量依賴性Vi(E),參見圖3。因此為了能夠確定須已知空間的物質分 布。這意味著，必須確定，三種成分中的哪一種處於哪個圖像點上。通過確定圖像點值在時間上的變化，進行不同成分之間的區分。正如已經提到的， 在灌注測量中常見的那樣，拍攝通過檢查對象的相同片段的一系列時間上連續的數據組， 其中，從每個測量數據組中計算第一圖像f。如果拍攝心臟，那麼這樣採集數據或這樣重建 圖像，使所有圖像對應於相同的心相，例如心舒張期。在注入造影劑或者造影劑到達所觀察 的區域之前，第一圖像屬於時間點tQ。因此存在大量的圖像f(r，t)，其中，每個圖像屬於測量時間點t。從中計算時間上 取平均值的圖像
權利要求
1.一種用於從測量數據(P)中重建檢查對象的圖像數據(f)的方法，其中，在計算機斷層掃描系統(Cl)的輻射源(C2，C4)與檢查對象之間相對旋轉運動時，事先 採集一系列測量數據組(P)，並且這些測量數據組(P)涉及在連續時間點上檢查對象的相 同片段，從這些測量數據組(P)中分別重建第一圖像數據(f，g(r，t))，從而存在一系列第一圖 像數據(f，g(r，t))，確定顯示該系列第一圖像數據(f，g(r，t))內部的在時間上的變化的改變量(ο (r))，藉助在第一圖像數據(f，g(r，t))內的該改變量(ο (r))對檢查對象的不同成分進行 區分，在用於計算改善的圖像數據(f)的迭代算法中使用該區分，用於射線硬化校正。
2.按權利要求1所述的方法，其中，用於該系列第一圖像數據(f，g(r,t))的改變量 (σ (r))逐個圖像點地給出改變值。
3.按前述權利要求之一所述的方法，其中，使用所述改變量(σ(r))對靜態與動態的 成分進行區分，以區分不同的成分。
4.按權利要求3所述的方法，其中，使用所述第一圖像數據(f，g(r，t))區分衰減不同 強度的X射線的成分，以區分靜態成分內部的不同成分。
5.按權利要求3或4所述的方法，其中，使用所述第一圖像數據(f，g(r，t))區分衰減 不同強度的X射線的成分，以區分動態成分內部的不同成分。
6.按前述權利要求之一所述的方法，其中，進行成分水、骨和造影劑之間的區分。
7.按前述權利要求之一所述的方法，其中，從所述第一圖像數據(f，g(r，t))中確定與 不同成分相應的多個分圖像數據feB。(r，t)，gffa(r, t)，gJO(r, t))。
8.按權利要求7所述的方法，其中，在迭代算法中對所述第一圖像數據(f，g(r，t))進 行正向投影，其中，所述分圖像數據feB。(r，t)，gWa(r，t)，gj。(r，t))與取決於X射線能量的 並對各個成分來說是特定的衰減值相關聯。
9.按前述權利要求之一所述的方法，其中，通過從所述改變量(σ(r))中至少部分去 除檢查對象的運動，在區分不同成分之前對所述改變量(σ (r))進行校正。
10.按前述權利要求之一所述的方法，其中，所述系列測量數據組是在灌注測量的情況 下被採集的。
11.一種控制和計算單元(C10)，用於從CT系統(Cl)的測量數據(P)中重建檢查對象 的圖像數據(f)，包括用於儲存程序代碼(Prg1-Prgn)的程序存儲器，其中，在所述程序存儲 器中存在實施按權利要求1-10之一所述方法的程序代碼(Prg1-Prgn)。
12.—種CT系統(Cl)，具有按權利要求11所述的控制和計算單元(ClO)。
13.一種具有程序代碼資源(Prg1-Prgn)的電腦程式，當所述電腦程式在計算機上 被執行時，其執行按照權利要求1至10中任一項所述的方法。
14.一種電腦程式產品，包括在計算機可讀的數據載體上存儲的電腦程式的程序 代碼資源(Prg1-Prgn)，當所述電腦程式在計算機上被執行時，其執行按照權利要求1至 10中任一項所述的方法。
全文摘要
本發明涉及一種用於從測量數據(p)中重建檢查對象圖像數據(f)的方法，其中，在計算機斷層掃描系統(C1)的輻射源(C2，C4)與檢查對象之間相對旋轉運動時，首先採集一系列測量數據組(p)，並且這些測量數據組(p)涉及在連續時間點上檢查對象的相同片段。從這些測量數據組(p)中分別重建第一圖像數據(f)，從而存在一系列第一圖像數據(f)。確定顯示該系列第一圖像數據內部時間上變化的改變量，並藉助該改變量在第一圖像數據(f)內進行檢查對象不同成分之間的區分。這種區分在計算改善的圖像數據(f)的迭代算法中用於射線硬化校正。
文檔編號A61B6/03GK102048552SQ20101062166
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月1日 優先權日2009年10月30日
發明者伯恩哈德·施密特, 託馬斯·奧爾門丁格, 菲利普·斯滕納, 馬克·卡切爾裡斯 申請人:西門子公司