使用基於校準體模的旋轉中心建立算法在不理想等中心3d旋轉x射線掃描器系統中進行...的製作方法

2023-12-09 14:55:46

專利名稱：使用基於校準體模的旋轉中心建立算法在不理想等中心3d旋轉x射線掃描器系統中進行 ...的製作方法
技術領域：
本發明涉及供在計算機斷層攝影(CT)中使用的3D旋轉X射線成像系統，特別涉 及一種快速、準確並且數學穩健的校準方法，其用於在不完美等中心3D旋轉C型臂系統中 確定有效旋轉中心，並用於在使用這種CT掃描器系統採集待三維重建的感興趣對象的一 組2D投影圖像時，充分消除圓形環狀偽影。為此，基於C型臂的旋轉CT掃描器包括至少一 個旋轉探測器，該旋轉探測器具有接受至少一個X射線管發射的X射線束的X射線敏感表 面，每個X射線管都沿不理想圓形軌跡圍繞(從一組2D投影圖像進行三維重建的)感興 趣對象進行旋轉，以用於通過從多個不同的投影方向掃描校準體模來提供幾何校準數據， 並為每個投影方向計算X射線管焦斑和X射線探測器中心的3D位置。為了近似至少一個 X射線管和至少一個輻射探測器旋轉所圍繞的旋轉軸的準確3D位置和角度方向，採用了使 用大量數學穩健的最小二乘擬合的圓形回歸技術。
背景技術：
如今，斷層攝影X射線成像技術已經在諸如臨床診斷、工業探查和安全掃測等不 同領域獲得了廣泛的認同。在臨床領域，專業的高解析度CT成像系統近期已經成為用於癌 症研究的重要的新工具，這是因為CT掃描器對於患者身體內部感興趣區域(例如內部器 官、心血管系統和/或任何其他解剖或病理結構)的無創檢查是基本的醫療圖像模態。斷 層成像系統因此從大量的不同投影方向上圍繞患者採集一組2D投影圖像，然後將其用於 生成解剖結構的三維重建以實現可視化。最近，隨著螺旋CT(新一代的CT掃描器)的使用，放射學家能夠在一次屏住呼吸 期間，通過對患者的快速檢查而節省大量的時間，從而可利用當今旋轉CT成像系統的3D成 像能力。在如多層螺旋CT中所用的旋轉掃描架類型的常規等中心3D旋轉X射線掃描器系 統中，對X輻射敏感的探測器陣列受到與所屬探測器陣列對徑布置的X射線管發射的扇形 或錐形X射線束的照射，其中，所述X射線管和所述探測器陣列置於能連續圍繞患者旋轉的 旋轉掃描架上。為了採集一組2D投影圖像(其可用於重建待無創檢查的患者體內解剖結 構的三維圖像)，當患者躺在沿旋轉軸向前推進的患者臺上時，所述X射線管和探測器陣列 沿圓形軌跡圍繞患者身體旋轉。面束探測器3D成像系統可通過在圍繞中央旋轉軸的圓形路徑上旋轉X射線管和 探測器進行操作。將所述旋轉軸定位在患者解剖結構的感興趣區域/體積的中心。X射線 管和X射線探測器(例如圖像增強器)典型地安置在旋轉的C型臂支持組件的相對端。所 述X射線管對患者照射X射線，該X射線撞擊感興趣區域(ROI)並被內部解剖結構衰減。所 述X射線穿過患者並被患者的內部解剖結構所衰減，然後衰減的X射線撞擊X射線探測器。 當X射線管/C型臂/探測器組件圍繞以患者體內感興趣區域為中心的旋轉軸進行旋轉時， 通過進行一系列圖像來採集3D圖像數據。將多個二維(2D)截面圖像進行處理和結合以生 成掃描對象的3D圖像。
常規的移動C型臂組件利用簡單的支持結構和幾何結構將X射線管和X射線探測 器安置在C型臂上。該支持結構將X射線管和X射線探測器固定在C型臂上，並在X射線 管和X射線探測器之間保持預定的恆定距離。這樣，X射線管和旋轉軸之間的距離以及探 測器和旋轉軸之間的距離保持恆定且固定。在當前的C型臂X射線螢光透視成像系統中，通過在圍繞感興趣對象的半圓形弧 中對C形臂進行掃視，可進行3D斷層圖像重建。使用跨臂運動，弧是圓形的，並因此是等中 心的。例如，使用C型臂，X射線束可圍繞患者的頭部進行掃視(例如，在圍繞所述頭部的 圓弧內進行的CT掃描)。通過2D投影掃描圖像進行體積圖像重建。隨著位於患者臺頭端 的C型臂圍繞患者臺頭端進行掃視，在跨臂運動上實現多次掃視。這樣，對象處於中心點處 (等中心運動)。不考慮所使用的技術，感興趣對象的三維重建圖像(其從旋轉CT掃描器在若干 不同投影方向上採集的一組2D投影圖像中計算得到)常常受到CT偽影的嚴重失真，所述 CT偽影由採集的CT圖像中各探測強度值與待可視化對象各期望衰減係數之間的差異所產 生。這歸因於將在下面章節中進行簡要解釋的多個原因。這些偽影(其如在常規斷層攝影 X射線成像中存在的那樣，在螺旋CT中仍會存在)會嚴重惡化重建CT圖像的圖像質量，並 在診斷精度上扮演著重要的角色。不幸的是，並非總能斷定CT圖像中是否實際存在偽影， 因為這常常取決於放射學家的判斷。然而，一旦存在嚴重的偽影，醫生常常不能給出可靠的 診斷，這是因為感興趣的解剖結構可能被隱藏和完全受到失真。通常，可將CT偽影分成四類a)基於物理學的偽影，包括射束硬化偽影、光子不足 偽影和欠採樣偽影，b)基於患者的偽影，包括金屬偽影和運動偽影，c)基於掃描器的偽影， 包括由探測器靈敏度和機械不穩定性造成的偽影(其是本發明致力於解決的偽影類型)以 及d)基於螺旋的偽影，其由於螺旋插值而產生。因此，仔細進行患者定位、避免患者移動和 掃描參數的最佳選擇是避免CT偽影的重要因素。CT圖像中最主要的偽影表現為條紋效應(streak effect)，並且可能是由金屬物 體、射束硬化、光子不足和/或對象移動造成的。如果一個探測器通道的測量值在一次讀取 中被扭曲，就會出現一個條紋。如果一個通道在整個旋轉中都不參與，將是這樣的情況，既 如果第三代旋轉CT掃描器系統的X射線探測器沒有校準，則探測器在每個角度位置上將給 出一致的錯誤讀數，因此導致圓形環狀偽影。環狀偽影出現的另一重要原因在於這樣的實事，既常規在計算機斷層攝影中使用 的基於C型臂的3D旋轉X射線掃描器系統(其能夠進行旋轉掃描以便對感興趣對象(例 如藉助於斷層攝影X射線成像對待無創檢查的患者體內的解剖區域)進行三維重建)可能 不具有完美的等中心性。實際上，機械彎曲和運轉以及各機械部件的不完美對準可使「旋轉 中心」隨旋轉角度而改變。由於X射線管和探測器陣列的軌跡可能不是完美等中心的，因此 使用中的很多常規C型臂系統不能用C型臂的軌道運動進行準確的3D斷層攝影重建。這 樣，所採集的針對待三維重建的感興趣對象的2D投影圖像，由於非等中心成像弧而受到扭 曲，並且無法用於臨床、診斷或介入目的。雖然圓形環狀偽影很少搞亂病理結構，但他們可 以嚴重影響斷層攝影圖像的診斷質量。為了使環狀偽影的探測和校正準確無誤，非常準確 地知道環狀偽影的中心(其構成有效旋轉中心)是極其重要的，這意味著將3D體積體素的 尺寸(尤其對於軟組織成像)降低到亞毫米水平的精度。然後在對待可視化對象的3D重
5建的繪製中，該中心位置可用於消除環狀偽影。因此，非常需要一種通過消除圓形環狀偽影 來提高斷層攝影圖像重建的校準系統和方法，所述圓形環狀偽影是由於當藉助於不完美等 中心3D旋轉X射線掃描器系統來採集對象的2D投影圖像時，由於X射線管和探測器陣列 的非等中心運動而產生的。US 2005/0084147A1提出了一種基於一組沿非等中心軌跡採集的2D投影圖像對 感興趣對象進行三維重建的方法。如該文獻中描述的，所述方法包括如下步驟確定並改變 對象與X射線管和X射線敏感探測器中至少一個之間的距離以形成虛擬的等中心、在對所 述對象進行成像期間保持該對象位於所述虛擬的等中心上以及在保持所述虛擬等中心的 同時，規範所獲圖像數據中的放大變化並基於所述圖像數據和所述規範的放大變化，重建 所述對象的圖像。在此所公開的方法可進一步包括這樣的步驟，既在非圓形弧內移動包括 X射線探測器和χ射線管的支架，從而在改變所述探測器和所述對象間的距離時，圍繞所述 對象移動所述探測器和所述管。

發明內容
當使用不完美等中心的基於C型臂的3D旋轉X射線掃描器系統時，根據已有技術 的常規重建方法通常應用非線性數學方法來確定有效旋轉中心。這些方法的缺陷在於這 些方法提供了「一種解決方案」但未必是最好的，這些方法對跨越180°或更小角度範圍的 CT掃描(例如像XperCT滾動掃描，其是Philips的XtraVision產品的一部分)不起作用， 並且這些方法無法解決旋轉軸不能完美垂直於大致圓形軌跡的圖像採集平面，其中X射線 管和探測器陣列在採集一組2D投影圖像時沿所述大致圓形軌跡進行移動。因而，本發明的目的在於促進對基於掃描器的圓形環狀偽影的校準，所述偽影是 在使用不完美等中心的3D旋轉X射線掃描器系統時由於X射線管和探測器陣列的非等中 心運動而引發的，從而提高了經斷層攝影重建的3D圖像的圖像質量，所述3D圖像是基於通 過結合一組2D投影圖像的圖像數據而獲得的一組體數據進行計算獲得的，所述組2D投影 圖像是從若干不同投影方向上沿大致圓形軌跡圍繞待可視化感興趣對象而採集的。考慮到這一目的，本發明的第一範例實施例涉及充分用於消除一組X射線攝影2D 投影圖像中大致圓形環狀偽影的校準方法，所述組2D投影圖像是由配有至少一個X射線管 和相對於所述X射線管對徑布置的相關聯的至少一個X射線探測器的不完美等中心3D旋 轉X射線掃描器系統從若干不同投影方向上採集的。由此，所提出的校準方法包括如下步驟當沿圓形軌跡圍繞待可視化及斷層攝影 重建的對象移動所述X射線管和X射線探測器中的每一個時，從所述投影方向中的每一個 上掃描校準體模。對於每一個投影方向，從所採集的2D投影圖像計算至少一個X射線管的 焦斑的3D位置和相關聯的至少一個X射線探測器的3D中心位置。此後，從一組幾何校準 數據確定不完美等中心3D旋轉X射線掃描器系統旋轉所圍繞的有效旋轉中心的3D坐標， 所述組幾何校準數據是作為基於計算得到的3D位置數據所執行的3D校準程序的結果而獲 得的。根據該第一範例實施例，可以預見，所述3D校準程序基於圓形回歸算法，該圓形 回歸算法計算與大致圓形環狀偽影的2D投影最佳擬合的回歸圓的中心位置和半徑，所述 大致圓形環狀偽影的2D投影是在從所述投影方向中的每一個上掃描所述校準體模並將所得到的大致圓形環狀偽影投影到所述回歸圓位於的投影平面上時獲得的。該圓形回歸算法 可包括產生與形成大致圓形環狀偽影的一組點最佳擬合的圓的最小二乘擬合，該組點指示 通過根據給定的分割率分割出連接至少一個X射線管的焦斑位置和相關聯的至少一個X射 線探測器的中心位置的每條線所獲得的3D位置。對於所述投影方向中的每一個而言，該分 割比率是通過至少一個X射線管的瞬時焦斑位置和相應圖像採集時間時的特定投影角度 的旋轉中心的當前位置之間的距離與所述至少一個X射線探測器的瞬時中心位置和該時 刻時的該投影角度的當前旋轉中心之間的距離之商而確定的。然後，將藉助於3D校準程序 計算所得的回歸圓的中心位置解釋成當從所採集的該組X射線攝影2D投影圖像重建感興 趣對象時大致圓形環狀偽影的投影平面中的有效旋轉中心。根據該第一範例實施例的進一步改進，可以預見，將垂直於所得的回歸圓的平面 的矢量方向解釋成當從所採集的該組X射線攝影2D投影圖像重建感興趣對象時有效旋轉 軸的方向矢量。由此，基於最小二乘優化標準計算該方向矢量，所述最小二乘優化標準將一 組點擬合成回歸圓並將所得的回歸圓的平面上的法向矢量解釋成有效旋轉軸的方向矢量， 所述點包括當從所述若干不同的投影方向上採集所述組X射線攝影2D投影圖像時針對一 組離散圖像採集時間而言至少一個X射線管的焦斑在焦斑軌跡上的不同角度位置處的給 定數量的離散點和至少一個X射線探測器的中心在探測器軌跡上的對徑位置處的對應數 量的離散點。然後，有效旋轉中心可被計算為位於至少一個X射線管的焦斑的軌跡平面與相關 聯的至少一個X射線探測器的中心的軌跡平面之間的點，其中，所述點由此位於所述法向 矢量的方向上，即位於距所述焦斑軌跡平面和所述探測器軌跡平面的一定距離處，距所述 焦點軌跡平面和所述探測器軌跡平面的距離比等於所述分割比。本發明的第二實施例針對一種一組X射線攝影2D投影圖像對感興趣對象進行斷 層攝影重建的方法，所述組X射線攝影2D投影圖像是由包括至少一個X射線管和相對於所 述X射線管對徑布置的相關聯的至少一個X射線探測器的不完美等中心3D旋轉X射線掃 描器系統從若干不同的投影方向上採集的，其中，所述圖像是在沿兩個圓形軌跡圍繞所述 對象移動所述X射線管和所述X射線探測器時採集的。根據本發明，如上面參考所述第一 範例實施例提到的，所述方法可包括用於消除大致圓形環狀偽影的校準方法。本發明的第三範例實施例針對一種在計算機斷層攝影中使用的不完美等中心的 基於C型臂的3D旋轉X射線掃描器系統，其中，所述系統包括適於執行如上面參考所述第 一範例實施例提到的校準方法的校準單元。另外，所提議的C型臂系統可包括與所述校準 單元進行交互的重建單元，其中，所述重建單元適於執行如上面參考所述第二範例實施例 提到的重建方法。最後，本發明的第四範例涉及一種當在用於對如上面參考所述第三範例實施例實 施提到的基於C型臂的3D旋轉X射線掃描器系統進行校準的校準單元上實施並運行時執 行如上面參考所述第一範例實施例提到的方法的電腦程式產品。作為本發明有利的方 面，進一步提供，所述電腦程式產品可包括用於當在如前面參考所述第三範例實施例提 到的基於C型臂的3D旋轉X射線成像系統上實施並運行時執行如上面參考所述第二範例 實施例提到的方法的軟體例程。


本發明的這些和其他有利方面將通過舉例參考下文描述的各實施並參考附圖得 以闡述。在附圖中圖Ia示出了如現有技術所知的在斷層攝影X射線成像中使用的基於可移動C型 臂的旋轉X射線掃描器系統的常規機構配置；圖Ib示出了圖示出用於對圖Ia所示的基於可移動C型臂的旋轉X射線掃描器系 統的操作進行控制所需要的信號流的示意性方框圖；圖2示出了被圓形環狀偽影惡化的橫斷身體掃描，所述圓形環狀偽影是由於基於 可移動C型臂的旋轉X射線掃描器系統的機械部件的不完美對準造成的，而這種不完美對 準使得旋轉中心隨旋轉角度而改變；圖3圖示出使用完美等中心的第三代3D旋轉X射線掃描器系統(其包括一個沒 有校準的X射線探測器)在圖像採集期間的圓形環狀偽影的形成；圖4a是一 3D圖形，其示出了不完美等中心3D旋轉X射線掃描器系統的X射線管 的焦斑進行移動的不完美圓形軌跡的一半和與所述X射線管對置的X輻射敏感探測器的中 心進行移動的不完美圓形軌跡的對應另一半，所述軌跡通過使用校準體模來確定，並且該 3D圖形還示出了作為在本申請中提到的校準方法而獲得的對應的有效旋轉中心和有效旋 轉軸；圖4b是一個2D圖形，其示出了投影到2D投影平面上的形成焦斑軌跡(用粗體線 類型印刷的具有大半徑的半圓)的一組點和形成探測器軌跡(用粗體線類型印刷的具有 小半徑的半圓)的另一組點，以及根據最小二乘優化標準與相應軌跡最佳擬合的對應回歸 圓；圖4c示出了圖4b中2D圖形靠近所計算的有效旋轉中心的區域的放大版本，從而 示出了投影到前述2D投影平面上的形成偽影的一組點，所述點基本上類似於一個圓，該組 點根據最小二乘優化標準與回歸圓擬合；圖5示出了圖示出根據本發明的校準和3D重建方法的流程圖。
具體實施例方式在下文中，根據本發明上述各範例實施例的所要求保護的校準方法和基於C型臂 的3D旋轉X射線成像系統將針對具體細節並參考各附圖詳細解釋。在圖Ia中，示出了如相關現有技術(例如像在US 2002/0168053 Al中所公開的) 所知的在斷層攝影X射線成像中使用的基於可移動C型臂的旋轉X射線掃描器系統的常規 機構配置。所述CT系統包括X射線源S和設置於C型臂CA相對端的X射線探測器D，所述 C型臂CA樞軸安置從而可圍繞水平推進軸PA旋轉，並且可藉助於C型臂底座M圍繞垂直於 所述推進軸的水平C型臂軸CAA旋轉，這樣使得所述X射線源和X射線探測器能夠圍繞橫 越直角坐標軸X、1、ζ的靜態3D笛卡爾坐標系的y軸和/或ζ軸以旋轉角(分別為θ i或 θ2,)旋轉，其中，χ軸具有C型臂軸CAA的方向，y軸是垂直於患者臺平面(z-x平面)的 豎直軸，而ζ軸具有推進軸PA的方向。C型臂軸CAA，其指向垂直於繪製平面(y-z平面) 的方向，從而經過C型臂組件的等中心IC。X射線源S的焦斑位置與X射線探測器D的中 心位置之間的連接直線與推進軸PA和C型臂軸CAA相交於等中心IC的坐標處。C型臂CA藉助於L型臂LA樞軸設置，從而可圍繞L型臂軸LAA旋轉，該L型臂軸LAA具有y軸的方 向並且與推進軸PA和C型臂軸CAA相交於等中心IC的坐標處。設置控制單元⑶以對用 來沿著指定軌跡圍繞感興趣對象移動X射線源S和X射線探測器D的至少兩個電機的操作 進行連續控制，所述感興趣對象在圍繞L型臂軸LAA或推進軸PA進行旋轉時被置於由C型 臂CA覆蓋的球形軌道(檢查範圍)內的等中心IC的區域中。從圖Ia可以輕鬆地看出，具 有X射線探測器D和X射線源S的C型臂CA能夠圍繞C型臂軸CAA旋轉的同時，C型臂底 座M圍繞推進軸PA旋轉，並且採集待檢查感興趣對象的投影圖像。在圖Ib中示出了按需要對圖Ia所示的基於可移動C型臂的旋轉X射線掃描器系 統IOOa的操作進行控制的信號流的示意性方框圖100b。在圖Ib的示意性方框圖中，僅示 出了單排探測器元件D(即探測器排)。然而，諸如由附圖標記DA所指示的多片層探測器 陣列包括多排平行的探測器元件D，使得在一次掃描時可同時採集對應於多個準平行或平 行片層的投影數據。或者，可使用區域探測器來採集錐束數據。X射線源S的操作可由CT 系統IOOa的控制機構進行控制，所述控制機構由控制單元CU運行。控制單元CU包括給X 射線源S提供電能和計時信號的X射線控制器Ctr。屬於所述控制機構CU的數據採集系 統DAS從探測器元件D中採樣模擬數據，並將所述數據轉換成數位訊號以用於後序處理。 圖像重建器IR從數據採集系統DAS接收經採樣並數位化的X射線數據，並進行高速圖像重 建。將重建後的圖像作為輸入應用到工作站WS中，所述工作站將所述圖像保存在大容量存 貯設備St中。圖像重建器IR可以是位於工作站WS內的專門硬體或者是由該計算機運行 的軟體程序。所述工作站WS還經用戶界面或圖形用戶界面(⑶I)接收信號。具體而言，所述計 算機從操作者控制臺OC接收指令和掃描參數，所述操作者控制臺在一些配置中可包括鍵 盤和滑鼠(未示出)。相關聯的顯示器DIS(例如陰極射線源顯示器)能夠使操作者觀察 來自工作站WS的重建後的圖像和其他數據。由工作站WS將操作者提供的指令和參數用 於給X射線控制器Ctr、數據採集系統DAS和與機動化患者臺PT進行通信的臺電機控制器 MC (也被稱為「移動控制器」)提供控制信號和信息，所述臺電機控制器MC控制所述患者臺 以便精確定位患者Pt。在一些配置中，工作站WS可包括存儲設備MR(也被稱為「介質讀取 器」)，例如軟盤驅動器、CD-ROM驅動器、DVD驅動器、磁性光碟(MOD)設備或包括網絡連接 設備(例如乙太網設備)的任何其他數字設備，用來從諸如軟盤、CR-ROM或DVD的計算機 可讀介質CRM讀取指令和/或數據。圖2示出了被若干等中心圓形環狀偽影(RA1, RA2, RA3, RA4和RA5)惡化的橫斷身體 掃描，所述圓形環狀偽影是由於不完美等中心的基於可移動C型臂的旋轉X射線掃描器系 統的機械部件的不完美對準(更準確的說，是由於X射線管的焦點和暴露於所述X射線管 發射的X射線束且受其照射的X輻射敏感探測器或探測器陣列的不完美對準)所造成的， 這使得旋轉中心隨旋轉角度而改變。由於旋轉軸不能完美垂直於由兩個正交坐標軸X和y 生成的橫斷成像平面(χ-y平面)，因此對於三維重建感興趣對象的每個切片而言，旋轉中 心可能是不同的(見圖4c)。在圖3中，示出了一示意圖，其描述了利用具有旋轉X射線管S和與所述X射線源 對置的共同旋轉X輻射敏感探測器陣列DA的完全等中心的第三代3D旋轉X射線掃描器系 統在圖像採集期間圓形環狀偽影RA的形成，所述旋轉X射線管S的焦斑在圖像採集平面中沿圓形軌跡Tf圍繞感興趣對象(未示出)移動，其中，所述探測器陣列DA中所含的一個X 射線探測器Di沒有校準。如前面所解釋的，這種圓形環狀偽影RA可能是在從一組2D投影 圖像的體數據對感興趣對象進行三維重建時出現的，在X射線管的焦斑和X射線探測器的 探測器中心分別沿不完美圓形焦點軌跡Tf或不完美圓形探測器軌跡Tm進行移動的同時， 已經由不理想等中心的3D旋轉X射線掃描器系統的X射線管和X射線探測器採集該組2D 投影圖像。現在參考圖4a，示出了一 3D圖形，正如在本申請所述和要求保護的校準方法範圍 內確定的，該3D圖形描繪出由3D旋轉X射線掃描器系統的X射線管S的焦斑所經過的不 完美圓形焦點軌跡Tf的一半和由與所述X射線管對徑布置並暴露於來自所述X射線管發 射的X射線束且被其照射的X輻射敏感探測器D的中心所經過的不完美圓形軌跡Tm的對 應另一半。如上所述，所述軌跡可通過使用校準體模在3D中確定。作為本文所述方法的結
果，獲得有效旋轉中心Gf的位置矢量Pg = OPf0 (其中0是具有三個正交坐標軸x、y和ζ
的靜態3D笛卡兒坐標系的原點)和有效旋轉軸(或「有效等中心」)的方向矢量Pg，其中，
將後者描繪成在由這些坐標軸生成的3D矢量空間中的直線ε E3 I χ =式+廣&其
■ }。在圖4b中，描繪了一 2D圖形，其示出了投影到由焦點軌跡平面(此處範例地假 定與探測器軌跡平面共面)給定的2D投影平面(χ』 -y』平面)上的形成所述焦點軌跡Tf 的一組點(用粗體線類型印刷的具有大半徑的半圓)和形成所述探測器軌跡Tm的另一組 點(用粗體線類型印刷的具有小半徑的半圓)。此外，在該2D圖形中描繪了根據最小二乘 優化標準，與焦點軌跡最佳擬合的對應回歸圓RCf和與探測器軌跡最佳擬合的對應回歸圓 RCd。點Pf(t = tn)和Pm (t = tn)表示X射線管的焦斑和所述X輻射敏感探測器D的中心 在離散圖像採集時間t = tn(其中tn = tQ+nAt且η e {0，1，2，...，N}的瞬時位置，其中， 、是圖像採集時期的開始時間，而At表示當圍繞待斷層攝影重建和可視化的感興趣對象， 旋轉3D旋轉C型臂掃描器系統的X射線管S和X射線探測器D時，從兩個相鄰投影方向的 隨後兩個2D投影圖像的採集之間的掃描間隔)。圖4c示出了圖4b中的2D圖形中靠近所計算的有效旋轉中心Λ 的區域的放大 版本，從而示出了投影到焦點軌跡平面(X』 _y』平面)上的形成偽影的一組點，所述偽影 基本上類似於與根據最小二乘優化標準的回歸圓RC相擬合的圓。例如，在由M. Jifina and F. Hakl 撰寫的公幵文獻「Study ofundeterministic methods for data separation in physics. Technical report No. 903」(Institute of Computer Science, Academy of Sciences of the CzechRepublic。2003 年 12 月；ftp://ftp. cs. cas. cz/pub/reports/ v903-03.pdf)中描述的方法可用於使該問題線性化。作為該方法的結果，獲得所述回歸圓 RC的中心Mkc和半徑rK，其中，所述中心坐標可解釋為3D旋轉C型臂掃描器系統的有效旋 轉中心(「有效等中心」)。根據本申請所公開的發明，通過對每個投影方向(從而對於每 個圖像採集時間1)畫出從X射線焦點到探測器中心的連接直線，並根據分割比Xn分割出 連接X射線管的焦斑位置PF(t = tn)和X射線探測器的中心位置Pm(t = tn)的每條線來 獲得所述組點，對於每個投影方向而言，通過所述X射線管的瞬時焦斑位置&(〖=tn)和時 間t = tn時的相應投影角度的旋轉中心的當前位置之間的距離與所述X射線探測器的瞬時中心位置Pm (t = tn)和此時刻時的該投影角度的當前旋轉中心之間的距離之商來確定 所述分割比xn。這樣，將所得的回歸圓RC的中心Μκ(其對應於大致圓形環狀偽影的質心 位置)解釋為C型臂系統的有效旋轉中心Pf。如從圖4c中可以輕鬆地看出，與所有焦點 位置和探測器位置(在圖4c中稱之為「焦點質心位置」和「探測器質心位置」，其分別由焦 點回歸圓RCf和探測器回歸圓RCd的中心Mf和Md給定)擬合的中心未必與所計算的回歸圓 RC的中心位置Mkc所給定的有效旋轉中心i^f重合。從圖4c中還可以得出，所計算的回歸 圓RCf和RCd也未必是等中心的，如同將他們的中心Mf和Md描繪成並不重合的單獨點。值得注意的是，上述方法僅涉及將形成所述偽影的投影到焦點軌跡平面內的所述 組點到位於該平面內的回歸圓的最小二乘擬合。然而，實際上，由於機械剪切力和施加到C 型臂CA末端(X射線管和X射線探測器安裝於此)的彎曲力矩，和/或由於這些系統部件 的不完美對準，真正的有效旋轉軸(在此範例地由推進軸PA給定)並不完美垂直於按照精 確執行橫斷身體掃描所需的那樣的精確豎直圖像採集平面(x_y平面)。因此，必須執行一 個額外的步驟。根據如上所述的程序的進一步細化，所建議的方法包括將一組點到3D中回 歸圓的線性二乘擬合，所述點包括焦點軌跡1上的離散焦斑位置PF(t = tn)和探測器軌跡 Tm上的對應離散探測中心位置Pm(t = tn)。所獲得的回歸圓位於一個平面內，可將該平面 解釋成構成了真正的有效旋轉平面E，在下文中也稱之為x」-y」平面(未示出)。對垂直於 該平面(獲得該平面的3D坐標作為該方法的結果)的矢量4，特別是對長度標準化的法向 矢量4。進行計算並將其解釋為指向真正的有效旋轉軸的方向。這不同於如圖4c中所描述 的情形，在圖4c中有效旋轉軸的角度方向分別是焦點軌跡平面或共面探測器軌跡平面上 的法向矢量。所述細化程序進一步預見到，真正的有效旋轉軸(在下面稱之為Af')能按照介 於焦點軌跡平面和探測器軌跡平面之間的點(其位於標準化法向矢量4。的方向上)來建 立(find)，即距所述焦點軌跡平面和所述探測器軌跡平面一定距離，其距離比等於所述分 割比xn。這樣通過將回歸圓RC的中心Mk投影到x」_y」平面上可建立Af 』的坐標。圖5中示出了根據本發明的校準和3D重建方法的流程圖。所述方法開始於詢問核查(Si)是否已經接收到啟動新圖像採集時期的控制命令 (例如加電信號)。只要不是這種狀況，程序在給定的延遲時間後繼續循環步驟Si。在已經 受到這種切換命令後，當沿圓形軌跡圍繞待可視化和斷層攝影重建的對象移動所述X射線 管和X射線探測器中的每個時，從所述投影方向中的每一個上掃描(S2)校準體模。對於每 個投影方向，從採集的2D投影圖像中計算(S3)至少一個X射線管的焦斑的3D位置和相關 聯的至少一個X射線探測器(D)的3D中心位置。此後，從一組幾何校準數據(其作為根據 計算的3D位置數據所運行的3D校準程序(S4)的結果而獲得)中確定(S5，S5』)不完美等 中心3D旋轉X射線掃描器系統旋轉所圍繞的有效旋轉中心的3D坐標以及有效旋轉軸的方 向矢量，作為基於所計算的3D位置數據執行的3D校準程序(S4)的結果而獲得該組幾何校 準數據。當接收到(S6)終止運行圖像採集時期的切換命令(例如去電信號)時，所採集的 2D投影圖像進行3D重建程序(S7)，所述3D重建程序使用所計算的有效旋轉中心的坐標和 /或所計算的有效旋轉軸的方向矢量，以對應地校正大致圓形環狀偽影，其是在所述圖像採 集時期期間圍繞感興趣對象進行旋轉的同時，由於所述X射線管的焦斑和所述X射線探測 器的中心在不完美等中心的焦點上和探測器軌跡上移動以其他方式所造成的。另外，在給定的延遲時間期滿後，所述程序繼續重複步驟S6。本發明的應用本發明和上面各範例實施例可在計算機斷層攝影中使用的不完美等中心3D旋轉 X射線成像系統的範圍內使用，更具體地，在使用基於體模的3D校準程序以進行環狀偽影 校正算法(例如由)Ctra Vision 6. 2. 2版本的XperCT環狀偽影校正模塊所執行的)的3D重 建應用的範圍內使用。從而所建議的方法證明對200°角度範圍內的推進器掃描和180° 角度範圍內的滾動掃描均能很好地工作。雖然已經在附圖和說明書中詳細地說明和描述了本發明，但是這種說明和描述應 被認為是說明性的或示例性的，而非限制性的，這意味著本發明並不限於所描述的各個實 施例。本領域技術人員在研究附圖、說明書和權利要求書後實施所要求保護的發明時能夠 理解並實現對於所公開各實施例的其他變型。在權利要求中，單詞「包括」並不排除其他元 件或步驟，而不定冠詞「一」或「一個」並不排除多個。在多個不同從屬權利要求中記載的 特定措施並不表示不能使用這些措施的組合以產生良好的效果。可將電腦程式存儲或分 布在合適的介質中，例如光存儲介質或連同其他硬體或作為其一部分的固態介質，但也可 將其以其他形式分布，例如經網際網路或者其他有線或無線電信系統。權利要求書中的任何 附圖標記不應理解為是對發明範圍的限制。
權利要求
1.一種用於消除一組X射線攝影2D投影圖像中的大致圓形環狀偽影(RA，RA1, RA2, RA3, RA4, RA5)的校準方法，所述組X射線攝影2D投影圖像是由配有至少一個X射線管(S) 和相對於所述X射線管(S)對徑布置的相關聯的至少一個X射線探測器(D)的不完美等中 心3D旋轉X射線掃描器系統從若干不同投影方向上採集的，所述校準方法包括如下步驟-當沿圓形軌跡(TF，Tcd)圍繞待可視化及斷層攝影重建的對象移動所述X射線管(S) 和X射線探測器(D)中的每一個時，從所述投影方向中的每一個上掃描(S》校準體模，-對於每一個投影方向，從所採集的2D投影圖像計算(S； )所述至少一個X射線管的焦 斑的3D位置(Pf)和相關聯的所述至少一個X射線探測器⑶的3D中心位置(Pm)，以及-從一組幾何校準數據確定(SO所述不完美等中心3D旋轉X射線掃描器系統旋轉所 圍繞的有效旋轉中心UfMPf0,)的3D坐標，所述組幾何校準數據是作為基於計算得 到的3D位置數據所執行的3D校準程序(S4)的結果而獲得的。
2.根據權利要求1所述的校準方法，其中，所述3D校準程序(S4)基於圓形回歸算法，所述圓形回歸算法計算與大致圓形環 狀偽影(RA)的2D投影最佳擬合的回歸圓(RC)的中心位置UfJ和半徑( )，所述 大致圓形環狀偽影(RA)的2D投影是在從所述投影方向中的每一個上掃描所述校準體模並 將所得到的大致圓形環狀偽影(RA)投影到所述回歸圓(RC)位於的投影平面上時獲得的。
3.根據權利要求2所述的校準方法，其中所述圓形回歸算法包括產生與形成大致圓形環狀偽影(RA)的一組點( )最佳擬合 的圓的最小二乘擬合，所述組點指示通過根據給定的分割比(xn)分割出連接所述至少一 個X射線管的焦斑位置(Pf)和相關聯的所述至少一個X射線探測器(D)的中心位置(Pm) 的每條線而獲得的3D位置。
4.根據權利要求3所述的校準方法，其中，對於所述投影方向中的每一個而言，所述分割比(xn)是通過所述至少一個X射 線管的瞬時焦斑位置(PF(t = tn))和相應的圖像採集時間(tn)時的特定投影角度的旋轉中 心的當前位置之間的距離與所述至少一個X射線探測器(D)的瞬時中心位置(Pm(t = tn)) 和該時刻(tn)時的該投影角度的當前旋轉中心之間的距離之商而確定的。
5.根據權利要求2至4中任一項所述的校準方法， 其中，將藉助於所述3D校準程序計算所得的回歸圓(RC)的中心位置(Mkc)解釋為當從 所採集的該組X射線攝影2D投影圖像重建感興趣對象時所述大致圓形環狀偽影(RA)的投 影平面中的有效旋轉中心(Pf0 )。
6.根據權利要求2至4中任一項所述的校準方法，其中，將垂直於所得的回歸圓(RC)的平面的矢量方向解釋為當從所採集的該組X射線 攝影2D投影圖像重建感興趣對象時有效旋轉軸的方向矢量(LAA或PA)。
7.根據權利要求1所述的校準方法，其中，基於最小二乘優化標準計算有效旋轉軸的方向矢量(LAA或PA)所述最小二乘優 化標準用於將一組點擬合成回歸圓(RC)並將所得的回歸圓的平面(E)上的法向矢量( 解釋成所述有效旋轉軸的方向矢量(LAA或PA)，所述點包括當從所述若干不同的投影方向 上採集所述組X射線攝影2D投影圖像時針對一組離散圖像採集時間(tn)而言所述至少一個X射線管的焦斑在焦斑軌跡(Tf)上的不同角位置處的給定數量的離散點(PF(t = tn))和 所述至少一個X射線探測器的中心在探測器軌跡(Tcd)上的對徑位置處的對應數量的離散 點(Pm (t = tn))。
8.根據權利要求7所述的校準方法，其中，所述有效旋轉中心(Pf0')被計算為位於所述至少一個X射線管的焦斑的軌跡平 面和相關聯的所述至少一個X射線探測器的中心的軌跡平面之間的點，所述點位於所述法 向矢量(nE )的方向中，即位於距所述焦點軌跡平面和所述探測器軌跡平面的一定距離處， 距所述焦點軌跡平面和所述探測器軌跡平面的距離比等於所述分割比(xn)。
9.一種從一組X射線攝影2D投影圖像對感興趣對象進行斷層攝影重建的方法，所述組 X射線攝影2D投影圖像是由包括至少一個X射線管(S)和相對於所述X射線管(S)對徑布 置的相關聯的至少一個X射線探測器(D)的不完美等中心3D旋轉X射線掃描器系統從若 幹不同的投影方向上採集的，所述圖像是在沿兩個圓形軌跡圍繞所述對象移動所述X射線 管( 和所述X射線探測器(D)時採集的，其中，所述方法包括根據權利要求1至8中任一項所述的用於消除大致圓形環狀偽影 (RA1, RA2, RA3, RA4, RA5)的校準方法。
10.一種在計算機斷層攝影中使用的不完美等中心的基於C型臂的3D旋轉X射線掃描 器系統，其包括適於執行如權利要求1至8中任一項所述的校準方法的校準單元。
11.一種根據權利要求10所述的基於C型臂的3D旋轉X射線掃描器系統，其包括與所 述校準單元進行交互的重建單元，其中，所述重建單元適於執行如權利要求9所述的重建 方法。
12.一種當在用於對如權利要求10所述的基於C型臂的3D旋轉X射線成像系統進行 校準的校準單元上實施並運行時執行根據權利要求1至8中任一項所述的方法的電腦程式廣品。
13.一種根據權利要求12的電腦程式產品，其包括當在如權利要求11所述的基於C 型臂的3D旋轉X射線掃描器系統的重建單元上實施並運行時執行根據權利要求9所述的 方法的軟體例程。
全文摘要
本發明涉及一種在計算機斷層攝影(CT)中使用的3D旋轉X射線成像系統，更具體而言，涉及一種快速、準確並且數學穩健的校準方法，其用於確定不完美等中心3D旋轉C型臂系統中的有效旋轉中心(I)，並消除在使用這種CT掃描器系統採集待三維重建的感興趣對象的一組2D投影圖像時產生的大致圓形環狀偽影(RA)。為此，基於C型臂的旋轉CT掃描器包括至少一個輻射探測器(D)，該輻射探測器具有暴露於由至少一個X射線管(S)所發射的X射線束的X輻射敏感表面，所述輻射探測器和X射線管中的每個沿不理想圓形軌跡(TF，TCD)圍繞要從一組2D投影圖像三維重建的感興趣對象進行旋轉，使用這樣的，基於C型臂的旋轉CT掃描器通過從多個不同的投影方向掃描校準體模來提供幾何校準數據，並為每個投影方向計算X射線管的焦斑和X射線探測器的中心的3D位置。為了近似至少一個X射線管和至少一個放射探測器旋轉所圍繞的旋轉軸的準確的3D位置和角度方向，採用了使用大量數學穩健的最小二乘擬合的圓形回歸技術。
文檔編號A61B6/00GK102123664SQ200980130829
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月11日 優先權日2008年8月13日
發明者J·蒂默, N·J·諾德赫克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司