利用三个数据域迭代重建计算机断层扫描图像的系统专利检索-计算机断层扫描诊断设备和程序专利检索查询-专利查询网

利用三个数据域 迭代重建计算机 断层扫描图像的系统

阅读：40发布：2020-05-12

专利汇可以提供利用三个数据域迭代重建计算机断层扫描图像的系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种通过三个域迭代重建计算机断层扫描图像的系统。该系统包括原始域处理器，投影域处理器和图像域处理器。该系统还包括两个迭代循环：一个是通过连接原始域处理器和投影域处理器的原始合成器，另一个是通过分别连接投影域处理器和图像域处理器的投影合成器。，下面是利用三个数据域迭代重建计算机断层扫描图像的系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于重建CT图像的系统，包括：
A. CT 数据采集系统，用于在每个视角处为每个探测器单元生成原始数据；
B. 原始域处理器，用于在每个视角处为每个探测器单元生成M组序列投影数据；其中M是对应于所述CT数据采集系统的X射线源的离散X射线光谱的预定能量间隔的数量；
C. 投影域处理器，用于产生M组序列图像数据；
其中所述投影域处理器还产生迭代投影数据；
D. 图像域处理器，用于生成CT图像；
其中所述图像域处理器还生成迭代图像数据；
E. 原始合成器，用于生成合成原始数据；
F. 投影合成器，用于生成合成投影数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述原始域处理器还产生空气校正数据；
其中，所述M组序列投影数据中的每一组是具有K个序列系数的所述空气校正数据的多项式函数；其中K是所述多项式函数的次数。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述原始域处理器通过在每次迭代时用梯度项更新所述序列系数来迭代地产生所述序列系数。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述原始域处理器还产生偏移校正数据并在每次迭代时使用所述合成原始数据、所述偏移校正数据、所述离散X射线谱、所述空气校正数据和所述迭代投影数据以产生所述梯度项。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述投影域处理器通过最小化包括具有所述合成投影数据和所述序列投影数据的数据保真度项的目标函数来迭代地产生所述序列图像数据。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述目标函数包括对所述迭代图像数据的正则化项。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述图像域处理器使用M个预定的能量相关加权系数来计算所述序列图像数据的加权平均值得到所述CT图像。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述原始合成器使用所述迭代投影数据生成所述合成原始数据，方式为，
其中S（E）是所述离散X射线光谱，E0+ΔE，...，E0+(M-1)ΔE是X射线能量的所述M个预定能量间隔，E0是第一能量间隔，ΔE是能量间隔大小，n和c是每个探测器元素的行索引和列索引，v是每个视角的索引。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：CT数据采集系统提供给原始域处理器所需的原始数据，原始域处理器通过投影域处理器和原始合成器构成第一迭代循环，第一迭代循环使输出的序列投影数据从所输入的原始数据所获得的信息量最大化；投影域处理器通过图像域处理器和投影合成器构成第二迭代循环，第二迭代循环使输出的CT图像从所输入的序列投影数据所获得的信息量最大化。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述两迭代循环均以所述离散X射线光谱作为中间变量进行迭代。

说明书全文

利用三个数据域迭代重建计算机 断层扫描图像的系统

[0001]

技术领域

[0002] 本发明涉及使用检测到的X射线信号生成计算机断层扫描（CT）图像，具体涉及通过以下三个数据域迭代地重建CT图像的系统：原始数据域、投影数据域和图像数据域。

背景技术

[0003] 在X射线CT系统中，X射线用于对主体或目标的某一区域的内部结构和特征进行成像。术语“主体”和“目标”应包括能够成像的任何物体。成像过程通过X射线CT系统执行，该X射线CT系统使用X射线对对象区域的多个薄平面切片或3D空间的内部结构和特征进行成像。在医学应用中，成像目标包括人体。

[0004] X射线CT系统通常包括提供锥形X射线束的X射线源和面向X射线源的紧密间隔排列的X射线探测器阵列。X射线源和探测器阵列安装在台架上，使得接受CT系统成像的患者可以躺在适当的支撑床上被定位在台架内并位于X射线源和探测器阵列之间。台架和床可相对于彼此移动，使得X射线源和探测器阵列可沿患者身体的轴向定位在所需位置。

[0005] 该台架包括称为定子的固定结构和称为转子的旋转元件，该旋转元件安装在定子上，使得转子可绕轴向旋转。在第三代CT系统中，X射线源和探测器阵列安装在转子上。转子围绕轴向的角度位置是可控的，使得X射线源可以被定位在患者身体周围的所需角度，称为视角，也可以称为视角位置或视角指数。

[0006] 为了对患者身体的某个区域的切片成像， X射线源被定位在切片的一个轴向位置处并且围绕切片旋转，以利用来自复数个不同视角的X射线照射切片。在每个视角处，探测器单元阵列中的探测器单元对来自X射线源并通过切片的X射线的强度发生响应而产生信号。对信号进行处理，以确定来自X射线源的X射线在从X射线源穿过切片到达探测器的过程中，在穿过切片的不同路径长度上衰减的量。X射线衰减的量用于确定切片中材料的X射线吸收系数对应于切片中位置的函数。吸收系数用于生成切片的图像并识别切片中组织的组成和密度。

[0007] 包括在CT系统的探测器阵列中的X射线探测器通常被封装在多个模块中，下文中称为探测器模块，每个模块包括多个X射线探测器单元。大多数现代CT系统是多层CT系统，其被设计成同时对患者的多个切片成像。多层CT 扫描仪的每个探测器模块中的X射线探测器单元以行和列的矩阵排列。 CT系统中任何两个CT探测器模块的X射线探测器矩阵实质相同，并且包括相同数量的探测器单元行和相同数量的探测器单元列。这些模块以紧密排列的阵列相邻，其排列的探测器行端对端地对齐，使得X射线探测器单元形成多个长排平行的X射线探测器单元行。

[0008] 由X射线探测器系统检测和数字化的信号用于重建CT图像，以便于放射科医师进行评估，用于医学诊断。CT图像重建通常使用滤波反投影（FBP）算法来进行快速计算。然而，FBP算法的基础数学和物理模型过于简化，不能充分利用CT系统获得的信息。

发明内容

[0009] 本发明的发明目的是提供一种用于重建CT图像的系统。

[0010] 为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种用于迭代地重建CT图像的系统，包括用于在每个视角处为每个探测器单元生成原始数据的CT 数据采集系统，用于在每个视角为每个探测器生成M组序列投影数据的原始域处理器，其中M是对应于CT数据采集系统的X射线源的离散X射线光谱的预定能量间隔的数量，用于产生M组序列图像数据的投影域处理器，用于产生CT图像的图像域处理器，用于产生合成原始数据的原始合成器，以及用于产生合成投影数据的投影合成器。

[0011] 进一步的技术方案，原始域处理器和投影域处理器通过原始合成器连接以形成第一迭代循环，以迭代地生成序列投影数据。M组序列投影数据中的每一组是具有K个序列系数的空气校正数据的多项式函数，并且K是多项式函数的次数。通过计算梯度项，由原始域处理器迭代地计算和更新序列系数。

[0012] 进一步的技术方案，投影域处理器和图像域处理器通过投影合成器连接以形成第二迭代循环，以迭代地生成序列图像数据。通过最小化目标函数来迭代地计算M组序列图像数据中的每一组，所述目标函数由数据保真度项和正则化项组成。

[0013] 上述技术方案中，CT数据采集系统提供给原始域处理器所需的原始数据，原始域处理器通过投影域处理器和原始合成器构成第一迭代循环，第一迭代循环使输出的序列投影数据从所输入的原始数据所获得的信息量最大化；投影域处理器通过图像域处理器和投影合成器构成第二迭代循环，第二迭代循环使输出的CT图像从所输入的序列投影数据所获得的信息量最大化。

[0014] 所述两迭代循环均以所述离散X射线光谱作为中间变量进行迭代。

[0015] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：现在常用的如滤波反投影（FBP）算法以按照对于三个数据域进行串行处理的方法，即原始域数据处理后变成投影域数据，投影域数据处理后变成图像，这种串行处理的方式使数据的信息量在每个域处理后递减，从而未能有效利用包含在数据中的所有信息。本发明通过对X射线光谱作为最为本源的信息进行数学建模，通过对原始域、投影域以及图像域的三个数据域的数据围绕X射线光谱进行迭代，即以离散X射线光谱作为中间变量进行迭代，每次迭代均达到目标函数最优化，即信息传递最大化，从而使重建出来的CT图像把CT系统获得的信息以最大程度的方式表达出来，有利于CT图像的后续应用，也可以比常用方法下数据采集时使用更低剂量而获得同样质量的图像。
附图说明

[0016] 图1是现有技术中多层X射线CT系统的功能性结构示意图。

[0017] 图2是本发明实施例中利用三个域迭代重建CT图像的系统框架图。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：实施例一：图1所示为现有技术的多层X射线CT系统100的功能性示意图。多层CT系统通常包括X射线源110，其产生锥形X射线束140。X射线束140穿过预准直器130，其允许X射线束仅照射目标区域并阻挡不想要的区域中的X射线束。患者通常躺在扫描仪的扫描视场（FOV）
150内，被X射线束140照射。 X射线探测器系统120接收X射线光子并转换成与X射线光子能量成比例的模拟信号。X射线CT系统100还包括机架160，机架160包括旋转部分162和固定部分164。X射线源110、准直仪130和探测器系统120安装在旋转部分162上。旋转部分162围绕旋转中心C 170旋转。

[0019] X射线源110的焦点S（有时可互换地称为X射线源位置）与旋转中心C（可互换地称为等中心）之间的距离182在下文中称为Rsc，并且，X射线源110的焦点S与探测器系统D之间的距离180在下文中称为聚焦距离Rsd。不同的CT系统可以具有不同的Rsc，Rsd或/和扫描FOV。

[0020] 从等中心到X射线源的焦点的方向在下文中称为Y轴，垂直于成像平面或旋转平面的方向在下文中称为Z轴，在旋转平面内并且垂直于的Y轴的方向称为X轴。

[0021] 图2示出了根据本发明公开的一个实施例的用于通过三个数据域迭代地重建CT图像的系统的布置。

[0022] 本发明的一个实施例中，CT探测器系统中的CT数据采集系统（DAS）210将从探测器生成的模拟信号数字化为原始数据212，然后将其馈送到原始域处理器220以生成序列投影数据222，其被馈送到投影域处理器230。投影域处理器230生成迭代投影数据234，其被馈送到原始合成器250和原始域处理器220。投影域处理器230生成序列图像数据232，被馈送到图像域处理器240进行处理。图像域处理器240生成迭代图像数据242，其被馈送到投影合成器260和投影域处理器230。还从图像域处理器240生成CT图像270，以便由例如放射科医师用于医学应用中的评估。

[0023] 原始数据R(n，c，v)是由每个视角v处的每个探测器单元元件(n，c)接收的信号，并且由DAS 210数字化，包含由处于扫描视野中的对象衰减后的X射线信号强度的信息。其中探测器行索引n = 0，...，N-1，探测器列索引c = 0，...，C-1，视角索引v = 0，...，V-1，N、C和V分别是探测器行数、探测器列数和视角数。每个探测器系统包括N行和C列探测器单元，总共NC个探测器单元。原始数据包括全部NCV个数据点。

[0024] 在本发明的一个实施例中，原始域处理器220处理原始数据R(n，c，v)以生成如下偏移校正数据Ro(n，c，v)， (1.1)
其中，偏移数据O(n，c，v)是预先获取并存储在原始域处理器220中的。

[0025] 进一步地，原始域处理器220对偏移校正数据Ro(n，c，v)进行处理，以生成如下空气校正数据Pa(n，c，v)， (1.2)
其中，空气数据A(n，c，v)也是预先获取并存储在原始域处理器220中的。

[0026] 本发明的一个实施例中，由CT系统的X射线管产生的X射线包含由S(E)表示的宽谱能量，其中E = E0，E0+ΔE，...，E0+(M-1)ΔE，对应于X射线光子的离散能量，其具有每个能量间隔尺寸ΔE和总共M个能量间隔，并且E0是第一能量间隔。X射线谱S(E)预先通过模拟、实验或理论计算获得，并存储在原始合成器250、原始域处理器220和投影域处理器230中。原始合成器250处理迭代的投影数据234，表示为Pi(n，c，v)，生成如下合成原始数据Rs(n，c，v)：
(1.3)
其中，Pi(n，c，v，E)是由投影域处理器230生成的迭代投影数据234。

[0027] 原始域处理器220生成序列投影数据222，表示为Ps(n，c，v，E)，定义为用于校正空气数据的多项式函数，（1.4）
其中，ak(n，c，E)是对应于每个具有多项式系数K的探测器单元(n,c)的依赖于能量的第k个序列系数。注意到上述将空气校正数据分解成M组能量相关的序列投影数据的定义仅需要CT系统在单个X-射线能量处获取原始数据，例如在120kV，而不需要在多个X射线能量下获取原始数据。

[0028] 在本发明的一个替代实施例中，原始数据212包括在多个X射线能量下获取的数据，例如在80kV和140kV下获得的数据，或者数据采集过程中X射线能量在80kV和140kV之间正弦变化。

[0029] 原始域处理器220获取合成原始数据Rs(n，c，v)，偏移校正数据Ro(n，c，v)，迭代投影数据Pi(n，c，v，E)，空气校正数据Pa(n，c，v)和X射线谱S（E），计算用于更新探测器单元（n，c）的第k个串联系数ak(n，c，E)的梯度项gk(n，c，E)，如下，   （1.5）
其中，D(n，c，v)是合成原始数据和偏移校正数据的差值，如下，
   （1.6）
原始域处理器220在每次迭代中如下更新探测器单元（n，c）的第k个能量相关系数，
    (1.7)
其中u和u + 1是迭代步骤，是预定的步长，其也预先优化并存储在原始域处理器
220中。能量相关的第k系数的更新导致由（1.4）式定义的序列投影数据相应更
新。

[0030] 本发明的一个实施例中，投影域处理器230接收序列投影数据222，包括一组M个序列投影数据Ps(n，c，v，E)，对应E = E0，E0+ΔE，...，E0+(M-1)ΔE，并且不经处理直接将它们传送给原始合成器250，即（1.8）
在本发明的另一实施例中，投影域处理器230获取序列投影数据222，并执行一组依赖于数据的处理步骤，包括但不限于诸如散射校正和去条纹以生成迭代投影数据234。

[0031] 根据本发明的一个实施例，投影域处理器230获取序列投影数据222和合成投影数据262，并生成序列图像数据232，表示为，其中x，y，z是其中图像像素的索引，其中x = 0，...，X-1，y = 0，...，Y-1，z = 0，...，Z-1，X、Y和Z表示3D CT图像每个维度的大小。

[0032] 本发明的一个实施例，通过最小化以下目标函数来迭代地生成序列图像数据232，其包括两个项：数据保真度项(data fidelity term)和正则化项
(regularization term)，
（1.9）
其中，是表示序列图像数据232的列向量，也表示为，A是与序列
投影数据222和序列图像数据232相关的系统模型矩阵，是序列投影数据222的列向量表示，也表示为，是迭代图像数据242的列向量表示，表示为
，是正则化变量的正则化函数，因此给出了优化的附加约束。这种
正则化函数的例子如p-norm的形式如下，
（1.10）
其中p是预定常数。在p = 1的情况下，正则化问题也称为总变差正则化或L1正则化；当p = 2时，正则化问题也称为L2正则化。在上述迭代最小化处理中，合成投影数据262的计算，，由投影合成器260执行，并且合成投影数据262也表示为。

[0033] 根据本发明的一个实施例，图像域处理器240接收序列图像数据232并直接将它们传递到投影合成器260而不进行处理，即（1.11）
在一个替代实施例中，图像域处理器240接收序列图像数据232，并执行一系列基于图像的处理步骤，包括但不限于诸如环形伪像去除、骨骼伪像校正、金属伪像减少和高通滤波以生成迭代图像数据242。

[0034] 在一个实施例中，图像域处理器240生成CT图像270，表示为，，（1.12）
其中b（E）是能量相关加权系数E = E0，E0+ΔE，...，E0+(M-1)ΔE，其中，
生成的CT图像270是序列图像数据232的加权平均值。

[0035] 虽然本发明说明书已经具体示出并描述了实施例，本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明说明书的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。特别是上述实施例中，第一迭代循环使输出的序列投影数据从所输入的原始数据所获得的信息量最大化和第二迭代循环使输出的CT图像从所输入的序列投影数据所获得的信息量最大化所设定的不同种类和形式的目标函数以及求得目标函数的方法。

标题	发布/更新时间	阅读量
图像分割方法、装置、计算机可读存储介质和设备	2020-05-11	828
基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法	2020-05-11	595
用于使用深度学习引擎进行自适应放射治疗计划的方法和系统	2020-05-11	601
协议生成系统及方法、协议显示系统、图像生成系统	2020-05-12	223
使用GFAP和UCH-L1的组合辅助诊断和评价人类受试者中创伤性脑损伤的方法	2020-05-13	811
眼科装置及其控制方法、程序和存储介质	2020-05-12	940
来自X射线图像数据的炎症估计	2020-05-12	406
辐射检测器和用于从该辐射检测器输出数据的方法	2020-05-12	998
多模式成像标记物	2020-05-13	499
翻转框架和具有翻转框架的计算机断层扫描仪	2020-05-12	416

利用三个数据域迭代重建计算机断层扫描图像的系统

利用三个数据域迭代重建计算机断层扫描图像的系统

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：