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用于两个倾斜的圆形的计算机 断层成像重建

阅读：316发布：2020-05-12

专利汇可以提供用于两个倾斜的圆形的计算机断层成像重建专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且计算机断层成像设备(10)沿包括第一倾斜圆形(50)和第二倾斜圆形(50′)的轨线获取投影数据。重建器(22)包括微分器(24)、滤波器 (26)和反投影器(27)。所述滤波器(26)采用了根据要重建的位置 (x)而变化的滤波器函数。选择所述滤波器函数的参数，从而使所述重建器(22)执行精确的滤波反投影。，下面是用于两个倾斜的圆形的计算机断层成像重建专利的具体信息内容。

权利要求

1、一种设备，包括：
微分器(22)，其对沿轨线获取的计算机断层成像投影数据求微分，所述轨线包括第一倾斜圆形(50)和第二倾斜圆形(50′)；
滤波器(26)，其对经微分的数据进行滤波，其中，所应用的滤波器的数量(Nf)和方向(en)根据要重建的对象位置(x)而变化；
反投影器(27)，其对经滤波的数据进行反投影。
2、根据权利要求1所述的设备，其中，所述微分器、滤波器和反投影器协同工作，以执行对所述投影数据的精确重建。
3、根据权利要求1所述的设备，其中，所述滤波器沿第二组滤波器线进行滤波，并且其中，所述第一组滤波器线是与虚拟平面探测器相关的直线。
4、根据权利要求3所述的设备，其中，所述滤波器沿第二组滤波器线进行滤波，并且其中，所述第二组滤波器线是与所述虚拟平面探测器相关的直线。
5、根据权利要求1所述的设备，其中，所述滤波器对沿所述第一圆形获取的数据在平行于所述第一倾斜圆形在虚拟平面探测器上的投影的方向上进行滤波。
6、根据权利要求1所述的设备，其中，应用于沿所述第二圆形获取的数据的滤波器根据所述对象位置在虚拟探测器上的投影区域而变化。
7、根据权利要求6所述的设备，其中，虚拟探测器包括第一区域(A)、第二区域(B)、第三区域(C)和第四区域(D)，并且其中，所述区域由所述第一圆形在所述虚拟探测器上的投影(304)以及平行于所述第二圆形在所述虚拟探测器上的投影(302)的线界定。
8、根据权利要求7所述的设备，其中，所述第一圆形在所述虚拟探测器上的投影是曲线，而所述第二圆形在所述虚拟探测器上的投影是直线。
9、根据权利要求6所述的设备，其中，所应用的滤波器的数量和方向根据所述区域而变化。
10、根据权利要求1所述的设备，其中，所述滤波器根据如下函数对所述经微分的数据进行滤波：
$P (s, β) = Σ_{n = 1}^{N_{f}} μ_{n} \int_{- π}^{π} \frac{dγ}{\sin γ} {D'}_{f} (y (s), \cos γβ + \sin λ e_{n})$
11、根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备采用沿所述第一圆形获取的投影数据来执行心脏门控重建。
12、根据权利要求11所述的设备，其中，以相对较高的第一剂量获取沿所述第一圆形获取的投影数据，而以相对较低的第二剂量获取沿所述第二圆形获取的投影数据。
13、根据权利要求1所述的设备，还包括用于获取所述计算机断层成像投影数据的机构(12，20)。
14、一种计算机断层成像方法，包括：
对沿第一倾斜圆形(50)和第二倾斜圆形(50′)获取的计算机断层成像投影数据求微分；
对经微分的数据进行滤波，其中，所应用的滤波器的数量(Nf)和方向 (en)基于要重建的对象位置(x)的投影而变化；
对经滤波的数据进行反投影。
15、根据权利要求14所述的方法，其中，所述滤波包括根据1/sinγ滤波器对所述经微分的投影数据进行滤波。
16、根据权利要求14所述的方法，包括沿至少第一组滤波器线对沿所述第二圆形获取的数据进行滤波，其中，所述投影线的组数根据源位置和所述对象位置而变化。
17、根据权利要求14所述的方法，其中，所应用的滤波器的数量在零和三之间变化。
18、根据权利要求14所述的方法，其中，在平行于所述第二圆形在虚拟平面探测器上的投影的方向上对沿所述第二圆形获取的数据进行滤波。
19、根据权利要求14所述的方法，其中，沿多条滤波器线对沿所述第二圆形获取的数据进行滤波，所述多条滤波器线与所述第一圆形在虚拟平面探测器上的投影相切。
20、根据权利要求14所述的方法，包括根据滤波器相关加权函数(μn) 对所述经滤波的数据进行加权。
21、根据权利要求14所述的方法，其中，以第一剂量获取沿所述第一圆形获取的计算机断层成像投影数据，而以第二剂量获取沿所述第二圆形获取的计算机断层成像投影数据，并且其中，所述第一和第二剂量近似相等。
22、根据权利要求14所述的方法，包括采用沿所述第一圆形和第二圆形获取的投影数据执行第一重建和第二重建，以及组合所述重建的结果。
23、根据权利要求14所述的方法，其中，对沿所述第一圆形和第二圆形中的至少一个获取的投影数据进行预期性地门控。
24、一种含有指令的计算机可读存储介质，在由计算机处理器执行时，所述指令使计算机执行计算机断层成像重建方法，所述方法包括：
对经微分的沿第一圆形轨线获取的第一锥束投影数据进行滤波；
对经微分的沿第二圆形轨线获取的第二锥束投影数据进行滤波；其中，所述第二圆形轨线相对于所述第一圆形轨线倾斜；
对经滤波的数据进行反投影，以生成指示检查对象的体积数据，其中，所述重建是精确重建。
25、根据权利要求24所述的计算机可读存储介质，其中，所述方法还包括沿平行射线对所述第一锥束数据求微分。
26、根据权利要求24所述的计算机可读存储介质，其中，对经微分的锥束数据进行滤波包括基于要重建的对象位置(x)的投影位置而改变所应用的滤波器的方向(en)。
27、根据权利要求26所述的计算机可读存储介质，其中，所述投影位置包括虚拟表面上的投影位置，其中，所述第一圆形在所述虚拟表面上的投影形成了曲线，并且其中，所述第二圆形在所述虚拟表面上的投影形成了直线。
28、根据权利要求24所述的计算机可读存储介质，其中，对经微分的锥束数据进行滤波包括基于要重建的对象位置(x)的投影位置而改变所应用的滤波器的数量(NF)。
29、一种设备，包括：
用于沿包括第一倾斜圆形(50)和第二倾斜圆形(50′)的轨线获取x 射线计算机断层成像投影数据的机构；
用于执行对所获取的投影数据的精确重建的机构(22)，所述机构包括
用于对沿平行射线获取的投影数据求微分的机构(24)；
用于对经微分的数据进行滤波的机构(26)，其中，所应用的滤波器的数量(NF)基于用于获取的所述机构的位置和要重建的位置而变化。
用于对经滤波的数据进行反投影的机构(27)；
用于生成指示所述重建数据的人类可读图像的机构(44)。
30、一种根据由至少第一二维探测器提供的数据重建图像的方法，所述方法包括：
对对象进行扫描，从而借助至少第一二维探测器和锥束投影、沿包括第一倾斜圆形和第二倾斜圆形的轨线获取投影数据；
采用FBP 算法重建经扫描的对象的精确图像。

说明书全文

技术领域

本申请涉及计算机断层成像(CT)。其在医学方面的x射线CT中存在特定应用。其还在物品和安全检查、非破坏性试验、临床前成像以及其他能够通过CT数据提供有关对象特征的有用信息的情况中存在应用。

背景技术

在必须获得与对象的内部结构或功能有关的信息的医疗应用和其他应用当中，CT 扫描仪被证明具有极高的重要性。例如，在医疗成像方面，广泛采用CT扫描仪来提供与患者的内部特征有关的图像和其他信息。相对近期的趋势是采用多层CT，因为提高CT扫描仪的轴覆盖率能够带来很多优点，包括提高了扫描解剖结构的运动部分的能力，缩短了扫描时间，以及提高了扫描仪吞吐量。
随着排或层数量的提高，圆形扫描轨线变得越发引人注意。但是，这样的圆形轨线的一个问题在于所获取的数据集的不完全性。这一问题的一个解决方案是采用额外的轨线线段，其将提供缺失的数据。由于只有低频分量从圆形轨迹的重建结果中缺失，因而有可能在相对低的剂量上获得所述额外的线段。包括额外线段的轨线的例子包括圆形和直线轨迹以及两个倾斜的圆形。
尽管采用额外的线段能够提供从圆形轨线中缺失的数据，但是仍然存在改进的余地。更具体而言，仍然希望以合理的计算工作量重建质量相对更高的图像。
发明内容
本申请的各个方面用于解决这些问题以及其他问题。
根据一个方面，一种设备包括微分器、滤波器和反投影器。所述微分器对沿包括第一和第二倾斜圆形的轨线获取的计算机断层成像投影数据求微分。所述滤波器对经微分的数据进行滤波，其中，所应用的滤波器的数量和方向根据要重建的对象位置而变化。所述反投影器对经滤波的数据进行反投影。
根据另一方面，一种计算机断层成像方法包括对沿第一和第二倾斜圆形获取的计算机断层成像投影数据求微分，对经微分的数据进行滤波，以及对经滤波的数据进行反投影。所应用的滤波器的数量和方向基于所要重建的对象位置的投影而变化。
根据另一方面，一种计算机可读存储介质含有指令，在受到计算机处理器执行时，所述指令使所述计算机执行计算机断层成像重建方法。所述方法包括对经微分的沿第一圆形轨线获取的第一锥束投影数据进行滤波，对经微分的沿第二圆形轨线获取的第二锥束投影数据进行滤波，以及对经滤波的数据进行反投影，以生成指示检查对象的体积数据。所述第二圆形轨线相对于所述第一圆形轨线是倾斜的，所述重建是精确重建。
根据另一方面，一种设备包括用于沿包括第一和第二倾斜圆形的轨线获取x射线计算机断层成像投影数据的机构和用于执行对所获取的投影数据进行精确重建的机构。所述用于执行的机构包括用于对沿平行射线获取的投影数据求微分的机构；用于对经微分的数据进行滤波的机构，其中，所应用的滤波器的数量基于用于获取的机构的位置和所要重建的位置而发生变化；以及用于对经滤波的数据进行反投影的机构。所述设备还包括用于生成指示经重建的数据的人类可读图像的机构。
根据另一方面，一种根据由至少第一二维探测器提供的数据重建图像的方法包括如下步骤：对对象进行扫描，从而借助至少第一二维探测器和锥束投影沿包括第一和第二倾斜圆形的轨线获取投影数据，以及采用FBP 算法重建所述经扫描的对象的精确图像。
在阅读并理解下述详细说明后，本领域技术人员将认识到本发明的其他方面
 附图说明
可以通过各种部件或部件设置，以及通过各种步骤或步骤设置实现本发明。附图的作用在于对优选实施例进行图示，不应认为其对本发明构成限制。
图1示出了一种x射线CT扫描仪；
图2示出了应用于第一虚拟探测器的滤波器线；
图3A和3B示出了第二虚拟探测器；
图4A和4B示出了在第二圆形上的相应的第一和第二位置处应用于第二虚拟探测器的一组滤波器线；
图5A、5B、5C和5D示出了在第二圆形上的相应的第一、第二、第三和第四位置处与所述第二虚拟探测器相关的滤波器线；
图6A、6B、6C和6D示出了在第二圆形上的相应的第一、第二、第三和第四位置处与所述第二虚拟探测器相关的滤波器线；
图7示出了一种成像方法。

具体实施方式

参考图1，CT扫描器10包括旋转扫描架18，其围绕旋转轴r旋转。扫描架18支撑诸如x射线管的x射线源12，其生成通常为锥形的辐射束。扫描架18还支撑x射线敏感探测器20，其在检查区域14的相对侧上形成了与之对向的角弧。如图所示，探测器20是多层探测器，其包括多排或者多层探测器元件100。还可以实施平面、面型或者其他探测器20配置，以及第四代或其他系统几何形状。诸如卧榻的对象支架16支撑在检查区域14 内的受检查患者或其他对象19。
旋转扫描架18和对象19是可以相对移动的，从而根据扫描轨线获取投影数据，所述扫描轨线包括第一圆形50和第二圆形50′，所述圆形相对于彼此倾斜。为了图示清晰起见，图1以实线示出了示范性的第一圆形50，以虚线示出了第二圆形50′。例如，随着源12围绕检查区域14旋转，可以通过单独倾斜扫描架20、倾斜支架16或者平移x射线源12和/或探测器20 或者通过这些操作的组合而获得所述轨线。在旋转对象19的同时源12和探测器20也可以保持在恒定的角位置上。
优选位于旋转扫描架18上或者位于其附近的数据测量系统23包括信号调节、模数转换、多路复用功能以及用于对来自探测器20的信号进行其他处理的类似功能。控制器28协调扫描架18和/或对象19的相对运动，从而提供预期的轨线以及执行预期扫描协议所必需的其他参数。
重建器22对来自探测器20的信号进行重建，以生成指示对象19的体积数据。重建器22包括对投影数据求微分的微分器24、对经微分的数据进行滤波的滤波器26和对经滤波的数据进行反投影(backproject)的反投影器27。如将在下文中对其做进一步说明的，重建器22对投影数据执行精确的滤波反投影(FBP)，该投影数据是采用包括两个(2)倾斜的圆形50、 50′的扫描轨线获取的。
通用计算机起着操作员控制台44的作用。控制台44包括诸如监视器或显示器的人类可读输出装置以及诸如键盘和鼠标的输入装置。存在于控制台上的软件允许操作者通过(例如)图形用户界面(GUI)建立预期扫描协议、启动和终止扫描、查看并操纵体积图像数据、与扫描仪10交互等，从而控制扫描仪10的操作。
现在将通过额外的细节说明重建器22。处于对下述讨论的考虑并且如图1所示，假定第一圆形50处于xy平面内，而第二圆形50′则围绕y轴倾斜。采用这些约定，可以按照下述等式对第一圆形50和第二圆形50′参数化：
方程1

y_{1} (s) = (\begin{matrix} R \cos s \\ R \sin s \\ 0 \end{matrix}),

y_{2} (s) = (\begin{matrix} R \cos s \cos λ \\ R \sin s \\ - R \cos s \sin λ \end{matrix})

其中，y1(s)和y2(s)表示源12相对于相应的第一圆形50和第二圆形50′的位置，s表示源12的角位置，λ对应于所述圆形的倾角，R对应于从源12到旋转轴r的距离。
对于沿所述轨线的各个位置y(s)而言，可以将测得的投影数据表示为沿穿过对象的多条射线或路径中的每者的辐射衰减的线积分：
方程2

D_{f} (y (s), θ) = \int_{0}^{\infty} dlf (y + lθ)

其中，θ是描述射线的方向的单位矢量，f(y+lθ)是对象函数。
继续参考图1，微分器24对沿平行射线的投影数据求微分：
方程3

{D'}_{f} (y (s), θ) = \frac{{\partial D}_{f} (y (s), θ = const .)}{\partial s}

就上述微分的目的而言，应当理解，平行射线是指那些源自于不同的源轨线但是在同一排内贯穿探测器20的射线。在一种实现方式中，采用傅里叶滤波器执行所述微分，但是也可以采用其他适当的微分技术。
滤波器26采用1/sinγ滤波器对经微分的数据滤波。所应用的滤波器的数量Nf和所应用的滤波器的方向en根据源位置s和要重建的对象体素或位置x而变化。对于指定的源位置和对象位置而言，可以通过下式定义从源s 指向对象位置x的单位矢量β(s，x)：
方程4

β (s, x) = \frac{x - y (s)}{| x - y (s) |}

通过单位矢量en描述的滤波器矢量的方向垂直于矢量β(s，x)。
按照下式描述滤波运算：
方程5

P (s, β) = Σ_{n = 1}^{N_{f}} μ_{n} \int_{- π}^{π} \frac{dγ}{\sin γ} {D'}_{f} (y (s), \cos γβ + \sin {λe}_{n})

如下文将进一步详细说明的，有利地选择滤波器相关权重μn和滤波器矢量 en以提供精确的重建。更具体而言，有利地选择滤波器矢量en，从而沿相对于虚拟平面探测器定义的一组和多组滤波器线对数据滤波，同时选择滤波器相关权重μn，从而通过矢量en和权重μn的组合确保重建精确。
反投影器27对经滤波的数据进行反投影，以生成指示对象19或其研究区域的体积数据f(x)。可以将反投影运算描述为：
方程6

f (x) = \frac{(- 1)}{{2 π}^{2}} \int \frac{ds}{| x - y (s) |} P (s, β (s, x))

注意，将方程6的反投影应用于来自第一圆形50和第二圆形50’二者的数据。
现在将相对于第一和第二虚拟平面探测器说明滤波器矢量en，其中，所述第一和第二虚拟平面探测器中的每者具有虚拟探测器坐标(u平面，v平面)。第一虚拟探测器50是相对于第一圆形50定义的；第二虚拟探测器是相对于第二圆形50′定义的。出于下述讨论的目的，假设第一虚拟探测器与贯穿源12和第一虚拟探测器中心的线正交(即，假设第一虚拟探测器与x射线束的中央射线正交)。此外，还假设含有第一圆形50的平面的交集 (intersection)平行于第一虚拟探测器的u平面轴。类似地，假设第二虚拟探测器与贯穿源12′和第二虚拟探测器的中心的线正交(即，假设第二虚拟探测器与x射线束的中央射线正交)。类似地，还假设含有第二圆形50′的平面的交集(intersection)平行于第二虚拟探测器的u平面轴。
建立滤波器矢量en，从而沿相对于所述第一和第二虚拟探测器定义的一组或多组直线滤波器线对经微分的数据进行滤波。图2示出了关于第一虚拟探测器204的一组滤波器线202。只需要单组滤波器线202，从而使上述方程5中的NF值取得值一(1)。滤波器线202平行于第一虚拟探测器204 的u平面轴，因而平行于第一圆形50的平面的投影208。将上述方程5中的滤波器相关权重μ1设为二分之一(1/2)。如图所示，滤波方向206为从左至右。
现在来看第二圆形50′，滤波器线的组数以及上述方程5中的NF值取决于对象位置x在第二虚拟探测器上所投影的位置。图3A和3B示出了对于两个不同的任意的源位置s而言从第二圆形50′来看的第二虚拟探测器 302。曲线304代表基本圆形50在第二虚拟探测器302上的投影。直线306 平行于第二圆形50′在第二虚拟探测器302上的投影，并且与第一圆形50 在第二虚拟探测器302上的投影304相切。
可以看出，投影304、306将第二虚拟探测器302划分成了区域A、B、 C和D。滤波器线的组数NF、滤波器相关权重μn和滤波器线的方向en取决于对象位置x在第二虚拟探测器302上所投影的区域。
如果对象位置x投影到了区域D上，那么不必对投影数据进行滤波或反投影(即，NF＝0)。
如果将对象位置x投影到了区域A上，那么需要三(3)组滤波器线(即， NF＝3)。图4A和4B示出了第二圆形50′上的两个不同的任意位置处的第一组(例如，n＝1)滤波器线402。如图所示，滤波器线402平行于u平面轴，并由此平行于第二圆形50′的投影306。将滤波器相关权重μ1设为二分之一 (1/2)，并且滤波方向404从左至右。图5A、5B、5C和5D描绘了处于第二圆形50′上的四个(4)不同的任意位置处的第二组(例如，n＝2)滤波器线502。如图所示，滤波器线502与第一圆形50的投影304相切，其中切点位于对象位置x的投影点的左侧。将滤波器相关权重μ2设为四分之一 (1/4)，并且滤波方向504从右至左。图6A、6B、6C和6D示出了还是处于第二圆形50′上的四个不同的任意位置处的第三组(例如，n＝3)滤波器线602。如图所示，滤波器线602与第一圆形50的投影304相切，其中切点位于对象位置x的投影点的右侧。将滤波器相关权重μ3设为四分之一 (1/4)，并且滤波方向604从左至右。
如果对象位置x被投影到了区域B或C上，那么需要两(2)组滤波器线(即，NF＝2)。采用图5和图6所示的滤波器线组。在区域B中，针对这两个组将滤波器相关权重μ设为四分之一(1/4)。在区域C中，针对这两个组将滤波器相关权重μ设为负四分之一(-1/4)。
现在将参考图7进行操作说明。
在702中获取针对包括两个倾斜圆形50、50′的轨线的扫描数据。
在704中对从第一圆形50和第二圆形50′获得的扫描数据求微分。
在步骤706中对经微分的数据进行滤波。如上所述，有利地，所应用的滤波器的数量、权重和方向根据圆形50、50′、源位置s和有待反投影的对象位置x而变化。应当指出，针对多个源和对象位置中的每者应用所述一个或多个滤波器。
在步骤708中，对经滤波的数据进行反投影，以生成体积数据。
在步骤710中，例如，在与操作员控制台44相关的监视器上、其他适当的监视器或显示器上或者在胶片等上面显示表示体积数据的人可读图像。
可以设想各种变型。例如，可以以相对较高的x射线剂量实施对第一圆形50的扫描，可以以校对较低的剂量实施对第二圆形50′的扫描。将这样的实现方式与需要降低由于对象运动导致的伪影的心脏应用和其他应用相结合尤为有利。更具体而言，所述实现方式利用了这样的事实，即，来自第二圆形的数据提供了具有空间频率相对较低的分量的投影数据，因而在某种程度上，其对重建图像的质量也不是十分关键。注意，可以与扫描操作相结合以预期性的方式，或者在重建过程中以回顾方式，或者通过所述方式的组合向所述第一圆形50和/或第二圆形50′应用心脏、呼吸或其他运动门控(gating)。
在另一变型中，组合了多个重建结果。在第一重建过程中，将圆形50、 50′之一作为第一圆形50处理，将另一个作为第二圆形50′处理。在第二重建过程中，颠倒对所述圆形的处理(即，将所述的另一个圆形作为第一圆形处理，反之亦然)。采用近似相等的剂量实施对所述第一圆形50和第二圆形50′的扫描，可以通过对重建结果求平均来组合所述重建结果。
尽管相对于第一和第二虚拟平面探测器对滤波操作做出了说明，但是本领域技术人员将认识到，虚拟探测器并非实际探测器，而是起着描述各种滤波器轨线的结构(constructs)的作用的虚拟表面。因而，也可以结合其他平面或非平面虚拟探测器或表面、实际探测器100和/或源12或者其他坐标系对滤波操作加以表述。
此外，在时间上，未必一定要在对第二圆形50′进行扫描之前实施对第一圆形50的扫描。因而，例如，可以首先扫描第二圆形50′。还可以交替执行对第一圆形50和第二圆形50′的扫描。扫描仪还可以设有多组源12和 /或探测器20，在这种情况下，基本上可以同时执行对所述圆形的扫描。
未必一定与扫描同时实施重建。相应地，可以存储一些或全部投影数据，以供当(例如)患者或其他对象不再处于扫描仪10附近时进行后续重建和/或操纵。
还可以设想有关扫描轨线的变型。例如，所述第一圆形50和第二圆形 50′可以具有不同的半径R。根据对象和研究区域的几何形状，未必一定要使两个圆形50、50′相对于旋转轴r倾斜。因而，例如，圆形50、50′之一的平面可以基本上与轴r正交。可以使第一圆形50和第二圆形50′纵向偏移，尤其是在扫描仪包括多个源12和/或探测器20并且相对于对象19提供了纵向运动的情况下。
尽管上述讨论的重点集中在从焦点生成x辐射的采用x射线管的x射线CT系统，但是也可以设想其他源或辐射类型。在一个备选实施例中，采用一个或多个伽马辐射源和探测器。
可以根据预期的重建时间、矩阵大小、成本和其他因素设想重建器22 的各种实现方式。例如，可以通过计算机可读指令实现微分器24、滤波器 26和反投影器27中的一者或多者，在受到计算机处理器访问时，所述指令将使所述计算机执行所描述的技术。在这样的实现方式当中，将所述指令存储在计算机可读存储介质上，所述存储介质与相关的处理器相关或者可以为相关的处理器所用。还可以在串行或并行运行的多个计算机、计算机处理器和/或软件例程当中分配各种功能。类似地，还可以通过采用(例如) 适当的数字和/或模拟电路以硬件实现重建器22的一些或全部功能。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读并理解了前述详细说明的同时，本领域技术人员可以想到其他修改和变化。这意味着，应当将本发明推断为包括所有此类落在权利要求及其等同要件的范围内的修改和变化。

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