专利名称：利用投影重建对象的方法以及执行该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用对象的至少一维的投影在三维立体图像数据组内对该对象进行图像重建的方法，其中，投影可以由至少一个检测器-源系统针对相对于对象的不同位置和角度而产生，并且，在一个重叠区域内的至少两个投影构成了作为在三维立体图像数据组中的投影的反投影的基础的重建体积。本发明还涉及一种用于执行该方法的装置。
背景技术：
医疗图像拍摄方法要求对主要由检测器-源系统生成的待检查对象的图像的多个处理步骤。在此，该检测器-源系统针对不同角度拍摄被该对象衰减的辐射的投影。可以根据这些投影在投影的交叉区域内导出所谓的重建体积，该重建体积是在三维立体图像数据组内对该对象进行反投影的前提。
在此，医疗图像拍摄方法的基础是图像投影方法和图像变换方法，它们基于在投影拍摄期间检测器-源系统的取向以及基于由待检查对象对各辐射的依赖于取向的衰减，将所拍摄的投影概括成一个重建体积，并随后将其反投影为图像。然后，这样得到的依赖于位置的衰减值用作在立体图像数据组中进行反投影的基础。为了拍摄待检查对象(例如患者的身体)，设有常见的辐射源和对应地设置的辐射检测器，它们对该对象进行透视。待透视对象或该对象的部分区域以特征性的方式衰减从辐射源发出的辐射，其中，根据所述辐射源和所述辐射检测器与该对象的相对位置和距离分别确定衰减轮廓在辐射检测器内的特征投影。
借助所谓的拉东变换(Radon-Transformation)可以根据所检测到的投影相对于对象的已知角度关系为每条射线途径分别构造一个线积分。所述线积分在所述投影的重叠区域内构成重建体积，该重建体积用作在所述三维立体图像数据中随后进行的反投影的数据基础。
将所述重建体积反投影成一个立体图像数据组通常是借助所谓逆拉东变换实现的。通常为此应用傅立叶切片定理(英语为fourier slice theorem)或滤波反投影(英语为filtered backprojection)。滤波反投影由于高数字稳定性而主要应用于医疗图像拍摄系统中。可以随后针对可自由选择的图像面从这样产生的立体图像数据组中提取出医疗图像。
此外，为了完全覆盖一个三维图像数据组，必须确定在重叠区域内没有被在该重叠区域内的至少两个投影的交叉覆盖的数据点。
目前，借助于附加检测器的附加投影在最大检测器的投影数据的基础上对所述重叠区域内缺少的数据点进行插值。只有在重叠区域完全覆盖了所有射线途径的情况下，才可能对所述衰减轮廓的投影进行滤波反投影。此外，必须在反投影时考虑投影的类型，例如是平行的或是扇形的投影。
因此，为了产生经过插值的重建体积，通常在拍摄投影时，在圆形轨道上旋转360°或180°的检测器-源系统需要有非常高的环绕速度，以便在短时间内得到待检查的对象的完全成像。尤其是拍摄患者运动的器官(例如拍摄肺或心脏)时，必须在非常短的持续时间内进行拍摄，因为否则该器官的运动就会使医疗图像失真。传统地，通过应用多个在旋转方向上错开设置的检测器-源系统，在环绕一周时产生所述投影并随后通过图像投影方法和图像变换方法组合所述投影，并且在三维立体图像数据组中进行反投影。
在生成投影时，在通常的图像拍摄系统中，两个检测器-源系统围绕待检查对象运动，其中两个系统在拍摄时的相对位置彼此保持相同。出于成本和占地空间的原因，通常普遍的是，第二和其它的检测器结构上配置成比第一检测器-源系统的主检测器尺寸小，使得两个检测器-源系统的所有射线途径的重叠区域没有包括整个待检查对象，或者说这样产生的重叠区域比在检测器的尺寸相同的条件下由多检测器-源系统产生的重叠区域更小。
更困难的还在于，只有在确定了所述重建体积的所有数据点的条件下，所述重建体积的滤波反投影的数学条件才允许对所有射线途径的完全重叠。尤其是在具有不同检测器尺寸的多检测器-源系统下，问题在于与具有相同检测器尺寸的多检测器-源系统相比缩小的且部分仅仅不完全地被投影覆盖的重叠区域。
目前是这样解决这一问题的利用双重检测器-源系统来确定所述投影，其中所述第一检测器-源系统具有一个大检测器，而第二检测器-源系统具有一个小检测器。在考虑所述第一检测器-源系统的投影的情况下，通过观察在仅部分地被投影覆盖的重叠区域内的相邻线积分而对所述附加的检测器-源系统在所述重建体积内的数据点进行插值。然后，这种数学上完善的重建体积完全地借助一个反投影反投影到立体图像数据组内。目前，对于所述仅部分被覆盖的重叠区域的未被充分覆盖的数据点并不存在用所测得数据进行的补偿。
最后，在上述图像拍摄方法结束后，可能任选地对所述重建体积中的数据点或这样生成的医疗图像进行滤波和图像后处理。
因此，在DE 19842944 A1中描述了一种对在层析X射线照相组合(Tomosynthese)的框架内扫描的对象的三维图像进行重建的方法，以及用于层析X射线照相组合的装置。通过在考虑适当的加权元素和优化的滤波器的情况下为重建体积选择二维和三维滤波函数，根据该发明提供了改善图像质量以及(对于所述立体图像数据组的层状显示)降低高频图像分量的可能性。
所有现有技术下公知的投影重建方法的缺点在于，为完全覆盖所述重建体积，要基于在重建体积内相邻的线积分对数据点进行数学插值，这在进行反投影时可能导致影响例如计算机断层造影(CT)的立体图像数据组的图像质量。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种图像拍摄方法，该方法即使对于仅部分地被所述投影覆盖的重叠区域也允许在三维立体图像数据组中进行反投影。
所述技术问题是通过本发明的方法得以解决的。根据本发明提出，基于一个被用至少一部分投影完全覆盖的重叠区域生成虚拟投影，并将该虚拟投影用于补充至少一个仅仅部分地被所述投影覆盖的重叠区域。
按照本发明的意义，一个被完全覆盖的重叠区域适于在各种应用数学的重建方法的框架内定义重建体积，可以根据该重建体积对一个相对应的三维立体图像数据组进行完全的反投影。
根据本发明的方法的优点在于，不是如迄今为止那样在两个已知数据点之间插值、而是通过另一个重建体积的已经确定的数据点来计算在重建体积中所缺少的数据点。借助所述虚拟投影，可以在仅仅部分地被投影覆盖的重建体积中补充所缺少的数据点。由于所述虚拟投影基于已测得的且非插值的数据，因而与现有技术公知的在所测得的和所插值的数据点之间的过渡相比，在进行图像重建时在所测得的和所补充的数据点之间的过渡上产生较少的伪影。
在本方法的一种优选实施例中，根据一个输出重叠区域确定所述被完全覆盖的重叠区域，其中，通过添加投影而迭代地确定尽量大的被完全覆盖的重叠区域。通过确定一个输出重叠区域而保证了被完全覆盖的重叠区域总是被确定为用于执行根据本发明的方法的输出点。在多个检测器-源系统的情况下，这样设置旋转轴，使得它们延伸穿过中心射线(从辐射源至检测器中心的假想线)并由此穿过图像拍摄系统的等角点。在检测器-源系统的转动轴的截面区域内总是给出所述投影的完全重叠，使得例如该重叠区域可以被定义成输出重叠区域。在该重叠区域的基础上添加其它的已被确定的投影并迭代地验证，所述其它的投影是否扩大了作为基础的重叠区域，并且所扩大的重叠区域由已经观察到投影或由其它的投影完全地覆盖。如果在所述已经确定的完全被投影覆盖的重叠区域上不能确定更大的完全被覆盖的投影区域，那么所述已经确定的完全被投影覆盖的重叠区域就被用作对所述第一重建体积进行成像的基础。
具有优势的是，根据被完全覆盖的重叠区域产生第一重建体积，并据此生成第一三维立体图像数据组，其中随后从所述第一三维立体图像数据组中提取出所述虚拟投影。
优选地，以线积分的形式从所述第一三维立体图像数据组中提取出所述虚拟投影。所述第一三维立体图像数据组用作所拍摄对象通过该三维立体图像数据组成像的部分的所述“虚拟投影拍摄”的基础，其中，以线积分的形式从所述第一三维立体图像数据组中确定所述虚拟投影。
在优选的实施方式中，将基于所述被完全覆盖的重叠区域的所述第一重建体积和基于所述被投影部分覆盖的重叠区域的所述第二重建体积(补充有所述虚拟投影)组合成一个总的重建体积，并随后根据所述总的重建体积对所述三维的总的立体图像数据组进行反投影。通过将所述的单个重建体积组合成一个总的重建体积，可以在更大的三维的立体图像数据组中进行反投影，只要该重建体积不是其它重建体积的完全的组成部分。
作为替换，所述第一三维立体图像数据组基于所述第一重建体积进行反投影，而第二三维立体图像数据组基于补充有所述虚拟投影的所述第二重建体积进行反投影，并随后将所述第一三维立体图像数据组和所述第二三维立体图像数据组组合成一个总的立体图像数据组。
一种根据本发明的方法的优选的实施方式规定，通过一个带有第一检测器的第一检测器-源系统以及至少一个带有比该第一检测器小的检测器的第二检测器-源系统生成所述投影。尤其是在带有短的测量时间的成像方法中，如例如对肺或心脏的图像拍摄中，需要所述多检测器-源系统具有尤其高的环绕速度。该高环绕速度主要通过应用多个在转动方向上错开布置的检测器-源系统实现。因此，根据本发明的方法可以尤其在具有不同检测器尺寸的现有图像拍摄系统的情况下使用。
在该方法的优选实施方式中，所述第一检测器-源系统的投影用于构成所述完全被覆盖的重叠区域，并随后从中将虚拟投影用于补充所述第二检测器-源系统的投影。
优选地，所述投影在所述三维立体图像数据组内的反投影是一种滤波反投影。所述检测器-源系统所基于的图像拍摄方法优选是X射线断层造影方法、核自旋断层造影方法、发射断层造影方法(尤其是正电子发射断层造影方法，PET方法)、光学断层造影方法、量子断层造影方法和/或阻抗断层造影方法。优选地，借助一个计算单元对所述图像拍摄方法进行控制。在该方法的一种优选实施方式中，从所述三维立体图像数据组中针对可在所述三维立体图像数据组中自由选择的图像面提取出面图像。
所述技术问题同样是通过按照本发明的装置得以解决的。根据本发明提供，至少一个检测器-源系统和一个计算单元、尤其是可自由编程的逻辑模块(可现场编程的门阵列，缩写为FPGA)或特定于应用的电路(特定于应用的集成电路，缩写成ASIC)执行对所述虚拟投影的计算。在该装置的一种优选的实施方式中，一个带有第一检测器的第一检测器-源系统和至少一个带有比该第一检测器小的检测器的第二检测器-源系统生成所述投影。
下面结合实施例更详细地解释本发明。在附图中示例性地图1示出了根据本发明的方法的流程图，该方法包括对所述第一重建体积和所述被补充的第二重建体积的组合；图2示出了一个带有两个检测器-源系统的图像拍摄系统，所述检测器-源系统带有第一重叠区域和另外的、仅仅部分地被所述投影覆盖的第二重叠区域。
具体实施例方式
在图1中示出了根据本发明的方法的流程图，该方法包括将所述第一输出重叠区域100a和被补充的第二重叠区域150组合成一个总的重建体积160的步骤。所述输出重叠区域100a保证在该重叠区域100a内完全覆盖所述投影。根据请求110，或者通过添加120来用其它相关投影(在图1中以P表示)扩展所述输出重叠区域100a，或者作为用于反投影的输出点在第一三维立体图形数据组130中使用。然后，从所述第一三维图像数据组130中提取出用于对至少一个仅仅部分地被投影覆盖的第二重叠区域100b进行补充150的虚拟投影140。然后，所述重叠区域100a和150组合成一个总的重建体积160。然后，基于所述总的重建体积160，借助于经过滤波的反投影生成一个三维的总的立体图像数据组170。然后，可以从所述三维的总的立体图像数据组170中针对所述三维的总的立体图像数据组170内的任意图像面提取出医疗图像180并随后将其可视化。
图2示出了一种根据本发明的带有两个检测器-源系统的图像拍摄系统10，所述检测器-源系统带有一个被投影完全覆盖的第一重叠区域100a和另外两个仅仅部分地被所述投影覆盖的重叠区域100b、100c。围绕对象40(例如患者)这样设置第一检测器-源系统20a、30a和第二检测器-源系统20b、30b，使得该对象40至少部分地位于各个检测器-源系统20a、30a；20b、30b的等角点内。所述第二检测器-源系统20b、30b具有一个与所述第一检测器30a相比较小的检测器30b。被投影完全地覆盖的重叠区域100a用于生成一幅中间图像，然后从该中间图像中提取出用于对尚未被完全地覆盖的重叠区域100b、100c进行补充的虚拟投影140。
权利要求
1.一种利用对象(40)的至少一维的投影在三维立体图像数据组(130，170)内对该对象进行图像重建的方法，其中，投影可以由至少一个检测器-源系统(20a，30a)针对于相对该对象(40)的不同位置和角度产生，并且，在一个重叠区域(100a)内的至少两个投影构成了作为在三维立体图像数据组中的投影的一个反投影的基础的重建体积，其特征在于，基于被用所述投影的至少一部分完全地覆盖的重叠区域(100a)生成虚拟投影(140)，并将该虚拟投影(140)用于补充(150)至少一个仅仅部分地被投影覆盖的重叠区域(100b)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被完全覆盖的重叠区域(100a)是根据一个输出重叠区域确定的，其中，通过添加相关投影而迭代地确定尽量大的被完全覆盖的重叠区域(100a)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于所述被完全覆盖的重叠区域(100a)产生第一重建体积，并据此生成第一三维立体图像数据组(130)，其中，随后从该第一三维立体图像数据组(130)中提取出所述虚拟投影(140)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述虚拟投影(140)被以线积分的形式从所述第一三维立体图像数据组(130)中提取出来。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将基于所述被完全地覆盖的重叠区域(100a)的所述第一重建体积和补充了所述虚拟投影(130)的基于所述被部分地覆盖的重叠区域(100b)的所述第二重建体积组合成一个总重建体积(160)，并且随后从该总重建体积(160)反投影出三维的总立体图像数据组(170)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一三维立体图像数据(130)基于所述第一重建体积进行反投影，而所述第二三维立体图像数据组基于所述第二重建体积进行反投影，并且随后将所述第一三维立体图像数据组(130)和所述第二三维立体图像数据组组合成总立体图像数据组(170)。
7.根据权利要求1至6中任何一项所述的方法，其特征在于，通过一个带有第一检测器(30a)的第一检测器-源系统(20a，30a)和至少一个带有与该第一检测器(30a)相比较小的检测器(30b)的第二检测器-源系统(20b，30b)来生成所述投影。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一检测器-源系统(20a，30a)的投影用于构成所述被完全地覆盖的重叠区域(100a)，并且随后从中将虚拟投影用于对所述第二检测器-源系统(20b，30b)的投影进行补充(150)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述三维立体图像数据组(130，170)内的投影的反投影(130)是滤波反投影。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述基于所述检测器-源系统(20a，30a)的图像拍摄方法是X射线断层造影方法、核自旋断层造影方法、发射断层造影方法、光学断层造影方法、量子断层造影方法和/或阻抗断层造影方法。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，借助一个计算单元(50)对所述图像拍摄方法进行控制。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，从所述三维立体图像数据组(130，170)中提取出针对于穿过所述三维立体图像数据组(130，170)的可选图像面的平面图像(180)。
13.一种带有至少一个检测器-源系统(20a，30a)以及一个用于执行根据权利要求1至12中任一项所述方法的计算单元(50)的装置。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，可自由编程的逻辑模块(FPGA)或特定于应用的电路(ASIC)执行对所述虚拟投影(140)的计算，并且通过所述虚拟投影(140)来补充所述仅仅部分地被投影覆盖的重叠区域(100b)。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，一个带有第一检测器(30a)的第一检测器-源系统(20a，30a)和至少一个带有与该第一检测器(30a)相比较小的检测器(30b)的第二检测器-源系统(20b，30b)生成所述投影。
全文摘要
本发明涉及一种利用对象的至少一维的投影在三维立体图像数据组内对该对象进行图像重建的方法，其中，投影可以由至少一个检测器－源系统针对相对于对象的不同位置和角度而产生，并且在一个重叠区域内的至少两个投影构成了作为在尤其是计算机断层造影(CT)的三维立体图像数据组中的投影的反投影的基础的重建体积。本发明还涉及一种用于执行该方法的装置。通过借助从立体图像数据组中导出的虚拟投影来补充仅仅部分地由投影覆盖的重建体积，生成补充的重建体积。与仅仅插值的重建体积相比，可以通过用虚拟投影补充重建体积来决定性地改善从中反投影的计算机断层造影图像的图像质量。
文档编号A61B6/03GK101082991SQ200710105200
公开日2007年12月5日 申请日期2007年5月24日 优先权日2006年5月31日
发明者霍尔格·孔泽, 卡尔·施蒂尔斯托弗 申请人:西门子公司