Ct图像生成装置和ct图像生成方法
【专利摘要】本发明提供一种CT图像生成装置和方法，该装置具备：X射线扫描器，包括X射线源和检测器；存储模块，包括检测器数据块、附加权重数据块、参数数据块；处理器模块，包括：通用处理器、附加权重计算单元、权重向量乘法单元、以及可分离足迹运算单元；由扫描器所扫描的数据作为检测器数据被存储至检测器数据块，附加权重计算单元从参数数据块获取几何参数，并计算附加权重向量，通用处理器使用几何参数控制投影/反投影角度循环，权重向量乘法单元将检测器数据与附加权重向量相乘，从而获得改进的检测器值，可分离足迹运算单元使用改进的检测器值执行可分离足迹投影和反投影算法。根据本发明的CT图像生成装置，能够减少投影和反投影的误差。
【专利说明】CT图像生成装置和CT图像生成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种CT图像生成装置和CT图像生成方法，特别是涉及一种利用改进的可分离足迹(Separable Footprint)方法的CT图像生成装置和CT图像生成方法。
【背景技术】
[0002]X射线计算机断层成像(CT)技术已被广泛用于对人体进行检查，CT图像作为对疾病诊断的依据已有30年的历史，对CT图像重建算法进行研究以降低辐射剂量、提高CT图像质量、降低图像伪影一直是研究与临床中的热点问题。
[0003]实际应用中，CT图像重建算法主要包括滤波反投影方法和迭代重建算法。其中，滤波反投影方法是CT图像重建的传统方法，已经在目前的CT产品中得到了广泛的应用。但在滤波反投影方法中，重建图像的投影数据被假设为无噪声干扰的，而实际上，噪声是伴随着投影数据始终存在的，尤其是在低剂量扫描的情况下更是如此，因此难以获得高质量的CT图像。然而随着临床诊疗的发展，CT临床应用的广度和深度都日渐达到了前所未有的高度，在这种新的形势背景下，业界对CT使用的安全性考虑与图像质量均有了新的、更高的要求。这便使得滤波反投影法难以满足新的需求。
[0004]针对以上新的需求，在高端应用中，迭代重建算法被重视并研究。迭代重建算法可以很好地处理电子噪声和其它物理因素所导致的图像伪影，从而在保证图像质量的情况下，降低检查时的X射线剂量。但是由于其庞大的计算量导致成像速度缓慢而无法实际临床应用。近年，但随着计算机硬件和计算科学的飞速发展，迭代重建算法应用于实际产品成为了可能，并且随着 社会对医疗健康的日益重视，CT诊断中的X射线辐射对人体健康的影响越来越受到人们的关注，低X射线辐射剂量已经成为CT发展的未来趋势。因此迭代重建算法越来越受到广泛的关注，是目前的研究热点。同时在中低端应用中，滤波反投影方法中新的更加精确的反投影方法被研究以减小伪影，提高图像质量。
[0005]在迭代重建算法中，主要包括多次循环迭代的投影与反投影过程，而在传统的滤波反投影算法中主要步骤是反投影。投影与反投影方法主要包括传统的如基于光线驱动(Ray-Driven),像素驱动(Pixel-Driven),因为其模型误差较大,应用在迭代重建算法中会使得迭代算法难以收敛，因此高精度的投影与反投影方法被研究和提出，最典型的是近年提出的距离驱动(Distance-Driven)和可分离足迹(Separable Footprint)方法，其中可分离足迹方法是目前学术界最优的投影与反投影模型，但该方法也是一种近似方法，仍存在一定的模型误差，模型精度有待进一步改进提高。
[0006]基于以上背景，在可分离足迹方法的基础上，本发明提出了一种进一步降低其投影与反投影误差的CT图像生成装置和CT图像生成方法，主要应用于对投影与反投影精度要求很高的迭代重建算法中，也可用于滤波反投影算法中来减少伪影。
【发明内容】
[0007]因此本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明的发明人提出对可分离足迹算法的加权系数作进一步修正，从而减小加权系数的误差。
[0008]本发明的目的在于提供一种CT图像生成装置，其特征在于，具备:X射线扫描器，包括X射线源和检测器，并检测置于所述X射线源和所述检测器之间的对象；存储模块，包括检测器数据块、附加权重数据块、参数数据块、输入/输出结果图像数据块；处理器模块，包括:通用处理器、附加权重计算单元、权重向量乘法单元、以及可分离足迹运算单元；数据接口模块；以及用户接口模块，由所述X射线扫描器所扫描的数据作为检测器数据通过所述数据接口模块被存储至所述检测器数据块，所述附加权重计算单元从所述参数数据块获取几何参数，并根据该几何参数计算附加权重向量，所述通用处理器使用所述几何参数控制投影/反投影角度循环，所述权重向量乘法单元将所述检测器数据与所述附加权重向量相乘，从而获得改进的检测器值，所述可分离足迹运算单元使用所述改进的检测器值执行可分离足迹投影和反投影算法。
[0009]根据 该CT图像生成装置，通过权重向量乘法单元将检测器数据与附加权重向量相乘，从而获得改进的检测器值。使用该检测器值进行投影与反投影的情况与采用一般的可分离足迹方法的装置相比，能够降低其投影与反投影误差，提高算法建模的精度。
[0010]另外，本发明的CT图像生成装置中，所述X射线源和所述检测器的距离随投影与反投影角度发生变化时，所述附加权重计算单元从所述参数数据块获取几何参数，并计算投影/反投影角度循环中每个角度的与所述距离相关的附加权重向量。根据这样的结构，能够进一步扩大本发明的CT图像生成装置的应用范围，并且由于所增加的计算量非常小，所以能够保持迭代算法的速度性能。
[0011]另外，本发明的CT图像生成装置中，在每个角度的所述附加权重向量由Ι/sin Θ获得，其中，Θ表示所述检测器和所述X射线源之间的角度。根据这样的结构，能够精确地计算X射线穿过每个像素的长度，使该附加权重向量更加精确。
[0012]另外，本发明的CT图像生成装置中，在反投影中，先对所述检测器数据用所述附加权重进行加权，然后再进行可分离足迹反投影操作；在投影中，先进行可分离足迹投影操作，然后将投影得到的检测器数据用附加权重进行加权。根据这样的结构，能够精确地进行投影和反投影，从而降低其投影与反投影误差，提高算法建模的精度。
[0013]另外，本发明的CT图像生成装置中，所述几何参数是所述X射线源和所述检测器之间的距离、检测器元件尺寸和检测器中心位置。根据这样的结构，能够对应于各种各样的检测器类型和检测条件，进行高精度的投影和反投影。
[0014]本发明的另一个目的在于提供一种CT图像生成装置的CT图像生成方法，其特征在于，所述CT图像生成装置具备:x射线扫描器，包括X射线源和检测器，并检测置于所述X射线源和所述检测器之间的对象；存储模块，包括检测器数据块、附加权重数据块、参数数据块、输入/输出结果图像数据块；处理器模块，包括:通用处理器、附加权重计算单元、权重向量乘法单元、以及可分离足迹运算单元；数据接口模块；以及用户接口模块，所述CT图像生成方法包括:由所述X射线扫描器所扫描的数据作为检测器数据通过所述数据接口模块被存储至所述检测器数据块的步骤，所述附加权重计算单元从所述参数数据块获取几何参数，并根据该几何参数计算附加权重向量的步骤，所述通用处理器使用所述几何参数控制投影/反投影角度循环的步骤，所述权重向量乘法单元将所述检测器数据与所述附加权重向量相乘，从而获得改进的检测器值的步骤，所述可分离足迹运算单元使用所述改进的检测器值执行可分离足迹投影和反投影算法的步骤。
[0015]根据该CT图像生成方法，通过权重向量乘法单元将检测器数据与附加权重向量相乘，从而获得改进的检测器值。使用该检测器值进行投影与反投影的情况与一般的可分离足迹方法相比，能够降低其投影与反投影误差，提高算法建模的精度。
[0016]另外，本发明的CT图像生成方法中，所述X射线源和所述检测器的距离随投影与反投影角度发生变化时，所述附加权重计算单元从所述参数数据块获取几何参数，并计算投影/反投影角度循环中每个角度的与所述距离相关的附加权重向量。根据这样的结构，能够进一步扩大本发明的CT图像生成装置的应用范围，并且由于所增加的计算量非常小，所以能够保持迭代算法的速度性能。
[0017]另外，本发明的CT图像生成方法中，在每个角度的所述附加权重向量由Ι/sin Θ获得，其中，Θ表示所述检测器和所述X射线源之间的角度。根据这样的结构，能够精确地计算X射线穿过每个像素的长度，使该附加权重向量更加精确。
[0018]另外，本发明的CT图像生成方法中，在反投影中，先对所述检测器数据用所述附加权重进行加权，然后再进行可分离足迹反投影操作；在投影中，先进行可分离足迹投影操作，然后将投影得到的检测器数据用附加权重进行加权。根据这样的结构，能够精确地进行投影和反投影，从而降低其投影与反投影误差，提高算法建模的精度。
[0019]另外，本发明的CT图像生成方法中，所述几何参数是所述X射线源和所述检测器之间的距离、检测器元件尺寸和检测器中心位置。根据这样的结构，能够对应于各种各样的检测器类型和检测条件，进行高精度的投影和反投影。 [0020]本发明的效果在于:可以降低投影与反投影的模型误差，提高算法建模精度，从而提高迭代重建算法效率和降低CT图像的伪影。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1A，IB是CT图像重建算法的模块图。
[0022]图2是CT图像重建算法中基于长度的投影与反投影加权原理图。
[0023]图3是CT图像重建算法中可分离足迹投影与反投影方法原理图及其模型误差示意图。
[0024]图4是说明本发明所涉及CT图像生成装置中的计算附加权重的原理图。
[0025]图5是说明本发明所涉及CT图像生成装置中用于计算附加权重的函数和附加权重向量的示意图。
[0026]图6是说明本发明所涉及CT图像生成装置中附加权重对检测器数据进行加权的示意图。
[0027]图7是说明本发明所涉及CT图像生成装置的结构模块图。
[0028]图8A，SB是说明本发明所涉及CT图像生成装置中的投影与反投影过程的操作流程图。
[0029]图9A，9B是说明本发明所涉及CT图像生成装置中的当X射线源和检测器相对位置变化时的操作流程图。
【具体实施方式】[0030]下面结合附图和实施例对本发明进行更详细的说明。
[0031]以下参照附图详细说明本发明所涉及的图形用户界面操作的监控方法和监控装置的优选的实施方式。此外，在附图的说明中，给同一或者相当部分附以同一符号，省略重复的说明。
[0032]图1A，IB给出整个图像重建算法的模块图。可应用在传统的滤波反投影重建和迭代重建中。在滤波反投影重建中，将X射线扫描得到的投影数据用附加权重模块105进行加权，然后再进行可分离足迹反投影得到CT图像。在迭代重建中，附加权重模块在每次迭代中加权作用于投影与反投影过程中，作用方式参考图8、9中的投影和反投影流程。图中迭代重建算法主要包括投影模块101、反投影模块102、比较模块103、更新模块104，其中投影模块101与反投影模块102使用可分离足迹方法，附加权重模块105用于修正提高投影与反投影模型的精度。
[0033]图2是基于长度的投影与反投影加权原理图。该图中射线201穿过某个像素202的长度被定义为该投影射线201与该像素之间的相关系数，也即该射线投影到的对应检测器单元203对应该像素单元的投影与反投影的加权系数。该基本模型是可分离足迹投影与反投影方法以及本发明的基础。
[0034]图3是可分离足迹 投影与反投影方法原理图及其模型误差示意图。在可分离足迹投影与反投影方法中，对给定一个像素301的投影与反投影，从X射线源302出发，分别穿过像素301的4个顶点，在检测器303上分别对应4个位置。对于投影过程，像素值分别加权累加到这4个位置范围304内的检测器单元上，加权系数305如图中所示，根据检测器单元的位置不同，加权系数不同，对于给定的一个像素301，可分离足迹投影的加权系数305被近似为一个梯形，梯形的横向位置由4个顶点的投影位置确定。而梯形的高由投影射线穿过像素的距离来近似确定，在可分离足迹方法中，近似认为加权系数在4个顶点投影确定的位置范围304之间是线性变化关系，而实际上，根据图中几何关系及图2中的加权原理可以看出，4个顶点投影确定的位置之间的理想加权系数306并不是线性变化关系，因此可分离足迹投影的加权系数305存在一定的误差。反投影过程与投影过程类似，4个顶点投影确定位置范围304内检测器的值通过加权反向累加到像素值上，加权系数305也存在类似的误差。
[0035]图4描述了计算附加权重的原理图。根据原理图2，附加权重是根据X射线401穿过给定像素402不同位置时，穿过像素402时截取长度的几何关系来确定的。图中403的长度为可分离足迹方法中的加权值，截线404的长度为理想加权值，在可分离足迹方法中，404的长度值被403近似代替，因此可以通过403与404之间的几何关系进行修正，即附加权重的计算函数，用公式表示为
[0036]Z404 = —;~— X Lm
SinH
[0037]其中，L4tl3、L4(i4分别表示截线403和404的长度，Θ为射线401和射线源到检测器的垂线405的夹角的余角。
[0038]图5描述了用于计算附加权重的函数示意图和附加权重向量示意图。由于在投影中，X射线501路径上的所有像素502的值均加权累加到投影对应的检测器503上，而对这些像素的修正系数均只与射线角度有关，如式X所示[0039]
【权利要求】
1.一种CT图像生成装置，其特征在于， 具备: X射线扫描器，包括X射线源和检测器，并检测置于所述X射线源和所述检测器之间的对象； 存储模块，包括检测器数据块、附加权重数据块、参数数据块、输入/输出结果图像数据块； 处理器模块，包括:通用处理器、附加权重计算单元、权重向量乘法单元、以及可分离足迹运算单元； 数据接口模块；以及 用户接口模块， 由所述X射线扫描器所扫描的数据作为检测器数据通过所述数据接口模块被存储至所述检测器数据块， 所述附加权重计算单元从所述参数数据块获取几何参数，并根据该几何参数计算附加权重向量， 所述通用处理器使用所述几何参数控制投影/反投影角度循环， 所述权重向量乘法单元将所述检测器数据与所述附加权重向量相乘，从而获得改进的检测器值， 所述可分离足迹运算单元使用所述改进的检测器值执行可分离足迹投影和反投影算法。
2.如权利要求1所述的CT图像生成装置，其特征在于， 所述X射线源和所述检测器的距离随投影与反投影角度发生变化时， 所述附加权重计算单元从所述参数数据块获取几何参数，并计算投影/反投影角度循环中每个角度的与所述距离相关的附加权重向量。
3.如权利要求1或2所述的CT图像生成装置，其特征在于， 在每个角度的所述附加权重向量由Ι/sin Θ获得，其中，Θ表示所述检测器和所述X射线源之间的角度。
4.如权利要求广3中任一项所述的CT图像生成装置，其特征在于， 在反投影中，先对所述检测器数据用所述附加权重进行加权，然后再进行可分离足迹反投影操作； 在投影中，先进行可分离足迹投影操作，然后将投影得到的检测器数据用附加权重进行加权。
5.如权利要求1~4中任一项所述的CT图像生成装置，其特征在于， 所述几何参数是所述X射线源和所述检测器之间的距离、检测器元件尺寸和检测器中心位置。
6.一种CT图像生成装置的CT图像生成方法，其特征在于， 所述CT图像生成装置具备: X射线扫描器，包括X射线源和检测器，并检测置于所述X射线源和所述检测器之间的对象； 存储模块，包括检测器数据块、附加权重数据块、参数数据块、输入/输出结果图像数据块； 处理器模块，包括:通用处理器、附加权重计算单元、权重向量乘法单元、以及可分离足迹运算单元； 数据接口模块；以及 用户接口模块， 所述CT图像生成方法包括: 由所述X射线扫描器所扫描的数据作为检测器数据通过所述数据接口模块被存储至所述检测器数据块的步骤， 所述附加权重计算单元从所述参数数据块获取几何参数，并根据该几何参数计算附加权重向量的步骤， 所述通用处理器使用所述几何参数控制投影/反投影角度循环的步骤， 所述权重向量乘法单元将所述检测器数据与所述附加权重向量相乘，从而获得改进的检测器值的步骤， 所述可分离足迹运算单元使用所述改进的检测器值执行可分离足迹投影和反投影算法的步骤。
7.如权利要求6所述的CT图像生成方法，其特征在于， 所述X射线源和所述检测器的距离随投影与反投影角度发生变化时， 所述附加权重计算单元从所述参数数据块获取几何参数，并计算投影/反投影角度循环中每个角度的与所述距离相关的附加权重向量。
8.如权利要求6或7所述的CT图像生成方法，其特征在于， 在每个角度的所述附加权重向量由Ι/sin Θ获得，其中，Θ表示所述检测器和所述X射线源之间的角度。
9.如权利要求6~8中任一项所述的CT图像生成方法，其特征在于， 在反投影中，先对所述检测器数据用所述附加权重进行加权，然后再进行可分离足迹反投影操作； 在投影中，先进行可分离足迹投影操作，然后将投影得到的检测器数据用附加权重进行加权。
10.如权利要求6、中任一项所述的CT图像生成方法，其特征在于， 所述几何参数是所述X射线源和所述检测器之间的距离、检测器元件尺寸和检测器中心位置。
【文档编号】A61B6/03GK103976753SQ201310050641
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2013年2月8日 优先权日:2013年2月8日
【发明者】盛兴东 申请人:株式会社日立医疗器械