一种计算机层析成像设备和方法
【专利摘要】本发明公开了一种对被检测对象的感兴趣区域进行CT成像的方法，包括步骤：获取所述感兴趣区域的CT投影数据；获取B区域的CT投影数据；选择一组覆盖所述感兴趣区域的PI线段，并且为所述PI线段组中的每条PI线段计算其上的重建图像值；然后组合所述PI线段组中的所有PI线段上的重建图像值而得到所述感兴趣区域的图像。本发明还公开了采用该方法的CT成像设备及其中的数据处理单元。由于只需要X射线束覆盖感兴趣区域和B区域即能够精确重建获得该感兴趣区域的二维/三维断层图像，因此可以使用较小尺寸的探测器实现大尺寸物体任意位置感兴趣区域的CT成像，这能够大大降低CT扫描过程中的X射线辐射剂量。
【专利说明】一种计算机层析成像设备和方法
[0001]本申请是申请日为2009年5月26日、申请号为200910085612.4以及发明名称为“一种计算机层析成像设备和方法”的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种计算机层析成像(CT)设备，尤其是一种用于对感兴趣(ROI)区域进行CT成像的设备，以及在这些设备中使用的CT成像方法。
【背景技术】
[0003]自从1972年Hounsfield发明了第一台CT机，CT技术给医学诊断和工业无损检测带来了革命性的影响，CT已经成为医疗、生物、航空航天、国防等行业重要的检测手段之一。X射线锥束CT已经在医学临床、安全检查、无损检测等领域得到了广泛的应用，特别是在医学临床诊断中，螺旋CT已经成为不可或缺的检查手段之一 [1]。
[0004]尽管目前CT技术已经在工业、安检、医疗等领域取得了巨大的成功，但由于工程应用条件的复杂性和多样性，对CT技术的进一步发展提出了更高的要求。尤其是在工业应用中，CT技术在大尺寸、高精度成像，医疗低剂量成像等方面存在较大困难。这主要由于:CT扫描视野(FOV)受X射线束宽度、探测器尺寸和扫描视角的限制，这使得对大物体扫描的投影数据可能存在探测器方向和扫描角度方向两个方面的截断；而现有的主流CT算法都是针对完整物体的全局重建方法，要求X射线束必须完全覆盖物体断层，对投影数据有截断的情况难以处理。因此，目前对大物体或不规则物体进行成像时，往往难以直接完成扫描，需要通过多次扫描后依靠数据重排等近似转换方法才能重建出最终图像，这对CT成像的速度和精度造成了负面的影响。
[0005]此外，CT设备中的探测器已经成为限制CT设备的硬件成本的最关键环节，探测器的价格直接和探测器单元尺寸和数量成正比，而探测器价格的居高不下，这极大地限制了CT产品的成本空间。
[0006]另一方面，在医疗CT成像中，为了保证X射线投影数据不截断，目前CT扫描使用的X射线束宽度必须覆盖人体断层的宽度方向，而真正感兴趣往往只是人体的某个器官，这大大增加了人体在CT扫描过程中受到的不必要的辐射剂量，如果不改变目前CT设计的思路，很难降低辐射剂量。目前，医疗照射已经成为全民最大的人为电离辐射来源，减少CT检查的X射线剂量是关系到全体社会公众及其后代健康的重大课题。[0007]另外，随着人民生活水平的提高，人们对医学诊断的要求越来越高，特别是对于某些人体特殊部位，例如:女性乳腺、耳蜗、牙齿等部位的医学诊断需要很高的空间分辨率。对于这些情况，目前的主流全身螺旋CT机无法满足正常医疗诊断的需求。随着大面积平板探测器技术的飞速发展，目前医用平板探测器技术已经相当成熟，如已经应用于高空间分辨率的X射线DR成像。目前基于非晶硒、非晶硅技术的平板探测器，其有效探测器面积超过了 500_X500mm，而探测器像素尺寸也达到了 0.1mm左右，而目前多层螺旋CT的探测器单位尺寸只有约0.5mm，利用平板探测器可以实现比现有螺旋CT空间分辨率高的多的CT图像。但是，由于平板探测器数据量巨大，数据传输速度还无法满足目前锥束CT成像的要求，目前还没有真正应用平板探测器进行全身成像的CT设备。如果我们不是针对人体全身，而是利用小型平板探测器对感兴趣的器官实现高精度感兴趣区域CT成像，那么就能够克服数据传输速度慢的技术瓶颈，使之成为可能。
[0008]针对CT系统的上述缺点和局限性，我们开始探索新的CT图像重建方法和CT成像模式。事实上，很多工程应用中并不要求对完整的物体进行全局CT成像，只需要获得某些感兴趣区域(ROI)的物体图像即可，特别是医疗临床诊断中，只要能够实现对可疑病灶部位的成像即可[2]。
[0009]20世纪80年代初，人们已经开始研究物体的局部CT成像问题，但受当时CT重建理论所限，人们无法精确重建出物体局部的CT图像，因此转而寻求一种与物体断层图像相关的近似函数。1985年,Smith等提出了一种lambda tomography的局部重建算法,该算法利用局部投影数据重建出一个与ROI密度函数有相同奇异性的函数[3]。随后，Katsevich提出了一种pseudolocal tomography的局部重建算法，这种算法通过重建密度函数的Hilbert变换的一部分来代替原函数M。但是，由于这些函数都无法代替真正的物体断层图像，难以满足实际工程应用的需求，极大地降低了局部CT成像对于实际工程应用的意义。在随后很长的一段时间里，针对物体局部ROI的成像研究一直陷于停顿，无法得到解决。
[0010]最近几年，CT重建理论获得了较大的发展。2002年，Katsevich首先提出了一种基于滤波反投影(Filtered Back Projection,FBP)形式的锥束螺旋CT精确重建算法。该算法很好地解决了长物体重建问题，在Z轴方向投影数据截断的情况下，该算法仍然能够精确地重建出被扫描部分的物体图像，并且由于该算法是FBP形式的，在重建速度上和迭代类重建算法相比具有很大的优势，Katsevich为CT算法的发展提供了一个崭新的思路[5_6]。2004 年,Zou 和 Pan 提出了一种反投影滤波(Back Projection Filtration,BPF)形式的螺旋CT精确重建算法，该方法 只需要理论上最少的投影数据就能够精确重建出物体的断层图像[7_8]。至此，螺旋CT重建的基本理论问题得到了较好地解决。随后，BPF算法被推广应用到平行束、扇束、锥束CT图像重建中。Zou和Pan的BPF算法是基于PI线的重建算法，PI线是扫描轨迹上任意两点连线上的一条线段，BPF算法要求每条PI线的两个端点在物体支撑外，它的最大优势在于当投影数据存在某些截断时仍然能够精确重建出PI线上的图像，这使得针对ROI而不是完整物体的CT重建成为可能。2006年，Defrise等在BPF算法的基础上取得了更进一步的成果，放宽了 PI线的限制，证明了当PI线只有一个端点在物体支撑外时，由通过该PI线的投影数据仍然能够精确重建出PI线上图像[9]。2007年，Wang等人进一步证明了当PI线完全在物体内部时，如果已知该PI线上一部分的图像信息，就能够通过截断的投影数据精确重建出该PI线上的物体图像[1°]。但是，在实际CT工程应用中，物体内部PI线上的重建数值信息很难事先获得，因此，Wang等人的方法在实际应用中具有一定的局限性。
[0011]相关文献:
[1]李亮.CT投影变换理论及锥束重建方法研究[博士学位论文].北京:清华大学工程物理系，2007.[2]李亮，陈志强，康克军，张丽，邢宇翔.感兴趣区域CT图像重建方法及模拟实验，CT理论与应用研究，18: 1-7，2009.[3]AFaridanij E L Ritmanj K T Smith.“Local tomography”，SIAM Appl Math,52: 459-484，1992.[4]AKatsevichj A.G.Ramm.“Pseudolocal tomography”， SIAM Appl Math, 56:167-191，1996.[5]KatsevichA.A general scheme for constructing inversion algorithms forcone beam CT.1nt J Math Math Scij 2003， 21:1305-1321.[6]KatsevichA.An improved exact filtered backprojection algorithm forspiral computed tomography.Adv Appl Math, 2004， 32:681-697.[7]ZouYj Pan X.Exact image reconstruction on P1-1ines from minimum datain helical cone-beam CT.Phys Med Biol, 2004， 49:941-959.[8]ZouYj Pan X.1mage reconstruction on P1-1ines by use of filteredbackprojection in helical cone-beam CT.Phys Med Biol, 2004， 49:2717-2731.[9]MDefrisej F Nooj R Clackdoylej H Kud0.“Truncated Hilbert transformand image reconstruction from limited tomographic data”， Inverse Problems, 22:1037-1053， 2006.[10]YB Yej H Y Yuj Y Weij G Wang.“A General Local Reconstruction ApproachBased on a Truncated Hilbert Transform，，， International Journal of BiomedicalImaging, Volume 2007， Article ID 63634。
【发明内容】
[0012]本发明的 申请人:发现了一个全新的CT精确重建数据完备性条件:
对于任意一点3 = (COS病，sm為)，如果投影数据同时满足下述条件，则图像函数/(F)可以被精确重建:
1.存在向量友=(-sin為，cos病)和两条线段.￡/C L、Ln [L ,其中l是通过毛点且平行于牙的在函数/(O支撑内的线段，；
2.线段4至少有一个端点在函数支撑外，或线段^上的/(F)已知；
3.对于任意点IfUA，通过包含该点的微小邻域内任意点的任意角度癸e [爲肩+ π]下的投影P (s,釣均被采集得到，其中s ?。
[0013]上述条件可以由图1解释，当感兴趣区域ROI位于物体支撑内部时，FOV仅仅覆盖ROI是不能精确重建ROI图像的，需要增加额外的投影信息才能够重建出该ROI的断层图像，分两种情况:(a) (b)属于一类情况，即增加一个额外的深色阴影区域，通过该阴影区域的投影数据也需要采集得到，并且该深色阴影区域的图像已知；(c) (d)属于另外一类情况，即增加额外的一个阴影区域B，该区域有一部分或全部在物体支撑外。只要满足了上面两种情况之一，都能够实现感兴趣区域ROI的精确CT成像。对比图1中的四种情况，我们可以发现对于后面两种情况(c)(d)由于不需要已知该额外阴影区域的图像信息，因此这两种情况更方便在工程应用中实现；特别是最后一种情况(d)由于阴影区域B位于物体支撑外，因而只需要测量到通过ROI和区域B的X射线投影即可精确重建ROI的断层图像，这就意味着该CT扫描方式对于医疗成像而言，被检测者能够接受更少的辐射剂量。被检测者只需要接受扫描其可疑组织区域的X射线剂量和通过其身体外一个很小空气区域的X射线剂量即可，相比目前的全身螺旋CT扫描，能够在很大程度上减小被检测者接受的辐射剂量。
[0014]本发明正是基于上述CT精确重建数据完备性条件，尤其是基于上述情况(d)而做出。
[0015]根据本发明的一个方面，提供了一种对被检测对象的感兴趣区域进行CT成像的方法，包括步骤:获取所述感兴趣区域的CT投影数据；获取B区域的CT投影数据，其中所述B区域的至少一部分位于所述被检测对象的支撑之外，而且所述B区域被选为使得能够选择一组覆盖所述感兴趣区域的PI线段，其中每条经过所述感兴趣区域的PI线段均通过B区域；以及根据所述感兴趣区域的CT投影数据和所述B区域的CT投影数据来重建所述感兴趣区域的CT投影数据。
[0016]根据本发明的另一方面，提供了一种用于对被检测对象的感兴趣区域进行CT成像的CT成像设备，包括:X射线发生器，用于产生用于扫描的X射线束；探测器装置，用于探测透过被扫描区域的X设备以产生投影数据；被检测对象承载装置，用于承载所述被检测对象进出所述CT成像设备；主控制器，用于控制所述CT成像设备的操作，以使得所述X射线发生器所发出的X射线仅仅覆盖所述感兴趣区域来进行CT扫描以获得所述感兴趣区域的投影数据，以及使得所述X射线发生器所发出的X射线仅仅覆盖B区域来对所述B区域进行CT扫描以获得所述B区域的投影数据，所述B区域的至少一部分位于所述被检测对象的支撑之外，而且所述B区域被选为使得能够选择一组覆盖所述感兴趣区域的PI线段，其中每条经过所述感兴趣区域的PI线段均通过B区域；以及数据处理单元，用于基于所获得的感兴趣区域的投影数据和B区域的投影数据来重建所述感兴趣区域的图像。
[0017]根据本发明提出的X射线CT成像设备和方法，只需要X光源发出的X射线束覆盖感兴趣区域即能够精确重建获得该感兴趣区域的二维/三维断层图像，因此可以使用较小尺寸的探测器实现大尺寸物体任意位置感兴趣区域的CT成像，提高了 CT扫描和图像重建的速度，降低了 CT设备的硬件成本，同时能够大大降低CT扫描过程中的X射线辐射剂量。因此，本发明具有很高的市场应用潜`力。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1说明了根据本发明的CT精确重建数据完备性条件；
图2描述了根据本发明一个实施例的计算机层析(CT)成像方法的流程图；
图3描述了根据本发明一个实施例的、在图2的CT成像方法中执行的投影数据重建方法的流程图；
图4示出了根据本发明一个实施例的CT成像设备400的结构框图；
图5示出了根据本发明一个实施例的CT成像设备400中的前准直装置420的结构框
图；
图6示出了根据本发明一个实施例的CT成像设备400中的探测器位置控制装置440的结构框图；以及
图7示出了根据本发明一个实施例的CT成像设备进行CT成像的数值模拟结果。
具体实施例
[0019]下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。
[0020]如上面关于CT精确重建数据完备性条件的情况(d)所述，只需要通过扫描获得了通过ROI和B区域的X射线投影即可精确重建ROI的断层图像。
[0021]图2描述了根据本发明的一个实施例的计算机层析(CT)成像方法。在步骤S201中，确定要进行CT成像的被检测对象中的感兴趣(ROI)区域，并且根据所确定的ROI区域来确定至少一部分位于被检测对象支撑之外的B区域。B区域被选为使得能够选择一组覆盖ROI区域的PI线段，其中保证每条经过ROI区域的PI线均通过B区域(如图1 (d)所示的情况)。B区域可以是一个任意大小和形状的空间区域，考虑到实际探测器单元的尺寸和病人接受的辐射剂量两个因素，一般地，B区域可以选择为直径是探测器单元10倍的圆或球形空间区域。当然，B区域可以不止一个。另外，为了进一步提高图像重建速度和精度，可以进一步确定其它参考区域。
[0022]在确定了 ROI区域和B区域之后，在步骤S203中，将ROI区域调整到扫描视野范围内，以使得扫描X射线束仅仅覆盖该ROI，并对该ROI区域进行CT扫描以获得ROI区域的CT投影数据。然后在步骤S205中，将B区域调整到扫描视野范围内，以使得X射线束仅仅覆盖该B区域，并对该B区域进行CT扫描以获得B区域的CT投影数据。随后在步骤S207中，基于在步骤S203获得的ROI区域的CT投影数据和在步骤S205获得的B区域的CT投影数据，根据下面如参考图3所述的重建方法来重建出该ROI区域的CT图像。在本发明的CT成像方法中，虽然需要进行两次CT扫描才能够重建出ROI区域的CT图像，但在每次扫描中，X射线束仅仅覆盖到ROI和B区域，因此两次扫描中被检测对象受到的总X射线辐射剂量远远小于传统CT扫描的福射剂量。
[0023]图3具体描述了在图2所示的步骤S207中执行的重建方法。在步骤S301中，选择一组能够覆盖ROI区域的PI线段，且保证每条经过ROI区域的PI线均通过B区域。
[0024]该方法随后进入步骤S303-S307，其中对于在步骤S301中选定的PI线段组中的每条PI线，沿着该PI线进行图像重建。然后在步骤S309中，对在所有PI线上的重建数据进行组合而得到最终的ROI图像。这种基于PI线的图像重建过程在二维和三维重建中是一样的，下面以二维图像重建为例来说明在步骤S303-S307中执行的、基于一条PI线的图像重建处理。
[0025]将沿着一条PI线的二维图像定义为函数/(?) €i2(P)，则图像重建处理就是寻找符合下面公式(I)所有5个约束的交集函数。
【权利要求】
1.一种对被检测对象的感兴趣区域进行CT成像的方法，包括步骤:同时获取所述感兴趣区域的CT投影数据和B区域的CT投影数据，其中所述B区域的至少一部分位于所述被检测对象的支撑之外，而且所述B区域被选为使得能够选择一组覆盖所述感兴趣区域的PI线段，其中每条经过所述感兴趣区域的PI线段均通过B区域；以及根据所述感兴趣区域的CT投影数据和所述B区域的CT投影数据来重建所述感兴趣区域的CT投影数据。
2.如权利要求1所述的CT成像方法，其中所述根据所述感兴趣区域的CT投影数据和所述B区域的CT投影数据来重建所述感兴趣区域的CT投影数据包括步骤: 对于所述PI线段组中的每条PI线段: 计算在所述PI线段上的一维Hilbert变换值，以及 对所计算的一维Hilbert变换值进行有限Hilbert逆变换，以获得在所述PI线段上的重建图像值； 组合所述PI线段组中的所有PI线段上的重建图像值而得到所述感兴趣区域的图像。
3.如权利要求2所述的CT成像方法，其中所述有限Hilbert逆变换步骤包括: 在重建图像域和Hilbert变换空间域两个域之间进行凸集投影迭代来获得满足精度要求的所述在PI线段上的重建图像。
4.如权利要求1所述的CT成像方法， 其中所述获取所述感兴趣区域的CT投影数据和所述获取B区域的CT投影数据包括: 利用平行束、扇束或者锥束X射线来对所述感兴趣区域和B区域进行CT扫描，以获得所述感兴趣区域和B区域的CT投影数据。
【文档编号】A61B6/06GK103584877SQ201310546294
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2009年5月26日 优先权日:2009年5月26日
【发明者】李亮, 陈志强, 张丽, 康克军, 李元景, 刘以农, 邢宇翔, 赵自然 申请人:清华大学, 同方威视技术股份有限公司