计算断层摄影成像方法和系统的制作方法

计算断层摄影成像方法和系统的制作方法
【专利摘要】一种计算断层摄影成像方法，包括：检测辐射来获取对象的投影图像，其中，所述辐射已针对对象与辐射的各个不同的相对取向穿过对象；以及处理投影图像，以生成对象的断层照片；其中，所述辐射以发散射束的形式穿过对象，并且对象与辐射的射束的不同相对取向限定了射束沿着对象的两个或更多完整轨迹，完整轨迹相互偏移，以减少由于射束穿过对象的发散而引起的所生成的断层照片的部分中的空间分辨率的降低。
【专利说明】计算断层摄影成像方法和系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种计算断层摄影成像方法和系统。

【背景技术】
[0002]术语计算断层摄影术(CT)通常涉及如下处理，通过该处理，表示关注的物理对象的内部结构的基本上任意期望视图的一个或多个图像可以从表示对象的各个几何投影的相应的图像组来计算。
[0003]为了获取对象的投影图像，断层摄影成像装置需要:(i)粒子源或电磁辐射源，以探测对象；(ii)检测器，以测量所得到的探测对象的相互作用；以及(iii)用于改变源/检测器部件与对象之间的相对取向(orientat1n)的装置。因此，构成图像组的投影图像表示在源/检测器部件与对象之间的各个相对取向处获得的探测对象相互作用的测量。通常，选择这些方向，使得源和检测器相对于对象遵循特定的轨迹，该轨迹取决于源与检测器之间的几何形状。这样的轨迹的示例包括圆形轨迹、螺旋形轨迹和鞍形轨迹。
[0004]一旦获取了在各个不同的相对取向处的一组二维投影图像，则对这些图像应用重建算法，以生成在本文中被称为断层照片的相应的数据组，其以三维空间来表示对象的外部特征和内部特征。将断层照片用作输入，然后可以使用显示软件，以基本上用户期望的任何方式将对象可视化，包括如旋转的半透明对象、沿任意方向穿过对象的静态和动态部分等。这样的“重建”图像在本文中被称为断层摄影图像。
[0005]X射线计算断层摄影术(CT)使得能够对复杂内部结构的各种材料和长度尺寸进行非破坏性检查。X射线计算断层摄影术是快速发展的技术，其很容易在如生物、地质及材料科学领域发现新的应用。能够产生微米级特征的CT图像的CT系统在现有技术中被称为微CT系统。当前现有技术中基于实验室的微CT系统通常花费8至12小时获取关注的样本或对象的X射线投影数据，以生成包含20483体素的高质量断层照片，其中体素边长为2至3微米。
[0006]然而，在许多应用中，在具有该空间分辨率的微CT图像中关注的特征太小以致不能够清楚地分辨。例如，图1将来自具有体素(边缘)大小为2.5μπι的断层照片的微CT图像部分(左侧图像)与相同区域的具有像素尺寸为0.7μπι的扫描电子显微镜(SEM)图像(右侧图像)进行比较。在SEM图像中可见的样本的开口区域在微CT图像中不能够清楚地分辨，这阻碍了将微CT图像用于对样本孔隙度进行精确的定量分析。如下所述，可以以显著更长的获取时间为代价来提高微CT的空间分辨率。然而，更长的获取时间增加了每个图像的成本并且降低了吞吐量，这对于商业环境中的微CT系统而言通常是不可取的。
[0007]在实现增加分辨率的同时保持可接受获取时间对于基于实验室的锥形束微CT系统而言是重大挑战。对于微米级或低于微米级的分辨率，现有的CT系统和方法需要延长获取时间以防止信噪比(SNR)损害图像保真度。然而，减少获取时间会提高样本吞吐量，从而在一定范围的商业应用中增加微CT成像的吸引力。
[0008]高分辨率成像与信噪比
[0009]在增加基于实验室的锥形束微CT系统的图像分辨率时的主要障碍是在射线照片分辨率、X射线源光点大小以及投影数据信噪比(SNR)之间的关系。由于半影效果，射线照片分辨率的下限是X射线源光点直径；然而，X射线通量大致与源光点面积成比例。因此，为了使分辨率增加到两倍，必须使源光点面积减少四分之三，并且因此X射线通量减少四分之三。对适当配置的(即，限于量子)检测器中的图像噪声起主要作用的是由有限光子数量引起的散粒噪声(即，统计噪声)。投影数据SNR与在检测器的每个像素处检测到的X射线光子数的平方根成比例。因此，为了保持给定的SNR并且使分辨率加倍，必须使获取时间延长为四倍。在高分辨率处，该平方律关系导致不可接受长的获取时间，并且高分辨率成像还对系统部件提出严格的稳定性要求。
[0010]X射线管通常通过约为2 π球面度的立体角生成近似各向同性的X射线束通量。缓解SNR变小的最简单的方法是移动检测器靠近源，从而捕捉更大比例的X射线束。然而，如从图2所示的系统几何形状明显可见，这意味着以高锥形角来操作成像系统。
[0011]数据充足性
[0012]如上所述，不直接获取断层照片和断层摄影图像，而是从获取的样本投影图像组进行重建。X射线源和检测器(或等同地:样本)沿预定轨迹移动，使得在不同的投影角度收集每个投影图像。用于重建断层照片的算法很大程度上取决于用于收集投影的轨迹。
[0013]为了重建精确的断层照片或断层摄影图像，所获取的投影数据应当包括关于该对象的完整信息。Tuy首先解决了 3D断层摄影术的数据完整性问题(参见H.K.Tuy, “An inverse formula for cone-beam reconstruct1n,，，SIAM J App1.Math.，vol.43，pp.546—552，1983)。Tuy制定了获取轨迹的通用标准，其确保可以收集完整的信息。满足该标准的轨迹在现有技术中被称为完整轨迹。然而，本领域技术人员应当理解，轨迹的完整性取决于被重建的断层摄影体积区。因此，在本说明书中，术语完整轨迹被限定为至少重建断层照片大体部分满足Tuy标准的轨迹。
[0014]单个封闭圆形轨迹不为3D重建提供完整数据。不管采样密度如何，沿这种轨迹收集的数据不包括重建该对象所需的所有信息，并且因此仅可以进行近似重建。只要锥形角小，则沿圆形轨迹获取的投影数据几乎是完整的(例如，通常锥形角〈5°是可接受的)。然而，缺失的数据量随着锥形角的增加而增加。
[0015]可以通过将垂直于圆形平面的线段追加到圆来获得完整轨迹。其他这种完整轨迹包括螺旋形和鞍形。沿这些(以及其他完整)轨迹收集的投影数据为(理论上)精确重建提供足够的信息。实际上，理论上精确的重建算法已被知道有一段时间。尽管由于如噪声和有限采样因素，实践中没有实现精确重建，但是仍期望使用理论上精确的重建方法以消除因在相关反演公式中的近似所引起的重建中的系统误差。
[0016]使用完整轨迹，断层摄影成像装置原则上可以在任意大的锥形角操作，可以移动检测器使其尽可能在物理上靠近源。就可以对任意高度的对象进行成像的附加优点而言，螺旋形是特别受关注的。许多已知的重建方法可以从沿螺旋形轨迹获取的投影数据生成断层照片，包括近似迭代方法例如代数重建技术(ART)和同步迭代重建技术(SIRT)，以及基于理论上精确的KatsevichlPI反演公式的滤波反投影型重建方法，或者近似菲尔德坎普-戴维斯-克雷斯(Feldkamp-Davis-Kress, FDK)重建方法的螺旋形变体。
[0017]若干现有类型的CT系统可以实现(亚)微米分辨率。例如，超精细对焦系统使用扫描电子显微镜(SEM)来进行X射线生成。然而，这些仅可以产生至多约30kV的X射线，并且限于亚毫米样本直径。此外，由于样本被放置在真空室中，它们不能容易地适应于实验台。
[0018]基于X射线透镜的系统使用聚光透镜以增加来自源的X射线通量。由于用于硬X射线的菲涅尔波带片中所需的高纵横比，这些系统还限于低X射线能量。通过使用很小的检测器元件(要求很薄的闪烁体)来获得良好的分辨率。结果，仅检测到小部分的X射线光子，尽管在这些系统中X射线通量相对高，却导致很长的获取时间。
[0019]精细对焦系统是第三可替选方案。与超精细对焦系统一样，精细对焦系统不依赖于X射线光学器件，但是在可以使用的X射线能量的范围和由于不需要真空室因此可以对什么对象进行成像方面提供了更大的灵活性。此外，在X射线源与检测器之间的传播路径完全开放，使得这种系统理想地适合于在需要辅助实验台的情况下使用。
[0020]第四配置类型是准平行配置，其中，与源相比，样本被更靠近检测器放置，以提供接近于I的几何放大率。对于给定源光点大小来说，该几何形状使得射线照片分辨率比在精细对焦配置下更高，允许使用具有更高通量的源。然而，更大的源样本距离要求使用较小的锥形角，这意味着实践中入射到样本上的X射线通量没有大幅地提高。其次，在高分辨率下，必须使用薄的闪烁体，导致非常低的X射线检测效率，其与现代大的平板检测器的超过60 %的X射线检测效率相比，通常小于5 %。
[0021]以下讨论专门针对精细对焦系统类型。
[0022]常规的精细对焦微CT系统是使用圆形轨迹的无透镜精细对焦配置，并且用菲尔德坎普-戴维斯-克雷斯(Feldkamp-Davis-Kress，FDK)算法进行重建。因为其仅需要单个旋转台，这提供了极大的简单性和可靠性。然而，如上所述，沿圆形轨迹收集投影数据不提供关于对象的完整信息，并且不适用于以锥形角超过5°的X射线束进行成像。因此，为了获得可接受的SNR，使用了长的获取时间。这些相同的限制适用于使用用于X射线生成的扫描电子显微镜(SEM)的圆形轨迹超精细对焦系统。
[0023]SkyScan制造的商用螺旋形微CT系统使用精细对焦螺旋形轨迹和FDK重建。如上所述，螺旋形轨迹是完整的。然而，FDK重建算法的近似性能意味着仅可以用中等或小螺旋螺距进行数据获取，当扫描长的对象时，需要长的获取时间。
[0024]原则上，基于精确反演公式的重建方法可以用于在任意高的锥形角进行断层摄影成像，并且因此不限于小螺距。然而，发明人已经认识到，在高螺距处，螺旋形轨迹的固有的非对称性意味着获取的投影组表示成像对象的非均匀空间采样。这导致断层照片具有基本上非均匀的空间分辨率，并且因此降低了实用性。
[0025]期望提供一种缓解现有技术的一个或多个困难或至少提供有用的可替选方案的计算断层摄影成像的方法和系统。


【发明内容】

[0026]根据本发明的一些实施方式，提供了一种计算断层摄影成像方法，包括:
[0027]通过检测辐射来获取对象的投影图像，其中，所述辐射已针对对象与辐射的各个不同的相对取向穿过对象；以及
[0028]处理投影图像，以生成对象的断层照片；
[0029]其中，辐射以发散射束的形式穿过对象，并且对象与辐射的射束的不同相对取向限定了射束沿着对象的两个或更多完整轨迹，所述完整轨迹相互偏移，以减少由于射束穿过对象的发散而引起的所生成的断层照片的部分中的空间分辨率的降低。
[0030]处理还可以减少断层照片中的空间分辨率的变化。
[0031]在一些实施方式中，对象与辐射的射束的不同相对取向限定了单个轨迹，该单个轨迹限定两个或更多完整轨迹。亦即，单个轨迹包括两个或更多完整轨迹。在其他实施方式中，独立地获取两个或更多完整轨迹。
[0032]在一些实施方式中，两个或更多完整轨迹是螺旋形轨迹。在一些实施方式中，两个或更多完整轨迹包括相互偏移180°的两个螺旋形完整轨迹。
[0033]在一些实施方式中，对投影图像的处理包括:
[0034]处理针对两个或更多完整轨迹中的每个轨迹的投影图像，以生成相应的第一断层照片，其中，每个第一断层照片的空间分辨率根据相应的完整轨迹随着对象内的空间位置而变化；以及
[0035]处理第一断层照片以生成另一断层照片，在另一断层照片中，空间分辨率的变化至少部分被补偿。
[0036]在一些实施方式中，通过对第一断层照片的被选择部分进行组合来生成另一断层照片。
[0037]在一些实施方式中，生成另一断层照片作为第一断层照片的加权组合。在一些实施方式中，权重相等。在其他实施方式中，确定权重，以使得另一断层照片中的每个部分对应于第一断层照片的相应的部分中的最清晰的部分。
[0038]本发明的一些实施方式提供了一种计算断层摄影成像方法，包括:
[0039]访问对象的投影图像组或从对象的投影图像组生成的断层照片，每个投影图像组已使用辐射的射束相对于对象的相应完整轨迹来获取，其中，如果根据相应完整轨迹来生成这样的断层照片，则穿过对象的射束发散降低了相应的断层照片的部分中的空间分辨率或从相应的投影图像组生成的断层照片的部分中的空间分辨率；以及
[0040]从断层照片或投影图像组中生成另一断层照片，以减少空间分辨率的降低。
[0041]本发明的一些实施方式提供了一种计算断层摄影成像方法，包括:
[0042]访问使用辐射的射束相对于对象的各个不同的完整轨迹获取的对象的投影图像组，其中，如果根据各个完整轨迹来生成这样的断层照片，则穿过对象的射束发散会降低从各个投影图像组生成的各个断层照片的部分中的空间分辨率；以及
[0043]处理投影图像组，以生成其中空间分辨率的降低被减少的断层照片。
[0044]在一些实施方式中，使用精确或近似滤波反投影型方法从投影图像生成断层照片。在其他实施方式中，使用迭代近似方法从投影图像中生成断层照片。
[0045]本发明还提供了一种在其上存储有计算机可执行编程指令的计算机可读存储介质，计算机可执行编程指令被配置成用于执行上述方法中的任一方法。
[0046]本发明的一些实施方式提供了一种在其上存储有计算机程序产品的计算机可读存储介质，计算机程序产品被配置成用于执行上述方法中的任一方法。
[0047]本发明的一些实施方式提供了一种计算断层摄影成像系统，配置成执行上述方法中的任一方法。
[0048]根据本发明的一些实施方式，提供了一种计算断层摄影成像系统，包括:
[0049]数据获取模块，配置成获取通过检测辐射而生成的对象的投影图像，其中，所述辐射针对对象与辐射的各个不同的相对取向已穿过对象；以及
[0050]断层照片生成器，配置成处理投影图像以生成对象的断层照片，
[0051]其中，辐射以发散射束的形式穿过对象，并且对象与辐射的射束的不同相对取向限定了射束沿着对象的两个或更多完整轨迹，该完整轨迹相互偏移，以减少由于射束穿过对象的发散而引起的所生成的断层照片的部分中的空间分辨率的降低。
[0052]在一些实施方式中，断层照片生成器被配置成:处理每个完整轨迹的投影图像以生成相应的第一断层照片，其中，每个第一断层照片的空间分辨率根据相应的完整轨迹随着对象内的空间位置而变化；并且处理第一断层照片以生成另一断层照片，在另一断层照片中，空间分辨率的变化被减少或至少部分被补偿。

【专利附图】

【附图说明】
[0053]下面结合附图仅以示例性方式对本发明的一些实施方式进行了描述，其中，相同的附图标记指代相同的元件，并且，附图中:
[0054]图1包括地质岩芯样本的同一区域的常规微CT图像(左侧图像)和SEM图像(右侧图像)，显示了妨碍对样本孔隙度进行量化分析的常规微CT的相对较差的空间分辨率；
[0055]图2是断层摄影成像装置的摄影图像，其中，由X射线源生成的锥状X射线束被发射穿过关注的对象或样本，以在检测器上生成投影图像；
[0056]图3是示出如图2中示出的使用螺旋形完整轨迹的断层摄影成像装置的几何参数的不意图；
[0057]图4包括示出针对圆形轨迹(左侧图像)和螺旋形轨迹(右侧图像)的地质岩芯样本的同一部分的重建断层照片部分的图像；
[0058]图5包括针对相互偏移180°的螺旋形完整轨迹的地质岩芯样本的相应的断层照片横截面的图像(左侧)，以及相同图像的放大部分(右侧)，其示出观察到的样本的最靠近辐射源的部分比更远离辐射源的区域具有更好的空间分辨率；
[0059]图6包括因在平行于像素边缘的正交方向上的束发散引起的每个检测器像素的尺寸与在样本的相反侧的样本的相应区域的大小之间的关系的示意性图示；
[0060]图7包括表示用于针对单个螺旋形完整轨迹(左侧图像)的重建断层照片部分中的圆柱形样本的区域的平均源距离与用于相互偏移180°的两个螺旋形完整轨迹的平均的变化的图像；
[0061]图8是指示图9中以更高的放大率示出的被选择的矩形区域的断层照片部分的图像；
[0062]图9包括与图8中指示的选择区域相对应的各个断层照片的三个放大部分；顶部图像和中间图像来自从沿相互偏移180°的单个螺旋形轨迹获取的投影生成的断层照片，并且下部图像来自由对针对生成顶部图像和中间图像的两个螺旋形轨迹的投影图像进行相等加权作用而生成的断层照片；
[0063]图10是断层摄影成像方法的实施方式的流程图；以及
[0064]图11是计算断层摄影成像系统的计算机系统的框图。

【具体实施方式】
[0065]下面，在用于使用锥形X射线束对小型对象如圆柱形地质核心样本进行微米尺寸或纳米尺寸计算断层摄影的断层摄影成像装置的背景下，对本发明的一些实施方式进行描述。然而，应当理解，本文中描述的方法通常可适用于各种不同的断层摄影方法和装置，并且，通常不限于任何具体的装置类型、辐射类型(包括粒子)、对象类型或长度尺寸。
[0066]如图2和图3所示，计算断层摄影(CT)装置或系统包括X射线源202、样本台204以及检测器206。X射线源202生成锥形X射线束，该锥形X射线束穿过安装在样本台204上的对象210被发射到检测器206。锥形角302和扇形角304分别被限定成在源202处与检测器206所对的垂直半角和水平半角。检测器206包括:闪烁体，其在受X射线照射时生成可见光；以及安装在闪烁体后面的CCD或非晶硅平板传感器，其生成表示闪烁体生成的荧光空间布置的二维图像的图像数据，从而产生穿过对象210的X射线的X射线强度的二维图像或映射。如将会意识到的那样，这些图像中的每个图像均示出沿着穿过对象210被发射到检测器206的X射线的方向被投影的对象210的外部结构特征和内部结构特征二者。如图15所示，获取由检测器206生成的图像数据作为一组图像1536，该组图像1536以二进制数据的形式存储在用于随后处理的系统的计算机系统1500中。通过在连续的图像之间，样本台204被致动以使样本或对象210旋转小的角度(并且在螺旋形扫描的情况下，还使样本或对象210平移小的垂直距离)来依次获取图像，从而提供穿过对象210的不同的几何投影。重复这些步骤，直到样本经过至少180° +扇形角的旋转并且获取完整的一组投影图像为止。在螺旋扫描的情况下，重复这些步骤，直到样本或对象210经过足以获得样本/对象210的关注区域的完整信息的线性平移和旋转为止。由X射线束和对象210的共同的步进式相对运动表示的路径在现有技术中被称为“扫描轨迹”(或者为了方便起见，简称为“轨迹”)，其中，沿该轨迹在各个位置处获取投影图像1536。
[0067]然后，使用重建软件对该组投影图像1536进行处理，以生成表示对象210的三维外部结构特征和内部结构特征的断层照片。为此，可使用各种重建方法:近似迭代方法如ART和SIRT等；以及滤波反投影型方法。在所描述的实施方式中，使用了用于螺旋形轨迹的基于优化的重建方法，其中，KatsevichlPI反演公式(如在A.Katsevich, “Theoreticallyexact filtered backproject1n-type invers1n algorithm for spiral CT,，，SIAMJournal of Applied Math, pp.2012—2026，2002 中所述)与自动对准处理结合，如第 PCT/AU2011/000038号国际专利申请中所述，其全部内容通过引用明确地合并于本文。所得到的断层照片可以以由系统的用户实时地进行动态旋转和侧旋的对象210的部分透明表示的形式显示，以将该对象210的内部结构特征可视化和分析。
[0068]图2中示出的CT装置或系统是高精度的微CT仪器，该微CT仪器能够使用各种对象轨迹来获取X射线投影数据。例如，图4将使用螺旋形轨迹的系统生成的断层照片横截面(右侧图像)与从在使用圆形轨迹的常规微CT系统上获取的数据生成的断层照片横截面(左侧图像)进行比较，为了对相同的断层摄影体积区进行成像，后者需要显著更长的照相机长度。螺旋形轨迹断层照片横截面(右侧图像)的空间分辨率明显优于圆形轨迹断层照片(左侧图像)的空间分辨率。
[0069]对于中等锥形角，螺旋形轨迹运行良好。然而，随着锥形角的增加，在每个重建图像内，重建图像的分辨率变得非均匀。为了说明这个问题，图5将碳酸盐岩石样本的同一部分的两个微CT图像进行比较，且所述两个微CT图像来自使用各自螺旋形轨迹获取的各自的断层照片，其仅有的差别是样本在两个螺旋形数据获取轨迹之间围绕其圆柱轴的180°旋转。右侧图像分别是在样本的左侧图像中指示的选择区域的放大视图。很明显，下部的放大图像相对于上部的放大图像相当模糊。然而，如果检查靠近样本的相反侧的区域，则会观察到相反的情况。通常的观察是在投影数据获取期间，在与样本到X射线源的距离更大的位置相对应的区域中图像的空间分辨率降低。注意，在约4微米的体素分辨率下，空间分辨率不受源光点大小的限制。
[0070]重建的空间分辨率的这个变化的原因是投影数据表示对象的非均匀空间采样。当源自滤波反投影型重建算法时，投影数据被建模成沿从理论点源到连续采样检测器的线的X射线累积衰减。在实践中，检测器采样是有限的。通常，检测器像素远大于微焦光点的大小。因此，真正的投影数据不仅表示沿直线的累积衰减，而且还表示基于每个检测器像素跨越的立体角的空间平均值。如图6所示，由于随着距(标称点)源的距离的增加这个立体角逐步跨越更大的几何区域，对每个检测器像素的有限采样相当于在获取每个投影前随着穿过样本的距离应用X射线衰减贴图的非均匀模糊。图6的左侧部分示出了具有X射线点源602和X射线检测器604的理想化CT配置，X射线检测器604的像素不大于零发散x射线束608在穿过样本610后照射的区域606。
[0071]相比之下，图6的右侧示出了更真实的CT配置，其中有限尺寸的X射线点源612产生大致锥形的X射线束614，该X射线束614穿过样本610以照射检测器618的离散检测器像素616。由于有限的束发散,使得发散束的横向维度(即与传播方向正交的维度)随着距源612的距离的增加而增加。考虑到与单个检测器像素616的尺寸相对应的束614的大致矩形的发散部分，因此，靠近X射线源612的样本610的体积区或部分618的横向维度小于进一步远离X射线源612的样本610的第二体积区620的相应的横向维度。像素采样体积区的横向维度随着距检测器612的距离增加而扩大的结果意味着最高空间分辨率从距X射线源612最靠近的样本的体积区或部分618获得，而最低空间分辨率从距X射线源612最远的体积区620获得。
[0072]由于螺旋形轨迹固有的非对称性，即使在考虑到整个数据集时，非均匀采样仍保持:即使在所有相关投影上进行平均时，一些点将比其他点距离源更远。在这种情况下的程度取决于螺旋的螺距，并且取决于用于在每个点处进行重建的投影的子集。使用KatsevichlPI反演方法进行重建表示极端情况。由于这种重建方法仅需要来自跨越半周螺旋的投影的数据，所以允许使用很高螺距的轨迹，并且因此可以对长对象进行快速扫描。
[0073]图7中的左侧图像以强度或亮度表示从辐射源到重建体积区内部的平面中的每个点的平均距离，其基于影响在相应点处重建的所有投影进行平均。图像清楚地表明在基于影响重建的所有投影进行平均的情况下，从源到重建体积区内部的每个点的距离在空间上变化。这意味着由有限检测器元件引起的相应的模糊和穿过样本的束的发散也将在空间上变化。
[0074]所有现有技术的精确重建方法都是在没有考虑有限检测器元件的情况下开发的。因此，这些重建方法没有考虑到使用发散的辐射束，在沿螺旋形轨迹获取的投影数据集中固有的对对象采样的空间变化。本文中描述的方法解决了这个疏忽，并在整个断层照片产生均匀或至少更均匀的空间分辨率。这最终使得来自工业或学术机构的终端用户更容易获得高分辨率3D成像，并且提供更好的工具来以高清晰度和细节观看样本结构。
[0075]从图7明显可以看出，更靠近辐射源的区域从具有由采样引起的更小的模糊度的投影数据重建。通过对应于旋转轴处的放大率，在具有恒定体素大小的网格上进行重建，现有技术重建方法平均上离源远的区域使用了过小的体素大小(区域显得模糊)，相反，平均上靠近源的区域使用了过大的体素大小(区域显得清晰)。
[0076]为了获得具有均匀分辨率的高质量断层照片，在本文中描述的重建方法使用了冗余数据，以对束的发散和穿过样本的变化的源距离进行补偿。
[0077]如果使用螺旋形轨迹，所描述的实施方式使用两个相互偏移(180° )的螺旋形轨迹。然而，使用多于两个轨迹对本领域技术人员是明显的(例如η个相互偏移360° /n旋转角的螺旋形轨迹)，而在其他实施方式中，可以使用各种其他可能的轨迹，包括其他形式的完整轨迹例如以上描述的那些轨迹。实际上，甚至不需要是相同形式的轨迹，尽管在实践中的轨迹如此也是方便的。
[0078]图7中的右侧图像与左侧图像一样，除了源距离通过从两个断层照片生成图像来有效地平均，且这两个断层照片从沿各自螺旋形轨迹获取的数据单独地重建。明显地，与单螺旋断层照片(左侧图像)相比，这种方法提供更均匀的源距离分布。因此，投影数据集包括表示对象的更均匀空间采样的信息。因此，可以处理这个数据集以生成具有更均匀空间分辨率的断层照片。
[0079]使用多个完整轨迹获取的投影图像可以以各种方式进行组合对本领域技术人员是明显的。最简单并且最方便地，在一些实施方式中，单独的断层照片从各自轨迹的各自图像集重建，并且对生成的图像进行组合。然而，在可替选实施方式中，虽然不太方便，但是投影图像被直接处理以生成“校正的”断层照片而不需要生成中间断层照片。
[0080]在一些实施方式中，生成单个断层照片作为单独断层照片的加权平均。最直接的加权方案是为每个断层照片分配相等的权重。图8示出了断层照片部分的重建图像，其中叠加的矩形选择802指示样本在图9中被放大显示的选择区域。图9中的三个图像示出这个相同的区域，但是来自三个不同的断层照片。顶部图像和中间图像来自从各个投影图像组生成的相应的断层照片，该投影图像组沿相互偏移180度的各个单个螺旋形轨迹获取。这两个图像的仔细比较表示:与中间图像相比，在顶部图像中样本的在选择区域中的空间分辨率大体上更好，其中，平均而言，与顶部图像相比，在中间图像中，发散的辐射束从X射线源行进得更远以到达样本的选择区域。
[0081]下部图像来自下述断层照片，该断层照片从对用于生成顶部图像和中间图像的两个螺旋形轨迹的断层照片进行相等加权作用生成。明显地，尽管有利的是断层照片内以这种方式生成的图像的空间分辨率基本上独立于断层照片内的位置，如预期的，这个图像的空间分辨率在上述两个图像的空间分辨率的中间。为了进一步提高图像的锐度，在一些实施方式中使用非均匀加权方案来对断层照片进行组合，以选择性地或主要地包括仅来自每个断层照片的一个或多个最清晰的区域(在区域间可能具有相对小的加权交叠)，从而，在最终断层照片内的所有区域处提供基本上最佳的可使用空间分辨率。这两个选择表示极限情况，在这两个选择之间存在连续的可能加权方案，对于最终重建中的每个点，这些方案将减少表示稀疏空间采样的投影数据的影响，从而基本上提高最终断层照片的空间分辨率的均匀性。
[0082]如国际专利申请第PCT/AU2011/000038号所述，除了提供更均匀的重建结果外，使用多个轨迹的微CT成像导致其自身进行自动焦距对准处理。例如，由于用于两个180°偏移的螺旋形轨迹的数据集包括从对象210的相反侧获取的成对投影，因此，任何几何硬件未对准将导致反投影不匹配的结果，并且因此被检测为模糊图像。
[0083]在本文中描述的多轨迹处理的具体优点是:在不增加获取时间的情况下提供增加的空间分辨率。在实践中，用于给定微CT成像装置和配置(无论使用单个轨迹还是多个轨迹)的获取时间被选择，使得所得到的断层照片的信噪比足够其所需的目的。但是，如果使用多个轨迹，则与仅使用一个轨迹相比，每个单个投影图像会具有更多噪声，但是在最终断层照片中提供同样的噪声。例如，如果采用对两个互补轨迹同等对待的加权方案，则在使用两个轨迹的情况下所需要的获取每个图像的获取时间是在仅使用单个轨迹的情况下所需要的时间的一半。因此，总的获取时间可以基本上独立于轨迹的数量，但是当使用多个轨迹获取投影图像时基本上提高了空间分辨率。
[0084]本领域技术人员应当理解，本文中描述和在图10中示出的断层摄影成像处理能够以各种不同的形式来实施，但是以一个或多个软件模块的计算机可执行编程指令形式实施可以是最方便的。因此，在所描述的实施方式中，断层摄影成像装置包括如图11所示的标准计算机系统1500 (例如基于英特尔IA-32或IA-64的计算机系统)，并且断层摄影成像处理通过计算机系统1500来执行，并且被实现为存储在与计算机系统1500相关联的非易失性(例如硬盘或固态驱动器)存储器1504上的一个或多个软件模块1526至1534的编程指令。然而，可替选地，断层摄影成像处理的至少一部分可以被实现为一个或多个专用硬件部件(例如专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA))是明显的。
[0085]计算机系统1500包括标准计算机部件，所述标准计算机部件包括随机存取存储器(RAM) 1506、至少一个处理器1508以及外部接口 1510、1512、1514，所有这些部件通过总线1516相互连接。外部接口包括:通用串行总线(USB)接口 1510，且USB接口 1510中的至少一个连接至键盘1518和指示装置如鼠标1519 ;网络接口连接器(NIC) 1512，其将系统1500连接至通信网络如因特网1520 ;以及显示器适配器1514，其连接至用于观看断层摄影图像的显示装置(如IXD平板显示器1522)。
[0086]系统1500还包括许多其他软件模块1524至1534，其包括操作系统1524如Linux、Apple公司的OS X或Microsoft Windows、数据获取模块1526、断层照片重建模块1530、断层照片组合模块1534、数据可视化模块1532以及可选地数据分析模块1528。数据获取模块1526控制样本旋转和平移台204，从检测器206接收数据，并且将所接收的数据存储作为针对各个相互偏移的完整轨迹的成组的投影图像1536。可选地，数据分析模块1528进行如国际专利申请第PCT/AU2011/000038所述的对准处理以确定系统的成像部件202、204和206的未对准参数的值，从而生成相应的成组的已校正的投影图像1538。在任一情况下，由重建模块1530处理投影图像1536或1538，以针对各个完整轨迹生成重建的断层照片1540。最后，断层照片组合模块1534对断层照片1540进行组合，以从单个断层照片1540的被选择部分提供最终断层照片1542，从而提供断层照片1540的每个区域的最佳可获得空间分辨率(或者可替代地，至少更均匀的空间分辨率)。然后，数据可视化模块1532可以处理最终断层照片1542，以在用户控制下实时地生成重建断层摄影图像1544。
[0087]对于本领域的技术人员明显的是由计算机系统执行的处理可以包括:对辐射源202和CT扫描装置进行控制，其使得辐射束沿关注的样本或对象遵循期望的轨迹，和/或对所得到的投影图像进行处理以生成最终断层照片，在该最终断层照片中，源距离的变化至少部分地被补偿。通常，在计算机系统1500的控制下进行这两种功能，但是应当清楚，在一些实施方式中并不需要如此。例如，可以是控制对象的轨迹和数据获取的一个计算机系统实际上独立于处理投影图像以生成最终断层照片1538的计算机系统。此外，处理可以包括:针对每个完整轨迹生成相应的断层照片1542，然后，对所得到的断层照片1540进行处理或组合以生成最终断层照片1542，其中，源距离的变化至少部分地被补偿，以提高断层照片内的空间分辨率的均匀性。对生成最终断层照片1542的单个断层照片1540的处理可以独立于其他步骤进行，并且可以在独立的计算机系统上进行。
[0088]在不脱离本发明的范围的情况下，很多修改对于本领域技术人员而言将是明显的。
[0089]本说明书中对于任何现有公开(或通过其得到的信息)或者对于任何已知的内容的引用，都没有并且不应当被认为是对以下内容的承认、允许或者任何形式的建议:现有公开(或通过其得到的信息)或者已知内容形成了致力于与本说明书有关的领域的普通知识的一部分。
【权利要求】
1.一种计算断层摄影成像方法，包括: 通过检测辐射来获取对象的投影图像，其中，所述辐射已针对所述对象与所述辐射的各个不同的相对取向穿过所述对象；以及 处理所述投影图像，以生成所述对象的断层照片； 其中，所述辐射以发散射束的形式穿过所述对象，并且所述对象与所述辐射的射束的不同相对取向限定了所述射束沿着所述对象的两个或更多完整轨迹，所述完整轨迹相互偏移，以减少由于所述射束穿过所述对象的发散而引起的所生成的断层照片的部分中的空间分辨率的降低。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理减少了所述断层照片中的空间分辨率的变化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述对象与所述辐射的射束的不同相对取向限定了包括所述两个或更多完整轨迹的单个轨迹。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，独立地获取所述两个或更多完整轨迹。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述两个或更多完整轨迹是螺旋形轨迹。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述两个或更多完整轨迹包括相互偏移的螺旋形轨迹。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述两个或更多完整轨迹包括相互偏移约180°的两个螺旋形完整轨迹。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，处理所述投影图像包括: 处理所述两个或更多完整轨迹中的每一个的投影图像，以生成相应的第一断层照片，其中，每个所述第一断层照片的空间分辨率根据相应的完整轨迹随着所述对象内的空间位置而变化；以及 处理所述第一断层照片，以生成另一断层照片，在所述另一断层照片中，空间分辨率的变化被减少或至少部分被补偿。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过将所述第一断层照片的选择部分进行组合来生成所述另一断层照片。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述另一断层照片被生成作为所述第一断层照片的加权组合。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，权重相等。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，确定权重，使得所述另一断层照片中的每一部分基本上对应于所述第一断层照片的相应部分中的最清晰的部分。
13.一种计算断层摄影成像方法，包括: 访问对象的投影图像组或从对象的投影图像组生成的断层照片，每个所述投影图像组已使用辐射的射束相对于所述对象的相应完整轨迹来获取，其中，如果根据所述相应完整轨迹来生成这样的断层照片，则穿过所述对象的射束发散降低了相应的断层照片的部分中的空间分辨率或从相应的投影图像组生成的断层照片的部分中的空间分辨率；以及 从所述断层照片或所述投影图像组中生成另一断层照片，以减少空间分辨率的降低。
14.一种计算断层摄影成像方法，包括: 访问使用辐射的射束相对于对象的各个不同的完整轨迹获取的所述对象的投影图像组，其中，如果根据各个完整轨迹来生成这样的断层照片，则穿过所述对象的射束发散会降低从各个所述投影图像组生成的各个断层照片的部分中的空间分辨率；以及 处理所述投影图像组，以生成其中空间分辨率的降低被减少的断层照片。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，相对于来自所述投影图像组中的任一投影图像组的断层照片，所述处理减少了断层照片中的空间分辨率的变化。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，使用精确或近似滤波反投影型方法从所述投影图像中生成断层照片。
17.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，使用迭代近似方法从所述投影图像中生成断层照片。
18.至少一种在其上存储有计算机可执行编程指令的计算机可读存储介质，所述计算机可执行编程指令被配置成用于执行权利要求1至17中任一项所述的方法。
19.一种在其上存储有计算机程序产品的计算机可读存储介质，所述计算机程序产品配置成用于执行权利要求1至17中任一项所述的方法。
20.一种计算断层摄影成像系统，配置成执行权利要求1至17中任一项所述的方法。
21.一种计算断层摄影成像系统，包括: 数据获取模块，配置成获取通过检测辐射而生成的对象的投影图像，其中，所述辐射针对所述对象与所述辐射的各个不同的相对取向已穿过所述对象；以及 断层照片生成器，配置成处理所述投影图像以生成所述对象的断层照片， 其中，所述辐射以发散射束的形式穿过所述对象，并且所述对象与所述辐射的射束的不同相对取向限定了所述射束沿着所述对象的两个或更多完整轨迹，所述完整轨迹相互偏移，以减少由于所述射束穿过所述对象的发散而引起的所生成的断层照片的部分中的空间分辨率的降低。
22.根据权利要求21所述的计算断层摄影成像系统，其中，所述断层照片生成器被配置成:处理每个所述完整轨迹的投影图像以生成相应的第一断层照片，其中，每个所述第一断层照片的空间分辨率根据相应的完整轨迹随着所述对象内的空间位置而变化；并且处理所述第一断层照片以生成另一断层照片，在所述另一断层照片中，空间分辨率的变化被减少或至少部分被补偿。
【文档编号】G01T7/00GK104254786SQ201280059355
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2012年10月3日 优先权日:2011年10月3日
【发明者】亚德里恩·保罗·谢泼德, 安德鲁·莫里斯·金斯顿, 特龙·卡斯滕·瓦尔斯洛特 申请人:Fei公司