专利名称：噪声抑制算法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总的说来涉及计算机层析X射线摄影法(CT)成象，更具体地说，涉及CT系统中噪声抑制的动态DC(直流)调节。
在CT系统中，X射线源投射出扇形射线，该射线平行地处在直角坐标系统的X-Y平面(叫做“成象平面”)上。X射线通过所拍摄的物体(例如病人身体)后照射到排成一行的射线检测器阵列。发射出的射线的强度取决于物体对X射线的衰减。射线的衰减程度可从该射线检测器阵列的每一个检测器各自产生的电信号测出。要形成X射线透视图就要分别探测各检测器衰减测定值。
CT系统中的X射线源和该检测器阵列，与龙门架一起在成象平面内绕物体转动，因而X射线与物体相交的夹角不断地变化。在某一龙门架角度下从该排检测器测定出的一组X射线的衰减量叫做一个“视域”。对物体进行一次“扫描”是由X射线源和检测器转一圈的过程中在不同龙门架角下获得的一组视域组成的。
在一次轴向扫描的过程中，来自检测器阵列的信号经过处理构成从物体扫描出的二维层片相应的影象。这个处理过程有时叫做影象重建。有一种影象重建法叫做滤波反投影法。这种方法将扫描得出的衰减测定值换算成叫做“CT值”或“H单位”的整数，用它来控制对应于阴极射线管显示屏上象素的亮度。
当然，总希望能减小CT产生的影象中人为的图象缺陷。这类人为的缺陷产生的原因有各种各样，例如，到达检测器的被衰减了的X射线太弱就是一种原因。这种状态叫做X射线光子不足的现象。
有两种人为缺陷一般与X射线光子不足有关。一种人为缺陷叫做“阴影”，这是CT值漂移引起的。CT值的这种大小悬殊的情况使拍摄出的影象看起来较暗或有阴影。另一种与X射线光子不足有关的人为缺陷是出现在两个高度衰减的物体之间严重的条纹现象。在许多情况下，若出现X射线光子不足的现象，这些人为缺陷会严重到X射线光子不足的现象。这些人为缺陷会严重到X射线影象不得不作废的程度。
为减少X射线光子不足造成的人为缺陷，对CT技术人叫进行培训，使他们会选用合适的X射线源工作参数(千伏，毫安)和按病人的体型选取不同的层面厚度。此外还叫病人把两臂放在扫描视域(FOV)之外以减少两臂吸收不必要的光子。
然而，在许多情况下，X射线管的技术规范或其它条件限制却使X射线源不能最优化运行。此外，由于病人身体的结构千变万化，对不同的体型和部位要选用不同的扫描方法，在这方面的考虑可能要花很多时间。采用如此费时的方法而降低处理病人的效率，这是我们所不希望的事。另外，即使力图采用这种方法，有些病人却不肯合作。例如，有些病人可能会不理会“两臂搁头上”的指示。
有人还提出过用自适应滤波法来校正任何X射线光子不足人为现象得出的投射数据。有了这些方法，就可以根据投射过程中的X射线光子通量“平稳”进行操作。“平稳化”操作通常是根据在某一通道及其毗邻各通道检测出的信号的大小调节在该通道检测出的信号。这种“平稳化”操作是逐个通道依次进行的，其目的在于消除阴影和条纹型的人为缺陷。由于受X射线光子不足影响的投影数据其百分率小，因而这种平稳化操作对系统分辨率的影响极小。然而，这种平稳化操作需要大量的计算。因此自适应滤波法因实施起来会提高系统的造价而得不到广泛的应用。
所以需要有一个能经济实惠地消除光子不足情况引起的人为缺陷的方法。然而，消除这类人为缺陷不应因不同人体部位而采用不同的扫描方法，也无需依赖病人的合作。
本发明涉及基本上消除X射线光子不足引起的人为缺陷的一种算法。更具体地说，这种算法是先确定对应于某一视域的各组投影数据的任一通道的最小或最低光子计数值或光子通量。例如，每一个视域由来自852个通道的数据组成。各通道对应于检测器阵列的一个检测器。来自各检测器的信号值相互比较以确定最小幅值信号。
最小光子计数值一经确定，就可以校准投影数据。这种校准包括“空气”校准和“基准”校准，前者用以校准各通道间因检测器各通道间的增益不同而引起的任何变化。后者用以消除信号因X射线管输出波动而引起的任何变化。
经上述校准之后，对校准过的投射数据进行动态DC调节。对每一组投影数据，即对每一个视域，对各数据元进行的DC调节量是不变的。但每一个视域的DC调节量不同。对各视域的调节量足以有效地减小X射线光子不足的人为缺陷，但却保持在最小量，从而限制了可能加到影象上的任何偏置。此外，DC调节量还受投射角的调制，从而进一步减小偏置的影响。投射数据一旦经过上述动态调节之后就可以进行“负对数”运算和其它校准工作。
通过上述动态DC调节，基本上消除了本来因X射线光子不足引起的人为缺陷。这些人为缺陷的消除既无需对不同的人体部位采用不同的扫描方法，也无需要求病人进行超出目前要求的合作。
图1是CT影象系统的示意图。
图2是图1所示系统的方框原理图。
图3是与动态DC调节有关的一系列操作。
图4是X射线扫描角的示意图。
图5是加权函数的一个实例。
参看图1和图2。计算机层析X射线摄摄影法(CT)系统10包括一个龙门架12，龙门架2是“第三代”CT扫描仪的代表。龙门架12的X射线源14将X射线16投射到龙门架12另一侧的检测阵列18。检测阵列18由检测元件20组成，这些元件一起检测着透过接受医疗的病人投射来的X射线。各检测元件20产生的电信号表示照射到元件上的X射线的强度，因而也表示X射线通过现人22体内时引起的X射线信号衰减。在扫描获取X射线投影数据的过程中，龙门架12和装设在其上的各部件一起围绕转动中心24转动。
龙门架12的转动和X射线源14的运行由CT系统10的控制机构26控制。控制机构26包括X射线控制器28和龙门架电动控制器30，前者给X射线源14提供电力和定时信号，后者控制着龙门架12的转速和位置。控制机构26中的数据采集系统(DAS)32对来自检测元件20的模拟数据抽样，并将数据转换成数字信号供以后处理用。影象重建器34接收来自DAS32经抽样和数字化的X射线数据并进行高速影象重建。重建后的影象加到计算机36的输入端，影象即由计算机36存储在大容量存储器38中。
计算机36还接收操作人员通过有键盘的控制台40输入的指令和扫描参数。操作人员可以从有关的阴极射线管显示屏42观测经重建的影象和其它来自计算机36的数据。计算机36用操作人员提供的指令和参数给DAS32、X射线控制器28和龙门架控制器30提供控制信号和信息。此外，计算机36还控制着平台电动机控制器44，由该控制器控制电动平台46将病人送入龙门架12中就位。具体地说，平台46通过龙门口48移动病人22身体的各部分。
在将检测元件20采集来的原始数据转换成供显示在显示屏42上的影象数据的过程中，所进行的一系列操作包括执行校准和校正算法等。具体地说，原始数据由DAS32转换成数字投射数据，再由影象重建器34将投射数据进行校准和校正，应该可以从影象数据产生高分辨率的影象，影象中即使有任何人为缺陷的话也是很微少的。
在影象重建过程中，X射线光子不足引起的人为缺陷应该可以基本上从投影数据中消除。前面说过，这种X射线光子不足的现象是检测元件20的X射线光子通量趋近0时发生的。这时，检测元件20输出的表示衰减的信号会变得非常低，甚至可能是负的。
当X射线光子噪声分量充斥检测输出信号时，检测器输出信号的方差与所测信号(即光子检测分量)成正比。设γ表示测定值(即光子检测分量的大小)，则检测器输出信号方差可用(1)式表示σ2＝γ (1)忽略“负对数”校准步骤(这通常是确定投影数据的对数绝对值以消除任何检测器的负信号)，则校准处理准确到一阶的近似效果可用(2)式表示σ2y＝kγ (2)其中K为标度因子。这是因为随机变量y＝g(γ)的一阶方差估值为σy2=|g(γ)|2σ2----(3)]]>负对数校准对立差的影响为σz2=σy2/γ2=k/γ----(4)]]>关系式(4)表明，经处理的投影数据(即衰减系数的线积分)与所测X射线光子通量成反比。因此，X射线光子通量趋近0(即X射线光子不足)时，方差变得非常大。减小这个方差，可以提高影象的分辨率。
上面说过，在X射线光子不足的情况下，检测器的输出信号可能变负。信号的这种负性是由于例如系统10电子设备的漂移引起的。鉴于失调漂移是始终影响每一个检测器通道普遍存在的现象，因而当检测出负信号或量级非常低的信号时，可以正向偏置整个投影数据集。
如此正向偏置整个投影数据集(即每一个构成一个视域的通道信号)，这里称之为DC调节。DC调节就是给投影数据集的每一个数据元加上一个常数。这个常数虽然不因各视域中(即各投影数据集中)各通道的不同而异，但还是要在每一个视域加以调节的。对常数进行的这种调节，这里称之为“动态调节”。
图3示出了进行这种动态DC调节应完成的处理步骤。具体地说，操作一经在步骤50开始，DAS32就在步骤52从各检测元件20采集信号，再在步骤54由DAS32将各检测元件信号转换成数字信号。
经数字化的投影数据由DAS32提供给影象重建器34，以后的步骤都由重建器34完成。具体地说，进行漂移校准和初始速率校准56是为了从数字化的投影数据消除任何因系统10的漂移引起的偏差和校正任何因检测器20特性而引起的误差。接着，在步骤58由检测器检测各投影数据集的最小或最低X射线通量。各视域由例如来自852个通道的数据组成。各通道对应于检测器排18的一个检测器20。只要将对应于各通道信号的数据元与各投影数据集的数据元加以比较就可以确定最小值数据元。各投影数据集中最小值数据元的值为该投影数据集的最小X射线通量。
通常，最小通量应在影象重建过程中投影数据表示实际的X射线通量时确定。因此，最小通量不一定非要完成偏移和初始速率校正56之后即刻确定不可。但确定最小通量最好还是在“负对数”运算之前进行。
当然也可以不采用最小通量而采用其它如平均最小通量之类的值。平均最小通量可以通过求出若干最低值数据元值的平均值确定或由表示来自毗邻各通道的信号的若干数据元的最小平均值确定。
各视域的最小通量值ζ一经求出，就可以在步骤60进行其它校准，例如“空气”校准和“基准”校准。“空气”校准的作用是校正投影数据因检测器各通道的增益变化而引起在不同通道下的变化，“基准”校准的作用则是消除因X射线管输出波动引起的任何信号变化。
以上各步骤中确定下来的最小通量可进一步加以处理(例如沿视域方向进行递归滤波)以减小各视域之间出现的波动。此外，为将最小通量读数变换成DC偏移值，还得进行非线性变换处理。采用递归滤波主要是讲求速度。其它滤波方案也可以采用。递归滤波对最小通量的影响为ζk＝α(ζ-b)＋(1-a)ζk-1(5)其中ζk为视域值k的最小通量，a和b为参ζk若大于0则取0值。
进行这些操作之后，进行步骤62；按(6)式对投影数据进行动态DC调节Pk＝Pk-ζkγWk(6)其中γ为换算系数，Wk为权因数。Pk表示视域值。由于一个视域中有许多通道(约852个)，因而Pk是矢量。
至于加权因数Wk，图4示出了其与DC调节的依赖关系。之所以采用这个加权因数Wk是因为在多数情况下，条纹是在病人肩膀和骨盆部位的影象数据中产生的。这两部位的拍摄对象，其左右方向的长度都大于其前后方向的长度。此外，进行CT扫描时，骨骼密布的结构是按左右方向就位的。因此(具体参看图4)，(通过病人身体之后)衰减了的X射线，其通量比起X射线源处在位置2时的通量要小得多。所以对投影数据进行DC调节的调节量是作为视域角的函数进行调节的(例如，X射线管处于12点钟的位置时视域角为0)。
图5示出了完成这种调节的加权函数的一个实例。这些加权可用(7)式表示W(α)＝β＋(1-β)Sin(2a＋1.5π) (7)其中α是视域角，β是控制加权动态范围的参数。当然可以采用其它加权函数。
为进一步减小信号的变化，在进行步骤62的上述动态DC调节之后，可进行静态滤波。这种滤波只有当ζk低于某阈值时才进行。
经如此操作之后，投影中的方并如下σ22≅σ2|(γ+C)2≅kγ|(γ+C)2>k|γ----(8)]]>然而，这在只进行DC调节的情况下是个不利因素。由于DC调节是在负对数运算之前进行的，投影会有误差。这个误差通常随扫描数据DC调节量而增加。因此，DC调节应该只有必要时才进行，例如，当X射线光子不足人为缺陷的量超过预定阈值时。此外，DC调节量应保持最小限度。而调节引起的误差是与通道有关的，产生这种误差的频率本来就是不高的。因此，这种误差在X射线体层摄影重建过程的卷积滤波操作中会进一步压缩。
投影数据在步骤62中一经动态DC调节，就可以在步骤64对这些数据64对这些数据进行“负对数”和其它校准运算。这时经处理的数据可以通过其它预处理和重建步骤进入步骤66的影象重建完毕阶段。
处理步骤52-54、60和64是本技术领域众所周知的。结合这些步骤采用上述动态DC调节，基本上可以消除原本因X射线光子不足引起的人为缺陷。重要的一点是，这些人为缺陷是无需对不同身体部位采用不同的扫描方法、也无需要求病人进行目前所需合作范围以外的合作而基本上消除掉的。
从对本发明的上述介绍可以看出，显然本发明的目的是达到了。虽然上面已对本发明进行了详细的介绍和举例说明，但显然不言而喻，上述说明仅仅是举例说明而已，不应视其为对本发明的限制。因此，本发明的精神实质和范围仅受到本说明书所附权利要求书中各条款的限制。
权利要求
1.一种计算机层析X射线摄影法系统(10)，用以根据扫描获得的投影数据产生影象，投影数据以投影数据以投影数据集的形式采集，各投影数据集对应于一个视域，所述系统的特征在于，它按下列方式配置确定视域投影数据集X射线通量的最小值(58)；并按下式调节投影数据集的投影数据Pk＝Pk-ζkγWk其中ζK为最大通量的函数，γ为标度因子，WK为加权因数，PK表示视域值K(62)。
2.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，它还有一个X射线源(14)和检测器阵列(18)装在可转动的龙门架(12)上，而且还有一个数据采集系统(32)与所述检测器(18)联接，用以将所述检测阵列(18)输出的投影数据信号转换成数字信号。
3.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述最小值X射线通量通过比较投影数据集的各数据元值从而确定最小值数据元确定。
4.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，最小通量ζK的函数为ζk＝a(ζ-b)＋(1-α)ζk-1其中ζk为视域值k的最小通量，a和b为参数，且若ζk大于0则取0值。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，加权函数Wk为W(a)＝β＋(1-β)Sin(2α＋1.5π)其中α是视域角，β是控制权重动态范围的参数。
全文摘要
一种用以消除CT产生的影象中的人为缺陷的系统(10)，针对X射线光光子不足情况产生的人为缺陷并按其一个实施例配置得使其可以确定投影数据集的最小值X射线通量(58)，并根据所确定的X射线通量动态DC调节投影数据(62)。
文档编号G01T1/164GK1140283SQ9610617
公开日1997年1月15日 申请日期1996年4月26日 优先权日1995年4月28日
发明者J·许 申请人:通用电气公司