专利名称：利用多重x射线源的ct测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用计算机断层造影系统采集测量数据的方法和一种从这些测 量数据中重建检查对象的图像数据的方法。
背景技术：
利用CT系统来扫描检查对象的方法一般是公知的。在此，例如采用圆扫描、具有 进给(Vorschub)的顺序圆扫描或者螺旋扫描。还可以采用不基于圆运动的其它类型的扫 描，例如具有线性片段的扫描。借助至少一个X射线源和至少一个设置在对面的检测器从 不同拍摄角度来拍摄检查对象的吸收数据，并且借助相应的重建方法将这样收集的吸收数 据或投影计算为穿过检查对象的截面图像。为了根据计算机断层造影设备(CT设备)的X射线CT数据组来重建计算机断层 造影图像，也就是根据所采集的投影来重建计算机断层造影图像，目前作为标准方法采用 所谓的滤波反投影方法(Filtered Back Projection ;FBP)。在数据采集之后通常执行所 谓的“Rebirming(重排)”步骤，在该步骤中重新排列按照扇形从射线源传播开来的射线所 产生的数据，使得这些数据以检测器被平行于检测器进入的X射线击中时的形式出现。然 后这些数据被变换到频域。在频域中进行滤波，接着对滤波后的数据进行反变换。然后借 助这样重新分类和滤波的数据，反投影到感兴趣空间内的各个体素上。最近以来开发了迭代的重建方法。在这种迭代的重建方法中，首先从投影测量数 据中重建初始的图像数据。为此例如可以采用卷积反投影方法。然后，采用“投影器”，也就 是应当在数学上尽可能好地映射测量系统的投影算子，从初始的图像数据中来产生合成的 投影数据。然后，利用附属于投影器的算子反投影与测量信号的差，并且由此重建出残留图 像，利用该残留图像来更新初始图像。更新后的图像数据又可以用于在下一个迭代步骤中 借助投影运算器产生新的合成投影数据，根据该新的合成投影数据又形成与测量信号的差 并且计算出新的残留图像，利用该残留图像又改善了当前迭代步骤的图像数据，依此类推。 利用这样的方法可以重建出具有相对好的图像清晰度并且仍然具有小的图像噪声的图像 数据。CT图像的质量随着测量期间由X射线源发射的X射线量子的数量增加而上升。但 是该数量受到X射线源的结构的限制，因此不能任意增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于重建CT图像的方法，其中力求在测量 数据采集期间用更大数量的X射线量子来照射检查对象。此外，还应当提供相应的控制和 计算单元、CT系统、计算机程序和计算机程序产品。还应当提供相应的用于采集数据的方 法。该技术问题通过具有按照本发明的特征的方法，以及通过具有按照本发明的特征 的控制和计算单元、CT系统、计算机程序和计算机程序产品来解决。
在本发明的根据计算机断层造影系统的测量数据来重建检查对象的图像数据的方法中，事先在测量数据采集时同时由多个X射线源照射检测对象，使得每个检测器元件 同时采集检查对象的属于多个X射线源的不同投影。基于该测量数据，借助迭代算法确定 检查对象的连续的不同迭代图像，其中在该迭代算法中采用应用于迭代图像并且考虑多个 X射线源的存在的计算操作。但是在常规的CT系统中，为每个检测器分配一个X射线源，从而该检测器采集该 X射线源的投影。如果存在多个X射线源，则还采用多个检测器；在所谓的“双源”CT设备 的情况下就是这样。与这种公知的系统相反，根据本发明采用两个或更多X射线源，它们的 投影被同一个检测器同时采集。因此，一个检测器元件测量由至少一个第一和第二 X射线 源的投影组合而成的信号。由于该数据采集的同时性，在检测器上不能将两个X射线源的 信号分开。优选地，多个X射线源是相同的源。这意味着，这些X射线源发射大致具有相同频 谱分布的X射线。因此，对来自多个X射线源的测量信号的分离在这种情况下也不能借助 量子能量进行。对于X射线源的几何设置存在不同的可能。在此，这些X射线源这样相对于彼此 以及相对于检测器设置和取向，使得检测器元件被多个X射线源的射线击中。优选地这适 用于检测器的所有元件。从通过利用多个X射线源同时照射检查对象而采集的测量数据中，重建出该检查 对象的图像。该CT图像重建迭代地进行基于第一张迭代图像计算其它迭代图像。例如基 于迭代算法的中断算法确定的最后一张迭代图像可以作为结果图像输出。在迭代时，采用考虑了在测量中多个X射线源照射检查对象的计算操作。该计算 操作被应用于各迭代图像。尤其是，该计算操作可以包括至少一个在测量数据采集时映射 测量几何的算子。该测量几何包括X射线源相对于彼此以及相对于检测器的位置。借助于 该计算操作，优选地基于各迭代图像来计算投影数据。所计算的投影数据是相应于测量数 据但并非基于测量过程而是通过计算确定的数据。因此可以称为“合成的”的测量数据。由于所计算的投影数据相应于测量数据，因此该投影数据可以与测量数据关联。 该关联尤其可以由减法组成，从而由此将计算的投影数据与测量数据进行比较。在本发明的实施方式中，基于投影数据与测量数据的关联来计算图像数据。为此， 可以采用本身公知的算法来重建CT图像。如果投影数据与测量数据的关联是减法，则图像 数据还是差图像数据。优选的，这些图像数据与前一次迭代的迭代图像关联。该关联尤其可以由(必要 时加权的)减法或加法组成，从而通过图像数据修正和改善前一次迭代的迭代图像。在此 优选的是，在该关联之前将非线性的规则化函数应用于前一次迭代的迭代图像。该步骤用 于改善迭代算法的收敛。在本发明的实施方式中，借助计算操作基于图像数据与上一次迭代的迭代图像的 关联来计算投影数据。这些投影数据又与上面已经解释的投影数据相应，其中这些投影数 据属于下一个迭代步骤。因此，该迭代方法可以用这些投影数据如上所描述的那样继续。根据本发明的扩展，多个X射线源在测量数据采集时围绕检查对象运动。为此，可 以采用通常在第三代CT系统中使用的X射线源。但是，多个X射线源还可以通过激活包括多个元件的 一个X射线源的多个元件来产生。包括这些单个元件的X射线源在测量期间也 可以运动；替换地，该X射线源还可以保持不动并且通过随时间可变地激活元件来引起从 不同方向对检查对象的照射。在本发明的利用计算机断层造影系统采集检查对象的测量数据的方法中，设置多 个X射线源来采集测量数据。在测量数据采集时，同时由多个X射线源来照射检查对象，使 得每个检测器元件同时采集检查对象的属于多个X射线源的不同投影。上述涉及用于图像 重建的方法的实施方式可以相应地应用。本发明的控制和计算单元，用于从CT系统的测量数据中来重建检查对象的图像 数据和/或用于控制CT系统的测量数据采集。该控制和计算单元包括用于存储程序代码 的程序存储器，在程序存储器中放置程序代码(必要时还有其它)，该程序代码适于执行上 述类型的方法，即控制测量数据采集过程和/或执行图像重建。本发明的CT系统包括这样 的控制和计算单元。此外，还包含其它例如采集测量数据所需要的部件。本发明的计算机程序具有程序代码装置，该程序代码装置适于当计算机程序在计 算机上运行时执行上述类型的方法。本发明的计算机程序产品包括存储在计算机可读的数据载体上的程序代码装置， 该程序代码装置适于当计算机程序在计算机上运行时执行上述类型的方法。
下面借助实施例详细解释本发明。其中图1示出了具有图像重建部件的计算机断层造影系统的实施例的第一示意图，图2示出了具有图像重建部件的计算机断层造影系统的实施例的第二示意图，图3示出了拍摄几何，图4示出了迭代算法的机制。
具体实施例方式在图1中，首先示意性示出了具有图像重建装置C21的第一计算机断层造影系统 Cl。该计算机断层造影系统是所谓第三代CT设备，但是本发明不限于此。在支架外壳C6中 设置了在此未示出的封闭支架，在该封闭支架上设置第一 X射线管C2与对置的检测器C3。 可选地，在这里示出的CT系统中设置了第二 X射线管C4与对面的检测器C5，从而通过附加 提供的放射器/检测器组合可以实现更高的时间分辨率，或者在放射器/检测器系统中使 用不同X射线能量谱的情况下也可以执行“双能量”检查。此外，CT系统Cl还具有患者卧榻C8，患者在检查时可以在该患者卧榻上沿着系统 轴C9(也称为Z轴)被移入测量场中，其中，扫描本身可以作为没有患者进给的纯的圆扫描 仅在感兴趣的检查区域进行。患者卧榻C8相对于支架的运动通过合适的电机来进行。在 该运动期间，X射线源C2和C4分别围绕患者旋转。在此过程中在X射线源C2和C4对面 检测器C3和C5并行地一起运动，以便采集投影测量数据，然后该投影测量数据被用于重建 截面图像。替换其中患者逐步地在各次扫描之间穿过检查场移动的顺序扫描，当然还可以 进行螺旋扫描，在该螺旋扫描中患者在利用X射线进行的旋转的扫描期间连续地沿着系统 轴C9穿过X射线管C2或C4和检测器C3或C5之间的检查场移动。通过患者沿着轴C9的移动以及同时X射线源C2或C4的旋转，在对X射线源C2或C4相对于患者来说螺旋扫描 的情况下在该测量期间产生螺旋轨道。该轨道还可以通过以下方式实现，即支架在患者不 移动的情况下沿着轴C9移动。此外，可以连续和周期地在两个点之间来回移动患者。通过控制和计算单元ClO用存储器中存在的计算机程序代码Prg1至Prgn来控制 CT系统10。要指出的是，这些计算机程序代码Prg1至Prgn当然也可以包含在外部存储介 质上并且在需要时可以加载到控制和计算单元ClO中。从控制和计算单元ClO可以通过控制接口 24传输采集控制信号AS，以便按照特定 的测量协议控制CT系统Cl。采集控制信号AS在此例如涉及X射线管C2和C4，其中可以 预先给定这些X射线管的功率以及它们接通和断开的时刻，以及涉及支架，其中可以预先 给定支架的旋转速度，以及涉及卧榻进给。由于控制和计算单元ClO具有输入控制台，因此可以由CT设备Cl的使用者或操 作者输入测量参数，然后该测量参数以采集控制信号AS的形式控制数据采集。关于当前使 用的测量参数的信息可以显示在控制和计算单元ClO的显示屏上；此外，可以显示其它对 操作员来说重要的信息。由检测器C3或C5采集的投影测量数据ρ或原始数据通过原始数据接口 C23传送 给控制和计算单元C10。然后，该原始数据P必要时在经过合适预处理之后在图像重建部件 C21中被进一步处理。图像重建部件C21在该实施例中在控制和计算单元ClO中以处理器 上软件的形式实现，例如以一个或多个计算机程序代码Prg1至Prgn的形式实现。关于图像 重建已经参照对测量过程的控制解释过，计算机程序代码Prg1至Prgn也包含在外部存储介 质上并且在需要时可以加载到控制和计算单元ClO中。此外，对测量过程的控制和图像重 建可以由不同的计算单元执行。
然后，由图像重建部件C21重建的图像数据f被存储在控制和计算单元ClO的存 储器C22中和/或按照常见的方式输出到控制和计算单元ClO的显示屏上。它们还可以 通过图1未示出的接口输入到与计算机断层造影系统Cl连接的网络，例如放射信息系统 (RIS)中，并且存储在该系统中可供使用的大容量存储器中或者作为图像输出。控制和计算单元ClO附加地还可以执行EKG的功能，其中在患者和控制和计算单 元ClO之间使用导线C12来传导EKG电势。此外，图1所示的CT系统Cl还具有造影剂注 射器C11，通过该造影剂注射器可以另外将造影剂注入患者的血液循环中，从而例如患者的 血管，尤其是跳动的心脏的心室可以被更好地显示。此外，由此还存在执行灌注测量的可能 性，所提出的方法同样适用于灌注测量。图2示出C形臂系统，其中，与图1的CT系统相反，外壳C6承载C形臂C7，在该C 形臂上一侧固定了 X射线管C2，而另一侧固定着对置的检测器C3。为了扫描，C形臂C7同 样围绕系统轴C9偏转，从而可以从多个扫描角度进行扫描，并且可以确定来自多个投影角 度的相应投影数据P。图2的C形臂系统Cl与图1的CT系统一样也具有针对图1所述类 型的控制和计算单元C10。本发明可以在图1和图2所示的具有针对图3解释的拍摄几何的变化的两个系统 中使用。此外，本发明原则上还可用于其它CT系统，例如用于具有形成一个完整环的检测 器的CT系统。下面参照心脏CT检查，即利用CT设备对人体心脏的成像，来解释本发明。但是，本发明不限于这样的拍摄。原则上，在利用CT系统来检查患者的情况下力求将患者仅置于少 量的放射剂量下。目前心脏CT还被发展成，使得施加给患者的剂量急剧下降。以前IOmSv 的剂量值是正常的，而目前大约2mSv的值是可能的。为了提高图像质量，对每张CT图像增大有效的负荷是优选的。在此，有效的负荷 被理解为在数据采集期间管电流和照射时间的乘积。这虽然意味着对患者提高了剂量，但 是由于如前面提到的剧烈减少了剂量，因此与CT图像的质量提高相比轻微的剂量提高也 可以容忍。对每张CT图像提高有效负荷，一方面可以通过提高X射线管的输出来实现，另一 方面可以通过提高曝光时间来实现。后一种方式在心脏CT的情况下由于由此带来时间分 辨率的恶化而遭到禁止。因为更长的测量时间意味着心脏在测量期间的更多运动，从而运 动伪影增多以及时间分辨率减小。管输出，即每个时间发射的具有特定能量的X射线量子的数量，是通过管电流预 先给定的。该管电流只能升高到特定的最大值。典型地，利用高功率管达到最大120kW的 功率值。开发具有明显更高的功率值的X射线管目前似乎超出了技术上的可行性。对管电 流的提高可能导致通常由钨制成的阳极圆盘由于可由该材料容忍的最大温度被超过而受 到损坏或者破坏。为了提高有效的负荷，建议测量如图3所示的改变后的拍摄几何。采用两个X射 线源C2A和C2B。这些X射线源相邻；这意味着两个X射线源C2A和C2B的射线落在对面设 置的检测器C3的同一个检测器元件上。因此两个放射器C2A和C2B —起照射并且同时照 射检测器场。这 借助两个射线SA和SB表示，其中射线SA从X射线源C2A射出，而射线SB 从X射线源C2B射出。两个射线SA和SB分别穿过检查对象0，但是由于两个X射线源C2A 和C2B的不同位置而在不同路径上或穿过检查对象0的不同体素。因此，一个检测器元件 的信号被合成为多个不同的线性积分的和。两个X射线源C2A和C2B可以通过不同方式来实现存在非机械的CT设备，其中X射线源在数据采集期间不旋转。其中，有平面的X 射线源，该射线源先后从其表面的不同部分发射X射线。这样的例子是碳纳米管的设置，即 纵向伸长的仅有约1纳米直径的小管，该碳纳米管由分别有6个碳原子构成的许多相互关 联的环组成，这些环作为场效应晶体管工作并且发射X射线量子。其它类型的相反的CT设 备，即具有小检测器和扩展大的X射线源的系统，也是合适的。在这样的平面X射线源中， 可以通过同时控制这些源的多个矩阵元件来提高放射功率。在如图1所示的第三代CT设备中，为了实现图3的拍摄几何而采用多个并排设置 的经典X射线管。在诸如基于Feldkamp的方法的经典图像重建方法中，在具有多个X射线源的测量 几何中产生以下问题对检测器信号的反投影不再是唯一的，因为检测器元件的信号如图 3所示是多个互不相同的线性积分的和。不可能将检测器信号分为属于不同X射线源的部 分。由于该不唯一性，经典的重建算法不再有效。因此建议借助迭代的图像重建来解 决由利用多个X射线源对一个检测器的照射而产生的重建问题。在图4中示出了迭代的CT图像重建的基本原理。输入数据Pin是所拍摄的投影。这些输入数据在数学上观察是通过对检查对象的实际衰减分布f(X，1, ζ)应用实际的、也 就是实际中呈现的投影器Aphys来获得Pin = Aphysf (χ, y，ζ)。该迭代算法的目标是，根据输 入数据Pin确定衰减分布f，即该衰减的二维截面图像或三维立体分布，该衰减分布尽可能 好地与检查对象的实际衰减分布f(x，y, ζ)相应。算子A1 和A2 (即所构建的投影器)应当尽可能精确地模拟测量过程。投影器A1和 A2是实际中呈现的投影器Aphys的模型，即测量过程的模型。投影器A1对涉及X射线源C2A 的放射几何进行建模，而投影器A2对涉及X射线源C2B的放射几何进行建模；两个投影器 A1和A2都投影到同一个检测器。如果不采用根据图3的几何而采用多于两个X射线源，则还采用相应数量的投影 器Α”输入这些算子的参数例如是管焦距、检测器孔径、检测器串扰等的模型。合适的投影器Ai的示例是所谓的Jos印hson投影器。其中通过针形射线、即具 有延伸为O的射线来对线性积分建模。图像立体的每个体素，即每个立体元素都与基本 函数例如三线地(trilinear)关联，从而该体素对线性积分的贡献值可被相应地插值出。 然后相应的积分作为投影值被录入相应的检测器面元。这样的算子是本身公知的，并例 如在 P. M. Joseph 的"An improved algorithm for repro jection rays through pixel images，，，IEEE Trans. Med. Imag. 1 :193-196，1982 中描述。其它投影器例如在K. Mueller, R. Yagel，J. J. Wheller 的“Fast implementations of algebraic methods for three-dimensional reconstruction of cone-beam data", IEEETrans. Med. Imag. 18(6) :538_548，1999 中描述。通过算子Q从这些投影中获得截面图像，即计算出的衰减分布f = Qp,其中 Q = At = (AfA2)τ。反投影器Q表示不精确的重建方法。精确解所需要的三维Radon变换因此不被完 整地执行。由于这个原因以及由于上面解释的因为多个X射线源而导致的不唯一性，通过 将反投影器Q应用于输入数据Pin而只能近似确定实际的衰减分布f (χ，y, ζ)。因此迭代地 进行，以便在多个迭代周期内尽可能好地近似实际的衰减分布f (χ，ι, ζ)。通过初始的重建，即通过反投影器Q对输入数据Pin的第一次应用，计算出第一衰 减分布fo;该第一衰减分布在此是第一张估计图像。这在图4中未示出。&相应于图4在 第0次迭代周期中的参数fk。在将反投影器Q第一次应用于输入数据Pin之前，可以执行重 排步骤。由此，以锥形或扇形放射几何采集的测量数据被重新分类，使得该测量数据如在平 行放射几何中测得的那样给出。接着第一次反投影，利用投影器A1和A2计算合成投影Psyn = Af0:= A1V^f00 A 在此是通过应用A1和A2给出的算子。因此沿着X射线源C2A和C2B与各检测器元件之间 的连接线进行同时的前向投影。合成意味着不是测得的数据而是计算出的参数。接着，确定输入数据Pin和合成投影Psyn之间的差。残留Pin-Psyn又被用于在使用 反投影Q的情况下计算新的衰减分布，即差衰减分布fdiff :fdiff = Q(Pin-Psyn)。即，利用算子 Q对差Pin-Psyn进行反投影，以计算出残留图像fdiff。差衰减分布fdiff与在第0个迭代周期中计算出的衰减分布&的相加，产生改进的 衰减分布f\。该改进的衰减分布在图4中相应于第一个迭代周期的参数fk。从现在开始对 上述过程进行迭代。因此在每个迭代周期中将新计算的数据Psyn与测得的数据Pin比较。由此，迭代图像fk在每个迭代周期中都更好地与测量数据相称。该迭代方法可能不会导致收敛。因此代替简单的fdiff与fk的相加首先将规则化 函数应用于fk，并且将所产生的规则化项与fdiff相加。因此，该规则化项是Rfk，其中R是将 应用于图像fk的非线性算子。规则化函数R是非线性的，并具有使解稳定的任务。例如R 可以平滑图像fk中的噪声。为了在数学上表达所描述的迭代过程，可以借助最速下降方法来实现迭代等式。 为此，将z(f)定义为衰减分布的待最小化的价值函数
权利要求
1.一种从计算机断层造影系统(Cl)的测量数据(Pin)中重建检查对象(0)的图像数据 (f)的方法，其中，在测量数据采集时同时由多个X射线源(C2A，C2B)照射检测对象(0)，使 得每个检测器元件同时采集检查对象(0)的属于多个X射线源(C2A，C2B)的不同投影，基于该测量数据(Pin)，借助迭代算法确定该检查对象(0)的连续的不同迭代图像 (fk)，其中，在该迭代算法中采用应用于这些迭代图像(fk)并且考虑多个X射线源(C2A， C2B)的存在的计算操作(A1;A2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算操作(AnA2)包括至少一个在测量数据 采集时映射测量几何的算子。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，借助所述计算操作(A1,A2)从各迭代图像 (fk)中计算投影数据(Psyn)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所计算的投影数据(psyn)与测量数据(pin)关联。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，根据投影数据(psyn)与测量数据(pin)的关联，来 计算图像数据(fdiff)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述图像数据(fdiff)与前一次迭代的迭代图像 (fk)关联。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述关联之前，将非线性的规则化函数应用于 前一次迭代的迭代图像(fk)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，借助所述计算操作(A1,A2)根据图像数据 (fdiff)与上一次迭代的迭代图像(fk)的关联来计算投影数据(Psyn)。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其中，多个X射线源(C2A，C2B)在测量数据 采集时围绕检查对象(0)运动。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其中，所述多个X射线源(C2A，C2B)通过激 活包括多个元件的一个X射线源的多个元件来产生。
11.根据权利要求1至10之一所述的方法，其中，所述检查对象(0)同时被两个X射线 源(C2A，C2B)照射。
12.一种利用计算机断层造影系统采集检查对象(0)的测量数据(pin)的方法，其中， 设置多个X射线源(C2A，C2B)来采集测量数据，在测量数据采集时同时由所述多个X射线源(C2A，C2B)来照射所述检查对象(0)，使 得每个检测器元件同时采集该检查对象(0)的属于多个X射线源(C2A，C2B)的不同投影。
13.—种从CT系统(Cl)的测量数据(pin)中来控制CT系统的测量数据采集和/或重 建检查对象(0)的图像数据⑴的控制和计算单元(ClO)，该控制和计算单元包括用于存储程序代码(Prg1-Prgn)的程序存储器，其中，在该程序存储器中放置程序代码(Prg1-Prgn),该程序代码执行权利要求1至12 之一所述的方法。
14.一种包括根据权利要求13所述的控制和计算单元(ClO)的CT系统(Cl)。
15.一种具有程序代码装置(Prg1-Prgn)的计算机程序，该程序代码装置当计算机程序 在计算机上运行时执行根据权利要求1至12之一所述的方法。
16.一种计算机程序产品，包括存储在计算机可读的数据载体上的程序代码装置 (Prg1-Prgn)，该程序代码装置当计算机程序在计算机上运行时执行根据权利要求1至12之一所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种从计算机断层造影系统的测量数据中重建检查对象(O)的图像数据的方法，其中，在测量数据采集时同时由多个X射线源(C2A，C2B)照射检测对象(O)，使得每个检测器元件同时采集检查对象(O)的属于多个X射线源(C2A，C2B)的不同投影。基于该测量数据，借助迭代算法确定检查对象(O)的连续的不同迭代图像，其中，在该迭代算法中采用应用于这些迭代图像并且考虑多个X射线源(C2A，C2B)的存在的计算操作。
文档编号G06F19/00GK102144928SQ201110029440
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月27日 优先权日2010年2月4日
发明者卡尔·斯蒂尔斯托弗, 赫伯特·布鲁德 申请人:西门子公司