专利名称：计算断层摄影成像方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种计算断层摄影成像方法和系统，并且具体涉及一种对断层摄影成像装置或系统的未对准进行校正或者补偿的计算断层摄影成像方法和系统。
背景技术：
术语计算断层摄影术(CT)通常涉及如下处理，通过该处理，可以根据表示对象各几何投影的相应的一组图像来计算本质上表示感兴趣的物理对象的内部结构的任意期望视图的一个或更多个图像。为了获得对象的投影图像，断层摄影成像装置需要(i)用于探测对象的粒子源或电磁辐射源、(ii)用于测量所得到的探测对象的相互作用的检测器、以及(iii)用于改变源/检测器部件与对象之间的相对取向(orientation)的器件。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值。·通常，将这些方向选择为使得源和检测器相对于对象遵循一定的轨迹，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。一旦生成了一组在各个不同的相对取向处的二维投影图像，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，以用三维空间来表示对象的外部和内部结构特征。通过将断层照片用作输入，可以使用显示软件以基本上用户期望的任何方式对对象进行可视化，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切片等。这样的“重建”图像在本文中被称为断层摄影图像。计算断层摄影术的具体困难在于，重建算法假定上述断层摄影成像装置或系统的三个部件极好地相互对准。实际上，具体地，对于以微米或纳米尺寸来对特征进行成像而言，即使三个部件会对准，这种情况也是很少见的。在这种情况下，实验被称为‘未对准’，使得重建三维断层摄影图像总体或局部表现为“模糊”或“焦点未对准”。已经进行了各种尝试来克服这些难点。在A. V. Bronnikov的VirtualAlignment of χ-ray cone-beam tomography system using two calibration aperturemeasurements, Opt. Eng. 38 (2)，381-386 (1999)中，使用特别制造的校准孔来替代感兴趣的实际对象或样品，并且，使用圆锥形X射线波束来生成孔的投影图像，以进行孔的相反对准。接着，可以对这些图像进行处理，以确定旋转轴的横向未对准和旋转未对准。一旦以这种方式进行了测量，则可以将这些未对准用于修改感兴趣的实际样品的投影图像，以在对已修改的图像应用标准重建算法之前对未对准进行补偿。替选地，如 M. Karolczak 等人的 Implementation of a cone-beamreconstruction algorithm for the single_circIe source orbit withembedded misalignment correction using homogeneous coordinates, Med.Phys. 28(10)，2050-2069，2001中所描述的，可以将所测量的未对准用作用于校正某些形式的未对准的已修改重建算法的输入。然而，现有的用于对断层摄影这种未对准进行校正或补偿的方法由于其精度和适用性而受到了限制。因此，期望提供一种能够解决现有技术的一个或更多个困难或者至少能够提供有用的替选方案的计算断层摄影成像方法和系统。
发明内容
根据本发明，提供了一种计算断层摄影成像方法，包括获取(access)表示使用未对准的断层摄影成像装置所获得的对象的二维投影图像的投影数据；以及 对所述投影数据进行处理，以生成未对准数据，所述未对准数据表示量化所述断层摄影成像装置的各个未对准的一个或多个值。该方法可以包括根据未对准数据处理投影数据，以生成其中断层摄影成像装置的一个或更多个未对准已经基本上被校正了的对象的断层照片。该方法可以包括根据未对准数据处理投影数据，以生成表示其中断层摄影成像装置的一个或更多个未对准已经基本上被校正了的对象的投影图像的已修改投影数据。处理投影数据可以包括处理投影数据，以针对断层摄影成像装置的至少一个未对准的各个试验值生成试验重建断层摄影横截面图像；处理试验重建断层摄影图像，以生成试验重建断层摄影图像的各个质量评估结果；以及对于断层摄影成像装置的至少一个未对准中的每个未对准，基于试验值和相应的质量评估结果来确定最佳地估计未对准的相应值。试验重建断层摄影横截面图像是通过以下方式来生成的对于断层摄影成像装置的旋转轴和源使用固定的空间位置和取向，并且修改所述投影图像，以模拟改变所述断层摄影成像装置的检测器的空间位置和/或取向的影响。对投影数据进行处理可以包括处理投影数据，以针对相应的断层照片的多个不同切片中的每个切片生成试验重建断层摄影横截面图像。切片可以表示正交的空间取向。切片可以表示所有三个正交的空间取向。投影数据可以是沿着扫描轨迹来获取的，该扫描轨迹涉及对象围绕旋转轴的旋转，并且对投影数据进行处理包括处理投影数据，以生成至少一个不与该旋转轴正交的试验重建断层摄影横截面图像。每个未对准值可以通过选择所述未对准的试验值中提供最佳质量的一个试验值来确定，或者可以基于所述试验值和相应的质量评估结果通过内插来确定。最佳地估计每个未对准的值是以迭代的方式确定的，当确定所述值的精度小于O. 5个体素时,迭代终止。投影数据的处理包括对基于所述未对准的值的不同组合生成的重建断层摄影横截面图像的质量进行评估，并且基于所述评估选择所述组合中的一个组合。所选择的组合是提供最高质量的重建断层摄影图像的组合。重建断层摄影图像的质量可以使用基于重建断层摄影图像的空间信息的重建断层摄影图像的锐度的测量值来评估的。每个重建断层摄影图像的锐度是使用通过差分滤波器处理的图像的值的大小来评估的，或者是使用通过对图像应用数学变换而生成的高频变换系数的大小来评估的。每个图像的锐度可以根据图像来直接计算，并且不同于图像熵，图像熵仅为图像柱状图分析，因此忽略了图像的所有空间信息。可以选择未对准值的组合，以维持恒定的放大率。否则，放大率的变化可以影响所确定的锐度测量值，而实际上不影响图像的视觉锐度。每个未对准的初始估计值可以通过使用下采样投影图像以较低的空间分辨率扫描参数空间来获得，接着，可以使用分辨率逐渐增高的图像来精化(refine)所述估计值，直到获得了最终的全分辨率估计值。对象的二维投影图像可以沿着通过将旋转和平移组合而产生的扫描轨迹来获得，使得二维投影图像表示与对象有关的完整信息。扫描轨迹可以是螺旋形或者近似螺旋形。
本发明还提供了一种存储有计算机可执行指令的计算机可读存储介质，计算机可执行指令被配置为用于执行上述方法中的任一方法。本发明还提供了一种存储有计算机程序产品的计算机可读存储介质，该计算机程序产品被配置为用于执行上述方法中的任一方法。本发明还提供了一种被配置成执行上述方法中的任一方法的计算断层摄影成像系统。本发明还提供了一种计算断层摄影成像系统，包括数据分析部件，数据分析部件被配置成接收表示使用未对准的断层摄影成像装置所获得的对象的二维投影图像的投影数据；对投影数据进行处理，以生成未对准数据，所述未对准数据表示量化所述断层摄影成像装置的各个未对准的一个或多个值；以及根据未对准数据处理投影数据，以生成表示其中断层摄影成像装置的一个或更多个未对准已经被基本上校正了的投影图像的已修改的投影数据。
下文中，仅作为示例而言，参考附图对本发明的实施方式进行了描述，其中，相似的附图标记指代相似的元件，并且，附图中图I是断层摄影成像装置的俯视图照片，其中，发射由X射线源生成的锥形X射线波束使其穿过感兴趣的对象以在检测器上产生投影图像；图2是示出如图I所示的断层摄影成像装置的几何参数的示意图；图3A至3C是示出断层摄影装置的四种形式的样品未对准的示意图，S卩，样品旋转轴的两个平移偏移和样品的两个角度偏移；图4A是极好地对准的旋转轴到图I的断层摄影成像装置的检测器平面上的投影的不意图；图4B和4C分别是图4A的极好地对准的系统的圆柱形地质核心的断层照片的重建横截面侧视图切片和俯视图切片；图5A是平移未对准旋的转轴到断层摄影成像装置的检测器平面上的投影的示意图5B和5C分别是图5A的未对准系统的核心样品的断层照片的重建俯视图切片和横截面侧视图切片，其中，偏移为2个像素；图和5E与图5B和5C相同，除了平移偏移为4个像素；图6A至6E是旋转轴的平移未对准为_4ρχ、_2ρχ、0ρχ (即，对准)、+2ρχ和+4ρχ的核心样品的断层照片的一系列重建俯视图切片，例示了关于平移未对准的旋转轴的焦点未对准、焦点对准、回到焦点未对准的一系列图像；图7Α是旋转未对准的旋转轴到断层摄影成像装置的检测器平面上的投影的示意图；图7Β和7C分别是图7Α的旋转未对准的系统的核心样品的断层照片的重建俯视图切片和横截面侧视图切片，其中，偏移为2个像素； 图7D和7Ε与图7Β和7C相同，除了旋转偏移为4个像素；图8Α至8Ε是旋转轴的旋转未对准为-4ρχ、_2ρχ、0ρχ (即，对准)、+2ρχ和+4ρχ的核心样品的断层照片的一系列重建侧视图切片，例示了关于旋转未对准的旋转轴的焦点未对准、焦点对准、回到焦点未对准的一系列图像；图9是示出断层摄影成像装置的三种形式的检测器(角度)未对准的示意图；图10是示出断层摄影成像装置的两种形式的源(平移)未对准的示意图；图11是作为平移未对准的函数变化的锐度的曲线图；图12是作为旋转未对准的函数变化的锐度的曲线图；图13是作为平移未对准和旋转未对准的函数变化的锐度的三维曲线图；图14与图13相同，但是，其中，投影图像已经被模糊，其示出了下采样投影图像产生了未对准信息的很好的初始估计值；图15是计算断层摄影成像系统的实施方式的框图；图16是计算断层摄影成像系统的计算断层摄影成像处理的实施方式的流程图；图17是其中可以沿着螺旋形扫描轨迹来扫描感兴趣的对象的断层摄影成像装置的照片；图18和19是示出图17的螺旋形扫描断层摄影成像装置的几何参数的示意图，其中，近似竖直的平移方向关于竖直定向的旋转轴分别对准和未对准；图20和21是重建图像的锐度的二维表面曲线图，其中，重建图像的锐度分别为使用Katsevich和FDK重建方法生成的图像的样品距离SD和水平检测器偏移Dx的函数；图22是在Katsevich重建期间被反投影的(黑色阴影)区域的示意图；图23包括针对水平检测器偏移Dx (水平方向)和样品距离Λ SD (竖直方向)的未对准为_4、_2、0、+2、+4个光单位使用FDK重建而生成的多组重建图像；以及图24与图23相同，但是，其中，重建图像是使用理论上精确的Katsevich重建生成的；根据与图23的对比，清楚的是即使装置未对准，Katsevich重建图像仍然保持相当尖锐。
具体实施例方式接下来，在断层摄影成像装置用于小型对象(尤其是圆柱形地质核心样品)的微米尺寸或纳米尺寸计算断层摄影的背景下对本发明的实施方式进行描述，其中使用锥形X射线波束以及圆形或螺旋形扫描(样品)轨迹。然而，应当理解，本文中描述的方法通常适用于各种不同的断层摄影方法和装置，包括锥形波束系统和平行波束系统，并且，本文中描述的方法不限于任意具体的装置类型、波束类型、对象类型、长度尺寸或扫描轨迹。如图I和17所示，计算断层摄影(CT)装置或系统包括X射线源102、样品台104和检测器106。X射线源102生成锥形X射线波束108，锥形x射线波束108穿过安装在样品台104上的对象110发射到检测器106。锥形角和扇形角分别定义为检测器106在源102处对的竖直半角和水平半角。检测器106包括闪烁体以及CCD或无定形硅平板传感器，其中，闪烁体在被X射线照射时生成可见光，CCD或无定形硅平板传感器安装在闪烁体后面，生成表示闪烁体生成的闪烁的空间布置的二维图像的图像数据，从而产生针对所发射的穿过对象的X射线的X射线强度的二维图像或地图。应当理解，这些图像中的每个图像示出了对象的外部和内部结构特征二者，如沿着穿过对象发射给检测器106的X射线的方向被投影。获取通过检测器106生成的图像数据，作为以二进制数据形式存储在用于随后处理的系统的计算机系统(未示出)中的一组图像。依次获取图像，其中，在连续的图像之间，样品台104被致动以使样品或对象110旋转很小的角度(并且，在螺旋形扫描的情况下，还使样品或对象110平移很小的距离)，从而提供穿过对象的不同的几何投影。重复这些步骤，直到样品已经经历了至少180° +扇形角的旋转并且已经获得了完整的一组投影图像。在螺旋形扫描的情况下，重复这些步骤，直到样品或对象110已经经历了足以获得样品的感兴趣的区域的完整信息的线性平移和旋转。接着，使用重建软件对这一组投影图像进行处理，以生成表示对象的三维外部和内部结构特征的断层照片。在所描述的实施方式中，标准Feldkamp-Davis-Kress (下文中称为“FDK”)滤波反投影方法为用于重建的一种方法，如L. Feldkamp, L. Davis, andJ. Kress, Practical cone-beam algorithm, J. Opt. Soc. Am. , A (I) : 612-619 (1984)中描述的。所得到的断层照片可以部分透明地表示对象的形式来显示，该表示能够由系统的用户实时地动态旋转和进行切片以使对象110的内部结构特征可见并对其进行分析。如上所述，重建算法假定直接对对象成像所涉及的装置的部件，即，源102、样品台104和检测器106都极好地相对对准。实际上，即使有，这种情况也是很罕见的。具体地，对于微米CT和纳米CT系统，实现极好的对准可能是不实际的，因此，投影图像彼此未对准使得对象110的重建图像出现模糊或焦点未对准。 本文中描述的断层摄影成像处理对感兴趣对象的所获得的一组投影图像中的至少两个投影图像进行处理，以自动确定对用于生成图像的断层摄影成像装置的各个未对准进行量化的一个或更多个值。在所描述的实施方式中，接着，将这些值用于修改这一组投影图像，以有效地校正这些未对准，从而使得能够将标准重建算法用于生成表现为尖锐的或者‘焦点对准的’断层照片或者断层投影图像。然而，本领域技术人员应当清楚，替选地，可以将所确定的用于系统的未对准的值提供给能够根据相应地修改的几何形状来进行重建的已修改重建算法，从而避免需要生成已修改投影图像。未对准的值是通过以下方式来确定的用相应的数值参数来表示未对准，并且搜索参数空间以确定提供最高质量的重建断层投影图像的未对准参数值的组合。与现有技术中使用的统计方法如熵相对，使用这些图像的空间信息来评价重建图像的质量。在所描述的实施方式中，所使用的具体空间信息是锐度，但是原则上也可以使用其他测量值。可以用大量不同方法中的任一种方法来对重建图像的锐度进行评估。然而，较锐利的图像通常具有较高的空间频率分量，因此，可以使用离散傅里叶变换、正弦变换、余弦变换或小波变换来在频域估计锐度，或者，可以通过对图像进行求微分来估计锐度，或者，可以通过对图像峰和谷的深度或图像对比度进行评估来估计锐度。在L Shih，Autofocus survey:a comparison of algorithms，in Digital Photography III，Volume 6502 of Proc. SPIE-IS&T，pages 65020B-1-65020B-11 中，通过各种自然和人工图像对大量基于DCT和图像的方法进行了研究，并且，发现基于微分的锐度是最精确并且是单峰的，(即，以产生单个最大值)。根据 F. Groen，I. Young and G. Ligthartj A comparisonof different focus functions for use in autofocus algorithms， Cytometry6，81-91，1985，基于微分的锐度测量值的通式为
权利要求
1.一种计算断层摄影成像方法，包括 获取表示使用未对准的断层摄影成像装置所获得的对象的二维投影图像的投影数据；以及 对所述投影数据进行处理，以生成未对准数据，所述未对准数据表示量化所述断层摄影成像装置的各个未对准的一个或多个值。
2.根据权利要求I所述的方法，包括根据所述未对准数据处理所述投影数据，以生成其中所述断层摄影成像装置的一个或多个未对准已经基本上被校正了的所述对象的断层照片。
3.根据权利要求I或2所述的方法，包括根据所述未对准数据处理所述投影数据，以生成表示其中所述断层摄影成像装置的所述一个或更多个未对准已经基本上被校正了的所述对象的投影图像的已修改的投影数据。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的方法，其中，对所述投影数据进行处理包括 处理所述投影数据，以针对所述断层摄影成像装置的至少一个未对准中的各个试验值生成试验重建断层摄影横截面图像； 处理所述试验重建断层摄影图像，以生成所述试验重建断层摄影图像的各个质量评估结果；以及 对于所述断层摄影成像装置的所述至少一个未对准中的每个未对准，基于所述试验值和相应的质量评估结果来确定最佳地估计所述未对准的相应值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述试验重建断层摄影横截面图像是通过以下方式来生成的对于断层摄影成像装置的旋转轴和源使用固定的空间位置和取向，并且修改所述投影图像，以模拟改变所述断层摄影成像装置的检测器的空间位置和/或取向的影响。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的方法，其中，对所述投影数据进行处理包括处理所述投影数据，以针对相应的断层照片的多个不同切片中的每个切片生成试验重建断层摄影横截面图像。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的方法，其中，所述投影数据是沿着扫描轨迹来获取的，所述扫描轨迹涉及所述对象围绕旋转轴的旋转，并且对所述投影数据进行处理包括处理所述投影数据，以生成至少一个不与所述旋转轴正交的试验重建断层摄影横截面图像。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述切片表示正交的空间取向。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，所述切片表示所有三个正交的空间取向。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，每个未对准值是通过选择所述未对准的试验值中提供最佳质量的一个试验值来确定的，或者是基于所述试验值和相应的质量评估结果通过内插来确定的。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其中，最佳地估计每个未对准的值是以迭代的方式确定的，当确定所述值的精度小于0. 5个体素时，迭代终止。
12.根据权利要求I至11中任一项所述的方法，其中，所述投影数据的处理包括对基于所述未对准的值的不同组合生成的重建断层摄影横截面图像的质量进行评估，并且基于所述评估选择所述组合中的一个组合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所选择的组合是提供最高质量的重建断层摄影图像的组合。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，重建断层摄影图像的质量是使用所述重建断层摄影图像的空间信息来评估的。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述空间信息是通过评估所述重建断层摄影图像的锐度的测量值来评估的。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，每个重建断层摄影图像的锐度是使用通过差分滤波器处理的图像的值的大小来评估的，或者是使用通过对所述图像应用数学变换而生成的高频变换系数的大小来评估的。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，选择所述未对准值的组合以维持恒定的放大率。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中，通过使用下采样投影图像以较低的空间分辨率扫描参数空间来获得每个未对准的初始估计值，接着，使用分辨率逐渐增高的图像来精化所述估计值，直到获得了最终的全分辨率估计值。
19.根据权利要求I至18中任一项所述的方法，其中，沿着通过将旋转和平移组合而产生的扫描轨迹来获得所述对象的二维投影图像，使得所述二维投影图像表示关于所述对象的完整信息。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述扫描轨迹为螺旋形或近似螺旋形的。
21.根据权利要求I至20中任一项所述的方法，其中，对所述投影数据进行处理以生成所述未对准数据包括使用第一重建方法生成其质量被评价以确定所述断层摄影成像装置的未对准的重建图像，并且，所述处理包括使用第二重建方法生成其中所述断层摄影成像装置的所述一个或更多个未对准已经被基本上校正了的所述对象的断层照片。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一重建方法使用在所述第二重建方法中不使用的冗余投影数据。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中，对所述投影数据进行处理以生成所述未对准数据包括使用所述第一重建方法确定所述断层摄影成像装置的所述未对准的近似值，并且，使用所述第二重建方法确定这些未对准的精确值。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，其中，所述第二重建方法是理论上精确的滤波反投影重建方法。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其中，所述第一重建方法是基于Feldkamp-Davis-Kress 的重律。
26.一种存储有计算机可执行指令的计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令被配置为用于执行根据权利要求I至25中任一项所述的方法。
27.一种计算断层摄影成像系统，配置为执行根据权利要求I至25中任一项所述的方法。
28.一种计算断层摄影成像系统，包括数据分析部件，所述数据分析部件被配置成 接收表示使用未对准的断层摄影成像装置所获得的对象的二维投影图像的投影数据；对所述投影数据进行处理，以生成未对准数据，所述未对准数据表示量化所述断层摄影成像装置的各个未对准的一个或多个值；以及 根据所述未对准数据处理所述投影数据，以生成表示其中所述断层摄影成像装置的所述一个或更多个未对准已经基本上被校正了的所述对象的投影图像的已修改的投影数据。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，对所述投影数据进行处理包括对基于所述未对准的值的不同组合生成的重建断层摄影横截面图像的质量进行评估，并且，基于所述评估选择所述组合中的一个组合。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述重建断层摄影图像的质量是使用所述重建断层摄影图像的空间信息来评估的。
全文摘要
一种计算断层摄影成像方法，包括获取表示使用未对准的断层摄影成像装置所获得的对象的二维投影图像的投影数据；并且，对投影数据进行处理以生成未对准数据，未对准数据表示量化所述断层摄影成像装置的各个未对准的一个或多个值。
文档编号G06T9/00GK102711613SQ201180005845
公开日2012年10月3日 申请日期2011年1月13日 优先权日2010年1月13日
发明者亚德里恩·保罗·谢泼德, 亚瑟·萨克拉里乌, 安德鲁·莫里斯·金斯顿, 沙恩·杰米·莱瑟姆, 特龙·卡尔斯坚·瓦尔斯洛特 申请人:澳大利亚国立大学