用于同时的图像伪像减少和断层扫描重建的系统和方法
【专利说明】用于同时的图像伪像减少和断层扫描重建的系统和方法 相关申请的交叉引用
[0001] 本申请要求2013年3月14日提交的美国非临时专利申请no. 13/828, 103的权益， 其内容如在本文中完整阐述一样通过引用结合于此。
【背景技术】
[0002] 本发明的领域是用于医学图像重建的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于同 时地减少图像伪像而重建来自使用医学成像系统（诸如X射线计算机断层扫描系统）所获 得的数据的图像的系统和方法。
[0003] 使用传统的图像重建技术，诸如用于X射线CT成像的滤波反向投影法和用于MRI 的基于傅立叶的重建技术，单个图像是从使用医学成像系统获得的相应数据集来重建的。 例如，一个图像是从X射线CT成像中的单个造影图（sinogram)来重建的，而一个图像是从 MRI中的一个k空间数据集来重建的。数据与从该数据重建的图像之间的这种对应是因为 这些传统图像重建技术是基于所有获得的数据彼此一致的假定。然而通常，使用医学成像 系统所获得的数据与被成像的对象的单个实像或具有动态特性的真实图像物体的单个状 态是不一致的。
[0004] 这些不一致表现为重建的图像中的伪像并且可具有很多不同的来源。例如，在X 射线CT成像中，伪像可由对象中的金属物体的存在、获得太少的投影、波束硬化效应、X射 线散射、对象运动等而产生。在MRI中，伪像可由采样不足k-空间、磁场不均匀性、对象运 动等而产生。对象的真实图像的获取的数据与静态之间的不一致也可具有其他来源，诸如 外来对比剂的存在，如果给予对象外来对比剂并且穿过对象的脉管系统的话。重建的图像 应该与获得的数据一致的假定被实现在以下成像模型中： Al = Y (1);
[0005] 这表明图像重建技术应该设法重建图像I，当向前投影的图像I与所获得的数据Y 一致时。矩阵A被称为系统矩阵，通常可被视为将重建的图像I与所获得的数据样本Y相 联系的向前投影算子。方程（1)强求重建的图像I必与测量的数据样本Y-致，因此，方程 (1)也可被称为"数据一致性条件"。在X射线成像中，系统矩阵可包括重投影运算；而在MRI 中，系统矩阵可包括傅立叶变换运算。换而言之，方程（2)的一致性条件表明当图像被如实 地重建时，图像的向前投影应该与利用成像系统所实际获得的数据基本上相似或一致。
[0006] 为了从测量的数据Y重建图像I，通常需要该数据满足所谓的数据充分条件，这是 允许使用反向重建公式从测量的数据来重建图像的条件。在X射线CT成像中，数据充分条 件是所谓的Tuy条件，其需要在图像物体周围扩展的角范围中获取数据样本。在MRI中，数 据充分条件是整个傅立叶空间的完整总体。然而，即使当数据充分条件满足时，仍需要满足 另一个条件来重建图像物体的真实图像。离散获取的数据样本也需要对给定的重建方案满 足相关联的取样准则。
[0007] 数据取样准则的示例包括X射线CT中的视角取样要求和MRI中的奈奎斯特取样 准则。当在X射线CT中数据取样准则满足时，可使用滤波反向投影来重建图像；而当MRI 中数据取样准则满足时，可使用傅立叶反演来重建图像。当采取了迭代图像重建方法时，数 据取样准则通常是显著不严格的。如此方法的一个示例是基于压缩感测的迭代图像重建技 术。
[0008] 在理想的情况下，当前述数据充分条件和数据取样条件满足时，可重建无伪像的 图像。然而，由于数据获取条件的复杂性和来自被成像物体的复杂性，此理想的情况在现实 世界中是不切实际的。作为这些复杂性的结果，获取的数据可能不表示图像物体的相同物 理状态，或可能不在相同的物理条件下被获取到。因此，获取的数据被称为"不一致数据"。 对于这些不一致性的物理原因，是否由于非理想的获取系统或由于数据获取期间物体的物 理状态中的变化，被称为不一致性的来源。
[0009] 当由于不一致性的来源（诸如如上所述的那些），获取的数据不再一致时，一致性 条件开始中断。即，在数据获取过程期间，当出现诸如对象运动、对比度增强、噪声、X射线 成像中的波束硬化等的物理效应时，获取的数据不再一致。获取的数据中的不一致性表现 为重建图像中的伪像。
[0010] 因此将期望提供用于从由医学成像系统获取的数据来重建医学图像的系统和方 法，其考虑到获取的数据中的不一致性的级别，从而产生所成像对象的真实图像的如实表 不。
【发明内容】
[0011] 本发明通过提供用于图像重建的系统和方法来克服前述的缺点，该系统和方法能 从一个获取的数据集自动地且迭代地产生多个图像，其中，这些多个图像中的每一个对应 于不同的数据一致性级别。例如，每个图像对应于自相一致（self-consistent)的获取的 数据的子集，但与获取的数据的其他子集是不一致的。因为数据一致性的程度决定重建的 图像中伪像的级别，所以本发明提供用于重建具有不同级别的伪像的图像的系统和方法， 因此，具有最低级别的伪像的目标图像将和主要示出伪像的"伪像图像"一起被同时地重 建。
[0012] 提供一种用于使用医学成像系统来重建一对象的图像的方法是本发明的一方面。 该方法包括使用医学成像系统从该对象获取数据并初始化具有多列的图像矩阵，每列对应 于不同的图像。然后从通过最小化该图像矩阵的矩阵秩所获取的获取的数据重建该对象的 至少一个图像。秩最小化依据一致性条件来约束，促使图像矩阵中每列的向前投影与获取 的数据的不同子集相一致。获取的数据的每个子集包含彼此一致而与获取的数据的其他子 集中的数据不一致的数据。
[0013] 本发明的先前以及其他方面和优点将根据以下描述而显现。在该描述中，参考形 成其一部分且作为说明示出本发明的优选实施例的附图。然而，这种实施例不一定表示本 发明的总范围，并且因此参考本文中的用于解释本发明的范围的权利要求书。
【附图说明】
[0014] 图1不出具有与对象的目标图像和伪像图像相关联的列的秩最小化的图像矩阵 的示例；
[0015] 图2示出具有与对象的目标图像和多个不同的伪像图像相关联的列的秩最小化 的图像矩阵的示例；
[0016] 图3示出具有多列的秩最小化的图像矩阵的示例，该多列与对象的目标图像、与 数据获取期间发生在对象内的快速运动相关联的图像以及与数据获取期间发生在对象内 的较慢运动相关联的图像相关联；
[0017] 图4示出具有与在动态成像获取期间获得的不同时间帧相关联的多列的秩最小 化的图像矩阵，该不同时间帧中的每一个对应于不同的自相一致的数据集；
[0018] 图5是用于使用秩最小化来分开获取的数据的一致的子集而从获取的数据产生 一对象的图像的方法的示例的流程图；
[0019] 图6A是X射线计算机断层扫描系统的示例的示图；
[0020] 图6B是图6A的X射线CT系统的框图；
[0021] 图7A是一种C臂X射线成像系统的示例的示图；
[0022] 图7B是图7A的C臂X射线成像系统的框图；以及
[0023] 图8是磁共振成像系统的示例的框图。
【具体实施方式】
[0024] 本文描述的是用于同时的图像伪像减少和断层扫描图像重建的系统和方法，因此 可被称为"智能-重建（SMART-REC0N) "。该系统和方法有利地适用于医学成像应用，诸如 时间分辨的计算机断层扫描（"CT"）、锥形束CT、心脏成像CT、对比度增强CT、X射线血管 造影术以及磁共振成像（"MRI"）。该系统和方法也有利地适用于伪像减少，其中，伪像是 由包括波束硬化、对象运动、测量的数据中的空间失配、对象中的金属植入以及由于图像物 体的非均匀性而产生的过多噪声的来源引起的。
[0025] -般而言，图像重建是由最小化广义矩阵的秩而运算的，该广义矩阵包含与具有 不同程度的一致性的获取的数据相关联的目标图像和其他图像。下文详细描述了此方法和 其实现的若干示例。
[0026] 使用传统的图像重建技术，诸如用于X射线CT成像的滤波反向投影和用于MRI的 基于傅立叶的重建技术，尽管数据不一致性的存在，一个图像是从一个数据集来重建的。例 如，一个图像是从X射线CT成像中的单个造影图来重建的，而一个图像是从MRI中的一个 k空间数据集来重建的。数据与从该数据重建的图像之间的这种对应是因为这些传统图像 重建技术是基于所有获得的数据彼此一致并且满足充分条件的假定。作为示例，当数据获 取期间对象移动时、当外来对比剂被给予对象时、以及当X射线波束不再单色时（例如当波 束