专利名称：计算机断层扫描数据的压缩与解压缩的制作方法
技术领域：
本发明涉及获取自计算机断层扫描(CT)的投影数据的压缩与解压缩，特别是涉 及对CT投影数据的不同部分应用不同的压缩方法。
背景技术：
在CT成像系统中，物体的多个X射线放射照相视图产生投影数据集合。投影数据 的每条线代表所述物体的平面或切片内的内部结构的密度值的集成。从多个投影数据集 合，CT成像系统产生所述物体的内部结构的二维(2D)截面图像和三维(3D)图像。通过对 投影数据集合应用众所周知的图像重建算法而获取图像。从多个投影数据集合重建截面图 像或者三维图像的技术被广泛地称为“断层扫描术”。使用可编程的基于处理器的设备执行 图像重建被广泛地称为计算机(计算机化或者计算机辅助)断层扫描。在典型的应用中，X 射线辐射源穿过物体将X射线投影到X射线感测器(或探测器)阵列。X射线感测器输出 被数字化以形成投影数据集合。根据探测器阵列的几何结构，投影数据集合可以为一维或 二维。一个或多个物体、X射线源以及X射线感测器阵列之间的相对运动提供具有不同透 视的多个视图。能够通过多视图的数学变换的使用而近似穿过物体的切片的图像，或者截 面图像。在特定应用中，可以结合截面图像以形成可能否则不可观测的物体的3D图像。X射线CT的众所周知的应用在于用于人体的非侵入性成像的医用CT扫描仪。在 医用CT扫描仪中，通过使用吊架转动X射线源与探测器并且跨过滑动环传输投影数据而获 取多个视图。现代CT扫描仪(截至2007年)在每秒一到七千样本(ksamp/sec)而每个数 字样本具有每样本16到24比特的范围中对成千上万个X射线感测器输出进行数字化，造 成跨过滑动环的每秒许多千兆比特(Gbps)的总计数据传输带宽。随着本行业奋力争取增 加的空间和时间分辨率以及数量增加的X射线感测器，用于数据传输与数据存储子系统的 带宽要求将会很快超过lOGbps。X射线CT的另一种应用在于工业产品的自动化检测。例如，重建自X射线投影数 据的截面图像使用在用于包括如电子设备，比如印刷电路板之类的制造的产品的质量控制 检测系统之中。可以使用断层扫描以重建在研究中的物体的一个或多个平面，或者截面的 图像，用以评估所述物体的质量。X射线CT系统在关于感兴趣的物体的不同位置和视角采 集投影数据集合。用于工业检测系统的系统架构不同于医用CT扫描仪。然而，如同医用CT 系统，有大量的投影数据需要数据传输与存储。对于自动化检测系统，受测物体的更高的吞 吐量是期望的，因为这会降低受测产品的成本。更高的吞吐量增加用于数据传输和数据存 储的带宽需求。由CT系统的数据采集子系统所采集的大量投影数据在用于数据传输和数据存储 的系统资源上造成负担。在数据传输带宽中的限制延迟了用于重建和显示被扫描物体的图 像的投影数据的可用性。在数据传输之前压缩投影数据并接着在图像重建处理前解压缩降 低了在用于数据传输和存储的系统资源上的负担。压缩的益处包括缩短数据采集与图像显 示之间的时延、增加在具有有限带宽的通信信道上传输的数据量并且提供压缩的投影数据用以通过网络存储与传输，用于随后的访问与图像重建。由于压缩使得系统资源能够容纳 更多的投影数据，因而能够提高图像分辨率并且/或者扫描物体的更大区域。用以实施压 缩操作的计算资源的可用性也是CT系统中的约束条件。压缩操作具有低运算复杂度并且 能够实时运行以最小化对计算资源的影响是期望的。在计算机断层扫描中，有两个与图像相关的数据域，即Radon变换域和空间域。投 影数据，或者正弦图数据在也被称为投影域或正弦图域的Radon变换域中。在其中投影数 据获取自物体的一个切片或者产生自X射线感测器的线性阵列的情况中，投影数据可以是 2D的。在其中投影数据获取自物体的一个以上切片或者产生自X射线感测器的二维阵列的 情况中，投影数据可以是3D的。重建自投影数据的2D截面图像是在2D空间域中的。构建 自多个截面图像的三维图像是在3D空间域中的。Radon变换是构成在Radon变换域中的投 影数据与重建自投影数据的空间域图像之间的关系的基础的数学变换。由于投影数据与重 建的图像之间的数学关系，应用压缩算法到Radon变换域中的投影数据将不会产生与应用 相同的算法到空间域中的重建的图像相同的结果。图像压缩技术，例如JPEG图像压缩，通常应用到空间域图像数据，例如照相图像。 空间域图像压缩技术还应用到计算机断层扫描中的重建的图像，用于空间域图像的高效图 像存储或者传输。实现在空间域图像中的额外的压缩的方案为，识别图像中的感兴趣区域 并应用无损压缩到所述感兴趣区域以及应用有损压缩到感兴趣区域以外的区域。这种方案 的范例描述于由 Thammineni 等人在 Proceedings of SPIE，5371 卷，160-169 页，2004 年发 表的标题为"Segmentation-based CT Image Compression，，的论文中，以及由 Hashimoto 等人在 IEEE 2004 International Conference on ImageProcessing, 3185-3188 页发表的 t示H^J“CT Image compression withLevel of Interest” 白勺Hifet巾。对于投影域或正弦图域，投影数据的压缩与解压缩应用在空间域中图像的重建 之前。投影数据的压缩的某些方案在投影域中应用JPEG图像压缩方法。这种方案的 范例由Bae等人描述在公布于2003年12月11日的，标题为“Method and Apparatus for CompressingComputed Tomography Raw Projection Data，，白勺美国专禾串i青公开第 2003/0228041之中。这种方案应用无损或有损压缩到投影数据。用以压缩落在被扫描物 体的界限以内的投影数据的方案由Nishide等人描述在公布于2003年10月14日的标题 为"X-Ray CT Apparatus,System and Projection Data Compression/Restoring Method，， 的特开(未经审查)专利公开编号为2003-290216 (P2003-290216A)的日本公开专利申请 之中。这种方案将投影数据分成在其中X射线横穿过空区域的空气信息区域，以及在其中 X射线横穿过物体或患者的受试对象信息区域。不同的压缩方法被应用到空气信息区域和 受试对象信息区域，或者空气信息区域可被删除。用以压缩投影数据的所述方案的缺点包括以下。因为限定的感兴趣区域以及无损 压缩取决于数据，因而在上述技术中压缩的数据的比特率可能会不可预知地变化。由于压 缩的数据的带宽随时间变化，将会需要比如FIFO之类的接口以支持变化的数据速率。由于 FIFO接口需要额外的控制信号(半满、近满、近空等等)，因而其比固定速率接口更为复杂。 将压缩的数据的比特率控制在期望的范围之内将会是有益的。有损固定速率压缩模式将会 允许压缩的数据的带宽的控制。压缩的数据能够在随后以固定的数据速率跨越接口传输至 存储介质。固定数据速率简化用于压缩的数据的传输的接口。另一个缺点是计算复杂度，其取决于应用何种压缩方法。降低计算复杂度以减少在系统资源上的负担同时允许投影数 据的实时压缩将会是有益的。在这个讨论中，“实时”意味着至少与数字信号的采样速率同样快的速率。可以使 用术语“实时”来描述数字信号的处理、传输和存储的速率。采样率为模拟到数字转换器 (ADC)在模拟信号的转换期间形成数字信号样本的速率。在转换数字信号到模拟信号时，采 样率为数字到模拟转换器(DAC)从数字信号样本形成模拟信号的速率。未压缩的采样，或 数字信号的比特率为每样本的比特数量乘以采样率。压缩比为原始信号样本的比特率与压 缩的样本的比特率的比率。对于此申请，实时指的是ADC从X射线感测器的输出信号形成 投影数据的数字样本的速率。此描述涉及到无损和有损压缩。在无损压缩中，解压缩的样本具有与原始样本相 同的值。假如无损压缩不能给出压缩的样本的比特率的足够的降低，那么有损压缩对于提 供比特率的充分降低可能是必要的。在有损压缩中，解压缩的样本相似于，但不等同于原始 样本。有损压缩产生压缩的样本的比特率与解压缩的样本中的失真之间的折衷。
发明内容
本发明的实施方式考虑到前述的常规问题而做出。本发明的目标为压缩CT投影 数据以更好的利用CT成像系统的资源。为了实现前述目标，本发明的一个方面提供用于压缩计算机断层扫描系统中的投 影数据的方法，计算机断层扫描系统提供多个感测器测量以形成一个或多个投影数据集 合，其中每个投影数据集合代表投影域的一部分并且包含样本的阵列，所述阵列具有至少 一行，所述样本包括较重要的样本和较不重要的样本。此方法包括设置一个或多个压缩控制参数用以控制压缩操作，压缩控制参数包括至少一个对 应于较重要样本的压缩控制参数，以及至少一个对应于较不重要样本的压缩控制参数；依据分类控制参数，将投影数据集合中的至少一行的样本分类为至少两个子集， 所述子集包括至少一个包含较重要样本的较重要子集，以及至少一个包含较不重要样本的 较不重要子集；依据相应的压缩控制参数，通过应用压缩操作而压缩每个子集的样本，以形成相 应的压缩数据子集，其中较不重要子集的压缩比高于较重要子集的压缩比；以及依据基于压缩的数据的特征的反馈参数，调节一个或多个压缩控制参数。本发明的实现前述目标的另一个方面提供用于由计算机断层扫描系统所测量的 投影数据的数据压缩装置，计算机断层扫描系统提供多个感测器测量以形成一个或多个投 影数据集合，其中每一投影数据集合代表投影域的一部分并且包含样本的阵列，所述阵列 具有至少一行，所述样本包括较重要样本和较不重要样本。数据压缩装置包括分类器，耦合用以接收投影数据并依据分类控制参数将投影数据的至少一行的样 本分类为至少两个子集，以产生至少一个较重要子集和至少一个较不重要子集；压缩器，接收较重要子集和较不重要子集并且依据相应的压缩控制参数对每一个 子集的样本应用相应的压缩操作，以形成相应的压缩的数据子集，其中较不重要子集的压 缩比高于较重要子集的压缩比；以及控制器，耦合到分类器和压缩器，所述控制器确定反馈参数并且依据反馈参数调节至少一个压缩控制参数。本发明的另一个目标为对压缩的CT投影数据进行解压缩以用于图像重建操作。 本发明的实现此目标的方面提供用以对压缩的投影数据进行解压缩的装置，压缩的投影数 据对应于产生自计算机断层扫描系统中的感测器测量的原始投影数据。所述装置包括存储设备，存储压缩的投影数据，其中压缩的投影数据包含压缩的数据的多个较 重要子集和多个较不重要子集；解压缩器，依据相应的压缩控制参数，应用相应的解压缩操作到压缩的数据的较 重要子集和较不重要子集以形成解压缩数据的较重要的子集和解压缩数据的较不重要的 子集，解压缩器将解压缩数据提供给图像重建处理器；控制器，从压缩的数据中提取相应的压缩控制参数并将相应的控制参数提供给解 压缩器。
图Ia为展示依照现有技术的、在医用CT成像系统中的CT扫描数据采集的基本配 置的图解。图Ib示出依照现有技术的、由输出自一排感测器的投影数据所形成的信号150的 范例。图2a为依照优选实施方式的、用于投影数据的压缩系统的框图。图2b为依照优选实施方式的、用于随后的使用解压缩的数据的图像重建的解压 缩的框图。图3为范例信号的X射线计数的直方分布图的范例。图4示出样本分类的范例。图5为依照优选实施方式的数据压缩处理器的一个压缩器的框图。图6示出两个投影数据集合的元素。图7示出针对不同视角的投影数据中的子集的范例。图8给出限定感兴趣区域的边界的范例。图9给出投影数据中的子集的预测的边界位置的范例。图10给出压缩的投影数据的数据结构的范例。
具体实施例方式本发明的实施方式针对在Radon变换域，或者投影域中的投影数据的压缩与解压 缩。投影数据的压缩允许从CT系统的数据采集子系统到存储子系统以及图像重建处理器 的更高效率的数据传输。压缩的投影数据的随后的解压缩在空间域图像的图像重建之前应 用。可以将压缩与解压缩的替代实施方式应用到产生自一个视图的一个投影数据集合或者 应用到产生自多个视图的多个投影数据集合。本发明独立于由图像重建处理器所使用的用 以计算空间域图像的视图的数量。本发明的实施方式可以使用于用以生成人体的截面图像的医用计算机化断层扫 描仪和用以检测被测物体的工业计算机断层扫描系统中的投影数据的压缩与解压缩。在医 用计算机化断层扫描仪中，X射线源与探测器阵列由旋转吊架围绕患者旋转。由探测器阵列所采集的投影数据经由吊架系统的转动单元与固定单元之间的通信信道传输到存储系 统并且随后到用于图像重建的处理器。在工业计算机断层扫描系统中，X射线源和探测器 阵列可能具有有限的运动或者保持静止，而被测物可被平移或旋转。投影数据通过通信链 路传输到存储设备并且随后到用于图像重建的处理器。在全部两种应用中通信信道均具有 有限的带宽。带宽限制决定投影数据到用于在图像重建中使用的处理器的传输速度。投影 数据在传输之前压缩从而使更多数据能够跨越有限的带宽信道而传输。在其中投影数据被 存储的应用中，投影数据的压缩允许在给定的存储器容量中存储更多数据或者减少存储器 容量需求。本发明的实施方式还提供在图像重建前的压缩的投影数据的解压缩。图Ia为展示在医用CT成像系统中的CT扫描数据采集的基本配置的图解。物体 或患者110被安置于能够在CT成像系统的旋转吊架(未示出)之内被前后移动的平台120 之上。吊架包含X射线源100和数据采集子系统(DAS) 130。DAS 130包含一行或多行X射 线感测器的矩阵与模拟到数字转换器(ADC)。ADC对来自X射线感测器的信号进行数字化 以产生其幅度代表X射线计数或Hoimsf ield单位的样本。当前(2007年)的CT系统能够 包含每切片或行大约1024个X射线感测器以及每视图多达64切片的矩阵。X射线源100 根据系统设计而生成具有特定几何形状的波束。图Ia中所示的范例具有扇形波束几何形 状。X射线衰减的程度取决于它的路径。在图Ia中，射线140a和140e未被衰减，因为它们 穿过空气。射线140c被衰减因为它在横穿物体110时被部分地吸收。射线140b和140d 横穿物体110的边界，所以它们的衰减较之射线140c而言比较轻。X射线感测器阵列测量 接收的X射线以形成用于ADC的信号。CT扫描仪的X射线感测器需要许多数量级的动态范 围以捕获来自X射线源100的衰减的和未衰减的X射线信号的范围。当前(2007年)CT扫 描仪的X射线感测器使用以每样本16至24比特对X射线感测器输出进行采样的ADC。对 于每样本16比特，最高(未衰减)X射线计数为216，或65536。对于每样本24比特，最高X 射线计数为224，或16777216。对于每一视角增量，DAS 130产生一个投影数据集合。投影 数据集合包含样本的阵列，其中阵列中样本的行，或扫描行，对应于穿过物体110的切片的 X射线的测量。随着吊架围绕患者旋转，多个投影数据集合被捕获并跨越滑动环传输到外部 计算机或处理器(未在图Ia中示出)。处理器对投影数据集合应用图像重建算法以形成图 像。图像重建算法能够根据扫描协议产生被扫描物体的二维截面图像或三维图像。重建的 图像随后被显示用于用户的分析。X射线源波束的特定几何形状、探测器几何形状、DAS130 配置或者扫描协议不限定本发明的应用。图Ib示出由输出自DAS130的感测器行的投影数据所形成的信号150的范例。区 域150a和150e对应于未衰减的射线140a和140e并具有最大X射线计数。由150b和150d 标示的区域为代表在边界140b和140d探测到的射线的过渡区域。由150c标示的区域对 应于横穿了物体110的衰减的射线140c并因此具有大幅降低的X射线计数。使用的CT系 统通常包括宽于被扫描物体的感测器矩阵，因此比如区域150a和150e之类的具有未衰减 的X射线的区域经常地存在于投影数据中。在重建的图像中，这些“空”区域对应于重建的 图像以外的区域。CT图像重建算法通常不使用来自于空区域150a和150e的投影数据。本发明的优选实施方式基于投影数据的较重要和较不重要区域，对投影数据应用 不同的压缩操作，以便获得在期望范围之内的压缩数据比特率。在图Ib的范例中，区域 150a和150e是较不重要的而区域150b、150c和150d是较重要的。在某些情况下，对较重要和较不重要区域上都应用无损压缩。但是，在其中压缩的数据的比特率必须被进一步 降低的情况中，有损压缩被应用到较不重要区域从而保持较重要区域的压缩的数据的准确 度。在其中需要进一步降低比特率的情况中，也可以将有损压缩应用到较重要区域中的数 据。图2a为依照优选实施方式的、用于投影数据的压缩系统的框图。DAS130为每一视 图生成一个投影数据集合160。投影数据集合包含投影数据样本阵列161。阵列几何结构取 决于数据采集过程，而并不限定本发明的范围。投影数据集合160包含投影数据样本161。 分类器162识别至少一个较重要样本子集163m以及至少一个较不重要样本子集163η。数 据压缩处理器164将压缩器164m应用到样本子集163m并且将压缩器164η应用到样本子 集163η。压缩的数据存储于缓冲器170之中，直到它们跨越通信信道172而被传输。压缩 控制器180提供压缩控制参数给数据压缩处理器164，包括对于压缩器164m和164η可能不 同的压缩控制参数，以及提供分类控制参数给分类器162。压缩控制器180还能够接收来自 缓冲器170和数据压缩处理器164的反馈。反馈信息可以包括压缩的数据的比特率以及缓 冲器170中的数据量。压缩控制器180使用反馈信息来调节压缩控制参数从而使压缩的数 据的比特率落于期望的范围之内。可以对压缩控制参数进行编码并将其包含在压缩的数据 中。压缩控制器还能够接收用户输入182，比如压缩的数据的期望的比特率、压缩方法的选 择以及控制参数。图2b为用于随后的使用解压缩数据的图像重建的解压缩的优选实施方式的框 图。在传输之后，数据解压缩处理器190将解压缩器190m至190η应用到相应的压缩的数 据集合。图像重建处理器192使用解压缩的数据以使用公知的CT图像重建算法计算图像。 重建的图像可以在显示器194上显示。或者，压缩的数据可以在通过数据解压缩处理器190 而进行的解压缩和通过图像重建处理器192而进行的图像形成之前存储于存储设备或数 据存储介质之中。解压缩控制器196将压缩控制参数提供给数据解压缩处理器190。解压 缩控制器196能够从压缩的数据恢复压缩控制参数。解压缩控制器196可选地接收用户输 入 182。在本发明的优选实施方式中，分类器162将样本的幅度与一个或多个阈值相比较 以将样本分类入子集。压缩控制器180计算投影数据样本161的至少一部分的直方分布图。 图3为图Ib中的范例信号150的X射线计数的直方分布图的范例。计算直方分布图的替代 方式包括使用来自DAS130的单行感测器的、来自单独视图的投影数据的整个集合160的、 或者来自多个视图的投影数据集合的样本。对于图3中所示的范例直方分布图，幅度落入 两个集群200和210内。集群200对应于较重要区域中的衰减的X射线。集群200具有在 IO3的计数值上的顶点205。集群210对应于较不重要区域中的未衰减的X射线。集群210 具有在IO5的计数值上的顶点215。最小X射线计数209代表切片、视图或一系列视图上的 最小X射线计数。最大X射线计数219代表切片、视图或一系列视图上的最大X射线计数。压缩控制器180确定一个或多个幅度阈值作为用于将样本分类入较重要和较不 重要子集的压缩控制参数。在图3的范例中，压缩控制器180可以选择在直方分布图顶点 205和215之间中央的，具有IO4的值的单一幅度阈值220。或者，压缩控制器180可以选择 将产生对于过渡区域的子集的幅度阈值220a和220b。幅度阈值还可以基于比如对应于各 种组织或结构的X射线计数范围之类的因素而确定。提供给压缩控制器180的用户输入182
10能够提供的控制信息包括子集数量、阈值数量、用于计算直方分布图的投影数据的部分、计 算直方分布图的频繁度，以及关于阈值本身的在先信息，包括直接提供阈值。图4示出使用幅度阈值220a和220b的信号150的样本分类的范例。分类器162 应用幅度阈值220a和220b将投影数据样本分类入五个子集。较不重要子集300a和300e对 应于穿过物体110的每一侧的空区域的基本上未衰减的X射线的测量。较不重要子集300b 和300d包含具有出现在接近被扫描物体110的边沿的过渡值的样本。较重要子集300c包 含对应于穿过物体110内部的衰减的X射线的投影数据样本。分类器162能够采用将产生 额外子集的额外的阈值。代替幅度阈值或除了幅度阈值之外，分类器162能够应用边界位置，将样本分类 入较重要子集和较不重要子集。某些CT成像协议采用定位扫描用以近似投影数据中扫描 的物体的边界。可以使用定位扫描或者用以测量或近似边界的其他方法来确立用于分类的 边界位置。分类器162能够将投影数据中的样本位置与相关的边界位置相比较，用以为每 个样本确定适当的子集。除了所述物体与空区域之间的边界之外，边界位置还能够对应于 在被扫描物体之内的感兴趣区域的边界。压缩控制器180将边界位置作为分类控制参数提 供给分类器162。对于感兴趣区域的优选的压缩，分类器能够限定对应于感兴趣区域的投影 样本的较重要子集、对应于物体的不感兴趣区域的投影样本的较不重要子集，以及对应于 空区域的投影样本的另一个较不重要子集。压缩控制器180提供不同压缩参数给压缩器用 于各个子集从而使压缩度将会取决于区域的重要性。用户输入182能够限定感兴趣区域并 且为样本的不同类别指定压缩数据速率。以下关于图8和9来描述对于感兴趣区域的样本 进行分类的范例。图5为数据压缩处理器164的压缩器164η的框图。可调节衰减器360应用可控 衰减程度到样本子集163η。压缩控制器180提供至少一个衰减控制参数给衰减器360以控 制衰减程度。衰减器被控制以应用更大的衰减到较不重要样本以及更小的衰减或不应用衰 减到较重要样本。衰减器的替代实施方式包括乘法器从而使样本163η乘以小于一的因子 以降低它们的幅度、移位寄存器以去除样本163η的一定数量的较不重要比特(LSB)，或者 乘法器与移位寄存器的结合。压缩运算器362执行操作以减少代表衰减的样本的幅度的比特数量。压缩运算器 362包括一个或多个差分运算器和量化器。差分运算器计算子集163η中的样本与选择的 样本的一阶或更高阶差分。有几种选择的样本的替代方式。差分运算器能够如下地计算差 分1)计算子集163η内的相同行的连续样本之间的差分；2)计算在给定行(或列)中的子集163η中的样本与在投影数据集合内的另一行 (或列)中的相应位置中的样本之间的差分；3)计算子集163η中的样本与在另一投影数据集合中的相应位置中的样本之间的差分。图6示出两个投影数据集合371和372的元素。长方框371a、371b和371c内的 元素指示投影数据集合371中的较重要子集的元素。长方框372a、372b和372c内的元素 指示投影数据集合372中的较重要子集的元素。对于第一替代方式，差分运算器计算相同 行的较重要子集中的连续样本之间的差分。例如对于集合371的第一行，计算出的样本间的差分为Diffl = C14-C13 (1)Diff2 = C15-C14 (2)对于计算在同一投影数据集合的不同行中的样本间的差分的替代方式，集合371 的第一行中的子集371a和第二行中的子集371b的范例如下Diffl = C24-C14 (3)Diff2 = C25-C15 (4)对于计算在不同的投影数据集合中的样本间的差分的替代方式，投影数据集合 371的第一行中的子集371a和投影数据集合372的第一行中的子集372a的范例如下Diffl = Cl13-C13 (5)Diff2 = d14-c15 (6)Diff3 = d15-c15 (7)对于二阶差分，差分运算器还为相应的范例计算Sdiffl = Diff2-Diffl (8)Sdiff2 = Diff3-Diff4 (9)对于三阶差分，差分运算器还为相应的范例计算Tdiffl = Sdiff2-Sdiffl (10)压缩控制器180提供配置差分运算器以执行期望的差分计算的控制参数。压缩控 制器180能够响应于用户输入182来设置用于差分运算器的控制参数。差分值被量化和/ 或编码以形成压缩的数据。如上所述，压缩运算器362可以包含量化器。量化器能够通过减少使用以代表输 入样本的取值的范围的量化水平的数量，从而降低量化分辨率，而对它的输入样本执行有 损压缩。减少的量化水平的数量需求较低数量的比特以代表每个样本，从而降低压缩的数 据的比特率。量化器可以应用到来自差分运算器的输出、衰减器360的输出或者分类器162 的输出。压缩控制器提供控制参数以设置用于较重要子集和较不重要子集的不同量化分辨 率。压缩控制器180能够响应于来自数据压缩处理器164的压缩的数据比特率的反馈或者 指示接收压缩的数据的缓冲器170的充满程度的反馈，而适配量化分辨率。压缩控制器180 还能够响应于用户输入182来设置用于较重要子集和较不重要子集的量化分辨率。编码器364应用公知的用于编码和比特打包的技术到压缩运算器362的输出样 本。替代方式包括块浮点编码和Huffman编码。编码器364提供控制比特以识别压缩的数 据的较重要子集和较不重要子集。编码器364还编码相应的用于子集的控制参数。压缩的 数据流包含编码的子集、控制参数和控制比特。对于反馈控制，编码器364可以监测压缩的数据的比特率并且提供测量的比特率 给压缩控制器180。压缩控制器180能够将测量的比特率与由用户输入182提供的或者来 自缓冲器170的反馈的期望的比特率或比特率范围相比较。压缩控制器180调节用于分类 器162和数据压缩处理器164的控制参数以实现期望的比特率。用于压缩控制器180的优 选的策略是调节控制参数从而使有损压缩应用到较不重要子集以及无损压缩应用到较重 要子集。用于较重要子集的压缩器164η的每个元件可被配置用于无损压缩。对于无损压 缩，衰减器360绕过输入样本163η而压缩器362在没有额外的量化的情况下应用差分操作。然而，用户可以命令压缩控制器180应用有损压缩到较重要子集以实现期望的比特率。对于包含来自空区域的样本的较不重要子集，压缩器164η可以简单地编码与相 邻的较重要子集的边界位置而不是压缩空区域中的投影数据。对于在这种情况下的解压 缩，用于较不重要子集的解压缩器190η对边界位置进行解码。用于相邻的较重要子集的解 压缩器190m对压缩的投影数据进行解压缩。解码的边界位置为图像重建处理器192提供 扫描线中的解压缩投影数据的位置。图7示出用于不同视角的投影数据中的子集的范例。这些范例使用相同的幅度阈 值220a和220b。标绘400a与图4中所示的相同并且对应于具有零度视角的方向410a。标 绘410b对应于具有90度视角的方向410b。较重要区域310b、310c和310d相对于较重要 区域300b、300c和300d而言包含较少样本，而较不重要区域310a和310e相对于较不重要 区域300a和300e而言包含较多样本。标绘400c对应于具有180度视角的方向410c。由 于X射线横穿与方向410a相同但方向相反的路径，标绘400c近似于标绘400a的镜像。标 绘400c包括较重要区域320b、320c和320d以及较不重要区域320a和320e。图7示出较 重要的和较不重要的子集的尺寸在对应于不同视角的不同投影数据集合中是发生变化的。 标绘400b的范例示出，对于某些视角，多数样本被分类在较不重要子集中以至于较不重要 子集的有损压缩将显著降低对于那些视角的压缩的数据比特率。图8给出限定感兴趣区域的边界的范例。用于CT扫描仪的协议可包括由不使用 吊架旋转而围绕患者的一次旋转或桌面的横向运动所构成的定位扫描。定位扫描在数秒 内确定患者对于X射线的密度并提供患者110的概要。在图8中，感兴趣区域501在患者 110之内限定。方向500a示出X射线路径510a和520a横穿感兴趣区域501的边界并且在 DAS130的感测器位置511a和521a被检测到。患者110的边界由通过感测器531a和541a 而检测到的射线530a和540a所横穿。对于方向500b，X射线路径510b和520b横穿感兴 趣区域501的不同边界并在感测器位置511b和521b被检测到。对于方向500b，射线510b 和520b也横穿病人110的边界。对于方向500c，X射线路径510c和520c横穿感兴趣区域 501的边界并在感测器位置511c和521c被检测到。射线530c和540c横穿患者110的边 界并在感测器位置531c和541c被检测到。每个方向的感测器位置对应于扫描线中的样本 子集的边界位置。扫描线中的边界位置为视角的函数并且能够使用计算机断层扫描术中公 知的几何关系而从边界的空间域坐标预测。作为视角的函数，分类器162应用每个投影数 据集合的预测的边界位置，以将样本分类入较重要子集和较不重要子集。图9给出投影数据中的子集的预测的边界位置的范例。标绘400a、400b和400c 与之前那些针对图7中的范例所示的相同。在标绘400a中，边界位置531a和541a对应于 患者110的边界，而边界位置511a和521a对应于感兴趣区域501的边界。投影数据被分 类入五个子集，较重要子集600c对应于感兴趣区域，较不重要子集600b和600c对应于感 兴趣区域501之外的内部区域，而较(或最)不重要子集600a和600e对应于空区域。在 标绘400b中，边界位置511b和521b对于感兴趣区域501和患者110的边界两者重合。投 影数据被分类入三个子集，较重要子集610b对应于感兴趣区域501，而较不重要子集610a 和610c对应于空区域。在标绘400c中，边界位置531c和541c对应于患者110的边界，边 界位置511c和521c对应于感兴趣区域501的边界。投影数据被分类入五个子集，较重要 子集620c对应于感兴趣区域，较不重要子集620b和620d对应于感兴趣区域之外的内部区域，而较(或最)不重要子集620a和620e对应于空区域。图10给出定义于图9中的子集的压缩的数据的数据结构的范例。数据结构700、 710和720相应地具有包含比如视角之类的扫描信息的头部701、711和721。每个子集的压 缩的数据以子集Si的标识起始并跟随以编码的控制参数CPitl —个子集可包含多个控制参 数。控制参数由解压缩器控制器196 (图2b)解码从而使适当的解压缩能够应用到子集的压 缩的数据。对于对应于空区域的较不重要子集，位置参数Li指示相应的较不重要子集与相 邻的具有压缩的投影数据的子集的边界的位置。DATAi字段代表相应子集的压缩的投影数 据。数据结构700对应于标绘400a的投影数据的压缩的子集。字段700a和700e代表对 应于空区域并因此包含位置参数L1和L5的相应的较不重要子集600a和600e。字段700b、 700c和700e与包含压缩的投影数据的子集600b、600c和600e相对应。数据结构710对 应于标绘400b的投影数据。字段710a、7IOb和710c相应地代表子集610a、6IOb和610c。 数据结构720对应于标绘400c的投影数据。字段720a和720e代表对应于空区域的较不 重要子集620a和620e。字段720b,720c和720d相应地代表子集620b,620c和620d中的 压缩的投影数据。本发明的一种实施方式可以作为DAS130中的压缩子系统而实施。在用于包含ADC 的DAS130的专用集成电路(ASIC)中，压缩子系统可以集成入ASIC中以压缩输出自ADC的 样本。在替代实施中，压缩子系统实施于连接到DAS130中的ADC芯片的输出端的单独的设 备之中。所述设备可以实施为ASIC、现场可编程门阵列(FPGA)，或者可编程处理器，比如数 字信号处理器(DSP)、微处理器或者微控制器。根据CT系统架构，解压缩子系统可以并入图 像重建处理器的同一设备或者为与其不同的设备。解压缩子系统可实施于ASIC、FPGA或者 可编程处理器之中。可以使用公知于本技术领域中的编程技术把用户界面并入CT系统的 控制台。尽管使用关联于计算机断层扫描术的医疗应用的范例在此描述了本发明的实施 方式，本发明并不限定在医疗应用。本发明的实施方式还能够被适配用于工业计算机断层 扫描术中。在工业计算机断层扫描系统中，移动物体、X射线源以及探测器阵列的装置根据 被测物体的类型而设计。在物体的扫描期间，物体、X射线源以及探测器阵列的相对运动产 生生成本发明的实施方式能够应用于其上的投影数据集合的若干视图。尽管示出和描述了本发明的优选实施方式，应当明确，本发明不限定于这些实施 方式。众多修改，变化，变异，替代和等效将会在不背离在权利要求中所描述的本发明的精 髓和范围的前提下对本领域中的技术人员呈现。
权利要求
用于压缩计算机断层扫描系统中的投影数据的方法，所述计算机断层扫描系统提供多个感测器测量以形成一个或多个投影数据集合，其中每个投影数据集合代表投影域的一部分并且包含样本的阵列，所述阵列具有至少一条线，所述样本包括较重要样本和较不重要样本，所述方法包括设置一个或多个压缩控制参数以控制压缩操作，所述压缩控制参数包括至少一个对应于较重要样本的压缩控制参数以及至少一个对应于较不重要样本的压缩控制参数；依据分类控制参数将投影数据集合中的至少一条线的样本分类入至少两个子集，所述子集包括至少一个包含有较重要样本的较重要子集以及至少一个包含有较不重要样本的较不重要子集；通过依据相对应的压缩控制参数来应用压缩操作而压缩每个子集的样本以形成相应的压缩的数据子集，其中对于较不重要子集的压缩比大于对于较重要子集的压缩比；以及依据基于压缩的数据的特性的反馈参数调节一个或多个压缩控制参数。
2.根据权利要求1的方法，其中调节一个或多个压缩控制参数的步骤进一步包括 测量压缩的数据的比特率以形成测量的比特率；将测量的比特率与期望的比特率相比较以形成反馈参数；以及 依据反馈参数调节至少一个较不重要子集的相应的压缩控制参数，其中压缩步骤响应 于相应的压缩控制参数对至少一个较不重要子集应用有损压缩操作，以降低压缩的数据的 比特率。
3.根据权利要求1的方法，其中压缩步骤依据相应的压缩控制参数应用有损压缩操作 到较不重要子集和较重要子集中的至少一个。
4.根据权利要求1的方法，进一步包括在具有存储容量的缓冲器中存储压缩的数据， 其中调节步骤进一步包括相对于存储容量来检测缓冲器的充满情况以形成反馈参数；以及 依据反馈参数修改至少一个较不重要子集的相应的压缩控制参数，其中压缩步骤响应 于相应的压缩控制参数而对至少一个较不重要子集应用有损压缩操作，以产生用于在缓冲 器中存储的压缩的数据的较低的比特数量。
5.根据权利要求1的方法，其中压缩步骤进一步包括计算较重要子集的至少一部分的连续样本之间的差分以形成多个差分样本；以及 对多个差分样本进行编码以形成相应的压缩的数据子集的至少一部分。
6.根据权利要求1的方法，其中阵列包含多条样本线，所述压缩步骤进一步包括 计算来自于投影数据集合的第一线的较重要子集的至少一部分的多个样本与投影数据集合的第二线的多个相应的样本之间的多个差分，以形成多个差分样本；以及 对所述多个差分样本进行编码以形成相应的压缩的数据子集的至少一部分。
7.根据权利要求1的方法，其中压缩步骤进一步包括计算来自第一投影数据集合的较重要子集的至少一部分的多个样本与第二投影数据 集合中相应的样本之间的多个差分，以形成多个差分样本；以及对所述多个差分样本进行编码以形成相应的压缩的数据子集的至少一部分。
8.根据权利要求1的方法，其中压缩步骤进一步包括 确定至少一个用于较不重要子集的描述符；以及对所述描述符进行编码以形成相应的压缩的数据子集的至少一部分。
9.根据权利要求8的方法，其中所述描述符代表包含在较不重要子集中的一系列连续 样本与相邻的较重要子集的边界位置。
10.根据权利要求1的方法，其中压缩步骤进一步包括以下步骤中的至少一个 依据衰减控制参数衰减较不重要子集的样本；以及依据相应的压缩控制参数对较不重要子集的样本进行量化。
11.根据权利要求1的方法，其中分类控制参数代表幅度阈值，所述分类步骤进一步包括将至少一部分样本中的每个样本的幅度值与幅度阈值相比较，以形成比较值；以及 基于比较值为所述样本选择子集。
12.根据权利要求11的方法，进一步包括基于投影数据的多个样本的统计数据确定幅度阈值。
13.根据权利要求1的方法，其中所述分类步骤进一步包括将至少一部分样本中的每个样本的位置值与预设定的边界位置相比较以形成比较值;以及基于比较值为样本选择子集。
14.根据权利要求1的方法，进一步包括通过依据相应的压缩控制参数来应用相应的解压缩操作而对压缩的数据子集进行解 压缩，以形成解压缩数据的至少一个较重要子集和至少一个较不重要子集；以及 将解压缩数据提供给图像重建处理器用以产生空间域图像。
15.根据权利要求14的方法，其中所述解压缩步骤进一步包括从解压缩数据的较不重要子集中提取描述符，其中所述描述符代表较不重要子集与相 邻的较重要子集之间的边界位置；以及基于边界位置确定相邻的较重要子集的解压缩数据的位置值。
16.根据权利要求1的方法，进一步包括 在滑动环接口的通信信道上传输压缩的数据。
17.用于由计算机断层扫描系统所测量的投影数据的数据压缩装置，所述计算机断层 扫描系统提供多个感测器测量以形成一个或多个投影数据集合，其中每个投影数据集合代 表投影域的一部分并且包含样本的阵列，所述阵列具有至少一条线，所述样本包括较重要 样本和较不重要样本，所述数据压缩装置包括分类器，耦合以接收投影数据并且依据分类控制参数将投影数据的至少一条线中的样 本分类入至少两个子集以产生至少一个较重要子集和至少一个较不重要子集；压缩器，接收较重要子集和较不重要子集并且依据相应的压缩控制参数来对每个子集 的样本应用相应的压缩操作以形成相应的压缩的数据的子集，其中对于较不重要子集的压 缩比大于对于较重要子集的压缩比；以及控制器，耦合到分类器与压缩器，所述控制器确定反馈参数并且依据所述反馈参数调 节至少一个压缩控制参数。
18.根据权利要求17的压缩装置，其中所述控制器另外包括 比特率监测器，测量压缩的数据的比特率以产生测量的比特率；比较器，将测量的比特率与期望的比特率相比较以形成反馈参数；以及控制参数计算器，如果反馈参数指示测量的比特率大于期望的比特率，调节用于至少 一个较不重要子集的相应的压缩控制参数，其中压缩器响应于相应的压缩控制参数来对较 不重要子集应用有损压缩操作以降低压缩的数据的比特率。
19.根据权利要求17的压缩装置，其中压缩器依据相应的压缩控制参数对较重要子集 和较不重要子集应用有损压缩操作。
20.根据权利要求17的压缩装置，进一步包括缓冲器，耦合到压缩器、控制器以及数据传输接口，其中缓冲器存储压缩的数据并且以 一定的数据速率将压缩的数据提供给数据传输接口，所述缓冲器具有存储容量。
21.根据权利要求20的压缩装置，其中所述控制器进一步包括探测器，确定缓冲器的充满程度条件以形成反馈参数；以及控制参数计算器，依据反馈参数调节用于至少一个较不重要子集的相应的压缩控制参 数，其中压缩器响应于相应的压缩控制参数对较不重要子集应用有损压缩操作以降低压缩 的数据的比特率。
22.根据权利要求20的压缩装置，其中数据传输接口进一步包括用于滑动环接口的通Ih Ih 但。
23.根据权利要求17的压缩装置，其中分类器、压缩器以及控制器在FPGA或者ASIC之 中实施。
24.用于压缩的投影数据的解压缩的装置，压缩的投影数据对应于产生自计算机断层 扫描系统中的感测器测量的原始投影数据，所述装置包括存储设备，存储压缩的投影数据，其中压缩的投影数据包括压缩的数据的多个较重要 子集和多个较不重要子集。解压缩器，依据相应的压缩控制参数对压缩的数据的较重要子集和较不重要子集应用 相应的解压缩操作以形成解压缩数据的较重要子集和解压缩数据的较不重要子集，所述解 压缩器将解压缩的数据提供给图像重建处理器；以及控制器，从压缩的数据提取相应的压缩控制参数并且将相应的控制参数提供给解压缩ο
25.根据权利要求24的解压缩装置，其中解压缩器依据相应的压缩控制参数对压缩的 数据的较重要子集应用无损解压缩操作以及对压缩的数据的较不重要子集应用有损解压 缩操作。
全文摘要
用于压缩来自数据采集系统的投影数据的CT扫描仪的压缩方法和子系统。投影数据被分类入较重要样本子集和较不重要样本子集。依据压缩控制参数而压缩子集从而使较不重要样本以大于较重要样本的程度被压缩。可以监测压缩的投影数据的比特率并且调节压缩控制参数以提供期望的比特率。压缩的数据依据压缩控制参数解压缩用于从解压缩的投影数据重建图像。此摘要不限定如权利要求中所描述的本发明范围。
文档编号A61B8/00GK101883525SQ200880118931
公开日2010年11月10日 申请日期2008年12月3日 优先权日2007年12月3日
发明者阿尔伯特·W·魏格纳 申请人:信飞系统公司