专利名称：用于在计算x线断层照相系统里压缩投射数据的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及对获取的用于计算X线断层照相术(CT)的投射数据的压縮和解 压縮，特别涉及通过使用导数来确定边界以及压縮边界之间的数据。
背景技术：
在CT成像系统中，对对象的多个x射线照相视图产生多组投射数据。投射数据的 每行表示该对象的内部结构的密度值在某个面或切片内的积分。从多组投射数据中，CT成 像系统产生对象的内部结构的二维(2D)剖面图像和三维(3D)图像。这些图像是通过对多 组投射数据应用公知的图像重建算法来获得的。从多组投射数据来重建剖面图像或三维图 像的技术被广泛地称为"X线断层照相术"。使用基于可编程处理器的设备来执行该图像重 建被广泛地称为计算(计算机化的或计算机辅助的)X线断层照相术。在某个典型应用中， x射线辐射源将x射线穿过对象投射到x射线传感器(或检测器)阵列上。X射线传感器 的输出被数字化以形成一组投射数据。根据检测器阵列的几何形状，该组投射数据可以是 一维的或二维的。对象、x射线源和x射线传感器阵列中一个或多个之间的相对移动提供 多个具有不同透视的视图。穿过对象的切片图像或剖面图像可以通过使用对多个视图的数 学变换来近似。在某些应用中，剖面图像可以被组合以形成对象的3D图像，该对象的3D图 像可能无法用另外的方式观察得到。 X射线CT的一种公知的应用是用于对人体进行非介入性成像的医学CT扫描器。 在医学CT扫描器中，通过使用托台来旋转x射线源和检测器阵列以及穿过滑动环传送投射 数据，获得多个视图。现代CT扫描器(如2008年的CT扫描器)对好几万个在从l千采样 /秒(ksamp/sec)到10千采样/秒(ksamp/sec)范围内的x射线传感器输出进行数字化， 其中每个数字采样具有每采样16到24比特，结果穿过滑动环(slip ring)产生每秒若干 吉比特的总数据传送带宽。在图像重建之前，投射数据还必须被实时地存储或缓存。通常， 图像重建过程较数据获取过程要慢10到20倍，由此产生对存储的需求。典型的存储子系 统包括独立磁盘冗余阵列(RAID)驱动。随着穿过滑动环的数据传送速率增加，RAID子系 统的存储容量和吞吐量也必须增加。随着业界努力实现增大的空间和时间分辨率以及增加 数量的x射线传感器，所以数据传送和数据存储子系统的带宽需求将很快超过10Gbps。 X射线CT的另一应用是工业产品的自动化检查。例如，从x射线投射数据重建出 的剖面图像被用于工业产品的质量控制检查系统中，所述工业产品包括诸如印刷电路板之 类的电子设备。X线断层照相术可以用于重建被研究的对象的一个或多个面或剖面的图像， 以便评价对象的质量。X射线CT系统获取关于感兴趣的对象的位于各种位置处的多组投射 数据以及视图。工业检查系统的系统架构不同于医学CT扫描器。然而，像医学CT系统一 样，大量投射数据需要数据传送和存储。对于自动检查系统，被测对象的更高吞吐量是理想 的，因为它降低被测试的产品的成本。更高的吞吐量增加了对数据传送和数据存储的带宽 需求。使用CT扫描技术的自动检查的另一例子是自动行李筛选系统。 CT系统的数据获取子系统所获得的大量投射数据给用于数据传送和数据存储的系统资源造成了负担。数据传送带宽的限制延迟了投射数据在重建和显示被扫描的对象的 图像方面的可用性。在数据传送之前压縮投射数据并且随后在图像重建之前解压縮降低了 用于数据传送和存储的系统资源上的负担。压縮的好处包括降低数据获取和图像显示之间 的反应时间，增加通过具有有限带宽的通信通道传送的数据量，以及提供已压縮投射数据 用于存储和在网络上传送，供以后访问和图像重建。因为压縮允许系统资源容纳更多的投 射数据，所以图像分辨率可以被改善和/或对象的更大区域可以被扫描。实现压縮操作的 计算资源的可用性也是CT系统中的一个限制。理想的是压縮操作具有低的计算复杂度并 且可以实时操作，以使对计算资源的影响达到最小。 在计算X线断层摄影术中，存在图像相关的数据的两个域，即Radon变换域和空间 域。投射数据或窦腔X线照相(sinogram)数据是在Radon变换域中，也被称为投射域或窦 腔X线照相域。在投射数据是针对对象的一个切片获得的或者是从x射线传感器的线性阵 列中产生的情形中，投射数据可以是2D的。在投射数据是针对对象的不止一个切片获得的 或者是从x射线传感器的二维阵列中产生的情形下，投射数据可以是3D。从投射数据重建 出的2D剖面图像是在2D空间域中。从多个剖面图像重建出的三维图像是在3D空间域中。 Radon变换是一种数学变换，其是Radon变换域中的投射数据与从投射数据重建出的空间 域图像之间的关系的基础。因为投射数据与重建图像之间的数学关系的原因，向Radon变 换域中的投射数据应用压縮算法与向空间域中的重建图像应用相同的算法不会产生相同 的结果。 图像压縮技术，例如JPEG图像压縮，通常被应用到空间域图像数据，例如照相图 像。空间域图像压縮技术在计算X线断层摄影术中还被应用到重建图像，以便进行空间域 图像的高效图像存储或传输。在空间域图像中获得额外压縮的方法是识别图像中的感兴趣 区域并对感兴趣的区域应用无损压縮而对感兴趣的区域之外的区域应用有损压縮。在2004 年的SPIE会议论文集的Vol. 5371，pp. 160-169的，标题为"Segmentation-based CT Image Compression"的文章以及在IEEE 2004图像处理国际会议中由Hashimoto等人的标题为 "CT Image compressionwith Level of Interest"的会议论文中描述了这禾中方法的例子。 对于投射域或窦腔X线照相域，在空间域中重建图像之前应用对投射数据的压縮 和解压縮。压縮投射数据的某些方法在投射域中应用JPEG图像压縮方法。在2008年2月5 日发给Bae等人的标题为"Methodand Apparatus for Compressing Computed Tomography Raw ProjectionData"的美国专利7， 327， 866中描述了这种方法的例子。这种方法对投射数 据应用无损和有损压縮。在2003年10月14日公布的标题为"X-RayCT Apparatus, System and Projection Data Compressing/Resto:ringMethod，，的Nishide等人的未审专利公开号 为2003-290216 (P2003-290216A)的日本公开专利申请中描述了压縮落入正被扫描的对象 的边界内的投射数据的方法。这种方法将投射数据分成空气信息区域(其中x射线已经穿 过空白的区域)和主体信息区域(其中x射线已经穿过对象或病人)。不同的压縮方法被 应用到空气信息区域和主体信息区域，或者空气信息区域可以被删除。 上面的压縮投射数据的方法的缺点包括以下缺点。在上面的技术中，已压縮数据 的比特速率会不可预知地变化，因为限定的感兴趣的区域和无损压縮是取决于数据的。因 为已压縮数据的带宽是随时间变化的，所以诸如FIFO之类的接口需要支持变化的数据速 率。FIFO接口比固定速率接口更加复杂，因为它需要额外的控制信号(半满、几乎全满、几乎为空，等等)。获得比特速率落入理想范围内的已压縮数据是有利的。有损的固定速率压 縮模式允许控制已压縮数据的带宽。于是可以以固定数据速率将已压縮数据通过接口传送 到存储介质。固定数据速率简化了用于传送已压縮数据的接口并且使FIFO的深度达到最 小。上面的方法的另一缺点是计算复杂度，其取决于哪种压縮算法被应用。有利的是降低 计算复杂度以减轻对系统资源的负担并允许对投射数据的实时压縮。 在2007年12月3日提交的，标题为"Compression andDecompression of Computed Tomography Data"的，共同拥有并共同未决的美国专利申请No. 11/949670(第 '670申请)中描述了在图像重建之前压縮投射数据并解压縮该已压縮的投射数据。该'670 申请讲述了将投射数据采样基于它们的重要性分类成子集。应用到这些子集的压縮操作取 决于投射数据采样的重要性。 在这种讨论中，"实时"意指至少如数字信号的采样速率一样快的速率。术语"实 时"可以被用于描述用于处理、传送和存储数字信号的速率。采样速率是在模拟信号的转换 期间模数转换器(ADC)形成数字信号的采样的速率。当将数字信号转换到模拟信号时，采 样速率是数模转换器(DAC)从数字信号的采样形成模拟信号的速率。未压縮的采样的或数 字的信号的比特速率是每采样的比特数目乘以采样速率。压縮比是原始信号采样的比特速 率与已压縮的采样的比特速率的比值。针对本申请，实时是指ADC从x射线传感器的输出 信号形成投射数据的数字采样的速率。 这种描述参考无损和有损压縮。在无损压縮中，已解压縮的采样具有与原始采样 相同的值。如果无损压縮在已压縮的采样的比特速率方面没有给出足够降低，则对于提供 对比特速率的充分降低，有损压縮是必须的。在有损压縮中，已解压縮的采样类似于原始采 样但不等同于原始采样。有损压縮在已压縮的采样的比特速率与已解压縮的采样中的失真 之间进行折衷。
实用新型内容考虑上述传统问题做出了本实用新型的实施例。本实用新型的目的是压縮CT投 射数据。压縮CT投射数据的好处包括增大穿过CT扫描器的滑动环接口的数据传送的效 率，降低递送给诸如RAID阵列之类的存储子系统的数据的带宽，以及降低在CT成像系统中 用于一组投射数据所需的存储容量。本实用新型的另一目的是提供固定输出比特速率。用 户指定的对已压縮的数据的输出比特速率或每采样的比特数的控制导致可预测的数据传 送速率和数据存储要求。当用户指定的压縮比是诸如2 : 1之类的整数值时，可以获得CT 系统部件的额外的成本节省。例如，固定的2 : l压縮比允许系统中的某些部件，诸如存储 器、现场可编程门阵列(FPGA)、数据传送电缆和用于数据存储的盘驱动器，减少一半。 为了实现上述目的，本实用新型的一个方面提供了一种用于在计算X线断层摄影 系统中压縮投射数据的方法，该计算X线断层摄影系统包括多个传感器，这些传感器提供 多个传感器量度以形成一组或多组投射数据，其中每组投射数据包括投射数据的采样的阵 列，该阵列具有至少一行采样，其中每个采样具有由采样坐标所指示的在该阵列中的位置。 该方法包括 检测所述阵列的行中的第一边缘采样和第二边缘采样； 基于所述第一边缘采样确定第一边界以及基于所述第二边缘采样确定第二边界； 压縮具有介于所述第一边界与所述第二边界之间的采样坐标的采样以形成已压縮采样；以及 对相应边界进行编码以形成与所述已压縮采样一起被包括的已编码的边界，其中所述检测步骤包括 计算在所述阵列中的行中的连续采样之间的差值以形成差分采样，每个差分采样具有正值或负值；以及 将正差分采样与正阈值进行比较以及将负差分采样与负阈值进行比较，以确定所述第一边缘采样和所述第二边缘采样。 本实用新型的另一方面提供一种用于在计算X线断层摄影系统中压縮投射数据的装置，该计算X线断层摄影系统包括多个传感器，这些传感器提供多个传感器量度以形成一组或多组投射数据，其中每组投射数据表示投射域的一部分并包括投射数据的采样的阵列，该阵列具有至少一行采样，其中每个采样具有由采样坐标所指示的在该阵列中的位置。该装置包括 压縮子系统，其被耦合以接收投射数据的采样，并提供已压縮采样给数据传送接口，所述压縮子系统还包括 边缘检测器，其被应用到所述阵列的行中的采样，其中所述边缘检测器确定所述采样行中的第一边缘采样和第二边缘采样，并分别基于所述第一边缘采样和所述第二边缘采样来设置第一边界和第二边界； 压縮器，其对对应于介于所述第一边界与所述第二边界之间的采样坐标的采样进行压縮以形成已压縮采样；以及 边界编码器，其对所述第一边界和第二边界进行编码以与所述已压縮采样一起被包括，其中所述边缘检测器还包括 差值计算器，其计算所述阵列的行中的采样之间的多个差值以形成差分采样，每个差分采样具有正值或负值；以及 阈值运算器，其被应用到所述正差分采样和所述负差分采样以产生所述第一边缘采样和所述第二边缘采样。
图la是表示根据现有技术在CT成像系统中用于CT扫描数据获取的基本配置的图示。 图lb示出根据现有技术的由从一行传感器输出的投射数据形成的信号的例子。 图2是根据现有技术的用于投射数据的压縮系统的框图。 图3a示出由函数g(x) = 2—y(j)给出的衰减分布的指数函数y(j)的例子。 图3b示出由函数g(x) =2—y^给出的衰减分布的指数函数y(j)的另一例子。 图4是包括差分运算器(operator)的用于投射数据的压縮系统的框图。 图5示出对应于不同组的投射数据的已衰减采样的两个阵列的例子。 图6是示出用于控制每个已压縮采样的平均比特数的各种元件的相互作用的框图。[0036] 图7是微分边界检测器的框图。 图8是用于后续图像重建的解压縮的框图。
具体实施方式本实用新型涉及在Radon域(也称为投射域或窦腔X线照相域)中对投射数据的压縮和解压縮。对投射数据的压縮允许实现从CT系统中的数据获取子系统到存储子系统和图像重建处理器的更为高效的数据传送。稍后在对空间域图像进行图像重建之前对已压縮的投射数据进行解压縮。压縮和解压縮可以被应用到从一幅视图中产生的一组投射数据或者从多幅视图中产生的多组投射数据。本实用新型独立于图像重建处理器用以计算空间域图像所使用的视图的数目。 本实用新型的实施例可以被用于压縮和解压縮医学计算X线断层摄影扫描器中的投射数据以生成人体的剖面图像，以及可被用于压縮和解压縮工业计算X线断层摄影系统中的投射数据以检查被研究的对象。在医学计算X线断层摄影扫描器中，通过旋转托台，将x射线源和检测器阵列围绕病人旋转。检测器阵列所获取的投射数据经由托台系统的旋转单元与静止单元之间的通信通道传输给存储系统，并稍后传输到处理器以进行图像重建。在工业计算X线断层摄影系统中，x射线源与检测器阵列可能具有有限的移动或保持静止，而被研究的对象可以平移或旋转。投射数据通过通信链路传输到存储设备并稍后传送到处理器以进行图像重建。在两种应用中，通信通道均具有有限带宽。这种带宽限制决定了投射数据到图像重建中使用的处理器的传输速度。投射数据在传输之前被压縮从而更多的数据可以在有限的带宽通道上传送。在投射数据被存储的应用中，对投射数据进行压縮允许以给定的存储器容量存储更多的数据或减少所需的存储器容量和存储器接口带宽。已压縮的投射数据被解压縮并处理以进行图像重建。 图la是表示在医学CT成像系统中用于进行CT扫描数据获取的基本配置的图示。对象或病人110被置于平台120上，平台120可以在CT成像系统的旋转托台(未示出)内来回移动。该托台包括x射线源IOO和数据获取系统(DAS)130。 DAS 130包括一行或多行x射线传感器和模数变换器(ADC)的矩阵。ADC对来自x射线传感器的信号进行数字化以产生其幅度表示x射线计数或Hounsfield单元的采样。本(2008) CT系统每个切片或行可以包括大约1024个x射线传感器的矩阵，并且每个视图多至320个切片。根据系统设计，X射线源100生成具有特殊几何形状的波束。图1中所示的例子具有扇形波束的几何形状。对x射线的衰减程度取决于它的路径。在图la中，射线140a和140e是未被衰减的，因为它们穿过空气。射线140c被衰减，因为当它穿过对象110时它被部分吸收。射线140b和140d穿过对象110的边界，因此它们的衰减将比射线140c少。X射线传感器阵列测量接收到的x射线以形成用于ADC的信号。CT扫描器的x射线传感器需要多个幅度级别的动态范围来捕获来自x射线源100的衰减的和未衰减的x射线信号的范围。当前(2008)CT扫描器的x射线传感器使用这样的ADC，该ADC使用每个采样16到24比特来对x射线传感器输出进行采样。对于每个采样16比特，最大(未衰减的卜射线计数是216或65，536。对于每个采样24比特，最大x射线计数是2M或16，777，216个。针对每个视角增量，DAS 130产生一组投射数据。该组投射数据包括采样阵列，其中该阵列中的一行采样或扫描行对应于x射线穿过对象110的一个切片的量度。因为托台围绕病人旋转，所以多组投射数据被未在图la中示出)。处理器对所述多组投射数据组应用图像重建算法以形成图像。根据扫描协议，图像重建算法可以产生被扫描对象的二维剖面图像或三维图像。重建的图像接着被显示以供分析。X射线源波束的特殊几何形状、检测器的几何形状、DAS 130的配置或扫描协议不限制本实用新型的应用。[0041] 图lb说明由从DAS 130的一行传感器输出的投射数据所形成的信号150的例子。区域150a和150e对应于未衰减的射线140a和140e并具有最大的x射线计数。由150b和150d所指示的区域是过渡区域，其表示在边界处检测的射线140b和140d。由150c所指示的区域对应于已经穿过对象110的并且因此具有基本上更低的x射线计数的衰减的射线140c。在用的CT系统通常包括传感器矩阵，其比被扫描的对象更宽，因此诸如区域150a和150e之类的、具有未衰减的x射线的区域通常出现在投射数据中。在重建的图像中，这些"空白"区域对应于在重建的图像之外的区域。CT图像重建算法通常不使用来自于空白区域150a和150e的投射数据。 对于图lb的例子，对应于空白空间的投射数据比对应于穿过对象的射线的投射数据具有更高的值。在某些CT系统中，预处理产生投射数据，其中对应于空白空间的采样比对应于对象的采样具有更高的值。对于本实用新型，假设采样的索引从左往右递增。然而，表示采样坐标的习惯不限制本实用新型的范围。 图2是用于投射数据的压縮系统的框图。DAS 130针对每幅视图生成一组投射数据160。该组投射数据160包括投射数据采样阵列。该阵列的几何形状取决于数据获取过程并且不限制本实用新型的范围。投射数据160的阵列包括投射数据采样du、d12等等，其具有相关联的坐标或索引。压縮处理器200对阵列160的投射数据采样进行压縮。衰减器210根据衰减分布214的参数来减小阵列160中的每排或每行中的采样的幅度。衰减分布214取决于阵列160中的采样的坐标并提供小于或等于1的衰减值。根据衰减分布214，已衰减的采样的幅度被减小或保持原始值。衰减器210主要是减小已衰减的采样的动态范围，从而它们可以通过使用较少的比特来进行表示。编码器212使用无损或有损编码对已衰减的采样进行打包，如下面进一步描述的那样。编码器212输出已压縮的采样到缓存器230供经由通信通道240进行传输。在CT扫描器系统中，滑动环接口提供通信通道240。压縮控制器220接收来自编码器212的反馈信息。反馈信息可以包括已压縮数据的比特速率或每个已压縮采样的比特数。压縮控制器220使用反馈信息以调节压縮控制参数，其包括衰减分布214的参数，从而已压縮数据的比特速率或每个已压縮的采样的比特数保持恒定或落入期望的范围内。包括对应于衰减分布214的参数的压縮控制参数可以被编码并与已压縮的数据一起被包括，并且稍后被用于解压縮控制。压縮控制器220还可以接收用户输入201，诸如针对已压縮的数据的期望输出比特速率、压縮操作的选择以及设置控制参数。[0044] 衰减分布214包括确定由衰减器210应用到阵列160中的采样上的衰减程度。优选类型的衰减分布214由具有以2为底数的指数函数的分段的函数来表示。在一个备选项中，衰减分布214提供从阵列160的每排的边界朝着中心的递减衰减。例如，假设阵列160中第i排或行的坐标从j = 1延伸到j = N，其中N表示DAS 130的一行中的x射线传感器的数目。例如，在当前(2008)CT系统中，阵列可以具有每行或每排多至1024个元素的行或排。指数衰减分布提供作为采样坐标j的函数g(j)的衰减，其由下式给出[0045] g(j) =2—y(j) y(j) >0 (1)[0046] 由g(j)表示的衰减分布214包括指数函数y(j)。因为该指数在等式(1)中是负的，所以用函数g(j)的值乘以采样会减小采样的幅度，除非y(j) =0。指数函数y(j)是由g(j)表示的衰减分布的负的log2(即2为底数的对数)。表示第j个已衰减的采样所需的比特数(包括一个比特的分数)小于表示未用指数函数y (j)的第j个值衰减的第j个未衰减的采样所需的比特数。 图3a示出一个例子，其中指数函数y(j)包括作为索引j的线性函数的分段。Y轴指示第j个采样的幅度的减少的比特数(包括一个比特的分数)。参数Y^将产生最大衰减，其由下式给出 g隨=2—y隨 (2) 在图3a中示出的对称指数函数将对阵列160中的第i行中的采样d(i， 1)和d(i，N)应用最大衰减。Y^的值小于或等于由DAS 130生成的投射采样的比特精度，并且可以被选择用以获得已压縮的数据的目标输出比特速率，如下面针对图7所描述。例如，当DAS130产生20比特采样时，Y^的值是20或更少。诸如针对20比特采样Ymax是诸如10之类的较低的值，则产生较弱的衰减，结果导致较小的压縮。参数Ymin对应于最小衰减，其由下式给出 gmin = 2—Ymin (3) 对于Ymin = O，对应于图3a中的d(i，N/2)的中心采样将保持相同的幅度。Ymin的值还可以被调节以获得目标输出比特速率，如下面针对图7所描述。用于指数函数的另一例子包括多个线性分段，如图3b中所示出。作为替代，指数函数可以具有作为采样坐标的非线性函数的分段。 衰减分布可以由线性的、指数的、抛物线的、阶梯的、抖动的(dithered)或其他非线性的分段来表示。同样，衰减分布不需要是对称的或在阵列160的N长度行的中心(N/2)元素处具有最小值。优选地，衰减分布提供从一个采样到另一个采样的渐进的改变。已经观察到，在衰减分布中的采样之间的大于l比特的改变可以导致重建图像中的环形伪像。对于某些非医学CT应用，这种环形伪像是可以容忍的。对于医学CT，这种环形伪像可能被阻止。为了阻止这种环形伪像，由g(j)表示的衰减分布的改变应该小于每个采样索引j 一个比特。这种约束还可以由下式来表示[0053] Abs [log2 (g (j)) _log2 (g (j+l)) ] < 1 对于等式(1)中所表示的g(j) ，y (j)的线段的倾斜的幅度必须小于或等于1以满足该约束。图3a和3b中的例子满足这种约束。这种约束还可以用分贝(dB)单位来表达。一个比特表示6dB的衰减，因此小于每个采样索引6dB的衰减步幅满足上面的标准。例如，0. 375dB的衰减步幅对应于1/16比特，并且已经观察到使用6dB的衰减步幅时明显出现的环形伪像在衰减步幅减小到0. 375dB时不存在。因此，临界衰减步幅将取决于CT成像的应用。在高分辨率的CT系统中，避免环形伪像的临界衰减步幅可以小于ldB。衰减步幅的幅度反比于可以获得的压縮比。由此，对于需要至少2 : l的压縮比的系统，建议更高的衰减步幅。已发现，通过使用这里所描述的衰减和编码技术，可以获得有效的压縮，而同时保持用于医学成像的高分辨率CT系统的平滑的可重建图像。 优选地，衰减分布向在阵列160的边缘附近的采样应用更大的衰减而对阵列中心附近的采样应用较低的衰减或者不应用任何衰减，以便保持重建图像的中心区域的准确度。当对采样的衰减得到无损压縮时，就保持了重建图像的中心区域的准确度，而同时在外围区域中错误增加了。衰减分布可以由线性的、指数的、抛物线的、或其他非线性的分段的函数来表示。对于阵列中的所有行，衰减分布值可以是相同的。优选地，对于阵列中的不同行或对于不同投射数据组，衰减分布值可以发生变化。 通过将采样乘以和/或移位对应的衰减值，衰减器210应用诸如等式(1)所表示的那样的衰减分布214。相乘以及移位允许实现浮点范围{0.0， 1.0}中的分数衰减值。例如，使用M比特来表示衰减分布的浮点衰减值提供了 {0.0， 1.0}范围内的2M个衰减值。衰减值自身可以被存储在存储器中的查找表内，并且被提供给衰减器210。作为替代，衰减器210可以通过使用存储器中所存储的诸如斜率和分段的终点之类的限定衰减分布214的参数来计算衰减值。衰减器210的简单实施例包括将采样向右移位对应于衰减值的比特的数目。单独进行移位会以2为因子来减小采样的幅度，因为向右移位对应于除以2。当衰减分布214对应于如等式(1)所示的以2为底数的指数函数时，指数函数y(j)可以被截取或四舍五入以确定向右移位的总数目。向右移位将移出对应数目的最低位比特，因此减少了用于表示该采样的比特数目。对应于衰减值的向右移位的值可以被存储在查找表中或由衰减器210基于衰减分布214的参数计算出来。 编码器212还减小表示已衰减的采样的比特数目以产生已压縮的采样。编码器212可以应用块浮点编码、霍夫曼编码或其他比特包装(pack)的方法。作为替代，已衰减的采样可以被顺序地包装，因为每个采样的比特数目是采样索引的已知函数，其由衰减分布来表示。例如，对于由等式(1)所表示的衰减分布214，第j个采样的比特数目减少y(j)的四舍五入值或截取值，从而每个已压縮的采样的比特数是已知的，其是采样索引j的函数。[0058] 编码器212可以应用块浮点编码。优选的块浮点编码将待编码的采样的每行划分进N_GROUP采样的组中并应用以下步骤。[0059] 对于第一组采样 1)确定具有最大幅度的采样的指数(底数为2)，诸如通过计算N_GROUP采样的每个组中最大幅度的以2为底数的对数(log2)。这指示每个已编码的采样的比特数，或ruexp (0)。 2)使用S个比特来对第一组中的指数n—e邓(0)进行绝对式编码。 3)使用每个采样n_exp (0)比特来对N_GROUP采样进行编码。对于N_GROUP采样
中的第i个组 4)确定具有最大幅度的第i个指数(底数为2)，其指示在第i组中每个已编码的采样的比特数，或rue邓(i); 5)通过从n—e邓(i_l)中减去n—e邓(i)来对第i个指数进行差分编码，以确定第i个差分值。使用对应的记号来对第i个差分值进行编码，其中较短的记号表示更为常见的差分值而较长的记号表示较不常见的差分值。 6)使用每个采样n—e邓(i)个比特来对N_GROUP中的第i组进行编码。对于第一组采样，指数n—e邓(0)被直接编码。例如，指数n—e邓(0)可以被如下编码，其中S是每个采样的原始比特数 a. 0 : n—e邓(0) = 0 (所有4个采样值都是0) b. 1 : n_exp (0) = 2 (每个采样2个比特)[0070] 对于第i组，使用前缀码字对指数n—e邓(i)进行差分编码，其中没有任何码字是
另一码字的前缀。优选的差分编码如下 1.计算差分e_diff = n_exp(i)-n_exp(i-l) 2.如下编码e_diff : a. 0 : e_dif f = e (i) _e (i_l) b. 101 : e_diff = +1 c.110: e_diff =-1 d. 1001 : e_diff = +2 e.1110: e_diff =-2 f.等等。 备选的有损压縮编码方法提供对采样值的尾数和指数的分别编码。对尾数和指数分开进行编码可以提供额外的压縮并减小有损压縮错误的影响。在该方法中，连续的采样的指数的差值被计算以确定指数差值。该指数缓慢变化，因此被零值字符串分隔开的非零值相对较少。指数差值可以通过仅仅表示非零差值和它们对应的位置来有效地编码。位置可以由对应的索引值来表示或者可以由相对于最后一个非零差差值的位置来表示。对指数差值进行编码是无损的，其防止了相对较大的错误。对尾数进行编码可以是有损的。为了对指数进行解码，指数值通过对指数差值进行积分并对对应的位置进行解码来重建得到。当对尾数进行解码时，每个已重建的尾数值被限制，从而不改变已解码的采样的对应指数的值。对于已解码的指数rue邓，重建的尾数可以具有最大值2"-，-l。这阻止了来自改变指数值的尾数中的有损压縮错误。 在进行块浮点或其他编码之前对已衰减的采样进行差分编码可以提供额外的压縮。对于差分编码，压縮处理器200包括差分运算器216，如图4中所示。该差分运算器216计算已衰减的采样的第一或更高阶差分。差分运算器216具有以下选项用于计算差分[0081] 1)计算相同行(排)的连续的已衰减的采样之间的差值，或者列与列的差值；[0082] 2)计算相同组的投射数据中的连续行(排)中的已衰减的采样之间的差值，或排与排的差值； 3)计算连续的投射数据组或视图中的对应位置的已衰减的采样之间的差值。[0084] 图5示出对应于不同组的投射数据的已衰减的采样的两个阵列A和B的例子。对于第一个可选选项，差分运算器计算相同行或排中连续采样之间的差值。例如，对于组160a的第一行，在已衰减的采样之间计算的差值包括[0085] Diff3 = a14_a13 (4)[0086] Diff2 = a13_a12 (5)[0087] Diffl = a12_au (6) 对于计算相同组的投射数据的不同行中的已衰减的采样之间的差值，针对阵列A的例子如下 Diffl = [a21 a22 a23 a24 ... ]-[a^ a12 a13 a14 . . . ] (7)[0090] Diff2 = [a3i a32 a33 a34 ]_[a21 a22 a23 a24 ] (8)[0091] 针对计算不同组的投射数据的对应的已衰减的采样之间的差值，例子如下 对于第三阶差值，针对各例子，差分运算器216计算如下[0097]Tdiffl = Sdiff2-Sdiffl (12) 压縮控制器220提供控制参数，其配置差分运算器216以执行期望的计算。压縮控制器220可以响应于用户输入201以设置控制参数的值。差值可以被量化到更少比特以实现额外的特别减少。如上所述，编码器212应用块浮点编码、霍夫曼编码或其他比特包装方法(无损或有损)到不同的采样。 图2和图4中的比特速率监视器222跟踪已压縮采样中的每个采样的输出比特，以对输出比特速率进行反馈控制。比特速率监视器222针对一组已压縮采样计算每个采样的平均比特。将每个已压縮采样的平均比特数与期望值或值的范围进行比较。如果每个已压縮采样的平均比特数在该范围之外，则压縮控制器220可以调节衰减分布214的参数以减少或增加每个采样的输出比特。例如，参考图3a，为了减少每个采样的输出比特，参数Ymax可以被增加，使分段的斜率更陡以提供对采样的增加的衰减。比特速率监视器222可以计算压縮性能的其他量度，诸如压縮比。 图6是示出用于将输出比特速率控制到目标值的各个元件之间的交互作用的框图。比特速率监视器222接收来自编码器212的已压縮的比特速率信息，诸如已压縮的比特计数和/或采样计数。每个采样的比特的计算器221计算针对一组已压縮采样的每个采样的平均比特数。优选地，该组已压縮采样对应于一组投射数据。减法器223从目标或期望的每个采样的比特数中减去每个采样的平均比特数以给出误差值。定标(scale)因子225和滤波器227被应用以平滑误差值。定标因子225的值和滤波器系数可以由用户来指定以确定反馈环的响应时间或时间常数。参数计算器229基于已平滑的误差值来修改衰减分布214的参数。在一个方法中，参数计算器229设置衰减分布214的参数从而每个采样的减少的平均比特值近似等于已平滑的误差值。例如，对于由等式(1)到(3)所表示的衰减分布214，参数计算器229调节函数y (j)的参数Ymax和Ymin的值。参考图3a，该平均值给出如下mean = (Ymax+Ymin)/2 (13) 为了让每个采样的比特减少数量r，参数Ymax和Ymin可以被调节从而新的均值mean (2)从老的均值mean(l)增加数量r。[0103] mean(2) = mean(l)+r (14)[0104] = [Ymax(l)+Ymin(l)+2r]/2 (15) 等式15示出用于调节Ymax和/或Ymin的三个可选选项以让均值增加数量r : 1)令Ymax(2) =Ymax(l)+2r and Ymin(2) =Ymin(l) ; (16a) 2)令Ymax (2) = Ymax(l)+rand Ymin (2) = Ymin(l)+r ; (16b) 3)令Ymax (2) = Ymax (1) and Ymin (2) = Ymin(l)+2r ; (16c)可选选项1和3改变指数函数y (j)的分段的斜率。可选选项2在正的方向上移 [0094][0095]
Diffl = B-A (9)
对于第二阶差值，针对各例子，差分运算器216计算如下
Sdiff1 = Diff2-Diff1 (10)Sdiff2 = Diff3-Diff2 (11)位指数函数y(j)。用户可以确定可选选项中的哪一个被用作改变指数函数的参数的规则。 衰减分布214和指数函数的其他参数可以被调节，诸如斜率、y截距值和分段长度。 在备选的实施例中，衰减分布214可以相关于图1中的被扫描对象110的边界 140a和140b而进行限定。边界检测器可以确定在投射数据的阵列160中的每行里的过渡 区150b和150d的边界采样。衰减分布214被应用到对应于在对应于过渡区150b和150d 的边界内的已衰减的x射线的采样。对应于空白区域150a和150e的采样没有被编码。作 为替代，边界的坐标被编码。图7是被应用到阵列160的一行采样160i的导数边缘检测器 的框图。在图7的边缘检测器框图应用到投射数据，其中对应于空白空间150a和150e的采 样值大于对应于对象150c的采样值，图lb中的信号150也是这样。假设，索引从左往右递 增，从而左边缘具有较低值的索引而右边缘具有较高值的索引。针对这种情况，为负数且足 够大的导数可以指示对应于过渡区150b的左边缘，而为正数且足够大的导数可以指示对 应于过渡区150d的右边缘。差分计算器310计算第i行中的采样dij的第一阶差分。比较 器320a将负差分与负阈值Tneg进行比较，而比较器320b将正差分与正阈值Tp。s进行比较。 小于负阈值的负差分形成针对组330a的候选采样NDiffiq。大于正阈值的正差分形成针对 组330b的候选采样PDiffiq。低索引选择器340a确定对应于组330a的候选采样NDiffiq 的最低索引qmin以指示左边缘。高索引选择器340b确定对应于组330b的候选采样PDiffiq 的最高索引Pmax以指示右边缘。对于衰减分布214，组下界框350a和组上界框350b分别确 定衰减分布214的下边界和上边界。衰减分布214的下边界和上边界可以包括附着到最低 索引q^和最高索引P^的空白。下边界和上边界被作为参数提供给衰减分布214。编码 器212还编码下边界和上边界以与已压縮采样一起被包括。 当对应于空白空间的采样值小于对应于被成像的对象的投射数据的采样值时，正 差值和负差值与右边缘和左边缘之间的关系是倒过来的。大于正阈值的正差分采样对应于 左边缘而小于负阈值的负差分采样对应于右边缘。对于图7中示出的操作，针对负差值的 比较器320a和组330a将提供到高索引选择器340b的输入，而比较器320b和组330b将提 供到低索引选择器340a的输入。同样，假设索引从左往右递增。 负阈值TMg和正阈值Tp。s可以像以下这样迭代地确定 1)将初始阈值T^和Tp。s设置成具有最大幅度； 2)应用比较器320a和320b以分别将负差值与Tneg进行比较以及将正差值与Tp。s 进行比较； 3)如果候选采样组330a或330b为空，则分别减小Tneg或Tp。s的幅度，并且重新应 用步骤2); 4)如果候选采样组330a或330b不为空，则分别用低索引选择器340a或高索引选 择器340b来继续。 图8是用于后续的图像重建的解压縮的框图。在经由通道240的传输和可选的存 储242之后，解压縮处理器400在进行图像重建处理之前对已压縮的采样进行解压縮。图 像重建处理器430通过使用公知的CT图像重建算法，用已解压縮的采样来计算图像。重建 的图像可以在显示器432上呈现。可选地，在被解压縮处理器400解压縮并由图像重建处 理器430进行图像形成之前，已压縮的采样可以被存储在存储设备或数据存储介质中。解 压縮控制器420提供压縮控制参数给解压縮处理器400。当压縮控制参数被包括在已压縮的数据中时，它们被解压縮控制器420恢复。解压縮控制器420可选地接收用户输入201。 图8中所描绘的解压縮处理器400对应于图4中的应用差分编码的压縮处理器 200。解码器410通过应用块浮点解码、霍夫曼解码或其他适合于编码器212所应用的编码 的解包(unpack)来对已压縮的采样进行解包。因为，如针对图4所描述的，压縮处理器200 包括差分运算器216，所以解包的采样对应于已解码的差分采样。解压縮处理器400应用积 分运算器416以形成重建的已衰减的采样。根据以下中的一个，积分运算器416应用第一 阶或高阶积分以反转差分运算器216的操作 1)对相同行或排里的已解码的差分采样进行积分以重建连续的已衰减的采样，或 者逐列地积分； 2)对多行中对应位置的已解码差分采样进行积分，或者逐行地积分，以重建对应 于相同组的投射数据的连续行的已衰减的采样； 3)对多个阵列的对应位置的已解码差分采样进行积分，或者逐阵列地积分，以重 建对应于连续的多组投射数据的已衰减的采样的阵列。 可选地，针对图2中的不包括差分编码的压縮处理器200，解压縮处理器400将旁 路或不包括积分运算器416。解码器410通过应用块浮点解码、霍夫曼解码或适合于编码 器212所应用的编码的其他解包来对已压縮的采样进行解包。在这种情况下，已解码的采 样对应于重建的已衰减的采样并被输入到放大器412。 放大器412将增益分布414应用到重建的已衰减的采样以形成解压縮的采样。针
对等式(1)中的衰减分布函数g(j)，对应的增益分布函数f(j)是 f(j) = 2y(j) y(j) >0 (17) 放大器412并不恢复阵列160中的原始采样值，因为产生自衰减的截取或四舍五 入是不可逆的。因为增益分布f(j)不提供衰减分布g(j)的精确的反转，所以结果得到的 压縮/解压縮是有损的。然而，已解压縮的采样具有与原始采样相同的每个采样的比特数 以及相同的动态范围。 放大器412通过将重建的已衰减的采样乘以对应的增益值f (j) > l，来应用诸如 等式(17)中那样的增益分布414。增益分布414的增益值可以被存储在存储器中的查找 表中，并被提供给放大器412。可选地，放大器412可以从表示增益分布414的参数中计算 增益值。放大器412的简单的实施例包括将采样向左移位对应于增益值的比特数，并将其 他的最小位比特设置成零或颤振值。向左移位一次对应于乘以2。当f(j)所表示的增益 分布414是底数为2的指数函数时，如等式(17)中那样，指数函数y(j)可以被截取或四舍 五入以确定向左移位的总数目。对应于增益分布414的向左移位值可以被存储在查找表中 或由放大器412根据增益分布414的参数计算。可选地，当等式(7)中的值y(j)不是整数 时，y(j)的分数部分可以通过使用乘法器来应用。图像重建处理器430从已解压縮的采样 来重建图像。 当压縮处理包括限定衰减分布214相对于投射数据的边缘采样的边界时，诸如关 于图7所描述的那样，解压縮处理器400也对与已压縮的采样一起被包括的边界信息进行 解码。放大器412在重建的已衰减的采样的合适边界内应用增益分布414。 压縮处理器200应用简单的操作，其可以对从DAS 130的ADC输出的采样进行实 时压縮。衰减器210可以包括乘法器、除法器和/或向右移位运算器。存储器中所存储的查找表可以提供衰减器210的衰减值。差分运算器216包括一个或多个减法器。并行操作的 多个减法器可以逐行地或逐阵列地计算差分。应用块浮点编码的编码器212使用比较器、 减法器和查找表。应用霍夫曼编码的编码器212使用查找表来向已衰减的采样值或差分值 分配码子。比特速率监视器222和压縮控制器220使用加法、减法和乘法运算。解压縮处 理器400应用简单操作以对已压縮的采样进行实时地解压縮。解码器410包括查找表和加 法器，用于块浮点解码。积分运算器416包括一个或多个加法器，用于对已解码的采样进行 积分。放大器412可以包括乘法器或向左移位运算器。增益分布414的值可以被存储在存 储器中的查找表里。 本实用新型可以被实现成DAS 130里的压縮子系统。在用于包括ADC的DAS 130 的专用集成电路(ASIC)中，该压縮子系统可被集成进ASIC中以对从ADC输出的采样进行 压縮。在备选的实现中，压縮子系统用分立设备来具体实现，其被耦合到DAS 130里的ADC 芯片的输出。该设备可以被实现成ASIC、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程处理器，诸如 数字信号处理器(DSP)、微处理器、微控制器、多内核CPU(诸如IBM Cell)或者图形处理单 元(GPU，诸如NvidiaGeforce)。取决于CT系统的架构，解压縮子系统可以被合并入图像重 建处理器的相同设备或不同于图像重建处理器的设备。解压縮子系统可以用ASIC、FPGA或 现场可编程处理器来实现。通过使用现有技术中所公知的编程技术，用户接口可以被集成 进CT系统的控制台。 尽管此处使用与计算X线断层摄影术的医学应用有关的例子来描述本实用新型 的各实施例，但是本实用新型不局限于医学应用。本实用新型的实施例还可以是合适在工 业计算X线断层摄影术中使用。在工业计算X线断层摄影系统中，移动目标、x射线源和检 测器阵列的装置是针对被测对象的类型来设计的。在对对象进行扫描的期间，对象、x射线 源和检测器阵列的相对运动导致若干幅视图，其生成本实用新型的实施例可以被应用到其 上的投射数据组。 尽管已经图示并描述了本实用新型的优选实施例，但是很清楚，本实用新型不是 仅局限于这里的实施例。对于本领域技术人员而言，在不偏离如在权利要求书中所描述的 本实用新型的精神和范围的情况下，许多修改、改变、变化、替代和等同是显然的。
1权利要求一种用于在计算X线断层照相系统里压缩投射数据的装置，其特征在于，所述计算X线断层照相系统包括多个传感器，所述多个传感器提供多个传感器量度以形成一组或多组投射数据，其中每组投射数据表示投射域的一部分并且包括投射数据采样的阵列，所述阵列具有至少一行采样，其中每个采样具有由采样坐标所指示的在所述阵列中的位置，所述装置包括压缩子系统，其被耦合以接收投射数据的采样，并提供已压缩采样给数据传送接口，所述压缩子系统还包括边缘检测器，其被应用到所述阵列的行中的采样，其中所述边缘检测器确定所述采样行中的第一边缘采样和第二边缘采样，并分别基于所述第一边缘采样和所述第二边缘采样来设置第一边界和第二边界；压缩器，其对与介于所述第一边界与所述第二边界之间的采样坐标相对应的采样进行压缩以形成已压缩采样；以及边界编码器，其对所述第一边界和第二边界进行编码以与所述已压缩采样一起被包括，其中所述边缘检测器还包括差值计算器，其计算所述阵列的行中的采样之间的多个差值以形成差分采样，每个差分采样具有正值或负值；以及阈值运算器，其被应用到所述正差分采样和所述负差分采样以产生所述第一边缘采样和所述第二边缘采样。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对应于空白空间的投射数据的值小于对 应于被扫描对象的投射数据的值，其中所述阈值运算器还包括第一比较器，用以将正差分采样与正阈值进行比较以形成具有大于正阈值的差值的第 一组候选边缘采样；以及第二比较器，用以将负差分采样与负阈值进行比较以形成具有小于负阈值的差值的第 二组候选边缘采样，所述边缘检测器还包括边缘选择器，其接收所述第一组和所述第二组，其中所述边缘选择器选择所述第一组 中的具有最低采样坐标的候选边缘采样作为所述第一边缘采样，并选择所述第二组中的具 有最高采样坐标的候选边缘采样作为所述第二边缘采样。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对应于空白空间的投射数据的值大于对 应于被扫描对象的投射数据的值，其中所述阈值运算器还包括第一比较器，用以将正差分采样与正阈值进行比较以形成具有大于正阈值的差值的第 一组候选边缘采样；以及第二比较器，用以将负差分采样与负阈值进行比较以形成具有小于负阈值的差值的第 二组候选边缘采样，所述边缘检测器还包括边缘选择器，其接收所述第一组和所述第二组，其中所述边缘选择器选择所述第一组 中的具有最高采样坐标的候选边缘采样作为所述第一边缘采样，以及选择所述第二组中的 具有最低采样坐标的候选边缘采样作为所述第二边缘采样。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压縮器还包括编码器，其被应用到对应于介于所述第一边界与所述第二边界之间的采样坐标的差分 采样以形成所述已压縮采样。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压縮器还包括衰减器，其根据衰减分布对与介于所述第一边界与所述第二边界之间的采样坐标相对 应的采样进行衰减以形成已衰减采样，其中所述衰减分布是采样坐标的函数；以及 编码器，其对所述已衰减采样进行编码以产生所述已压縮采样。
6. 根据权利要求1所述的装置，其特征是所述计算X线断层照相系统还包括解压縮 子系统，其被耦合以从数据传送接口接收所述已压縮采样并产生已解压縮的采样，所述解 压縮子系统还包括边界解码器，其从所述已压縮采样中解码所述第一边界和所述第二边界；以及 解码器，其对与介于所述第一边界与所述第二边界之间的采样坐标相对应的已压縮采 样进行解码以形成已解压縮的采样。
7. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述计算X线断层照相系统还包括解压縮 子系统，其被耦合以从所述数据传送接口接收所述已压縮采样并产生已解压縮的采样，所 述解压縮子系统还包括边界解码器，其从所述已压縮采样中解码所述第一边界和所述第二边界； 解码器，其解码与介于所述第一边界与所述第二边界之间的采样坐标相对应的已压縮采样以产生已解码的差分采样；以及积分运算器，其被应用到所述已解码的差分采样以形成与介于所述第一边界与所述第二边界之间的采样坐标相对应的已解压縮的采样。
8. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述计算X线断层照相系统还包括解压縮 子系统，其被耦合以从所述数据传送接口接收已压縮采样并产生已解压縮的采样，所述解 压縮子系统还包括边界解码器，其从所述已压縮采样中解码所述第一边界和所述第二边界； 解码器，其解码与介于所述第一边界与所述第二边界之间的采样坐标相对应的已压縮采样以产生重建的已衰减采样；以及放大器，其根据增益分布增大所述重建的已衰减采样的幅度以形成所述已解压縮的采样，其中所述增益分布对应于所述衰减分布。
9. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述解压縮子系统提供所述第一边界、所 述第二边界以及所述已解压縮的采样给图像重建处理器。
10. 根据权利要求1所述的装置，其特征是所述压縮子系统是用现场可编程门阵列、 专用集成电路或可编程处理器来实现的。
11. 根据权利要求i所述的装置，其特征在于，所述压縮子系统位于所述计算x线断层照相系统的托台的旋转单元中。
12. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述解压縮子系统是用现场可编程门阵 列、专用集成电路或可编程处理器来实现的。
13. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述解压縮子系统位于以下之一中所述计算X线断层照相系统的托台的静止单元；以及所述计算X线断层照相系统的图像重建处理器。
专利摘要本实用新型提供了一种用于在计算X线断层照相系统里压缩投射数据的装置。具体地，一种用于计算X线断层照相系统的压缩子系统压缩投射数据以用于高效的数据传输和存储。这种压缩包括检测对应于被成像的对象的透射数据的边缘以设置压缩操作的边界。该边缘检测将差分采样与正的和负的阈值作比较以确定边界。在边界之间的投射采样或差分采样被压缩。边界被编码并被包括在已压缩数据中。已压缩采样在图像重建处理之前被解压缩。解压缩包括对已压缩采样以及边界值进行解码。
文档编号A61B6/03GK201510294SQ20092017389
公开日2010年6月23日 申请日期2009年9月10日 优先权日2008年9月11日
发明者凌一, 阿尔伯特·W·魏格纳 申请人:信飞系统公司