专利名称：计算机断层造影灌注测量的射线硬化校正的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于从测量数据中重建检查对象的图像数据的方法，其中，在计 算机断层扫描系统的辐射源与检查对象之间相对旋转运动时，事先采集一系列测量数据 组，并且这些测量数据组涉及在连续时间点上检查对象的相同片段。
背景技术：
利用CT系统扫描检查对象的方法众所周知。在此，例如使用圆扫描，具有进给的 顺序圆扫描或者螺旋扫描。也可以是不以圆周运动为基础的其它类型的扫描，例如具有线 性片段的扫描。利用至少一个X射线源和至少一个相对的采集器从不同的拍摄角度拍摄检 查对象的吸收数据并将这样收集的吸收数据或投影借助相应的重建方法计算出检查对象 的剖面图像。为从计算机断层扫描仪(CT机)的X射线-CT-数据组中，也就是从所采集的投影 中重建计算机断层扫描的图像，目前作为标准方法使用所谓的滤波反投影方法(Filtered Back Projection ;FBP)。在数据采集之后进行所谓的“重排(Rebirming) ”步骤，其中这样 重排利用扇形地从源传播的射线所产生的数据，使得其以一种如在探测器由平行地朝向探 测器的X射线所射中时那样的形式出现。然后将该数据变换到频域。在频域中进行滤波， 然后将经滤波的数据进行反变换。利用这样经整理(umsortierten)和滤波的数据，然后在 关注体积内进行到各体素的反投影。近年来开发出迭代的重建法。在此方面，首先从投影测量数据中重建初始的图像 数据。为此例如可以使用卷积反投影方法(Faltungsrilckprojektionsverfahren)。然后利 用“投影器”、数学上应尽可能良好反映测量系统的投影算子，从这些初始图像数据中产生 合成的投影数据。然后利用附属于投影器的算子将与测量信号的差进行反投影并且因此重 建残留图像(Residuum-Bild)，利用该残留图像更新初始图像。又可以使用更新的图像数 据，以便在下一个迭代步骤中借助投影算子产生新的合成投影数据，从中又形成与测量信 号的差并且计算新的残留图像，利用该残留图像又可以改善当前的迭代级的图像数据，等 等。利用这种方法可以重建图像清晰度相当好，但图像噪声小的图像数据。根据测量数据采集时的情况并取决于各自所观察的检查对象，CT图像中会出现不 同类型的伪影。此方面的例子是射线硬化伪影。这种伪影通过如下产生，即由CT-X射线源 发射的辐射不是单色，而是多色的，而且X射线辐射的衰减取决于其各自的能量。此外，不 同的物质具有取决于能量的不同衰减分布。如果在图像重建时不考虑这一点，就会出现伪 影。如果存在检查对象的具有高衰减值的成分的话，这一点特别严重。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于重建CT图像的方法，其中，争取避 免射线硬化伪影。此外提供一种相应的控制和计算单元、CT系统、计算机程序和计算机程 序制品。
在用于从测量数据中重建检查对象的图像数据的本发明方法中，在计算机断层扫 描系统的辐射源与检查对象之间相对旋转运动时，首先采集一系列测量数据组；在此方面， 这些测量数据组涉及在连续时间点上检查对象的相同片段。从这些测量数据组中分别重建 第一图像数据，从而存在一系列第一图像数据。确定显示该系列第一图像数据内的在时间 上的变化的改变量。借助该改变量在第一图像数据内进行检查对象不同成分之间的区分。 这种区分在用于计算改善的图像数据的迭代算法中被用于射线硬化校正。因此不仅存在所要重建的单个图像的测量数据，而且也存在系列图像的测量数 据。这些测量数据表示图像的时间顺序。因为测量数据包含检查对象的相同片段，所以可 以从该图像系列中获悉，该片段在测量的过程中在时间上如何变化。这种方法特别适用于 灌注测量。在第一图像重建之后，对于每个测量数据组存在一个第一图像。但这些第一图像 由于射线硬化而含有伪影。这种不希望的效应利用进一步的方法得到减少。为此首先确定 改变量。从这些量中提取在不同的第一图像之间是否存在和/或者存在多大变化的信息。 因为第一图像的系列表示时间上的顺序，所以改变量因此表明在检查对象的所观察的片段 内部的在时间上的变化。改变量被用于区分检查对象的不同成分。这种区分之所以可能，是因为存在时间 上不变的成分和随着时间改变的其它成分。使用迭代算法，以便通过减少由射线硬化引起的伪影来改善图像数据。这种迭代 算法最好以第一图像数据开始。迭代算法在此方面这样设计，使其执行射线硬化校正。在 这种校正中，包括不同成分之间所确定的区分。在本发明的进一步构成中，用于该系列第一图像数据的改变量逐个图像点地提供 变化值。即每个图像点存在一个或者多个数值，从中提取关于时间上变化的信息。特别具有优点的是，为区分不同的成分，使用改变量区分静态与动态的成分。这一 点由于提供改变量的时间信息而可能。静态成分是经过第一图像系列在图像内其布置方面 没有或者很少变化的那些成分。相反，动态成分在该系列图像的过程中例如通过出现、消 失、量变或者形变等运动。此外特别具有优点的是，为区分静态成分内部的不同成分，使用第一图像数据区 分衰减不同强度的X射线的成分。即，按照这种方式可以给出具有静态和强衰减物质的图 像区以及具有静态和仅少量衰减物质的图像区并将其彼此分离。这种区分通过观察第一图 像数据的数值进行。同样具有优点的是，为区分动态成分内部的不同成分，使用第一图像数 据区分衰减不同强度的X射线的成分。即，按照这种方式可以给出具有动态和强衰减物质 的图像区以及具有动态和仅少量衰减物质的图像区并将其彼此分离。这种区分也通过观察 第一图像数据的数值进行。在本发明的构成中，进行成分水，骨和造影剂之间的区分。造影剂特别可以是通常 在灌注测量时使用的碘。这三种成分在其X射线辐射的衰减的能量依赖性方面明显不同， 从而在射线硬化校正时分离具有特别重要的意义。依据本发明的进一步构成，从第一图像数据中确定与不同成分相应的多个分图像 数据。这意味着，每种成分各自存在分图像，从其获悉，各个成分在哪些图像点上存在。此外，在与分图像数据的结合下具有优点的是，在迭代算法中对第一图像数据进行正向投影，其中，分图像数据与取决于X射线能量的和对各个成分来说是特定的衰减值 相关联。这样可以进行非常精确的射线硬化校正。依据本发明的进一步构成，通过从变化值中至少部分去除检查对象的运动，在区 分不同成分之前，对变化值进行校正。为此最好在单个第一图像的内部采用梯度形成。如 果从改变量中计算出检查对象的运动，例如心脏运动，呼吸运动，位置变化，在使用这些这 样校正的改变量情况下可以更好地彼此区分这些成分。依据本发明的控制和计算单元用于从CT系统的测量数据中重建检查对象的图像 数据。该单元包括用于储存程序代码的程序存储器，其中，里面-此外需要时-存在适用于 实施上述方法的程序代码。依据本发明的CT系统包括这种控制和计算单元。此外该系统 可以包括采集测量数据所需的其它组成部分。依据本发明的计算机程序具有程序代码资源，其适用于在计算机上执行计算机程 序的情况下实施上述的方法。依据本发明的计算机程序制品包括储存在计算机可读数据载体上的程序代码资 源，其适用于在计算机上执行计算机程序的情况下实施上述的方法。
下面借助实施例对本发明进行详细说明。其中图1示出具有图像重建组成部分的计算机断层扫描系统的第一示意图；图2示出具有图像重建组成部分的计算机断层扫描系统的第二示意图；图3示出用于三种不同物质的、取决于能量的衰减分布；图4示出用于在检查对象的不同成分之间进行区分的计算过程；图5示出CT图像、从中计算的标准偏差图像和修改的标准偏差图像。
具体实施例方式图1首先示意示出具有图像重建装置C21的第一计算机断层扫描系统Cl。处于门 架外壳C6内的是这里未示出的封闭门架，上面设置第一 X射线管C2及相对的采集器C3。 在这里所示的CT系统中，可选地设置第二 X射线管C4及相对的采集器C5，从而通过附加可 供使用的放射器/采集器组合可以达到更高的时间分辨率，或者在使用不同的X光能量谱 时，在放射器/采集器系统内也可以进行“双能量(Dual-Energy)”检查。CT系统Cl此外具有病床C8，检查时患者可以在病床上沿也称为ζ轴的系统轴线 C9移动到测量场内，其中，扫描本身可以作为纯圆形扫描在无患者进给的情况下，仅在所关 心的检查范围内进行。在这种情况下，X射线源C2或C4各自环绕患者旋转。在此方面，采 集器C3或C5与X射线源C2或C4相对地平行运转，以采集然后用于重建剖面图像的投影测 量数据。作为逐步地在单个扫描之间将患者移动通过检查区的顺序扫描的替换，不言而喻， 也存在螺旋扫描的可能性，其中在采用X射线的循环扫描期间将患者连续沿系统轴线C9移 动通过在X射线管C2或C4与采集器C3或C5之间的检查区。通过患者沿轴线C9的运动 和X射线源C2或C4的同时循环，在测量期间X射线源C2或C4相对于患者的螺旋扫描时 形成螺旋轨迹。这种轨迹也可以通过如下得到，即在患者不运动的情况下门架沿轴线C9移 动。
通过具有存在于存储器内的计算机程序代码I^rg1-Pan的控制和计算单元ClO控 制CT系统10。需要指出的是，不言而喻，这种计算机程序代码I^rg1-Pan也可以包含在外 部的存储媒体上并且在需要时可以载入控制和计算单元ClO内。从控制和计算单元ClO可 以通过控制接口 M传递采集控制信号AS，以便依据确定的测量协议控制CT系统Cl。
由采集器C3或C5获得的投影测量数据ρ (下面也称为原始数据)通过原始数据接 口 C23传送到控制和计算单元ClO。然后这些原始数据ρ在可能的适当预处理后在图像重建 组成部分C21内被进一步处理。图像重建组成部分C21在该实施例中在控制和计算单元ClO 内以处理器上的软件方式，例如以一个或者多个计算机程序代码I3rgl-Pi^n的方式实现。关 于图像重建，正如关于测量过程的控制已经介绍的那样，这些计算机程序代码I3rgl-Pi^n也 可以包含在外部的存储媒体上，并在需要时可以被载入控制和计算单元ClO内。由图像重建组成部分C21重建的图像数据f然后寄存在控制和计算单元ClO的存 储器C22内和/或者以常见的方式在控制和计算单元ClO的屏幕上输出。它们也可以通过 图1中未示出的接口输入到与计算机断层扫描系统Cl连接的网络内，例如放射信息系统 (RIS)并寄存在那里接入的大容量存储器内或者作为图像输出。控制和计算单元ClO附加地还可以执行EKG函数，其中，导线C12用于在患者与控 制和计算单元Cio之间传到(Ableitung)EKG势能。图1中所示的CT系统Cl附加地还具 有造影剂注射器Cl 1，通过其可以附加地将造影剂注入患者的血液循环内，从而可以更好显 示患者的血管，特别是跳动的心脏的心室。此外因此还存在实施灌注测量的可能性，对于灌 注测量，所提出方法同样适用。图2示出一个C形架系统，其中与图1的CT系统相反，外壳C6携带C形架C7，在 上面一方面固定X射线管C2、另一方面固定相对的采集器C3。C形架C7为扫描同样环绕系 统轴线C9回转，从而可以从大量的扫描角度进行扫描并可以从大量的投影角度中确定相 应的投影数据P。图2的C形架系统Cl与图1中的CT系统一样具有图1所述类型的控制 和计算单元C10。在图1和2所示的两个系统中都可以应用本发明。此外，原则上其也可以用于其 它CT系统，例如具有形成完整一圈采集器的CT系统。灌注测量时，将造影剂注入检查对象的血管内，并随后进行多次在时间上连续的 CT拍摄。因此存在一系列CT图像，从而可以看到检查对象体内处于血液内并与血液同时输 送的造影剂的在时间上的分布。从血流量的这种时间上的信息中，例如通过造影剂延迟到 达确定部位上可以识别缺损。特别重要的是心脏的局部缺血区，也就是心肌血流不畅的部 位。这些部位可以提醒面临心梗的危险。这种涉及心肌的CT技术称为心肌CT灌注检查。通常使用碘作为造影剂。这种造影剂对X射线辐射强吸收，从而其在CT图像中是 可以清晰可见的。碘的CT值处于300到500HU(HOunsfield Units)之间。这种高值典型地 达到血管或者其中碘还具有高反差的心室内，在肌肉内该值变小，一般情况下处于约100HU 的数量级。与此相应，肌肉内碘的浓度也可以容易地以稀释的方式借助CT图像确定。拍CT时使用多色的X射线辐射。X射线辐射穿过物质时，X射线的低能量部分比 高能量部分更强地衰减，也就是被吸收和散射。多能量的辐射在穿过物质时因此硬化。这 种效应在强吸收的物质例如像骨或者碘相互靠近时特别明显。处于其间的软组织的CT值 在这种情况下被明显低估。这些伪影相当于所谓的杯状凹陷(Cupping)效应。人们称之为6射线硬化伪影。在例如心CT的灌注测量的分析时，通过典型的30秒的时间重复拍摄恒定的层 位置。事先给予的造影剂灌注心肌并获得可以对所拍摄的组织进行灌注分析的时间-密 度曲线。在这种情况下，CT值的高精确度是重要的，因为否则关于血流方面的结果断 言是不可靠的。因此射线硬化伪影在灌注测量时是一个特殊问题。特别是在造影剂团 (Kontrastmittelbolus)流过心室和/或主动脉的时刻，出现使得不可能准确确定灌注的 干扰射线硬化伪影。这种情况出现于造影剂的高衰减值时。因此尝试通过适当的措施尽可 能降低射线硬化伪影。存在大量用于射线硬化校正的简单方法。这些方法的内容通常包括水的预校正。 在此假定，所检查的组织具有与水的衰减相应的取决于能量的衰减。所有CT值在这种情况 下均以水的CT值为标准。这种类型方法的例子在下列文献中有所介绍P.Kijewski. B. Bjarngard :Correction for beam hardening in CT, Med. Phys. Vol. 5，no. 3，S. 209-214，Mai/Juni 1978G. Hermann Correction for beam hardening in CT. Phys. Med. Biol.，vol. 24, no. 1，S. 81-106，1979M. Kachelrie β , K. Sourbelie, E. Kalender :Empirical Cupping Correction :a first order rawdata precorrection for cone beam computed tomography,Med. Phys.， vol. 33，no. 5，S.1269-1274，Mai 2006。因为根据水的能量依赖性标准化，所以对所有的其它物质存在误差。相应地，这些 标准预校正特别是在图像内存在更高序数的物质例如像骨或者碘的情况下不起作用。在这 种情况下，尽管进行预校正，仍导致上述的射线硬化伪影。因此具有优点的是进行迭代的图 像重建，其中射线硬化伪影从迭代到迭代逐步下降。迭代法的基础在于，在正向投影时考虑 检查对象不同成分的准确的能量依赖性。即，能量依赖性虽然已知，但图像内各个物质的空 间分布并不已知。图3示出对于三种不同物质，物质的单位密度的取决于X射线的能量E(单位为keV)的X射线辐射衰减# (单位为1()3^^)。绘出水Wa的曲线，骨Bo的曲线和碘Jo的Pιυ g曲线。可以清楚看出，骨和碘虽然具有两个高CT衰减值，但衰减的能量依赖关系彼此不同。 在骨衰减非常小的35keV时对于碘的K边特别出现这一点。因此缺点是，在射线硬化校正 时仅关注骨，而不区分碘这种成分。因为由此没有排除通过碘的存在而产生的射线硬化伪影。下面首先介绍如何获得用于迭代算法的更新方程式或迭代方程式。首先采集测量 数据。采集如在灌注测量时那样通常在多个时间点上进行，从而存在系列测量数据。从这 些测量数据中分别通过重建算法Rf-1计算出第一图像f。重建算法Rf-1的下标f在此方面 表示，应用导致对于所有物质的射线硬化伪影的水预校正，这些物质的取决于能量的衰减 与水的明显不同。现在存在一系列的第一图像f。这些图像由于射线硬化而包含伪影。所寻找的无 射线硬化伪影的结果图像采用g标注。寻找多色氡变换算子艮，从而适用Rff = Rgg公式(1)
方程式左侧的表达式是测量数据；通过在第一图像f上使用正向投影&获得 这些测量数据。氡变换算子&就此而言是多色的，因为它不仅考虑水的、而且也考虑了不同物质 的衰减的能量依赖性。为获得迭代方程式，在使用艮=Rg+R-R的情况下改写公式(1)。在这种情况下，R 是单色的氡变换，也就是说，沿射线L的简单线积分Rf = / dLf。R可逆。通过代入公式(1)得出Rff = (Rg+R-R) g公式在两侧上使用IT1后这得出g = g+R—1 (Rff-Rgg)公式(3)从中直接导出更新或迭代方程式g(n+1) = Sw+^1 (Rff-Tgg(n))公式 G)在这种情况下，g(n)是第η次迭代的图像，从中借助公式(4)计算出第η+1次迭代 的图像g(n+1)。迭代过程以g(°) = f开始。可以看到，每次迭代时在测量数据与借助正向 投影利用艮从当前图像g(n)中获得的投影之间进行平衡。这种偏差越大，则下个图像g(n+1) 与当前图像g(n)的差别越多。依据公式(4)的迭代方程式用于时间系列的所有图像。多色正向投影算子&越好，迭代的结果就越好。下面介绍如何建立特别适用的算 子Rg°为射线L测量投影值q (L)q(L) = -In f dEe—J dLlJ (Ε, 公式(5)在这种情况下，μ (Ε, r)是所寻找的衰减值。该衰减值取决于X射线辐射的能量 E和图像内部的位置r。衰减值μ (Ε, r)可以划分成其取决于能量的部分Ψ (E)和其空间 上的分布g(r)。下面将对象分成三种物质μ U’r) = ig々k^) = gWf (五)公式(6)i = li在这种情况下表示三种物质水、骨和碘。因此是与确定的物质相应的分图 像。如果将公式(6)代入公式(5)，那么得到q = Rgg = -In f dEe—f dLg(r). ψ (E)公式(7)已知能量依赖性Vi(E),参见图3。因此为了能够确定须已知空间的物质分 布。这意味着，必须确定，三种成分中的哪一种处于哪个图像点上。通过确定图像点值在时间上的变化，进行不同成分之间的区分。正如已经提到的， 在灌注测量中常见的那样，拍摄通过检查对象的相同片段的一系列时间上连续的数据组， 其中，从每个测量数据组中计算第一图像f。如果拍摄心脏，那么这样采集数据或这样重建 图像，使所有图像对应于相同的心相，例如心舒张期。在注入造影剂或者造影剂到达所观察 的区域之前，第一图像属于时间点tQ。因此存在大量的图像f(r，t)，其中，每个图像属于测量时间点t。从中计算时间上 取平均值的图像
权利要求
1.一种用于从测量数据(P)中重建检查对象的图像数据(f)的方法，其中，在计算机断层扫描系统(Cl)的辐射源(C2，C4)与检查对象之间相对旋转运动时，事先 采集一系列测量数据组(P)，并且这些测量数据组(P)涉及在连续时间点上检查对象的相 同片段，从这些测量数据组(P)中分别重建第一图像数据(f，g(r，t))，从而存在一系列第一图 像数据(f，g(r，t))，确定显示该系列第一图像数据(f，g(r，t))内部的在时间上的变化的改变量(ο (r))，借助在第一图像数据(f，g(r，t))内的该改变量(ο (r))对检查对象的不同成分进行 区分，在用于计算改善的图像数据(f)的迭代算法中使用该区分，用于射线硬化校正。
2.按权利要求1所述的方法，其中，用于该系列第一图像数据(f，g(r,t))的改变量 (σ (r))逐个图像点地给出改变值。
3.按前述权利要求之一所述的方法，其中，使用所述改变量(σ(r))对静态与动态的 成分进行区分，以区分不同的成分。
4.按权利要求3所述的方法，其中，使用所述第一图像数据(f，g(r，t))区分衰减不同 强度的X射线的成分，以区分静态成分内部的不同成分。
5.按权利要求3或4所述的方法，其中，使用所述第一图像数据(f，g(r，t))区分衰减 不同强度的X射线的成分，以区分动态成分内部的不同成分。
6.按前述权利要求之一所述的方法，其中，进行成分水、骨和造影剂之间的区分。
7.按前述权利要求之一所述的方法，其中，从所述第一图像数据(f，g(r，t))中确定与 不同成分相应的多个分图像数据feB。(r，t)，gffa(r, t)，gJO(r, t))。
8.按权利要求7所述的方法，其中，在迭代算法中对所述第一图像数据(f，g(r，t))进 行正向投影，其中，所述分图像数据feB。(r，t)，gWa(r，t)，gj。(r，t))与取决于X射线能量的 并对各个成分来说是特定的衰减值相关联。
9.按前述权利要求之一所述的方法，其中，通过从所述改变量(σ(r))中至少部分去 除检查对象的运动，在区分不同成分之前对所述改变量(σ (r))进行校正。
10.按前述权利要求之一所述的方法，其中，所述系列测量数据组是在灌注测量的情况 下被采集的。
11.一种控制和计算单元(C10)，用于从CT系统(Cl)的测量数据(P)中重建检查对象 的图像数据(f)，包括用于储存程序代码(Prg1-Prgn)的程序存储器，其中，在所述程序存储 器中存在实施按权利要求1-10之一所述方法的程序代码(Prg1-Prgn)。
12.—种CT系统(Cl)，具有按权利要求11所述的控制和计算单元(ClO)。
13.一种具有程序代码资源(Prg1-Prgn)的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上 被执行时，其执行按照权利要求1至10中任一项所述的方法。
14.一种计算机程序产品，包括在计算机可读的数据载体上存储的计算机程序的程序 代码资源(Prg1-Prgn)，当所述计算机程序在计算机上被执行时，其执行按照权利要求1至 10中任一项所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于从测量数据(p)中重建检查对象图像数据(f)的方法，其中，在计算机断层扫描系统(C1)的辐射源(C2，C4)与检查对象之间相对旋转运动时，首先采集一系列测量数据组(p)，并且这些测量数据组(p)涉及在连续时间点上检查对象的相同片段。从这些测量数据组(p)中分别重建第一图像数据(f)，从而存在一系列第一图像数据(f)。确定显示该系列第一图像数据内部时间上变化的改变量，并借助该改变量在第一图像数据(f)内进行检查对象不同成分之间的区分。这种区分在计算改善的图像数据(f)的迭代算法中用于射线硬化校正。
文档编号A61B6/03GK102048552SQ20101062166
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月1日 优先权日2009年10月30日
发明者伯恩哈德·施密特, 托马斯·奥尔门丁格, 菲利普·斯滕纳, 马克·卡切尔里斯 申请人:西门子公司