专利名称：提供受抑制的超出测量场伪影的图像数据组的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于提供针对生物对象的、具有受到抑制的超出測量场伪影的图像数据组的方法，所述超出測量场伪影是由于借助X射线图像拍摄设备对所述生物对象的不完整几何采集而引起的。本发明还涉及ー种X射线图像拍摄设备，具有被构成为执行这样的方法的图像分析设备。
背景技术：
由X射线图像拍摄设备、尤其是计算机断层造影设备获得的X射线图像或断层造影图像可能具有极为不同的图像伪影。图像伪影的一种类型是由于以下原因引起所測量的对象在测量过程期间在其几何伸展上未被完全采集。所述测量对象的一部分位于测量场之外并且通过这种方式在对该部分获得的图像方面可以说被切割出去。由此产生的图像伪影在下面被称为超出測量场伪影。超出測量场伪影尤其是在计算机断层造影的情况下起着 重要的作用，因为通过反投影获得的三维图像通常基于多个投影图像，所述多个投影图像不是全部一直完全和完整地采集待测量的对象，因为所述对象在測量期间不是持续地完全位于测量场内。不期望的数据缩小在所有计算机断层造影的扫描设备中可能是重要的，但是尤其是在平面检测器计算机断层造影设备中起着显著的作用(參见“W. A. Kalender和Y. Kyriaku. Flat-detector CT. Eur Radiol. (11) : 2767-79，2007”)。在平面检测器计算机断层造影设备的情况下，可在測量中采集的检测器视场或测量场的直径仅大约20-25cm。该限制使得避免超出測量场伪影几乎是不可能的。超出测量场伪影显著干扰了所产生的X射线图像或断层造影图像的质量。在此，伪影不仅出现在图像边缘的附近，而且还影响所拍摄的图像的中心区域。当X射线在测量场的所有边缘区域上都未被衰减的情况下，超出測量场伪影例如不会出现。于是产生所定义的在吸收值方面趋向于零的过渡。但是如果该过渡未被正确给出，则在计算机断层造影拍摄情况下尤其是在经过滤波的反投影(例如參见“A. C. Kak和 M. Slaney. Principles ofComputerized Tomograpnic Imaging. IEEE Press, 1988，，，uL. A. Feldkamp, L. C. Davis,矛ロ J. W. Kress, Practical cone—beam algorithm. J. Opt. Soc.Am. A，1(6) :612-619, 1984”)之后产生如下效果超出測量场伪影出现并且观察到X射线衰减值的趋向于图像边缘的可见增加。如果超出测量场的边缘，则在计算机断层造影图像中产生亮的白环。而且位于实际的测量场区域之外的类似条纹的伪影也是結果。超出測量场伪影一般通过以下方式得到抑制，即在测量场边缘旁的图像区域一向这些图像区域分配大于零的衰减值一被这样外推出来，即产生对为零的X射线吸收值的经过平滑的值分布。根据ー种已知的方法，将在用于反投影的计算机断层造影投影图像中的被切割出去的区域外推到是零的衰减值并且接着执行经过滤波的反投影。在外推方法的范围中，例如借助水圆柱体来近似对象(參见“Hsieh J, Chao E, ThibaultJ, GrekowiczB，Horst A, McOlash S 和 Myers T J, 2004, A novel reconstruction algorithm toextendthe CT scan field-of-view Med. Phys. 31，2385-91 ”)。患者整体也可以被近似为水椭圆，从而通过这种方式为外推提供数据(参见“Maltz J S, Bose S，ShuklaH P和Bani-Hashemi A R，2007，CT truncation artifact removal usingwater-equivalenttnicknesses derived irom truncated projection data Proc. IEEEEng.Mea.Biol.，Soc. 2007. 2907-11”)。ー种二次外推例如由 uSourbelle K，Kachelrie 3 M 和Kalender W A，2005，Reconstruction from truncated projectionsin CT using adaptivedetruncation Eur. Radiol. 15，1008-14” 已知，而所谓的正弦图内插在“Zamyatin AA 和Nakanishi S，2007，Extension of the reconstructionfield of view and truncationcorrection using sinogram decomposition Med. Phys. 34，1593-604” 中描述。其它外推方法由以下出版物已知“ Janoop K P 和 Rajgopal K，2007，Estimation of missing datausing windowed linear prediction inlaterally truncated projections in cone-beamCT Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. 2007，2903-6”，“Starman J, Pelc N, Strobe N和FahrigR，2005，Estimating 0 and I' moments in C-arm CT data for extrapolating truncatedprojections Proc. SPIE 5747，378-87” 以及 “Sourbelle K，Kachelrie 0 M 和 KalenderW A，2005，Reconstruction from truncated projections in CT using adaptivedetruncation Eur. Radiol. 15，1008-14，，。·这些由现有技术已知的方法的目的是，改善测量场区域内的图像质量，但是忽略了测量场区域之外的图像修改或质量改善。对于在计算机断层造影投影图像中分割出多个边缘区域的情况，产生附加的严重的缺陷。在大多数方法中，需要至少ー个未被分割的投影图像，以保证一致性准则得到满足。三维数据向ニ维数据的转换通常是格外耗费时间的。如在平面检测器计算机断层造影设备情况下已成惯例的剧烈缩小的数据组，在超出測量场伪影方面无法通过常用的方法来克服。此外，解剖信息经常丢失。患者的轮廓大多数并未正确再现，这使得治疗医生例如在手术期间难以借助计算机断层造影图像来用仪器在患者身体内行进。
发明内容
本发明的任务是提供ー种方法以及ー种X射线图像拍摄设备，利用它们可以更好地抑制超出測量场伪影。本发明的方法用于提供针对生物对象的、具有受到抑制的超出測量场伪影的图像数据组，所述超出測量场伪影是由于借助X射线图像拍摄设备对该生物对象进行不完整的几何采集而引起的。所述方法包括以下步骤a)借助X射线图像拍摄设备获得关于所述生物对象的X射线图像数据组；b)获得关于所述生物对象的比较图像数据组，其涉及该生物对象的三维表面结构；c)通过确定可预定的几何对应规则将比较图像数据组的数据与X射线图像数据组的数据对应；d)依据对于X射线图像数据组的可以与超出測量场伪影的数据的至少一部分对应的比较图像数据组的数据，对X射线图像数据组的数据进行补充和/或改变。借助比较图像数据组，可以这样来补充或改变X射线图像数据组，即在此直接考虑生物对象的形状和形态(例如人的解剖情况)。在否则在图像中被切割出去的区域中的过渡可以通过这种方式非常精确地再现出来。由此可以特别好地减小超出測量场伪影。即使在X射线图像数据组中仅采集到对象的小的子区域，也能借助比较图像数据组非常好地重建未被采集的区域。由此该方法也适用于超出測量场伪影很明显的情況。在本方法的范围中，对象的形状和大小不仅被近似地考虑，而且基于比较图像数据组还特别精确地和接近真实地被重现。通过这种方式可以对X射线图像数据组的数据进行特别精确的补充和/或改变。可能的是，在将比较图像数据组的数据与X射线图像数据组的数据对应的步骤中通过匹配分配给图像数据组的坐标系来给出几何对应规则。但是优选的，在步骤c)中对对应规则的确定借助X射线图像数据组与比较图像数据组的配准来进行。配准尤其是应当理解为借助各自的图像数据组的位置和维度正确的对应所进行的图像配准。尤其是可以预先给定成像规则，通过所述成像规则将X射线图像数据组和比较图像数据组在它们的图像或数据相似性方面相互关联。该实施方式允许在步骤c)中的对应即使事先不知道X射线图像数据组和比较图像数据组的绝对坐标的关系也可以完全自动和不复杂地实现。
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优选的，在步骤a)中获得三维X射线图像数据组以及在步骤b)中获得三维比较图像数据组。三维X射线图像数据组尤其是可以通过以下方式来获得，即首先拍摄多个ニ维投影X射线图像，然后通过反投影从这些ニ维X射线图像数据组中产生三维X射线图像数据组。三维比较图像数据组尤其是可以通过以下方式来获得，即在不同的角度下以测量技术采集所述对象并且由此产生与三维比较图像数据组对应的三维表面图像。通过这种方式，既可以在X射线图像数据组中又可以在比较图像数据组中特别精确地采集到所述生物对象的实际形态或形状，这使得步骤C)中的数据对应变得容易。提供了精确描述所述生物对象的形状的比较图像数据，通过所述比较图像数据可以这样来补充或更改X射线图像数据，使得实际存在的情况被特别好地复制。替换的，在步骤a)中获得ニ维X射线图像数据组以及在步骤b)中获得ニ维比较图像数据组。ニ维X射线图像数据组尤其可以是涉及X射线投影图像的数据组，而ニ维比较图像数据组尤其是可以借助确定可从生物对象的三维表面结构推导的生物对象密度分布来获得。然后通过ニ维比较图像数据组尤其是提供深度信息。然后尤其是可以规定，借助X射线投影图像中的X射线衰减(灰度值)以及ニ维比较图像中的深度信息进行图像配准。于是比较图像数据组的数据与X射线图像数据组的数据的对应通过强度值的比较来特别简单地构成。优选的，在步骤d)中对X射线图像数据组的数据进行补充和/或改变借助对X射线图像数据组的以下数据进行经过平滑的外推方法、尤其是二次外推来进行所述数据由于X射线图像拍摄设备的有限的测量场而可以与生物对象的几何采集的边缘区域对应。尤其是可以规定，基于比较图像数据外推出X射线图像中分割出的边缘区域。为了进行外推，不需要假定简化的模型。而是可以在外推的范围内通过比较图像数据组直接考虑生物对象的形状、形态和几何特征。从而在外推时可以考虑生物对象的精确轮廓。所产生的X射线图像是尤其有说服カ的，因为它们非常好地再现了真实性。优选的，在步骤b中借助传播时间方法获得比较图像数据组或者从中推导出所述比较图像数据组的数据组。在传播时间方法的范围内尤其是可以规定，通过电磁波或声波的传播时间测量来进行距离测量并由此可以从距离中重建生物对象的表面结构。于是特别简单地构成生物对象的三维表面结构的測量。在对象本身上的附加标记元件或測量元件是不需要的。优选的，所述方法包括校准步骤，在该校准步骤中在与X射线图像数据组关联的第一坐标系和与比较图像数据组关联的第二坐标系之间进行一一对应。于是，在这些坐标系之间的一一对应可以毫无问题地实现，并且X射线图像以及比较图像数据可以直接相互关联。优选的，步骤c)包括以下子步骤Cl)确定X射线图像数据组中的可以与生物对象的可预定第一子区域对应的数据；c2)确定比较图像数据组中的可以与生物对象的第二子区域对应的数据，所述第ニ子区域至少部分地包括预定的第一子区域； c3)从在步骤c2)中确定的数据中选择不能与第一子区域对应的那些数据。由此，在步骤c3)中选择的数据尤其是借助比较图像数据组的数据来补充在步骤Cl)中不完整的数据组。于是优选的，步骤d)包括以下子步骤dl)依据在步骤c3)中选择的数据来补充和/改变来自于在步骤Cl)中确定的数据的数据。于是，X射线图像中的分割出的区域尤其是可以基于与分割出的图像区域相应的比较数据通过外推来得到补充。于是尤其是产生经过修改的X射线图像数据组，其在实际上仅出现于比较图像中的图像区域中包括仿真的X射线数据。优选的，X射线图像拍摄设备的测量场被用于获得比较图像数据组的测量场完全包括。尤其是可以规定，用于获得比较图像数据组的测量设备视场(field of view)完全包括X射线图像拍摄设备视场。于是在整个边缘区域中都可以补充X射线图像数据组。根据本发明的X射线图像拍摄设备包括X射线源、检测器和图像分析设备，其中图像分析设备构成为用于执行本发明的方法。X射线图像拍摄设备尤其是可以构成为计算机断层造影设备。优选的，X射线图像拍摄设备包括传感器，所述传感器构成为用于通过传播时间测量采集比较图像数据组或者从中可推导出比较图像数据组的数据组。于是所述传感器可以尤其是TOF (Time of Flight,渡越时间)相机。可以通过这种方式特别精确和简单地采集三维表面结构。这样的传感器在现有的计算机断层造影设备中的集成简单地构成。优选的，X射线源和传感器固定在共同的支撑设备上，尤其是X射线C弧上。于是可以特别简单地实现X射线源和传感器的共同的视场。优选的，X射线源和传感器定位在共同的、与生物对象对置的ー侧上。于是可以通过X射线源和传感器在同一个时刻检测对象的同一个角度视图。于是特别简单地将X射线图像和比较图像在空间上相互关联。但是优选地还可以规定，传感器直接定位在检测器上或者定位在检测器附近。优选地，传感器可以构成为用于借助不可见的光、尤其是红外光执行传播时间测量。由此可以特别好地排除通过环境光引起的干扰影响。參照本发明的方法展示的优选实施方式及其优点相应地适用于本发明的X射线图像拍摄设备。
下面借助实施例详细阐述本发明。图I示出根据现有技术的计算机断层造影设备的示意显示；图2A示出具有在X射线C弧的同一侧的X射线源和TOF相机的计算机断层造影设备的示意显示；图2B示出具有在X射线C弧的相对侧的X射线源和TOF相机的计算机断层造影设备的示意显示；图3示出本发明方法的实施例的示意图解；以及图4示出本发明方法的实施例的流程设计。
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在附图中，相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施例方式图I示出具有X射线C弧34的计算机断层造影设备10，在该X射线C弧的一端固定X射线源12并且在X射线检测器14的方向上发射X射线S。在X射线源12和X射线检测器14之间，患者18布置在卧榻上，其中患者18的子区域或身体部位被X射线S透射。X射线C弧36可旋转运动地构成并且可以通过这种方式从不同的视点或在不同的角度下检测患者18。通过这种方式可以通过X射线检测器14检测不同的、将传送给计算机32的X射线投影图像。在计算机32中可以通过用于反投影的方法从投影图像中重建三维图像数据组。现在根据图2A和2B，除了 X射线源12和X射线检测器14之外还将TOF (渡越时间)相机16设置在X射线C弧上。TOF相机16的TOF采集区域T完全覆盖X射线S的采集或透射区域。在此，X射线源12和TOF相机16—如图2A所示一共同定位在X射线C弧34的与生物对象对置的ー侧上。但是替换地还可以如图2B所示将TOF相机16直接定位在检测器14上，其中于是TOF相机16和X射线源12定位在生物对象的不同的侧上。图3示意性再现出在计算机32中运行的图像比较和处理方法。在该实施例中考察患者18的胳膊20。在传播时间方法中借助TOF相机16采集胳膊20并且以TOF图像24的形式显示。除了胳膊20的轮廓之外，TOF图像24还包含在胳膊20的三维表面结构方面的深度信息。该深度信息允许推断出TOF图像24中每个像素存在的生物物质的高度或密度。在计算机32中可以计算胳膊20的三维表面模型。利用TOF相机16的典型的图像拍摄速率是每秒100张图像。依据结构类型，TOF相机16拥有专用的TOF测量场Tl，从而采集胳膊20的确定的子区域30。图3还示出X射线图像22 (在该情况下是借助X射线源12和X射线检测器14针对X射线C弧34的确定的角位置获得的X射线投影图像)。与X射线源12和X射线检测器14的视场相应的X射线测量场SI小于TOF测量场Tl，从而采集胳膊20的小于TOF图像24中的子区域30的子区域28。为了建立TOF图像24和X射线图像22之间的关系，需要将X射线装置(X射线源12和X射线检测器14)的坐标系与TOF相机16的坐标系在几何上相互关联。在该实施例中这在步骤R中通过用于图像配准的方法进行。计算机32执行比较算法，以建立X射线图像22与TOF图像24的尽可能好的图像重叠。通过这种方式可以进行所需要的坐标变换。可以规定附加的图像操纵步骤(例如平滑)。如在X射线图像22上可以识别的，患者18的胳膊20上的手在图像中部分地切割出去。这可能在所产生的计算机断层造影图像(例如通过对X射线图像22的反投影、构成三维图像数据组和接着的前向投影)中导致超出測量场伪影。现在借助TOF图像24规定对超出測量场伪影的校正。在此对X射线图像22进行经过平滑的外推。与X射线图像22中的子区域28的图像数据不相对应的TOF图像24中的子区域30的图像数据(也就是TOF图像24的属于补充区域26的图像数据)在此用作该外推的基础。在此，可以采用由现有技术已知的外推方法，例如二次外推。但是为了能执行该外推，不需要再对切割出去的区域(也就是对补充区域26)进行假定，因为胳膊20在补充区域26中的形态和/或形状和/或轮廓和/或密度由TOF图像24已知。通过这种方式可以将X射线测量场SI扩展到按照总图像场S2形式的可见的或虚拟的増大的X射线测量场。 TOF相机16的优点是，利用该相机可以实时地获得胳膊20的三维模型。代替TOF相机16地还可以使用多个也可以在空间中定位在X射线C弧34之外的传感器。因此这些TOF传感器不需要一定固定在X射线C弧34上。必须设置在患者18身上的附加传感器元件是不需要的。而且X測量设备与TOF相机16之间的同步的数据拍摄也不是必需的。该方法不仅适用于常规的计算机断层造影系统，而且还可以结合平面检测器计算机断层造影设备、多层CT或PET/CT扫描仪被采用。再次借助图4简要阐述该方法。在步骤Al中提供X射线投影图像，在该X射线投影图像中对象未被完整采集，从而在对该图像的进ー步处理中可能导致测量场超出伪影。在步骤A2中确定所属的对象边界。在步骤BI中用TOF相机16确定按照所谓的散点图的形式的測量数据。在步骤B2中进行对这些测量数据的内插，从而在图像中产生平滑的表面。由此在步骤B3中产生表面模型。该表面模型现在在步骤B4中通过坐标变换而与X射线投影图像在几何上关联。此外在步骤B5中进行透视变换。在步骤Cl中将这样产生的图像数据组进行比较并且匹配对象在X射线投影图像中的轮廓。步骤C2包括通过外推和平滑的图像操纵步骤。结果是在步骤C3中提供以下X射线投影图像该X射线投影图像的事先被切割出去的图像区域现在得到了补充。在步骤C4中现在可以进行经过滤波的反投影，从而在步骤C5中提供经过校正的三维图像数据组，在该经过校正的三维图像数据组中超出測量场伪影得到抑制。
权利要求
1.一种用于提供针对生物对象(20)的、具有受到抑制的超出测量场伪影的图像数据组的方法，所述超出测量场伪影是由于借助X射线图像拍摄设备(10)对该生物对象(20)进行不完整的几何采集而引起的，所述方法包括以下步骤 a)借助X射线图像拍摄设备(10)获得关于所述生物对象(20)的X射线图像数据组(22)； b)获得关于所述生物对象(20)的比较图像数据组(24)，其涉及该生物对象(20)的三维表面结构； c)通过确定预定的几何对应规则将比较图像数据组(24)的数据与X射线图像数据组(22)的数据对应； d)依据针对X射线图像数据组(22)的与超出测量场伪影的那些数据(26)的至少一部分对应的比较图像数据组(24)的数据，对X射线图像数据组(22)的数据进行补充和/或改变。
2.根据权利要求I的方法，其特征在于，在步骤c)中借助X射线图像数据组(22)与比较图像数据组(24)的配准来进行对应规则的确定。
3.根据权利要求I或2的方法，其特征在于，在步骤a)中获得三维X射线图像数据组以及在步骤b)中获得三维比较图像数据组。
4.根据权利要求I或2的方法，其特征在于，在步骤a)中获得二维X射线图像数据组(22)，尤其是涉及X射线投影图像的数据组，以及在步骤b)中获得二维比较图像数据组(24)，尤其是借助确定能够从生物对象的三维表面结构推导的生物对象的密度分布来获得。
5.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，在步骤d)中借助对X射线图像数据组(22)的以下数据进行经过平滑的外推方法、尤其是二次外推来进行对X射线图像数据组(22)的数据的补充和/或改变所述数据由于X射线图像拍摄设备(10)的有限的测量场(SI)而能与生物对象(10)的几何采集的边缘区域对应。
6.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，在步骤b)中借助传播时间方法获得比较图像数据组(24)或者从中推导出所述比较图像数据组(24)的数据组。
7.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于校准步骤，在该校准步骤中在与X射线图像数据组(22)关联的第一坐标系和与比较图像数据组(24)关联的第二坐标系之间进行--对应。
8.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，步骤c)包括以下子步骤 Cl)确定X射线图像数据组(22)中的与生物对象(20)的预定第一子区域(28)对应的数据； c2)确定比较图像数据组(24)中的与生物对象(20)的第二子区域(30)对应的数据，所述第二子区域至少部分地包括预定的第一子区域(28); c3)从在步骤c2)中确定的数据(26)中选择不能与第一子区域对应的那些数据； 并且步骤d)包括以下子步骤 dl)依据在步骤c3)中选择的数据来补充和/改变来自于在步骤Cl)中确定的数据的数据。
9.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，X射线图像拍摄设备(10)的测量场(SI)被用于获得比较图像数据组(24)的测量场(Tl)完全包括。
10.一种X射线图像拍摄设备，尤其是计算机断层造影设备(10)，具有X射线源(12)、检测器(14)和图像分析设备(32)，所述图像分析设备构成为用于执行前述权利要求之一所述的方法。
11.根据权利要求10的X射线图像拍摄设备(10)，其特征在于传感器(16)，所述传感器构成为用于通过传播时间测量采集比较图像数据组(24)或者从中能够推导出比较图像数据组(24)的数据组。
12.根据权利要求11的X射线图像拍摄设备(10)，其特征在于，X射线源(12)和传感器(16 )固定在共同的支撑设备上，尤其是X射线C弧(34 )上。
13.根据权利要求11或12的X射线图像拍摄设备(10)，其特征在于，X射线源(12)和传感器(16 )定位在共同的、与生物对象(20 )对置的一侧上。
14.根据权利要求11或12的X射线图像拍摄设备(10)，其特征在于，传感器(16)直接定位在检测器(14)上或者定位在检测器(14)附近。
15.根据权利要求11至14之一的X射线图像拍摄设备(10)，其特征在于，传感器(16)构成为用于借助不可见的光、尤其是红外光执行传播时间测量。
全文摘要
本发明涉及一种用于提供针对生物对象(20)的、具有受到抑制的超出测量场伪影的图像数据组的方法，所述超出测量场伪影是由于借助X射线图像拍摄设备(10)对该生物对象进行不完整的几何采集而引起的，包括以下步骤a)借助X射线图像拍摄设备获得关于生物对象的X射线图像数据组(22)；b)获得关于生物对象的涉及了该生物对象(10)的三维表面结构的比较图像数据组(24)；c)通过确定可预定的几何对应规则将比较图像数据组(24)的数据与X射线图像数据组(22)的数据对应；d)依据针对X射线图像数据组(22)的与测量场超出伪影的那些数据(26)的至少一部分对应的比较图像数据组(24)的数据，补充和/或改变X射线图像数据组(22)的数据。
文档编号A61B19/00GK102783962SQ20121015163
公开日2012年11月21日 申请日期2012年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者Y.基里亚寇 申请人:西门子公司