用于计算机层析成像数据的有损压缩和解压缩的方法和系统与流程

本发明一般地涉及医学诊断成像和行李成像的技术，特别涉及用于计算机层析成像的方法和设备，其中测量数据在到重建扫描对象的图像的计算机的途中被压缩以及可能被解压缩。

背景技术：
在计算机层析成像（CT）中，在通过来自不同方向（投射）的X射线源的X射线照射的对象的扫描期间，获取原始数据（rawdata）。通过物体被衰减的X射线入射到多个传感器（通道）上，所述多个传感器（通道）被布置在放射线检测器的多个行中。所述多个行通常被称为多个切面（slices）。X射线源和检测器被安装在转动器（rotor）或扫描架（gantry）上。因此，对于每个转动器位置，获得与所述多个切面对应的多个数据矢量（也称为“扇（fan）”或“读数”）。在扫描期间，转动器以角度步幅被转动，每个步幅给出新的读数。在完整的一次转动期间或之后，待检对象（患者）在与转动器平面正交的方向上被移动，并且在许多次转动中积累的数据被合成为一个文件，该文件伴随着用于每个矢量的附加元数据和文件元数据。在具有带有128个切面的640个传感器的示例性CT扫描中，有640*128个通道，并且每次转动可以有2000个读数。因此，每次转动的1亿6千4百万个测量值被获得，每个测量的值被存储作为16位（2字节）的无符号字。由此，每次转动大约有400M字节的数据。转动的次数取决于要被扫描的患者的身材。对于每秒4次转动，数据速率大致为每秒1.6G字节。需要例如大致10～20次转动用于扫描人类头部。如此，生成相当高的数据速率，这进而被传输到中央处理单元以用于重建被扫描的对象图像。因此，能够有效率地压缩到计算机的途中的此数据的压缩方法可以通过减小将数据传输到中央处理单元所需的存储空间和带宽，在CT成像装置的总体操作方面进行改进。作为医学工具的CT成像由于其在医学分析中的益处而被公知，但是同时，由于X射线的使用，CT成像也被公知为对被扫描的人类（或者其他活体对象）有害。为此，为了从造成最小伤害的角度最大化医学益处，规范要求：从扫描获得的有意义的数据不应该被损失。数据损失的来源可能包括由于传输手段的物理限制而通常不可避免的数据损坏以及有损压缩技术。这种传输手段通常确保位错误率低于1,000,000,000,000（10的12次方）分之一，但不是零。对于在CT扫描中经过的并且在以上计算的数据尺寸（4～8G字节），这意味着每几十次扫描中有一次扫描会遭受一个或更多个位的损坏。由于要求不丢失有意义的数据，用于CT图像数据的压缩算法优选地（尽管不是排他地），是无损压缩算法。此外，应使用检错和纠错方案，以便保护免受数据损坏的不幸事件。在本领域中已提出用于CT成像数据的若干种压缩算法。多数这样的算法（如果不是全部的话）由三个主要步骤组成：第一步骤，关于期待的数据进行预测；第二步骤，要被压缩的数据与该预测相比较；以及第三步骤，要被压缩的数据和预测数据之间的差值尽可能有效率地被编码（通常称为熵编码步骤）。在国际专利申请公布WO2011/033381A1中公开了这样的压缩器，由于改进的预测器和进一步改进的编码器，该国际专利申请公布WO2011/033381A1提供了相对高的压缩。为了进一步增大压缩，在美国专利7,852,977B2中公开了有损压缩算法。这种压缩算法去除数据的被认为对于图像重建没有用处的一些特定部分。为了估计数据去除程度，反馈环路被提供以用于测量外出数据速率。滑电环（slipring，电子工程方面）是用于通过转动组件而形成电连接的设备。滑电环也被称为转动电气接口、转动电连接器、集电器、旋转器（swivels）或电旋转接头。滑电环由安装在轴杆上并且与轴杆绝缘的导电环或带构成。从系统的转动部分（诸如发电机的转子）电连接到该滑电环。固定触点或者电刷与滑电环相接触地运行，将电力或信号传送到系统的外部的静态部分。本质上，滑电环是具有横穿旋转接头而不被缠结的能力的电力和通信缆线的等同物。此外，使用非接触数据和电力传输系统，在此也称作滑电环。在US20030185427A1中公开了一个示例。滑电环在CT扫描器中被频繁使用，以便在生成CT原始数据的扫描器的转动器与被用于从该数据重建和显示3D图像的静态中央处理单元之间进行连接。当前的滑电环在其数据吞吐量方面被限于大约每秒10Giga位（10Gbps，其是每秒10的9次方位）。对于一些高分辨率CT扫描，该带宽对于实时地传送原始数据和在静态显示器上显示CT图像是不够的。因此，在虚拟地扩大滑电环的通信容量方面，压缩是有用的。压缩算法根据其定义是取决于其需要压缩的数据的。在本领域中公知，对于任何压缩算法，都存在根本不能被压缩的数据，特别是不能在给定阈值比率以上被压缩的数据。因此，当要被压缩的数据不能以要求的比率压缩时，被设计为取决于总是能够达到的最小压缩率的系统可能不能成功工作。对于采用压缩的CT扫描器尤其如此。在没有对被扫描的对象和通过用CT扫描器对所述对象进行扫描产生的数据的先验知识的情况下，CT扫描器设计将需要假设压缩可能根本不是有效的。因此考虑最坏情况的情形会消除压缩的主要益处——将相对低吞吐量的通信链路用于高带宽通信的能力。

技术实现要素：
实施例基于通过引入改进的有损压缩来改进原始CT数据的压缩的目的。另一方面是以几乎独立于数据的预定压缩率压缩该数据。本发明的进一步的方面是将损失降低到绝对的所要求的最小值，以便实现期望的压缩率。本发明的进一步的方面是压缩器和解压缩器、用于压缩的方法和用于解压缩的方法。这里公开的是用于从旋转数据源（诸如X射线扫描器）通过滑电环向静态目标（诸如中央处理单元）传送数据的示例性的方法和系统。特别地，公开了用于压缩数据的方法、用于解压缩数据的方法、数据压缩器、解压缩器、用于压缩和解压缩数据的系统、具有用于压缩和解压缩数据的系统的滑电环以及具有用于压缩和解压缩数据的系统的CT扫描器。公开一种压缩滑电环系统，包括：压缩器，位于连接到数据生成器的转动平台上，所述压缩器从该数据生成器接收数据；滑电环，在所述转动平台和静态平台之间被分割并且在所述转动平台和所述静态平台之间被连接；以及解压缩器，位于所述静态平台上，所述静态平台经由通信网络连接到目标。用于压缩滑电环系统的压缩器可以包括这里公开的任何特征。用于压缩滑电环系统的解压缩器可以包括这里公开的任何特征。包括压缩滑电环系统的CT扫描器可以包括这里公开的任何特征。在此，数据生成器是信号接收机从X射线检测器接收的模拟信号的数字采样器，有时也被称为数据获取系统（DAS）。在此，对于可以用16位表示的表示一个检测器单元的一个X射线检测器采样的值，使用术语“采样”。采样也可以被称为像素。一般来说，实施例与现有技术区别在于，将衰减逻辑部件更深地插入到压缩器自身中，从而降低反馈环路的长度并且消除在能够在没有损失时达到期望的压缩率的情况下对损失的需要。基本上，有损数据压缩器使用无损压缩算法。在WO2011/033381中公开了这种无损压缩算法，在此将WO2011/033381以引用方式包含在本文中。无损压缩算法可以包括以下步骤：1）从如CT扫描器的数据源输入采样；2）选择用于预测数据的模型，优选地基于历史；3）计算接收到的数据与模型之间的差值D=S-H，其中H是从历史数据得到的参考值，S是要被压缩的采样；4）对计算的差值进行编码；5）输出经过编码的数据。优选地，该模型基于历史。用于基于历史值H1、H2、H3计算该参考值H的示例性模型可以是H=H1+H2-H3。在此，历史是将被解压缩器重建的数据（在无损压缩器中，它应该正好与在压缩器过去接收到的原本数据相同）。H1可以是最新的历史数据。参考是表示要被压缩的值的预测的值。其一般从历史中被得到。在替换性实施例中，对于不存在历史时或者要求不取决于历史进行压缩时（诸如在压缩数据损坏的情况下为了同步目的）的情况，参考可以被固定。如下所示，历史值可以已经通过计算采样解压缩值而被生成。一般地，H可以是多个可能位置处的来自先前帧的单个像素值或这种像素值的组合、来自当前帧（其刚刚被压缩）的像素值（诸如相邻像素）、或者这种像素的组合或这种像素与来自先前帧的像素的组合。例如，可以从两个历史帧——先前帧和先前帧之前的帧——中的一个历史帧中取出历史值。一般地，可以取来自所存储的先前帧的任何像素组。此外，来自当前处理的帧的像素也可以被用作为历史，只要没有产生循环依存性即可。在历史帧内，可以从(x,y)坐标取出历史像素，所述(x,y)坐标与正在被处理的帧内的像素的坐标、或者与相对于正在被处理的帧内的像素的坐标具有给定偏置(x+Δx,y+Δy)的坐标相同，其中Δx和Δy可以是预定义的范围内的小的正整数或负整数。Δx和Δy可以进而被表达为被映射到给定偏置的单个整数。在另一个实施例中，被使用的仅有参考偏置是(Δx,Δy)=(0,0)——仅是先前帧内正在被编码的像素的相同坐标。压缩算法可以一起处理若干组输入采样。这种分组可以意味着，对于一组采样应用共同的压缩技术，这可以代表一个传感器读数。在上述的无损压缩算法中，一行中N个采样的各组使用单个预测模型被压缩（成为作为参考的历史的单个矢量）。输入采样的组的压缩可以导致每N个采样的组的经压缩的输出尺寸G。压缩流中的每采样的平均位数于是为G/N。平均压缩率于是可被表达为B/(G/N)=B*N/G，其中B是输入中的每采样的位数。B的典型值可以是16。可以通过控制参数来控制有损压缩。这些控制参数中的一种可以是最大容许数据损失。优选地，最大容许数据损失是每输入采样的最大容许的数据损失。可以用位每采样来表示。对于所有采样，它可以是固定的，或者可以被表示为输入数据流的结构内的采样位置的函数，例如表示为帧内的采样位置的函数。这可以被用于以下的情况中：即在该情况下，数据的一部分必须被无损失地被压缩（诸如数据的更加有效（significant）的部分），而其他部分可以具有某种程度的损失而被压缩（诸如数据的不那么有效的部分）。这些参数中的另一个参数可以是目标压缩率，或者其任何等同参数（如目标输出率，也被称为目标压缩率）。优选地，它可以是每N个输入采样的压缩位的目标数量T，其中N是整数并且优选可以是如在基本无损压缩算法中使用的一组中的采样数量。因此，T可以是G的目标数量，如以上所讨论的。基于该数据输入，当前压缩率或任何等同值（可以是输出速率和/或每N个输入采样的压缩位数）被连续地计算。为了简便，它进一步被称为压缩率。此外，可以计算压缩率的平均值。如果当前压缩率高于或者等于目标压缩率，则由无损压缩进行压缩的数据被输出。没有必要通过使用有损压缩而引入信息损失。如果当前压缩率低于目标压缩率，则N个采样的组将如下一起被压缩。首先可以存在至少一个进一步尝试，以无损失地压缩。如果成功了并且可以达到目标压缩率，则输出经过无损压缩的数据。如果通过无损压缩不能达到目标压缩率，则计算压缩数据必须要被削减的、取整（roundedto）到最近整数的位数R。如果该数大于容许的数据损失，则将容许的数据损失用作R。于是，从在无损压缩算法的步骤3中计算的每一个差值D中去除R个最低有效位，导致新的经削减的差值DR。包括N个采样的组的压缩值的压缩输出矢量被标记为有损的，并且进一步地优选包含关于R的信息。可以执行对用于削减的位数R的编码，以使得在不削减位的情况下，单个前缀位（其可以为“0”）作为头部被添加到N个采样的压缩编码，而如果削减位，则形式为“1b1b2b3b4”的多个位作为头部被添加，其中“b1b2b3b4”可以是代表削减位数、或者削减位数的诸如Huffman或GolombRice编码的最优编码的二进制数。这使得能够在可以作为主导压缩模式的无损压缩的情况下实现最小开销。更优选地，“b1”是最低有效位，而“b4”是最高有效位。该次序也可以颠倒。很显然，可以根据所要求的数值范围而适应性改变位数，并且位的顺序可以改变。特别地，这种“b1b2b3b4”的编码不需要代表已经由前缀位代表的值零。为了使得压缩器能够与解压缩器同步地操作，优选地在压缩器内执行立...