断层图像重建方法和射线照相设备的制作方法

专利名称：断层图像重建方法和射线照相设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来投影在每一扫描位置获得的射线照相数据或作为逆投影数据逆投影到重建区域上的过滤射线照相数据的断层图像重建方法，还涉及用于医疗、工业和其它领域的各种断层照相设备，用来对病人或物体进行射线照相检查和将其断层图像重建。本发明尤其涉及一种用于在重建操作中加速逆投影的技术。
经常使用的重建方法如FBP(过滤逆投影)。FPB方法是指将从不同扫描位置所获得的物体的许多(Np)图像的射线照相数据进行过滤校正过程，以便产生逆投影数据s，逆投影数据s被逆投影到重建区域B上，重建区域B可由所处理的物体的目标区域设定。为了测定重建区域B上的点b(x，y)的像素值，例如，确定第p个扫描位置上对应于投影到点b(x，y)上的检测器坐标t(x，y，p)的逆投影数据s(t(x，y，p))，并对其进行Np次相加。因此，点b(x，y)上的总逆投影可用方程(1)表示b(x,y)=Σp=0s(t(x,y,p))---(1)]]>总的采说，需要用各种参数来计算检测器坐标t。然而，由于扫描位置由p确定，相应于投影点(x，y)的检测器坐标被看作t(x，y，p)。而且，一般来说检测器坐标t(x，y，p)不是一个整数，因此阵列数据s不能被直接确定。如图2所示，利用两个相邻的点进行浮点插值计算。在图2中，u是t(x，y，p)去掉小数的整数值。带有(u，s(u))和(u+1，s(u+1))的插值计算可由下面的方程(2)来表示b(x,y)=Σp=0{(1-α)×s(u)+α×s(u+1)}---(2)]]>当计算机执行上述方程(2)的运算时，由下面的方程(3)所表示的计算就会重复投影(Np)的次数b(x，y)＝b(x，y)+(1-α)×s(u)+α×s(u+1) (3)尽管下面方程(4)与上述方程(3)有相同的计算，但实际上减少了计算的次数b(x，y)＝b(x，y)+α×(s(u+1)-s(u))+s(u) (4)上述的常规计算有涉及许多浮点计算的缺点，因此当射线照相完成后要花费大量的时间进行重建。尤其是，逆投影的浮点插值计算更是问题。下面将详细描述浮点插值计算复杂度。
第一，在逆投影到重建区域内一点的计算表达式(4)中，插值计算列示如下。
t→u 将坐标的浮点小数转换成整数 一步u+1 坐标加1 一步s(u)，s(u+1) 读逆投影数据二步α＝t-u 坐标的浮点计算 一步数据的浮点乘 一步数据的浮点加 二步上述的计算提供了加至重建点b(x，y)的插值数据。总的插值计算复杂度为8步。紧接着，一个步骤为执行读b(x，y)，接着一步是执行浮点加到插值中，最后一步为写b(x，y)，从而完成了方程(4)的计算。因此，方程(4)的计算复杂度总共是8+3＝11步。计算的步数如图7中的“方程(4)(1次逆投影)”栏所示。
上述方程(4)被重复计算相应于投影次数(Np次)的次数以确定重建点b(x，y)的像素值。当重建区域B包括n×n个点时，在全部的重建计算中对应于方程(4)的计算复杂度就变为n×n×Np次。图7中的“方程(4)所有步(全部逆投影)”栏中示出了计算复杂度。由此可知，现有技术的总计算复杂度涉及11×n×n×Np步，因此，重建计算需要很长时间。
为了实现上述目的，发明者进行了广泛研究并得到了下述成果。在常规的重建计算中，在逆投影计算时插入数据。由于重建需要大量的与投影次数Np和断层重建像素数(如n×n点)的积成比例的浮点插值计算，因此，很费时间。然而，已发现从远小于重建点的逆投影数据重复进行的插值计算包括许多类似的可以省略的插值计算。
在解决方案中，发明者基于这个发现，通过插值将逆投影数据增加m倍从而得到了增加的插值数据，因而增加的插值数据可直接逆投影到重建区域中，而不进行插值计算。在逆投影计算中，从通过重建点的投影坐标乘以m所确定的增加插值数据中选择逆投影数据。当增加率m是无穷大时，很明显计算与现有技术相同。有限的增加率m将引起错误。然而，通过适当的值m，可重建高质量的图像，并且这样重建的图像不会出现问题。这个方案减少了插值计算量，从而可更快地进行重建。
基于上述发现，本发明提供的断层图像重建方法，可用于将在每一个扫描位置上所获得的目标的射线照相数据逆投影到一个重建区，该方法包括通过插入逆投影数据产生增加的插值数据的步骤和将增加的插值数据逆投影到一个二维或三维重建区域中，所述的重建区域是实际上由物体的目标区域而设定，逆投影数据为射线照相数据，或将射线照相数据过滤得到数据，所述的射线照相数据通过以下方式在每一个扫描位置获得使隔着目标相面对的发射源和检测器同时扫描目标，或当目标转动时同时扫描目标，发射源向目标发射能够穿透目标的电磁波，检测器检测透过目标的电磁波。
根据本发明，插值计算的次数减小到相应于通过插值逆投影数据增加计算的量，因此，减小了断层重建计算时间。
优选设定增加率至少为1.0的整数或小数而产生增加的插值数据。接着，插值计算次数与插值数据的增加率成比例减小，从而缩短了重建计算时间。
优选增加率设定为至少4次而产生增加插值数据。利用这种方法，当确保一个高质量的重建图像时，插值计算次数与逆投影数据的插值的增加率成比例减小，从而缩短了重建计算时间。
优选当重建区域是一个扩大的重建区域时，所述的扩大的重建区域细分的像素密度超过检测器像素密度，可通过与扩大重建区域的扩大率成比例变化的增加率而产生增加的插值数据。尽管在扩大重建区域中的逆投影点数增加了，但插计算次数几乎没有增加。结果，在扩大重建的情况下，插值计算次数大大减少，从而极大地缩短了重建计算的时间。
当进行三维重建以将两维逆投影数据投影到三维重建区域上时，优选通过插入两维逆投影数据产生增加的两维插值数据，增加的两维插值数据被逆投影到三维重建区域中。即使对于一个三维重建，插值计算次数与插入两维逆投影数据的增加率成比例减小，以缩短重建计算时间。
优选以插值增加率随逆投影的方向变化的方式进行插值而增加逆投影数据。这样可有效防止由于逆投影方向不平行于断层重建区域中的像素(逆投影点)的排列方向而引起降低重建图像质量。
当重建区域是一个像素密度少于检测器密度的减小的重建区域时，优选将对逆投影数据进行移动平均后进行插值所产生的平均插值数据逆投影到减小的重建区域中。然后，在逆投影数据的移动平均之后的插值过程提供一个快速的缩小的重建图像而避免了降低缩小的重建图像的质量。这样可以快速得到重建结果。


图1所示为断层重建区域上的逆投影的示意图；图2所示为由X-射线检测器所检测到的数据的插值的示意图；图3是本发明的一个实施例中的X-射线照相设备的框图；
图4A是X-射线照相设备的图像采集站的一个例子的示意图；图4B是一个示意透视图，示出了图4A所示的图像采集站的外观；图5所示为通过四次插值而扩大的逆投影数据的示意图；图6的示意图示出了根据本发明的重建方法，通过插值到两维重建区域而增加的逆投影数据的逆投影；图7示出了本实施例和现有技术之间的逆投影计算复杂度的比较；图8所示为逆投影到扩大重建区域上的示意图；图9的示意图示出了随逆投影方向的变化，逆投影数据插值放大率的变化；图10是的示意图示出了在平行光束重建时的根据逆投影的方向逆投影数据的插值放大的变化；图11所示为减小的重建区域上的逆投影的示意图；图12的示意图示出了进行移动平均后的逆投影数据的插值；和图13的示意图示出了移动平均插值到减小重建区域的逆投影数据的逆投影。
图3是一个X-射线照相设备的框图，它是根据本发明的射线照相设备的一个例子。这种X-射线照相设备包括一个用来输入各种信息和指令的输入单元10，一个用来控制整个设备(如基于所输入信息和指令的X-射线照相操作)的设备控制器20，一个用于在设备控制器20的控制下操纵图像采集站40的驱动器30，一个用于获取物体M的目标区域图像的图像采集站40，一个用来收集由图像采集站40所获取的图像信息的图像收集器50，一个图像处理器60用来执行预定的图像处理，如图像重建以便从图像收集器50所提供的图像信息来产生和存贮物体M目标区域的断层图像，还包括一个用来显示由图像处理器60所处理的图像信息的图像显示器70。图像采集站40包括一个用X射线照射物体M的X-射线管41，还包括一个用来检测透过物体M的X射线的X-射线检测器42。需要给X-射线管41提供必要的源电压，如由高压发生器43所提供的管电流或管电压。用所提供的一个平行光管和一个狭缝，X-射线管41以扇形X射线光束或锥面X射线光束照射物体M。
控制整个射线照相设备的设备控制器20是例如存贮设备控制和计算方法的专用设备、工作站或个人计算机。连接到设备控制器20的输入单元10(如键盘、鼠标或按钮)由一个用户操作来收集和显示各种X-射线数据。例如，X-射线管41和高压发生器43可控制产生X线，与此同时透过物体M的X线由X线检测器42被转换成电信号。因此，图像收集器50执行电信号的AD(模拟-到-数字)转换，以便产生X线透射数据。图像处理器60进行图像处理，如有关X线透射数据的敏感度或歪曲校正，接着在图像显示器70(如CRT或液晶显示器)上恰当地显示数据。
在射线照相时，对物体M进行扫描，同时机械移动X-射线管41和X-射线检测器42、或物体M，以便获得许多所希望的X-射线透射数据，从而收集射线照相数据。图像采集站40确定了用于线性扫描、两维CT(计算机断层)、三维CT和螺旋CT的射线照相设备的外观特点。图像采集站40有一个机械结构，随断层重建方法而变化。作为图像处理器60的功能部分，以专有硬件和软件的形式，利用DSP(数字信号处理器)根据所述的断层重建方法进行断层重建计算。图像处理器60相应于本发明的图像处理工具。
作为实现图像采集站40的X-射线照相设备，下面将描述医用X-射线CT设备。所述的医用X-射线CT设备基本上具有上述的X-射线照相设备的结构。具体而言，图像采集站40的结构如4所示。图4A是一个医用X-射线照相设备的图像采集站的示意图。图4B所示为图4A所示的图像采集站的外观的示意透视图。图4A所示的构台44包括互相相对安装的一个X-射线管41和一个X-射线检测器42，可绕放置在顶板45上的病人M的体轴(与图4A的平面垂直)一起转动。X-射线管41与本发明的射线源相对应。X-射线检测器42与本发明的检测器相对应。
用上述的设备进行射线照相时，在采集病人M的目标区的图像前，操纵输入单元10以确定视图数，所述的视图表示当转动X-射线管41和X-射线检测器42时所要拍摄的射线照相次数。假设视图数是1800，通过在图像处理器60中聚集由扫描位置(即投影位置)以全360-度分辨率(＝360度/1800)间隔0.2度所获得的X-射线透射数据，可完成射线照相。与1800线相应的X-射线透射数据受到各种校正过程，以便获得射线照相数据。对上述的数据进行FBP过滤过程，以便获得逆投影数据s。通过将逆投影数据s投影1800次到一个两维断层重建区域B上的逆投影点上，就获得了断层图像，所述的两维断层重建区域是病人M的体轴与断层相交的目标区部分。
图6示出了上述的1800次之一的投影和逆投影之间的关系。X-射线管41的X-射线焦点f与X-射线检测器42的X-射线检测元件42a中心相连的一条直线表示X射线的路径。由X-射线焦点f发射的X-射线在重建区域B穿过病人M，在X-射线检测器42的X-射线检测元件42a的中心处检测到X-射线的投影数据。每一个箭头表示投影的方向。逆投影受到从每一个X-射线检测元件42a到X-射线焦点f的方向的影响。这些直线表示在逆投影数据s中与X-射线检测元件相应的逆投影数据，所述的逆投影数据s下文称作逆投影数据s0、s1、s2和s3等等。图6中的两点点划线表示增加的插值数据，所述的插值数据通过m＝4次插值而增加逆投影数据，下文称作数据S010至S013。注意，在本实施例中，对于m＝4次增加，数据s0与增加的插值数据S010相同。本发明的特征是这类增加插值数据的逆投影。通过将其分割为增加插值数据的“过程1”和逆投影的“过程2”，可具体描述该特征。
“过程1”是一个用来通过插值m次增加逆投影数据而产生增加插值数据。在本实施例中，通过点到点在两点之间广泛使用的线性插值，及从下面的方程(5)中计算在每一个扫描位置上增加的插值数据S(j)S(j)＝α×(s(u+1)-s(u))+s(u) (5)这里u＝INT(j/m)和α＝j/m-u。
上述方程(5)所包含分量u和α的计算是很费时间的。然而，作为计算技术，本发明中m是一个常数，分量1/m首先执行一次就可得到M(1/m)，执行一个乘运算j/m＝j×M，如下面方程(6)，为缩短计算时间；S(j)＝α×(s(u+1)-s(u))+s(u) (6)这里M＝1/m，u＝INT(M×j)和α＝M×j-u。
根据上述方程(6)，对于增加的插值数据的某一点的计算复杂度的详细情况如下，计算复杂度总共需要9步M×j 坐标的浮点乘 一步M×j→u 将坐标的浮点小数转换成整数一步u+1 坐标加整数一步s(u)，s(u+1)读逆投影数据 二步α＝t-u 坐标的浮点计算一步数据的浮点乘 一步数据的浮点加 二步在过程1中，利用方程(6)可重复进行一点的增加插值数据的计算。第一，相应每一扫描位置的增加插值数据(m×L点)可从相应于每一个扫描位置的L点的逆投影数据得出。而且，对全部投影次数(Np)都要进行计算。从与全部扫描位置相应的全部逆投影数据(L×Np点)，导出全部的增加插值数据(m×L×Np点)就完成了过程1。因此，过程1计算复杂度变为9×m×L×Np步。图7的“方程(6)过程1增加插值”栏示出了所述的计算复杂度。当已经描述过两点间的线性插值例子时，也可采用样条插值，以取代两点间线性插值。
如本实施例中，m是一个整数，如上述方程(6)所示的通过转换普通插值计算，可高速进行计算。即，当m是一个整数时，两点之间的间隔可等分成m份。可对每一m点通过下列方程(7)计算转换，进行计算S(j)＝Su，u+1i＝s(u)+SS×i (7)其中j＝m×u+i，i＝0，...m-1，SS＝(s(u+1)-s(u))/m。
此外，利用其中带有求解方程(7)的命令的程序，对SS相加可进行SS×i的和积计算。按下面所示的顺序，可进行快速计算S(m×u+0)＝Su，u+10＝s(u) (8a)S(m×u+1)＝Su，u+11＝Su，u+10+SS(8b)S(m×u+2)＝Su，u+12＝Su，u+11+SS(8c)S(m×u+3)＝Su，u+13＝Su，u+12+SS(8d)图6所示的S011、S012和S013表示由上述方法所导出的增加插值数据。图5示出了这些增加插值数据的数值。在图5中，白圈所示的点表示全部投影中每一扫描位置的部分逆投影数据。进行插值计算是为了以m＝4次增加逆投影数据的两个相邻点的间隔，从而导出如图5中黑圈所示的三个新数据点。当i＝0时，插值计算导致s(u)是逆投影数据本身。为了进行插值计算，在此不再区分而将由白圈所示的逆投影数据和由黑圈所示的新数据点统称为增加插值数据。
下面将描述用作逆投影的“过程2”。数据从上述“过程1”所产生的与每一扫描位置相应的增加插值数据数组S(j)中被逆投影到每一个重建点(逆投影点)b。下面将参考图6描述所述的逆投影。通常，由插值计算所导出的值，如数据s0和s1，被添加到点b。在本发明中，在过程1中由插值所增加的数据S011等被添加到逆投影点b。例如，对于逆投影点b(x，y)，插值数据S011更接近s0并比s0更适合，因此，将插值数据S011添加到逆投影中至点b。对于另一个逆投影点b(x，y+1)，插值数据S012更接近S011并比S011更适合，因此，将插值数据S012添加到逆投影中至该点。对于另一个逆投影点b(x，y+2)，插值数据S012更接近S011并比S011更适合，因此，将插值数据S012添加到逆投影中至该点。对于逆投影点b(x，y+3)，插值数据S012更接近S013并比S013更适合，因此，将插值数据S012添加到逆投影中至该点。在这种方法中，将增加的插值数据添加到重建区域中逆投影中的另外逆投影点。
下面方程(9)所表示的“过程2”，如相应于由p所表示的每一个扫描位置的逆投影b(x，y)＝b(x，y)+S(j) (9)其中j＝INT(m×t(x，y，p))。
对于现有技术中浮点逆投影，函数t(x，y，p)是用来计算原始数据坐标的函数。函数“INT()”是四舍五入取整函数。本发明的一个特点在于增加率m和t的积是在四舍五入取整前计算。
上述方程(9)的计算复杂度如下M×t 浮点乘，用m＝4乘以坐标一次M×t→j 四倍坐标转换成整数一次S(j) 读和写一次在上述的三步计算中，读出被加至b(x，y)中的数据，接着读b(x，y)，进行浮点的加和减运算，从而完成某一特定扫描位置上的一个逆投影。接着，写入b(x，y)。总共需要执行六次计算。图7中的“方程(9)(1次逆投影)”栏示出了上述的时间复杂度。
对n×n的重建区域B重复上述逆投影Np次，可完成过程2并得到一个断层图像。过程2的整个重建的计算复杂度为n×n×Np，图7中“方程(9)全部(全部逆投影)”栏示出了所述的计算复杂度。
因此，在本实施例中，对于过程1和过程2所计算的两维断层图像的逆投影，其计算复杂度如图7中“方程(6)+(9)全部(全部计算复杂度)”栏所示的9×L×m×Np+6×n×n×Np。在本实施例中，全部增加插值数据首先在过程1中进行计算，接着在过程2中进行全部逆投影。然而，对于接连的扫描位置p，过程1和过程2中的计算的复杂度是一样的。
为了显示本实施例与现有技术之间的计算复杂度的具体差别，将步数比率计算如下(现有技术的方程(4)总步数)/(本实施例的方程(5)+(6))＝(9×n×n×Np)/(9×L×m×Np+6×n×n×Np)＝(9×n×n)/(9×L×m+6×n×n)由于通常L＝n，＝(9×n×n)/(9×n×m+6×n×n)＝(9×n)/(9×m+6×n) (10)从上述的方程(10)中，当m＝n×3/9时，从计算步数上看，本实施例与现有技术的逆投影计算速度是相同的。在本实施例中m＝4，当n＞12时，所用的计算步数小于现有技术，计算快于现有技术。当n＝512时，由方程(10)所导出的步数比率为1.48。因此快48％。尽管本发明实际的高速特征依赖于所使用的DSP和CPU，仍可获得步数上超过上述比率的更快速度。特别是，最大的优点是在逆投影时读取射线照相数据的次数减小为一半。
接着，下面将描述本实施例和现有技术的重建精确度的水平。当增加率m＝无穷大时，很明显与现有技术的计算是相同的。一个有限的增加率m会引起错误。然而，通过给定增加率m一个适当的值，可重建出一个良好质量的图像，这样重建的图像没有出现问题。例如，由X-射线检测器42所获得的射线照相数据中重建的图像中，对本实施例中重建的图像与现有技术中重建的图像进行比较，所述的X-射线检测器42带有L＝512个X-射线检测元件42a。在重建中心处放置点目标，在重建中心的半径处的位置上的圆目标(即从中心到重建边的中途处)，射线照相的图像数Np＝1800。在现有技术的重建图像中，可清楚地显示点目标和圆目标，在背景中没有莫尔图(即在区域中，而不是在点目标和圆目标中)。另一方面，在本实施例中，当m＝1时，可清楚地显示点目标和圆目标，不比现有技术差，但背景中的莫尔图突出。接着，在本实施例中当m＝4时，可清楚地显示点目标和圆目标，比现有技术要清楚，背景中的没有莫尔图。由此确信这些重建的图像与现有技术的图像相同。具有优秀的质量并且没有问题。因此，通过赋给增加率m适当值，就可重建出优秀质量的图像，并且不会带来问题，在短时间内进行的断层重建计算具有优秀效果。
在两维CT中，下面对本实施例和现有技术进行比较并集中在两者有显著区别的插值计算复杂度方面。在现有技术中，逆投影数据是在断层重建区域B中Np次逆投影到n×n像素上，因此，插值计算的总次数＝n×n×Np。在本实施例中，另一方面，当通过插值对全部的逆投影数据增加m倍后，逆投影数据在断层重建区域B中被Np次逆投影到n×n像素上，因此，插值计算的总次数＝n×n×Np。结果，在二维CT重建中，插值的次数减少到m×n次/n×n次＝m/n，因此，可在短时间内进行断层重建计算。
上述实施例使用了断层重建方法，可使图像处理器60(计算机)通过在逆投影数据中插值产生增加插值数据，接着对将增加的插值数据逆投影到两维重建区域B进行逆投影计算，所述的两维重建区域由病人M的目标区域设定。插值计算的次数可减少到相应于增加逆投影数据插值的量。因此，对于减少的重建计算时间，可使射线照相设备的速度更快。
通过将逆投影数据的插值增加率设为4倍或更多，可确保重建的图像有优秀的质量，通过逆投影数据的插值，可与增加率(四倍或更多)成比例的减少插值计算的次数，以便减少断层重建计算时间。
本发明并不限于上述实施例，可有如下的变化(1)在前述的实施例中，通过插值将增加逆投影数据的增加率设为m＝4。增加率可设为1.0或更大一些的整数或小数。特别地，当增加率为1.0的情况下，插值计算的次数变为最小，以便缩短断层重建计算时间。
(2)前述实施例的重建区域B是一个“真实尺寸的重建区域”，其中重建点的间距等于X-射线检测器42的X-射线检测元件42a(像素)的间距被一个几何放大率(＝从X-射线管41的焦点到X-射线检测器42的距离/从X-射线管41的焦点到转动中心的距离)所除。对于相应于增大k倍的重建区域B的扩大重建区域，权利要求4所述的本发明是有效的。图8所示为扩大重建区域BB的一个例子，所述的扩大重建区域BB上的2n×2n个逆投影点可由具有n×n逆投影点的重建区域B乘以2得到。在图8中，有阴影线的圆圈表示原来的逆投影点(即上述的在重建区域B中的n×n个逆投影点)，虚线圆圈表示增加的形成扩大重建区域BB的逆投影点。在该增加的重建中，可以与增加重建率k成比例变化的增加率m′来增加插值来增加逆投影数据。在如图8所示的例子中，扩大率m′＝k×m＝2×4＝8倍。这将会保证图像质量与在m＝4时“真实-尺寸重建”所提供的图像质量相同。
在扩大重建区域BB中的逆投影点的数量是真实尺寸重建区域B中逆投影点的数量的4倍(＝k×k)。在常规方法中，插值计算量还可增加4倍，因此，大大延长了重建计算时间。然而，利用本发明，过程1的插值计算量仅是两倍，可大大减小常规方法的插值计算量。还起到极大减小在常规方法中增加重建计算时间的作用。
(3)前述实施例中图像采集站40包括一个用于向物体或病人M发射扇形X-射线光束的X-射线管41，还包括一个一维X-射线检测器42。图像采集站40可以包括一个用于向物体M发射扇形X-射线光束的X-射线管41，还包括一个变化的二维区域检测器，如图像增强器或带有X-射线管41的可同步转动的平面X-射线检测器，用来进行三维射线照相。在根据三维射线照相的常规方法的断层重建中，通过对在每一个扫描位置获得的二维射线数据过滤而获得的二维逆投影数据三维逆投影到三维重建区域中，所述的三维重建区域可由病人M的目标区域设定。例如，将二维逆投影数据(n×n像素)向三维重建区域(n×n×n像素)逆投影Np次，插值计算必须进行n×n×n×Np次。
当执行如权利要求5所述的一个三维重建时，增加的两维插值数据((m×n)×(m×n)像素)可通过在两个方向上插值m次增加两维逆投影数据(m×n像素)而产生，因此增加的两维插值数据向一个三维重建区域(n×n×n像素)投影Np次。插值次数＝(m×n)×(m×n)×Np。因此，与常规方法相比，插值次数可减少到m×m/n，从而可获得高速度。经常利用4个邻接点来进行这些两维插值计算，并且每一个插值计算本身很费时。因此减少插值计算次数提供了显著的优点。
上述的变化涉及一个基于在两个方向插值的三维重建。本发明对于基于仅一个方向插值的三维重建也是有效的。当仅在一个方向插值时，增加的两维插值数据(n×(m×n)像素)可通过在一个方向插值m倍增加两维逆投影数据(n×n像素)而产生，因此增加的两维插值数据可向一个三维重建区域逆投影Np次。插值次数＝n×(m×n)×Np。因此，与常规方法相比，插值次数减小到m/n，从而可获得高速度。经常利用4个相邻点进行两维插值计算，每一个插值本身是费时间的。另一方面，在一个方向上的插值计算是一个两点插值。这将在减少插值计算次数上得到更好的效果，从而获得高速度。沿三维重建区域的Z-轴，仅通过在重要方向上增加数据进行重建图像，可快速得到沿Z-轴上光滑连接的断层图像。
(4)在前述的实施例中，不管逆投影的方向如何，用来通过插值增加逆投影数据的增大率m有一个固定值(如m＝4次)。如权利要求6所述，增大率可随逆投影的方向而变化。
如图9所示，例如，假设X-射线管41相对重建区域B位于Pa和Pb处。当X-射线管在Pa处时，逆投影的方向大致平行于重建区域B的像素排列(逆投影点)。逆投影数据以插值率m＝2进行逆投影。在图9中，虚线表示m＝2次时插入实线所示数据之间的插值数据。接着，当X-射线管41位于Pb时，逆投影的方向不与重建区域B中像素排列(逆投影点)平行。即，逆投影的方向与重建区域B中像素排列(逆投影点)斜交(如相对x和y方向最大倾斜为45度)。逆投影数据以插值率m＝4逆投影。在图9中，两点链线表示m＝4时在一点链线所示数据之间插入的插值数据。
如图10所示，参考平行光束重建，将进一步描述权利要求6所述的本发明。当逆投影方向与图10的实线所示的y方向一致时，逆投影方向平行于重建区域B中的逆投影点的排列，因此，不需要进行插值。然而，当逆投影的方向相对图10中的两点链线所示的x和y方向倾斜45度时，在重建区域B中，逆投影方向与逆投影点的排列不一致，因此，需要进行插值。在图10中，一点链线所表示的数据可用作两点链线所表示的数据的插值。
在上述的两个例子中，随着逆投影方向的变化，从逆投影的方向所看到的重建像素的间距也在变化。因此，用于通过插值增加逆投影数据的增加率随逆投影方向而变化，从而避免了由于逆投影的方向而引起的重建图像质量的下降。
(5)上述的实施例利用了一个“真实尺寸重建”。当希望快速得道结果时，就要利用减少的重建点(逆投影点)进行减小重建。在“真实尺寸重建”中，重建点的间距等于X-射线检测器42的X-射线检测元件42a(像素)的间距被几何放大率(＝从X-射线管41的焦点到X-射线检测器42之间的距离/从X-射线管41的焦点到转动中心之间的距离)所除。在减小的重建中，重建点的间距增加k倍，重建区域B减小到1/k。图11所示为一个减小重建区域的示意图，基于k＝2，在真实尺寸重建区域B中有一半逆投影点。在真实尺寸重建区域B中n×n个逆投影点中，仅阴影圆圈表示逆投影点。白圆圈表示非逆投影点(即被删去的逆投影点)。删去逆投影到这些点(白圈点)的数据会降低重建图像的质量。因此，将权利要求7所述的本发明应用到减小的重建中，可以避免降低图像的质量。即，对逆投影数据S进行移动平均过程，其后通过插值m次增加平均插值数据逆投影到减小的重建区域中。
图12示出了计算平均插值数据的一个例子。实线上的白色圆圈表示原来的逆投影数据。在两点链线上白色圆圈表示移动平均过程后的逆投影数据。在两点链线上的阴影圆圈表示插值两次所给定的平均插值数据。如图13所示，可将所述的移动平均数据逆投影到减小重建区域中。因此，权利要求7所述的本发明使得减小重建图像很快获得，同时可避免降低重建图像的质量。
(6)在前述的实施例中的断层重建方法和射线设备可应用于医学CT，用来诊疗病人M，或应用于射线照相设备，使X-射线管和X-射线检测器同时扫描目标M(如在线性移动中)，以便将目标M的给定点投影到X-射线检测器上的预定点。还可将断层重建方法和射线设备应用到无损检测设备中，以便检测印刷线路和各种其它电子设备。
(7)在前述的实施例中，X-射线管向目标M发射X射线。本发明并不限于X射线的使用。也可用于穿透目标M的电磁波，如伽马线、光和电子束，也会产生同样的效果。因此，根据本发明的射线照相设备不限于X-射线照相设备，还可应用于所有的射线照相设备，以便利用除X射线之外的穿透目标M的电磁波进行射线照相。
在不偏离本发明有宗旨或实质特征的情况下，还可有其它的具体实施形式，因此，应当参考所附权利要求确定本发明的保护范围，而不是参考上述的说明书的具体描述。
权利要求
1.一种用于将在每一个扫描位置所获得的物体的射线照相数据逆投影到一个重建区域中的断层照相重建方法，所述的方法包括下列步骤通过插入逆投影数据产生增加的插值数据和将所述增加的插值数据逆投影到一个二维或三维重建区域中，所述的重建区域是由物体的目标区域实际设定的，所述的逆投影数据为射线照相数据，或将所述的射线照相数据过滤得到的数据，所述的射线照相数据可在每一个扫描位置上由隔过所述的目标物互相面对的一个发射源和一个检测器同步扫描所述的目标、或在转动所述的目标时同步扫描所述目标而获得，所述的发射源向所述的目标发射能够穿透所述的目标的电磁波，所述的检测器检测透过所述的目标的电磁波。
2.根据权利要求1所述的断层图像重建方法，其特征在于所述增加的插值数据可通过将增加率设定为至少1.0的整数或小数而产生。
3.根据权利要求1所述的断层图像重建方法，其特征在于所述增加的插值数据可通过将增加率设定为至少4次而产生。
4.根据权利要求1所述的断层图像重建方法，其特征在于当所述的重建区域为扩大重建区域并被细分为其像素密度超过检测器像素密度时，所述增加的插值数据以与增加重建的增加率成比例变化的增加率而产生。
5.根据权利要求1所述的断层图像重建方法，其特征在于当进行三维重建，将两维逆投影数据投影到三维重建区域上时，两维增加的插值数据可通过插入所述的两维逆投影数据而产生，并且所述的两维增加插值数据被逆投影到所述的三维重建区域中。
6.根据权利要求1所述的断层图像重建方法，其特征在于所述的逆投影数据以随逆投影方向变化而变化的增加率进行插值而增加。
7.根据权利要求1所述的断层图像重建方法，其特征在于当所述的重建区域是一个减小为其像素密度少于检测器像素密度的减小重建区域时，由对所述逆投影数据进行移动平均后插值所产生的平均插值数据逆投影到所述的减小的重建区域中。
8.一种用于将在每一个扫描位置所获得的物体的射线照相数据逆投影到一个重建区域中的断层图像重建设备，所述的设备包括一个用来向所述物体发射可穿透所述物体的电磁波的发射源；一个用来检测透过所述物体的电磁波的检测器；和图像处理装置，用于插入逆投影数据产生增加的插值数据和将所述增加的插值数据逆投影到一个二维或三维重建区域中，所述的重建区域是由物体的目标区域实际设定的，所述的逆投影数据为射线照相数据，或将所述的射线照相数据过滤得到的数据，所述的射线照相数据可在每一个扫描位置上由隔过所述的目标物互相面对的一个发射源和一个检测器同步扫描所述的目标、或在转动所述的目标时同步扫描所述目标而获得。
9.根据权利要求8所述的断层图像重建设备，其特征在于所述增加的插值数据可通过将增加率设定为至少1.0的整数或小数而产生。
10.根据权利要求8所述的断层图像重建设备，其特征在于所述的增加的插值数据可通过将增加率设定为至少4次而产生。
11.根据权利要求8所述的断层图像重建设备，其特征在于当所述的重建区域为扩大重建区域并被细分为其像素密度超过检测器像素密度时，所述增加的插值数据以与增加重建的增加率成比例变化的增加率而产生。
12.根据权利要求8所述的断层图像重建设备，其特征在于当进行三维重建，将两维逆投影数据投影到三维重建区域上时，两维增加的插值数据可通过插入所述的两维逆投影数据而产生，并且所述的两维增加插值数据被逆投影到所述的三维重建区域中。
13.根据权利要求8所述的断层图像重建设备，其特征在于所述的逆投影数据以随逆投影方向变化而变化的增加率进行插值而增加。
14.根据权利要求8所述的断层图像重建设备，其特征在于当所述的重建区域是一个减小为其像素密度少于检测器像素密度的减小重建区域时，由对所述逆投影数据进行移动平均后插值所产生的平均插值数据逆投影到所述的减小的重建区域中。
全文摘要
一个X－射线管(X－射线焦点)和一个X－射线检测器越过物体互相面对，在每一个扫描位置上同时扫描物体，以便获得射线照相数据。提供了一种断层重建方法，其中将射线数据或从射线数据的过滤过程所得到的数据作为逆投影数据逆投影到二维或三维重建区域中，所述的重建区域由物体的目标区域而设定。增加的插值数据可通过在逆投影数据中插值而产生，并且接着将增加插值数据逆投影到而不是插值到重建区域中。插值计算量可减小到逆投影数据的插值所增加的量，从而减少了重建计算时间。
文档编号G10L15/00GK1399941SQ02127010
公开日2003年3月5日 申请日期2002年7月25日 优先权日2001年7月30日
发明者浮田昌昭, 岸武人, 大西修平, 新谷锐一 申请人:株式会社岛津制作所