专利名称：通过透射来表示和重现物体的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过透射来表示物体的方法，以及基于对于物体的表示，例如在计算机X光层析摄影术(CT，Computer Tomography)的情况下，重现物体的方法。
CT技术发展于70年代，它的基础是基于不同透射方向上的物体的投影来重现物体。每一个投影面分别给出了与物体透射方向上的横截面的吸收和衰减的分布相关的信息。可以分别根据不同透射方向上的投影的衰减特性和密度来判定物体。
例如在X光CT技术中，X光管及物体另一端正对X光管、包括一排和一圈传感器的探测器，在物体周围旋转。X光管通过一个辐射扇来向物体辐射，其中穿过物体的射线被X光探测器的传感器所接收。此过程在不同透射方向上重复，其中旋转平面和辐射扇平面总是互相保持平行。在根据所得到的投影数据而对物体进行的重现中，生成了穿过物体的切面图片或投影。通过计算机X光层析摄影机相对于与旋转平面垂直的物体的移动，生成了一系列连续的切面图片，从中可以生成物体的三维图像。在采用现代螺旋形CT技术的X光计算机X光层析摄影机中，物体相对于计算机X光层析摄影机的移动以及X光管/X光探测器阵列的旋转运动是连续进行的，因此物体的重现不是通过切面图片式而是同通过螺旋式来进行的。
在图3中显示了常规的基于CT数据来重现物体的过程。计算机X光层析摄影机900在输入端接收测量参数902，例如在对物体903的测量中用来决定辐射方向、密度和辐射时间的参数。在图3中物体903被一般化的显示为一个圆圈。计算机X光层析摄影机根据缺省的测量参数902来测量物体的透射，并输出测量数据，测量数据包括不同透射方向上的透射投影数据，如给重现器906的重现值904。重现器906根据于物体的图像相关的，并包含例如物体903的物质密度信息的重现数据来重建图片数据908。
CT技术的一个问题是，当物体903，例如一个被测工业设备，一方面具有很高的吸收密度，另一方面又有很大的辐射路径时，例如被测设备的某个地方是强吸收材料，即使对CT重现来说，只是重现器906所必需的辐射方向上的一小部分时，这个高吸收也会经常由于计算机X光层析摄影机900的有限的可用探测器动态性，而导致无法测量的低强度和随之的错误的和不完整的投影数据。测量数据中的这一错误部分导致了CT重现时重现器906中的图形数据908中的特有的假象，这并不局限于高密度的区域。在一个被测设备的质量测试中，这些假象，例如使得测量不到除了高吸收密度区外的其它区域中的物质缺陷。一般说来，由于这些假象，使得任何以错误识别为目标的对图形数据908的连续的自动图形估算都被严重的阻碍了。
过去，通过简单的忽略重现数据904来试图避免这种由不完整的和错误的重现数据904所分别引起的假象问题，其中在重现图形908中形成了非局部的假象，如与它们的物体形状相关的，缺少物质密度信息的圆柱体区域，所以对重现的影响就是一个洞。在重现中部分丢失的投影数据必须由特殊的重现算法来处理。另外，重现图形中所丢失的区域增加了下面识别基于重现数据的错误所做的努力。
本发明的一个目标是提供一种用于通过透射来表示物体的方法和装置，以使这种表示方法特别适于物体的连续重现，和/或使物体透射节约成本。
此目标通过如权利要求1所述的方法和权利要求2所述的设备来实现。
本发明的基础是通过透射来表示物体，可以根据以使用仿真数据的表示为基础的物体的连续重现而得到提高，其中用仿真数据的表示是与重现之前物体的仿真透射相一致的，如用于测量物体透射，和/或用于从被测透射中生成用于表示的先验信息。
本发明的一个优点是它使得通过透射从物体中确定数据成为可能。因此，在常规方法导致假象的情况下，重现仍是可能的。
根据本发明的第一个方面，采用仿真数据来测量物体的透射或穿行辐射。根据本发明的一个实施例，先验信息和物体的模型，如目标的一个CAD模型或被测设备所期望的重现，在获取数据和测量物体之前就已经被用于从例如几个透射方向来仿真物体的仿真透射，及生成仿真数据。然后就可以对这些仿真数据进行分析来优化测量方法(如测量物体透射的计算机X光层析摄影机)的测量参数。因此，例如就可能基于这些仿真数据，分别判断出一个或几个较好的或最优的透射方向，以及一个或几个改进的或最优的与方向相关的密度和暴露长度。这些改进或优化，例如可以以这样的方式来实现，即所确定的测量参数使以测量数据为基础物体重现中的假象保持尽可能的低。例如，可以改进或者优化测量参数设置，以使具有不利透射条件和高吸收率的透射方向的数目尽可能的少。另一个可能的改进目的在于使测量方法对物体所使用的辐射量尽可能的低，或做一个关于测量方法的测量周期和探测器动态的最优权衡。因此，通过这些改进和优化方法，可以对关于连续重现的测量数据进行改进，和/或减小透射工作。
根据本发明的另一方面，与物体的仿真透射相对应的仿真数据被用于从测量的透射中生成物体的表示。根据一个实施例，当例如计算机X光层析摄影机在随后基于测量数据重现物体之前，部分利用仿真数据来生成它时，与物体的仿真透射相对应的仿真数据被用来补充，和/或替代与测量到的物体的透射相对应的测量数据。例如，在测量数据中产生非常高的吸收区域并因此导致错误区域的方向上，不考虑测量参数的优化设置和测量几何学的优化计划时，投影数据中由于高吸收而引起强干扰和不准确的区域被仿真数据所取代，仿真数据例如可以从被测设备的一个CAD模型中得到。另一方面，一个要求重现的透射方向因为测量参数的优化，在一开始就可以被忽略掉，其中测量数据将在后面被与此方向上的仿真透射相对应的仿真数据所取代。通过这种在重现之前用仿真数据来补充和替代坏的或可能一般情况下没有测量的数据的使用方法，在重现中，可以避免大部分由于缺少探测器的动态性而引起的假象。因此，以物体的重现图形为基础的物质缺陷的控制能力实现了最大化。更重要的是，重现中生成的图形数据中的具有错误物质密度信息的区域与通过常规的省略数据方法而生成的相比，因为替代和补充测量数据而被避免了。
本发明的其它优选实施例定义在从属权利要求中。
下面将参考附图，对本发明的优选实施例进行更加详细地说明。附图为
图1，根据本发明的一个实施例，具有一个测量控制器和数据准备模块的用于重现物体的设备；图2，以根据本发明的一个实施例的步骤为基础的，表示了图1中所示装置的操作模式的流程图；图3，用于CT重现的常规结构。
应当注意，下面有关本发明的描述只是示例性地参考了一个实施例，其中物体的透射通过X光计算机X光层析摄影机来进行，并且其中的被测目标是一个被测设备，比如被测的人工假肢。本发明可以应用于其它的CT方法，比如正电子辐射层析摄影术(PET，PositronEmission Tomography)或其它透射方法，其中可以分别使用先验信息和先验知识来优化对测量参数调整的设置，或使用它们来对测量数据进行后续的补充和替代，以对随后的重现产生提高作用。
图1显示了根据本发明的一个实施例，利用计算机X光层析摄影术重现一个物体的设备结构。根据本实施例，此设备用于测试一个被测设备10(如一个人造假肢)，以从目标结构中找出偏差或找出其它缺陷，如裂缝或类似物。
图1中的设备包括计算机X光层析摄影机12，重现器14、测量控制和数据准备模块16。测量控制和数据准备模块16与计算机X光层析摄影机12的一个输入端相连，以向它提供测量参数，测量参数决定了在计算机X光层析摄影机12对物体10的测量过程中的测量条件。测量控制和数据准备模块16还与计算机X光层析摄影机12的一个输出端相连，以从计算机X光层析摄影机12中得到测量数据，也就是测量到的物体10的投影数据，此数据通过使用确定的和设置的测量参数，如设置的透射方向、强度和暴露时间周期，而在物体的透射中获得。测量控制和数据准备模块16由一个输出端向重现器14输出重现数据，重现器14基于重现数据，生成与物体10的图形相对应的图形数据，图形数据例如包括与物体10相关的物质密度信息。
测量控制和数据准备模块16包含两个存储器18和20、一个仿真器22、一个控制器24和一个数据准备装置26。仿真器22与两个存储器18和20相连，以对存储器18进行读访问，并对存储器20进行写访问。控制器24和数据准备装置26与存储器20相连，以使它们可以访问存储器20的内容。控制器24的一个输出与计算机X光层析摄影机12的一个输入相连，而数据准备装置26包含一个与计算机X光层析摄影机12的输出相连的输入，及一个与重现器14的输入相连的输出。以一种将在下面讨论的方法，控制器24与数据准备装置26使用存储器20种的可用信息来为计算机X光层析摄影机12确定优化测量参数，并将它们输出给计算机X光层析摄影机12，以对计算机X光层析摄影机12中的测量数据进行补充和替代，并将它们作为重现数据输出到重现器14。
计算机X光层析摄影机12内部包括(未表示出的)X光发射器，如X光管，它具有一个特定的初级X光频谱和一个X光探测器，此X光探测器具有特定的探测器特性和与频率相关的敏感性，及特定的最大探测器动态性。
接着重现器14，例如可以是一个质量测试器(未表示)，它基于重现器14所生成的图形数据，根据一个目标形状或一个目标结构来判断被测设备10的缺陷或其它偏差。
在描述图1中的装置的操作模式之前，应当注意，测量控制和数据准备模块16的内部划分与所图示的相比可以不同。特别是应当注意，单个元件，即仿真器22、控制器24、数据准备装置26和重现器14可以用软件、固件或硬件来实现。它们可以，例如被制作成集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑、软件程序或者这些的组合。
在上面描述了图1中的装置结构后，下面将根据本发明的一个实施例，参考图2中显示的步骤来描述它的操作模式，其中仍然参考图1。
首先在步骤30中，在存储器18中提供被测设备10的一个模型。被测设备10的模型数据，分别以例如CAD(计算机辅助设计)数据的形式或光栅和像素数据的形式来提供。这些数据提示了局部材料的密度和其他材料特性。模型数据可以是三维的或二维的。特别是被测设备10的模型包含一个目标的几何图和被测设备10所使用的材料或透射特性。在大组成部分的情况下，被测设备10的CAD数据，例如，只包含关于被测设备10的外部形状和所使用材料的信息。步骤30中所提供的物体10的模型也可以，例如，包含物体10本身的、或典型完好部分的，以前所做的CT重现。
在步骤32中，仿真器22访问存储器18来获取被测设备10的模型，并基于模型仿真被测设备10的透射，以获取仿真数据。仿真的执行，例如，考虑了衰减定律，而衰减定律的基础是来自存储器18中的CAD数据的关于被测设备10的衰减特性的信息。在当前实施例中，仿真器22在几个透射方向上进行透射，因此仿真数据包含了与不同透射方向上的仿真透射相对应的仿真投影数据。在不同投影角度和透射方向上的，被测设备10的不同发射角和传输方向的透射模型中，除了存储器18中的CAD模型所定义的被测设备10的目标数据外，例如与在另一个存储器中提供的计算机X光层析摄影机12的参数相关的信息，如计算机X光层析摄影机12的X光发射器透射的初级X光频谱、计算机X光层析摄影机12的X光探测器的特性，以及测量用的几何图形都可以被利用。
在步骤34中，仿真数据被缓存在存储器20中，以便随时可以取出来提供给控制器24和数据准备装置26。将仿真数据存储于存储器20中，例如可以使用仿真中使用的投影角度来做为索引。
在步骤36中，控制器24访问存储器20来估算仿真数据以确定用于计算机X光层析摄影机12的测量参数。测量参数的估算及计算机X光层析摄影机12所使用的测量参数的确定，用来为测量透射作计划，这些由计算机X光层析摄影机12来执行，并且将作为在重现器14中随后执行的CT重现的基础。在步骤36中所确定的测量参数定义了，例如透射方向的集合、X光的强度、和/或暴露时间，这些将由计算机X光层析摄影机12在被测设备的透射中使用。测量参数的确定，可以或者分别基于适当的测量位置和透射方向来执行，或者分别基于步骤32中的仿真中所使用的一个测量位置集中的、与位置相关的暴露时间和一般的暴露时间来执行。
为计算机X光层析摄影机12确定测量参数的仿真数据估算36，可以被设置用来以不同的方式来优化测量参数。在估算36中，测量参数，例如可以以这种方式来确定，此方式是由于测量数据中，由于物体的过高吸收及探测器动态性不足引起缺少必要信息而导致的假象，在随后的CT重现中大大降低。在由于计算机X光层析摄影机12的X光探测器有限的动态性所引起的那些具有特别高的吸收性的传输方向，在确定透射方向的过程中大部分被避免的时候，可以特别地实现后续CT重现中假象的减少。对通过仿真从CAD模型中获得的仿真数据的估算，还可以这样执行，仿真中对从CAD模型中获得的仿真数据的估算使计算机X光层析摄影机12的测量过程，也就是使测量过程中被测设备10所遭受的辐射量大大减少。除此，可以在计算机X光层析摄影机12进行的CT测量中，为控制暴露时间和X光强度而使用从CAD模型中获取的信息，以做出关于测量时间和所使用的探测器的动态性的最可能的权衡。
CT重现及随后由重现器14所生成的图形数据中的假象的减少，如果需要的话，可以基于这些图形数据，实现一个随后的比较简单的自动图形数据估算，如质量测试。另外，在步骤36中，可以基于仿真数据，在计算机X光层析摄影机12捕获数据之前，就将被测设备10的不必要的或由于缺少探测器的动态性而引起的测量、不存在的和不完整的投影数据识别出来、阻止并忽略掉。
在步骤40中，控制器24将计算机X光层析摄影机12的测量参数设置为以确定的测量参数。将测量参数传送给计算机X光层析摄影机12，例如可以为全部透射方向执行一次，或为每一个透射方向单独执行。此外，控制还可以以仿真的或数据的形式来执行。
在步骤42中，计算机X光层析摄影机12基于它从控制器24收到的测量参数，测量被测设备10的透射。分别依靠步骤36中对仿真数据的估算进行的优化和对测量参数的估算的确定，使透射中被测设备10所遭受的辐射量达到最小，使具有高吸收性的透射的数目，以及在随后的重现中产生假象的测量数据中的错误部分达到最小，或者做出关于测量持续时间和所使用的探测器的动态性之间的权衡。
在步骤44中，数据准备装置26从计算机X光层析摄影机12处接收测量数据，并基于存储器20中所提供的仿真数据对之进行补充和替代。来自计算机X光层析摄影机12的测量数据包括测量到的投影数据，其中的投影数据是利用由测量参数决定的透射方向、与位置相关的暴露时间、以及X光强度，而从被测设备10的透射中获得的。如果现在，例如控制器24在步骤36中，确定出在一个特定透射方向上，一方面有一个非常高的吸收密度，另一方面有一个非常高的辐射路径，以至于在此透射方向上，探测器的动态性达不到要求。因此，在步骤36中，在计算机X光层析摄影机12的控制中将忽略此透射方向，数据准备装置26可以向测量数据中，用相关的仿真数据补充缺少的此透射方向上的投影数据。对于在不考虑对捕获数据的几何学进行优化设置和计划的情况下，具有高吸收区的，并用来获取测量数据的传输方向，数据准备装置26可以用步骤44中的相关仿真数据来替代由于上面的原因而不准确和具有高噪声的，测量到的投影数据中的对应区域。应此而改变了的数据在步骤44中由数据准备装置26输出给重现器14。
在步骤44中执行的对测量数据的补充和替代，带来了这样的结果，通过重现器14在随后的重现中，将假象尽可能地减少了，以及由于重现所具有的缺点与常规方法相比少了很多，因此基于随后由重现器所生成的重新图形数据对物体缺陷的检测能力提高了。
在步骤46中，重现器14接收来自数据准备装置26的重现数据，并以它为基础，对被测设备10进行重现，并输出所生成的图形数据。重现是以常规方法进行的，但是在所生成的数据中的测量控制和数据准备模块16的帮助下，减少了假象的数量，其中所生成的图形数据于被测设备10的图形相对应，并包含例如关于被测设备10的密度和物质信息，此外，与以常规方法由CT技术生成图形数据的情况相比，它们没有假象。
因此，上面参考图1和2所描述的实施例，通过由被测物体的CAD模型数据做出的适当估算，为CT技术提供了一种投影数据的快速测量计划。因此在重现和数据捕获之前加入被测物体的CAD模型是其中的一个基础。被测物体不必要的或由探测器动态性不足引起的、不存在的和不完整的投影数据，可以在仿真X光投影从CAD数据中获取数据之前就被识别出来，并在用于重现的CAD模型的帮助下，由仿真数据所替代。这样，那些由于探测器动态性不足所应起的、得不到所期望的信号的透射方向，就由仿真数据所替代。对于其它的位置角度，由被测物体的实际情况来生成实际的X光投影。由被测物体的实际情况来生成实际的X光投影。换句话说，对不完整的辐射数据的补充是在CAD模型的帮助下完成的。一般说来，产生被测设备中的仿真X光透射可以用来在计算机X光层析摄影机中以多种方法使用以此方法获得的被测设备的知识。结果，通过引入有关被测设备中的先验知识，由于避免了非局部假象而获得的缺陷检测能力得到了提高。
由于上面参考图1和2描述了有关图1中的装置的操作结构和模式的实施例，下面将指出根据本发明的可能的不同选择。首先，应当注意，如上面所提及的，本发明不仅可以应用于X光CT技术。特别地，本发明并不受所使用的辐射的种类限制。一般说来，本发明可以应用于通过透射来实现物体重现的所有领域。
关于步骤30到34，应当注意，仿真数据还可以以不同的方法来提供。例如可以省略步骤34，其中作为替代，需要再次执行使用特定仿真参数的仿真过程。另一方面，可以在步骤36和40之间，执行对所确定的测量参数的中间存储，以避免在测试多个相同类型的被测设备的情况下，重复的估算仿真数据。尽管对仿真数据的估算是在步骤36中执行的，以至于测量参数决定了被测设备10的整个测量过程，但是还可能在随后独立的执行步骤36和40，例如对随后的透射方向。在此情况下，在步骤36中估算出的仿真数据，只与这一个透射方向上的仿真透射相对应。这个基于模型的仿真还可以稍后来执行。另外，还可能以另一种方式来执行模型数据的仿真，或者单独执行仿真，因此它不在步骤中并直接基于仿真数据来处理。特别地，在依赖于仿真结果的透射过程中，可以控制辐射的强度，这主要用在医用应用中以使辐射量达到最小。
另外，在操作的执行过程中，物体的模型可以动态地调整。这样，初始的缺省模型因不同的投影而根据实际情况改变。
另外，应当注意，与图1和2中图示的不同，步骤36和40、控制器24或者步骤44、以及数据准备装置26都可被省略。在第一种情况下，计算机X光层析摄影机12与通常一样获取缺省测量参数，以执行被测设备的透射测量，其中并没有基于仿真数据对被测设备进行优化。然而，计算机X光层析摄影机的测量数据将部分地由数据准备装置26用仿真数据补充和/或替代，其中如上所述减少了由重现器在随后的重现图形数据中产生的假象。在其它情况下，计算机X光层析摄影机将它测量数据直接输出给重现器14。但是作为计算机X光层析摄影机执行对被测设备的测量的基础，测量参数将由控制器基于仿真数据来进行优化，例如如上所述的相关最小辐射量、在随后的重现中产生的假象的最小数量或者类似物，因此作为执行重现的基础的测量数据得到了改进。在这两个可选的情况中，测量控制和数据准备模块将分别按顺序生成物体的表示，这提高了随后对物体的重现，也就是在一种情况下是用仿真数据分别部分的补充或替代测量数据和重现数据，在其它情况下是利用优化的测量数据，这些数据是在优化的测量条件下获取的，是由测量数据决定的，是通过使用仿真结果来优化的。
另外，应当注意，上述实施例还可以用于医用应用中，例如用来减少假象，如由移植引起的金属假象。因此，在被植入体的CAD模型中，应该加入足够的解剖学模型。以同样的方式，除了上述的被测设备10以外，任何被测物体都可以被检测。特别地，本发明既适用于工业CT技术，又适用于医用CT技术。
权利要求
1.用于通过透射来表示物体(10)的方法，包括提供(30、32、34)与物体(10)中的仿真透射相对应的仿真数据；使用(34、40)仿真数据来测量(42)物体的透射以表示物体(10)，和/或使用(44)仿真数据来从被测透射中生成物体的表示。
2.用于通过透射来表示物体(10)的设备，包括用于提供与物体(10)中的仿真透射相对应的仿真数据的装置(18、20、22)；用于使用仿真数据来测量物体(10)的透射以获得物体(10)的透射特性，和/或使用仿真数据来从被测透射中生成物体的表示的装置(24、26)。
3.如权利要求2所述的设备，其中用于提供仿真数据的装置(18、20、22)包括用于提供包括物体(10)的几何结构和透射能力的物体(10)模型的装置(18)；用于根据物体(10)的模型来仿真物体的透射以获得仿真数据的装置(22)。
4.如权利要求2或3所述的设备，其中所使用的装置(24)包括用于设置测量装置(12)的测量参数的装置(24)，它根据测量参数来测量物体(10)的透视，基于仿真数据来获得与所测量的透射相对应的测量数据。
5.如权利要求4所述的设备，其中的测量参数是一组参数中的一个，包括透射方向、暴露时间和辐射强度。
6.如权利要求4或5所述的设备，其中的仿真数据与物体(10)在不同透射方向上的多个仿真透射相对应，也与物体(10)在不同透射方向上的多个被测量的透射的测量数据相对应，测试参数包括针对不同透射方向的一系列透射方向、暴露时间和辐射强度。
7.如权利要求4至6中的一项所述的设备，其中用于设置的装置(24)还包括用于确定测量参数的估算装置(24)，该装置使得以测量数据为基础的物体(10)的表示中的假象的数目尽可能的少，使得测量装置(12)辐射到物体(10)上的辐射量尽可能的低，使得具有高吸收性的透射方向的数目尽可能的少，和/或使得做出关于测量持续时间和探测器动态性的最优权衡。
8.如权利要求2至7中的一项所述的设备，其中所使用的装置(26)包括用于用仿真数据中的相应部分替代与被测透射相对应的测量数据中的至少一部分，以获得重现数据的装置(26)。
9.如权利要求2至8中的一项所述的设备，其中所使用的装置(26)包括用于用仿真数据中的至少一部分来补充与被测透射相对应的测量数据，以获得重现数据的装置(26)。
10.如权利要求8或9所述的设备，其中测量数据与多个测量透射相对应。
11.如权利要求8至10中的一项所述的设备，其中被替代的测量数据或补充的重现数据是与由物体(10)在其中引起了高吸收性的透射相对应的。
12.如权利要求4至11中的一项所述的设备，还包括用于向重现器(14)输出测量数据或重现数据中的至少一个，以从中重现物体(10)的装置。
13.如权利要求12所述的设备，还包括用于测量物体的透射以获得测量数据的测量装置(12)。
14.如权利要求2至13中的一项所述的设备，其中对物体(10)的表示适用于CT估算。
15.用于以计算机X光层析摄影术重现物体(10)的方法，包括根据权利要求1所述的方法来表示物体，以获得物体(10)的表示；并且基于物体(10)的表示来重现(46)物体(10)。
16.用于以计算机X光层析摄影术重现物体(10)的设备，包括一种用于如权利要求2至4中的任一项来表示物体，以获得物体(10)的表示的设备；基于物体(10)的表示来重现物体(10)的装置(14)。
全文摘要
本发明的基础知识是，可以通过透射，基于表示而利用物体随后的重现，通过使用与物体重现前的、作为先验信息来测量物体透射和/或来从测量过的透射中生成表示的仿真透射相对应的仿真透射，来改善对物体的表示。一种用于通过包含有所提供的仿真数据的透射来表示物体(10)的发明方法，其中的仿真数据与物体(10)的一次仿真透射相对应，例如存储于存储器(20)中，并且此方法使用仿真数据来测量物体(10)的透射，例如在CT技术中，以通过一个控制器(24)来获得物体的透射特性，和/或使用此仿真数据来由数据表示器(26)从测量过的透射中生成表示。
文档编号G06T11/00GK1474999SQ01818820
公开日2004年2月11日 申请日期2001年10月11日 优先权日2000年10月11日
发明者兰道夫·汉克, 斯蒂芬·施罗弗, 海恩兹·格哈尤瑟, 迪耶特里克·保卢斯, 施罗弗, 格哈尤瑟, 兰道夫 汉克, 里克 保卢斯 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司