专利名称：：图像重建方法和x射线ct设备的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种图像重建方法和一种X射线计算机断层摄影(CT)系统，或者更具体而言，涉及一种基于迭代重建技术的图像重建方法和一种执行图像重建的X射线CT设备。
背景技术：
：迭代重建被认为是基于由X射线CT设备或正电子发射断层摄影(PET)系统产生的投影数据来重建图像的技术之一。迭代重建是这样的，即顺序地校正在系统模型中估计的系数分布，直到由该估计的系数分布所产生的投影数据与由实际测量所产生的投影数据一致。迭代重建可以被称为统计重建。图像重建技术的典型例子包括有序子集最大期望值(OSEM)技术(例如参考非专利文献1)。A.Rahmin，T.J.Ruth和V.Sossi的“StudyofaConvergentSubsetizedList-modeEMReconstructionAlgorithm”(NuclearScienceSymposiumConferenceRecord2004IEEE，2004年10月，第6卷，第3978-3982页)。
发明内容本发明所要解决的问题根据前述技术，形成象矩形点阵的系数的空间阵列作为系统模型被采用。用于重建系统模型的图像的系统矩阵具有复杂的结构，并且包括极大量的数据。系统矩阵的计算是施加于计算机上的大的负担。如图15(a)所示，当使用预先计算的存储矩阵时，需要大的存储容量。如果如图15(b)所示在每次图像重建时计算系统矩阵，则图像重建时间将变得较长。如果为了缩短图像重建时间而简化系统矩阵，则图像质量恶化。本发明的目的在于提供一种基于迭代重建技术并且特征在于短的图像重建时间、小的存储容量和高的图像质量的图像重建方法、以及一种执行这种图像重建的X射线CT设备。用于解决所述问题的手段为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种图像重建方法，其特征在于系统模型具有多个同心环，每个同心环被分成多个扇形；利用组成系统模型的所有扇形中的一些来构造与一个视图相关的系统矩阵，所述的所有扇形中的一些位于与所述的一个视图有关的投影线上；变换与所述的一个视图相关的系统矩阵以便产生与另一视图相关的系统矩阵；系统矩阵和投影数据被用于通过迭代重建来重建图像；以及图像被变换成由矩形像素组成的图像。为了实现前述目的，根据本发明的第二方面，提供一种X射线CT设备，该设备包括用X射线扫描受检者以便采集投影数据的数据采集设备以及基于所采集的投影数据来重建图像的图像重建设备。该图像重建设备包括用于构造系统模型的系统模型构造装置，该系统模型具有多个同心环，每个同心环被分成多个扇形；用于通过使用组成系统模型的全部扇形中的一些来构造与一个视图相关的系统矩阵的系统矩阵构造装置，所述的所有扇形中的一些位于与所述的一个视图有关的相应投影线上；用于通过变换与所述的一个视图相关的系统矩阵来产生与另一视图相关的系统矩阵的系统矩阵产生装置；通过使用系统矩阵和投影数据经由迭代重建来重建图像的图像重建装置；以及用于将图像变换成由矩形像素组成的图像的变换置。优选地，组成系统矩阵的每个元素是落入每个扇形的投影线的长度，从而可以简化系统矩阵。优选地，组成系统矩阵的每个元素是落入每个扇形的投影条的部分(partial)面积，从而可以精确形成系统矩阵。优选地，部分面积是标准化(normalized)面积，从而元素可以被标准化。优选地，在每次迭代时产生与另一视图有关的系统矩阵，从而可以适时地产生系统矩阵。优选地，采用有序子集最大期望值(OSEM)技术来作为迭代重建技术，从而可以正确地实现图像重建。优选地，通过双线性插值来实现由矩形像素组成的图像的变换，从而可以正确地实现变换。优选地，投影线表示扇形束X射线，从而矩阵将充分地与由扇形束X射线提供的投影数据相关。优选地，投影线表示平行束X射线，从而矩阵将充分地与由平行束X射线提供的投影数据相关。优点本发明能够提供一种基于迭代重建技术的图像重建方法和一种执行图像重建的X射线CT设备。在此，系统模型被构造成具有多个同心环，每个同心环被分成多个扇形。与一个视图相关的系统矩阵是使用组成系统矩阵的所有扇形的一部分来构造的，该一部分扇形位于与所述的一个视图相关的相应投影线上。变换与所述的一个视图相关的系统矩阵以便产生与另一视图相关的系统矩阵。系统矩阵和投影数据被用于通过迭代重建来重建图像。图像被变换成由矩形像素组成的图像。这导致短的图像重建时间、小的存储容量和高的图像质量。图1示出作为用于实施本发明的最佳方式的例子的X射线CT设备的构造。图2示出作为用于实施本发明的最佳方式的例子的X射线CT设备的构造。图3示出X射线放射/检测设备的构造。图4示出X射线探测器的X射线入射表面的结构。图5概述了作为用于实施本发明的最佳方式的例子的过程。图6示出系统模型和投影线。图7示出投影条的一部分。图8示出与两个连续视图相关的系统模型和投影线。图9描述了作为用于实施本发明的最佳方式的例子的过程。图10示出通过插值对图像的变换。图11列出了根据本发明的方法所需的重建时间与常规方法所需的重建时间的比较。图12包括照相铜版照片，其示出根据本发明的方法产生的重建图像与根据常规方法产生的重建图像的比较。图13示出根据本发明的方法产生的重建图像的分布(profile)与根据常规方法产生的重建图象的分布的比较。图14包括照相铜版照片，其示出根据本发明的方法产生的重建图像与根据滤波反投影(FBP)技术产生的重建图像的比较。图15示出在常规方法中采用的过程。具体实施例方式参考附图，下面将描述用于实施本发明的最佳方式。注意，本发明不限于用于实施本发明的最佳方式。图1示出一种X射线CT设备的构造。该X射线CT设备是用于实施本发明的最佳方式的例子。该X射线CT设备的构造是用于在X射线CT设备中实施本发明的最佳方式的例子。X射线CT设备包括机架100、工作台(table)200和操作者控制台300。机架100使用X射线放射/检测设备110来扫描躺于工作台200上的受检者10，从而采集所发射的携带多个视图的X射线信号(投影数据)，并且将信号传送到操作者控制台300。机架100是在本发明中包括的数据采集设备的例子。操作者控制台300使用内置计算机基于从机架100接收的投影数据来重建图像，并将图像显示在显示器302上。操作者控制台300是在本发明中包括的图像重建设备的例子。操作者控制台300分别控制机架100和工作台200的运行。机架100在操作者控制台300的控制下根据预定扫描条件来扫描受检者。工作台200定位受检者10，以使受检者的预定区域将被扫描。当内置对准机构调整工作台面202的高度和工作台面上托架204被移动的水平距离时，实现了定位。随着托架204的停顿执行扫描，由此实现轴向扫描。随着托架204连续移动而连续执行多个扫描，由此实现螺旋扫描。托架204间歇地移动并在每次托架204停顿时执行扫描，由此实现簇(cluster)扫描。通过摆动柱状支座206来调节工作台面202的高度，所述柱状支座带有在作为中心的底座208处的柱状支座根部。随着柱状支座206的摆动，工作台面202进行垂直和水平的移动。托架204在工作台面202上水平移动，由此抵消工作台面202的水平位移。根据扫描条件，随机架100倾斜而执行扫描。机架100通过内置倾斜机构来倾斜。如图2所示，工作台200可以是一种具有相对于底座208升高或降低的工作台面202的工作台。工作台面202通过内置升高/降低机构来升高或降低。在这种类型的工作台200中，升高或降低不会与工作台面202的水平移动同时发生。图3说明X射线放射/检测设备110的构造。在X射线放射/检测设备110中，X射线探测器150探测从X射线管130中的焦点132放射的X射线134。X射线134由未示出的准直仪整形为横向对称锥形束或扇形束。X射线探测器150具有随X射线扇形展开而二维展开的X射线入射表面152。X射线入射表面152以部分圆柱体的形式弯曲。圆柱的中心轴穿过焦点132。X射线放射/检测设备110绕穿过射线照相中心、也就是等角点O的中心轴旋转。中心轴平行于由X射线探测器150形成的部分圆柱体的中心轴延伸。假定旋转的中心轴的方向是z方向，连接等角点O和焦点132的方向是y方向，以及垂直于z和y方向的方向是x方向。x、y和z轴用作旋转坐标系的三轴，该旋转坐标系绕作为中心轴的z轴旋转。图4是说明X射线探测器150的X射线入射表面152的平面图。X射线入射表面152具有在x和z方向上二维排列的探测器单元154。换句话说，X射线入射表面152以探测器单元154的二维阵列来形成。当采用扇形束X射线时，X射线入射表面152可以以探测器单元154的一维阵列来形成。每个探测器单元154用作X射线探测器150中的探测通道。因此，X射线探测器150是多通道X射线探测器。每个探测器单元154由例如闪烁器和光电二极管组成。图5概述了在操作者控制台300中执行的图像重建过程。该过程是用于实施根据本发明的图像重建方法的最佳方式的例子。该过程由内置计算机执行。如图5所示，在步骤101执行迭代重建。在步骤103执行插值以便显示图像。步骤101的迭代重建是基于例如有序子集最大期望值(OSEM)技术来执行的。因此，图像重建可以被正确地实现。迭代重建也许不是基于OSEM技术执行的，而是可以基于乘代数重建(MART)技术或抛物面替代(paraboloidalsurrogate)坐标下降(PSCD)技术来执行。基于OSEM技术的图像重建将在下面描述。注意，这同样适用于基于MART或PSCD技术的图像重建。为了迭代重建，使用了在步骤105计算的投影数据和系统矩阵。预先存储的子矩阵被用来计算系统矩阵。下面将描述子矩阵。子矩阵所涉及的系统模型将被预先描述。图6说明了系统模型。如图6所示，系统模型具有多个同心环。每个环被分成等角的扇形。每个环被分割的单元的角度等于视图的角度步长或其整数倍。在所有环中，每个环被分割成的扇形的数目不必相同。最外面的环被分割成的扇形的数目可以最大。在这种情况下，在整个系统模型中各扇形的长度几乎相同。而且，各扇形的宽度不必相同，而是可以变化。从源放射状延伸的多条投影线表示提供组成系统模型的一个视图(i表示视图数目)的投影数据的X射线。投影线表示例如扇形束X射线的各条X射线。表示扇形束X射线的中心X射线的投影线应当穿过系统模型的中心，并且垂直于环的半径之一。通过使用投影线，矩阵可以充分地与由扇形束X射线提供的投影数据相关。当用平行束X射线代替扇形束X射线时，多条投影线彼此平行地延伸，并且垂直于环的半径之一。通过使用投影线，矩阵可以充分地与由平行束X射线提供的投影数据相关。将通过采用其中例如使用了径向投影线的情况来继续进行描述。注意，这同样适用于其中使用了平行投影线的情况。投影线穿过系统模型的特定扇形。第j条投影线所穿过的一个扇形(突出显示的)应当被聚焦。子矩阵被定义为当表示提供一个视图的X射线时所有投影线所穿过的一组这样的扇形。子矩阵可以被认为是与视图i相关的系统矩阵。一组与所有视图相关的子矩阵被认为是系统矩阵。在下文中，子矩阵可以被简单地称为矩阵。组成系统矩阵的每个元素应当是落入每个扇形内的投影线j的长度aij。这种定义简化了系统矩阵。每个元素可以被定义为落入每个扇形内的投影条k的部分面积aik(突出显示的)。这种定义实现了精确的系统矩阵。图7详细地示出了部分面积。阴影部分表示落入扇形内的投影条的部分面积。面积的大小用标准化的面积Sik表示如下[公式1]aik＝Sik/((ltop+lbottom)/2)在此，ltop和lbottom表示在限定扇形的源的一边与对边上的条k中弧的长度。因此，将每个元素标准化。参考图8，将描述子矩阵的性质。图8(a)和图8(b)示出了其中穿过系统模型的投影线j表示提供两个连续视图1和2中的任何一个的X射线之一的情形。在此为了简洁起见，视图的总数是8个。如图8(a)和图8(b)所示，当表示提供视图1的X射线之一时，投影线j穿过扇形1，而当表示提供视图2的X射线之一时，投影线j穿过扇形2。由于系统模型的每个环被分成扇形的单元的角度等于视图的角度步长，因此当表示提供视图1或2的X射线之一时，投影线j所穿过的扇形1和2的位置彼此相同。因此，当表示提供视图2的X射线之一时投影线j穿过扇形2的情形与当表示提供视图1的X射线之一时投影线j穿过扇形1的情形相同。因此，在与视图2相关的子矩阵中包括的元素a’ij采用与在与视图1相关的子矩阵中包括的元素aij相同的值。在表示提供视图1的X射线的所有投影线和表示提供视图2的X射线的所有投影线之间建立相同的关系，并且还在表示提供视图3的X射线、表示提供视图4的X射线、表示提供视图5的X射线、表示提供视图6的X射线、表示提供视图7的X射线和表示提供视图8的X射线的所有其它投影线之间建立相同的关系。因此，与所有视图相关的子矩阵的结构除视图数目外彼此相同。因此，一旦与一个视图相关的子矩阵被预先计算和存储，则所有剩下的子矩阵可以通过存储的子矩阵的变换来建立。这同样适用于其中将落入每个扇形的投影条的部分面积看作一个元素的情况。图9详述了图像重建过程。如图9所示，在步骤501执行投影数据和矩阵的初始化和读取。矩阵被预先计算并存储在存储器中。矩阵是子矩阵，或者换句话说是与一个视图有关的系统矩阵。计算不是施加在计算机上的大的负担，并且矩阵的存储不会消耗大的存储容量。在步骤503，选择投影数据的子集。在步骤505，计算与该子集相关的矩阵。根据从存储器读取的子矩阵来计算与该子集相关的矩阵。计算包括简单的变换，因此只给计算机施加小的负担。在步骤507，有序子集最大期望值(OSEM)被迭代一次。在步骤509，确定是否继续迭代。如果认为需要迭代，则控制返回到步骤503。在步骤503选择投影数据的子集，在步骤505计算矩阵并在步骤507迭代OSEM。因此，通过迭代重建来重建出一幅图像。由于在每次OSEM迭代时计算与子集相关的矩阵，因此可以适时地产生系统矩阵。如果在步骤509认为不需要进行迭代，那么在步骤511执行插值。由于如图10左边所示，重建的图像是由扇形像素组成的图像，因此如图10右边所示，图像通过插值被变换成由矩形像素组成的图像。例如采用双线性插值来作为插值。因此，图像可以被适当地变换。然而，插值不限于双线性插值，而是可以使用适当的算法来执行。图11列出了前述图像重建所需的时间与根据常规方法执行的图像重建所需的时间的比较。如图11所列出的，当采用根据本发明的方法时，图像重建的速度增加至常规速度的大约4倍到20倍。图12示出根据常规方法产生的体模(phantom)的重建图像与根据本发明的方法产生的体模的重建图像的比较。(a)显示了体模的实像，(b)显示了根据常规方法产生的重建图像，以及(c)显示了根据本发明的方法产生的重建图像。如从图12中显而易见的，根据本发明的方法提供的重建图像与根据常规方法产生的重建图像一样好。图13示出分别表示体模的实像和根据常规方法和本发明的方法产生的重建图像的一维分布。虚线描述体模的实像的分布。一长划和两短划交替的线描述根据常规方法产生的重建图像的分布。实线描述根据本发明的方法产生的重建图像的分布。根据常规方法和本发明的方法分别产生的重建图像的分布没有差异。一长划和两短划交替的线和实线彼此完全重合。图14示出根据本发明的方法产生的三个体模的重建图像与通过滤波反投影(FBP)产生的其重建图像的比较。在图14中，(a1)、(a2)和(a3)显示了通过FBP产生的重建图像，(b1)、(b2)和(b3)显示了根据本发明的方法产生的重建图像，(c1)、(c2)和(c3)显示了差别图像。如从图14中显而易见的，根据本发明的方法提供的图像与通过FBP产生的图像几乎没有差异。附图标记列表10受检者100机架110X射线放射/检测设备130X射线管132焦点134X射线150X射线探测器152X射线入射表面154探测器单元200工作台202工作台面204托架206柱状支座208底座300操作者控制台302显示器501执行投影数据和矩阵的初始化和读取503选择投影数据的子集505变换子矩阵以获得与子集相关的矩阵507第一次迭代OSEM509继续迭代吗？511执行插值权利要求1.一种图像重建方法，包括下列步骤构造具有多个同心环的系统模型，每个同心环被分成多个扇形；通过使用组成系统模型的所有扇形中的一些来构造与一个视图相关的系统矩阵，所述的所有扇形中的一些位于与所述的一个视图有关的相应的投影线上；通过变换与所述的一个视图相关的系统矩阵来产生与另一视图相关的系统矩阵；通过使用系统矩阵和投影数据经由迭代重建来重建图像；以及将图像变换成由矩形像素组成的图像。2.根据权利要求1所述的图像重建方法，其中组成系统矩阵的每个元素是落入每个扇形的投影线的长度。3.根据权利要求1所述的图像重建方法，其中组成系统矩阵的每个元素是落入每个扇形的投影条的部分面积。4.根据权利要求3所述的图像重建方法，其中所述部分面积是标准化面积。5.根据权利要求1-4中任何一项所述的图像重建方法，其中与另一视图相关的系统矩阵的产生是在每次迭代时执行的。6.根据权利要求1-5中任何一项所述的图像重建方法，其中采用有序子集最大期望值(OSEM)技术来作为迭代重建技术。7.根据权利要求1-6中任何一项所述的图像重建方法，其中变换成由矩形像素组成的图像是通过双线性插值来实现的。8.根据权利要求1-7中任何一项所述的图像重建方法，其中投影线表示扇形束X射线。9.根据权利要求1-7中任何一项所述的图像重建方法，其中投影线表示平行束X射线。10.一种X射线CT设备，包括利用X射线扫描受检者以便采集投影数据的数据采集设备以及基于所采集的投影数据来重建图像的图像重建设备，其中图像重建设备包括系统模型构造装置，用于构造具有多个同心环的系统模型，每个同心环被分成多个扇形；系统矩阵构造装置，用于通过使用组成系统模型的所有扇形中的一些来构造与一个视图相关的系统矩阵，所述的所有扇形中的一些位于与所述的一个视图有关的相应的投影线上；系统矩阵产生装置，用于通过变换与所述的一个视图相关的系统矩阵来产生与另一视图相关的系统矩阵；图像重建装置，其通过使用系统矩阵和投影数据经由迭代重建来重建图像；以及变换装置，用于将图像变换成由矩形像素组成的图像。11.根据权利要求10所述的X射线CT设备，其中组成系统矩阵的每个元素是落入每个扇形的投影线的长度。12.根据权利要求10所述的X射线CT设备，其中组成系统矩阵的每个元素是落入每个扇形的投影条的部分面积。13.根据权利要求12所述的X射线CT设备，其中所述部分面积是标准化面积。14.根据权利要求10-13中任何一项所述的X射线CT设备，其中系统矩阵产生装置在每次迭代时产生与另一视图相关的系统矩阵。15.根据权利要求10-14中任何一项所述的X射线CT设备，其中采用有序子集最大期望值(OSEM)技术来作为迭代重建技术。16.根据权利要求10-15中任何一项所述的X射线CT设备，其中变换装置通过双线性插值来将图像变换成由矩形像素组成的图像。17.根据权利要求10-16中任何一项所述的X射线CT设备，其中投影线表示扇形束X射线。18.根据权利要求10-16中任何一项所述的X射线CT设备，其中投影线表示平行束X射线。全文摘要本发明打算提供一种基于迭代重建技术并且特征在于短的图像重建时间、小的存储容量和高的图像质量的图像重建方法。该图像重建方法包括下列步骤构造具有多个同心环的系统模型，每个同心环被分成多个扇形；通过使用组成系统模型的所有扇形中的一些来构造与一个视图相关的系统矩阵，所述的所有扇形中的一些位于与所述的一个视图有关的相应的投影线上；通过变换与所述的一个视图相关的系统矩阵来产生与另一视图相关的系统矩阵；通过使用系统矩阵和投影数据经由迭代重建来重建图像；以及将图像变换成由矩形像素组成的图像。文档编号G06T11/00GK101034479SQ20061007396公开日2007年9月12日申请日期2006年3月10日优先权日2006年3月10日发明者周宇,李悟申请人:Ge医疗系统环球技术有限公司