专利名称：计算机层析摄影系统中数据的简化预处理方法和装置的制作方法
一般来说，本发明涉及计算机层析(CT)成象，更具体地说，本发明涉及在一个CT系统中数据预处理的简化。
在至少一种已知的CT系统配置中，一个X射线源发射一扇形射线束，这束射线经过准直使位于一个卡笛尔坐标系的X-Y平面中，这个平面通常被称为“成象平面。X射线束穿过被成象的物体，例如一个病人。射线束在被该物体衰减之后照射到一个辐射探测器阵列。在探测器阵列中所接收的经过衰减的射线束的强度与物体对X射线束的衰减程度有关。探测器阵列中的每一个探测器单元产生一个独立的电信号，这个信号就是在这个探测器位置的射线束衰减的一个量度。分别获取所有探测器得到的衰减测量值以得到透射分布。
在已知的第三代CT系统中，X射线源和探测器阵列随着一个机架在成象平面内并且围绕着待成象物体转动，从而使得X射线束与物体相交的角度总是在变化。在一个机架角度位置探测器阵列所得到的一组X射线衰减测量值，即投影数据被称为一个“视图”(view)。物体的一次扫描(scan)包含在X射线源和探测器转动一圈过程中的多个不同的机架角度获得的一组视图。在一次轴向扫描中，对所获得的投影数据进行处理以构成对应于在该物体中截取的一个两维切片的一帧图象。在本领域中根据一组投影数据重构一帧图象的一种方法被称为滤波背景投影技术。这种处理方法将在一次扫描中获得的衰减测量值转换成被称为“CT数”或“Hounsfield单位”的整数，这些数据用于控制阴极射线管显示器上一个对应象素的亮度。
为了减少对多个切片扫描所需的总的扫描时间，可以进行“螺旋”扫描。为了进行“螺旋”扫描，在获取预定数目的切片的数据过程中，病人沿Z轴方向随机架的旋转同步移动。这样一个系统由于扇形射线束螺旋扫描而形成一条螺旋线。由扇形射线束映射出的这条螺旋线形成投影数据，根据这些数据可以重构每个预定切片的图象。
对于螺旋扫描的重构算法通常使用螺旋加权(“HW”)算法，这种算法将采集的数据作为扫描视角和探测器信道标引的函数进行加权。特别是，在滤波背景投影之前，根据一个螺旋加权因子对数据进行加权，所说加权因数是扫描视角和探测器角度的函数。具体地说，就是对投影数据进行滤波、加权和背景投影处理以构成每帧图象。
在已知的CT系统中，预处理每个视图的“原始”投影数据以生成“完全预处理的”投影数据。已知的预处理定标步骤包括一次对数运算，并且在进行这种运算之前进行QCAL(例如，定标z轴上的X射线位置)、Θ定位、XCAL(例如串绕校正)、空气定标和矩阵消卷积运算。在对数运算之后，其它的预处理步骤包括X射线硬化和z轴倾斜校正。每个预处理步骤都是复杂的，需要大量的计算时间和成本。
图象重构时间，即扫描和重构图象的时间与系统预处理有关。具体地说，通过减少系统预处理步骤，能够缩短图象重构时间。但是到目前为止，据信减少或取消任何预处理步骤都会明显地降低图象质量。
所以需要通过减少对原始投影数据的预处理步骤来缩短在CT系统中的图象重构时间。还需要在不明显降低整个图象质量和不明显地增加已知的CT系统的成本的前提下缩短重构时间。而且还需要降低预处理原始投影数据所需的成本和时间。
这些目的以及其它目的可以在这样一个系统中实现，在一个实施例中，这个系统，对原始投影数据执行一种估算算法，这种算法不需要对图象重构的所有投影数据进行完全的预处理。具体地说，并且根据本发明的一个实施例，对一个基准视图的原始投影数据进行预处理以生成基准视图的完全预处理的投影数据。然后利用基准视图的至少一部分完全预处理的投影数据估算后续视图的预处理投影数据。更具体地说，利用经过预处理的投影数据和基准视图的原始投影数据产生一个线性化因子。然后由一种线性定标算法将该线性化因子应用于后续视图的原始投影数据以估算这些后续视图的预处理投影数据。
利用上述的这种估算算法减少了处理时间，并且能够在无需对每一视图的原始投影数据进行独立的完全预处理的前提下对视图的原始投影数据进行预处理。此外，减少了重构图象所需的计算成本和费用。这种算法还缩短了处理时间，而且可以相信没有明显降低图象质量。
图1为一个CT成象系统的示意图。
图2为图1所示系统的方框示意图。
图3表示根据本发明的一个实施例预处理原始投影数据的预处理时间线。
参照图1和图2，如图所示的一个计算机层析摄影(CT)成象系统10包括一个机架12，它表示了一个“第三代”CT扫描设备。机架12中包括一个X射线源14，该X射线源将一X射线束16投射到位于机架12相反一侧的探测器阵列18上。探测器阵列18由若干探测器单元20构成，这些探测器单元20共同探测穿过一个接受诊断的病人22身体的投影X射线。每个探测器单元20产生一个电信号，该信号表示入射X射线束的强度以及当射线束通过病人22身体时的衰减。在获取X射线投影数据的扫描过程中，机架12和安装在其上的部件围绕一个旋转中心24转动。
机架12的旋转和X射线源14的操作由CT系统10的一个控制机构26操纵。控制机构26包括一个X射线控制器28和一个机架马达控制器30，控制器28向X射线源14提供电源和时序信号，而控制器30用于控制机架12的转动速度和位置。控制机构26中的一个数据采集系统(DAS)32对从探测器单元20输出的模拟数据进行采样，并将这些数据转换成数字数据，以备后续处理之用。一个图象重构装置34从DAS32接收经过采样和数字化的X射线数据，并进行快速图象重构。重构的图象作为一个输入信号传输到一台计算机36，计算机36将该图象存储在一个大容量存储器38中。
计算机36还接收一个操作者从包含一个键盘的控制台40发出的命令和扫描参数。一个相连的阴极射线管显示器42可以使操作者观察重构的图象以及计算机36产生的其它数据。计算机36利用操作者发出的命令和参数向DAS32、X射线控制器28和机架马达控制器30传送控制信号和信息。此外，计算机36操作一个台面马达控制器44，该控制器44控制一个被驱动的台面46、或者叫病人台，用来将病人22在机架12中进行定位。具体地说，台面46使病人身体的一部分移动通过机架开口48。在本申请中有时又将机架开口48称为机架孔。
在重构一帧图象时通常要预处理原始投影数据。已知的预处理步骤需要进行QCAL(定标X射线沿z轴上探测器18的位置)、Θ定位、XCAL(修正相邻探测器单元20的输出值之间的串扰)、空气定标和矩阵消卷积。如上所述，对每个视图的原始投影数据进行预处理是非常耗时和复杂的。
以下对于估算算法的讨论有时是特别参照采用轴向扫描的CT系统进行的。但是，这种估算算法并不局限于只应用于这种系统，而是可以应用于其它CT系统，例如螺旋扫描CT系统，动态CT系统和CT荧光系统。另外，在一个实施例中，估算算法可以应用于计算机36中，并且可以处理，例如，存储在大容量存储器38中的数据。许多其它的实施方式当然也是可能的。
根据一个实施例，将一种估算算法应用于原始投影数据以产生预处理投影数据，而无需对这些原始投影数据进行完全预处理。具体地说，如已知的，进行一次高图象质量扫描，以获取有关一个病人22或者被检测物体的原始投影数据。根据已知的预处理技术对该被检测物体的基准视图的原始投影数据进行预处理，以产生该基准视图的完全预处理投影数据。然后利用该基准视图的至少一部分经过预处理的投影数据对后续视图的原始投影数据进行预处理。
更具体地说，对后续视图的原始投影数据不是进行完全预处理，而是对后续视图的原始投影数据使用一种线性定标算法以产生这些视图的估算预处理投影数据。作为一个具体的例子，并且仅仅考虑CT系统10的一个信道，假定I1为基准视图的原始投影数据的一个投影值，并且假定1为该基准视图的完全预处理投影数据的一个投影值。根据下式可以估算出一个后续视图，或者说第二个视图的预处理投影数据I^2=I^1I1*I2-----(1)]]>其中I2为后续视图的原始投影数据的一个投影值；2为后续视图的估算预处理投影数据的一个投影值；以及1/I1为一个线性化因子。
所以，可以无需对这些视图的原始投影数据I2进行完全预处理而得到后续视图的预处理投影数据2。类似地，可以估算出再下一个视图的同一信道的预处理投影数据3，4，…n。
虽然上述内容仅仅相对于一个信道，但是实际上这种线性定标算法是应用于所有探测器信道的。因此，这种线性定标算法对于每个后续视图的所有信道的原始投影数据不是施加一个线性化因子，而是施加一个线性化矢量{1/I1}，以估算出这些视图的预处理投影数据。更具体地说，线性化矢量{1/I1}是为基准视图的所有信道定义的，根据下式将该矢量应用于每个后续视图的所有信道的原始投影数据I^2={I^1I1}*I2-----(2)]]>其中I2为后续视图的原始投影数据的一个投影值；2为后续视图的估算预处理投影数据的一个投影值；以及{1/I1}为一个线性化矢量。
图3表示根据上述实施例在实施对数运算之前采用预处理步骤预处理原始投影数据的一个预处理时间线。具体地说，为了产生预处理投影数据1，利用原始投影数据I1进行下列的各个预处理步骤QCAL，Θ定位，ACAL(空气定标)和矩阵消卷积(或者MatrixDecon)。这些预处理步骤中的每一个在本领域中都是众所周知的，并且如上所述，需要大量的计算时间和成本。但是，上述的估算算法取消了这样一些处理步骤，即，可以无需对原始投影数据I2进行QCAL，Θ定位，ACAL，或矩阵消卷积运算就估算出预处理投影数据2。
上述的估算算法减少了通常在预处理一组视图的投影数据时所需的预处理步骤。因此，缩短了图象重构时间。当然，还可以通过改进上述算法减少预处理步骤。
例如，根据本发明的另一个实施例，不是对一个基准视图的投影数据进行完全预处理，而是对第一和第二基准视图，1和M，的原始投影数据进行完全预处理。1和M可以是任何选定的视图，并且可以是任一给定扫描中的多个基准视图1和M。然后利用这些基准视图的预处理投影数据1和M预处理中间视图I2-IM-1的原始投影数据。具体地说，利用一种线性定标算法根据公式(1)将这些原始投影数据线性化。更具体地说，根据下列线性关系式确定中间视图2-M-1的预处理投影数据I^j=I^1IM-I1*(IM-Ij)+I^MIM-I1(Ij-I1)]]>其中j＝2，…，M-1(3)与上述的线性定标算法一样，公式(3)应用于探测器18的所有信道。
上述实施例使得可以无需对原始投影数据进行预处理就产生经过预处理的投影数据。所以，缩短了重构时间。此外，据信上述算法不会明显地降低图象质量，并且不需要增加实施成本。
为了进一步抑制图象质量的下降，可以通过一次扫描构成一个新的或更新的基准视图。具体地说，周期地对原始投影数据进行完全预处理以产生一个新的基准视图，该基准视图用于其后的预处理估算。
此外，为了提高图象质量，可以采用一种正则化方法。具体地说，可以根据下式确定中间视图2-M-1的预处理投影数据I^j=12*{I^1+I^M}]]>如果|I^1-I^MI^1|≤T,]]>并且(4)I^j={I^1IM-I1}*(IM-Ij)+{I^MIM-I1}*(Ij-I1)]]>其它情况其中j＝2，…，M-1，T为一个阈值。阈值T可以预先选择并存储，例如，存在大容量存储器38中。在本发明的一个实施例中，阈值T为0.05。
或者，可以根据下式确定中间视图2-M-1的预处理投影数据I^j=Ij2*{[I^1I1]+[I^MIM]}]]>如果|I^1-I^MI^1|≤T,]]>并且(5)I^j={I^1IM-I1}*(IM-Ij)+{I^MIM-I1}*(Ij-I1)]]>其它情况其中j＝2，…，M-1，T为一个阈值。
从上面对本发明的各个实施例的描述，显然实现了本发明的目的。尽管已经详细描述和图解了本发明，但是应当理解这只是以图解和示例的方式描述本发明，而不是以限制的形式描述本发明。例如，上述算法是与在对数运算之前的预处理步骤结合实施的。这种算法还可以与对数运算之后的预处理步骤结合实施(例如与Z轴倾斜修正结合)。此外，这里所述的CT系统是一个“第三代”系统，在这种系统中X射线源和探测器都围绕着机架旋转。还可以使用包括“第四代”系统在内的许多其它的CT系统，它们的探测器是一种完整环形固定探测器，只有X射线源围绕机架旋转。同样地，上述实施例可以用于多切片系统。所以，本发明的构思和范围仅仅由所附的权利要求书限定。
权利要求
1.一种用于在一个CT系统中利用在一次扫描中获取的原始投影数据重构一个物体的图象的方法，所说CT系统具有一个用于投射X射线的X射线源和一个探测器阵列，所说的探测器阵列包括一组探测器，所说的方法包括以下步骤预处理至少一个基准视图的原始投影数据以产生该基准视图的预处理投影数据；利用所说基准视图的至少一部分经过预处理的投影数据估算后续视图的预处理数据。
2.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于估算后续视图的预处理投影数据的步骤包括对后续视图的原始投影数据实施一种线性定标算法的步骤。
3.如权利要求2所述的一种方法，其特征在于所说后续视图的预处理投影数据是根据下式估算的I^2=I^1I1*I2]]>其中1为该基准视图的预处理投影数据的一个投影值；I1为该基准视图的原始投影数据的一个投影值；2为所说后续视图的预处理投影数据的一个投影值；和I2为所说后续视图的原始投影数据的一个投影值。
4.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于估算后续视图的预处理投影数据的步骤包括对所说后续视图的原始投影数据施加一个线性化矢量的步骤。
5.如权利要求4所述的一种方法，其特征在于所说线性化矢量为{1/I1}其中1为所说基准视图的预处理投影数据的一个投影矢量；I1为所说基准视图的原始投影数据的一个投影矢量。
6.一种用于在一个CT系统中利用在一次扫描中获取的原始投影数据重构一个物体的图象的方法，所说CT系统具有一个用于投射X射线的X射线源和一个探测器阵列，所说的探测器阵列包括一组探测器，所说的方法包括以下步骤预处理两个基准视图的原始投影数据以产生这两个基准视图的预处理投影数据；利用这两个基准视图的至少一部分经过预处理的投影数据估算这两个基准视图之间的一个中间视图的预处理数据。
7.如权利要求6所述的一种方法，其特征在于估算所说中间视图的预处理投影数据的步骤包括对所说中间视图的原始投影数据实施一种线性定标算法的步骤。
8.如权利要求7所述的一种方法，其特征在于所说中间视图的至少一部分预处理投影数据是根据下式估算出的I^j=I^1IM-I1*(IM-Ij)+I^MIM-I1*(Ij-I1)]]>其中j＝2，…，M-1其中1为一个基准视图的预处理投影数据的一个投影值；I1为所说的一个基准视图的原始投影数据的一个投影值；M为另一个基准视图的预处理投影数据的一个投影值；IM为所说的另一个基准视图的原始投影数据的一个投影值；j为所说中间视图的预处理投影数据的一个投影值；和Ij为所说中间视图的原始投影数据的一个投影值。
9.如权利要求8所述的一种方法，其特征在于所说中间视图的预处理投影数据是根据下式估算出的I^j=12*{I^1+I^M}]]>如果|I^1-I^MI^1|≤T,]]>并且I^j={I^1IM-I1}*(IM-Ij)+{I^MIM-I1}*(Ij-I1)]]>其它情况其中T为一个阈值。
10.如权利要求8所述的一种方法，其特征在于所说中间视图的预处理投影数据是根据下式估算出的I^j=Ij2*{[I^1I1]+[I^MIM]}]]>如果|I^1-I^MI^1|≤T,]]>并且I^j={I^1IM-I1}*(IM-Ij)+{I^MIM-I1}*(Ij-I1)]]>其它情况其中T为一个阈值。
11.一种利用在一次层析摄影扫描中获取的原始投影数据重构一个物体的图象的系统，所说系统这样构成，使其预处理至少一个基准视图的原始投影数据以产生该基准视图的预处理投影数据；利用所说基准视图的至少一部分经过预处理的投影数据估算后续视图的预处理数据。
12.如权利要求11所述的一种系统，其特征在于为了估算后续视图的预处理投影数据，所说系统这样构成，使其对后续视图的原始投影数据实施一种线性定标算法。
13.如权利要求12所述的一种系统，其特征在于所说后续视图的预处理投影数据是根据下式估算的I^2=I^1I1*I2]]>其中1为该基准视图的预处理投影数据的一个投影值；I1为该基准视图的原始投影数据的一个投影值；2为所说后续视图的预处理投影数据的一个投影值；和I2为所说后续视图的原始投影数据的一个投影值。
14.如权利要求11所述的一种系统，其特征在于为了估算后续视图的预处理投影数据，所说系统这样构成，使其对所说后续视图的原始投影数据施加一个线性化矢量。
15.如权利要求14所述的一种系统，其特征在于所说线性化矢量为{1/I1}其中1为所说基准视图的预处理投影数据的一个投影矢量；I1为所说基准视图的原始投影数据的一个投影矢量。
16.如权利要求11所述的一种系统，它还这样构成，使其预处理两个基准视图的原始投影数据以产生所说的两个基准视图的预处理投影数据，并且其中所说后续视图位于两个基准视图中间。
17.如权利要求16所述的一种方法，其特征在于估算后续视图的预处理投影数据的步骤包括对后续视图的原始投影数据实施一种线性定标算法的步骤。
18.如权利要求17所述的一种方法，其特征在于所说后续视图的至少一部分预处理投影数据是根据下式估算出的I^j=I^1IM-I1*(IM-Ij)+I^MIM-Ij*(Ij-I1)]]>其中j＝2，…，M-1其中1为一个基准视图的预处理投影数据的一个投影值；I1为所说的一个基准视图的原始投影数据的一个投影值；M为另一个基准视图的预处理投影数据的一个投影值；IM为所说的另一个基准视图的原始投影数据的一个投影值；j为所说中间视图的预处理投影数据的一个投影值；和Ij为所说中间视图的原始投影数据的一个投影值。
19.如权利要求18所述的一种方法，其特征在于所说中间视图的预处理投影数据是根据下式估算出的I^j=12*{I^1+I^M}]]>如果|I^1-I^MI^1|≤T,]]>并且I^j={I^1IM-I1}*(IM-Ij)+{I^MIM-I1}*(Ij-I1)]]>其它情况其中T为一个阈值。
20.如权利要求18所述的一种方法，其特征在于所说中间视图的预处理投影数据是根据下式估算出的I^j=Ij2*{[I^1I1]+[I^MIM]}]]>如果|I^1-I^MI^1|≤T,]]>并且I^j={I^1IM-I1}*(IM-Ij)+{I^MIM-I1}*(Ij-I1)]]>其它情况其中T为一个阈值。
全文摘要
本发明涉及根据在一次层析摄影扫描中获取的原始投影数据进行图象重构的系统。该系统无需对图象重构所需的所有原始投影数据进行完全预处理,而是对一个基准视图的原始投影数据进行预处理以产生该基准视图的预处理投影数据。一种线性定标算法利用该基准视图的至少一部分经过完全预处理的投影数据生成一个线性化矢量。然后将该线性化矢量应用于后续视图的原始投影数据以产生这些后续视图的预处理投影数据。
文档编号G06T3/00GK1188947SQ9712559
公开日1998年7月29日 申请日期1997年12月24日 优先权日1997年12月24日
发明者G·M·贝森 申请人:通用电气公司