计算机断层成像中图像数据的迭代重建的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明的至少一个实施例通常涉及用于从投影数据中重建对象的图像数据集的 方法，其中通过X射线计算机断层成像（CT)系统从对象中采集投影数据。本发明的进一步 实施例通常还涉及用于从投影数据中重建对象的图像数据集的计算单元，包括该计算单元 的计算机断层成像系统，以及包括用于执行该本发明的方法的程序代码的数据载体。
【背景技术】
[0002] 在X射线计算机断层成像中，将从中采集投影数据的对象通常从许多投影 方向暴露于X射线辐射。然后从投影数据中重建图像数据集。这通常使用反向投影 (back-proiection)方法来完成，其中投影数据经常被预处理。例如，经常执行所谓的重排 (rebinning)步骤，其中重新布置从x射线的扇形束中生成的投影数据，使得它出于如同x 射线束已平行的这样一种形式。因此已经被重新布置和滤波的数据然后用于反向投影到感 兴趣的体积内的各个图像点或体素（voxel)上。
[0003] 通常用于重建的一种标准方法是所谓的滤波反向投影方法（FBP)。用这种方法，重 排的数据通常首先被转换到其中通过用到卷积核的乘法而发生滤波的频率范围中。然后反 变换滤波后的数据，并在滤波后的数据上完成反向投影。卷积核的选择允许影响的期望的 图像特性，特别是图像锐化器和噪声。经常使用的一种算法是所谓的Feldkamp算法。
[0004] 然而，简单的反向投影方法具有缺点：当投影数据不完整时，例如在投影方向没有 覆盖180°的角加上对象周围的扇形波束角时，或者对象不完全在所有投影的视野内，它们 不产生满意的结果。它们还不能完全说明数据的统计性能。
[0005] 最近已开发的其它重建方法是迭代图像重建方法。在这种迭代重建方法中，从测 量的投影数据中重建初始图像数据首先发生。从该初始图像数据中，应该尽可能接近地数 学映射CT系统的投影几何构造和数据采集过程的"投影仪"（投影算子）被用来生成合成 的投影数据。然后反向投影关于测量的投影数据的差，从而重建可用来更新初始图像的残 余图像。更新后的图像数据反过来可用于：在下一个迭代步骤中通过投影算子的帮助而生 成新的合成的投影数据，以再次形成与测量信号的差并计算新的残余图像，其反过来可用 于改善当前迭代阶段的图像数据。
[0006] 然而，这些迭代的图像重建算法经常不快速收敛，并且因此是非常计算密集的。已 经提出了基于惩罚加权的最小二乘模型的多个重建算法。然而，当前没有任何迭代重建方 法被认为是对常规临床用途满意。
[0007] 所谓的FISTA(快速迭代收缩阈值处理算法）是一种用于x射线CT的统计迭代 重建方法的算法。它用快速外部收敛循环同时更新所有的体素。然而，该方法由于需要 在每个迭代时用相关的体素解决非线性图像去噪问题而受阻碍。在由Amir Beck和Marc Teboulle 的"A Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm for Linear Inverse Problems" SIAM，J. Imaging Sciences，第 2 卷，第 1 期，第 183-202 页的论文中 描述了 FISTA。在此通过引用将该论文的内容并入。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种用于CT数据的迭代重建方法，以及相应的计算单元和 包括执行该方法的合适程序代码的数据载体，其克服现有技术方法的以上缺点。特别地，本 发明的目的是提供一种快速收敛的重建方法，本发明通常是快速和稳定的，能够对付不完 整或稀疏的数据，以便允许减少给予患者的剂量，并且能够充分解释数据的统计性能。
[0009] 本发明的至少一个实施例涉及一种用于从投影数据中重建对象的图像数据集的 方法，其中通过X射线计算机断层成像系统而从对象中采集投影数据，该方法包括步骤：
[0010] -通过反向投影算法而从投影数据中重建初始图像数据集；
[0011] -将初始图像数据集分成体素的块，每个块至少近似具有相同的尺寸；
[0012] -定义第一图像数据集内体素的组，其中通过从每个块中选择一个体素而定义每 个组，一个组内的每个体素相对于其块内的其它体素具有相同位置，其中一个组内的体素 定义子空间；
[0013] -通过最小化包括第一项和第二项的优选加权和的函数，为一个组内的所有体素 更新体素值，从而生成中间图像数据集，所述第一项至少表示数据采集过程的几何构造，所 述第二项优选是正则项；
[0014] -使用中间图像数据集作为输入来重复为一个组内的所有体素更新体素值的步 骤，直到所有组的体素已经更新至少一次，由此获得最终的图像数据集。
[0015] 在本发明的至少一个实施例中，最终的图像数据集具有良好的质量，即使在输入 的测量的投影数据不完整或稀疏时。在发明的至少一个实施例中，可至少部分地通过并行 处理而进行迭代重建方法，其中可并行执行几个计算步骤。
[0016] 发明还涉及一种用于从投影数据中重建对象的图像数据集的相应计算单元，其适 于执行根据本发明的方法。根据至少一个实施例，它将至少包括用于存储投影数据和最终 的图像数据集的第一数据存储单元，并且该第一数据存储单元可以是硬盘、服务器、USB棒、 光学或其它长期存储设备。它可进一步包括用于存储中间图像数据集的第二数据存储单 元，其中该数据存储组件可以是更快和更临时的组件，诸如计算机的工作存储器。计算单元 还需要用于重建第一图像数据集并用于执行更新步骤的数据处理单元。这种数据处理单元 可以是任何计算机类型的计算组件，例如PC或其它工作站或计算机的CPU。通常，计算单元 可以是任何类型的计算机、笔记本电脑、便携式设备的一部分以及当然可以是对于医疗图 像的任何采集系统。在至少一个实施例中，计算单元还将包括用于输出最终的图像数据集 的图像数据集接口，例如屏幕、显示器或打印机。根据至少一个实施例，计算单元还将包括 用于传送使用x射线计算机断层摄影装置采集的投影数据的数据接口。
[0017] 该计算单元可以是计算机断层成像系统的一部分，计算机断层成像系统包括可旋 转的投影数据采集单元，可旋转的投影数据采集单元包括X射线源和用于采集对象的投影 数据的检测器。
[0018] 该方法可以软件的形式实现，例如在计算单元或计算机断层成像系统上。发明还 涉及一种包括计算机程序的程序代码的数字数据载体，在计算机上执行计算机程序时，数 字数据载体能够根据本发明的方法的任何实施例实现方法。还通过计算机程序产品实现该 目的，计算机程序产品可被加载到可编程计算单元的数据存储单元中，该可编程计算单元 可以是计算机断层成像系统的一部分。
[0019] 发明的进一步有利的实施例和发展将来自从属权利要求和下面的描述。还可以按 照与不同权利要求类别的从属权利要求相同的方式开发一个权利要求类别的方法或主题。 此外，所有从属权利要求的主题可彼此组合。
【附图说明】
[0020] 基于示例性实施例，下面参照附图更详细地描述发明。相似的组件在图中被指定 相同的附图标记。
[0021] 图1示出具有图像重建设施的计算机断层成像系统的第一示例性实施例的示意 性表示，
[0022] 图2示出具有图像构造设施的计算机断层成像系统的第二示例性实施例的示意 性表示，
[0023]