專利名稱：運行x射線診斷設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于運行包括X射線放射源和X射線圖像檢測器的X射線診斷設(shè)備的方法，其中X射線放射源和X射線圖像檢測器之間的距離(SID)可調(diào)。
背景技術(shù)：
由DE 10037735 A1公開的這種X射線診斷設(shè)備例如在圖1中示出，該設(shè)備具有可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在支架1上的C型臂2，在C型臂的末端分別設(shè)置了X射線放射器3和X射線圖像檢測器4。
還可以采用地板或頂棚式三角架來代替示出的支架1。C型臂2還可以被所謂的電C型臂2取代，其中將X射線放射器3和X射線圖像檢測器4進(jìn)行電耦合。
X射線圖像檢測器4可以是矩形、方形或扇形的半導(dǎo)體檢測器，優(yōu)選由非晶硅(aSi)制成。
在X射線放射器3的放射路徑中設(shè)置了患者臥榻5以用于拍攝待檢查的患者。
在X射線診斷時需要高分辨的圖像來作為可靠和正確診斷的基礎(chǔ)。其目標(biāo)是即使最小的細(xì)節(jié)也要以很高的質(zhì)量可見。在X射線診斷時首先通過所給予的X射線劑量來影響圖像質(zhì)量。X射線劑量首先影響X射線圖像的噪聲和對比度，一般來說高X射線劑量產(chǎn)生無噪聲和強(qiáng)對比度的圖像。
如果采用X射線圖像放大器(RBV)和扇形圖像檢測器(FD)則對X射線圖像的分辨率沒有直接影響。圖像分辨率主要取決于檢測器系統(tǒng)的像素分辨率。
用于顯示高分辨X射線圖像的現(xiàn)有技術(shù)是所謂的C型設(shè)備的縮放格式。該方法不采用所有X射線圖像檢測器來產(chǎn)生圖像，而是只采用一小部分面積，從而該圖像顯得被放大了。但該措施還是受到RBV和FD的現(xiàn)有分辨性的限制，并且無法自動顯示小于X射線圖像檢測器的物理分辨力的細(xì)節(jié)。例如通過基于更大分辨率的雙立方(Bi-Kubisch)插值推算出各個圖像的圖像插值方法也不能從中推斷出過小并因此而無法看見的細(xì)節(jié)。
改善分辨力的唯一解決方法是在RBV和FD系統(tǒng)中對X射線圖像檢測器進(jìn)行代價不菲的改造。也就是說，更好的X射線圖像檢測器例如在同樣的面積上必須提供2048×2048個像素而不是1024×1024個像素。但這一方面對目前已達(dá)到了當(dāng)前技術(shù)可能的極限的檢測器制造商提出了很高的要求，更不用說新的X射線圖像檢測器所帶來的成本。另一方面單個像素的在提高分辨率時減小的面積會對X射線量子效率產(chǎn)生直接影響，并由此例如還直接影響X射線圖像中的噪聲。
總之，用于提高像素分辨率的技術(shù)可能性非常有限。
在其它利用常見視頻攝像機(jī)和照相機(jī)拍攝圖像的領(lǐng)域，也存在類似的問題，因此在技術(shù)上無法任意提高照相機(jī)的分辨率。對于圖像中能達(dá)到很高的細(xì)節(jié)程度的應(yīng)用來說，如衛(wèi)星拍攝和軍事監(jiān)控拍攝，很長時間以來都公知以上位概念“超級分辨率”著稱的方法，該方法從多個圖像中計算出一幅高分辨率的圖像，如S.Farsiu等人在“Advances and Challenges in Super-Resolution”，InvitedPaper，International Journal of Imaging Systems and Technology，Special Issue onHigh Resolution Image Reconstruction，Vol.14，No.2，pp.47-57，2004中描述的。
在醫(yī)療領(lǐng)域中，只是在Sharon Peled等人的“Superresolution in MRIApplication to Human White Matter Fiber Tract Visualization by Diffusion TensorImaging”，Magnetic Resonance in Medicine，4529-35(2001)中描述了將超級分辨率規(guī)則用于產(chǎn)生高分辨率的MRI圖像。
超級分辨率規(guī)則的作用原理是基于將多個圖像組成的圖像序列提供為輸入，其中這些圖像可以通過仿射變換相互轉(zhuǎn)換。對于衛(wèi)星圖像或用攝像機(jī)拍攝的視頻序列來說，該仿射變換例如通過在圖像中移動場景來給出。該平移足以滿足仿射變換的要求而且很容易實現(xiàn)。
超級分辨率的普遍模型可以根據(jù)M.Elad等人的“Superresolutionreconstruction of an image”，IEEE Transaction on Pattern Analysis and MachineIntelligence，21817-834，1999描述如下一個圖像序列的具有較低分辨率的圖像gi是一幅高分辨圖像f在其圖像平面上的投影P和通過仿射2D變換對其坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行匹配的結(jié)果。只能觀察具有較低分辨率的圖像，高分辨圖像由于受到照相機(jī)的制約而無法觀察。由此造成圖像gi由于仿射變換而位于并且也必須位于不同的坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，該規(guī)則發(fā)生了作用。
借助圖2解釋超級分辨率的原理。每個方框、不管大的還是小的都表示一個單獨的像素。在圖2中示出低分辨率的第一圖像6以及具有相同低分辨率但在x和y方向上有位移的第二圖像7，這些圖像應(yīng)當(dāng)借助變換合成一幅高分辨率的圖像8。在高分辨圖像8中像素顯得小而在低分辨圖像6和7中像素則顯得大。
超級分辨率所要求的坐標(biāo)系統(tǒng)平移對衛(wèi)星和視頻拍攝來說可以非常簡單地產(chǎn)生-對衛(wèi)星拍攝來說衛(wèi)星自行繞地球運轉(zhuǎn)。所拍攝的圖像由此相互間存在位移。
-對視頻拍攝來說可以非常簡單地通過手動來進(jìn)行合適的移動。
也就是說，在兩種情況下低分辨率圖像的運動場景形成高分辨率圖像的輸出結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種開頭所述類型的X射線診斷設(shè)備以及方法，可以保證最小細(xì)節(jié)的最大可識別性。
根據(jù)本發(fā)明，該技術(shù)問題是這樣解決的，以不同的間距產(chǎn)生一個低分辨率圖像的圖像序列，對圖像的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行匹配，從這些圖像中計算出高分辨率的超級分辨率圖像。由此獲得一種借助C型設(shè)備產(chǎn)生高分辨X射線圖像、即所謂的C型超級分辨率圖像的方法。
在優(yōu)選方式中，通過對低分辨率圖像的仿射2D變換計算出高分辨圖像。
本發(fā)明的方法具有以下步驟a)對不運動的對象通過改變SID來產(chǎn)生一系列X射線圖像。
b)選擇任一圖像作為參考圖像。
c)確定齊次坐標(biāo)下的最佳仿射變換，Ti=si0xi0siyi001]]>該變換由比例因子和在圖像平面內(nèi)的平移構(gòu)成，以確定將各圖像以最小誤差映射為參考圖像的參數(shù)。
d)利用所計算的變換將所有圖像變換到共同的坐標(biāo)系統(tǒng)中。
e)將所有圖像疊加起來，計算出超級分辨率圖像。
由此獲得空間2D分辨率大于單張圖像的圖像。
有利的是，比例因子和平移用子像素精度來確定。
為了確定該變換可以如下針對圖像之間的合適距離度量來最小化不相似性Ti＝argTmind(Tgi，gR)其中，是將變換T應(yīng)用于圖像gi的操作符。
在此根據(jù)本發(fā)明，該圖像之間的距離度量通過形成所有像素差的絕對值的和來確定。
在優(yōu)選方式中，在優(yōu)化中將參考圖像與圖像之間的比例關(guān)系用作比例因子的初始值。
根據(jù)本發(fā)明，可以在改變縮放格式但保持距離(SID)不變的情況下產(chǎn)生附加圖像。


下面借助附圖中示出的實施例詳細(xì)解釋本發(fā)明。其中，圖1示出公知的X射線診斷設(shè)備，圖2示出解釋超級分辨率的示例圖像，圖3示出患者臥榻的可能運動，圖4示出可能的C型臂的角度，圖5示出可能的源圖像距離(SID)改變，圖6示出通過改變SID產(chǎn)生的X射線圖像，圖7示出對根據(jù)圖6的X射線圖像的坐標(biāo)系統(tǒng)的匹配，圖8示出從根據(jù)圖7的X射線圖像中計算超級分辨率圖像。
具體實施例方式
在C型設(shè)備上比在前面描述的應(yīng)用中更難實現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)平移。這正是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別所在。如果考察C型設(shè)備具有的自由度，則會得到-患者臥榻5的移動(參見圖3)在雙箭頭9方向上移動的患者臥榻5雖然在3D世界坐標(biāo)系統(tǒng)中滿足仿射變換的要求，但這樣的移動一般在2DX射線投影圖像中由于通過透視投影描述的圖像形成過程而不能滿足該要求。如果希望通過臥榻移動來達(dá)到坐標(biāo)系統(tǒng)的平移，則須將臥榻移動限制為最大僅幾個毫米。但這在技術(shù)上是不現(xiàn)實的。
-改變C型臂2的角度(參見圖4)在雙箭頭10方向上執(zhí)行的C型臂角度不能滿足對2DX射線投影圖像中的仿射變換要求。
-改變縮放格式這雖然是一種仿射變換，但不適用于產(chǎn)生超級分辨率圖像，因為只能提供少數(shù)幾個離散的縮放級別。
-改變源圖像距離SID(參見圖5)C型設(shè)備提供了在X射線放射器3的方向上由電機(jī)控制地移動X射線檢測器4的可能性。在雙箭頭11方向上的距離SID的改變導(dǎo)致圖像的2D縮放，并因此是仿射變換。在實際中這種改變在足夠大的范圍(縮放因子大約為1.0到1.3)內(nèi)還能被連續(xù)更改。
由此SID的改變是須為了超級分辨率規(guī)則而變化的參數(shù)。相應(yīng)地更改通用的理論超級分辨率要求，從而給出下列用于產(chǎn)生高分辨圖像的措施1.通過改變SID產(chǎn)生不運動對象或不運動患者的一系列X射線圖像gi，其中，i＝1...N。這些圖像的比例不同，并且可能相互錯開。在圖6中給出3個這種比例不同的X射線圖像g1，g2...gN，它們可以通過超級分辨率組合成一幅高分辨率的X射線圖像。
2.選擇任一張圖像gR作為參考圖像。在齊次坐標(biāo)中確定最佳仿射變換Ti，Ti=si0xi0siyi001---(1)]]>該變換由比例因子si和圖像平面內(nèi)的位移(xiyi)構(gòu)成。該最佳變換確定了以最小誤差將各圖像gi映射到參考圖像gR的參數(shù)。從形式上說，是要針對圖像之間的合適距離度量d(.，.)(例如所有像素差的絕對值的和)尋找使不相似度最小的變換TTi＝argTmind(Tgi，gR)(2)是將變換T應(yīng)用于圖像gi的操作符。
最后，該仿射變換所起的作用象是對圖像進(jìn)行重采樣。在此要注意的是，用子像素精度來確定si、xi和yi。在C型設(shè)備為外部系統(tǒng)提供了SID的位置之后，可以在優(yōu)化(2)中將SID參考圖像gR與SID圖像gi之間的比例關(guān)系用作si的初始值。
當(dāng)然對于gR＝gi來說下式成立Ti=100010001.]]>所計算的變換將所有圖像都轉(zhuǎn)換到一個共同的坐標(biāo)系統(tǒng)中，如圖7所示。通過對各個X射線圖像進(jìn)行不同的放大，可以獲得在一個圖像片段中具有較低分辨率的大X射線圖像12(對應(yīng)于圖6的圖像g1)，具有中等分辨率和相同圖像中心的中等X射線圖像(對應(yīng)于圖6的圖像g2)以及具有高分辨率的小X射線圖像14(對應(yīng)于圖6的圖像gN)。
3.從疊加設(shè)置的圖像12至14中可以基于冗余信息計算出超級分辨率圖像15，因為多個圖像以不同的分辨率示出了相同的圖像片段，該超級分辨率圖像15的空間2D分辨率大于單個圖像的分辨率，這可以從圖8中借助單個像素的更小邊長看出。該步驟稱為圖像再現(xiàn)并例如通過下列文獻(xiàn)公開-通用采樣理論A.papoulis，Generalized Sampling Expansion，IEEE Transaction on Circuitsand Systems，vol.24，No.11，pp.652-654，Nov.1977，-迭代反投影M.Irani and S.Peleg，Super resolution from image sequences.InternationalConference on Pattern Recognition(ICPR 90)，115-120，1990，-最大似然方法和最大后驗概率方法M.Elad and A.Feuer，Restoration of a single superresolution image fromseveral blurred，noisy，and undersampled measured images.IEEE Transactions onImage Processing，6(12)1646-1658，December 1997，M.Elad and A.Feuer，Superresolution reconstruction of an image，IEEETransactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，21817-834，1999。
4.通過圖像再現(xiàn)可以看見不能在單個圖像中識別出的細(xì)節(jié)。在超級分辨率圖像中，由于圖像再現(xiàn)和引入的冗余信息而使這些細(xì)節(jié)可見。
在計算高分辨率X射線圖像15的過程中，可能出現(xiàn)具有不同信息內(nèi)容的不同區(qū)域-可在較小的單個圖像12至14中看見的區(qū)域，如圖8中位于邊緣的不包含信息的像素在此沒有信息可用，因此這種區(qū)域如果一定要觀察就顯示為均勻的單色區(qū)域。
-只能在單個圖像中看見的區(qū)域，如圖8中只包含大X射線圖像12信息的像素在這些區(qū)域中當(dāng)然可以提高分辨率，但不會獲得信息。也就是說在此看不見在低分辨率圖像12中也不可見的細(xì)節(jié)。這樣的用于提高分辨率的方法例如是簡單的雙線性插值方法。但應(yīng)當(dāng)注意，這些圖像區(qū)域由于SID的移動范圍較小而很小，并且感興趣對象還要由主治醫(yī)生定位在中間。
-在所有單個圖像12至14中都可見的區(qū)域信息獲取在這些區(qū)域中完全表現(xiàn)出來。也就是說，在X射線圖像15的部分圖像中可以看見在單個圖像12至14中看不見的細(xì)節(jié)。為了更好地理解請參見圖6至圖8的X射線圖像。在圖6和7的單個圖像中，無法在任何一張低分辨率的X射線圖像中看見線性結(jié)構(gòu)。而在圖8的高分辨的超級分辨率圖像中，可以清楚地看見這些線性結(jié)構(gòu)，也就是說該圖像實際上包含了比各個單張圖像更多的信息。
-在幾個(多于1個)但非所有單個圖像12至14中存在的區(qū)域在此可以完全概括地說，一個區(qū)域在越多的圖像中存在，信息獲取、即最終可識別的分辨率改善就越大。
總而言之，高分辨率的X射線圖像15的分辨率總是大小相同，并在原理上可以自動選擇。但信息內(nèi)容、即最終可見的結(jié)構(gòu)取決于對一個區(qū)域存在多少信息，也就是在多少低分辨率的X射線圖像12至14中可以看見該區(qū)域。
通過本發(fā)明對超級分辨率規(guī)則的應(yīng)用，可以在C型設(shè)備上實現(xiàn)用當(dāng)前的其它技術(shù)不可能達(dá)到的對細(xì)節(jié)程度的分辨率的X射線圖像質(zhì)量。由此能夠看見對當(dāng)前的X射線圖像檢測器來說太小的解剖結(jié)構(gòu)或病變。
作為一個顯著的優(yōu)點，本發(fā)明的方法可以在任一種現(xiàn)有的C型設(shè)備上實現(xiàn)。
但對FD系統(tǒng)來說可以期待比老RBV系統(tǒng)明顯更好的結(jié)果，在老RBV系統(tǒng)中在可以采用超級分辨率規(guī)則之前需要進(jìn)行失真校正。
權(quán)利要求
1.一種用于運行包括X射線放射源(3)和X射線圖像檢測器(4)的X射線診斷設(shè)備的方法，其中X射線放射源(3)和X射線圖像檢測器(4)之間的距離(SID)可調(diào)，其特征在于，以不同的間距(SID)產(chǎn)生一個低分辨率圖像(gi，12-14)的圖像序列，對各圖像(gi，12-14)的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行匹配，并從這些圖像(gi，12-14)中計算出高分辨率圖像(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過對低分辨率圖像(gi)的仿射2D變換計算出超級分辨率圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，具有以下步驟a)對不運動的對象通過改變SID來產(chǎn)生一系列X射線圖像(gi，其中i＝1…N，12-14)，b)選擇任一圖像作為參考圖像(gR)，c)確定具有齊次坐標(biāo)的最佳仿射變換(Ti)Ti=si0xi0siyi001]]>該變換由比例因子(si)和在圖像平面內(nèi)的平移(xi，yi)構(gòu)成，以確定將各圖像(gi，12-14)以最小誤差映射到參考圖像(gR)的參數(shù)，d)利用所計算的變換將所有圖像變換到共同的坐標(biāo)系統(tǒng)中，e)將所有圖像疊加起來，并計算超級分辨率圖像(15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述比例因子(si)和平移(xi，yi)用子像素精度來確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述方法，其特征在于，確定針對圖像之間的合適距離度量來最小化非相似度的變換Ti＝argTmind(Tgi，gR)其中，是將變換T應(yīng)用于圖像gi的操作符。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述圖像之間的距離度量通過形成所有像素差的絕對值的和來確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述方法，其特征在于，在優(yōu)化中將參考圖像(gR)與各圖像(gi，12-14)之間的比例關(guān)系用作比例因子的初始值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述方法，其特征在于，在改變縮放格式但保持距離(SID)不變的情況下產(chǎn)生附加圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于運行包括X射線放射源(3)和X射線圖像檢測器(4)的X射線診斷設(shè)備的方法，其中X射線放射源和X射線圖像檢測器之間的距離(SID)可調(diào)。其中，以不同的間距(SID)產(chǎn)生一個低分辨率圖像(g
文檔編號A61B6/00GK1828667SQ20061005472
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月2日
發(fā)明者弗蘭克·戴因澤 申請人:西門子公司