專利名稱：再現(xiàn)三維立體圖像的方法和x射線設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從對(duì)象的兩維投影圖像中再現(xiàn)三維立體圖像的方法和用于實(shí)施這樣的方法的x射線設(shè)備。
背景技術(shù)：
在這種借助c形弓架式設(shè)備的三維錐形射線再現(xiàn)中，在對(duì)一定的超過(guò)由拍 攝幾何參數(shù)(檢測(cè)器尺寸和焦距)確定的最大寬度的身體部位(如腹部或胸部)進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)出現(xiàn)所謂的寬對(duì)象(Wide Object)的問題。對(duì)于借助于濾波的反投 影進(jìn)行的3D再現(xiàn)，重要的處理步驟是對(duì)沿水平或近似水平地在檢測(cè)器內(nèi)延伸 的行的投影數(shù)據(jù)的濾波。由于濾波核(如斜坡濾波器或希爾伯特濾波器)的非局部性，濾波行(Filterlinien)必須穿過(guò)檢查區(qū)域的整個(gè)投影并且在此不允許被截?cái)?，即便是僅 要對(duì)感興趣區(qū)域(ROI)的一部分進(jìn)行再現(xiàn)也是如此。但受限的檢測(cè)器寬度在 4艮多拍攝中導(dǎo)致感興趣區(qū)域投影的橫向(transaxial)截?cái)?，因?yàn)楦信d趣區(qū)域不 能被-現(xiàn)野(FoV)完全遮蓋。這使得截?cái)嗟臑V波行在這些投影中跟隨在后。結(jié) 果是很強(qiáng)的再現(xiàn)偽影，如所謂的截?cái)鄠斡?，再現(xiàn)這些偽影使結(jié)果不真實(shí)并妨礙 對(duì)其的高質(zhì)量診斷、使高質(zhì)量的診斷困難或無(wú)法進(jìn)行。幾乎在當(dāng)前所有基于經(jīng)濾波的反投影工作的再現(xiàn)算法(FBP算法)中都會(huì) 出現(xiàn)所謂的寬對(duì)象問題，這是普遍的。對(duì)于Feldkamp算法而言尤其如此，該算 法用于焦點(diǎn)的圓形掃描4九道，并由L. A. Feldkamp, L. C. Davis， J. W. Kress的"Practical Cone-Beam Algorithm" , J. Opt. Soc, Am. A. Vol. 1, Nr. 6, S612-619而 公^口。 4交豸斤6勺(1"列3口由'A. Katsevich a々"Image Reconstruction for the Circle and Arc Trajectory" , Physics in Medicine and Biology, Vol. 50, S. 2249-2265, April 2005以 及由J. Pack, R Noo的 "Cone-Beam Reconstruction Using ID Filtering Along the Projection of M-Lines" , Inverse Problems, Vol.21, S. 1105-1120, April 2005已知 的)確切再現(xiàn)方法要求掃描擴(kuò)展的軌道曲線(如圓和線，圓和圓弧)，但仍存在
該問題。因此，對(duì)于寬對(duì)象問題的可接受的解決方方案就成為對(duì)在計(jì)算機(jī)斷層 造影中解決再現(xiàn)問題的重要而核心的貢獻(xiàn)。在實(shí)施反投影之后才在對(duì)象空間中進(jìn)行濾波并且僅對(duì)對(duì)象數(shù)據(jù)采取局部計(jì)算步驟的反投影過(guò)濾方法(BPF),可以在一定程度上對(duì)截取的投影起作用。 該方法曾對(duì)用于對(duì)錐形射線再現(xiàn)的掃描的螺旋形(J. Pack, F. Noo， R. Clackdoyle: "Cone-Beam Reconstruction Using the Backprojection of Locally Filtered Projections", IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 24, Nr. 1, S. 70-85， Januar 2005; E. Y Sidky, Y. Zou， X. Pan: "Minimum Data Image Reconstruction Algorithms with Shift-Invariant Filtering for Helical, Cone-beam CT"， Physics in Medicine and Biology, Vol. 50, S. 1643-1657， 2005 )和圓形(L. YU， D. Xia， Y. Zou, X. Pan, C. Pelizzari, P. Munro: "Region of Interest Reconstruction from Truncated Data in Circular Cone-Beam CT", Proceedings of the SPIE， Vol. 5747， S. 412-418， 2005 )軌 道曲線的例子進(jìn)行過(guò)演示。BPF方法在一些情況下解決了截取投影的問題并使 得能夠在檢查區(qū)域內(nèi)對(duì)ROI進(jìn)行無(wú)偽影再現(xiàn)。此外還公知從BPF方法中導(dǎo)出的、具有相似特性的FBP方法(E. Y. Sidky， Y. Zou， X. Pan: "A Minimum Data FBP-Type Algorithm for Image Reconstruction in Cone-Beam CT", Eighth International Meeting on Fully Three-Dimensional Image Reconstruction in Radiology and Nuclear Medicine, Salt Lake City, Utah, 6-9 Juli, 2005 )。但感興趣區(qū)域被限制在視野(FoV)上，從而利用該方法也經(jīng)常不能再 現(xiàn)整個(gè)感興趣區(qū)域(例如高個(gè)患者的腹部)。但也存在擴(kuò)大視野(FoV )的方法。在此以檢測(cè)器錯(cuò)位方法為例，其中> 才全測(cè)器不再關(guān)于光軸對(duì)稱，而是以一定的錯(cuò)位設(shè)置(V. Liu, N. R. Lariviere, G. Wang: "X-ray Micro-CT with a Displaced Detector Array: Application to helical cone-beam reconstruction", Medical Physics, Vol. 30, Nr. 10, S. 2758-2761， October 2003 )。但該檢測(cè)器錯(cuò)位方法要求圓形或螺旋形軌道曲線以在至少360 度的角范圍上進(jìn)行掃描。此外該方法在錐形射線幾何形狀的情況下表現(xiàn)出近似 的視野(FoV)擴(kuò)大并由此在大錐角的情況下導(dǎo)致偽影。一種類似的方法是估計(jì)(推斷)截取的投影數(shù)據(jù)。在P. S. Cho, A. D. Rudd， R. H. Johnson: "Cone-Beam CT from Width-Truncated Projections", Computerized Medical Imaging and Graphics, Vol. 20, Nr. 1， S. 49-57， 1996中，基于近似的假設(shè) 來(lái)補(bǔ)充缺失的線積分(如相對(duì)置射線的準(zhǔn)冗余，其中，忽略錐角)。在這種方法
中也需要用于360。掃描的軌道曲線。具體地說(shuō)，最后提到的算法應(yīng)理解為FDK 算法的擴(kuò)展。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出 一種從感興趣區(qū)域的兩維投影圖像 中再現(xiàn)三維立體圖像的方法，該方法在感興趣區(qū)域較大的情況下以及在掃描軌 道小于360°的情況下也能實(shí)現(xiàn)無(wú)偽影再現(xiàn)。此外本發(fā)明要解決的技術(shù)問題還在 于提出一種適于實(shí)施該方法的X射線設(shè)備。本發(fā)明的技術(shù)問題通過(guò)一種由感興趣區(qū)域的多個(gè)二維投影圖像再現(xiàn)三維 立體圖像的方法來(lái)解決，其中，這些兩維投影圖像是在拍攝系統(tǒng)繞該感興趣區(qū) 域旋轉(zhuǎn)期間拍攝的，該拍攝系統(tǒng)具有帶有焦點(diǎn)的X射線源和X射線檢測(cè)器，其 中，通過(guò)投影圖像的反投影來(lái)計(jì)算立體圖像體素的灰度值，其中，每幅兩維投 影圖像分別來(lái)自于至少兩幅被綜合為 一幅擴(kuò)展的兩維投影圖像的單獨(dú)的投影圖 像，其中，所述各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像是在焦點(diǎn)和感興趣區(qū)域之間相對(duì)位 置恒定的情況下拍攝的。在按照本發(fā)明的方法中，可以擴(kuò)展有限的檢測(cè)器面并由此擴(kuò)展有限的視野 (FoV),為此，產(chǎn)生兩個(gè)(或多個(gè))相互不同的單個(gè)投影圖像，它們可綜合為 一幅擴(kuò)展的投影圖像。由此可以顯示整個(gè)感興趣區(qū)域(ROI)。所述各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像是在焦點(diǎn)和感興趣區(qū)域之間相對(duì)位置恒 定的情況下拍攝的。在此，恒定的相對(duì)位置應(yīng)理解為，由感興趣區(qū)域中的兩個(gè) 點(diǎn)和焦點(diǎn)構(gòu)成的三角形具有恒定的大小。此外，該各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像還是這樣的，即當(dāng)相應(yīng)的X射線照射 該至少兩幅單獨(dú)的投影圖像時(shí)，可以綜合為相關(guān)的、覆蓋感興趣區(qū)域的擴(kuò)展X 射線。根據(jù)本發(fā)明的第 一 實(shí)施方式，所述各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像的區(qū)別在于 關(guān)于拍攝系統(tǒng)繞焦點(diǎn)或繞通過(guò)焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角不同，而焦點(diǎn)和感興 趣區(qū)域是位置固定的。由此拍攝系統(tǒng)在拍攝兩維投影圖像時(shí)不僅圍繞通常位于 感興趣區(qū)域中的第一旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生對(duì)于焦點(diǎn)的不同曲線點(diǎn)的投影圖像， 而且還存在第二旋轉(zhuǎn)中心，其尤其是在焦點(diǎn)中，從而對(duì)于每個(gè)曲線點(diǎn)至少可以 拍攝兩幅單獨(dú)的投影圖像。由此以筒單而成本小的方式擴(kuò)展了由掃描軌道曲線的所有曲線點(diǎn)映射到 兩維投影圖像的區(qū)域，并且由此還可以進(jìn)行無(wú)偽影的三維再現(xiàn)。在此由X射線 焦點(diǎn)的軌道定義了掃描軌道曲線或軌跡。在軌跡的每個(gè)曲線點(diǎn)上產(chǎn)生兩幅(或多幅)單獨(dú)的投影圖像。這些單獨(dú)的 圖像之間的區(qū)別在于，拍攝系統(tǒng)繞X射線源、尤其是X射線源的焦點(diǎn)所采取的 旋轉(zhuǎn)角不同。由此，由X射線源和X射線檢測(cè)器組成的拍攝系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)使得還可以采集來(lái)自x射線的圖像信息。由此，在各單獨(dú)的投影圖像之間存在可以利用的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以借助矯正將 這些單獨(dú)的投影圖像綜合為一幅大的擴(kuò)展了的投影圖像。這點(diǎn)對(duì)于扇形射線和 錐形射線都是有效的。以這種方式可以虛擬地?cái)U(kuò)展檢測(cè)器，部分地可以擴(kuò)展到其真實(shí)寬度的多倍。通過(guò)這樣擴(kuò)大的FoV可以完整地檢測(cè)所涉及的身體部位。在此對(duì)應(yīng)性(Homographie )是一種映射規(guī)則，通過(guò)該規(guī)則將2D坐標(biāo)系中 的點(diǎn)變換到另一 2D坐標(biāo)系中。這樣，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)平面與射線束相切時(shí)，在 不同平面的對(duì)應(yīng)切點(diǎn)之間總是存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果將這些點(diǎn)用 一致的坐標(biāo)表示， 則可將該關(guān)系表示為線性映射x，-H，x,其中，x為最初的點(diǎn)，x，為變換后的點(diǎn)， 而3x3矩陣H，表示對(duì)應(yīng)變換本身。在此，還可以將至少兩幅單獨(dú)的投影圖像的 綜合表示為構(gòu)造相對(duì)于實(shí)際檢測(cè)器擴(kuò)展的虛擬檢測(cè)器。這與根據(jù)本發(fā)明的哪種 實(shí)施方式來(lái)拍攝該兩幅或多幅單獨(dú)的投影圖像無(wú)關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的第二種實(shí)施方式，所述各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像的區(qū)別在 于感興趣區(qū)域繞焦點(diǎn)或繞通過(guò)焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角不同，而焦點(diǎn)和拍攝 系統(tǒng)為位置固定的。根據(jù)本發(fā)明的第三種實(shí)施方式，所述各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像的區(qū)別在 于，焦點(diǎn)和感興趣區(qū)域都在恒定的相對(duì)位置下彼此不同地定位，并且拍攝系統(tǒng) 繞焦點(diǎn)或繞通過(guò)焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。按照本發(fā)明的方法以及其實(shí)施方式一方面允許對(duì)較大的身體部位如腹部 或胸部進(jìn)行完整的無(wú)偽影再現(xiàn)，而這由于受限的^f全測(cè)器面積迄今都是不可能的； 另 一方面可以避免在再現(xiàn)感興趣區(qū)域時(shí)截取投影圖像，截取投影圖像僅能再現(xiàn) 整個(gè)身體部位的一部分并導(dǎo)致嚴(yán)重的再現(xiàn)偽影。此外，按照本發(fā)明的方法可以有意義地與所有截取的投影圖像在其中造成偽影的再現(xiàn)算法相結(jié)合并被理解為 對(duì)其的擴(kuò)展。這尤其對(duì)于在當(dāng)今的C形弓架式設(shè)備中被作為標(biāo)準(zhǔn)采用的 Feldkamp、 Davis和Kress的算法來(lái)說(shuō)是有意義的，因?yàn)樵撍惴▽?duì)于圓形掃描軌 道具有水平濾波行。
將本發(fā)明的方法與公知的(近似或確切)再現(xiàn)算法相結(jié)合的最重要的優(yōu)點(diǎn) 在于，不必修改這些算法。可以作為預(yù)處理步驟來(lái)構(gòu)建虛擬檢測(cè)器，即在實(shí)際 再現(xiàn)之前由兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的投影圖像綜合出用于再現(xiàn)的擴(kuò)展的投影圖像，并 然后將其用于再現(xiàn)。只是拍攝記錄、即單獨(dú)的投影圖像的拍攝序列要相應(yīng)地改 變。此外，本發(fā)明的方法還適用于平面的或彎曲的檢測(cè)器，并且既可以用于扇 形射線幾何形狀也可以用于錐形射線幾何形狀。對(duì)于成本低的方法優(yōu)選恰好產(chǎn)生兩幅單獨(dú)的投影圖像并將其綜合為 一幅 擴(kuò)展的投影圖像。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述至少兩幅單獨(dú)的投影圖像的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)角 位于一個(gè)平面內(nèi)。由此可以保證易于將投影圖像綜合為擴(kuò)展的投影圖像。對(duì)于至少兩幅單獨(dú)的投影圖像的簡(jiǎn)單綜合來(lái)說(shuō)，以有利的方式使拍攝系統(tǒng) 或感興趣區(qū)域繞焦點(diǎn)或通過(guò)焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)基本上位于拍攝系統(tǒng)圍繞感興 趣區(qū)域的旋轉(zhuǎn)平面中，這與圍繞垂直于拍攝系統(tǒng)圍繞感興趣區(qū)域的旋轉(zhuǎn)平面的 旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)(翻轉(zhuǎn))具有同樣的意義。在此尤其被證明有利的是，在拍攝系統(tǒng) 繞焦點(diǎn)或繞通過(guò)焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的第 一旋轉(zhuǎn)角下拍攝第 一單獨(dú)的投影圖 像，在拍攝系統(tǒng)繞焦點(diǎn)或繞通過(guò)焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的第二旋轉(zhuǎn)角下拍攝第二 單獨(dú)的投影圖像，其中，第一旋轉(zhuǎn)角為第二旋轉(zhuǎn)角的負(fù)數(shù)。在此參考點(diǎn)是通過(guò)由x射線源的焦點(diǎn)到x射線檢測(cè)器的垂直線與拍攝系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸相切處定義的 中間位置。根據(jù)本發(fā)明的另 一實(shí)施方式，各個(gè)單獨(dú)的待綜合的投影圖像相互間具有大于0%且小于50%、尤其是小于10%的重疊。通過(guò)大于0%的重疊使得各投影圖 像的綜合簡(jiǎn)單，因?yàn)榻柚p重測(cè)量的圖像點(diǎn)可以在中斷或偏離的情況下進(jìn)行匹 配和平滑。同時(shí)，通過(guò)小于50%、尤其是小于10%的重疊可以避免#:患者7 義受 不必要的射線。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，根據(jù)對(duì)象、尤其是其大小來(lái)調(diào)節(jié)所述重疊。 由此，當(dāng)根據(jù)對(duì)象的高和寬來(lái)使盡可能少的X射線無(wú)用地從對(duì)象旁邊射過(guò)時(shí)， 可以非常好地利用X射線。對(duì)于關(guān)于不同曲線點(diǎn)的單獨(dú)的投影圖像的拍攝順序來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)優(yōu)選實(shí)施 方式根據(jù)第一實(shí)施方式，投影圖像的拍攝順序?yàn)?，在拍攝系統(tǒng)圍繞感興趣區(qū) 域的第一旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中拍攝所有第一單獨(dú)投影圖像，然后在拍攝系統(tǒng)圍繞感興趣 區(qū)域的第二旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中拍攝所有第二單獨(dú)投影圖像，其中，將每幅第一單獨(dú)投 影圖像分別與 一幅第二投影圖像相綜合。根據(jù)第二實(shí)施方式，投影圖像的拍攝順序?yàn)椋谂臄z系統(tǒng)圍繞感興趣區(qū)域 的 一次旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中分別以直接序列拍攝至少兩幅單獨(dú)的投影圖像，將該兩幅投 影圖像綜合為 一幅擴(kuò)展的兩維投影圖像。適用于實(shí)施本發(fā)明方法的第一實(shí)施方式的X射線設(shè)備具有拍攝系統(tǒng)，其用 于拍攝感興趣區(qū)域的兩維投影圖像，在此該拍攝系統(tǒng)包括射線源和X射線檢測(cè) 器，其中，該拍攝系統(tǒng)可以圍繞射線源和X射線檢測(cè)器之間的第一旋轉(zhuǎn)中心和圍繞射線源的焦點(diǎn)中的第二旋轉(zhuǎn)中心或圍繞通過(guò)射線源的焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)； 還具有控制和計(jì)算單元，用于從兩維投影圖像中再現(xiàn)出三維立體圖像。適用于實(shí)施本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式的X射線設(shè)備具有拍攝系統(tǒng)，其用 于拍攝感興趣區(qū)域的兩維投影圖像，其包括射線源和X射線檢測(cè)器，其中，該 拍攝系統(tǒng)可以繞射線源和X射線檢測(cè)器之間的第一旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)；還具有用于 承載感興趣區(qū)域的、在空間上三維可調(diào)、尤其是可繞焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的支撐裝置；以 及控制和計(jì)算單元，用于從兩維投影圖像中再現(xiàn)出三維立體圖像。適用于實(shí)施本發(fā)明方法的第三種實(shí)施方式的X射線設(shè)備類似于用于實(shí)施 本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式的X射線設(shè)備，其中，支撐裝置不可繞焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)， 而是僅能在拍攝系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)兩維地移動(dòng)。尤其優(yōu)選借助這樣的X射線設(shè)備實(shí)施本發(fā)明的方法，其中拍攝系統(tǒng)直接或 借助支架安置在工業(yè)機(jī)器人或彎臂機(jī)器人上，或者其中支撐裝置安裝在工業(yè)機(jī) 器人或彎臂機(jī)器人上。借助這樣的X射線設(shè)備可以簡(jiǎn)單的方式實(shí)施在空間中的 任意移動(dòng)。


下面借助附圖所示實(shí)施例非限制性地詳細(xì)描述本發(fā)明和其它優(yōu)選實(shí)施方 式。其中，圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中C形弓架式X射線系統(tǒng)的平面圖；圖2示出在采用彎曲的X射線檢測(cè)器的情況下截取的患者投影的幾何形狀；圖3示出在采用平面X射線檢測(cè)器的情況下截取的患者投影的幾何形狀； 圖4示出在釆用彎曲的X射線檢測(cè)器的情況下按照本發(fā)明的由兩個(gè)相鄰的 投影綜合成的擴(kuò)展的投影的幾何形狀；
圖5示出在采用平面X射線檢測(cè)器的情況下按照本發(fā)明的由兩個(gè)相鄰的投影綜合成的擴(kuò)展的投影的幾何形狀；圖6示出在采用彎曲的X射線檢測(cè)器的情況下按照本發(fā)明的由兩個(gè)重疊的 投影綜合成的擴(kuò)展的投影的幾何形狀；圖7示出在采用平面X射線檢測(cè)器的情況下按照本發(fā)明的由兩個(gè)重疊的投 影綜合成的擴(kuò)展的投影的幾何形狀；圖8示出按照本發(fā)明的用于從綜合的投影圖像中再現(xiàn)三維立體圖像的方法；圖9示出對(duì)于用于拍攝投影圖像的圓形曲線軌道的拍攝記錄；圖10示出對(duì)于用于拍攝投影圖像的圓形曲線軌道的另 一拍攝記錄；圖11示出對(duì)于用于拍攝投影圖像的圓形曲線軌道的另一拍攝記錄；圖12示出具有拍攝系統(tǒng)的兩個(gè)投影方向和不同旋轉(zhuǎn)角的軌道曲線的 一段；圖13示出具有可旋轉(zhuǎn)的C形弓架和可旋轉(zhuǎn)的拍4隻系統(tǒng)的本發(fā)明X射線系統(tǒng)；圖14示出另一具有彎臂機(jī)器人的本發(fā)明的X射線系統(tǒng)；圖15示出在感興趣區(qū)域繞焦點(diǎn)在其旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的情況下的投影幾何， 其中感興趣區(qū)域位于第 一 位置；圖16示出在感興趣區(qū)域繞焦點(diǎn)在其旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的情況下的投影幾何， 其中感興趣區(qū)域位于第二位置；圖17示出具有拍攝系統(tǒng)的兩個(gè)投影方向和感興趣區(qū)域的不同旋轉(zhuǎn)角的軌 道曲線的一段；圖18示出在感興趣區(qū)域和拍攝系統(tǒng)都在兩個(gè)單獨(dú)的綜合的投影圖像之間運(yùn)動(dòng)的情況下的投影幾何；圖19示出在感興趣區(qū)域和拍攝系統(tǒng)都在兩個(gè)單獨(dú)的綜合的投影圖像之間運(yùn)動(dòng)的情況下的另 一投影幾何；圖20示出在感興趣區(qū)域和拍攝系統(tǒng)都在兩個(gè)單獨(dú)的綜合的投影圖像之間運(yùn)動(dòng)的情況下兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的 一段；圖21示出各投影圖像與虛擬檢測(cè)器之間的關(guān)系；圖22示出用于構(gòu)成虛擬檢測(cè)器的基于檢測(cè)器的方法的立體顯示；圖23示出用于構(gòu)成虛擬檢測(cè)器的基于濾波行的方法的立體顯示。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性示出具有C形弓架2的C臂X射線系統(tǒng)1,在該C形弓架2 上相對(duì)設(shè)置的X射線源3和X射線檢測(cè)器4一般固定在固定的方向上。X射線 檢測(cè)器4可以是例如基于固體的平面的或彎曲的X射線檢測(cè)器4 。這樣的X射 線檢測(cè)器4可以具有例如閃爍器和帶有像素元件的檢測(cè)器矩陣。X射線源3產(chǎn) 生X射線13。 C形弓架可以圍繞位于患者臥榻6上的感興趣區(qū)域5 (如患者) 旋轉(zhuǎn)(成角度)，例如其可以圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸11沿箭頭12的方向旋轉(zhuǎn)。在此對(duì) 于不同的角位從拍攝系統(tǒng)的各投影方向拍攝2D投影圖像。在此這樣設(shè)置感興 趣區(qū)域5,使得其中點(diǎn)位于旋轉(zhuǎn)軸11上。
這樣獲得的2D投影圖像被傳送到控制和計(jì)算單元7,控制和計(jì)算單元7 至少包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8和具有處理器等的計(jì)算模塊9。將投影圖像再現(xiàn)為3D立 體在控制和計(jì)算單元中例如根據(jù)公知的方法借助經(jīng)濾波的反投影或反投影和濾 波來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢栽趫D像顯示器IO上觀察所拍攝的投影圖像以及必要時(shí)再現(xiàn)的圖 像立體。
圖2和圖3以彎曲的X射線檢測(cè)器4.1和平面X射線檢測(cè)器4.2為例分別 示出在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的從感興趣區(qū)域的兩維投影圖像中再現(xiàn)三維立體圖像的方 法中截取感興趣區(qū)域5的投影的問題。該問題導(dǎo)致由于截取的濾波行而使待成 像的感興趣區(qū)域5的無(wú)偽影的3D立體再現(xiàn)不能實(shí)現(xiàn)。X射線13從X射線源3 的焦點(diǎn)15出發(fā)沿輻射方向16透射感興趣區(qū)域5并落到X射線檢測(cè)器4上。在 此，軌道曲線14描述在C形弓架2完整旋轉(zhuǎn)360°時(shí)焦點(diǎn)15的軌跡。部分感興 趣區(qū)域5不能被X射線13從軌道曲線14的每個(gè)曲線點(diǎn)出發(fā)采集到，而是對(duì)于 若干曲線點(diǎn)被截取。在此，投影中心17表示在每個(gè)任意的曲線點(diǎn)處由X射線 13采集到的區(qū)域。
以下借助圖4至圖12描述本發(fā)明方法的第一實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中， 在焦點(diǎn)15在掃描軌道14的固定位置上拍攝兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的、綜合的投影圖 像。圖13和圖14示出兩個(gè)適用于實(shí)施本發(fā)明方法的第一種實(shí)施方式的X射線 設(shè)備。
圖4至圖7示出本發(fā)明方法采用的、通過(guò)綜合兩個(gè)單獨(dú)的投影圖像將檢測(cè) 器虛擬擴(kuò)展為虛擬擴(kuò)展的X射線檢測(cè)器20，該兩個(gè)單獨(dú)的投影圖像關(guān)于拍攝系 統(tǒng)繞X射線源3、尤其是繞X射線源3的焦點(diǎn)15的旋轉(zhuǎn)角不同，并對(duì)于一個(gè) 特定的曲線點(diǎn)被綜合為一幅擴(kuò)展的投影圖像。在此，與圖2和圖3相似，示出 了彎曲的X射線檢測(cè)器4.1 (圖4和6)和平面X射線檢測(cè)器4.2 (圖5或7) 的例子。各X射線檢測(cè)器4和X射線源3是相互固定設(shè)置的。圖4示出由X射線源3和彎曲的X射線檢測(cè)器4.1構(gòu)成的拍攝系統(tǒng)，對(duì)于 一個(gè)特定的曲線點(diǎn)處于兩個(gè)就該拍攝系統(tǒng)繞X射線源3的焦點(diǎn)15的旋轉(zhuǎn)角來(lái) 說(shuō)不同的位置上。拍攝系統(tǒng)繞X射線源3的焦點(diǎn)15的旋轉(zhuǎn)例如沿第二旋轉(zhuǎn)方 向18進(jìn)行。拍攝系統(tǒng)的各投影方向16通過(guò)相應(yīng)的箭頭表示。在本發(fā)明的方法 中，對(duì)于拍攝系統(tǒng)的兩個(gè)投影方向16中的每一個(gè)都拍攝一個(gè)投影圖像，然后將 它們綜合為 一個(gè)擴(kuò)展的投影圖像。通過(guò)對(duì)X射線檢測(cè)器4的虛擬擴(kuò)展，在適當(dāng)選擇拍攝系統(tǒng)的投影方向16 的情況下，可以從軌道曲線14的每個(gè)曲線點(diǎn)出發(fā)利用由該兩束X射線13綜合 成的擴(kuò)展的X射線在投影中心17對(duì)感興趣區(qū)域5進(jìn)行完全采集，從而不再有 截取的投影。還可以將多于兩個(gè)投影圖像綜合為一幅擴(kuò)展的投影圖像。圖12放大示出拍攝系統(tǒng)在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向18上繞X射線源3的焦點(diǎn)15的 旋轉(zhuǎn)，以及拍攝系統(tǒng)的各投影方向16和它們的不同旋轉(zhuǎn)角拍攝系統(tǒng)的第一旋 轉(zhuǎn)角a和拍攝系統(tǒng)的第二旋轉(zhuǎn)角(3。在此尤其優(yōu)選的是，拍攝系統(tǒng)的第一旋轉(zhuǎn) 角a關(guān)于中點(diǎn)(圖12中的虛線)等于第二旋轉(zhuǎn)角卩的負(fù)數(shù)。圖4相對(duì)于圖6示出兩個(gè)單獨(dú)的投影方向16的情況，其中X射線13不重 疊或幾乎不重疊，而是在齊平地相互接觸。在這種情況下可以對(duì)尤其大的感興 趣區(qū)域成像，并且易于將單獨(dú)的投影圖像綜合成擴(kuò)展的投影圖像。在圖6中拍 攝系統(tǒng)的投影方向16是這樣選擇的使得各投影圖像相重疊。這例如對(duì)于借助 圖像處理算法來(lái)校正真實(shí)的軌道曲線是有意義的。重疊區(qū)域可以在再現(xiàn)時(shí)通過(guò) 適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直重又降低到零，以保持低的射線劑量。與圖4和圖6相似，圖5和圖7示出平面X射線檢測(cè)器4,2的情況。這種 情況下須利用矯正來(lái)綜合單獨(dú)的投影圖像。與在綜合的投影圖像中允許均勻分 辨率的彎曲X射線檢測(cè)器4.1相反，在采用平面檢測(cè)器時(shí)必須注意在擴(kuò)展的投 影圖像中分辨率朝向邊緣降低，并將這點(diǎn)弓1入到分析中。在本發(fā)明的再現(xiàn)三維立體圖像的方法中，立體圖像體素的灰度值通過(guò)擴(kuò)展 的投影圖像的反投影來(lái)計(jì)算。對(duì)此可以采用任何公知的再現(xiàn)算法，如Feldkamp 算法。通過(guò)采用擴(kuò)展的投影圖像可以顯著擴(kuò)大可再現(xiàn)的區(qū)域，從而就是大的身 體部位也可以無(wú)偽影地進(jìn)行三維顯示。圖8示出由第一步驟21、第二步驟22和第三步驟23組成的本發(fā)明的方法。
在第 一步驟21中，例如根據(jù)第 一 實(shí)施方式對(duì)不同的曲線點(diǎn)分別拍攝并存儲(chǔ)兩個(gè) 投影圖像，其中該兩個(gè)投影圖像關(guān)于拍攝系統(tǒng)繞X射線源的焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角不同。在第二步驟22中，對(duì)于每個(gè)曲線點(diǎn)將兩個(gè)投影圖像綜合為一個(gè)擴(kuò)展的投影圖 像。這例如可以在控制和計(jì)算單元7中進(jìn)行。然后，在第三步驟23中，根據(jù)公 知的再現(xiàn)算法由該擴(kuò)展的兩維投影圖像再現(xiàn)患者的三維立體圖像。這同樣可以 在控制和計(jì)算單元7中進(jìn)行。圖9至圖11示出對(duì)于用于拍攝不同的兩維投影圖像的圓形曲線軌道的各 種可能的拍攝記錄。圖9示出一種拍攝記錄，其中在拍攝系統(tǒng)繞感興趣區(qū)域5 旋轉(zhuǎn)360°時(shí)，在一次4t轉(zhuǎn)運(yùn)行中例如相繼經(jīng)過(guò)8個(gè)曲線點(diǎn)24，并在每個(gè)曲線 點(diǎn)上以第 一和第二投影圖像的順序進(jìn)行拍攝。為此需要拍攝系統(tǒng)在每個(gè)曲線點(diǎn) 上分別繞X射線源的焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一次。圖11示出與圖9相似的拍攝記錄，其中 拍攝系統(tǒng)僅繞感興趣區(qū)域旋轉(zhuǎn)225?；蚋?如短掃描或超短掃描)。還可以運(yùn) 行部分圓的可能性是本發(fā)明的方法區(qū)分于其它方法(如檢測(cè)器錯(cuò)位方法)的過(guò) 人之處。圖10示出一拍攝記錄，其中在拍攝系統(tǒng)繞感興趣區(qū)域5旋轉(zhuǎn)360。時(shí)，例 如在第 一 圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中先后經(jīng)過(guò)8個(gè)曲線點(diǎn)24,并在每個(gè)曲線點(diǎn)上拍攝第 一投 影圖像。然后拍攝系統(tǒng)繞X射線源的焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，并在第二圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中以相反 的順序先后經(jīng)過(guò)所有曲線點(diǎn)24，并在每個(gè)曲線點(diǎn)上拍攝第二投影圖像。還可以 有利地將該原理應(yīng)用到其它軌道曲線上(如螺旋、圓和線、圓和圓弧)。這樣，當(dāng)感興趣區(qū)域的大小至少大概已知時(shí)，例如可以依據(jù)對(duì)象來(lái)設(shè)置重 疊。例如還可以通過(guò)一次或多次利用低劑量的預(yù)拍攝來(lái)確定感興趣區(qū)域的大小， 然后手動(dòng)或自動(dòng)地設(shè)置重疊?？梢栽谕队暗闹丿B區(qū)域內(nèi)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)取平均，這 可以導(dǎo)致測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差降低，即降低噪聲。圖13示出作為本發(fā)明實(shí)施方式的另一C形弓架式X射線設(shè)備30,其與現(xiàn) 有技術(shù)中的X射線設(shè)備1的區(qū)別在于，除了 C形弓架2繞感興趣區(qū)域5旋轉(zhuǎn)外， 由X射線源3和X射線檢測(cè)器4構(gòu)成的拍攝系統(tǒng)還可共同圍繞X射線源3的 焦點(diǎn)15中的第二旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。在此優(yōu)選拍攝系統(tǒng)可在C形弓架2的旋轉(zhuǎn)平 面內(nèi)^走專爭(zhēng)。圖13除了靜止位置外還用虛線示出了兩個(gè)其它位置，在這兩個(gè)位置拍攝 系統(tǒng)在C形弓架平面內(nèi)分別繞X射線源3的焦點(diǎn)15旋轉(zhuǎn)一個(gè)> 0°的角。控制 和計(jì)算單元7可用于控制該旋轉(zhuǎn)。X射線源3例如可以可翻轉(zhuǎn)地固定，而X射
線檢測(cè)器4可以這樣固定在滑軌25上，使得其可以沿滑軌移動(dòng)。為了有意義地 利用本發(fā)明的方法，拍攝系統(tǒng)應(yīng)能在兩個(gè)方向上繞X射線源3旋轉(zhuǎn)至少5°。在 這樣的系統(tǒng)中須注意X射線源和X射線檢測(cè)器彼此之間要具有恒定的距離并保 持方向不變。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，采用了計(jì)算機(jī)斷層造影X射線設(shè)備， 其中拍攝系統(tǒng)可繞X射線源中的第二旋轉(zhuǎn)中心、尤其可繞X射線源的焦點(diǎn)中的 第二旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的方法有利地既可以用于例如由C形弓架式X射線設(shè)備產(chǎn)生的錐形 X射線，也可以用于例如由計(jì)算機(jī)斷層造影X射線設(shè)備產(chǎn)生的扇形X射線。圖14示出作為本發(fā)明實(shí)施方式的機(jī)器人X射線設(shè)備31，其中承載拍攝系 統(tǒng)的C形弓架2設(shè)置在所謂的彎臂機(jī)器人32上。這樣的彎臂機(jī)器人32例如在 汽車的工業(yè)生產(chǎn)中是標(biāo)準(zhǔn)采用的，其具有例如6個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，由此每個(gè)都可以在 空間任意運(yùn)動(dòng)?？刂坪陀?jì)算單元7仍用于控制拍攝系統(tǒng)繞X射線源3的焦點(diǎn)15 的旋轉(zhuǎn)。因此例如可以通過(guò)操作人員將感興趣區(qū)域的高度和寬度通知給控制和 計(jì)算單元7，控制和計(jì)算單元7計(jì)算對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行完全成像所需的旋轉(zhuǎn)角。 然后控制和計(jì)算單元7控制彎臂機(jī)器人32和C形弓架2的運(yùn)動(dòng)。利用機(jī)器人X射線設(shè)備31,不僅可以使旋轉(zhuǎn)角位于C形弓架2的旋轉(zhuǎn)平 面內(nèi)，而且還可以#4居要拍攝感興趣區(qū)域的哪部分還4吏旋轉(zhuǎn)角例如位于垂直于 C形弓架2旋轉(zhuǎn)平面的平面內(nèi)，或在其它與X射線源到X射線檢測(cè)器的垂線的 中間位置相切的平面內(nèi)。普遍具有優(yōu)點(diǎn)的是，過(guò)后要^f皮綜合的至少兩幅單獨(dú)的 投影圖像的旋轉(zhuǎn)角位于一個(gè)平面內(nèi)。在本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式中，各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像的區(qū)別在于 感興趣區(qū)域5繞焦點(diǎn)15或繞通過(guò)焦點(diǎn)15的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角不同，而焦點(diǎn) 15和拍攝系統(tǒng)為位置固定的。因此，也如在第一實(shí)施方式中，在焦點(diǎn)15的每 個(gè)曲線點(diǎn)上拍攝兩個(gè)(或多個(gè))單獨(dú)的投影圖像，并然后將它們綜合成一幅擴(kuò) 展的投影圖像。對(duì)于不同的單獨(dú)的投影圖像，使感興趣區(qū)域5繞X射線源3的 焦點(diǎn)15旋轉(zhuǎn)，在此感興趣區(qū)域5與焦點(diǎn)15的相對(duì)位置保持不變。圖15示出感興趣區(qū)域5的第一位置，在該位置上拍攝第一單獨(dú)的投影圖 像，圖16示出感興趣區(qū)域5的第二位置，在該位置上拍攝第二單獨(dú)的投影圖像。 在感興趣區(qū)域5繞焦點(diǎn)15旋轉(zhuǎn)的情況下，各旋轉(zhuǎn)角與從焦點(diǎn)15到感興趣區(qū)域 5的中點(diǎn)33的投影方向34相關(guān)。作為旋轉(zhuǎn)角的零點(diǎn)例如可以采用焦點(diǎn)15至X 射線檢測(cè)器4的垂線。
圖17舉例示出兩個(gè)從焦點(diǎn)15到感興趣區(qū)域5的中點(diǎn)33的投影方向34, 其中例如在感興趣區(qū)域5的第一位置涉及感興趣區(qū)域5的第一旋轉(zhuǎn)角x,在感 興趣區(qū)域5的第二位置涉及感興趣區(qū)域5的第二旋轉(zhuǎn)角5。然后對(duì)這些投影圖 像進(jìn)行綜合并如通常那樣進(jìn)行再現(xiàn)。感興趣區(qū)域5繞焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)任何可在空間上調(diào)節(jié)的支撐裝 置，如可移動(dòng)的患者臥榻36來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢苿?dòng)的患者臥榻36的空間可運(yùn)動(dòng)性， 即利用六個(gè)自由度的可運(yùn)動(dòng)性，例如可以通過(guò)特別是六個(gè)軸的彎臂機(jī)器人來(lái)實(shí) 現(xiàn)，可移動(dòng)的患者臥榻36安裝在該機(jī)器人上。應(yīng)注意將患者盡可能牢固地固定 該可移動(dòng)的患者臥榻36上，因?yàn)樵摶颊吲P榻是可旋轉(zhuǎn)的。在本發(fā)明方法的該實(shí)施方式中也可以在一次旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中在每個(gè)經(jīng)過(guò)的曲 線點(diǎn)處交替地拍攝兩個(gè)單獨(dú)的投影圖像，其間感興趣區(qū)域5繞焦點(diǎn)15旋轉(zhuǎn)；或 者還可以首先在一次旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中對(duì)所有曲線點(diǎn)分別拍攝第一單獨(dú)的投影圖像， 然后在該旋轉(zhuǎn)之后，在第二次旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中對(duì)所有曲線點(diǎn)分別拍攝第二單獨(dú)的投 影圖像。此外，在此還可以將各單獨(dú)的投影圖像相重疊。在本發(fā)明的第三實(shí)施方式中，在拍攝第一單獨(dú)的投影圖像時(shí)感興趣區(qū)域5 和拍攝系統(tǒng)的位置都與在拍攝第二單獨(dú)的投影圖像時(shí)的位置不同，在此焦點(diǎn)15 和感興趣區(qū)域5的相對(duì)位置恒定。焦點(diǎn)15的兩個(gè)位置都在掃描軌道上，但不處 于同一位置，焦點(diǎn)15的該兩個(gè)位置之間的連接線段40與感興趣區(qū)域5中點(diǎn)33 的兩個(gè)位置之間的連接線段41平行，并具有相同的長(zhǎng)度。如果被綜合的單獨(dú)的 投影圖像多于兩個(gè)，則這也適用于其它單獨(dú)的投影圖像。圖18示出處于第一位置(實(shí)線示出)和第二位置(點(diǎn)劃線示出)的感興 趣區(qū)域5和拍攝系統(tǒng)，拍攝系統(tǒng)通過(guò)焦點(diǎn)15和以平面X射線檢測(cè)器4.2為例示 出，在第一位置拍攝第一單獨(dú)的投影圖像，在第二位置拍攝第二單獨(dú)的投影圖 像，然后將該第一和第二單獨(dú)的投影圖像綜合為一幅擴(kuò)展的投影圖像，并與其 它擴(kuò)展的投影圖像一起如通常那樣進(jìn)行再現(xiàn)。焦點(diǎn)15和感興趣區(qū)域5之間的相對(duì)位置對(duì)于該兩個(gè)位置來(lái)說(shuō)是相同的， 這意味著由感興趣區(qū)域5中的兩個(gè)任意選擇的固定點(diǎn)與焦點(diǎn)15構(gòu)成的三角形在 (第一單獨(dú)的投影圖像的)第一位置和在(第二單獨(dú)的投影圖像)的第二位置 上的大小是相同的。此外，第一和第二位置之間的幾何關(guān)系還如下如果使第 一位置上的感興趣區(qū)域5與第二位置上的感興趣區(qū)域5重合，則導(dǎo)致拍攝系統(tǒng) 繞焦點(diǎn)15旋轉(zhuǎn)后位于第二位置上。圖19同樣示出用于拍攝第一單獨(dú)的投影圖
像的第一位置(實(shí)線示出)和用于拍攝第二單獨(dú)的投影圖像的第二位置(點(diǎn)劃 線示出)，然后可將該第一和第二投影圖像進(jìn)行綜合。第三實(shí)施方式相對(duì)于第一實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于，其還可以利用僅能繞旋轉(zhuǎn) 軸11旋轉(zhuǎn)的常規(guī)C形弓架式X射線設(shè)備來(lái)實(shí)施，只要還設(shè)有可調(diào)節(jié)的患者臥 榻。其相對(duì)于第二實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于，在感興趣區(qū)域5中被拍攝的患者臥榻 只需在C形弓架平面內(nèi)兩維地移動(dòng)，而無(wú)須翻轉(zhuǎn)，由此大大簡(jiǎn)化了對(duì)患者的支 撐。圖20示出兩次旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的各三個(gè)截段，其中，投影圖像的拍攝順序?yàn)椋?首先在拍攝系統(tǒng)圍繞感興趣區(qū)域(實(shí)線，上圖)的第一旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中拍攝所有第 一單獨(dú)投影圖像，然后在拍攝系統(tǒng)圍繞感興趣區(qū)域(點(diǎn)劃線，下圖)的第二旋 轉(zhuǎn)運(yùn)行中拍攝所有第二單獨(dú)投影圖像，其中，在拍攝之后，將每幅第一投影圖 像分別與一幅對(duì)應(yīng)的第二投影圖像相綜合。旋轉(zhuǎn)運(yùn)行可以為360°或小于360°。投影圖像的拍攝順序還可以為，在拍攝系統(tǒng)圍繞感興趣區(qū)域的一次旋轉(zhuǎn)運(yùn) 行中分別以直接序列拍攝至少兩幅單獨(dú)的投影圖像，將該兩幅投影圖像綜合為 一幅擴(kuò)展的兩維投影圖像。在本發(fā)明的第二和第三實(shí)施方式中，也可以使單獨(dú)的待綜合的投影圖像重 疊或齊平地相互接觸。為了將至少兩個(gè)投影圖像綜合成一個(gè)擴(kuò)展的投影圖像，優(yōu)選構(gòu)建所謂的虛 擬檢測(cè)器，在此，虛擬檢測(cè)器還描述拍攝系統(tǒng)和對(duì)象的空間位置及布局?？梢?用兩種方法來(lái)建立虛擬檢測(cè)器，其中，第一種方法基于檢測(cè)器，即在X射線檢 測(cè)器的檢測(cè)器矩陣的笛卡爾布局的基礎(chǔ)上，而第二種方法基于濾波行，即在濾 波行布局的基礎(chǔ)上，其實(shí)施如下在虛擬檢測(cè)器20、即綜合成的擴(kuò)展的投影圖像的點(diǎn)Xi和Xj之間，以及在第 一單獨(dú)的投影圖像I，和第二單獨(dú)的投影圖像I"的點(diǎn)xr和Xj，，之間，通過(guò)對(duì)應(yīng)H， 和H",即與第一單獨(dú)的投影圖像I，相關(guān)的第一對(duì)應(yīng)H，和與第二單獨(dú)的投影圖 像I"相關(guān)的第二對(duì)應(yīng)H"定義了如圖21所示的如下關(guān)系(a) XjWxi(b) Xj，，=H，，Xj 。就在FBP算法中實(shí)施的沿檢測(cè)器行的濾波、即所謂的濾波行來(lái)說(shuō)，有意義 的是，借助濾波行的布局、"基于濾波行地"并且不借助于檢測(cè)器矩陣、"基于 檢測(cè)器地"來(lái)建立虛擬檢測(cè)器，因?yàn)橛绕涫切碌脑佻F(xiàn)方法定義了翻轉(zhuǎn)的濾波行(圖23 )?；跒V波行建立虛擬檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于，可以直接利用公式(a)和(b) 從第一單獨(dú)的投影圖像I，和第二單獨(dú)的投影圖像I"中確定出沿濾波行的值，由 此可以由虛擬檢測(cè)器20出發(fā)事后對(duì)該值進(jìn)行插值。與基于檢測(cè)器的過(guò)程不同，不能將基于濾波行的過(guò)程理解為再現(xiàn)的獨(dú)立預(yù) 處理步驟，因?yàn)楸仨殞V波行的位置一起引入，而這與再現(xiàn)算法相關(guān)。但基于 濾波行的再現(xiàn)方法在翻轉(zhuǎn)的濾波行的情況下時(shí)插值的數(shù)量降低，并且可以在很 多情況下，在計(jì)算時(shí)間以及在再現(xiàn)所能達(dá)到的位置分辨率方面都超過(guò)了基于檢 測(cè)器的方法。在FDK算法中，基于濾波行的方法和基于檢測(cè)器的方法具有同等 的意義，因?yàn)樵诖藱z測(cè)器行與濾波行重合。因此基于檢測(cè)器的方法可以視為基 于濾波行的方法的特例，其中，濾波行位于檢測(cè)器柵格上。如圖21所示，第一和第二對(duì)應(yīng)H，和H"定義第一投影圖像I，和虛擬檢測(cè)器 20之間以及第二投影圖像I"和虛擬檢測(cè)器20之間的幾何關(guān)系。借助對(duì)應(yīng)H，和H，，可以從單獨(dú)的投影圖像r和r中提取出在第一投影圖像r的點(diǎn)Xi，和第二投影圖像I，，的點(diǎn)Xj"的位置上的所需的灰度值。在此點(diǎn)Xi，和Xj"的映射Xi和Xj—般不再位于檢測(cè)器柵格上，因此通過(guò)插值、如雙線性插值從已有的相鄰值來(lái)確定 這些位置上的灰度值。單獨(dú)的投影圖像r和r的重疊區(qū)域在虛擬檢測(cè)器20中以 陰影突出。圖22以任意檢測(cè)器行為例示出基于檢測(cè)器的方案，圖23以任意濾波行為 例示出基于濾波行的方案。黑點(diǎn)分別表示虛擬檢測(cè)器20上通過(guò)由單獨(dú)的投影圖像r和r的灰度值的插值來(lái)確定灰度值的位置，空心點(diǎn)表示在各單獨(dú)的投影圖 像上的位置。在第一單獨(dú)的投影圖像r與第二單獨(dú)的投影圖像r的重疊區(qū)域(陰 影所示)內(nèi)要采用適當(dāng)?shù)牟逯挡呗?，因?yàn)樵诖舜嬖趤?lái)自兩個(gè)單獨(dú)的投影圖像的 灰度值。這些點(diǎn)的符號(hào)化連接通過(guò)虛線示出，對(duì)應(yīng)H，和H"將線又映射到線上(但沿這些線的點(diǎn)的距離(以及由此的掃描)是變化的)。同樣可以明確的是，基于 檢測(cè)器的方案是基于濾波行的方案的特例，也就是當(dāng)沿水平線濾波時(shí)。本發(fā)明可以簡(jiǎn)短歸納如下為了在感興趣區(qū)域較大以及在掃描軌道小于360°的情況下也能進(jìn)行無(wú)偽 影再現(xiàn)，本發(fā)明提出了一種由感興趣區(qū)域的多個(gè)二維投影圖像再現(xiàn)三維立體圖 像的方法，其中，這些兩維投影圖像是在拍攝系統(tǒng)繞該感興趣區(qū)域旋轉(zhuǎn)期間拍 攝的，該拍攝系統(tǒng)具有帶有焦點(diǎn)的X射線源和檢測(cè)器，其中，通過(guò)投影圖像的 反投影來(lái)計(jì)算立體圖像體素的灰度值，其中，每幅兩維投影圖像分別來(lái)自于至 少兩幅被綜合為一幅擴(kuò)展的兩維投影圖像的單獨(dú)的投影圖像，其中，各至少兩 幅單獨(dú)的投影圖像是在焦點(diǎn)和感興趣區(qū)域之間相對(duì)位置恒定的情況下拍攝的。
權(quán)利要求
1.一種由感興趣區(qū)域的多個(gè)二維投影圖像再現(xiàn)三維立體圖像的方法，其中，這些兩維投影圖像是在拍攝系統(tǒng)(3，4)繞該感興趣區(qū)域(5)旋轉(zhuǎn)期間拍攝的，該拍攝系統(tǒng)(3，4)具有帶有焦點(diǎn)(15)的X射線源(3)和X射線檢測(cè)器(4)，其中，通過(guò)所述投影圖像的反投影來(lái)計(jì)算立體圖像體素的灰度值，其特征在于，每幅兩維投影圖像分別來(lái)自于至少兩幅被綜合為一幅擴(kuò)展的兩維投影圖像的單獨(dú)的投影圖像，其中，所述各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像是在焦點(diǎn)(15)和感興趣區(qū)域(5)之間相對(duì)位置恒定的情況下拍攝的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所迷各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像 關(guān)于所述拍攝系統(tǒng)(3, 4)繞焦點(diǎn)(15)或繞通過(guò)焦點(diǎn)(15)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的 旋轉(zhuǎn)角不同，而所述焦點(diǎn)(15)和感興趣區(qū)域(5)為位置固定的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像 關(guān)于所述感興趣區(qū)域(5 )繞焦點(diǎn)(15 )或繞通過(guò)焦點(diǎn)(15 )的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的旋 轉(zhuǎn)角不同，而所述焦點(diǎn)(15)和拍攝系統(tǒng)(3， 4)為位置固定的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像 的區(qū)別在于，所述焦點(diǎn)(15 )和所述感興趣區(qū)域(5 )在相對(duì)位置恒定的情況下 彼此不同地定位，并且所述拍攝系統(tǒng)(3， 4)繞焦點(diǎn)(15)或繞通過(guò)焦點(diǎn)(15) 的旋轉(zhuǎn)軸不同地旋轉(zhuǎn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，分別產(chǎn)生兩幅單獨(dú) 的投影圖像并綜合為一幅擴(kuò)展的投影圖像。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述至少兩幅單獨(dú) 的投影圖像的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)角位于一個(gè)平面內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述拍攝系統(tǒng)(3, 4)或感興趣區(qū)域(5)繞焦點(diǎn)(15)的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)基本上位于拍攝系統(tǒng)(3, 4) 繞感興趣區(qū)域(5 )的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，第一單獨(dú)的投影圖 像是在所述拍攝系統(tǒng)(3， 4)繞焦點(diǎn)(15)或繞通過(guò)焦點(diǎn)(15)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 時(shí)的第一旋轉(zhuǎn)角(cO下拍攝的，第二單獨(dú)的投影圖像是在所述拍攝系統(tǒng)(3， 4) 繞焦點(diǎn)(15 )或繞通過(guò)焦點(diǎn)(15 )的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的第二旋轉(zhuǎn)角((3 )下拍攝的， 其中，第一旋轉(zhuǎn)角(a)為第二旋轉(zhuǎn)角(卩)的負(fù)數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，各個(gè)單獨(dú)的待綜合 的投影圖像相互間具有大于0%且小于50%的重疊。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，各個(gè)單獨(dú)的待綜合 的投影圖像相互間具有大于0°/。且小于10°/。的重疊。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，根據(jù)對(duì)象、尤其是其大小 來(lái)調(diào)節(jié)所述重疊。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述投影圖像的 拍攝順序?yàn)?，首先在所述拍攝系統(tǒng)(3， 4)圍繞感興趣區(qū)域(5)的第一旋轉(zhuǎn)運(yùn) 行中拍攝所有第一單獨(dú)投影圖像，然后在所述拍攝系統(tǒng)(3, 4)圍繞感興趣區(qū) 域(5)的第二旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中拍攝所有第二單獨(dú)投影圖像，其中，將每幅第一單獨(dú) 投影圖像分別與 一 幅第二投影圖像相綜合。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述投影圖像的 拍攝順序?yàn)?，在所述拍攝系統(tǒng)(3， 4)圍繞感興趣區(qū)域(5)的一次旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中 分別以直接序列拍攝至少兩幅單獨(dú)的投影圖像，將該兩幅投影圖像綜合為 一幅 擴(kuò)展的兩維投影圖像。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中，由X射線源(3) 產(chǎn)生的用于拍攝投影圖像的X射線為圓錐形射線。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，由X射線源(3 ) 產(chǎn)生的用于拍攝投影圖像的X射線為扇形射線。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過(guò)基于所述X 射線檢測(cè)器(4)的檢測(cè)器矩陣的笛卡爾布局建立的虛擬檢測(cè)器(20)進(jìn)行對(duì)所 述至少兩幅單獨(dú)的投影圖像的綜合。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過(guò)基于濾波行的 設(shè)置建立的虛擬檢測(cè)器(20)進(jìn)行對(duì)所述至少兩幅單獨(dú)的投影圖像的綜合。
18. —種X射線設(shè)備，用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1、 2和4至7中任一項(xiàng)所 述的方法，具有拍攝系統(tǒng)(3, 4)，用于拍攝感興趣區(qū)域(5)的兩維投影圖像，其包括射 線源(3)和X射線檢測(cè)器(4),其中，該拍攝系統(tǒng)(3, 4)可以同時(shí)繞射線 源(3 )和X射線檢測(cè)器(4 )之間的第一旋轉(zhuǎn)中心和繞射線源(3 )的焦點(diǎn)(15 ) 的第二旋轉(zhuǎn)中心或繞通過(guò)射線源(3)的焦點(diǎn)(15)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)； 控制和計(jì)算單元，用于從兩維投影圖像中再現(xiàn)出三維立體圖像。
19. 一種X射線設(shè)備，用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1和3至17中任一項(xiàng)所述 的方法，具有拍攝系統(tǒng)(3, 4)，用于拍攝感興趣區(qū)域(5)的兩維投影圖像，其包括射 線源(3)和X射線檢測(cè)器(4)，其中，該拍攝系統(tǒng)(3, 4)可以繞射線源(3) 和X射線檢測(cè)器(4)之間的第一旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)；用于承載所述感興趣區(qū)域的、在空間上可調(diào)的支撐裝置；控制和計(jì)算單元，用于從兩維投影圖像中再現(xiàn)出三維立體圖像。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的X射線設(shè)備，其由C形弓架式X射線設(shè) 備(30， 31 )構(gòu)成。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的X射線設(shè)備，其中，所述拍攝系統(tǒng)(3, 4)直接或借助支架安置在彎臂機(jī)器人或工業(yè)機(jī)器人(32)上。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的X射線設(shè)備，其由計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備 構(gòu)成。
全文摘要
為了在感興趣區(qū)域較大以及在掃描軌道小于360°的情況下也能進(jìn)行無(wú)偽影再現(xiàn)，本發(fā)明提出了一種由感興趣區(qū)域的多個(gè)二維投影圖像再現(xiàn)三維立體圖像的方法，其中，這些兩維投影圖像是在拍攝系統(tǒng)繞該感興趣區(qū)域旋轉(zhuǎn)期間拍攝的，該拍攝系統(tǒng)具有帶有焦點(diǎn)的X射線源和X射線檢測(cè)器，其中，通過(guò)投影圖像的反投影來(lái)計(jì)算立體圖像體素的灰度值，其中，每幅兩維投影圖像分別來(lái)自于至少兩幅被綜合為一幅擴(kuò)展的兩維投影圖像的單獨(dú)的投影圖像，其中，所述各至少兩幅單獨(dú)的投影圖像是在焦點(diǎn)和感興趣區(qū)域之間相對(duì)位置恒定的情況下拍攝的。
文檔編號(hào)A61B6/00GK101133962SQ20071014881
公開日2008年3月5日 申請(qǐng)日期2007年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月1日
發(fā)明者喬基姆·霍內(nèi)杰, 伯恩哈德·肖爾茨, 厄恩斯特-彼得·魯厄恩肖普, 斯蒂芬·霍庇, 本諾·海格爾, 邁克爾·澤勒霍夫, 霍爾格·謝爾 申請(qǐng)人:西門子公司