錐束ct動態(tài)成像的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種錐束CT動態(tài)成像的方法和設(shè)備，其中通過使用錐束發(fā)射器和檢測器執(zhí)行圓形加稀疏螺旋掃描幾何或部分圓形加稀疏螺旋掃描幾何以獲得投影數(shù)據(jù)，而在掃描平面內(nèi)執(zhí)行對所述物體的錐束掃描，其中所述掃描幾何包括圓形加螺旋掃描幾何或部分圓形掃描幾何加螺旋掃描幾何，以及其中所述投影數(shù)據(jù)包括僅在沿著所述螺旋掃描幾何的離散點(diǎn)獲取的投影數(shù)據(jù)，其中所述部分螺旋掃描包括4π角度的覆蓋；以及根據(jù)所述投影數(shù)據(jù)形成所述錐束重建圖像。從而實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)是實(shí)時采集的。
【專利說明】錐束CT動態(tài)成像的方法和設(shè)備
[0001]本申請是申請?zhí)枮?00780013865.X、申請日為2007年2月27日、發(fā)明名稱為“錐束CT動態(tài)成像的方法和設(shè)備”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的引用
[0003]本申請要求2006年2月27日提交的美國臨時專利申請第60/776666號的權(quán)益，這里通過引用將其公開內(nèi)容結(jié)合到本說明書中。
[0004]政府利益聲明
[0005]研發(fā)本發(fā)明的工作部分由NIHGrants8R01EB002775、R019HL078181 和4R33CA94300支持。政府擁有本發(fā)明中的某些權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0006]本發(fā)明涉及成像，更特別地涉及使用加權(quán)函數(shù)增加時間分辨率的半掃描成像技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0007]近幾年來，半掃描方法在錐束CT中的使用成為一個熱門課題，這是由于時間分辨率的提高。目前有多種不同類型的錐束半掃描方案，例如基于FDK的，基于錐束濾波反向投影的(CBFBP),和基于Grangeat的。每個方案使用平面掃描軌道(圓形的或非圓形的)來實(shí)施該半掃描方案。理論上，只要該重建物體在某個尺寸大小內(nèi)，圓形半掃描可以基于Grangeat公式的導(dǎo)數(shù)，根據(jù)一階導(dǎo)數(shù)輻射數(shù)據(jù)可以近似獲得與圓形完全掃描相同的Radon域信息。即使在圓形半掃描范圍內(nèi)，仍然存在冗余。Grangeat型半掃描(GHS)將空間投影數(shù)據(jù)映射到一階導(dǎo)數(shù)輻射數(shù)據(jù)并且在Radon域?qū)λ鼈兗訖?quán)。在通過線性內(nèi)插/外插圓形掃描不能進(jìn)入的該Radon域的陰影區(qū)而添加丟失數(shù)據(jù)之后，使用3DRadon逆公式來得到該重建圖像。
[0008]當(dāng)前用于錐束CT的FDK型半掃描(FDKHSFW)方案使用Parker或者其他基于扇形束幾何的加權(quán)系數(shù)，其中對所有檢測行應(yīng)用相同的加權(quán)系數(shù)。CBFBP算法使用該Radon域中的冗余投影數(shù)據(jù)，在濾波反向投影(FBP)的結(jié)構(gòu)中完成半掃描重建并且獲得幾乎與FDKHSFW相同的性能。當(dāng)該陰影區(qū)被填充線性內(nèi)插數(shù)據(jù)時，Grangeat型半掃描方案在校正未掃描(off-scanning)平面衰減系數(shù)降低上的性能超過了 FDK型半掃描方案。然而,來自GHS的重建圖像的空間分辨率比FDKHSFW差，因?yàn)樵贔DK中包含的數(shù)據(jù)內(nèi)插比GHS少。此外，GHS不能處理縱向方向上的被截(truncated)數(shù)據(jù)。CBFBP相關(guān)的半掃描和FDKHSFW在距離Z = O最遠(yuǎn)的重建圖像位置顯示了各種衰減系數(shù)降低偽像(artifacts)，其中Z是旋轉(zhuǎn)軸。該偽像是實(shí)踐中不希望出現(xiàn)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個目的是在一定程度上校正該降低問題。
[0010] 本發(fā)明的另一個目的是在這樣做的同時保持空間分辨率。[0011 ] 為了實(shí)現(xiàn)上述和其他目的，本發(fā)明提出了一種具有配合錐束幾何(FDKHSCW)的新加權(quán)函數(shù)的FDK半掃描方案，其中該加權(quán)函數(shù)是與錐束幾何相關(guān)的。該具有新錐束加權(quán)函數(shù)的FDK半掃描算法被描述。實(shí)施了一種計(jì)算機(jī)模擬，并且評估該FDKHSCW以與FDKFS和FDKHSFW相比較。
[0012]對基于FDK的圓形半掃描重建(FDKHSCW)啟發(fā)式提出了一種新的錐束加權(quán)方案，用于在一定程度上沿著該旋轉(zhuǎn)軸校正該密度降低偽像，接著使用用于較大錐角的原始FDK算法。當(dāng)該錐角較大時，根據(jù)衰減系數(shù)降低使用FDKHSCW來代替FDKFS和FDKHSFW時，對有噪聲和無噪聲的Shepp-Logan幻象進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬顯示產(chǎn)生了改進(jìn)，同時維持相同的虛擬圖象質(zhì)量。FDKHSCff需要在濾波前進(jìn)行額外的錐束加權(quán)，并且僅使用[β，180+ β +2 Λ ]的掃描范圍，其中β是X射線的起始投影角，△是完全扇形角的一半，二者都被限定在該掃描平面中。該起始角一旦確定，就可以處理每個投影圖像(對半掃描進(jìn)行錐束加權(quán)，由FDK繼承的像素加權(quán)，濾波)。所以，與完全掃描方案相比較，重建物體需要更少的時間，這在實(shí)踐中是一個非常希望具備的特征。這里，該半掃描被定義為180°加上掃描幾何的錐角。此外，該半掃描方案提供了選擇任何起始點(diǎn)用于重建的靈活性，只要該掃描范圍被確保即可，這是錐束CT動態(tài)成像的另一優(yōu)選特征。如果執(zhí)行完全圓形掃描，為了增加該系統(tǒng)和錐束CT重建的時間分辨率，可以通過選擇不同的起始點(diǎn)來根據(jù)該完全圓形掃描執(zhí)行多個半掃描重建。因此，本發(fā)明的另一目的是，使用半掃描算法根據(jù)物體的一個或多個圓形掃描投影圖像重建多個半掃描重建，以增加錐束CT動態(tài)成像掃描的時間分辨率。
[0013]基于Silver 提出的思想(Μ.D.Silver, “Amethodforincluding redundantdataincomputedtomography”，Med.Phys.27，773-774 (2000))，我們甚至能夠通過使得掃描范圍大于180+2 △來實(shí)施擴(kuò)展的半掃描方案，應(yīng)用該新錐束加權(quán)函數(shù)以獲得更好的噪聲特性。
[0014]該圓形錐束半掃描加權(quán)方案對于低對比度物體工作得更好。我們從Shepp-Logan幻象的模擬中可以看到，最大補(bǔ)償位于0.03的衰減系數(shù)內(nèi)。我們預(yù)期，F(xiàn)DKHSCW能夠顯示高對比度幻象例如Defrise盤幻象中的強(qiáng)度降低的改進(jìn)。但是它對于低對比度幻象更有前途。
[0015]其他提出的改進(jìn)的FDK方法稱為T-FDK和FDK-SLANT，它們也在一定程度上以更大的錐角校正FDK中繼承的沿著旋轉(zhuǎn)軸衰減系數(shù)降低。在這些方法和FDKHSCW之間存在不同。雖然這些方法的結(jié)果顯示了與FDKHSCW相似的校正，但是FDK-SLANT和T-FDK需要根據(jù)錐束數(shù)據(jù)平行重排(rebinned)。這意味著，直到整組數(shù)據(jù)采集和平行重排序過程完成才開始該濾波部分，然后進(jìn)行反向投影以進(jìn)行圖像重建。FDKHSCW的優(yōu)點(diǎn)在于，一旦獲得2D投影數(shù)據(jù)，該濾波部分就能開始并且立即 進(jìn)行反向投影。只要托架速度和讀出速率足夠高，這個方案就能在實(shí)施連續(xù)動態(tài)成像時實(shí)現(xiàn)幾乎實(shí)時監(jiān)測。Wang (G.Wang, “X-raymicro-CTwithadispIaceddetectorarray, Med.Phys.29, 1634-1636 (2002))研發(fā)了 一種在移位的(displaced)檢測器陣列上進(jìn)行錐束完全圓形掃描重建而不需要重排該投影數(shù)據(jù)以重建的加權(quán)方案。對于該冗余區(qū)域，可以通過調(diào)節(jié)掃描范圍中的加權(quán)條件來將我們的方案應(yīng)用到這個算法中。
[0016]近來，提出了一種新的圓形3D加權(quán)重建算法，基于對直接射線與其共軛射線之間的數(shù)據(jù)不一致的研究來減少錐束偽像。其基本思想是在反向投影期間將濾波的投影數(shù)據(jù)乘以與錐束幾何相關(guān)的校正系數(shù)。但是它校正的偽像不是這里FDKHSCW試圖校正的，即衰減系數(shù)降低。然而，這兩種方案可以相結(jié)合。
[0017]總之，通過結(jié)合新的錐束加權(quán)方案，基于一個平板檢測器提出了一種新的基于FDK的探索性的圓形軌道半掃描近似算法，數(shù)值模擬證實(shí)了它的可行性。
[0018]由于可以以更少的時間來完成該數(shù)據(jù)的掃描和處理，所以可以更快地完成成像。因而，四維掃描(三維空間和一維時間)就變得可能。
[0019]在以下美國專利中公開了相關(guān)的系統(tǒng)和方法:6987831號，“Apparatusandmethodforconebeamvolumecomputedtomography breastimaging” ；6618466 號，“Apparatusandmethodforx-ray scatterreductionandcorrectionforfanbeamCTandconebearn volumeCT，，；6504892 號，“Apparatusandmethodforconebeam volumecomputedtomographyusingcircle-plus-multiple-arc orbit，，；6480565 號，“Apparatusandmethodforconebeamvolume computedtomographybreastimaging，，；6477221 號，“Systemand methodforfastparallelcone-beamreconstructionusingoneor moremicroprocessors，，；6298110 號，“ConebeamvoIumeCT angiographyimagingsystemandmethod，，;6075836 號，“Methodof andsystemforintravenousvolumetomographicdigital angiographyimaging，，；和 5999587 號，^Methodofandsystemfor cone-beamtomographyreconstruction，，。這里通過引用將它們的全部內(nèi)容結(jié)合到本說明書中。這些專利中公開的技術(shù)可以用于與這里公開的技術(shù)相結(jié)合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面參照附圖具體給出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中:
[0021]圖1示出了第一優(yōu)選實(shí)施例的掃描幾何；
[0022]圖2示出了圖1的掃描幾何中的冗余區(qū)域；
[0023]圖3A — 3D示出了加權(quán)系數(shù)；
[0024] 圖4A — 4C示出了幻象的重建矢狀圖像；
[0025]圖4D示出了該幻象；
[0026]圖4E和4F沿著圖4D中所示的線對圖4A — 4C中的圖像的線剖面(profile)進(jìn)行比較；
[0027]圖5A和5B示出了具有不同噪聲水平的結(jié)果；
[0028]圖5C和示出了對于圖5A和5B的結(jié)果的剖面比較；
[0029]圖6示出了第二優(yōu)選實(shí)施例中的Radon域；和
[0030]圖7A和7B示出了第二優(yōu)選實(shí)施例中的掃描幾何。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面將參照附圖具體給出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中相似的參考數(shù)字表示相似的部件或步驟。
[0032]通過對所有傾斜扇形波束對物體的作用求和而在扇形波束算法的基礎(chǔ)上擴(kuò)展FDK算法。該重建是基于濾波和在該錐形內(nèi)反向投影單個扇形波束的。基于圖1中的錐束幾何，其中顯示了錐束發(fā)射器或其他X射線源102和平板檢測器104的平面的相對位置，F(xiàn)DK的
公式為:
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種用于形成物體的錐束重建圖像的方法，所述方法包括: (a)通過使用錐束發(fā)射器和檢測器執(zhí)行圓形加稀疏螺旋掃描幾何或部分圓形加稀疏螺旋掃描幾何以獲得投影數(shù)據(jù)，而在掃描平面內(nèi)執(zhí)行對所述物體的錐束掃描，其中所述掃描幾何包括圓形加螺旋掃描幾何或部分圓形掃描幾何加螺旋掃描幾何，以及其中所述投影數(shù)據(jù)包括僅在沿著所述螺旋掃描幾何的離散點(diǎn)獲取的投影數(shù)據(jù)，其中所述部分螺旋掃描包括4角度的覆蓋；以及 (b)根據(jù)所述投影數(shù)據(jù)形成所述錐束重建圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物體包括胸部。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述圓形或部分圓形掃描幾何是圍繞所述胸部的，并且所述螺旋掃描幾何是沿著所述胸部的。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中步驟(b)包括添加來自所述圓形和螺旋掃描幾何，或來自部分圓形掃描幾何和所述螺旋掃描幾何的項(xiàng)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟(b)還包括添加表示通過圓形掃描不能采集到的Radon空間中的信息的校正項(xiàng)。
6.一種用于形成物體的錐束重建圖像的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 錐束發(fā)射器； 檢測器； 托架，用于引起所述發(fā)射器和所述檢測器的相對移動以通過使用錐束發(fā)射器和檢測器來執(zhí)行圓形加稀疏螺旋掃描幾何或部分圓形加稀疏螺旋掃描幾何以獲得投影數(shù)據(jù)，而在掃描平面內(nèi)執(zhí)行對所述物體的錐束掃描，其中所述掃描幾何包括圓形加螺旋掃描幾何或部分圓形掃描幾何加螺旋掃描幾何，以及其中所述投影數(shù)據(jù)包括僅在沿著所述螺旋掃描幾何的離散點(diǎn)獲取的投影數(shù)據(jù)，其中所述部分螺旋掃描包括4 π角度的覆蓋；以及 處理器，接收所述投影數(shù)據(jù)，用于根據(jù)所述投影數(shù)據(jù)來形成所述錐束重建圖像。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述處理器添加來自所述圓形和所述螺旋掃描幾何，或來自所述部分圓形掃描幾何和所述螺旋掃描幾何的項(xiàng)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還添加表示通過圓形掃描或部分圓形掃描幾何不能采集到的Radon空間中的信息的校正項(xiàng)。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述托架圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，以進(jìn)行所述圓形或部分圓形掃描幾何，以及其中所述托架框架二者都圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)并且沿著所述旋轉(zhuǎn)軸移動以進(jìn)行螺旋掃描幾何。
10.一種用于產(chǎn)生患者胸部的錐束計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)圖像的設(shè)備，所述設(shè)備包括: 托架框架； 至少一個電機(jī)，用于移動所述托架框架以形成數(shù)據(jù)采集幾何； 附著到所述托架框架以隨著所述托架框架移動的錐束輻射源； 附著到所述托架框架以隨著所述托架框架移動的二維檢測器，所述二維檢測器被設(shè)置在所述福射的路徑上； 支架，當(dāng)獲取所述胸部的投影圖像時所述患者靠在所述支架上，所述支架支撐所述患者以使得所述胸部被設(shè)置在所述錐束輻射源和所述二維檢測器之間；和 至少一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于控制對所述胸部的掃描、執(zhí)行對所述胸部的重建和對所述胸部的一組半掃描重建以及對圖像的圖像分析； 所述設(shè)備其特征還在于: 所述輻射源是錐束輻射源； 所獲取的圖像是所述胸部圖像的錐束CT投影； 所述至少一個電機(jī)移動所述托架框架以便通過使所述源和所述檢測器圍繞經(jīng)過所述胸部的軸同步旋轉(zhuǎn)，以形成錐束CT的數(shù)據(jù)采集幾何，從而獲取所述胸部的體積掃描，所述體積掃描得到一組二維(2D)錐束CT投影圖像； 通過根據(jù)一組所述錐束CT投影圖像來執(zhí)行錐束CT重建以產(chǎn)生所述胸部的三維(3D)衰減系數(shù)分布，從而形成三維錐束CT圖像； 所述至少一個電機(jī)包括用于移動所述源和二維檢測器以限定數(shù)據(jù)采集幾何的電機(jī)； 所述數(shù)據(jù)采集幾何至少包括單個360°掃描，在所述360°掃描內(nèi)，具有對應(yīng)于不同視角的起始點(diǎn)的所述胸部的多組錐束CT投影圖像，以及所述多組投影數(shù)據(jù)的每組可被選擇用于半掃描重建； 所述至少一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)利用加權(quán)因子對所述多組投影數(shù)據(jù)的每組加權(quán)以產(chǎn)生多組加權(quán)投影數(shù)據(jù)，其中隨著所述行遠(yuǎn)離所述掃描平面，所述加權(quán)因子減小，以及根據(jù)所述加權(quán)投影數(shù)據(jù)來形成所述圖像，其中所述加權(quán)因子是加權(quán)角的函數(shù)，所述加權(quán)角是所述行和掃描角的函數(shù)，其中加權(quán)角是
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征還在于所述數(shù)據(jù)采集幾何是限定為180°加扇形角圓形掃描的半掃描，所述扇形角限定在所述掃描平面中。
12.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征還在于所述數(shù)據(jù)采集幾何是圓形掃描幾何。
13.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征還在于所述數(shù)據(jù)采集幾何是螺旋幾何。
14.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征還在于所述數(shù)據(jù)采集幾何是圓形加線形幾何。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征還在于所述圓形加線形幾何包括單條線。
16.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征還在于圓形加線形幾何包括多條線。
17.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述處理器向所述加權(quán)投影數(shù)據(jù)中添加表示通過圓形掃描不能采集到的Radon空間中的信息的校正項(xiàng)。
18.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)射器、檢測器、托架和處理器實(shí)時運(yùn)行。
19.一種用于產(chǎn)生患者胸部的錐束計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)圖像的設(shè)備，所述設(shè)備包括: 托架框架； 至少一個電機(jī)，用于移動所述托架框架以形成數(shù)據(jù)采集幾何； 附著到所述托架框架以隨著所述托架框架移動的輻射源； 附著到所述托架框架以隨著所述托架框架移動的二維檢測器，所述二維檢測器被設(shè)置在所述福射路徑上； 支架，當(dāng)獲取所述胸部所述的投影圖像時所述患者靠在所述支架上，所述支架支撐所述患者以使得所述胸部被設(shè)置在所述輻射源和所述二維檢測器之間；以及 至少一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于控制對所述胸部的掃描、執(zhí)行所述胸部的重建和對圖像的圖像分析； 所述設(shè)備其特征還在于: 所述輻射源是錐束輻射源； 所獲取的圖像是錐束CT投影圖像； 所述至少一個電機(jī)移動所述托架框架以便能夠通過使所述源和檢測器圍繞經(jīng)過所述胸部的軸同步旋轉(zhuǎn)來對所述胸部進(jìn)行體積掃描，以形成用于錐束體積計(jì)算機(jī)斷層掃描的數(shù)據(jù)采集幾何，所述體積掃描得到圖像信號； 通過對所述圖像信號執(zhí)行錐束體積計(jì)算機(jī)斷層掃描重建以產(chǎn)生所述胸部的三維衰減系數(shù)分布，從而根據(jù)所述圖像信號形成三維錐束體積CT圖像； 所述至少一個電機(jī)移動所述托架框架以使得所述二維檢測器對所述胸部進(jìn)行體積掃描; 所述設(shè)備還包括所述托架框架上的滑環(huán)，用于提供電源到托架上部件的連接和所述二維檢測器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信； 所述至少一個電機(jī)移動所述托架框架以使得所述二維檢測器對所述胸部進(jìn)行體積掃描， 所述數(shù)據(jù)采集幾何至少包括單個360°掃描，在所述360°掃描內(nèi)，具有對應(yīng)于不同視角的起始點(diǎn)的所述胸部的多組錐束CT投影圖像，以及所述多組投影數(shù)據(jù)的每組可被選擇用于半掃描重建，以及 所述至少一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)利用加權(quán)因子對所述多組投影數(shù)據(jù)的每組加權(quán)以產(chǎn)生多組加權(quán)投影數(shù)據(jù)，其中隨著所述行遠(yuǎn)離所述掃描平面，所述加權(quán)因子減小，以及根據(jù)所述加權(quán)投影數(shù)據(jù)形成所述圖像，其中所述加權(quán)因子是加權(quán)角的函數(shù)，所述加權(quán)角是所述行和掃描角的函數(shù)，其中加權(quán)角是
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征還在于所述數(shù)據(jù)采集幾何是NX360。的掃描，其中N是正整數(shù)。
【文檔編號】A61B6/03GK103908282SQ201410048385
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2007年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2006年2月27日
【發(fā)明者】寧若拉, D.楊 申請人:羅切斯特大學(xué)