專利名稱：用于產(chǎn)生物質(zhì)選擇的立體圖像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生物質(zhì)選擇的立體圖像的方法，具有步驟 -借助射線源產(chǎn)生不同能量范圍的射線；-在不同的能量范圍內(nèi)以及從不同的投影方向透射由不同物質(zhì)成分組成的 對(duì)象；-用射線加載探測器裝置，并通過該探測器裝置采集不同能量范圍的投影 圖像；以及-通過連接于探測器裝置之后的分析單元產(chǎn)生物質(zhì)選擇的立體圖像。
技術(shù)背景這樣的方法由ALVAREZ, R. B.; MACOVSKI, A.: "Energy selective reconstruction in X-ray computerized tomography", Phys, Med. Biol"第21巻，第 733-744頁，(1976)公知。該公知的方法是計(jì)算機(jī)斷層造影(CT)方法，在該方 法中，在不同能量范圍中記錄的投影圖像被用來產(chǎn)生待檢查對(duì)象的兩種不同物 質(zhì)成分的空間密度分布的立體圖像。在此，立體圖像應(yīng)該理解為不同物質(zhì)成分 的密度分布的三維圖像。在WARP， R. J.; DOBBINS, J. T.: "Quantitative evaluation of noise reduction strategies in dual-energy imaging" ， Med. Phys. 30(2), 2003年2月中描述了所謂的 雙能量投影成像的細(xì)節(jié)。在雙能量投影成像中利用兩個(gè)不同的X射線光譜拍攝 待檢查對(duì)象的兩個(gè)投影圖像。通過適當(dāng)組合這兩個(gè)投影圖像可以分離放射學(xué)上 不同的物質(zhì)，例如軟組織和骨骼。特別是基本上可以產(chǎn)生單位面積質(zhì)量圖像 (Massenbelegungsbild )，在這些單位面積質(zhì)量圖像中分別顯示一種物質(zhì)成分的 單位面積質(zhì)量。例如可以產(chǎn)生純骨骼圖像或純軟組織圖像。單位面積質(zhì)量圖像 特別應(yīng)該理解為單位面積質(zhì)量平面密度的二維圖像。然而在射線路徑中通常出現(xiàn)多于兩種不同的物質(zhì)，例如軟組織、鈣質(zhì)組織 或骨骼或者還有填充有作為造影劑的捵的組織。但是在僅使用兩個(gè)不同光譜的
雙能量投影成像中，對(duì)兩個(gè)未知數(shù)只提供兩個(gè)等式。因此當(dāng)要在兩種物質(zhì)中進(jìn) 行分離時(shí)，就會(huì)錯(cuò)誤地將第三種物質(zhì)顯示為該其它兩種物質(zhì)的組合。由于這個(gè) 原因，雙能量投影成像在多于兩種不同物質(zhì)的情況下通常不再能定量地提供正 確的結(jié)果。對(duì)多光譜計(jì)算機(jī)斷層造影同樣是這樣，在該多光譜計(jì)算機(jī)斷層造影中，借 助從不同投影方向拍攝的多光鐠投影圖像產(chǎn)生物質(zhì)選擇的立體圖像。發(fā)明內(nèi)容從該現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提出用于多光譜計(jì)算機(jī) 斷層造影的改善的方法。在本發(fā)明的方法中首先根據(jù)一 系列由不同投影方向拍攝的投影圖像產(chǎn)生 對(duì)象的立體圖像。接著，將該立體圖像分割為最高與能量范圍的數(shù)量相應(yīng)數(shù)量 的主要成分和至少一個(gè)次要成分。通過接著對(duì)不同能量范圍內(nèi)的至少一個(gè)次要 成分進(jìn)行反投影可以產(chǎn)生在不同能量范圍內(nèi)與至少一個(gè)次要成分關(guān)聯(lián)的單位面 積質(zhì)量子圖像。為此在下一步驟中使用該與至少一個(gè)次要成分關(guān)聯(lián)的單位面積 質(zhì)量子圖像來從用探測器裝置產(chǎn)生的投影圖像中去除那些源自于至少 一個(gè)次要 成分的部分。從這樣校正的投影圖像中可以通過對(duì)多維衰減函數(shù)求逆來產(chǎn)生主 要成分的單位面積質(zhì)量子圖像，該單位面積質(zhì)量子圖像又可以被用于產(chǎn)生主要 成分的物質(zhì)選擇的立體圖像。通過該方法可以定量地正確地再現(xiàn)若干物質(zhì)成分的密度分布。在此獨(dú)立的 物質(zhì)成分的數(shù)量可以大于為拍攝而使用的能量范圍的數(shù)量。此外產(chǎn)生物質(zhì)選擇 的立體圖像隱含著對(duì)射線硬化的校正。由此不再需要附加地進(jìn)行由現(xiàn)有技術(shù)公 知的所謂的水校正或骨校正。因此沒有附加的射線硬化校正的再現(xiàn)的立體圖像也不含硬化偽影，如看似的圖像中心的密度下降(杯狀凹陷，Cupping)或在骨 之間梁形的密度下降。此外，通過將主要成分的物質(zhì)選擇的立體圖像分割為該主要成分的校正的 立體圖像和至少一個(gè)次要成分的剩余部分，以及通過對(duì)校正的立體圖像進(jìn)行再 投影而產(chǎn)生主要成分的校正的單位面積質(zhì)量子圖像，可以進(jìn)一步改善至少一個(gè) 次要成分的物質(zhì)選擇的立體圖像。接著可以查找在不同的能量范圍的至少一個(gè) 子成分的單位面積質(zhì)量子圖像，該單位面積質(zhì)量子圖像最小化與不同能量范圍 內(nèi)的主要成分和次要成分的單位面積質(zhì)量子圖像對(duì)應(yīng)的投影圖像與采集的投影
圖像間的偏差。這樣，就可以由至少一個(gè)次要成分的單位面積質(zhì)量子圖像產(chǎn)生 該至少一個(gè)次要成分的改善的物質(zhì)選擇的立體圖像。通過產(chǎn)生與在不同能量范圍的至少一個(gè)子成分關(guān)聯(lián)的子投影圖像，并且從 所采集的投影圖像中通過去除與子投影圖像相應(yīng)的部分產(chǎn)生不同能量范圍的校 正的投影圖像，至少一個(gè)次要成分的改善的單位面積質(zhì)量子圖像又可以被用來 改善主要成分的物質(zhì)選擇的立體圖像。然后，根據(jù)校正的投影圖像可以通過對(duì) 多維衰減函數(shù)求逆來產(chǎn)生主要成分的單位面積質(zhì)量子圖像，該單位面積質(zhì)量子 圖像又可以被用來產(chǎn)生主要成分的物質(zhì)選擇的立體圖像。可以疊代地重復(fù)最后兩個(gè)可以改善主要成分和次要成分的物質(zhì)選擇的立 體圖像的步驟，直到在主要成分的物質(zhì)選擇的立體圖像中低于針對(duì)至少一個(gè)次要成分的剩余部分的度量(Mal3),或者直到在依次接續(xù)的疊代步驟中立體圖像 的變化低于預(yù)定的度量。優(yōu)選通過從采集的投影圖像中減去借助于衰減函數(shù)從至少一個(gè)次要成分 的單位面積質(zhì)量子圖像中產(chǎn)生的子投影圖像，對(duì)采集的投影圖像進(jìn)行校正。為了對(duì)衰減函數(shù)的應(yīng)用和求逆保持小的計(jì)算開銷，預(yù)先進(jìn)行計(jì)算，并為衰 減函數(shù)的求逆使用在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的表值。同樣地，對(duì)于主要成分的和至少一個(gè)次要成分的立體圖像的再投影可以預(yù) 先進(jìn)行計(jì)算，并使用在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的表值。對(duì)于主要成分和次要成分優(yōu)選從骨組織、軟組織、積聚有造影劑的組織和 植入物這些物質(zhì)成分的組中進(jìn)行選擇。由此可以獨(dú)立地三維顯示從醫(yī)療的角度 感興趣的患者的身體部分。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)解釋的本發(fā)明的實(shí)施例的描述給出了本發(fā)明的其它優(yōu) 點(diǎn)和特征，其中

圖1示出X射線裝置，具有C弧，在其末端安裝了用于雙X射線成像的X 射線管和X射線探測器；圖2示出質(zhì)量衰減系數(shù)隨著不同身體部分的光子能量而變化的特性；圖3示出兩個(gè)在不同管電壓情況下拍攝的具有鎢陽極的X射線管的光子的光i普；圖4示出產(chǎn)生軟組織和積聚有造影劑的身體區(qū)域的物質(zhì)選擇的立體圖像的 第一步驟；圖5示出產(chǎn)生圓頂形骨的物質(zhì)選擇的立體圖像的、緊接著圖4的第一步驟 的第二步驟；圖6示出產(chǎn)生軟組織和圓頂形骨的物質(zhì)選擇的立體圖像的第一步驟；以及 圖7示出產(chǎn)生積聚造影劑的身體區(qū)域的物質(zhì)選擇的立體圖像的、緊接著圖 6的第一步驟的第二步驟。
具體實(shí)施方式
圖1示出適合于多光譜X射線成像的X射線裝置1的透視圖。詳細(xì)地說，X射線裝置1包括X射線管3和釆集由X射線管3發(fā)出的X 射線的探測器4。探測器4優(yōu)選地是數(shù)字的平板探測器。目前使用具有典型的 尺寸為大約20x20cn^至40x40cn^的這樣的平板探測器。這些平板探測器具 有由非晶硅構(gòu)成的光電二極管。關(guān)于大小和所使用的材料沒有任何限制。通過 使用這樣的平板探測器，X射線裝置1既可以用于多光譜三維成像也可以用于 干預(yù)中的平面透視。X射線裝置也適合于借助造影劑檢查血管的血管造影術(shù)。X射線在到達(dá)探測器4的路徑上橫穿患者2，從而探測器4記錄患者2的 投影圖像。由于X射線在患者的身體中通過散射或吸收而部分地衰減，所以投 影圖像再現(xiàn)通過患者2的X射線的衰減。X射線管3和探測器4被安裝在由支架6支撐的C弧5的末端。C弧5被 安置在支架6中，其可在圓周方向7上移動(dòng)。支架6在其一側(cè)安裝在支座8上， 可以繞旋轉(zhuǎn)軸9旋轉(zhuǎn)。支座8安裝在可以使支座8在地面上移動(dòng)的基座10上。在X射線裝置1的運(yùn)行中，C弧5典型地圍繞旋轉(zhuǎn)軸9旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且在 此圍繞其上臥有患者的患者臥榻移動(dòng)。除了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，C弧5也可以進(jìn)行包括 在圓周方向7上的運(yùn)動(dòng)或支座8的移動(dòng)的明顯復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。在C弧5運(yùn)動(dòng)期間拍攝不同能量范圍中的投影圖像。例如對(duì)每個(gè)投影方向 可以拍攝在不同能量范圍內(nèi)的多個(gè)投影圖像，在這些投影圖像中穿過患者2的 射線具有不同的能量分布。也可以在不同的投影角下拍攝不同能量范圍的投影 圖像。在這種情況下，可能要通過插值和隨后的配準(zhǔn)使在不同能量范圍中拍攝 的投影圖像關(guān)于投影角重合。例如可以通過改變X射線管3的管電壓來改變?yōu)?拍攝投影圖像而使用的X射線的能量范圍。此外還可以使用光譜的X射線過濾 器。最后，當(dāng)為探測器4使用能量選擇的探測器時(shí)，也可以拍攝不同能量范圍 的X射線圖像。將投影圖像傳送到連接在探測器4之后的分析單元12。分析單元12從在 不同能量范圍中拍攝的投影圖像中產(chǎn)生身體部分的物質(zhì)選擇的立體圖像。可以 在與分析單元12連接的監(jiān)視器13中顯示這些立體圖像。此外在分析單元12 上還連接了可以用來控制X射線裝置1的輸入設(shè)備14。監(jiān)視器13也可以直接 位于患者臥榻ll上方，而輸入設(shè)備14安置在患者臥榻ll的區(qū)域內(nèi)，從而用戶 可以控制C弧5的運(yùn)動(dòng)并且監(jiān)測患者2身體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。常規(guī)的用于產(chǎn)生物質(zhì)選擇的立體圖像的方法不能精確量化地分離立體圖 像中的各種物質(zhì)成分。此外在使用兩個(gè)不同光語的情況下僅能分離兩個(gè)身體的 組成部分。以下將描述能夠?qū)Χ嘤趦蓚€(gè)身體組成部分精確量化地產(chǎn)生物質(zhì)選擇 的立體圖像的方法。需注意的是，以下描述的方法不僅可以用于具有C弧的X射線裝置，而且 同樣可以用于X射線管和X射線探測器在固定的入口圍繞患者旋轉(zhuǎn)的X射線 裝置，或者借助于固定的探測器在不同的投影方向上透視患者的X射線裝置。1.基本前提條件前提條件是投影測量數(shù)據(jù)(不計(jì)噪聲)必須是無誤差的。就此而言，必須 通過校準(zhǔn)和校正消除干擾影響。尤其是在具有平板探測器的CT的情況下，特 別需要通過測量技術(shù)或計(jì)算措施來校正散射。合適的校正方法例如在 ZELLERHOFF， M.; SCHOLZ， B.; RtJHRNSCHOPF, E. -R; BRUNNER， T.: "Low contrast 3D reconstruction from C-arm data",, Proceedings of SPIE. Medical Imaging 2005,第5745巻，第646-655頁以及在KYRIAKOU， Y.; RIEDEL, T.; KALENDER; W.A.:的文章"Combining deterministic and Monte Carlo calculations for fast estimation of scatter intensities in CT"， Phys. Med. Biol. 51 (2006)第 4567-4586頁有所描述。對(duì)于要考慮的設(shè)問的進(jìn)一 步的前提條件是，對(duì)象或患者的要成像的體積范 圍由至少三種放射學(xué)不同的物質(zhì)組成。在此放射學(xué)不同的物質(zhì)理解為這樣的物 質(zhì)，其衰減系數(shù)具有不同的能量依賴性，并且不能通過比例常數(shù)相互轉(zhuǎn)換。在 圖2中示出了例子。圖2示出了水的質(zhì)量衰減系數(shù)(一p) (E)與光子能量E的關(guān)系。水的質(zhì) 量衰減曲線15在此與血的質(zhì)量衰減曲線大約重合,盡管血具有比水大的密度p。
相反脂肪組織具有與質(zhì)量衰減曲線15有細(xì)小偏差的質(zhì)量衰減曲線16。另一質(zhì) 量衰減曲線17給出骨組織的質(zhì)量衰減系數(shù)。另外的質(zhì)量衰減曲線18和19描述 鈣和碘的質(zhì)量衰減系數(shù)的變化，碟在33.2keV的光子能量下具有K邊沿20。碘 通常被作為造影劑使用。由圖2清楚看出，骨組織比軟組織更強(qiáng)烈吸收X射線。但是在骨組織的情 況下對(duì)更高的能量，X射線衰減系數(shù)比軟組織的吸收更強(qiáng)烈下降。水的質(zhì)量衰 減曲線15和脂肪組織的質(zhì)量衰減曲線16的能量依賴性也稍有不同。由此，此 處示出的物質(zhì)由于衰減特性的不同而被認(rèn)為是放射學(xué)不同的。另外假定，在體積范圍中通過解剖學(xué)的、幾何學(xué)的或其它標(biāo)準(zhǔn)可以識(shí)別、 并且大概通過分割可以分離至少 一種物質(zhì)。1.基本概念(線性化簡化) 首先通過簡化的線性模型對(duì)基本概念加以說明。例如在射線路徑中有三種不同的物質(zhì)，即軟組織、骨骼和碘。在適用于兩 個(gè)不同能量的單色性的射線源的簡化的線性化模型中，在射線路徑中的各物質(zhì) 的份額線性地累積成總的對(duì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化的CT投影值。對(duì)能量j來說物質(zhì)k的份 額是單位面積質(zhì)量平面密度& [g/cn^]和質(zhì)量衰減系數(shù) [cmVg]的乘積。 (#1.0)以下為了簡單起見，將單位面積質(zhì)量平面密度簡稱為單位面積質(zhì)量 (Massenbelegung )。因?yàn)閱挝幻娣e質(zhì)量與密度分布的線積分相同，所以單位面 積質(zhì)量可以在密度恒定的情況下容易地?fù)Q算為物質(zhì)強(qiáng)度。此外要注意的是，在已知密度的情況下質(zhì)量衰減系數(shù)~(五)=^//^(五, a/巧=^//^閣和cc"司=(^//^閣|>1112&]可以被換算為所謂的線性衰減系數(shù)a, ,2和//3。同樣在已知密度A、 / 2、刃的情況下單位面積質(zhì)量bi,b2，b3 [g/cm"可 以被換算為物質(zhì)強(qiáng)度Xi，X2和x3[cm]。這樣對(duì)于射線路徑中三種物質(zhì)下式成立A = /i (、 3) = % A + a1262 + 1363 (# 1 a b)p2 = /2 (A 3) = "2 A+"2262+"2 A ' 這兩個(gè)等式不足以唯一地計(jì)算出三個(gè)未知數(shù)bl5 b2, b3。 等式(Wa, b)適用于與投影方向和在探測器上的單個(gè)像素對(duì)應(yīng)的單個(gè)測量 射線。CT投影值pj分別是探測器坐標(biāo)(x，y)和投影角度phi的函數(shù)。借助CT
再現(xiàn)從數(shù)據(jù)Pj(x,y,phi)的整體再現(xiàn)對(duì)象的立體圖像qj。在此，立體圖像理解為線 性衰減系數(shù)或密度的空間分布。這對(duì)兩個(gè)選出的能量或光譜的每個(gè)都普遍適用。對(duì)定量的正確的再現(xiàn)的基本概念如下，在此作為想象實(shí)驗(yàn)我們要考慮消除 第三物質(zhì)，例如骨骼。我們可以假設(shè)，在再現(xiàn)的立體內(nèi)部可以很好地區(qū)別并且通過分割算法分離 不同物質(zhì)的輪廓和范圍，例如軟組織或骨骼。由此可以對(duì)第三物質(zhì)在分割和再投影之后對(duì)每個(gè)測量射線確定路徑長度 和路徑長度與線性衰減系數(shù)的乘積或單位面積質(zhì)量與質(zhì)量衰減系數(shù)的乘積。在 此，再投影被理解為通過計(jì)算模擬的每個(gè)測量射線通過對(duì)象的穿透和衰減。例 如在MUELLER， K.; YAGEL， R.; WHELLER, J. J.: "AFast and Accurate Projection Algorithm for 3D Cone-Beam Reconstruction with Algebraic Reconstruction Technique (ART)",演講于SPIE Medical Imaging Conference, San Diego， 1998年 2月中公開了適合于此目的的算法。在SIDDON, R丄.:"Fast calculation of the exact radiological path for a three-dimensional CT array". Med. Phys.,12 (2),第 252-255頁，1985年3月/4月公開了另 一個(gè)這樣的再投影算法。將用再投影算法獲得的分量表示為Apf (#2.0)由此可以在等式(# la， b)中消除包含第三物質(zhì)對(duì)投影值的貢獻(xiàn)的第三項(xiàng)。由 此原有的由對(duì)三個(gè)未知數(shù)(水、碘、骨骼)的兩個(gè)等式組成的方程組變?yōu)閷?duì)兩 個(gè)未知數(shù)(水、碘)的兩個(gè)等式的可解的方程組-符號(hào)表示，骨分量(#2.0)的獲得一般不是非常精確的。假設(shè)，原則上已知水和碘的有效衰減系數(shù)，則可以對(duì)每個(gè)測量值計(jì)算兩種物質(zhì)的物質(zhì)厚度h和b2。由此，例如通過CT再現(xiàn)得到對(duì)兩種第一物質(zhì)(水和碘)的密度分布的兩個(gè)立體圖像。2.精確的非線性理論在第1節(jié)中描述的基本概念現(xiàn)在在以下用于多色的射線的情況。 2. 1非線性表達(dá)施加，將采樣晶體管Trl設(shè)為非導(dǎo)通狀態(tài)，從而將驅(qū)動(dòng)晶體管Trd的柵極G 從信號(hào)線SL電切斷，使柵極G的電位連動(dòng)于驅(qū)動(dòng)晶體管Trd的源極S的電 位變動(dòng)，能夠?qū)艠OG和源極S之間的電壓Vgs維持為一定。圖19是在圖18所示的像素電路2的動(dòng)作說明中提供的時(shí)序圖。共用時(shí) 間軸，表示掃描線WS的電位變化、供電線VL的電位變化以及信號(hào)線SL的 電位變化。此外，與這些電位變化并行地，還表示了驅(qū)動(dòng)晶體管的柵極G以 及源極S的電位變化。如前所述地，掃描線WS上被施加了用于導(dǎo)通采樣晶體管Trl的控制信 號(hào)脈沖。該控制信號(hào)脈沖與像素陣列單元的行順序掃描相匹配地，以1字段 (lf)為周期施加到掃描線WS。電源線VL同樣以1字段為周期在高電位 Vdd和低電位Vss之間切換。信號(hào)線SL上1水平周期(1H)內(nèi)提供了信號(hào) 電位Vsig和基準(zhǔn)電位Vref切換的視頻信號(hào)。如圖19的時(shí)序圖所示，像素從前一字段的發(fā)光期間開始進(jìn)入該字段的非 發(fā)光期間，之后成為該字段的發(fā)光期間。在該非發(fā)光期間進(jìn)行準(zhǔn)備動(dòng)作、閾 電壓校正動(dòng)作、信號(hào)寫入動(dòng)作、遷移率校正動(dòng)作等。在前一字段的發(fā)光期間，供電線VL成為高電位Vdd，驅(qū)動(dòng)晶體管Trd 將驅(qū)動(dòng)電流Ids提供給發(fā)光元件EL。驅(qū)動(dòng)電流Ids從處于高電位Vdd的供電 線VL經(jīng)由驅(qū)動(dòng)晶體管Trd而通過發(fā)光元件EL，并流入陰極線。接著進(jìn)入該字段的非發(fā)光期間時(shí)，首先在定時(shí)Tl,將供電線VL從高電 位Vdd切換到低電位Vss。由此，供電線VL被放電至Vss,并且驅(qū)動(dòng)晶體管 Trd的源極S的電位下降至Vss。由此，發(fā)光元件EL的陽極電位(即，驅(qū)動(dòng) 晶體管Trd的源極電位)成為反偏壓狀態(tài)，所以不會(huì)流過驅(qū)動(dòng)電流而熄滅。 此外，連動(dòng)于驅(qū)動(dòng)晶體管的源極S的電位下降，柵極G的電位也下降。接著在定時(shí)T2，將掃描線WS從低電平切換到高電平，從而采樣晶體管 Trl成為導(dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)，信號(hào)線SL處于基準(zhǔn)電位Vref。從而，驅(qū)動(dòng)晶體管 Trd的柵極G的電位通過導(dǎo)通的采樣晶體管Trl而成為信號(hào)線SL的基準(zhǔn)電位 Vref。這時(shí)，驅(qū)動(dòng)晶體管Trd的源極S的電位處于比Vref足夠低的電位Vss。 這樣，驅(qū)動(dòng)晶體管Trd的柵極G和源極S之間的電壓Vgs被初始化，以使其 大于驅(qū)動(dòng)晶體管Trd的閾電壓Vth。從定時(shí)Tl到定時(shí)T3的期間Tl-T3是將 驅(qū)動(dòng)晶體管Trd的柵極G/源極S間電壓Vgs預(yù)先設(shè)定為Vth以上的準(zhǔn)備期間。之后在定時(shí)T3 ，供電線VL從低電位Vss轉(zhuǎn)移到高電位Vdd，驅(qū)動(dòng)晶體<formula>formula see original document page 13</formula> (# 5)其中，通過對(duì)具有單位面積質(zhì)量的第三物質(zhì)t)3預(yù)先濾波，通過下式來定 義硬化的光譜<formula>formula see original document page 13</formula> (# 6)用具有兩個(gè)變量t^， b2和一個(gè)參數(shù)b3的兩個(gè)等式的非線性方程組(^ 7a， b) 取代具有三個(gè)變量的兩個(gè)等式的非線性方程組(^3a, b):<formula>formula see original document page 13</formula> (# 7a)<formula>formula see original document page 13</formula> (# 7b)可以對(duì)單位面積質(zhì)量bi， b2的所有對(duì)以及對(duì)第三物質(zhì)的單位面積質(zhì)量b3的 不同參數(shù)值預(yù)先計(jì)算在等式(弁7a,b)中定義的兩個(gè)函數(shù)，因?yàn)槿Q于能量的質(zhì)量 衰減系數(shù)是已知的并且光譜同樣假設(shè)為已知的。以緊湊的向量方式用b-(b,，b2)寫成<formula>formula see original document page 13</formula>(# 8)對(duì)每個(gè)固定的參數(shù)值b3可以對(duì)通過公式(#8)和(#7)定義的具有兩個(gè)變 量的兩個(gè)函數(shù)值的2x2向量函數(shù)求逆，例如用在PRESS, FLANNERY, TEUKOLSKY, VETTERLING: "Numerical Recipes. The Art of Scientific Programming", Cambridge University Press, 1989中描述的用于向量函數(shù)的牛頓 方法。用下式表示逆的2x2向量函數(shù)<formula>formula see original document page 13</formula> (# 9) 求逆的結(jié)果是2x2維的表系(Schar)(具有系參數(shù)b3),其將每一對(duì)投影值 差(相應(yīng)的定義將在等式(#5)中解釋)與第一和第二物質(zhì)的一對(duì)(b,, b2)單位 面積質(zhì)量唯一地相對(duì)應(yīng)。2. 3縮小到一維等式的特殊情況在第4.2.1節(jié)中在疊代方法范圍內(nèi)需要通過在等式(#3)中保持參數(shù)(^,b2) 而產(chǎn)生的一維向量函數(shù)M(^2)(63)-M^2A) (# 10),以及以在計(jì)算的和測量的投影值之間的平均平方偏差的形式描述差異的標(biāo)量 函數(shù)H(63"^W，)(W-M(W，)(63) —P|f 。 (#U)在(# ll)中用向量p來描述對(duì)于兩個(gè)光譜的投影值對(duì)(Pl,P2)。在4.2.1節(jié)中提出通過最小化問題的局部解來確定b36; =min//(63) (# 12)可以用數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)算法，例如二等分方法，來計(jì)算最小值。在PRESS, FLANNERY， TEUKOLSKY， VETTERLING: "Numerical Recipes. The Art of Scientific Programming", Cambridge University Press, 1989中例如描述了這樣的 方法。3.假定的過程我們提出的方法假定有六個(gè)過程 過程1:為了產(chǎn)生立體圖像需要CT圖像再現(xiàn)算法旦。在此指出，在CT圖像再現(xiàn)算 法1范圍內(nèi)也允許負(fù)的圖像值。 過程2:優(yōu)選借助閾值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分割& 過程3: 需要再投影算法區(qū)，以便從立體圖像中產(chǎn)生投影圖像。過程4:第四個(gè)需要的過程是多維函數(shù)M，通過該函數(shù)，將根據(jù)兩個(gè)對(duì)雙能量成像 使用的光譜將非線性(對(duì)數(shù))衰減與三種物質(zhì)的單位面積質(zhì)量相關(guān)聯(lián)，這些物 質(zhì)的取決于能量的衰減系數(shù)是已知的。通過等式(#3a，b)或者通過基于這些公 式計(jì)算出的表預(yù)先給出物理的關(guān)系；過程5:作為第五過程，需要根據(jù)等式(#9)的逆向量函數(shù)&63)。該過程可以作為 另外的多維表系預(yù)先計(jì)算； 過程6:最后，為求解等式(#11-12)還需要一個(gè)過程。如已經(jīng)提到的，該過程可 以用標(biāo)準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)。4.多級(jí)求解方法以下描述多級(jí)求解方法的各個(gè)步驟。這是關(guān)于逐步細(xì)化的多個(gè)級(jí)，其中每 一級(jí)被劃分為多個(gè)單步驟。4. 1第0級(jí)基本方法當(dāng)?shù)谌镔|(zhì)具有恒定密度的均勻性特性時(shí)，以下描述的基本方法已經(jīng)提供 了解。 一般情況下，對(duì)非均勾的密度分布得到近似解，該近似解可以被用作隨 后的疊代方法的開始，在4.2節(jié)中解釋了該疊代方法。在圖4和6中示意性示 出了用于兩個(gè)例子的基本方法，以下借助圖4和6更詳細(xì)地解釋該基本方法。步驟1:從投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像再現(xiàn)g。并且原則上對(duì)于一個(gè)光譜一個(gè)數(shù)據(jù)組的再現(xiàn) 是足夠的。但是在ALVAREZ, R.; SEPPI， E.的文章"A comparison of noise and dose in conventional and energy selective computed tomography". IEEE Trans. Nucl. Sci.， 1979年4月，第2853-2856頁中描述的兩個(gè)數(shù)據(jù)組的最小噪聲線性組合也 是非常具有優(yōu)勢的。步驟2:對(duì)再現(xiàn)的立體進(jìn)行分割使得在一個(gè)立體片段中僅出現(xiàn)兩種不同的物質(zhì) 而在另一個(gè)立體片段中則僅包含第三物質(zhì)。 步驟3:對(duì)僅由第三物質(zhì)組成的立體進(jìn)行(簡化的)再投影區(qū)該簡化在于，在第 三物質(zhì)的立體片段中首先假定恒定的密度和恒定的線性衰減系數(shù)。然后對(duì)每個(gè) 測量值產(chǎn)生第三物質(zhì)的平均單位面積質(zhì)量的估計(jì)b3(())。步驟4:借助等式(#4)從b3⑨得到第三物質(zhì)的投影分量 △《)=g (#13) 步驟5:形成與第一物質(zhì)和第二物質(zhì)對(duì)應(yīng)的投影差，這相應(yīng)于等式(#5)第一行的 右側(cè)。步驟6:借助表(#9 )對(duì)參數(shù)值b3求逆。結(jié)果是對(duì)每個(gè)像素和每個(gè)投影方向的單位 面積質(zhì)量對(duì)bi和b2。 步驟7:每個(gè)單位面積質(zhì)量，特別是b!或者b2 [g/cn^]可以被解釋為第一和第二物 質(zhì)的密度分布[g/cm3的線積分。因此對(duì)于每個(gè)像素和每個(gè)投影方向有 b尸b/x,乂p/^和b2二b/:c，;^/^CT投影數(shù)據(jù)組。這樣，從bi和b2的CT圖像再 現(xiàn)就提供物質(zhì)1和2空間密度分布qi、 q2的再現(xiàn)的立體顯示B(bih (#14a)B (b2) = q2 。 (# 14b)4. 2疊代的改善用進(jìn)一步的疊代循環(huán)可以改善結(jié)果。這首先用在例如在根據(jù)前面的章節(jié)中 的步驟7進(jìn)行了 CT圖像再現(xiàn)之后，在用第三物質(zhì)標(biāo)識(shí)的立體區(qū)域內(nèi)還出現(xiàn)有 在分割時(shí)(步驟2)事先消除了的q。 q2中的剩余分量(不等于0)時(shí)。以下用S^表示用第三物質(zhì)標(biāo)識(shí)的立體區(qū)域的分割。中間結(jié)果或者還有在4.1節(jié)中基本方法的最終結(jié)果被用作隨后的疊代循環(huán) 的初始值。用上標(biāo)(0)來標(biāo)記來自步驟3、 4、 6和7的這些初始值，也就是
在圖5和圖7中示出了用于兩個(gè)例子的各個(gè)處理步驟。 步驟1:分割出錯(cuò)誤地在第三物質(zhì)的區(qū)域中顯現(xiàn)的立體圖像《",#的剩余部分 (殘差)<formula>formula see original document page 17</formula>(# 15a) <formula>formula see original document page 17</formula>(# 15b)
步驟2:從立體圖像《",^中消除剩余部分:<formula>formula see original document page 17</formula>(# 16a) <formula>formula see original document page 17</formula>(# 16b)
步驟3:對(duì)校正的立體圖像進(jìn)行再投影
<formula>formula see original document page 17</formula>(# 17a) <formula>formula see original document page 17</formula>(# 17b)步驟4:通過使用^1) ， 解等式(# 12)來確定第三物質(zhì)的單位面積質(zhì)量。<formula>formula see original document page 17</formula> (# 18)步驟5:對(duì)第三物質(zhì)的密度分布進(jìn)行新的CT再現(xiàn)<formula>formula see original document page 17</formula> (# 19a)步驟6:校驗(yàn)中斷條件如果再現(xiàn)的第三物質(zhì)的密度分布不是寄生地散射到第一 和第二物質(zhì)的區(qū)域中，則可以中斷該方法<formula>formula see original document page 17</formula>(# 19b)否則通過重新分割消除寄生區(qū)域<formula>formula see original document page 17</formula>(# 20)4. 2. 2第二疊代子循環(huán)(bh、、改善)此時(shí)可以中斷、或者為了進(jìn)一步改善第一物質(zhì)和第二物質(zhì)的密度再現(xiàn)而補(bǔ) 充一個(gè)附加的疊代循環(huán)，該疊代循環(huán)主要包括在4.1節(jié)中基本方法的步驟3至7。 唯一的明顯區(qū)別在于，可以棄用在基本方法的步驟3中對(duì)再投影的筒化的假定， 因?yàn)?o已經(jīng)顯示了一般的非均勻密度分布。這樣，結(jié)果就是相應(yīng)于等式(# 14a) 和(# 14b)的改善的密度再現(xiàn)《(2) ， "2)。如果考慮了直到這里的步驟的整個(gè)順序，則可以看出，所涉及的是兩個(gè)先 后接續(xù)的循環(huán)，該兩個(gè)子循環(huán)的組合被表示為一個(gè)大的疊代循環(huán)。通常在一個(gè)或幾個(gè)大疊代循環(huán)之后中斷該方法。5.實(shí)施方式的變形和推廣 5. 1實(shí)施例在圖4和5中示出了針對(duì)這種情況的做法，即患者2的受檢身體區(qū)域23 的第一物質(zhì)是軟組織24、第二物質(zhì)是填充有造影劑的血管25以及第三物質(zhì)是 包圍軟組織24和血管25的圓頂形骨骼26。這樣的身體區(qū)域23例如位于患者2 的顱骨區(qū)域或胸部區(qū)域。在圖4中示出的步驟相應(yīng)于在4.1節(jié)中描述的步驟1至7。首先，通過X 射線成像27產(chǎn)生身體區(qū)域23的投影圖像28。通過再現(xiàn)29從中產(chǎn)生包括軟組 織圖像31、血管圖像32和骨骼圖像33的立體圖像30。然后通過分割34從立 體圖像30中形成基本上相應(yīng)于立體圖像30中的骨骼圖像的骨骼子圖像35。 緊接著對(duì)該骨骼子圖像35進(jìn)行產(chǎn)生單位面積質(zhì)量子圖像37的再投影36。通 過隨后的變換38將單位面積質(zhì)量子圖像37的值變換為子投影圖像，并且將其 從采集的投影圖像28中減去，使得就子骨圖像35的部分產(chǎn)生校正的投影圖像 39。最后，通過求逆40可以產(chǎn)生血管25和軟組織24的單位面積質(zhì)量子圖像 41,在它們的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行重新的再現(xiàn)42，該重新的再現(xiàn)42包括改善的軟 組織圖像43和改善的血管圖像44。請(qǐng)注意，軟組織圖像43和血管圖像44還 可能包含骨骼圖像33的剩余部分45和46。通過圖5中示出的第二步驟可以進(jìn)一步減少剩余部分45和46。在此，在 圖5中示出的步驟相應(yīng)于在4.2.1節(jié)中描述的步驟1至6。根據(jù)圖5可以通過對(duì)軟組織圖像43的分割47首先產(chǎn)生校正的軟組織圖 像48和通過對(duì)血管圖像44的分割49產(chǎn)生校正的血管圖像50。然后，可以對(duì) 校正的軟組織圖像48和校正的血管圖像50分別進(jìn)行導(dǎo)致單位面積質(zhì)量子圖像 53的再投影51和52。然后可以在單位面積質(zhì)量子圖像53的基礎(chǔ)上查找54 骨骼26的單位面積質(zhì)量子圖像55,在該查找中查找那些針對(duì)骨物質(zhì)的單位面 積質(zhì)量，這些單位面積質(zhì)量使單位面積質(zhì)量子圖像53和對(duì)應(yīng)于不同能量范圍 的骨骼的單位面積質(zhì)量子圖像55的投影圖像與所采集的投影圖像28之間的偏 差最小化。由此產(chǎn)生骨骼26的單位面積質(zhì)量子圖像55,從該單位面積質(zhì)量子 圖像55通過再現(xiàn)56產(chǎn)生改善的骨骼圖像57。最后可以對(duì)改善的單位面積質(zhì)量子圖像55進(jìn)行在圖4中示出的變換38， 并且用這種方式在下 一步驟中進(jìn)一步改善軟組織圖像43和血管圖像44。緊接 著可以重新開始在圖5中示出的步驟?？梢砸恢敝貜?fù)在圖4和5中示出的兩個(gè) 方法步驟，直到剩余部分45和46可以被忽略。在圖6和7中示出另 一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中將軟組織24作為第 一物 質(zhì)并將骨骼26作為第二物質(zhì)，而第三物質(zhì)是填充了造影劑的血管25。相應(yīng)地在圖6中示出的第一方法步驟中的分割34提供血管子圖像58，該 血管子圖像58在應(yīng)用再?zèng)_殳影36、變換38、求逆40和再現(xiàn)42之后，可以得到 分別包含血管子圖像58的剩余部分61和62的物質(zhì)選擇的軟組織圖像59和物 質(zhì)選擇的骨骼圖像60。然后，從軟組織圖像59和骨骼圖像60出發(fā)可以在圖7中示出的第二步 驟中通過分割47和49產(chǎn)生校正的軟組織圖像63和校正的骨骼圖像64,并且 通過應(yīng)用再投影51和52、查找54和再現(xiàn)56來產(chǎn)生物質(zhì)選擇的血管圖像65。如在圖4和5中示出的步驟，為了改善精度也可以對(duì)在圖6和7中示出 的步驟進(jìn)行疊代。此外同樣可以將軟組織24作為第三物質(zhì)并且與骨骼26和血管25分離。5. 2所執(zhí)行的疊代鏈的變形 也可以改變疊代的種類。以該方法的最簡單的形式，可以僅進(jìn)^f亍在4.1節(jié)中描述的和在圖4和6中 闡明的基本方法。在第一擴(kuò)展階段可以額外地進(jìn)行在4.2.1節(jié)中描述的和在圖5和7中闡明 的第一疊代子循環(huán)。在另 一擴(kuò)展階段可以額外地進(jìn)行在4.2.2節(jié)中描述的第二疊代子循環(huán)。
該包含兩個(gè)疊代子循環(huán)的大疊代循環(huán)既可以叉執(zhí)行一次也可以先后多次執(zhí)行。5. 3推廣到多于三種物質(zhì)在多于三種放射學(xué)不同的物質(zhì)的情況下必須假定，在第一CT再現(xiàn)之后通 過分割可以分離至少兩種物質(zhì)。將該解決措施推廣到多于三種物質(zhì)的前提條件通常是，滿足對(duì)附加的兩 種物質(zhì)的均勻性條件。就此而言，這兩種附加的物質(zhì)應(yīng)該具有恒定的密度和恒 定的衰減系數(shù)。在考慮第四種物質(zhì)的情況下這樣推廣在2.2中的理論的來源，使得公式 (#4)至(#9)的函數(shù)不是取決于一個(gè)參數(shù)b3,而是取決于兩個(gè)參數(shù)b3、 b4。在4.1節(jié)的基本方法中對(duì)第三和第四物質(zhì)進(jìn)行步驟2中的分割和步驟3中 的再投影。相應(yīng)地也將步驟4至6推廣到兩個(gè)參數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)要考慮對(duì)第三和 第四物質(zhì)的依賴性。6.所提出的解決方案的優(yōu)點(diǎn)與迄今為止的現(xiàn)有技術(shù)相反，根據(jù)兩種物質(zhì)的CT再現(xiàn)的分布，還可以在 進(jìn)一步的疊代步驟中定量地正確地再現(xiàn)第三物質(zhì)和或許還有其它物質(zhì)的密度 分布。通過應(yīng)用此處描述的疊代循環(huán)可以提高物質(zhì)分離的精確性。該解決方案包含自動(dòng)射線硬化校正。在CT專業(yè)文獻(xiàn)中作為水校正或骨校 正描述的，在此不再需要。由于所包含的消除偽影，再現(xiàn)的圖像不包括典型的硬化偽影，如"杯狀凹 陷"或在骨骼之間的暗梁。最后指出，結(jié)合特定實(shí)施例描述的特征和特性也可以與其它實(shí)施例組合， 除非由于兼容性而排除這樣的組合。此外還指出，在本文中所述的單數(shù)也包括復(fù)數(shù)，除了上下文中另有指明。 特別是當(dāng)使用不定冠詞的時(shí)候，既是指單數(shù)也是指復(fù)數(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種用于產(chǎn)生物質(zhì)選擇的立體圖像的方法，具有步驟借助射線源(3)產(chǎn)生不同能量范圍的射線；在不同的能量范圍內(nèi)以及從不同的投影方向透射由不同物質(zhì)成分組成的對(duì)象(2)；用所述射線加載探測器裝置(4)，并且通過所述探測器裝置(4)采集不同能量范圍的投影圖像；以及通過連接于所述探測器裝置(4)之后的分析單元(12)產(chǎn)生物質(zhì)選擇的立體圖像，其特征在于，借助一系列由不同投影方向拍攝的投影圖像(28)產(chǎn)生對(duì)象(2)的立體圖像(30)；從該立體圖像(30)中除了分割出最高與能量范圍的數(shù)量相應(yīng)數(shù)量的主要成分之外，還分割出至少一個(gè)次要成分的立體圖像(35，58)；通過對(duì)在不同能量范圍內(nèi)的至少一個(gè)次要成分的立體圖像(35，58)進(jìn)行反投影(36)，產(chǎn)生在不同能量范圍內(nèi)的與該至少一個(gè)次要成分相關(guān)聯(lián)的單位面積質(zhì)量子圖像(37)；從所采集的投影圖像(28)中通過去除與該單位面積質(zhì)量子圖像(37)相應(yīng)的分量，產(chǎn)生在不同能量范圍內(nèi)的校正的投影圖像(39)；借助所述校正的投影圖像(39)通過對(duì)多維衰減函數(shù)求逆(40)來產(chǎn)生主要成分的單位面積質(zhì)量子圖像(41)；以及借助該單位面積質(zhì)量子圖像(41)產(chǎn)生主要成分的物質(zhì)選擇的立體圖像(43，44，59，60)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，繼續(xù)將所述主要成分的物質(zhì)選擇的立體圖像(43, 44, 59， 60)分割為所 述主要成分的校正的立體圖像(48， 50, 63, 64)和所述至少一個(gè)次要成分的 剩余部分(45, 46, 61, 62);通過對(duì)所述主要成分的校正的立體圖像(48, 50, 63, 64)的再投影來產(chǎn) 生所述主要成分的校正的單位面積質(zhì)量子圖像(53);以及 在所述不同的能量范圍內(nèi)對(duì)不同的投影方向查找所述至少一個(gè)子成分的校正的單位面積質(zhì)量子圖像(55)，該單位面積質(zhì)量子圖像(55)使所述主要成 分的校正的單位面積質(zhì)量子圖像(53)和與在不同能量范圍內(nèi)的所述次要成分 的單位面積質(zhì)量子圖像(55)對(duì)應(yīng)的投影圖像與所采集的投影圖像(28)的偏 差最小化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，由所述至少一個(gè)次要成分 的單位面積質(zhì)量子圖像(55)產(chǎn)生該至少一個(gè)次要成分的物質(zhì)選擇的立體圖像 (57， 65)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，從所采集的投影圖像中通過去除與所述校正的單位面積質(zhì)量子圖像(55) 相應(yīng)的分量產(chǎn)生在不同能量范圍內(nèi)的校正的投影圖像(39 );借助該校正的投影圖像(39)通過對(duì)多維衰減函數(shù)求逆來產(chǎn)生所述主要成 分的單位面積質(zhì)量圖像(41);以及借助該單位面積質(zhì)量圖像(41 )產(chǎn)生所述主要成分的物質(zhì)選擇的立體圖像 (43， 44， 59, 66)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，疊代地重復(fù) 根據(jù)權(quán)利要求2和4所述的步驟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，借助多維衰 減函數(shù)將所述至少一個(gè)次要成分的單位面積質(zhì)量子圖像(37)變換為在不同能 量范圍內(nèi)的子投影圖像。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，對(duì)于為所述衰減函數(shù)的預(yù) 先計(jì)算，使用在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的表值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過從所采 集的投影圖像(28)中減去與所述單位面積質(zhì)量子圖像(37)對(duì)應(yīng)的子投影圖 像(55)，產(chǎn)生校正的投影圖像(39)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，對(duì)于為所述 衰減函數(shù)的求逆(40)的預(yù)先計(jì)算，使用在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的表值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，對(duì)于為所述 主要成分和所述至少一個(gè)次要成分的立體圖像的再投影(36, 51， 52)的預(yù)先計(jì)算，使用在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的表值。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述主要 成分和次要成分從骨組織(26)、軟組織(24)、積聚有造影劑的組織(25)和 植入物這些物質(zhì)成分的組中選擇。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述主要 成分是具有造影劑的軟組織(25)和沒有造影劑的軟組織(24),而所述次要成 分是骨組織(26)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述主要 成分是骨組織(26)和沒有造影劑的軟組織(24)，而所述次要成分是積聚有造 影劑的軟組織(25)。
14. 一種用于拍攝物質(zhì)選擇的立體圖像的裝置，其特征在于，所述裝置適 用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生待檢查對(duì)象的不同物質(zhì)成分的物質(zhì)選擇的立體圖像的方法。該方法支持借助于X射線裝置(1)從不同投影方向拍攝的多光譜投影圖像，并且可以用疊代的方式定量地精確確定物質(zhì)選擇的立體圖像。
文檔編號(hào)G06T11/00GK101396272SQ20081016190
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月27日
發(fā)明者伯恩哈德·肖爾茲, 厄恩斯特-彼得·魯爾恩肖普夫, 沃爾夫?qū)ず诶?申請(qǐng)人:西門子公司