專利名稱：確定運(yùn)動(dòng)場和利用運(yùn)動(dòng)場進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償重建的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定在部分地并周期地運(yùn)動(dòng)的對象的CT圖像數(shù)據(jù)組中的運(yùn)動(dòng)場的方法，該運(yùn)動(dòng)場由大量特定于位置的運(yùn)動(dòng)矢量組成。本發(fā)明還涉及一種用于產(chǎn)生部分地并周期地運(yùn)動(dòng)的對象的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腃T圖像數(shù)據(jù)組的方法。此外，本發(fā)明還涉及一種用于圖像重建的計(jì)算系統(tǒng)以及一種具有這樣的計(jì)算系統(tǒng)的CT系統(tǒng)，其中在運(yùn)行時(shí)實(shí)施前面提到的方法。
背景技術(shù)：
一般公知的是，由于在CT拍攝期間的心臟運(yùn)動(dòng)，所拍攝的數(shù)據(jù)是不一致的并且導(dǎo)致圖像偽影，其強(qiáng)烈限制了數(shù)據(jù)的臨床可用性。為了避免這種圖像偽影在現(xiàn)代CT心臟成像中通過拍攝或使用與心臟階段相關(guān)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生心臟的與階段相關(guān)的顯示。基本上為此存在回溯的和前瞻的采集 方案。在前瞻的采集方案的情況下，僅在心臟的靜止階段附近的一定的窗口拍攝數(shù)據(jù)并且用于圖像重建。這些方案的共同目的是使心臟運(yùn)動(dòng)幾乎凍結(jié)并且最小化數(shù)據(jù)不一致并且由此使圖像質(zhì)量最佳。但由于相對于心臟運(yùn)動(dòng)過慢的機(jī)架旋轉(zhuǎn)或相對于機(jī)架旋轉(zhuǎn)過快的心跳如下策略不足以達(dá)到:實(shí)現(xiàn)足夠好的時(shí)間分辨率，以計(jì)算無偽影的圖像。在現(xiàn)有技術(shù)中公知不同的在事后改善時(shí)間分辨率的算法。在H.Schondube^ T.AlImendinger、K.Stierstorfer> H.Bruder 和 T.Flohr 的文獻(xiàn) “Evaluation of a novel CT image reconstruction algorithm with enhancedtemporal resolution，，，Proceedings of SPIE, p.79611N, 2011 中描述了通過低于 180 度的理論上的角度掃描來降低所需的數(shù)據(jù)量，其中由于不完整的數(shù)據(jù)而必須迭代地優(yōu)化圖像質(zhì)量。此夕卜，在D.Schafer、J.Borgert> V.Rasche 和 M.Grass 的文獻(xiàn)“Motion-Compensated and Gated Cone Beam Filtered Back-Projection for 3-DRotational X-Ray Angiography，，，IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol.25,N0.7，pp.898-906,2006年7月中公開了在已知對象運(yùn)動(dòng)的情況下在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償重建期間可以考慮為重建所使用的數(shù)據(jù)。該過程導(dǎo)致極大地改善了圖像質(zhì)量。最后還參見文獻(xiàn)DE 102009007236A1，在該文獻(xiàn)中公開了對至少部分地運(yùn)動(dòng)的對象進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腃T重建方法。在該方法中利用CT系統(tǒng)掃描運(yùn)動(dòng)的檢查對象并且通過所采集的探測器數(shù)據(jù)借助迭代算法確定檢查對象的截面圖像，其中在迭代算法中要考慮在數(shù)據(jù)采集期間有關(guān)檢查對象運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息。該運(yùn)動(dòng)信息以由大量特定于位置的矢量組成的運(yùn)動(dòng)場的形式表示，該特定于位置的矢量描述了在拍攝時(shí)間點(diǎn)在各自的位置處對象的運(yùn)動(dòng)或位移。在此為了確定運(yùn)動(dòng)場建議比較兩個(gè)時(shí)間上隔開的CT拍攝并且根據(jù)CT拍攝的變化推斷出特定于位置的運(yùn)動(dòng)。但迄今為止，為了改善“最佳階段”圖像的圖像質(zhì)量，也就是從最佳的靜止階段得到的圖像以及由此的最高質(zhì)量，正確估計(jì)運(yùn)動(dòng)的問題還沒有解決。迄今的方案僅通過不同心臟階段的兩個(gè)三維標(biāo)準(zhǔn)重建的配準(zhǔn)來估計(jì)運(yùn)動(dòng)。但至今不能顯示質(zhì)量改善的“最佳階段”圖像，因?yàn)槠涔逃械叵拗屏伺錅?zhǔn)的數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率。相反，極大地改善了較差的心臟階段的圖像并且由此例如能夠以改善的圖像質(zhì)量顯示其它心臟階段。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，找到用于圖像重建的一種方法和一種CT系統(tǒng)或者一種計(jì)算系統(tǒng)，其(通過改善地確定心臟的運(yùn)動(dòng)或改善地確定用于隨后校正圖像數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)場)降低了殘余的圖像偽影。本發(fā)明的基礎(chǔ)是借助運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹亟ㄋ惴ǜ纳频乇磉_(dá)運(yùn)動(dòng)估計(jì)。相應(yīng)地，對“最佳階段”圖像fbp(x.s)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹亟ǖ慕Y(jié)果直接取決于描述運(yùn)動(dòng)的參數(shù)s為此這樣估計(jì)參數(shù)S，使得結(jié)果滿足特定的圖像特征。形式上這可以通過將價(jià)值函數(shù)作為分析度量最小化來實(shí)現(xiàn)。如果為了重建“最佳階段”圖像使用解析的重建算法，例如FDK算法(FDK = Feldkamp-Davis-Kress),則可以給出有效的計(jì)算規(guī)范,該計(jì)算規(guī)范通過重建圖像的圖像特征(例如熵、梯度下降、總變差以及類似特征)迭代地確定用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹亟ǖ膮?shù)。由此也就是由關(guān)于運(yùn)動(dòng)周期的唯一的觀察時(shí)間點(diǎn)或觀察階段的CT圖像數(shù)據(jù)組的CT數(shù)據(jù)(而不需要使用關(guān)于運(yùn)動(dòng)周期的其它時(shí)間點(diǎn)或其它觀察階段的CT圖像數(shù)據(jù))來確定運(yùn)動(dòng)場，利用該運(yùn)動(dòng)場可以實(shí)施運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹亟?。此外，為了降低?jì)算開銷可以僅通過包含運(yùn)動(dòng)的部分圖像來計(jì)算目標(biāo)函數(shù)。形式上地，為此計(jì)算運(yùn)動(dòng)圖(Bewegungskarte ),該運(yùn)動(dòng)圖說明，在圖像中在該位置存在運(yùn)動(dòng)偽影的概率。在按照本發(fā)明的方法中，為此形成應(yīng)當(dāng)盡可能精確地估計(jì)在診斷相關(guān)的輻射時(shí)間內(nèi)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)，也就是描述運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)場。為此，按照本發(fā)明建議如下措施:利用測量數(shù)據(jù)P in可以定義價(jià)值函數(shù)L(s) =||/ m (0 — A(x,s)f (x,f)||2公式(I)在此，f指灰度值的圖像矢量，A指基于體素的投影器，該投影器對CT成像系統(tǒng)建模。矢量5(元0指在圖像空間(Bildraum)中針對時(shí)間t定義的在體素頂點(diǎn)f處的運(yùn)動(dòng)場。歹-1指反變換。原則上可以以優(yōu)化方法計(jì)算運(yùn)動(dòng)場，即，必須解決如下優(yōu)化問題。minarg.〒 L = pin -A{x,s )/(x, )|| 公式(2)在使用梯度方法的情況下對于運(yùn)動(dòng)場獲得如下更新的公式:sM =sk+y-公式(3 )
OS在此，步長Y可以取決于迭代步驟k。根據(jù)運(yùn)動(dòng)場的參數(shù)如下確定價(jià)值函數(shù)的導(dǎo)數(shù):= 2 L{sk ) I:(紙歹)/⑷)公式(4 )
OSOS=2^L(sk)'(^ A(Xj)-f(s) +
OSOS
現(xiàn)在問題在于，不能簡單地確定投影器A的方向?qū)?shù)，因?yàn)槔缭谟邢薏罘址椒ㄖ性趫D像體積中的每個(gè)頂點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)場必須在三個(gè)空間方向上改變，并且每個(gè)配置必須投影到數(shù)據(jù)空間中。因此按照本發(fā)明建議，將價(jià)值函數(shù)根據(jù)公式(1)變換到圖像空間，方法是考察反投影的信號。由此對于變換了的價(jià)值函數(shù)得出:
權(quán)利要求
1.一種用于確定在部分地并周期地運(yùn)動(dòng)的對象、特別是具有跳動(dòng)的心臟的患者的CT圖像數(shù)據(jù)組的圖像空間中的運(yùn)動(dòng)場的方法，所述運(yùn)動(dòng)場由大量特定于位置的運(yùn)動(dòng)矢量組成，所述方法具有如下方法步驟: `1.1.采集或傳輸計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)的投影數(shù)據(jù)組，包含預(yù)先給定的運(yùn)動(dòng)階段和投影角度區(qū)域，所述投影數(shù)據(jù)組允許直接重建CT圖像數(shù)據(jù)組， `1.2.通過最小化基于原始數(shù)據(jù)的或變換到圖像空間的價(jià)值函數(shù)迭代地確定運(yùn)動(dòng)場，該價(jià)值函數(shù)來自于在使用運(yùn)動(dòng)場的情況下運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)刂亟ǖ牟⑶揖哂欣玫谝唤馕鲋亟ㄋ惴ǖ玫降牡谝粓D像分辨率的CT圖像數(shù)據(jù)組， `1.3.存儲(chǔ)和/或輸出所述運(yùn)動(dòng)場。
2.根據(jù)上述權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述投影角度區(qū)域是180°加上所使用的射束的扇形角度。
3.根據(jù)上述權(quán)利 要求1或2所述的方法，其特征在于，所述解析的重建方法是如下列表中的方法之一: -FDK 重建方法(FDK = Feldmann-Davis-Kress), -Clack-Defrise 重建方法， -基于希耳伯特變換的重建方法， -基于傅里葉變換的重建方法， -Radon 方法。
4.根據(jù)上述權(quán) 利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，作為待優(yōu)化的圖像特征使用至少一個(gè)如下列表中的圖像特征: -熵， -重建的原始數(shù)據(jù)與利用運(yùn)動(dòng)敏感的前向投影確定的“合成”數(shù)據(jù)的差的L2范數(shù)， -總變差/總波動(dòng)， -可壓縮性。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，作為基于原始數(shù)據(jù)的價(jià)值函數(shù)使用如下公式: — |2 mmargs L=jpm - A(xJ )/(^,5)|
6.根據(jù)上述權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期收集所述探測器數(shù)據(jù)以用于產(chǎn)生所使用的投影數(shù)據(jù)組。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，僅關(guān)于對象的部分區(qū)域來計(jì)算所述運(yùn)動(dòng)場。
8.一種用于產(chǎn)生部分地并周期地運(yùn)動(dòng)的對象、特別是具有跳動(dòng)的心臟的患者的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腃T圖像數(shù)據(jù)組的方法，該方法具有如下方法步驟: ` 8.1.采集或傳輸計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)(I)的投影數(shù)據(jù)組，包含預(yù)先給定的運(yùn)動(dòng)階段和投影角度區(qū)域，所述投影數(shù)據(jù)組允許直接重建CT圖像數(shù)據(jù)組， `8.2.按照權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)確定運(yùn)動(dòng)場， `8.3.在使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹亟ǚ椒ǖ那闆r下基于第二重建算法和運(yùn)動(dòng)場重建具有第二圖像分辨率的最終CT圖像數(shù)據(jù)組，`8.4.存儲(chǔ)所述最終CT圖像數(shù)據(jù)組或?qū)⑺鲎罱KCT圖像數(shù)據(jù)組在圖像再現(xiàn)系統(tǒng)上輸出。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一圖像分辨率比所述第二圖像分辨率更低。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求8至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第二重建算法與所述第一重建算法不同。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二重建算法是解析的重建算法。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二重建算法是迭代的重建算法。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二重建算法是非解析的重建算法。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期收集所述探測器數(shù)據(jù)以用于產(chǎn)生所使用的投影數(shù)據(jù)組。
15.一種用于圖像重建的計(jì)算系統(tǒng)(10)，具有用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序的存儲(chǔ)器和用于執(zhí)行所存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序的處理器，其特征在于，在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了至少一個(gè)計(jì)算機(jī)程序(Prg1-Prgn),所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算系統(tǒng)(10)運(yùn)行時(shí)執(zhí)行按照上述方法權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法步驟。
16.一種CT系統(tǒng)(I )，具有按照上述權(quán)利要求15所述的計(jì)算系統(tǒng)(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于確定在部分并周期運(yùn)動(dòng)的對象的CT圖像數(shù)據(jù)組的圖像空間中的運(yùn)動(dòng)場的方法，其中對預(yù)先給定的運(yùn)動(dòng)階段和投影角度區(qū)域采集CT系統(tǒng)的投影數(shù)據(jù)組，并通過最小化基于原始數(shù)據(jù)或變換到圖像空間的價(jià)值函數(shù)迭代地確定運(yùn)動(dòng)場，該價(jià)值函數(shù)來自于使用運(yùn)動(dòng)場運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)刂亟ǖ牟⑶揖哂欣玫谝唤馕鲋亟ㄋ惴ǖ玫降牡谝粓D像分辨率的CT圖像數(shù)據(jù)組。本發(fā)明還涉及用于產(chǎn)生部分并周期運(yùn)動(dòng)的對象的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腃T圖像數(shù)據(jù)組的方法，通過在使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹亟ǚ椒ǖ那闆r下基于第二重建算法和確定的運(yùn)動(dòng)場重建具有第二圖像分辨率的最終CT圖像數(shù)據(jù)組。本發(fā)明還涉及用于圖像重建的計(jì)算系統(tǒng)(10)和具有這樣的計(jì)算系統(tǒng)的CT系統(tǒng)，其中在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行前面提到的方法。
文檔編號G06T11/00GK103198497SQ20121036301
公開日2013年7月10日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者H.布魯?shù)? C.羅科爾 申請人:西門子公司