專利名稱：用于錐形束計算層析系統(tǒng)的過采樣探測器陣列和再采樣技術(shù)的制作方法
在X射線計算層析(CT)系統(tǒng)中，有一個能源發(fā)射X射線束穿過一個物體，同時有一個探測器陣列探測穿過物體上一個薄層被衰減了的X射線的強(qiáng)度。入射到每個探測器上的X射線束的強(qiáng)度大小被數(shù)字化并轉(zhuǎn)換成一個代表物體沿著X射線束路徑的線積分(本技術(shù)領(lǐng)域稱作“投影”)的值。
在靜態(tài)掃描布局或“非螺旋”掃描模式中，每次掃描時物體的位置是固定的，而在移動掃描或“螺旋”掃描模式中，每次掃描時物體沿著旋轉(zhuǎn)軸(z軸)方向移動，以改善系統(tǒng)的吞吐量。
對于第三代CT系統(tǒng)，X射線源和探測器陣列被安裝在一個框架上，并且在一次掃描中它們一起環(huán)繞著物體旋轉(zhuǎn)。隨著框架旋轉(zhuǎn)角的逐步增大，記錄下物體的相繼各組投影。在每個旋轉(zhuǎn)角下，采集到的投影代表了物體在該角度下的一個投影輪廓?？梢愿鶕?jù)許多視角下的一組投影輪廓，用一種稱之為重建的處理來產(chǎn)生物體一個掃描層或一個“切片”的圖像，其中重建處理涉及到對采集到的投影進(jìn)行卷積和反投影。
在“普通”的CT系統(tǒng)中，探測器陣列是一個單行的探測器陣列，而在“錐形束”CT系統(tǒng)中，利用了一個二維探測器陣列，它典型地含有多個探測器行和探測器列。錐形束CT系統(tǒng)允許同時掃描物體上的多個切片。Feldkamp等人的論文“Practical Cone-BeamAlgorithm(實用錐形束算法)”(J.Opt.Soc.Am.A Vol.1，No.6，1984年6月，p.612)描述了非螺旋錐形束掃描技術(shù)的一個例子。1995年7月4日授予Hu等人的美國專利No.5，430，783描述了螺旋錐形束掃描的一個例子。


圖1是錐形束系統(tǒng)的原理圖，如果第i個探測器行的高度為ΔHi(其長度沿z軸)，則等角點14(該情形中假設(shè)等角點在z軸上)處該探測器行的等效高度Δhi為Δhi=ΔHiR/D (1)其中D和R分別代表X射線焦點10至探測器陣列的距離和X射線焦點10至系統(tǒng)等角點14的距離，而比值R/D則代表縮放因子。
在錐形束掃描器的“等高”探測器系統(tǒng)中，對于所有的探測器行1，2，…，M都有相同的行高ΔHi。在“非等高”探測器系統(tǒng)中，各個行可以有不同的高度。在這種非等高系統(tǒng)中，各個行的高度ΔHi是按某種整數(shù)倍的關(guān)系設(shè)計的，使得可以通過結(jié)合相鄰的行來提供一組實際上具有相同高度ΔH的行。例如，如圖5所示，假定有一個8行的探測器陣列，各個行的探測器高度分別為5t，2t，2t，1t，1t，2t，2t和5t，則通過組合各個行采集到的數(shù)據(jù)可以使該陣列變成一個具有恒定組合高度ΔH=5t的4行探測器陣列(也即，分別組合成5t，2t+2t+1t，lt+2t+2t，5t)。還可以實現(xiàn)另外一些組合。這種類型的探測器構(gòu)形已公開于本申請人于1998年9月23日提交的美國專利申請No.09/159，067(代理人登記號No.ANA-97)，該申請在此引用作為參考，在非螺旋掃描錐形束CT系統(tǒng)中，重建的圖像沿z軸的分辨率(這里稱作“切片寬度”或“切片厚度”)取決于等角點14處的探測器高度Δhi。這類似于普通具有單行探測器的CT系統(tǒng)中的切片厚度，只是在錐形束系統(tǒng)中同時用多個切片。對于上述4組具有相同組合高度ΔH=5t的例子，4個切片有相同的切片厚度Δh=5tR/D。
然而，對于螺旋掃描，有效切片厚度將明顯變大。這是因為在螺旋掃描過程中每個切片的數(shù)據(jù)是由不同的探測器行或探測器行組來獲取的。一般地說，在每個視角下，由于掃描時物體的移動，每個切片的數(shù)據(jù)是由一個、兩個、或一組探測器行獲取的，所以探測的有效高度將在一個、兩個、或一組探測器行之間變化。結(jié)果，與非螺旋掃描相比，螺旋掃描的切片厚度將大為變大。此外，有效探測高度將隨視角改變，所以是不一致的。從而，由于在多個視角下有效探測高度發(fā)生變化，將會導(dǎo)入重建缺陷。
這樣，由于探測厚度的加大而不能準(zhǔn)確地確定切片輪廓，從而將因投影數(shù)據(jù)的不一致性而使重建圖像易于帶有缺陷。為了減小切片的加厚，已有人建議通過把一個探測器行分成一組探測器子行，并利用這組子行獨立地重建多個子切片，從而首先重建出多個薄切片。接著再把這些子切片結(jié)合成單個組合切片。如1995年7月4日授予Hu等人的美國專利No.5，430，783中所述，這一技術(shù)將得到切片厚度遠(yuǎn)大于每個子切片厚度的組合切片，不過其切片輪廓將有明顯改善，上述專利在此引用作為參考。然而，這種方法因為對每個子切片需要有多次卷積和反投影運算，其計算量很大。
為了克服以往技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供了這樣一種方法和設(shè)備，它們能減輕導(dǎo)致上述重建缺陷的數(shù)據(jù)不一致性，還能提供具有改善精度的較明確的切片輪廓。為準(zhǔn)備重建時所需的投影數(shù)據(jù)，提供了一種過采樣探測器陣列和改進(jìn)的再采樣技術(shù)。過采樣探測器陣列使用多個探測器行，每個探測器行的高度都小于切片厚度。改進(jìn)的再采樣技術(shù)涉及到對過采樣數(shù)據(jù)的再采樣，并在重建之前使它們結(jié)合，從而以改善系統(tǒng)吞吐量的方式來增強(qiáng)得到的圖像質(zhì)量。
本發(fā)明的第一個方面針對的是，一種在螺旋錐形束CT掃描器中以一系列具有預(yù)定切片厚度的相繼切片的方式重建物體圖像的方法。投影數(shù)據(jù)是用一個具有一些行和一些列的二維探測器陣列過采樣的。該探測器陣列每個探測器行的高度都小于切片厚度。投影數(shù)據(jù)是根據(jù)預(yù)定的切片厚度相對于系統(tǒng)移動軸過采樣的，接著重建出過采樣的投影數(shù)據(jù)以產(chǎn)生物體圖像。
過采樣可以包括用行高相同(“等高”)的探測器陣列或行高不同(“非等高”)的探測器陣列過采樣的投影數(shù)據(jù)。投影數(shù)據(jù)的再采樣最好包括識別每個切片沿移動軸的邊界和對邊界之間的探測器行的數(shù)據(jù)值求和。識別出包含有邊界的邊界探測器行，然后根據(jù)邊界在移動軸方向相對于探測器行的位置對邊界探測器行所采集的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)。識別出要再采樣的那些切片的位置，然后以預(yù)定的間隔重建這些切片，并根據(jù)具體的應(yīng)用使各個重建的切片發(fā)生重疊，互相鄰接，或者互相分開。切片既可基本垂直于移動軸，也可相對于移動軸任意傾斜一個角度。在一個優(yōu)選實施例中，在再采樣時首先從相繼的探測器行合并出投影數(shù)據(jù)值，這樣可使操作更為有效。
各探測器行可以是等高的，也可分成一個中央行和一些外部行，外部行隨著距中央行的距離增大其行高也逐漸增大。外部行行高的逐漸增大可以按中央行行高的整數(shù)倍增大，或者更好地，按其分?jǐn)?shù)倍逐漸增大。
本發(fā)明的第二個方面針對的是一種用于計算層析掃描器的探測器陣列。該探測器陣列的探測器單元沿旋轉(zhuǎn)軸方向構(gòu)成一些縱向的列，沿一個垂直于縱向軸的橫向軸構(gòu)成一些橫向的行。陣列外部行的高度相對于內(nèi)部行逐漸增大。
在一個優(yōu)選實施例中，所有用于掃描的探測器行的高度都小于預(yù)定的切片厚度。每個探測器行最好各自位在一個基本垂直于系統(tǒng)縱向軸的平面內(nèi)的弧線上?；【€的曲率中心最好在能源處。
通過對如附圖所示的一些本發(fā)明優(yōu)選實施例的更具體的說明，本發(fā)明的上述和其他目的、特點和優(yōu)點將變得明顯，在這些附圖中，不論其為何種視圖，相似的代號總代表相同的元部件。這些附圖的重點是說明本發(fā)明的原理，不一定嚴(yán)格按比例尺畫出。
圖1是一個含有多個探測器行的X射線CT掃描器的示意圖，其中探測器行沿旋轉(zhuǎn)軸方向的等效高度Δhi正比于第i個探測器行的高度ΔHi，比例因子為R/D。
圖2是一個根據(jù)本發(fā)明的多行等高(Δh沿旋轉(zhuǎn)軸方向度量)探測器陣列的正視圖，其中對于第j列探測器，單個厚度為ΔSn的重建切片的投影數(shù)據(jù)是由其中帶陰影的那些探測器采集的。
圖3是一個根據(jù)本發(fā)明的等高探測器陣列的第j列的示意圖，其中多個名義厚度為ΔSn的切片的投影數(shù)據(jù)是由帶陰影的一些探測器采集的。
圖4是一個根據(jù)本發(fā)明的多行等高探測器陣列的第j列的示意圖，其中名義切片厚度ΔSn大于相鄰切片之間的間隔Δz，從而相鄰切片之間的投影數(shù)據(jù)是重疊的。
圖5是一個多行非等高探測器陣列的第j列的示意圖，其中的行高比是簡單的整數(shù)比。
圖6是一個根據(jù)本發(fā)明的多行非等高探測器陣列的第j列的示意圖，其中探測器行的高度相對于一個或幾個中央行是逐漸增大的。
圖7A是由一個根據(jù)本發(fā)明的探測器陣列的第j列在視角φ下采集的投影數(shù)據(jù)在行號i之間的關(guān)系圖，其中位于名義切片厚度范圍內(nèi)的那些行用一個帶陰影的矩形條示出。
圖7B是根據(jù)本發(fā)明由圖7A數(shù)據(jù)計算得的累積投影數(shù)據(jù)與行號i的關(guān)系圖。
圖8A是由一個根據(jù)本發(fā)明的行高按整數(shù)關(guān)系變化的非等高探測器陣列所采集的投影數(shù)據(jù)的圖。
圖8B是根據(jù)本發(fā)明由圖8A的數(shù)據(jù)計算得的累積投影數(shù)據(jù)的圖。
圖9A是由一個根據(jù)本發(fā)明的行高依次逐漸變化的探測器陣列所采集的投影數(shù)據(jù)的圖。
圖9B是根據(jù)本發(fā)明由圖9A的數(shù)據(jù)計算得的累積投影數(shù)據(jù)的圖。
在采用一個具有M個高度ΔH相同的探測器行的二維等高探測器陣列的CT系統(tǒng)中，投影數(shù)據(jù)在等角點處是以均勻的空間間隔Δh沿z軸方向采樣的。在上述以往技術(shù)中，多個切片是根據(jù)以等于恒定空間間隔Δh的名義切片厚度ΔSn所采集的數(shù)據(jù)來重建的，其中的名義切片厚度就是對一次給定的掃描所預(yù)定的希望切片厚度。對于螺旋掃描，由于物體相對于框架不斷地沿著z軸移動，所以對每個重建的切片有貢獻(xiàn)的一些投影在不同時刻是由不同的探測器行采集的。從而，對每個切片的投影值都要由相鄰探測器行所采集的數(shù)據(jù)插值得到。這個插值操作可以在圖像重建的反投影操作之前進(jìn)行或在其間進(jìn)行。插值操作可以看作是兩個相鄰行的投影數(shù)據(jù)的加權(quán)平均。
由于這一z軸插值，結(jié)果圖像中實際切片的厚度將大于名義切片厚度ΔSn。如前所述，Hu等人的技術(shù)試圖使切片輪廓變窄，但其代價是使計算量增大。更重要的是，兩個相鄰行平均時的插值加權(quán)比是隨視角改變的，造成不同視角下的插值投影數(shù)據(jù)有些不一致。這種不一致的結(jié)果是將在切片的重建圖像中引入缺陷。
反之，本發(fā)明技術(shù)按照名義切片厚度ΔSn對沿z軸方向采集到的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行再采樣。投影數(shù)據(jù)的再采樣最好如圖2所示那樣對每個探測器列獨立地進(jìn)行，而與其他的列無關(guān)。當(dāng)選擇重建傾斜切片時或者當(dāng)把每個探測器行采集到的扇形束投影數(shù)據(jù)重新組織成平行束投影數(shù)據(jù)時，再采樣的行位置可能隨列位置改變。所以一般地說，對于每個視角φ，每一列的再采樣的z位置是不同的，但它能根據(jù)探測器的幾何布局確定。
例如，在圖2所示的探測器陣列12沿y軸的正視圖中，該探測器陣列由M個等高的行和N個等寬的列組成，為了便于說明，圖中的探測器陣列畫成是平面型的。在某一特定視場角φ下，由位于第i行第j列的那個探測器所采集到的投影值用Pij(φ)表示。該視角下名義切片在探測器陣列上的投影具有長度ΔSn，中心在zj(φ)處，其中zj(φ)=zj(O)+pφ/2π， (2)其中p是系統(tǒng)在螺旋掃描時的節(jié)距或移動率。于是，名義切片ΔSn在第j列相應(yīng)的投影值為從zj1(φ)到zj2(φ)的投影值之和，其中zj1(φ)=zj(φ)-0.5Δsn，(3)zj2(φ)=zj(φ)+0.5Δsn．(4)假定zj1(φ)和zj2(φ)在z軸上的位置分別在第i1和第i2行內(nèi)。這時，名義切片在第j列探測器上的投影區(qū)域從第i1行到第i2行，如圖2中加陰影的區(qū)域所示。名義切片的投影值Sj(φ)是陰影區(qū)中各探測器所測得的投影數(shù)據(jù)值Pij(φ)之和。由于第i1和第i2行的兩個探測器僅有一部分落在該區(qū)域內(nèi)，所以可以用一個加權(quán)因子Wi來表達(dá)Sj(φ) 根據(jù)由等式(3)和(4)計算得到的zj1(φ)和zj2(φ)位置以及已知的等角點探測器高度Δh，可以確定兩個部分加權(quán)因子Wi1和Wi2。
當(dāng)名義切片厚度ΔSn比等角點探測器角度Δh大得多時，不同視角之間再采樣投影數(shù)據(jù)的不一致性可大為減小。結(jié)果，由不同視角的不一致投影數(shù)據(jù)所造成的圖像缺陷將大為減小，實現(xiàn)了切片輪廓確定性的改善。與前述以往技術(shù)相比，本發(fā)明的再采樣處理比較簡單，并且重建處理僅對單個切片進(jìn)行，大為降低了所需的計算量。例如，如果名義切片厚度ΔSn是等角點探測器高度Δh的m倍，ΔSn=mΔh，則以往技術(shù)重建某一切片時需要重建m個子切片。反之，本發(fā)明在進(jìn)行重建之前首先對數(shù)據(jù)再采樣和組合，因此只需要一次重建步驟，從而在獲得名義切片時把計算量減少為1/m倍。
對于名義切片厚度與等角點探測器高度相等的特殊情形；ΔSn=Δh，投影數(shù)據(jù)的再采樣等價于由兩個相鄰探測器行的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行主軸z的插值。在該特殊情形中，采集的數(shù)據(jù)沒有過采樣。
在上述說明中為了簡單只對一個名義切片進(jìn)行再采樣。在一個優(yōu)選實施例中，在每個視角下對多個切片再采樣。當(dāng)然，此時等角點處的總探測器高度MΔh必需大于名義切片厚度ΔSn。假定采集到的投影數(shù)據(jù)再被再采樣成L個切片，則需要計算L個中心位置zkj(φ)，k=1，2，…，L。相鄰切片的中心位置有如下關(guān)系zk+1j(φ)=zkj(φ)+Δz， (6)
其中Δz是多個切片的空間間距。
與上述等式(3)和(4)類似，每個切片的邊界位置可按下式計算zkj1(φ)=zkj(φ)-0.5Δsn， (7)zkj2(φ)=zkj(φ)+0.5Δsn， (8)其中k=1，2，…，L。假定切片邊界位置zkj1(φ)和zkj2(φ)分別落在第ik1和ik2行內(nèi)。這時，應(yīng)用上述對單個切片的再采樣技術(shù)，第k個切片的再采樣投影值Skj(φ)為 其中k=1，2，…，L。圖3示出了這多個切片18相對于各探測器位置的投影區(qū)域。
對于選擇多個切片的空間間距等于名義切片厚度Δz=ΔSn的情形，認(rèn)為重建的多個切片是互相鄰接的。雖然通常這是一種最適當(dāng)?shù)倪x擇，但有時也會希望相鄰切片之間有所重疊。為了得到多個有重疊的切片的重建，只要簡單地選擇空間間距小于名義切片厚度Δz＜ΔSn。圖4示出了多個重疊切片相對于第j個探測器列的探測器位置的投影區(qū)域。類似地，在某些應(yīng)用中可能希望能在相鄰切片間跳過一個區(qū)域。這時應(yīng)選擇空間間距大于名義切片厚度Δz＞ΔSn。
在前面引作參考的美國專利申請No.09/159，067中提出了一種帶有一些變高度探測器行的CT探測器系統(tǒng)。假定一個探測器陣列如圖5所示，含有高度分別為5t，2t，2t，1t，1t，2t，2t，5t的8個探測器行。如果只使用兩個中間行，則該系統(tǒng)等價于一個雙行探測器系統(tǒng)，每一行的高度為t。如果將這兩個中間行結(jié)合起來，并與4個高度為2t的行一起使用，則該系統(tǒng)變成一個五行探測器系統(tǒng)，每一行的高度為2t。另外還可以把各個行組合成行高為3t、4t、5t或10t的等行高系統(tǒng)。盡管該系統(tǒng)由不同高度的一些行組成，但數(shù)據(jù)可被重新安排得能給出多個等高行的效果。該非等高探測器系統(tǒng)的優(yōu)點是其總的行數(shù)小于等高探測器系統(tǒng)的總行數(shù)。該系統(tǒng)能像一個等高探測器系統(tǒng)一樣掃描各種厚度的多個切片；不過，如果在一次掃描中較外部行的探測器的高度大于名義切片厚度，則最好不要使用這些行。因此，被使用的探測器行數(shù)取決于一次掃描中所選擇的名義切片厚度。掃描較薄的切片時，所使用的確定了一次螺旋掃描的最大節(jié)距的探測器行數(shù)要小于掃描較厚切片時所使用的行數(shù)。
由于該探測器系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)要被組合得能等效地給出一個等高多行探測器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，所以它有與上述等高探測器系統(tǒng)相同的問題，即加大了切片厚度和具有投影數(shù)據(jù)的不一致性。不過，在這種非等高探測器系統(tǒng)中，對于名義切片厚度大于中央行探測器的等角點高度的情形，這些中央行已經(jīng)處于過采樣的狀態(tài)。因此對于這種非等高系統(tǒng)，根據(jù)本發(fā)明的過采樣和再采樣方法與前述等高探測器系統(tǒng)的稍有不同。描述了兩種構(gòu)形第一種基于已有的整數(shù)倍探測器布局，其中探測器的行高相對于中央行是量子(跳躍)式地增大的；而第二種則基于一種改進(jìn)的漸變探測器布局，其中探測器的行高相對于中央行是逐漸增大的。
對于上述8行探測器的例子，M=8，在圖5的整數(shù)倍探測器布局中每個行有不同的等角點高度Δhi，探測器系統(tǒng)的最大總高度為Σi=1MΔhi=5t+2t+2t+t+t+2t+2t+5t=20t(10)]]>假定選擇名義切片厚度等于最小探測器行高，ΔSn=t，則系統(tǒng)將不是工作于過采樣模式，于是切片加厚和投影數(shù)據(jù)的不一致性局限性將最為嚴(yán)重。然而當(dāng)名義切片厚度大于最小等角點探測器行高度，即ΔSn≥2t時，則本發(fā)明的方法和設(shè)備將可減小這些缺陷。在本技術(shù)中，來自多個行的數(shù)據(jù)不是被組合得形成一個較厚切片的數(shù)據(jù)，而是根據(jù)位置和名義切片厚度被重新采樣。上述式(2)至(9)各個公式都適用，其中Pij(φ)代表由具有與行序號有關(guān)的高度Δhi的第i行探測器所采集的投影數(shù)據(jù)。式(9)中第一行和最后一行，ik1和ik2，的部分加權(quán)因子是根據(jù)與行號有關(guān)的高度Δhi計算的，其中i=1，2，…，M。對于4個鄰接切片的例子，這些具有非零加權(quán)因子的行的區(qū)域20在圖5中以帶陰影的區(qū)域示出，在一次掃描過程中，每個切片從探測器陣列的一端移動到另一端，當(dāng)切片接近于探測器陣列中探測器高度最小的中央行時，投影數(shù)據(jù)被高度地過采樣。由于探測器的行高隨著離中央行距離的增大而增大。所以隨著切片移離中央行，過采樣的程度將減小。在這種整數(shù)倍布局中，探測器高度在某些較外部的行處將可能有很大的變化，例如對于圖5的例子，最后一行的高度將從2t變?yōu)?t。探測器高度的劇烈增大將相應(yīng)地導(dǎo)致過采樣程度的劇烈減小。這種減小是不希望的，這是因為正如在前述以往技術(shù)中發(fā)生的那樣，這種減小會加大不同視角下的投影數(shù)據(jù)的不一致性和導(dǎo)致重建圖像出現(xiàn)缺陷。
在圖6所示的一種改進(jìn)的探測器系統(tǒng)布局中，探測器行高Δhi從中央行22到上部行和下部行24A、24B是逐漸增大的。探測器行高的這一逐漸增大的目的是避免行高的劇烈變化，從而可減輕上述的數(shù)據(jù)不一致性問題。同時，與整數(shù)倍探測器布局相似，該布局也可減少系統(tǒng)所需的總探測器行數(shù)。不過，如果一次掃描中較外部行的高度超過了名義切片厚度，則這些行不能在掃描中使用，結(jié)果是減小了螺旋掃描的節(jié)距。在該實施例中，探測器行高不一定像上述例子那樣按例如1、2、2、5這樣的整數(shù)比政變，這是因為不是首先進(jìn)行數(shù)據(jù)組合的。只要每個行的行高h(yuǎn)i已知，就能確定具有非零加權(quán)因子的第一行和最后一行ik1和ik2。根據(jù)這一確定，就能按照式(6)至式(9)根據(jù)名義切片的厚度對數(shù)據(jù)再采樣。圖6示出了由具有漸增行高的探測器系統(tǒng)進(jìn)行4個鄰接切片的再采樣的情況。
在具有漸增探測器高度的本發(fā)明系統(tǒng)中，中央?yún)^(qū)域內(nèi)的那些行的高度最好小于要重建的最小切片厚度。換言之，即使對于最薄切片的投影數(shù)據(jù)也是過采樣的?？傂袛?shù)M和每一行的具體高度Δhi確定了對特定數(shù)目和特定厚度的切片的過采樣程度。過采樣的程度僅受實際考慮的限制，例如僅受所需的總行數(shù)不要太大這一考慮的限制。
本發(fā)明的另一個方面還針對能提供改善的計算效率的再采樣設(shè)備和方法。上述本發(fā)明的再采樣技術(shù)首先計算每個切片的邊界相對于探測器陣列的位置，即zkj1(φ)和zkj2(φ)。據(jù)此，再確定具有非零加權(quán)因子的第一行和最后一行ik1和ik2以及這兩個行的部分加權(quán)因子wki(i=ik1和i=ik2)。然后根據(jù)式(9)的求和公式計算切片K在投影角φ下的第j通道(列)的再采樣投影數(shù)據(jù)值Skj(φ)。下述的累積方法將提供一種改進(jìn)的計算步驟。
如本專利申請人所共有的美國專利No.5，802，134(該專利在此引用作為參考)中所說明的，當(dāng)重建切片相對于z軸有一個傾斜角時，ik1和ik2的位置將與通道號j有關(guān)。如果再采樣在把一個探測器行所采集的扇形投影數(shù)據(jù)重組成平行投影數(shù)據(jù)之后進(jìn)行，則ik1和ik2的位置也將與通道號j有關(guān)。當(dāng)ik1和ik2的位置與通道號有關(guān)時，由于求和時的行號將隨通道號改變，式(9)的計算將變得繁鎖，對于矢量處理器尤為如此。下面給出的累積技術(shù)將提高再采樣處理的效率，使得計算可適合于由矢量處理器實現(xiàn)。
在本發(fā)明的累積方法中，首先把由第j列的M個探測器所采集的投影值Pij(φ)對所行有累積起來，并存儲在累加器中，得到Aij(φ)從A0j(φ)=0開始，i=1，2，…，M。然后根據(jù)累積的投影值A(chǔ)ij(φ)進(jìn)行再采樣。
圖7A示出由一個M行等高探測器的第j列所采集到的原始投影值Pij(φ)的一個例子。作為比較，圖7B示出用式(11)計算得到的累積值A(chǔ)ij(φ)。陰影區(qū)26A和26B表示具有非零加權(quán)因子的那些行的范圍，wi1和Wi2。代表兩個部分加權(quán)因子。為了簡單和清晰，這里僅示出和說明一個要再采樣的切片。因此如式(2)至(5)一樣刪去了下角標(biāo)k。熟悉計算層析技術(shù)領(lǐng)域的人們能夠清楚看到，本技術(shù)能容易地應(yīng)用于多切片情況。
按下式將部分加權(quán)值wi1用于第一個累積投影值A(chǔ)z1，j(φ)的插值A(chǔ)z1，j(φ)=wi1Ai1-1，j(φ)+(1.0-wi1)Ai1，j(φ)，(12)其中的下角標(biāo)i1和i2分別是ik1和ik2的縮寫，對于多切片處理它們與再采樣切片的序號K有關(guān)。
類似，按下式將部分加權(quán)值wi2用于最后一個累積投影值A(chǔ)z1，j(φ)的插值
Az2，j(φ)＝wz2Az2，j(φ)+(1.0-wz2)Az2-1(φ) (13)第k個切片的再采樣投影數(shù)據(jù)值只需簡單地按下式計算Skj(φ)=Az2，j(φ)-Azl，j(φ).(14)對于非等行高的探測器系統(tǒng)，至少確定了兩種再采樣累積方法。在第一種方法中，累積投影值是按照某個相同的高度，也即沿z軸的相等間距來產(chǎn)生的。如果Δh代表一個可被各個行的高度整除的量，則任一行i高度可以寫成Δhi=miΔh，其中mi是一個整數(shù)。累積投影數(shù)據(jù)可按下式計算Amj(φ)=Am-1，j(φ)+Pij(φ)/mi. (15)非等高探測器系統(tǒng)的投影值Pij(φ)如圖8A所示。由式(15)得到的等間距累積投影值A(chǔ)mj(φ)如圖8B所示。位置i1、i2以及部分加權(quán)值wi1、wi2是以Δh為標(biāo)度單位計算的。計算再采樣投影值Skj(φ)時也同樣使用等式(12)、(13)和(14)。這種累積方法的一個缺點是要求所有探測器行的高度有一個共同的因子Δh。在上述例子中，探測器系統(tǒng)有三種不同的行高t、2t和5t，共同因子為Δh=t。對于行高不成整數(shù)比的非等高探測器系統(tǒng)，例如前面參考圖6所說明的漸增高度探測器系統(tǒng)，可應(yīng)用下述方法。
在該方法中，由第j列的M個探測器采集到的投影值Pij(φ)按下式累積Aij(φ)=Ai-1，j(φ)+Pij(φ)， (16)
從A0j(φ)=0開始，i=1，2，…，M。圖9A和9B示例性地分別示出了原始投影值Pij(φ)和累積投影值A(chǔ)ij(φ)與探測器z軸坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系。累積投影值A(chǔ)ij(φ)對應(yīng)于z軸上的非等間隔的位置h0，h1，h2，…，hM。其中位置hi=hi-1+Δhi， (17)是第i-1與第i探測器行之間的邊界的z軸坐標(biāo)值。
作為確定某一給定列的第一個和最后一個具有非零再采樣加權(quán)值的行i1和i2的z坐標(biāo)的有效方法，最好采用一個存儲在計算機(jī)內(nèi)的查找表。重建切片沿第j個探測器列的邊界位置zj1(φ)和zj2(φ)是按照查找表的z軸分度來分度的，把邊界位置截斷成整數(shù)后作為查找表的查找地址。查找表將給出zj1(φ)所對應(yīng)的行號i1和zj2(φ)所對應(yīng)的行號i2。第二個查找表中含有對每個行I的邊界z坐標(biāo)值hi和間距Δhi，該查找表可用來按下面兩式計算第一個和最后一個累積投影值A(chǔ)z1，j(φ)=Ai1-1，j(φ)+(Ail，j(φ)-Ai1-1，j(φ))(zjl(φ)-hi1-l)/Δhi1， (18)Az2，j(φ)=Ai2-1，j(φ)+(Ai2，j(φ)-Ai2-1，j(φ))(zj2(φ)-hi2-1)/Δhi2． (19)式(18)和(19)也可寫成Az1，j(φ)=Ai1-1，j(φ)+Pi1，j(φ)(zj1(φ)-hi1-1)/Δhi1， (20)Az2，j(φ)=Ai2-1，j(φ)+Pi2，j(φ)(zj2(φ)-hi2-1)/Δhi2． (21)
于是，如式(14)所示，切片k在投影角φ下第j個通道的再采樣投影值Skj(φ)可由Az1，j(φ)與Az2，j(φ)的差值算得。
在利用查找表由經(jīng)標(biāo)度和截斷的邊界位置zj1(φ)確定行號i1時，查找表給出的行號可能是i1-1。這是因為，查找表地址由截斷的zj1(φ)確定，而這個值可能與未截斷的zj1(φ)對應(yīng)著不同的行號。隨著查找表精度的提高，截斷誤差將減小并且出現(xiàn)上述情況的可能性減小。不過仍然存在著查找表給出的行號經(jīng)實際行號小1的可能性。當(dāng)發(fā)生這種情況時，式(20)中的因子(zj1(φ)-hi1-1)Δhi1將不會是正常情形下的小于1.0而會略大于1.0。這意味著Az1，j(φ)不再是由附近的原始采樣邊界點hi1內(nèi)插得到，而是通過公式(18)或(20)由邊界點hi1外插得到。如果查找表的規(guī)模足夠大，則出現(xiàn)這種情況時，zj1(φ)應(yīng)該十分接近于hi1。這時外插和內(nèi)插算得的結(jié)果差別可以忽略，類似地，查找表給出的行號i2也可能比對應(yīng)于zj2(φ)的實際行號小1，但這不會影響式(19)或(21)所計算的累積投影值A(chǔ)z2，j(φ)。
上面提出了一種對沿z軸的過采樣投影數(shù)據(jù)進(jìn)行再采樣的方法和設(shè)備，其目的是使螺旋掃描中不同探測器通道和不同投影角下的切片厚度不一致性最小化。由這種再采樣數(shù)據(jù)重建的圖像將有改善的切片輪廓和減少的重建缺陷，通過在重建之前對投影數(shù)據(jù)再采樣，本技術(shù)使重建的計算量最小化。例如，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，根據(jù)由多個過采樣探測器行導(dǎo)得的數(shù)據(jù)重建出一個切片，而不像以往技術(shù)那樣，需要重建和組合多個較薄的切片，過采樣的程度最好不要很大，以防止探測系統(tǒng)需要太多的行數(shù)。
本發(fā)明既適用于等高探測器系統(tǒng)，又適用于非等高探測器系統(tǒng)或者等高/非等高結(jié)合系統(tǒng)，后者中一些探測器行是等高的，其他一些行則不是。再采樣可以對原始的錐形束數(shù)據(jù)進(jìn)行，其中每個探測器行是以扇形束投影的形式采集數(shù)據(jù)的?；蛘?，也可以在把扇形束投影重組成平行束投影之后再進(jìn)行再采樣。
對于等高探測器系統(tǒng)，最好把等價等角點探測器高度Δh設(shè)定小于要重建的最薄切片的厚度。這樣，很厚的切片的投影數(shù)據(jù)將是高度過采樣的，從而與未使用過采樣的以往技術(shù)相比，可產(chǎn)生明顯改善的圖像。對于非等高探測器系統(tǒng)，最好把中央行(它們的高度最小)的等價等角點探測器高度Δhi設(shè)定為小于要重建的最薄切片的厚度。由各個原始行所采集到的投影數(shù)據(jù)不需組合即是有一定程度過采樣的投影數(shù)據(jù)，可供再采樣。
按照標(biāo)準(zhǔn)的探測器幾何布局，Z射線源和探測器的中央行位在一個垂直于z軸的旋轉(zhuǎn)平面(xy平面)上，每個探測器行都位于一個圓形軌跡上。對于某些螺旋掃描重建方法，所需的投影數(shù)據(jù)不是由準(zhǔn)確地位在圖形軌跡上的探測器測量的，而是由位于螺旋形軌跡的探測器測量的。所以如本申請人所共有的于1998年6月11日提高的美國專利申請NO.09/095，554和美國專利NO.5，796，803中所述，提出了通過把探測器陣列環(huán)繞中央Z射線束轉(zhuǎn)動一個小角度而讓探測陣列傾斜，使得每一行探測器都能近似地位于螺旋形軌跡上，上述專利申請和專利的全部內(nèi)容均在此引用作為參考。在這些修改的探測器陣列的實施例中，當(dāng)再采樣投影數(shù)據(jù)時，在確定探測陣列的每個列所對應(yīng)的位置時需考慮到上述傾斜角。
還有一此重建技術(shù)也適用于本發(fā)明，它們包括C.M.Lai提出的等審批美國專利申請“Apparatus and Method for Reconstruction ofVolumetric Images in a Helical Scanning Cone-Beam ComputedTomography System(螺旋掃描錐形束計算層析系統(tǒng)中重建的體積圖像的設(shè)備和方法)”(代理人登記號NO.ANA-179)和“Apparatus andMethod for Reconstruction of Images in a Computer TomographyScanner Using Oblige Slices(采用傾斜切片的計算層析掃描器中重建圖像的設(shè)備和方法)”(代理人登記號NO.ANA-180)所描述的技術(shù)，這兩個專利申請均由本申請人與本申請同日提出，均在此引用作為參考。
雖然上面僅參考本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例示出和說明了本發(fā)明，但熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們應(yīng)可理解，在不偏離由后附權(quán)利要求中所定義的本發(fā)明精神和范疇的情況下，可以在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種改變。
權(quán)利要求
1.在螺旋錐形束計算層析掃描器中以一系列相繼的具有預(yù)定厚度的切片的形式重建物體圖像的一種方法，該方法包括用一個排列成一些行和列的二維探測器陣列對投影數(shù)據(jù)過采樣，該陣列中至少有一些探測器行的高度小于切片厚度；根據(jù)預(yù)定的切片厚度相對于系統(tǒng)的一個移動軸對投影數(shù)據(jù)再采樣，以產(chǎn)生再采樣投影數(shù)據(jù)；以及重建再采樣投影數(shù)據(jù)以產(chǎn)生物體圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的過采樣包括用一個等高探測器陣對投影數(shù)據(jù)過采樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的過采樣包括用一個非等高探測器陣列對投影數(shù)據(jù)過采樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中的探測器行包括至少一個中央行和一些外部行，這些外部的行高隨著這些行距至少一個中央行的距離的增大而逐漸增大。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中外部行行高的逐漸增大是按至少一個中央行的行高的整數(shù)倍逐漸增大的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中外部行行高的逐漸增大是相對于至少一個中央行的行高漸進(jìn)地增大的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的再采樣包括識別每個切片沿移動軸的兩個邊界以及對由兩邊界之間的探測行所探測到的數(shù)據(jù)值求和。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，它還包括識別包含邊界的邊界探測器行，以及根據(jù)邊界在移動軸上相對于探測器行的位置對由邊界探測器行所采集的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的切片相對于移動軸傾斜了一個傾斜角。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的再采樣還包括累積所有行的投影數(shù)據(jù)以及基于累積的數(shù)據(jù)值進(jìn)行再采樣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中的累積進(jìn)一步包括根據(jù)切片與探測器行的交集對第一和第二邊界沿系統(tǒng)移動軸的位置值插值；以及通過第一和第二邊界位置值的相減來確定再采樣投影數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中的再采樣包括選擇準(zhǔn)備以預(yù)定間距再采樣和重建的多個切片相對于各探測器行的位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中的預(yù)定間距選擇為等于預(yù)定的切片厚度，使得各重建的切片是互相鄰接的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中的預(yù)定間距被選擇為小于預(yù)定的切片厚度，使得各重建的切片發(fā)生重疊。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中的預(yù)定間距被選擇為大于預(yù)定的切片厚度，使得各重建的切片是互相分開的。
16.一種用于計算層析掃描器的探測器陣列，該掃描器包括一個能量源和上述探測器陣列，用于以多個相繼切片的形式重建一個物體的圖像，上述探測器陣列包括一個探測器單元陣列，這些探測器單元沿著一個旋轉(zhuǎn)軸方向排列成一些縱向的列，沿著一個垂直于上述縱向軸的橫向軸方向排列成一些橫向的行，上述陣列的較外部的行的高度相對于較內(nèi)部的行的高度是漸進(jìn)地增大的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的探測器陣列，其中最小的探測器行高小于被重建切片的預(yù)定厚度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的探測器陣列，其中的探測器行位在一個基本垂直于系統(tǒng)縱軸的弧形上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的探測器陣列，其中的弧形是一個中心位于能量源處的半圓。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的探測器陣列，其中的探測器列基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸。
21.一種用于以一系列相繼的具有預(yù)定厚度的切片的形式重建一個物體圖像的螺旋計算層析掃描器，它包括一個能產(chǎn)生一個錐形輻射束的源；一個按一些行和一些列排列的二維探測器陣列，該陣列的至少一些探測器行的高度小于切片厚度，錐形束在通過被輻照的物體后入射到探測器陣列上，產(chǎn)生過采樣的投影數(shù)據(jù)；以及一個處理器，用于根據(jù)預(yù)定的切片厚度相對于系統(tǒng)的一個移動軸對過采樣的投影數(shù)據(jù)再采樣以產(chǎn)生再采樣的投影數(shù)據(jù)，還用于對再采樣的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建以產(chǎn)生物體圖像。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的螺旋計算層析掃描器，其中的探測器陣列含有一些等高度的行。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的螺旋計算層析掃描器，其中的探測陣列至少含有兩個不等高的行。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的螺旋計算層析掃描器，其中的探測器行包括至少一個中央行和一些外部行，這些外部行的行高隨著這些行距至少一個中央行的距離增大而逐漸增大。
全文摘要
過采樣探測器陣列利用多個探測器行,每行行高都小于待重建切片的希望厚度。過采樣采集的投影數(shù)據(jù)被再采樣。切片輪廓增強(qiáng)投影數(shù)據(jù)更為一致,圖像分辨率改善和重建缺陷減少。探測器陣列有行高相等的行,也有不同行高的行,行高等于或小于切片厚度的行采集的數(shù)據(jù)用于重建。外部行探測器高度相對于內(nèi)部行逐漸增大。也可先把各相繼行數(shù)據(jù)累積起來。后計算切片沿移動軸方向的邊界間累積數(shù)據(jù)的差值,作為再采樣數(shù)據(jù)。
文檔編號A61B6/03GK1286070SQ0012350
公開日2001年3月7日 申請日期2000年8月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月16日
發(fā)明者賴景明 申請人:模擬技術(shù)公司