專利名稱：數(shù)字層析x射線照相組合中的通用濾波反投影重構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及一種數(shù)字成像技術(shù)，特別地，涉及使用層析X射線照相組合裝置重構(gòu)三維圖像(3D)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
眾所周知，在醫(yī)學(xué)界，乳腺癌是女性死亡的一個主導(dǎo)原因(并且從較低程度而言它同樣影響男性)。然而，如果能較早發(fā)現(xiàn)異常，并加以適當(dāng)?shù)尼t(yī)療關(guān)注，死亡和/或嚴(yán)重誤診的危險就能大大地降低?，F(xiàn)在，有許多正在發(fā)展中的裝置和技術(shù)(比如乳房造影術(shù))，它們相對于傳統(tǒng)裝置能更早地探測到乳腺的異常，并且具有更高的準(zhǔn)確度。下面就是一些現(xiàn)有裝置、技術(shù)以及它們的不足之處的簡要描述。
目前，絕大部分的乳房造影裝置采用傳統(tǒng)的X射線技術(shù)。將病人的乳房置于X射線機(jī)器中，機(jī)器發(fā)射出X射線通過乳房并且在膠片上產(chǎn)生相應(yīng)的X射線圖像。然后專業(yè)的醫(yī)師對膠片進(jìn)行分析，以檢測是否存在如塊狀物、囊腫、微小鈣化物、纖維狀發(fā)現(xiàn)物、組織畸變這樣一些異?，F(xiàn)象和/或其它一些關(guān)于良性或惡性異常現(xiàn)象的異常發(fā)現(xiàn)物。在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字乳房造影術(shù)中，通過數(shù)字探測器得到X射線圖像(或者說投影射線照片)，并且可以對得到的數(shù)字圖像進(jìn)行處理以提高圖像中結(jié)構(gòu)的可視性，從而為醫(yī)師提供可能更加有用的圖像。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，存在著許多問題。
標(biāo)準(zhǔn)的乳房造影技術(shù)(包括以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字和膠片為基礎(chǔ)的技術(shù))的二維特性會導(dǎo)致疊加(例如重合)問題。在投影圖像中，當(dāng)多個結(jié)構(gòu)在同一位置重合時，就會產(chǎn)生疊加問題。重合的正常(比如非惡性的)組織可能最終在形狀上結(jié)合到一起使得看起來象異常物，從而導(dǎo)致異常物判斷中的“錯誤肯定”。目前，錯誤肯定的幾率是相當(dāng)高的大約70％到90％所進(jìn)行的解剖都是正常的。相反地，真正的異常物也許會疊加于將異常物“隱藏”于密集組織中的密集組織區(qū)域之上，從而導(dǎo)致異常物的“錯誤否定”。因此在標(biāo)準(zhǔn)的二維成像中(比如投影射線照片)，乳房中的結(jié)構(gòu)也許會彼此重疊，這樣乳房中的正常結(jié)構(gòu)就會“干涉到”對在成像的物體中處于不同高度(這與投影的方向有關(guān))的有關(guān)(比如可能惡性的)結(jié)構(gòu)的清晰判斷。
許多乳房造影技術(shù)的另一個問題是關(guān)于對比度問題。與它真實(shí)的三維對比度比較起來，乳房中的細(xì)小結(jié)構(gòu)在投影圖像中具有相對低的對比度。例如，在6cm厚度的乳房的投影圖像中，一個2cm厚度的結(jié)構(gòu)僅僅具有它真實(shí)對比度的三分之一；一個1cm厚度的結(jié)構(gòu)僅僅具有它真實(shí)對比度的六分之一，等等。因此，圖像中的對比度沒有正確地代表結(jié)構(gòu)的真實(shí)對比度。
為了克服二維技術(shù)的缺陷，一些技術(shù)利用對病人乳房多個投影X射線照片來獲取乳房組織的三維圖像。然后，專業(yè)醫(yī)師檢查三維圖像以診斷乳房異常。在這些三維技術(shù)中，從不同的投射角度放射掃描要被成像的乳房。穿過乳房的射線用來產(chǎn)生多個投影射線照片或者說乳房的“二維視圖”。然后利用傳統(tǒng)的或新發(fā)展的算法從這些視圖中產(chǎn)生乳房的三維(3D)圖像。通常，重構(gòu)的三維圖像由一組二維圖像，或者說“切片”組成，這些切片與探測器平面大體平行。用在這里的“圖像切片”是代表在探測器上固定高度的被成像物體(例如乳房組織)中的結(jié)構(gòu)的單個圖切片。代表物體三維圖像的信息的其它方法也是可能的，這對于閱讀過本發(fā)明本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的。一項從多個投影射線照片中產(chǎn)生三維圖像的技術(shù)被稱作簡單反投影技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的三維圖像重構(gòu)技術(shù)(比如那些涉及簡單反投影的技術(shù))同樣具有不足之處。
特別是，被成像物體中的高對比度結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致嚴(yán)重的贗像，從而極大地降低了重構(gòu)圖像的質(zhì)量和診斷價值。這些贗像是由于這樣的事實(shí)造成的通常，被成像物體的結(jié)構(gòu)的圖像信息不僅參與在重構(gòu)的三維圖像中該結(jié)構(gòu)的相應(yīng)真實(shí)位置處的重構(gòu)，而且會參與到其它位置的重構(gòu)。相應(yīng)的贗像被稱為平面外贗像或者說條紋贗像。然而傳統(tǒng)的三維重構(gòu)技術(shù)沒有充分地消除或減小贗像的發(fā)生。
在數(shù)字層析X射線照相組合技術(shù)中，例如，一種稱之為“簡單反投影”或“轉(zhuǎn)換和增加算法(shift and add algorithm)”的反投影技術(shù)由于其簡單易行并且需要的運(yùn)算量最小而經(jīng)常用于重構(gòu)各種圖像(比如三維圖像)。然而，這種轉(zhuǎn)換和增加算法會導(dǎo)致重構(gòu)贗像。實(shí)際上，在通過物體的重構(gòu)水平切片中，高對比度的平面外結(jié)構(gòu)易于顯現(xiàn)為數(shù)個相對較低對比度的復(fù)制物。另外，前面所描述的細(xì)小結(jié)構(gòu)的對比度損失在簡單反投影重構(gòu)技術(shù)中也沒有得到恢復(fù)。因此，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和增加算法在這個領(lǐng)域的應(yīng)用中存在著相當(dāng)大的問題。
另一種在層析X射線照相組合中使用的重構(gòu)方法被稱作代數(shù)重構(gòu)技術(shù)(ART)。ART與轉(zhuǎn)換和增加算法相比，能產(chǎn)生更高質(zhì)量的重構(gòu)，但是，其運(yùn)算量要比別的技術(shù)(比如轉(zhuǎn)換和增加算法)大得多。這種高的運(yùn)算成本以及在醫(yī)師能得到最終的乳房三維圖像以前的相關(guān)延遲阻止了該技術(shù)在臨床醫(yī)療中的使用。
另外一種用在計算機(jī)化斷層顯像(CT)成像(比如濾波反投影)中的重構(gòu)技術(shù)采用的是覆蓋全角度范圍(比如獲得圍繞被成像物體的全360°圖像)的投影以及投影間的細(xì)微角間距。在這個范圍內(nèi)，濾波反投影是一種重構(gòu)質(zhì)量高、贗像少的重構(gòu)方法。不幸的是，獲取全360°的圖像對于包括乳房成像在內(nèi)的許多應(yīng)用來說是不可行的，因其設(shè)計上的考慮限制了其圍繞乳房的全方位旋轉(zhuǎn)。
因此，就需要存在這樣一種從多個二維視圖來重構(gòu)物體三維(3D)圖像(或其它，但是不同的重構(gòu)維圖像，例如斷面圖像)的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于減少或消除上述的一個或多個問題，以及在現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的其它一些問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種從物體的多個二維(2D)圖像重構(gòu)物體的三維(3D)圖像的方法，包括以下步驟過濾物體的多個二維圖像，以及將過濾的二維圖像基于順序統(tǒng)計反投影為物體的三維圖像。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種程序產(chǎn)品，用于使層析X射線照相組合裝置執(zhí)行以下步驟獲取被成像物體的多個二維圖像，過濾獲得的二維圖像，以及將過濾的二維圖像基于順序統(tǒng)計反投影為物體的三維圖像。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種補(bǔ)償二維圖像被分析物體的厚度的方法，該圖像包括對應(yīng)于穿過所述物體的射線的像素和對應(yīng)于沒有穿過所述物體的射線的像素，該方法包括以下步驟確定邊界曲線，邊界曲線是將對應(yīng)于穿過所述物體的射線的像素從對應(yīng)于沒有穿過所述物體的射線的像素分開的曲線，計算從每一個對應(yīng)于穿過所述物體的射線的像素到邊界曲線的距離，計算對應(yīng)于到所述邊界曲線的距離的平均像素圖像值，以及校正所述對應(yīng)于穿過所述物體的射線的像素處的圖像值，從而使對應(yīng)于到所述邊界曲線的距離的平均像素圖像值基本恒定。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種用于從物體的多個二維(2D)圖像重構(gòu)物體的三維(3D)圖像的成像裝置包括用于發(fā)射穿過被成像物體的射線的放射源，該放射源可調(diào)整的位于一投射角，其中多個二維圖像中的每一幅都對應(yīng)一給定的放射源位置；置于探測穿過被成像物體的射線位置的探測器，探測器產(chǎn)生代表物體圖像的信號；以及與探測器電連接用于分析信號的處理器。處理器通過程序執(zhí)行過濾多個二維圖像，以及將過濾的二維圖像基于順序統(tǒng)計反投影為物體的三維圖像的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種從不同角度獲得的組織的多個投影射線照片來重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括以下步驟從不同角度數(shù)字化獲取多個投影射線照片，將每一幅數(shù)字化獲取的投影射線照片分割成為對應(yīng)于穿過所述物體的射線的像素和對應(yīng)于沒有穿過所述物體的射線的像素，補(bǔ)償分割像素的圖像值的組織厚度，過濾補(bǔ)償?shù)南袼匾愿纳仆队吧渚€照片中的結(jié)構(gòu)，以及將過濾的圖像基于順序統(tǒng)計反投影為代表組織的三維圖像。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種從物體多個二維(2D)圖像構(gòu)造物體三維(3D)圖像的方法，包括以下步驟二維過濾物體的多個二維(2D)圖像，以及將過濾的二維圖像簡單反投影為物體的三維圖像。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的層析X射線照相組合裝置的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例從物體的多個二維圖像重構(gòu)物體三維圖像的方法的流程圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例獲取物體的多個二維圖像的方法的流程圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例補(bǔ)償從物體圖像分析的物體厚度的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將對本發(fā)明優(yōu)選地實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。在整個這些附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表著相同或類似的部分。
將根據(jù)乳房成像和乳腺癌探測的裝置和方法來描述本發(fā)明。然而，應(yīng)當(dāng)明了，本發(fā)明的教導(dǎo)同樣也可用于其它領(lǐng)域，比如胸部和肺部拍照、矯形拍照以及其它醫(yī)學(xué)和非醫(yī)學(xué)的應(yīng)用(比如非破壞性評測)。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的層析X射線照相組合裝置。用于發(fā)射出X射線的放射源110以一定角度可移動地通過多個發(fā)射位置A、B、C，這些位置相應(yīng)于組織120的許多圖像。雖然圖1中只是示出了三個發(fā)射位置，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到可以使用三個、或者更多、或者更少的發(fā)射位置，這仍然落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。放射源110可以一定角度移動從而可以從不同的投射角度獲得乳房的射線照片。這可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)，例如優(yōu)選地在乳房組織上方15cm處以一定角度繞軸點(diǎn)150移動放射源110。放射源110可通過投射角φ以一定角度移動，該投射角優(yōu)選地小于±180°。優(yōu)選地，φ在大約小于±45°的范圍內(nèi)，并且最優(yōu)選地大約小于±30°。更加優(yōu)選地，至少使用11個發(fā)射位置，并且以相同的角間距隔開。在圖1的系統(tǒng)構(gòu)造中，投射角φ通常比“機(jī)架角”θ小得多。投射角φ實(shí)質(zhì)上是參照某個“零度”角，由穿過物體“中心”處的射線束的角度來給出的。不同于計算機(jī)化斷層顯像(CT)中的掃描，放射源110優(yōu)選地不可以以一定角度圍繞著乳房組織120全方位移動。
探測器130置于基本對著放射源110的位置，根據(jù)被成像物體120來探測發(fā)射穿過組織120的射線，探測器產(chǎn)生代表著組織120圖像的信號。優(yōu)選地，探測器130位于軸點(diǎn)150下大約少于25cm(最優(yōu)選地大約22.4cm)的位置。將信號傳輸?shù)桨杏糜诜治鰣D像(以及重構(gòu)圖像片140)的處理器的計算機(jī)160。優(yōu)選地，計算機(jī)是包含有放射源110和探測器130的層析X射線照相組合裝置的一部分?？商鎿Q的，該信號可被存儲于存儲器介質(zhì)中或傳輸?shù)街行挠嬎銠C(jī)系統(tǒng)中，隨后再由計算機(jī)160進(jìn)行分析。例如可這樣配置，移動式的層析X射線照相組合系統(tǒng)從遠(yuǎn)處獲取病人的乳房數(shù)據(jù)，隨后再在實(shí)驗室中對其進(jìn)行分析。
其它的層析X射線照相組合系統(tǒng)構(gòu)造也同樣是可以的，這對于閱讀過本發(fā)明的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是顯而易見的。一個這樣的系統(tǒng)也可以使用可沿軌道移動的放射源而不是旋轉(zhuǎn)機(jī)架，優(yōu)選地放射源到探測器的距離在大約100cm到大約180cm的范圍內(nèi)。前述的構(gòu)造只是用于描述說明而不是對本申請的范圍進(jìn)行限制。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例從物體(比如乳房組織)的多個二維圖像重構(gòu)物體的三維圖像的方法的流程圖。在步驟210中，獲取物體的多個二維圖像。步驟210可這樣實(shí)施，例如使用許多提供可制成(或轉(zhuǎn)換成)數(shù)字形式的圖像的技術(shù)(比如使用數(shù)字探測器)中的任一種。如圖3所示，步驟210優(yōu)選地包括以下步驟(對應(yīng)于步驟310中多個二維圖像中的一個)調(diào)整放射源的投射角到準(zhǔn)確的預(yù)定位置，在步驟312中利用放射源輻射掃描物體，以及在步驟314中探測射線。
優(yōu)選地，獲得的物體的多個二維圖像在步驟220中得以處理以執(zhí)行對獲取的多個圖像的圖像校正。預(yù)處理過程可包括以下校正中的一個或多個對幾何因素的校正，比如到X射線管的距離和到達(dá)探測器的X射線的入射角的校正；對其它系統(tǒng)因素的校正，比如增益和偏差校正；采取圖像的負(fù)對數(shù)對通過組織的路徑長度的校正；以及其它一些對于閱讀過本發(fā)明的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的預(yù)處理方面。預(yù)處理還可包括對從一個圖像到另一個圖像改變探測器位置造成的因素的校正。優(yōu)選地，在預(yù)處理步驟220之后，對于假定的基礎(chǔ)恒定厚度，圖像中每一像素的圖像值代表著被成像物體沿對應(yīng)于該像素的射線的平均線性衰減值。
在步驟240中，通過使用類似于圖像值柱形分割，邊緣檢測，等高繪制等等之類的技術(shù)，物體的多個二維圖像中的每一幅都被分割(比如指定為每幅二維圖像中的每一個像素，無論它是僅包含“空氣”信息，還是包含組織信息)。步驟240還可以包括先前形狀信息(比如使用皮膚線的光滑度約束)的利用等等。優(yōu)選地，步驟240將每一幅圖分割成對應(yīng)于穿過物體的射線的像素和對應(yīng)于沒有穿過物體的射線的像素。術(shù)語“射線”指的是由X射線源的焦點(diǎn)和所考慮的像素之間的連線所代表的X射線束的給定部分。這個分割步驟240還可以提供邊界曲線(比如將對應(yīng)于穿過物體的射線的像素與對應(yīng)于沒有穿過物體的射線的像素分開的曲線)，該曲線可用于厚度補(bǔ)償步驟250中。其它的分割技術(shù)同樣也可以使用，這對于閱讀過本發(fā)明的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。
通過實(shí)施分割步驟240，沒有包含有用信息的像素(比如對應(yīng)于沒有穿過物體的射線的像素)就可以被賦予一個恒定的圖像值，優(yōu)選地等于對應(yīng)于穿過物體的射線的像素的平均圖像值。發(fā)明者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這可以改善重構(gòu)的物體的三維圖像中的結(jié)構(gòu)形狀，并且可以減少贗像。因此，重構(gòu)的總體性能可以極大的提高。如以下將要描述的，分割步驟240當(dāng)與厚度補(bǔ)償步驟250一起使用時，可以特別有效的發(fā)揮作用。
在步驟250中，對已分割的物體二維圖像的物體厚度進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)的厚度補(bǔ)償技術(shù)可用于步驟250。而在一個優(yōu)選地實(shí)施例中，步驟250包括如圖4中示出的步驟442、444、446和448。特別的，步驟250優(yōu)選地在步驟442中確定邊界曲線，邊界曲線是將對應(yīng)于穿過物體的射線的像素與對應(yīng)于沒有穿過物體的射線的像素分開來的曲線。然后在步驟444中計算每個對應(yīng)于穿過物體的射線的像素到邊界曲線的距離。進(jìn)一步的，在步驟446中計算對應(yīng)于到邊界曲線的距離的平均圖像值。最后，步驟448調(diào)整(通過加上一個偏移值)在對應(yīng)于穿過物體的射線的像素處的圖像值，從而對應(yīng)于到邊界曲線的距離的平均圖像灰度值基本為常數(shù)。發(fā)明者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種特別的厚度補(bǔ)償技術(shù)有效地減少了由于被成像物體靠近邊界處的厚度減少而造成重構(gòu)贗像。不同于其它的厚度補(bǔ)償技術(shù)，它還保存了圖像中對應(yīng)于非厚度減少引起的組織特征變化的大致尺度。
發(fā)明者們還發(fā)現(xiàn)厚度補(bǔ)償步驟250允許在反投影的二維圖像中對不同的圖像值的“公平補(bǔ)償”，在這個意義上反投影步驟270優(yōu)選地使用順序統(tǒng)計算子，并且由此對不同投影圖像的不同圖像值進(jìn)行“比較”。由相應(yīng)位置的厚度減少引起在一個(或多個)值的偏移量會對得到的重構(gòu)三維圖像產(chǎn)生負(fù)面的影響。這個影響可以通過首先應(yīng)用厚度校正步驟250來最小化。因此，厚度校正步驟250具有超過傳統(tǒng)技術(shù)的實(shí)質(zhì)優(yōu)點(diǎn)。
然后在步驟260中過濾所述多個二維圖像。過濾步驟260可以優(yōu)選地以一維(1D)或二維過濾方式實(shí)施。在一維過濾中，可以從CT幾何條件(比如全360°的獲取，探測器相對于射線管旋轉(zhuǎn)，以致在所有的圖中入射的X射線與探測器表面大體垂直)到層析X射線照相組合幾何條件(比如少于360°的獲取，并且入射到探測器上的X射線的角度從一幅圖到另一幅圖變化)中來設(shè)計合適的濾波器。理想地，所設(shè)計的濾波器是轉(zhuǎn)換變量，但是對于重構(gòu)體積的圖像質(zhì)量的影響通常是可以忽略的。于是，就可以使用“傳統(tǒng)的”濾波器的“設(shè)計”版本，也可以使用其它一些根據(jù)某些重構(gòu)圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了理想優(yōu)化的一維濾波器。依賴于特定的獲取幾何條件，對每一幅圖像使用不同的濾波器是有益的。然而發(fā)明者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一維濾波器難以有效改善那些基本與過濾方向平行的結(jié)構(gòu)。因此優(yōu)選使用二維過濾。
發(fā)明者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于那些特征尺寸比乳房的壓縮厚度小的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)(在成像的體積中)的對比度實(shí)際上高于在傳統(tǒng)投影圖像中它的表觀對比度。這種“對比度損失”隨成像結(jié)構(gòu)的尺寸減小而顯著增加。通過估測期望的結(jié)構(gòu)厚度與該結(jié)構(gòu)在x/y中的長度(即在與探測器基本平行的平面中的長度)大致相同，可以由此設(shè)計一個二維濾波器，它通過因子T/C提高具有特征尺寸C的結(jié)構(gòu)的對比度，在這里c是結(jié)構(gòu)的尺寸，而T是被成像乳房的厚度。
因此優(yōu)選地，步驟260加強(qiáng)二維圖像中具有特定預(yù)定尺寸的結(jié)構(gòu)(比如加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的對比度)。進(jìn)一步的，步驟260還優(yōu)選地不加強(qiáng)那些特征尺寸小于最小特征尺寸超過某個預(yù)定量的結(jié)構(gòu)。這個最大加強(qiáng)量可有利于避免增加圖像中的噪聲。在優(yōu)選地實(shí)施例中，步驟260加強(qiáng)尺寸位于幾個不同的尺寸范圍中一個范圍內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)該結(jié)構(gòu)所落入的特定尺寸范圍以不同的量進(jìn)行加強(qiáng)。這樣，為了說明的目的，假定以下各條件(1)組織厚度為6cm；(2)特征尺寸為3cm的結(jié)構(gòu)；(3)特征尺寸為1cm的結(jié)構(gòu)；(4)特征尺寸為1mm的結(jié)構(gòu)。并且，假定在這里使用通用換算(multiscale)濾波處理(1)特征尺寸在1cm以下的結(jié)構(gòu)由因子6加強(qiáng)；(2)特征尺寸在1cm到6cm之間的結(jié)構(gòu)由t/c加強(qiáng)，這里t是乳房的厚度，c是結(jié)構(gòu)的特征尺寸；以及(3)特征尺寸大于6cm的結(jié)構(gòu)不予加強(qiáng)(即由因子1加強(qiáng))。這樣特征尺寸為3cm的結(jié)構(gòu)將由6.0/3.0或者2.0加強(qiáng)。相似的，特征尺寸為1cm的結(jié)構(gòu)將由6.0/1.0或者6.0加強(qiáng)。最后，特征尺寸為1mm的結(jié)構(gòu)將由6.0加強(qiáng)。其它的范圍/加強(qiáng)因子同樣也是可以的，這對于閱讀過本發(fā)明的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。
發(fā)明者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)上述對不同的特征尺寸范圍采取不同的加強(qiáng)量的加強(qiáng)方法極大的提高了重構(gòu)的圖像的對比度和可讀性。發(fā)明者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)微小尺寸結(jié)構(gòu)(比如在前面例子中小于等于6cm的范圍)的對比度被大大提高以及大尺寸結(jié)構(gòu)(比如在前面例子中大于6cm的范圍)提高較少的地方可以得到高質(zhì)量、高對比度、贗像更少、再投影一致性高的重構(gòu)圖像。除去小結(jié)構(gòu)(比如0加強(qiáng))通常是不可取的，特別是在乳房造影術(shù)中，在這里，即使是尺寸小于一個單個像素的微小鈣化物也可能是重要的。因此，濾波反投影射線照片質(zhì)量得到提高在于與傳統(tǒng)的反投影射線照片相比，它們的被成像結(jié)構(gòu)具有更真實(shí)的對比度等級。
使用稍稍不同的濾波器來過濾不同的二維圖像是有益的，為此在這里濾波器與該圖像的特定獲取幾何尺寸相匹配。另外，濾波器可與獲取多個二維圖像的綜合幾何尺寸相匹配。例如如果放射源沿著基本線性的軌道移動，這樣是有用的。這將導(dǎo)致這樣的結(jié)果例如，位于與探測器平行的平面上沿與放射源掃描的方向平行的方向定向的細(xì)長結(jié)構(gòu)在重構(gòu)中所得到的改善與位于同一平面中但是沿與放射源掃描方向垂直的方向定向的結(jié)構(gòu)是不同的。因此，濾波器可適用于消解重構(gòu)處理中的這種特別之處。在別的應(yīng)用中，它同樣是有益處的，比如依據(jù)某個最多個僅加強(qiáng)一些具有特征尺寸的結(jié)構(gòu)，而不加強(qiáng)具有任何其它特征尺寸的結(jié)構(gòu)。
對閱讀過本發(fā)明的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見，特別的濾波器設(shè)計可由多種不同的技術(shù)來完成。所使用的這種特定的濾波器可以在頻率范圍(比如頻率可與相應(yīng)結(jié)構(gòu)的典型特征尺寸相關(guān)聯(lián))或者在空間范圍(比如具有高斯核的卷積可解釋為用以保存大于特征尺寸的結(jié)構(gòu)，以及因此可以使用高斯核來設(shè)計從圖像提取具有給定尺寸的結(jié)構(gòu)的濾波器-其它的積分核同樣也可以使用)中設(shè)計出來。在頻率范圍和空間范圍的設(shè)計中，濾波器優(yōu)選地設(shè)計成線性濾波器(或多個線性濾波器的結(jié)合)，其輸出可得到改善的圖像。然而，也可以可替換的使用形態(tài)濾波器，通用換算技術(shù)(比如子波分解或拉普拉斯金字塔等等)以及其它技術(shù)來獲得改善的反投影X射線照片。所選擇的特別技術(shù)將由特別的應(yīng)用需要以及被成像物體的典型結(jié)構(gòu)特征來決定。
發(fā)明者們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在步驟230中對已過濾的二維圖像使用約束是有利的，這樣僅“物理上允許”的圖像值被保留以作進(jìn)一步分析。例如，負(fù)值(沒有對應(yīng)實(shí)物)可被設(shè)置為零，或者可以知曉被成像物體材料的最大衰減值，這有助于推導(dǎo)出最大有意義的值，并且因而圖像可被截取至最大有意義值。由于僅物理上允許的圖像值被保留，因而約束的應(yīng)用改善了重構(gòu)方法中噪聲和贗像的缺陷。
然后在步驟270中將已過濾的物體的多個二維圖像反投影成為代表著物體的三維圖像。優(yōu)選地，步驟270使用如下描述的基于順序統(tǒng)計的反投影技術(shù)。
盡管基于順序統(tǒng)計的反投影在許多方面與簡單的反投影重構(gòu)有顯著的不同，但與簡單的反投影重構(gòu)仍有一些相似之處。具體地，在基于順序統(tǒng)計的反投影中，用于結(jié)合在重構(gòu)體積中任意給定位置的各個反投影圖像值的平均算子由順序統(tǒng)計算子所替代。因此不是簡單的將在重構(gòu)體積中各個所考慮點(diǎn)的反投影像素圖像值進(jìn)行平均，順序統(tǒng)計算子是以逐個體元為基礎(chǔ)來應(yīng)用的。
依賴于這樣一個特定的體系，可使用不同的順序統(tǒng)計算子(比如最大，最小，中間等等)，但是在乳房成像中，優(yōu)選使用對除去了某些最大值和最小值的所有值進(jìn)行平均的算子。更加優(yōu)選地，可使用計算已分類的值的加權(quán)平均數(shù)的算子，在這里加權(quán)依賴于反投影圖像值的分級。特別地，對應(yīng)于某些最大和最小值的權(quán)可設(shè)為零。通過使用前述的用于乳房成像的算子，條紋贗像(通常由高對比度結(jié)構(gòu)-最大值，或者因過濾某些高對比度結(jié)構(gòu)引起的“過調(diào)”-最小值所造成的)得到最小化，同時線性平均算子的某些消除噪聲的特性也可得到保持。
反投影步驟270通過已經(jīng)在步驟240中分割的反投影數(shù)據(jù)而得到進(jìn)一步的改善。例如，如果至少一單個反投影圖像值代表著“外部”位置(即在圖像中相應(yīng)的像素被確認(rèn)為沒有對應(yīng)著穿過背成像物體的射線)，則可以使用分割結(jié)果來設(shè)置重構(gòu)值為零(或某些其它合適的值)。除此之外，如果重構(gòu)體積中的某個體元沒有包含于所有的投影射線相片中(比如因為對于某個投射角，相應(yīng)點(diǎn)沒有被投影到探測器上的有效區(qū)域)，于是僅包含有該體元的投影射線相片在重構(gòu)中被采集。在一種可替換的方法中，可以人為通過給圖像的邊界增加區(qū)域以及將這些區(qū)域中的圖像值設(shè)為“背景值”來增加圖像的尺寸。這兩種方法都有助于將由例如探測器的邊界效應(yīng)引起的贗像最小化。
可以在重構(gòu)以后設(shè)置一個對重構(gòu)的數(shù)據(jù)組/三維圖像應(yīng)用約束的附加步驟。約束的應(yīng)用可以包括將負(fù)值設(shè)為零，將高值截取到成像物體類型的最大值等等。這個本身特別有用的可選擇的步驟，與迭代更新步驟280一起結(jié)合使用時尤其有用，該迭代更新步驟280將在下面詳細(xì)描述。
如果需要，步驟280可用于迭代更新代表著物體的重構(gòu)三維圖像。步驟280可包括對重構(gòu)的物體三維圖像的重投影、將重構(gòu)的三維圖像與所獲取的圖像進(jìn)行比較、以及更新重構(gòu)的物體三維圖像。步驟280可優(yōu)先于輸出重構(gòu)的物體三維圖像的步驟290執(zhí)行，或者可以在更新的輸出三維圖像之前的間隙執(zhí)行。其它的實(shí)施方法的變化也是可以的，這對于閱讀過本發(fā)明的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是顯而易見。
發(fā)明者們已經(jīng)在實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)，使用濾波反投影技術(shù)的圖像質(zhì)量與簡單反投影和Art這兩種技術(shù)相比有顯著的提高。一般而言，圖像對比度的提高和噪聲的減少可確實(shí)地為醫(yī)師或cad系統(tǒng)的分析提供更好的圖像。
應(yīng)當(dāng)注意到，盡管這里所給處的流程圖示出了方法步驟的特定順序，但是應(yīng)當(dāng)明了這些步驟的順序和所描述的可以有所不同，并且全部所述方法步驟或所述方法步驟的分組都可以在實(shí)踐中使用。另外，兩個或更多的步驟可同步執(zhí)行或者部分同步執(zhí)行。這種變化依賴于對于軟件和硬件系統(tǒng)的選擇，而這通常被認(rèn)為是設(shè)計者選擇的事情。應(yīng)當(dāng)明了，所有的這種變化都落入到本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
前面對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的描述只是為了圖解和描述的目的。它不是對本發(fā)明的窮舉或者說不是將本發(fā)明限制于所披露的具體的實(shí)施形式，并且依據(jù)上述的教導(dǎo)可能會有多種修改和變化，或者說可從本發(fā)明的實(shí)施中可以得到多種修改和變化。選擇和描述這些實(shí)施例是為了說明本發(fā)明的原理和它的實(shí)際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以以各種實(shí)施例形式和各種與期望的特殊使用相適應(yīng)的修改來利用本發(fā)明。本發(fā)明的范圍由其所附的權(quán)利要求以及它們的等價描述所限定。
權(quán)利要求
1.一種從物體的多個二維(2D)圖像構(gòu)造物體的三維(3D)圖像的方法，包括以下步驟過濾物體的所述多個二維圖像(步驟260)；以及將所述過濾的二維圖像基于順序統(tǒng)計反投影為物體的三維圖像(步驟270)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括步驟獲取物體的所述多個二維圖像(步驟210)，其中過濾物體的所述多個二維圖像的步驟過濾所獲取的物體的多個二維圖像。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中獲取所述多個二維圖像的步驟包括調(diào)整放射源的投射角到預(yù)定位置(步驟310)，所述多個二維圖像中的一幅對應(yīng)于所述預(yù)定位置；利用所述放射源輻射所述物體(步驟312)；以及探測從所述物體發(fā)出的射線(步驟314)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括步驟在過濾物體的所述多個二維圖像之前，對物體的所述多個二維圖像進(jìn)行預(yù)處理(步驟220)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括步驟分割每一幅物體的所述多個二維圖像(步驟240)，其中每一幅二維圖像包括多個像素，并且其中的分割將每一幅圖像分割成為對應(yīng)于穿過所述物體的射線的像素和對應(yīng)于沒有穿過所述物體的射線的像素。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括步驟補(bǔ)償所述被分割的二維圖像的所述物體的厚度(步驟250)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中補(bǔ)償被分割的二維圖像的所述物體的厚度的步驟(步驟250)包括以下步驟確定邊界曲線，邊界曲線是將對應(yīng)于穿過所述物體的射線的像素從對應(yīng)于沒有穿過所述物體的射線的像素分開的曲線(步驟442)；計算從每一個對應(yīng)于穿過所述物體的射線的像素到所述邊界曲線的距離(步驟444)；計算對應(yīng)于到所述邊界曲線的距離的平均像素圖像值(步驟446)；以及校正所述對應(yīng)于穿過所述物體的射線的像素處的圖像值，從而使對應(yīng)于到所述邊界曲線的距離的平均像素圖像值基本恒定(步驟448)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物體具有厚度T，并且其中過濾物體的所述多個二維圖像的步驟包括步驟通過因子T/C加強(qiáng)所述二維圖像中具有特征尺寸C的結(jié)構(gòu)，C小于T。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中過濾物體的所述多個二維圖像的步驟(步驟260)包括步驟調(diào)整過濾所述二維圖像的濾波器到與探測器、放射源以及用于獲取圖像的物體相關(guān)的位置。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步的包括步驟對過濾的二維圖像應(yīng)用約束(步驟230)。
全文摘要
一種從物體的多個二維(2D)圖像來構(gòu)造物體的三維(3D)圖像的方法，包括過濾物體的多個2D圖像(步驟260)，以及將過濾的2D圖像基于順序統(tǒng)計反投影為3D圖像(步驟270)。
文檔編號A61B6/00GK1516854SQ03800439
公開日2004年7月28日 申請日期2003年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月15日
發(fā)明者伯恩哈德·E·H·克勞斯, 杰弗里·W·埃伯哈德, W 埃伯哈德, 伯恩哈德 E H 克勞斯 申請人:通用電氣公司