專利名稱：采用螺旋掃描的計(jì)算機(jī)層析x射線照相法的制作方法
在計(jì)算機(jī)層析X射線照相法(CT)中，傳統(tǒng)的普遍采用的單層照相被螺旋-CT-技術(shù)的連續(xù)不斷的體積照相所代替。為了從所拍攝的體積重現(xiàn)一單張照片，有必要在移動(dòng)方向(Z-軸)采用能建立數(shù)據(jù)組的插入法。該數(shù)據(jù)組相當(dāng)于一個(gè)平面的單層照片。期間，建立了螺旋-CT，同時(shí)為進(jìn)一步改進(jìn)采用了各種不同的插入法。采用這種不同的內(nèi)插入法，以便來調(diào)節(jié)照片的體層靈敏度輪廓圖形和照片的噪聲特性。如果想盡量使外形形成細(xì)長(zhǎng)形，即在Z-方向盡量得到較高的局部分辨率，就必需使用所謂的180°-算法。這種方法的實(shí)施是通過權(quán)重方法來完成，以便盡可能地減少計(jì)算費(fèi)用。
在用這種方法獲得的照片組中，特別是在大的物體中常常顯示出噪聲圖形和物體的圖象清晰度不均勻的分布。對(duì)此，需要通過一張照片一張照片地循環(huán)調(diào)整來改變這種分布。這里所說的一次循環(huán)相當(dāng)于X射線管進(jìn)行360°-回轉(zhuǎn)時(shí)所移動(dòng)的距離。

圖1是根據(jù)想象繪出的。圖1示出與螺旋權(quán)重W(θ)有關(guān)的相對(duì)變化的曲線。這種不均勻的分布是一種干擾且能妨礙檢查人員的工作。當(dāng)對(duì)照片數(shù)據(jù)進(jìn)行閥值以上的三維顯示時(shí)，這種不均勻分布可能造成其它的人為現(xiàn)象。所產(chǎn)生的這種顯示結(jié)果在任何情況下與180°-的特殊算法具有很大區(qū)別。
本發(fā)明的目的在于為螺旋掃描的計(jì)算機(jī)層析X射線照相技術(shù)提供一種算法。這種算法可有效地降低噪聲與圖象清晰度分布的不均勻性，且在多數(shù)情況下可消除這種不均勻性。
本發(fā)明的解決方案是通過權(quán)利要求的特征來解決的。
下面根據(jù)圖中描繪的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說明，如圖所示圖1表示與螺旋權(quán)重W(θ)有關(guān)的相對(duì)變化的曲線。
圖2用于詳細(xì)說明本發(fā)明的計(jì)算機(jī)層析X射線照相。
圖3對(duì)圖2中計(jì)算機(jī)層析X射線照相進(jìn)行詳細(xì)說明的曲線。
圖2示出一發(fā)出扇形X射線束2的X射線源1，該扇形X射線束入射在一個(gè)向X射線源1的焦點(diǎn)彎曲的并由一排探測(cè)元件組成的射線探測(cè)器3上。在X射線源1和射線探測(cè)器3之間有一病人5和病床4。
為了掃描病人5的身體，將病床4按箭頭6方向以預(yù)定的速度調(diào)動(dòng)，同時(shí)測(cè)量元件1、3圍繞系統(tǒng)軸7按箭頭所示旋轉(zhuǎn)。在此，由射線探測(cè)器3的探測(cè)元件提供的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)8，該計(jì)算機(jī)從中計(jì)算病人5的照片并將其重新反應(yīng)在顯示器9上。這些照片就是經(jīng)掃描過的計(jì)算機(jī)層析X射線體層照片。將病床4沿箭頭6方向調(diào)動(dòng)，以便對(duì)病人5預(yù)定的體積進(jìn)行掃描的取代方法是，可在病床4不動(dòng)時(shí)沿箭頭10方向?qū)μ綔y(cè)元件1、3進(jìn)行調(diào)動(dòng)。
在進(jìn)行所示的計(jì)算機(jī)層析X射線體層照相時(shí)，通過采用互補(bǔ)的180°-螺旋內(nèi)插補(bǔ)法按照下式來產(chǎn)生平面數(shù)據(jù)組PZ(γ，θ)＝(1-W(θ))·Pz1(γ，θ)＋W(θ)·Pz2(γ，θ)(1)式中，PZ(γ，θ)-屬于位置Z的平面數(shù)據(jù)組的投影，探測(cè)角為γ，投影角為θ，W(θ)-為螺旋權(quán)重W(θ)＝(Z-Z1)/(0.5d)，d是每次螺旋循環(huán)的平臺(tái)的移動(dòng)，Z1＝平臺(tái)位置，此時(shí)平臺(tái)位置為P1(γ，θ)。
PZ1(γ，θ)-平臺(tái)位置的測(cè)量數(shù)據(jù)，在該平臺(tái)位置上，當(dāng)最后一次到平臺(tái)位置Z之前所占有的角度為θ或θ＋π。
PZ2(γ，θ)-相當(dāng)于180°互補(bǔ)數(shù)據(jù)。
用通常的折疊背面投影法，將所產(chǎn)生的平面數(shù)據(jù)組PZ(γ，θ)加工成照片。也可以在背面投影時(shí)通過螺旋數(shù)據(jù)組每次投影的權(quán)重進(jìn)行螺旋內(nèi)插補(bǔ)。這種近似的解決方案很容易實(shí)現(xiàn)，也就是說，在流水線運(yùn)行時(shí)，在現(xiàn)有的硬件上，在計(jì)算機(jī)8中使用流水線處理器(處理程序)。內(nèi)插補(bǔ)法與權(quán)重法均能導(dǎo)致照片中噪聲分布不均勻(即使物體完全對(duì)稱)，其中權(quán)重法產(chǎn)生了很大的不均勻性，且從照片質(zhì)量來看也有些缺點(diǎn)。按照式(1)的內(nèi)插法會(huì)導(dǎo)致噪聲的不均勻性，因?yàn)樵谕队癙Z中的噪聲水平取決于投影角度。對(duì)于PZ1(γ，θ)＝P1＋n1(ξ)PZ2(γ，θ)＝P2＋n2(ξ)(2)式中Pi-為投影i的測(cè)定部分，ni(ξ)-為隨機(jī)變量，它模擬σ20方差的量子噪聲。
這些描述了內(nèi)插補(bǔ)法投影的方差Var｛PZ(γ，θ)｝＝σ20(1-2W(θ)＋2W2(θ))(3)其中，Var｛·｝-為方差算符。
投影角度的函數(shù)的方差在圖1中示出。在式(3)與圖1中可直接看到噪聲水平有顯著變化，并在照片中的不均勻性很明顯。為了避免這種效果，建議在所有的內(nèi)插補(bǔ)的投影中采用平衡(補(bǔ)償)噪聲水平的方法。這種方法不僅能平衡(補(bǔ)償)方差而且還能補(bǔ)償整個(gè)功率頻譜，以保證照片中的噪聲分布均勻。假如，投影與噪聲為統(tǒng)計(jì)正交，則內(nèi)插補(bǔ)的投影的功率頻譜見下式S｛PZ(γ,θ)｝=S｛(1-W(θ))·(P1+n1(ξ))+W(θ)·(P2+n2(ξ))｝=S｛(1-W(θ))·P1+W(θ)·P2｝+(1-W(θ))2·S｛n1(ξ)｝+W2(θ)·S｛n2(ξ)｝ (4)式中S｛·｝-為功率頻譜算符，在式(4)中看到，只有當(dāng)信號(hào)與噪聲不重疊時(shí)整個(gè)功率頻譜補(bǔ)償才有可能。如果由于物理上的原因不是這種情況，則按照距離平方最小值原理，可進(jìn)行盡可能好的補(bǔ)償。參見式(4)，W＝0.5作為參考(基準(zhǔn))，即標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)也含有噪聲。這種最佳化提供了以下最佳維納氏(wiener)濾波器 其中，H(f，θ)-最佳維納氏濾波器的頻率特性，i，j-為互補(bǔ)投影的相應(yīng)指數(shù)，為了找到實(shí)用的解決方案，我們做了如下假定S｛P1｝＝S｛P2｝＝S｛Pi｝＝S｛Pj｝＝S0(6)即，投影的功率頻譜不在人們所需范圍的Z-方向進(jìn)行改變，為的是整理位置Z的照片，另外該噪聲是局部固定的，且得知方差為σ20，該方差允許寫成H(f,θ)= (S0+0.5σ02)/(S0+(1-2W(θ)+2W2(θ))·σ02) (7)
圖3中示出了式(7)中典型濾波器的有關(guān)曲線。人們需要該投影功率頻譜按式(7)進(jìn)行最佳濾波器的設(shè)計(jì)。對(duì)此，可用不同的方法來實(shí)現(xiàn)。由于假定噪聲是局部固定的，則必須是相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊及濾波器有較短的最佳長(zhǎng)度。這些對(duì)于功率頻譜的判斷方法來說是一個(gè)很復(fù)雜的限制。即使是采用相當(dāng)穩(wěn)定的參數(shù)方法，它也會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)。因?yàn)?，?duì)于短的數(shù)據(jù)段來說，投影的功率頻譜包含很低的部分，所以穩(wěn)定的并能實(shí)際應(yīng)用的公式(7)可以近似為H+(f,θ)=F0(f)· (0.5-2W(θ)+2W2(θ))/((1-2W(θ)+2W2(θ))) + 0.5/((1-2W(θ)+2W2(θ))) (8)對(duì)于函數(shù)F0，應(yīng)保證有一個(gè)好的近似值。另外，逆傅里葉變換的長(zhǎng)度(即濾波系數(shù)的數(shù)目)盡可能小。因?yàn)楹瘮?shù)F0與濾波長(zhǎng)度取決于掃描器參數(shù)和物體，所以在任何情況下必須分別實(shí)現(xiàn)最佳化。Blackman Fenster函數(shù)可以作為許多可能的形式之一，提供很好的具有較少濾波系數(shù)的結(jié)果。在這種情況下該濾波器用以下公式表達(dá)。
h(k,θ)= 0.5/((1-2W(θ)+2W2(θ))) + (0.5-2W(θ)+2W2(θ))/((1-2W(θ)+2W2(θ))) ·+0.5-2W(θ)+2W2(θ)(1-2W(θ)+2W2(θ))·Σ-N/2N/2fk]]>(9)fk-為窗值。
在BlackmanFenster時(shí)其長(zhǎng)度為Nfk=0.42-0.5·cos( (2π(k-(N-1)/2))/(N-1) )+0.08·cos( (4π(k-(N-1)/2)/(N-1) )(10)典型的濾波器長(zhǎng)度，系數(shù)為5-13，并提供好于10%的噪聲均勻性。式(8)與式(9)描述了一種低通濾波器，其性能由W(θ)來調(diào)制。例如W＝0.5就是說作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，該濾波器未影響到數(shù)據(jù);如W＝0或W＝1為效果最佳，所述方法的有效性與目前采用的權(quán)重法相比是很高的。
權(quán)利要求
1.螺旋掃描的計(jì)算機(jī)層析X射線照相法，在這種照相技術(shù)中按下式計(jì)算由互補(bǔ)數(shù)據(jù)插入的投影的功率頻譜S｛PZ(γ,θ)｝=S｛(1-W(θ))·(P1+n1(ξ))+W(θ)·(P2+n2(ξ))｝=S｛(1-W(θ))·P1+W(θ)·P2｝+(1-W(θ))2·S｛n1(ξ)｝+W2(θ)·S｛n2(ξ)｝
2.根據(jù)權(quán)利要求1的計(jì)算機(jī)層析X射線照相法，采用這種照相技術(shù)按簡(jiǎn)化了的下式計(jì)算所述最佳濾波器的頻譜特性，以便使噪聲分布均勻，H(f,θ)= (S0+0.5σ02)/(S0+(1-2W(θ)+2W2(θ))·σ02)其中，S{P1}＝S{P2}＝S{Pi}＝S{Pj}＝S0
3.根據(jù)權(quán)利要求2的計(jì)算機(jī)層析X射線照相法，采用這種照相技術(shù)使濾波器近似于下式的最佳濾波的值H＋(f，θ)，以便噪聲分布均勻，H+(f,θ)=F0(f) (0.5-2W(θ)+2W2(θ))/((1-2W(θ)+2W2(θ))) + 0.5/((1-2W(θ)+2W2(θ)))其中，通過補(bǔ)償函數(shù)F0來保證得到很好的近似值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種采用螺旋掃描的計(jì)算機(jī)層析X射線照相技術(shù)，采用這種技術(shù)可大大降低噪聲和局部分辨率的不均勻性。對(duì)于通過互補(bǔ)數(shù)據(jù)插入的投影來說最佳濾波器的頻率特性按上式計(jì)算。
文檔編號(hào)A61B6/03GK1113138SQ95103289
公開日1995年12月13日 申請(qǐng)日期1995年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月25日
發(fā)明者阿卡迪厄茲·波拉克因, 威利·卡蘭德爾 申請(qǐng)人:西門子公司