專利名稱：用于在掃描視場外的對象點的重建算法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及X射線成像領域。尤其，本發(fā)明涉及一種用于檢查感興趣對象的計算機斷層成像裝置、檢查感興趣對象的方法、圖像處理設備、計算機可讀介質和程序單元。

背景技術：
計算機斷層成像(CT)掃描儀具有確定的掃描視場(scan-fov)，該掃描視場由系統(tǒng)的扇形角度所定義。掃描視場定義為在整個掃描過程中被照射的區(qū)域、并且它的直徑通常是500mm的量級。掃描視場是在其中能夠實現(xiàn)準確的或優(yōu)良的近似重建的區(qū)域。然而，有時對象的有關部分在掃描視場之外。尤其，對于諸如PET/CT(正電子發(fā)射斷層成像/計算機斷層成像)或者SPECT/CT(單光子發(fā)射計算機斷層成像/計算機斷層成像)的組合系統(tǒng)，為了在隨后的發(fā)射掃描中慮及合理的衰減修正，必須通過重建提供在掃描視場外的估計衰減。
提供一種在掃描視場外的改善的重建是值得期望的。


發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個示范性實施例，可以提供一種用于檢查感興趣對象的計算機斷層成像裝置，該計算機斷層成像裝置包括重建單元，該重建單元適用于基于線性方程組重建在掃描視場外的對象點，其中，線性方程組只被定義用于在所述掃描視場外的對象點。
因此，根據(jù)本發(fā)明的這個示范性實施例，在不使用產生于該掃描視場之內的對象點的投影數(shù)據(jù)的情況下，通過求解該線性方程組可以恢復該未知的目標函數(shù)(object function)。求解該線性方程組可以被有效地執(zhí)行，這可以導致在掃描視場外的對象點的快速且仍然高質量的重建。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例，在掃描視場外的對象點位于三角形區(qū)域內，線性方程組被定義用于該三角形區(qū)域。
這個區(qū)域可以被掃描視場的切線完全覆蓋，并且可以相對小，從而使得可以基于和切線相關的信息進行那個三角形區(qū)域之內的對象點的高度精確的重建。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例，在沒有關于掃描視場之內的衰減信息的情況下進行在掃描視場外的對象點的重建。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例，在掃描視場外的對象點的重建為迭代重建。
因此，可以通過增加迭代重建步驟的數(shù)目來改善重建的準確度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例，重建單元還適用于應用顯式正則化技術用于恢復未知的目標函數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例，線性方程組基于微分線積分的反投影。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例，線性方程組可以基于PACK重建，并且可以由下式定義 其中

是從源位置λ1到λ2的微分數(shù)據(jù)的反投影加上在對象點位置

的兩個邊界條件(boundary term)的結果，并且其中，K*為圖像沿著線

的逆希爾伯特變換。
PACK重建在J.Pack，F(xiàn).Noo，and R.Clackdoyle，IEEE Trans.Med.Imag.24(1)，Jan 2005，pp.70-85中描述，由此通過參考將其引入。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例，計算機斷層成像裝置可以包括電磁輻射源，該電磁輻射源適用于沿著螺旋狀源路徑運動和發(fā)射電磁輻射源到感興趣對象。此外，CT裝置可以包括布置在電磁輻射源和檢測元件之間的準直儀，其中，該準直儀適用于校準由電磁輻射源發(fā)射的電磁輻射束來形成錐形束。
根據(jù)本發(fā)明的計算機斷層成像裝置可以應用為行李包檢查裝置、醫(yī)學應用裝置、材料測試裝置或者材料科學分析裝置。本發(fā)明的應用領域可以是行李包檢查，因為定義的功能允許安全和可靠的行李包項的內容分析，即使該內容在掃描視場之外。這可以允許在掃描視場外的可疑內容的檢測。
根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的這樣的裝置或者方法可以創(chuàng)建高質量自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動地識別某些類型的材料，并且，如果希望的話，當存在危險材料時觸發(fā)警報。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例，可以提供一種用計算機斷層成像裝置檢查感興趣對象的方法，該方法包括步驟基于線性方程組重建在掃描視場外的對象點。
這可以提供有效率且高度精確的在掃描視場外的對象點的重建。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例提供一種方法，在該方法中對象點位于掃描視場之外但位于三角形區(qū)域之內，線性方程組被定義用于該三角形區(qū)域。此外，進行在掃描視場外的對象點的重建而沒有重建在掃描視場之內的衰減，其中，該重建為迭代重建。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例，可以提供一種使用計算機斷層成像裝置檢查感興趣對象的圖像處理設備，該圖像處理設備包括用于存儲投影數(shù)據(jù)的存儲器和適用于執(zhí)行上述的方法步驟的重建單元。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個示范性實施例，可以提供一種計算機可讀介質，其中存儲有使用計算機斷層成像裝置檢查感興趣對象的計算機程序，當該計算機程序被處理器執(zhí)行時，其適用于執(zhí)行上述的方法步驟。
本發(fā)明還涉及一種檢查感興趣對象的程序單元，當該程序單元被處理器執(zhí)行時，適用于執(zhí)行上述的方法步驟。該程序單元可以被存儲在計算機可讀介質中，并且可以被加載到數(shù)據(jù)處理器的工作存儲器中。因此可以配備數(shù)據(jù)處理器來執(zhí)行本發(fā)明的方法的示范性實施例。該計算機程序可以用任何合適的編程語言寫成，諸如，例如，C++，并且可以被存儲在CD-ROM或者任何其他的計算機可讀介質中。此外，該計算機程序可以從諸如萬維網(wǎng)之類的網(wǎng)絡獲得，從該網(wǎng)絡可以下載該計算機程序到圖像處理單元或者處理器、或者任何合適的計算機。
可以看作本發(fā)明的示范性實施例的要旨的是通過求解線性方程組提供了在掃描視場外的對象點的重建方案。根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，該線性方程組基于PACK重建，因此為在掃描視場之內的對象點提供了確切的反投影濾波類型的重建，并且為在掃描視場外的對象點提供了有效且準確的重建。
從參照下文中描述的實施例中，本發(fā)明的這些和其他的方面將變得清楚且被闡明。
下面將參考下列附圖描述本發(fā)明的示范性實施例。



圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的CT掃描儀系統(tǒng)的簡化的示意性表示； 圖2示出了具有部分地截去頂端的數(shù)據(jù)的二維CT掃描的示意性表示； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的圖像處理設備的示范性實施例，用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的示范性實施例。

具體實施例方式 在附圖中的說明是示意性的。在不同的附圖中，相似或者相同的元件可以給予相同的附圖標記。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的CT掃描儀系統(tǒng)的示范性實施例。參照該示范性實施例，將描述本發(fā)明用于行李包檢查中的應用。然而，應注意的是，本發(fā)明并不限于這樣的應用，而是也可以應用在醫(yī)學成像領域、或者諸如材料測試之類的其他工業(yè)應用。
在圖1中圖示的計算機斷層成像裝置100是錐形束CT掃描儀。在圖1中圖示的CT掃描儀包括可以沿著旋轉軸102可旋轉的機架(gantry)101。機架101通過馬達103驅動。附圖標記104指示諸如X射線源之類的輻射源，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該輻射源發(fā)射多色輻射。
附圖標記105指示孔徑系統(tǒng)，該孔徑系統(tǒng)將從輻射源發(fā)射的輻射束形成為錐形輻射束106。錐形束106被引導使得它穿透布置在機架101的中心(即在CT掃描儀的檢查區(qū)中)的感興趣對象107，然后打到檢測器108上。正如從圖1可以得出的，檢測器108被布置在機架101上，與輻射源104相對，從而使得檢測器108的表面被錐形束106所覆蓋。在圖1中圖示的檢測器108包括多個檢測器元件123，每個檢測器元件都能夠以能量分辨(energy-resolving)的方式檢測已經穿透感興趣對象107的X射線或者各個光子。
在掃描感興趣對象107的過程中，輻射源104、孔徑系統(tǒng)105和檢測器108沿著機架101以箭頭116指示的方向旋轉。為了機架101與輻射源104、孔徑系統(tǒng)105和檢測器108一起旋轉，馬達103被連接到馬達控制單元117，該馬達控制單元117被連接到計算或者確定單元118。
在圖1中，感興趣對象107可以是放置在輸送帶119上的一個行李包或者病人。在掃描感興趣對象107的過程中，當機架101繞著行李包107旋轉時，輸送帶119將感興趣對象107沿著平行于機架101的旋轉軸102的方向移位。通過這樣的方式，沿著螺旋狀的掃描路徑掃描感興趣對象107。輸送帶119也可以在掃描過程中被停止以便因此測量單個截面(slice)。替代提供輸送帶119，例如在感興趣對象107是病人的醫(yī)學應用中，可以使用可移動的桌子。然而，應注意的是，在所有描述的情形中也可能執(zhí)行環(huán)形掃描，其中在和旋轉軸102平行的方向上沒有位移，而只有機架101繞著旋轉軸102的旋轉。
檢測器108可以連接到計算單元118。計算單元118可以接收檢測結果，即從檢測器108的檢測器元件123的讀出，并且可以基于該讀出確定掃描結果。此外，計算單元118和馬達控制單元117通信，以便使機架101隨馬達103和120的運動與輸送帶119協(xié)調。
根據(jù)本發(fā)明的一個示范性實施例，重建單元118可以適用于通過基于線性方程組重建在掃描視場外的對象點而從檢測器108的讀出來重建圖像。通過重建單元118生成的重建圖像可以經由接口122輸出到顯示器(在圖1中未示出)。
重建單元118可以通過數(shù)據(jù)處理器來實現(xiàn)，以便處理從檢測器108的檢測器元件123的讀出。
此外，正如可以從圖1中得出的，重建單元118可以連接到揚聲器121，例如，以便在行李包107中檢測到可疑的材料的情況下自動輸出警告。
用于檢查感興趣對象107的檢查裝置100包括具有以類似矩陣的方式布置的多個檢測元件123的檢測器108，每個檢測元件都適用于檢測X射線。此外，計算機斷層成像裝置100包括適用于重建感興趣對象107的圖像的確定單元或者重建單元118。
計算機斷層成像裝置100包括X射線源104，X射線源104適用于發(fā)射X射線到感興趣對象107。在電磁輻射源104和檢測元件123之間提供的準直儀105適用于校準從電磁輻射源104發(fā)射的電磁輻射束以形成錐形束。檢測元件123形成多截面(multi-slice)檢測器陣列108。計算機斷層成像裝置100可以被配置為醫(yī)學成像裝置或者行李包檢查裝置。
圖2示出具有部分地被截去頂端的(trunca ted)數(shù)據(jù)的二維CT掃描的示意性表示。正如可以從圖2看到的，感興趣對象107只是部分地位于由圓周204限定的掃描視場內部。感興趣對象107的左端201和感興趣對象107的右端202兩者都位于掃描視場之外。
感興趣對象107大約位于源路徑203的中間，在檢查感興趣對象107的過程中電磁輻射源104(在圖2中未圖示)沿著該源路徑203移動。源路徑203可以是螺旋狀源路徑或者任何其他幾何形狀。例如，圖1的CT掃描儀系統(tǒng)100可以以C形臂掃描儀系統(tǒng)的形式被應用。
正如從圖2中可以看到的，位于掃描視場之外的感興趣對象107的右端202位于由掃描視場的切線組205、206所限定的三角形區(qū)域207內 目前，不論投影數(shù)據(jù)是否被截去頂端，即不論在獲取投影數(shù)據(jù)的過程中是否該對象的一部分位于掃描視場之外，它都被檢測。假設檢測被截去頂端部分，通過外插法投影數(shù)據(jù)被擴展。在一些外插方法中，使用簡單的模型，例如假定該對象是圓柱體。此外，可以使用傅立葉截面理論來保證每次投影的適當?shù)目偹p。
然而，這個過程完全是啟發(fā)式(heuristic)的。
通過應用根據(jù)上面提及的PACK重建的重建方案，可以提供一種用于計算機斷層成像的反投影濾波方式重建方法。根據(jù)PACK重建方案的一個結果為下面的關系 (等式1) 其中，

是從源位置λ1到λ2的微分數(shù)據(jù)的反投影加上在對象點位置

的兩個邊界條件的結果。K*表示圖像沿著線

的逆希爾伯特變換 根據(jù)PACK重建方案，通過選擇反投影間隔使得兩條線

和

反平行并且可以使用1維逆希爾伯特變換重建在對象點位置

的衰減來充分利用(exploit)該關系。
對于在掃描視場之外的對象點可能無法實現(xiàn)這點，因為對象點在少于180°的扇形內。圖2說明了對于二維情形的幾何形狀和線

的位置。
從投影數(shù)據(jù)本身可以推斷出對象在掃描視場外的右手側的部分202被限制在接近三角形區(qū)域207中。這個區(qū)域207完全被掃描視場的切線205、206等所覆蓋。
應注意的是，這個區(qū)域可以相對小。等式(1)定義了用于在這個三角形區(qū)域207之內的目標函數(shù)的線性方程組。為解這個方程組不需要關于掃描視場之內的衰減信息。由于該區(qū)域通常相當小，可以用適度的努力進行迭代重建。和啟發(fā)式的技術比較，顯式正則化技術可以被應用來恢復該未知的目標函數(shù)。
線性方程組可以寫為 Ax＝y(tǒng) 其中x為目標函數(shù)f的未知值的向量，在離散的空間位置ri取樣，A為在掃描視場外的還是未知圖像上的兩個希爾伯特變換(twoHibert-transformation)的離散形式，而y為包含在相同位置ri處的反投影微分數(shù)據(jù)的向量。由于右手側y和未知數(shù)的向量x兩者都位于相同的網(wǎng)格上，所以A為方陣，因此，如果A只有正的奇異值，則存在一個且僅僅一個解，如果A相當小則該解可以通過直接倒置(directinversion)獲得，如果A很大則該解可以通過類似ART的迭代方法獲得。然而，在存在噪聲的情形下，采用一些正則化技術可以是有利的這里，修正的方程組被求解，例如，搜索 Δ＝||Ax-y||2+R(x) 的最小值。這里，R是粗糙度懲罰項(roughness penalty)，其強制解光滑。此外，粗糙度懲罰項可以被用來加強經過掃描視場的邊界的連續(xù)的目標函數(shù)。記住，一個目的是恢復在掃描視場之內和掃描視場之外的目標函數(shù)f，并且記住，f在掃描視場之內使用解析重建方法重建?，F(xiàn)在，可以強制在掃描視場之外的重建的解平滑地擬合(fit)掃描視場之內的解析重建。例如如果對于所有具有在掃描視場之內的相鄰網(wǎng)格點的未知數(shù)xi，粗糙度懲罰項都包括||xi-n(xi)||2形式的項，則可以實現(xiàn)這個目標。在掃描視場內的目標函數(shù)的值n(xi)從解析重建獲取?？梢蕴砑拥角笆龅膽土P項的對粗糙度的其他普通選擇為 R1＝||xi||2 或者 R2＝||Δxi||2 其中Δ是拉普拉斯算子的離散形式，或者 R3＝||Δxi||2 這里|| ||1為向量的L1-范數(shù)(L1-norm)(絕對值之和)。
圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的圖像處理設備的示范性實施例，用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的示范性實施例。在圖3中圖示的圖像處理設備400包括連接到存儲器402的中央處理單元(CPU)或者圖像處理器401，存儲器402用于存儲圖示諸如病人或者行李包項之類的感興趣對象的圖像。數(shù)據(jù)處理器401可以連接到諸如CT設備之類的診斷設備的多個輸入/輸出網(wǎng)絡。此外，數(shù)據(jù)處理器401可以連接到顯示設備403，例如計算機監(jiān)控器，用于顯示在數(shù)據(jù)處理器401中計算或者調整的信息或者圖像，。操作者或者用戶可以經由鍵盤404和/或其它輸出設備(在圖3中未圖示)和數(shù)據(jù)處理器401交互。
此外，經由總線系統(tǒng)405，也可以連接圖像處理和控制處理器401到例如監(jiān)控感興趣對象的運動的運動監(jiān)控器。例如，在病人的肺被成像的情況下，運動傳感器可以是呼氣傳感器(exhalation sensor)。在心臟成像的情況下，運動傳感器可以是心電圖。
根據(jù)本發(fā)明的感興趣對象的檢查可以允許對于掃描視場之外的對象點的高質量的重建算法。
本發(fā)明的示范性實施例可以作為CT掃描儀控制臺、成像工作站或者PACS工作站的軟件選項被出售。
應該注意，術語“包括”并不排除其他元素或者步驟，“一個”并不排除多個，單個處理器或者系統(tǒng)可以實現(xiàn)在權利要求中記載的幾個裝置或者單元的功能。此外，結合不同的實施例描述的元件可以組合在一起。
還應該注意，在權利要求中的任何附圖標記不應被解釋為限制權利要求的范圍。
權利要求
1.一種用于檢查感興趣對象(107)的計算機斷層成像裝置(100)，該計算機斷層成像裝置(100)包括重建單元(118)，該重建單元(118)適用于
基于線性方程組重建在掃描視場之外的對象點；
其中，該線性方程組只被定義用于所述掃描視場之外的對象點。
2.如權利要求1所述的計算機斷層成像裝置(100)，
其中，在所述掃描視場之外的對象點位于三角形區(qū)域內，所述線性方程組被定義用于該三角形區(qū)。
3.如權利要求1所述的計算機斷層成像裝置(100)，
其中，在沒有關于所述掃描視場內衰減的信息的情況下進行所述掃描視場之外的對象點的重建。
4.如權利要求1所述的計算機斷層成像裝置(100)，
其中，在所述掃描視場之外的對象點的重建為迭代重建。
5.如權利要求1所述的計算機斷層成像裝置(100)，所述重建單元還適用于
應用顯式正則化技術用于恢復未知目標函數(shù)。
6.如權利要求1所述的計算機斷層成像裝置(100)，
其中，所述線性方程組基于微分線積分的反投影。
7.如權利要求1所述的計算機斷層成像裝置(100)，
其中，所述線性方程組基于Pack重建并且由下式定義
其中，
是從源位置λ1到λ2的微分數(shù)據(jù)的反投影加上在對象點位置
的兩個邊界條件的結果；并且
其中，K*為圖像沿著線
的逆希爾伯特變換。
8.如權利要求1所述的計算機斷層成像裝置(100)，還包括
沿著圍繞所述感興趣對象(107)的螺旋狀掃描路徑移動的電磁輻射源(104)；
布置在電磁輻射源(104)和檢測單元(123)之間的準直儀(105)；
其中，所述準直儀(105)適用于校準由電磁輻射源(104)發(fā)射的電磁輻射束以形成錐形束。
9.如權利要求1所述的計算機斷層成像裝置(100)，
其中，所述檢測單元(123)來自單截面檢測器陣列。
10.如權利要求1所述的計算機斷層成像裝置(100)，
其中，所述檢測單元(123)形成多截面檢測器陣列(108)。
11.如權利要求1所述的計算機斷層成像裝置(100)，被配置為由行李包檢查裝置、醫(yī)學應用裝置、材料測試裝置和材料科學分析裝置組成的組中的一個。
12.一種用計算機斷層成像裝置(100)檢查感興趣對象(107)的方法，所述方法包括步驟
基于線性方程組重建在掃描視場外的對象點；
其中，所述線性方程組只被定義用于在所述掃描視場外的對象點
13.如權利要求12所述的方法，
其中，在所述掃描視場外的對象點位于三角形區(qū)域之內，所述線性方程組被定義用于該三角形區(qū)域；
其中，在沒有關于在所述掃描視場之內衰減的信息的情況下進行在所述掃描視場外的對象點的重建；
其中，在所述掃描視場外的對象點的重建為迭代重建。
14.一種用計算機斷層成像裝置檢查感興趣對象(107)的圖像處理設備，所述圖像處理設備包括
存儲器，用于存儲投影數(shù)據(jù)；
重建單元(118)，適用于
基于線性方程組重建在掃描視場外的對象點；
其中，所述線性方程組只被定義用于在所述掃描視場外的對象點
15.一種計算機可讀介質(402)，其中存儲有用計算機斷層成像裝置(100)檢查感興趣對象(107)的計算機程序，其當被處理器(401)執(zhí)行時，適用于執(zhí)行步驟
基于線性方程組重建在掃描視場外的對象點；
其中，所述線性方程組只被定義用于在所述掃描視場外的對象點
16.一種檢查感興趣對象(107)的程序單元，其當被處理器(401)執(zhí)行時，適用于執(zhí)行步驟
基于線性方程組重建在掃描視場外的對象點；
其中，所述線性方程組只被定義用于在所述掃描視場外的對象。
全文摘要
具有由系統(tǒng)的扇形角度所定義的一定掃描視場的CT掃描儀。根據(jù)本發(fā)明的一個示范性實施例，在掃描視場外的對象點可以基于線性方程組被重建，該線性方程組可以用適度的努力迭代求解。因此，可以應用顯式正則化技術來恢復該未知的目標函數(shù)。
文檔編號G06T11/00GK101218607SQ200680024637
公開日2008年7月9日 申請日期2006年7月4日 優(yōu)先權日2005年7月5日
發(fā)明者T·科勒, P·福思曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司