專利名稱：用于多次迭代算法的高級(jí)收斂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像重構(gòu)領(lǐng)域，例如在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。具體而言，本發(fā)明涉 及一種方法，用于基于由計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)來產(chǎn)生或 重構(gòu)圖像，該計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)包括具有輻射源和輻射檢測器的斷層造 影設(shè)備。本發(fā)明還涉及一種數(shù)據(jù)處理設(shè)備、 一種斷層造影系統(tǒng)、 一種計(jì)算 機(jī)可讀介質(zhì)和一種程序模塊，用于基于數(shù)據(jù)信號(hào)來產(chǎn)生圖像，具體而言， 用于基于由計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)來產(chǎn)生圖像。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)斷層造影(CT)是一種使用數(shù)字處理、依據(jù)圍繞單一旋轉(zhuǎn)軸所拍 攝的一系列二維X射線圖像來產(chǎn)生受檢査對(duì)象(所關(guān)注對(duì)象)內(nèi)部的三維圖 像的過程。CT圖像的重構(gòu)可以通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)乃惴▉磉M(jìn)行。在醫(yī)學(xué)CT中，需要在患者劑量最小值的情況下得到具有較高且均勻的 空間分辨率以及極低噪聲的高精度圖像。而且，CT圖像重構(gòu)必須在計(jì)算上 是高效的，以便實(shí)時(shí)執(zhí)行。這可以通過使用多種基于二維或三維濾波反向 投影(FBP)或傅立葉重構(gòu)方案的圖像重構(gòu)算法來實(shí)現(xiàn)。與這些分析方法相對(duì)照，存在多種迭代重構(gòu)算法，其從數(shù)字觀點(diǎn)來審 視重構(gòu)問題。它們基于借助于在空間域與投影域之間的迭代的測量，設(shè)法 倒置系統(tǒng)矩陣或設(shè)法使被重構(gòu)的物體的相似性最大化。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是， 能夠通過對(duì)所掃描的量子統(tǒng)計(jì)進(jìn)行精確建模，而在較小患者劑量的情況下 工作。然而，這些技術(shù)需要多達(dá)幾百次的迭代來實(shí)現(xiàn)充分收斂。每一次迭 代都至少包含分別對(duì)圖像和所處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行的一次二次投影和一次反向 投影。因此， 一次迭代的耗時(shí)至少與兩次FBP重構(gòu)相同。在WO2005/088544A1中，公開了一種方法，用于依據(jù)迭代算法來重構(gòu) CT圖像，其中，采用所測量的光子計(jì)數(shù)的固有統(tǒng)計(jì)誤差對(duì)迭代算法的更新 進(jìn)行加權(quán)。這會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像重構(gòu)中偽像的有效去除。然而，與所有現(xiàn)有技術(shù)的迭代算法相似，這個(gè)所公開的用于三維圖像的重構(gòu)方法在計(jì)算上也是 耗時(shí)很高的。需要一種改進(jìn)的速度倍增(miiltiplicative)迭代算法，其能夠以較小的計(jì) 算能力來工作。發(fā)明內(nèi)容可以借助于一種方法來滿足這個(gè)需要，該方法用于基于由計(jì)算機(jī)斷層 造影系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)來產(chǎn)生圖像，其中，所述計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng) 包括具有輻射源和輻射檢測器的斷層造影設(shè)備。此外，可以借助于根據(jù)多 個(gè)獨(dú)立權(quán)利要求所述的一種數(shù)據(jù)處理設(shè)備、 一種斷層造影系統(tǒng)、 一種計(jì)算 機(jī)可讀介質(zhì)和一種程序模塊來滿足這個(gè)需要。根據(jù)如權(quán)利要求1所述的本發(fā)明的示范性實(shí)施例，提供了一種方法， 用于基于數(shù)據(jù)信號(hào)來產(chǎn)生圖像。具體而言，提供了一種方法，用于基于由 CT系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)來產(chǎn)生圖像，所述CT系統(tǒng)包括具有輻射源和輻 射檢測器的斷層造影設(shè)備。該方法包括將數(shù)據(jù)信號(hào)裝入數(shù)據(jù)處理器的步 驟；通過相加一常數(shù)來修改每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)的步驟；以及將迭代算法應(yīng)用 于修改后的數(shù)據(jù)信號(hào)，直到產(chǎn)生受檢查對(duì)象的三維圖像為止的步驟。迭代 算法常常是這樣一種算法在該算法中，執(zhí)行多個(gè)更新步驟，直到滿足結(jié) 束標(biāo)準(zhǔn)為止。應(yīng)注意的是，本方法可以用于以任何軌跡、檢測器形狀和波束幾何形 狀(例如扇形波束、錐形波束等)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)的圖像重構(gòu)。可以看到所述方法的要點(diǎn)是使用通過將常數(shù)與每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)相加 而人工修改的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)可靠的圖像生成，與基于對(duì)于原始測量的且 未修改的數(shù)據(jù)信號(hào)的估計(jì)的圖像重構(gòu)相比較，其顯示了快得多的收斂性。 因此，可以快得多的和/或顯著減小的計(jì)算能力來實(shí)現(xiàn)對(duì)于三維圖像的產(chǎn)生 或重構(gòu)。根據(jù)另一個(gè)示范性實(shí)施例，每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過用于產(chǎn)生波束的 輻射源以及通過用于在波束經(jīng)過受檢查對(duì)象之后對(duì)波束進(jìn)行檢測的輻射檢 測器而采集的投影數(shù)據(jù)信號(hào)。由此，每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)都表示以不同角度穿 過受檢査對(duì)象的投影。根據(jù)另 一個(gè)示范性實(shí)施例，每一個(gè)投影數(shù)據(jù)信號(hào)都表示由受檢査對(duì)象 引起的吸收值，并且所述常數(shù)是穿過具有恒定吸收系數(shù)的虛擬身體的吸收 線積分。下面說明該人工數(shù)據(jù)修改的影響當(dāng)使用現(xiàn)有技術(shù)的迭代算法來重構(gòu)三維圖像時(shí)，會(huì)存在對(duì)吸收系數(shù)p 的多次更新，假設(shè)吸收系數(shù)Kl是在受研究對(duì)象的所選體素i中所估計(jì)得到的。 對(duì)于從步驟n到步驟n+l的連續(xù)迭代，可以用以下公式在良好的逼近的情 況下描述這個(gè)更新/T=A".c (等式l)采用這種更新，僅在c=0的情況下可以獲得ki=0的吸收系數(shù)，其存在 于被研究對(duì)象的空腔中。然而，對(duì)于用于重構(gòu)三維圖像的迭代算法而言， c-O情況下的更新公式非常不可靠的，以致于重構(gòu)圖像的質(zhì)量變壞，尤其對(duì) 于位于該空腔中的體素或包含具有接近于0的吸收系數(shù)的物質(zhì)的體素而言。在虛擬身體的體積內(nèi)相加一常數(shù)顯著地減小了以上所述的對(duì)吸收系數(shù) 的更新的影響。因此，重構(gòu)圖像的質(zhì)量與現(xiàn)有技術(shù)的迭代算法相比會(huì)好得 多，尤其對(duì)于具有低吸收系數(shù)或O吸收系數(shù)的區(qū)域而言。而且，與現(xiàn)有技術(shù)的分析重構(gòu)算法相比，所述方法提供了好得多的信 噪比。例如，與fbp重構(gòu)方法相比，所述方法在相同空間分辨率的情況下 提供了 1.4倍的更好的信噪比。根據(jù)另一個(gè)示范性實(shí)施例，所述恒定吸收系數(shù)等于水的吸收系數(shù)。由 于水的吸收系數(shù)是公知的，因此這可以提供能夠以高可重現(xiàn)性和精確的方 式來進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的修改的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)以水的吸收系數(shù)來人工偏移受檢查對(duì) 象內(nèi)的全部吸收值時(shí)，最小吸收系數(shù)p是Ha，其是0.0183cm"。因此，同 樣在人體內(nèi)的空腔中，例如在頭部的竇內(nèi)，這個(gè)最小吸收系數(shù)是用于受檢 査對(duì)象的重構(gòu)的基礎(chǔ)。根據(jù)另一個(gè)示范性實(shí)施例，虛擬身體具有預(yù)定的體積，其小于計(jì)算機(jī) 斷層造影系統(tǒng)的最大檢查體積。這可以具有這樣的優(yōu)點(diǎn)可以僅在稍大于 所關(guān)注對(duì)象的區(qū)域內(nèi)添加所述恒定吸收系數(shù)。因此，可以僅是合理地增加 數(shù)據(jù)信號(hào)。這會(huì)實(shí)現(xiàn)在修改后的數(shù)據(jù)信號(hào)內(nèi)的對(duì)比度不會(huì)不必要的減小。根據(jù)另一個(gè)示范性實(shí)施例，所述預(yù)定的體積大于受檢查對(duì)象，且所述 預(yù)定的體積覆蓋受檢查對(duì)象的全部區(qū)域。必須注意的是，受檢查對(duì)象也可以是不可分割的整個(gè)對(duì)象中的一部分。例如，所述整個(gè)對(duì)象可以是患者的 人體，受檢查對(duì)象可以是患者的頭部。根據(jù)另一個(gè)示范性實(shí)施例，所述迭代算法是最大似然算法。與其它重 構(gòu)算法相比，最大似然算法具有在重構(gòu)圖像內(nèi)可以獲得高得多的信噪比的 優(yōu)點(diǎn)。因此，使用最大似然算法提供了通過不太強(qiáng)烈的輻射波束穿透所關(guān) 注對(duì)象也可以獲得同等圖像質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。由于最大似然算法的較高信噪比， 即使是有噪聲的數(shù)據(jù)信號(hào)也可以得到高質(zhì)量圖像。在本文中，有噪聲的數(shù) 據(jù)信號(hào)是投影數(shù)據(jù)信號(hào)，其對(duì)于常常用作輻射檢測器的二維空間解析檢測 器陣列中的每一個(gè)檢測器元件來說，僅包含少量的檢測器計(jì)數(shù)。使用有噪 聲的數(shù)據(jù)信號(hào)具有受檢查對(duì)象僅暴露于較小輻射劑量下的優(yōu)點(diǎn)。尤其當(dāng)對(duì) 人進(jìn)行檢查時(shí)，這是有利的。借助于使用大量可利用的信息，即所有共同檢測的光子的信息，可以 從在不同觀測角度的測量值得出信息的最大值。因此，可以增加采用所述方法的CT系統(tǒng)的精度。根據(jù)另一個(gè)示范性實(shí)施例，圖像的產(chǎn)生是基于全部獲取的投影數(shù)據(jù)信 號(hào)的包含至少兩個(gè)投影的子集。這種過程常常被稱為有序子集算法(OrderedSubset algorithm)。術(shù)語"有序子集"意思是指以預(yù)定順序使用來自不同檢 査角度的不同投影數(shù)據(jù)，以便可以實(shí)現(xiàn)重構(gòu)圖像的快速收斂。這意味著不 是在包含有表示穩(wěn)定增大的投影角度的數(shù)據(jù)信號(hào)的序列內(nèi)執(zhí)行投影數(shù)據(jù)的 使用。例如，對(duì)于圖像重構(gòu)而言，可以以一個(gè)順序來使用數(shù)據(jù)信號(hào)，其中第一投影數(shù)據(jù)表示0。的檢査角度，第二投影數(shù)據(jù)表示90。的檢查角度，第三投影數(shù)據(jù)表示0°+50的檢査角度，第四投影數(shù)據(jù)表示9O°+S0的檢查角度，第五投影數(shù)據(jù)表示0°+250的檢査角度，第六投影數(shù)據(jù)表示90°+25 的檢查角度 等等。然而，必須注意的是，當(dāng)然還可以使用其他檢査角度序列。無論如 何，與普通最大似然算法相比，基于有序子集最大似然算法的圖像重構(gòu)可 以顯示更快的收斂性。根據(jù)另一個(gè)示范性實(shí)施例，該方法還包括用三維圖像減去所述常數(shù)從8而獲得最終圖像的步驟。該實(shí)施例會(huì)具有這樣的優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)生了可以用與早 己是公知的CT圖像相同的方式讀取的圖像。在此情況下，人，例如假設(shè)讀 取和/或理解最終圖像的健康專家，無需特定訓(xùn)練就可以從根據(jù)所建議的方 法而獲得的圖像中獲得全部信息。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性實(shí)施例，提供了一種數(shù)據(jù)處理設(shè)備。該數(shù) 據(jù)處理設(shè)備包括存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)所關(guān)注對(duì)象的數(shù)據(jù)信號(hào)；數(shù)據(jù)處理器， 用于基于所關(guān)注對(duì)象的數(shù)據(jù)信號(hào)來產(chǎn)生圖像。所述數(shù)據(jù)處理器適于執(zhí)行包 括以下步驟的操作裝入所述數(shù)據(jù)信號(hào)的步驟；借助于相加一常數(shù)來修改 每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)的步驟；以及將迭代算法用于修改后的數(shù)據(jù)信號(hào)，直到產(chǎn) 生所關(guān)注對(duì)象的三維圖像為止的步驟。有利的是，這會(huì)實(shí)現(xiàn)在CT掃描器系統(tǒng)內(nèi)的更快速的圖像重構(gòu)，以及改 進(jìn)的圖像質(zhì)量，尤其是在受檢查對(duì)象內(nèi)的、包括空腔或具有很低吸收系數(shù) 的物質(zhì)區(qū)域中。根據(jù)另一個(gè)示范性實(shí)施例，所述迭代算法是最大似然算法；并且產(chǎn)生 的圖像具有最高的似然性。有利的是，最大似然算法的迭代方案可以實(shí)現(xiàn) 具有較低數(shù)量偽像的改進(jìn)的圖像。而且，由于更快的收斂，當(dāng)重構(gòu)圖像時(shí)， 與采用現(xiàn)有技術(shù)的最大似然算法的數(shù)據(jù)處理設(shè)備相比，可以快得多地獲得 高質(zhì)量圖像。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性實(shí)施例，提供了一種斷層造影系統(tǒng)。所述 斷層造影系統(tǒng)包括輻射源，其適于發(fā)出輻射波束；輻射檢測器，其適于 在所述波束經(jīng)過受檢查對(duì)象之后檢測所述波束；存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)由輻射 檢測器所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)；以及數(shù)據(jù)處理器，用于基于所述數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生 圖像。所述數(shù)據(jù)處理器適于執(zhí)行以下操作裝入數(shù)據(jù)信號(hào)；借助于相加一 常數(shù)來修改每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)；并且將迭代算法用于修改后的數(shù)據(jù)信號(hào)，直 到產(chǎn)生受檢查對(duì)象的三維圖像為止。而且，數(shù)據(jù)處理器適于執(zhí)行上述方法 的任何示范性實(shí)施例。所述輻射源可以是常規(guī)X射線源，其可以發(fā)出多波長的或單一波長的 輻射。所述輻射檢測器可以由單個(gè)輻射傳感器、多個(gè)輻射傳感器或傳感器 陣列構(gòu)成。所述斷層造影系統(tǒng)可以用作物質(zhì)測試設(shè)備、醫(yī)學(xué)應(yīng)用設(shè)備或用于測量三維圖像的任何其它設(shè)備。所述斷層造影系統(tǒng)還可以是相干散射計(jì)算機(jī)斷 層造影設(shè)備、正電子發(fā)射斷層造影設(shè)備或單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備。無論如何，應(yīng)明確本發(fā)明不限于X射線計(jì)算機(jī)斷層造影技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性實(shí)施例，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其 中存儲(chǔ)了計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序用于基于數(shù)據(jù)信號(hào)，具體而言是基 于由計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)，來產(chǎn)生圖像，所述計(jì)算機(jī)斷 層造影系統(tǒng)包括具有輻射源和輻射檢測器的斷層造影設(shè)備。當(dāng)被處理器執(zhí) 行時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序適于執(zhí)行上述方法的示范性實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范性實(shí)施例，提供了一種程序模塊，用于基于 數(shù)據(jù)信號(hào)，具體而言是基于由計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)，來產(chǎn)生圖像，所述計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)包括具有輻射源和輻射檢測器的斷層 造影設(shè)備。當(dāng)被處理器執(zhí)行時(shí)，所述程序模塊適于執(zhí)行上述方法的示范性 實(shí)施例。所述程序模塊可以用任何適合的編程語言來編寫，例如C++，并可以 存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，諸如CD-ROM。此外，所述計(jì)算機(jī)程序可以從 網(wǎng)絡(luò)獲得，諸如環(huán)球網(wǎng)，從所述網(wǎng)絡(luò)可以將所述計(jì)算機(jī)程序下載到圖像處 理單元或處理器，或任何適合的計(jì)算機(jī)。


依據(jù)以下說明的實(shí)施例的實(shí)例，并參考實(shí)施例的實(shí)例加以解釋，本發(fā) 明以上定義的方面及其它方面是顯而易見的。在下文中參考實(shí)施例的實(shí)例 會(huì)更詳細(xì)的說明本發(fā)明，但本發(fā)明不限于此。圖1顯示了計(jì)算機(jī)斷層造影(CT)系統(tǒng)的簡化示意圖。圖2顯示了用于基于迭代算法重構(gòu)三維圖像的方法的流程圖。圖3顯示了用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的示范性實(shí)施例的圖像處理設(shè)備。圖4a和4b顯示了頭部幻圖的圖像切片。圖5顯示了一曲線圖，其中，描繪了兩個(gè)不同最大似然算法的收斂情 況，這兩個(gè)算法用于計(jì)算位于圖4所示的頭部模型空腔中的小框內(nèi)的吸收 系數(shù)。附圖中的圖解說明是示意性的。應(yīng)注意在不同附圖中，以相同的參考 標(biāo)記或以彼此僅是第一個(gè)數(shù)字不同的參考標(biāo)記來提供相似的或相同的要 素。
具體實(shí)施方式
圖1顯示了計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備100，其是錐形波束CT掃描器。然而， 本發(fā)明還可以用包括扇形波束幾何形狀的CT掃描器來實(shí)施。CT掃描器100包括臺(tái)架101，其可圍繞旋轉(zhuǎn)軸102旋轉(zhuǎn)。借助于電機(jī) 103來驅(qū)動(dòng)臺(tái)架101。參考數(shù)字104標(biāo)明了輻射源，例如X射線源，根據(jù)本 發(fā)明的一個(gè)方面，其發(fā)出多波長或單波長的射線。參考數(shù)字105標(biāo)明了窗孔系統(tǒng)，其將從輻射源104發(fā)出的輻射波束成 形為錐形輻射波束106。引導(dǎo)錐形輻射波束106，以便其穿過布置在臺(tái)架101 中央的所關(guān)注對(duì)象107。臺(tái)架IOI的中央表示CT掃描器的檢查區(qū)域。波束 106在穿過所關(guān)注對(duì)象107后，照射到檢測器108上。如可以從圖1得到的，檢測器108被布置在臺(tái)架101上與輻射源104 相對(duì)的位置，以便由錐形波束106覆蓋檢測器108的表面。檢測器108包 括多個(gè)檢測器元件123，每一個(gè)都能夠檢測被所關(guān)注對(duì)象107散射的或穿過 所關(guān)注對(duì)象107的X射線。在對(duì)所關(guān)注對(duì)象107進(jìn)行掃描期間，輻射源104、窗孔系統(tǒng)105和檢測 器108與臺(tái)架101 —起在由箭頭116所指示的方向上旋轉(zhuǎn)。電機(jī)103連接 到電機(jī)控制單元117，用于旋轉(zhuǎn)臺(tái)架101與輻射源104、窗孔系統(tǒng)105和檢 測器108，電機(jī)控制單元自身連接到重構(gòu)單元130(其也可以表示為計(jì)算或確 定單元)。而且，重構(gòu)單元130還起到控制單元的作用，控制單元與電機(jī)控 制單元117進(jìn)行通信，以便協(xié)調(diào)臺(tái)架101的移動(dòng)與操作臺(tái)119的移動(dòng)。如能夠同樣從圖1見到的，所關(guān)注對(duì)象107是人體，其被布置在操作 臺(tái)119上。在對(duì)人體107的頭部107a的掃描期間，在臺(tái)架101圍繞頭部107a 旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，操作臺(tái)119沿平行于臺(tái)架101的旋轉(zhuǎn)軸102的方向移動(dòng)人體 107的位置。由電機(jī)120來執(zhí)行這個(gè)移位，以便沿螺旋形掃描路徑來掃描頭 部107a。在掃描期間還可以停止操作臺(tái)119，從而以高精度測量頭部107aii應(yīng)注意的是，在所描述的全部情況中都可以執(zhí)行圓形掃描，在此情況下，沒有在平行于旋轉(zhuǎn)軸102的方向上的移位，而只有臺(tái)架101圍繞旋轉(zhuǎn) 軸102的旋轉(zhuǎn)。此外，應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，作為圖1所示的錐形波束結(jié)構(gòu)的備選方案，本發(fā) 明可以用扇形波束結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。為了產(chǎn)生原始的扇形波束，可以將窗孔系 統(tǒng)105配置為多縫隙準(zhǔn)直儀。檢測器108耦合到重構(gòu)單元130。重構(gòu)單元130接收檢測結(jié)果，即來自 檢測器108的檢測器元件123的讀數(shù)，并基于這些讀數(shù)來確定掃描結(jié)構(gòu)。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的示范性方法的流程圖，用于執(zhí)行以圖1所示 的計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備100所獲得的投影數(shù)據(jù)信號(hào)的圖像重構(gòu)。然而，應(yīng) 注意的是，該方法不僅可以用于由CT檢査設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)集，也可以用 于由其它檢查設(shè)備采集的其它數(shù)據(jù)集，諸如例如正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層造 影系統(tǒng)。該方法以步驟Sl開始，步驟Sl是對(duì)在不同投影角度所獲得的多個(gè)投 影數(shù)據(jù)的采集。對(duì)于每一個(gè)投影角度，由空間解析檢測器陣列來測量由輻 射源發(fā)出并穿過所關(guān)注對(duì)象傳輸?shù)碾姶泡椛涞膹?qiáng)度。依據(jù)與在沒有所關(guān)注 對(duì)象的情況下所測量的強(qiáng)度相比的測量強(qiáng)度減小，獲得了多個(gè)吸收值。從 而，檢測器陣列的每一個(gè)檢測器元件都提供了一個(gè)吸收值。必須強(qiáng)調(diào)的是，還可以基于量子理論來理解術(shù)語"強(qiáng)度"。在本文中， 術(shù)語"強(qiáng)度"對(duì)應(yīng)于照射到構(gòu)成檢測器陣列的每一個(gè)檢測器元件上的光子 計(jì)數(shù)的數(shù)量。尤其是當(dāng)以小輻射劑量來執(zhí)行對(duì)所關(guān)注對(duì)象的檢査時(shí)，測量 數(shù)據(jù)包含由于光子統(tǒng)計(jì)學(xué)造成的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)效果。隨后，在步驟S2，將所測量的多個(gè)投影數(shù)據(jù)裝入到數(shù)據(jù)處理器中。由 于全部投影數(shù)據(jù)的數(shù)量常常較高，因此使用了包括中央處理單元(CPU)和存 儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)處理器。與CPU耦合的存儲(chǔ)器能夠用于存儲(chǔ)用于三維圖像重構(gòu) 的全部數(shù)據(jù)。隨后，在步驟S3，以將常數(shù)相加到到投影數(shù)據(jù)上的方式來修改所裝入 的數(shù)據(jù)，其中，所述投影數(shù)據(jù)是用檢測器陣列的每一個(gè)檢測器元件測量得 到的。在CT成像的情況下，所述投影數(shù)據(jù)表示由受檢查對(duì)象引起的吸收值。 因此，所述常數(shù)是穿過在空間上具有恒定吸收率的虛擬身體的吸收線積分。所相加的恒定吸收系數(shù)的優(yōu)選值是水的吸收系數(shù)。水的吸收系數(shù)是眾 所周知的，因此可以以高度可再現(xiàn)和精確的方式來實(shí)現(xiàn)。因此，在受檢查對(duì)象內(nèi)的全部吸收值被移位了 0.0183cm"的p水的吸收系數(shù)。為了不使得修改后的投影數(shù)據(jù)的對(duì)比度不必要的減小，僅在預(yù)定體積 內(nèi)相加該恒定吸收系數(shù)，所述預(yù)定體積稍大于受檢查對(duì)象(例如，圖1所示 的患者107的頭部107a)。由此，將在CT掃描器最大檢查體積內(nèi)而不是在 所關(guān)注對(duì)象之外的區(qū)域中的無用吸收值引入到修改后的數(shù)據(jù)中。隨后，在步驟S4，對(duì)修改后的投影數(shù)據(jù)的全集執(zhí)行迭代算法。優(yōu)選的 采用凸面最大似然算法。最大似然方法能夠確定等式，該等式通過設(shè)定 ^y/^/^廣0，定義了具有最高似然性zyw的圖像，在此a是衰減參數(shù)a的 向量。由于該等式是先驗(yàn)的，其不能準(zhǔn)確求解，但迭代方案能夠得到該解。 這些迭代方案中的一個(gè)是K丄ange禾n J.A.Fessler在"Globally convergent algorithms for maximum a posteriori transmission tomography", IEEE Trans. Med. Imaging 4， 1430-1450(1995)中所述的"Convex Algorithm",其據(jù)此被合 并于此作為參考。得到了用于一個(gè)迭代步驟的更新是(等式2)在此，《和K分別是射出的和觀測到的光子計(jì)數(shù)的數(shù)量，/,是第Z個(gè)投 影的基函數(shù)^的向量，〈/,.,^是內(nèi)積》/々,這個(gè)更新確保了在最佳點(diǎn)鄰近 位置有著較大的似然性，這樣其會(huì)產(chǎn)生最佳圖像?？梢杂蒙鲜龅仁?在良好逼進(jìn)的情況下說明從步驟n到步驟n+1的這 個(gè)更新。明確的是，4=0的吸收系數(shù)只能在(^0的情況下實(shí)現(xiàn)，該吸收系數(shù) 存在于被研究對(duì)象的空腔中。然而，對(duì)于用于重構(gòu)三維圖像的迭代算法而 言，c-0的更新公式是極不可能的。因此，當(dāng)將最大似然算法用于未修改的 投影數(shù)據(jù)時(shí)，重構(gòu)圖像的質(zhì)量變壞，特別是對(duì)于位于所關(guān)注對(duì)象內(nèi)的空腔 中的體素。上述修改后的投影數(shù)據(jù)的使用顯著減小了根據(jù)等式1的吸收系數(shù)的更 新的影響，在上述修改后的投影數(shù)據(jù)中，所相加的常數(shù)是穿過具有空間上 恒定吸收系數(shù)的虛擬身體的吸收線積分。因此，用于修改后的數(shù)據(jù)的迭代算法與用于未修改的原始投影數(shù)據(jù)的迭代算法相比，顯示了快得多的收斂。 而且，可以確信的是，重構(gòu)圖像的質(zhì)量與用于未修改的原始投影數(shù)據(jù)的迭代算法相比好得多，尤其對(duì)于具有低或0吸收系數(shù)p的區(qū)域而言。最后，在步驟S5，通過例如圖形用戶界面輸出重構(gòu)的圖像的不同切片。 這使得醫(yī)生能夠分析受檢査對(duì)象的任意切面的圖像。圖3描繪了根據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理設(shè)備330的示范性實(shí)施例，用于執(zhí) 行根據(jù)本發(fā)明的方法的示范性實(shí)施例。數(shù)據(jù)處理設(shè)備330包括中央處理單 元(CPU)或圖像處理器331。圖像處理器331連接到存儲(chǔ)器332，存儲(chǔ)器332 用于存儲(chǔ)描繪所關(guān)注對(duì)象的圖像，例如患者或一件行李。圖像處理器331 通過總線系統(tǒng)335連接到多個(gè)輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)或診斷設(shè)備，例如CT設(shè)備。 而且，圖像處理器331連接到顯示設(shè)備333，例如計(jì)算機(jī)監(jiān)視器，用于顯示 在圖像處理器331中計(jì)算或調(diào)整的信息或圖像。操作員或用戶可以通過鍵 盤334和/或任何其它輸出設(shè)備(其未在圖3中示出)與圖像處理器331進(jìn)行 交互。圖4a和圖4b顯示了頭部模型440的圖像切片。圖4b是圖4a中上部分 的放大視圖。依據(jù)簡單幾何形狀對(duì)象，如球形、圓柱形、橢圓形或圓錐形， 來定義頭部模型440，其在CT圖像重構(gòu)領(lǐng)域中公知為所謂的Forbild頭部 模型(http:〃www,imp.uni-erlangen.de/forbid/deutsch/results/head/heacLhtml)。頭 部模型440包括多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的簡單表示，這些解剖結(jié)構(gòu)在評(píng)估CT圖像質(zhì) 量時(shí)是重要的顱頂441、額竇442和周圍的骨骼443、 444、 445及446、 右邊的內(nèi)耳447、和枕內(nèi)隆凸448。在圖4a和圖4b所示的切面中不能看見 其它解剖結(jié)構(gòu)，如內(nèi)耳(左邊的)、眼睛、均勻的腦部物質(zhì)和更低對(duì)比度對(duì)象， 如腦室或硬腦膜下血腫。額竇442代表空腔。因此，明確的是，在該空腔內(nèi)的相應(yīng)吸收系數(shù)p 是0。為了測試根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的最大似然算法的質(zhì)量，選擇了在 額竇442內(nèi)的小框450。使用有序子集最大似然算法迭代的計(jì)算在該小框 450內(nèi)的系數(shù)^。x。以兩種不同的方式來進(jìn)行計(jì)算。第一種計(jì)算采用了基于所測量的投影 數(shù)據(jù)的有序子集最大似然算法。第二種計(jì)算采用了基于修改后的投影數(shù)據(jù) 的有序子集最大似然算法。所述修改包括將恒定吸收值與所測量的投影數(shù)據(jù)相加。所述恒定吸收值是穿過虛擬身體的吸收線積分，虛擬身體自身是在空間上具有恒定吸收系數(shù)K^的水模型。所述水模型所具有的體積一方面 稍大于頭部模型440，另一方面完整地包含頭部模型440。圖5顯示了曲線圖560，其中，描繪了所計(jì)算的在框450內(nèi)的吸收系數(shù) h。x的值的收斂速度。在曲線圖560中，繪制了各種有序子集最大似然算法 的迭代次數(shù)與所計(jì)算的吸收系數(shù)w。x之間的關(guān)系。參考數(shù)字561標(biāo)明了顯示基于總共29個(gè)測量的(即未修改的)投影數(shù)據(jù) 的有序子集最大似然算法的收斂情況的曲線。能夠見到在67個(gè)迭代步驟內(nèi) 沒有獲得正確的吸收系數(shù)^=0。參考數(shù)字562標(biāo)明了顯示基于總共29個(gè)修改后的投影數(shù)據(jù)的上述有序 子集最大似然算法的收斂情況的曲線。所述修改包括上述的將恒定吸收值 與所測量的投影數(shù)據(jù)相加。為了直接比較圖中的曲線562和曲線561的收 斂情況，在對(duì)于每個(gè)迭代步驟完成框450內(nèi)吸收值w。x的計(jì)算之后，就減 去吸收系數(shù)^*。能夠見到，與曲線561相比，代表基于修改后的數(shù)據(jù)的迭 代算法的曲線562收斂的快得多。在10次迭代內(nèi)獲得了吸收系數(shù)w。x的正 確的和最終的值。必須強(qiáng)調(diào)的是，不僅是曲線562的收斂速度比曲線562的收斂速度快 得多。而且當(dāng)對(duì)上述有序子集最大似然算法采用修改后的投影數(shù)據(jù)時(shí)，吸 收系數(shù)l^。x的最終值準(zhǔn)確得多。因此，當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法時(shí)， 圖像重構(gòu)的速度和質(zhì)量都是先進(jìn)的。應(yīng)注意的是，術(shù)語"包括"不排除其它元件或步驟，"一"不排除多個(gè)。 此外可以合并相關(guān)于不同實(shí)施例描述的元素。還應(yīng)注意，在權(quán)利要求中的 參考標(biāo)記不應(yīng)解釋為限制權(quán)利要求的范圍。為了概括本發(fā)明的上述實(shí)施例，可以這樣表述用于基于由計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)獲得的投影數(shù)據(jù)信號(hào)而重構(gòu)三維圖像 的迭代方法常常導(dǎo)致錯(cuò)誤的吸收系數(shù)，尤其是對(duì)于受檢查對(duì)象中的包含空 腔的區(qū)域。而且，迭代方法對(duì)于計(jì)算這個(gè)吸收系數(shù)顯示了較慢的收斂性。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種方法，用于基于修改后的投影數(shù)據(jù)信號(hào) 進(jìn)行對(duì)三維圖像的高級(jí)重構(gòu)。所述修改包括將恒定吸收值與所測量的投影 數(shù)據(jù)相加。有利的是，所述恒定吸收值是穿過具有水的空間恒定吸收系數(shù)的虛擬身體的吸收線積分。所述虛擬身體優(yōu)選的具有稍大于所關(guān)注對(duì)象的 體積。參考標(biāo)記列表100計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備/CT掃描器101臺(tái)架102旋轉(zhuǎn)軸103電機(jī)104輻射源105窗孔系統(tǒng)106輻射波束107關(guān)注對(duì)象/受檢查對(duì)象/患者107a患者頭部108輻射檢測器116旋轉(zhuǎn)方向的箭頭117電機(jī)控制單元119工作臺(tái)120電機(jī)123檢測器元件130重構(gòu)單元SI步驟1S2步驟2S3步驟3S4步驟4S5步驟5330數(shù)據(jù)處理設(shè)備331中央處理單元/圖像處理器332存儲(chǔ)器333顯示設(shè)備334鍵盤16335總線系統(tǒng)440 Forbild頭部模型 441顱頂 442額竇443額竇周圍的骨骼 444額竇周圍的骨骼 445額竇周圍的骨骼 446額竇周圍的骨骼 447右邊的內(nèi)耳450 小框560 曲線圖561有序子集最大似然算法562減去水模型的有序子集最大似然算法
權(quán)利要求
1、一種方法，用于基于數(shù)據(jù)信號(hào)，具體而言是基于由計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)，來產(chǎn)生圖像，所述計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)包括具有輻射源(104)和輻射檢測器(108)的斷層造影設(shè)備(100)，所述方法包括以下步驟將所述數(shù)據(jù)信號(hào)裝入數(shù)據(jù)處理器(331)；通過相加一常數(shù)來修改每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)；并且將迭代算法用于所述修改后的數(shù)據(jù)信號(hào)，直到產(chǎn)生受檢查對(duì)象(107)的三維圖像為止。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過用于產(chǎn)生波束(106)的所述輻射源(104)以及通 過用于在所述波束(106)經(jīng)過所述受檢査對(duì)象(107)之后對(duì)所述波束(106)進(jìn) 行檢測的所述輻射檢測器(108)而采集的投影數(shù)據(jù)信號(hào)。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，其中每一個(gè)投影數(shù)據(jù)信號(hào)都表示由所述受檢查對(duì)象(107)引起的吸收值；并且所述常數(shù)是穿過在空間上具有恒定吸收系數(shù)的虛擬身體的吸收線積分。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法，其中 所述恒定吸收系數(shù)等于水的吸收系數(shù)。
5、 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述虛擬身體具有預(yù)定的體積，其小于所述計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)的最 大檢査體積。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述預(yù)定的體積大于所述受檢查對(duì)象(107)，并且 所述預(yù)定的體積覆蓋所述受檢查對(duì)象(107)的全部區(qū)域。
7、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述迭代算法是最大似然算法。
8、 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述圖像的產(chǎn)生基于全部采集的投影數(shù)據(jù)信號(hào)的包含至少兩個(gè)投影的 子集。
9、 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟 從所述三維圖像中減去所述常數(shù)，以便獲得最終圖像。
10、 一種數(shù)據(jù)處理設(shè)備(330)，包括 存儲(chǔ)器(332)，用于存儲(chǔ)所關(guān)注對(duì)象(107)的數(shù)據(jù)信號(hào)； 數(shù)據(jù)處理器(331)，用于基于所述所關(guān)注對(duì)象(107)的所述數(shù)據(jù)信號(hào)來產(chǎn)生圖像，其中，所述數(shù)據(jù)處理器(331)適于執(zhí)行以下的操作 裝入所述數(shù)據(jù)信號(hào)；通過相加一常數(shù)來修改每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)；并且將迭代算法用于所述修改后的數(shù)據(jù)信號(hào)，直到產(chǎn)生所述所關(guān)注對(duì)象的 三維圖像為止。
11、 如權(quán)利要求10所述的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其中 所述迭代算法是最大似然算法；并且 所述產(chǎn)生的圖像具有最高似然性。
12、 一種斷層造影系統(tǒng)，包括 輻射源(104)，其適于發(fā)出輻射波束(106);輻射檢測器(108)，其適于在所述波束(106)經(jīng)過受檢查對(duì)象(107)之后檢 測所述波束(106);存儲(chǔ)器(332)，用于存儲(chǔ)由所述輻射檢測器(108)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)；以及數(shù)據(jù)處理器(331)，用于基于所述數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生圖像，其中，所述數(shù)據(jù) 處理器(331 )適于執(zhí)行以下操作 裝入所述數(shù)據(jù)信號(hào)；通過相加一常數(shù)來修改每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)；并且將迭代算法用于所述修改后的數(shù)據(jù)信號(hào)，直到產(chǎn)生所述受檢査對(duì)象的 三維圖像為止。
13、 一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中存儲(chǔ)了計(jì)算機(jī)程序，用于基于數(shù)據(jù)信 號(hào)，具體而言是基于由計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)，來產(chǎn)生圖 像，所述計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)包括具有輻射源(104)和輻射檢測器(108)的斷 層造影設(shè)備(IOO)，當(dāng)被處理器(331)執(zhí)行時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序適于執(zhí)行以下 步驟將所述數(shù)據(jù)信號(hào)裝入數(shù)據(jù)處理器(331); 通過相加一常數(shù)來修改每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)；并且將迭代算法用于所述修改后的數(shù)據(jù)信號(hào)，直到產(chǎn)生受檢査對(duì)象(107)的 三維圖像為止。
14、 一種程序模塊，用于基于數(shù)據(jù)信號(hào)，具體而言是基于由計(jì)算機(jī)斷 層造影系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)，來產(chǎn)生圖像，所述計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)包 括具有輻射源(104)和輻射檢測器(108)的斷層造影設(shè)備(100)，當(dāng)被處理器 (331)執(zhí)行時(shí)，所述程序模塊適于執(zhí)行以下步驟將所述數(shù)據(jù)信號(hào)裝入數(shù)據(jù)處理器(331); 通過相加一常數(shù)來修改每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)；并且將迭代算法用于所述修改后的數(shù)據(jù)信號(hào)，直到產(chǎn)生受檢査對(duì)象(107)的 三維圖像為止。
全文摘要
用于基于由計(jì)算機(jī)斷層造影系統(tǒng)所獲得的投影數(shù)據(jù)信號(hào)來重構(gòu)三維圖像的迭代方法常常導(dǎo)致錯(cuò)誤的吸收系數(shù)，尤其是對(duì)于包括受檢查對(duì)象的空腔的區(qū)域。而且，迭代方法對(duì)于計(jì)算這種吸收系數(shù)顯示了較慢的收斂。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種方法，用于基于修改后的數(shù)據(jù)信號(hào)的三維圖像的高級(jí)重構(gòu)。所述修改包括將恒定吸收值與所測量的投影數(shù)據(jù)相加。有利的是，所述恒定吸收值是穿過具有水的空間恒定吸收系數(shù)的虛擬身體的吸收線積分。所述虛擬身體優(yōu)選的具有稍大于所關(guān)注對(duì)象的體積。
文檔編號(hào)G06T1/60GK101331516SQ200680047107
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2006年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者A·齊格勒, M·格拉斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司