專利名稱：由不完全錐形束投影數(shù)據(jù)再現(xiàn)物體三維ct圖象用的方法和裝置的制作方法
在此公開及請(qǐng)求保護(hù)的本發(fā)明，涉及以下共同指定的專利申請(qǐng)主題，因而這些專利申請(qǐng)全部的公開，在此合并引作參考并此同時(shí)由Kwok C.Tam提交的申請(qǐng)?zhí)枮?，發(fā)明名稱為“將錐形束X射線投影數(shù)據(jù)變換為平面積分并再現(xiàn)物體三維CT圖象用的方法和裝置”的專利申請(qǐng)〔RD-20039〕，以及并此同時(shí)由Kwok C.Tam提交的申請(qǐng)?zhí)枮?，發(fā)明名稱為“由錐形束投影數(shù)據(jù)或由平面積分再現(xiàn)物體三維CT圖象用的并行處理方法和裝置”的專利申請(qǐng)〔RD-19564〕。
本發(fā)明總地涉及三維計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影術(shù)(CT)，更確切地說，涉及由不完全X射線錐形束投影數(shù)據(jù)再現(xiàn)物體三維圖象用的方法和裝置。
在傳統(tǒng)的既為醫(yī)學(xué)且為工業(yè)應(yīng)用的CT中，采用的是扇形束的X射線和線列陣的檢測(cè)器。所獲得的是二維成象。當(dāng)數(shù)據(jù)組為完整的，而且象質(zhì)也相當(dāng)高時(shí)，只有物體的單一切片(Slice)能被同時(shí)成象。在需要三維圖象時(shí)，采用的是“切片堆疊”的方法。同時(shí)取得三維數(shù)據(jù)組的二維切片，本來就是緩慢而費(fèi)時(shí)的。此外，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，由于相鄰的切片無法同時(shí)成象，所以會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)的贗象。而且，由于切片之間的距離通常都比X射線準(zhǔn)直器的孔徑小，所以能利用的輻射劑量要比最佳劑量低，其結(jié)果是使身體的許多部位要被雙重照射。
比較更新一些的基于所謂的錐形束幾何結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的方法，所采用的是二維列陣的檢測(cè)器來替代線性列陣的檢測(cè)器，以及錐形束的X射線源來替代扇形束的X射線源。整個(gè)物體隨時(shí)都被錐形束的X射線源照射，因而錐形束掃描要比使用扇形束或平行束進(jìn)行一個(gè)切片一個(gè)切片地掃描要快得多。而且，由于物體上的每個(gè)“點(diǎn)”是靠X射線以三維而不是二維的方式進(jìn)行觀察的，故所達(dá)到的對(duì)比度要比使用傳統(tǒng)的二維X射線CT可能達(dá)到的高得多。為了獲得錐形束投影數(shù)據(jù)，最好對(duì)物體在360°的角度范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，或者通過讓X射線源在適當(dāng)?shù)膾呙柢壍?例如圍繞該物體的圓形軌道上)上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持此二維列陣檢測(cè)器相對(duì)此X射線源固定不動(dòng);或者通過轉(zhuǎn)動(dòng)該物體，同時(shí)讓X射線源和檢測(cè)器保持不動(dòng)。在兩種情況下，都是靠X射線源和物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)掃描的。
然而X射線CT中的圖象再現(xiàn)過程，都是基于氡逆變(inversion)過程基礎(chǔ)上的，其中的物體圖象是由物體的氡變換總額再現(xiàn)的。二維物體的氡變換，是由與該物體相交的各條線上物體密度的積分構(gòu)成的。三維物體的氡變換，是由平面積分構(gòu)成的。通過逆變由錐形束掃描數(shù)據(jù)再現(xiàn)出圖象，一般包括兩個(gè)步驟，即(1)在氡空間中將錐形束數(shù)據(jù)變換為平面積分，以及(2)在平面積分上完成逆氡變換，以獲得圖象。
三維成象用的錐形束幾何結(jié)構(gòu)，在某些文獻(xiàn)中進(jìn)行過廣泛地討論，如由下文作為代表Gerald N.Minerbo發(fā)表在IEEE Trans.Nucl.Sci.，NS-26卷，NO.2，第2682-2684頁(1979，4)上的“由錐形束投影數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積再現(xiàn)”;Heang K.Tuy發(fā)表在SIAM J.Math.，43卷，NO.3，第546-552頁(1983，6)上的“錐形束再現(xiàn)用的逆變公式”，以及Bruce D.Smith發(fā)表在IEEE Trans.Med.Imag.，MI-44卷，第1425頁(1985，3)上的“由錐形束投影再現(xiàn)圖象必要和充分的條件及再現(xiàn)方法”。
取決于為得到錐形束投影數(shù)據(jù)所采用的掃描圖形，氡空間中的數(shù)據(jù)組可能是不完全的。盡管圖象再現(xiàn)肯定仍可以通過逆氡變換來進(jìn)行，但贗象可能會(huì)引入，其結(jié)果是對(duì)于醫(yī)學(xué)診斷或部件質(zhì)量檢測(cè)來說，圖象可能是不完備的。
一種典型的采用錐形束幾何構(gòu)形的掃描及數(shù)據(jù)獲得結(jié)構(gòu)，表示在

圖1中。物體20位于錐形束X射線點(diǎn)狀輻射源22和二維檢測(cè)器列陣24之間的視場(chǎng)中，能夠提供錐形束的投影數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)軸26則穿過該視場(chǎng)和物體20。為了分析的目的，中平面28可被定義為包含此X射線點(diǎn)源22并垂直于旋轉(zhuǎn)軸26的平面。按照慣例，旋轉(zhuǎn)軸26稱之為Z軸，而且旋轉(zhuǎn)軸26與中平面28的交點(diǎn)取作坐標(biāo)原點(diǎn)。如圖所示，X和Y軸位于中平面28內(nèi)，而且此(x，y，z)坐標(biāo)系隨著X射線源22和檢測(cè)器24一起旋轉(zhuǎn)。為了從多種角度位置上對(duì)物體20進(jìn)行掃描，X射線源22應(yīng)沿著位于中平面28內(nèi)的圓形掃描軌道30相對(duì)此物體20及視場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)讓檢測(cè)器24相對(duì)此源22保持不動(dòng)。
因此，在圖1的構(gòu)形中，在圍繞該物體的許多角度位置上取得數(shù)據(jù)，是靠X射線源22和檢測(cè)器24沿此單一圓形掃描軌道30進(jìn)行掃描(或者等效于讓該物體旋轉(zhuǎn)，而源和檢測(cè)器保持固定)。然而如在上述文獻(xiàn)(例如Smith 1985年的文章)中說明及在下文中更詳細(xì)描述的那樣，按這種單一掃描收集到的數(shù)據(jù)組是不完全的。如上文指出的那樣，在氡空間中失去的數(shù)據(jù)會(huì)在圖象再現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生贗象，其結(jié)果是對(duì)于醫(yī)學(xué)診斷或者部件質(zhì)量檢測(cè)來說，圖象可能是不完備的。
Smith在上述1985年的文章中曾經(jīng)表明，如果在穿過研究中的物體的每一平面上都存在來自該X射線源掃描軌道的點(diǎn)(假定檢測(cè)器相對(duì)于X射線源鎖定，并且大到足以掃描被檢查的物體)，那么錐形束數(shù)據(jù)組就是完整的。由Minerbo(上述1979年文章)和Tuy(上述1983年文章)提出來的構(gòu)形(Smith指出能夠滿足其數(shù)據(jù)完整性條件)，采用的是彼此垂直的兩個(gè)圓形的源掃描軌道。然而這樣的掃描構(gòu)形并不總是實(shí)用的，如在物體的一維方向非常長(zhǎng)(例如人體)的情況下。此外，在兩個(gè)垂直的圓上進(jìn)行掃描，會(huì)使作用于物體的X射線劑量加倍，這在某些情況下是不能容許的。
還可以注意到另外一種能獲得數(shù)據(jù)完整性的掃描構(gòu)形，被公開在共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng)NO.07/572，651中，是1990，8，27由Eberhard等人提交的，名稱為“三維CT中為數(shù)據(jù)完整性用的方波錐形束掃描軌道”。能將數(shù)據(jù)不完整性減至最低的掃描構(gòu)形，被公開在共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng)NO.07/572，590中，是1990，8，27由Eberhard提出的，發(fā)明名稱為“三維CT中用于減少數(shù)據(jù)不完整性用的雙平行錐形束圓形掃描軌道”。盡管都能有效地消除或減少數(shù)據(jù)組的不完整性，然而這些方法中的每一種都能對(duì)錐形束X射線掃描構(gòu)形增加某種復(fù)雜性，例如通過額外地要求圍繞轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或者通過要求額外的X射線源和檢測(cè)器。加之，它們都要增加X射線的劑量。因此，通常多采用的掃描幾何結(jié)構(gòu)，是圖1中表示的圓形掃描幾何結(jié)構(gòu)。
在如上述作為通過逆變由錐形束掃描數(shù)據(jù)再現(xiàn)圖象的兩個(gè)總體步驟的意義上，可以相關(guān)地指出，上述聯(lián)案申請(qǐng)-〔RD-20039〕公開了一些有效的方法和裝置，用來將X射線錐形束數(shù)據(jù)變換為對(duì)于氡空間中一組共軸的垂直平面的平面積分，或變換為代表平面積分的值。上述聯(lián)案申請(qǐng)-〔RD-19564〕，則公開了由對(duì)于這組共軸的垂直平面進(jìn)行平面積分開始，進(jìn)行逆氡變換用的兩步方法。作為逆氡變換方法中的步驟1，一種二維CT再現(xiàn)方法(例如濾波的回填投影)，被利用來由此平面積分計(jì)算出該物體在每一平面上的二維投影象。作為步驟2，在一些水平平面內(nèi)確定一些切片，而且物體的三維圖象被一個(gè)切片一個(gè)切片地再現(xiàn)，是靠對(duì)于每一切片采用二維CT再現(xiàn)的方法(例如濾波的回填投影)，在該切片平面內(nèi)二維投影圖象值上進(jìn)行運(yùn)算，以計(jì)算出該物體對(duì)于每一切片的二維圖象來再現(xiàn)的。
因此，本發(fā)明的目的，在于提供由不完全X射線錐形束投影數(shù)據(jù)再現(xiàn)物體三維圖象的方法和裝置。
本發(fā)明的相關(guān)目的，在于提供由單個(gè)圓形X射線源掃描軌道上得到的X射線錐形束投影數(shù)據(jù)，替代提供額外的X射線源在氡空間中掃描使數(shù)據(jù)完整化，來再現(xiàn)物體三維圖象用的方法和裝置。
根據(jù)本發(fā)明提供的方法和裝置，用來由諸如由單個(gè)圓形X射線源掃描軌道或由多個(gè)平行的圓形X射線源掃描軌道得到的不完全的錐形束投影數(shù)據(jù)再現(xiàn)物體的三維象。作為預(yù)備性步驟，是由X射線錐形束數(shù)據(jù)，確定氡空間中對(duì)于包含參考軸的多個(gè)平面的平面積分，例如每個(gè)都包含垂直軸的多個(gè)垂直平面上。在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置中，代表平面積分的值，可以靠工作在錐形束投影數(shù)據(jù)上的適當(dāng)?shù)奶幚砥鱽泶_定。
除了X射線錐形束投影數(shù)據(jù)之外，對(duì)于包含參考軸的多個(gè)平面的每一平面取得物體的邊界信息。該物體的邊界信息，最好能通過采用包括點(diǎn)光源(例如與物體分開足夠距離的激光器，以使其至少接近平行束)的光學(xué)掃描器以及兩維光學(xué)檢測(cè)器(如普通視頻攝象機(jī))來獲得。于是，物體的邊界信息，包含該物體對(duì)多個(gè)平面中每一平面的陰影，而沒有物體的密度信息。
然后，根據(jù)上述聯(lián)案申請(qǐng)-〔RD-19564〕中公開的再現(xiàn)技術(shù)，在包含參考軸的每一平面上采用二維CT再現(xiàn)方法(例如濾波的回填投影)來計(jì)算該物體在特定平面上的二維投影象。如在上述聯(lián)案申請(qǐng)-〔RD-19564〕中詳細(xì)說明的那樣，如此再現(xiàn)于氡空間中包含參考軸的每一共軸平面上的圖象，就是三維物體在特定平面上的投影，換而言之，即通常所謂的數(shù)字X射線熒光檢查(DF)或數(shù)字X射線攝影(DR)圖象。
接下去，采用迭代方法來校正氡空間中包含參考軸的每一平面上的二維投影圖象，除二維投影象之外，還要利用該物體對(duì)此特定平面的邊界信息。特別是，圖象在二維投影象空間和氡空間之間進(jìn)行來回變換，在二維投影象空間中，由對(duì)于該物體的先驗(yàn)信息(其中包括該物體對(duì)此特定平面的邊界信息)進(jìn)行校正;在氡空間中，由平面積分進(jìn)行校正。氡空間中每一平面上的二維投影象，最好通過再投影由投影象空間變換到氡空間，通過濾波的回填投影由氡空間變換到投影象空間。
最后，如在上述聯(lián)案申請(qǐng)?zhí)?〔RD-19564〕中公開過的那樣，在與參考軸垂直的平面內(nèi)確定一些切片(例如與垂直軸垂直的水平切片)，而且對(duì)于每一切片來說，通過采用二維再現(xiàn)方法(例如濾波的回填投影)，在此切片平面內(nèi)二維投影圖象值上計(jì)算出該物體對(duì)于每一切片的二維圖象，來一個(gè)切片一個(gè)切片地再現(xiàn)該物體的三維象。
本發(fā)明的新特點(diǎn)在所附的權(quán)利要求書中具體提出，本發(fā)明的構(gòu)成方式和內(nèi)容及其其它目的和性能，從以下結(jié)合附圖所作的描述中，將會(huì)更好地熟悉和理解，其中圖1如上文所指，表示三維CT用的傳統(tǒng)錐形束掃描幾何結(jié)構(gòu);
圖2a，2b，2c，2d，2e和2f為描繪氡變換法進(jìn)行三維CT成象的圖解;
圖3為在給定點(diǎn)處物體的三維氡變換表示;
圖4a及4b表示在三維錐形束CT情況下氡空間的填充;
圖5表示與圖1對(duì)應(yīng)的圓形掃描軌道;
圖6表示當(dāng)采用圖1及圖5的掃描圖形時(shí)，氡空時(shí)中可用數(shù)據(jù)的區(qū)域和丟失數(shù)據(jù)的區(qū)域;
圖7表示在多個(gè)共軸垂直平面中每一平面上的二維投影象再現(xiàn);
圖8表示三維物體在單個(gè)垂直平面上的二維投影象;
圖9為用于校正每一共軸垂直平面上二維投影象的迭代方法流程圖;
圖10表示用來獲得對(duì)于每一垂直平面上的二維投影象的精確邊界信息用的光學(xué)掃描構(gòu)形;
圖11表示物體一個(gè)切片一個(gè)切片地在每一個(gè)垂直平面上的再現(xiàn);以及圖12為根據(jù)本發(fā)明的裝置的方框圖。
鑒于本發(fā)明的目標(biāo)是當(dāng)由圖1的錐形束掃描圖形得到的數(shù)據(jù)組不完整時(shí)再現(xiàn)物體的三維象，因此，所謂的數(shù)據(jù)組不完整性指的是什么，接下去將予以定義和描述，并繼之以對(duì)本發(fā)明方法和裝置的說明。
數(shù)據(jù)組的完整性，可以非常清楚和精確地根據(jù)氡變換法進(jìn)行三維成象(表示在圖2a至2f中)加以定義。此外，本發(fā)明就是利用氡變換方法進(jìn)行實(shí)際再現(xiàn)的。
物體本身可根據(jù)其X射線衰減系數(shù)f(x，y，z)加以定義(圖2a)。那么測(cè)得的錐形束投影數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于該函數(shù)在輻射方向上的線積分，X(θ)＝∫f(r，θ，z0)dr(圖2b)。檢測(cè)器數(shù)據(jù)的線積分(又稱為檢測(cè)器積分)，是由∫X(θ)dθ＝∫∫f(r，θ，z0)dr dθ給出的(圖2c)。在平行束的情況下，這些檢測(cè)器積分簡(jiǎn)單地等于物體的氡變換。然而在錐形束的情況下，氡變換代之以下式∫∫f(r，θ，z0)r dr dθ給出(圖2d)。氡變換積分中的附加因子r，是由于從笛卡爾坐標(biāo)變換為極坐標(biāo)的坐標(biāo)變換雅可比行列式產(chǎn)生的。如在圖2e及2f中表示的那樣，逆氡變換過程能從檢測(cè)器積分中再現(xiàn)出三維CT圖象。由于直接的逆氡變換要求以物體的平面積分作為輸入，所以將錐形束檢測(cè)器積分變換成平面積分的預(yù)備性步驟，可以采用。
指出這一點(diǎn)是有意義的，如果數(shù)據(jù)組能提供出氡變換空間中每一點(diǎn)的數(shù)據(jù)，那么該數(shù)據(jù)組就是完整的。也就是說，氡空間是為遍及支承區(qū)域的數(shù)據(jù)填滿的，而此支承區(qū)域與真實(shí)空間中的視場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，感興趣的物體在該真實(shí)空間范圍內(nèi)。
如在圖3中表示的那樣，在點(diǎn)X0，Y0，Z0處物體的三維氡變換，是由X射線衰減系數(shù)在通過該點(diǎn)X0，Y0，Z0的平面(即垂直于原點(diǎn)至該點(diǎn)X0，Y0，Z0的直線的平面)上的面積積分給出的，并可表示為
R(x0，y0，z0)＝∫∫f(x，y，z)da (1)平面對(duì)于二維氡變換來說，除了積分是對(duì)于直線而不是對(duì)于平面之外，情況是類似的。
任何掃描及數(shù)據(jù)獲取結(jié)構(gòu)，都能對(duì)氡空間的某個(gè)體積上提供數(shù)據(jù)。有關(guān)的三維錐形束情況表示在圖4a及4b中。與圖4a及4b對(duì)應(yīng)的，是上文描述的圖1以及圖5和圖6。其中，圖5表示單個(gè)圓形X射線源掃描軌道32，環(huán)繞在半徑為R的球形視場(chǎng)34周圍，在該場(chǎng)中物體被掃描;圖6則以橫截面的形式，表示氡空間中等半徑的球36(包括作為球形視場(chǎng)34的支承區(qū))與代表氡空間中可以獲得數(shù)據(jù)區(qū)域的復(fù)曲面體38相交的情形。在圖6中，每側(cè)的復(fù)曲面體38的直徑，等于源到旋轉(zhuǎn)軸的距離D。
在圖4a和4b中，表示在氡空間中的示范點(diǎn)R，對(duì)應(yīng)于沿著檢測(cè)器數(shù)據(jù)的頂線的檢測(cè)器積分。氡空間中作為單一視角下的所有檢測(cè)器線積分的那些點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于直徑等于源至旋轉(zhuǎn)中心距離的球的截面。在每一種視角下產(chǎn)生出數(shù)據(jù)的新球殼，而且對(duì)于360°掃描來說，可獲得的數(shù)據(jù)落在復(fù)曲面體38內(nèi)(圖6)。
因此，如圖6中表示的那樣，氡空間中再現(xiàn)用的數(shù)據(jù)，在球36中該球與復(fù)曲面體38相交處的那些點(diǎn)上能夠得到，如用“數(shù)據(jù)”一詞表示的地方。如由“丟失數(shù)據(jù)”一詞表示的那樣，對(duì)于氡球36的頂部和底部的點(diǎn)來說，由于這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)于與X，Y平面平行或接近平行的平面，而且由于X射源的錐形束特性，致使對(duì)于這些平面不能得到數(shù)據(jù)，所以對(duì)于這些點(diǎn)缺少了數(shù)據(jù)。當(dāng)Z接近于中平面時(shí)，失去數(shù)據(jù)的區(qū)域變窄，而且對(duì)于Z＝O(在中平面上)來說，所有需要的數(shù)據(jù)都能夠得到。對(duì)于物體來說，如果氡空間中球內(nèi)的所有投影數(shù)據(jù)都能得到，那么物體的圖象就能夠單值地再現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，失去的投影數(shù)據(jù)，通過使用在分立的光學(xué)掃描中得到的物體邊界信息進(jìn)行迭代處理，能夠被填充。
上述方程式(1)的平面積分，還可以表示為R(s，
)＝∫d3rδ(s-r·
)f(r) (2)其中
＝(sinθcosφ，sinθsinφ，cosφ)是表征該平面法線的方向向量;s為該平面離原點(diǎn)的距離;而且f(r)為三維物體。
總之，R(s，
)表示物體在法線為
、距原點(diǎn)距離為s的平面上的積分密度。此平面積分R(s，
)又被稱為氡數(shù)據(jù)。
通過逆氡變換，可由其平面積分R再現(xiàn)出三維物體f(r)，此逆氡變換可表示為
如在上述聯(lián)案申請(qǐng)-〔RD-19564〕中詳細(xì)公開的那樣，方程式(3)中表示的逆氡變換，可以通過兩步過程來實(shí)現(xiàn)。步驟1，包括下文參照?qǐng)D7描述的在許多包含Z軸的垂直平面上的二維CT圖象再現(xiàn)。步驟2則包括下文參照?qǐng)D11描述的，在許多水平平面上的二維CT圖象再現(xiàn)。
如圖7中表示的預(yù)備性步驟，是在氡空間中包含參考軸的許多平面上(例如在包含垂直參考軸48的垂直平面40，42，44及46上)確定及組織平面積分。如由Minerbo的上述1979年文章表明的那樣，數(shù)據(jù)p(s，
)表示物體f(x，y，z)在與方向
垂直的平面上的平面積分，而且可從錐形束掃描數(shù)據(jù)中得到。該方法包括在檢測(cè)器平面內(nèi)的一些直線上面，對(duì)檢測(cè)器讀數(shù)進(jìn)行積分。然而用來確定此平面積分的優(yōu)選方法，公開在上述聯(lián)案同時(shí)提交的申請(qǐng)-〔RD-20039〕中。
作為第一個(gè)后續(xù)性步驟(步驟1)，也表示在圖7中，一種二維CT再現(xiàn)方法(例如但并不局限于濾波的回填投影)，被利用來計(jì)算物體在包含參考軸48的每一平面上(即在如平面40，42，44及46的每一個(gè)垂直平面上)的二維投影象(例如象50)。換言之，整個(gè)氡數(shù)據(jù)組被包含Z軸或參考軸48的許多垂直平面分割開，而且在這些垂直平面中每一平面上的二維投影象，可從每一特定平面上的數(shù)據(jù)組中得到再現(xiàn)。
圖8表示，再現(xiàn)的圖象代表三維物體在相應(yīng)垂直平面上的二維投影象。換句話說，三維物體在每一垂直平面上的平面積分投影，與物體在該平面上的二維投影象的線積分投影一樣。因此，由垂直平面上的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維圖象再現(xiàn)，能夠得出二維投影象。按這種方法觀察，將會(huì)意識(shí)到，每一垂直平面上失去的信息，可以作為失去的相應(yīng)二維投影象的線積分投影數(shù)據(jù)來看待。
根據(jù)本發(fā)明，這些失去的投影數(shù)據(jù)，是靠使用在該投影象上的先驗(yàn)信息經(jīng)過迭代處理再現(xiàn)的，其中的迭代處理是建立在K.C.Tam和V.Perez-Mendez的分析基礎(chǔ)上的，參見“使用有限角度輸入的層析X射線攝影成象”一文，J.Opt.Soc.Am.，71卷，NO.5，第582-592頁(1981.5)。
更具體地說，圖9表示迭代方法，由此，在氡空間中每一共軸平面上的二維投影象，通過使該圖象在二維投影象空間和氡空間之間進(jìn)行來回變換加以校正，在二維投影象空間，由對(duì)于該物體的先驗(yàn)信息(其中包括該物體對(duì)此特定平面的邊界信息)進(jìn)行校正;在氡空間中，由平面積分進(jìn)行校正。
因此，圖9的迭代方法是從方框60中測(cè)得的平面積分(氡數(shù)據(jù))開始的，它是由X射線錐形束掃描計(jì)算出來的平面積分。應(yīng)當(dāng)理解，盡管這些平面積分本身并不是直接測(cè)出來的，但由于它們是由實(shí)際測(cè)量X射線衰減數(shù)據(jù)得到的，故在此被稱作“測(cè)得的”平面積分。
在方框62中，氡空間中每個(gè)共軸平面上完整的氡數(shù)據(jù)組，如圖6中所示，是由測(cè)得的平面積分和失去的氡數(shù)據(jù)構(gòu)成的。在第一次通過圖9的迭代處理時(shí)，開始將失去的氡數(shù)據(jù)置零，以使由方框60測(cè)得的平面積分能夠有效地直接通過方框62。
隨后以方框64表示在二維投影空間中通過濾波的回填投影再現(xiàn)二維投影象的步驟，其所對(duì)應(yīng)的是上文所指的步驟1。這歸納為可被看作對(duì)二維投影象的初始預(yù)算，然后在方框66中由有關(guān)物體的先驗(yàn)信息對(duì)此二維投影象進(jìn)行校正。如在方框68中表示的那樣，有關(guān)該物體的先驗(yàn)信息，包括該物體的范圍和位置(即上文所稱的該物體的邊界信息)、物體密度的上限(大家都知道是基于構(gòu)成該物體特定材料基礎(chǔ)上的)以及物體密度不能為非負(fù)這樣的事實(shí)?；氐椒娇?6，物體的二維投影象一個(gè)象素一個(gè)象素地得到校正，是靠將基于邊界信息上的物體已知范圍外的那些象素復(fù)位到零;將具有密度超出上限的那些象素復(fù)位到上限，以及將具有負(fù)密度的那些象素復(fù)位到零來實(shí)現(xiàn)的。
在方框70中作出對(duì)收斂進(jìn)行檢驗(yàn)，直到迭代過程完成為止，收斂檢驗(yàn)的結(jié)果為“否”，因而在方框72中，圖象由二維投影象空間通過再投影變換回氡空間，以計(jì)算出失去的氡數(shù)據(jù)。
然后將由方框72計(jì)算出來的丟失的氡數(shù)據(jù)輸入方框62的校正步驟，以對(duì)完整的氡數(shù)據(jù)組給出矯正了的預(yù)算。
所以該過程繼續(xù)到方框70對(duì)收斂的檢驗(yàn)至“是”為止，從而以校正過的二維投影象作為方框74的輸出。
圖10表示一種掃描圖形，靠它來取得對(duì)于每一垂直平面上的投影象的精確的邊界信息，以在迭代過程中作為物體的先驗(yàn)范圍和位置。在圖10中，采用的是遠(yuǎn)處的激光點(diǎn)源76和光學(xué)記錄器78來對(duì)物體20進(jìn)行掃描，在每一激光源位置上物體的陰影80，被光學(xué)記錄器記錄。激光點(diǎn)源76與物體分開的距離足夠遠(yuǎn)，以致于至少使其光束約為平行束。任何適合的光學(xué)記錄器都可以采用，例如視頻攝象機(jī)。然而，由于只需要該陰影的形狀而不是它的密度，因而光學(xué)記錄器并不要求記錄灰度的能力，故可以采用非常簡(jiǎn)單的光學(xué)記錄器。
正如前面指出過的那樣，除了在密度不為零的區(qū)域中準(zhǔn)確的密度值之外，物體的陰影80等效于圖8中的二維投影象50。于是，陰影80不是為零就是不為零，基本上就是一個(gè)二元象，并可提供在投影象再現(xiàn)中用作先驗(yàn)信息的邊界。
在激光掃描中由物體陰影80提供的邊界，是非常精確的，并且可以得到投影圖象的內(nèi)部和外部邊界。如果此投影象包含空腔(如在工業(yè)零件的情況下)，那么這些腔也能在被記錄的陰影中表現(xiàn)出來。其結(jié)果是，在恢復(fù)失去的氡數(shù)據(jù)方面，迭代法能夠卓有成效地運(yùn)用，即能對(duì)每一垂直平面上的二維投影象進(jìn)行校正。
通過光學(xué)掃描取得物體的邊界信息，可以和X射線錐形束掃描同時(shí)進(jìn)行，因此X射線點(diǎn)源22和二維列陣的檢測(cè)器24也表示在圖10中。
盡管目前并非優(yōu)選的，但應(yīng)當(dāng)理解，其它用來提供平行束的裝置也可以采用，例如在物體前面的機(jī)械掃描的銳方向性射束光源。
作為第二個(gè)后續(xù)步驟(步驟2)，表示在圖11中。在垂直于參考軸48的一些平面內(nèi)(即在水平平面如平面82，84及86上)確定一些切片，并且采用二維CT再現(xiàn)方法(如濾波的回填投影)，在該切片平面內(nèi)二維投影圖象(例如圖象88、90及92)值上進(jìn)行運(yùn)算，以計(jì)算出該物體對(duì)于每一切片的二維圖象。這些切片圖象88，90及92收集在一起，構(gòu)成一個(gè)切片一個(gè)切片的三維圖象。整個(gè)步驟2的方法，在上述聯(lián)案申請(qǐng)-〔RD-19564〕中作過更加詳細(xì)的描述。
圖12表示實(shí)施本發(fā)明的所有裝置，概括以94表示。該裝置94包括如上文所述參照?qǐng)D1的由點(diǎn)源22及檢測(cè)器列陣24組成的典型X射線錐形束掃描結(jié)構(gòu);與二維X射線檢測(cè)器24相聯(lián)的數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)(DAS)96;用于獲得上文中參照?qǐng)D10描述的物體邊界信息用的激光光源76和二維光學(xué)檢測(cè)器78，以及與光學(xué)列陣檢測(cè)器78相聯(lián)的光學(xué)數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)(DAS)98。
在進(jìn)行工作時(shí)，透過物體的X射線光子被檢測(cè)器列陣24檢測(cè)，并由數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)(DAS)96記錄。在由空氣信號(hào)歸一化并變換為負(fù)對(duì)數(shù)之后的光子計(jì)數(shù)，代表經(jīng)過該物體20的線積分。于是，通過讓源22及檢測(cè)器24沿著掃描軌道30掃描(或者等效于讓該物體20旋轉(zhuǎn)，而源22及檢測(cè)器24保持不動(dòng))，便可在圍繞該物體20的許多源位置上獲得數(shù)據(jù)。
除此而外，要么同時(shí)、提前或者在取得X射線錐形束數(shù)據(jù)之后，讓由激光源和光學(xué)檢測(cè)器組成的裝置對(duì)該物體進(jìn)行掃描，并在數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)(DAS)98上為圖7中每一垂直平面獲得物體邊界信息。
由于錐形束X射線掃描和光學(xué)掃描彼此以典型90°定位，因此能夠理解，所得到的X射線數(shù)據(jù)組和光學(xué)數(shù)據(jù)組其后按角度進(jìn)行匹配，以致于所得到的投影象能同每一垂直平面相應(yīng)。
兩個(gè)數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)96和98分別接在典型的處理器100上面，通過履行上文描述的方法，用于再現(xiàn)物體20的三維圖象。因此，處理器100包括用來由X射線錐形束投影數(shù)據(jù)計(jì)算在氡空間中包含參考軸的多個(gè)平面上平面積分的裝置;以及采用施加在此平面積分上的二維CT再現(xiàn)方法，計(jì)算該物體在多個(gè)平面中每一平面上二維投影象的裝置。這種有代表性的處理器100，最好包括如在上述聯(lián)案申請(qǐng)-〔RD-19564〕中更具體描述的、按并聯(lián)方式工作的多個(gè)專門的二維CT再現(xiàn)處理器。
這種有代表性的處理器100，另外還包括通過讓圖象在二維投影象空間和氡空間之間進(jìn)行來回變換，以迭代校正氡空間中各垂直平面上二維投影象的裝置在二維投影象空間中，由有關(guān)該物體的先驗(yàn)信息(其中包括由采用激光點(diǎn)源及光學(xué)檢測(cè)器確定的對(duì)特定平面的光學(xué)邊界信息)進(jìn)行校正;在氡空間中，由X射線錐形束掃描得到的平面積分進(jìn)行校正。
最后，這種有代表性的處理器100還包括兩個(gè)裝置，一個(gè)用來在垂直于參考軸的平面的切片內(nèi)，組織對(duì)包含參考軸的每一平面上二維投影象校正;另一個(gè)用來計(jì)算該物體對(duì)于每一切片的二維投影象，從而將對(duì)于這些切片的二維投影象匯集在一起，表示該物體的三維象。此外，如在上述聯(lián)案申請(qǐng)-〔RD-19564〕中更詳細(xì)描述的那樣，此后一個(gè)用來計(jì)算該物體對(duì)于每一切片的二維投影象的裝置，最好包括按并聯(lián)方式工作的多個(gè)專用的二維CT再現(xiàn)處理器。
由上文看來，將能理解，本發(fā)明能使在許多錐形束投影中出現(xiàn)的丟失數(shù)據(jù)得到填充，使其有可能再現(xiàn)出高質(zhì)量的圖象，而不會(huì)增大X射線劑量和掃描時(shí)間或使掃描操作復(fù)雜化。根據(jù)本發(fā)明獲得及利用的物體邊界信息，同所謂要求設(shè)置額外的X射線源和檢測(cè)器以在氡空間中實(shí)際上提供完整的數(shù)據(jù)組相比，是能夠比較簡(jiǎn)單和便宜地得到的。
權(quán)利要求
1.一種由不完全錐形束投影數(shù)據(jù)再現(xiàn)物體三維象用的方法，所述方法包括由錐形束投影數(shù)據(jù)，確定能代表氡空間中包含參考軸的多個(gè)平面上的平面積分的值；對(duì)物體進(jìn)行掃描，以取得對(duì)包含參考軸的多個(gè)平面中每一平面的物體邊界信息；在氡空間中包含參考軸的多個(gè)平面的每一平面上，采用二維CT再現(xiàn)方法計(jì)算出該物體在此特定平面上的二維投影象；通過將圖象在二維投影象空間和氡空間之間進(jìn)行來回變換，對(duì)氡空間中包含參考軸的多個(gè)平面中每一平面上的二維投影象進(jìn)行迭代校正在二維投影象空間中，由有關(guān)該物體的先驗(yàn)信息進(jìn)行校正，其中包括該物體對(duì)此特定平面的邊界信息；在氡空間中，由此平面積分進(jìn)行校正，以及在與參考軸垂直的一些平面內(nèi)確定切片，通過對(duì)于每一切片采用二維CT再現(xiàn)方法，在該切片平面內(nèi)被校正的二維投影圖象值上，計(jì)算出該物體對(duì)此一些切片中每一切片的二維圖象，一個(gè)切片一個(gè)切片地再現(xiàn)出該物體的三維圖象。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述通過掃描以取得對(duì)包含參考軸的多個(gè)平面中每一平面的物體邊界信息的步驟，包括使用至少接近平行束的光源和二維的光學(xué)檢測(cè)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述采用至少接近平行束光源的步驟，包括使用距該物體足夠遠(yuǎn)以使其接近平行束的點(diǎn)光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述對(duì)氡空間中多個(gè)平面中每一平面上二維投影象進(jìn)行迭代校正的步驟，包括通過再投影將此二維投影象由投影象空間變換到氡空間，并通過濾波的回填投影將此二維投影象由氡空間變換到投影象空間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于被利用來計(jì)算該物體在此特定平面上的二維投影象的二維CT再現(xiàn)方法，包括濾波的回填投影。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于被利用來再現(xiàn)每一切片的二維CT再現(xiàn)方法，包括濾波的回填投影。
7.一種由不完錐形束投影數(shù)據(jù)再現(xiàn)物體三維圖象用的裝置，所述裝置包括用來由錐形束投影數(shù)據(jù)，計(jì)算氡空間中包含參考軸的多個(gè)平面上的平面積分的裝置;通過采用二維CT再現(xiàn)方法應(yīng)用到平面積分上，用來計(jì)算該物體在包含參考軸的多個(gè)平面中每一平面上的二維投影象的裝置;用來取得對(duì)包含參考軸的多個(gè)平面中每一平面的物體邊界信息的光學(xué)掃描裝置;通過將圖象在二維投影象空間和氡空間之間來回變換，對(duì)氡空間包含參考軸的多個(gè)平面上每一平面上的二維投影象進(jìn)行迭代校正用的裝置在二維投影象空間中，由有關(guān)該物體的先驗(yàn)信息進(jìn)行校正，其中包括該物體對(duì)此特定平面的邊界信息;在氡空間中，由此平面積分進(jìn)行校正，以及用來將包含參考軸的多個(gè)平面中每一平面上被校正的二維投影象，組織成在垂直于參考軸的一些平面中的切片，并且用來計(jì)算該物體對(duì)此一些切片中每一切片的二維投影象的裝置;從而將對(duì)于每一切片的二維圖象匯集在一起，再現(xiàn)該物體的三維圖象。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其特征在于所述的光學(xué)掃描裝置，包括距該物體足夠遠(yuǎn)以使其接近平行束的點(diǎn)光源和二維光學(xué)檢測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由不完全X射線錐形束投影數(shù)據(jù)再現(xiàn)物體三維CT圖象用的方法和裝置，額外地采用了由分開的光學(xué)掃描得到的物體的邊界信息。通過對(duì)于每一切片采用諸如濾波的回填投影的二維再現(xiàn)方法，在切片平面內(nèi)二維投影圖象值上計(jì)算出該物體對(duì)每一切片的二維圖象，一個(gè)切片一個(gè)切片地再現(xiàn)該物體的三維圖象。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1062609SQ91111690
公開日1992年7月8日 申請(qǐng)日期1991年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月21日
發(fā)明者譚國(guó)昌 申請(qǐng)人:通用電氣公司