電子密度圖像的聯(lián)合重建的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于生成圖像的方法、圖像處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)程序單元和計(jì)算機(jī)可讀 介質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)X射線成像關(guān)注于作為提供在各種類型的人類組織之間的對比的物理量的衰 減。最近，如雙能量成像或相位對比成像的其他成像技術(shù)提供與如被成像組織的電子密度、 折射率遞減或散射橫截面的不同物理量有關(guān)的信息。似乎在基于衰減的成像或基于折射率 成像中的任一個(gè)中圖像對比（即，在圖像元素之間的相對差異)能夠更為顯著，并且似乎不 能夠做出關(guān)于這兩個(gè)成像技術(shù)中的一個(gè)是更好的綜述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 因此，可能存在對用于圖像生成的方法和相關(guān)裝置或系統(tǒng)的需要以魯棒性地改善 在廣泛的應(yīng)用中的圖像質(zhì)量。
[0004] 本發(fā)明的目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題來解決，其中，在從屬權(quán)利要求中包含另 外的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的以下描述的方面同樣適用于圖像處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)程序單 元和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于生成對象中的電子密度分布的圖像的方 法，其包括以下步驟：
[0006] 接收：
[0007] i)針對至少一個(gè)能量值，如由輻射敏感探測器探測的相位對比正弦圖尸?，其中， 涉及在輻射通過所述對象之后由所述輻射經(jīng)歷的相移的相移梯度；以及
[0008] ii)如由所述輻射敏感探測器探測的或者不同輻射敏感探測器探測的康普頓衰減 正弦圖PC，其中，PC實(shí)質(zhì)上記錄到對由所述輻射在所述的通過所述對象中經(jīng)歷的總體衰減的 康普頓散射貢獻(xiàn)；
[0009] 基于兩個(gè)正弦圖戶?和pC兩者，聯(lián)合重建所述電子密度的橫截面圖像。
[0010] 在一個(gè)實(shí)施例中，聯(lián)合重建基于(統(tǒng)計(jì))迭代重建算法，即從針對電子密度圖像的 初始估計(jì)到針對電子密度圖像的一系列后續(xù)"經(jīng)更新的"估計(jì)迭代地進(jìn)行的算法，并且本文 提出將康普頓正弦圖pc和微分相位對比正弦圖提供到所述(單一或共同）迭代重建算法 中。這允許將來自兩種不同模態(tài)或"通道"（在一方面譜或雙能量(其被用于導(dǎo)出康普頓正弦 圖）以及在另一方面相位對比，其被用于導(dǎo)出相位對比正弦圖）的與電子密度有關(guān)的投影信 息進(jìn)行組合，以由此更好地管理否則可能損壞圖像質(zhì)量的不利噪聲行為。
[0011] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，"聯(lián)合重建"尤其包括在每個(gè)迭代步驟中（或者至少在多個(gè)迭代 步驟中）生成針對兩個(gè)正弦圖的估計(jì)，并將其與實(shí)際測量的正弦圖PC和P?進(jìn)行 比較。根據(jù)關(guān)于針對PC和的所估計(jì)的正弦圖兩者的"失配"導(dǎo)出針對電子密度圖像估計(jì) 的每次更新。再換言之，正弦圖p c和夕卻兩者被用作"參考數(shù)據(jù)"以測量迭代是否收斂于針對 電子密度的估計(jì)，當(dāng)被向前投影時(shí)，其足夠程度地接近實(shí)際測量的正弦圖pC和
[0012] 因?yàn)樵谔岢龅姆椒ㄖ?，來自兩種模式的數(shù)據(jù)被組合成單一重建算法，有用的平衡 可以被打破以由此更好地處理或?qū)Ω秲蓚€(gè)相反的噪聲效應(yīng)：（i)在雙能量材料分解中在更 高的空間頻率中的主導(dǎo)圖像噪聲，以及（ii)由相位正弦圖卻的微分屬性引起的在微分相 位對比成像通道中在更低的空間頻率中的主導(dǎo)圖像噪聲。另外，在提出的方法中，由于關(guān)于 缺失數(shù)據(jù)（出于相位纏繞、相干損失等的原因）將來自兩個(gè)通道(PC和ΡΦ)的數(shù)據(jù)合并到(聯(lián) 合)迭代重建中是更魯棒的，這是因?yàn)槠渌ǖ廊匀豢梢员３肿銐虻男畔韺?shí)現(xiàn)具有令人 滿意的保真度的重建。本文中不一定必需由相同的探測器采集兩個(gè)正弦圖PC和并且本 文設(shè)想由專用探測器模塊采集每個(gè)通道的技術(shù)，比如其中的各自的曝光由所使用的X射線 源的焦點(diǎn)移動(dòng)來控制。
[0013] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，聯(lián)合重建中的迭代由成本函數(shù)來驅(qū)動(dòng)，所述成本函數(shù)包括對如 在兩個(gè)正弦圖中記錄的噪聲進(jìn)行建模的噪聲項(xiàng)。正確地考慮在兩個(gè)正弦圖中的單個(gè)噪聲水 平和/或行為。不需要對圖像域中的噪聲進(jìn)行建模，因?yàn)橄喾纯紤]針對所測量的數(shù)據(jù)的噪聲 估計(jì)，其更易于實(shí)施，因?yàn)樵肼曉趫D像域中被認(rèn)為是白噪聲。換句話說，重建基本是從投影 空間（其中定義正弦圖）到圖像空間（即，由在掃描器的在成像期間對象駐留在其中并且將 要被重建的電子密度圖像將要被定義在其中的膛中的點(diǎn)定義的3D空間）的變換?？紤]像這 樣的轉(zhuǎn)換的重建算法，所提出的方法之后能夠被認(rèn)為將成本函數(shù)中的噪聲項(xiàng)用于模型，或 捕捉已經(jīng)在投影空間中但不在圖像空間中的噪聲行為。
[0014] 成本函數(shù)被配置為考慮兩個(gè)信號通道換言之，成本函數(shù)是針對兩個(gè)通道 的共同成本函數(shù)。比如，這通過在成本函數(shù)中并且針對重建使用具有針對康普頓通道的專 用部件(其是線積分的傳統(tǒng)離散實(shí)施方式)和針對微分相位對比通道的另一專用部件(其是 微分線積分的離散實(shí)施方式)的（"組合"）系統(tǒng)矩陣（即，向前投影運(yùn)算符的表示)來實(shí)現(xiàn)。成 本函數(shù)的噪聲項(xiàng)被用于對在實(shí)際測量的正弦圖與在迭代重建的過程期間生成的電子密度 估計(jì)的投影之間的偏差進(jìn)行加權(quán)。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施例中，噪聲項(xiàng)中的噪聲模型通過協(xié)方差矩陣來參數(shù)化。在一個(gè)范例性 實(shí)施例中，協(xié)方差矩陣是對角形式的。在該實(shí)施例中，協(xié)方差矩陣忽略在兩個(gè)通道之間的任 何可能的協(xié)方差。這對良好近似是有效的，但是所提出的發(fā)明也能夠被實(shí)施具有含有至少 一個(gè)非零非對角元素或者尤其是全協(xié)方差矩陣的協(xié)方差矩陣。
[0016] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，重建合并共輒梯度方法來解決電子密度圖像，尤其是使所述成 本函數(shù)最小化。
[0017] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，使用多能量掃描器，尤其是雙能量掃描器或具有多層的掃描器， 尤其是雙層探測器，或者具有光子計(jì)數(shù)探測器的譜成像掃描器來探測pc正弦圖和/或Ρ卻正 弦圖。
[0018] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，掃描器包括用于采集相位對比正弦圖ΡΦ的微分相位對比成像 裝備。在一個(gè)實(shí)施例中，所述裝備包括干涉儀，所述干涉儀包括多個(gè)光柵結(jié)構(gòu)。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施例中，成本函數(shù)基于最大似然方法，并且迭代重建的更新函數(shù)通過被 應(yīng)用到成本函數(shù)的數(shù)值最小化算法來導(dǎo)出。
[0020] 對象可以是人類或動(dòng)物患者或其相關(guān)部分(感興趣區(qū)域）。所述方法和相關(guān)系統(tǒng)也 可以在其中對象是諸如在安全檢查中的行李件或在非破壞性材料測試中的有機(jī)或無機(jī)樣 本的非醫(yī)學(xué)情境中使用。
【附圖說明】
[0021 ]現(xiàn)在將參考以下附圖來描述本發(fā)明的范例性實(shí)施例，其中：
[0022] 圖1示出了成像布置；
[0023] 圖2示出了如在根據(jù)圖1的布置中使用的相位對比成像裝備；
[0024] 圖3示出了生成圖像的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 參考圖1，示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的成像系統(tǒng)。廣泛地，所述成像布置包括基于X射 線的CT掃描器IMA和用于控制所述掃描器IMA的操作的工作站或操作控制臺C0N。
[0026] 通用計(jì)算系統(tǒng)可以充當(dāng)操作員控制臺C0N，并且包括輸出設(shè)備（例如顯示器Μ)和輸 入設(shè)備(例如鍵盤、鼠標(biāo)等）。駐留在控制臺C0N上的軟件允許操作員控制系統(tǒng)頂Α的操作，例 如允許操作員通過選擇預(yù)生成的成像協(xié)議直接地或間接地選擇成像參數(shù)。顯示單元(例如 監(jiān)控器/屏幕)Μ通信耦合到控制臺C0N以輔助輸入控制信息或觀察掃描器的操作狀態(tài)或觀 察由掃描器供應(yīng)的圖像或通過圖像處理如此供應(yīng)的圖像來獲得圖像的操作狀態(tài)。也具有圖 像處理模塊IP，在一個(gè)實(shí)施例中其通信耦合到控制臺C0N以實(shí)現(xiàn)圖像處理。廣泛地，圖像處 理器IP包括輸入IN和輸出OUT接口，并且提供圖像重建功能。下面在圖3中將進(jìn)一步更詳細(xì) 地解釋圖像處理模塊IP的操作。
[0027] 通過可視化器件VS來圖像繪制經(jīng)重建的圖像以供顯示在屏幕Μ上，可視化器件VS 被配置為接收圖像數(shù)據(jù)和可視化信息來驅(qū)動(dòng)控制臺C0N的視頻卡以由此實(shí)現(xiàn)在屏幕Μ上的 顯示?？梢暬畔⒖梢园伾蚧叶让姘?，在所述顏色或灰度面板上通過映射器來映射 圖像值以實(shí)現(xiàn)以在期望范圍中的期望顏色編碼或灰度編碼的顯示。
[0028] 掃描器ΙΜΑ包括固定機(jī)架和由固定機(jī)架可旋轉(zhuǎn)地支撐的旋轉(zhuǎn)機(jī)架G。旋轉(zhuǎn)機(jī)架104 繞檢查區(qū)域關(guān)于縱軸或ζ軸旋轉(zhuǎn)。檢查區(qū)域被形成作為旋轉(zhuǎn)機(jī)架G中的開口或膛。
[0029]諸如臥榻的對象支撐物Β將對象PAT或目標(biāo)支撐在檢查區(qū)域中，并且能夠被用于在 掃描之前、期間和/或之后相對于X軸、y軸和/或Z軸定位對象或目標(biāo)。
[0030] 諸如X射線管（"管"）的輻射源XR由旋轉(zhuǎn)機(jī)架104支撐，并且隨旋轉(zhuǎn)機(jī)架G繞檢查區(qū) 域旋轉(zhuǎn)，并且經(jīng)由焦點(diǎn)放射貫穿檢查區(qū)域的輻射。在一個(gè)實(shí)施例中，該源XR能夠在至少兩個(gè) 不同電壓處操作以由此提供雙能量模式功能。
[0031] 輻射射束以膛的等中心為中心，并且定義（掃描器的）大體圓形視場FoV以重建貫 穿重建平面，其大體垂直于射束的中心射線并且其延伸通過等中心。
[0032] (在適當(dāng)?shù)耐鈿ぶ械模┹椛涿舾刑綔y器陣列D被定位為跨檢查區(qū)域與輻射源XR相 對。探測器陣列D包括一行或多行探測器像素 px，其探測貫穿檢查區(qū)域的輻射并生成指示探 測到的輻射的電流或電壓信號?？尚D(zhuǎn)機(jī)架的旋轉(zhuǎn)（以及由此至少X射線源的焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)， 在第四代掃描器中僅僅管在機(jī)架中旋轉(zhuǎn)，其中探測器陣列被固定地布置以將機(jī)架內(nèi)部的全 部排成行以使得探測器的至少部分能夠接收針對任何旋轉(zhuǎn)角度的輻射）由一個(gè)或多個(gè)控制 器和/或一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(例如，電機(jī)、耦合等)來實(shí)現(xiàn)。
[0033] 在當(dāng)掃描器處于使用中時(shí)的成像運(yùn)行期間，在對象或目標(biāo)的掃描期間焦點(diǎn)