專利名稱：尺寸減小的半視場ct檢測器的制作方法
本申請要求分別以在1999年4月15日和1999年11月19日申請的申請號為No.60/129,398和60/166,500的臨時申請的申請日為優先權，在此以引用的方式將它們全部結合在本申請中。
本發明涉及一種應用在體積型計算機X-射線斷層成像(VCT)系統中應用的方法和裝置，該系統應用一種尺寸減小的面積檢測器，這種面積檢測器僅覆蓋一半的視場，由此降低這種面積檢測器的尺寸和成本但不增加或基本不增加假象。
計算機X-射線斷層成像(CT)是這樣的一種技術一般包含對患者進行X-射線輻射、采集患者的部分身體的數字X-射線投影數據以及處理和背式投影數字X-射線投影數據以產生圖象，然后將該圖象顯示在CT系統的監視器上。CT系統通常包括臺架、工作臺、X-射線管、X-射線檢測器陣列、計算機和顯示檢測器。計算機給臺架的控制器發送指令以使臺架使X-射線管和/或檢測器陣列以特定的轉速轉動。
在第三代CT系統中，在檢測器陣列和X-射線管部分地包括的臺架和患者的身體之間產生相對轉動。由于產生這種相對轉動，計算機控制通過X-射線管和檢測器陣列執行的數據采集過程以采集數字X-射線照相。然后計算機進行處理并通過執行重構算法背向投影數字X-射線照相數據，并在顯示監視器上顯示所重構的CT圖像。
如今所應用的許多CT系統都利用在臺架中的單行檢測器，這種單行的檢測器通常稱為檢測器元件的線性陣列。更先進的CT系統應用兩至四個線性檢測器陣列以構成多行檢測器。雖然這兩者檢測器結構都可以用于螺旋掃描方案，但是由于通過增加檢測器陣列的螺旋間距多行檢測器能夠在更少的時間中掃描患者特定的軸線區域，所以它有利于患者掃描。螺旋間距通常定義為在臺架旋轉一圈中支撐患者的工作臺的位移與檢測器間距之比。例如，一個螺旋間距是指在CT系統的CT臺架的旋轉一圈中將患者工作臺移動等于檢測器間距的量。
通常，線性檢測器或多行檢測器陣列覆蓋由X-射線源發射的X-射線扇形束的整個視場。換句話說，通過檢測器陣列吸收穿過或照射所掃描的對象的面積的X-射線，該對象可能是或不是患者。
在CT成像系統中，比較理想的是并且在某些情況下也是必需的是減小檢測器陣列的尺寸。例如，在新近發展的CT技術中應用包括許多行線性檢測器陣列的面積檢測器陣列進行CT數據采集。當前，仍然還沒有能夠覆蓋整個成像的視場或患者范圍的檢測器面板。此外，一些應用線性檢測器陣列的系統支持對于所掃描的患者的很大的視場。理想的是在這種情況下也減小檢測器陣列的大小和成本。
用于克服這些局限性的一種方法是將更小的檢測器陣列平移其寬度的一半。例如，假設為覆蓋患者的所需的視場的檢測器陣列的最初的尺寸應該是80厘米。可以應用等于最初檢測器的寬度一半的更小的檢測器，即在這種情況為40厘米。這種檢測器偏移它的一半的寬度(在這種情況為20厘米)以使它大致覆蓋CT成像系統的視場的一半。在本實例中，通過寬度等于它的最初寬度值的一半的檢測器獲得了在患者上的相同的視場。
還能夠增加具有固定寬度的檢測器的系統的視場。通常，CT成像系統的中心旋轉的投影與檢測器面板的中心對準。在CT成像中的旋轉中心是X-射線源和檢測器陣列繞其旋轉的點的物理位置。然而，通過使檢測器相對于它的原始位置偏移它的一半寬度能夠增加這種系統的視場(FOV)。雖然檢測器仍然測量穿過成像系統的物理旋轉中心(即，在ISO)的X-射線的投影數據，但是成像系統的旋轉中心的投影是在已經平移的線性或多行檢測器的邊沿附近。這種結構反過來又有效地使原始成像系統結構的視場加倍，這就能夠較大地增加成像系統的視場。將檢測器移動它的一半寬度的系統結構通常稱為半檢測器移動。
在扇形束CT系統中，在該CT系統中的X射線源是輻射具有孔徑張角的X-射線的點，該具有孔徑張角的X-射線僅輻射檢測器面板并類似于扇形，需要采集CT臺架的整個旋轉的一部分旋轉的投影數據。具體地說，需要在臺架繞患者旋轉180°加上該扇形角的角度區的同時采集投影數據。在再一次測量中，扇形角X-射線的孔徑張角的度量，具有該孔徑張角的X-射線僅輻射在成像系統的軸向平面中的檢測器陣列。可以清楚地看到，由于不需要在臺架繞患者旋轉的整個360°的過程中測量投影，一些投影數據必定是冗余的。
在CT系統的半檢測器移動結構中，在臺架的整個360°旋轉中采集數據。在每個視角或臺架上，僅測量一半的投影數據。應用來自臺架的其它視圖的數據來完成在給定的視角上的投影數據。在本領域中完成這種處理的方法是公知的。然而，當將所測量的覆蓋成像系統的視場的一半的投影數據與從其它的臺架的視圖中產生的數據相結合時，所得到的投影數據并不能與投影數據的中心附近相匹配。如果沒有降低或消除這些不匹配的話，它將在所重構的圖像中產生不希望的假象。
當前應用減小由在視場中的投影數據的不連續性引起的假象的一種技術是利用加權函數來平滑在過渡區中的數據的不連續性。這種技術要求檢測器具有額外的檢測器元件，這些額外的檢測器元件延伸通過成像系統的旋轉中心在檢測器上的投影。由于臺架繞患者旋轉360°，在兩方向上稍稍移動延伸通過旋轉中心在檢測器上的投影的檢測器面板區稱為過渡區。實際的數據是通過檢測器在一半過渡區中測量的，以及從臺架的可替換視圖中產生第二半過渡區中的數據。對在過渡區中的數據乘以用于平滑不連續性的加權系數。通常，較大的過渡區產生更好的圖像質量，但是由于這種系統的結構的視場梢小于比應用半檢測器移動結構所產生的視場，所以它還導致了更高的系統成本。
需要改善對所測量的數據和在過渡區內所產生的數據的完整性，以便能夠實現檢測器陣列的完整視場。
在應用半檢測器移動結構的體積型CT系統中，在成像系統的一半視場中測量投影數據，同時另一半投影照相數據必需從反向的射線中產生。不幸的是，如果檢測器是它的最初的寬度的兩倍并且沒有偏移，則在CT臺架的其它的投影角上測量的投影數據與已經測量的射線方向不具有相同的方向。因此，人們需要一種VCT系統，這種VCT系統應用在半檢測器移動結構中的面積檢測器并實現其優點，由此克服前述的困難。
一種獲得對象的投影數據的計算機X-射線斷層成像(CT)系統，包括X-射線源和檢測器。檢測器相對于中心位置移動它的寬度的一半，該中心位置對應于CT系統的旋轉中心在檢測器上的投影。依據本發明的方法，對于每個投影視圖，檢測器元件值Va選擇最靠近CT系統的ISO中心的檢測器元件。然后，對于所選擇的檢測器元件，檢測器元件值Vb是從相同方向的正向投影或相反的方向中估計的。然后選擇能夠消除Va和Vb之差的平滑函數。然后應用該平滑函數來消除a和Vb之差。然后在將真實的投影數據和所估計的投影數據結合時應用加權函數來消除幅值差以產生平滑的過渡區。
附

圖1所示為本發明的CT系統方塊圖。
附圖2所示為依據本發明的方法應用的檢測器偏移。
附圖3所示為依據優選的實施例說明本發明的方法的方塊圖。
在描述本發明的方法和裝置之前，參考附圖1總體上討論一下本發明的VCT系統。附圖1所示為適合于實施本發明的方法和裝置的體積型CT掃描系統的方塊圖。雖然可以理解的是本發明并不限于對任何特定對象的成像，但仍然結合體積型CT掃描系統在重構患者的解剖學特征的圖像的應用中進行討論。正如本領域的熟練技術人員將理解的是，本發明還可以用于工業過程。此外，本發明并不限于醫用CT設備，而是包括工業系統，在這些工業系統中X-射線源和檢測器結構都保持固定同時在掃描時間中繞對象旋轉。
在體積型CT掃描系統中，臺架繞對象比如病人旋轉，并采集投影數據。計算機1控制體積型CT掃描系統的運行。當在此稱臺架的旋轉時，該術語是指X-射線管2的旋轉和/或檢測器3的旋轉，可取的是該檢測器3是一種較高分辨率的面積檢測器。臺架包括X-射線管2和面積檢測器3。控制器4A和4B受體積型CT掃描系統計算機1控制并分別連接到X-射線管2和檢測器3。控制器4A和4B使適當的旋轉運動傳遞到X-射線管2和/或檢測器3。并不是每個控制器都需要。可以使用單一控制器部件使臺架旋轉。還應該指出的是，為實施本發明的方法計算機1控制圖像掃描時間、圖像分辨率和/或軸向覆蓋區的變化。
當對檢測器3進行采集時計算機1通過給數據采集系統6發指令并控制臺架的速度來控制數據采集過程。此外，計算機1指令數據采集系統6構造通過面積檢測器3獲得的射線照相的分辨率，由此能夠改變系統的分辨率。如圖所示數據采集系統6包括讀出電子系統。
面積檢測器3包括檢測器元件陣列(未示)。每個檢測器元件測量與其相關的強度值，該強度值與輻照到檢測器元件上的X-射線能量的大小相關。當本發明的裝置和方法并入到體積型CT掃描系統中，產生了一種新的體積型CT掃描系統。因此，本發明還提供一種新穎的體積型CT掃描系統。
還應該指出的是本發明并不限于任何特定的計算機來執行本發明的數據采集和處理的任務。如這里所使用的術語“計算機”是指任何能夠執行計算并需要完成本發明的任務的機器。因此，用于實現本發明的控制算法10的計算機可以是能夠執行所需的任務的任何計算機。
關于本發明，已經確定通過數據平滑的替換方案來消除了需要應用額外的檢測器元件來覆蓋過渡區的需要。此外，如果已經應用覆蓋整個視場的較大的檢測器陣列來采集數據，則一種變型的方法應用迭代算法來估計已經測量的投影數據。由于在過渡區中的誤差可以以類似的方式處理，下文將在相同的條件中討論這兩種方法。
這種技術通過正向投影從前面的重復步驟中所獲得的重構的數據或通過對從一組反向射線中獲得的冗余檢測器數據進行插值來形成X-射線投影數組{Pa}，該反向射線在{Pa}的相反的方向中形成了另一投影數據組。這種正向投影技術是這樣的一種方法，即射線從假想的X-射線源發射；這些射線對著每個檢測器元件穿過所重構的體積。沿著該射線，對所重構的值沿著射線的線性衰減值求和并表示為線性衰減系數的線積分。
正向投影所重構的數據的技術(表示為FPT)通常適合于產生與較大的錐形角相對應的投影數據(即，當用于VCT系統中時)，而對冗余的投影數據進行插值的技術(表示為PDT)更適合于對更靠近中平面(即，更靠近ISO中心的平面)的投影數據。與扇形角類似，錐形角是指在與扇形角方向正交的方向上從X-射線源發射的X-射線的角度范圍。在應用FPT或PDT所獲得的估計檢測器值和原始值(如果實際已經測量了該數據則將獲得該值)之間的差可能使在靠近ISO中心的圖像產生畸變。
為降低這種畸變，已經研究出了一種應用平滑函數的方法，參考附圖3該平滑函數表述如下1．對于每個投影視圖，選擇最接近ISO中心21的已知的檢測器元件，在此以后稱為Va。
2．對于相同的檢測器元件，得出一種估計值22(即，對來自替換的視圖中的投影數據的插值(PDT)或對所重構的數據進行正向投影(FPT))，在此以后稱為Vb。
3．產生適當的平滑函數23。
4．平滑函數降低在Va和Vb之間的差并逐漸平滑在成像系統24的視場的中心附近的區域中的這種差。
這可以從下面的討論中得出，使d=Va-Vb，其中d是在視場的中心的投影數據中的不連續量。作為實例，可以用來逐步平滑該差的可能的平滑函數是一種如下定義的指數函數V=0.5de-axo(等式1)這里Xo是距離與檢測器元件值Va相對應的檢測器位置的距離的絕對值，a是控制與平滑函數相關的曲線的斜率的系數。將指數函數加到位于中心射線位置(對應于成像系統中的旋轉中心在檢測器上的投影的檢測器位置)的一側的投影值中/從位于中心射線位置(對應于成像系統中的旋轉中心在檢測器上的投影的檢測器位置)的一側的投影值中減去該指數函數以降低/提高所估計的值，以及從在中心射線位置的替換側的投影值中減去/加到在中心射線位置的替換側的投影值中以降低/增加更高/更低的原始值。換句話說，它提供了一種方法，當將真實投影數據和估計投影數據結合在一起時這種方法降低了在中心射線的投影數據的不一致性，因此該方法在數據中提供了一種光滑的過渡區，該過渡區降低或消除了假象25。
目前，在已有的技術中如何在半檢測器移動結構的體積型CT(VCT)系統中應用面積檢測器并不清楚。前文已經描述了VCT系統和通過產生過渡區消除在成像系統的視場中的投影數據的不連續性的不同的公知的技術，下文將描述本發明的另一方面。
應用變量fθ和fθ’來分別表示在源角度θ處所得到的正向和反向射線(相同的角度方位但以相反的方向通過的射線)的信號強度，這里
fθ(n)=0 對于N2＜n＜N(等式2)fθ’(n)=0對于1＜n＜N2(等式3)理想的fθ(N2)應該精確地等于fθ’(N2)，因為兩者都穿過對象的相同的部分。但是由于下面的原因這永遠不可能(a)每個射線的實際形狀是從源發出并在檢測器終止的空的四面體。沒有完全相同的射線通過對象的相同的部分，除非對象是完全均勻的并圓形對稱。
(b)在掃描周期中對象/患者的運動都可能在每個正向/反向射線對中引入附加的誤差。
(c)迄今為止還沒有研制出完美的有效的插值方案。這就是說插值過程可能引入誤差。
假設d(θ)是在角度源位置θ的fθ(N2)和fθ’(N2)之差，如果d(θ)是完全隨機的，則可能由所重構的圖像感應的誤差會被與其它的CT隨機誤差相連的量子噪聲所掩蓋。然而，如果誤差是某種系統的誤差，它將在所重構的圖像中引入明顯的假象。由于這個原因，必需在過渡區應用平滑處理。換句話說，研究出一種平滑函數來使在檢測器元件N2所表示的中心射線位置周圍的fθ和fθ’的幅值誤差更小。
應用W和W’分別表示fθ和fθ’的的平滑函數。當對W和W’求導時，必需考慮一定的規則，對于本領域的熟練技術人員來說這些規則都是可以理解的。此外，正如本領域的熟練技術人員將會理解的是，除了在此所特別說明的函數外，不同的平滑函數可以用于此目的。例如W(n)+W’(n)=1對于所有的n(等式4)δWδn=δW′δn=0]]>在n=N2±Δn (等式5)這里Δn設定W和W’的平滑范圍，δ是微分算子。應該指出的是，對于這種類型的應用常規的平滑函數還通常稱作尾翼函數(feathering function)。應用W和W’在正向和反向射線之間尋找過渡區。應該指出的是，為使平滑函數有效，Δn必需是比零大的整數。實際上，Δn越大，平滑函數的效果越好。然而，Δn增加得太多可能要求附加的檢測器元件來延伸到在中心射線位置的檢測器元件N2之外。因此，應該選擇Δn足夠大但是又不大到要求對過渡區增加額外的檢測器元件。這樣，對fθ和fθ’作如下的限制
fθ(n)=0 對于N2+Δn＜n＜N(等式6)fθ’(n)=0 對于1＜n＜N2-Δn(等式7)在背面投影方法中所應用的實際檢測器信號是Wfθ和W’fθ’。還應該指出的是，由于更寬的過渡區易于消除在正向和反向射線之間的許多不匹配的誤差，所以對于每個半視場(FOV)的投影數據不需要疊加反向射線。換句話說，每半個FOV數據(加上附加的Δn檢測器值)填充以零以獲得長度為N的檢測器數據，在此之后進行常規的過濾投影程序。不包含插值過程。
起因是當開始增加在CT系統中即在面積檢測器中的檢測器的行數時附加檢測器元件(Δn乘以行數)變得更大。因此，需要通過設計一種使Δn最小的方法和裝置來改善常規的方法。
在本發明中這種方法可以將Δn減小到1，而計算機模擬表明常規的平滑方法要求Δn大約20才能實現相當的假象水平。在VCT應用中這種優點更有意義，在VCT中在面積檢測器的過渡區中所需的檢測器元件的數目可能比在線性陣列中所需的元件還多三次冪的數量級。
在正向和反向射線中可能有系統誤差，通過插值或正向投影獲得在反向射線中系統誤差。通過求fθ(N2)和fθ’(N2)之差測量幅值誤差。使d(θ)=fθ(N2)-fθ’(N2)。將d(θ)看作fθ(N2)和fθ’(N2)之間的幅值誤差，在此θ是X-射線源的角度位置。
我們的方法是應用如在等式1中所述的指數函數來消除幅值誤差，在等式1中a是控制指數函數的平滑性的控制系數。將正向和反向射線函數fθ(n)和fθ’(n)分別轉換成如下的兩個其它的函數gθ(n)和gθ’(n)gθ(n)=fθ(n)-pθ(N2-n)(等式8)gθ’(n)=fθ’(n)+Pθ(n-N2)(等式9)使等式8和等式9的gθ(N2)=gθ’(N2)。
對于每個投影圖像，實施下面的過程1．獲得原始的半FOV投影數據，稱其為fθ(n)，并依據等式2補零。
2．獲得反向射線fθ’(n)的數組，并依據等式3進行補零。
3．依據等式8和等式9基于幅值誤差d(θ)(這里d(θ)=fθ(N2)-fθ’(N2))應用平滑函數。
4．對gθ(n)和gθ’(n)進行積分以形成N-檢測器數組，稱為hθ(n)，這里當N2＜n＜N時，hθ(n)=gθ(n)和當1＜n＜N2時，hθ(n)=gθ’(n)。
5．對hθ(n)應用常規的濾波背向投影。
6．對所有的投影角度重復步驟1至5。
對于在那些可以通過對在不同的角度之外的其它投影數據進行插值來獲得反向射線的任何CT掃描器來說上面的過程都是有效的。在如下的2D扇形束中比較理想另一半FOV數據總是可以大致地從冗余的扇形束投影數據中計算出。當將這種方法擴展到3D的VCT中時，當使用圓形軌道時僅在中平面上能夠精確地插值。
我們的模擬表明當將相同的方法應用到應用圓形軌道的VCT中時，對于在±1.5度的錐形角度這種方法比常規的平滑方法(應用超過中心射線的位置的20個附加的檢測器)更優越。如果應用完整的檢測器，由于反向射線的角度方位與已經測量的數據差別極大，所以對于較大的錐形角度這種結果就不正確。為補救這種情況，可以應用迭代的方法來提高圖像的質量。該過程如下1．依據上述的步驟1至6獲得初始的3D圖像。
2．在該方法的第二次迭代中應用正向投影方法獲得每個半FOV投影數據組的“反向射線”并依據上文所述的依據步驟3至步驟6將它們結合成一個完整的投影數據組。
3．繼續步驟2直到過程收斂，即不能再提高圖像的質量。
應該注意的是，結合一定的實施例已經討論了本發明。然而，本發明并不限于這些實施例。例如，所討論的三種方案并不意味著都包括應用前述的參數的折衷來獲得VCT系統的正確的操作模式的所有方案。討論這些方案是為了說明本發明的概念和方法，在這些方法中對這些基本參數進行折衷以實現正確的掃描方案。此外，這些折衷方案并非限于一種掃描方案，即它們還可以應用到軸向掃描(在掃描周期中患者的工作臺并不移動)和螺旋掃描方案中。在本領域的熟練技術人員會理解這些方式，在這些方式中應用這些概念并外推以實現對特定領域的應用很有用的其它面積檢測器掃描方案。
權利要求
1．一種獲得對象的投影數據的體積型計算機X-射線斷層成像(VCT)系統，該VCT系統包括X-射線源，該X-射線源對對象投影X-射線；檢測器，該檢測器相對于與CT系統的旋轉中心在檢測器上的投影相對應的中心位置移動了其寬度的一半，該檢測器接收從X-射線源投影的X-射線并產生響應輻照在其上的X-射線的電信號；從檢測器讀取電信號并將該電信號轉換為數字信號的數據采集系統；以及能夠執行重構算法的計算機，該計算機從數據采集系統部分接收電信號，其中當計算機運行數據采集部分以處理所說的數字信號時，計算機重構圖像。
2．一種應用計算機X-射線斷層成像(CT)系統獲得對象的投影數據的方法，該方法包括如下的步驟從X-射線源向對象投影X-射線；在檢測器的投影視圖上接收CT系統在檢測器投影的X-射線，該檢測器包括許多檢測器元件，該檢測器元件產生響應在輻射在其上的X-射線的電信號I；數字化該電信號；對于每個投影視圖，選擇最靠近CT系統的中心的檢測器元件的檢測器元件值Va；對于所選擇的檢測器元件，經過從反方向或在相同的方向中的正向投影中插值估計一個檢測器元件值Vb；選擇能夠消除在值Va和Vb之差的平滑函數；應用該平滑函數以消除Va和Vb之差；以及當結合正確的投影數據和估計的投影數據時應用加權函數來消除幅值差以產生平滑的過渡區。
全文摘要
一種CT系統,具有相對于ISO中心移動了其寬度的一半的檢測器,產生投影視圖Va(21),從反方向中估計或從正向投影中估計Vb(22)。應用平滑步驟(23,24)和加權步驟(25)來消除在Va和Vb之間的差。
文檔編號G06T5/20GK1300201SQ00800601
公開日2001年6月20日 申請日期2000年4月14日 優先權日1999年4月15日
發明者W·－T·林, I·N·阿馬德, P·M·埃迪克 申請人:通用電氣公司