專利名稱：降低由于x射線管的運(yùn)動在重建的對象中引起的偽影的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于改進(jìn)在通過迭代重建的圖像確定中的圖像質(zhì)量的一種方法和一 種裝置。
背景技術(shù)：
在醫(yī)學(xué)診斷中利用X射線照射待檢查的對象。在穿透對象時輻射會衰減。借助探 測器記錄該穿過對象之后衰減的輻射。X射線在通過對象的路徑上的衰減形成對于透射物質(zhì)的密度的度量。在醫(yī)學(xué)診斷 中由以圖像形式顯示的衰減或密度推斷出存在異?；蚰[瘤。在各個X射線拍攝中通過二維X射線圖像獲得關(guān)于三維對象的信 息。這些信息有 時不足以可靠地識別腫瘤組織。通過良性組織的重疊會導(dǎo)致診斷錯誤。在各個X射線拍攝中該拍攝提供關(guān)于X射線沿著通過對象經(jīng)過的路徑的總衰減的 信息。也就是，探測器的一個像素值對應(yīng)于關(guān)于衰減值或衰減系數(shù)沿著通過對象引導(dǎo)的路 徑的積分。對于可靠的診斷，值得期望的是，不僅獲得關(guān)于衰減值的積分，而且獲得衰減值本 身作為位置的函數(shù)，也就是說，獲得衰減系數(shù)作為標(biāo)量的、取決于位置的場。為了在三維中 確定衰減值，可以進(jìn)行多次拍攝，從中確定衰減系數(shù)。這樣的通過重建獲得的衰減系數(shù)組還 可以被視為3D圖像數(shù)據(jù)組，并且以下也稱為圖像數(shù)據(jù)組或圖像。該三維圖像數(shù)據(jù)組通常由 多個層圖像組成。從這些拍攝(關(guān)于這些拍攝人們也常說投影)中確定或重建衰減系數(shù)是一個復(fù)雜 的數(shù)學(xué)問題。為求解該問題提出了例如在1中列出的不同方法。這些方法的一組是所謂的迭 代方法，或迭代重建方法。在該方法中，作為初始近似預(yù)先給出對象的取決于位置的衰減值 或圖像并且計算從中產(chǎn)生的投影。比較計算的投影與測量的投影(求差)。然后根據(jù)該比 較進(jìn)行圖像的校正。此后重新計算投影并且與測量結(jié)果比較。當(dāng)(在所需精確度的范圍 內(nèi))計算的和測量的投影之間呈現(xiàn)一致時，相應(yīng)的圖像是收斂的(auskonvergiert)并且提 供所期望的衰減系數(shù)。也就是，在該方法中，從圖像中獲得投影并且對于圖像的校正使用(計算的和測 量的)投影的差。為此目的需要在所謂的圖像空間(對象的取決于位置的衰減系數(shù))和所 謂的投影空間(對于不同的投影方向獲得的通過對象衰減的X射線的表示)的操作。對于 一幅圖像計算投影稱為前向投影，從投影(或投影的差)計算圖像(或圖像校正)稱為反 向投影。在該方法中在重建的圖像中會出現(xiàn)錯誤。這些錯誤例如通過數(shù)據(jù)的不完整性、投 影的重組(re-birming)或所謂的焦點運(yùn)動引起。本發(fā)明針對在迭代方法中通過焦點運(yùn)動 導(dǎo)致的偽影。X射線的產(chǎn)生和聚焦通常在所謂的X射線管中進(jìn)行。X射線管通常產(chǎn)生錐形的輻射(錐形束，cone beam)或扇形輻射(扇形束，fan beam)。該輻射的出發(fā)點是在X射線管中的焦點，在該點進(jìn)行X射線的聚集(BUndelimg)。由于多種原因，重建的圖像會包含質(zhì)的缺陷。在專業(yè)文獻(xiàn)中為此提到偽影。除了 別的之外，原因在于，在數(shù)字控制(Numerik)或在焦點運(yùn)動中信息不完整。有益的是，根據(jù) 作為層析X射線照相組合(Tomosynthese)公知的醫(yī)學(xué)拍攝技術(shù)詳細(xì)解釋焦點運(yùn)動的問題， 因為在層析X射線照相組合中該問題產(chǎn)生特別強(qiáng)的影響。層析X射線照相組合例如應(yīng)用在 數(shù)字的乳房X線照相中。與計算機(jī)斷層造影不同，其基于，在X射線管圍繞待檢查的對象的 運(yùn)動中僅掃描一個相對小的角度區(qū)間。區(qū)間的該限制通常由于待檢查的對象(例如女性乳 房)所致。在乳房X線照相中層析X射線照相組合投影的序列可以借助修改的乳房X線照相 系統(tǒng)或胸部層析X射線照相組合系統(tǒng)來記錄。在X射線管在探測器上在-25°至25°之間 的角度范圍中運(yùn)動時，在此例如建立25個投影。在該運(yùn)動期間以規(guī)則的間隔觸發(fā)輻射，并 且從探測器中讀出每個投影。然后，在層析X射線照相組合重建過程中(其例如象本文開 頭提到的那樣運(yùn)行)在計算機(jī)中從這些投影中重建檢查的對象或圖像的三維表示。然后在 醫(yī)學(xué)檢查中通常僅觀察所謂的Z層，S卩，與檢測器平面平行取向的那些重建的層圖像。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性，連續(xù)進(jìn)行(不是靜態(tài)調(diào)強(qiáng)方式(St印-and-shoot)運(yùn) 行)x射線管的運(yùn)動。由此在同時觸發(fā)輻射期間，X射線管保持運(yùn)動(參見2)。這具有 如下后果，拍攝的對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影像在投影圖中被變得模糊不清(34)。在通常 的重建過程之后，對象結(jié)構(gòu)的該模糊化以模糊的顯示反映在層圖像中。通過X射線管的運(yùn)動引起的該所謂的模糊化偽影，首先對在其中不進(jìn)行X射線管 和圖像接收器或者說檢測器的同步同心運(yùn)動的那些圖像系統(tǒng)中產(chǎn)生影響。例如在具有靜止 的檢測器的層析X射線照相組合系統(tǒng)中就是這樣。此外，模糊化程度取決于X射線管的脈 沖持續(xù)時間，脈沖持續(xù)時間又取決于輸入劑量并由此取決于胸部厚度。該脈沖持續(xù)時間越 長，則每個輻射脈沖管的路徑越長并且由此對象結(jié)構(gòu)的越模糊。在非常小的解剖結(jié)構(gòu)(例如在乳房X線照相術(shù)中對于檢查結(jié)果是重要的微型鈣化 (Mikrokalzifizierungen))情況下，該模糊化可能是非常關(guān)鍵的。因為其導(dǎo)致，單個的微型 鈣化(Mikrokal)在圖像中被融合或者其對比度在重建的層中被降低。這會導(dǎo)致錯誤的診 斷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，改進(jìn)在通過迭代重建的圖像確定中的圖像質(zhì)量。本發(fā)明通過一種改進(jìn)在通過迭代重建的圖像確定中的圖像質(zhì)量的方法和裝置解 決上述技術(shù)問題。下面，迭代重建被理解為從所測量的投影中的圖像重建，其中進(jìn)行在計算的和測 量的投影之間的比較，以便使圖像與測量的投影一致。在此，“迭代”的概念應(yīng)該意味著，該 方法適合于，如果圖像質(zhì)量要求沒有滿足(或沒有滿足收斂標(biāo)準(zhǔn))，則重復(fù)在計算的和測量 的投影之間的該比較。但是該概念不能排除如下情況(Konstellation)，在該情況中第一次 比較就產(chǎn)生一幅滿足所述要求的圖像(不排除迭代的邊界情況)。迭代重建方法主要可以由以下步驟的重復(fù)處理組成
1.估計開始體積(對象或圖像的三維表示的初始近似)2.對于X射線管的每個角度位置計算前向投影3.通過求差比較計算的投影和測量的投影，并且從中計算校正投影(通常每個角 度位置一個校正投影)4.通過差圖像的反向投影校正當(dāng)前的體積5.從步驟2繼續(xù)
然而，本發(fā)明還延伸到上述方法的變形。例如在進(jìn)行求差以及隨后的差圖像的反 向投影之前，不需要計算所有的前向投影。取而代之，例如可以逐個投影地進(jìn)行。還可以設(shè) 置附加的步驟，例如濾波步驟(在一些方法中例如在所有的差投影的反向投影之后設(shè)置圖 像的低通濾波)。本發(fā)明通過在計算時(通常通過前向投影)考慮X射線源或焦點的運(yùn)動，來改進(jìn) 圖像質(zhì)量。本發(fā)明可應(yīng)用于使用迭代重建的所有情況中，特別是在層析X射線照相組合或 計算機(jī)斷層造影(CT)領(lǐng)域的應(yīng)用中。具體來說，確定在拍攝投影時由X射線源的焦點行進(jìn)的軌跡的一個片段。對于該 片段計算多個不同投影。然后對多個計算的投影進(jìn)行平均，用于經(jīng)平均的投影與拍攝的投 影的比較。按照一種擴(kuò)展，將整個焦點軌跡劃分為片段，對于這些片段分別計算多個投影并 且與測量的投影比較。除了方法，用于執(zhí)行該方法而構(gòu)造或設(shè)置的裝置也是本發(fā)明的內(nèi)容。該裝置的結(jié) 構(gòu)可以借助軟件、硬件、固件或其組合來實現(xiàn)。該裝置特別是可以包括實現(xiàn)一個或多個方法 步驟的功能模塊。


以下在實施例的范圍內(nèi)詳細(xì)解釋本發(fā)明。其中，圖1示出了乳房X線照相設(shè)備的側(cè)視圖，圖2示出了按照圖1的乳房X線照相設(shè)備的前視圖，圖3示出了在層析X射線照相組合中在借助乳房X線照相設(shè)備照射的情況下的兩 個偏轉(zhuǎn)位置，圖4示出了用于圖像的迭代重建的方法，圖5示出了借助軌跡片段對按照本發(fā)明的方法的解釋，圖6示出了與圖4的方法不同的按照本發(fā)明的方法，圖7示出了按照圖6的方法的初始化步驟。相同的附圖標(biāo)記在不同的圖中具有相同的含義。
具體實施例方式圖1和圖2相應(yīng)地示出了乳房X線照相設(shè)備2的側(cè)視圖和前視圖。乳房X線照相 設(shè)備2具有構(gòu)造為支架4的主體和從該支架4中突出的、偏轉(zhuǎn)的(abgewinkelten)設(shè)備臂 6，在其自由端設(shè)置一個構(gòu)造為X射線輻射器的輻射單元8。此外，在設(shè)備臂6上還設(shè)置對象 臺10和擠壓單元12。擠壓單元12包括相對于對象臺10沿著垂直的Z方向可移動地設(shè)置的擠壓元件14以及用于擠壓元件14的支座16。為了連同擠壓元件14移動支座16，在此 在擠壓單元12中設(shè)置一種提升導(dǎo)引裝置(LiftfUhrimg)。在對象臺10的下部區(qū)域中還設(shè) 置檢測器18 (參見圖3)，其在該實施例中是數(shù)字的檢測器。乳房X線照相設(shè)備2特別用于層析X射線照相組合檢查，其中輻射單元8在一個角 度范圍上圍繞與Y方向平行延伸的中間軸M移動，如圖3中可以看出的。在此，獲得在對象 臺10和擠壓元件14之間保持位置固定的待檢查的對象20的多個投影。在從不同的角度 位置的圖像拍攝中，在橫截面上是錐形或扇形的X射線21穿透擠壓元件14、待檢查的對象 20和對象臺10并且出現(xiàn)在檢測器18上。在此，這樣確定檢測器18的參數(shù)，使得在具有相 應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角-25°及+25°的兩個偏轉(zhuǎn)位置22a、22b之間的角度范圍中進(jìn)行圖像拍攝。偏 轉(zhuǎn)位置22a、22b在X-Z平面中設(shè)置在零位置23的兩側(cè)，在該零位置中X射線21垂直地出 現(xiàn)在檢測器18上。在該實施例中扇形的檢測器18特別具有24X30cm的大小。在軌跡從點22a至點22b的經(jīng)歷中，進(jìn)行25次拍攝。對于檢查的對象20從拍攝 的投影迭代地確定一幅圖像。圖4示意性示出用于從測量的投影中重建圖像的迭代方法。在開始時利用初始值初始化對于對象的圖像或相應(yīng)的衰減值。 基于該第一近似， 在前向投影31期間計算投影32。在步驟33中比較該計算的投影32與測量的投影34。確 定差或誤差35。對于所有投影進(jìn)行該誤差確定。計算的和測量的投影之間的差在反投影 36期間被轉(zhuǎn)換到圖像空間中。在那里獲得校正圖像37，在利用當(dāng)前圖像的更新38中將該 校正圖像37與新的圖像39關(guān)聯(lián)。(也有這樣的變形其中轉(zhuǎn)換到圖像空間36的結(jié)果直接 利用對于重建結(jié)果的當(dāng)前的近似計算為新的近似或新的圖像。)然后，又借助前向投影31 使用新的或當(dāng)前的圖像，用于計算投影。如果在計算的和測量的投影之間呈現(xiàn)足夠的一致，則結(jié)束該方法。在實踐中，使用 收斂標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)該收斂標(biāo)準(zhǔn)停止該方法。在拍攝投影時X射線源經(jīng)歷一個軌跡，以便從不同的角度進(jìn)行拍攝。在此通常不 中斷對于拍攝的X射線源的運(yùn)動，而是從軌跡的開始到結(jié)束以恒定速度連續(xù)運(yùn)動。由此各 個投影來自于不是靜止的、而是運(yùn)動的源。由于投影的有限的脈沖持續(xù)時間或拍攝持續(xù)時 間，在一次拍攝中焦點經(jīng)歷一個軌跡片段。在迄今為止的方法中，對于每個角度位置只計算一個投影。在此，近似地假定靜 止的X射線源具有點狀的(即，無窮小的)焦點。不考慮X射線管的連續(xù)運(yùn)動。由于層析 X射線照相組合系統(tǒng)的機(jī)械不穩(wěn)定性導(dǎo)致的X射線管的非理想的掃描軌跡可以在使用投影 矩陣的條件下被建模，這些投影矩陣在二維投影空間中描述三維對象空間(圖像空間)的 透視性成像。這些矩陣可以在系統(tǒng)的校準(zhǔn)的范圍內(nèi)事先被確定。按照本發(fā)明考慮焦點運(yùn)動，方法是對于與測量的投影相應(yīng)的焦點軌跡或X射線 源的片段，不再是僅計算是一個，而是計算多個投影。然后對這些計算的投影進(jìn)行平均并且 對于與測量的投影的比較使用經(jīng)平均的投影。在此，整個焦點軌跡被劃分為片段，其分別對應(yīng)于一個測量的投影。然后對于這些 片段分別計算多個投影并進(jìn)行平均。圖5示出了該過程。大部分用虛線示出了對于層析X線照相組合拍攝的焦點軌 跡40。例如是利用根據(jù)圖1-3示出的系統(tǒng)進(jìn)行的拍攝，S卩，借助在具有靜止的檢測器的數(shù) 字乳房X線照相術(shù)中的層析X射線照相組合系統(tǒng)。在此，X射線管在弧形軌跡(50°，半徑590mm)上運(yùn)動。整個掃描持續(xù)12. 7秒，其中一個脈沖持續(xù)時間是50ms。于是一個圓弧的 長度(focal path length，焦點路徑長度)大約是2mm。該軌跡40的一個片段41通過實線表示。在焦點經(jīng)歷片段41期間，檢測器18記 錄對象20(例如在乳房X線照相檢查中女性的乳房)的投影。在此，在拍攝期間檢測器 18是位置固定的。對于在投影的拍攝期間的三個位置42、43、44分別畫出一個錐式射線 (Strahlenkegel)45、46、47。對于這些焦點位置42、43、44或射線45、46、47計算投影。也 就是說，替代對于(一般地關(guān)于該片段是中央的)焦點位置46通常進(jìn)行的投影計算，對于 三個焦點位置42、43、44進(jìn)行相應(yīng)的投影的計算。然后對三個結(jié)果求平均。在此，例如每個 計算的投影用系數(shù)1/3加權(quán)。其它的權(quán)重(例如中央的焦點位置46的更強(qiáng)的加權(quán))同樣 是可以考慮的。每個片段計算的投影以及對應(yīng)的加權(quán)可以例如借助對模體的試驗來確定。還可以根據(jù)片段在掃描軌跡上的位置來改變每個片段計算的和待平均的投影的 數(shù)量。在層析X射線照相組合的情況下例如可以更精細(xì)地掃描更靠外部的片段，因為其帶 來對象結(jié)構(gòu)的較強(qiáng)的模糊化。此外，還可以在掃描中通過不同長的片段考慮非恒定不變的 劑量分布(不同的脈沖長度)，其然后對于待計算的和待求平均的投影相應(yīng)地又可以對應(yīng) 于焦點位置的取決于片段的可變數(shù)量。該裝置的一個擴(kuò)展是，根據(jù)迭代選擇焦點位置的特定于片段的數(shù)量。為了在迭代 計算開始時對于對象的三維表示盡可能計算效率高地達(dá)到適合的近似，可以考慮片段的粗 略掃描。然后可以在使用片段的更精細(xì)的掃描的條件下在隨后的迭代步驟中改進(jìn)該近似。圖6示出，本發(fā)明是如何對按照圖4的過程起作用的。對于每個片段多次對于不 同的軌跡點進(jìn)行步驟31 (計算投影)。于是也獲得相應(yīng)多個計算的投影32 (例如對于在圖 5中示出的片段41是三個)。在步驟29中對不同的投影求平均(步驟29)，用于與相應(yīng)的 測量的投影34的比較33。為了快速確定圖像，可以在掃描之前進(jìn)行用于計算的輸入?yún)?shù)。這例如涉及在圖 7中示出的過程。根據(jù)軌跡的分段(步驟51)和按照片段選擇用于投影計算的軌跡點(步 驟52)，可以事先計算對于前向投影所需的投影矩陣(步驟53)。按照這種方式，通過按照 本發(fā)明的多次計算投影的額外開銷對于圖像的計算的持續(xù)時間的影響不是非常大。只要關(guān) 于軌跡和X射線源沒有進(jìn)行參數(shù)改變，就可以對于多次掃描使用該矩陣。本發(fā)明不只是局限于實施例中描述的情況。特別是當(dāng)檢測器不是位置固定的，而是一起運(yùn)動的，例如在CT檢查中那樣，也可以應(yīng)用該方法。引文列表1Thorsten M. Buzug, Computed Tomography:From Photon Statistics toModern Cone-Beam CT, Springer,2008[2] Bissonnette, M. and et al. , Digital breast tomosynthesis using anamorphous selenium flat panel detector.Proc.SPIE,5745,529 (2005)3Ren B, Ruth C, Stein J, Smith A, Shaw I, Jing Z. Design andperformance of the prototype full field breast tomosynthesis system withselenium based flat panel detector. Presented at SPIE Conf. on Medical Imaging, San Diego, CA,12-18 Feb. 2005 and published in Proc. SPIE Physics of Medicallmaging, 5745 :550_61[4]Zhao Bo ；Zhao Wei Imaging performance of an amorphous seleniumdigitalmammography detector in a breast tomosynthesis sys tem. Medicalphysics 2008 ； 35(5) 1978-8權(quán)利要求
一種用于改進(jìn)在通過迭代重建的圖像確定中的圖像質(zhì)量的方法，其中，-確定由X射線源(8)的焦點在拍攝投影時經(jīng)歷的軌跡(40)的一個片段(41)，-對于該片段(41)計算多個不同的投影，并且-對所述多個投影進(jìn)行平均，用于該平均的投影與拍攝的投影的比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)行加權(quán)的平均。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于， -將經(jīng)歷的整個軌跡(40)劃分為片段，并且-對于每個片段進(jìn)行按照權(quán)利要求1所述的方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，按照一個片段在所述軌跡(40)上的位置 確定對于所述片段計算的投影的數(shù)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，按照劑量分布確定片段的長度。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，-進(jìn)行多個迭代步驟，其中對經(jīng)平均的投影與拍攝的投影進(jìn)行比較，并且 -按照迭代步驟確定對于一個片段計算的投影的數(shù)量。
7.一種用于改進(jìn)在通過迭代重建的圖像確定中的圖像質(zhì)量的裝置，具有-用于確定由X射線源(8)的焦點在拍攝投影時經(jīng)歷的軌跡(40)的一個片段(41)的 部件，-用于對于該片段(41)計算多個不同的投影的部件，和-用于對所述多個投影進(jìn)行平均、以便該平均的投影與拍攝的投影的比較的部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，具有用于進(jìn)行加權(quán)平均的部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的裝置，具有-用于將經(jīng)歷的整個軌跡(40)劃分為片段的部件，和-用于對這些片段中的每個進(jìn)行按照權(quán)利要求1所述的方法的部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，按照一個片段在軌跡(40)上的位置可以確定對于該片段計算的投影的數(shù)量。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的裝置，其特征在于，按照劑量分布可以確定所述片段的 長度。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項所述的裝置，其特征在于，-可以進(jìn)行多個迭代步驟，其中進(jìn)行平均的投影與拍攝的投影的比較，以及 -按照迭代步驟可以確定對于一個片段計算的投影的數(shù)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于通過考慮焦點運(yùn)動改進(jìn)在通過迭代重建的圖像確定中的圖像質(zhì)量的方法。為了考慮在計算的投影中焦點運(yùn)動的影響，按照本發(fā)明提出，按照片段地對于焦點軌跡的各個片段計算多個不同投影，并且為了與在片段中拍攝的投影比較而進(jìn)行平均。本發(fā)明產(chǎn)生改進(jìn)的圖像質(zhì)量，主要在層析X射線照相組合應(yīng)用中，在該應(yīng)用中利用靜止的檢測器進(jìn)行多個拍攝。
文檔編號A61B6/03GK101810491SQ20101011766
公開日2010年8月25日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者托馬斯·默特爾邁耶, 本杰明·凱克, 賈斯米納·盧德維格, 霍爾格·舍爾, 馬庫斯·科瓦?？?申請人:西門子公司