計算斷層攝影成像方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種計算斷層攝影成像方法，包括：檢測輻射來獲取對象的投影圖像，其中，所述輻射已針對對象與輻射的各個不同的相對取向穿過對象；以及處理投影圖像，以生成對象的斷層照片；其中，所述輻射以發(fā)散射束的形式穿過對象，并且對象與輻射的射束的不同相對取向限定了射束沿著對象的兩個或更多完整軌跡，完整軌跡相互偏移，以減少由于射束穿過對象的發(fā)散而引起的所生成的斷層照片的部分中的空間分辨率的降低。
【專利說明】計算斷層攝影成像方法和系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種計算斷層攝影成像方法和系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]術語計算斷層攝影術(CT)通常涉及如下處理，通過該處理，表示關注的物理對象的內(nèi)部結構的基本上任意期望視圖的一個或多個圖像可以從表示對象的各個幾何投影的相應的圖像組來計算。
[0003]為了獲取對象的投影圖像，斷層攝影成像裝置需要:(i)粒子源或電磁輻射源，以探測對象；(ii)檢測器，以測量所得到的探測對象的相互作用；以及(iii)用于改變源/檢測器部件與對象之間的相對取向(orientat1n)的裝置。因此，構成圖像組的投影圖像表示在源/檢測器部件與對象之間的各個相對取向處獲得的探測對象相互作用的測量。通常，選擇這些方向，使得源和檢測器相對于對象遵循特定的軌跡，該軌跡取決于源與檢測器之間的幾何形狀。這樣的軌跡的示例包括圓形軌跡、螺旋形軌跡和鞍形軌跡。
[0004]一旦獲取了在各個不同的相對取向處的一組二維投影圖像，則對這些圖像應用重建算法，以生成在本文中被稱為斷層照片的相應的數(shù)據(jù)組，其以三維空間來表示對象的外部特征和內(nèi)部特征。將斷層照片用作輸入，然后可以使用顯示軟件，以基本上用戶期望的任何方式將對象可視化，包括如旋轉的半透明對象、沿任意方向穿過對象的靜態(tài)和動態(tài)部分等。這樣的“重建”圖像在本文中被稱為斷層攝影圖像。
[0005]X射線計算斷層攝影術(CT)使得能夠對復雜內(nèi)部結構的各種材料和長度尺寸進行非破壞性檢查。X射線計算斷層攝影術是快速發(fā)展的技術，其很容易在如生物、地質及材料科學領域發(fā)現(xiàn)新的應用。能夠產(chǎn)生微米級特征的CT圖像的CT系統(tǒng)在現(xiàn)有技術中被稱為微CT系統(tǒng)。當前現(xiàn)有技術中基于實驗室的微CT系統(tǒng)通?；ㄙM8至12小時獲取關注的樣本或對象的X射線投影數(shù)據(jù)，以生成包含20483體素的高質量斷層照片，其中體素邊長為2至3微米。
[0006]然而，在許多應用中，在具有該空間分辨率的微CT圖像中關注的特征太小以致不能夠清楚地分辨。例如，圖1將來自具有體素(邊緣)大小為2.5μπι的斷層照片的微CT圖像部分(左側圖像)與相同區(qū)域的具有像素尺寸為0.7μπι的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(右側圖像)進行比較。在SEM圖像中可見的樣本的開口區(qū)域在微CT圖像中不能夠清楚地分辨，這阻礙了將微CT圖像用于對樣本孔隙度進行精確的定量分析。如下所述，可以以顯著更長的獲取時間為代價來提高微CT的空間分辨率。然而，更長的獲取時間增加了每個圖像的成本并且降低了吞吐量，這對于商業(yè)環(huán)境中的微CT系統(tǒng)而言通常是不可取的。
[0007]在實現(xiàn)增加分辨率的同時保持可接受獲取時間對于基于實驗室的錐形束微CT系統(tǒng)而言是重大挑戰(zhàn)。對于微米級或低于微米級的分辨率，現(xiàn)有的CT系統(tǒng)和方法需要延長獲取時間以防止信噪比(SNR)損害圖像保真度。然而，減少獲取時間會提高樣本吞吐量，從而在一定范圍的商業(yè)應用中增加微CT成像的吸引力。
[0008]高分辨率成像與信噪比
[0009]在增加基于實驗室的錐形束微CT系統(tǒng)的圖像分辨率時的主要障礙是在射線照片分辨率、X射線源光點大小以及投影數(shù)據(jù)信噪比(SNR)之間的關系。由于半影效果，射線照片分辨率的下限是X射線源光點直徑；然而，X射線通量大致與源光點面積成比例。因此，為了使分辨率增加到兩倍，必須使源光點面積減少四分之三，并且因此X射線通量減少四分之三。對適當配置的(即，限于量子)檢測器中的圖像噪聲起主要作用的是由有限光子數(shù)量引起的散粒噪聲(即，統(tǒng)計噪聲)。投影數(shù)據(jù)SNR與在檢測器的每個像素處檢測到的X射線光子數(shù)的平方根成比例。因此，為了保持給定的SNR并且使分辨率加倍，必須使獲取時間延長為四倍。在高分辨率處，該平方律關系導致不可接受長的獲取時間，并且高分辨率成像還對系統(tǒng)部件提出嚴格的穩(wěn)定性要求。
[0010]X射線管通常通過約為2 π球面度的立體角生成近似各向同性的X射線束通量。緩解SNR變小的最簡單的方法是移動檢測器靠近源，從而捕捉更大比例的X射線束。然而，如從圖2所示的系統(tǒng)幾何形狀明顯可見，這意味著以高錐形角來操作成像系統(tǒng)。
[0011]數(shù)據(jù)充足性
[0012]如上所述，不直接獲取斷層照片和斷層攝影圖像，而是從獲取的樣本投影圖像組進行重建。X射線源和檢測器(或等同地:樣本)沿預定軌跡移動，使得在不同的投影角度收集每個投影圖像。用于重建斷層照片的算法很大程度上取決于用于收集投影的軌跡。
[0013]為了重建精確的斷層照片或斷層攝影圖像，所獲取的投影數(shù)據(jù)應當包括關于該對象的完整信息。Tuy首先解決了 3D斷層攝影術的數(shù)據(jù)完整性問題(參見H.K.Tuy, “An inverse formula for cone-beam reconstruct1n,，，SIAM J App1.Math.，vol.43，pp.546—552，1983)。Tuy制定了獲取軌跡的通用標準，其確保可以收集完整的信息。滿足該標準的軌跡在現(xiàn)有技術中被稱為完整軌跡。然而，本領域技術人員應當理解，軌跡的完整性取決于被重建的斷層攝影體積區(qū)。因此，在本說明書中，術語完整軌跡被限定為至少重建斷層照片大體部分滿足Tuy標準的軌跡。
[0014]單個封閉圓形軌跡不為3D重建提供完整數(shù)據(jù)。不管采樣密度如何，沿這種軌跡收集的數(shù)據(jù)不包括重建該對象所需的所有信息，并且因此僅可以進行近似重建。只要錐形角小，則沿圓形軌跡獲取的投影數(shù)據(jù)幾乎是完整的(例如，通常錐形角〈5°是可接受的)。然而，缺失的數(shù)據(jù)量隨著錐形角的增加而增加。
[0015]可以通過將垂直于圓形平面的線段追加到圓來獲得完整軌跡。其他這種完整軌跡包括螺旋形和鞍形。沿這些(以及其他完整)軌跡收集的投影數(shù)據(jù)為(理論上)精確重建提供足夠的信息。實際上，理論上精確的重建算法已被知道有一段時間。盡管由于如噪聲和有限采樣因素，實踐中沒有實現(xiàn)精確重建，但是仍期望使用理論上精確的重建方法以消除因在相關反演公式中的近似所引起的重建中的系統(tǒng)誤差。
[0016]使用完整軌跡，斷層攝影成像裝置原則上可以在任意大的錐形角操作，可以移動檢測器使其盡可能在物理上靠近源。就可以對任意高度的對象進行成像的附加優(yōu)點而言，螺旋形是特別受關注的。許多已知的重建方法可以從沿螺旋形軌跡獲取的投影數(shù)據(jù)生成斷層照片，包括近似迭代方法例如代數(shù)重建技術(ART)和同步迭代重建技術(SIRT)，以及基于理論上精確的KatsevichlPI反演公式的濾波反投影型重建方法，或者近似菲爾德坎普-戴維斯-克雷斯(Feldkamp-Davis-Kress, FDK)重建方法的螺旋形變體。
[0017]若干現(xiàn)有類型的CT系統(tǒng)可以實現(xiàn)(亞)微米分辨率。例如，超精細對焦系統(tǒng)使用掃描電子顯微鏡(SEM)來進行X射線生成。然而，這些僅可以產(chǎn)生至多約30kV的X射線，并且限于亞毫米樣本直徑。此外，由于樣本被放置在真空室中，它們不能容易地適應于實驗臺。
[0018]基于X射線透鏡的系統(tǒng)使用聚光透鏡以增加來自源的X射線通量。由于用于硬X射線的菲涅爾波帶片中所需的高縱橫比，這些系統(tǒng)還限于低X射線能量。通過使用很小的檢測器元件(要求很薄的閃爍體)來獲得良好的分辨率。結果，僅檢測到小部分的X射線光子，盡管在這些系統(tǒng)中X射線通量相對高，卻導致很長的獲取時間。
[0019]精細對焦系統(tǒng)是第三可替選方案。與超精細對焦系統(tǒng)一樣，精細對焦系統(tǒng)不依賴于X射線光學器件，但是在可以使用的X射線能量的范圍和由于不需要真空室因此可以對什么對象進行成像方面提供了更大的靈活性。此外，在X射線源與檢測器之間的傳播路徑完全開放，使得這種系統(tǒng)理想地適合于在需要輔助實驗臺的情況下使用。
[0020]第四配置類型是準平行配置，其中，與源相比，樣本被更靠近檢測器放置，以提供接近于I的幾何放大率。對于給定源光點大小來說，該幾何形狀使得射線照片分辨率比在精細對焦配置下更高，允許使用具有更高通量的源。然而，更大的源樣本距離要求使用較小的錐形角，這意味著實踐中入射到樣本上的X射線通量沒有大幅地提高。其次，在高分辨率下，必須使用薄的閃爍體，導致非常低的X射線檢測效率，其與現(xiàn)代大的平板檢測器的超過60 %的X射線檢測效率相比，通常小于5 %。
[0021]以下討論專門針對精細對焦系統(tǒng)類型。
[0022]常規(guī)的精細對焦微CT系統(tǒng)是使用圓形軌跡的無透鏡精細對焦配置，并且用菲爾德坎普-戴維斯-克雷斯(Feldkamp-Davis-Kress，F(xiàn)DK)算法進行重建。因為其僅需要單個旋轉臺，這提供了極大的簡單性和可靠性。然而，如上所述，沿圓形軌跡收集投影數(shù)據(jù)不提供關于對象的完整信息，并且不適用于以錐形角超過5°的X射線束進行成像。因此，為了獲得可接受的SNR，使用了長的獲取時間。這些相同的限制適用于使用用于X射線生成的掃描電子顯微鏡(SEM)的圓形軌跡超精細對焦系統(tǒng)。
[0023]SkyScan制造的商用螺旋形微CT系統(tǒng)使用精細對焦螺旋形軌跡和FDK重建。如上所述，螺旋形軌跡是完整的。然而，F(xiàn)DK重建算法的近似性能意味著僅可以用中等或小螺旋螺距進行數(shù)據(jù)獲取，當掃描長的對象時，需要長的獲取時間。
[0024]原則上，基于精確反演公式的重建方法可以用于在任意高的錐形角進行斷層攝影成像，并且因此不限于小螺距。然而，發(fā)明人已經(jīng)認識到，在高螺距處，螺旋形軌跡的固有的非對稱性意味著獲取的投影組表示成像對象的非均勻空間采樣。這導致斷層照片具有基本上非均勻的空間分辨率，并且因此降低了實用性。
[0025]期望提供一種緩解現(xiàn)有技術的一個或多個困難或至少提供有用的可替選方案的計算斷層攝影成像的方法和系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，提供了一種計算斷層攝影成像方法，包括:
[0027]通過檢測輻射來獲取對象的投影圖像，其中，所述輻射已針對對象與輻射的各個不同的相對取向穿過對象；以及
[0028]處理投影圖像，以生成對象的斷層照片；
[0029]其中，輻射以發(fā)散射束的形式穿過對象，并且對象與輻射的射束的不同相對取向限定了射束沿著對象的兩個或更多完整軌跡，所述完整軌跡相互偏移，以減少由于射束穿過對象的發(fā)散而引起的所生成的斷層照片的部分中的空間分辨率的降低。
[0030]處理還可以減少斷層照片中的空間分辨率的變化。
[0031]在一些實施方式中，對象與輻射的射束的不同相對取向限定了單個軌跡，該單個軌跡限定兩個或更多完整軌跡。亦即，單個軌跡包括兩個或更多完整軌跡。在其他實施方式中，獨立地獲取兩個或更多完整軌跡。
[0032]在一些實施方式中，兩個或更多完整軌跡是螺旋形軌跡。在一些實施方式中，兩個或更多完整軌跡包括相互偏移180°的兩個螺旋形完整軌跡。
[0033]在一些實施方式中，對投影圖像的處理包括:
[0034]處理針對兩個或更多完整軌跡中的每個軌跡的投影圖像，以生成相應的第一斷層照片，其中，每個第一斷層照片的空間分辨率根據(jù)相應的完整軌跡隨著對象內(nèi)的空間位置而變化；以及
[0035]處理第一斷層照片以生成另一斷層照片，在另一斷層照片中，空間分辨率的變化至少部分被補償。
[0036]在一些實施方式中，通過對第一斷層照片的被選擇部分進行組合來生成另一斷層照片。
[0037]在一些實施方式中，生成另一斷層照片作為第一斷層照片的加權組合。在一些實施方式中，權重相等。在其他實施方式中，確定權重，以使得另一斷層照片中的每個部分對應于第一斷層照片的相應的部分中的最清晰的部分。
[0038]本發(fā)明的一些實施方式提供了一種計算斷層攝影成像方法，包括:
[0039]訪問對象的投影圖像組或從對象的投影圖像組生成的斷層照片，每個投影圖像組已使用輻射的射束相對于對象的相應完整軌跡來獲取，其中，如果根據(jù)相應完整軌跡來生成這樣的斷層照片，則穿過對象的射束發(fā)散降低了相應的斷層照片的部分中的空間分辨率或從相應的投影圖像組生成的斷層照片的部分中的空間分辨率；以及
[0040]從斷層照片或投影圖像組中生成另一斷層照片，以減少空間分辨率的降低。
[0041]本發(fā)明的一些實施方式提供了一種計算斷層攝影成像方法，包括:
[0042]訪問使用輻射的射束相對于對象的各個不同的完整軌跡獲取的對象的投影圖像組，其中，如果根據(jù)各個完整軌跡來生成這樣的斷層照片，則穿過對象的射束發(fā)散會降低從各個投影圖像組生成的各個斷層照片的部分中的空間分辨率；以及
[0043]處理投影圖像組，以生成其中空間分辨率的降低被減少的斷層照片。
[0044]在一些實施方式中，使用精確或近似濾波反投影型方法從投影圖像生成斷層照片。在其他實施方式中，使用迭代近似方法從投影圖像中生成斷層照片。
[0045]本發(fā)明還提供了一種在其上存儲有計算機可執(zhí)行編程指令的計算機可讀存儲介質，計算機可執(zhí)行編程指令被配置成用于執(zhí)行上述方法中的任一方法。
[0046]本發(fā)明的一些實施方式提供了一種在其上存儲有計算機程序產(chǎn)品的計算機可讀存儲介質，計算機程序產(chǎn)品被配置成用于執(zhí)行上述方法中的任一方法。
[0047]本發(fā)明的一些實施方式提供了一種計算斷層攝影成像系統(tǒng)，配置成執(zhí)行上述方法中的任一方法。
[0048]根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，提供了一種計算斷層攝影成像系統(tǒng)，包括:
[0049]數(shù)據(jù)獲取模塊，配置成獲取通過檢測輻射而生成的對象的投影圖像，其中，所述輻射針對對象與輻射的各個不同的相對取向已穿過對象；以及
[0050]斷層照片生成器，配置成處理投影圖像以生成對象的斷層照片，
[0051]其中，輻射以發(fā)散射束的形式穿過對象，并且對象與輻射的射束的不同相對取向限定了射束沿著對象的兩個或更多完整軌跡，該完整軌跡相互偏移，以減少由于射束穿過對象的發(fā)散而引起的所生成的斷層照片的部分中的空間分辨率的降低。
[0052]在一些實施方式中，斷層照片生成器被配置成:處理每個完整軌跡的投影圖像以生成相應的第一斷層照片，其中，每個第一斷層照片的空間分辨率根據(jù)相應的完整軌跡隨著對象內(nèi)的空間位置而變化；并且處理第一斷層照片以生成另一斷層照片，在另一斷層照片中，空間分辨率的變化被減少或至少部分被補償。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0053]下面結合附圖僅以示例性方式對本發(fā)明的一些實施方式進行了描述，其中，相同的附圖標記指代相同的元件，并且，附圖中:
[0054]圖1包括地質巖芯樣本的同一區(qū)域的常規(guī)微CT圖像(左側圖像)和SEM圖像(右側圖像)，顯示了妨礙對樣本孔隙度進行量化分析的常規(guī)微CT的相對較差的空間分辨率；
[0055]圖2是斷層攝影成像裝置的攝影圖像，其中，由X射線源生成的錐狀X射線束被發(fā)射穿過關注的對象或樣本，以在檢測器上生成投影圖像；
[0056]圖3是示出如圖2中示出的使用螺旋形完整軌跡的斷層攝影成像裝置的幾何參數(shù)的不意圖；
[0057]圖4包括示出針對圓形軌跡(左側圖像)和螺旋形軌跡(右側圖像)的地質巖芯樣本的同一部分的重建斷層照片部分的圖像；
[0058]圖5包括針對相互偏移180°的螺旋形完整軌跡的地質巖芯樣本的相應的斷層照片橫截面的圖像(左側)，以及相同圖像的放大部分(右側)，其示出觀察到的樣本的最靠近輻射源的部分比更遠離輻射源的區(qū)域具有更好的空間分辨率；
[0059]圖6包括因在平行于像素邊緣的正交方向上的束發(fā)散引起的每個檢測器像素的尺寸與在樣本的相反側的樣本的相應區(qū)域的大小之間的關系的示意性圖示；
[0060]圖7包括表示用于針對單個螺旋形完整軌跡(左側圖像)的重建斷層照片部分中的圓柱形樣本的區(qū)域的平均源距離與用于相互偏移180°的兩個螺旋形完整軌跡的平均的變化的圖像；
[0061]圖8是指示圖9中以更高的放大率示出的被選擇的矩形區(qū)域的斷層照片部分的圖像；
[0062]圖9包括與圖8中指示的選擇區(qū)域相對應的各個斷層照片的三個放大部分；頂部圖像和中間圖像來自從沿相互偏移180°的單個螺旋形軌跡獲取的投影生成的斷層照片，并且下部圖像來自由對針對生成頂部圖像和中間圖像的兩個螺旋形軌跡的投影圖像進行相等加權作用而生成的斷層照片；
[0063]圖10是斷層攝影成像方法的實施方式的流程圖；以及
[0064]圖11是計算斷層攝影成像系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)的框圖。

【具體實施方式】
[0065]下面，在用于使用錐形X射線束對小型對象如圓柱形地質核心樣本進行微米尺寸或納米尺寸計算斷層攝影的斷層攝影成像裝置的背景下，對本發(fā)明的一些實施方式進行描述。然而，應當理解，本文中描述的方法通?？蛇m用于各種不同的斷層攝影方法和裝置，并且，通常不限于任何具體的裝置類型、輻射類型(包括粒子)、對象類型或長度尺寸。
[0066]如圖2和圖3所示，計算斷層攝影(CT)裝置或系統(tǒng)包括X射線源202、樣本臺204以及檢測器206。X射線源202生成錐形X射線束，該錐形X射線束穿過安裝在樣本臺204上的對象210被發(fā)射到檢測器206。錐形角302和扇形角304分別被限定成在源202處與檢測器206所對的垂直半角和水平半角。檢測器206包括:閃爍體，其在受X射線照射時生成可見光；以及安裝在閃爍體后面的CCD或非晶硅平板傳感器，其生成表示閃爍體生成的熒光空間布置的二維圖像的圖像數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生穿過對象210的X射線的X射線強度的二維圖像或映射。如將會意識到的那樣，這些圖像中的每個圖像均示出沿著穿過對象210被發(fā)射到檢測器206的X射線的方向被投影的對象210的外部結構特征和內(nèi)部結構特征二者。如圖15所示，獲取由檢測器206生成的圖像數(shù)據(jù)作為一組圖像1536，該組圖像1536以二進制數(shù)據(jù)的形式存儲在用于隨后處理的系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1500中。通過在連續(xù)的圖像之間，樣本臺204被致動以使樣本或對象210旋轉小的角度(并且在螺旋形掃描的情況下，還使樣本或對象210平移小的垂直距離)來依次獲取圖像，從而提供穿過對象210的不同的幾何投影。重復這些步驟，直到樣本經(jīng)過至少180° +扇形角的旋轉并且獲取完整的一組投影圖像為止。在螺旋掃描的情況下，重復這些步驟，直到樣本或對象210經(jīng)過足以獲得樣本/對象210的關注區(qū)域的完整信息的線性平移和旋轉為止。由X射線束和對象210的共同的步進式相對運動表示的路徑在現(xiàn)有技術中被稱為“掃描軌跡”(或者為了方便起見，簡稱為“軌跡”)，其中，沿該軌跡在各個位置處獲取投影圖像1536。
[0067]然后，使用重建軟件對該組投影圖像1536進行處理，以生成表示對象210的三維外部結構特征和內(nèi)部結構特征的斷層照片。為此，可使用各種重建方法:近似迭代方法如ART和SIRT等；以及濾波反投影型方法。在所描述的實施方式中，使用了用于螺旋形軌跡的基于優(yōu)化的重建方法，其中，KatsevichlPI反演公式(如在A.Katsevich, “Theoreticallyexact filtered backproject1n-type invers1n algorithm for spiral CT,，，SIAMJournal of Applied Math, pp.2012—2026，2002 中所述)與自動對準處理結合，如第 PCT/AU2011/000038號國際專利申請中所述，其全部內(nèi)容通過引用明確地合并于本文。所得到的斷層照片可以以由系統(tǒng)的用戶實時地進行動態(tài)旋轉和側旋的對象210的部分透明表示的形式顯示，以將該對象210的內(nèi)部結構特征可視化和分析。
[0068]圖2中示出的CT裝置或系統(tǒng)是高精度的微CT儀器，該微CT儀器能夠使用各種對象軌跡來獲取X射線投影數(shù)據(jù)。例如，圖4將使用螺旋形軌跡的系統(tǒng)生成的斷層照片橫截面(右側圖像)與從在使用圓形軌跡的常規(guī)微CT系統(tǒng)上獲取的數(shù)據(jù)生成的斷層照片橫截面(左側圖像)進行比較，為了對相同的斷層攝影體積區(qū)進行成像，后者需要顯著更長的照相機長度。螺旋形軌跡斷層照片橫截面(右側圖像)的空間分辨率明顯優(yōu)于圓形軌跡斷層照片(左側圖像)的空間分辨率。
[0069]對于中等錐形角，螺旋形軌跡運行良好。然而，隨著錐形角的增加，在每個重建圖像內(nèi)，重建圖像的分辨率變得非均勻。為了說明這個問題，圖5將碳酸鹽巖石樣本的同一部分的兩個微CT圖像進行比較，且所述兩個微CT圖像來自使用各自螺旋形軌跡獲取的各自的斷層照片，其僅有的差別是樣本在兩個螺旋形數(shù)據(jù)獲取軌跡之間圍繞其圓柱軸的180°旋轉。右側圖像分別是在樣本的左側圖像中指示的選擇區(qū)域的放大視圖。很明顯，下部的放大圖像相對于上部的放大圖像相當模糊。然而，如果檢查靠近樣本的相反側的區(qū)域，則會觀察到相反的情況。通常的觀察是在投影數(shù)據(jù)獲取期間，在與樣本到X射線源的距離更大的位置相對應的區(qū)域中圖像的空間分辨率降低。注意，在約4微米的體素分辨率下，空間分辨率不受源光點大小的限制。
[0070]重建的空間分辨率的這個變化的原因是投影數(shù)據(jù)表示對象的非均勻空間采樣。當源自濾波反投影型重建算法時，投影數(shù)據(jù)被建模成沿從理論點源到連續(xù)采樣檢測器的線的X射線累積衰減。在實踐中，檢測器采樣是有限的。通常，檢測器像素遠大于微焦光點的大小。因此，真正的投影數(shù)據(jù)不僅表示沿直線的累積衰減，而且還表示基于每個檢測器像素跨越的立體角的空間平均值。如圖6所示，由于隨著距(標稱點)源的距離的增加這個立體角逐步跨越更大的幾何區(qū)域，對每個檢測器像素的有限采樣相當于在獲取每個投影前隨著穿過樣本的距離應用X射線衰減貼圖的非均勻模糊。圖6的左側部分示出了具有X射線點源602和X射線檢測器604的理想化CT配置，X射線檢測器604的像素不大于零發(fā)散x射線束608在穿過樣本610后照射的區(qū)域606。
[0071]相比之下，圖6的右側示出了更真實的CT配置，其中有限尺寸的X射線點源612產(chǎn)生大致錐形的X射線束614，該X射線束614穿過樣本610以照射檢測器618的離散檢測器像素616。由于有限的束發(fā)散,使得發(fā)散束的橫向維度(即與傳播方向正交的維度)隨著距源612的距離的增加而增加?？紤]到與單個檢測器像素616的尺寸相對應的束614的大致矩形的發(fā)散部分，因此，靠近X射線源612的樣本610的體積區(qū)或部分618的橫向維度小于進一步遠離X射線源612的樣本610的第二體積區(qū)620的相應的橫向維度。像素采樣體積區(qū)的橫向維度隨著距檢測器612的距離增加而擴大的結果意味著最高空間分辨率從距X射線源612最靠近的樣本的體積區(qū)或部分618獲得，而最低空間分辨率從距X射線源612最遠的體積區(qū)620獲得。
[0072]由于螺旋形軌跡固有的非對稱性，即使在考慮到整個數(shù)據(jù)集時，非均勻采樣仍保持:即使在所有相關投影上進行平均時，一些點將比其他點距離源更遠。在這種情況下的程度取決于螺旋的螺距，并且取決于用于在每個點處進行重建的投影的子集。使用KatsevichlPI反演方法進行重建表示極端情況。由于這種重建方法僅需要來自跨越半周螺旋的投影的數(shù)據(jù)，所以允許使用很高螺距的軌跡，并且因此可以對長對象進行快速掃描。
[0073]圖7中的左側圖像以強度或亮度表示從輻射源到重建體積區(qū)內(nèi)部的平面中的每個點的平均距離，其基于影響在相應點處重建的所有投影進行平均。圖像清楚地表明在基于影響重建的所有投影進行平均的情況下，從源到重建體積區(qū)內(nèi)部的每個點的距離在空間上變化。這意味著由有限檢測器元件引起的相應的模糊和穿過樣本的束的發(fā)散也將在空間上變化。
[0074]所有現(xiàn)有技術的精確重建方法都是在沒有考慮有限檢測器元件的情況下開發(fā)的。因此，這些重建方法沒有考慮到使用發(fā)散的輻射束，在沿螺旋形軌跡獲取的投影數(shù)據(jù)集中固有的對對象采樣的空間變化。本文中描述的方法解決了這個疏忽，并在整個斷層照片產(chǎn)生均勻或至少更均勻的空間分辨率。這最終使得來自工業(yè)或學術機構的終端用戶更容易獲得高分辨率3D成像，并且提供更好的工具來以高清晰度和細節(jié)觀看樣本結構。
[0075]從圖7明顯可以看出，更靠近輻射源的區(qū)域從具有由采樣引起的更小的模糊度的投影數(shù)據(jù)重建。通過對應于旋轉軸處的放大率，在具有恒定體素大小的網(wǎng)格上進行重建，現(xiàn)有技術重建方法平均上離源遠的區(qū)域使用了過小的體素大小(區(qū)域顯得模糊)，相反，平均上靠近源的區(qū)域使用了過大的體素大小(區(qū)域顯得清晰)。
[0076]為了獲得具有均勻分辨率的高質量斷層照片，在本文中描述的重建方法使用了冗余數(shù)據(jù)，以對束的發(fā)散和穿過樣本的變化的源距離進行補償。
[0077]如果使用螺旋形軌跡，所描述的實施方式使用兩個相互偏移(180° )的螺旋形軌跡。然而，使用多于兩個軌跡對本領域技術人員是明顯的(例如η個相互偏移360° /n旋轉角的螺旋形軌跡)，而在其他實施方式中，可以使用各種其他可能的軌跡，包括其他形式的完整軌跡例如以上描述的那些軌跡。實際上，甚至不需要是相同形式的軌跡，盡管在實踐中的軌跡如此也是方便的。
[0078]圖7中的右側圖像與左側圖像一樣，除了源距離通過從兩個斷層照片生成圖像來有效地平均，且這兩個斷層照片從沿各自螺旋形軌跡獲取的數(shù)據(jù)單獨地重建。明顯地，與單螺旋斷層照片(左側圖像)相比，這種方法提供更均勻的源距離分布。因此，投影數(shù)據(jù)集包括表示對象的更均勻空間采樣的信息。因此，可以處理這個數(shù)據(jù)集以生成具有更均勻空間分辨率的斷層照片。
[0079]使用多個完整軌跡獲取的投影圖像可以以各種方式進行組合對本領域技術人員是明顯的。最簡單并且最方便地，在一些實施方式中，單獨的斷層照片從各自軌跡的各自圖像集重建，并且對生成的圖像進行組合。然而，在可替選實施方式中，雖然不太方便，但是投影圖像被直接處理以生成“校正的”斷層照片而不需要生成中間斷層照片。
[0080]在一些實施方式中，生成單個斷層照片作為單獨斷層照片的加權平均。最直接的加權方案是為每個斷層照片分配相等的權重。圖8示出了斷層照片部分的重建圖像，其中疊加的矩形選擇802指示樣本在圖9中被放大顯示的選擇區(qū)域。圖9中的三個圖像示出這個相同的區(qū)域，但是來自三個不同的斷層照片。頂部圖像和中間圖像來自從各個投影圖像組生成的相應的斷層照片，該投影圖像組沿相互偏移180度的各個單個螺旋形軌跡獲取。這兩個圖像的仔細比較表示:與中間圖像相比，在頂部圖像中樣本的在選擇區(qū)域中的空間分辨率大體上更好，其中，平均而言，與頂部圖像相比，在中間圖像中，發(fā)散的輻射束從X射線源行進得更遠以到達樣本的選擇區(qū)域。
[0081]下部圖像來自下述斷層照片，該斷層照片從對用于生成頂部圖像和中間圖像的兩個螺旋形軌跡的斷層照片進行相等加權作用生成。明顯地，盡管有利的是斷層照片內(nèi)以這種方式生成的圖像的空間分辨率基本上獨立于斷層照片內(nèi)的位置，如預期的，這個圖像的空間分辨率在上述兩個圖像的空間分辨率的中間。為了進一步提高圖像的銳度，在一些實施方式中使用非均勻加權方案來對斷層照片進行組合，以選擇性地或主要地包括僅來自每個斷層照片的一個或多個最清晰的區(qū)域(在區(qū)域間可能具有相對小的加權交疊)，從而，在最終斷層照片內(nèi)的所有區(qū)域處提供基本上最佳的可使用空間分辨率。這兩個選擇表示極限情況，在這兩個選擇之間存在連續(xù)的可能加權方案，對于最終重建中的每個點，這些方案將減少表示稀疏空間采樣的投影數(shù)據(jù)的影響，從而基本上提高最終斷層照片的空間分辨率的均勻性。
[0082]如國際專利申請第PCT/AU2011/000038號所述，除了提供更均勻的重建結果外，使用多個軌跡的微CT成像導致其自身進行自動焦距對準處理。例如，由于用于兩個180°偏移的螺旋形軌跡的數(shù)據(jù)集包括從對象210的相反側獲取的成對投影，因此，任何幾何硬件未對準將導致反投影不匹配的結果，并且因此被檢測為模糊圖像。
[0083]在本文中描述的多軌跡處理的具體優(yōu)點是:在不增加獲取時間的情況下提供增加的空間分辨率。在實踐中，用于給定微CT成像裝置和配置(無論使用單個軌跡還是多個軌跡)的獲取時間被選擇，使得所得到的斷層照片的信噪比足夠其所需的目的。但是，如果使用多個軌跡，則與僅使用一個軌跡相比，每個單個投影圖像會具有更多噪聲，但是在最終斷層照片中提供同樣的噪聲。例如，如果采用對兩個互補軌跡同等對待的加權方案，則在使用兩個軌跡的情況下所需要的獲取每個圖像的獲取時間是在僅使用單個軌跡的情況下所需要的時間的一半。因此，總的獲取時間可以基本上獨立于軌跡的數(shù)量，但是當使用多個軌跡獲取投影圖像時基本上提高了空間分辨率。
[0084]本領域技術人員應當理解，本文中描述和在圖10中示出的斷層攝影成像處理能夠以各種不同的形式來實施，但是以一個或多個軟件模塊的計算機可執(zhí)行編程指令形式實施可以是最方便的。因此，在所描述的實施方式中，斷層攝影成像裝置包括如圖11所示的標準計算機系統(tǒng)1500 (例如基于英特爾IA-32或IA-64的計算機系統(tǒng))，并且斷層攝影成像處理通過計算機系統(tǒng)1500來執(zhí)行，并且被實現(xiàn)為存儲在與計算機系統(tǒng)1500相關聯(lián)的非易失性(例如硬盤或固態(tài)驅動器)存儲器1504上的一個或多個軟件模塊1526至1534的編程指令。然而，可替選地，斷層攝影成像處理的至少一部分可以被實現(xiàn)為一個或多個專用硬件部件(例如專用集成電路(ASIC)和/或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA))是明顯的。
[0085]計算機系統(tǒng)1500包括標準計算機部件，所述標準計算機部件包括隨機存取存儲器(RAM) 1506、至少一個處理器1508以及外部接口 1510、1512、1514，所有這些部件通過總線1516相互連接。外部接口包括:通用串行總線(USB)接口 1510，且USB接口 1510中的至少一個連接至鍵盤1518和指示裝置如鼠標1519 ;網(wǎng)絡接口連接器(NIC) 1512，其將系統(tǒng)1500連接至通信網(wǎng)絡如因特網(wǎng)1520 ;以及顯示器適配器1514，其連接至用于觀看斷層攝影圖像的顯示裝置(如IXD平板顯示器1522)。
[0086]系統(tǒng)1500還包括許多其他軟件模塊1524至1534，其包括操作系統(tǒng)1524如Linux、Apple公司的OS X或Microsoft Windows、數(shù)據(jù)獲取模塊1526、斷層照片重建模塊1530、斷層照片組合模塊1534、數(shù)據(jù)可視化模塊1532以及可選地數(shù)據(jù)分析模塊1528。數(shù)據(jù)獲取模塊1526控制樣本旋轉和平移臺204，從檢測器206接收數(shù)據(jù)，并且將所接收的數(shù)據(jù)存儲作為針對各個相互偏移的完整軌跡的成組的投影圖像1536。可選地，數(shù)據(jù)分析模塊1528進行如國際專利申請第PCT/AU2011/000038所述的對準處理以確定系統(tǒng)的成像部件202、204和206的未對準參數(shù)的值，從而生成相應的成組的已校正的投影圖像1538。在任一情況下，由重建模塊1530處理投影圖像1536或1538，以針對各個完整軌跡生成重建的斷層照片1540。最后，斷層照片組合模塊1534對斷層照片1540進行組合，以從單個斷層照片1540的被選擇部分提供最終斷層照片1542，從而提供斷層照片1540的每個區(qū)域的最佳可獲得空間分辨率(或者可替代地，至少更均勻的空間分辨率)。然后，數(shù)據(jù)可視化模塊1532可以處理最終斷層照片1542，以在用戶控制下實時地生成重建斷層攝影圖像1544。
[0087]對于本領域的技術人員明顯的是由計算機系統(tǒng)執(zhí)行的處理可以包括:對輻射源202和CT掃描裝置進行控制，其使得輻射束沿關注的樣本或對象遵循期望的軌跡，和/或對所得到的投影圖像進行處理以生成最終斷層照片，在該最終斷層照片中，源距離的變化至少部分地被補償。通常，在計算機系統(tǒng)1500的控制下進行這兩種功能，但是應當清楚，在一些實施方式中并不需要如此。例如，可以是控制對象的軌跡和數(shù)據(jù)獲取的一個計算機系統(tǒng)實際上獨立于處理投影圖像以生成最終斷層照片1538的計算機系統(tǒng)。此外，處理可以包括:針對每個完整軌跡生成相應的斷層照片1542，然后，對所得到的斷層照片1540進行處理或組合以生成最終斷層照片1542，其中，源距離的變化至少部分地被補償，以提高斷層照片內(nèi)的空間分辨率的均勻性。對生成最終斷層照片1542的單個斷層照片1540的處理可以獨立于其他步驟進行，并且可以在獨立的計算機系統(tǒng)上進行。
[0088]在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，很多修改對于本領域技術人員而言將是明顯的。
[0089]本說明書中對于任何現(xiàn)有公開(或通過其得到的信息)或者對于任何已知的內(nèi)容的引用，都沒有并且不應當被認為是對以下內(nèi)容的承認、允許或者任何形式的建議:現(xiàn)有公開(或通過其得到的信息)或者已知內(nèi)容形成了致力于與本說明書有關的領域的普通知識的一部分。
【權利要求】
1.一種計算斷層攝影成像方法，包括: 通過檢測輻射來獲取對象的投影圖像，其中，所述輻射已針對所述對象與所述輻射的各個不同的相對取向穿過所述對象；以及 處理所述投影圖像，以生成所述對象的斷層照片； 其中，所述輻射以發(fā)散射束的形式穿過所述對象，并且所述對象與所述輻射的射束的不同相對取向限定了所述射束沿著所述對象的兩個或更多完整軌跡，所述完整軌跡相互偏移，以減少由于所述射束穿過所述對象的發(fā)散而引起的所生成的斷層照片的部分中的空間分辨率的降低。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述處理減少了所述斷層照片中的空間分辨率的變化。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，所述對象與所述輻射的射束的不同相對取向限定了包括所述兩個或更多完整軌跡的單個軌跡。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，獨立地獲取所述兩個或更多完整軌跡。
5.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，所述兩個或更多完整軌跡是螺旋形軌跡。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中，所述兩個或更多完整軌跡包括相互偏移的螺旋形軌跡。
7.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中，所述兩個或更多完整軌跡包括相互偏移約180°的兩個螺旋形完整軌跡。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的方法，其中，處理所述投影圖像包括: 處理所述兩個或更多完整軌跡中的每一個的投影圖像，以生成相應的第一斷層照片，其中，每個所述第一斷層照片的空間分辨率根據(jù)相應的完整軌跡隨著所述對象內(nèi)的空間位置而變化；以及 處理所述第一斷層照片，以生成另一斷層照片，在所述另一斷層照片中，空間分辨率的變化被減少或至少部分被補償。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，通過將所述第一斷層照片的選擇部分進行組合來生成所述另一斷層照片。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的方法，其中，所述另一斷層照片被生成作為所述第一斷層照片的加權組合。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，權重相等。
12.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，確定權重，使得所述另一斷層照片中的每一部分基本上對應于所述第一斷層照片的相應部分中的最清晰的部分。
13.一種計算斷層攝影成像方法，包括: 訪問對象的投影圖像組或從對象的投影圖像組生成的斷層照片，每個所述投影圖像組已使用輻射的射束相對于所述對象的相應完整軌跡來獲取，其中，如果根據(jù)所述相應完整軌跡來生成這樣的斷層照片，則穿過所述對象的射束發(fā)散降低了相應的斷層照片的部分中的空間分辨率或從相應的投影圖像組生成的斷層照片的部分中的空間分辨率；以及 從所述斷層照片或所述投影圖像組中生成另一斷層照片，以減少空間分辨率的降低。
14.一種計算斷層攝影成像方法，包括: 訪問使用輻射的射束相對于對象的各個不同的完整軌跡獲取的所述對象的投影圖像組，其中，如果根據(jù)各個完整軌跡來生成這樣的斷層照片，則穿過所述對象的射束發(fā)散會降低從各個所述投影圖像組生成的各個斷層照片的部分中的空間分辨率；以及 處理所述投影圖像組，以生成其中空間分辨率的降低被減少的斷層照片。
15.根據(jù)權利要求13或14所述的方法，其中，相對于來自所述投影圖像組中的任一投影圖像組的斷層照片，所述處理減少了斷層照片中的空間分辨率的變化。
16.根據(jù)權利要求13至15中任一項所述的方法，其中，使用精確或近似濾波反投影型方法從所述投影圖像中生成斷層照片。
17.根據(jù)權利要求13至15中任一項所述的方法，其中，使用迭代近似方法從所述投影圖像中生成斷層照片。
18.至少一種在其上存儲有計算機可執(zhí)行編程指令的計算機可讀存儲介質，所述計算機可執(zhí)行編程指令被配置成用于執(zhí)行權利要求1至17中任一項所述的方法。
19.一種在其上存儲有計算機程序產(chǎn)品的計算機可讀存儲介質，所述計算機程序產(chǎn)品配置成用于執(zhí)行權利要求1至17中任一項所述的方法。
20.一種計算斷層攝影成像系統(tǒng)，配置成執(zhí)行權利要求1至17中任一項所述的方法。
21.一種計算斷層攝影成像系統(tǒng)，包括: 數(shù)據(jù)獲取模塊，配置成獲取通過檢測輻射而生成的對象的投影圖像，其中，所述輻射針對所述對象與所述輻射的各個不同的相對取向已穿過所述對象；以及 斷層照片生成器，配置成處理所述投影圖像以生成所述對象的斷層照片， 其中，所述輻射以發(fā)散射束的形式穿過所述對象，并且所述對象與所述輻射的射束的不同相對取向限定了所述射束沿著所述對象的兩個或更多完整軌跡，所述完整軌跡相互偏移，以減少由于所述射束穿過所述對象的發(fā)散而引起的所生成的斷層照片的部分中的空間分辨率的降低。
22.根據(jù)權利要求21所述的計算斷層攝影成像系統(tǒng)，其中，所述斷層照片生成器被配置成:處理每個所述完整軌跡的投影圖像以生成相應的第一斷層照片，其中，每個所述第一斷層照片的空間分辨率根據(jù)相應的完整軌跡隨著所述對象內(nèi)的空間位置而變化；并且處理所述第一斷層照片以生成另一斷層照片，在所述另一斷層照片中，空間分辨率的變化被減少或至少部分被補償。
【文檔編號】G01T7/00GK104254786SQ201280059355
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2012年10月3日 優(yōu)先權日:2011年10月3日
【發(fā)明者】亞德里恩·保羅·謝潑德, 安德魯·莫里斯·金斯頓, 特龍·卡斯滕·瓦爾斯洛特 申請人:Fei公司