專利名稱：一種計算機層析成像設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種計算機層析成像(CT)設備，尤其是一種用于對感興趣(ROI)區(qū)域 進行CT成像的設備，以及在這些設備中使用的CT成像方法。
背景技術：
自從1972年Hounsfield發(fā)明了第一臺CT機，CT技術給醫(yī)學診斷和工業(yè)無損檢 測帶來了革命性的影響，CT已經(jīng)成為醫(yī)療、生物、航空航天、國防等行業(yè)重要的檢測手段之 一。X射線錐束CT已經(jīng)在醫(yī)學臨床、安全檢查、無損檢測等領域得到了廣泛的應用，特別是 在醫(yī)學臨床診斷中，螺旋CT已經(jīng)成為不可或缺的檢查手段之一 [1]。盡管目前CT技術已經(jīng)在工業(yè)、安檢、醫(yī)療等領域取得了巨大的成功，但由于工程 應用條件的復雜性和多樣性，對CT技術的進一步發(fā)展提出了更高的要求。尤其是在工業(yè)應 用中，CT技術在大尺寸、高精度成像，醫(yī)療低劑量成像等方面存在較大困難。這主要由于 CT掃描視野(FOV)受X射線束寬度、探測器尺寸和掃描視角的限制，這使得對大物體掃描 的投影數(shù)據(jù)可能存在探測器方向和掃描角度方向兩個方面的截斷；而現(xiàn)有的主流CT算法 都是針對完整物體的全局重建方法，要求X射線束必須完全覆蓋物體斷層，對投影數(shù)據(jù)有 截斷的情況難以處理。因此，目前對大物體或不規(guī)則物體進行成像時，往往難以直接完成掃 描，需要通過多次掃描后依靠數(shù)據(jù)重排等近似轉(zhuǎn)換方法才能重建出最終圖像，這對CT成像 的速度和精度造成了負面的影響。此外，CT設備中的探測器已經(jīng)成為限制CT設備的硬件成本的最關鍵環(huán)節(jié)，探測器 的價格直接和探測器單元尺寸和數(shù)量成正比，而探測器價格的居高不下，這極大地限制了 CT產(chǎn)品的成本空間。另一方面，在醫(yī)療CT成像中，為了保證X射線投影數(shù)據(jù)不截斷，目前CT掃描使用 的X射線束寬度必須覆蓋人體斷層的寬度方向，而真正感興趣往往只是人體的某個器官， 這大大增加了人體在CT掃描過程中受到的不必要的輻射劑量，如果不改變目前CT設計的 思路，很難降低輻射劑量。目前，醫(yī)療照射已經(jīng)成為全民最大的人為電離輻射來源，減少CT 檢查的X射線劑量是關系到全體社會公眾及其后代健康的重大課題。另外，隨著人民生活水平的提高，人們對醫(yī)學診斷的要求越來越高，特別是對于某 些人體特殊部位，例如女性乳腺、耳蝸、牙齒等部位的醫(yī)學診斷需要很高的空間分辨率。對 于這些情況，目前的主流全身螺旋CT機無法滿足正常醫(yī)療診斷的需求。隨著大面積平板探 測器技術的飛速發(fā)展，目前醫(yī)用平板探測器技術已經(jīng)相當成熟，如已經(jīng)應用于高空間分辨 率的X射線DR成像。目前基于非晶硒、非晶硅技術的平板探測器，其有效探測器面積超過 了 500_X500mm，而探測器像素尺寸也達到了 0. Imm左右，而目前多層螺旋CT的探測器單 位尺寸只有約0. 5mm，利用平板探測器可以實現(xiàn)比現(xiàn)有螺旋CT空間分辨率高的多的CT圖 像。但是，由于平板探測器數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)傳輸速度還無法滿足目前錐束CT成像的要求， 目前還沒有真正應用平板探測器進行全身成像的CT設備。如果我們不是針對人體全身，而 是利用小型平板探測器對感興趣的器官實現(xiàn)高精度感興趣區(qū)域CT成像，那么就能夠克服數(shù)據(jù)傳輸速度慢的技術瓶頸，使之成為可能。針對CT系統(tǒng)的上述缺點和局限性，我們開始探索新的CT圖像重建方法和CT成像 模式。事實上，很多工程應用中并不要求對完整的物體進行全局CT成像，只需要獲得某些 感興趣區(qū)域(ROI)的物體圖像即可，特別是醫(yī)療臨床診斷中，只要能夠?qū)崿F(xiàn)對可疑病灶部 位的成像即可[2]。20世紀80年代初，人們已經(jīng)開始研究物體的局部CT成像問題，但受當時CT重建 理論所限，人們無法精確重建出物體局部的CT圖像，因此轉(zhuǎn)而尋求一種與物體斷層圖像相 關的近似函數(shù)。1985年，Smith等提出了一種lambda tomography的局部重建算法，該算法 利用局部投影數(shù)據(jù)重建出一個與ROI密度函數(shù)有相同奇異性的函數(shù)[3]。隨后，Katsevich 提出了一種pseudolocal tomography的局部重建算法，這種算法通過重建密度函數(shù)的 Hilbert變換的一部分來代替原函數(shù)[4]。但是，由于這些函數(shù)都無法代替真正的物體斷層圖 像，難以滿足實際工程應用的需求，極大地降低了局部CT成像對于實際工程應用的意義。 在隨后很長的一段時間里，針對物體局部ROI的成像研究一直陷于停頓，無法得到解決。最近幾年，CT重建理論獲得了較大的發(fā)展。2002年，Katsevich首先提出了一種基 于濾波反投影(Filtered Back Projection,FBP)形式的錐束螺旋CT精確重建算法。該算 法很好地解決了長物體重建問題，在Z軸方向投影數(shù)據(jù)截斷的情況下，該算法仍然能夠精 確地重建出被掃描部分的物體圖像，并且由于該算法是FBP形式的，在重建速度上和迭代 類重建算法相比具有很大的優(yōu)勢，Katsevich為CT算法的發(fā)展提供了一個嶄新的思路[5_6]。 2004 年，Zou 和 Pan 提出了一種反投影濾波(Back Projection Filtration, BPF)形式的螺 旋CT精確重建算法，該方法只需要理論上最少的投影數(shù)據(jù)就能夠精確重建出物體的斷層 圖像[7_8]。至此，螺旋CT重建的基本理論問題得到了較好地解決。隨后，BPF算法被推廣應 用到平行束、扇束、錐束CT圖像重建中。Zou和Pan的BPF算法是基于PI線的重建算法，PI 線是掃描軌跡上任意兩點連線上的一條線段，BPF算法要求每條PI線的兩個端點在物體支 撐外，它的最大優(yōu)勢在于當投影數(shù)據(jù)存在某些截斷時仍然能夠精確重建出PI線上的圖像， 這使得針對ROI而不是完整物體的CT重建成為可能。2006年，Defrise等在BPF算法的基 礎上取得了更進一步的成果，放寬了 PI線的限制，證明了當PI線只有一個端點在物體支撐 外時，由通過該PI線的投影數(shù)據(jù)仍然能夠精確重建出PI線上圖像[9]。2007年，Wang等人 進一步證明了當PI線完全在物體內(nèi)部時，如果已知該PI線上一部分的圖像信息，就能夠通 過截斷的投影數(shù)據(jù)精確重建出該PI線上的物體圖像[1°]。但是，在實際CT工程應用中，物 體內(nèi)部PI線上的重建數(shù)值信息很難事先獲得，因此，Wang等人的方法在實際應用中具有一 定的局限性。相關文獻[1]李亮.CT投影變換理論及錐束重建方法研究[博士學位論文].北京清華大 學工程物理系，2007.[2]李亮，陳志強，康克軍，張麗，邢宇翔.感興趣區(qū)域CT圖像重建方法及模擬實 驗，CT理論與應用研究，18 1-7，2009.[3]A Faridani,E L Ritman,K T Smith. "Local tomography",SIAM Appl Math, 52 =459-484,1992.[4]A Katsevich, A. G. Ramm. "Pseudolocal tomography，，，SIAM Appl Math, 56 167-191，1996.[5]Katsevich A. A general scheme for constructing inversion algorithms for cone beam CT. Int J Math Math Sci，2003，21 :1305-1321.[6]Katsevich A. An improved exact filtered backprojection algorithm for spiral computed tomography. Adv Appl Math,2004, 32 :681_697.[7]Zou Y,Pan X. Exact image reconstruction on Pi-lines from minimum data in helical cone-beam CT. Phys Med Biol, 2004，49 :941_959.[8]Zou Y, Pan X. Image reconstruction on Pi-lines by use of filtered backprojection in helical cone-beam CT. Phys Med Biol, 2004,49 :2717_2731.[9]M Defrise, F Noo, R Clackdoyle, H Kudo. "Truncated Hilbert transform and image reconstruction from limited tomographic data", Inverse Problems,22 1037-1053，2006.[10]Y B Ye,H Y Yu,Y Wei,G Wang. "A General Local Reconstruction Approach Based on a Truncated Hilbert Transform", International Journal of Biomedical Imaging, Volume 2007, Article ID 63634.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的申請人發(fā)現(xiàn)了一個全新的CT精確重建數(shù)據(jù)完備性條件對于任意一點Fq = (COS辦,Sin蠔)，如果投影數(shù)據(jù)同時滿足下述條件，則圖像函數(shù) /(O可以被精確重建1.存在向量5 = (-sin戎,COSiO和兩條線段丄/ C厶、A) Cl,其中L是通過F0點且平
行于如勺在函數(shù)/( )支撐內(nèi)的線段、^ Lf ；2.線段Ltl至少有一個端點在函數(shù)支撐外，或線段Ltl上的/( )已知；3.對于任意點^^ I7IJAm通過包含該點的微小鄰域內(nèi)任意點的任意角度 Φ e [φ0, φ0+π]下的投影ρ(s，Φ)均被采集得到，其中$ =上述條件可以由圖1解釋，當感興趣區(qū)域ROI位于物體支撐內(nèi)部時，F(xiàn)OV僅僅覆 蓋ROI是不能精確重建ROI圖像的，需要增加額外的投影信息才能夠重建出該ROI的斷層 圖像，分兩種情況(a) (b)屬于一類情況，即增加一個額外的深色陰影區(qū)域，通過該陰影區(qū) 域的投影數(shù)據(jù)也需要采集得到，并且該深色陰影區(qū)域的圖像已知；(c) (d)屬于另外一類情 況，即增加額外的一個陰影區(qū)域B，該區(qū)域有一部分或全部在物體支撐外。只要滿足了上面 兩種情況之一，都能夠?qū)崿F(xiàn)感興趣區(qū)域ROI的精確CT成像。對比圖1中的四種情況，我們 可以發(fā)現(xiàn)對于后面兩種情況(c) (d)由于不需要已知該額外陰影區(qū)域的圖像信息，因此這 兩種情況更方便在工程應用中實現(xiàn)；特別是最后一種情況(d)由于陰影區(qū)域B位于物體支 撐外，因而只需要測量到通過ROI和區(qū)域B的X射線投影即可精確重建RO I的斷層圖像， 這就意味著該CT掃描方式對于醫(yī)療成像而言，被檢測者能夠接受更少的輻射劑量。被檢測 者只需要接受掃描其可疑組織區(qū)域的X射線劑量和通過其身體外一個很小空氣區(qū)域的X射 線劑量即可，相比目前的全身螺旋CT掃描，能夠在很大程度上減小被檢測者接受的輻射劑 量。本發(fā)明正是基于上述CT精確重建數(shù)據(jù)完備性條件，尤其是基于上述情況(d)而做出ο根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種對被檢測對象的感興趣區(qū)域進行CT成像的 方法，包括步驟獲取所述感興趣區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)；獲取B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)，其中所述 B區(qū)域的至少一部分位于所述被檢測對象的支撐之外，而且所述B區(qū)域被選為使得能夠選 擇一組覆蓋所述感興趣區(qū)域的PI線段，其中每條經(jīng)過所述感興趣區(qū)域的PI線均通過B區(qū) 域；以及根據(jù)所述感興趣區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)和所述B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)來重建所述感興 趣區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于對被檢測對象的感興趣區(qū)域進行CT成 像的CT成像設備，包括X射線發(fā)生器，用于產(chǎn)生用于掃描的X射線束；探測器裝置，用于探 測透過被掃描區(qū)域的X設備以產(chǎn)生投影數(shù)據(jù)；被檢測對象承載裝置，用于承載所述被檢測 對象進出所述CT成像設備；主控制器，用于控制所述CT成像設備的操作，以使得所述X射 線發(fā)生器所發(fā)出的X射線僅僅覆蓋所述感興趣區(qū)域來進行CT掃描以獲得所述感興趣區(qū)域 的投影數(shù)據(jù)，以及使得所述X射線發(fā)生器所發(fā)出的X射線僅僅覆蓋B區(qū)域來對所述B區(qū)域 進行CT掃描以獲得所述B區(qū)域的投影數(shù)據(jù)，所述B區(qū)域的至少一部分位于所述被檢測對象 的支撐之外，而且所述B區(qū)域被選為使得能夠選擇一組覆蓋所述感興趣區(qū)域的PI線段，其 中每條經(jīng)過所述感興趣區(qū)域的PI線段均通過B區(qū)域；以及數(shù)據(jù)處理單元，用于基于所獲得 的感興趣區(qū)域的投影數(shù)據(jù)和B區(qū)域的投影數(shù)據(jù)來重建所述感興趣區(qū)域的圖像。根據(jù)本發(fā)明提出的X射線CT成像設備和方法，只需要X光源發(fā)出的X射線束覆蓋 感興趣區(qū)域即能夠精確重建獲得該感興趣區(qū)域的二維/三維斷層圖像，因此可以使用較小 尺寸的探測器實現(xiàn)大尺寸物體任意位置感興趣區(qū)域的CT成像，提高了 CT掃描和圖像重建 的速度，降低了 CT設備的硬件成本，同時能夠大大降低CT掃描過程中的X射線輻射劑量。 因此，本發(fā)明具有很高的市場應用潛力。


通過閱讀下文優(yōu)選實施方式的詳細描述，各種其他的優(yōu)點和益處對于本領域普通 技術人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實施方式的目的，而并不認為是對本發(fā)明 的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中圖1說明了根據(jù)本發(fā)明的CT精確重建數(shù)據(jù)完備性條件；圖2描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的計算機層析(CT)成像方法的流程圖；圖3描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的、在圖2的CT成像方法中執(zhí)行的投影數(shù)據(jù)重 建方法的流程圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的CT成像設備400的結(jié)構框圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的CT成像設備400中的前準直裝置420的結(jié) 構框圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的CT成像設備400中的探測器位置控制裝置 440的結(jié)構框圖；以及圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的CT成像設備進行CT成像的數(shù)值模擬結(jié)果。
7具體實施例下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明作進一步的描述。如上面關于CT精確重建數(shù)據(jù)完備性條件的情況(d)所述，只需要通過掃描獲得了 通過ROI和B區(qū)域的X射線投影即可精確重建ROI的斷層圖像。圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的計算機層析(CT)成像方法。在步驟S201 中，確定要進行CT成像的被檢測對象中的感興趣(ROI)區(qū)域，并且根據(jù)所確定的ROI區(qū)域 來確定至少一部分位于被檢測對象支撐之外的B區(qū)域。B區(qū)域被選為使得能夠選擇一組覆 蓋ROI區(qū)域的PI線段，其中保證每條經(jīng)過ROI區(qū)域的PI線均通過B區(qū)域(如圖1 (d)所示 的情況)。B區(qū)域可以是一個任意大小和形狀的空間區(qū)域，考慮到實際探測器單元的尺寸和 病人接受的輻射劑量兩個因素，一般地，B區(qū)域可以選擇為直徑是探測器單元10倍的圓或 球形空間區(qū)域。當然，B區(qū)域可以不止一個。另外，為了進一步提高圖像重建速度和精度， 可以進一步確定其它參考區(qū)域。在確定了 ROI區(qū)域和B區(qū)域之后，在步驟S203中，將ROI區(qū)域調(diào)整到掃描視野范 圍內(nèi)，以使得掃描X射線束僅僅覆蓋該ROI，并對該ROI區(qū)域進行CT掃描以獲得ROI區(qū)域的 CT投影數(shù)據(jù)。然后在步驟S205中，將B區(qū)域調(diào)整到掃描視野范圍內(nèi)，以使得X射線束僅僅 覆蓋該B區(qū)域，并對該B區(qū)域進行CT掃描以獲得B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)。隨后在步驟S207 中，基于在步驟S203獲得的ROI區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)和在步驟S205獲得的B區(qū)域的CT投 影數(shù)據(jù)，根據(jù)下面如參考圖3所述的重建方法來重建出該ROI區(qū)域的CT圖像。在本發(fā)明的 CT成像方法中，雖然需要進行兩次CT掃描才能夠重建出ROI區(qū)域的CT圖像，但在每次掃描 中，X射線束僅僅覆蓋到ROI和B區(qū)域，因此兩次掃描中被檢測對象受到的總X射線輻射劑 量遠遠小于傳統(tǒng)CT掃描的輻射劑量。圖3具體描述了在圖2所示的步驟S207中執(zhí)行的重建方法。在步驟S301中，選 擇一組能夠覆蓋ROI區(qū)域的PI線段，且保證每條經(jīng)過ROI區(qū)域的PI線均通過B區(qū)域。該方法隨后進入步驟S303-S307，其中對于在步驟S301中選定的PI線段組中的每 條PI線，沿著該PI線進行圖像重建。然后在步驟S309中，對在所有PI線上的重建數(shù)據(jù)進 行組合而得到最終的ROI圖像。這種基于PI線的圖像重建過程在二維和三維重建中是一 樣的，下面以二維圖像重建為例來說明在步驟S303-S307中執(zhí)行的、基于一條PI線的圖像 重建處理。將沿著一條PI線的二維圖像定義為函數(shù)/(F) e L2(R),則圖像重建處理就是尋找
符合下面公式(1)所有5個約束的交集函數(shù)。
C, 二 {/ e Z2(M)|(///)(x) = g(x),xe {a,b)\j{Cid)}
C2={fe Z2(R)!/⑴=Ux),χ e {a,b)}
C3={/eI2 (R)| [dxf(x) = ^j( 1 )
C4={feL2(R)\f(x)>0,xe[-\,\]} 其中，C,=—可以由測量至 lJ白勺CT投影數(shù)據(jù)直接計算得到。另夕卜，χ e [-1,
1]表示歸一化后的一維PI線段，X e (a, b)是該PI線段上位于被檢測對象支撐外的B區(qū) 域B，而(c，d)則是位于ROI區(qū)域內(nèi)的PI線段中的部分，這如圖1(d)所示。f0(x)是B區(qū)域中的PI線段部分上的物體圖像，由于其在被檢測對象的支撐之外， 并且通常為空氣，所以一般可以設置其圖像重建值為0。fmax表示重建圖像中的可能的最大 值，可以根據(jù)被檢測對象的特征來設置成該對象中的最大密度材料的衰減系數(shù)值，例如對 于醫(yī)療CT成像，被檢測對象是通常是人，其重建圖像的最大值一般是骨組織，那么可以將 fmax設置為是在相應X射線能量下的骨組織的衰減系數(shù)值。g(x)是PI線段上的一維Hilbert (希爾伯特)變換值，即對投影數(shù)據(jù)求差分然后 反投影到PI線段上的結(jié)果，這可以用下面公式計算得到 此處、是一維PI線上的點在斷層圖像空間上的二維坐標表示 Q=(cos疼,sin^)， 和g(x)中的點X—一對應。其中，p(s，Φ)表示投影數(shù)據(jù)，S是探測器上的一維坐標，Φ是 投影的采用角度，^0 = (cOSiMin》。這里，g(x)和Md具有相同的含義，只是因為在不同 坐標系下表示為不同的變量。上述公式(1)中的約束條件C2，C4, C5容易理解和實現(xiàn)，條件C1可利用 POCS(Projection onto Convex Set，凸集投影)迭代計算來實現(xiàn)，具體而言，條件C1可以 利用下述迭代計算來實現(xiàn) 其中，fk(x)表示迭代的中間重建圖像，k表示迭代步數(shù)。迭代初始圖像f°(x)可 以任意人為設置，一般地取全零即可。H—1表示Hilbert逆變換，該變換公式為 其中P. V.表示Cauchy主值積分。公式⑶中的鏟(X)定義為 其中，g(x)是通過前面公式(2)計算得到的，在POCS迭代過程中，g(x)保持不變， 不需要重復反投影計算。公式(1)中的約束條件C3的計算公式為
(2 + a-b)根據(jù)上述對求解公式(1)的具體處理的描述，可知在尋找符合下面公式(1)中所 有5個約束的交集函數(shù)中，需要首先進行反投影濾波(即獲得g(x)的值)，然后進行POCS 迭代計算來獲得/(O的值。而POCS迭代過程都是在重建圖像域和Hilbert變換空間兩個 域之間的反復迭代，不存在前向投影問題，因此，圖像重建的速度很快。具體而言，在步驟S303中，選擇PI線段組中的一條PI線段。然后在步驟S305中， 計算選定PI線段上的一維Hilbert變換值，這可以根據(jù)公式(2)計算得到。隨后，在步驟 S307中，對步驟S305計算得到的一維Hilbert變換值進行有限Hilbert逆變換，以獲得在 PI線段上的重建圖像值。在步驟S307的處理中，需要在重建圖像域和Hilbert變換空間域 兩個域之間的反復迭代，即POCS迭代過程來獲得滿足精度要求的滿足要求的重建圖像。步 驟S307中的處理可以根據(jù)上述公式(1)和(3)-(6)來進行。需要特別說明的是，上述的重建方法并不限于某種掃描方式，它能夠適用于利用 平行束、扇束或者錐束X射線的CT掃描，同時對于不同的掃描軌道，該重建方法也同樣適 用，唯一有所不同的是反投影公式(2)會因為具體掃描方式的變化在權重系數(shù)上稍有不 同，只需要根據(jù)具體的掃描方式進行相應調(diào)整即可，在此不做贅述。另外，還需要指出的是，圖3僅僅給出了一種根據(jù)ROI區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)和B區(qū) 域的CT投影數(shù)據(jù)來重建ROI區(qū)域的CT圖像的一種具體方式。還存在其他根據(jù)本發(fā)明的原 理、利用ROI區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)和B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)來重建ROI區(qū)域的CT圖像的方法， 而所有這些方法都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例 CT成像設備400，其利用根據(jù)本發(fā)明的CT成 像方法來進行CT成像。CT成像設備400包括用于產(chǎn)生用于掃描的X射線束的X射線發(fā)生 器410、前準直裝置420、探測器裝置430、探測器位置控制裝置440、旋轉(zhuǎn)機構450、被檢測對 象承載裝置460、主控制器470、數(shù)據(jù)處理單元480以及顯示裝置490。X射線發(fā)生器410發(fā)出的X射線通常是扇形束(對應于線陣列探測器)或錐形束 (對應于面陣列探測器)。前準直裝置420安裝在X射線發(fā)生器410的射線出束窗口的位置 處，用于限制X射線束的寬度，以使得X射線束的寬度和探測器裝置中的探測器寬度一致。 如上面在描述根據(jù)本發(fā)明的CT成像方法中所述，本發(fā)明需要分別對ROI區(qū)域和B區(qū)域進行 掃描，因此需要前準直裝置420具備調(diào)節(jié)X射線束流寬度，以便X射線束僅僅覆蓋ROI區(qū)域 或者B區(qū)域的功能。圖5示出了前準直裝置420的詳細結(jié)構。如圖5(a)所示，該前準直裝 置420由四塊X射線遮擋塊421a-421d組成，形成具有一定形狀的X射線出束窗口 423，該 形狀可以是圓形、矩形或其他形狀。在本實施例中，如圖5(b)所示，以矩形為例進行說明。 X射線遮擋塊421a-421d由有效吸收X射線能量的物質(zhì)(其可以是鉛、鎢等高密度的材料) 制作，并且具備一定厚度以能夠阻擋X射線的透過。每個X射線遮擋塊421a-421d后面都 有一組獨立運轉(zhuǎn)的伺服電機425和精密絲杠427 (如圖5 (c)所示)，伺服電機425和精密絲杠427能夠在主控制器470的控制下，驅(qū)動相應的X射線遮擋塊421a-421d按照給定的參 數(shù)沿著精密絲杠427移動來前進或后退。四組伺服電機425和精密絲杠427同時按照既定 參數(shù)運轉(zhuǎn)就能夠使得X射線出束窗口 423針對不同的ROI區(qū)域或者B區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相應的窗口 大小和位置的改變，從而達到X射線束在掃描過程中僅僅覆蓋ROI區(qū)域或者B區(qū)域的要求。 當然，X射線遮擋塊不一定是恰好四塊，任何可以形成一定形狀的X射線出束窗口的多塊X 射線遮擋塊都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。探測器裝置430可以使用線陣列探測器或面陣列探測器，也可以采用平板探測 器，以及相應的輔助設備。探測器裝置430探測透過被掃描區(qū)域的X射線以產(chǎn)生投影數(shù)據(jù)， 并以光纜、網(wǎng)線等有線或者無線方式將投影數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元480進行進一步的處理。探測器位置控制裝置440用于控制探測器裝置430的位置，并包括伺服電機441 和精密絲杠443等。圖6說明了在探測器裝置430為面陣列探測器的實施例中，探測器位 置控制裝置440的詳細結(jié)構。如圖6所示，探測器裝置430通過裝卡槽固定在精密絲杠443 上，可以由伺服電機441在主控制器470的控制下驅(qū)動該探測器裝置430沿絲杠443做直 線運動。由于可以選擇ROI區(qū)域和B區(qū)域，因此需要探測器裝置430運動的范圍要能夠覆 蓋任意可能選擇的ROI區(qū)域和B區(qū)域位置，因此探測器裝置430在每個X射線投影角度下 的位置都可能是變化的，以隨時根據(jù)需要在主控制器270的控制下改變探測器裝置430的 位置。旋轉(zhuǎn)機構450包括一個能夠圍繞某固定中心旋轉(zhuǎn)的桶架，X射線發(fā)生器410、前準 直裝置420、探測器裝置430、探測器位置控制裝置440等均固定在該桶架上。在CT掃描過 程中，該桶架在主控制器470的控制下帶動上述各裝置旋轉(zhuǎn)，并且在旋轉(zhuǎn)的同時，X射線發(fā) 生器410以不同的角度下發(fā)出X射線束穿過被檢測區(qū)域(如ROI區(qū)域或B區(qū)域后)被探 測器裝置430探測到，并將投影數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖说臄?shù)據(jù)處理單元480進行處理。旋轉(zhuǎn)機構 450可以進行多圈旋轉(zhuǎn)掃描、單圈旋轉(zhuǎn)掃描或者往復的多圈旋轉(zhuǎn)掃描，只要這些掃描方式足 以讓CT成像設備400獲得足夠的投影數(shù)據(jù)來重建圖像，則所有這些掃描方式都在本發(fā)明的 保護范圍之內(nèi)。被檢測對象承載裝置460承載被檢測對象進出CT成像設備400，其結(jié)構與現(xiàn)有的 裝置類似。通常，被檢測對象承載裝置460定位于旋轉(zhuǎn)機構450的旋轉(zhuǎn)中心附近，而且ROI 區(qū)域通常是被檢測對象的一部分。主控制器470控制整個掃描過程，在本發(fā)明的實施例中，主控制器470以對應于圖 2所述的CT成像方法的方式來控制CT成像設備400。主控制器470首先根據(jù)所確定的ROI 區(qū)域，控制前準直裝置420和探測器位置控制裝置440以便X射線發(fā)生器410所發(fā)出的X 射線僅僅覆蓋ROI區(qū)域。然后主控制器470控制CT成像設備400以對ROI區(qū)域進行CT掃 描以獲得ROI區(qū)域的投影數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元480。隨后，主控制器470首 先根據(jù)確定的B區(qū)域，控制前準直裝置420和探測器位置控制裝置440以便X射線發(fā)生器 410所發(fā)出的X射線僅僅覆蓋B區(qū)域。最后，主控制器470控制CT成像設備400以對ROI 區(qū)域進行CT掃描以獲得B區(qū)域的投影數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元480。數(shù)據(jù)處理單元480在獲得ROI區(qū)域和B區(qū)域的投影數(shù)據(jù)之后，根據(jù)如圖3所述的 重建方法來重建ROI區(qū)域的圖像。具體而言，數(shù)據(jù)處理單元480包括PI線劃分裝置481、Hilbert變換計算裝置483、Hilbert逆變換計算裝置485以及重建數(shù)據(jù)組合裝置487。其 中，PI線劃分裝置481根據(jù)ROI區(qū)域和B區(qū)域的相對位置，選擇一組能夠覆蓋ROI區(qū)域的 PI線段，且保證每條經(jīng)過ROI區(qū)域的PI線均通過B區(qū)域。Hilbert變換計算裝置483為一 組PI線中的每條PI線計算沿著該PI線的一維Hilbert變換值。Hilbert逆變換計算裝置 485對利用Hilbert變換計算裝置483計算得到的一維Hilbert變換值進行有限Hilbert 逆變換，以獲得在PI線段上的重建圖像值，其中在Hilbert逆變換計算裝置485中，需要在 重建圖像域和Hilbert變換空間域兩個域之間的反復迭代，即POCS迭代過程來獲得滿足精 度要求的重建圖像。重建數(shù)據(jù)組合裝置487針對根據(jù)PI線劃分裝置481所提供的PI線組， 對PI線組中的每條PI線的、由Hilbert逆變換計算裝置485計算得到的重建圖像進行組 合，而得到最終的ROI圖像。數(shù)據(jù)處理單元480中的處理的具體細節(jié)在上面已經(jīng)詳細描述 過了，這里不再進行贅述。此外，數(shù)據(jù)處理單元480還執(zhí)行諸如硬化、散射校正，金屬偽影校正，以及圖像處 理與模式識別等傳統(tǒng)的CT掃描和成像設備中執(zhí)行的圖像數(shù)據(jù)處理。顯示裝置490顯示重建得到的ROI區(qū)域圖像，同時顯示裝置490還可以顯示與CT 掃描過程中的控制和參數(shù)相關的信息，以便操作人員可以直觀地獲得上述信息。根據(jù)本發(fā)明的CT成像設備400可以通過分別對ROI區(qū)域和B區(qū)域進行掃描來快 速和精確地重建出ROI區(qū)域的圖像。雖然需要兩次掃描，但是由于僅僅需要對ROI區(qū)域和 B區(qū)域進行掃描，所以掃描和重建速度反而變快了。此外，被檢測對象暴露于X射線之下的 區(qū)域也顯著減少了。這里需要指出的是，雖然在上面針對CT成像設備400的實施例的描述中，說明了 先獲取ROI區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)，然后獲取B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)的次序，但是，該次序是可以 任意的，例如，可以先獲取B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)然后獲取ROI區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)。甚至， 在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，可以同時獲取ROI區(qū)域和B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)。所有這些 獲取ROI區(qū)域和B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)的方式都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。圖7是利用根據(jù)本申請的CT成像設備進行CT圖像掃描和重建的數(shù)值模擬結(jié)果。 實驗中我們使用了 Sh印P-Iogan頭模型，該頭模型限制在一個直徑為20cm的圓內(nèi)，ROI區(qū) 域是一個邊長為6cm的正方形，放置在頭模型中心，另外兩個細長矩形區(qū)域Bi、B2分別放 置在χ= 士 8.0cm處。由頭模型的定義可以知道，這兩個細長矩形區(qū)域Bi、B2內(nèi)的圖像數(shù) 值均為0。進行ROI區(qū)域CT掃描時，平行束X射線在180度掃描過程中只覆蓋ROI和區(qū)域 B1、B2，如圖7(a)所示。圖7 (b)是利用經(jīng)過ROI和區(qū)域Bi、B2的投影數(shù)據(jù)，按照本發(fā)明的 圖像重建方法重建得到的ROI圖像；而圖7(c)是只利用經(jīng)過ROI和區(qū)域Bl的投影數(shù)據(jù)，按 照本發(fā)明的圖像重建算法重建得到的ROI圖像。根據(jù)(b)和(c)的重建結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，利 用本發(fā)明的CT成像方法，能夠在X射線僅僅覆蓋ROI區(qū)域和另外一個小的物體外區(qū)域的掃 描情況下，重建得到高質(zhì)量的ROI圖像，能夠滿足實際工程應用的需求。并且這種CT成像 技術能夠在很大程度上節(jié)省探測器的尺寸，減小投影數(shù)據(jù)量，提高CT圖像重建速度，最重 要的是在保證ROI區(qū)域CT圖像質(zhì)量的前提下，大幅度減小物體/病人的X射線輻射劑量， 這一點對于醫(yī)療CT成像尤為重要。應該注意的是上述實施例對本發(fā)明進行說明而不是對本發(fā)明進行限制，并且本領 域技術人員在不脫離所附權利要求的范圍的情況下可設計出替換實施例。在權利要求中，不應將位于括號之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞“包含”不排除存在 未列在權利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個”不排除存在多個這 樣的元件。本發(fā)明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當編程的計算機來 實現(xiàn)。在列舉了若干裝置的單元權利要求中，這些裝置中的若干個可以是通過同一個硬件 項來具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序?？蓪⑦@些單詞解釋為 名稱。
權利要求
一種對被檢測對象的感興趣區(qū)域進行CT成像的方法，包括步驟獲取所述感興趣區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)；獲取B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)，其中所述B區(qū)域的至少一部分位于所述被檢測對象的支撐之外，而且所述B區(qū)域被選為使得能夠選擇一組覆蓋所述感興趣區(qū)域的PI線段，其中每條經(jīng)過所述感興趣區(qū)域的PI線均通過B區(qū)域；以及根據(jù)所述感興趣區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)和所述B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)來重建所述感興趣區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)。
2.如權利要求1所述的CT成像方法，其中所述根據(jù)所述感興趣區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)和 所述B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)來重建所述感興趣區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)包括步驟對于所述PI線段組中的每條PI線段 計算在所述PI線段上的一維Hilbert變換值，以及對所計算的一維Hilbert變換值進行有限Hilbert逆變換，以獲得在所述PI線段上的重建圖像值；組合所述PI線段組中的所有PI線上的重建圖像值而得到所述感興趣區(qū)域的圖像。
3.如權利要求2所述的CT成像方法，其中所述有限Hilbert逆變換步驟包括在重建圖像域和Hilbert變換空間域兩個域之間進行凸集投影(POCS)迭代來獲得滿 足精度要求的所述在PI線段上的重建圖像。
4.如權利要求1所述的CT成像方法，其中所述獲取所述感興趣區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)和 所述獲取B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)包括利用平行束、扇束或者錐束X射線來對所述感興趣區(qū)域和B區(qū)域進行CT掃描，以獲得 所述感興趣區(qū)域和B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)。
5.一種用于對被檢測對象的感興趣區(qū)域進行CT成像的CT成像設備，包括 X射線發(fā)生器，用于產(chǎn)生用于掃描的X射線束；探測器裝置，用于探測透過被掃描區(qū)域的X設備以產(chǎn)生投影數(shù)據(jù)； 被檢測對象承載裝置，用于承載所述被檢測對象進出所述CT成像設備； 主控制器，用于控制所述CT成像設備的操作，以使得所述X射線發(fā)生器所發(fā)出的X射 線僅僅覆蓋所述感興趣區(qū)域來進行CT掃描以獲得所述感興趣區(qū)域的投影數(shù)據(jù)，以及使得 所述X射線發(fā)生器所發(fā)出的X射線僅僅覆蓋B區(qū)域來對所述B區(qū)域進行CT掃描以獲得所 述B區(qū)域的投影數(shù)據(jù)，所述B區(qū)域位于所述被檢測對象的支撐之外，而且所述B區(qū)域被選為 使得能夠選擇一組覆蓋所述感興趣區(qū)域的PI線段，其中每條經(jīng)過所述感興趣區(qū)域的PI線 段均通過B區(qū)域；以及數(shù)據(jù)處理單元，用于基于所獲得的感興趣區(qū)域的投影數(shù)據(jù)和B區(qū)域的投影數(shù)據(jù)來重建 所述感興趣區(qū)域的圖像。
6.如權利要求5所述的CT成像設備，所述數(shù)據(jù)處理單元包括PI線劃分裝置481，用于提供所述組覆蓋所述感興趣區(qū)域的PI線段； Hilbert變換計算裝置，用于為所述PI線段組中的每條PI線段計算沿著該PI線段的 一維Hilbert變換值；Hi Ibert逆變換計算裝置，用于對利用所述Hi Ibert變換計算裝置483計算得到的一維 Hilbert變換值進行有限Hilbert逆變換，以獲得在所述PI線段上的重建圖像值；以及2重建數(shù)據(jù)組合裝置，用于對根據(jù)所述PI線劃分裝置所提供的PI線組中的每條PI線 的、由所述Hilbert逆變換計算裝置485計算得到的重建圖像進行組合，而得到所述感興趣 區(qū)域的圖像。
7.如權利要求6所述的數(shù)據(jù)處理單元，其中所述Hilbert逆變換計算裝置在重建圖像 域和Hilbert變換空間域兩個域之間進行凸集投影(POCS)迭代來獲得滿足精度要求的所 述在PI線段上的重建圖像。
8.如權利要求5所述的CT成像設備，還包括前準直裝置，用于在所述主控制器的控制下調(diào)節(jié)所述X射線束的寬度，以便所述X射線 束僅僅覆蓋所述感興趣區(qū)域或者B區(qū)域。
9.如權利要求5-8中任意一個所述的CT成像設備，還包括探測器位置控制裝置，用于控制所述探測器裝置的位置，以便所述探測器裝置的運動 范圍能夠覆蓋所述感興趣區(qū)域和所述B區(qū)域的位置。
10.如權利要求8所述的CT成像設備，其中所述前準直裝置包括形成具有一定形狀的 X射線出束窗口的多塊X射線遮擋塊，而且所述X射線遮擋塊能夠進行協(xié)作來改變所述X射 線出束窗口的大小和位置。
11.如權利要求10所述的CT成像設備，其中所述前準直裝置包括4塊X射線遮擋塊， 而且每塊X射線遮擋塊由都一組獨立運轉(zhuǎn)的伺服電機和精密絲杠進行控制，以便所述X射 線遮擋塊沿著所述精密絲杠移動。
12.如權利要求9所述的CT成像設備，其中所述探測器位置控制裝置包括伺服電機和 精密絲杠，所述探測器裝置固定在精密絲杠上，以便由所述伺服電機驅(qū)動來沿所述精密絲 杠移動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對被檢測對象的感興趣區(qū)域進行CT成像的方法，包括步驟獲取所述感興趣區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)；獲取B區(qū)域的CT投影數(shù)據(jù)；選擇一組覆蓋所述感興趣區(qū)域的PI線段，并且為所述PI線段組中的每條PI線段計算其上的重建圖像值；然后組合所述PI線段組中的所有PI線上的重建圖像值而得到所述感興趣區(qū)域的圖像。本發(fā)明還公開了采用該方法的CT成像設備及其中的數(shù)據(jù)處理單元。由于只需要X射線束覆蓋感興趣區(qū)域和B區(qū)域即能夠精確重建獲得該感興趣區(qū)域的二維/三維斷層圖像，因此可以使用較小尺寸的探測器實現(xiàn)大尺寸物體任意位置感興趣區(qū)域的CT成像，這能夠大大降低CT掃描過程中的X射線輻射劑量。
文檔編號A61B6/03GK101897593SQ20091008561
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權日2009年5月26日
發(fā)明者劉以農(nóng), 康克軍, 張麗, 李亮, 李元景, 趙自然, 邢宇翔, 陳志強 申請人:清華大學;同方威視技術股份有限公司