專利名稱：計(jì)算層析掃描目標(biāo)探測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明廣義地涉及計(jì)算層析術(shù)(CT)成像，較具體地涉及具有改善的效率和減少的圖像缺陷的CT成像。
本發(fā)明的背景

圖1是一個(gè)典型的普通CT掃描儀10的原理軸測圖，該掃描儀含有固定在一個(gè)環(huán)形盤16的徑向兩對側(cè)的一個(gè)x射線源12和一個(gè)x射線探測器系統(tǒng)14。盤16以可旋轉(zhuǎn)方式被安裝在一個(gè)框架(未示出)內(nèi)，使得在掃描過程中一方面來自源12的x射線穿過一個(gè)位于盤16的開口內(nèi)的一個(gè)物體，例如位于一個(gè)患者臺56上的患者20，一方面盤16將環(huán)繞一個(gè)z軸連續(xù)轉(zhuǎn)動。z軸垂直于圖1平面，并與盤16的機(jī)械旋轉(zhuǎn)中心18相交。盤的機(jī)械旋轉(zhuǎn)中心18對應(yīng)于重建圖像的“等角點(diǎn)(isoceuter)”。
在一種普通系統(tǒng)中，探測器系統(tǒng)14含有一個(gè)由多個(gè)探測器22組成的陣列，該陣列以弧形排成單排，弧形的曲率中心位于稱之為“焦斑”的點(diǎn)24處，x射線即在該點(diǎn)處從源12射出。源12和探測器22的陣列的布局使得源與各個(gè)探測器之間的各條x射線路徑全都位于一個(gè)垂直于z軸的“掃描平面”內(nèi)。由于各條x射線路徑基本上起始于一個(gè)點(diǎn)源并以不同角度通向各個(gè)探測器，所以這些路徑構(gòu)成了一個(gè)“扇形束”26，以一維線性投影的方式入射到探測器陣列14上。一次掃描中某一測量瞬間入射到單個(gè)探測器上的x射線通常叫做一條“射線”，每個(gè)探測器都產(chǎn)生一個(gè)表征其相應(yīng)射線的強(qiáng)度的輸出信號。由于每條射線都要被其路徑中的所有質(zhì)量部分地衰減，所以每個(gè)探測器所產(chǎn)生的輸出信號都代表了位于該探測器與x射線源之間的所有質(zhì)量的衰減，也就是代表了位于該探測器的相應(yīng)射線路徑中的質(zhì)量的衰減。
通常，各x射線探測器產(chǎn)生的輸出信號被CT系統(tǒng)的一個(gè)信號處理部分(未示出)處理。信號處理部分通常含有一個(gè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DAS)。它對x射線探測器所產(chǎn)生的輸出信號進(jìn)行濾波以改善它們的信噪比(SNR)。通常把在一個(gè)測量間隔內(nèi)由DAS產(chǎn)生的輸出信號叫做一個(gè)“投影”或一個(gè)“視圖(view)”，把對應(yīng)于某一特定投影的盤16、源12和探測器系統(tǒng)14的角度取向叫做“投影角”。
圖2示出在產(chǎn)生投影角為β、探測器角為Υ的一個(gè)扇形束數(shù)據(jù)點(diǎn)Pf(β，γ)時(shí)，盤16、x射線源12和探測器系統(tǒng)14的取向。一條從x射線源12的斑出發(fā)并在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的18處通過z軸的中心線40被用來定義參考取向。投影角β的定義是一個(gè)垂直軸與中心線40之間的夾角。系統(tǒng)14中的每個(gè)探測器都有一個(gè)也是相對于中心線40定義的相應(yīng)探測器角γ。根據(jù)定義，中心線40與探測器系統(tǒng)14相交于一個(gè)探測器角γ＝0℃的參考探測器處。圖2所示的對稱探測器系統(tǒng)14的探測器角從-δ到+δ，其中δ是扇形角的一半。由對稱探測器系統(tǒng)14產(chǎn)生的扇形束視圖或投影Pf(β，γ)，這組數(shù)據(jù)點(diǎn)是由探測器角在-δ到+δ范圍內(nèi)的所有探測器在投影角為β時(shí)產(chǎn)生的。非對稱的探測器系統(tǒng)也是周知的。
在一次掃描中，盤16環(huán)繞被掃描物體平滑和連續(xù)地轉(zhuǎn)動，使掃描儀10產(chǎn)生一組對應(yīng)于不同投影角β的投影Pf(β，γ)。在普通的掃描過程中，患者恒定地處在z軸位置上。若需多次掃描，則兩次掃描之間患者被沿著z軸步進(jìn)移動。在這種通常叫做“步進(jìn)和拍攝”掃描或“恒子軸(CZA)”掃描。利用眾知的算法，例如雷頓(Radon)逆交換，可以從一組具有共同的垂直于z軸的掃描面的投影得到層析圖。典型地，這一共同的掃描面被稱做“切片面”。
一個(gè)層析圖代表一個(gè)沿著被掃描物體的切片面的二維切片的密度分布。從投影生成層析圖的處理通常叫做“重建”，因?yàn)榭梢哉J(rèn)為層析圖是從投影數(shù)據(jù)重建得到的。重建處理可以包括幾個(gè)步驟，其中有為使數(shù)據(jù)消模糊的卷積、為把扇形射線束數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成平行射線數(shù)據(jù)的重組、以及為從投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成平行射線數(shù)據(jù)的重組、以及為從投影數(shù)據(jù)生成每個(gè)像元的圖像數(shù)據(jù)的反投影。在CZA掃描中，因?yàn)閷τ谝粋€(gè)特定的圖像切片所有投影都具有共同的掃描面，所以可以直接把這些投影用于反投影處理，生成層析圖。
步進(jìn)和拍攝CZA掃描方法可能是一個(gè)緩慢的過程。在這一耗時(shí)的方法中，患者可能會受到大量的x射線輻射。而且，在各次掃描之間掃描臺的移動可能使患者姿態(tài)改變，由此將引起運(yùn)動和記錄不準(zhǔn)缺陷，造成圖像質(zhì)量降低。
已經(jīng)研發(fā)了幾種方法來減少獲取一個(gè)物體的完整掃描所需的時(shí)間。其中一個(gè)方法是螺旋或螺線掃描，即在沿著子軸平移被掃描物體的同時(shí)，盤16、源12和探測器線陣14都環(huán)繞著患者旋轉(zhuǎn)。在螺旋掃描中，獲取到的投影Pf(β，γ)中通常z與視角β之間有線性關(guān)系z(β)＝Cβ，其中c是一個(gè)常量。這種形式的螺旋掃描通常叫做恒速螺旋(CSH)掃描。
圖3A說明普通CZA掃描中的數(shù)據(jù)采集，圖3B說明CSH掃描中的數(shù)據(jù)采集。如圖3A所示，如果當(dāng)x射線源12和探測器系統(tǒng)14環(huán)繞物體20旋轉(zhuǎn)的時(shí)候物體保持在一個(gè)固定的子軸位置上，則與探測器系統(tǒng)14采集的所有投影相對應(yīng)的掃描面全都在一個(gè)共同的切片面50內(nèi)。如圖3B所示，如果當(dāng)盤16環(huán)繞物體20旋轉(zhuǎn)的時(shí)候物體20沿著z軸方向連續(xù)地移動，則沒有一個(gè)掃描面是共平面的。反之，與每個(gè)投影相應(yīng)的掃描面將位于一個(gè)螺旋線的一組軌跡點(diǎn)中的某個(gè)特定軌跡點(diǎn)所對應(yīng)的特定z軸位置上。圖3B示出了對應(yīng)于螺旋投影角區(qū)間(0，10π)內(nèi)的掃描面的z軸坐標(biāo)。由于各個(gè)投影的值取決于患者的z軸位置，所以它們可以看作是兩個(gè)變量β和z的函數(shù)。
在CAZ掃描中，由于所有的投影共有同一個(gè)掃描面，所以可以直接把這些投影用于反投影運(yùn)算，以生成層析圖。然而在CSH掃描中，由于每個(gè)投影都有其特定z軸坐標(biāo)下的特定掃描面，所以不能直接把CSH投影用于反投影運(yùn)算。不過，可以通過對CSH掃描所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種方式的插值來產(chǎn)生一組具有同一個(gè)垂直于z軸的掃描面的插值投影。例如，可以通過把兩個(gè)具有等效的投影角和不同z軸位置的投影相結(jié)合來產(chǎn)生一個(gè)插值投影。這些插值投影可以當(dāng)作CZA數(shù)據(jù)應(yīng)用于反投影運(yùn)算，得到層析圖。
由于CSH掃描需要某種方式的插值來生成層析圖，所以生成的層析圖趨向于帶有圖像缺陷。而且，由于CSH掃描投影數(shù)據(jù)是在z軸中一個(gè)區(qū)間內(nèi)的不同位置上采集的，并且通過結(jié)合而產(chǎn)生插值CZA掃描數(shù)據(jù)，所以在CSH掃描過程中產(chǎn)生的層析圖具有較厚的實(shí)際切片厚度，從而比CZA產(chǎn)生的層析圖具有較低的z軸分辨率，然而，螺旋掃描的優(yōu)點(diǎn)是能快速地掃描一個(gè)患者身體的大體積。例如，螺旋掃描可以在患者能舒適地屏住呼吸(從而能相對地保持不發(fā)生運(yùn)動)的足夠短的時(shí)間間隔內(nèi)采集到足夠的數(shù)據(jù)，例如掃描整個(gè)像腎臟這樣的器官的區(qū)域。
減少CZA掃描時(shí)間的另一種方法通常叫做“錐形束掃描”，其中同時(shí)掃描了物體或患者的某個(gè)三錐體積。在錐形束掃描中，探測器系統(tǒng)不像普通掃描那樣只含有一個(gè)一維探測器陣列，而是含有一個(gè)二維探測器陣列。從源發(fā)出的x射線沿著二維方向發(fā)散，由此等效地產(chǎn)生了沿z軸方向的多個(gè)扇形束，這些扇形束將照射二維探測器陣列中的多個(gè)行，從而在陣列上形成了一個(gè)二維投影。
在一種形式的錐形束系統(tǒng)中，當(dāng)源和二維探測器陣列環(huán)繞患者或物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，患者或物體保持著靜止的z軸位置。然后患者被移動到一個(gè)新的z軸位置上，再重復(fù)進(jìn)行一次掃描。在這種類型的步進(jìn)和拍攝或“靜態(tài)錐形束”系統(tǒng)中，物體被掃描的不是一個(gè)面，而是一個(gè)體積。掃描完一個(gè)體積之后，源和探測器將沿z軸步進(jìn)一個(gè)距離，以掃描下一個(gè)體積。減少掃描時(shí)間的再一個(gè)方法是螺旋錐形束(HCB)掃描，其中在錐形束結(jié)構(gòu)(即源和二維探測器陣列)環(huán)繞患者旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，患者被連續(xù)地沿著z方向移動。
在非錐形束系統(tǒng)中，使用諸如2D(二錐)濾波反投影(FBP)等標(biāo)準(zhǔn)的二維重建技術(shù)來重建CZA和插值CSH數(shù)據(jù)。FBP要求用于重建的投影位于同一平面內(nèi)。對于CZA掃描，這一條件是滿足的，對于CSH掃描則利用插值為產(chǎn)生一組實(shí)際上滿足這一條件的插值投影或模擬線性投影。不論哪種情形，2D FBP都是從1D(一維)扇形束投影數(shù)據(jù)生成圖像數(shù)據(jù)的有效手段。
在錐形束布局中，所要求的條件僅對與源共處于同一個(gè)垂直于z軸的平面中的那一行探測器才能滿足，也即僅對中央探測器行才能滿足。在靜態(tài)錐形束CT中，一個(gè)由源和某一給定探測器行所定義的1D投影將隨著框架的旋轉(zhuǎn)而與物體中的不同切片相交。通過把每一行當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的1D投影來看待，普通的2D FBP可以用來重建錐形束數(shù)據(jù)。但這一近似忽略了錐形束的幾何結(jié)構(gòu)，并將造成圖像缺陷，例如出現(xiàn)條紋和降低重建的密度。用于重建錐形束數(shù)據(jù)的一種較好的近似方法稱作費(fèi)爾德坎(Feldkamp)算法，在L.A.Feldkamp等人的論文“Practical cone-beam algorithm(實(shí)用錐形束算法) ”(J.Opt.Soc.Am.1，pp.612-619，1984)中有所說明。
在費(fèi)爾德坎算法中，射線在三維的錐形中被反投影。這種試圖考慮數(shù)據(jù)的真實(shí)錐形束幾何結(jié)構(gòu)的算法如費(fèi)爾德坎算法叫做三維濾波反投影(3D-FBP)算法。還研發(fā)出了重建HCB數(shù)據(jù)的三維算法。這些算法的例子在以下論文中有所說明1. H.Kudo and T.Saito，“Three-dimensional helical-scancomputed tomography using cone-beam projections(采用錐形束投影的三維螺旋掃描計(jì)算層息術(shù))”，Journal of Electronics，Information and Communication Society，J74-D-II，1108-1114，(1991).
2. D.X.Yan and R.Leahy.“Cone-beam tomography with circulareliptical and spiral orbits(圓形、橢圓形和螺線形軌道的錐形束層析術(shù))”，Phys，Med.Biol，37，493-506(1992)。
3、S.Schaller，T.Flohr and P.Steffen，“Newefficient Fourierreconsruction method for approximate image reconstruction inspiral cone-beam CT at small cone angles(用于小錐角螺線錐形束CT中近似圖像重建的新的高效傅里葉重建方法)”，SPIEInternational Symposium on Medical Imaging，F(xiàn)ebruary，1997.
4. G.Wang，T-H Lin，P.Cheng and D.M.Shinozaki，“A generalconebeam algorthml(一種通用錐形束算法)”，IEEE Trans Med.Imag.12，486-496，(1993)。
3D重建算法的一個(gè)缺點(diǎn)是它們不能用常用的2D重建硬件來實(shí)現(xiàn)，于是必需制作定制的3D反投影硬件來與之適配。
在許多CT掃描應(yīng)用中，希望在進(jìn)行重建之前預(yù)先篩選出一個(gè)區(qū)域來。例如，可以通過預(yù)先篩選處理識別出某些可疑物體，例如腫瘤，以便在醫(yī)療CT成像時(shí)作進(jìn)一步詳查。此外，CT掃描也可用來識別違禁物品，例如手提行李中或載到商用飛機(jī)上的武器和爆炸物。常常希望能從行李中預(yù)先篩選出可疑的行李，如果預(yù)先篩選處理識別出了可疑目標(biāo)，便可對之進(jìn)行完全的CT圖像重建。在一種以往技術(shù)的預(yù)先篩選方法中，使用一個(gè)獨(dú)立的線性掃描儀來產(chǎn)生一個(gè)穿過了患者或行李等被掃描物體的二維投影，以識別出可疑區(qū)域。如果識別出了可疑目標(biāo)，就可以對該物體進(jìn)行完全的CT掃描和重建。這一處理是耗時(shí)的，并且考慮到在商用機(jī)場篩選行李所需的速度，這一處理對篩選行李的應(yīng)用還可能是不實(shí)際的。
本發(fā)明的目的本發(fā)明的一個(gè)目的是基本上克服上述以往技術(shù)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能減少圖像缺陷CT系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供能利用二維重建硬件來得到相當(dāng)于三維重建算法圖像質(zhì)量的CT系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是在螺旋錐形束掃描CT系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上述各個(gè)目的。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種從CT掃描數(shù)據(jù)生成二維投影圖像的高效裝置，該裝置能適用于諸如行李掃描這樣的需要有高掃描吞吐量的情況。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供通過對與CT圖像體元相關(guān)的質(zhì)量進(jìn)行求和來探測目標(biāo)的方法，其中的體元相對于CT掃描系統(tǒng)掃描區(qū)域的縱軸是傾斜的。
本發(fā)明的概述于是，本發(fā)明針對的是用于生成一個(gè)區(qū)域的圖像的CT設(shè)備和方法。這個(gè)區(qū)域定義了一個(gè)縱軸和一個(gè)與之正交的橫軸。用一個(gè)輻射源和一個(gè)探測器陣列來掃描該區(qū)域，產(chǎn)生代表該區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，使用螺旋錐形束掃描方法來掃描該區(qū)域。在沿著縱軸的多個(gè)位置中的每個(gè)位置上，或者等價(jià)地，在多個(gè)投影角中的每個(gè)投影角上，定義一個(gè)二維圖像數(shù)據(jù)切片。每個(gè)數(shù)據(jù)切片定義了一個(gè)相對于該區(qū)域的縱軸傾斜的切片平面。也就是說，每個(gè)切片面的法線軸以一個(gè)傾斜角相對于該區(qū)域的縱軸傾斜。法線軸還定義了一個(gè)相對于該區(qū)域的橫軸的旋轉(zhuǎn)角。沿著縱軸的各相繼切片定義了一些定義了相對于該區(qū)域的縱軸的等傾角的法線軸。還有，相繼切片的旋轉(zhuǎn)角沿著縱軸逐漸增大。恒定的傾斜角和漸增的旋轉(zhuǎn)角使得各相繼切片的法線軸沿著該區(qū)域的縱軸發(fā)生進(jìn)動和章動。在這種幾何結(jié)構(gòu)中可以說各個(gè)切片互相之間是章動的。對于每個(gè)圖像切片都從掃描數(shù)據(jù)計(jì)算圖像數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生該區(qū)域的圖像。以下，將把對相繼切片的重建處理稱作“章動切片重建(NSR)”方法。
本發(fā)明的NSR方法最好使用于利用普通二維濾波反投影的螺旋錐形束數(shù)據(jù)重建。在NSR中，利用插值法從一組2D(二維)錐形束投影數(shù)據(jù)中提取出一組1D(一維)扇形束投影。因此NSR涉及到從3D(三維)錐形束數(shù)據(jù)中選擇2D扇形束數(shù)據(jù)。1D投影組對應(yīng)于重建出這樣一個(gè)傾斜的切片，其幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇得能使利用2D FBP時(shí)所導(dǎo)致的錐角對圖像質(zhì)量的不利影響最小化。
傳統(tǒng)上，在重建一系列切片時(shí)，各個(gè)切片都在x-y平面內(nèi)，只是z軸位置不同。也就是說，這一系列切片全都是互相平行的。在NSR中，重建切片平面的法線矢量相對于z軸都傾斜了一個(gè)小角度。在NSR重建的一系列相鄰切片中，它們的法線矢量是繞著z軸進(jìn)動的，各個(gè)切片并不互相平行。NSR中的術(shù)語“章動”是指相鄰切片的相對取向。如果需要互相平行的切片，可以通過對得到的NSR圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到。
在一個(gè)實(shí)施例中，x射線源是一個(gè)錐形束源，探測器陣列是一個(gè)二維陣列，每個(gè)投影的掃描數(shù)據(jù)是從二維探測器陣列中的某一預(yù)定一維線得到的。用于某一給定投影或切片的探測器是與投影角或x軸位置有關(guān)的。在每個(gè)位置或投影角下，選擇一組能使測量誤差最小化的探測器。因此每個(gè)切片將與投影角、縱向位置、和一組探測器有關(guān)，這組探測器一般定義了二維探測器陣列中的一個(gè)一維“扇形束”投影。當(dāng)重建某一特定切片時(shí)，其掃描數(shù)據(jù)即由二維陣列中與其相應(yīng)的那組探測器產(chǎn)生。
本發(fā)明的另一方面針對用來從由一個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的掃描數(shù)據(jù)來得到該區(qū)域的二維投影圖像的設(shè)備和方法。每個(gè)章動切片都從一組扇形束視圖或投影產(chǎn)生，這組視圖或投影被重組成平行射線投影數(shù)據(jù)，而且其中各個(gè)視圖或投影是在各自不同的視角下得到的。在本發(fā)明中，二維投影圖像的投影角被選擇為想要拍攝該二維投影圖像的角度。對于每個(gè)切片，需識別與所選投影角相對應(yīng)的視角并選出與該視角相對應(yīng)的平行射線投影數(shù)據(jù)。所選投影角下的二維投影圖像是通過結(jié)合掃描數(shù)據(jù)中每個(gè)切片的所選視角下的所選平行射線投影數(shù)據(jù)來生成的。在一個(gè)實(shí)施例中，可以生成多個(gè)投影角下的多個(gè)二維投影圖像。這些多個(gè)投影圖像可以從單組掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)生。投影圖像沿z軸的長度等于用來形成該投影圖像的切片的軸向擴(kuò)展寬度。
在一個(gè)實(shí)施例中，二維投影圖像可以用來確定一個(gè)物體在選定投影角下的投影大小。通過識別出二維投影圖像中的物體邊界，可以確定物體在視場中的大小和位置。然后物體的大小和位置可以用來識別該物體并識別出視場中因?yàn)楹撐矬w的信息而不需要重建的那些區(qū)域。這種“自適應(yīng)視場”在諸如行李掃描系統(tǒng)等掃描吞吐量顯得很重要的那些系統(tǒng)中可能是十分有用的。這一特征在B.M.戈登(BernardM.Gordon)等人的標(biāo)題為“Couputed Tomography Scanning Apparatusand Method using Adaptive Reconstruction Window(采用自適應(yīng)重建窗口的計(jì)算層析掃描設(shè)備和方法) “的美國專利申請(代理登記號NO.ANA-136)中有所說明和權(quán)利要求聲稱，該申請與本申請同日申請并具有同樣的受權(quán)人，特在此引用作為參考。
本發(fā)明的另一個(gè)方面針對用于利用本發(fā)明章動切片重建方法所產(chǎn)生的章動圖像切片來探測諸如炸藥等目標(biāo)的方法和設(shè)備。在本發(fā)明的這一方面中，為了提供精確的目標(biāo)識別而補(bǔ)償了切片的章動。通過用一個(gè)輻射源和一個(gè)探測器陣列掃描一個(gè)區(qū)域，得到物體所在的一個(gè)區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)。利用這些掃描數(shù)據(jù)來確定對應(yīng)于沿著該區(qū)域縱軸多個(gè)位置上的多個(gè)非平行的圖像數(shù)據(jù)切片。每個(gè)切片定義了相對于該區(qū)域縱軸傾斜的多個(gè)圖像體積元(或稱“體元(voxel)”)，并且每個(gè)體元與從掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出的一個(gè)圖像密度值相關(guān)聯(lián)。為了補(bǔ)償這些圖像體積元的傾斜，對它們的圖像密度值加上了一個(gè)校正因子。
在一個(gè)實(shí)施例中，圖像密度值被用來確定例如炸藥等被分析物體的質(zhì)量。炸藥質(zhì)量的確定有助于估計(jì)它的可能威脅程度。可以通過把與物體有關(guān)的每個(gè)體元的密度值乘上其體積來確定該體元所代表的質(zhì)量。然后把所有識別出的與目標(biāo)(例如炸藥)有關(guān)的體元的計(jì)算質(zhì)量相加，以確定該物體的總質(zhì)量。對體元傾斜的補(bǔ)償提供了更精確的質(zhì)量確定，從而能得到對威脅程度的更好的估計(jì)。
如上所述，總的物體質(zhì)量可以這樣來計(jì)算識別與感興趣物體，例如炸藥有關(guān)的體元，補(bǔ)償體元的傾斜，以及累加各已識別體元的質(zhì)量。識別有關(guān)體元可以通過把與每個(gè)體元對應(yīng)的密度值與一個(gè)密度閾值相比較來實(shí)現(xiàn)。該閾值是根據(jù)一些已知物質(zhì)，例如炸藥的已知密度來選定的。那些超了閾值的值被認(rèn)為是與目標(biāo)物質(zhì)相關(guān)的，因此與之相對應(yīng)的體元被認(rèn)為與目標(biāo)物質(zhì)的圖像相關(guān)。這些體元被用于總質(zhì)量的計(jì)算。在本發(fā)明中，它們被施加一個(gè)用來補(bǔ)償體元相對于區(qū)域縱軸的傾斜的校正因子。然后把各個(gè)經(jīng)補(bǔ)償?shù)捏w積與相應(yīng)密度的乘積相加，確定總質(zhì)量。可以通過對各體元乘以一個(gè)窗口函數(shù)來完成密度取閾。那些超過閾值的值被乘上值為1的窗口乘子，而那些未超過閾值的值則被乘上值為零的窗口乘子，這相當(dāng)于把它們置于總質(zhì)量計(jì)算之外。
本發(fā)明的另一個(gè)方面針對一種能對由本發(fā)明的章動切片重建方法所生成的章動圖像數(shù)據(jù)切片提供高效處理的處理方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的這一方面提供了這樣一種處理體系，它能對多個(gè)圖像切片數(shù)據(jù)組提供多個(gè)獨(dú)立的處理路徑，而不像較普通的管道式處理方法那樣串行地處理各個(gè)切片。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，對一個(gè)區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)是通過用一輻射源和一個(gè)探測器陣列對該區(qū)域進(jìn)行掃描來產(chǎn)生的。為了掃描該區(qū)域，在輻射源向著探測器陣列發(fā)出輻射的同時(shí)，至少輻射源是通過多個(gè)視角環(huán)繞著該區(qū)域的縱軸旋轉(zhuǎn)的。因此該掃描數(shù)據(jù)將包括多組投影數(shù)據(jù)，每組投影數(shù)據(jù)在一個(gè)相應(yīng)的視角下取得。根據(jù)本發(fā)明的章動切片重建方法，每組投影數(shù)據(jù)又都包含了多個(gè)投影，例如多個(gè)扇形束投影。一組投影數(shù)據(jù)中的每個(gè)扇形束投影都被用來生成一個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片，所以每組投影數(shù)據(jù)內(nèi)的多個(gè)投影被用來生成相應(yīng)的多個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片。此外，每個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片都是從多個(gè)扇形束投影生成的，其中單個(gè)扇形束投影是從該切片的多組投影數(shù)據(jù)中的每組投影數(shù)據(jù)取得的。因此在本發(fā)明中，每個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片的切片數(shù)據(jù)是從其相應(yīng)的一組扇形束投影生成的。每個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片與一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲單元相關(guān)聯(lián)，在一個(gè)實(shí)施例中該存儲單元是一個(gè)存儲電路。用于待生成圖像數(shù)據(jù)切片的投影被存儲在數(shù)據(jù)存儲單元中。對來自每個(gè)數(shù)據(jù)存儲單元的存儲投影進(jìn)行處理，生成與該數(shù)據(jù)存儲單元相關(guān)聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)切片的切片數(shù)據(jù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)處理器從探測器陣列接收掃描數(shù)據(jù)，并根據(jù)上述NSR方法從掃描數(shù)據(jù)中的一些投影數(shù)據(jù)組生成一些扇形束投影。然后處理器把這些投影轉(zhuǎn)移給與待生成圖像數(shù)據(jù)切片相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)存儲單元。在處理器與各數(shù)據(jù)存儲單元之間可以有一個(gè)解復(fù)用電路，以控制投影向數(shù)據(jù)存儲單元的轉(zhuǎn)移。在一個(gè)實(shí)施例中，所有的處理器都能把投影轉(zhuǎn)移給任一個(gè)數(shù)據(jù)存儲單元。在另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)處理器只能把投影轉(zhuǎn)移給一組選定的數(shù)據(jù)存儲單元。通過使用多個(gè)處理器，把掃描數(shù)據(jù)處理成圖像數(shù)據(jù)切片可以比單個(gè)處理器的串行處理完成得快得多和有效得多。
在一個(gè)實(shí)施例中，切片數(shù)據(jù)被進(jìn)一步處理，生成實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)切片，并且這些實(shí)際數(shù)據(jù)切片又被用來生成一個(gè)區(qū)域的圖像。這里的進(jìn)一步處理可以包括通過濾波和/或反投影來生成圖像切片。如前所述，由一個(gè)或多個(gè)處理器所生成的投影典型地是扇形束投影。在一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)一步處理可以對扇形束投影進(jìn)行。把它們重組成平行束投影。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)使用多個(gè)處理器時(shí)其中一個(gè)處理器將用于執(zhí)行重組處理，而其他處理器則仍用來產(chǎn)生投影。這一個(gè)處理器可以暫時(shí)地被轉(zhuǎn)換到重組處理，而在完成該處理之后又被轉(zhuǎn)換回到投影生成處理。免去對一個(gè)專用于重組的額外處理器的必要性將節(jié)省大量硬件。
本發(fā)明的CT設(shè)備和方法相對于以往方法有許多優(yōu)點(diǎn)。它提供了一種螺旋錐形束掃描形式的三維掃描方法，該方法比以往采用線性探測器陣列的方法要省時(shí)得多。它提供了一種能得到與三維重建算法相近的圖像質(zhì)量的重建處理方法，而不需要三維重建硬件。它只使用簡單得多的二維重建硬件。還有，本發(fā)明中所使用的生成二維投影圖像的方法要比以往例如行李掃描系統(tǒng)中所使用的方法有效得多。在以往的行李掃描系統(tǒng)中作為預(yù)先掃描處理的一部分使用了一個(gè)獨(dú)立的線性掃描儀來生成投影圖像。本發(fā)明通過補(bǔ)償體元的章動或傾斜，可以比不補(bǔ)償體元傾斜的方法以更高的精度來進(jìn)行目標(biāo)探測及目標(biāo)大小和質(zhì)量的確定。此外，通過在本發(fā)明的并行處理體系中采用章動切片重建方法，能夠比采用普通的管道式串行處理方法以高得多的效率來生成圖像。
附圖的簡單說明通過下面對附圖所示的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的更具體的說明，本發(fā)明的前述和其他目的、特征、以及優(yōu)點(diǎn)都將變得明顯，在各附圖的所有不同視圖中，類似的代號代表同樣的單元。這些附圖不一定是按比例畫出的，它們僅注重于說明本發(fā)明的原理。
圖1是一個(gè)典型的普通計(jì)算機(jī)層析(CT)掃描儀的原理軸測圖。
圖2是說明CT掃描系統(tǒng)的投影角和探測器角的原理圖。
圖3A是說明CT掃描儀中恒定z軸(CZA)掃描模式下的掃描路徑。
圖3B是說明CT掃描儀中恒速螺旋(CSH)掃描模式下的掃描路徑。
圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的CT掃描儀中的射線源、探測器和掃描物體之間的空間關(guān)系的簡化原理圖。
圖5是說明一個(gè)傾斜切片向一個(gè)二維探測器陣列的投影的簡化原理圖。
圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)傾斜切片的傾斜角和旋轉(zhuǎn)角的簡化原理圖。
圖7是說明一個(gè)傾斜切片向一個(gè)平面探測器陣列的投影的簡化原理圖。
圖8是說明一個(gè)傾斜切片向一個(gè)彎曲探測器陣列的投影的簡化原理圖。
圖9示出一個(gè)傾斜切片和一個(gè)垂直切片的總投影面積與視場角的關(guān)系曲線。
圖10是說明一個(gè)彎曲探測器陣列上的切片投影的簡化原理圖。
圖11是說明一個(gè)二維彎曲陣列上的一些切片投影的簡化圖，其中對應(yīng)的投影角在0°與240°之間，投影角增量為20°。
圖12是說明根據(jù)本發(fā)明的z軸方向上的切片間隔的示意曲線圖。
圖13是說明一個(gè)被掃描物體的參考幀與根據(jù)本發(fā)明生成的章動圖像數(shù)據(jù)切片之間的關(guān)系的圖。
圖14是說明根據(jù)本發(fā)明生成一個(gè)二維投影圖的原理圖。
圖15是說明使用管道式串行處理方法時(shí)根據(jù)本發(fā)明的生成和處理章動切片數(shù)據(jù)的原理性功能方框圖。
圖16是說明使用單個(gè)處理器的并行存儲器處理方法時(shí)根據(jù)本發(fā)明的生成和處理章動切片數(shù)據(jù)的原理性功能方框圖。
圖17是說明使用多個(gè)并行處理器的并行存儲器方法時(shí)根據(jù)本發(fā)明的生成和處理章動切片數(shù)據(jù)的原理性功能方框圖。
附圖的詳細(xì)說明圖4是說明本發(fā)明CT掃描系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例100的功能操作的原理圖。該系統(tǒng)含有一個(gè)x射線源110，它向一個(gè)二維x射線探測器陣列112發(fā)射x射線。圖中示出探測器陣列112是一個(gè)具有坐標(biāo)系z’、q的平面陣列。也可以使用彎曲陣列。X射線按錐形束形式發(fā)散，該錐形束通過了一個(gè)被掃描物體116。X射線被物體116衰減之后由探測器陣列112中的各個(gè)探測器118探測。探測器陣列112沿z’軸有多個(gè)探測器行120，沿q軸有多個(gè)探測器列124。因此可以認(rèn)為，錐形束114由多個(gè)扇形束組成，這些扇形束沿q軸擴(kuò)散，沿z’軸互相鄰接。物體116定義了一個(gè)z軸(這里也稱為縱軸)和一個(gè)與之正交的x軸(這里也稱為橫軸)。
如前所述，x射線源110和探測器陣列112分別被固定在一個(gè)環(huán)形盤(未示出)的直徑的兩側(cè)。這個(gè)盤可旋轉(zhuǎn)地被安裝在一個(gè)框架(未示出)上，使得源110和探測器陣列112可以同時(shí)環(huán)繞z軸旋轉(zhuǎn)，從而可以同時(shí)環(huán)繞被掃描物體116旋轉(zhuǎn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)100采用螺旋錐形束掃描，使得在框架繞著z軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，框架與物體116之間也在作沿z軸方向的相對平移。當(dāng)框架沿z軸平移時(shí)，帶著源和探測器陣列的框架以漸增的投影角β旋轉(zhuǎn)。在每個(gè)投影角下，都由探測器陣列采集掃描數(shù)據(jù)。然后從投影數(shù)據(jù)重建出一系列圖像切片形式的圖像數(shù)據(jù)。每個(gè)切片都定義了圖像數(shù)據(jù)的一個(gè)平面結(jié)構(gòu)，并且都是根據(jù)源和探測器陣列在旋轉(zhuǎn)中所采集到的掃描數(shù)據(jù)按預(yù)定的組合方式產(chǎn)生的。
在本發(fā)明中，雖然使用了一種三維掃描方法即螺旋錐形束掃描方法，但仍可以用一個(gè)二維重建方法來生成圖像數(shù)據(jù)。為了做到這一點(diǎn)，本發(fā)明把一個(gè)二維數(shù)據(jù)切片投影到二維探測器陣列上，使得在每個(gè)投影角下都可以把切片的投影看成是一個(gè)一維扇形束投影。在一般情形下，射到陣列上的投影不一定全都位于某一行或某一列內(nèi)的一組探測器上。事實(shí)上該投影一般將跨越幾個(gè)行和幾個(gè)列。在本發(fā)明中將對每個(gè)投影角確定出這些行和列。在一個(gè)實(shí)施例中，利用對投影數(shù)據(jù)的插值，在每個(gè)投影角下對每個(gè)位置都由投影數(shù)據(jù)產(chǎn)生出一個(gè)值。于是，對于每個(gè)投影角都產(chǎn)生了一個(gè)“扇形束”的探測器數(shù)據(jù)，這和使用線性探測器陣列的二維扇形束掃描中所產(chǎn)生的扇形束數(shù)據(jù)十分相似。結(jié)果得到了每個(gè)投影角下的一組“扇形束”。在本發(fā)明中，一旦產(chǎn)生了這些數(shù)據(jù)，就可以把它們當(dāng)作真實(shí)的扇形束數(shù)據(jù)一樣，利用任何適當(dāng)?shù)亩S反投影算法來重建圖像切片。
在本發(fā)明中，在實(shí)際進(jìn)行掃描之前就確定了每個(gè)投影角下接收相應(yīng)扇形束的那些探測器陣列的行和列。在一個(gè)實(shí)施例中，可以進(jìn)行一次模擬掃描或定標(biāo)掃描，其中模擬了對一個(gè)不透明碟的螺旋錐形束掃描。在每個(gè)投影角下，在探測器數(shù)據(jù)中都記錄下了這個(gè)碟在陳列上的模擬投影。這個(gè)模擬處理將產(chǎn)生一個(gè)“z插值表”，其中每一個(gè)投影角都將與一組探測器行和列關(guān)聯(lián)起來，在以后對真實(shí)物體掃描時(shí)為產(chǎn)生1D扇形束數(shù)據(jù)就應(yīng)該讀出這些行和列。在重建所需的切片時(shí)，將從存儲在z插值表中的相應(yīng)行和列探測出每個(gè)投影角下的扇形束數(shù)據(jù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以用真實(shí)的源和探測器陣列對一個(gè)真實(shí)的不透明碟進(jìn)行螺旋錐形束掃描，來產(chǎn)生z插值表。
為了重建，每一個(gè)切片都需要匯集許多個(gè)扇形束投影。例如在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)是在框架旋轉(zhuǎn)半個(gè)整圈(180°)加上探測器陣列所張的角度的過程中采集的。在一個(gè)實(shí)施例中，陣列所張的角度為60°，因此每個(gè)切片將從框架旋轉(zhuǎn)240°的過程中所采集的數(shù)據(jù)生成。在一個(gè)實(shí)施例中，每隔1°的投影角產(chǎn)生一個(gè)投影。因此在該實(shí)施例中每個(gè)切片是從240個(gè)扇形束投影生成的。沿著z軸的各相繼切片所對應(yīng)的投影組可能互相重疊。例如，可以每旋轉(zhuǎn)12°來生成一個(gè)切片。因此在上述實(shí)施例中，240個(gè)投影中有228個(gè)投影被每一對相鄰切片所共用。
如上所述，一般而言本發(fā)明中的重建切片并不垂直于z軸，這一點(diǎn)與普通的非錐形束掃描不同。本發(fā)明中的切片是相對于z軸傾斜或章動的，相繼各個(gè)切片的法線軸環(huán)繞著z軸進(jìn)動。每個(gè)切片都定義了一個(gè)切片平面，該切片平面的法線軸與掃描系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)所環(huán)繞的縱軸或z軸之間有一個(gè)夾角。采用傾斜切片減小了重建切片數(shù)據(jù)的誤差?？梢岳蒙鲜龅哪M掃描來確定傾斜角，對此下面有更詳細(xì)的說明。所選的角度將是這樣一個(gè)角度，當(dāng)不透明碟以此角度投影到陣列上時(shí)將產(chǎn)生最小的圖像重建誤差。
圖5是一個(gè)原理圖，它說明在模擬掃描過程中，對由傾斜不透明碟132所代表的一個(gè)傾斜重建圖像切片在單個(gè)角度下的一個(gè)投影的數(shù)據(jù)采集。源110發(fā)出錐形X射線束114，穿過物體(未示出)后照射到平面形的二錐探測器陳列112上。如圖所示，切片或碟132的平面與一個(gè)垂直Z軸的軸有一個(gè)夾角θ。等價(jià)地，切片平面的法線軸與Z軸有一個(gè)夾角θ。
傾斜碟132的一個(gè)橢圓形投影或影子130被投射到探測器陳列112上。隨著源110和探測器陳列112環(huán)繞Z軸旋轉(zhuǎn)并沿Z軸移動，碟132的投影130的位置和形狀也發(fā)生變化。隨著碟132移往掃描體積，或者等價(jià)地，隨著源和探測器掃描通過切片，投影橢圓的面積將發(fā)生變化。當(dāng)?shù)?32移往探測器陳列時(shí)，傾斜角θ是固定的。每個(gè)投影角下橢圓的彌散程度(短軸長度)表征了重建該投影角的切片時(shí)所引入的誤差。目的是要選擇這樣一種碟形結(jié)構(gòu)使得對于被重建的傾斜切片在所有投影角，例如240°，下有最小的總投影橢圓面積。通過重建一個(gè)其切片平面法線的傾斜角θ小的傾斜切片，該面積將最小化。
圖6是說明傾斜切片132與系統(tǒng)各個(gè)軸之間的關(guān)系的原理圖。如前所述，切片平面的法線140與Z軸之間形成一個(gè)夾角θ，這里將它稱為傾斜角或章動角。法線軸140還與系統(tǒng)的X軸或橫軸形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)角Φ。
如前所述，每個(gè)切片可以根據(jù)投影角在0°到180°加陣列角(60°)下的一系列投影被重建出來。對于投影角間隔為1°的情形，每個(gè)切片都根據(jù)240個(gè)投影重建。對于任一個(gè)給定的切片，某一特定的切片傾斜角θ和旋轉(zhuǎn)角Φ將在所有240個(gè)投影中對應(yīng)最小的誤差。在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)兩組互相錯(cuò)開12°的240個(gè)投影，每隔12°的旋轉(zhuǎn)角重建出一對相鄰的切片。每個(gè)切片都與能使切片重建誤差最小化的一個(gè)傾斜角θ和一個(gè)旋轉(zhuǎn)角Φ相關(guān)聯(lián)。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖6中的箭頭142所示，對于相繼的切片，傾斜角θ保持為常值，而旋轉(zhuǎn)角Φ則要增大或減小以定義出各切片法線軸環(huán)繞Z軸的轉(zhuǎn)動或進(jìn)動。在全部240°數(shù)據(jù)的投影面積進(jìn)行總求和來確定在每一個(gè)傾斜角處的誤差。能導(dǎo)致最小總誤差的那個(gè)傾斜角被取為傾斜角。在一個(gè)實(shí)施例中，使用了約等于1.45°的傾斜角。
圖7示意性地示出了傾斜角為1.4°時(shí)碟132通過掃描區(qū)域的一些投影。所示投影曲線的投影角或視角為β＝0°，60°，120°，180°和240°。所示的圖形假定了探測器陣列是平面的。
前面曾指出，探測器陣列也可以是彎曲的。在該情形中，碟或切片在陣列上的投影將不再像圖7所示那樣是橢圓形的。實(shí)際上它們將如圖8所示是一些彎曲圖形。圖8所示的投影與圖7一樣，也對應(yīng)于傾斜角1.4°，只是這里的探測器陣列112是彎曲的。
圖9示出總投影面積與視角的關(guān)系曲線。虛線對應(yīng)于傾斜角為1.45°時(shí)的面積，實(shí)線對應(yīng)于零度傾斜角時(shí)的面積。傾斜角被選為能使總面積最小的角度，在一個(gè)實(shí)施例中該角度被確定為1.45°。
如前所述，模擬掃描還可以用來確定用于在各個(gè)不同的投影角處的每個(gè)投影的像素的行和列。圖10是一個(gè)傾斜切片在彎曲探測器陣列上的投影的一個(gè)例子。為了確定投影150的位置，也即為了確定以后在該特定投影角下對實(shí)際物體進(jìn)行掃描時(shí)應(yīng)該讀出的探測器行和列，需要讀出陣列上的全部探測器。在該實(shí)施例中，陣列含有10個(gè)行i，每一行含有252個(gè)探測器j。虛線150表示陣列上彎曲橢圓投影的彌散情況。實(shí)線152確定了以后在該特定投影角下掃描時(shí)應(yīng)讀出的探測器徑跡線。該徑跡線152通過計(jì)算探測器值的行重心值來確定。這條實(shí)線152就確定了今后對實(shí)際物體掃描時(shí)應(yīng)讀出的那些探測器。這一處理要對待重建切片的每個(gè)投影角都已進(jìn)行之后才完成。模擬或定標(biāo)處理把每個(gè)投影角與一組行列值相關(guān)聯(lián)，并把它們一起存儲在“子插值表”中，在以后的掃描中為了確定重建實(shí)際切片所需使用的掃描數(shù)據(jù)，將讀出這個(gè)表。對于一個(gè)傾斜角為1.45°的切片，圖11示出了視角在0°至240°范圍內(nèi)的一組間隔為20°的二維彎曲陣列碟投影。這些投影是在定標(biāo)掃描中對每個(gè)投影角所產(chǎn)生的陣列行/列徑跡線。每個(gè)投影角下的行/列號碼值都存儲在z插值表中。適用于這些號碼曲線的陣列是一種標(biāo)準(zhǔn)陣列，它含有24個(gè)探測器行i，每行含有252個(gè)探測器j。如前所述，每條曲線都通過計(jì)算每個(gè)視角下的陣列上投影重心來確定。
按上述進(jìn)行了模擬掃描并產(chǎn)生了z插值表之后，可以按下述步驟進(jìn)行對物體的實(shí)際掃描。首先通過螺旋錐形束掃描得到投影數(shù)據(jù)。然后校正投影數(shù)據(jù)的偏置、增益誤差和非線性影響。接著把HCB數(shù)據(jù)用于z插值表，由此提取出所需的扇形束數(shù)據(jù)。對于每一個(gè)投影角，從z插值表提取出探測器的行、列序號，并把這些行、列中的探測器上的x射線強(qiáng)度作為扇形束數(shù)據(jù)記錄下來。在一個(gè)實(shí)施例中，z插值過程可以這樣進(jìn)行對于每個(gè)視角，逐個(gè)地處理每個(gè)探測器j。對于每個(gè)探測器，從z插值表確定一個(gè)行序號i，一般它是某個(gè)實(shí)數(shù)。當(dāng)行序號i不是整數(shù)時(shí)，則對一些適當(dāng)行序號處的實(shí)際數(shù)據(jù)值進(jìn)行插值。并如下述確定出某一特定探測器的值。在一個(gè)實(shí)施例中使用了線性插值，但也可使用其他形式的插值。
對于重建處理的其余部分，可以把這些插值數(shù)據(jù)值當(dāng)作由普通二維掃描所得到的扇形束值來看待。任選地，它們也可以用于重組處理，產(chǎn)生平行射線數(shù)據(jù)。然后可以把重組的二維數(shù)據(jù)用于某種普通的一維卷積處理。最好，可以把平行的卷積數(shù)據(jù)用于普通的二維反投影算法。上述處理對區(qū)域中的每個(gè)切片重復(fù)進(jìn)行。
本發(fā)明方法的詳細(xì)數(shù)學(xué)說明如下。
假設(shè)用C(β，z’，q)表示一個(gè)連續(xù)的錐形束數(shù)據(jù)組，其中β是框架的旋轉(zhuǎn)角(視角)，q和z’是圖4所示的探測器上的位置。為了能重建一個(gè)切片，β的角范圍至少需要是180°加上扇形角。利用最小投影數(shù)目的重建叫做半掃描重建。假定半掃描重建所用的投影角范圍為βh。如果希望進(jìn)行過掃描校正，可以利用更多的視角。下面將詳細(xì)討論過掃描方法。
NSR方法可以概括如下1、對于某一給定的β(0≤β＜βh)，從錐形束數(shù)據(jù)C(β，z’，q)提取扇形束投影F(β，q)。該扇形束數(shù)據(jù)由下式給出F(β，q)＝C(β，L(β，q)，q)(1)其中L(β，q)是所需一維投影的徑跡線(z’＝L(β，q))。在這一階段可以任選地把L(β，q)重組成平行數(shù)據(jù)。由于對平行投影進(jìn)行反投影比對扇形投影進(jìn)行反投影有較高的計(jì)算效率，所以重組是一個(gè)優(yōu)選的方法。后面將詳細(xì)討論重組處理。
2、用一個(gè)適當(dāng)?shù)木矸e核對F(β，q)進(jìn)行卷積。
3、利用2D-FBP對卷積數(shù)據(jù)反投影。
下面將對討論確定L(β，q)的方法和對傾斜角的優(yōu)化。
實(shí)際上錐形束數(shù)據(jù)并不具有連續(xù)的形式，而是用離散獲取的方法得到的。具體地說，線L(β，q)上的數(shù)據(jù)必需通過對分立探測器的插值確定。假定錐形束數(shù)據(jù)為C[v，r，d，]其中v是視角序號(沿β方向)。設(shè)這些值的取值范圍是0≤v＜Nh，0≤r＜Nr，0≤d＜Nd，其中Nh是半掃描視角數(shù)目，Nr是行數(shù)，Nd是每行中的探測器數(shù)目。離散變量與連續(xù)變量之間的關(guān)系是β＝vΔβ(2)z’＝(r－rc)Wr(3)q＝(d－dc)Wd(4)其中Δβ是視角間隔，Wr是行間距，Wd是一給定行內(nèi)的探測器間距，rc是z’＝0的行位置，dc是q＝0的探測器通道位置。
rc＝(Nr－1)/2 (5)dc＝(Nd－1)/2 (6)同連續(xù)情形一樣，所需的數(shù)據(jù)位于與橢圓相交的一條徑跡線上。設(shè)F[v，d]為從C[v，r，d]選出的扇形束數(shù)據(jù)。沿r方向的插值叫做z插值。設(shè)r’[v，d]是一個(gè)查找表，它將給出對應(yīng)于給定v和d值的希望點(diǎn)的r的位置。扇形數(shù)據(jù)可以利用對r的線性插值得到。亦即F[v，d]＝(1－p)C[v，ro，d]＋pC[v，ro＋l，d](7)其中ro是小于或等于r’的最大整數(shù)值，p＝r’－ro如前所述，z插值表可以由對模擬傾斜碟的模擬投影數(shù)據(jù)確定。模擬碟的厚度等于探測器行相對于等角點(diǎn)投影的寬度。整個(gè)碟的衰減系數(shù)是均勻的，而且光子能量是單一的。這樣，測得的穿過碟的某個(gè)給定投影射線將直接正比于穿過的厚度。碟的中心位于等角點(diǎn)處，并以一個(gè)固定傾斜角θ取向。碟以掃描儀的規(guī)定載物臺速度沿z方向運(yùn)動。數(shù)據(jù)采集開始和結(jié)束(即v＝0和v＝Nh－1)時(shí)碟中心的位置相對于z＝0是對稱的。碟的半徑等于掃描半徑R，由下式給出。
R＝rssinδ(8)
其中rs是源至等角度點(diǎn)的距離，δ是半扇形角，由下式給出δ＝ΔγNd/2 (9)其中Δγ是一個(gè)給定行中的探測器角間距。等角點(diǎn)處全部探測器沿z方向的寬度為D＝WrNr(rs/rd) (10)其中rd是源至探測器的距離。定義步距p為載物臺在框架旋轉(zhuǎn)360°時(shí)移動的距離與D的比值。即p＝(StT)/D (11)其中St為載物臺速度，T為框架旋轉(zhuǎn)周期。例如，對于步距為l的情況，載物臺在旋轉(zhuǎn)一圈過程中移動了距離D。
模擬時(shí)可以采用與掃描儀相同的幾何布局。或者，模擬時(shí)也可以采用更多的探測器行數(shù)，以改進(jìn)確定z插值表時(shí)的分辨率。見表1。
表1參數(shù)值和定義
如前所述，插值徑跡線是由計(jì)算所得投影數(shù)據(jù)在行方向上的重心來確定的。設(shè)m為模擬時(shí)的行序號，其中0≤m＜Nm(12)則插值點(diǎn)m’[v，d]由如下的重心計(jì)算給出m′[v,d]=Σm=0Nm-1mC[v,m,d]Σm=0Nm-1C[v,m,d]-----(13)]]>然后把m’[v，d]的值轉(zhuǎn)換成真實(shí)的探測器行變量r’[v，d]，其中0≤r’＜Nr。m’的z’位置為z’＝(m’－mc)Wm(14)其中mc是z’＝0時(shí)的行位置，Wm是模擬時(shí)某一給定行中的探測器間距。然后把式(14)的z’代入式(3)并解出r，得到r’的值為r′[r,d]=wmwr(m′[v,d]-mc)-----(15)]]>z插值表與傾斜角、掃描儀的幾何布局、以及步距有關(guān)。步距由載物臺速度、框架旋轉(zhuǎn)周期和探測器尺寸根據(jù)式(11)確定。傾斜角可以用下述方法選定。
設(shè)掃描儀的視角范圍為0≤v(∞(16)一個(gè)切片用一組Nh個(gè)視角重建。為了重建一系列相鄰的切片，需對每個(gè)切片的一組不同的Nh個(gè)視角重復(fù)執(zhí)行步驟1至3。設(shè)j是一系列Nj個(gè)切片的切片序號，0≤j＜Nj。又設(shè)voj是某一給定切片j的第一個(gè)視角，于是該給定切片j將利用視角voj≤v＜voj＋Nh。
voj＝j(luò)Δvj(17)其中Δvj是相鄰切片的視角間隔。切片j的扇形束數(shù)據(jù)可按如下公式從錐形束數(shù)據(jù)提取F[vh，d]＝C[vj，r’[vh，d]，d](18)其中vj＝vh＋voj(19)并且0≤vh＜Nh。注意，對于每個(gè)切片z插值表可以是相同的。
傾斜切片所在平面可以用兩個(gè)轉(zhuǎn)動來描述。第一個(gè)轉(zhuǎn)動是繞x軸轉(zhuǎn)動θ角，第二個(gè)轉(zhuǎn)動是繞z軸轉(zhuǎn)動Φ角。章動平面的方程由下式給出。
xinφsinθ＋ycosφsinθ＋(z－zo)cosθ＝0 (20)其中zo是平面中心的z軸位置(即圖6中的zo＝0)。
在一系列的切片中，進(jìn)動角Φ與視角β有關(guān)。設(shè)對應(yīng)于voj的框架角為βoj，則切片j的進(jìn)動角為φj=βoj+δ-π2-----(21)]]>其中δ是圖2所示的扇形角的一半，由式(9)定義。
章動切片的幾何結(jié)構(gòu)使沿z方向的切片是x、y位置的函數(shù)，步距也是這樣。在中心處，(x，y)＝(0，0)，z軸位置為zoj=(j-Nj-12)Δz0-----(22)]]>其中Δzo是等角點(diǎn)處的切片間距，它等于Δz0=Δvj(stTNv)-----(23)]]>其中Nv是每周旋轉(zhuǎn)的視角數(shù)。一般地，任何點(diǎn)(x，y)處的間距可以這樣求得對兩個(gè)相鄰切片從式(20)解出z，然后取兩個(gè)z的差值，即
Δzj＝zj－zj－1(24)Δzj是正弦形地改變的，環(huán)繞著等角點(diǎn)處的常量垂直間距振蕩。圖12示出了位于(x，y)＝(0，0)，(R，0)和(0，R)處的像素的切片，其中R是掃描半徑。曲線上的各個(gè)點(diǎn)代表一系列36個(gè)切片中的不同切片。各切片相隔10個(gè)視角。(R，O)和(O，R)的曲線給出了最大的振幅。R以內(nèi)的像素將對應(yīng)較小的切片間距振幅。
一旦對一個(gè)給定切片選出了扇形束投影數(shù)據(jù)，就可以把它們重組成平行束投影數(shù)據(jù)。美國專利NO.Re30,947公開了一種對連續(xù)變量的重組方法，該專利在此引用作為參考。這里我們將說明對離散數(shù)據(jù)的重組。考慮把扇形數(shù)據(jù)重組成180°平行視圖所需的扇形視圖數(shù)目等于含在框架旋轉(zhuǎn)180°＋2δ時(shí)所含的視圖數(shù)目。如果采用過掃描校正，則如下所述將需要更多的扇形視圖。
重組可以通過分開徑向(q方向)和切向(v方向)插值以兩個(gè)步驟進(jìn)行。扇形與平行視圖之間的關(guān)系如下βp＝βf＋γf(25)其中βp是平行視角，βf是扇形視角，γf是形探測器角。設(shè)vp為平行視圖序號(0≤vp＜Np)，vf為扇形視圖序號(0≤vf＜Nh)。則平行視角為βp[νp]＝νpΔβ+δ(26)其中Δβ為視角間隔，δ為半扇形角。對于每個(gè)平行視圖和扇形探測器df，計(jì)算扇形視圖中的插值點(diǎn)。vf′=1Δβ(βp[vp]-γ[df])-----(27)]]>其中γ[df]為扇形探測器角。
γ[df]＝Δγ(df－dcf)(28)其中dcf為中心扇形探測器。對扇形視角方向進(jìn)行插值得到混合平行投影Ph[vp，df]Ph[vp，df]＝F[v′f，df](29)徑向插值按如下進(jìn)行。設(shè)t為所希望的等間距平行探測器的位置。
t[dp]＝wdiso(dp－dcp) (30)其中Wdiso為等角點(diǎn)處的探測器通道間隔，dp為平行探測器通道序號(O≤dp＜Mp)，dcp為中心平行探測器。每個(gè)視圖的平行探測器數(shù)目為Mp=2Rwdiso-----(31)]]>扇形探測器陣列中t的位置為df′[dp]=sin-1(t[dp]R)-----(32)]]>通過對混合投影數(shù)據(jù)的df插值，得到平行投影P[yp，dp]
P[vp，dp]＝Ph[vp，d′f](33)z插值和重組的結(jié)合包括在所有三個(gè)方向，即vf、d、r方向上的錐形扇數(shù)據(jù)的z插值。可以首先進(jìn)行z插值，也可以在重組處理中進(jìn)行z插值。
在靜態(tài)CT中，平行視圖應(yīng)該有180°的對稱性。也就是說，由于對稱性，當(dāng)沒有運(yùn)動時(shí)0°下的視圖與180°下的視圖應(yīng)該含有相同的信息。物體(或患者)的運(yùn)動破壞了這一對稱性，使相隔180°的視圖的投影數(shù)據(jù)不連續(xù)。這個(gè)不連續(xù)將造成重建圖像的缺陷，由此導(dǎo)致研發(fā)出了一些校正方案，例如美國專利NO.4,580,219中所描述的校正方案，該專利在此引用作為參考。
過掃描校正是使不連續(xù)平滑化和減少運(yùn)動缺陷的一種方法。這是通過再額外測量一些視圖并在卷積和反投影之前對它們進(jìn)行加權(quán)考慮來實(shí)現(xiàn)的。通常額外視圖的數(shù)目要少于180°內(nèi)所含視圖的總數(shù)。設(shè)額外視圖數(shù)目為Nos，從而平行視圖數(shù)據(jù)組由0≤Vos＜Npos的視圖給出，其中Npos＝Np－Nos。首先通過把數(shù)據(jù)乘以權(quán)重因子得到加權(quán)數(shù)據(jù)Pw[vos，dp]＝w[vos]P[vos，dp] (34)其中的權(quán)重因子W為
其中x1=vos+1/2Nos------(36)]]>x2=vos+1/2-NpNos-----(37)]]>確定了加權(quán)數(shù)據(jù)之后，至少有兩種方法可以繼續(xù)進(jìn)行。設(shè)Pout為要被卷積和反投影的輸出平行投影。在第一種方法中，輸出投影等于加權(quán)投影，即Pou[vos，dp]＝Pw[vos，dp] (38)其中視圖數(shù)目為Npos。在第二種方法中，輸出投影為 其中d’＝Mp－l－d(40)并且有0≤vos＜Np。第二種方法比第一種方法有較少的輸出視圖。表面看來對較少的視圖進(jìn)行反投影的計(jì)算效率來說是有利的。然而在串行體系中第一種方法可能更為有效。這是因?yàn)樵诘诙N方法中兩個(gè)分開Np的視圖加到了一起。在串行處理時(shí)可能不可以為了將一個(gè)視圖加到晚些時(shí)候才能得到的另一個(gè)視圖上去而保存前一視圖。兩種方法將產(chǎn)生相同的最終圖像。
如前所述，根據(jù)本發(fā)明，用于產(chǎn)生圖像的每個(gè)章動切片都是從多個(gè)投影角或視角下取得的投影數(shù)據(jù)重建的。在一個(gè)實(shí)施例中，為了獲得完全重建切片所需的足夠數(shù)據(jù)，在240°的范圍內(nèi)總共攝取了240個(gè)投影或視圖，即每度一個(gè)投影或視圖。在一個(gè)實(shí)施例中，相繼切片的數(shù)據(jù)分開12°，結(jié)果在相鄰切片之間有228個(gè)投影發(fā)生了重疊。如前所述，在每個(gè)視角下攝取的每個(gè)投影都可以當(dāng)作一個(gè)扇形束投影，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在把它重建成切片圖像數(shù)據(jù)之前先把它重組成了平行射線數(shù)據(jù)。
本發(fā)明還利用這種重組的投影數(shù)據(jù)來生成被掃描區(qū)域在單個(gè)角度下的投影圖象。這個(gè)二維投影圖像類似于當(dāng)該區(qū)域被掃描時(shí)源和探測器不旋轉(zhuǎn)而僅是該區(qū)域沿著縱軸平移所得到的投影圖像。它也類似于由一個(gè)靜態(tài)x射線線性掃描儀所得到的圖像，其中該掃描儀僅從單個(gè)角度獲取穿過被掃描區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明中，投影圖像可以根據(jù)由掃描過程采集的投影數(shù)據(jù)所得到的重組平行射線數(shù)據(jù)來生成，如上所述，其中的掃描可以螺旋形式進(jìn)行，即源和探測器環(huán)繞物體旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿物體移動。在本發(fā)明中，二維投影圖像的投影角是可選擇的。例如，可能希望產(chǎn)生一個(gè)區(qū)域的從頂部到底部的投影圖像，也即希望垂直地看到該區(qū)域的內(nèi)部。在此情形中，所選的投影角將是0°。在另一個(gè)實(shí)施例中，可能希望從側(cè)面來審視物體。于是所選投影角將為90°。在又一種情形中，可能希望從幾個(gè)不同的角度來審視物體，這時(shí)可以選擇多個(gè)投影角，例如0°、120°和240°，使物體能以均勻分布的角度被審視。
給定了所選投影角后，即可從重組的扇形束投影中選出數(shù)據(jù)，產(chǎn)生二維圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，對于每個(gè)切片選出在單個(gè)對應(yīng)視角下攝取的單個(gè)投影或視圖。對一個(gè)切片所選的視角就是對應(yīng)于為投影圖像所選的投影角的那個(gè)角度?？梢钥闯?，對于相繼的切片，用于投影圖像的視圖是不同的。例如，在前述的本發(fā)明實(shí)施例中，相鄰的切片被分開12個(gè)視圖。舉例來說，在一個(gè)切片內(nèi)，如果對應(yīng)于所選投影角的視圖是第30號視圖，則從下一個(gè)相鄰切片選出的視圖將是第18號視圖。對每個(gè)用于投影圖像的切片確定并選出了一個(gè)視圖之后，把選出的視圖數(shù)據(jù)結(jié)合起來生成該區(qū)域在所選投影角下的二維圖像。
一種獲取CT投影圖像的以往方法是在使物體移經(jīng)框架時(shí)不旋轉(zhuǎn)框架時(shí)掃描物體。在本發(fā)明中，投影圖像是從旋轉(zhuǎn)框架時(shí)所得到的章動切片投影中提取的。為了說明，假定各個(gè)切片之間相隔一個(gè)恒定的角度增量。于是相鄰切片中對應(yīng)的視角可以認(rèn)為在互相隔開了恒定的Δv個(gè)視圖。例如在一個(gè)實(shí)施例中，Δv＝12個(gè)視圖。每個(gè)切片的第一個(gè)視角與相鄰切片的第一個(gè)視角之間分開了Δv個(gè)視圖。每個(gè)切片的第二個(gè)視角與相鄰切片的第二個(gè)視角之間分開了Δv個(gè)視圖；等等。設(shè)第一個(gè)平行投影位于視圖vo處。對下一個(gè)切片將選擇vo+Δv的平行投影。對任何希望的長度即任何切片數(shù)目重復(fù)這一過程，或者對所有切片重復(fù)這一過程。對所選視圖進(jìn)行結(jié)合的結(jié)果將得到某一固定視角下的平行投影圖像。應(yīng)該指出，由于數(shù)據(jù)是從章動投影數(shù)據(jù)中選出的，所以投影圖像也是章動的。如果需要，可以把最終的投影圖像插值成為平行的。
可以認(rèn)為每個(gè)切片都由整數(shù)N個(gè)視圖Vi形成，其中i＝1，2…N。如前所述在一個(gè)實(shí)施例中N＝240。對于每個(gè)切片j都存在一個(gè)含有對應(yīng)于預(yù)選投影角的數(shù)據(jù)的一個(gè)視圖Vi，j’而對于下一個(gè)相鄰切片j＋l則存在一個(gè)含有對應(yīng)于預(yù)選投影角的數(shù)據(jù)的一個(gè)視圖Ui＋Δu，j＋l°因此，從下一個(gè)相鄰切片j＋l選出的視圖Ui＋l＝Ui＋u。
圖14是本發(fā)明生成二維圖像投影的圖示說明。在一個(gè)實(shí)施例中，用于投影圖像的各個(gè)視圖是從已被重組成平行幾何結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中選。如圖所示，圖像投影中每個(gè)視圖的重組平行數(shù)據(jù)實(shí)際上包括了所選投影角下的一系列平行線或樣本249。在此情形中所選的投影角為30°，也即希望產(chǎn)生以30°角觀看的掃描區(qū)域247的一個(gè)二維圖像。因此對于按上述方法產(chǎn)生的每個(gè)切片存在有一個(gè)投影或視圖，它包括一組重組的平行數(shù)據(jù)249，而這組數(shù)據(jù)是從一個(gè)對應(yīng)于能提供以30°角穿過該區(qū)域的視圖數(shù)據(jù)的視角來取得的，在該實(shí)施例中假定切片從0°開始，則由于能提供對應(yīng)于該區(qū)域的30°投影的數(shù)據(jù)的視圖是第30號視圖，因此對于第一切片選擇這個(gè)視圖。對于第二個(gè)切片則選擇第18號視圖。對于第三個(gè)切片選擇第6號視圖。對于下一個(gè)切片選擇第174號視圖。這考慮到了這樣的事實(shí)對于每個(gè)切片不是獲取完整360°的數(shù)據(jù)，而是只獲取180°加兩倍扇形角即240°的數(shù)據(jù)。因此采用了以與前一個(gè)切片相反的方向穿過該區(qū)域的射線的掃描數(shù)據(jù)。此外，由于探測器陣列環(huán)繞中心軸18的旋轉(zhuǎn)而使其相對于前一個(gè)切片跳過了180°，因此用于所選投影的探測器數(shù)據(jù)的序號也必需有一個(gè)跳變，也即di＝dN-i，其中di代表來自探測器i的數(shù)據(jù)，N是一個(gè)視圖中的探測器數(shù)目。
這個(gè)過程將對所有數(shù)據(jù)切片進(jìn)行或?qū)λ枰那衅瑪?shù)據(jù)進(jìn)行，直到對準(zhǔn)備用于投影圖像的每個(gè)切處都確定出一個(gè)對應(yīng)于預(yù)選投影角30°的投影。然后可以結(jié)合這些數(shù)據(jù)，生成該區(qū)域的30°角投影。應(yīng)該理解，生成圖像時(shí)不需要所有的切片。為了提高吞吐量，可以刪去不屬該投影角的切片，并對ΔV作出適當(dāng)調(diào)整。
由于用來產(chǎn)生這些投影的數(shù)據(jù)已經(jīng)在最初的掃描中獲得，所以可以通過對這些數(shù)據(jù)的處理得到任何角度下的投影。此外，也可選擇多個(gè)角度。當(dāng)希望從不同的角度去審視一個(gè)區(qū)域以識別出該區(qū)域中的可疑物體時(shí)，選擇多個(gè)角度是有用的。例如，僅從一個(gè)角度的視圖可能難以識別出諸如手槍這樣的違禁物品。然而當(dāng)產(chǎn)生了多個(gè)投影時(shí)可以較容易識別出手槍。因此對于行李掃描儀可以把投影圖像處理用作識別可疑物品的預(yù)先篩選處理。然后在需要時(shí)可以完全地重建出可疑行李的圖像數(shù)據(jù)，生成該行李的完整三維的圖像。
在本發(fā)明的CT掃描系統(tǒng)和其他普通系統(tǒng)中，每個(gè)切片都定義了一組圖像三維像元，即“體元”。在傳統(tǒng)的CT系統(tǒng)中，這些體元的軸線的取向分別平行于CT系統(tǒng)視場的相應(yīng)坐標(biāo)軸。然而在本發(fā)明系統(tǒng)中，由于如上述各切片是章動或傾斜的，所以各體元相對于CT掃描區(qū)域的各個(gè)軸是傾斜的。
如前所述，本發(fā)明CT掃描系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用是商用機(jī)場的行李掃描儀，本發(fā)明行李掃描儀的一個(gè)功能是通過分析該系統(tǒng)所獲取的物體掃描數(shù)據(jù)來識別目標(biāo)物質(zhì)，例如炸藥。識別炸藥的一種方法是把由掃描系統(tǒng)獲取的物體圖像密度值與一些已知炸藥的已知密度相比較。密度在已知炸藥密度附近一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的材料被認(rèn)為是炸藥。然后可以對該物體作進(jìn)一步檢查進(jìn)行分析。
對炸藥掃描和確定其可能的危險(xiǎn)性的一個(gè)重要因素是炸藥的總質(zhì)量。在本發(fā)明中，總質(zhì)量可以通過把每個(gè)與炸藥有關(guān)的體元的密度值乘上其體積來計(jì)算。可以通過對被識別為具有可能是炸藥的密度的各個(gè)體元的質(zhì)量進(jìn)行求和來確定炸藥的總質(zhì)量。
如前所述，在NSR系統(tǒng)中體元相對于系統(tǒng)掃描軸是傾斜的。在計(jì)算一個(gè)體元的質(zhì)量時(shí)這將造成少量誤差。在本發(fā)明中，可以把傾斜體元插值成非傾斜的密度值，或者可以計(jì)算出一個(gè)校正因子來襯償體元的傾斜。兩種方法都能比較精確地確定可疑物體的總質(zhì)量。下面詳細(xì)說明這兩種方法。
圖13示出被掃描物體和由NSR重建的章動CT片的參考坐標(biāo)系。定義物體的固定參考系為xyz空間。定義傾斜切片的參考系為x’y’坐標(biāo)軸。傾斜切片的原點(diǎn)為z。，章動角為θ，進(jìn)動角為φ。為了突出重建切片的章動和傾斜，該圖中的章動角被夸大了。實(shí)際上章動角可以小到使COSθ≈1和simθ≈0。
設(shè)f(x，y，z)是準(zhǔn)備重建的連續(xù)物體函數(shù)。物體函數(shù)的空間范圍是|x2＋y2|＜R和|z|＜∞，其中R為掃描半徑。掃描儀繞z軸旋轉(zhuǎn)。為了在這里進(jìn)行說明，假定掃描儀在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還沿z軸平移。實(shí)際中可以由物體的平移來代替掃描儀的平移。
利用NSR重建出一系列二維(2D)切片。如圖13所示，這些2D切片的坐標(biāo)系統(tǒng)是x’y’平面，其原點(diǎn)在z軸上的zo處。這些2D切片相對于z軸有一個(gè)章動角θ。注意，章動是相對于原點(diǎn)zo發(fā)生的。章動的進(jìn)動角為φ，其中φ是相對于x軸度量的。章動相對于一個(gè)新的x軸計(jì)算，其中新x軸由原x軸繞z軸轉(zhuǎn)動φ角形成。
設(shè)f’(x’；y’；zo)是章動空間中zo處的連續(xù)物體函數(shù)的一個(gè)切片。x’y’平面與xyz空間中的切片之間的關(guān)系可由坐標(biāo)轉(zhuǎn)動確定。特別地，可以利用一個(gè)包括三個(gè)轉(zhuǎn)動矩陣的乘積的轉(zhuǎn)動矩陣來確定，其中第一個(gè)轉(zhuǎn)動矩陣Rz(φ)圍繞z軸轉(zhuǎn)動φ角，接著的第二個(gè)轉(zhuǎn)動矩陣Rx(θ)圍繞新x軸轉(zhuǎn)動θ角，最后的第三個(gè)轉(zhuǎn)動矩陣Rz(ψ)圍繞新z軸轉(zhuǎn)動ψ＝-φ角。這三個(gè)矩陣可以寫成Rz(φ)=cosφsinφ0-sinφcosφ0001-----(41)]]>Rx(θ)=1000cosθsinθ0-sinθcosθ------(42)]]>Rz(ψ)=cosψsinψ0-sinψcosψ0001-----(43)]]>這三個(gè)轉(zhuǎn)動矩陣的乘積B為B=cosψcosφcosφsinψsinφsinθ-sinψcosθsinφ+sinφcosθcosψ-sinφcosψ-sinφsinψcosφsinθ-cosφcosθsinψ+cosφcosθcosψsinθsinψ-sinθcosψcosθ-------(44)]]>
實(shí)際上，θ可以小到使cosθ≈l。利用這個(gè)近似以及關(guān)系式ψ＝-φ，式(44)簡化為B=10sinφsinθ01cosφsinθ-sinθsinφsinθcosφ1------(45)]]>兩個(gè)參考坐標(biāo)系的關(guān)系由下式給出xyz=Bx′y′0+00z0=x′y′-x′sinθsinφ+y′sinθcosφ+z0---(46)]]>式(46)表明x’和y’軸可以分別直接映射成x和yo軸。然而z軸卻是根據(jù)x’、y’位置、進(jìn)動角φ、和章動角θ而被壓縮或擴(kuò)展的。于是根據(jù)式(46)的變換有f(x′，y′；zo)＝f(x，y，z)(47)應(yīng)該指出，x’y’與xyz坐標(biāo)系之間的關(guān)系，對于每個(gè)由其zo值標(biāo)志的重建切片是不同的。
現(xiàn)在說明用于生成平行切片的坐標(biāo)值采樣和插值。假定希望得到一組無限多個(gè)平行切片，其中每個(gè)切片都含有N×N個(gè)像素。各切片沿z軸的間距為δz。設(shè)k為平行切片的切片序號，其中-∞＜k＜∞。設(shè)i和j分別是沿x軸和y軸的采樣序號，其中0≤i＜N和0≤j＜N。設(shè)采樣切片用F(i，j，k)表示。采樣函數(shù)與連續(xù)函數(shù)有如下聯(lián)系F(i，j，k)＝f(x，y，z) (48)其中x＝-R＋(i＋)δryy＝R－(j－)δry(49)z＝kδz其中像元大小δxy為2R/N。注意，也可以采用x、y的其他定義。例如，像元大小可以定義為δxy＝2R/(N－1)，或者可以采用比掃描視場2R小的重建視場。
在章動空間中可以對圖像寫出類似的關(guān)系式。設(shè)采樣章動空間由F’(i’，j’，k’)表示，則F′(i′，j′，k′)＝f(x′，y′，zo)(50)其中x′＝-R＋(i′＋)δryy′＝R－(j′＋)δry(51)z＝k′δz其中i’，j’分別是沿x’軸和y’－z’軸的采樣序號。k’是對應(yīng)于zo的傾斜切片的采樣序號。序號范圍是0≤i’＜N，0≤j’＜N，以及-∞＜k’＜∞。參數(shù)δz’是各章動切片沿Z軸的間距，一般不等于δz。設(shè)中φk’是切片k’的進(jìn)動角，則φk′=ck′+φ0]]>(52)其中c=2πδz′zr-----(53)]]>其中Zr為每旋轉(zhuǎn)2π角的非線性距離，φ0為取決于掃描儀起始角的進(jìn)動角相位偏置?？梢圆皇б话阈缘丶俣▊悝?＝0。用變量M代表每周旋轉(zhuǎn)的圖像數(shù)目，它等于M=zrδz′.----(54)]]>現(xiàn)在有F(i，j，k)＝F′(i′，j′，k′) (55)其中i′＝i(56)j′＝j(luò)(57)其中k′＝g-1(i，j，k)(58)k=g(i,j,k′)=-x′sinθsin(ck′)+y′sinθcos(ck′)+k′δz′δz-----(59)]]>其中x’和y’由式51給出。最后的方程式(59)對于k’是非線性的。該方程可以利用例如牛頓—拉夫森(Newton-Raphson)等數(shù)字技術(shù)求解?；蛘咭部梢詫Ω鱾€(gè)給定的k’值列出表格，其中給出每個(gè)i和j值下的g(i，j，k’)值?？梢詫@些值進(jìn)行搜索來確定對應(yīng)于希望k值的k’值。在實(shí)踐中k’可能不是一個(gè)整數(shù)，這時(shí)式(55)將由相鄰k’值之間的插值來替代?？梢允褂镁€性插值。
在補(bǔ)償了章動之后，整組切片將由F(i，j，k)表示，其中i和j對應(yīng)于在成像平面(即xy平面)中的采樣，k對應(yīng)于軸方向(即z方向)的采樣。平面內(nèi)的像素大小為δxy。軸向采樣間距為δz。因此每個(gè)體元的的體積是δ2xyδz，假設(shè)函數(shù)F(i，j，k)代表該物體的密度，則位于(i，j，k)處的那個(gè)體元的質(zhì)量為δ2xyδzF(i，j，k)。
炸藥探測的一個(gè)目的是確定被掃描物體中可能炸藥的質(zhì)量。進(jìn)行一個(gè)確定哪些像元是炸藥的一部分的處理。該處理的一個(gè)典型方法連接成份標(biāo)簽(connected components labeling，CCL)。這一處理的輸出是一個(gè)二值“窗口”函數(shù)W(i，j，k)，它指明位于(i，j，k)的那個(gè)體元是否是炸藥的一部分。因此， 炸藥的質(zhì)量MeMe=δxy2δzΣiΣjΣkF(i,j,k)W(i,j,k)-----(61)]]>現(xiàn)在考慮根據(jù)本發(fā)明的章動切片的情形。如前所述，它們由F’(i’，j’，k’)表示。平面的大小仍由δxy給出。然而每個(gè)切片的軸向位置zk，將由下式給出zk＝-x′sinθsin(ck′)-y′sinθcos(ck′)+k′δz(62)其中x’，y’和c已在前面定義。(i’，j’，k’)處體元的軸向尺寸近似為Δk′=zk′+1-zk′-12-----(63)]]>對于章動切片，同樣可以使用對平行切片使用的確定體元是不是炸藥一部分的處理方法。因此可以使用CCL。這一處理的輸出是一個(gè)二值窗口函數(shù)W’(i’，j’，k’)，指明(i’，j’，k’)體元是否是炸藥的一部分?？梢杂孟率鍪?4來確定炸藥質(zhì)量。Me=δxy2Σi′Σj′Σk′Δk′F′(i′,j′,k′)W′(i′,j′,k′).------(64)]]>使用式64比使用式61的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要在F’(i’，j’，k’)與F(i，j，k)之間插值，插值會增加部分體積缺陷，降低薄炸藥的密度值。而密度值的降低又會使確定體元是否是炸藥部分的工作更困難。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，利用一種并行處理體系來生成和處理本發(fā)明的章動圖像數(shù)據(jù)切片，以提供比常規(guī)的管道式處理系統(tǒng)提獲得的更有效的處理。由并行處理體系所實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)的效率將大為改進(jìn)圖像生成的效率，從而使本系統(tǒng)可以應(yīng)用于要求高掃描吞吐量的儀器，例如應(yīng)用于本發(fā)明的機(jī)場行李掃描儀。
圖15給出了生成和處理本發(fā)明章動切片數(shù)據(jù)的管道式串行方法的原理功能方框圖。在該系統(tǒng)中，含有輻射源和探測器陣列的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DAS)300獲取數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移給一個(gè)數(shù)據(jù)校正處理部分302，數(shù)據(jù)校正處理部分對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種校正，例如補(bǔ)償空氣探測器讀數(shù)、探測器溫度偏離，探測器的非線性性，以及系統(tǒng)中的一般缺陷所需的校正。經(jīng)過校正處理部分302的校正后，掃描數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)移給章動切片重建數(shù)據(jù)生成部分304，在那里如前面詳細(xì)所述，從掃描數(shù)據(jù)中的各投影數(shù)據(jù)組取出扇形束投影，接著，可以把所生成的扇形束投影提供給一個(gè)任選的重組處理部分307，以從扇形束投影生成重組的平行束投影，然后把每個(gè)切片的扇形束投影或重組平行束投影轉(zhuǎn)移給一個(gè)濾波處理部分306，由其對投影進(jìn)行濾波，然后傳送給一個(gè)反投影處理部分308，由其生成各切片的圖像數(shù)據(jù)。最后利用這些切片圖像數(shù)據(jù)生成一個(gè)圖像310。
這種串行方法意味著從DAS300獲取掃描數(shù)據(jù)開始每次一個(gè)地生成切片和進(jìn)行反投影。然而如前所述，實(shí)際上由每個(gè)視圖得到的每組投影數(shù)據(jù)都被用來為多個(gè)相鄰切片生成投影。這是因?yàn)樵诟飨嗬^或相鄰的視圖中的切片數(shù)據(jù)是重疊的。在一個(gè)前述的實(shí)施例中，每個(gè)切片都由在240個(gè)離散視角下采集的掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)生。因此，對于環(huán)繞縱軸的240個(gè)位置中的每個(gè)位置下的每個(gè)切片，都要從在該位置下獲取的整組投影數(shù)據(jù)中提取出一個(gè)扇形束投影。然而如前所述，每個(gè)切片僅分開12°的視角旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，在許多個(gè)切片上出現(xiàn)了很大的掃描數(shù)據(jù)重疊。也就是說，在某一特定視角下獲取的掃描數(shù)據(jù)將用于生成許多個(gè)切片。例如，在一個(gè)前述的實(shí)施例中，每個(gè)切片都使用了間隔為1°的240個(gè)視圖，而各切片之間卻分開了12°的旋轉(zhuǎn)角，于是一個(gè)視角下的每組投影數(shù)據(jù)可以用于產(chǎn)生20個(gè)切片。實(shí)際上在一個(gè)實(shí)施例中，由于數(shù)據(jù)流端部的影響，每個(gè)視圖將對22個(gè)切片有貢獻(xiàn)。
由于這一重疊，圖15中的NSR處理部分304實(shí)際上同時(shí)對許多個(gè)切片，例如22個(gè)切片，生成投影。也就是說，實(shí)際上它不是對240個(gè)視圖的每個(gè)視圖為單個(gè)切片生成單個(gè)投影，而是對240個(gè)視圖的每個(gè)視圖生成22個(gè)投影。對于串行處理體系來說這個(gè)處理任務(wù)可能太重了。
圖16是說明根據(jù)本發(fā)明一種并行體系的原理性功能方框圖，它可以用來生成和處理用于生成本發(fā)明章動切片的投影。在數(shù)據(jù)被提供給NSR處理部分304之前，同樣由DAS 300產(chǎn)生掃描數(shù)據(jù)并由數(shù)據(jù)校正處理部分302進(jìn)行校正。在該體系中，可以由單個(gè)處理器305來執(zhí)行NSR處理，即分析掃描數(shù)據(jù)并生成產(chǎn)生章動切片所需的扇形束投影。在每個(gè)投影角下，處理器305都為一個(gè)切片產(chǎn)生一個(gè)扇形束投影，其中由所考慮的投影數(shù)據(jù)對切片提供數(shù)據(jù)，如下所述，一般每組投影數(shù)據(jù)將對幾個(gè)，例如22個(gè)，切片有貢獻(xiàn)，因此將產(chǎn)生幾個(gè)投影。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)被生成的切片都與其自己的一個(gè)數(shù)據(jù)存儲單元或存儲器312相關(guān)聯(lián)。在圖16所示的實(shí)施例中，由于每組投影數(shù)據(jù)可以對多達(dá)22個(gè)切片有貢獻(xiàn)，所以有22個(gè)存儲器312A-312V被用來存儲所生成的切片。
在每個(gè)視角下，處理器305為每個(gè)切片都生成一個(gè)投影。為一個(gè)切片所生成的投影被提供給并存儲于與該切片相關(guān)聯(lián)的存儲單元312。一般地說，若同時(shí)產(chǎn)生22個(gè)切片，則對每個(gè)視角將產(chǎn)生22個(gè)投影，并且它們被分別存儲在22個(gè)相應(yīng)的存儲器312中。
這個(gè)生成投影和把它們存儲在預(yù)定存儲器中的過程將一直繼續(xù)到處理完所有需要的數(shù)據(jù)。每240個(gè)視圖將完成一個(gè)切片，也即該切片的所有投影都已生成并被存儲在其相應(yīng)的存儲器中。當(dāng)存儲單元312被充滿時(shí)，存儲在其中的為生成一個(gè)切處所需的投影將被提供給一個(gè)選通器314，由后者選出能提供切片投影的存儲器，然后該切片的整組投影被轉(zhuǎn)移給一個(gè)任選的重組處理部分307，該部分能夠把扇形束投影重組成平行束投影，接著將可對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理306及其后的反投影處理308，生成章動切片的圖像數(shù)據(jù)，生成了各個(gè)切片之后便能產(chǎn)生出一個(gè)圖像310。
用投影去充填存儲器312的過程將對獲取掃描數(shù)據(jù)的所有視角進(jìn)行。由于在一個(gè)實(shí)施例中各切片之間分隔開了12個(gè)視圖，所以每處理12個(gè)視圖將使存儲器312中有一個(gè)存儲器被一個(gè)切片所需的240個(gè)投影所充滿。對于下一個(gè)視角，曾在前一視角下被充填的那個(gè)存儲器將被要生成的另一個(gè)切片的投影所充填。因此，當(dāng)各切片互相分開例如12個(gè)視圖時(shí)，每12個(gè)視圖將為一個(gè)切片完成其投影的生成。從而每隔12個(gè)視圖將有一個(gè)存儲單元被充滿。對于下一個(gè)視圖，該存儲單元將為一個(gè)新的切片存儲數(shù)據(jù)。
這樣的體系將使切片投影數(shù)據(jù)的處理十分有效。雖然同時(shí)為多個(gè)切片生成投影，但對實(shí)際的切片可以進(jìn)行重組、濾波和反投影。
圖17是利用生成和處理本發(fā)明章動切片的并行體系的另一個(gè)本發(fā)明實(shí)施例的原理性功能方框圖。在圖17所示的實(shí)施例中，也與上述圖16所示一樣利用一組并行的存儲器312A-312V在各個(gè)切片的生成過程中為它們存儲扇形束投影。但是該體系含有一個(gè)多處理器級304B，其中有多個(gè)分別與多個(gè)NSR處理級305A-305H相耦合的多個(gè)數(shù)據(jù)校正級302A-302H。由一個(gè)解復(fù)用器電路320從DAS300接收掃描數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)導(dǎo)引到多個(gè)302/305數(shù)據(jù)校正與章動切片處理級中的某個(gè)選出的級中。每個(gè)校正/章動切片處理級302/305從解復(fù)用器電路320接收一視圖。它通過分析那個(gè)視圖的投影數(shù)據(jù)組來為每個(gè)可由該特定視圖提供投影數(shù)據(jù)的切片生成扇形束投影。然后所生成的投影被轉(zhuǎn)移給對應(yīng)于要使用這些投影的切片的存儲器312。在這個(gè)例子中，每個(gè)視圖同樣也是對22個(gè)切片中的每個(gè)切片的一個(gè)投影有貢獻(xiàn)，因此，對于每個(gè)視圖或每組投影數(shù)據(jù)，處理器305將向22個(gè)存儲單元312A—312V轉(zhuǎn)移22個(gè)投影。
在圖17所示的實(shí)施例中，使用了8個(gè)章動切片校正/處理單元302/305。應(yīng)該理解也可以使用不同數(shù)目的處理單元。當(dāng)從DAS 300接收每個(gè)視圖的投影數(shù)據(jù)組時(shí)，解復(fù)用器320將輪流地把每組投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移給8個(gè)處理單元。這為掃描數(shù)據(jù)的處理提供了并行性，從而提高了執(zhí)行處理的速度。這對于例如行李掃描儀等需要高掃描吞吐量的儀器來說是十分有益的。
如圖17所示，所有的章動切片處理單元都能把投影轉(zhuǎn)移給任何一個(gè)存儲單元312。在另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)處理器305只與存儲單元312一部份通信。這一方法能用來簡化處理器305與存儲器312之間的通信，還能避免對存儲器312的競爭。
在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)一個(gè)存儲單元312含有240個(gè)投影時(shí)它就含有了一個(gè)切片的全部投影。這整組投影將通過選通器314被轉(zhuǎn)移給任選的重組處理部分307。當(dāng)扇形束投影被重組成平行束投影后將被單元306濾波和被單元308反投影成為圖像切片。然后這些切片可用來生成一個(gè)圖像310。
在一個(gè)實(shí)施例中，重組處理307可以在某一個(gè)處理單元305上執(zhí)行。在該實(shí)施例中，當(dāng)需要重組數(shù)據(jù)時(shí)就命令一個(gè)處理器305進(jìn)行重組。若有一個(gè)處理器被命令執(zhí)行數(shù)據(jù)重組，則當(dāng)它完成了當(dāng)時(shí)為一個(gè)特定視圖生成投影的任務(wù)之后，將暫時(shí)中斷對下一個(gè)視圖的處理，以便能執(zhí)行所需的重組處理。當(dāng)完成了重建處理之后，該處理器將重新與其它處理器一起繼續(xù)投影數(shù)據(jù)處理。在一個(gè)實(shí)施例中，任何一個(gè)處理器都可以任何時(shí)候被命令執(zhí)行重組處理，這種合用一個(gè)處理器的方法因減少了系統(tǒng)中處理器數(shù)量和相關(guān)的電路而減小了系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度。
雖然本發(fā)明是通過參考它的一此優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行具體公開和說明的，但應(yīng)該理解，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們可以在不偏離由下述權(quán)利要求中所定義的精神和范疇的情況下，對這些公開和說明作出形式上和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種處理具有一個(gè)縱軸的區(qū)域的計(jì)算層析掃描數(shù)據(jù)的方法，上述方法包括用一個(gè)輻射源和一個(gè)探測器陣列掃描該區(qū)域，以產(chǎn)生該區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)；定義多個(gè)對應(yīng)于沿著區(qū)域縱軸上多個(gè)設(shè)置的圖像數(shù)據(jù)切片，相繼的圖像數(shù)據(jù)切片互不平行，并且每個(gè)圖像切片都定義了多個(gè)相對于縱軸傾斜的圖像體元，每個(gè)圖像體元都與一個(gè)圖像密度值相關(guān)聯(lián)；以及對各傾斜圖像體元的圖像密度值施加校正因子，以補(bǔ)償圖像體元的傾斜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，它還包括對圖像密度值進(jìn)行處理以確定該區(qū)域中一個(gè)物體的質(zhì)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對圖像密度值進(jìn)行處理以確定該區(qū)域中一個(gè)物體的質(zhì)量包括對圖像密度值施加一個(gè)密度閾值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中把那些超過密度閾值的密度值用于確定物體的質(zhì)量；以及那些沒有超過密度閾值的密度值不用來確定物體的質(zhì)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中那些超過了閾值的圖像密度值被認(rèn)為與一種爆炸物質(zhì)相關(guān)聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中的物體包括一種爆炸物質(zhì)。
7.一種用于處理具有一個(gè)縱軸的區(qū)域的計(jì)算層析掃描數(shù)據(jù)的設(shè)備，上述設(shè)備包括一個(gè)探測器陣列，用于掃描該區(qū)域以產(chǎn)生該區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)；一個(gè)處理器，用于定義多個(gè)對應(yīng)于沿著該區(qū)域縱軸上多個(gè)位置的圖像數(shù)據(jù)切片，其中相繼的圖像數(shù)據(jù)切片互不平行，并且每個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片都定義了多個(gè)相對于縱軸傾斜的圖像體元，每個(gè)圖像體元都與一個(gè)圖像密度值相關(guān)聯(lián)；以及用于對各傾斜體元的圖像密度值施加校正因子以補(bǔ)償圖像體元的傾斜的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，它還包括用于對圖像密度值進(jìn)行處理以確定該區(qū)域中一個(gè)物體的質(zhì)量的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)置，其中用于對圖像密度值進(jìn)行處理以確定該區(qū)域中一個(gè)物體的質(zhì)量的裝置包括用于對各圖像密度值施加一個(gè)密度閾值的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其中把那些超過密度閾值的密度值用來確定物體的質(zhì)量；以及那些沒有超過密度閾值的密度值不用來確定物體的質(zhì)量。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其中那些超過密值的圖像密度值被認(rèn)為與一個(gè)爆炸物質(zhì)相關(guān)聯(lián)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中的物體包括一種爆炸物質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，它還包括用于在輻射源和探測器陣列環(huán)繞該區(qū)域的縱軸放置的同時(shí)沿該區(qū)域的縱軸平移輻射源和探測器陣列的裝置。
14.一種處理具有一個(gè)縱軸的區(qū)域的計(jì)算層折掃描數(shù)據(jù)的方法，上述方法包括用一個(gè)輻射源和一個(gè)探測器陣列掃描該區(qū)域以產(chǎn)生該區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)，上述掃描包括在輻射源向著探測器陣列發(fā)射輻射的同時(shí)至少使輻射源通過多個(gè)視角環(huán)繞縱軸旋轉(zhuǎn)，掃描數(shù)據(jù)包括分別在多個(gè)視角下獲取的多組投影數(shù)據(jù)；以及從多組投影數(shù)據(jù)生成該區(qū)域的多個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片的切片數(shù)據(jù)，每組投影數(shù)據(jù)都包括多個(gè)在生成相應(yīng)的多個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片時(shí)使用的投影，并且每個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片都從一個(gè)來自多組投影數(shù)據(jù)的每一組的投影產(chǎn)生，對于每個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片，上述生成切片數(shù)據(jù)包括把一個(gè)數(shù)據(jù)存儲單元與該圖像數(shù)據(jù)切片相關(guān)聯(lián)；把準(zhǔn)備用于生成該圖像數(shù)據(jù)切片的切片數(shù)據(jù)的各個(gè)投影存儲在該數(shù)據(jù)存儲單元中；以及對所存儲的投影進(jìn)行處理以生成切片數(shù)據(jù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，它還包括對存儲在數(shù)據(jù)存儲單元中的投影進(jìn)行濾波以生成該區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)切片。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，它還包括對存儲在數(shù)據(jù)存儲單元中的投影進(jìn)行反投影以生成該區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)切片。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，它還包括提供多個(gè)處理器，用來從每組投影數(shù)據(jù)生成多個(gè)投影。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，它還包括把每個(gè)待生成的圖像數(shù)據(jù)切片與多個(gè)處理器中的一個(gè)處理器相關(guān)聯(lián)，使得多個(gè)處理器中的這個(gè)與一個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片相關(guān)聯(lián)的處理器為該圖像數(shù)據(jù)切片生成投影。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中多個(gè)處理器中的一個(gè)處理器被用來把扇形束投影重組成平行速投影。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中多個(gè)處理器中的一個(gè)處理器被用來把第一個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片扇形束投影重組成平行束投影，而多個(gè)處理器中的另一個(gè)處理器則為另一個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片從一組投影數(shù)據(jù)生成扇形束投影。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中各圖像數(shù)據(jù)切片互不平行。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中各相繼的圖像數(shù)據(jù)切片是互相章動的。
23.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中各圖像數(shù)據(jù)切片都是相對于縱軸傾斜的。
24.一種用于處理具有一個(gè)縱軸的區(qū)域的計(jì)算層析掃描數(shù)據(jù)的設(shè)備，上述設(shè)備包括一個(gè)輻射源和一個(gè)探測器陣列，用于掃描該區(qū)域以產(chǎn)生該區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)，至少輻射源是在向著探測器陣列發(fā)射輻射的同時(shí)環(huán)繞著縱軸通過多個(gè)視角旋轉(zhuǎn)著的，掃描數(shù)據(jù)包括分別在多個(gè)視角下獲取的多組投影數(shù)據(jù)；一個(gè)處理器，用于接收掃描數(shù)據(jù)并從每組投影數(shù)據(jù)生成多個(gè)用于生成多個(gè)相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)切片的投影，其中每個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片都由一個(gè)來自每組投影數(shù)據(jù)生成，以及與每個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)存儲單元，每個(gè)數(shù)據(jù)存儲單元存儲用于生成相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)切片的各個(gè)投影，處理器處理存儲在每個(gè)數(shù)據(jù)存儲單元中的各個(gè)投影，以生成與該數(shù)據(jù)存儲單元相關(guān)聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)切片數(shù)據(jù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，它包括一個(gè)濾波子系統(tǒng)，用于過濾存儲在數(shù)據(jù)存儲單元中的投影。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，它還包括一個(gè)反投影子系統(tǒng)，用于存儲在數(shù)據(jù)存儲單元中的投影進(jìn)行反投影。
27.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，它還包括多個(gè)處理器，用于從每組投影生成多個(gè)投影。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的設(shè)備，其中每個(gè)待生成的圖像數(shù)據(jù)切片都與多個(gè)處理器中的一個(gè)處理器相關(guān)聯(lián)，使得與一個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片相關(guān)聯(lián)的這一個(gè)處理器能生成圖像數(shù)據(jù)切片的一些投影。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的設(shè)備，其中多個(gè)處理器中的一個(gè)處理器用于把扇形束投影重組成平行束投影。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的設(shè)備，其中多個(gè)處理器中的一個(gè)處理器用于為第一個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片把扇形束投影重組成平行束投影，而多個(gè)處理器中的另一個(gè)處理器則為另一個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片從一組投影數(shù)據(jù)生成扇形束投影。
31.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中各圖像數(shù)據(jù)切片是互不平行的。
32.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中各相繼圖像數(shù)據(jù)切片是相互章動的。
33.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中各圖像數(shù)據(jù)切片都是相對于縱軸傾斜的。
34.一種生成位于一個(gè)具有一個(gè)縱軸的區(qū)域中的物體的二維投影圖像的方法，上述方法包括掃描該區(qū)域以產(chǎn)生代表該區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)，上述掃描包括提供分別位于該區(qū)域相對兩側(cè)的一個(gè)輻射源和一個(gè)探測陣列；在輻射源向著探測器陣列發(fā)射輻射的同時(shí)至少讓輻射源環(huán)繞縱軸旋轉(zhuǎn)；以及用探測器陣列接收來自該區(qū)域的輻射，產(chǎn)生該區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)；定義多個(gè)對應(yīng)于沿縱軸上的多個(gè)位置的圖像數(shù)據(jù)切片，各相繼的圖像數(shù)據(jù)切片互不平行，上述各圖像數(shù)據(jù)切片中的每個(gè)切片都定義了多個(gè)在掃描中的各個(gè)視場角下得到的掃描數(shù)據(jù)投影，每個(gè)掃描數(shù)據(jù)投影都含有在其視角下的掃描數(shù)據(jù)；選擇該區(qū)域的二維投影圖像的一個(gè)投影角；對每個(gè)上述圖像數(shù)據(jù)切片識別出對應(yīng)于所選投影角的視角；對每個(gè)上述圖像數(shù)據(jù)切片選擇出對應(yīng)于所識別視角的掃描數(shù)據(jù)投影；以及利用所選掃描數(shù)據(jù)投影生成該區(qū)域的二維投影圖像。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中探測器陣列也環(huán)繞著縱軸放置以對該區(qū)域進(jìn)行掃描。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中的掃描該區(qū)域還包括在至少使輻射源環(huán)繞著該區(qū)域的縱軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)使物體沿著該區(qū)域的縱軸相對于輻射源和探測器陣列平移。
37.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，它還包括為物體的第二個(gè)二維投影圖像選擇第二個(gè)投影角，上述第二個(gè)二維投影圖像是從掃描步驟中產(chǎn)生的掃描數(shù)據(jù)生成的。
38.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中各相繼的圖像數(shù)據(jù)切片是相互章動的。
39.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中探測器陣列是一個(gè)二維陣列。
40.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中掃描數(shù)據(jù)是利用螺旋掃描產(chǎn)生的。
41.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中掃描數(shù)據(jù)是利用螺旋錐形束掃描產(chǎn)生的。
42.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，它還包括把掃描數(shù)據(jù)重組成平行束掃描數(shù)據(jù)。
43.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中每個(gè)圖像數(shù)據(jù)切片都定義了一個(gè)具有一個(gè)與該區(qū)域的縱軸形成一個(gè)傾斜角的法線軸的切片平面和一個(gè)相對于一個(gè)垂直于該區(qū)域縱軸的橫軸的旋轉(zhuǎn)角，其中各相繼圖像數(shù)據(jù)切片的法線軸具有相同的傾斜角和不同的旋轉(zhuǎn)角。
44.一種用于生成位于具有一個(gè)縱軸的區(qū)域中的一個(gè)物體的二維投影圖像的設(shè)備，上述設(shè)備包括位于該區(qū)域相對兩側(cè)的一個(gè)輻射源和一個(gè)探測器陣列，上述輻射源被安裝在一個(gè)可以在輻射源向著探測器陣列發(fā)射輻射的同時(shí)環(huán)繞該區(qū)域的縱軸旋轉(zhuǎn)的可旋轉(zhuǎn)部件上，上述探測器陣列能接收來自該區(qū)域的輻射從而產(chǎn)生該區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)；用于定義多個(gè)對應(yīng)于該區(qū)域的縱軸上的多個(gè)位置的圖像數(shù)據(jù)切片的裝置，其中各相繼的圖像數(shù)據(jù)的切片互不平行，每個(gè)上述圖像數(shù)據(jù)切片都定義了多個(gè)在掃描步驟中多個(gè)相應(yīng)視角下獲得的掃描數(shù)據(jù)投影，每個(gè)掃描數(shù)據(jù)投影都含有其相應(yīng)視角下的掃描數(shù)據(jù)；用于為該區(qū)域的二維投影圖像選擇一個(gè)投影角的裝置；用于為每個(gè)上述圖像數(shù)據(jù)切片識別對應(yīng)于所選投影角的視角的裝置；用于為每個(gè)上述圖像數(shù)據(jù)切片選擇對應(yīng)于所識別視角的掃描數(shù)據(jù)投影的裝置；以及用于利用所選掃描數(shù)據(jù)投影生成該區(qū)域的二維投影圖像的裝置。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的設(shè)備，其中探測器陣列也安裝在可旋轉(zhuǎn)部件上。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的設(shè)備，它還包括用于在輻射源環(huán)繞著該區(qū)域的縱軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)使物體沿著該區(qū)域的縱軸相對于輻射源和探測器陣列平移的裝置。
47.根據(jù)權(quán)利要求44的設(shè)備，它還包括用于為物體的第二個(gè)二維投影圖像選擇第二個(gè)投影角的裝置，其中用于生成的裝置從掃描數(shù)據(jù)生成上述第二個(gè)二維投影圖像。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的設(shè)備，其中輻射源是一個(gè)錐形束源。
49.根據(jù)權(quán)利要求47的設(shè)備，其中探測器陣列是一個(gè)二維陣列。
50.根據(jù)權(quán)利要求47的設(shè)備，它還包括用于把掃描數(shù)據(jù)重組成平行束掃描數(shù)據(jù)的裝置。
全文摘要
一種章動片切片CT系統(tǒng)利用螺旋錐形束(114)掃描產(chǎn)生三維投影數(shù)據(jù)并重建一系列相對于被掃描物體的縱軸有相同的傾斜角(θ)和變化的旋轉(zhuǎn)角的平面圖像切片(132),并使它們的法線相對于縱軸(Z)章動和進(jìn)動。由于這些傾斜切片(132)的投影數(shù)據(jù)(130)是一維扇形束數(shù)據(jù),所以使用了普通的二維重建立方法。二維圖像可以在各種靜態(tài)的投影角下生成?？梢匝a(bǔ)償體元的章動或傾斜,并且可以使用并行處理。
文檔編號G06T1/00GK1336811SQ98810035
公開日2002年2月20日 申請日期1998年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月10日
發(fā)明者卡爾·R·克勞福德, 埃里克·貝利, 亞利山大·I·格林伯格, 克里斯托弗·C·魯思 申請人:模擬技術(shù)公司