使用截短的投影和在先采集的3D CT图像的锥形束CT设备制造技术

根据用ｘ－射线装置采集的截短锥形束投影数据和代表对象较大区域的在先ＣＴ图像计算对象的一个区域的３Ｄ图像。外插截短投影数据以获得与探测器之外的投影方向相关的伪投影数据，并且基于由伪投影数据完成的截短投影数据重建中间ＣＴ图像。然后将在先ＣＴ图像与中间ＣＴ图像配准。根据截短投影数据和已配准的在先ＣＴ图像计算与探测器之外的投影方向相关的向前投影数据。最后基于由向前投影数据完成的截短投影数据重建３Ｄ图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及三维图像处理，尤其在3D x-射线医学成像领域中的三维图像处理。在本专利技术的上下文中，测量设备典型是装配有图像增强器或平板探测器的C形臂系统。C形臂系统是普通类型的x-射线成像装置。其特征在于臂形状像“C”，并且在其端部载有诸如x-射线管的x-射线源，以及x-射线探测器。x-射线源具有小的、像点的焦点。源的焦点相应于锥形的顶点。普通类型的探测器是x-射线图像增强器和CCD照相机的组合。图像增强器具有圆形灵敏区域，其典型直径约为20至40cm。入射的x-射线光子转化成由CCD照相机读出的中间光学图像。探测器还可以是具有矩形灵敏区域的平板探测器，通常尺寸从20×20到40×40cm2。平板探测器的灵敏区域划分成直接读出的小探测器元件的2D阵列。使用这两种类型的探测器时，探测器的最终输出是数字数据的2D阵列，其代表当进行测量时照射到灵敏区域的x-射线光子的空间强度分布的采样版本。同时，源的焦点和探测器的灵敏区域定义了x-射线的锥形束。锥形束可以被隔板或准直仪变窄。如果x-射线管工作时，在源和探测器之间存在对象，就获得所谓的对象的锥形束投影。这样的锥形束投影提供了3D对象的2D投影图像，并且携带了关于对象内x-射线衰减系数的空间分布的有限信息。如果对象没有完全地被锥形束照射，那么该投影被称为截短的。截短量取决于探测器的尺寸、对象的尺寸、投影方向以及其他几何因素。如果对象是人体，测量非截短锥形束投影需要无法实施之大的探测器。因而，在医学应用中，测得的锥形束总是截短的。在由C形臂系统的机械设计强加的限制内，可以将源移动到同心球面上的任意点。这使得可能从定位在同心上的对象的任意方向上采集锥形束投影。源还可以沿着局限于所提及的同心球的一些轨迹以连续的方式移动。这使得可能以连续改变的方向采集定位在同心上的对象的一系列锥形束投影。如果移动仅包括围绕单一轴的旋转，那么产生的轨迹是同心圆弧。通过组合至少两种旋转运动，可以产生非平面源轨迹。通常以所谓的荧光透视模式，在介入手术期间广泛使用C形臂系统。在该模式操作下，C形臂可能用改变的投影方向，产生待成像对象的时序锥形束投影。产生的投影图像协助医生，例如，移动导管或放置支架。在介入手术中，仅投影相对小的3D感兴趣区域(ROI)常常就足够了。这可以用比大探测器更便宜的小探测器完成。而且，小探测器允许锥形束变窄，因而减少释放到患者的辐射剂量。最近，已经建议使用C形臂用于真实3D成像或体积成像。通过首先采集对象的一系列锥形束投影实现体积成像，其中源沿着围绕对象的一些轨迹移动，并且然后使用执行重建算法的计算机根据这些投影重建对象。重建图像包括体积元素或体素的3D阵列。其代表了对象3D区域中x-射线衰减系数空间分布的离散近似。精确已知体素相对于附于C形臂系统的参照系的坐标。给定采集的几何配置，如由源轨迹和锥形束的轨迹所定义的，投影区域(ROP)定义为沿着源轨迹的所有锥形束中包含的体积。例如，如果源轨迹是完整的圆并且探测器的灵敏区域是圆盘，那么ROP是同心球，其直径(通常为15至25cm)部分取决于探测器的尺寸。如果探测器的灵敏区域不是圆盘或者源轨迹不是完整的同心圆，ROP的形状更加复杂，但是ROP仍然定位在同心上，并且其尺寸具有与前述例子相同的数量级。尽管ROP内容的“精确”重建通常是不可能的(在医学应用中)，但是ROP中相当好的重建仍然可能。这是因为锥形束投影的缺失部分对ROP中精确结果仅仅有小的作用。而且，当相关积分线与ROP的距离增加时，缺失数据的影响迅速减少。对缺失部分的粗略猜测已经使得能在ROP中实现满意的重建，并且在重建过程中，可以安全地忽略沿着以大距离穿过ROP的线的线积分。尽管如此，必须明智地选择源轨迹。这些观察提示延伸截短的投影，使得它们表现为稍大于ROP的对象的非截短投影，并且提示将延伸的投影反馈到一种用于非截短投影的已知重建算法中。产生的图像与真实图像将区别仅在于，一些未知但微弱且平稳变化的幻像，其不混乱小的解剖细节。在ROP的边缘附近，幻象最强并且朝着该区域的内部迅速减少。投影截短得越少并且投影的延伸部分越精确，重建图像将越好。延伸截短的投影的简单方法是对对象的形状和其中的x-射线衰减系数进行似乎合理的假设，并且根据这些假设对投影的测得部分进行外推。即使非常简单地假设对象是具有恒定x-射线衰减系数的球或者圆柱，其也运行意外得好。如果根本的假设是非常错误的，则结果可能不够满意。在医学应用中，当ROP处于人脑中时，出现这种情况。于是，用被骨头包围的软组织填充ROP，但是骨头对x-射线衰减贡献相当大。上面概述的体积成像类型，是锥形束计算机断层摄影(CBCT)的一种形式。严格地说，并不强制使用C形臂进行数据采集。还可以使用其他类型的台架。源和探测器甚至可以连接到机器人臂并由机器人臂移动。然而，理想的是台架是“开放的”，从而医生可以自由地接近患者。C形臂台架符合这个要求。基于C形臂系统的CBCT提供了高的、各向同性的空间分辨率，并且成为介入手术中标准荧光透视模式的受欢迎的助手。例如，在神经系放射学中，CBCT操作模式可以用于确认介入的成功或者如果在介入期间出现复杂情况时，辅助医生做出决定。患者可以保持在平台上并且不需要移动到另一个扫描器。释放给患者的剂量优选为尽可能低。由于这个原因，ROP应当尽可能小。此外，小ROP可以用比大探测器更便宜的小探测器实现。患者的ROI中的x-射线衰减系数的3D分布还可以使用具有旋转台架的标准CT系统确定。用较老的CT系统时，患者平台并且患者与其一起，沿着CT系统的长轴逐步地平移。在每一步，根据当x-射线源围绕系统(患者)的长轴旋转时获取的大量扇形束投影，重建“当前”切片的2D图像。不出现截短的扇形束投影的问题(除非，可能有肥胖患者)。最后堆叠产生的2D图像以形成所需3D图像。较新的CT系统使用患者的连续平移从而源沿着围绕患者的螺线移动。无论如何，最终3D图像的体素以附于CT系统的坐标系表达。这样一种CT图像的分辨率是各项异性的并且沿着患者的长轴相对较差。常规CT台架是“封闭的”并且严格地限制医生接近患者。在神经学应用中，出于诊断和计划的目的，通常在介入之前数小时或数天进行常规3D CT扫描。对于介入本身，代替地使用C形臂系统。如在上指出的，那么探测器应当相对小，并且当C形臂系统在CBCT模式运转时，小探测器可能导致有害的伪影。在“Tomographic Reconstruction for Truncated Cone Beam DataUsing Prior CT Information”(R.E.Ellis和T.M.Peters eds.，MICCAI2003，LNCS2879，第134-141页，2003)中，K.Ramamurthi和J.Prince建议使用先前采集的3D CT图像来合成用C形臂系统采集的截短的锥形束投影的缺失部分。这实际上是沿着缺失的积分线数值积分3D CT图像中的x-射线衰减系数，如果C形臂系统具有大探测器，则其就可以采集到所述缺失的积分线。假设先前采集的CT图像在C形臂系统的坐标系中可利用。实际上，不存在这种情况。基于C形臂系统的CBCT图像并不是事前就知道的，从而不能用于与先前采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，用于根据由ｘ－射线装置采集的截短的锥形束投影数据重建对象的至少第一区域的３Ｄ图像，所述ｘ－射线装置包括沿着采集轨迹移动的源－探测器组件，使得源和探测器之间的锥形束包围所述第一区域，该设备包括：外推装置（１１），用于处理该截 短的投影数据以获得与探测器之外的投影方向相关的伪投影数据；第一３Ｄ重建装置（１２），用于基于用伪投影数据完成的截短投影数据，重建至少覆盖对象的第一区域的中间ＣＴ图像；配准装置（１３），用于计算代表选择成配准在先ＣＴ图像和中间 ＣＴ图像的空间变换的配准数据，所述在先ＣＴ图像代表包括第一区域且大于第一区域的对象的第二区域；向前投影装置（１４），用于处理截短投影数据和已配准的在先ＣＴ图像，以得到与探测器之外的投影方向相关的向前投影数据；以及第二３Ｄ重建 装置（１５），用于基于用向前投影数据完成的截短投影数据合成至少覆盖对象的第一区域的重建ＣＴ图像。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：T尼特施，G罗斯，H肖姆伯格，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]