倾斜台架计算层析X射线摄影法的重建方法 本发明涉及诊断成像技术。特别涉及使用几何配置的螺旋体积计算层析X射线摄影法(CT)成像，其中台架相对于它的转动轴倾斜，并将对其特定的参考进行描述。但是本发明还将在使用倾斜几何配置的其他类型的层析X射线摄影法体积测定成像中找到应用。
计算层析X射线摄影法(CT)成像使用辐射源，通常是x射线源，它产生x射线的扇形束或者锥形束，该射线束穿过检查区域。安置在检查区域中的物体与穿越的x射线相互作用，并吸收一部分穿越的x射线。在体积成像中，对着x射线源安置一个2维检测器阵列，用以检测和测量发射的x射线的强度。通常，x射线源和检测器阵列安装在一个转动台架的相对两侧，并在台架转动时一起转动，以获取投射视图的一个角度范围内的数据。
在螺旋CT成像中，物体沿垂直于台架转动平面的方向通过检查区域沿直线前进，使得x射线源相对于物体按一个螺旋轨线移动。使用几种公知地3维重建方法中的任何一种来重建在螺旋轨道期间获得的x射线吸收数据，所述方法例如有近似n-PI过滤背投重建方法、精确n-PI重建方法、或类似方法。被选择的重建生成了物体或其所选择的一部分的一个3维图像描述。
在螺旋CT成像的某些医学诊断应用中，希望使用倾斜台架几何结构，其中台架转动平面相对于病人的线性前进方向倾斜。例如，在头部成像中，最大到30°的台架倾斜将有利地减少对辐射敏感的眼组织的辐射曝光。对于像脊骨这样的曲线的解剖结构的成像，在成像期间使台架动态地倾斜以保持被扫描的结构总体上垂直于转动的台架是有利的。
因为倾斜的几何结构导致x射线源的剪切的螺旋轨线而产生问题。这种剪切在常规螺旋计算层析X射线摄影法重建技术中是未加考虑的，从而导致显著的图像的恶化。
本发明考虑一个改进的装置和方法，它能克服上述限制和别的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种方法，用于从使用倾斜台架几何结构获得的体积测定螺旋计算层析X射线摄影法成像数据来产生被成像物体的图像描述。所述成像数据被变换为零倾斜几何结构。变换后的成像数据被重新装入(rebinned)一个非剪切检测器窗口。重建该变换后的和重新装入的成像数据，以产生一个3维图像描述。
根据本发明的另一个方面，公开了一种装置，用于从使用倾斜台架几何结构获得的体积测定螺旋计算层析X射线摄影法成像数据来产生被成像物体的图像描述。提供一个装置来变换所述成像数据为零倾斜几何结构。提供一个装置来将变换后的成像数据重新装入一个非剪切检测器窗口。提供一个装置来重建变换后的和重新装入的成像数据以产生一个3维图像描述。
本发明的一个优点在于简化了的对使用倾斜台架配置获得的计算层析X射线摄影法成像数据的重建。
本发明的另一个优点在于将倾斜台架计算层析X射线摄影法成像数据变换为零倾斜几何结构，它可以很容易地由任何各种重建技术重建。
在阅读下面对优选实施例的详细说明后，熟悉本技术领域的人将显然了解本发明的另外大量的优点和益处。
本发明可以采取各种部件和部件的安排的形式，和以各种步骤和步骤的安排的形式。附图仅为说明优选实施例的目的提供，而并不理解为限制本发明。
图1原理表示根据本发明的一个实施例的示例计算层析X射线摄影法(CT)成像装置。CT台架的多个部分是以被部分切开的形式表示的，以便揭示安装在该台架上的选择的辐射源和检测器部件。
图2A表示在零倾斜螺旋体积计算层析X射线摄影法几何成像扫描中的一个纯螺旋辐射源路径的透视图。
图2B表示在倾斜台架螺旋体积计算层析X射线摄影法几何成像扫描中的一个剪切的螺旋辐射源路径的透视图。
图3表示沿图2B的剪切的螺旋辐射源路径的Z方向看去的视图。
图4表示用以重建倾斜台架计算层析X射线摄影法数据的一个优选方法。
图5原理表示从倾斜台架计算层析X射线摄影法成像数据到零倾斜几何结构的线性变换。
图6图示在非倾斜几何结构中以焦点为中心的检测器表面的位置确定。
图7图示在数据获取、线性变换和重新装入期间以焦点为中心的检测器窗口的演化。
参考图1，计算层析X射线摄影法(CT)成像装置或扫描器10包括可倾斜的静止台架12，它内装支持x射线源16和准直仪18(以被部分切割的方式表示)的转动台架14。x射线源16和准直仪18合作以产生导向检查区域20的扇形、圆锥形、楔形或者其他形状的x射线束。应该理解，也可以使用除x射线源以外的其他类型的辐射源。通过角坐标或位置α指定x射线源16围绕静止台架12的角度定向。病人或者其他物体安排在物体支架22上，该支架在Z方向可线性运动。
跨过检查区域20对着x射线源16安排了一个2维检测器阵列24(以被部分切割的形式表示)，用以接收由x射线源16产生的穿过检查区域20之后的x射线。x射线源16和检测器阵列24以固定的相对位置来安排，并随转动台架14一起转动。
检测器阵列24通过将接收的x射线变换为电信号、光信号或其他信号来检测发射的x射线强度。在一个合适的检测器结构中，闪烁器将x射线变换为闪烁事件，其位置和强度由光电二极管、光电检测器等阵列测量。检测器信号使用滑环结构、射频电磁发射机或类似设备(未示出)从转动台架14输出。在一个合适的结构中，电光检测器信号被变换为光信号，该光信号经由滑环的一根或者多根光纤耦合从台架传输出来。也可以使用电滑环耦合。X射线数据连同台架角度、病人支持、和检测器坐标被格式化，并存储在CT图像数据存储器30中。
继续参考图1，静止台架12，并因而还有转动台架14，是围绕倾斜轴32可倾斜的，它相应于图2中的Y方向，Y方向与Z方向正交。台架的倾斜由相对于X方向的倾斜角χ指定，X方向与Y和Z方向正交。在一个优选的螺旋CT成像配置中，x射线源16和检测器阵列24一起以选定的转动速率和固定的相对位置转动。另外可选择的方案是，x射线源16随转动支架14转动，而以静止方式在围绕转动台架的静止台架上安装一个检测器带。在x射线源16转动时物体支架22同时使病人或其他物体在Z方向前进以规定一个螺旋轨线。
继续参考图1并进而参考图2A、2B和3，在零台架倾斜配置χ＝0°而转动和线性前进速率均为均匀的情况下(亦即固定的dα/dt和dz/dt速率)将导致x射线源16相对物体有一个纯或正螺旋轨线35，其螺旋轴平行于Z方向。对于非零的台架倾斜，χ≠0°，它和均匀的台架转动和物体前进速率，将导致x射线源16的剪切的螺旋轨线，其中螺旋在X方向上以倾斜角度χ剪切。由于这个原因，倾斜角度χ在这里也称为剪切角度χ。在当今现有的倾斜台架CT成像扫描器中，台架通常可以倾斜的角度范围大约为χ＝-30°到χ＝+30°。然而，也可以考虑更大的倾斜角度χ。
继续参考图1、2A、2B和3，纯的和被剪切的螺旋轨线35、37具有节距P，由x射线源16的转动速率和物体支架22的线性前进速率之间的相互关系决定。节距P由下式给出：
P＝2πp (1)，
式中，p是常数，节距P是转动360°时x射线源沿Z方向移动的线性距离。
为说明螺旋CT几何结构，使用形如(x y z)T的坐标，其中x相应于在X方向的坐标，y相应于在Y方向的坐标，z相应于在Z方向的坐标，T是矩阵转置运算符。在辐射源16的纯螺旋轨线35的场合，在X-、Y-、和Z-方向的坐标系统中x射线源16的位置由下式给出：
S→(α)=ScosαSsinαpα---(2),]]>
式中，α是x射线源16先前定义的角位置，S是源16和转动中心之间的距离，它通常相应于检查区域20的中心，p是先前参照公式(1)定义的螺旋常数。
在剪切螺旋轨线37的场合，在X-、Y-、和Z-方向的坐标系中的x射线源16的位置由下式给出：
S→(α)=Scosα+pαtanχSsinαpα---(3),]]>
这里，应该指出，只有X方向的坐标被台架倾斜χ所修改。因此，这里称x坐标为剪切坐标。
继续参考图1，使用线性变换处理器40处理倾斜几何结构成像数据，线性变换处理器40把成像数据变换为零倾斜几何结构，这将在下面详细说明。变换后的成像数据存储在经变换的数据存储器42中。使用重新装入处理器50处理变换后的数据，把变换后的数据重新装入由零倾斜几何结构定义的以焦点为中心(FC)的检测器窗口。在一个优选的实施例中，重新装入处理器50访问检测器重新装入查阅表52以获得用于重新装入的与射线源角度α相关的检测器坐标。
使用重建处理器54以适当地处理变换后并重新装入检测器的成像数据，所述重建处理器54优选实施n-PI重建，诸如精确n-PI重建或者n-PI近似过滤背投重建，以产生图像描述。
如本技术领域中公知的，n-PI重建适合重建使用辐射源16的纯螺旋轨道35获得的螺旋计算层析X射线摄影法成像数据。如这里所使用的，n-PI重建方法包括n＝1的方法，它通常也称为PI重建方法。在装置10中，由重建处理器54把n-PI重建适当地应用于倾斜台架成像数据，这个数据已由线性变换处理器40变换为零倾斜几何结构并由重新装入处理器50重新装入到在零倾斜几何结构中的以焦点为中心的检测器中。
虽然优选的是n-PI重建方法，但是也可以由重建处理器54执行适合于重建纯螺旋CT成像数据的其他体积测定螺旋计算层析X射线摄影法重建方法所取代。
继续参考图1，可以认识到由重建处理器54产生的图像描述将由于线性变换处理器40的作用在X方向剪切一个角度χ。因此，图像变换处理器56优选地把零倾斜几何结构中的图像描述变换回到倾斜的台架几何结构。把在倾斜的台架几何结构中的图像描述存储在3维图像存储器58中，并可选地进行处理以构建3维显示、提取选中的切片、计算最大强度投影或类似操作，它们可以在视频、有源矩阵、CCD、监视器60或者其他显示设备上显示。
继续参考图1并进而参考图4，它们说明由线性变换处理器40、重新装入处理器50、重建处理器54和图像变换处理器56的组合所恰当地实施的图像重建方法70。在步骤74由线性变换处理器40处理在CT图像数据存储器30中存储的倾斜台架CT成像数据72，以便将成像数据72线性变换为非剪切坐标系以产生在零倾斜几何结构中的非剪切成像数据76，后者存储在变换后的数据存储器42中。比较上面的公式(2)和(3)表示，倾斜台架坐标(x’，y’，z’)T由下面的线性变换而与零倾斜坐标系(x，y，z)T相关：
x′y′z′=x+pαtanχyz=x+ztanχyz---(4)]]>
应该指出，只有在X方向的坐标由等式(4)的坐标变换进行了线性变换。在Y和Z方向的坐标y和z不变。因此，在倾斜台架图像数据72的X方向中的剪切坐标根据下式被线性变换：
xzt＝xsh-pα tan(χ)＝xsh-z tan(χ) (5)
式中，xsh是在图像数据72中在X方向上的剪切坐标，z是在Z方向上的坐标(z在剪切的和零倾斜坐标系中具有同样的值)，χ是剪切角，xzt是变换到零倾斜几何结构的在X方向的坐标。
等式(4)和(5)的变换在图中用图形表示。X射线源16所遵循的源路径81由等式(4)和(5)变换为零倾斜几何结构中的纯螺旋路径83。此外，因为等式(4)和(5)的坐标系变换是纯线性的，因此结果是，在推导PI和n-PI重建中使用的PI线、PI表面、和PI和n-PI检测器也存在于变换后的零倾斜几何结构中。换句话说，变换后的射线仍然是射线。
继续参考图1、4和5，等式(4)和(5)的变换使检测器窗口变形。图5示出以焦点为中心的物理检测器的两个位置85、87，它们相应于x射线源16的两个位置。为简化物理构造和减少通常图像重建的复杂性，在计算层析X射线摄影法中的物理辐射检测器通常包括直线的边，亦即是矩形。然而，在零倾斜几何结构中的相应检测器位置95、97被剪切。
继续参考图5，并进而参考图6，图6表示在纯螺旋轨道(χ＝0)中以焦点为中心的检测器的对由X和Y方向定义的平面的投影100，以焦点为中心的矩形检测器表面由下式给出：
x→FC(α,β,g,χ=0)=Scosα-(S+D)cos(α+β)Ssinα-(S+D)sin(α+β)g+pα---(6),]]>
式中，D是转动中心(图6中X和Y方向的交点，通常相应于检查区域20的中心)和以焦点为中心的检测器100的中心之间的距离，S是前面定义的x射线源16和转动中心之间的距离，α是前面定义的x射线源16的旋转坐标，β是撞击在坐标(-x，-y)处的检测器100的射线的角位置，g是在Z方向的检测器坐标。
x射线束的扇形角是2βmax，其中βmax和-βmax是x射线束扇形中的最外边射线的角位置。以焦点为中心的检测器以扇形角范围[-βmax，βmax]和在Z方向的边界[-gmax，gmax]为界限。
在倾斜台架的场合，以x射线源16的位置修正等式(6)的检测器表面，所述位置由为倾斜台架的等式(3)给出。以焦点为中心的矩形检测器表面85、87由下式给出：
x→FC(α,β,g,χ)=Scosα-(S+D)cos(α+β)+pαtanχSsinα-(S+D)sin(αβ)g+pα---(7),]]>
式中，对参数β和g的界限分别由扇形角范围[-βmax，βmax]和由[-gmax，gmax]给出。变换：
x′y′z′=x-pαtanχyz=x-ztanχyz---(8)]]>
将剪切的螺旋变换回到非剪切螺旋。对于剪切的以焦点为中心的检测器，坐标z＝g+pα和变换因此成为：
x′y′z′=x-(g+pα)tanχyz---(9),]]>
使得变换后的以焦点为中心的检测器表面95、97具有形状：
x→FC(α,β,g,χ)=Scosα-(S+D)cos(α+β)-gtanχSsinα-(S+D)sin(α+β)g+pα---(10),]]>
其中，再次对参数β和g的界限分别由扇形角范围[-βmax，βmax]和由[-gmax，gmax]给出。在等式(10)中看到，以焦点为中心的检测器表面95、97的列变成了被剪切过的，在图5中也可以看到。就是说，由选中的(α，β)给出的列在X方向具有依赖于g的坐标。这些列以倾斜角χ被剪切。
继续参考图1和图4并进而参考图7，在步骤110把被变换为零倾斜坐标的投影数据76由重新装入处理器50重新装入到一个以焦点为中心的非剪切检测器以产生在零倾斜坐标系中的重新装入的图像数据112。参考图7说明了在零倾斜坐标系中合适的以焦点为中心的非剪切检测器的计算。把以焦点为中心的物理检测器的边界113根据等式(9)变换为根据等式(10)的剪切的检测器坐标边界115。一个用于重新装入的合适的窗口具有在图7中表示的边界117，它由去除了图7中用网状线指示的非矩形剪切延伸部分119而获得。
重新装入窗口边界117与物理检测器窗口边界113的比较表示，重新装入窗口具有减小的可用扇形角，减少量121由图7中表明。然而，对于具有小高/宽比的以焦点为中心的典型的检测器(例如，沿Z方向有20行和沿β方向有960列的检测器20具有大约0.04的高/宽比)，非矩形剪切的延伸119和在扇形角中的相应减少量121将很小。优选地要把由结合x射线源16和准直仪18产生的扇形束减少以与重新装入窗口117的减少了的可用扇形角一致，从而减少物体的辐射曝光。
返回来参考图5，可以看到变换后的、以焦点为中心的剪切的检测器窗口95、97具有不同数量的剪切量。一般，检测器窗口的剪切依赖于x射线源16的转动位置α。
优选地把重新装入参数存储在重新装入坐标查阅表52中。对于每一螺旋转动的投影视图的数目Nα，一般使用Nα个集合的重新装入系数。这一重新装入系数的数目要比在通常类型的重新装入诸如扇形对平行、等距、或高度重新装入中所使用的系数数目大得多。因此，在一个优选实施例中，重新装入变换系数以函数方式成为对于α的参数，使得在重新装入坐标查阅表52中存储的参数的数目大大减少。因为检测器剪切随x射线源角坐标α以连续方式变化，因此一个使用拟合的连续函数的适当的函数参数化通常是很容易计算的。
参考图1和图4，在步骤130由重建处理器54处理变换后的和重新装入的成像数据112以产生剪切的图像重建132。适当地使用了为纯螺旋计算层析X射线摄影法数据设计的重建方法。在该优选实施例中，使用了n-PI重建方法，其中n是奇整数诸如n＝1，n＝3等。
如在本技术中公知的，PI重建使用一个Tam-Danielsson检测器窗口，也称为PI检测器窗口，它在螺旋源轨道的相邻两匝之间延伸。在n-PI重建架构中，Tam-Danielsson窗口也称为n＝1的n-PI窗口。在n-PI重建中，Tam-Danielsson窗口包容奇数匝，例如一个1-PI窗口(和PI窗口一样)从第一匝延伸而在相邻匝结束，而3-PI窗口从第一匝延伸通过相邻和第二相邻匝，在第三相邻匝结束。
熟悉本技术领域的人将看出，n-PI窗口对于螺旋计算层析X射线摄影法图像重建具有有利的特征。当n-PI检测器扫过螺旋轨道时，在感兴趣的区域内的每一点都在过180°处被采样，而没有冗余采样。180°采样对执行精确重建已足够，并且在n-PI重建中冗余采样的消除对于精确和近似重建方法两者都改善了重建速度和计算效率。
利用n-PI检测器窗口的各种n-PI重建方法都是已知的，包括精确n-PI重建和近似n-PI过滤背投重建方法。因为变换过的和重新装入的成像数据112是通过由纯线性变换的处理获得的，因此PI线、PI表面、和在零倾斜几何结构中对重新装入数据112操作的n-PI检测器窗口保持了它们有益的属性。
重建步骤130产生剪切的图像描述132。因为数据是以倾斜的台架几何结构获得的并在步骤74中被变换为零倾斜几何结构，因此重建的图像描述132展现出具有倾斜或者剪切角χ的大小的剪切。因此，在步骤134图像变换处理器56将被剪切的图像描述132变换回到原来的倾斜台架坐标系以产生非剪切的图像描述136。
变换步骤134适当地使用了线性变换，它是等式(4)和(5)的线性变换的逆变换。根据下式只变换了在剪切的X方向的坐标：
xsh＝xzt+pα tan(χ)＝xzt+z tan(χ) (11)
它是等式(5)的变换的逆变换。优选地把非剪切图像描述136存储到3维图像存储器58以便进一步处理，诸如图形显示处理。然而，对于小剪切角χ和可容许小图像剪切的诊断任务，还可考虑省略逆变换步骤134并在图像存储器58中存储剪切的图像描述132。