用于斷層合成成像的設備和方法

用于斷層合成成像的設備和方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于斷層合成的設備，所述設備包括：掩膜生成器模塊(101)，其被配置為基于被掃描的對象的幾何三維模型來生成二元掩膜；圖像捕獲模塊(102)，其被配置為掃描所述對象的二維投影圖像的系列；以及圖像處理模塊(103)，其被配置為在根據二維投影圖像的所掃描的系列重建三維圖像體積期間應用所生成的二元掩膜，并且被配置為將所重建的圖像體積的范圍限制到幾何模型的范圍。
【專利說明】
用于斷層合成成像的設備和方法
技術領域
[0001]本發明涉及用于成像技術的設備和方法。具體而言，本發明涉及用于斷層合成成像的設備和方法。
【背景技術】
[0002]在斷層合成中，在人類乳房斷層合成中使用來自小于180°角度范圍(例如，通常為10°-60°)的X射線投影來重建三維圖像體積。由于設置的受限的角度范圍，因此不能夠通過已知圖像重建技術來準確地重建檢查中的對象在X射線的主方向中的空間范圍。
[0003]EP 2101648 BI描述了一種用于生成斷層合成三維X射線圖像的方法和設備，其中，利用X射線源和數字X射線探測器以不同投影角從檢查對象記錄多幅數字二維X射線投影圖像，所謂的扇形偽跡由二元三維掩膜消除，所述二元三維掩膜根據在第一投影角處記錄的第一二維X射線圖像的投影圖像數據和在第二投影角處記錄的第二二維X射線圖像來確定。
[0004]FR 2978911 Al描述了一種利用低能量輻射來照射人類身體的部分(例如，人類乳房)以便由成像探測器采集低能量圖像的方法。身體部分被定位在輻射源和探測器之間。由控制器根據低能量圖像和高能量圖像生成復合醫學圖像，使得身體部分的組織可顯示在復合醫學圖像中。還描述了一種用于采集和處理包括植入物的身體的醫學圖像的系統。

【發明內容】

[0005]可能存在改進用于斷層合成成像的數字圖像處理的需要。
[0006]這些需要由獨立權利要求的主題滿足。另外的示范性實施例根據從屬權利要求和以下描述而顯而易見。
[0007]本發明的一個方面涉及一種用于斷層合成成像的設備，所述設備包括:掩膜生成器模塊，其被配置為基于被掃描的對象的幾何三維模型來生成二元掩膜;圖像捕獲模塊，其被配置為掃描對象的二維投影圖像的系列；圖像處理模塊，其被配置為在根據二維投影圖像的所掃描的系列來重建三維圖像體積期間應用所生成的二元掩膜，并且被配置為將所重建的圖像體積的范圍限制到幾何模型的范圍。
[0008]本發明的另一方面涉及一種X射線醫學成像系統，其包括乳房攝影設備和用于斷層合成成像的設備。
[0009]本發明的另一方面涉及一種用于斷層合成成像的方法，所述方法包括以下步驟:基于被掃描的對象的幾何模型來生成二元掩膜;掃描對象的二維投影圖像的系列；并且將所生成的二元掩膜應用到二維投影圖像的所掃描的系列，并且將所重建的三維圖像體積中的每個的范圍限制到幾何模型的尺寸。
[0010]本發明提供了克服了由于受限的角度范圍而出現在對象之外的圖像偽影的方法。這樣的偽影也顯現在對象之內，例如顯現為低頻率強度變化，因為衰減不能夠恢復。
[0011]本發明通過應用由二元斷層合成重建生成的掩膜圖像有利地解決了該問題。
[0012]本發明還使用這些X射線的譜信息而有利地識別了具有非零線積分值的X射線。
[0013]本發明還有利地提供了:能夠將多能量投影數據分解為基礎材料圖像，例如，由于光電效應和由于康普頓效應的吸收。這有利地允許在體積能夠被分解為兩種材料的混合時，通過對象的每條射線的長度的量化表達。這針對乳房攝影體積是這種情況，因為乳房組織在多數情況下是脂肪和腺組織的混合。分解能夠被表達為高度和腺體化(glandularity)。
[0014]如果多能量投影數據不可用，則也能夠根據針對其中一種組織類型(優選地脂肪組織)占優勢的這些位置的常規單能量投影數據估計局部高度。針對其他位置的高度信息然后能夠通過插值來獲得。
[0015]這樣，根據在不同角處采取的圖像可獲得通過體積的高度或者長度信息；人們能夠重建描述被掃描的對象的外部形狀的二元圖像體積。該問題總體上是非線性多項式時間困難(簡言之:NP-困難)，但是能夠通過引入幾何先驗，例如連通性、光滑性和凸性約束，來緩解。同樣另外的邊界約束也是已知的:通過乳房的最大長度由壓縮高度給出，所述壓縮高度是在跨乳房的大的區上的約束。并且也能夠在X射線平行于皮膚的點處正確繪制皮膚線。
[0016]該種類的幾何高度模型信息能夠被表示為二元圖像。該二元圖像然后能夠被用作實際斷層合成圖像形成中的掩膜，允許主X射線方向中的對象范圍的更好的重建，并且因此改進斷層合成:
[0017]-允許針對所有切片的乳房輪廓的繪制(例如，在3D中)和改進的背景掩蓋;并且
[0018]-避免朝向乳房邊緣的強度下降(不給出對后處理厚度均衡/補償的需要)；并且
[0019]-減少被成像的對象(例如，被成像的人乳房)內部和外部的得到的圖像偽影。
[0020]換言之，本發明有利地提出使用來自譜圖像分解的長度信息來生成三維掩膜圖像。這移除了圖像偽影并且克服了對厚度均衡的需要。
[0021]所述方法能夠用于斷層合成圖像，因為其在斷層合成掃描的覆蓋之外的角度處有效地“查看乳房的后面”，這在其他情況下由于受限的斷層角而是不可能的，斷層角或者斷層攝影角是以度表示的管行進的幅度。
[0022]在描述本發明中使用的術語“被掃描的對象”或者“被成像的對象”涉及要被掃描的對象或者任何其他對象或者人身體的部分，其例如通過乳房攝影來研究或者使用高能量或者低能量X射線檢查人乳房并且用作診斷或者篩查工具的任何其他過程。
[0023]術語“能量分辨X射線圖像”或者“譜X射線圖像”可以被理解為使用任何種類的X射線技術采集的圖像，其中，例如通過使用能量分辨光子計數探測器和分類方法，超過兩種類型的材料能夠被有效分離。具體而言，這應用于當包含感興趣能量范圍中的K吸收邊緣的對比劑存在于對象中時的情況。該分離經由使用具有多個閾值的最近發展的能量分辨光子計數探測器來實現，其允許在多個能量處的X射線衰減的同時測量。
[0024]二元掩膜基于表示對象的三維(可能地彎曲的)空間范圍的被掃描的對象掩膜的幾何三維模型。
[0025]根據本發明的示范性實施例，掩膜生成器模塊被配置為基于從對象的激光掃描導出的幾何模型生成二元掩膜。這可以與來自投影圖像的強度信息進行組合。
[0026]這有利地提供幾何三維模型與被掃描的對象的改進的匹配。
[0027]根據本發明的示范性實施例，掩膜生成器模塊被配置為基于從對象的二維投影圖像的掃描的系列的至少一幅二維投影圖像的圖像分析導出的幾何模型來生成二元掩膜。
[0028]這有利地提供幾何三維模型與被掃描的對象的改進的匹配。
[0029]根據本發明的示范性實施例，掩膜生成器模塊被配置為基于對象的至少一幅二維投影圖像的強度分布來確定對象的幾何模型。
[0030 ]這有利地提供幾何三維模型與被掃描的對象的改進的匹配。
[0031 ]根據本發明的示范性實施例，圖像捕獲模塊能夠采集能量分辨X射線圖像，并且幾何模型是根據從能量分辨二維投影圖像的譜材料分解獲得的量化高度模型導出的。
[0032]根據本發明的示范性實施例，掩膜生成器模塊被配置為使用由機械壓縮單元測量的對象厚度值來生成二元掩膜。
[0033]根據本發明的示范性實施例，圖像處理模塊被配置為在二維投影圖像的所掃描的系列的重建流程期間應用所生成的二元掩膜。
[0034]執行本發明的方法的計算機程序可以被存儲在計算機可讀介質上。計算機可讀介質可以是軟盤、硬盤、CD、DVD、USB(通用串行總線)存儲設備、RAM(隨機存取存儲器)、R0M(只讀存儲器)以及EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)。計算機可讀介質也可以是數據通信網絡，例如因特網，其允許下載程序代碼。
[0035]本文描述的方法、系統和設備可以被實施為在數字信號處理器(DSP)、微控制器或者任何其他側處理器中的軟件或者實現為在專用集成電路ASIC內的硬件電路。本發明能夠被實施在數子電子電路中或者在計算機硬件、固件、軟件中或者在它們的組合中，例如在常規移動設備的可用硬件中或者在專用于處理本文描述的方法的新的硬件中。
[0036]本發明能夠被實施為在各種圖像處理應用中對圖像重建的使用，并且旨在說明該變換對圖像變更和分割任務的有用性。
【附圖說明】
[0037]通過參考以下示意圖將更完整的認識本發明并且更清晰地理解其伴隨優點，所述示意圖未按比例，其中:
[0038]圖1示出了根據本發明的示范性實施例的用于斷層合成成像的設備的示意圖；
[0039]圖2示出了根據本發明的示范性實施例的用于斷層合成成像的方法的示意性流程圖；
[0040]圖3示出了包括乳房攝影設備和根據本發明的示范性實施例的用于斷層合成成像的設備的X射線醫學成像系統的示意圖；
[0041]圖4-6中的每個示出了用于解釋本發明的二維投影圖像;并且
[0042]圖7-9中的每個示出了用于解釋本發明的反投影。
【具體實施方式】
[0043]附圖中的圖示完全是示意性的并且不旨在提供比例關系或者尺寸信息。在不同附圖中，相似或相同元件被提供有相同的附圖標記。通常，相同的部分、單元、實體或者步驟在描述中被提供有相同的附圖標記。
[0044]圖1示出了根據本發明的示范性實施例的用于斷層合成成像的設備的示意圖。
[0045]用于斷層合成的設備100可以包括掩膜生成器模塊101，所述掩膜生成器模塊被配置為基于被掃描的對象的幾何三維模型來生成二元掩膜。
[0046]設備100還可以包括圖像捕獲模塊102，所述圖像捕獲模塊被配置為掃描對象的二維投影圖像的系列。
[0047]此外，所述設備可以包括圖像處理模塊103，所述圖像處理模塊被配置為在根據二維投影圖像的所掃描的系列重建三維圖像體積期間應用生成的二元掩膜，并且將重建的圖像體積的范圍限制到幾何模型的范圍。
[0048]圖2示出了根據本發明的示范性實施例的用于斷層合成成像的方法的示意性流程圖。
[0049]所述方法依據方框圖來可視化。所述方法可包括三個步驟S1、S2和S3。
[0050]作為方法的第一步驟，基于被掃描的對象的幾何模型生成SI二元掩膜被實行。
[0051 ]作為方法的第二步驟，掃描S2對象的二維投影圖像的系列被執行。如果例如被掃描的對象的幾何模型基于在掃描S2系列的步驟中被掃描的產生的投影圖像，則掃描S2系列的步驟也可以在生成SI 二元掩膜的步驟之前被執行。如果例如根據由機械壓縮單元測量的對象厚度值來生成二元掩膜，則掃描S2的步驟可以在生成SI 二元掩膜的步驟之后被執行，如圖2的示意性流程圖中圖示的。
[0052]作為方法的第三步驟，將生成的二元掩膜應用S3到二維投影圖像的所掃描的系列并且將圖像中的每個的范圍限制到幾何模型的尺度被執行。
[0053]根據本發明的示范性實施例，這些步驟可以同時被執行，被劃分為多個操作或者任務或者被迭代。
[0054]圖3示出了包括乳房攝影設備和根據本發明的示范性實施例的用于斷層合成成像的設備的X射線醫學成像系統的示意圖。
[0055]X射線醫學成像系統300可以包括乳房攝影設備200和用于斷層合成成像的設備100。根據本發明的另外的示范性實施例，與圖3相反，用于斷層合成的設備可以被集成到乳房攝影設備200。此外，同樣不同于圖3的表示，醫學成像系統300還可以包括操作者的計算機或者控制終端。乳房攝影設備200可以包括機械壓縮單元，所述機械壓縮單元可以包含用于在乳房攝影或者活檢期間壓縮乳房的兩個板。
[0056]在流程期間，使用專用乳房攝影設備來壓縮乳房。機械壓縮單元的平行板壓縮使乳房的厚度均衡，以通過以下來來增加圖像質量:減小X射線必須穿透的組織的厚度;減少散射的輻射的量，散射使圖像劣化;減少所需的輻射劑量;并且將乳房保持靜止從而防止運動模糊。診斷乳房攝影可以包括頭尾向、側斜位和其他視圖，包括特定有關區的幾何放大和點壓縮視圖。
[0057]圖4-6示出了譜斷層合成數據的分解:圖4示出了用于解釋本發明的二維投影圖像。在圖4中，利用至少兩個不同能量譜來測量乳房攝影數據。圖5示出了將譜乳房攝影分解為高度圖像，值以mm給出。圖6圖示了也由譜分解獲得的腺體化圖像，其示出腺組織的比例。
[0058]根據本發明的另外的示范性實施例，高度信息被使用并且從不同角采取，以計算二維乳房形狀。
[0059]圖7-9示出了示出通過斷層合成圖像體積的截面的用于解釋本發明的反投影，主X射線方向是從頂部到底部。
[0060]圖7示出了遮蔽在深灰色中的橢圓對象(例如，通過乳房的截面)的斷層合成重建。不能夠在主要X射線方向中重建對象的空間延伸，導致偽影，X射線由亮灰色區域，但是也由對象內的偽影表示。圖8示出了使用完全通過對背景射線的識別獲得的二元掩膜的重建，所述二元掩膜能夠減少偽影。圖9示出了使用根據幾何模型生成的二元掩膜的重建，例如通過結合二元譜斷層合成的圖5中的譜高度圖像，恢復真實對象輪廓，因此減少對象內的偽影。
[0061]術語“二元譜斷層合成”是指使用譜乳房攝影投影圖像對表示對象的空間范圍的二元三維體積的重建。
[0062]在本發明的另一個示范性實施例中，提供了計算機程序或計算機程序單元，所述計算機程序或計算機程序單元的特征在于適于在適合的系統上運行根據前述實施例中的一個的方法的方法步驟。
[0063]根據本發明的另外的示范性實施例，計算機程序單元因此可以被存儲在計算機單元上，所述計算機單元也可以是本發明的實施例的部分。該計算單元可以適于執行以上描述的方法的步驟或引起對以上描述的方法的步驟的執行。
[0064]此外，其可以適于操作以上描述的裝置的部件。計算單元能夠適于自動操作和/或運行用戶的命令。計算機程序可以被加載到數據處理器的工作存儲器中。因此數據處理器可以被裝備為執行本發明的方法。本發明的該示范性實施例覆蓋從一開始就使用本發明的計算機程序以及借助于更新而將現有程序轉變為使用本發明的程序的計算機程序兩者。
[0065]另外，計算機程序單元可以能夠提供履行如以上描述的方法的示范性實施例的流程的全部必要步驟。
[0066]根據本發明的另外的示范性實施例，提出了諸如CD-ROM的計算機可讀介質，其中，所述計算機可讀介質具有被存儲在其上的計算機程序單元，所述計算機程序單元是由前述部分描述的。
[0067]本發明可以用于不同醫學領域(例如，乳房成像、胸部成像或者牙科成像)中的X射線斷層合成。計算機程序可以被存儲/分布在適合的介質上，例如與其他硬件一起提供或作為其他硬件的部分提供的光學存儲介質或固態介質，但是也可以被以其他形式分布，例如經由因特網或其他的有線或無線的電信系統分布。
[0068]然而，計算機程序也可以存在于如互聯網的網絡上并且能夠被從這樣的網絡下載到數據處理器的工作存儲器中。
[0069]根據本發明的另外的示范性實施例，提供了用于使得計算機程序單元可用于下載的介質，所述計算機程序單元被布置為執行根據本發明的先前描述的實施例中的一個的方法。
[0070]還應當注意到，參考不同主題描述了本發明的實施例。具體而言，一些實施例是參考方法型權利要求描述的，而另外的實施例是參考裝置型權利要求描述的。
[0071]然而，本領域技術人員將根據以上和以下的描述得知，除非另行指出，除了屬于一種類型的主題的特征的任何組合外，涉及不同主題的特征之間的任何組合也被視為由本申請公開。然而，能夠將所有特征組合以提供超過對特征的簡單加和的協同效應。
[0072]盡管已經在附圖和前文的描述中詳細說明并描述了本發明，但這些說明和描述被視為說明性或示范性的，而非限制性的;本發明不限于所公開的實施例。本領域技術人員通過研究附圖、公開以及所附權利要求，在實踐請求保護的本發明時能夠理解并且實現被公開的實施例的其他變型。
[0073]在權利要求書中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且詞語“一”或“一個”不排除多個。單個處理器或控制器或其他單元可以履行權利要求中記載的若干項目的功能。盡管在互不相同的從屬權利要求中記載了特定措施，但是這并不指示不能有利地使用這些措施的組合。權利要求書中的任何附圖標記都不應被解釋為對范圍的限制。
【主權項】
1.一種用于斷層合成成像的設備，所述設備包括: -掩膜生成器模塊(101)，其被配置為基于被掃描對象的幾何三維模型來生成二元掩膜，所述幾何三維模型是根據對所述對象的激光掃描來導出的； -圖像捕獲模塊(102)，其被配置為掃描所述對象的二維投影圖像的序列；以及 -圖像處理模塊(103)，其被配置為在根據二維投影圖像的所掃描的序列來重建三維圖像體積期間應用所生成的二元掩膜，并且被配置為將所重建的圖像體積的范圍限制到幾何模型的范圍。2.根據權利要求1所述的用于斷層合成成像的設備， 其中，所述掩膜生成器模塊(101)被配置為基于根據對所述對象的二維投影圖像的所掃描的序列的至少一幅二維投影圖像的圖像分析導出的所述幾何模型來生成所述二元掩膜。3.根據權利要求2所述的用于斷層合成成像的設備， 其中，所述掩膜生成器模塊(101)被配置為基于所述對象的所述至少一幅二維投影圖像的強度分布來確定所述對象的所述幾何模型。4.根據前述權利要求1至3中的一項所述的用于斷層合成成像的設備， 其中，所述圖像捕獲模塊(102)能夠采集能量分辨X射線圖像，并且所述幾何模型是根據從使用能量分辨二維投影圖像的譜材料分解獲得的量化高度模型來導出的。5.根據前述權利要求1至4中的一項所述的用于斷層合成成像的設備， 其中，所述掩膜生成器模塊(101)被配置為使用由機械壓縮單元測量的對象厚度值來生成所述二元掩膜。6.根據前述權利要求1至5中的一項所述的用于斷層合成的設備， 其中，所述圖像處理模塊(103)被配置為在二維投影圖像的所掃描的序列的重建流程期間應用所生成的二元掩膜。7.—種X射線醫學成像系統(300)，包括乳房攝影設備(200)和根據權利要求1至6中的任一項所述的用于斷層合成成像的設備(100)。8.—種用于斷層合成成像的方法，所述方法包括以下步驟: -基于被掃描對象的幾何模型來生成(SI) 二元掩膜，所述幾何模型是根據對所述對象的激光掃描來導出的； -掃描(S2)所述對象的二維投影圖像的序列;并且 -將所生成的二元掩膜應用(S3)到二維投影圖像的所掃描的序列，并且將所述圖像中的每幅圖像的范圍限制到所述幾何模型的尺度。9.根據權利要求8所述的用于斷層合成成像的方法， 其中，基于所述幾何模型來生成所述二元掩膜的所述步驟還包括根據對所述對象的二維投影圖像的所掃描的序列的至少一幅二維投影圖像的圖像分析來進行導出。10.根據前述權利要求8至9中的一項所述的用于斷層合成成像的方法， 其中，基于所述幾何模型來生成所述二元掩膜的所述步驟還包括基于所述對象的所述至少一幅二維投影圖像的強度分布來確定所述對象的所述幾何模型。11.根據前述權利要求8至10中的一項所述的用于斷層合成成像的方法， 其中，基于所述幾何模型來生成所述二元掩膜的所述步驟還采集能量分辨X射線圖像，其中，所述幾何模型是根據從能量分辨二維投影圖像的譜材料分解獲得的量化高度模型來導出的。12.根據前述權利要求8至11中的一項所述的用于斷層合成成像的方法， 其中，基于所述幾何模型來生成所述二元掩膜的所述步驟還包括使用由機械壓縮單元測量的對象厚度值來導出所述二元掩膜。13.根據前述權利要求8至12中的一項所述的用于斷層合成成像的方法， 其中，所述方法還包括在使用二維投影圖像的所掃描的序列的重建流程期間生成二元掩膜的步驟。
【文檔編號】A61B6/02GK105992558SQ201580008350
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年4月16日
【發明人】H·H·霍曼, F·貝格納, K·埃哈德, H·P·J·貝里隆德
【申請人】皇家飛利浦有限公司