相襯錐束ct成像的制作方法

文檔序號：5830681閱讀：492來源：國知局

專利名稱：相襯錐束ct成像的制作方法
技術領域：
本發明涉及相襯成像，特別是使用同軸全息的技術的相襯成像。
背景技術：
在過去幾十年間，相襯方法在X射線成像領域得到了快速發展。通常，X射線通過僅獲得物體的衰減系數圖來對物體進行成像，而相襯成像同時使用相位系數和衰減系數對物體進行成像。因此，在投影圖像中，相襯成像可以分辨一些具有與周圍環境相似的衰減系數但是具有不同相位系數的結構。在大多數情況下，相村成像還由于其相干性和干涉性，是一種邊緣增強的成像技術。從而，可以很容易地確定小結構內的邊界。相襯是一種特別適于弱衰減情況下的很有前景的技術，在這種情況下的當前的基于衰減的X射線CT圖像不能顯示足夠的分辨率或對比度。因而，這種方法可以作為常規X射線成像失敗時的替代選項和/或提供額外的信息。
通常，相襯方法可以被分成三類。第一，X射線干涉測量法，直接通過干涉計測量投影的相位。第二，衍射增強成像(DEI),沿著軸向測量相位梯度。這兩種方法不僅需要同步加速器作為相干單色X 射線源，而且還需要相對復雜的光學設置。第三，同軸全息術，主要測量投影相位系數的拉普拉斯算子(Laplacian)。在這種情況下，可以使用一種具有多色X射線譜的微焦(micro-focus) X射線管。用于同軸全息術的光學設置可以被布置成像常規的X射線錐束CT(CBCT )或微CT那樣。這些優點使得它成為實際應用的一種很有前景的技術。
對于使用相襯投影的重建方案已經進行了一些研究。在DEI和同軸全息術的情況下，由于不能直接測量投影相位，會有兩種重建。第一種是首先獲得投影相位系數，然后對目標區域中的每個點重建局部相位系數。第二種是直接重建其他相關量例如局部相位系數的梯度或拉普拉斯算子，而不是獲得原始的相位系數。

發明內容
因此，本領域需要將該同軸方法結合到當前的CBCT或微CT系統中。因此本發明的一個目的是提供這種系統。
為了實現上述和其他目的，本發明提出了一種使用相位系數而不是僅僅使用衰減系數來成像物體的錐束方法和系統。本發明可以分辨一些具有與周圍環境相似的衰減系數但是具有不同相位系數的結構。相襯成像還是一種邊緣增強的成像技術。因而，可以很容易地確定小結構內部的邊界。
本發明將該相襯同軸方法結合到當前的錐束CT ( CBCT)系統中來。從同軸全息術的干涉公式開始，可以進行一些數學#￡定，從而可以將該干涉公式中的項近似表示為一個線積分，這是所有CBCT算法的需要。所以，CBCT重建算法例如FDK算法可以被應用到同軸全息術投影中，伴有一些數學缺陷(imperfection)。
假定使用點X射線源和高分辨率檢測器以進行計算機模擬。錐束 CT成像的重建被研究。結果顯示，該數字幻象(numerical phantom ) 中的所有損傷都能被觀察到增強的邊緣。然而，由于該同軸全息投影的邊緣增強特性，該重建圖像具有各種條紋偽像(artifacts)和數值誤差。可以通過在濾波過程期間使用哈明(Hamming)窗來改善該圖像質量。在存在噪聲的情況下，該同軸全息投影的重建顯示出比通常的 CT重建更清晰的邊緣。最后，它定性地顯示出優選地使用較小的錐角和弱衰減。
在以下美國專利中^^開了相關的系統和方法6987831號， "Apparatus and method for cone beam volume computed tomography breast imaging" ; 6618466號, "Apparatus and method for x-ray scatterreduction and correction for fan beam CT and cone beam volume CT"; 6504892號,"Apparatus and method for cone beam volume computed tomography using circle-plus-multiple-arc orbit ，，； 6480565 號，
"Apparatus and method for cone beam volume computed tomography breast imaging" ; 6477221號， "System and method for fast parallel cone-beam reconstruction using one or more microprocessors', ; 6298110 號，"Cone beam volume CT angiography imaging system and method"; 6075836 號， "Method of and system for intravenous volume tomographic digital angiography imaging";和5999587號，"Method of and system for cone-beam tomography reconstruction"。這里通過引用將它們的全部內容結合到本說明書中。這些專利中公開的技術可以用于與這里公開的技術相結合。

參照附圖，將具體給出本發明的一個優選實施例，其中圖1是顯示了用于相襯同軸全息成像的總體方案的示意圖；圖2顯示了在2D平行情況下，投影方向垂直于導數(derivative) 方向；
圖3A和3B顯示了重建切片；
圖3C-3F顯示了沿著圖3A和3B中的虛線的剖面圖4A-4D顯示了將泊松(Poisson)噪聲施加到該投影的重建；
圖5A-5D顯示了錐角對邊緣增強的影響；和
圖6A - 5D顯示了衰減對邊緣增強的影響。
具體實施例方式
下面將參照附圖具體給出本發明的一個優選實施例，其中在全文中，相似的數字表示相似的部件或步驟。
同軸全息術的結構與當前的乳房X線照相術或錐束CT方案一樣簡單，如圖l所示。^鼓焦X射線源102被;汰置成與物體104相距距離 Rl,該物體與檢測器106相距距離R2。錐角應當覆蓋所關注的整個區域。處理器108從檢測器106接受檢測數據并且執行以下所述的計算以產生圖像。在X射線技術中，一種材料的折射率n通常被定義為 —+ w (1)
其中S對應于相位變化，(3與衰減相關。(物理上，S與該材料內部的電子密度成比例，它通常比p大103到104倍)。因此，當空間相干單色X射線束射穿一種材料時，它的振幅和相位將被改變。這些變化由以下傳輸函數表示
r(x，力-乂(JC,力eWw) (2)
對于有限厚度的物體，歸一化振幅由下式給出
爿0，力-expL-」2
其中
力=爺JV (4乂 z)必，
相位由下式多會出力=J- J《Oj， z)血
(3)
(4)
(5)
等式(4)和(5)這兩個線積分的被積函數在通過該物體的整個傳播長度上被積分。應當指出，當X射線束經過非均勻物體時，會出現折射和衍射效應。因而，上述線積分可能不是嚴格精確的。幸運的是，已經發現，如果
<formula>formula see original document page 7</formula> < (6)
其中T是該物體的最大厚度，k是被成像物體中的最細微結構大
小，那么可以認為該物體是"薄的"，并且可以認為該X射線束是沿直線傳播。
在 Wu和 Liu的論文中 (Xizeng Wu, Hong Liu, "Clinical implementation of x-ray phase-contrast imaging: Theoretical foundations and design considerations", Met/. P一. 30 (8), 2169-2179 (2003))，給出
了同時使用衰減和相位系數的同軸全息投影的公式。在理想點源的情況下得到了關鍵結果，顯示根據近似
該檢測的強度圖像表示為<formula>formula see original document page 8</formula>
其中該110定義為原始束強度，M是放大因子，人是X射線波長， u是空間頻率，A 是衰減的幅度，小是投影相位系數。
在CBCT或微CT成像中，典型值是M-2，人=3xl(T"m (對于 40keV)， R2 = 0.5m, u小于2xl04m"(對于50|^im的4企測器像素大小)。從而滿足了該近似不等式(7)。我們可以在公式(8)中清楚地看到，括號中的第一項與衰減效應相關，其通過正常的X射線成像檢測，而第二項與相襯效應相關。應當注意到，在拉普拉斯算子中，投影相位
(H皮乘以振幅Ao2。從而，衰減系數將影響該相位部分所產生的效應。實驗數據還證明，在弱衰減材料中，相襯效應是清晰可見的，而在強衰減材料中，相襯效應幾乎4企測不到。
記住(bearing in mind )該同軸全息投影公式，在一些數學處理之后，常規的CBCT重建算法可以應用這些投影。眾所周知，例如FDK 或Radon變換的算法是基于局部衰減系數的線積分的。因此，如果根據該同軸相襯投影中的曝光強度表示可以發現某種類型的線積分，那么還可以應用FDK算法。但是公式(8)不是線積分。
將公式(8)重新寫為
<formula>formula see original document page 8</formula>
考慮該方括號中的第二項，使用公式(3)，可以得到下式:
<formula>formula see original document page 8</formula>
由于5通常是比(3大103到104倍，所以(f)比p大103到104倍。因此包含p的項在公式(10)中可以忽略。也就是i兌，
<formula>formula see original document page 8</formula>
然后公式(8)被簡化為
<formula>formula see original document page 8</formula>
如果對/>式(12)兩邊取對lt,則衰減部分和相位部分可以分離為
'10,
卜lw
(13)
在方括號中，小通常是大約IO1。從而，對于50pm的檢測器像素大小，拉普拉斯算子通常不大于約109m—2。假定XR2是大約1(T"m2，
則第二項1^^<<1。公式(13)變為 2;rM
廣
In
—l + lnW^V》(;c,力. (14)
右邊第一項)i(x, y)是線積分，而第二項不是線積分。為了簡單起見，現在考慮純相位幻象2D平行束重建(|i = 0)的情況。現在該投影僅僅是一維的，該2D拉普拉斯算子被簡化為1D二階導數運算。如圖2所示，投影方向(沿y軸)垂直于導數方向(沿x軸)。因此可以將該二階導數運算符移動到該被積函數中。以這種方式，
就變成沿著S(x, y)的二階導數的y軸在該2D幻象內每個點的線積分，如7>式(15 )所示
f!^丄f丄』，,、丄丄
改2廣、wj 丁f""^辦' (15)
因而，該后才殳影算法可以;故應用到該平行束結構中。然而，應當注意到，當以不同角度照射該幻象時，每個投影的二階導數取自不同方向。也就是說，當以不同角度進行該投影時，在每個點重建的數量是變化的。但是對于當前的后投影算法，已知當獲得整組投影時，這些值在整個過程期間應該是固定的。直觀地，可以考慮該重建數量是 5(x,y)在所有方向上的二階導數的均值，而不是該拉普拉斯算子本身。以這種方式，該后^:影算法應該仍然可用。
在扇形束或錐形束的結構中，公式(15)不再有效，因為該二階導數方向通常不垂直于每個X射線束的傳播方向，該幻象沿著該傳播方向被投影。盡管如此，如果該扇形或錐形角度減小，那么所有的X 射線束都會被認為近似垂直于該檢測面。然后，該檢測的強度會近似于投影的二階導數。因此，雖然該重建的質量較差，但該后投影算法仍然可用。
總之，運行該算法后的結果近似為線積分，該線積分包括兩個部
分投影的衰減系數iu,和在所有角度位置上平均的相位系數5的投影拉普拉斯算子。所以可以通過當前的重建過程來處理該同軸全息投影。
檢測器像素大小的需求由相襯成像方案的分辨率決定。有兩個影響該分辨率的主要因素。一個是線性傳播的有效性。根據公式(6), 對于微CT的典型值，例如當前的微CT應用中的X 3xlCT"m (40keV) 和T 0.02m,該分辨率幾乎等于2|iim。第二個因素是在相襯理-論中使用的近似，如公式(7)所述。對于M 2， X~3xl(Tnm和R2 0.5m, 公式(8 )得出u 2.5xl05m"，即該分辨率遠小于4|am。從而有理由假定該分辨率為Z.SxlO5!!!-1的大約十分之一，這就意p木著4企測器^象素大小為40 - 50,。
同軸全息術的X射線源必須是空間相干的。不需要時間相千。也就是說，多色源仍然是適用的。空間相干性越高，相襯的結果就越好。在大多數論文中，空間相干性由相干長度表示
為了獲得較大的Le。h，需要較小的焦點尺寸(小s)和較大的源到物體的距離(大R!) 。 X不應該太大。否則，就不能滿足投影近似，即等式(6)。理論上，該相干長度必須大于要成像的最細微結構。侈寸^口， ^口果入=3xlO—Um(40keV) , R！ = 0.5m, Lcoh = 25jam ( 201p/mm, 根據等于放大因子M的檢測器像素)，那么焦點尺寸s就應該不大于 1.5pm。理論和實驗已經證實，雖然Lc。h小于要成像的最細微細節的尺寸，但是相襯效應將仍然質量較差。這意味著，最小的微CT焦點尺寸即大約10(im應該足夠小以用于相襯成像。
在這種模擬中，假定使用理想的點X射線源和使用50(am的檢測器像素尺寸。
為了將相位系數結合到模擬中，設計了一種改進的Shepp-Logan幻象以用于錐束CT幾何結構。所有幾何參數均與等于因子的參考15 相同，從而使得最大的橢球的最長軸為18.4mm。 P和S的大小根據它們的物理特性進行估計。根據參考12， 3~AV￡/9￡,其中它們
的比值為
經典的電子半徑大約是l(T15m。對于能量40keV的X射線光子，波長X大約為10—"m。對于室溫下的水，電子密度是大約103()111-3(對于每個分子10個電子，近似為1 mol的水占用18cmS的體積并且具有 6xl()23個分子)。可以估計，(3大約是l(T11 ~ l(T12， S是大約10—7 ~ 10—8。
在CBCT和微CT成像中，X射線光子能量范圍從20keV到 100keV。因而，S和P的比值為大約103到104。在這種模擬中，S被選擇為比(3大5000倍。
錐束CT重建被模擬以評估FDK算法與同軸全息投影的應用。該模擬參數在表1中顯示。
表1:相襯錐束CT重建的模擬參數
光子能量20keV
源 - 物距離0.5m
源-檢測器距離l.Om
虛擬檢測器像素尺寸(50 —3
投影數量360
重建體素尺寸(50 —3
重建維度400*400
扇形角30
圖3A - 3F示出了錐束重建圖像和在y=-0.25mm處的冠狀切片的剖面圖。圖3A顯示了一個簡單斜坡濾波器的重建，該圖像顯示了明顯的放射狀條紋偽像和數字失真。原因是該相襯投影本身具有邊緣增強的特性，而斜坡濾波器傾向于放大高頻成分。為了抑制高頻部分和減少偽像，在該濾波過程期間除了該斜坡濾波器之外還添加哈明(Hamming)窗。如圖3B所示，在重建圖像中，邊緣增強^f皮減少了一點，但是偽像幾乎看不到了，并且剖面看起來更平滑和更好。為了更好地表明該邊緣增強，將衰減系數選擇為水的大約三分之一。稍后將討論更強衰減的情況。
圖3C和3D分別顯示了沿著圖3A中的虛線的水平和垂直剖面圖。圖3E和3F分別顯示了沿著圖3B中的虛線的水平和垂直剖面圖。相對平滑的曲線是用于比較的數字幻象的。
通過向該投影施加泊松噪聲來研究噪聲對于重建的影響。原始X 射線量被設定為5xl(^光子/像素。對y=-0.25mm處的冠狀切片和 x=0.0369mm處的矢狀(sagittal)切片都進行研究。圖4A和4C是正常的CBCT重建圖像。它們有很多噪聲并且很模糊以致于其中的小結構的形狀變形并且很難從背景中分辨該邊緣。然而，在圖4B和4D中，對于同軸全息投影的重建，所有小結構都可以清楚地觀察到增強的邊緣。在矢狀切片中，由白色箭頭標記的結構在正常的CBCT圖像中不能看到，但是在相襯CBCT圖像中可以看到。
由于相襯效應而產生的邊緣增強的程度由多個因素確定。為了與目前的CT技術相比較，下面定性地討論錐角和衰減對該邊緣增強效應的影響。
上述研究中的完全錐角被設定為3。。如上所述，較小的錐角是對于該相位項的線積分的更好近似，而較大的錐角將降低該重建中的邊緣增強。為了研究錐角對于該重建的影響，固定該物體位置和虛擬檢測器像素尺寸，而調節源-物距離以獲得不同的錐角。重建該切片 (y=-0.25mm)并且畫出水平中心剖面以進行比專交。分別對四個不同錐角的重建進行4企查，如圖5A-5D所示，對于3°、 4°、 6。和8°的錐角；很清楚，當該角度變大時，邊緣增強被降低。當完全錐角是6° 時，邊緣增強仍然可見。在8。時，幾乎沒有實現增強。
在前面的模擬中，衰減系數被設定為很低以便清楚說明該邊緣增強。這里考慮更強衰減的情況。在這種模擬中，所有其他的模擬參數都與之前相同，除了衰減系數和被掃描物體的相位系數。它們對于不同的衰減水平被增加。因此相應調節相位系數以保持比率S/(3與之前不變。為了說明該衰減有多強，計算第一投影(零度)處的最小檢測幅度(對應于最大衰減)。該值一皮歸一化為入射的X射線強度，并且一皮用作該衰減強度的測量。在圖6A-6D中示出了衰減對于邊緣增強的影響，其中子圖(subplot)中的衰減測量分別為0.835、 0.715、 0.511 和0.369。這表明，邊緣增強效應隨著衰減增強而降低。值0.835被用于前面的模擬中。值0.511與由大約40keV的X射線能量處的水構成的幻象相關，并且增強仍然可見。但是在0.369時，該增強可以忽略。
對于一個較小的錐角，同軸全息投影可以被近似表示為線積分，其包括兩項投影衰減系數和相位系數的投影拉普拉斯算子。當前的 CT技術僅能檢測第一項。僅當該X射線源是空間相干并且該檢測器分辨率較高時，才能觀察到該第二項。FDK算法可以被應用到錐束結構中的同軸全息投影數據的重建。由于相襯成像的邊緣增強特性，在濾波步驟中需要哈明窗以抑制高頻成分。否則，該重建將顯示明顯的偽像和數值誤差。當應用該相襯方法時，該重建圖像中的所有結構以增強的邊緣為邊界。在有噪聲的情況下，邊緣增強的優點是非常突出的。在正常的CT掃描中，該小結構被模糊，它們的邊緣不能清晰辨識。但是，在相襯效應的情況下，所有該小結構都具有清晰的邊界。錐角尺寸和衰減的影響也被顯示。結果顯示，該錐角或衰減越大，邊緣增強效應就顯示越少，這就驗證了理論分析部分中的評論。對于具有與水相似的衰減的大約2厘米尺寸的幻象，如果以小于5。的完全錐角來掃描，仍然可以清晰地看到該邊緣增強。總的來說，在實踐中，該相襯技術在微CT或小動物成像中是非常有前途的。
雖然上面公開了一個優選的實施例，但是閱讀了本說明書的本領域技術人員將會很容易認識到，在本發明的范圍內也可以實現其他實施例。例如，數值的值比限定更有i兌明力。而且，本發明可以在任何適當的掃描設備上實現，包括波束發射器、平板或其他二維檢測器或其他適當的檢測器、和按照需要相對移動二者的托架的任意適當的組合，以及用于處理該圖像數據以產生圖像的計算機和適當輸出(例如顯示器或打印機)或用于該圖像的存儲介質。用于執行本發明的軟件可以在任意介質上實現為任意適當的格式，例如，物理介質如 CD-ROM或通過因特網或內聯網的連接。因此，本發明應當被解釋為僅由所附的權利要求限定。
權利要求
1.一種用于形成物體的圖像的方法，該方法包括(a)將該物體暴露給空間相干輻射的錐束；(b)在檢測器中接收經過該物體的空間相干輻射以產生檢測數據；(c)根據該檢測數據得到衰減系數和相位系數；和(d)根據該衰減系數和相位系數形成該圖像。
2. 如權利要求1所述的方法，其中使用錐束計算斷層攝影算法執行步驟(d)。
3. 如權利要求2所述的方法，其中步驟(c)包括濾波該;險測數據以減少邊緣增強。
4. 如權利要求3所述的方法，其中所述濾波包括抑制該檢測數據的高頻成分。
5. 如權利要求4所述的方法，其中使用哈明窗來抑制該高頻成分。
6. 如權利要求2所述的方法，其中步驟(c)包括獲得該相位系數的拉普拉斯算子。
7. 如權利要求2所述的方法，其中該空間相干輻射是時間不相干的。
8. 如權利要求2所述的方法，其中該空間相干輻射具有大于被成像物體的最細微細節尺寸的相干長度。
9. 一種用于形成物體圖像的系統，該系統包括空間相干輻射的錐束源；用于接收經過該物體的空間相干輻射以產生檢測數據的檢測器；和計算機，接收該檢測數據，以根據該檢測數據獲得衰減系數和相位系數，并且根據該衰減系數和相位系數形成該圖像。
10. 如權利要求9所述的系統，其中該計算機使用錐束計算斷層攝影算法形成該圖像。
11. 如權利要求10所述的系統，其中該計算機濾波該檢測數據以減少邊緣增強。
12. 如權利要求11所述的系統，其中該計算機通過抑制該檢測數據的高頻成分來濾波該檢測數據。
13. 如權利要求12所述的系統，其中使用哈明窗來抑制該高頻成分。
14. 如權利要求10所述的系統，其中該計算機獲取該相位系數的拉普拉斯算子。
15. 如權利要求10所述的系統，其中該空間相干輻射是時間不相干的。
全文摘要
一種結合了相襯同軸方法的錐束CT成像系統，其中使用相位系數而不是僅僅使用衰減系數來重建圖像。從同軸全息術的干涉公式開始，該干涉公式中的項可以近似表示為所有CBCT算法所需的線積分。所以，該CBCT重建算法例如FDK算法，可以應用到同軸全息投影中。
文檔編號G01N23/00GK101622526SQ200780014350
公開日2010年1月6日申請日期2007年2月27日優先權日2006年2月27日
發明者W·蔡, 寧若拉申請人:羅切斯特大學

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