计算机断层摄影方法和计算机断层摄影设备.pdf

本发明描述了一种计算机断层摄影方法，其中对所提供标记进行重建以便在图像重建期间确定图像分辨率。本发明还公开了一种计算机断层摄影设备，其包括支撑患者以将所述患者暴露于x射线辐射的患者台，其中在该患者台上设置至少一个用于在图像重建期间确定图像分辨率的标记。

1、  一种计算机断层摄影方法，其中对所提供标记(15)进行重建以在图像重建期间确定图像分辨率。

2、  根据权利要求1的计算机断层摄影方法，其中将所述标记(15)设置在患者台(13)上。

3、  根据权利要求1或2的计算机断层摄影方法，其中使用迭代方法作为图像重建方法。

4、  根据权利要求3的计算机断层摄影方法，其中最大似然方法用作所述图像重建方法。

5、  根据权利要求1或2的计算机断层摄影方法，其中借助于所述标记(15)确定的图像分辨率用于停止图像重建方法。

6、  根据任一前述权利要求所述的计算机断层摄影方法，其中通过对所述标记(15)的重建的测量数据进行频率分析确定所述标记(15)的图像分辨率。

7、  一种计算机断层摄影设备，其包括用于支撑患者以将所述患者暴露于x射线辐射的患者台(13)，其中在该患者台上设置至少一个用于在图像重建期间确定图像分辨率的标记(15)。

8、  根据权利要求7所述的计算机断层摄影设备，其特征在于所述标记(15)包括至少一个球。

9、  根据权利要求7所述的计算机断层摄影设备，其特征在于所述标记(15)包括至少一个盘。

10、  根据权利要求7-9中任一项所述的计算机断层摄影设备，其特征在于所述标记(15)置于所述患者台(13)中。

11、  根据权利要求7-10中任一项所述的计算机断层摄影设备，其特征在于所述标记(15)包括Plexiglas。

12、  根据权利要求7-11中任一项所述的计算机断层摄影设备，其特征在于所述标记(15)包括塑料。

13、  根据权利要求7-12中任一项所述的计算机断层摄影设备，其特征在于至少两个标记(15)平行于所述患者台(13)取向，且至少两个另外的标记(15)垂直于所述患者台(13)取向。

14、  根据权利要求7-13中任一项所述的计算机断层摄影设备，其特征在于所述标记(15)的直径为1cm且厚度为0.4mm。

计算机断层摄影方法和计算机断层摄影设备
技术领域
本发明涉及权利要求1的前述部分要求保护的计算机断层摄影方法，并且涉及权利要求7的前述部分要求保护的计算机断层摄影设备。
背景技术
在计算机断层摄影领域中，产生检查对象的大量数据记录，在利用图像重建的数据处理期间，这些数据记录被转化成计算机断层摄影设备的输出装置上的图像。对于图像重建，尤其利用的是迭代数学方法，其中在连续的数学近似步骤中产生图像。迭代图像重建交替地包括涉及高度计算能力的投影步骤和反向投影步骤，其中迭代重建方法尤其依赖于检查对象缓慢收敛。满足需要的图像结果所需的数学近似步骤的数目通常为3至10个。在获得具有期望图像分辨率的图像结果之前，不可能预测在迭代重建方法中将需要多少近似步骤。
发明内容
本发明的目的是以低复杂度确定重建方法过程中的图像分辨率。
根据本发明，通过权利要求1和7的特征实现该目的。
本发明提供了一种计算机断层摄影方法，其中对所提供的标记进行重建以便在图像重建期间确定图像分辨率。本发明还提供了一种计算机断层摄影设备，其包括用于支撑患者以将所述患者暴露于x射线辐射的患者台，其中在该患者台上设置用于在图像重建期间确定图像分辨率的标记。本发明以很小的计算复杂度使得在计算机断层摄影记录期间可能基于标记的图像分辨率确定待检查对象的图像分辨率，其中标记的分辨率可容易地确定。
在从属权利要求中描述了本发明的实施例。
所述标记还可设置在患者台上。于是所述标记随对象或患者进行相同的前进运动，并且连续呈现在所记录的图像中。
在一个实施例中，使用最大似然方法作为图像重建方法。已经证明了该图像重建方法结合本发明使用是有利的。
此外，借助于标记确定的图像分辨率可用于停止图像重建方法。仅在实现某一图像分辨率之前执行计算机断层摄影记录期间的图像重建，所述图像分辨率足以用于用户对计算机断层摄影图像的随后评估。因此，一般可缩短用于重建的计算时间。节省了宝贵的治疗时间，也增加了计算机断层摄影设备对患者的处理量，这是因为获得了快速结果，用户可以在短时间之后评估是否需要进一步x射线成像以增加图像分辨率，并且可以在得到了足够的图像分辨率时结束计算机断层摄影记录，而不用焦急地等待患者图像的漫长重建。
在一个实施例中，通过对标记的所重建的测量数据进行频率分析来确定标记的图像分辨率。为此，在重建单元中提供频率分析器，该频率分析器基于所记录图像数据的频率推论出标记的图像分辨率。
此外，标记可安装在患者台中。于是所述标记永久地集成，不会在患者台上滑动或丢失。
在一个特定实施例中，标记包括Plexiglas(树脂玻璃)。Plexiglas是容易形成标记的普通廉价且坚固的材料。优选Plexiglas和标记的周围环境之间存在高对比度。
在另一实施例中，标记包括塑料。塑料是容易形成标记的普通廉价且坚固的材料。优选塑料和标记的周围环境之间存在高对比度。
为了执行根据本发明的方法，至少两个标记平行于患者台取向，且至少两个其它标记垂直于患者台取向。于是这些标记彼此成直角地设置在患者台上。此外，已经证明了标记的直径为1cm且厚度为0.4mm是有利的。
附图说明
将参照附图中所示的例子进一步描述本发明，然而本发明不限于此。
图1示出了用于记录检查对象的图像的计算机断层摄影设备的部分示意图，该设备包括应用了标记的患者台。
图2a以举例的方式用方波曲线示出了测得值的密度分布曲线，并用正弦曲线示出的对应的重建的密度分布曲线。
图2b以较低的图像分辨率示出了图2a中所示的图。
具体实施方式
在图1中示出了计算机断层摄影设备的部分示意图，该设备包括台架1，该台架1承载辐射源20和探测器单元16并且可围绕平行于z轴的旋转轴14旋转。为此，电机2以优选恒定但可控的角速度驱动台架1。诸如x射线管的辐射源20固定于台架1。所述辐射源具有准直器装置3，其从辐射源20产生的辐射形成锥形射束4。射束4穿过示意性示出的患者台13，所述患者台通常由患者占据。一旦其穿过患者台3，射束4就照射固定于台架1的二维探测器单元16。射束4的张开角β(该张开角是位于xy平面边缘处的射束4的射线所包围的角)限定采集测量值过程中待检查对象(患者)必须位于其内的患者台13的宽度。携带有患者的患者台13可借助于另一电机5平行于旋转轴14或z轴的方向移动。
射束4的张开角α是位于旋转轴14和辐射源20所定义平面中的由射束4边缘处的射线所包围的角。张开角α限定了在围绕旋转轴14旋转期间射线所通过的检查区域的片段。
由探测器16采集的测量数据被传递到重建单元10，重建单元10由此重建射束锥4所覆盖的患者台13的那部分中的吸收分布，并且例如在监视器11上对其进行显示。由适当的控制单元7控制所述两个电机2和5、重建单元10、辐射源20、以及测量数据从探测器单元16到重建单元10的传输。
如此控制电机2和5，即，使得检查区域13的前进速度与台架1的角速度之比为恒定的比率，以便辐射源20和患者台13以螺旋路径或探测器路径(所谓的轨迹)相对于彼此运动。此处，是包括辐射源20和探测器16的扫描单元还是患者台13进行旋转和前进运动是无关紧要的，重要的只是相对运动。
在此处通过举例方式描述的具有辐射源20围绕患者台13的螺旋或圆形路径的记录中，产生记录数据，其在随后的图像重建方法中在重建单元10中被重建以形成患者的图像。
将示意性示为椭圆或圆并且为盘形或球形的标记15应用于患者台13。标记15可设置在患者台13上或者插入其中，并且位于患者台13的确定点处。至少两个标记15平行于患者台13的纵轴设置，并且至少两个其它标记15垂直于患者台13的纵轴设置。以这种方式检测对应方向上的图像分辨率。优选地，标记15的直径为约1cm，厚度为约0.4mm。标记15之间的距离为例如0.4mm。在图1中，在所有情况下两个标记15平行于以及垂直于患者台13的长轴设置。可以使用其它标记；优选地在所有情况下另两个标记15彼此相距5cm。标记15由高度适于通过x射线辐射检测的材料构成。尤其是，标记15相对于其周围环境具有高对比度，使得在x射线图像中在标记15和其周围环境之间的边缘处形成可清楚检测的边缘。标记15例如可由对x射线辐射并不是非常透明的塑料构成。因此，当在探测器单元16的方向上观看时在标记15后面检测到很少的辐射，而在标记15后面的标记15的周围环境中探测器单元16检测到大量x射线辐射。就这方面，应当参考图2a和2b的相关描述。标记15被射束4穿过并与患者的记录数据被探测器单元16记录。在重建单元10中，一方面为获得患者的图像，另一方面为获得标记15的图像，执行迭代重建方法。最后，基于所获得的标记15的图像分辨率，确定何时终止该图像重建方法。
迭代重建方法的一个例子是例如R.Gordon等的“Algebraicreconstruction techniques(ART)for three-dimensional electronmicroscopy and x-ray photography”(J.Theor Biol，第29卷，第471-481页，1970)中所描述的代数重建技术(ART)，将该文献引入本说明书中。例如在R.H.Andersen等的“Simultaneous algebraicreconstruction technique(SART)”(Ultrasonic Imaging，第6卷，第81-94页，1994)中描述了SART，将该文献引入本说明书中。
ART的基本思想是基于连续目标函数的不连续符号I以及由此计算投影数据。当计算机断层的计算投影数据和测得投影数据之间存在差别时，该不连续符号I变化。
假设测得投影数据p由X个视图p1...pX构成，其中从沿辐射源20和探测器单元16的螺旋路径的给定点记录一个单独的视图。
迭代步骤kk+1包括两个操作：
1、对于给定视图n(k)，投影数据p’根据估计图像I_k计算并与测得数据p_n(k)比较。(投影)
p′＝P_n(k)I_k             (1)
P_n(k)是视图n(k)的投影算子。
2、将估计图像更新为测得投影和计算投影之间的观察差的函数，这导致新的估计I_k+1。(反向投影)
I_k+1＝I_k+λ_n(k)·B_n(k)(p_n(k)-p′)      (2)
B_n(k)是视图n(k)的反向投影算子。
变量n表示从各个视图计算投影数据的顺序，写作公式n：。λ是显著性因子(significance factor)，其控制所述观察差的哪部分被反向投影以便获得最新的图像。
由于ART中的迭代步骤包括成对的投影和反向投影，因此修改代数重建技术(ART)以便同时使用不同的投影。这导致可在此处使用的同时代数重建技术(SART)。
在SART中，在写作公式的每个迭代步骤中，同时计算M个投影/反向投影。
1、对于所有j∈[0，...，M-1]，投影数据p′_j根据估计图像I_k计算，并与测得数据p_n(k+j)进行比较。(投影)
p ′ j = P n ( k + j ) I k ∀ j ∈ [ 0 , . . . , M - 1 ] - - - ( 3 ) ]]>
假设Δ_j＝λ_n(k+j)(p_n(k+j)-p′_j)         (4)
2、作为测得投影和计算投影之间观察差的函数计算估计图像，这导致新的估计I_k+M。(反向投影)
I k + M = I k + 1 M . Σ j = 0 M - 1 B n ( k + j ) Δ j - - - ( 5 ) ]]>
反向投影步骤中的因数1/M由如下事实导致：沿着探测器路径从不同角度记录的不同视图有时包括关于对象13的相同信息。可以执行其它迭代重建方法，尤其是最大似然方法。
与患者有关和与标记15有关的数据由探测器单元16记录，并且以所述方式在重建单元10中进一步处理。关于标记15，在重建单元10中确定在多少次迭代步骤k之后标记15得重建图像具有适当的图像分辨率。重建步骤k的数目通常为3-10。由于每个重建步骤k都需要高度复杂的计算，所以对小数目的重建步骤k特别感兴趣。然而，在现有技术中，没有确定重建步骤k的适当数目的解决方法；所用算法向一个值收敛的速度是未知的。因此利用标记15，其中可以以简单方式确定每个迭代步骤k之后在重建中所获得的图像分辨率。在一个示例中，通过对标记15的重建图像的图像数据进行频率分析确定图像分辨率。为此，在重建单元10中提供频率分析器，该频率分析器基于所记录图像数据的频率推出标记15的图像分辨率。一旦达到了所需的高图像分辨率，就终止用于产生患者图像的计算机断层摄影设备的重建方法。在这种情况下，就标记15的图像分率而言并且就患者台13上的患者的图像的图像分辨率而言，都获得了期望的结果。于是，计算机断层摄影设备的重建方法终止，从而在不基于标记15确定患者的图像的图像分辨率的情况下，确定在哪个时间点以及在哪个迭代步骤k之后可以在重建单元10中终止迭代重建方法。
图2a和2b通过举例的方式示出了记录在探测器单元16上的标记15测得数值的密度分布曲线，其中标记15导致均匀的方波曲线20，由此可以清楚地看到标记15。刻度最大为数值1，其中x射线辐射的最大检测为1，x射线辐射的最低检测为0。在0处，未检测到x射线，因为在这些点标记15在探测器单元16的方向上阻挡x射线辐射。因此在该示例中，选择对x射线辐射具有很低透明度的标记15，标记15的区域和周围环境之间的对比度非常显著，且在0值和1值之间的曲线跳跃处形成了可容易发现的边缘。此处，示出了五个标记15得密度分布曲线，相应地具有五个检测值的最小值，用数(-2，-1，0，1，2)表示。叠加在方波曲线20上的曲线21a代表已经应用了重建方法的探测单元16的检测值的方波曲线20。曲线21a的路线与曲线20的路线相似。最小值和最大值大致发生在相同的点，只是没那么显著；在图2a中，这些最小值和最大值大约位于0.3和0.7。调制深度(由曲线21a的重建最大值和曲线21a的重建最小值之差除以该差值的理想值定义)用作图像分辨率的判断标准。
可以看出，一旦已经为了获得标记15的图像而执行了重建方法(如曲线21a、21b所示)，就更难区分检测值的最大值和最小值，并且图像分辨率更差。在图2b中，曲线21b的最小值大致为0.4，最大值大致为0.6；在标记15的该重建图像中，图像分辨率相比于图2a中的图示减小了。基于曲线21a和21b，可以在重建单元10中基于所述曲线的路线确定标记15的图像分辨率。例如，在图2a的情况下，在给定数目的迭代重建步骤之后图像分辨率可能就足够了，而在图2b中，图像分辨率不够，并且执行至少一个进一步的迭代重建步骤以便获得重建图像的期望图像分辨率。该进一步的迭代重建步骤导致更高的图像分辨率，相应地对其进行测量和估计以便确定在该进一步的迭代重建步骤之后图像分辨率是否足够；如果不够，计算至少一个进一步的迭代重建步骤。一旦达到了期望的图像分辨率，并且超过了曲线21a、21b的最大值和最小值之间的给定阈值，就终止标记15的以及患者或对象的图像重建并且不计算进一步的迭代重建步骤。
标记15的记录数据在计算机断层摄影设备的记录数据中的位置并不总是已知的，因此在重建的记录数据中寻找。确定曲线21a、21b(代表标记15的重建的记录数据)的一种可能性是，产生与标记15的重建的记录数据的曲线21a、21b相似的曲线路线图案并且在重建的记录数据中寻找该图案。通过以步进方式比较该图案和重建的记录数据的各个点，如果所述图案与重建的记录数据之间具有高度相似性，则确了定标记15的曲线21a、21b的位置。可以通过互相关方法来确定所述图案与标记15的重建的记录数据的曲线21a、21b之间的相似性。一旦以这种方式找到了曲线21a、21b，就以上述方式测量重建图像的图像分辨率。