使用圆加多弧轨迹进行圆锥射束体计算机断层摄影的系统和方法.docx

使用圆加多弧轨迹进行圆锥射束体计算机断层摄影的系统和方法专利名称：使用圆加多弧轨迹进行圆锥射束体计算机断层摄影的系统和方法技术领域：本发明面向一种通过圆锥射束体计算机断层摄影(CBVCT)重建图象的系统和方法，更具体来讲是面向一种系统和方法，在其中沿带有单个圆和两个或多个弧的轨迹来获取数据背景技术： 在Radon变换所有可能的应用中，应用在二维医疗和非破坏性试验成象技术方面的计算机断层摄影(CT)可能获得了最大的成功人们逐渐意识到在目前可用的二维CT中节省扫描时间的需求，并由此大大改善着它的功能性，在过去的二十年中一直在研究CBVCT的实施由Grangeat(P.Grangeat，“Mathematical Framework of ConeBeam 3D Reconstruction via the First Derivative of the RadonTransform”，Mathematical Methods in Tomography，Lecture Notes inMathematics 1497，G.T.Herman等，eds.，纽约Springer Verlag，1991，第66-97页)推导的中间函数在三维实体的投影与其三维Radon变换之间建立了一座桥梁，并且比以前已知的中间函数更易于用数字来处理。

随着在对用于精密重建的所谓数据充分性条件理解上的进展，已经提出了一些圆锥射束非平面扫描轨迹，例如二元正交圆轨迹、螺旋轨迹、正交圆与线轨迹、非正交二元椭圆轨迹、正交圆加弧轨迹，乃至一般的顶点轨迹相应地，也已经提供了在非平面扫描轨迹基础上重建三维对象的解析算法一般来讲，圆锥射束滤镜式反投影组象(FBP)算法可以使得圆锥射束重建在计算方面上更加高效，并且更易于在多处理机并行计算结构中实施因此，在实践中FBP圆锥射束图象重建算法是合乎需求的，而用于圆轨迹的Feldkamp算法(L.A.Feldkamp，L.C.DavisJ.W.Kress，“Practical-cone-beam algorithm，”J.Opt.Soc.Am.A，卷1，页612-619，1984年)是最早的实例显然，Feldkamp算法违背了数据充分性条件，并且仅仅在与圆轨迹平面重叠的中心面才存在无内在假影的精确重建，因此不得不牺牲中心面以外的某些精确度尽管是单独提出的，但是现有技术中的许多算法都具有一个共同的结构特征，即位移变量滤镜(SVF)后伴随有圆锥射束反投影在Feldkamp算法中仅仅采用了一维斜向滤镜(Ramp filter)，但是在位移变量滤镜中包含了二维操作的级联，例如加权，二维投影，微分和二维反投影。

SVF的复杂度(0(N4))比Feldkamp算法的一维斜向滤镜的复杂度(OfJ^logN))要高现有技术中许多算法具有的另一个重要共同特征是标准化冗余函数(NRF)，其适合于用源轨迹补偿投影面的多线交叉最近，这种算法已经扩展为一种更一般的情形，其中在满足数据充分性条件时包含一个任意的顶点轨迹显然，NRF是与数据获取轨迹相关的，并且在满足数据充分性条件下的数据获取轨迹中具有不连续性，但解析上它是可以适合于特定的数据获取轨迹乃至任意的顶点轨迹另一方面，由Hu(H.Hu，“A new conebeam reconstruction algorithm for the circle-and-lineorbit”，Proceedings of International Meeting on Fully 3D ImageReconstruction in Radiology and Nuclear Medicine，页303-310，1995年；以及H.Hu，“Exact regional reconstruction of longitudinally-unbounded objects using the circle-and-line cone beamtomographic system，”Proc.SPIE，卷3032，页441-444，1997年)提出的用于一个正交圆加线轨迹的算法在节省计算资源方面很有前景，因为采用了一个窗口函数而不是NRF，来根据沿线形轨迹获取的投影数据进行圆锥射束重建。

由于机械可行性，圆X射线源轨迹在所有现用的商业二维/三维CT系统中，仍是主要的数据获取几何形状基于一圆源轨迹，可以通过移动平台或者倾斜CT台架实施许多数据获取轨迹已经提供了一种正交圆加弧轨迹它具有其他“圆加”几何形状所无法取代的有益效果，尤其在需要手术中成象的图象导向干预过程的应用当中，要避免病人平台的移动另外，它可以很容易地在基于C-arm的成象系统上实现，所述系统近年来正被越来越多地应用于断层摄影术可以通过这样实现正交圆加弧轨迹，即在一圆台架上旋转一X射线源和一二维检测器的同时获得一组二维射束圆投影，然后在沿一个弧倾斜所述台架的同时获得另一组二维圆锥射束弧投影，所述弧与圆轨迹正交，并且以相同的半径与圆轨迹重合与圆加弧轨迹相关联的精密CBVCT图象重建算法并未以FBP的形式实现所述算法涉及的重组处理要求在Radon空间中存储所有信息，这使得CBVCT重建在计算上效率很低此外，弧子轨迹仅仅提供一次覆盖其Radon子域的信息，但圆子轨迹提供两次覆盖其Radon子域的信息在Radon空间中覆盖范围的失衡可能导致重建图象中的噪讯特性的不均匀性本发明的一个具体应用是在肺癌及其他恶性肿瘤的检测之中。

CT扫描在检测肺癌及其他恶性肿瘤时而使用的大部分胸部成象当中，都起着重要作用CT是无创的，易于执行，并且解释起来通常也是直观的在肺部肿块(原发性与继发性)的检测、原发性支气管癌的非侵入分段方面，以及在恶性肿瘤的主要并发症检测方面，特别是肺栓子和感染的检测，它或者是原始形态，或者是参考形态然而，现在的螺旋CT具有三个主要技术缺点首先，为了对整个肺部成象，螺旋CT扫描要求一次长时间的屏气或者多次屏气，这取决于切片厚度第二，切片厚度、覆盖范围及扫描时间之间的折衷设计为较薄的切片将增加扫描时间或者减少覆盖范围空间分辨率没有各向同性；贯穿平面分辨率受到切片厚度限制，并且比平面内分辨率低几倍第三，对于诸如整个肺部图象之类的大FOV，临床可用的平面上分辨率是受限制的，并且小于或等于1.0lp/mm(线对/毫米)胸部CT对于肺部癌肿是一种很有潜力的检测工具虽然基于传统X射线的检测程序灵敏度差，并且在经过外科治疗窗口之后才诊断大多数的癌肿，但CT以高潜在治愈率来扫描1厘米以下的显露小瘤检测CT的一项缺点是专一性差良性的次厘米小瘤是常见的(非钙化肉芽瘤、肺内淋巴结，肺不张的病灶区域)对次厘米小瘤后期发现的最佳诊断计算是不清楚的。

通用的切除术似乎是不切实际的可能的诊断计算包括评估所述小瘤增强作用、边缘特征和增长在所有这些情况中，需要对一个小型小瘤进行精确地描述虽然螺旋CT易于检测到这些小瘤，但是在精确地特征记述方面存在局部体平均问题因此需要提供一种具有次毫米各向同性分辨率的扫描系统和方法，这可以更好的表征这些小型小瘤的密度和尺寸精确的尺寸测量将允许短期的后续检查，以对增长进行评估虽然CT检测对于高危人口中的支气管癌可能是或不是临床有益的和经济上切实可行的，但是通常实施用于转移病变检测的胸部CTCT是在初始诊断时实施的，作为检测疾病的间歇监视器，并作为对已经检测出的、最初未切除的小瘤的后续检查在所有情况中，改进的检测和特征记述，尤其是对间歇增长的检测和特征记述，应该对临床有益以前已经报告了用于立体肺部成象的三种基于图象增强器((II)-based)的圆锥射束重建然而，除了II-CCD成象链的受限性能之外，由于使用了单圆圆锥射束截获几何形状以及由Feldkamp等人提出的相应近似算法，所有用于立体肺部成象的基于II的CBVCT都受到不精确重建的困扰所述用于立体肺部成象的、基于II的圆锥射束CT的最佳低对比度检测能力对于3毫米实体是10 HU。

发明内容从上可知，显然在技术领域存在一种克服上述现有技术中的限制的需要因此，本发明的目的之一是满足数据充分性条件，同时实现一个更平衡的覆盖范围本发明的另一目的是以计算高效方式来进行，其适于并行圆锥射束的重建为了实现上述目的和其他目的，本发明提供了一种用于根据沿单个圆和两个或多个弧来获得的数据重建图象的系统和方法提供了一种FBP图象重建算法，用于重建所述图象重建的效率是CBVCT在图象导向干涉过程中的应用的关健，并且在实践中要求具有统一噪讯特性的重建图象为了克服先前提及的圆加弧轨迹及其相关的基于Radon变换的图象重建算法的缺点，使用了一种圆加双弧轨迹和一种解析FBP圆锥射束图象重建算法直接结合了由Hu给出的圆锥射束投影的结果对于沿所述弧轨迹获得的圆锥射束投影(即，弧圆锥射束投影)，根据由Grangeat和反Radon变换建立的等式获得了一种解析重建解决方案该解决方案不同于已知解决方案，因为采用了一窗口函数而不是一NRP随着所述X射线源轨迹来补偿投影面的多线交叉由于其在Radon域中的支撑非常有限，因此本发明的窗口函数显著地减少了根据弧CB投影重建的计算量在医疗或者无损X线CT中被重建的大多数实体是纵向无界的。

因此，圆锥射束图象重建算法应该阐明这样一种切截问题为了解决所谓切截的圆锥射束投影，已经建议了若干方法已经被证实，一个满足扩展的数据充分性条件的感兴趣的有限区域(ROI)可以被精确地重建，不过有限的ROI稍微小于可以由一检测器扫描的ROI对于所述圆加双弧轨迹及其相关联的圆锥射束FBP图象重建算法，此处已经完成了对其的全面评价所述圆加弧轨迹具有用于在图象导向干涉过程中应用X射线CBVCT的其他“圆加”几何形状所无法取代的有益效果，其避免了病人平台的移动在这里提供了满足数据充分性条件的圆锥射束圆加双弧轨迹，以及用于重建纵向无界实体的滤镜式反投影组象(FBP)计算在所述圆子轨迹中，所述计算采用了Feldkamp公式和另一种FBP工具在所述弧子轨迹中，根据Grangeat公式获得了一种FBP解决方案，并且使用一种用于排除Radon域中的冗余的窗口函数显著地减少了重建计算所述计算的优点包括以下方面即使在三维重建中也仅仅实施了一维滤镜，仅仅要求可分离的二维插补来完成三维反投影，并且所述算法结构适于并行计算本发明具有以下特性和有益效果可以使用一平板检测器(FPD)本发明可以结合散射校正和感兴趣体积区(volume-of-interest，VOI)重建。

本发明可以用于医学成象、无损检验或者其他任何要求此类成象的目的在最佳实施例的重建算法中，所有分量都是滤镜后的反投影格式该图象重建算法比现有技术更加计算高效，并且适于并行的圆锥射束重建该计算可用于提供对一纵向无界的实体的精确重建最佳实施例的CBVCT重建是一个三维实体的衰减系数分布的三维矩阵在本发明中，所述数据是通过诸如一次拟螺旋扫描之类的一次扫描获得的为了实现最快速地扫描，可以使用一种简化扫描来满足数据充分性条件，例如仅仅在加圆扫描时倾斜第二组弧投影扫描(台架向外倾斜扫描)是可选的，用于改善图象质量可以通过减少弧上的采样率、或者通过在拟螺旋扫描期间仅仅使用一次台架向内倾斜加上一次圆扫描，来减少总采集时间当用于检测肺癌时，本发明提供以下具体的有益效果首先，本发明要求相对于螺旋CT短得多的体积扫描时间在单一体积扫描中，可以执行一次总体采集通过对每次体积扫描为1毫米切片厚度使用一个系数25，本发明相对于单环螺旋CT来讲可以改善采集效率假定对于一次整体肺部成象和1毫米切片扫描一个25厘米部分，本发明可以比单环形检波器螺旋CT快至少24倍，(对于具有0.5秒/分辨率的台架)比多环检波器螺旋CT快3至6倍。

快速地体积扫描消除了呼吸记录失真问题，例如由病人屏住他。