用于最小化图像伪影的方法以及医疗成像系统

摘要

本发明涉及一种在X射线系统中用于“截断校正”的方法，即，一种如果对象的部位不处于每幅投影图像的像场中则在对从不同的投影角拍摄的对象的投影图像进行重建时的校正方法。在此，光学地采集对象的表面，并且在投影图像的重建中用于完善缺少的图像数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在对由对象的多个从不同投影角拍摄的投影图像中重建该对象的断层造影图像时最小化图像伪影的方法，以及一种医疗成像系统。所谓的图像伪影是由于被检查对象的部位不处于每幅投影图像的像场(Bildfeld)中(所谓的测量场超出)而形成的。

背景技术

在医疗上使用的X射线计算机断层造影仪中，通过特殊的方法从不包含任何深度信息的正常X射线图像(因为其表示的是三维对象在二维平面上的投影)计算出对象的三维图像。在此，X射线管和X射线检测器围绕对象旋转超过至少180°，并且其中按照小的角度步长拍摄对象的投影图像。从这些数量充足的投影图像中，可以通过特殊的算法、如所谓的滤波反投影获得对象的三维数据组。一般地利用特别为此构造的计算机断层造影仪(CT)执行这种成像方法。

对于在患者身体上的图像控制的诊断的或外科的介入中的X射线拍摄来说，经常要使用允许对患者良好地干预的其它X射线设备，其中在介入期间要连续地拍摄正常的X射线图像。在此，受欢迎的是所谓的C型系统(C-Bogensystem)，其中X射线管和X射线检测器被设置在可以自由围绕患者移动的C型的相对设置的臂上。在需要时也可以利用这种C型系统产生患者的三维断层造影图像，因为C型同样可以围绕患者来回移动大约180°。不过，在此经常出现这样的问题：X射线检测器相对小、特别是比在通常的计算机断层造影仪中的更小，因此在个别的投影图像上截断了对象的部位，即不再出现在每幅投影图像的像场中。这点在将投影图像重建为三维断层造影图像中导致了伪影，因为身体的这些部位对于一些投影图像有贡献、而对于其它的投影图像则没有。

已经提出了用于对这种被截断的投影图像进行校正的方法(所谓的“truncation correction”，截断校正)，这些方法基本上通过下列方式减小了图像伪影：对在其上图像质量由于像场末端突然下降为零的级(Stufe)进行衰减。即，例如通过图像质量的线性外推或者其它缓慢的下降而将被截断的投影图像完善到零，并将该完善后的投影图像用于重建。这种方法例如在B.Ohnesorge等人，“Efficient correction for CT image artifacts caused byobjects extending outside the scan field of view”，Med.Phys.，Vol.27，no.l，pp.39-46，2000和R.R.Galigekere and D.W.Holsworth，“3D Reconstruction fromTruncated Rotational Angiograms using Linear Prediction of view”，Proceedingsof MICCAI 2003pp.126-133，2003以及这些文章引用的参考中公开。不过，利用该方法尽管可以减小图像伪影，但是不能进行最佳的校正。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种方法和一种成像系统，利用其可以最小化由于对象的部位在个别投影图像中被截断而形成的伪影。

按照本发明的方法，借助于光学传感器采集被检查对象、例如患者的表面。然后，将该光学采集的表面在重建投影图像时用于完善缺少的图像数据。

本发明基于这样的认知：如果了解被截断的对象部位有多大以及其具有何种外形，则可以极大地改善对被截断的投影图像的重建。由此，尽管还不知道图像厚度如何，即，在投影图像是X射线照片的情况下不知道对象的该部位具有何种X射线吸收特性，但是，可以根据一种优选的实施方式进行估计。例如，在X射线图像中假定被截断的部位是由等效于水的材料组成的就能给出良好的结果。根据另一种实施方式可以将在投影图像中成像的对象部位的X射线吸收特性延伸到被截断的部位。

优选地，在投影图像的重建中根据光学采集的表面重建在像场之外的对象的外边界。

优选地，从采集的对象表面中建立表面模型，将该表面模型在投影图像的重建中用于代替所测量的表面。这点减小了计算时间，因为表面模型将表面例如模型化为三角形的依次排列，因此具有更小的数据密度。

本发明也是针对具有用于采集对象表面的光学传感器以及用于将投影图像重建为断层造影图像的计算装置的医疗成像系统，其中，将所采集的对象的表面用来完善缺少的图像数据。重建可以根据上面描述的方法来进行。

优选地，该医疗成像系统是X射线C型系统，其包括X射线管和X射线检测器，两者被固定在一个可以围绕对象、特别是患者移动的C型上。尽管下面针对C型系统描述本发明的优选实施方式，不过本发明也可以有意义地应用在计算机断层造影仪中。

优选地，用来采集表面的光学传感器同样被固定在C型上。不过，作为替换也可以将该光学传感器固定或移动地设置在检查房间中、例如固定在天花板上或者可以移动的三脚架上。

优选地，C型和光学传感器的坐标系在空间上相互校准，从而已知所采集的对象表面和对象的投影图像之间的空间关系。如果光学传感器被固定在C型上，则这种校准在制造成像系统时就已经可以进行，否则可以在拍摄投影图像之前进行这样的校准。如果光学传感器和成像系统的坐标系没有相互校准，则也可以利用所拍摄的对象的投影图像来记录对象的所采集的表面或表面模型，即，随后确定所拍摄的投影图像和表面之间的空间关系。为此，可以使用现有技术中公知的任意一种记录方法，以便直接或者间接地使得表面模型与所拍摄的投影图像一致。不过，特别优选的是使用下列的“双重重建方法”：为此，从所拍摄的投影图像中重建出对象的临时断层造影图像，其中可以采用对被截断投影图像进行校正的公知方法。从该临时断层造影图像中提取出对象的表面，例如同样作为三角形模型。然后，利用由光学传感器采集的表面或者与之对应的表面模型、通过3D-3D记录在空间上相互地记录该表面或表面模型。这种3D-3D记录方法对于本领域的技术人员来说是公知的。由此，此时已知了位于像场外部的对象部位的规模和形状。这样，利用该知识以及必要时关于被截断部位的X射线吸收关系的统计假设，就可以按照改善的“截断校正”执行精细的重建。

可以将不同的方法用于光学表面采集。光学传感器优选地包括一个光源和至少一台摄像机。这类光学传感器例如可以从3D-SHAPE GmbH(有限责任公司)获得，并且其是以条纹图(Streifenmuster)的投影为基础的。该条纹图通过一台投影仪从第一方向上投影到待采集的对象上，并且从另一个方向利用摄像机进行观察。根据被观察对象的形状，条纹对于摄像机来说或多或少地出现变形。从条纹的变形也可以反推出对象的形状。通常，对多于3个条纹图进行投影，其中该条纹的强度采用正弦变化。为了同时对对象的两侧进行采集，可以设置第二摄像机。

例如在DE 10258130A1中描述了这种用于光学表面采集的方法，也被称为形状采集。该文献的公开内容被引入到本发明的中请中，该文献还描述了另一种被称为“Shape from Shading”(由描影法定形)的方法。在该方法中，从图像中亮度的变化推断出被成像对象的形状。例如，如果观察一幅面孔的照片，则确定亮度起伏，尽管可以假设皮肤的反射系数很少发生变化。该亮度起伏更多地是如下形成的：表面的一定部位这样取向，使得其向摄像机辐射比其它部位更多的光线。如果光源的光线垂直地落在表面上，则亮度最大，在条纹形的入射时亮度最小。从这种不同中可以确定出轮廓。

在US 6590669和EP 0372241B1中描述其它对物体进行光学形状采集的方法。对于本发明的成像系统和冲撞保护方法来说，原则上可以采用任何适用于采集光学表面的光学传感器系统以及方法。特别优选的是上面提到的3D-SHAPE GmbH的系统，其中，利用条纹图照亮待测量的对象、即这里的患者(见www.3D-shape.com)。由于对于本申请的目的来说，被测量的表面仅仅具有相对粗略的分辨率就足够了，因此可以在一个从一秒或数秒直至大约一分钟的时间间隔内对患者表面进行采集。

如果表面采集足够迅速，则也可以用来识别在拍摄期间是否发生了明显的患者移动，因为在这种情况下的拍摄不能用于断层造影的重建，有意义的是中断拍摄以节省辐射剂量。

附图说明

下面对照附图对本发明的优选实施方式进一步示例性的说明。图中：

图1表示一种C型系统的示意图，该系统适合于实施本发明方法的实施方式；

图2表示通过带有患者的X射线系统的示意性截面图；

图3表示带有表面模型的患者的示意图。

具体实施方式

下面，以X射线C型系统为例对本发明进行描述，该C型系统中透视的区域22比患者18更小。在图1中示意地示出了这种C型系统1。在此，X射线管4和X射线检测器6被相对地固定在C型2的末端上。该C型2又是可以移动地悬挂在支架8上，并且可以由此自由围绕患者卧榻16移动。通过C型2围绕卧榻16的转动，可以从不同的投影角出发对位于卧榻上的患者18进行透视。用20标记出了扇形或锥形的X射线束的辐射路径。从图中可以看出，对于拍摄整个患者18的图像来说检测器6不够大。更多时候患者的部位23不处于X射线扇面之内。

在图2中更显著地示出了该测量场超出的问题。在图的中央将患者18的截面示意地作为椭圆示出。此外，还示例地标出了三个扇面20，它们分别从X射线管4延伸至X射线检测器6。可以看出，只有较小的区域22实际上位于所有X射线辐射扇面内。然而，外部区域23至少在一幅(不是在所有的)投影图像中被截断。因此，对于该测量场超出仅仅提供了不完全的扫描值，这导致了整体上“不完全”的重建问题。

回到图1，为了解决该问题，在C型上固定了摄像机26和投影仪24。这两个共同构成光学传感器的设备，也可以作为替换地设置在检查房间的天花板上或者其它可以随意看见患者18的位置上。正如更上面所述的那样，投影仪24用光学条纹图照射患者18。由摄像机26对该条纹图的变形进行检测，并从中测量出患者表面28的形状。在所示出的例子中，光学传感器可以与C型2一起围绕患者转动，以便从所有侧面对该表面28进行拍摄。

然后，通过将该采集的表面28利用C型臂的坐标系进行记录，可以精确地确定测量场超出23(即未处于每个投影图像的像场内的患者部位)的规模和形状。然后，通过对该组织X射线吸收特性的一定的假设，例如从其它投影得出或者通过假设等效于水的特性，可以对被重建断层造影图像进行最佳的校正。重建例如在C型系统的控制计算机10的计算模块12中进行。随后，可以将校正后的断层造影图像在荧光屏14上显示。

按照一种优选的实施方式，从采集的表面中建立患者的表面模型。这点示例性地在图3显示出，其中，通过椭圆30分别简化地为患者18的外围建模。内部待重建的区域22示例性地在一个椭圆的内部示出。测量场超出23的范围延伸到患者躯干的内部。此外，还可以通过表面采集来采集患者臂膀的直径，并且将其表面通过另一个椭圆30建模，其同样包括患者的一个被截断的部位。这样，利用通过椭圆30支撑的面积可以将所测量的图像数据有意义地完善，其中同时对在该区域中的吸收特性进行假设。

由此，本发明提出了一种“截断校正”的迅速、精确且简单的可能性。