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專利名稱：噪聲抑制算法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的說來涉及計算機層析X射線攝影法(CT)成象，更具體地說，涉及CT系統(tǒng)中噪聲抑制的動態(tài)DC(直流)調(diào)節(jié)。
在CT系統(tǒng)中，X射線源投射出扇形射線，該射線平行地處在直角坐標系統(tǒng)的X-Y平面(叫做“成象平面”)上。X射線通過所拍攝的物體(例如病人身體)后照射到排成一行的射線檢測器陣列。發(fā)射出的射線的強度取決于物體對X射線的衰減。射線的衰減程度可從該射線檢測器陣列的每一個檢測器各自產(chǎn)生的電信號測出。要形成X射線透視圖就要分別探測各檢測器衰減測定值。
CT系統(tǒng)中的X射線源和該檢測器陣列，與龍門架一起在成象平面內(nèi)繞物體轉(zhuǎn)動，因而X射線與物體相交的夾角不斷地變化。在某一龍門架角度下從該排檢測器測定出的一組X射線的衰減量叫做一個“視域”。對物體進行一次“掃描”是由X射線源和檢測器轉(zhuǎn)一圈的過程中在不同龍門架角下獲得的一組視域組成的。
在一次軸向掃描的過程中，來自檢測器陣列的信號經(jīng)過處理構(gòu)成從物體掃描出的二維層片相應的影象。這個處理過程有時叫做影象重建。有一種影象重建法叫做濾波反投影法。這種方法將掃描得出的衰減測定值換算成叫做“CT值”或“H單位”的整數(shù)，用它來控制對應于陰極射線管顯示屏上象素的亮度。
當然，總希望能減小CT產(chǎn)生的影象中人為的圖象缺陷。這類人為的缺陷產(chǎn)生的原因有各種各樣，例如，到達檢測器的被衰減了的X射線太弱就是一種原因。這種狀態(tài)叫做X射線光子不足的現(xiàn)象。
有兩種人為缺陷一般與X射線光子不足有關(guān)。一種人為缺陷叫做“陰影”，這是CT值漂移引起的。CT值的這種大小懸殊的情況使拍攝出的影象看起來較暗或有陰影。另一種與X射線光子不足有關(guān)的人為缺陷是出現(xiàn)在兩個高度衰減的物體之間嚴重的條紋現(xiàn)象。在許多情況下，若出現(xiàn)X射線光子不足的現(xiàn)象，這些人為缺陷會嚴重到X射線光子不足的現(xiàn)象。這些人為缺陷會嚴重到X射線影象不得不作廢的程度。
為減少X射線光子不足造成的人為缺陷，對CT技術(shù)人叫進行培訓，使他們會選用合適的X射線源工作參數(shù)(千伏，毫安)和按病人的體型選取不同的層面厚度。此外還叫病人把兩臂放在掃描視域(FOV)之外以減少兩臂吸收不必要的光子。
然而，在許多情況下，X射線管的技術(shù)規(guī)范或其它條件限制卻使X射線源不能最優(yōu)化運行。此外，由于病人身體的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，對不同的體型和部位要選用不同的掃描方法，在這方面的考慮可能要花很多時間。采用如此費時的方法而降低處理病人的效率，這是我們所不希望的事。另外，即使力圖采用這種方法，有些病人卻不肯合作。例如，有些病人可能會不理會“兩臂擱頭上”的指示。
有人還提出過用自適應濾波法來校正任何X射線光子不足人為現(xiàn)象得出的投射數(shù)據(jù)。有了這些方法，就可以根據(jù)投射過程中的X射線光子通量“平穩(wěn)”進行操作?！捌椒€(wěn)化”操作通常是根據(jù)在某一通道及其毗鄰各通道檢測出的信號的大小調(diào)節(jié)在該通道檢測出的信號。這種“平穩(wěn)化”操作是逐個通道依次進行的，其目的在于消除陰影和條紋型的人為缺陷。由于受X射線光子不足影響的投影數(shù)據(jù)其百分率小，因而這種平穩(wěn)化操作對系統(tǒng)分辨率的影響極小。然而，這種平穩(wěn)化操作需要大量的計算。因此自適應濾波法因?qū)嵤┢饋頃岣呦到y(tǒng)的造價而得不到廣泛的應用。
所以需要有一個能經(jīng)濟實惠地消除光子不足情況引起的人為缺陷的方法。然而，消除這類人為缺陷不應因不同人體部位而采用不同的掃描方法，也無需依賴病人的合作。
本發(fā)明涉及基本上消除X射線光子不足引起的人為缺陷的一種算法。更具體地說，這種算法是先確定對應于某一視域的各組投影數(shù)據(jù)的任一通道的最小或最低光子計數(shù)值或光子通量。例如，每一個視域由來自852個通道的數(shù)據(jù)組成。各通道對應于檢測器陣列的一個檢測器。來自各檢測器的信號值相互比較以確定最小幅值信號。
最小光子計數(shù)值一經(jīng)確定，就可以校準投影數(shù)據(jù)。這種校準包括“空氣”校準和“基準”校準，前者用以校準各通道間因檢測器各通道間的增益不同而引起的任何變化。后者用以消除信號因X射線管輸出波動而引起的任何變化。
經(jīng)上述校準之后，對校準過的投射數(shù)據(jù)進行動態(tài)DC調(diào)節(jié)。對每一組投影數(shù)據(jù)，即對每一個視域，對各數(shù)據(jù)元進行的DC調(diào)節(jié)量是不變的。但每一個視域的DC調(diào)節(jié)量不同。對各視域的調(diào)節(jié)量足以有效地減小X射線光子不足的人為缺陷，但卻保持在最小量，從而限制了可能加到影象上的任何偏置。此外，DC調(diào)節(jié)量還受投射角的調(diào)制，從而進一步減小偏置的影響。投射數(shù)據(jù)一旦經(jīng)過上述動態(tài)調(diào)節(jié)之后就可以進行“負對數(shù)”運算和其它校準工作。
通過上述動態(tài)DC調(diào)節(jié)，基本上消除了本來因X射線光子不足引起的人為缺陷。這些人為缺陷的消除既無需對不同的人體部位采用不同的掃描方法，也無需要求病人進行超出目前要求的合作。


圖1是CT影象系統(tǒng)的示意圖。
圖2是圖1所示系統(tǒng)的方框原理圖。
圖3是與動態(tài)DC調(diào)節(jié)有關(guān)的一系列操作。
圖4是X射線掃描角的示意圖。
圖5是加權(quán)函數(shù)的一個實例。
參看圖1和圖2。計算機層析X射線攝攝影法(CT)系統(tǒng)10包括一個龍門架12，龍門架2是“第三代”CT掃描儀的代表。龍門架12的X射線源14將X射線16投射到龍門架12另一側(cè)的檢測陣列18。檢測陣列18由檢測元件20組成，這些元件一起檢測著透過接受醫(yī)療的病人投射來的X射線。各檢測元件20產(chǎn)生的電信號表示照射到元件上的X射線的強度，因而也表示X射線通過現(xiàn)人22體內(nèi)時引起的X射線信號衰減。在掃描獲取X射線投影數(shù)據(jù)的過程中，龍門架12和裝設在其上的各部件一起圍繞轉(zhuǎn)動中心24轉(zhuǎn)動。
龍門架12的轉(zhuǎn)動和X射線源14的運行由CT系統(tǒng)10的控制機構(gòu)26控制?？刂茩C構(gòu)26包括X射線控制器28和龍門架電動控制器30，前者給X射線源14提供電力和定時信號，后者控制著龍門架12的轉(zhuǎn)速和位置。控制機構(gòu)26中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)32對來自檢測元件20的模擬數(shù)據(jù)抽樣，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供以后處理用。影象重建器34接收來自DAS32經(jīng)抽樣和數(shù)字化的X射線數(shù)據(jù)并進行高速影象重建。重建后的影象加到計算機36的輸入端，影象即由計算機36存儲在大容量存儲器38中。
計算機36還接收操作人員通過有鍵盤的控制臺40輸入的指令和掃描參數(shù)。操作人員可以從有關(guān)的陰極射線管顯示屏42觀測經(jīng)重建的影象和其它來自計算機36的數(shù)據(jù)。計算機36用操作人員提供的指令和參數(shù)給DAS32、X射線控制器28和龍門架控制器30提供控制信號和信息。此外，計算機36還控制著平臺電動機控制器44，由該控制器控制電動平臺46將病人送入龍門架12中就位。具體地說，平臺46通過龍門口48移動病人22身體的各部分。
在將檢測元件20采集來的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成供顯示在顯示屏42上的影象數(shù)據(jù)的過程中，所進行的一系列操作包括執(zhí)行校準和校正算法等。具體地說，原始數(shù)據(jù)由DAS32轉(zhuǎn)換成數(shù)字投射數(shù)據(jù)，再由影象重建器34將投射數(shù)據(jù)進行校準和校正，應該可以從影象數(shù)據(jù)產(chǎn)生高分辨率的影象，影象中即使有任何人為缺陷的話也是很微少的。
在影象重建過程中，X射線光子不足引起的人為缺陷應該可以基本上從投影數(shù)據(jù)中消除。前面說過，這種X射線光子不足的現(xiàn)象是檢測元件20的X射線光子通量趨近0時發(fā)生的。這時，檢測元件20輸出的表示衰減的信號會變得非常低，甚至可能是負的。
當X射線光子噪聲分量充斥檢測輸出信號時，檢測器輸出信號的方差與所測信號(即光子檢測分量)成正比。設γ表示測定值(即光子檢測分量的大小)，則檢測器輸出信號方差可用(1)式表示σ2＝γ (1)忽略“負對數(shù)”校準步驟(這通常是確定投影數(shù)據(jù)的對數(shù)絕對值以消除任何檢測器的負信號)，則校準處理準確到一階的近似效果可用(2)式表示σ2y＝kγ (2)其中K為標度因子。這是因為隨機變量y＝g(γ)的一階方差估值為σy2=|g(γ)|2σ2----(3)]]>負對數(shù)校準對立差的影響為σz2=σy2/γ2=k/γ----(4)]]>關(guān)系式(4)表明，經(jīng)處理的投影數(shù)據(jù)(即衰減系數(shù)的線積分)與所測X射線光子通量成反比。因此，X射線光子通量趨近0(即X射線光子不足)時，方差變得非常大。減小這個方差，可以提高影象的分辨率。
上面說過，在X射線光子不足的情況下，檢測器的輸出信號可能變負。信號的這種負性是由于例如系統(tǒng)10電子設備的漂移引起的。鑒于失調(diào)漂移是始終影響每一個檢測器通道普遍存在的現(xiàn)象，因而當檢測出負信號或量級非常低的信號時，可以正向偏置整個投影數(shù)據(jù)集。
如此正向偏置整個投影數(shù)據(jù)集(即每一個構(gòu)成一個視域的通道信號)，這里稱之為DC調(diào)節(jié)。DC調(diào)節(jié)就是給投影數(shù)據(jù)集的每一個數(shù)據(jù)元加上一個常數(shù)。這個常數(shù)雖然不因各視域中(即各投影數(shù)據(jù)集中)各通道的不同而異，但還是要在每一個視域加以調(diào)節(jié)的。對常數(shù)進行的這種調(diào)節(jié)，這里稱之為“動態(tài)調(diào)節(jié)”。
圖3示出了進行這種動態(tài)DC調(diào)節(jié)應完成的處理步驟。具體地說，操作一經(jīng)在步驟50開始，DAS32就在步驟52從各檢測元件20采集信號，再在步驟54由DAS32將各檢測元件信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
經(jīng)數(shù)字化的投影數(shù)據(jù)由DAS32提供給影象重建器34，以后的步驟都由重建器34完成。具體地說，進行漂移校準和初始速率校準56是為了從數(shù)字化的投影數(shù)據(jù)消除任何因系統(tǒng)10的漂移引起的偏差和校正任何因檢測器20特性而引起的誤差。接著，在步驟58由檢測器檢測各投影數(shù)據(jù)集的最小或最低X射線通量。各視域由例如來自852個通道的數(shù)據(jù)組成。各通道對應于檢測器排18的一個檢測器20。只要將對應于各通道信號的數(shù)據(jù)元與各投影數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)元加以比較就可以確定最小值數(shù)據(jù)元。各投影數(shù)據(jù)集中最小值數(shù)據(jù)元的值為該投影數(shù)據(jù)集的最小X射線通量。
通常，最小通量應在影象重建過程中投影數(shù)據(jù)表示實際的X射線通量時確定。因此，最小通量不一定非要完成偏移和初始速率校正56之后即刻確定不可。但確定最小通量最好還是在“負對數(shù)”運算之前進行。
當然也可以不采用最小通量而采用其它如平均最小通量之類的值。平均最小通量可以通過求出若干最低值數(shù)據(jù)元值的平均值確定或由表示來自毗鄰各通道的信號的若干數(shù)據(jù)元的最小平均值確定。
各視域的最小通量值ζ一經(jīng)求出，就可以在步驟60進行其它校準，例如“空氣”校準和“基準”校準?！翱諝狻毙实淖饔檬切Ｕ队皵?shù)據(jù)因檢測器各通道的增益變化而引起在不同通道下的變化，“基準”校準的作用則是消除因X射線管輸出波動引起的任何信號變化。
以上各步驟中確定下來的最小通量可進一步加以處理(例如沿視域方向進行遞歸濾波)以減小各視域之間出現(xiàn)的波動。此外，為將最小通量讀數(shù)變換成DC偏移值，還得進行非線性變換處理。采用遞歸濾波主要是講求速度。其它濾波方案也可以采用。遞歸濾波對最小通量的影響為ζk＝α(ζ-b)＋(1-a)ζk-1(5)其中ζk為視域值k的最小通量，a和b為參ζk若大于0則取0值。
進行這些操作之后，進行步驟62；按(6)式對投影數(shù)據(jù)進行動態(tài)DC調(diào)節(jié)Pk＝Pk-ζkγWk(6)其中γ為換算系數(shù)，Wk為權(quán)因數(shù)。Pk表示視域值。由于一個視域中有許多通道(約852個)，因而Pk是矢量。
至于加權(quán)因數(shù)Wk，圖4示出了其與DC調(diào)節(jié)的依賴關(guān)系。之所以采用這個加權(quán)因數(shù)Wk是因為在多數(shù)情況下，條紋是在病人肩膀和骨盆部位的影象數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的。這兩部位的拍攝對象，其左右方向的長度都大于其前后方向的長度。此外，進行CT掃描時，骨骼密布的結(jié)構(gòu)是按左右方向就位的。因此(具體參看圖4)，(通過病人身體之后)衰減了的X射線，其通量比起X射線源處在位置2時的通量要小得多。所以對投影數(shù)據(jù)進行DC調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)量是作為視域角的函數(shù)進行調(diào)節(jié)的(例如，X射線管處于12點鐘的位置時視域角為0)。
圖5示出了完成這種調(diào)節(jié)的加權(quán)函數(shù)的一個實例。這些加權(quán)可用(7)式表示W(wǎng)(α)＝β＋(1-β)Sin(2a＋1.5π) (7)其中α是視域角，β是控制加權(quán)動態(tài)范圍的參數(shù)。當然可以采用其它加權(quán)函數(shù)。
為進一步減小信號的變化，在進行步驟62的上述動態(tài)DC調(diào)節(jié)之后，可進行靜態(tài)濾波。這種濾波只有當ζk低于某閾值時才進行。
經(jīng)如此操作之后，投影中的方并如下σ22≅σ2|(γ+C)2≅kγ|(γ+C)2>k|γ----(8)]]>然而，這在只進行DC調(diào)節(jié)的情況下是個不利因素。由于DC調(diào)節(jié)是在負對數(shù)運算之前進行的，投影會有誤差。這個誤差通常隨掃描數(shù)據(jù)DC調(diào)節(jié)量而增加。因此，DC調(diào)節(jié)應該只有必要時才進行，例如，當X射線光子不足人為缺陷的量超過預定閾值時。此外，DC調(diào)節(jié)量應保持最小限度。而調(diào)節(jié)引起的誤差是與通道有關(guān)的，產(chǎn)生這種誤差的頻率本來就是不高的。因此，這種誤差在X射線體層攝影重建過程的卷積濾波操作中會進一步壓縮。
投影數(shù)據(jù)在步驟62中一經(jīng)動態(tài)DC調(diào)節(jié)，就可以在步驟64對這些數(shù)據(jù)64對這些數(shù)據(jù)進行“負對數(shù)”和其它校準運算。這時經(jīng)處理的數(shù)據(jù)可以通過其它預處理和重建步驟進入步驟66的影象重建完畢階段。
處理步驟52-54、60和64是本技術(shù)領(lǐng)域眾所周知的。結(jié)合這些步驟采用上述動態(tài)DC調(diào)節(jié)，基本上可以消除原本因X射線光子不足引起的人為缺陷。重要的一點是，這些人為缺陷是無需對不同身體部位采用不同的掃描方法、也無需要求病人進行目前所需合作范圍以外的合作而基本上消除掉的。
從對本發(fā)明的上述介紹可以看出，顯然本發(fā)明的目的是達到了。雖然上面已對本發(fā)明進行了詳細的介紹和舉例說明，但顯然不言而喻，上述說明僅僅是舉例說明而已，不應視其為對本發(fā)明的限制。因此，本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍僅受到本說明書所附權(quán)利要求書中各條款的限制。
權(quán)利要求
1.一種計算機層析X射線攝影法系統(tǒng)(10)，用以根據(jù)掃描獲得的投影數(shù)據(jù)產(chǎn)生影象，投影數(shù)據(jù)以投影數(shù)據(jù)以投影數(shù)據(jù)集的形式采集，各投影數(shù)據(jù)集對應于一個視域，所述系統(tǒng)的特征在于，它按下列方式配置確定視域投影數(shù)據(jù)集X射線通量的最小值(58)；并按下式調(diào)節(jié)投影數(shù)據(jù)集的投影數(shù)據(jù)Pk＝Pk-ζkγWk其中ζK為最大通量的函數(shù)，γ為標度因子，WK為加權(quán)因數(shù)，PK表示視域值K(62)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，它還有一個X射線源(14)和檢測器陣列(18)裝在可轉(zhuǎn)動的龍門架(12)上，而且還有一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(32)與所述檢測器(18)聯(lián)接，用以將所述檢測陣列(18)輸出的投影數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述最小值X射線通量通過比較投影數(shù)據(jù)集的各數(shù)據(jù)元值從而確定最小值數(shù)據(jù)元確定。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，最小通量ζK的函數(shù)為ζk＝a(ζ-b)＋(1-α)ζk-1其中ζk為視域值k的最小通量，a和b為參數(shù)，且若ζk大于0則取0值。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，加權(quán)函數(shù)Wk為W(a)＝β＋(1-β)Sin(2α＋1.5π)其中α是視域角，β是控制權(quán)重動態(tài)范圍的參數(shù)。
全文摘要
一種用以消除CT產(chǎn)生的影象中的人為缺陷的系統(tǒng)(10)，針對X射線光光子不足情況產(chǎn)生的人為缺陷并按其一個實施例配置得使其可以確定投影數(shù)據(jù)集的最小值X射線通量(58)，并根據(jù)所確定的X射線通量動態(tài)DC調(diào)節(jié)投影數(shù)據(jù)(62)。
文檔編號G01T1/164GK1140283SQ9610617
公開日1997年1月15日 申請日期1996年4月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月28日
發(fā)明者J·許 申請人:通用電氣公司