专利名称：相衬锥束ct成像的制作方法
技术领域：
本发明涉及相衬成像，特别是使用同轴全息的技术的相衬成像。
背景技术：
在过去几十年间，相衬方法在X射线成像领域得到了快速发展。 通常，X射线通过仅获得物体的衰减系数图来对物体进行成像，而相 衬成像同时使用相位系数和衰减系数对物体进行成像。因此，在投影 图像中，相衬成像可以分辨一些具有与周围环境相似的衰减系数但是 具有不同相位系数的结构。在大多数情况下，相村成像还由于其相干 性和干涉性，是一种边缘增强的成像技术。从而，可以很容易地确定 小结构内的边界。相衬是一种特别适于弱衰减情况下的很有前景的技 术，在这种情况下的当前的基于衰减的X射线CT图像不能显示足够 的分辨率或对比度。因而，这种方法可以作为常规X射线成像失败时 的替代选项和/或提供额外的信息。
通常，相衬方法可以被分成三类。第一，X射线干涉测量法，直 接通过干涉计测量投影的相位。第二，衍射增强成像(DEI),沿着 轴向测量相位梯度。这两种方法不仅需要同步加速器作为相干单色X 射线源，而且还需要相对复杂的光学设置。第三，同轴全息术，主要 测量投影相位系数的拉普拉斯算子(Laplacian)。在这种情况下，可 以使用一种具有多色X射线谱的微焦(micro-focus) X射线管。用于 同轴全息术的光学设置可以被布置成像常规的X射线锥束CT(CBCT )或微CT那样。这些优点使得它成为实际应用的一种很有前 景的技术。
对于使用相衬投影的重建方案已经进行了一些研究。在DEI和同 轴全息术的情况下，由于不能直接测量投影相位，会有两种重建。第 一种是首先获得投影相位系数，然后对目标区域中的每个点重建局部 相位系数。第二种是直接重建其他相关量例如局部相位系数的梯度或 拉普拉斯算子，而不是获得原始的相位系数。
发明内容
因此，本领域需要将该同轴方法结合到当前的CBCT或微CT系 统中。因此本发明的一个目的是提供这种系统。
为了实现上述和其他目的，本发明提出了一种使用相位系数而不 是仅仅使用衰减系数来成像物体的锥束方法和系统。本发明可以分辨 一些具有与周围环境相似的衰减系数但是具有不同相位系数的结构。 相衬成像还是一种边缘增强的成像技术。因而，可以很容易地确定小 结构内部的边界。
本发明将该相衬同轴方法结合到当前的锥束CT ( CBCT)系统中 来。从同轴全息术的干涉公式开始，可以进行一些数学#￡定，从而可 以将该干涉公式中的项近似表示为一个线积分，这是所有CBCT算法 的需要。所以，CBCT重建算法例如FDK算法可以被应用到同轴全息 术投影中，伴有一些数学缺陷(imperfection)。
假定使用点X射线源和高分辨率检测器以进行计算机模拟。锥束 CT成像的重建被研究。结果显示，该数字幻象(numerical phantom ) 中的所有损伤都能被观察到增强的边缘。然而，由于该同轴全息投影 的边缘增强特性，该重建图像具有各种条紋伪像(artifacts)和数值误 差。可以通过在滤波过程期间使用哈明(Hamming)窗来改善该图像 质量。在存在噪声的情况下，该同轴全息投影的重建显示出比通常的 CT重建更清晰的边缘。最后，它定性地显示出优选地使用较小的锥 角和弱衰减。
在以下美国专利中^^开了相关的系统和方法6987831号， "Apparatus and method for cone beam volume computed tomography breast imaging" ; 6618466号, "Apparatus and method for x-ray scatterreduction and correction for fan beam CT and cone beam volume CT"; 6504892号,"Apparatus and method for cone beam volume computed tomography using circle-plus-multiple-arc orbit ，， ； 6480565 号，
"Apparatus and method for cone beam volume computed tomography breast imaging" ; 6477221号， "System and method for fast parallel cone-beam reconstruction using one or more microprocessors', ; 6298110 号，"Cone beam volume CT angiography imaging system and method"; 6075836 号， "Method of and system for intravenous volume tomographic digital angiography imaging";和5999587号，"Method of and system for cone-beam tomography reconstruction"。 这里通过引用 将它们的全部内容结合到本说明书中。这些专利中公开的技术可以用 于与这里公开的技术相结合。
参照附图，将具体给出本发明的一个优选实施例，其中 图1是显示了用于相衬同轴全息成像的总体方案的示意图； 图2显示了在2D平行情况下，投影方向垂直于导数(derivative) 方向；
图3A和3B显示了重建切片；
图3C-3F显示了沿着图3A和3B中的虚线的剖面图4A-4D显示了将泊松(Poisson)噪声施加到该投影的重建；
图5A-5D显示了锥角对边缘增强的影响；和
图6A - 5D显示了衰减对边缘增强的影响。
具体实施例方式
下面将参照附图具体给出本发明的 一个优选实施例，其中在全文 中，相似的数字表示相似的部件或步骤。
同轴全息术的结构与当前的乳房X线照相术或锥束CT方案一样 简单，如图l所示。^鼓焦X射线源102被;汰置成与物体104相距距离 Rl,该物体与检测器106相距距离R2。锥角应当覆盖所关注的整个区 域。处理器108从检测器106接受检测数据并且执行以下所述的计算 以产生图像。在X射线技术中， 一种材料的折射率n通常被定义为 —+ w (1)
其中S对应于相位变化，(3与衰减相关。(物理上，S与该材料内 部的电子密度成比例，它通常比p大103到104倍)。因此，当空间相 干单色X射线束射穿一种材料时，它的振幅和相位将被改变。这些变 化由以下传输函数表示
r(x，力-乂(JC,力eWw) (2)
对于有限厚度的物体，归一化振幅由下式给出
爿0，力-expL-」2
其中
力=爷JV (4乂 z)必，
相位由下式多会出 力=J- J《Oj， z)血
(3)
(4)
(5)
等式(4)和(5)这两个线积分的被积函数在通过该物体的整个 传播长度上被积分。应当指出，当X射线束经过非均匀物体时，会出 现折射和衍射效应。因而，上述线积分可能不是严格精确的。幸运的 是，已经发现，如果
<formula>formula see original document page 7</formula> < (6)
其中T是该物体的最大厚度，k是被成像物体中的最细微结构大
小，那么可以认为该物体是"薄的"，并且可以认为该X射线束是沿 直线传播。
在 Wu和 Liu的论文中 (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))，给出
了同时使用衰减和相位系数的同轴全息投影的公式。在理想点源的情 况下得到了关键结果，显示根据近似
该检测的强度图像表示为<formula>formula see original document page 8</formula>
其中该110定义为原始束强度，M是放大因子，人是X射线波长， u是空间频率，A 是衰减的幅度，小是投影相位系数。
在CBCT或微CT成像中，典型值是M-2，人=3xl(T"m (对于 40keV)， R2 = 0.5m, u小于2xl04m"(对于50|^im的4企测器像素大小)。 从而满足了该近似不等式(7)。我们可以在公式(8)中清楚地看到， 括号中的第一项与衰减效应相关，其通过正常的X射线成像检测，而 第二项与相衬效应相关。应当注意到，在拉普拉斯算子中，投影相位
(H皮乘以振幅Ao2。从而，衰减系数将影响该相位部分所产生的效应。 实验数据还证明，在弱衰减材料中，相衬效应是清晰可见的，而在强 衰减材料中，相衬效应几乎4企测不到。
记住(bearing in mind )该同轴全息投影公式，在一些数学处理之 后，常规的CBCT重建算法可以应用这些投影。众所周知，例如FDK 或Radon变换的算法是基于局部衰减系数的线积分的。因此，如果根 据该同轴相衬投影中的曝光强度表示可以发现某种类型的线积分，那 么还可以应用FDK算法。但是公式(8)不是线积分。
将公式(8)重新写为
<formula>formula see original document page 8</formula>
考虑该方括号中的第二项，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的项在公式(10)中可以忽略。也就是i兌，
<formula>formula see original document page 8</formula>
然后公式(8)被简化为
<formula>formula see original document page 8</formula>
如果对/>式(12)两边取对lt,则衰减部分和相位部分可以分离为
'10,
卜lw
(13)
在方括号中，小通常是大约IO1。从而，对于50pm的检测器像素 大小，拉普拉斯算子通常不大于约109m—2。假定XR2是大约1(T"m2，
则第二项1^^<<1。公式(13)变为 2;rM
广
In
—l + lnW^V》(;c,力. (14)
右边第一项)i(x, y)是线积分，而第二项不是线积分。为了简单起 见，现在考虑纯相位幻象2D平行束重建(|i = 0)的情况。现在该投 影仅仅是一维的，该2D拉普拉斯算子被简化为1D二阶导数运算。 如图2所示，投影方向(沿y轴)垂直于导数方向(沿x轴)。因此 可以将该二阶导数运算符移动到该被积函数中。以这种方式，
就变成沿着S(x, y)的二阶导数的y轴在该2D幻象内每个点的线积分， 如7>式(15 )所示
f!^丄f丄』，,、丄丄
改2广、wj 丁f""^办' (15)
因而，该后才殳影算法可以;故应用到该平行束结构中。然而，应当 注意到，当以不同角度照射该幻象时，每个投影的二阶导数取自不同 方向。也就是说，当以不同角度进行该投影时，在每个点重建的数量 是变化的。但是对于当前的后投影算法，已知当获得整组投影时，这 些值在整个过程期间应该是固定的。直观地，可以考虑该重建数量是 5(x,y)在所有方向上的二阶导数的均值，而不是该拉普拉斯算子本身。 以这种方式，该后^:影算法应该仍然可用。
在扇形束或锥形束的结构中，公式(15)不再有效，因为该二阶 导数方向通常不垂直于每个X射线束的传播方向，该幻象沿着该传播方向被投影。尽管如此，如果该扇形或锥形角度减小，那么所有的X 射线束都会被认为近似垂直于该检测面。然后，该检测的强度会近似 于投影的二阶导数。因此，虽然该重建的质量较差，但该后投影算法 仍然可用。
总之，运行该算法后的结果近似为线积分，该线积分包括两个部
分投影的衰减系数iu,和在所有角度位置上平均的相位系数5的投影 拉普拉斯算子。所以可以通过当前的重建过程来处理该同轴全息投影。
检测器像素大小的需求由相衬成像方案的分辨率决定。有两个影 响该分辨率的主要因素。 一个是线性传播的有效性。根据公式(6), 对于微CT的典型值，例如当前的微CT应用中的X 3xlCT"m (40keV) 和T 0.02m,该分辨率几乎等于2|iim。第二个因素是在相衬理-论中使 用的近似，如公式(7)所述。对于M 2， X~3xl(Tnm和R2 0.5m, 公式(8 )得出u 2.5xl05m"，即该分辨率远小于4|am。从而有理由 假定该分辨率为Z.SxlO5!!!-1的大约十分之一，这就意p木着4企测器^象素 大小为40 - 50,。
同轴全息术的X射线源必须是空间相干的。不需要时间相千。也 就是说，多色源仍然是适用的。空间相干性越高，相衬的结果就越好。 在大多数论文中，空间相干性由相干长度表示
为了获得较大的Le。h，需要较小的焦点尺寸(小s)和较大的源 到物体的距离(大R!) 。 X不应该太大。否则，就不能满足投影近似， 即等式(6)。理论上，该相干长度必须大于要成像的最细微结构。 侈寸^口， ^口果入=3xlO—Um(40keV) , R！ = 0.5m, Lcoh = 25jam ( 201p/mm, 根据等于放大因子M的检测器像素)，那么焦点尺寸s就应该不大于 1.5pm。理论和实验已经证实，虽然Lc。h小于要成像的最细微细节的 尺寸，但是相衬效应将仍然质量较差。这意味着，最小的微CT焦点 尺寸即大约10(im应该足够小以用于相衬成像。
在这种模拟中，假定使用理想的点X射线源和使用50(am的检测 器像素尺寸。
为了将相位系数结合到模拟中，设计了一种改进的Shepp-Logan幻象以用于锥束CT几何结构。所有几何参数均与等于因子的参考15 相同，从而使得最大的椭球的最长轴为18.4mm。 P和S的大小根据它 们的物理特性进行估计。根据参考12， 3~AV￡/9￡,其中它们
的比值为
经典的电子半径大约是l(T15m。对于能量40keV的X射线光子， 波长X大约为10—"m。对于室温下的水，电子密度是大约103()111-3(对 于每个分子10个电子，近似为1 mol的水占用18cmS的体积并且具有 6xl()23个分子)。可以估计，(3大约是l(T11 ~ l(T12， S是大约10—7 ~ 10—8。
在CBCT和微CT成像中，X射线光子能量范围从20keV到 100keV。因而，S和P的比值为大约103到104。在这种模拟中，S被选 择为比(3大5000倍。
锥束CT重建被模拟以评估FDK算法与同轴全息投影的应用。该 模拟参数在表1中显示。
表1:相衬锥束CT重建的模拟参数
光子能量20keV
源 - 物距离0.5m
源-检测器距离l.Om
虛拟检测器像素尺 寸(50 —3
投影数量360
重建体素尺寸(50 —3
重建维度400*400
扇形角30
图3A - 3F示出了锥束重建图像和在y=-0.25mm处的冠状切片的 剖面图。图3A显示了一个简单斜坡滤波器的重建，该图像显示了明 显的放射状条紋伪像和数字失真。原因是该相衬投影本身具有边缘增 强的特性，而斜坡滤波器倾向于放大高频成分。为了抑制高频部分和 减少伪像，在该滤波过程期间除了该斜坡滤波器之外还添加哈明(Hamming)窗。如图3B所示，在重建图像中，边缘增强^f皮减少了 一点，但是伪像几乎看不到了，并且剖面看起来更平滑和更好。为了 更好地表明该边缘增强，将衰减系数选择为水的大约三分之一。稍后 将讨论更强衰减的情况。
图3C和3D分别显示了沿着图3A中的虚线的水平和垂直剖面图。 图3E和3F分别显示了沿着图3B中的虚线的水平和垂直剖面图。相 对平滑的曲线是用于比较的数字幻象的。
通过向该投影施加泊松噪声来研究噪声对于重建的影响。原始X 射线量被设定为5xl(^光子/像素。对y=-0.25mm处的冠状切片和 x=0.0369mm处的矢状(sagittal)切片都进行研究。图4A和4C是正 常的CBCT重建图像。它们有很多噪声并且很模糊以致于其中的小结 构的形状变形并且很难从背景中分辨该边缘。然而，在图4B和4D中， 对于同轴全息投影的重建，所有小结构都可以清楚地观察到增强的边 缘。在矢状切片中，由白色箭头标记的结构在正常的CBCT图像中不 能看到，但是在相衬CBCT图像中可以看到。
由于相衬效应而产生的边缘增强的程度由多个因素确定。为了与 目前的CT技术相比较，下面定性地讨论锥角和衰减对该边缘增强效 应的影响。
上述研究中的完全锥角被设定为3。。如上所述，较小的锥角是对 于该相位项的线积分的更好近似，而较大的锥角将降低该重建中的边 缘增强。为了研究锥角对于该重建的影响，固定该物体位置和虛拟检 测器像素尺寸，而调节源-物距离以获得不同的锥角。重建该切片 (y=-0.25mm)并且画出水平中心剖面以进行比專交。分别对四个不同 锥角的重建进行4企查，如图5A-5D所示，对于3°、 4°、 6。和8°的锥 角；很清楚，当该角度变大时，边缘增强被降低。当完全锥角是6° 时，边缘增强仍然可见。在8。时，几乎没有实现增强。
在前面的模拟中，衰减系数被设定为很低以便清楚说明该边缘增 强。这里考虑更强衰减的情况。在这种模拟中，所有其他的模拟参数 都与之前相同，除了衰减系数和被扫描物体的相位系数。它们对于不 同的衰减水平被增加。因此相应调节相位系数以保持比率S/(3与之前不 变。为了说明该衰减有多强，计算第一投影(零度)处的最小检测幅 度(对应于最大衰减)。该值一皮归一化为入射的X射线强度，并且一皮用作该衰减强度的测量。在图6A-6D中示出了衰减对于边缘增强的 影响，其中子图(subplot)中的衰减测量分别为0.835、 0.715、 0.511 和0.369。这表明，边缘增强效应随着衰减增强而降低。值0.835被用 于前面的模拟中。值0.511与由大约40keV的X射线能量处的水构成 的幻象相关，并且增强仍然可见。但是在0.369时，该增强可以忽略。
对于一个较小的锥角，同轴全息投影可以被近似表示为线积分， 其包括两项投影衰减系数和相位系数的投影拉普拉斯算子。当前的 CT技术仅能检测第一项。仅当该X射线源是空间相干并且该检测器 分辨率较高时，才能观察到该第二项。FDK算法可以被应用到锥束结 构中的同轴全息投影数据的重建。由于相衬成像的边缘增强特性，在 滤波步骤中需要哈明窗以抑制高频成分。否则，该重建将显示明显的 伪像和数值误差。当应用该相衬方法时，该重建图像中的所有结构以 增强的边缘为边界。在有噪声的情况下，边缘增强的优点是非常突出 的。在正常的CT扫描中，该小结构被模糊，它们的边缘不能清晰辨 识。但是，在相衬效应的情况下，所有该小结构都具有清晰的边界。 锥角尺寸和衰减的影响也被显示。结果显示，该锥角或衰减越大，边 缘增强效应就显示越少，这就验证了理论分析部分中的评论。对于具 有与水相似的衰减的大约2厘米尺寸的幻象，如果以小于5。的完全锥 角来扫描，仍然可以清晰地看到该边缘增强。总的来说，在实践中， 该相衬技术在微CT或小动物成像中是非常有前途的。
虽然上面公开了 一个优选的实施例，但是阅读了本说明书的本领 域技术人员将会很容易认识到，在本发明的范围内也可以实现其他实 施例。例如，数值的值比限定更有i兌明力。而且，本发明可以在任何 适当的扫描设备上实现，包括波束发射器、平板或其他二维检测器或 其他适当的检测器、和按照需要相对移动二者的托架的任意适当的组 合，以及用于处理该图像数据以产生图像的计算机和适当输出(例如 显示器或打印机)或用于该图像的存储介质。用于执行本发明的软件 可以在任意介质上实现为任意适当的格式，例如，物理介质如 CD-ROM或通过因特网或内联网的连接。因此，本发明应当被解释为 仅由所附的权利要求限定。
权利要求
1.一种用于形成物体的图像的方法，该方法包括(a)将该物体暴露给空间相干辐射的锥束；(b)在检测器中接收经过该物体的空间相干辐射以产生检测数据；(c)根据该检测数据得到衰减系数和相位系数；和(d)根据该衰减系数和相位系数形成该图像。
2. 如权利要求1所述的方法，其中使用锥束计算断层摄影算法 执行步骤(d)。
3. 如权利要求2所述的方法，其中步骤(c)包括滤波该;险测数 据以减少边缘增强。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述滤波包括抑制该检测数 据的高频成分。
5. 如权利要求4所述的方法，其中使用哈明窗来抑制该高频成分。
6. 如权利要求2所述的方法，其中步骤(c)包括获得该相位系 数的拉普拉斯算子。
7. 如权利要求2所述的方法，其中该空间相干辐射是时间不相 干的。
8. 如权利要求2所述的方法，其中该空间相干辐射具有大于被 成像物体的最细微细节尺寸的相干长度。
9. 一种用于形成物体图像的系统，该系统包括 空间相干辐射的锥束源；用于接收经过该物体的空间相干辐射以产生检测数据的检测器；和计算机，接收该检测数据，以根据该检测数据获得衰减系数和相 位系数，并且根据该衰减系数和相位系数形成该图像。
10. 如权利要求9所述的系统，其中该计算机使用锥束计算断层 摄影算法形成该图像。
11. 如权利要求10所述的系统，其中该计算机滤波该检测数据 以减少边缘增强。
12. 如权利要求11所述的系统，其中该计算机通过抑制该检测 数据的高频成分来滤波该检测数据。
13. 如权利要求12所述的系统，其中使用哈明窗来抑制该高频 成分。
14. 如权利要求10所述的系统，其中该计算机获取该相位系数 的拉普拉斯算子。
15. 如权利要求10所述的系统，其中该空间相干辐射是时间不 相干的。
全文摘要
一种结合了相衬同轴方法的锥束CT成像系统，其中使用相位系数而不是仅仅使用衰减系数来重建图像。从同轴全息术的干涉公式开始，该干涉公式中的项可以近似表示为所有CBCT算法所需的线积分。所以，该CBCT重建算法例如FDK算法，可以应用到同轴全息投影中。
文档编号G01N23/00GK101622526SQ200780014350
公开日2010年1月6日 申请日期2007年2月27日 优先权日2006年2月27日
发明者W·蔡, 宁若拉 申请人:罗切斯特大学