专利名称：图像处理设备和图像处理方法
技术领域：
本发明涉及一种图像处理设备和图像处理方法。
背景技术：
近年来，X射线摄像设备已非常盛行进行断层合成(tomosynthesis)，以根据如下的投影图像获得期望的断层图像，其中所述投影图像是通过在使X射线管移动的情况下利用X射线从不同角度照射被检体来拍摄该被检体而获得的。该方法可以在不需要诸如CT 设备等的任何大型设备的情况下在短的摄像时间内获得断层图像。由于该原因，该技术提高了患者接待人数，并且作为低曝光摄像技术已引起了极大关注。在断层合成时，X射线摄像设备在根据该设备的特性和所需的断层图像改变X射线照射角度的情况下使X射线检测器平移(或处于固定)，由此通过以不同的投影角度拍摄被检体来获得多个X射线图像。然后，该设备重建这些X射线图像以生成断层图像。在CT领域内，已知有使用滤波反投影(filtered back projection)的重建技术作为用于获得数学上精确的断层图像的技术。特别地，作为使用锥束的三维重建技术，如非专利文献 1 (practical cone beam algorithm, L. A. Feldkamp, L. C. Davis, and J. W. Kress, J Opt Soc Am(1984))所公开的那样，已知有费尔德坎普(Feldkamp)方法。该方法可以通过使用在使锥束面向X射线检测器并使该X射线检测器围绕被检体转动的情况下所获得的投影图像来直接生成断层图像。如果可以以这样的方式通过使用CT所使用的滤波反投影来进行断层合成重建， 则可以获得模糊较少的高对比度的断层图像。然而，断层合成时X射线源和X射线检测器之间的位置关系(几何配置)与进行CT时的位置关系不同，因而难以将CT所使用的图像重建算法直接应用于断层合成。根据专利文献1 (USP6，256，370)，如图7所示，设置了与锥束CT摄像中的检测器相对应的虚拟CT检测器7002。该文献描述了如下的方法在暂时获得虚拟CT检测器7002预期要获得的虚拟投影数据之后，使用诸如上述!^eldkamp方法等的 CT重建算法来重建断层合成用的检测器7001使用来自X射线源7000的X射线所获得的图像。然而，如图7所示，当将断层合成时均等配置的由检测器7001所获得的像素几何变换成虚拟CT检测器7002的配置时，这些像素被不均等地配置。由于该原因，像素值是通过利用相邻的像素值对各个点的像素值进行插值而生成的。然而，该插值操作与空间低通滤波器相对应，因而高频信息在进行该几何变换时丢失。结果，通过使用锥束CT算法进行重建所获得的断层图像的空间分辨率下降。另外，专利文献1所公开的技术需要存储器空间来对锥束CT图像进行几何变换并保持由此产生的图像。此外，在进行优点为处理时间短的断层合成时，由于几何变换和插值等的这些额外处理而延长了重建所需的处理时间
发明内容
考虑到上述问题作出了本发明，并且本发明提供了如下的技术在无需将通过断层合成所获得的投影图像几何变换成锥束CT的虚拟检测器用的数据的情况下，通过直接进行反投影来获得断层图像。这样利用展现了高空间分辨率和低处理负荷的断层合成来提供断层图像。根据本发明的一个方面，提供一种图像处理设备，用于对通过使用放射线源和二维检测器进行断层合成拍摄所获得的图像进行处理，所述图像处理设备包括获得单元，用于获得断层合成拍摄时从所述二维检测器输出的多个投影数据；以及重建单元，用于在无需将通过断层合成拍摄所获得的多个投影数据变换成被虚拟设置为与所述放射线源的照射中心方向垂直的虚拟CT检测面上的虚拟投影数据的情况下，根据所述多个投影数据来进行被检体的断层图像的分析重建处理。根据本发明的另一方面，提供一种图像处理方法，用于对通过使用放射线源和二维检测器进行断层合成拍摄所获得的图像进行处理，所述图像处理方法包括以下步骤获得步骤，用于获得断层合成拍摄时从所述二维检测器输出的多个投影数据；以及重建步骤， 用于在无需将通过断层合成拍摄所获得的多个投影数据变换成被虚拟设置为与所述放射线源的照射中心方向垂直的CT检测面上的虚拟投影数据的情况下，通过使用所述多个投影数据进行分析重建处理来重建被检体的断层图像。通过以下(参考附图)对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。


图1是例示根据本发明实施例的断层图像诊断设备的功能结构的框图；图2是示出根据本发明实施例的断层图像生成处理的过程的示例的流程图；图3是示出第一实施例中的卷积积分坐标的示例的图；图4是用于例示说明二维重建的图；图5A和5B是用于例示说明二维重建的图；图6是示出第一实施例中的反投影坐标的示例的图；以及图7是示出现有技术的问题的图。
具体实施例方式实施例以下将参考附图来说明根据本发明实施例的断层图像诊断设备(图像处理设备) 和断层图像生成方法。图1是示出根据本发明实施例的断层图像诊断设备的功能结构的框图。断层图像诊断设备100包括X射线管101，其可以从多个照射角度成锥束状照射X射线；放置有被检体102的床103 ；以及X射线检测器106，用于通过接收X射线来获得X射线图像。在这种情况下，X射线检测器106是具有二维摄像面的二维检测器。X射线管101 和用于检测从该X射线管照射的X射线的X射线检测器106被配置在隔着被检体而彼此对向的位置。机构控制单元105控制X射线管101和X射线检测器106的位置。断层图像诊断设备100除可以进行简单拍摄和超长拍摄以外，还可以进行断层合成拍摄。在这种情况下，简单拍摄是通过利用X射线照射被检体102来获得一个X射线图像的摄像方法。超长拍摄是通过多次进行摄像操作来逐部分拍摄诸如全身、整个脊柱或整个下肢等的大被检体的摄像方法。机构控制单元105在使X射线管101和X射线检测器沿着摄像区域移动的情况下多次进行摄像。一个被检体图像是通过将利用超长拍摄所获得的图像连接到一起所获得的。在断层合成拍摄时，该设备在改变X射线管101的焦点位置和X射线检测器106的摄像面的中心位置之间的距离的情况下，使X射线管101和X射线检测器106中的至少一个平移。这是如下的摄像方法通过使X射线管101多次照射X射线，来获得根据各次照射由X射线检测器106所获得的多个投影数据。X射线管或X射线检测器106的移动将使得根据投影数据来重建被检体102的摄像区域的断层图像。摄像控制单元104电气控制X射线检测器106，以获得X射线图像。X射线生成器控制单元107电气控制X射线管101，以在预定条件下生成X射线。X射线摄像系统控制单元108控制机构控制单元105和摄像控制单元104，以从多个X射线照射角度获得X射线图像。该X射线图像是被检体102的摄像区域的投影数据。X射线摄像系统控制单元108还包括图像处理单元109和图像存储单元112，并且内置有一个或多个信息处理设备(计算机)。各计算机例如包括诸如CPU等的主控制单元以及诸如R0M(只读存储器)和RAM(随机存取存储器)等的存储单元。该计算机还包括诸如GPU(图形处理单元)等的图形控制单元、诸如网卡等的通信单元、以及诸如键盘、显示器和触摸面板等的输入/输出单元。注意， 这些组件经由总线彼此连接，并且通过使主控制单元执行存储在存储单元中的程序来控制这些组件。图像处理单元109对通过使用X射线管101和X射线检测器106的断层合成拍摄所获得的图像(投影数据)进行处理。图像处理单元109根据来自X射线摄像系统控制单元108的指示重建所获得的X射线图像，以生成断层图像。为此，图像处理单元109包括预处理单元113、系数计算单元114、卷积积分单元115、权重计算单元116和反投影单元117。预处理单元113接收由X射线摄像系统控制单元108经由摄像控制单元104从X 射线检测器106获得的各种X射线照射角度的多个X射线图像(以下称为“投影图像或投影数据”)。这些投影图像经过缺陷校正和增益校正等。对由此产生的图像进行对数变换 (log变换)。这样校正了由X射线检测器106和X射线管101所引起的X射线照射不均勻和像素缺陷。系数计算单元114计算由X射线检测器106上的检测点和X射线管101之间的几何配置所确定的系数。在这种情况下，该几何配置是X射线管101和X射线检测器106之间的相对物理位置关系，并且更具体地，该几何配置是X射线管101的位置和X射线检测器 106的摄像面上的各个像素的位置之间的关系。由于X射线检测器106和X射线管101之间的几何配置针对各次摄像操作而不同，因此与各像素位置相对应的系数针对各次X射线照射也不同。卷积积分单元115在系数计算单元114计算出的系数与X射线检测器106上的检测点的像素值的积以及重建用的滤波函数之间进行卷积积分。卷积积分单元115在与X射线检测器106的检测面平行的坐标轴上进行该卷积积分。作为重建用的滤波函数，可以使用普通重建所使用的斜坡滤波器(ramp filter)或谢普&洛根(sh印ρ & Logan)滤波器等。 这样生成了通过对投影图像进行重建滤波所获得的图像(滤波图像)。权重计算单元116计算由表示权重计算单元116的重建点和X射线管101之间的相对位置关系的几何配置所确定的权重系数。重建点是表示在利用重建生成经过了滤波处理的投影图像时该投影图像的像素的位置的、以等中心点(isocenter)作为原点的三维坐标上的点。该等中心点是在X射线管的照射方向改变时基准轴(光束中心或照射中心)相交的转动中心。权重计算单元116以在X射线管的照射方向改变时光束中心相交的转动中心作为原点，根据表示X射线管与三维坐标上的如下点之间的相对位置关系的几何配置来计算权重系数，其中，这些点表示经过了滤波处理的投影图像的像素的位置。反投影单元117在将卷积积分单元115计算出的滤波图像乘以权重计算单元116 计算出的根据重建点与X射线管的几何配置所确定的权重的情况下，对该滤波图像进行反投影处理。利用该操作，反投影单元117可以通过利用滤波反投影进行重建处理来重建被检体的期望断层图像。注意，与权重相乘对于反投影处理而言并非是必不可少的。然而，可以与权重相乘以精确地进行被检体的断层图像(投影图像)的重建。后面将说明断层图像的重建所使用的具体系数和理论计算公式。诸如CT设备等的普通断层图像诊断设备与断层图像诊断设备100的不同之处在于断层图像诊断设备100通过使用普通摄像设备或透视摄像设备来拍摄断层图像。由于该原因，X射线管101以小于180°的角度、例如约士40°的角度围绕被检体102进行摄像， 同时X射线检测器106在水平方向上滑动或处于固定。这使得可以在无需使用大型CT设备的情况下通过使用能够在预定范围内改变照射角度的普通摄像设备来拍摄断层图像，因而可以大幅降低断层图像诊断设备的成本。另外，由于可以在短的摄像时间内以及在开放空间内进行摄像，因此可以减轻被检体的负担。接着，将参考图2来说明图1所示的断层图像诊断设备100的断层图像生成处理的过程的示例。首先，在步骤S201中，断层图像诊断设备100获得投影图像。该设备通过在使X射线管101的X射线照射角度从-40°改变为40°的情况下利用X射线拍摄被检体 102，来进行该操作。尽管可以拍摄任意数量的图像，但该设备可以在大约6秒内以15FPS获取到80个投影图像。尽管可以对X射线设置任意的摄像条件，但该设备可以以大约IOOkV 和大约ImAs来拍摄胸部。另外，将X射线检测器106和X射线管101之间的距离设置为约 IOOcm 150cm，从而落入透视摄像设备或普通摄像设备的设置范围内。X射线管101可以绘制出弧形轨道。然而，对于透视摄像设备或普通摄像设备，从机械观点而言很难绘制出弧形轨道。在这种情况下，该设备可以在使X射线管101沿着床 103的长边方向移动并改变X射线照射角度β的情况下进行该摄像操作。由Dtan β来给出此时的X射线照射角度和移动后的X射线管101之间的位置关系，其中，D是当β =0时的X射线管101的焦点和等中心点之间的距离。该设备还使X射线检测器106相对于X射线管101平移。由Ptan β来给出此时的平移量，其中，P是等中心点和X射线检测器106的中心之间的距离。无论X射线管101 的X射线照射方向是否改变，以这样的方式使X射线检测器106平移都可以使基准轴总是穿过X射线检测器106的中心。某些透视摄像设备或普通摄像设备可能不包括使X射线检测器106平移的机构。 在这种情况下，使等中心点与X射线检测器106上的例如中心位置的特定位置一致，这使得即使在X射线检测器106处于固定而无法平移X射线检测器106的情况下也可以进行断层合成拍摄。然而，注意，如果不存在用于使X射线检测器106移动的机构，则随着X射线照射角度β的增大，X射线照射范围超出X射线检测器106。结果，有效视野FOV的一部分丢失，这导致可以重建的断层图像的范围缩小。将在步骤S201中获得的一系列投影图像输入至图像处理单元109。首先，在步骤 S202中，该设备进行预处理。在这种情况下，该设备对在X射线检测器106的制造过程中产生的缺陷像素和由X射线管101所引起的照射不均勻进行校正。可以以与针对通常在X射线检测器中所进行的处理的方式相同的方式进行这些处理。另外，预处理单元进行由以下的数学表达式(1)所表示的对数变换(log变换)。-IogI…(1)其中，I是投影图像的像素值并且log是自然对数。利用该处理，将X射线衰减系数与投影图像的像素值相加。该设备基于该X射线衰减系数的相加性来重建X射线图像。在步骤S203中，系数计算单元114计算由表示X射线检测器106上的检测点和X 射线管101之间的相对位置关系的几何配置所确定的系数。更具体地，由以下来表示该系数。
A+^ sin/ ,I 2^ ~Γ…⑷其中
权利要求
1.一种图像处理设备，用于对通过使用放射线源和二维检测器进行断层合成拍摄所获得的图像进行处理，所述图像处理设备包括获得单元，用于获得断层合成拍摄时从所述二维检测器输出的多个投影数据；以及重建单元，用于在无需将通过断层合成拍摄所获得的多个投影数据变换成被虚拟设置为与所述放射线源的照射中心方向垂直的虚拟CT检测面上的虚拟投影数据的情况下，根据所述多个投影数据来进行被检体的断层图像的分析重建处理。
2.根据权利要求1所述的图像处理设备，其特征在于，所述重建单元通过将重建滤波器和所述投影数据进行合成来进行反投影处理。
3.根据权利要求1所述的图像处理设备，其特征在于，所述重建单元基于所述放射线源和所述二维检测器上的与所述多个投影数据的各像素值相对应的位置之间的配置关系来进行重建处理。
4.根据权利要求3所述的图像处理设备，其特征在于，所述重建单元基于所述多个投影数据、重建滤波器和所述配置关系来进行反投影处理。
5.根据权利要求4所述的图像处理设备，其特征在于，所述重建单元通过如下处理来进行反投影处理在与所述配置关系所确定的第一系数相乘的情况下将所述重建滤波器与所述投影数据进行合成，并将合成得到的数据与所述配置关系所确定的第二系数相乘。
6.根据权利要求1所述的图像处理设备，其特征在于，所述重建单元不进行如下处理 该处理是通过将所述投影数据中的相邻位置的像素值相加来对虚拟检测器中的虚拟像素进行插值的处理，并且该处理是由于投影到所述虚拟检测器的坐标系而进行的。
7.根据权利要求1所述的图像处理设备，其特征在于，所述重建单元将重建算法直接应用于所述二维检测器所获得的所述投影数据。
8.根据权利要求1所述的图像处理设备，其特征在于，所述重建单元在与所述二维检测器平行的平面上直接重建各重建点的像素值。
9.根据权利要求1所述的图像处理设备，其特征在于，所述重建单元基于通过将 Feldkamp的锥束CT重建算法中的滤波卷积轴变换成与所述二维检测器平行的平面的轴所获得的重建算法，来重建所述投影数据。
10.根据权利要求1所述的图像处理设备，其特征在于，断层合成拍摄是利用放射线源和具有二维摄像面的二维检测器所进行的摄像，并且是如下的摄像方法在改变所述放射线源的焦点位置和所述摄像面的中心位置之间的距离并使所述放射线源和所述二维检测器中的至少一个移动的情况下使所述放射线源多次照射放射线，并获得根据各次照射由所述二维检测器所获得的多个投影数据。
11.根据权利要求1所述的图像处理设备，其特征在于，还包括显示控制单元，所述显示控制单元用于使显示单元显示重建得到的被检体的断层图像。
12.根据权利要求1所述的图像处理设备，其特征在于，还包括计算单元，所述计算单元用于基于以下给出的等式进行计算
13.根据权利要求12所述的图像处理设备，其特征在于，所述计算单元通过使所述等式离散化来进行计算。
14.一种图像处理方法，用于对通过使用放射线源和二维检测器进行断层合成拍摄所获得的图像进行处理，所述图像处理方法包括以下步骤获得步骤，用于获得断层合成拍摄时从所述二维检测器输出的多个投影数据；以及重建步骤，用于在无需将通过断层合成拍摄所获得的多个投影数据变换成被虚拟设置为与所述放射线源的照射中心方向垂直的CT检测面上的虚拟投影数据的情况下，通过使用所述多个投影数据进行分析重建处理来重建被检体的断层图像。
15.根据权利要求14所述的图像处理方法，其特征在于，在所述重建步骤中，通过将重建滤波器和所述投影数据进行合成来进行反投影处理。
16.根据权利要求14所述的图像处理方法，其特征在于，在所述重建步骤中，通过使用将!^eldkamp的锥束重建算法中的所述投影数据和重建滤波器之间的合成轴变换成与所述二维检测器平行的轴所获得的重建算法，来进行重建处理。
全文摘要
本发明涉及一种图像处理设备和图像处理方法。所述图像处理设备对通过使用放射线源和二维检测器进行断层合成拍摄所获得的图像进行处理。所述图像处理设备包括获得单元，用于获得断层合成拍摄时从所述二维检测器输出的多个投影数据；以及重建单元，用于在无需将通过断层合成拍摄所获得的多个投影数据变换成被虚拟设置为与所述放射线源的照射中心方向垂直的虚拟CT检测面上的虚拟投影数据的情况下，根据所述多个投影数据来进行被检体的断层图像的分析重建处理。
文档编号A61B6/00GK102525501SQ20111038075
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者野田刚司 申请人:佳能株式会社