[发明专利]用于锥形束计算层析系统的过采样探测器阵列和再采样技术

说明书

在X射线计算层析(CT)系统中，有一个能源发射X射线束穿过一个物体，同时有一个探测器阵列探测穿过物体上一个薄层被衰减了的X射线的强度。入射到每个探测器上的X射线束的强度大小被数字化并转换成一个代表物体沿着X射线束路径的线积分(本技术领域称作“投影”)的值。

在静态扫描布局或“非螺旋”扫描模式中，每次扫描时物体的位置是固定的，而在移动扫描或“螺旋”扫描模式中，每次扫描时物体沿着旋转轴(z轴)方向移动，以改善系统的吞吐量。

对于第三代CT系统，X射线源和探测器阵列被安装在一个框架上，并且在一次扫描中它们一起环绕着物体旋转。随着框架旋转角的逐步增大，记录下物体的相继各组投影。在每个旋转角下，采集到的投影代表了物体在该角度下的一个投影轮廓。可以根据许多视角下的一组投影轮廓，用一种称之为重建的处理来产生物体一个扫描层或一个“切片”的图像，其中重建处理涉及到对采集到的投影进行卷积和反投影。

在“普通”的CT系统中，探测器阵列是一个单行的探测器阵列，而在“锥形束”CT系统中，利用了一个二维探测器阵列，它典型地含有多个探测器行和探测器列。锥形束CT系统允许同时扫描物体上的多个切片。Feldkamp等人的论文“Practical Cone-BeamAlgorithm(实用锥形束算法)”(J.Opt.Soc.Am.A Vol.1，No.6，1984年6月，p.612)描述了非螺旋锥形束扫描技术的一个例子。1995年7月4日授予Hu等人的美国专利No.5，430，783描述了螺旋锥形束扫描的一个例子。

图1是锥形束系统的原理图，如果第i个探测器行的高度为ΔHi(其长度沿z轴)，则等角点14(该情形中假设等角点在z轴上)处该探测器行的等效高度Δh_i为：Δh_i=ΔH_iR/D                                 (1)

其中D和R分别代表X射线焦点10至探测器阵列的距离和X射线焦点10至系统等角点14的距离，而比值R/D则代表缩放因子。

在锥形束扫描器的“等高”探测器系统中，对于所有的探测器行1，2，…，M都有相同的行高ΔHi。在“非等高”探测器系统中，各个行可以有不同的高度。在这种非等高系统中，各个行的高度ΔHi是按某种整数倍的关系设计的，使得可以通过结合相邻的行来提供一组实际上具有相同高度ΔH的行。例如，如图5所示，假定有一个8行的探测器阵列，各个行的探测器高度分别为5t，2t，2t，1t，1t，2t，2t和5t，则通过组合各个行采集到的数据可以使该阵列变成一个具有恒定组合高度ΔH=5t的4行探测器阵列(也即，分别组合成5t，2t+2t+1t，lt+2t+2t，5t)。还可以实现另外一些组合。这种类型的探测器构形已公开于本申请人于1998年9月23日提交的美国专利申请No.09/159，067(代理人登记号No.ANA-97)，该申请在此引用作为参考，

在非螺旋扫描锥形束CT系统中，重建的图像沿z轴的分辨率(这里称作“切片宽度”或“切片厚度”)取决于等角点14处的探测器高度Δhi。这类似于普通具有单行探测器的CT系统中的切片厚度，只是在锥形束系统中同时用多个切片。对于上述4组具有相同组合高度ΔH=5t的例子，4个切片有相同的切片厚度Δh=5tR/D。

然而，对于螺旋扫描，有效切片厚度将明显变大。这是因为在螺旋扫描过程中每个切片的数据是由不同的探测器行或探测器行组来获取的。一般地说，在每个视角下，由于扫描时物体的移动，每个切片的数据是由一个、两个、或一组探测器行获取的，所以探测的有效高度将在一个、两个、或一组探测器行之间变化。结果，与非螺旋扫描相比，螺旋扫描的切片厚度将大为变大。此外，有效探测高度将随视角改变，所以是不一致的。从而，由于在多个视角下有效探测高度发生变化，将会导入重建缺陷。

这样，由于探测厚度的加大而不能准确地确定切片轮廓，从而将因投影数据的不一致性而使重建图像易于带有缺陷。为了减小切片的加厚，已有人建议通过把一个探测器行分成一组探测器子行，并利用这组子行独立地重建多个子切片，从而首先重建出多个薄切片。接着再把这些子切片结合成单个组合切片。如1995年7月4日授予Hu等人的美国专利No.5，430，783中所述，这一技术将得到切片厚度远大于每个子切片厚度的组合切片，不过其切片轮廓将有明显改善，上述专利在此引用作为参考。然而，这种方法因为对每个子切片需要有多次卷积和反投影运算，其计算量很大。