[发明专利]层析中剂量减少和图像增强的迭代方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年8月3日递交的序列号为60/835,552的美国申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

关于联邦赞助研究或开发的声明

本发明是在能源部授予的许可号DE-FG02-06ER46276的政府资助下进行的。政府对该发明具有必然的权利。

对以光盘提交的材料的引用合并

无

受版权保护的材料的公告

本专利文献中的一部分材料在美国和其他国家的版权法下受版权保护。版权所有者未反对通过专利文献或专利公开的复制，这是由于其在美国专利商标局为公众可利用文件或案卷，但在别的方面却仍保留所有版权。版权所有者因此并未放弃使该专利文献维持为秘密状态的任一权利，包括在不受限制时依据37C.F.§1.14的权利。

技术领域

本发明总的来说涉及利用束和检测器的诊断和干涉成像，具体而言，涉通过重建物体在物体空间和傅立叶空间中的经修改而迭代改进的投影来创建物体的三维截面图像的系统和方法。

背景技术

层析(tomography)在医学、生物学、地球物理学、材料科学、考古学、天文学和其他自然科学中是一种重要的诊断和干涉工具。这是一种根据物体的投影产生该物体的内部结构的截面2D或3D图像的成像技术。典型的层析装置包含辐射源和围绕从检查台(examination table)的平面垂直延伸的轴线旋转的检测器。患者或物体的投影通常以等角度间隔获得，以使辐射源相对于扫描器的等角点(isocenter)的角度以固定的量从一个投影变为下一个投影。图像从包括x射线、电子、伽马射线、离子、中子、声波及其他的几个不同的束源产生。

层析成像的主要问题在于由于成像方法针对患者或生物标本的辐射剂量。随着医疗用x射线CT和荧光镜干涉成像方法的日益普及，将患者暴露于这种致电离辐射的长期影响受到越来越多的关注，尤其是对于儿科患者而言。层析成像的另一问题是由于丢失或不完整的投影数据组所致的分辨率和其他图像质量参数的降低。丢失的投影数据由于辐射剂量限制或由于成像过程或成像系统中的实际医疗限制而产生。一个实例为出现在电子显微镜检查中的丢失楔问题，即，标本在±70°以上不能倾斜，以及剩余的±20°的投影中的数据丢失。这些难题普遍限制细胞和细胞器结构的3D成像的分辨率。

除了辐射剂量和丢失投影数据的问题外，传统的图像重建算法由于插值限制而不准确。传统的层析成像根据一组成等角度的2D投影重建3D物体。这种获取方式固有地将投影数据强制变成极性格式。由于投影的集合在极坐标系中，而物体在笛卡尔坐标系中，因此在重建过程中不得不在物体空间或傅立叶空间中使用插值。这种插值可能单独从重建算法产生较大的误差源，并导致通过分辨率、对比度以及信噪比测定的图像质量明显降低。

当前，最广泛应用的切片重建算法为滤波后反投影(filtered backprojection)(FBP)。滤波后反投影的方法计算起来较快，但不会对暴露于过多大辐射剂量的问题以及对由于丢失投影数据所致的图像恶化的问题提供任何解决方案。另外，FBP由于在反投影过程中出现的固有插值问题而不准确。由于缺失丢失投影数据的问题以及插值问题，利用FBP方法重建的图像经常包含使分辨率和总体的图像质量恶化的假象。

除了FBP之外，也存在通常不使用的其他重建算法，这是因为其在实际的成像条件下计算成本高，并且会遇到插值的问题，正向投影过程在系统矩阵建模时会出现上述情况。而且，这些方法对实验噪声很敏感，并且，如果噪声在算法中没有被正确建模，则这些方法在现实中的噪声实验条件下通常会发散。

由此可见，现有技术中目前存在的例如滤波后反投影的重建算法在数学上不够精确，并由此产生具有比可能的更低的分辨率、对比度以及信噪比的图像。这些情况在重建图像中引入固有误差，与实验误差相反，该固有误差主要由于其本身的重建算法产生。而且，由于图像质量的恶化，传统的层析算法需要给患者实施较高剂量的辐射，以产生合适的图像。因此，传统方法具有明显更高的给患者带来诸如辐射伤害或致癌作用的副作用的可能性。

因此需要一种用于层析成像的系统和方法，其限制对象暴露于潜在的有害或破坏性辐射，同时还准确、可靠以及在计算上切实可行。这些方法满足这些要求，并且通常是对现有技术的改进。

发明内容