Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ АРТЕФАКТОВ В ИЗОБРАЖЕНИЯХ КОНУСНО-ЛУЧЕВОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ

Последующее, в целом, относится к уменьшению структурных артефактов в изображениях, сформированных из реконструированных проекционных данных (данных трехмерного (3D) объемного изображения), и находит конкретное применение в компьютерной томографии (CT). Однако оно также приемлемо для других применений в контексте формирования медицинских изображений и применений в контексте формирования немедицинских изображений.

Сканер многослойной компьютерной томографии (CT) имеет рентгеновскую трубку, установленную на вращающемся портале, который вращается вокруг области обследования около продольной оси или оси z. Рентгеновская трубка испускает излучение, которое проходит через область обследования и субъект или объект в ней. Двухмерная матрица детекторов образует угловую дугу, противоположную области обследования от рентгеновской трубки. Эта матрица детекторов включает в себя множество рядов детекторов, которые выровнены относительно друг друга и тянутся вдоль оси z. Детекторы улавливают излучение, которое проходит через область обследования, и формируют проекционные данные, характеризующие ее. Реконструирующий блок обрабатывает проекционные данные и реконструирует данные трехмерного (3D) объемного изображения по ним. Данные объемного изображения обрабатываются для формирования одного или нескольких изображений субъекта или объекта.

К сожалению, изображения, реконструированные из проекционных данных (данные трехмерных (3D) объемных изображений) с использованием протоколов тонкого среза, содержат артефакты из-за субдискретизации (на основе теоремы дискретизации Найквиста-Шеннона (Nyquist-Shannon)) в направлении оси z (или ряда детекторов). В литературе артефакты упоминаются как артефакты "перекос" или "скручивание". Одним из подходов к уменьшению таких артефактов является реконструкция срезов, увеличенных по толщине (например, увеличить захватываемую толщину в два раза), чтобы выполнялись критерии дискретизации Найквиста. Тем не менее это приводит к нежелательному размытию z-разрешения изображения.

Другой подход заключается в изменении фокусного пятна рентгеновской трубки по z-направлению между каждыми интеграционными периодами сбора информации таким образом, что позиции детектора фактически колеблются на ½ от ряда детекторов между каждым интеграционным периодом. К сожалению, это требует значительных технологических доработок в рентгеновской трубке и не может быть применено к более старым сканерам без значительного увеличения стоимости трубки. Еще один подход - это адаптивно выполнять повышающую дискретизацию данных для динамического сглаживания обнаруженных проекционных данных больших градиентов. Однако такое сглаживание градиентов может привести к размытию мелких структур в реконструированных изображениях.

Аспекты настоящей заявки ориентированы на решение вышеупомянутых и других проблем.

Согласно одному аспекту способ включает в себя уменьшение структурных артефактов в данных трехмерного (3D) объемного изображения, которые формируются на основе реконструированных проекционных данных, созданных системой формирования изображений, посредством обработки данных трехмерного объемного изображения вдоль направления оси z. Данные трехмерного объемного изображения включают в себя структурные артефакты, имеющие высокочастотные составляющие по направлению оси z и низкочастотные составляющие плоскости x-y.

При другом варианте осуществления машиночитаемый носитель данных содержит команды, которые при их исполнении компьютером предписывают компьютеру выполнять действия по обработке данных трехмерного объемного изображения вдоль направления оси z для удаления высокочастотных составляющих, соответствующих структурным артефактам, для уменьшения структурных артефактов в данных трехмерного объемного изображения, где данные трехмерного объемного изображения формируются на основе реконструированных проекционных данных, созданных системой формирования изображений.

При другом варианте осуществления средство уменьшения артефактов включает в себя процессор (средство обработки) устранения шумов, который устраняет шумы в выбранных первых данных из копии данных трехмерного объемного изображения вдоль направления оси z, а затем устраняет шумы в выбранных вторых данных из копии данных трехмерного объемного изображения на плоскости x-y. Средство уменьшения артефактов дополнительно включает в себя процессор вычитания, который вычитает подвергнутые устранению шумов данные по направлению оси z из копии данных трехмерного объемного изображения до отбора и устранения шумов в данных на плоскости x-y и который вычитает подвергнутые устранению шумов вторые данные из данных трехмерного объемного изображения после того, как подвергнутые устранению шумов данные оси z введены с замещением в копию данных трехмерного объемного изображения.

Согласно другому аспекту способ включает в себя вычитание набора подвергнутых устранению шумов аксиальных срезов из данных трехмерного объемного изображения, при этом подвергнутые устранению шумов аксиальные срезы восстанавливают высокочастотные составляющие в данных изображения, включая шумы, которые не соответствуют структурным артефактам.

Изобретение может обретать форму различных компонентов и компоновок компонентов и различных этапов и компоновок этапов. Чертежи предназначены только для целей иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны истолковываться в качестве ограничивающих изобретение.

Фиг.1 иллюстрирует пример системы формирования изображений в сочетании со средством уменьшения артефактов, которое уменьшает артефакты в данных трехмерного объемного изображения.

Фиг.2 иллюстрирует пример средства уменьшения артефактов по фиг.1, которое обрабатывает коронарные и сагиттальные срезы для уменьшения артефактов.

Фиг.3 иллюстрирует пример средства уменьшения артефактов по фиг.1, которое обрабатывает z-линии для уменьшения артефактов.

Фиг.4 иллюстрирует способ использования средства уменьшения артефактов по фиг.2.

Фиг.5 иллюстрирует способ использования средства уменьшения артефактов по фиг.3.

Фиг.1 иллюстрирует систему 100 формирования изображений, такую как компьютерный томографический (CT) сканер. Система 100 формирования изображений включает в себя, как правило, стационарный портал 102 и вращающийся портал 104. Вращающийся портал 104 с возможностью вращения поддерживается неподвижным порталом 102 и вращается вокруг области обследования 106 около продольной или оси z 108. Опора пациента 110, такая как стол, поддерживает объект или субъект, такой как человека, в области обследования 106.

Источник 112 излучения, такой как рентгеновская трубка, установлен на вращающийся портал 104. Источник 112 излучения испускает излучение из фокусного пятна, и излучение проходит через область 106 обследования. Коллиматор источника коллимирует излучение для формирования, в основном, конусного, клиновидного, веерного либо другого по форме пучка излучения. Двухмерная матрица 114 детекторов, чувствительных к излучению, образует угловую дугу, противоположную источнику 112 излучения, пересекая область 106 обследования. Матрица 114 детекторов включает в себя множество рядов детекторов, которые тянутся вдоль направления оси z 108. Матрица 114 детекторов улавливает излучение, проходящее через область 106 обследования, и формирует проекционные данные, характеризующие ее. Проиллюстрированный источник 112 излучения имеет такую конфигурацию, что фокусное пятно может перемещаться при помощи контроллера или подобного механизма в аксиальной плоскости или плоскости x-y (поперечной к оси z) между интеграционными периодами получения данных на половину ряда детекторов.

Универсальная компьютерная система или компьютер служит операторской консолью 118. Процессор консоли 118 исполняет машиночитаемые команды на консоли 118, которые позволяют оператору управлять работой системы 100, например, выбором протокола сканирования (например, протокола с более высоким разрешением, более тонким срезом), активацией и деактивацией перемещения фокусного пятна в плоскости x-y, инициированием сканирования, завершением сканирования и т.д.

Реконструктор 120 реконструирует проекционные данные и по ним формирует данные трехмерного объемного изображения. При высоком разрешении используется протокол более тонких срезов (например, толщина среза находится между однократным и двукратным размером ряда детекторов), данные трехмерного объемного изображения могут включать в себя артефакты, которые имеют высокочастотные составляющие вдоль направления оси z и низкочастотные составляющие в плоскости x-y. В одном случае высокая частота относится к артефактам, у которых сильные изменения от изображения к изображению или которые сильно меняются с каждым следующим изображением в направлении z, и низкая частота относится к артефактам, которые являются относительно постоянными группами по два или четыре пикселя в изображениях x-y. Хранилище 122 может быть использовано для сохранения данных трехмерного объемного изображения. Хранилище 122 может включать в себя локальную или удаленную память, либо другую память, например переносную память, и т.д.

Средство 124 уменьшения артефактов уменьшает артефакты в данных трехмерного объемного изображения, включая артефакты вследствие субдискретизации вдоль оси z, такие как структурные артефакты, подобные артефактам скручивания (или перекосам). Как описано более подробно ниже, это включает в себя обработку данных трехмерного объемного изображения для уменьшения высокочастотных составляющих, которые соответствуют структурным артефактам в направлении оси z, в то же время сохраняя другие высокочастотные составляющие. Это позволяет уменьшить структурные артефакты при сохранении разрешения по оси z для структур с высоким z-градиентом (четкие детали). Средство 124 уменьшения артефактов может быть реализовано как машиночитаемые команды, исполняемые процессором.

Будет очевидно, что подобная обработка может быть использована для устранения любых артефактов, которые могут быть изолированы так, что существует, по меньшей мере, одна плоскость, в которой артефакты высокочастотные, и несколько других плоскостей, где артефакты низкочастотные. В качестве примера в компьютерной томографической системе без возможности перемещения фокусного пятна в плоскости x-y могут появляться артефакты в виде ступенчатости, которые высокочастотны в x-y плоскости. Для тех артефактов, которые имеют низкочастотные вариации в разрешении z, средство 124 уменьшения артефактов может быть использовано для уменьшения этих артефактов посредством обработки сначала плоскости x-y, формируя разностные изображения, и затем посредством обработки плоскости x-z или y-z данных разностных изображений.

В проиллюстрированном варианте осуществления средство 124 уменьшения артефактов является частью системы 100, но обособлено от консоли 118. В другом варианте осуществления средство 124 уменьшения артефактов является частью консоли 118. Еще в одном варианте осуществления средство 124 уменьшения артефактов расположено удаленно от системы 100, например, на рабочей станции за пределами помещения для обследования, в котором размещена система 100. В еще одном варианте осуществления средство 124 уменьшения артефактов является частью реконструирующего блока 120.

Фиг.2 иллюстрирует пример средства 124 уменьшения артефактов. Средство 202 отбора данных выборочно отбирает подмножество изображений из данных трехмерного объемного изображения, содержащее минимальное число изображений, которое может зависеть от конкретного выбранного алгоритма устранения шумов. Проиллюстрированное средство 202 отбора данных сконфигурировано для альтернативного выбора между коронарными, сагиттальными и аксиальными срезами в данных трехмерного объемного изображения.

Процессор (обработчик) 204 коронарных срезов создает копию отобранных коронарных срезов, и процессор 206 сагиттальных срезов создает копию отобранных сагиттальных срезов. Процессоры 204 и 206 используют средство 208 устранения шумов, чтобы удалить шум, а также структурные артефакты из копии (или из исходных выбранных) коронарных или сагиттальных срезов. Процессор 210 аксиальных срезов использует средство 208 устранения шумов, чтобы устранить шум из выбранных аксиальных срезов.

В проиллюстрированном варианте осуществления средство 208 устранения шумов основано на алгоритме Rudin/Osher/Fatemi, описанном в L. Rudin, S. Osher and E. Fatemi, "Nonlinear total variation based noise removal algorithms," Physica D 60, 259-268, 1992. Другие варианты осуществления могут использовать другие алгоритмы (например, фильтрацию нижних частот, нелинейную адаптивную фильтрацию, регуляризацию изображений, нелинейное шумоподавление и т.д.), которые уменьшают высокочастотные составляющие, соответствующие структурным артефактам, в то же время сохраняя реальные края в исходных изображениях.

Средство 212 вычитания соответственно вычитает подвергнутую устранению шумов копию (или исходно выбранных) коронарных и сагиттальных срезов из исходно выбранных (или копии) коронарных и сагиттальных срезов, образуя разностные коронарные и сагиттальные срезы. Разностные срезы представляют артефакты, удаленные из исходно выбранных коронарных и сагиттальных срезов. Вычитание может быть простым вычитанием или взвешенным вычитанием.

Средство 214 обновления реконструированных данных изображения замещает коронарные и сагиттальные срезы в рабочей копии данных трехмерного объемного изображения разностными коронарными и сагиттальными срезами.

Средство 212 вычитания также вычитает подвергнутые устранению шумов аксиальные срезы из данных трехмерного объемного изображения с замещающими разностными коронарными и сагиттальными срезами. В одном случае это имеет эффект восстановления высокочастотных составляющих, которые не соответствуют структурным артефактам, но были удалены при устранении шумов в коронарных и сагиттальных срезах. В некоторых случаях это может способствовать восстановлению визуально удовлетворительных составляющих, которые были удалены при устранении шумов в коронарных и сагиттальных срезах.

На фиг.2 коронарные срезы обрабатываются и вставляются в данные трехмерного объемного изображения до того, как отбираются сагиттальные срезы из данных трехмерного объемного изображения. В другом варианте осуществления порядок обратный, и сагиттальные срезы обрабатываются и вставляются в данные трехмерного объемного изображения до того, как коронарные срезы отбираются из данных трехмерного объемного изображения. И в том и в другом случае аксиальные срезы отбираются и обрабатываются после того, как коронарные и сагиттальные разностные срезы вставлены в данные трехмерного объемного изображения.

В вышеописанном примере подвергнутые устранению шумов коронарные и/или сагиттальные срезы используются для формирования разностных коронарных и/или сагиттальных срезов для замещения в данных трехмерного объемного изображения. В другом варианте осуществления подвергнутые устранению шумов коронарные и/или сагиттальные срезы непосредственно удаляются из данных трехмерного объемного изображения.

Фиг.3 иллюстрирует другой пример средства 124 уменьшения артефактов. В этом варианте осуществления средство 202 отбора данных отбирает z-линии из данных трехмерного объемного изображения. z-Линии формируются посредством выбора конкретных координат x и y и извлечения всех вокселей (объемных пикселей) вдоль оси z в объеме этих координат.

Процессор 302 z-линий создает копию выбранных z-линий. Процессор 302 z-линий использует средство 208 устранения шумов, чтобы устранить шумы (высокочастотные составляющие), соответствующие структурным артефактам, из копии (или из исходных) z-линий. В проиллюстрированном варианте осуществления подвергнутые устранению шумов z-линии являются заменой для подвергнутых устранению шумов коронарных и сагиттальных срезов, описанных в связи с фиг.2. Подходящий алгоритм устранения шумов включает в себя одномерный (1D) или другой алгоритм устранения шумов.

Средство 212 вычитания вычитает подвергнутую устранению шумов копию (или исходно выбранных) z-линий из исходно выбранных (или копии) z-линий, образуя разностные z-линии. Разностные z-линии представляют артефакты, удаленные из исходных z-линий посредством устранения шумов. Опять же, вычитание может быть простым вычитанием или взвешенным вычитанием.

Средство 214 обновления реконструированных данных изображения заменяет z-линии в данных трехмерного объемного изображения на разностные z-линии. Затем, как рассмотрено выше, процессор 210 аксиальных срезов использует средство 208 устранения шумов для устранения шумов в выбранных аксиальных срезах.

Средство 212 вычитания также вычитает подвергнутые устранению шумов аксиальные срезы из данных трехмерного объемного изображения с замещающими разностными z-линиями. Как и выше, это имеет эффект восстановления высокочастотных составляющих, которые не соответствуют структурным артефактам, восстановления визуально удовлетворительных составляющих, которые были удалены во время шумоподавления коронарных и сагиттальных срезов.

В вышеописанном примере подвергнутые устранению шумов z-линии используются для формирования разностных z-линий, которые служат для замещения в данных трехмерного объемного изображения. В другом варианте осуществления подвергнутые устранению шумов z-линии непосредственно удаляются из данных трехмерного объемного изображения.

В обеих фиг.2 и 3 средство 124 уменьшения артефактов уменьшает, по сути, только высокочастотные составляющие в направлении оси z, которые соответствуют структурным артефактам из-за субдискретизации в направлении оси z, такие как артефакты скручивания, с минимальным влиянием на разрешение структур или, по-другому, на внешний вид изображения, сформированного данными трехмерного объемного изображения. В другом варианте осуществления косые и/или изогнутые срезы дополнительно и/или в качестве альтернативы используются по месту коронарных и/или сагиттальных срезов.

Фиг.4 иллюстрирует пример способа уменьшения структурных артефактов на основе коронарных и сагиттальных срезов. Должно быть принято во внимание то, что порядок действий имеет пояснительную цель и не является ограничением. То есть в способе одно или несколько действий могут происходить раньше или позднее. В дополнение, может быть выполнено больше действий и/или некоторые действия могут быть опущены.

На этапе 400 реконструированные проекционные данные (данные трехмерного объемного изображения) содержат артефакты с высокочастотными компонентами вдоль направления оси z и низкочастотными компонентами на плоскости x-y.

На этапе 402 формируется рабочий объем данных трехмерного объемного изображения.

На этапе 404 в рабочем объеме определяется набор коронарных срезов.

На этапе 406 формируют копию коронарных срезов.

На этапе 408 копия набора коронарных срезов подвергается устранению шумов.

На этапе 410 подвергнутый устранению шумов набор коронарных срезов вычитается из копии набора коронарных срезов, образуя разностный набор коронарных срезов.

На этапе 412 соответствующий набор коронарных срезов в рабочем объеме замещается разностным набором коронарных срезов.

На этапе 414 в рабочем объеме определяется набор сагиттальных срезов.

На этапе 416 формируют копию набора сагиттальных срезов.

На этапе 418 копия набора сагиттальных срезов подвергается устранению шумов.

На этапе 420 подвергнутый устранению шумов набор сагиттальных срезов вычитается из копии набора сагиттальных срезов, образуя разностный набор сагиттальных срезов.

На этапе 422 соответствующий набор сагиттальных срезов в рабочем объеме замещается разностным набором сагиттальных срезов.

На этапе 424, после того как разностные коронарные и сагиттальные срезы введены в рабочий объем, в рабочем объеме определяется набор аксиальных срезов.

На этапе 426 выбранные аксиальные срезы подвергаются устранению шумов.

На этапе 428 подвергнутый устранению шумов набор аксиальных срезов вычитается из исходных данных трехмерного объемного изображения.

Как здесь обсуждалось, результирующие данные трехмерного объемного изображения содержат меньше структурных артефактов по сравнению с исходными данными трехмерного объемного изображения.

Фиг.5 иллюстрирует другой пример способа уменьшения структурных артефактов на основе z-линий. Должно быть принято во внимание то, что порядок действий имеет пояснительную цель и не является ограничением. То есть в способе одно или несколько действий могут происходить раньше или позднее. В дополнение, может быть выполнено больше действий и/или некоторые действия могут быть пропущены.

На этапе 500 реконструированные проекционные данные (данные трехмерного объемного изображения) содержат артефакты с высокочастотными составляющими вдоль направления оси z и низкочастотными составляющими на плоскости x-y.

На этапе 502 формируют рабочий объем данных трехмерного объемного изображения.

На этапе 504 в рабочем объеме определяют набор z-линий.

На этапе 506 формируют копию набора z-линий.

На этапе 508 копия набора z-линий подвергается устранению шумов.

На этапе 510 подвергнутый устранению шумов набор z-линий вычитают из копии набора z-линий, образуя разностный набор z-линий.

На этапе 512 соответствующий набор z-линий в рабочем объеме заменяют разностным набором z-линий.

На этапе 514, после того как разностный набор z-линий введен в рабочий объем, в рабочем объеме определяют набор аксиальных срезов.

На этапе 516 набор аксиальных срезов подвергают устранению шумов.

На этапе 518 подвергнутый устранению шумов набор аксиальных срезов вычитают из исходных данных трехмерного объемного изображения.

Снова, результирующие данные трехмерного объемного изображения содержат меньше структурных артефактов по сравнению с исходными данными трехмерного объемного изображения.

Описанное здесь средство 124 уменьшения артефактов может быть использовано в медицинских и немедицинских системах формирования изображений, таких как компьютерно-томографические сканеры высокого и низкого качества, включая устаревшие сканеры, настоящие сканеры и сканеры следующего поколения. Это включает компьютерно-томографические сканеры, трубки которых имеют или не имеют возможности перемещать фокусное пятно в любом из направления по оси z и в плоскости x-y. Также подразумеваются другие системы, такие как рентгеновские устройства с рамой С-типа, которые выполнены с возможностью формирования томографических изображений. Варианты применения включают общую рентгенологию, включая протоколы с изображениями тонких срезов (например, компьютерная ангиография, костные/ортопедические изображения и т.д.).

Изобретение описано здесь со ссылками на разные варианты осуществления. Модификации и изменения могут приходить на ум по прочтению описанного здесь. Предполагается, что изобретение следует истолковывать в качестве включающего в себя все такие модификации и изменения, насколько они подпадают под объем прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.