CN100479756C - 2n+1源螺旋ct的重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种生物医学成像技术领域的2N+1源螺旋CT的重建方法，本发明采用2N+1个X射线源、2N+1个最小检测器窗的结构，以2N+1个螺旋路径进行扫描，提高了投影数据采集速度2N+1倍，利用2N+1个螺旋路径上的2N+1个最小检测器窗内的投影数据，通过2N+1源螺旋CT的反投影滤波算法或2N+1源螺旋CT的滤波反投影算法，重建出跨螺旋PI坐标系下的二维图像，最后由一系列这样的二维图像重建出直角坐标系下的三维图像。本发明重建图像的质量比单源螺旋CT时提高；能够得到更高的Z轴方向的分辨率；进而提高了重建图像的分辨率；被测对象所受的X射线的辐射量没有增加。本发明可应用于心脏成像、小动物成像等动态成像领域。

Description

2N+1源螺旋CT的重建方法

技术领域

本发明涉及的是一种生物医学成像技术领域的方法，具体地说，2N+1源螺旋CT的重建方法，特别涉及用于心脏成像或小动物成像的方法。

背景技术

单源螺旋CT的工作过程是这样的：X射线球管在一点发出锥形束X射线，穿过被测对象后，衰减的X射线被对侧的检测器检测，并将X光转化为电信号，送至计算机的模数转换器和数据采集器，转化为数字信号并存储在计算机中。这只是完成一次的曝光和采集过程，为了得到重建被测对象所需的投影数据，X射线源和单排检测器需要沿一个相对于被测对象是螺旋的轨迹运动，并在每个位置完成一次曝光和数据采集过程。X射线源相对于被测对象的轨迹是单螺旋线。实现X射线源和检测器相对于被测对象的螺旋轨迹运动的一种方法是：X射线源和单排检测器绕一转动轴线不断转动，被测对象沿着转动轴线方向作匀速直线运动。采用通常的直角坐标系，Z轴与该转动轴线重合。螺旋线上，两个相邻的螺圈沿Z轴的距离称为螺距。

经对现有技术的文献检索发现，典型的单源螺旋CT精确重建方法如(A.Katsevich，Improved exact FBP algorithmfor spiral CT[改进的螺旋CT精确滤波反投影算法]，Advances in Applied Mathematics[应用数学进展]，Vol.32，pp.681-697)。单源螺旋CT精确重建方法的特征是利用了最小检测窗(Tam-Danielsson窗)的投影数据和PI线的几何性质。所述Tam-Danielsson窗是指从源出发的上一圈螺旋与下一圈螺旋围成的区域；所述PI线是指螺旋上两点的连线，表示这两点位置的角度参数之差小于360度。单源螺旋CT精确重建方法与单源螺旋CT近似重建方法相比，具有Z轴覆盖范围大，数据采集速度快，成像精度高，成像精度与螺距大小无关的优点。但转一圈的时间并没有缩短，对心脏、小动物这样的动态物体，数据采集速度还不够快，存在重建图像质量不高、重建图像的分辨率改善不够的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种2N+1源螺旋CT的重建方法，使其提高投影数据采集速度，提高重建图像的分辨率，改善图像的质量。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用2N+1个X射线源、2N+1个最小检测器窗的结构，以2N+1个螺旋路径进行扫描，提高了投影数据采集速度2N+1倍，利用2N+1个螺旋路径上的2N+1个最小检测器窗内的投影数据，通过2N+1源螺旋CT的精确反投影滤波算法或2N+1源螺旋CT的精确滤波反投影算法，重建出跨螺旋PI坐标系下的二维图像，最后由一系列这样的二维图像重建出直角坐标系下的三维图像。

本发明的具体方法包括以下步骤：

(1)第一个X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过被测对象后，衰减的X射线被对侧的第一个检测器检测，第一个检测器的最小检测窗由第一个X射线源出发的上一圈螺旋与下一圈螺旋间最中间的两圈螺旋(或其投影)围成的区域。第二个X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过被测对象后，衰减的X射线被对侧的第二个检测器检测，第二个检测器的最小检测窗由第二个X射线源出发的上一圈螺旋与下一圈螺旋间最中间的两圈螺旋(或其投影)围成的区域。第n个检测器的最小检测窗由第n个X射线源出发的上一圈螺旋与下一圈螺旋间最中间的两圈螺旋(或其投影)围成的区域。n一直取到2N+1。

(2)2N+1个X射线源至Z轴的距离相等，2N+1个检测器中心至Z轴的距离相等。任意两个X射线源不在与Z轴平行的同一直线上。

(3)2N+1个X射线源、2N+1个检测器同时绕Z轴转动，相对于被测对象作螺旋运动。2N+1个X射线源相对于被测对象的轨迹是2N+1条螺旋线。

(4)2N+1个检测器及相对应的投影数据采集系统分别采集2N+1组投影数据。

所述的投影数据采集系统是指把检测器上的数据记录下来并转化成数字信号传给计算机处理的系统。

(5)确定一跨螺旋PI坐标系，用2N+1个螺旋路径上的2N+1个最小检测器窗内的投影数据，通过2N+1源螺旋CT的精确反投影滤波算法或2N+1源螺旋CT的精确滤波反投影算法，重建出该跨螺旋PI坐标系下的二维重建图像。

所述的跨螺旋PI坐标系是指：一个二维直角坐标系，一根轴为跨螺旋PI线，另一根轴为跨螺旋PI线的一个端点的角度参数，跨螺旋PI线的另一个端点为固定值。

所述的跨螺旋PI线是指：一个直线段，它的一个端点位于一条螺旋线上、另一个端点位于另一条螺旋线上、表示这两个端点位置的角度参数之差小于360度。

所述的2N+1源螺旋CT的精确反投影滤波算法是指：先用2N+1个最小检测器窗内的投影数据求偏导数，然后进行反投影运算，再沿着跨螺旋PI线进行滤波，包括希尔伯特变换运算。

所述的2N+1源螺旋CT的精确滤波反投影算法是指：先用2N+1个最小检测器窗内的投影数据求偏导数，然后沿着跨螺旋PI线在2N+1个最小检测器窗内投影线分别进行滤波，包括希尔伯特变换运算，再进行反投影运算。

(6)改变上述跨螺旋PI线的固定端点的位置，重复(5)，得到一系列跨螺旋PI坐标系下的二维重建图像。

(7)用这一系列跨螺旋PI坐标系下的二维重建图像，生成直角坐标系下的被测对象的三维图像，在指定的范围内显示出重建后的三维图象或二维断层图像。

2N+1源精确螺旋CT的的工作原理：2N+1组X射线源-检测器成一定角度放置在同一门架内，与门架正交方向(Z轴方向)放置一可沿Z轴方向运动的床。被测对象置于床上。2N+1组X射线源-检测器以同样的角速度绕Z轴旋转，与此同时，床沿Z轴方向作直线运动。2N+1个X射线源相对于被测对象的轨迹是2N+1条螺旋线。单源精确螺旋CT转一圈采集的投影数据，2N+1源精确螺旋CT转(2N+1)分之一圈即可采集。众知拍照时，相机抖动，所拍照片会模糊，缩短曝光时间且维持曝光量不变，可得到清晰照片。类似地，2N+1源精确螺旋CT同时采集了2N+1组不同方位的投影数据，缩短了扫描时间，保证了在被测物有活动部分时，最终的重建图像的质量比单源精确螺旋CT时的高，在相同的条件下，被测对象所受的X射线的曝光量则维持不变。2N+1源螺旋CT的精确反投影滤波算法或2N+1源螺旋CT的精确滤波反投影算法，把这2N+1组投影数据融合在一起，最后重建出被测对象的清晰图像。

本发明的有益效果是：(1)被测对象有活动部分时，重建图像的质量比单源螺旋CT时提高；(2)不管螺距大小，都可进行精确重建，这样可增大Z轴覆盖范围，从而在被测对象全部或部分活动时，得到更高的Z轴方向的分辨率；(3)投影数据采集速度可达单源螺旋CT时的2N+1倍，进而提高了重建图像的分辨率；(4)性能提高的同时，被测对象所受的X射线的辐射量没有增加。本发明可应用于心脏成像、小动物成像等动态成像领域。

附图说明

图1为本发明实施例5组源-检测器放置示意图

图2为本发明实施例5源精确螺旋CT的最小检测器窗的示意图

具体实施方式

为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图及具体的实施例作进一步描述，实施例按照以下步骤实施：

(1)把被麻醉的活的老鼠置于可沿Z轴方向作匀速直线运动床上，第一个X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过活鼠后，衰减的X射线被对侧的第一个检测器检测，检测器为圆弧形的柱面，检测器由512 x 64个检测单元组成。第二个X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过活鼠后，衰减的X射线被对侧的第二个检测器检测，检测器为圆弧形的柱面，检测器由512 x 64个检测单元组成。第三个X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过活鼠后，衰减的X射线被对侧的第三个检测器检测，检测器为圆弧形的柱面，检测器由512 x 64个检测单元组成。第四个X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过活鼠后，衰减的X射线被对侧的第四个检测器检测，检测器为圆弧形的柱面，检测器由512 x 64个检测单元组成。第五个X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过活鼠后，衰减的X射线被对侧的第五个检测器检测，检测器为圆弧形的柱面，检测器由512 x 64个检测单元组成。图1是这一实施例的示意图，沿Z轴方向看，5个源与圆心(转动轴Z轴)连线的间隔角度为72°。第一个检测器的最小检测窗由第一个X射线源出发的上一圈螺旋与下一圈螺旋间最中间的两圈螺旋，即第条螺旋与第条螺旋围成的区域。图2螺旋所在圆柱面经第一个源沿平行于Z轴的方向剪开，展平得到的第一个检测器的最小检测窗的示意图。其余的检测器的最小检测窗可类推。

(2)5个X射线源在垂直于Z轴的同一平面上，至Z轴的距离均为15厘米，5个检测器中心至Z轴的距离也均为15厘米。

(3)5个X射线源、5个检测器同时以相同速度绕Z轴匀角速度旋转，相对于活鼠作螺旋运动。5个X射线源相对于活鼠的轨迹是5条螺旋线。

(4)扫描时，由5组硬件分别记录5组检测器获得的数据，每旋转0.5度记录一次。在记录投影数据时，还应记录每组扫描装置的空间位置以及其他在之后图象重建中必要的相关信息，包括：每个X-射线发射源的Z轴位置；获取数据时每个检测器组中的每个检测器单元的位置等。

(5)确定以连接第一条螺旋与第三条螺旋的跨螺旋PI线为一坐标轴的跨螺旋PI坐标系，固定跨螺旋PI线在第一条螺旋线上的端点，用5个螺旋路径上的5个最小检测器窗内的投影数据，通过5源螺旋CT的精确反投影滤波算法或5源螺旋CT的精确滤波反投影算法，重建出该跨螺旋PI坐标系下的512 x 512点的二维重建图像。

(6)改变跨螺旋PI线在第一条螺旋线上的端点，重复(5)，得到512组跨螺旋PI坐标系下的512 x 512点的二维重建图像。

(7)用这512组跨螺旋PI坐标系下的512 x 512点的二维重建图像，生成直角坐标系下的活鼠的512 x 512 x 512点的三维图像，在指定的范围内显示出重建后的三维图象或二维断层图像。

实施效果如下表所示：

 

	扫描速度	X射线总剂量	活鼠重建图像质量
				5源精确螺旋CT	5	1	清晰
单源精确螺旋CT	1	1	模糊

表中的单源精确螺旋CT是从5源精确螺旋CT中去掉4组X射线源-检测器，其他参数不变。数量指标以单源精确螺旋CT的结果作为一个单位。

上表显示了有益的实施效果。

Claims (5)

1、一种2N+1源螺旋CT的重建方法，其特征在于，采用2N+1个X射线源、2N+1个最小检测器窗的结构，以2N+1个螺旋路径进行扫描，提高了投影数据采集速度2N+1倍，利用2N+1个螺旋路径上的2N+1个最小检测器窗内的投影数据，通过2N+1源螺旋CT的反投影滤波算法或2N+1源螺旋CT的滤波反投影算法，重建出跨螺旋PI坐标系下的二维图像，最后由一系列这样的二维图像重建出直角坐标系下的三维图像；具体包括以下步骤：

(1)第一个X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过被测对象后，衰减的X射线被对侧的第一个检测器检测，第一个检测器的最小检测窗由第一个X射线源出发的上一圈螺旋与下一圈螺旋间最中间的两圈螺旋或其投影围成的区域，第二个X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过被测对象后，衰减的X射线被对侧的第二个检测器检测，第二个检测器的最小检测窗由第二个X射线源出发的上一圈螺旋与下一圈螺旋间最中间的两圈螺旋或其投影围成的区域，第n个检测器的最小检测窗由第n个X射线源出发的上一圈螺旋与下一圈螺旋间最中间的两圈螺旋或其投影围成的区域，n一直取到2N+1；

(2)2N+1个X射线源至Z轴的距离相等，2N+1个检测器中心至Z轴的距离相等，任意两个X射线源不在与Z轴平行的同一直线上；

(3)2N+1个X射线源、2N+1个检测器同时绕Z轴转动，相对于被测对象作螺旋运动，2N+1个X射线源相对于被测对象的轨迹是2N+1条螺旋线；

(4)2N+1个检测器及相对应的投影数据采集系统分别采集2N+1组投影数据；

(5)确定一跨螺旋PI坐标系，用2N+1个螺旋路径上的2N+1个最小检测器窗内的投影数据，通过2N+1源螺旋CT的反投影滤波算法或2N+1源螺旋CT的滤波反投影算法，重建出该跨螺旋PI坐标系下的二维重建图像；

所述的跨螺旋PI坐标系是指：一个二维直角坐标系，一根轴为跨螺旋PI线，另一根轴为跨螺旋PI线的一个端点的角度参数，跨螺旋PI线的另一个端点为固定值；

(6)改变上述跨螺旋PI线的固定端点的位置，重复(5)，得到一系列跨螺旋PI坐标系下的二维重建图像；

(7)用这一系列跨螺旋PI坐标系下的二维重建图像，生成直角坐标系下的被测对象的三维图像，在指定的范围内显示出重建后的三维图像或二维断层图像。

2、根据权利要求1所述的2N+1源螺旋CT的重建方法，其特征是，在步骤(4)中，所述的投影数据采集系统是指把检测器上的数据记录下来并转化成数字信号传给计算机处理的系统。

3、根据权利要求1所述的2N+1源螺旋CT的重建方法，其特征是，在步骤(5)中，所述的跨螺旋PI线是指：一个直线段，它的一个端点位于一条螺旋线上、另一个端点位于另一条螺旋线上、表示这两个端点位置的角度参数之差小于360度。

4、根据权利要求1所述的2N+1源螺旋CT的重建方法，其特征是，在步骤(5)中，所述的2N+1源螺旋CT的反投影滤波算法是指：先用2N+1个最小检测器窗内的投影数据求偏导数，然后进行反投影运算，再沿着跨螺旋PI线进行滤波，包括希尔伯特变换运算。

5、根据权利要求1所述的2N+1源螺旋CT的重建方法，其特征是，在步骤(5)中，所述的2N+1源螺旋CT的滤波反投影算法是指：先用2N+1个最小检测器窗内的投影数据求偏导数，然后沿着跨螺旋PI线在2N+1个最小检测器窗内投影线分别进行滤波，包括希尔伯特变换运算，再进行反投影运算。

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