CN100522065C - 三源马鞍线轨迹锥形束ct精确重建方法 - Google Patents
三源马鞍线轨迹锥形束ct精确重建方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种生物医学成像技术领域的三源马鞍线轨迹锥形束CT精确重建方法，采用三个X射线源，三个检测器的结构，每个X射线源沿各自的马鞍线轨迹进行扫描，相应的检测器采集投影数据，多条马鞍线轨迹相互之间有交点，这些交点将采集的投影数据分为若干区间，每个区间的数据按设定的方向进行希尔伯特滤波，最后对滤波后的数据进行反投影重建，获得重建的图像。本发明重建精度高，成像速度快，在投影数据滤波时算法具有移不变的性质，即检测器上的投影数据在进行希尔伯特滤波时，只与当前X射线源的位置有关，与被测对象无关；投影数据采集速度快，数据采集时间只有单源CT的三分之一。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种图像处理技术领域的成像方法，具体地说，是一种多源马鞍线轨迹锥形束CT精确滤波反投影重建方法。
背景技术
锥形束CT的工作原理是这样的：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射线源需要沿一定的轨迹扫描，并在每个位置完成一次曝光和数据采集过程。从扫描轨迹来看，目前实际应用的最广的是沿螺旋线扫描的锥形束CT。为了减少冗余的投影数据，研究人员提出了各种新型的扫描轨迹并建立了相应的精确重建算法，这些扫描轨迹包括马鞍线、正交的双圆、直线加圆等等。另一方面，为了提高投影数据采集速度，研究人员又提出了多源CT的概念，与传统的单源CT相比，多源CT具有多个X射线球管和与之对应的多个检测器，可以同时工作，大大节省了投影数据采集的时间。
经对现有技术的文献检索发现，Haiquan Yang，Meihua Li等人在Physics inMedicine and Biology[医学与生物中的物理](2006年第51期，第1157页至1172页)上发表的“Exact cone beam reconstruction for a saddle trajectory”[基于马鞍线轨迹的锥形束精确重建方法]，提出了一种基于马鞍线扫描轨迹的锥形束CT精确滤波反投影重建方法。该方法的缺点是投影数据采集速度慢，由于只具有单个X射线源，只有当它沿马鞍线完成一个周期的扫描后才能完整重建出被测对象的图像。在某些场合下，被测对象的状态随时间变化很快，此时单源CT的数据采集速度就不能满足需要，导致重建的图像具有很严重的运动伪迹。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种三源马鞍线轨迹锥形束CT精确重建方法。本发明重建精度高，成像速度快，在投影数据滤波时算法具有移不变的性质，即检测器上的投影数据在进行希尔伯特滤波时，只与当前X射线源的位置有关，与被测对象无关；投影数据采集速度快，数据采集时间只有单源CT的三分之一。
本发明是通过以下技术方法实现的，本发明采用三个X射线源，三个检测器的结构，每个X射线源沿各自的马鞍线轨迹进行扫描，相应的检测器采集投影数据，多条马鞍线轨迹相互之间有交点，这些交点将采集的投影数据分为若干区间，每个区间的数据按设定的方向进行希尔伯特滤波，最后对滤波后的数据进行反投影重建，获得重建的图像。
本发明的具体包括以下步骤：
(1)第n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。n从1一直取到3。
(2)3个X射线源至Z轴的距离相等，3个检测器中心至Z轴的距离相等。3个X射线源都处于同一个平面上。
(3)3个X射线源、3个检测器同时绕Z轴转动。3个X射线源相对于被测对象的轨迹是3条马鞍线。
检测器及相对应的投影数据采集系统采集投影数据。
所述的马鞍线，是指：满足ρ(s)＝(R(s)cos(s)，R(s)sin(s)，A(s)cos(2s))的函数曲线，其中ρ是螺旋马鞍线上任一点的坐标，s是角度参数，R(s)是马鞍线上角度参数为s的那一点在X-Y平面上的投影到原点间的距离，A(s)是马鞍线的振幅。
所述的马鞍线的振幅，是指：马鞍线在Z轴方向偏离X-Y平面的最大距离。
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。
(4)在一个完整的扫描周期内，三条马鞍线轨迹相互间共有12个交点，将这些交点按其所对应角度参数的大小，由小到大记为P1，P2，…，P12。每条马鞍线有四个极值点，三条马鞍线共12个极值点，将这些点按其所对应角度参数的大小，由小到大记为PN1，PN2，…，PN12。
所述的扫描周期，是指：三个X射线源和相应的检测器都完成360°的沿马鞍线的扫描过程。
(5)将所有上述这些点分为4组。第一组为P1，P5，P9，PN3，PN7，PN11；第二组为P2，P6，P10，PN4，PN8，PN12；第三组为P3，P7，P11，PN5，PN9，PN1；第四组为P4，P8，P12，PN6，PN10，PN2。
(6)按每一组的交点划分三条马鞍线轨迹，得到4条连续曲线，每条连续曲线都由三段属于不同马鞍线的区间构成。这些连续曲线分别代表了不同时间段下采集的投影数据，每一条连续曲线的投影数据都是完整的。
(7)对于每条连续曲线，确定滤波方向，即作一垂直于Z轴并与连续曲线有六个交点的平面，按交点所对应角度参数的大小，将这些交点记为F1，F2，…，F6，并得到对应的单位向量
以F1为起点，F2为终点得到单位向量
以F2为起点，F3为终点得到单位向量
以F3为起点，F4为终点得到单位向量
以F4为起点，F5为终点得到单位向量
以F5为起点，F6为终点得到单位向量
以F6为起点，F1为终点得到单位向量
所有的单位向量同时反向亦可。
(8)在连续曲线上，从起始点开始的每一个点P，存在一系列的平面经过点P并且平行于点P所对应的滤波方向，做这些平面与检测器平面的交线，沿着这些交线对检测器上获得的投影数据进行希尔伯特变换运算。
以第一条连续曲线为例，点P位于以点P1为起点、PN3为终点的区间内滤波方向是
位于以点PN3为起点、P5为终点的区间内滤波方向是
位于以点P5为起点、PN7为终点的区间内滤波方向是
位于以点PN7为起点、P9为终点的区间内滤波方向是
位于以点P9为起点、PN11为终点的区间内滤波方向是
位于以点PN11为起点、P1为终点的区间内滤波方向是
(9)选定一个垂直于Z轴并经过被测对象的平面，沿上述连续曲线对滤波过的数据进行反投影运算，得到直角坐标系下的重建的二维断层图像。
(10)改变欲重建的平面的位置，重复步骤(9)，得到一系列的二维断层图像。
(11)用这一系列直角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高分辨率的三维图像或二维断层图像。
所述的对滤波过的数据进行反投影运算，是指：选择角度参数最小的交点作为积分下限，角度参数最大的交点作为积分上限，对滤波后的数据进行积分的过程。
本发明工作原理是：多条马鞍线轨迹相互之间有交点，这些交点将马鞍线分为不同的区间，按一定的规律选择和排列这些区间，可以得到一系列闭合的曲线满足精确重建算法对数据完整性的要求，同时保证对投影数据进行滤波时，滤波的方向在同一个平面内，而且各个滤波方向首尾相接，矢量和是0，因此可以直接重建该平面。
与现有技术相比，本发明的优势在于：(1)重建的结果与被测对象完全一致，保持了其成像精度高，成像速度快的特性；(2)投影数据采集时间只有原来的三分之一；(3)对于动态物体，大大减少了重建图像中运动伪迹的产生。
附图说明
图1为本发明实施例中三条马鞍线各个交点和极值点示意图。
图2为本发明实施例中其中一条连续曲线滤波方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例按照以下步骤实施：
1.三个X射线源在同一个平面内均匀放置，间隔120°，它们的起始位置分别为—120°，0°，120°。把一盆植物置于可沿Z轴方向作直线运动床上，每个X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过植物后，衰减的X射线被对侧的平板检测器检测，检测器为正方形的平面，由800 x 800个检测单元组成，每个检测单元尺寸0.32mm2。
2.每个X射线源距离Z轴均为20cm，每个检测器距离Z轴20cm，X射线源与相应的检测器的中心垂直于Z轴。
3.每个X射线源和相应的检测器都绕Z轴相对于植物做马鞍线运动，形成了三条马鞍线的轨迹，分别记为LM1，LM2，LM3。马鞍线的振幅为3cm。每隔0.3°采集一次投影数据。在记录投影数据时，还应记录扫描装置的空间位置以及其他在之后图像重建中必要的相关信息，包括：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。
4.在一个扫描周期内，三条马鞍线共有12个交点，按角度参数的大小分别是P1(-π)，
P7(0)，
每条马鞍线有四个极值点，三条马鞍线共12个极值点，将这些点按其所对应角度参数的大小，由小到大记为PN1(-π)，
PN7(0)，
括号内的数字为相应的角度参数。这些点的位置见图1。图1用正弦曲线代表展平后的马鞍线，实线、虚线和点划线分别代表了三条不同相位的马鞍线。
5.将所有上述这些点分为4组。第一组为P1，P5，P9，PN3，PN7，PN11；第二组为P2，P6，P10，PN4，PN8，PN12；第三组为P3，P7，P11，PN5，PN9，PN1；第四组为P4，P8，P12，PN6，PN10，PN2。
6.按每一组的交点划分三条马鞍线轨迹，得到4条连续曲线L1，L2，L3，L4。每条连续曲线都由三段属于不同马鞍线的区间构成。曲线L1由属于LM1的区间[P1，P5]、属于LM2的区间[P5，P9]、属于LM3的区间[P9，P1]构成；曲线L2由属于LM2的区间[P2，P6]、属于LM3的区间[P6，P10]、属于LM1的区间[P10，P2]构成；曲线L3由属于LM3的区间[P3，P7]、属于LM1的区间[P7，P11]、属于LM2的区间[P11，P3]构成；曲线L4由属于LM1的区间[P4，P8]、属于LM2的区间[P8，P12]、属于LM3的区间[P12，P4]构成。
7.对于每条连续曲线，确定滤波方向。以连续曲线L1为例，作平面Z＝0，该平面与L1有六个交点，按交点所对应角度参数的大小，将这些交点记为F1，F2，…，F6。以F1为起点，F2为终点得到单位向量
以F2为起点，F3为终点得到单位向量
以F3为起点，F4为终点得到单位向量
以F4为起点，F5为终点得到单位向量
以F5为起点，F6为终点得到单位向量以F6为起点，F1为终点得到单位向量
所有的单位向量同时反向亦可。示意图2显示了L1上滤波的方向向量。
8.在连续曲线上每一个点P，存在一系列的平面经过点P并且平行于点P所对应的滤波方向，做这些平面与检测器平面的交线，沿着这些交线对检测器上获得的投影数据进行希尔伯特变换运算。以连续曲线L1为例，点P位于区间[P1，PN3]内，检测器上半部分滤波方向是
检测器下半部分滤波方向是位于区间[PN3，P5]内，检测器上半部分滤波方向是
检测器下半部分滤波方向是
位于区间[P5，PN7]内，检测器上半部分滤波方向是
检测器下半部分滤波方向是位于区间[PN7，P9]内，检测器上半部分滤波方向是
检测器下半部分滤波方向是
位于区间[P9，PN11]内，检测器上半部分滤波方向是检测器下半部分滤波方向是
位于区间[PN11，P1]内，检测器上半部分滤波方向是
检测器下半部分滤波方向是
9.连续曲线L2，L3，L4按同样的方式确定希尔伯特滤波的滤波方向并进行数据滤波。
10.选定垂直于Z轴的平面Z＝0，沿连续曲线L1、L2、L3或L4进行反投影重建获得植物位于Z＝0处的断层图像。连续曲线L1、L2、L3和L4代表的是不同扫描时间段下获得的投影数据，在本实施例中，需要对植物进行实时的观察，根据需要沿每条连续曲线都重建一次，获得一个扫描周期下4幅不同时间段的二维重建图像。
11.改变垂直于Z轴平面的位置，重复步骤10，得到在Z轴方向上不同位置的二维重建图像，利用这些二维重建图像生成植物的三维重建图像。
12.X射线源和相应的检测器持续进行扫描并采集投影数据，重复步骤9至11，获得一系列重建的三维断层图像。
13.重建的图像通过可视化软件显示在高分辨率的医用显示器上。
有益的实施效果如下表：
| 重建图像质量 | 数据采集时间 | |
| 单源马鞍线精确重建算法 | 运动伪迹严重，图像模糊 | 3 |
| 三源马鞍线精确重建算法 | 运动伪迹减少，图像清楚 | 1 |
表中数据采集时间以采集完整的一组投影数据为一个时间单位。
Claims (8)
1、一种三源马鞍线轨迹锥形束CT精确重建方法，其特征在于，采用三个X射线源，三个检测器的结构，每个X射线源沿各自的马鞍线轨迹进行扫描，相应的检测器采集投影数据，多条马鞍线轨迹相互之间有交点，这些交点将采集的投影数据分为若干区间，每个区间的数据按设定的方向进行希尔伯特滤波，最后对滤波后的数据进行反投影重建，获得重建的图像，具体包括以下步骤：
(1)第n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n个检测器检测，n从1一直取到3；
(2)3个X射线源至Z轴的距离相等，3个检测器中心至Z轴的距离相等，3个X射线源都处于同一个平面上；
(3)3个X射线源、3个检测器同时绕Z轴转动，3个X射线源相对于被测对象的轨迹是3条马鞍线，检测器及相对应的投影数据采集系统采集投影数据；
(4)在一个完整的扫描周期内，三条马鞍线轨迹相互间共有12个交点，将这些交点按其所对应角度参数的大小，由小到大记为P1，P2，…，P12，每条马鞍线有四个极值点，三条马鞍线共12个极值点，将这些点按其所对应角度参数的大小，由小到大记为PN1，PN2，…，PN12；
(5)将所有上述这些点分为4组：第一组为P1，P5，P9，PN3，PN7，PN11；第二组为P2，P6，P10，PN4，PN8，PN12；第三组为P3，P7，P11，PN5，PN9，PN1；第四组为P4，P8，P12，PN6，PN10，PN2；
(6)按每一组的交点划分三条马鞍线轨迹，得到4条连续曲线，每条连续曲线都由三段属于不同马鞍线的区间构成，这些连续曲线分别代表了不同时间段下采集的投影数据，每一条连续曲线的投影数据都是完整的；
(7)对于每条连续曲线，确定滤波方向，即作一垂直于Z轴并与连续曲线有六个交点的平面，按交点所对应角度参数的大小，将这些交点记为F1，F2，…，F6，并得到对应的单位向量
(8)在连续曲线上，从起始点开始的每一个点P，存在一系列的平面经过点P并且平行于点P所对应的滤波方向，做这些平面与检测器平面的交线，沿着这些交线对检测器上获得的投影数据进行希尔伯特变换运算；
(9)选定一个垂直于Z轴并经过被测对象的平面，沿上述连续曲线对滤波过的数据进行反投影运算，得到直角坐标系下的重建的二维断层图像；
(10)改变欲重建的平面的位置，重复步骤(9)，得到一系列的二维断层图像；
(11)用这一系列直角坐标系下的二维断层图像，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高分辨率的三维图像或二维断层图像。
2、根据权利要求1所述的三源马鞍线轨迹锥形束CT精确重建方法，其特征是，所述的马鞍线，是指：满足ρ(s)＝(R(s)cos(s)，R(s)sin(s)，A(s)cos(2s))的函数曲线，其中ρ是螺旋马鞍线上任一点的坐标，s是角度参数，R(s)是马鞍线上角度参数为s的那一点在X-Y平面上的投影到原点间的距离，A(s)是马鞍线的振幅。
3、根据权利要求2所述的三源马鞍线轨迹锥形束CT精确重建方法，其特征是，所述的马鞍线的振幅，是指：马鞍线在Z轴方向偏离X-Y平面的最大距离。
4、根据权利要求1所述的三源马鞍线轨迹锥形束CT精确重建方法，其特征是，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、根据权利要求1所述的三源马鞍线轨迹锥形束CT精确重建方法，其特征是，所述的扫描周期，是指：三个X射线源和相应的检测器都完成360°的沿马鞍线的扫描过程。
6、根据权利要求1所述的三源马鞍线轨迹锥形束CT精确重建方法，其特征是，步骤(7)中，所述得到对应的单位向量 
是指：以F1为起点，F2为终点得到单位向量以F2为起点，F3为终点得到单位向量
以F3为起点，F4为终点得到单位向量
以F4为起点，F5为终点得到单位向量
以F5为起点，F6为终点得到单位向量
以F6为起点，F1为终点得到单位向量
所有的单位向量或者同时反向。
7、根据权利要求1所述的三源马鞍线轨迹锥形束CT精确重建方法，其特征是，步骤(8)中，所述连续曲线，点P位于以点P1为起点、PN3为终点的区间内滤波方向是
位于以点PN3为起点、P5为终点的区间内滤波方向是
位于以点P5为起点、PN7为终点的区间内滤波方向是
位于以点PN7为起点、P9为终点的区间内滤波方向是
位于以点P9为起点、PN11为终点的区间内滤波方向是
位于以点PN11为起点、P1为终点的区间内滤波方向是
8、根据权利要求1所述的三源马鞍线轨迹锥形束CT精确重建方法，其特征是，所述的对滤波过的数据进行反投影重建，是指：选择角度参数最小的交点作为积分下限，角度参数最大的交点作为积分上限，对滤波后的数据进行积分的过程。
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