CN101073500A - 多源螺旋ct并行重建系统 - Google Patents

Abstract

一种用于生物医学成像领域的多源螺旋CT并行重建系统。本发明包括两个模块：多源机架扫描模块和图像重建模块。多源机架扫描模块采用2N+1个X射线源同时旋转的扫描结构，采集到的投影数据送入图像重建模块；图像重建模块采用多源螺旋CT精确重建算法，先由单独的计算集群模块采用单个X射线源的投影数据重建计算出中间结果，再由中心计算机整合重排得到重建结果，最后存储结果并显示输出。本发明采用2N+1个CPU集群分别处理2N+1个X射线源采集的投影数据，减小节点间的数据交互，从而提高加速比，改善重建系统的性能。

Description

多源螺旋CT并行重建系统

技术领域

本发明涉及的是一种用于生物医学的图像处理技术领域的图像系统，特别是一种使用多个处理单元并行实现多源螺旋CT成像的多源螺旋CT并行重建系统。

背景技术

多源螺旋CT得工作原理是这样的，2N+1个X射线球管对称安装再同一门架内，当门架旋转时，载有待测对象的检查床沿垂直于门架的方向做直线运动。这时若以待测物体为参考系观察，2N+1个X射线球管的运动轨迹为2N+1条螺旋线。从X射线源发出的X射线穿过被测物体，由对面的检测器采集，得到重建所需的投影数据。由于2N+1个X射线源对应的2N+1个检测器同时采集投影数据，因此多源螺旋CT的成像速度更快。

2006年Jun Zhao等人提出的三源精确重建算法(J.Zhao，An ExactReconstruction Algorithm for Triple-Source Helical Cone-Beam CT[三源螺旋锥形束CT精确重建算法]，Journal of X-Ray Science and Technology[X射线科学技术杂志]，Vol.14，pp.191-206)基于跨螺旋PI线与最小检测窗的概念，z轴方向分辨率与z轴覆盖范围无关，更加适合大螺距重建。但是这种精确重建算法数据量大，重建时间长，限制了其在临床诊断中的应用。解决精确重建速度问题的一个方法是采用并行运算，尤其是日益发展的集群计算技术。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利(申请号200510103153.X)提出了一种CT并行重建技术，但这种方法只针对单源CT重建系统，没有考虑多个X射线源同时采集的条件下数据的特点。因此针对多源CT精确重建算法，研究一种能与之相适应的并行重建系统，尽可能减少重建过程中节点间的通信开销，对于提高重建速度，推广精确重建算法具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多源螺旋CT并行重建系统，使其采用2N+1个CPU集群分别处理2N+1个X射线源采集的投影数据，减小节点间的数据交互，从而提高加速比，改善重建系统的性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括两个模块：多源机架扫描模块和图像重建模块。多源机架扫描模块采用2N+1(N是自然数)个X射线源同时旋转的扫描结构，采集到的投影数据送入图像重建模块；图像重建模块采用多源螺旋CT精确重建算法，先由单独的计算集群模块采用单个X射线源的投影数据重建计算出中间结果，再由中心计算机整合重排得到重建结果，最后存储结果并显示输出。

所述的多源机架扫描模块包括2N+1个X射线源，每一个X射线源对应一个准直器和一个X射线探测器。由X射线源发出的X射线经过准直器，穿过被测物体后被对面的X射线探测器接收，X射线探测器的高度等于最小检测窗的高度。多源机架扫描模块还包括一个用于放置被测对象的检查床。2N+1个X射线源安放在同一个机架上，当机架转动时，检查床沿机架的轴向做直线运动。2N+1个X射线源采集到的投影数据分别送入图像重建模块中对应的数据采集器。

所述的图像重建模块包括2N+1个数据采集器、2N+1个计算集群模块、中心计算机、输入输出接口、存储设备和控制接口。其中2N+1个数据采集器接收来自X射线探测器的数据，并将数据送入2N+1个计算集群模块。每个计算集群模块通过总线与中心计算机进行数据通信。输入输出设备、存储设备和控制接口分别与中心计算机相连，受中心计算机的控制。

所述的计算集群模块采用2N+1源螺旋CT精确重建算法进行重建，首先在对单个X射线源产生的投影数据进行微分，然后沿着跨螺旋PI线进行滤波反投影或反投影滤波运算，得到跨螺旋PI坐标系中的中间结果传送给中心计算机。

所述的中心计算机收集来自2N+1个计算集群模块的中间结果，并对中间结果进行加权、累加之后重排到笛卡儿坐标系，最后存储重建结果并显示输出。

所述的最小检测窗是指：给定一个X射线源，由该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。

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。

与现有技术相比，本发明采用多源机架扫描模块、图像重建模块、计算集群模块、中心计算机来协调实现重建，有益效果是：1)本发明采用2N+1个X射线源的数据采集方式，成像速度提高为单源情形的2N+1倍；2)每个X射线对应一个计算集群模块，在各个计算集群模块之间不存在数据交互；3)并行计算重建速度快，在每个集群采用32个CPU的条件下，速度可以达到单核的30倍以上；4)并行重建系统具有处理大量数据的能力，在每个集群采用32个CPU的条件下，重建时间从数小时减少到10分钟以内，能够满足精确重建算法对数据量和运算量的要求。

附图说明

图1为本发明三源并行重建系统实施例的结构框图

图2为本发明图像重建模块的工作框图

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。

如图1所示，实施例采用三源螺旋锥形束CT的扫描方式，有三个计算集群模块分别处理从三个平板探测器上采集到的投影数据。本发明所述的重建系统包括多源机架扫描模块和图像重建模块两个部分。

多源机架扫描模块包括三个X射线源，每个X射线源对应一个准直器和一个X射线探测器。X射线源发出的X射线经过准直器之后，穿过被测物体，被对侧的平板探测器所采集。在本实施例中使用的是X射线探测器为平板探测器，这时经过准直器之后的X射线呈锥形，因此这种方式称为“三维锥形束CT”的扫描方式。X射线源每旋转一圈采集1024个投影，平板探测器的采样点数为512×80。被测对象安置在检查床上，中心计算机通过控制接口操纵检查床，沿着与机架扫描器垂直的z轴方向做直线运动。

图像重建模块包括三个数据采集器，每个数据采集器对应一个计算集群模块。计算集群模块采用Linux下的PC集群，每个集群有8个节点，节点之间通过千兆以太网相连，以ssh的方式通信。图像重建模块还包括一台中心计算机，一个用于控制多源机架扫描器旋转和检查床直线运动的控制接口，一个设定扫描参数的指令输入接口，以及重建结果的存储和显示输出设备。

下面结合附图2说明图像重建模块的组成结构和工作过程。

1.数据采集器

图像重建模块中包括三个数据采集器，分别接收三个平板探测器的投影数据，经过去噪声预处理之后分别提供给三个计算集群模块。用t表示投影角度，u，v分别表示在平板探测器上的二维坐标，则提供给每个计算集群模块的投影数据可以表示成一个三维数组g^(j)(t，u，v)。其中j＝{1，2，3}，对应三个X射线源。此时三维数组g⁽¹⁾(t，u，v)，g⁽²⁾(t，u，v)，g⁽³⁾(t，u，v)分别对应图2中的投影数据1、投影数据2和投影数据3。

2.计算集群模块

图像重建模块包括三个计算集群模块，每个集群包括8个CPU处理器。附图2中的CPU_jk表示第j个计算集群模块中的第k个CPU。计算集群模块中的每个CPU用于重建跨螺旋PI坐标系中的几个层面，第j个计算集群模块中的CPU在运算时仅用到与该集群所对应的X射线源所采集的投影数据g^(j)(t，u，v)。计算集群模块经过微分、反投影与滤波三个步骤，从投影g^(j)(t，u，v)中重建出跨螺旋PI坐标系中的中间结果H_j(x_π，t₁，t₂)，传给中心计算机。所述的微分是指，计算投影数据g^(j)(t，u，v)相对于投影角度t的微分，在离散情况下，微分可以用相邻点之间的差分来计算，微分后得到的结果记为D_g ^(j)(t，u，v)。

所述的反投影是指，给的空间中的任何一点x，采用二分法计算通过该点的跨螺旋PI线线段，并以该跨螺旋PI线线段的起始和终止点对应的投影角度作为积分的上下限，计算该点的反投影D_j ^#(x_π，t₁，t₂)。

所述的滤波是指，得到反投影之后，首先给D_j ^#(x_π，t₁，t₂)乘以一个权值，然后与Hilbert变换核h(x_π)卷积，即沿着跨螺旋PI线的方向滤波，用数学公式可以表示为

$H_j(x_{\mathrm{\π}},t_1,t_2)=\underset{L^{\′}}{\overset{U^{\′}}{\∫}}\frac{\sqrt{(U^{\′}-x_{\mathrm{\π}}^{\′})(x_{\mathrm{\π}}^{\′}-L^{\′})}{D}_j^{\#}(x_{\mathrm{\π}},t_1,t_2)}{\mathrm{\π}(x_{\mathrm{\π}}-x_{\mathrm{\π}}^{\′})}{\mathrm{dx}}_{\mathrm{\π}}^{\′}$

公式中所述的L′和U′分别表示反投影数据紧支集的下界和上界。

3.中心计算机

中心计算机收集三个计算集群模块运算的中间结果，并将中间结果整合成重建图像。中心计算机整合中间结果H₁(x_π，t₁，t₂)，H₂(x_π，t₁，t₂)和H₃(x_π，t₁，t₂)的过程包括加权叠加、后向加权和数据重排三个步骤。

所述的加权叠加是指，中心计算机为每个计算集群模块处传来的中间结果乘以不同的权值，然后将结果累加。如附图2所示，三组中间结果分别乘以加权系数η₁，η₂，η₃之后叠加，用数学公式可以表示为

$H(x_{\mathrm{\π}},t_1,t_2)=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_j{H}_j(x_{\mathrm{\π}},t_1,t_2)$

所述的后向加权是指，首先给累加过的中间结果加上一个常数C，再除以一个权值，这时的加权称为后向加权。用数学公式表示为

$f_{\mathrm{\π}}(x_{\mathrm{\π}},t_1,t_2)=\frac{-1}{\sqrt{(U-x_{\mathrm{\π}})(x_{\mathrm{\π}}-L)}}(H(x_{\mathrm{\π}},t_1,t_2)+C)$

公式中所述的C是一个常数，用于消除极点。L和U分别表示跨螺旋PI坐标系中待重建物体紧支集的下界和上界。这样就重建得到了跨螺旋PI坐标系中的重建结果f_π(x_π，t₁，t₂)。

所述的数据重排是指，中心计算机将跨螺旋PI坐标系中的重建结果变换到笛卡儿坐标系中。也就是说，给定空间一点，用二分法求得经过该点的跨螺旋PI线，从而得到该点在跨螺旋PI坐标系中的坐标。由于这时求出的坐标值未必在反投影的采样网格上，因此用三维内插的方法得到该点的灰度值。这样，数据重排将跨螺旋PI坐标系中的重建结果f_π(x_π，t₁，t₂)转换为笛卡儿坐标系中的重建结果f(x，y，z)。

4.存储和显示输出设备

在重建完成后，中心计算机将重建数据保存到存储设备上，并根据用户的需要将重建结果显示在高分辨率的医用显示器上。显示输出设备包括人机交互界面，其中显示重建结果的工具基于VGL可视化工具开发，由用户选择显示的灰度窗口和需要显示的截面。

本实施例采用三源数据采集方式，投影采集速度是单源情况的三倍。由于计算集群之间不存在数据交互，因此并行重建系统的加速比接近1。实施例中每个计算集群模块采用8个CPU，重建速度为单CPU重建速度的7.5倍以上。

Claims (9)

1、一种多源螺旋CT并行重建系统，包括图像重建模块，其特征在于，还包括多源机架扫描模块，所述多源机架扫描模块采用2N+1个X射线源同时旋转的扫描结构，采集到的投影数据送入图像重建模块，其中N是自然数；所述图像重建模块采用多源螺旋CT重建算法，先由单独的计算集群模块采用单个X射线源的投影数据重建计算出中间结果，再由中心计算机整合重排得到重建结果，最后存储结果并显示输出。

2、根据权利要求1所述的多源螺旋CT并行重建系统，其特征是，所述的多源机架扫描模块包括2N+1个X射线源，每一个X射线源对应一个准直器和一个X射线探测器，由X射线源发出的X射线经过准直器，穿过被测物体后被对面的X射线探测器接收，X射线探测器的高度等于最小检测窗的高度。

3、根据权利要求2所述的多源螺旋CT并行重建系统，其特征是，所述的最小检测窗是指：给定一个X射线源，由该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。

4、根据权利要求1或2所述的多源螺旋CT并行重建系统，其特征是，所述的多源机架扫描模块还包括一个用于放置被测对象的检查床，2N+1个X射线源安放在同一个机架上，当机架转动时，检查床沿机架的轴向做直线运动。

5、根据权利要求1所述的多源螺旋CT并行重建系统，其特征是，所述的图像重建模块包括2N+1个数据采集器、2N+1个计算集群模块、中心计算机、输入输出接口、存储设备和控制接口；其中2N+1个数据采集器接收来自X射线探测器的数据，并将数据送入2N+1个计算集群模块，每个计算集群模块通过总线与中心计算机进行数据通信，输入输出设备、存储设备和控制接口分别与中心计算机相连，受中心计算机的控制。

6、根据权利要求1或5所述的多源螺旋CT并行重建系统，其特征是，所述的计算集群模块，采用2N+1源螺旋CT精确重建算法进行重建，首先在对单个X射线源产生的投影数据进行微分，然后沿着跨螺旋PI线进行滤波反投影或反投影滤波运算，得到跨螺旋PI坐标系中的中间结果传送给中心计算机。

7、根据权利要求6所述的多源螺旋CT并行重建系统，其特征是，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。

8、根据权利要求6所述的多源螺旋CT并行重建系统，其特征是，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。

9、根据权利要求1或5所述的多源螺旋CT并行重建系统，其特征是，所述的中心计算机收集来自2N+1个计算集群模块的中间结果，并对中间结果进行加权、累加之后重排到笛卡儿坐标系，最后存储重建结果并显示输出。

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