CN101672806B - 一种基于代数重建算法的大视野锥束x射线倾斜扫描三维数字成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于X射线计算机层析成像(CT)技术领域，具体为一种基于代数重建算法的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法。该方法以探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描方式获取被扫描构件的二维投影数据，以代数重建算法进行图像重建，获得扫描区的三维计算机断层图像。相较于基于滤波反投影算法的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，本发明方法在系统硬件、扫描视野、扫描速度不变条件下，可有效抑制层间结构混叠，显著提高重建图像质量。

Description

一种基于代数重建算法的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法

技术领域

本发明涉及一种基于代数重建算法的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，属于X射线计算机层析成像(CT)技术领域。

背景技术

在X射线CT系统中，X射线源发出X射线，从不同角度穿过被检测物体的某一区域，放置于射线源对面的探测器在相应角度接受，然后根据各角度射线不同程度的衰减，利用一定的重建算法和计算机进行运算，重建出物体被扫描区域的射线线衰减系数分布映射图像，从而实现由投影重建图像，无损地再现物体在该区域内的介质密度、成分和结构形态等特征。

现行的CT技术，无论是2D-CT，还是3D-CT，均需要射线扫描被检结构断层所在的整个截面。于是，对于长、宽尺寸大而厚度小的板、壳结构的层析检测，射线不可避免要对比厚度尺寸大得多的长、宽尺寸所在截面作透视扫描。显然这种扫描透视投影数据灵敏度和空间分辨率，与从厚度方向扫描相比，要低得多，于是重建出的断层图像对结构细节分辨率必然很低；况且，当长、宽尺寸达到数米级时，也无法实施这种层析扫描。因此，现有常规CT技术对长、宽尺寸大而厚度小的结构，无法提供有效的层析检测技术。为此，薄板层析成像(CL)技术被提出。它采用圆、直线或螺旋扫描轨迹，对板壳结构实施倾斜扫描，利用一定的重建算法进行层析成像。CL在实际应用中面临的一个主要问题是，受扫描原理和探测器面积的影响，成像视野小，检测效率低。针对这个问题，出现了基于滤波反投影重建算法的探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，在系统硬件不变条件下，可将成像视野或速度提高1倍，重建过程简单、高效。

上述采用滤波反投影重建算法的探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，重建速度快、检测效率高，但存在较为明显的层间特征混叠，难以满足重建精度要求高的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对基于滤波反投影重建算法的探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，存在较为明显的层间特征混叠伪影，难以满足重建精度要求高的应用的问题，提供一种基于代数重建算法的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，在系统硬件、扫描速度、成像视野不变条件下，可显著提高重建图像质量，重建过程简单。

本发明的扫描原理如图1：物体在转台带动下旋转；在每个旋转角度下，偏置的探测器ABEF将穿过物体的射线转换成电信号送到计算机，形成投影数据；当转台旋转360度即完成扫描；根据扫描形成的投影数据，利用本发明的面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像代数重建算法进行重建，即可获得物体三维层析图像。

本发明采用的技术方案：基于代数重建技术的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，其特点在于包括以下步骤：

(1)设置面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描几何结构，形成数字射线投影图像获取系统；

(2)进行面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描，获得一组二维数字射线投影图像序列；

(3)记录射线源到面阵探测器距离z_c、旋转中心到面阵探测器距离z′_c、射线倾斜角度

面阵探测器水平方向探测通道个数m和垂直方向探测通道个数n；

(4)根据步骤(3)得到的参数和步骤(2)获取的二维数字射线投影图像序列，利用面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法对应的代数重建算法，重建扫描区域的三维层析图像。

本发明的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法对应的代数重建算法为：

${f(x^{\′\′},y^{\′\′},z^{\′\′})}^{(k+1)}=f{(x^{\′\′},y^{\′\′},z^{\′\′})}^{\left(k\right)}+{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\frac{q_{\mathrm{ik}}-n_{\mathrm{ik}}^{T}f{(x^{\′\′},y^{\′\′},z^{\′\′})}^{\left(k\right)}}{{\left|\right|n_{\mathrm{ik}}\left|\right|}^2}{n}_{\mathrm{ik}},$ k＝1～6，

f(x″，y″，z″)⁽⁰⁾＝0或1，

其中，f(x″，y″，z″)为重建的三维函数，(x″，y″，z″)为坐标系X″Y″Z″中坐标，k表示第k次迭代，f(x″，y″，z″)^(k)表示第k次迭代得到的三维函数，λ^(k)为第k次迭代的收敛因子，q_ik为k次迭代时面阵探测器获取的第i条射线的投影数据，n_ik为k次迭代时第i条射线经过的像素的信息，为n_ik的转置。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)重建图像质量高；

(2)层间特征混叠小。

附图说明

图1为本发明一种面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法对应的扫描几何结构图；

图2是获得的计算机内存条实物二维数字射线投影图像序列；

图3是采用滤波反投影重建算法获得的计算机内存条实物断面图像；

图4是采用本发明ART算法获得的计算机内存条实物断面图像。

具体实施方式

根据附图1说明本发明具体实施方式：

a.在面阵探测器ABEF成像区域边缘选定数据截断边界EOF；

b.使数据截断边界EOF与主射线SO垂直，与探测器行OG垂直；

c.使系统旋转轴z″在主射线平面SOG内与主射线SO相交，形成一定的射线倾斜角度

为保证较好的射线穿透能力，

一般取45度。

d.将被扫描构件放置于数字射线投影图像获取系统的转台上；

e.以经准直而成的锥束射线对被扫描构件实施透照，同时，转台匀速连续旋转，由面阵探测器ABEF以固定采样速度连续采集透射过被扫描构件的射线投影，获得一组二维数字射线投影图像序列；

f.当转台旋转360度时，面阵探测器ABEF停止采样，转台和射线源同时停止，即完成一次大视野锥束X射线倾斜扫描。

g.采用卷尺测量并记录射线源靶点到探测器表面距离，此即为z_c；

h.采用卷尺测量并记录旋转中心到面阵探测器距离，此即为z′_c；

i.采用卷尺连线射线源靶点与探测器表面中心，再利用三角板测量并记录该连线与旋转轴的夹角，此即为

j.根据面阵探测器说明书，查找并记录m和n；

k.采用如下面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法对应的代数重建算法，重建扫描区断层图像：

${f(x^{\′\′},y^{\′\′},z^{\′\′})}^{(k+1)}=f{(x^{\′\′},y^{\′\′},z^{\′\′})}^{\left(k\right)}+{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\frac{q_{\mathrm{ik}}-n_{\mathrm{ik}}^{T}f{(x^{\′\′},y^{\′\′},z^{\′\′})}^{\left(k\right)}}{{\left|\right|n_{\mathrm{ik}}\left|\right|}^2}{n}_{\mathrm{ik}},$ k＝1～6，

f(x″，y″，z″)⁽⁰⁾＝0或1，

其中，f(x″，y″，z″)为重建的三维函数，(x″，y″，z″)为坐标系X″Y″Z″中坐标，k表示第k次迭代，f(x″，y″，z″)^(k)表示第k次迭代得到的三维函数，λ^(k)为第k次迭代的收敛因子，q_ik为k次迭代时面阵探测器获取的第i条射线的投影数据，n_ik为k次迭代时第i条射线经过的像素的信息，

为n_ik的转置。

为验证本发明，在实验室系统上进行了实验。实验的具体步骤如下：

(1)设定实验条件。本实验采用的物体是计算机内存条；X射线管电压120KV，管电流为1.5mA，探测器采样帧频为2帧/秒，射线源到探测器距离z_c为1200mm，旋转中心到探测器距离z′_c为920mm，射线倾斜角度

为46°，面阵探测器水平方向探测通道个数m和垂直方向探测通道个数n分别为700和1200，重建图像尺寸为1400*1200。

(2)根据设定参数，转台旋转，探测器采集数据，生成一组二维投影图像序列。

(3)根据面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法对应的代数重建算法，利用步骤(2)生成的二维投影图像序列重建扫描区断层图像。

图2是获得的计算机内存条实物二维数字射线投影图像序列；图3是采用滤波反投影重建算法获得的计算机内存条实物断面图像；图4是采用本发明ART算法获得的计算机内存条实物断面图像。比较图3和图4可知，滤波反投影重建算法的重建结果存在明显的层间特征混叠，图像质量较低；而代数重建算法的重建结果层间特征混叠小，图像质量高。

由图3和4可知，本发明方法能正确重建扫描区断层图像，在系统硬件、扫描速度、成像视野不变条件下，可显著提高重建图像质量，重建过程简单。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于代数重建算法的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)设置面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描几何结构，形成数字射线投影图像获取系统；

(2)进行面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描，获得一组二维数字射线投影图像序列；

(3)记录射线源到面阵探测器距离z_c、旋转中心到面阵探测器距离z′_c、射线倾斜角度

面阵探测器水平方向探测通道个数m和垂直方向探测通道个数n；

(4)根据步骤(3)得到的参数z_c、z′_c、

m和n和步骤(2)获取的二维数字射线投影图像序列，利用面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法对应的代数重建算法，重建扫描区域的三维层析图像。

2.根据权利要求1所述的基于代数重建算法的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，其特征在于：所述步骤(1)中设置面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描几何结构，形成数字射线投影图像获取系统的步骤为：

a.在面阵探测器ABEF成像区域边缘选定数据截断边界EOF；

b.使数据截断边界EOF与主射线SO垂直，与面阵探测器行OG垂直；

c.使系统旋转轴z″在主射线平面SOG内与主射线SO相交，形成一定的射线倾斜角度

3.根据权利要求1所述的基于代数重建算法的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，其特征在于：所述步骤(2)中进行面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描，获得一组二维数字射线投影图像序列的步骤为：

a.将被扫描构件放置于权利要求1步骤(1)形成的数字射线投影图像获取系统的转台上；

b.以经准直而成的锥束射线对被扫描构件实施透照，同时，转台匀速连续旋转，由面阵探测器ABEF以固定采样速度连续采集透射过被扫描构件的射线投影，获得一组二维数字射线投影图像序列；

c.当转台旋转360度时，面阵探测器ABEF停止采样，转台和射线源同时停止，即完成一次大视野锥束X射线倾斜扫描。

4.根据权利要求1所述的基于代数重建算法的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，其特征在于，所述步骤(3)中射线源到面阵探测器距离z_c、旋转中心到面阵探测器距离z′_c、射线倾斜角度面阵探测器水平方向探测通道个数m和垂直方向探测通道个数n，通过扫描装置机械数控系统提供的步骤为：

a.采用卷尺测量射线源靶点到面阵探测器表面距离，此即为z_c；

b.采用卷尺测量旋转中心到面阵探测器距离，此即为z′_c；

c.采用卷尺连线射线源靶点与面阵探测器表面中心，再利用三角板测量该连线与旋转轴的夹角，此即为

d.m和n由面阵探测器说明书直接给出。

5.根据权利要求1所述的基于代数重建算法的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法，其特征在于：所述步骤(4)中的面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法对应的代数重建算法为：

$f{(x^{\′\′},y^{\′\′},z^{\′\′})}^{(k+1)}=f{(x^{\′\′},y^{\′\′},z^{\′\′})}^{\left(k\right)}+{\mathrm{\λ}}^{\left(k\right)}\frac{q_{\mathrm{ik}}-n_{\mathrm{ik}}^{T}f{(x^{\′\′},y^{\′\′},z^{\′\′})}^{\left(k\right)}}{{\left|\right|n_{\mathrm{ik}}\left|\right|}^2}{n}_{\mathrm{ik}},$ k＝1～6，

f(x″，y″，z″)⁽⁰⁾＝0或1，

其中，f(x″，y″，z″)为重建的三维函数，(x″，y″，z″)为坐标系X″Y″Z″中坐标，k表示第k次迭代，f(x″，y″，z″)^(k)表示第k次迭代得到的三维函数，λ^(k)为第k次迭代的收敛因子，q_ik为k次迭代时面阵探测器获取的第i条射线的投影数据，n_ik为k次迭代时第i条射线经过的像素的信息，

为n_ik的转置。

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