CN101756707A - 用Micro-CT成像系统对长目标物体进行扫描重建的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用Micro-CT成像系统对长目标物体进行扫描重建的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：(1)从物体的初始位置开始预扫描直到最终位置结束，得到整个物体的投影图像；(2)在物体的投影图像中，选择感兴趣区域作为重建范围区域的扫描框，对扫描框进行分段；从分段的重建区域计算对应的投影图像分段的实际位置信息；(3)调整载物台位置到要采集物体的分段重建区域的最上段，依次扫描每个分段，对每个分段进行重建；对分段重建序列进行拼接，最终得到长目标物体的断层图。经大量扫描重建证实该方法对长目标物体进行扫描重建行之有效，有效的解决了长目标物体无法完整扫描重建的缺陷，且方法稳定可靠，有很大的使用前景。

Description

用Micro-CT成像系统对长目标物体进行扫描重建的方法

技术领域

本发明属于显微X射线成像技术领域，特别涉及一种能够对长目标物体进行扫描重建的Micro-CT成像系统及其扫描重建的方法。

背景技术

1971年英国EMI公司Hounsfield研究成功第一台头部CT扫描机，1975年美国Ledkey设计的第一台全身CT机问世，它是用X线束对人体进行扫描取得信息，经计算机处理而获得重建图像，从而显著扩大了人体的检查范围，提高了病变的检出率和诊断的准确率。这种诊断价值高、无痛苦、无创伤、无危险的诊断方法，是放射诊断领域中的一项重大突破。目前这一技术已经广泛的用于各种领域，例如医学、工业以及材料的等领域。

由于普通CT空间分辨率是很低的，无法研究微米级、甚至纳米级的物体。在此情况下Micro CT应运而生。Micro CT(也称为显微CT、微焦点CT或者微型CT)采用了与普通临床CT不同的微焦点X线球管，分辨率高达几个微米，仅次于同步加速X线成像设备的水平，具有良好的“显微”作用。然而高分辨率带来的问题是扫描样品的体积很小，只有几个厘米，体现其“微型”的一面。与临床CT普遍采用的扇形X线束(Fan Beam)不同的是，Micro CT通常采用锥形X线束(Cone Beam)。采用锥形束不仅能够获得真正各向同性的容积图像，提高空间分辨率，提高射线利用率，而且在采集相同3D图像时速度远远快于扇形束CT。Micro CT能够提高扫描速度，可以达到动态成像的效果。

Micro CT的基本结构组成分成三个部分：微焦点X射线源、载物台和高分辨率成像板。在成像过程中，X射线源连续产生锥形束X射线，穿过载物台上的被测物体，在成像板上成像。成像板后端连接电脑数据采集系统，直接将图像数据读入到电脑中。这时电脑获得的是旋转台上的样品在某一角度下的二维图像。旋转载物台到下一个角度，得到第二个角度下的二维图像。通过旋转一周，依次得到被测物体在不同角度下的二维图像序列。对得到的投影序列根据需求进行图像处理，然后进行重建，得到断层图像序列。将断层图像序列使用各种三维图像显示方法显示为三维立体图像。

由于Micro CT具有微米级的空间分辨率，这就决定了X射线源的焦斑必然也应该是微米级，一般为几个微米。而射线源的锥角大小是固定的，要改进系统的空间分辨率，最好的办法就是提高物体的放大倍数。然而因为旋转控制台是在X射线源焦点和探测器的中心线上，如果不断提高物体的放大倍数，也就是物体不断靠近X射线源，而旋转控制台的视野又是有限的，物体必然会超出视野范围之外，可以感光的物体区域是越来越小的。当产生这样的投影图时，根据FDK重建算法的原理，这些投影数据是无法重建出完整的断层数据的。

传统的Micro-CT的视野一般较小，通常情况下为几个厘米，而如果需要得到较大物体的整体图或整体结构的断层数据，传统的Micro-CT是做不到的。而现在随着基因技术及制药技术的发展，小动物实验变得越来越重要，如今小动物已经成为遗传学、疾病以及药物开发等研究领域最基本的研究工具之一。小动物研究特别是小动物成像，在生物医学领域有重要的地位。尤其是小老鼠实验，已经是实验室不可或缺的研究工具之一了。通常小老鼠长度至少都在10cm以上，成年老鼠可以达到15至20厘米。传统的Micro-CT显然得不到小老鼠的全图，更不可能得到整个小老鼠的断层图，而只能得到小老鼠身体某个部位的投影图或断层图。这样就限制了人们对动物实验的观察，从而使动物实验越要求越来越苛刻。本发明由此而来。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用Micro-CT成像系统对长目标物体进行扫描重建的方法，该方法解决了传统Micro-CT由于视野范围有限而无法采集、重建长目标物体的缺陷。

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供的技术方案如下：

一种用Micro-CT成像系统对长目标物体进行扫描重建的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)从物体的初始位置开始预扫描直到最终位置结束，得到整个物体的投影图像；

(2)在物体的投影图像中，选择感兴趣区域作为重建范围区域的扫描框，对扫描框进行分段；从分段的重建区域计算对应的投影图像分段的实际位置信息；

(3)调整载物台位置到要采集物体的分段重建区域的最上段，依次扫描每个分段，对每个分段进行重建；对分段重建序列进行拼接，最终得到长目标物体的断层图。

优选的，所述方法中还包括在判断物体的初始位置和最终位置前进行Micro-CT成像系统设备进行初始化工作的步骤。

优选的，所述初始化工作包括对成像系统的旋转控制台和X射线源进行初始化，使旋转控制台处于垂直方向的原点处；且调整适合物体的电压和电流，设置采集图像分辨率，设置图像采集帧率。

优选的，所述方法步骤(1)中物体的初始位置和最终位置是根据被照射物体和背景本身的灰度差异来判断，当物体出现在平板成像区域中时利用灰度差异变化得到物体的初始位置；当成像区域中出现旋转轴时利用灰度差异变化得到物体的最终位置。

优选的，所述方法中灰度差异是通过对被照射物体和背景本身的灰度进行计算灰度平均值以及灰度方差来得到。

优选的，所述方法步骤(1)中从初始位置开始直至最终位置，载物台每次上升步进为1mm，依次取平板成像区域的最下层25行像素，把得到的所有像素数拼接起来就形成整个物体的投影图。

优选的，所述方法步骤(2)中指定重建区域扫描框大小为500个像素，在整个物体的投影图上选定要重建的感兴趣区域，若所选区域大于500个像素，则将所选重建区域设为500的整数倍，而重建区域分段数则为重建区域大小除以500的商。

优选的，所述方法步骤(2)中由重建区域范围和重建区域分段数得到每一段重建区域对应的投影图像区域；由该投影图像区域所在位置及在预览图像中的比例关系，换算成实际的载物台高度。

优选的，所述方法步骤(3)中把载物台调整到每段重建区域对应的投影图像位置开始扫描物体，每次旋转0.9度后采集图像，旋转360度可采集400张图同时发送到重建服务器进行重建。

优选的，所述方法步骤(3)中当扫描完一段之后调整载物台位置上升或下降20mm，再接着扫描下一段物体，直至扫描完所有的分段，最后把所有重建段进行合并，得到一系列完整的感兴趣区域的断层图。

本发明技术方案中根据灰度信息，判断物体的初始位置和最终位置，从物体的初始位置开始预扫描直到最终位置结束，得到整个物体的投影图像。在物体的投影图像中，选择感兴趣区域作为重建范围区域，把重建范围区域分成若干段。从分段重建区域计算对应的投影图像实际的位置信息。调整载物台位置到要采集物体的分段区域的最上段，依次扫描每个分段，对每个分段进行重建。重建完后对分段重建序列进行拼接，得到长目标物体的断层图。

本发明采用的Micro-CT成像系统包括三个主要部分：X射线源、旋转控制台、X射线探测器。优选的，X射线源为微焦点X射线源，且通常采用微米级焦点大小的射线源，X射线源的焦点大小是决定系统空间分辨率的因素之一。本系统中采用焦点5微米大小的射线源。整个射线源模块通过上位机用RS232串口控制，串口参数设置为38400，N，8，1。通过串口实时控制射线源的电压、电流、功率、开关等指标。优选的，旋转控制台为三自由度。包括水平方向A自由度：也就是射线源和探测器的连线方向，两个方向运动，整个行程长度为300mm，精度为±0.01mm，速度为50mm/s；垂直方向B自由度：整个行程长度为400mm，精度为±0.01mm，速度为50mm/s；旋转C自由度：最小步长为0.9度，精度为±0.036度，转速为30度/s。要求X射线源的焦点、物体的旋转中心和探测器的投影中心在一条直线上。整个旋转控制台三个自由度方向有三个步进电机驱动，而步进电机由单片机来控制，单片机和上位机通过串口通信，串口参数设置为9600，N，8，1。

优选的，探测器为高分辨率平板探测器，由闪烁体或荧光体层涂上有光电二极管作用的非晶硅层(amorphous Silicon，a-Si)加薄膜晶体管(ThinFilm Transistor，TFT)阵列构成。透过被检体后的入射X线，激发光电二极管产生电流，随之就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷。每一像素的储存电荷量和与之对应范围内的入射X线光子能量与数量成正比。输出的电荷通过A/D转换器之后转换为12位数字信号输出。优选的，所采集图像的分辨率大小为1000×1000(H×W)。

优选的，X射线源和X探测器之间的距离为315mm。优选的，X射线源和控制系统转轴之间距离为265mm。优选的，物体放大倍数为1.25。

本发明扫描重建时，优选的，预扫描时旋转载物台每次上升步进为1mm。优选的，竖直方向每次上升1mm，根据放大倍数以及所裁剪的平板显示区域的大小及位置计算出，对应投影图像上25行像素单元。

本发明技术方案中进行创建重建扫描框，目的是为了选择感兴趣区域进行断层重建，重建扫描框的固定大小为500行像素单位。优选的，当得到预扫描图像，在图像上选定感兴趣重建区域，对感兴趣重建区域进行分段，计算分段重建区域对应的实际投影图像区域后，调整载物台到相应的位置，开始分段扫描，不同分段之间在进行切换时载物台每次下降的高度为20mm。优选的，当选定感兴趣重建区域后，根据感兴趣重建区域的分段，得到每个分段对应的投影图像位置，而不同分段投影图像位置之间的重叠区域为500个像素。

具体来讲，本发明的技术方案可以通过类似以下的步骤进行实现，其步骤分述为：

1.首先初始化旋转控制台，让它处于垂直方向的原点处；同时初始化X射线源，调整适合长目标物体如小老鼠的电压和电流；初始化图像采集装置，设置采集图像分辨率；设置图像采集帧率等条件，准备采集图像。

2.根据被照射物体和背景本身的灰度差异，分别求其灰度平均值以及灰度方差，根据灰度平均值以及方差判断物体是否处于平板的成像范围中，据此求出物体距离垂直方向原点的距离作为物体的初始位置。即载物台从底层原点开始上升，直到物体位于平板成像区域中，利用灰度变化求出此时物体位置作为初始位置。载物台继续上升，取平板成像区域的最下层25行像素。这样每上升1mm，依次取最下层25行像素直到整个物体离开平板成像区域，把得到的所有像素数拼接起来就形成整个物体的预扫描图。

3.基于以上的预扫描图，指定重建区域扫描框大小为500个像素，选定要重建的感兴趣区域，判断所选区域是否大于500个像素，如果大于500个像素则所选重建区域大小取为500的整数倍，而重建段数将是重建区域大小除以500的商。这样可以得到要扫描的感兴趣区域以及分段数。

4.已知重建区域的范围以及重建区域分段数，计算每一段重建图像对应的投影图像区域，也就是该重建段区域的TOP值减去250个像素，该重建段的bottom加上250个像素值，这样得到该段重建图像对应的投影图像区域。根据该投影图像区域所在位置以及在预览图像中的比例关系，计算实际的载物台高度，把载物台调整到对应的投影图像位置开始扫描物体。每次旋转0.9度后采集图像，旋转360度，可以采集400张图同时发送到重建服务器进行重建。扫描完一段之后调整载物台位置上升或下降20mm，再接着扫描下一段物体，直至扫描完所有的分段。最后把所有重建段进行合并，得到一系列完整的感兴趣区域的断层图。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明技术方案在感兴趣区域设置扫描框，通过分段扫描、分段重建的方法使Micro-CT成像系统对长目标物体进行扫描重建，解决了传统Micro-CT由于视野范围有限而无法采集、重建长目标物体的长期难题。经大量扫描重建证实该方法对长目标物体进行扫描重建行之有效，有效的解决了长目标物体无法完整扫描重建的缺陷，且方法稳定可靠，有很大的使用前景。本发明的技术方案可以应用于医学、实验动物学等技术领域中。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例用Micro-CT成像系统对长目标物体进行扫描重建的方法的系统流程图；

图2为本发明实施例得到的小老鼠投影图像；

图3为本发明实施例得到的小老鼠头部的断层结果图；

图4为本发明实施例得到的小老鼠颈部下方断层结果图；

图5为本发明实施例得到的小老鼠腹部断层结果图。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述方明的技术方案，以下本发明人列举出具体的实施实例来阐明技术效果。需要强调的是，这些实施实例只是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

实施例用Micro-CT成像系统对幼年老鼠进行进行扫描重建

该幼年老鼠为一只长度为100mm左右、直径为30mm左右的幼年老鼠，扫描重建的方法如系统流程图，具体实施步骤如下：

1、首先载物台复位。即旋转轴在水平方向靠近X射线探测器，在竖直方向位于坐标原点。设置平板的帧率为0.5frame/s，设置所采集图像的大小为1000×1000，打开X射线源，将电压调节到45kV，电流调节到100uA。

2、计算平均灰度。经计算，在没有物体时(空载时)的灰度值为240，而小老鼠的平均灰度为150。

3、使平板处于预览状态，上升载物台，每次上升1mm，取预览图像的最下层25行像素。将物体在未上升1mm之前所得到的灰度信息和当前所得到的预览图像最下层25行像素的灰度信息进行比较，同时设定经验阈值，如果灰度差小于阈值则为背景，如果大于阈值，则认为小老鼠已经处于平板成像区域中。这时小老鼠的位置为256mm，即距离载物台垂直方向原点的距离为256mm，作为小老鼠的初始位置。载物台继续上升，开始保存所采集图像的最下层25行像素，直到成像区域中出现旋转轴。因旋转轴和被成像物体的灰度值也有差异，可以据此判断物体整体已经扫描完。这样得到一系列图像行数，对这些图像行进行拼接，形成一幅预扫描图并显示。预扫描图像的开始高度为(S1)，结束高度为(S2)。

4、创建扫描框，并设定其高度为500个像素，水平宽度可以调整。用扫描框选定感兴趣区域，把需要重建的部分包含在扫描框中，得到图像的重建参数，包括图像起始高度、结束高度以及分段信息。如果要重建的感兴趣区域超过固定的扫描框范围则需要分割感兴趣区域为若干段。此时如果要重建整个老鼠，也就是100mm高度的物体，则预扫描图像被分割为5段。在本实例中选择中间3段作为重建区域，包括D1(y1，y2)、D2(y3，y4)、D3(y5，y6)，y2-y1＝y4-y3＝y6-y5＝500，则对应投影图像段数为P1、P2、P3。P1的开始高度为y1-250、结束高度为y2+250；P2的开始高度为y3-250、结束高度为y4+250；P3的开始高度为y5-250、结束高度为y5+250。这样计算出了分段重建区域对应的分段投影区域的位置信息。

5、预扫描完成后，开始分段重建。这时候需调整旋转控制台的位置到要扫描的分段区域，经计算旋转控制台实际下降距离为L＝(S2-(y2+250)/s2-s1)＊100。旋转控制台下降L个单位，开始扫描物体的第一段。物体每旋转0.9度，采集一张投影图。扫描完第一段投影图序列后，旋转控制台上升20mm，开始扫描第二段区域。经过类似的过程得到第二段、第三段投影图序列。对这三段投影图序列分别进行三维重建，得到三段断层序列。最后拼接断层序列，得到最终的断层图像。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用Micro-CT成像系统对长目标物体进行扫描重建的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)从物体的初始位置开始预扫描直到最终位置结束，得到整个物体的投影图像；

(2)在物体的投影图像中，选择感兴趣区域作为重建范围区域的扫描框，对扫描框进行分段；从分段的重建区域计算对应的投影图像分段的实际位置信息；

(3)调整载物台位置到要采集物体的分段重建区域的最上段，依次扫描每个分段，对每个分段进行重建；对分段重建序列进行拼接，最终得到长目标物体的断层图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中还包括在判断物体的初始位置和最终位置前进行Micro-CT成像系统设备进行初始化工作的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述初始化工作包括对成像系统的旋转控制台和X射线源进行初始化，使旋转控制台处于垂直方向的原点处；且调整适合物体的电压和电流，设置采集图像分辨率，设置图像采集帧率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(1)中物体的初始位置和最终位置是根据被照射物体和背景本身的灰度差异来判断，当物体出现在平板成像区域中时利用灰度差异变化得到物体的初始位置；当成像区域中出现旋转轴时利用灰度差异变化得到物体的最终位置。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述方法中灰度差异是通过对被照射物体和背景本身的灰度进行计算灰度平均值以及灰度方差来得到。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(1)中从初始位置开始直至最终位置，载物台每次上升步进为1mm，依次取平板成像区域的最下层25行像素，把得到的所有像素数拼接起来就形成整个物体的投影图。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(2)中指定重建区域扫描框大小为500个像素，在整个物体的投影图上选定要重建的感兴趣区域，若所选区域大于500个像素，则将所选重建区域设为500的整数倍，而重建区域分段数则为重建区域大小除以500的商。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(2)中由重建区域范围和重建区域分段数得到每一段重建区域对应的投影图像区域；由该投影图像区域所在位置及在预览图像中的比例关系，换算成实际的载物台高度。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(3)中把载物台调整到每段重建区域对应的投影图像位置开始扫描物体，每次旋转0.9度后采集图像，旋转360度可采集400张图同时发送到重建服务器进行重建。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(3)中当扫描完一段之后调整载物台位置上升或下降20mm，再接着扫描下一段物体，直至扫描完所有的分段，最后把所有重建段进行合并，得到一系列完整的感兴趣区域的断层图。

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