CN102004111A - 一种倾斜多锥束直线轨迹ct成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及X射线CT成像检测技术领域，公开了一种采用倾斜多锥束直线轨迹的CT成像方法。该成像方法包括：投影采集部分，探测器接收从射线源发出的射线，获得数字射线投影图像序列；滤波部分，用指定的滤波函数与射线投影进行卷积运算，获得滤波投影数据；反投影重建部分，根据系统参数对滤波后的投影数据进行加权反投影重建。本发明采用倾斜多锥束直线轨迹的扫描方式，将多个锥束倾斜安装在不同位置，被检物体做直线运动穿过所有锥束，探测器采集从不同方向穿过物体的射线，扫描过程简单，扫描速度快，并采用滤波反投影重建算法，重建速度快，解决了CT中高速检测和大物体检测的问题。

Description

一种倾斜多锥束直线轨迹CT成像方法

技术领域

本发明涉及一种采用倾斜多锥束直线轨迹扫描成像方法，属于X射线CT技术领域。

背景技术

在X射线CT检测系统中，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接收相应角度的射线投影值，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。

目前，基于X射线的CT技术在医疗诊断、工业探伤等领域得到了广泛的应用。其中，圆轨迹扫描和螺旋轨迹扫描是获得CT投影数据最常用的两种扫描方式。但是，无论是圆轨迹扫描还是螺旋迹扫描，射束和物体之间均存在旋转运动，高速旋转会产生较大的离心加速度，正因为旋转运动的存在，限制了扫描速度的提高。其次，这两种扫描方式对于检测体积较大或者质量较大的物体也有一定的局限性，因为受到目前技术条件的限制，难以使大物体平稳旋转。在实际应用中，这两种扫描方式均不能满足对速度要求较高的行李安全检查和工业在线检查的要求。

针对上述问题，一种基于直线轨迹的CT成像方式开始被研究。在直线轨迹扫描中，物体相对于探测器或射线源作直线运动，可以实现高速检查和在线检查，并且直线运动比旋转运动要简单，这种扫描方式能够用来检测大物体。在最初的直线轨迹扫描系统中，只包含一个射线源和一个探测器，采用的算法主要有直接解析算法和重排算法。由于受到射线源张角和探测器尺寸的限制，获得投影数据有限，采用解析算法和重排算法重建出的图像质量都不是很高。随着研究的深入，多个探测器或者多个射线源被引入直线轨迹扫描系统中，最常见的是多段直线轨迹成像系统，这套系统仅有一个射线源，但是有多个探测器，理论上当锥束达到180度，探测器分布超过180度，在中心平面上可以实现精确重建。但是由于锥束张角有限和多段直线轨迹扫描运动的复杂性，不能满足高速检查的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前基于圆轨迹扫描和螺旋轨迹扫描因存在旋转运动而导致检测速度慢和不能用来检测大物体的问题，提出了一种基于检台做直线运动的倾斜多锥束CT成像系统，并采用了滤波反投影重建算法，解决了常规CT方式检测速度慢和不能用于大物体的三维层析检测的问题，且扫描及重建过程简单，高效。

在本发明的一个方面，提出了一种基于直线轨迹扫描的倾斜多锥束CT成像系统，包括：射线源部分，用于产生穿透物体的X射线，这些射线到达图像采集单元；投影采集部分，可为面阵探测器，采集穿透物体的射线，并转换成数字射线投影图像序列；滤波部分，对采集到的投影数据与指定的卷积函数核进行卷积运算，获得滤波投影数据；反投影重建部分，对获得的投影数据，按照系统参数进行加权以及反投影重建。

所述直线运动为当所有锥束均静止时，被检物体作匀速直线运动穿过所有锥束，由齿轮齿条或者丝杠来实现。

所述直线轨迹多个锥束CT扫描系统至少由两个锥束组成，每个锥束包含一个射线源和一个探测器。

所述锥束分布在直线轨迹两侧，且每个锥束中心都在直线轨迹上，每个锥束相对物体运动轨迹的倾斜角度不一样，不同锥束之间互不干扰。

所述探测器由多个面阵探测器组成，用以接收从射线源发出的穿过被检查物体的射线信号，并将信号转换成数字射线投影图像序列。

所述探测器分布在不同方位，每个探测器与直线轨迹之间的夹角均不同，用以接收从不同视角穿过被检物体的射线。

所述射线源的个数和探测器的个数相同，其位置由同一锥束中的探测器的位置来确定，不同射线源之间的所有射线不能相交。

所述探测器既可以为面阵探测器，也可以为线阵探测器，线阵探测可以用来检测一个截面，面阵探测器可以实现三维检测。

所述投影采集部分，物体运动过程中，多个探测器同时采集各自射线源发出的射线信号，第i个探测器采集的投影数据为P_i(l，t，h)，其中，l表示物体运动到离系统中心距离为l的位置，t，h分别表示探元在水平方向和垂直方向到探测器平面中心的距离。

所述滤波部分，将第i个探测器采集到的投影数据P_i(l，t，h)与指定的滤波函数核在t方向做一维卷积，获得滤波后的投影数据Q_i(l，t，h)。

所述反投影部分，根据系统参数，将所有滤波后的投影数据Q_i(l，t，h)进行加权计算，加权因子由系统参数和重建点位置给出，对加权后的投影数据进行反投影叠加，以获得重建图像。

在本发明的另一个方面，提出了一种基于直线轨迹扫描的多锥束CT成像方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)承载物体的检台作直线运动完全穿过倾斜多锥束直线轨迹扫描系统，每个探测器采集其对应射线源发出的射线，并转换成数字射线投影图像序列；

(2)将由步骤(1)得到射线投影图像序列与指定的卷积函数核进行卷积运算，获得滤波投影图像序列；

(3)记录各个锥束中心到其对应探测器和射线源距离、各个锥束中心到系统中心的距离、各个探测器与直线轨迹的夹角、检台作直线运动的距离、检台运动的步长，探测器水平探测通道个数；

(4)根据上述参数和步骤(2)得到的投影图像序列，利用多锥束直线轨迹CT重建算法，重建被检物体的三维CT图像。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明由于只需要检台沿水平方向做直线运动，所以扫描结构简单，能够大大提高检测速度；

(2)本发明中只有直线运动，无旋转运动，解决了大物体旋转困难的问题，能够实现对大体积和大质量物体的检测；

(3)本发明由于只要求物体做直线运动完全穿过射束，能够实现长物体检测和连续在线检测，在行李安全检查和工业连续在线检查等方面有一定得应用潜力；

(4)本发明采用多个锥束进行扫描，所有锥束分布在不同位置，可以采集不同视角下的投影数据，在一定程度上弥补了单锥束直线轨迹中缺失的投影数据；

(5)本发明由于多个锥束分布在不同角度位置，在扫描过程中，系统在能采集CT重建所需要的数字射线投影图像序列的同时，也能提供在不同视角下的被检物体的DR图像，解决了传统透射成像中的物体重叠问题。

(6)本发明采用直接滤波反投影重建算法，避免了重排过程中由于插值造成的图像分辨率下降。

(7)本发明采用多个锥束进行组合，可以采用小锥角的射线源和小尺寸的探测器，与单锥束直线轨迹相比，降低了对射线源和探测器的要求。

附图说明

图1为本发明倾斜多锥束直线轨迹扫描CT成像方法流程图；

图2为倾斜多锥束直线轨迹扫描CT成像系统构成和运动示意图；

图3是图2所示结构和运动的等效示意图，；

图4为倾斜多锥束直线轨迹CT成像方法运动示意图，图(a)为射线源和探测器静止，物体做直线运动穿过锥束，图(b)为物体静止，射线源和探测器作直线运动穿过物体，根据运动相对性，图(a)和图(b)是等效的；

图5为本发明倾斜多锥束直线轨迹CT成像方法中心平面上的滤波反投影算法推导原理图；

图6为本发明倾斜多锥束直线轨迹CT成像方法的锥束滤波反投影重建算法推导原理图；

图7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)为用本发明的重建图像结果。

具体实施方式

下面对照附图详细描述本发明的实施例。

图1为本发明倾斜多锥束直线轨迹CT成像方法流程图。其扫描和重建的具体流程如下：

(1)承载物体的检台作直线运动完全穿过倾斜多锥束直线轨迹扫描系统，每个探测器采集其对应射线源发出的射线，并转换成数字射线投影图像序列；

(2)将由步骤(1)得到射线投影图像序列与指定的卷积函数核进行卷积运算，获得滤波投影图像序列；

(3)记录各个锥束中心到其对应探测器和射线源距离、各个锥束中心到系统中心的距离、各个探测器与直线轨迹的夹角、检台作直线运动的距离、检台运动的步长，探测器水平探测通道个数；

(4)根据上述参数和步骤(2)得到的投影图像序列，利用多锥束直线轨迹CT重建算法，重建被检物体的三维CT图像。

图2为倾斜多锥束直线轨迹CT扫描示意图。如图2所示，多个锥束分布在不同位置，射线源分布在直线轨迹的一侧，所有的探测器分布在直线轨迹的另一侧，每个探测器相对运动轨迹均倾斜一定角度。每个锥束中心射线与直线轨迹的交点定义为锥束中心，故所有的锥束中心均在直线轨迹上，被检物体在锥束中间做直线运动。当物体作直线运动时，所有的射线源按照控制系统的命令发射射线，穿透物体，并被探测器接收。探测器接收透射射线信号，并将这些信号转化成数字射线投影图像序列，保存在储存器中。

在图2所示的多锥束系统中包含多个射线源和多个探测器，射线源为锥束，其需要的个数与锥角的大小有关，当锥束越大，需要的数目越少。所有的探测器均为等距的面阵探测器。

在图2所示的扫描过程中，为了保证所有探测器都能同时接收各自射线源发出的射线信号，不同锥束的射线之间不能有相交情况，每个锥束中心在直线轨迹上处于不同位置，设第i个锥束中心离系统中心的距离为L_i。

图3是图2的等效图。将图2中所有锥束中心平移到系统中心就得到图2，在图2中能够观察到各个锥束中的射线对物体的穿透情况，本发明中多个锥束分布在物体周围180度范围内，所有锥束角度之和小于180度。

图3中各个锥束除了倾斜角度β不一样，其它参数都一样，运动情况也一样，可以先考虑一个锥束的重建图像，然后将不同角度下的重建图像叠加即可得到多锥束系统的重建图像。，

单锥束直线轨迹扫描系统如图4(a)所示，射线源和探测器静止，物体沿着直线轨迹从右向左运动，为了推导算法方便，它也可以等效于图4(b)，即物体静止，探测器和射线源沿直线轨迹从左向右运动。

下面结合图5详细说明在锥束中心平面上的重建过程。图5为中心平面重建原理图。设中心平面上的待重建图像为f(x，y)，则其重建公式为：

$f(x,y)={\∫}_{-l_m}^{+l_m}\frac{D+D_0}{{(D+y\cos \left(\mathrm{\β}\right)-(x-l)\sin \left(\mathrm{\β}\right))}^2}\mathrm{dl}$

$\·{\∫}_{-t_m}^{+t_m}\frac{|(D+D_0)\cos \left(\mathrm{\β}\right)+t\sin \left(\mathrm{\β}\right)|}{\sqrt{{(D+D_0)}^2+t^2}}P(l,t)h(t-t^{\′})\mathrm{dt}---\left(1\right)$

$t^{\′}=\frac{(D+D_0)\·((x-l)\cos \left(\mathrm{\β}\right)+y\sin \left(\mathrm{\β}\right))}{D+y\cos \left(\mathrm{\β}\right)-(x-l)\sin \left(\mathrm{\β}\right)}---\left(2\right)$

上式中各个参数的含义如图5所示，D、D₀分别表示锥束中心到射线源和探测器的距离，参数β表示探测器平面与直线运动轨迹之间的夹角，[-l_m，l_m]表示物体运动范围，[-t_m，t_m]表示探元的分布范围。投影数据p(l，t)表示当物体运动到l处时，离探测器中心距离为t的探元接收到的射线投影值。在重建公式(1)中，h为卷积函数核，理论值为，

一般采用S-L滤波器，其典型离散形式为：

$h\left(n\right)=\frac{-2}{{\mathrm{\π}}^2({4n}^2-1)},n=0,\±1,\±2,...---\left(3\right)$

因此，在重建时需要将原始投影数据与(3)式做卷积运算，然后按照(1)式进行计算，重建点(x，y)的投影地址根据式(2)来计算，在重建公式(1)中，还有加权项，加权因子由系统几何参数D、D₀、β以及重建点的坐标来确定。在多锥束系统中，最终被检物体的重建图像由这各个锥束重建图像叠加而成，因此，倾斜多锥束直线轨迹扫描系统中心层重建公式为：

$f(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{-l_m-L_i}^{+l_m-L_i}\frac{D+D_0}{{(D+y\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)-(x-l)\sin \left({\mathrm{\β}}_i\right))}^2}\mathrm{dl}$

$\·{\∫}_{-t_{m_i}}^{+t_{m_i}}\frac{|(D+D_0)\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)+t\sin \left({\mathrm{\β}}_i\right)|}{\sqrt{{(D+D_0)}^2+t^2}}P(l,t)h(t-t_i^{\′})\mathrm{dt}---\left(4\right)$

$t_i^{\′}=\frac{(D+D0)\·((x-l)\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)+y\sin \left({\mathrm{\β}}_i\right))}{D+y\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)-(x-l)\sin \left({\mathrm{\β}}_i\right)}---\left(5\right)$

在(4)、(5)式中，L_i表示第i个锥束中心离系统中心的距离，β_i表示i个锥束中的探测器与直线轨迹之间的角度，即锥束的倾斜角度，所有锥束中的参数D、D0均相同，每个探测器上的投影数据均与(3)式进行卷积运算，待重建点(x，y)在第i个探测器上对应的探元地址由(5)式来计算，当物体处于位置l时，同一重建点在不同探测器上的投影地址不一样，因此，最终的重建图像等于多个锥束重建图像的叠加。

因此在本发明中，当物体作直线运动完全穿过所有锥束时，所有探测器采集各自射线源的透射射线，并换成数字射线投影图像序列，滤波函数(3)对投影数据进行滤波，然后利用(4)式和(5)式进行反投影重建，就可得到中心层的重建图像。

三维CT重建以中心层面为基础，将非中心层面的锥束投影数据通过乘以一加权因子近似转换成平行于中心层面的扇束投影数据，其重建原理图如图6所示。设在三维扫描中，探测器上某个探元离探测器中心的位置为(t，h)，t表示行方向，h表示列方向。当物体处于位置l时，设任意一待重建点f(x，y，z)在探测器上的投影位置为(t，h)，则过此点的锥束射线投影值乘以加权因子

转换成过此点的扇束投影值，然后利用扇束重建公式进行计算，因此，多锥束直线轨迹CT重建公式为：

$f(x,y,z)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{-l_m-L_i}^{+l_m-L_i}\frac{D+D_0}{{(D+y\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)-(x-l)\sin \left({\mathrm{\β}}_i\right))}^2}\mathrm{dl}\·$

${\∫}_{-h_{m_i}}^{+h_{m_i}}{\∫}_{-t_{m_i}}^{+t_{m_i}}\frac{|(D+D_0)\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)+t\sin \left({\mathrm{\β}}_i\right)|}{\sqrt{{(D+D_0)}^2+t^2+{h_i}^2}}{P}_i(l,t,h)h(t-t_i^{\′})\mathrm{dtdh}---\left(6\right)$

$t_i^{\′}=\frac{(D+D_0)\·((x-l)\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)+y\sin \left({\mathrm{\β}}_i\right))}{D+y\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)-(x-l)\sin \left({\mathrm{\β}}_i\right)}---\left(7\right)$

$h_i=\frac{(D+D_0)\·z}{D+y\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)-(x-l)\sin \left({\mathrm{\β}}_i\right)}---\left(8\right)$

在式(6)、(7)、(8)中，各个参数的含义和中心层的定义一样，t_i和h_i表示重建点在第i个探测上的投影地址，P_i(l，t，h)表示物体运动到离系统中心距离为l处，第i个探测器采集到的投影数据。

因此，在本发明中，对各个面阵探测器采集到的投影数据按行与S-L滤波器进行滤波，然后用公式(6)、(7)、(8)进行重建，即可得到被检物体的三维CT图像。这是一种滤波反投影重建算法，与重排算法比较，它能有效利用每一个投影数据，减少了在重排过程中产生的插值误差，提高了重建图像的分辨率。

图7给出了以3-D Shepp-Logan模型的多锥束直线轨迹CT成像实例。其中锥束的个数为4，锥束张角为30度，探测器大小为430pixel×400pixel，每个锥束中心到探测器的距离为300pixel，到射线源的距离为500pixel，四个锥束的倾斜角度分别为-63度、-21度、21度、23度，物体完全穿过所有射束，物体运动步长为1pixel，重建断层大小为256pixel×256pixel。重建时滤波函数仍然采用S-L滤波器，其重建结果如图7所示。

图7表示3-D Shepp-Logan模型的重建断面，说明了本发明的三维重建效果。其中，图7中(a)、(c)、(e)、(g)为z＝-0.22，-0.08，0.1，0.3时的原始模型图像，其对应的三维重建图像分别为图7中的(b)、(d)、(f)、(h)。图7结果表明，本发明扫描原理和重建算法正确。

以上所述仅为本发明中的具体实施方式。本方法适用于但不限于本文描述的扫描结构，任何熟悉该技术的人在本发明所描述的技术范围之内，可轻易想到的替换或者变换，都应该在本保护的范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种倾斜多锥束直线轨迹CT成像方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)承载物体的检台作直线运动完全穿过倾斜多锥束直线轨迹扫描系统，每个探测器采集其对应射线源发出的射线，并转换成数字射线投影图像序列；

(2)将由步骤(1)得到射线投影图像序列与指定的卷积函数核进行卷积运算，获得滤波投影图像序列；

(3)记录各个锥束中心到其对应探测器和射线源距离、各个锥束中心到系统中心的距离、各个探测器与直线轨迹的夹角、检台作直线运动的距离、检台运动的步长，探测器水平探测通道个数；

(4)根据步骤(3)中记录的参数和步骤(2)得到的投影图像序列，利用多锥束直线轨迹CT重建算法，重建被检物体的三维CT图像。

2.根据权利要求1所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于：所述步骤(1)中多锥束直线轨迹CT成像系统包括：多个射线源；所述射线源为X射线管、加速器射线源或者同位素源。

3.根据权利要求1所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于：所述步骤(1)中多锥束直线轨迹CT成像系统还包括：多个探测器；每个器探测器接收从对应射线源发出的射线，并转换成数字射线投影图像序列。

4.根据权利要求1所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于：所述探测器的个数和射线源的个数相同，至少为两个，探测器和射线源分别分布在直线轨迹两侧的不同位置。

5.根据权利要求1所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于：所述步骤(1)中进行直线轨迹多锥束扫描，获得数字射线投影图像序列的步骤为：

(1.1)将被扫描物体放置于多锥束CT扫描系统平移检台，确保检台能完整通过所有锥束；

(1.2)以经准直而成的锥束射线对物体实施透照，同时，检台匀速平移，由面阵探测器以固定采样速度连续采集透射过物体的射线投影，获得二维数字射线投影图像序列P_i(l，t，h)，i表示第i个探测器；t和h分别表示投影值为P_i(l，t，h)的探元在行方向和列方向离探测器中心的距离；l表示物体中心离扫描系统中心的距离；

(1.3)当检台完全通过所有锥束时，面阵探测器停止采样，检台和射线源同时停止，即完成一次多锥束直线轨迹CT扫描。

6.根据权利要求5所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于，所述的步骤(2)中第i个探测器采集到的数字射线投影序列为P_i(l，t，h)；其中，投影序列P_i(l，t，h)表示物体运动到其中心在CT系统中坐标为(l，0)位置时，第i个探测器上(t，h)处探元采集到的射线投影值，t，h分别表示该探元在探测器行方向和列方向离其中心的距离。

7.根据权利要求1所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于，所述的步骤(2)中用指定的卷积函数核与投影数据P_i(l，t，h)沿t方向做一维卷积，得到滤波后的投影数据Q_i(l，t，h)。

8.根据权利要求1所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于，所述的步骤(3)中各个锥束中心到其对应探测器和射线源距离、各个锥束中心到系统中心的距离、各个探测器与直线轨迹的夹角、检台做直线运动的距离、检台运动的步长，探测器水平探测通道个数通过扫描装置机械数控系统提供。

9.根据权利要求8所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于，多个锥束中的射线源锥角大小、探测器尺寸、及射线源与探测器之间的相对位置参数完全相同，每个锥束仅由一个探测器和一个射线源组成，射线源位于垂直于探测器平面且穿过探测器中心探元的直线上。

10.根据权利要求9所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于，每个锥束相对系统中心处于不同的方位，每个探测器与直线轨迹之间的夹角均不同，各个射线源从不同角度穿透物体，对应的探测器采集从不同角度透过物体的射线。

11.根据权利要求9所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于，所述多个锥束的中心均分布在直线轨迹上，不同的锥束中心离系统中心的距离均不相同，不同锥束之间互不干涉。

12.根据权利要求5所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于，所述的步骤(2)中的检台匀速平移，被检物体被固定在检台上，检台以固定步长平稳通过所有锥束。

13.根据权利要求1所述的多锥束直线轨迹CT成像系统，其特征在于，所述的步骤(3)中的多锥束直线轨迹CT重建算法步骤为：

(3.1)设定物体中心距离系统中心距离为l，在该距离下，对所有面阵探测器的投影数据按行滤波；

(3.2)重复上述步骤(1)，直到l从物体起始位置到终止位置；

(3.3)给定重建点空间坐标(x，y，z)，在每个位置l下求出第i个探测器上的相应的投影地址t_i和h_i；

(3.4)在物体位置为l时，根据每个探测器的位置和重建点的位置求出第i个探测器上对应投影加权值；

(3.5)将在位置l时，将重建点(x，y，z)在所有探测器上对应的加权后投影值相加；

(3.6)将所有l位置下的投影值求和平均，得到空间点(x，y，z)的重建值；

(3.7)重复上述步骤(3.3)、(3.4)、(3.5)和(3.6)，直至扫描区域每个空间点都被计算出来，从而完成被检物体的三维层析重建。

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