CN102062740B - 锥束ct扫描成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种锥束CT扫描成像方法，包括以下步骤：平移探测器，使成像视场覆盖被扫描物体至少一半的部分；对被扫描物体进行扫描，得到投影图像序列集；根据所述投影图像序列集进行图像重建。上述锥束CT扫描成像的方法及系统中平移探测器，在硬件环境不变的情况下，将成像视场扩大为原来的多倍，且不需要进行复杂的调整及额外的数据处理，操作过程简便，不会降低重建图像的空间分辨率。

Description

锥束CT扫描成像方法及系统

【技术领域】

本发明涉及CT技术，特别是涉及一种锥束CT扫描成像方法及系统。 

【背景技术】

在CT(computed tomograph，电子计算机X射线断层扫描技术)检测中，锥束CT具备了扫描方式简单、扫描时间短、射线利用率高、空间分辨率高等诸多优点。然而，传统的面阵探测器尺寸较小，使得锥束CT扫描过程中由于受到探测器尺寸的限制，导致了成像视场窄，难以对大物件进行三维CT成像。 

而传统的锥束CT图像重建方法要扩大成像视场，都需要引入投影数据的重排，但是投影数据重排所进行的插值计算不但增加了庞大的计算量，还降低了重建图像的空间分辨率，也难以对大物件进行三维CT成像。 

【发明内容】

基于此，有必要提供一种不增加计算量的情况下能够扩大视场的锥束CT扫描成像方法。 

此外，还有必要提供一种可扩大视场的锥束CT扫描成像系统。 

一种锥束CT扫描成像方法，包括以下步骤：多次平移探测器，使成像视场覆盖被扫描物体至少一半的部分；对置于转台中的被扫描物体进行扫描，得到投影图像序列集；所述对置于转台中的被扫描物体进行扫描，得到投影图像序列集的步骤为：根据所述被扫描物体设定扫描参数；分别采集暗场图像及亮场图像，并通过求和平均得到平均暗场图像和平均亮场图像；测量处于成像视场中的被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离；对所述被扫描物体进行等角度间隔圆周扫描，得到投影图像序列集；根据扫描得到的投影图像序列集、平均这场图像、平均暗场图像、被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离进行图像重建。 

优选地，所述平移探测器的平移方向为垂直主射线方向或垂直主射线的转轴方向。 

优选地，所述平移探测器的步骤为：获取探测器宽度；根据所述探测器宽度设定平移距离，并根据所述平移距离沿垂直主射线方向移动所述探测器，所 述平移距离为探测器宽度的一半至5倍的距离。 

优选地，所述平移探测器的步骤为：获取探测器高度；根据所述探测器高度设定平移距离，并根据所述平移距离沿垂直主射线的转轴方向移动所述探测器，所述平移距离为探测器高度的一半至探测器高度的距离。 

优选地，所述对所述被扫描物体进行等角度间隔圆周扫描，得到投影图像序列集的步骤之前还包括：检查转台闭合性，使所述转台在转动一周后回到起始位置。 

一种锥束CT扫描成像系统，至少包括：平移模块，用于平移探测器，使成像视场覆盖被扫描物体至少一半的部分；采集模块，用于对被扫描物体进行扫描，得到投影图像序列集；所述采集模块包括：设置单元，用于根据所述被扫描物体设定扫描参数；预处理单元，用于分别采集暗场图像和亮场图像，并通过求和平均得到平均暗场图像和平均亮场图像；测量单元，用于测量处于成像视场中的被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离；扫描单元，用于对所述被扫描物体进行等角度间隔圆周扫描，得到投影图像序列集。重建模块，用于根据扫描得到的投影图像序列集、平均这场图像、平均暗场图像、被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离进行图像重建。 

优选地，所述平移模块的平移方向为垂直主射线方向或垂直主射线的转轴方向。 

优选地，所述平移模块获取探测器宽度，根据所述探测器宽度设定平移距离，并根据所述平移距离沿垂直主射线方向移动所述探测器，所述平移距离为探测器宽度的一半至5倍的距离。 

优选地，所述平移模块还用于获取探测器高度，根据所述探测器高度设定平移距离，并根据所述平移距离沿垂直主射线的转轴方向移动所述探测器，所述平移距离为探测器高度的一半至探测器高度的距离。 

优选地，所述采集模块还包括：检查单元，用于检查转台闭合性，使所述转台在转动一周后回到起始位置。 

上述锥束CT扫描成像的方法及系统中平移探测器，在硬件环境不变的情况 

【附图说明】

图1为一个实施例中锥束CT扫描成像方法的流程图； 

图2为一个实施例中平移探测器的示意图； 

图3为另一个实施例中平移探测器的示意图； 

图4为一个实施例中对被扫描物体进行扫描的流程图； 

图5为一个实施例中锥束CT扫描成像系统的详细模块图； 

图6为一个实施例中采集模块的示意图。 

【具体实施方式】

图1示出了一个实施例中锥束CT扫描成像的方法流程，包括以下步骤： 

在步骤S10中，平移探测器，使成像视场覆盖被扫描物体至少一半的部分。本实施例中，平移方向为垂直主射线方向或垂直主射线的转轴方向。 

在一个实施例中，平移探测器的过程具体是：获取探测器宽度，根据所述探测器宽度设定平移距离，并根据平移距离沿垂直主射线方向移动探测器，平移距离为探测器宽度的一半至5倍的距离，也可以进行多次平移，这样可以把成像视场范围扩大更多。 

在另一个实施例中，若平移方向为垂直主射线的转轴方向，则平移探测器的过程为获取探测器宽度，根据探测器宽度设定平移距离，并根据平移距离沿垂直主射线方向移动探测器，该平移距离为探测器宽度的一半至5倍的距离。 

为弥补扫描所获得的数据存在缺失的问题，以保证后续图像重建过程的需要，需要根据被扫描物体的尺寸，保证成像视场覆盖被扫描物体至少一半的部分。如图2所示，当探测器平移其宽度一半的距离后，成像视场可覆盖被扫描物体的一半。如图3所示进行的3次平移探测器保证扫描得到的数据的完整性。 

在步骤S20中，对被扫描物体进行扫描，得到投影图像序列集。本实施例中，对置于转台中的被扫描物体进行扫描，以完成数据采集的过程，为后续的 图像重建提供数据。 

如图4所示，在一个具体的实施例中，对被扫描物体进行扫描，得到投影图像序列集的步骤为： 

在步骤S201中，根据被扫描物体设定扫描参数。本实施例中，根据被扫描物体的性质来设定扫描参数，被扫描物体的性质可以是尺寸大小、密度、组成元素等物理性质，例如，被扫描物体可以金属工件、人体、昆虫、动物、植物、电路板等不同性质的物体。因此对于不同的被扫描物体，需要设定不同的扫描参数，扫描参数包括投影放大比、探测器的数据采集方式、射线源的电压以及功率等，并且所有的扫描参数在后续的数据采集过程中保持不变。例如，如果被扫描物体是老鼠，则设定投影放大比为1∶1，探测器的数据采集方式为连续，射线源的电压为80kv，功率为15w；如果被扫描物体是蚂蚁，则设定投影放大比为1∶10，探测器的数据采集方式为连续，射线源的电压为20kv，功率为10w。 

在步骤S202中，分别采集暗场图像及亮场图像，并通过求和平均得到平均暗场图像和平均亮场图像。本实施例中，成像视场中不放置被扫描物体，不打开光源获取若干幅暗场图像，例如可采集5～10幅暗场图像，对暗场图像按照对应像素灰度值叠加求和并取平均得到平均暗场图像。打开光源采集若干幅亮场图像，并对亮场图像按照像素灰度叠加求和并取平均得到平均亮场图像，通过暗场图像及亮场图像有效地降低了重建图像中噪声的影响。 

在步骤S203中，测量处于成像视场中的被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离。本实施例中，将被扫描物体置于成像视场中，测量由被扫描物体的放置中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离，以便于进行图像重建。 

在步骤S204中，对被扫描物体进行等角度间隔圆周扫描，得到投影图像序列集。本实施例中，对被扫描物体进行等角度间隔扫描的步骤为：将转台连续等角度间隔地转动一周，并在每一次转动后对被扫描物体进行扫描。例如，等角度间隔扫描的过程可以是：将被扫描物体置于转台上，连续转动360次，每次转动1度，每转动一次就进行一次拍摄，直至转台旋转一周，得到投影图像序列集。 

另一实施例中，在步骤S204之前还包括了检查转台闭合性，使转台在转动一周后回到起始位置的步骤。本实施例中，为避免存在误差，需要进行转台闭合性的检查。转台闭合性指的是转台转动一周后回到起始位置的程度。例如，初始位置为A，放置被扫描物体让转台连续转动360次，每次转动1度，在旋转一周后到达终点位置B，在理论上旋转一周后得到的终点位置B是应当与初始位置A重合的，但是由于实际机械系统中所存在的误差，导致了初始位置A与终点位置B不重合。 

检查转台闭合性可通过将被扫描物体等角度旋转预设次数，并在每一角度拍摄图像，待拍摄完成后进行图像的相减，观察相减后的图像，只要相减后的图像在预期范围内即可进行后续的图像扫描，例如，如果转台是完全闭合的，那么“0度图像”和“360度图像”应该是一样的，将“180度图像”翻转后所得到的图像与“0度图像”也应当是一样的。具体地，在转台中放置被扫描物体，采集第一幅0度图像a，等角度(90度)旋转四次，依采集被扫描物体的90度图像b、180度图像c、270度图像d以及360度图像e，分别用图像a减去图像e后再减去图像c的翻转图像，观察得到的相减后的图像，以根据经验判断转台的闭合程度是否满足要求，如果不满足要求，则要检查被扫描物体是否与转台牢固连接以及转台是否稳定，以保证转台闭合性在允许范围内方可进行后续的扫描。 

在步骤S30中，根据投影图像序列集进行图像重建。本实施例中，根据扫描得到的投影图像序列集、平均亮场图像、平均暗场图像、被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离进行图像重建，具体的图像重建算法可以是FDK重建算法(Feldkamp)、FBP重建算法(Filtered Back Projection，滤波反投影)以及BPF重建算法(Backprojection Filtration，反投影滤波)。 

应用FDK重建算法的过程是：对投影图像序列集进行反log操作，即通过公式 

(左边有负号即为反log操作)得到处理后的投影图像。对投影图像中的数据进行加权，并适当修正像素到射线源的距离及角 度引起的误差，然后对不同投影角度的投影数据进行水平方向上的一维滤波，最后进行三维反投影得到重建的图像，其中，重建的体素值是通过该体素的所有投影角度的射线的贡献之和。 

应用BPF重建算法的过程是：对投影图像序列集进行反log操作，得到处理后的投影图像。在投影图像中，对每个角度下的锥束投影数据进行求导，并由求导后的投影数据对螺旋轨道内每条PI线上的投影图像进行加权反投影。对于加权反投影得到的PI线上的数据，沿着该条PI线求Hilbert变换(希尔伯特变换)，得该条PI线上的重建结果。最后对螺旋轨道内所有PI线上的重建结果进行重采样，得到重建的图像。 

应用FBP重建算法的过程是：对投影图像序列集进行反log操作得到处理后的投影图像。对投影图像进行加权、卷积滤波、加权反投影后获得重建的图像。 

此外，如图5所示，还有必要提供一种锥束CT扫描成像系统。该系统包括平移模块10、采集模块20以及重建模块30。 

平移模块10，用于沿垂直主射线方向平移探测器，使成像视场覆盖被扫描物体至少一半的部分。本实施例中，平移模块10的平移方向为垂直主射线方向或垂直主射线的转轴方向。在一个实施例中，若为垂直主射线方向，则平移模块10获取探测器宽度，根据探测器宽度设定平移距离，并根据平移距离沿垂直主射线方向移动探测器，平移距离为探测器宽度的一半到5倍的距离。 

在另一个实施例中，若为垂直主射线的转轴方向，则平移模块10获取探测器高度，根据探测器高度设定平移距离，并根据平移距离沿垂直主射线的转轴方向移动探测器，所述平移距离为探测器高度的一半至探测器高度的距离。为弥补扫描所获得的数据存在缺失的问题，以保证后续图像重建过程的需要，平移模块10需要根据被扫描物体的尺寸，保证成像视场覆盖被扫描物体至少一半的部分。 

采集模块20，用于对被扫描物体进行扫描，得到投影图像序列集。本实施例中，采集模块20对置于转台中的被扫描物体进行扫描，以完成数据采集的过 程，为后续的图像重建提供数据。 

如图6所示，在一个具体的实施例中，采集模块20包括设置单元201、预处理单元202、测量单元203以及扫描单元204。 

设置单元201，用于根据被扫描物体设定扫描参数。本实施例中，设置单元201根据被扫描物体的性质来设定扫描参数，被扫描物体的性质可以是尺寸大小、密度、组成元素等物理性质，例如，被扫描物体可以金属工件、人体、昆虫、动物、植物、电路板等不同性质的物体。因此对于不同的被扫描物体，设置单元201需要设定不同的扫描参数，扫描参数包括投影放大比、探测器的数据采集方式、射线源的电压以及功率等，并且所有的扫描参数在后续的数据采集过程中保持不变，例如，如果被扫描物体是老鼠，则设定投影放大比为1∶1，探测器的数据采集方式为连续，射线源的电压为80kv，功率为15w，如果被扫描物体是蚂蚁，则设定投影放大比为1∶10，探测器的数据采集方式为连续，射线源的电压为20kv，功率为10w。 

预处理单元202，用于分别采集暗场图像和亮场图像，并通过求各平均得到平均暗场图像和平均亮场图像。本实施例中，预处理单元202在成像视场中不放置被扫描物体，不打开光源获取若干幅暗场图像，例如可采集5～10幅暗场图像，对暗场图像按照对应像素灰度值叠加求和并取平均得到平均暗场图像。打开光源，预处理单元202采集若干幅亮场图像，并对亮场图像按照像素灰度叠加求和并取平均得到平均亮场图像，通过暗场图像及亮场图像有效地降低了重建图像中噪声的影响。 

测量单元203，用于测量处于成像视场中的被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离。本实施例中，测量单元203将被扫描物体置于成像视场中，测量由被扫描物体的放置中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离，以便于进行图像重建。 

扫描单元204，用于对被扫描物体进行等角度间隔圆周扫描，得到投影图像序列集。本实施例中，扫描单元204将转台连续等角度间隔地转动一周并在每一次转动后对被扫描物体进行扫描。扫描单元204的等角度间隔扫描的过程可以是：将被扫描物体置于转台上，连续转动360次，每次转动1度，每转动一 次就进行一次拍摄，直至转台旋转一周，得到投影图像序列集。 

另一实施例中，采集模块20还包括了检查单元，该检查单元用于检查转台闭合性，使转台在转动一周后回到起始位置。本实施例中，为避免存在误差，需要检查单元进行转台闭合性的检查。转台闭合性指的是转台转动一周后回到起始位置的程度。例如，初始位置为A，放置被扫描物体让转台连续转动360次，每次转动1度，在旋转一周后到达终点位置B，在理论上旋转一周后得到的终点位置B是应当与初始位置A重合的，但是由于实际机械系统中所存在的误差，导致了初始位置A与终点位置B不重合。检查转台闭合性可通过将被扫描物体等角度旋转预设次数，并在每一角度拍摄图像，待拍摄完成后进行图像的相减，观察相减后的图像，只要相减后的图像在预期范围内即可进行后续的图像扫描，例如，如果转台是完全闭合的，那么“0度图像”和“360度图像”应该是一样的，将“180度图像”翻转后所得到的图像与“0度图像”也应当是一样的。具体地，在转台中放置被扫描物体，采集第一幅0度图像a，等角度(90度)旋转四次，依采集被扫描物体的90度图像b、180度图像c、270度图像d以及360度图像e，分别用图像a减去图像e后再减去图像c的翻转图像，观察得到的相减后的图像，以根据经验判断转台的闭合程度是否满足要求，如果不满足要求，则要检查被扫描物体是否与转台牢固连接以及转台是否稳定，以保证转台闭合性在允许范围内方可进行后续的扫描。 

重建模块30，用于根据投影图像重建。本实施例中，重建模块30根据扫描得到的投影图像序列集、平均亮场图像、平均暗场图像、被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离进行图像重建，具体的图像重建算法可以是FDK重建算法(Feldkamp)、FBP重建算法(Filtered Back Projection，滤波反投影)以及BPF重建算法(Backprojection Filtration，反投影滤波)。 

应用FDK重建算法的过程是：重建模块30对投影图像序列集进行反log操作，即通过公式 

(左边有负号即为反log操作)得到处理后的投影图像。对投影图像中的数据进行加权，并适当修正像素到射线 源的距离及角度引起的误差，然后对不同投影角度的投影数据进行水平方向上的一维滤波，最后进行三维反投影得到重建的图像，其中，重建的体素值是通过该体素的所有投影角度的射线的贡献之和。 

应用BPF重建算法的过程是：重建模块30对投影图像序列集进行反log操作，得到处理后的投影图像。在投影图像中，对每个角度下的锥束投影数据进行求导，并由求导后的投影数据对螺旋轨道内每条PI线上的投影图像进行加权反投影。对于加权反投影得到的PI线上的数据，沿着该条PI线求Hilbert变换(希尔伯特变换)，得该条PI线上的重建结果。最后对螺旋轨道内所有PI线上的重建结果进行重采样，得到重建的图像。 

应用FBP重建算法的过程是：重建模块30对投影图像序列集进行反log操作得到处理后的投影图像。对投影图像进行加权、卷积滤波、加权反投影后获得重建的图像。 

上述锥束CT扫描成像的方法及系统还可以应用于PET系统(Positron Emission Tomography，正电子发射断层成像)以及SPECT系统(Single-Photon Emission Computed Tomography，光子发射计算机断层成像)中。 

上述锥束CT扫描成像的方法及系统中平移探测器，在硬件环境不变的情况下，将成像视场扩大为原来的多倍，且不需要进行复杂的调整及额外的数据处理，操作过程简便，不会降低重建图像的空间分辨率。 

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (6)

1.一种锥束CT扫描成像方法，包括以下步骤：

多次平移探测器，使成像视场覆盖被扫描物体至少一半的部分；

对置于转台中的被扫描物体进行扫描，得到投影图像序列集；

所述对置于转台中的被扫描物体进行扫描，得到投影图像序列集的步骤为：

根据所述被扫描物体设定扫描参数；

分别采集暗场图像及亮场图像，并通过求和平均得到平均暗场图像和平均亮场图像；

测量处于成像视场中的被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离；

对所述被扫描物体进行等角度间隔圆周扫描，得到投影图像序列集；

根据扫描得到的投影图像序列集、平均亮场图像、平均暗场图像、被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离进行图像重建；

所述平移探测器的平移方向为垂直主射线方向或垂直主射线的转轴方向；

所述平移探测器的步骤为：

获取探测器高度；

根据所述探测器高度设定平移距离，并根据所述平移距离沿垂直主射线的转轴方向移动所述探测器，所述平移距离为探测器高度的一半至探测器高度的距离。

2.根据权利要求1所述的锥束CT扫描成像方法，其特征在于，所述平移探测器的步骤为：

获取探测器宽度；

根据所述探测器宽度设定平移距离，并根据所述平移距离沿垂直主射线方向移动所述探测器，所述平移距离为探测器宽度的一半至5倍的距离。

3.根据权利要求1所述的锥束CT扫描成像方法，其特征在于，所述对所述被扫描物体进行等角度间隔圆周扫描，得到投影图像序列集的步骤之前还包 括：

检查转台闭合性，使所述转台在转动一周后回到起始位置。

4.一种锥束CT扫描成像系统，其特征在于，至少包括：

平移模块，用于平移探测器，使成像视场覆盖被扫描物体至少一半的部分；

采集模块，用于对被扫描物体进行扫描，得到投影图像序列集；

所述采集模块包括：

设置单元，用于根据所述被扫描物体设定扫描参数；

预处理单元，用于分别采集暗场图像和亮场图像，并通过求和平均得到平均暗场图像和平均亮场图像；

测量单元，用于测量处于成像视场中的被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离；

扫描单元，用于对所述被扫描物体进行等角度间隔圆周扫描，得到投影图像序列集；

重建模块，用于根据扫描得到的投影图像序列集、平均亮场图像、平均暗场图像、被扫描物体旋转中心到射线源的距离以及射线源到探测器的距离进行图像重建；

所述平移模块的平移方向为垂直主射线方向或垂直主射线的转轴方向；

所述平移模块还用于获取探测器高度，根据所述探测器高度设定平移距离，并根据所述平移距离沿垂直主射线的转轴方向移动所述探测器，所述平移距离为探测器高度的一半至探测器高度的距离。

5.根据权利要求4所述的锥束CT扫描成像系统，其特征在于，所述平移模块获取探测器宽度，根据所述探测器宽度设定平移距离，并根据所述平移距离沿垂直主射线方向移动所述探测器，所述平移距离为探测器宽度的一半至5倍的距离。

6.根据权利要求4所述的锥束CT扫描成像系统，其特征在于，所述采集模块还包括：

检查单元，用于检查转台闭合性，使所述转台在转动一周后回到起始位置。 

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