CN102106740A - X射线复式断层扫描成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种X射线复式断层扫描成像系统及方法。整个成像系统由机械装置（包括拍片盒、X射线线型阵列探测器、X射线球管、束光器、升降转轴、台面）和监测反馈控制系统组成。所述方法首先设定超分辨率重构所需序列图像的帧数N；对被测物进行全身X线扫描得到X线平面图像，探测器水平移动亚探测单元的微小距离；直至得到N帧有亚像素位移的图像序列；超分辨率重建图像序列得到一幅高分辨率X线平面图像，在此图像中找到感兴趣点；对感兴趣点所在断层进行旋转断层扫描，重构得到CT图像，探测器水平移动亚探测单元的微小距离；直至得到N帧有亚像素位移的图像序列；超分辨率重建图像序列得到一幅高分辨率CT图像。

Description

X射线复式断层扫描成像系统及方法

技术领域

本发明涉及一种计算机复式断层扫描成像系统，尤其是能获取高分辨率断层图像的成像方法，属于CT信号与图像处理领域。

背景技术

X射线是一种波长很短的电磁辐射，具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，因此广泛应用于医疗诊断和工业检测领域。常见的X射线成像是依靠带有束光器的X射线球管和由探测感应单元排列组成的线型探测器相互对准同步运动扫描被测物体而完成的。X射线对被测物体内部不同密度、结构和成份的穿透能力不同，因此透过被测物体被探测器感应到的能量亦有不同。当射线收发端完成一轮运动扫描后，就可得到一幅反映物体内部结构的二维X光图像。但是由于有些物体内部成分对X线的吸收差别极小，造成X光图像的密度分辨率偏低，因此X射线对那些前后重叠的结构就难以分辨。另外，X光图像仅能看到投射角度的平面图像，而顺投射方向的深度信息即断层信息并不能获得。

CT成像技术的出现弥补了以上X射线成像的不足，它是一种利用X射线球管与阵列式探测器相互配合同步旋转扫描来获取物体断面图像信息的方法。通过对不同层面的单轴旋转扫描，可以产生一系列二维断层图像，从而得到物体内部深度信息也即三维信息。与图像上会出现许多重叠投影的传统X射线摄影术相比，CT图像具有显著提高的对比度，即具备高密度分辨能力。首先放射球管发出的X线束对被测物中感兴趣的断层层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，接着根据接收射线的强度，转换变为相应的电信号作为待处理信息输入计算机处理。扫描到所有信息后，计算机便将这些扫描信息交由CT图像重建算法进行计算并获得一幅断层图像，从而再现物体扫描断层层面内部的结构状况。由此可以看出CT图像并不是直接扫描感测出来的，而是需要增加一个重建过程，因此CT图像是一种重建图像。

常用的工业CT成像设备结构示意如图1中所示，底座7上安装有一个升降柱6和一个升降转轴8，升降转轴8上固定一个可由转轴8带动同步旋转的台面9，被测物体可置于台面9上随台面旋转从而在旋转中接受断层扫描。升降柱6上安装有一个水平横杆3，横杆3的两端分别固定了X射线源和X射线探测器。其中固定于左端的拍片盒1中安装有线型阵列探测器2，固定于右端的X射线球管4产生的X射线经过束光器5放射出线型光束，并与另一端的线型阵列探测器2对齐，使探测器2能够接收到射线。当升降柱6伸缩运动时，可带动水平横杆3及其两端的部件整体上下运动，保证了X射线发射端和接收端始终对准，从而获取被测物体准确的内部结构和组分信息。

传统的计算机断层扫描成像检测过程可以用图2所示流程来加以说明。首先，将扫描的初始位置定位于被测物体的上方，为了保证扫描结果的准确性，被测物体需要固定以保持静止不动。然后放射端与接收端从初始位置起自上而下同步运动，对物体进行全身X光扫描。当扫描完成后，将扫描得到的一维数据集进行处理，获得一幅二维平面X光全身影像。通过对全身影像的分析，找到所要检测的感兴趣区域。为了进一步的获得感兴趣区域的深度信息，需要继续对这一区域进行断层扫描。此时要将放射端与接收端定位于感兴趣区。与全身扫描不同，为了得到360度完整的扫描信息，在扫描过程中，放射端与接收端的位置要始终保持固定。而被测物体则开始随台面匀速旋转，以使扫描器件能测得各个角度的数据。启动扫描完成物体旋转一周的数据采集。最后，根据采集到的数据进行断层图像重构，得到最终的感兴趣点的断层图像。

目前，常用的CT成像设备尽管能够捕捉到物体的深度信息，且相比较X光图像具备高密度分辨率，但是由于探测单元有限，CT图像的空间分辨力却不如X光图像高。另外，在成像、采集、传输、处理过程中，由于系统受到感应单元融合、振动、电磁干扰、曝光不均及射线衍射等内外环境的影响，断层图像会有不同程度的降质，主要包括有混叠效应、模糊(尤其是边界)、失真、数据漏检和系统噪声。事实上，即使空间分辨率稍高的X光图像也面临以上问题和增强分辨率的挑战。结合CT应用领域的特点解决影像的分辨率问题，对于感兴趣点尤其是细小点的检测提取，是非常重要而迫切的。

增强分辨率的方式有两种。一种是通过改造设备器件提高精度，但受到工艺水平和成本的制约不便采用。另一种是通过超分辨率的信号处理方式，在不更换硬件的条件下对现有的降质图像进行处理，以获得高品质、高分辨率的图像。所谓超分辨率重建就是从一系列低分辨率降质图像重构出一幅高质量、高分辨率的图像。这种技术已被广泛用在成像领域，例如遥感、监控、视频等。实质上，这是一种通过时间来换取空间分辨率的技术。在CT成像中，快速扫描使得获取单帧和多帧图像在时间上并无太大差别，因此用可忽略的时间获取多帧图像来换取高空间分辨率的图像是可行且经济的。

迄今为止，有众多超分辨率重构方法被提出。但是CT图像噪声统计特性不显著，图像纹理丰富局部结构复杂，常用重构法对CT图像的处理缺乏通用性、适应性和鲁棒性，重构出的图像对一些特殊噪声的抑制不理想。这给利用CT图像进行后续检测带来了困难。

发明内容

本发明目的是为了克服现有CT成像设备成像分辨率较低和成像质量较差的不足，同时在利用以时间换空间的技术时为了解决常用超分辨率方法对CT图像特点针对性不强的问题。本发明给出了一种新的CT成像机械设备和系统结构；设计了一种复式循环扫描成像流程，以获取多角度、多时相信息含量丰富的序列图像；提出了一种新的对CT图像较为适用的基于核回归的超分辨率重构方法。以上发明不仅能够获得高空间分辨率的CT图像，而且对于成像过程中产生的模糊、混叠、噪声和失真等降质因素能够有较好的抑制作用。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明X射线复式断层扫描成像系统，机械装置包括拍片盒(10)、X射线线型阵列探测器(11)、X射线球管(12)、束光器(13)、升降转轴(14)和台面(15)以及监测反馈控制系统，在机械设备底座(16)上从右至左依次顺序安装X射线发射装置X射线球管(12)、由升降转轴(14)和台面(15)构成的载物装置、X射线接收装置拍片盒(10)，其特征是：X射线球管(12)和拍片盒(10)分别通过支撑连接柱固定在底座(16)的两端，升降转轴(14)带动台面(15)进行升降和旋转运动；拍片盒(10)内壁固定两根水平平行的滑道(17)，滑道上架有一根连杆(18)，连杆在滑道上水平滑动，X射线线型阵列探测器(11)固定在连杆之上随连杆进行亚探测单元的微距水平位移；

所述监测反馈控制系统包括计算机主机、光电和模数转换器、数据采集缓存器、信号处理器、高电压产生器、监视器、发射启闭控制器、缓存传输启闭控制器、水平运动控制器、探测启闭控制器、升降运动控制器和旋转运动控制器，其中计算机主机的输出端分别接监视器、高电压产生器、发射启闭控制器、缓存传输启闭控制器、水平运动控制器、探测启闭控制器、升降运动控制器和旋转运动控制器的输入端，高电压产生器和发射启闭控制器的输出端与X射线球管(12)连接，水平运动控制器和探测启闭控制器的输出端接X射线线型阵列探测器的输入端，X射线线型阵列探测器(11)的输出端依次串接光电转换器、模数转换器、数据采集缓存器、信号处理器后与计算机主机双向通信，缓存传输启闭控制器的输出端接信号处理器的输入端，升降运动控制器和旋转运动控制器的输出端与升降转轴连接。

X射线复式断层扫描成像系统的成像方法，包括如下步骤：

①首先设定超分辨率重建所需序列图像的帧数N；②为了扫得物体的全身X图像，启动升降控制器将物体的顶端置于扫描水平线以下，以此作为全身扫描的初始位置，启动扫描发射接收器，推升台面使物体自上而下接受一次扫描，获得一张全身扫描图像，将扫描图像存入缓存器中等待处理；③开启水平运动控制器，使X线探测器随机水平微移亚探测单元距离，为下次获得亚像素位移的图像做准备；④重复循环上述②-③步骤，获得N帧亚像素位移的X射线图像；⑤开启缓存传输控制器将序列图像输入信号处理器，调用信号处理器中固化的超分辨率重建处理程序，重建出物体高分辨率X射线图像；⑥在高分辨率X射线图像中找到感兴趣或异常区域，启动升降操作，将此区域所在的断层对准扫描水平线，准备对其进行断层扫描；⑦匀速旋转台面，开启扫描收发器，转动180度，重构出一帧断层扫描图，将扫描图像存入缓存器中等待处理；⑧开启水平运动控制器，使X线探测器随机水平微移亚探测单元距离，为下次获得亚像素位移的图像做准备；⑨重复循环上述⑦-⑧步骤，获得N帧亚像素位移的CT图像；⑩开启缓存传输控制器将序列图像输入信号处理器，调用信号处理器中固化的超分辨率重建处理程序，重建出物体高分辨率CT图像。

固化在信号处理器中的超分辨率重建方法包括如下步骤：(1)读取图像序列，并对序列图像进行配准；(2)按照配准的位置将序列图像置于一个标准的高分辨率网格内；(3)对网格内非均匀分布的图像进行经典核回归处理，得到新的非均匀分布的图像；(4)新旧两个图像进行对比，对于亮度相差较大的像素作为异常值，在旧图像中剔除；(5)对已剔除异常值的旧图像再次进行经典核回归处理，得到一幅均匀分布的图像；(6)根据均匀分布的图像的纹理和结构，算出所有像素点位置的结构自适应核函数；(7)利用已得的自适应核函数，对均匀分布的图像进行自适应核回归处理，得到新的均匀分布的图像；(8)对(7)中所得的图像进行解模糊处理，得到高分辨率高质量的图像。

本发明和现有技术相比的有益效果是：

(1)设计的CT成像机械设备中，射线收发端预先已相互对准并固定于检测台面两端，在成像过程中无需调整其高度，简化了操作的复杂度。

(2)设计的CT成像机械设备中，台面既可旋转用以CT成像，又可升降用以X线成像，只需控制台面转轴，方便了两种成像转换的操作。

(3)设计的CT成像机械设备中，拍片盒内探测器可以水平运动。通过亚探测单元的微距位移，可以获得多幅有亚像素偏移的图像序列，形成信息互补，使超分辨率可行。

(4)依据以上机械设备功能，给出CT成像设备感应、传输、监视、控制系统结构，使得整个成像过程能够自动完成，尽可能少的加入人为操作，提高了成像的效率，减少不必要的人力消耗。

(5)在设计的系统结构基础之上，给出整个设备系统的成像运转过程，使扫描成像过程流程化，操作技术人员容易上手。流程中有两个阶段复式循环扫描过程，为后续的超分辨率重构提供了丰富的数据。

(6)针对X图像和CT图像中信号与噪声的分布特点，提出了新的基于核回归的超分辨率重构算法。本算法引入了像素的置信度指标，可有效的剔除异常值。另外，给出自适应核函数的解算策略，使重构的图像在保持结构的显著性同时更多地去除干扰。重构图像分辨率明显提高，均方根误差(RMSE)提高2-4个单位。

总之，本发明针对传统CT图像分辨率低、质量差的问题，设计了可用于超分辨率重构的CT机械设备、自动化系统结构及其运行流程，设备布局简单，系统操作简便；建立在置信度指标和自适应核函数的基础上，提出了适用于CT图像的新的基于核回归的超分辨率重构方法，消噪效果好，质量和分辨率提升效率高。本发明可以在CT成像领域广泛推广。

附图说明

图1是现有CT机械设备示意图。图中1.拍片盒，2.X射线线型阵列探测器，3.横杆，4.X射线球管，5.束光器，6.升降柱，7.底座，8.升降转轴，9.台面。

图2是传统CT成像扫描过程示意图。

图3是本发明CT机械设备示意图。图中10.拍片盒，11.X射线线型阵列探测器，12.X射线球管，13.束光器，14.升降转轴，15.台面，16.底座。

图4是图3中拍片盒内部结构示意图。图中11.X射线线型阵列探测器，17.水平滑道，18.连杆。

图5是本发明的控制系统结构框图。

图6是本发明CT成像扫描过程示意图。

图7是本发明面向CT图像的基于核回归的超分辨率重建算法流程框图。

具体实施方式

如图3所示，本发明用两个连接柱分别将拍片盒10和X射线球管12固定并支撑在底座16的两端，所述X射线球管12上安装有引导射线方向和形状的束光器13，所述拍片盒10内置接收X射线的X射线线型阵列探测器11，所述束光器13引导出的X射线要瞄准X射线线型阵列探测器11，所述拍片盒10和X射线球管12中间是用于摆放固定被测物体的可升降和旋转的台面15，所述台面15通过升降转轴14与底座16相连，所述升降转轴的升降旋转运动由底座16内的升降和旋转控制装置所带动。需要扫描物体时，X射线球管12、X射线线型阵列探测器11和台面15上的物体应通过升降转轴调整到同一高度的水平线上。当要对物体进行X射线全身扫描时，台面15只进行匀速垂直升降运动；当要对物体进行CT断层扫描时，在定位断层位置后，台面15只进行匀速旋转运动。

如图4所示，本发明中的拍片盒中结构如下：将两根水平滑道17平行固定在拍片盒的内壁上，所述平行水平滑道17上架有一根可在水平滑道17上自由水平滑动的连杆18，所述连杆18安装水平放置的X射线线型阵列探测器11，所述X射线线型阵列探测器11只可在连杆18带动下作水平移动，不可垂直旋转运动，以免偏离已瞄准的X射线，不能完成同步扫描。

如图5所示，本发明所述的机械设备是通过一套机电感应、传输、监视、控制系统来协调工作的，以提高设备工作运行的自动化程度。具体如下：所述整个工作系统的核心是一台计算机主机，它的作用是调度设备接收、外传、显示图像数据和反馈控制指令。(1)所述计算机主机在人机接口端，连接有可实时监视原始、重建图像的监视器，连接有可实现远程数据传输和控制的网络设备，另外在检测调度现场还连接有用于人工干预的人机操作接口，以上是为了方便在必要和紧急时刻引入人为的调度。(2)所述工作系统中的计算机主机在设备操控端，分别连接有发射、接收和转轴台面三大模块：①所述发射端由计算机主机控制着高电压发生器的开启，当高电压发生器的开启时，便可随时激发球管发出X射线，当然这要在发射启闭控制器打开时才能实现，发射启闭控制器直接由计算机主机控制。②所述接受端事实上与计算机主机形成了反馈控制的闭环结构，在计算机主机的调度下，水平运动控制器控制着射线探测器作亚探测单元距离的微小移动以获取亚像素位移的图像，探测启闭控制器控制着射线探测器的开关；当开关打开且位移固定时，探测器便可接收到穿过物体的射线，射线光信号随即交由光电转换器处理变为模拟电信号；为了适应信号处理存储的数字化，模拟电信号接着经过模数转换器变为数字信号，继而输入数据采集缓存器中等待处理；当缓存器中存储的数据满足超分辨率处理的数据量时，缓存器回馈计算机主机要求下一步指令；计算机收到回馈信息，打开传输通道，使信号处理器接受并处理数据，所述信号处理器内嵌入了超分辨率重建程序可以对序列图像进行超分辨率重建，信号处理器可直接与计算机通信。③所述转轴台面的功能和作用在图3中已有表述，所述转轴是通过升降运动控制器和旋转运动控制器与计算机相通信，达到控制转轴与台面带动物体升降和旋转已完成扫描。

如图6所示，本发明中被扫描物体的CT成像过程如下：将被扫描物体置于台面上并固定，CT图像的形成过程是在图5所示系统中各模块紧密配合之下完成的。①首先设定超分辨率重建所需序列图像的帧数N；②为了扫得物体的全身X图像，启动升降控制器将物体的顶端置于扫描水平线以下，以此作为全身扫描的初始位置，启动扫描发射接收器，推升台面使物体自上而下接受一次扫描，获得一张全身扫描图像，将扫描图像存入缓存器中等待处理；③开启水平运动控制器，使X线探测器随机水平微移亚探测单元距离，为下次获得亚像素位移的图像做准备；④重复循环上述②-③步骤，获得N帧亚像素位移的X射线图像；⑤开启缓存传输控制器将序列图像输入信号处理器，调用信号处理器中固化的超分辨率重建处理程序，重建出物体高分辨率X射线图像；⑥在高分辨率X射线图像中找到感兴趣或异常区域，启动升降操作，将此区域所在的断层对准扫描水平线，准备对其进行断层扫描；⑦匀速旋转台面，开启扫描收发器，转动180度，重构出一帧断层扫描图，将扫描图像存入缓存器中等待处理；⑧开启水平运动控制器，使X线探测器随机水平微移亚探测单元距离，为下次获得亚像素位移的图像做准备；⑨重复循环上述⑦-⑧步骤，获得N帧亚像素位移的CT图像；⑩开启缓存传输控制器将序列图像输入信号处理器，调用信号处理器中固化的超分辨率重建处理程序，重建出物体高分辨率CT图像。

如图7所示，固化在信号处理器中的超分辨率重建算法程序是本发明中提出的基于核回归的超分辨率重建方法。本方法适用于处理X射线图像和CT图像，能够获得理想的重建效果。具体步骤包括：①读取图像序列，并对序列图像进行配准；②按照配准的位置将序列图像置于一个标准的高分辨率网格内；③对网格内非均匀分布的图像进行经典核回归处理，得到新的非均匀分布的图像；④新旧两个图像进行对比，对于亮度相差较大的像素作为异常值，在旧图像中剔除；⑤对已剔除异常值的旧图像再次进行经典核回归处理，得到一幅均匀分布的图像；⑥根据均匀分布的图像的纹理和结构，算出所有像素点位置的结构自适应核函数；⑦利用已得的自适应核函数，对均匀分布的图像进行自适应核回归处理，得到新的均匀分布的图像；⑧对⑦中所得的图像进行解模糊处理，得到高分辨率高质量的图像。

Claims (3)

1.一种X射线复式断层扫描成像系统，包括拍片盒(10)、X射线线型阵列探测器(11)、X射线球管(12)、束光器(13)、升降转轴(14)和台面(15)以及监测反馈控制系统，在机械设备底座(16)上从右至左依次顺序安装X射线发射装置X射线球管(12)、由升降转轴(14)和台面(15)构成的载物装置、X射线接收装置拍片盒(10)，其特征是：X射线球管(12)和拍片盒(10)分别通过支撑连接柱固定在底座(16)的两端，升降转轴(14)带动台面(15)进行升降和旋转运动；拍片盒(10)内壁固定两根水平平行的滑道(17)，滑道上架有一根连杆(18)，连杆在滑道上水平滑动，X射线线型阵列探测器(11)固定在连杆之上随连杆进行亚探测单元的微距水平位移；

所述监测反馈控制系统包括计算机主机、光电和模数转换器、数据采集缓存器、信号处理器、高电压产生器、监视器、发射启闭控制器、缓存传输启闭控制器、水平运动控制器、探测启闭控制器、升降运动控制器和旋转运动控制器，其中计算机主机的输出端分别接监视器、高电压产生器、发射启闭控制器、缓存传输启闭控制器、水平运动控制器、探测启闭控制器、升降运动控制器和旋转运动控制器的输入端，高电压产生器和发射启闭控制器的输出端与X射线球管(12)连接，水平运动控制器和探测启闭控制器的输出端接X射线线型阵列探测器(11)的输入端，X射线线型阵列探测器(11)的输出端依次串接光电转换器、模数转换器、数据采集缓存器、信号处理器后与计算机主机双向通信，缓存传输启闭控制器的输出端接信号处理器的输入端，升降运动控制器和旋转运动控制器的输出端与升降转轴(14)连接。

2.一种X射线复式断层扫描成像系统的成像方法，其特征在于包括如下步骤：

①首先设定超分辨率重建所需序列图像的帧数N；②为了扫得物体的全身X图像，启动升降控制器将物体的顶端置于扫描水平线以下，以此作为全身扫描的初始位置，启动扫描发射接收器，推升台面使物体自上而下接受一次扫描，获得一张全身扫描图像，将扫描图像存入缓存器中等待处理；③开启水平运动控制器，使X线探测器随机水平微移亚探测单元距离，为下次获得亚像素位移的图像做准备；④重复循环上述②-③步骤，获得N帧亚像素位移的X射线图像；⑤开启缓存传输控制器将序列图像输入信号处理器，调用信号处理器中固化的超分辨率重建处理程序，重建出物体高分辨率X射线图像；⑥在高分辨率X射线图像中找到感兴趣或异常区域，启动升降操作，将此区域所在的断层对准扫描水平线，准备对其进行断层扫描；⑦匀速旋转台面，开启扫描收发器，转动180度，重构出一帧断层扫描图，将扫描图像存入缓存器中等待处理；⑧开启水平运动控制器，使X线探测器随机水平微移亚探测单元距离，为下次获得亚像素位移的图像做准备；⑨重复循环上述⑦-⑧步骤，获得N帧亚像素位移的CT图像；⑩开启缓存传输控制器将序列图像输入信号处理器，调用信号处理器中固化的超分辨率重建处理程序，重建出物体高分辨率CT图像。

3.根据权利要求2所述的X射线复式断层扫描成像系统的成像方法，其特征在于：固化在信号处理器中的超分辨率重建方法包括如下步骤：(1)读取图像序列，并对序列图像进行配准；(2)按照配准的位置将序列图像置于一个标准的高分辨率网格内；(3)对网格内非均匀分布的图像进行经典核回归处理，得到新的非均匀分布的图像；(4)新旧两个图像进行对比，对于亮度相差较大的像素作为异常值，在旧图像中剔除；(5)对已剔除异常值的旧图像再次进行经典核回归处理，得到一幅均匀分布的图像；(6)根据均匀分布的图像的纹理和结构，算出所有像素点位置的结构自适应核函数；(7)利用已得的自适应核函数，对均匀分布的图像进行自适应核回归处理，得到新的均匀分布的图像；(8)对(7)中所得的图像进行解模糊处理，得到高分辨率高质量的图像。

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