CN102319083A - 一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于平板探测器的具有大视野、低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统，主要包括锥形束X线扫描装置和三维图像重建装置两大部分。该成像系统在获得满足动物组织结构成像的分辨率(可达30μm～100μm)的同时，其成像视野(FOV)直径可达到80mm～150mm，最高达200mm，并可采用较低的辐射剂量(＜100mGy)，能够实现对兔子等较大动物组织结构的活体扫描成像。

Description

一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统

技术领域

本发明是基于平板探测器的小动物Mirco-CT锥形束断层成像系统，通过将低剂量和大视野成像相结合，实现对兔子等较大动物的高分辨率活体扫描成像。

背景技术

计算机断层扫描成像技术(Computer Tomography，CT)通过获得物体截面在不同方向上的X射线投影，利用计算机重构物体截面图像，进而获得物体内部结构的三维图像。自1967年Hounsfield发明了世界上第一台CT设备以来，这一技术已经广泛应用于医学、药学、材料学、工业、农业、工程和考古等各个领域。

尽管目前临床CT影像的空间分辨率已达到了亚毫米数量级，但是很难满足基础医学研究、材料研究等对超高结构分辨率的要求。二十世纪八十年代，显微CT，即Mirco-CT应运而生。它采用X成像原理进行超高分辨三维成像，能够在不破坏样品的情况下，对骨骼、牙齿、各种材料样品及活体小动物进行高分辨率成像，获取样品内部详尽的三维结构信息。其分辨率远远高于临床CT，可达几微米，具有良好的“显微”作用。与普通临床CT相比，Mirco-CT具有以下特征：

1.采用微焦斑X射线源(1μm～50μm)，以减小大焦斑采样引起的半影模糊，并支持几何放大，而医用CT的焦斑通常为数百微米；

2.采用高分辨率二维平面X线探测器(平板或CCD陈列，像元分辨率达10μm～100μm)，而医用CT目前采用多排(或多层)探测器结构，探测器像元分辨率可达亚毫米级，呈圆弧形曲面分布；

3.采用锥形束扫描成像，通常在成像视野范围内，旋转一周可完成物体扫描，而医用CT采用螺旋轨迹扫描，提高成像速度的同时会降低空间分布率。

目前Mirco-CT主要应用于样本或小动物活体成像，其分辨率可达到10μm～30μm，视野范围FOV(直径×长度)在40mm×40mm～80mm×150mm。如瑞士SCANCO公司的VivaCT40的分辨率为10μm，FOV为39mm×145mm；德国Siemens公司的Inveon-CT的分辨率为20μm，FOV为100mm×100mm；美国GE公司的eXplore locus的分辨率为27um，FOV为80mm×80mm，三种产品均可进行大鼠活体成像，而SCANCO的uCT80分辨率为10μm，FOV为75mm×125mm；GE的eXplore Locus SP的分辨率为8μm，FOV为40mm×40mm，均可进行离体组织成像。

尽管目前的Mirco-CT具有较高的分辨率，但针对动物活体成像，还存在两个主要问题，一是成像视野小，目前大多数系统的FOV直径在80mm以下，主要应用于离体组织成像或裸鼠及大鼠活体成像，无法用于兔子等较大动物的活体成像；二是成像时的产生的辐射剂量较大，实验动物长时间暴露在高剂量射线辐射下，会改变疾病的生物学进程并造成明显的假象。数据表明，在过继转移实验中，使用1-2Gy的辐射剂量即可破坏小鼠的免疫系统，因此过高的辐射剂量很难用于活体动物的连续成像。

发明内容

本发明的目的是克服现有小动物Mirco-CT成像视野小、辐射剂量大的缺点，提供一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统，在获得较大的成像视野(FOV直径为80mm～150mm，最高可达200mm)的同时，又可以获得较高的分辨率(30μm～60μm)及较低的辐射剂量(＜100mGy)，以实现对兔子等较大动物组织结构的活体扫描成像。

一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统，包括锥形束X线扫描装置和三维图像采集及重建装置两大部分，其中，锥形束X线扫描装置包括：

其中，锥形束X线扫描装置包括：

(1)一台微焦点X线发生器，用于产生X射线对动物进行扫描；

(2)一台高分辨率平板探测器，用来接收和检测X射线；

(3)一台光学平台，其上固定有一个电动旋转台，用来控制动

物旋转；一个电动升降台，用来放置和控制动物升降；数个电动平移台，其中两个竖直方向电动平移台分别用来固定X线发生器、平板探测器并且配合水平方向电动平移台使得被测动物、平板探测器处于X射线的锥形束区域之内并获得最佳的成像视野；

三维图像采集及重建装置包括：

(1)一个高频数据采集卡，与所述平板探测器和控制工作站相连接，用于锥形束投影数据的高速采集；

(2)多个控制器，通过与上述X-线发生器、平移旋转台和控制工作站相连，用于X-射线的产生和成像轨迹的控制；

(3)中心工作站，一方面与所述控制器及数据采集卡相连接，控制X线发生器及探测器的运动轨迹，并存储采集的投影数据；另一方面用于处理采集的投影数据，进行图像的三维重建及显示。

该大视野低剂量Mirco-CT锥形束成像系统的主要成像步骤如下：

(1)、在指定旋转方向上，X线发生器发出X线，对固定在旋转台上的待测动物进行扫描，衰减后的X线被平板探测器接收。为降低辐射剂量并能得到高的成像分辨率，成像时X-线发生器采用适用于较大动物成像的能量段(如60keV)和较低的成像电流(如300μA)，并采用防散射栅降低对周围组织的辐射。

(2)、平板探测器接收到的X线光子经过模数转换，输出至高频数据采集卡中，并传输至中心工作站。为降低辐射剂量，采用高敏感度具有较高分辨率的平板探测器，并设计相应的校正算法，保证探测器接收光子的一致性；由于采用的X线发生器电流较低，噪声会影响重建图像的质量，本发明设计了基于探测器噪声特性的降噪算法，以滤除投影数据中的噪声，在保证成像质量的同时，降低辐射；

(3)、重复上述步骤1、2直至所有投影角度的数据均被采集。为降低辐射剂量，本系统基于压缩感知和稀疏矩阵理论，设计更有效的扫描轨迹，减少扫描角度，与重建算法相结合，得到低剂量的成像；

(4)、将扫描轨迹与不完全数据锥束重建算法相结合，对投影数据进行三维图像重建，得到物体的三维结构图像。通过将扫描轨迹设计与锥形束重建算法相结合，获得快速高质的三维成像。

一种Mirco-CT锥形束成像系统的大视野实现方法，主要包括以下两方面：

一是选择具有大成像面积的平板探测器，其成像面积要求在200*200mm²以上，并具有较高的像素分辨率，其像素尺寸在100μm以下；

二是设计可获得大成像视野的X线发生器、平板探测器以及成像动物的运动轨迹，一方面通过调整X线发生器、被测动物以及平板探测器之间的距离，获得满足成像视野需求的最佳的放大倍数，以获得较高的分辨率；另一方面，通过调整X线发生器、成像动物以及平板探测器的高度，使得成像动物既处于X射线的锥形束区域内，又处于平板探测器的有效成像区域内。

一种基于探测器测量数据噪声统计特性的噪声抑制算法，以滤除低剂量投影数据中的噪声，提高重建图像的质量。

一种基于压缩感知和稀疏矩阵理论，设计更有效的扫描轨迹，以减少扫描角度，降低辐射剂量。

一种基于压缩感知和稀疏矩阵理论相结合的锥形束重建算法，通过减少X线扫描角度，以较少的投影数据来重建图像，这样既可以降低对活体动物的辐射剂量，又可以提高图像的重建速度。

附图说明

图1是本发明Mirco-CT锥形束成像系统的结构示意图。

图2是Mirco-CT的分辨率计算示意图。

图3是本发明Mirco-CT锥形束成像系统成像视野示意图。

图4是Mirco-CT锥形束成像系统分辨率随放大倍数变化示意图。

图5是Mirco-CT锥形束成像系统分辨率随成像视野变化示意图。

图6是本发明Mirco-CT锥形束成像系统低剂量实现流程图。

具体实施方式

下面通过附图说明和具体实施方式，对本发明的技术进行详细描述。

一、系统设计及组成

图1所示的是该大视野低剂量Mirco-CT锥形束成像系统的结构示意图。被测物体固定在升降台上，X线发生器与平板探测器分别利用竖直方向2个电动平移台固定在被测物体的两侧，方向相对。当X线发生器产生的X线穿透被测物体后，剩余的X线被平板探测器接收，并将其转化为数字信号的投影数据。数据采集卡采集到这些投影数据并将其发送到中心工作站进行三维重建，重建后的图像在显示器上显示。

二、大视野扫描系统的设计

1.平板探测器选择

Micro-CT的分辨率大小与物像比(放大倍数)和射线管焦斑大小以及探测器的像素大小三个量有关。在文献《工业技术参数对性能指标的影响(续)——兼谈如何选择工业CT产品》.(张朝宗.清华大学)中给出了这样一个CT极限分辨率的计算公式：

$\mathrm{BW}\≈\frac{\sqrt{d^2+{\left[a(M-1)\right]}^2}}{M}$

其中a为射线源尺寸，d为探测器孔径，M为几何放大倍数，D为探测器到旋转中心距离，L为射线源到探测器距离，M＝L/S，如图2所示。

为获得本发明所需求的较大成像视野范围和高分辨率，经分析计算可知，当探测器的成像面积在200×200mm²以上，像素尺寸在100μm以下时，可基本满足成像要求。以成像面积大小为230mm×210mm，像素尺寸为74.8μm的平板探测器为例，相应Mirco-CT成像系统可获得的成像视野范围如图3所示。当射线管焦斑大小a取a＝20μm，FOV直径为230mm时，相应Mirco-CT成像系统的分辨率随放大倍数M及FOV直径变化的示意图分别如图4、图5所示。由图可见，在FOV直径为80mm时，该系统的分辨率可达29μm；当FOV直径为150mm时，该系统的分辨率可达50.5μm；而当FOV直径为200mm时，该系统亦可获得高达65.1μm的分辨率，可以实现对兔子等较大动物的组织结构的活体扫描成像。

2.扫描轨迹设计

为获得对兔子等较大动物进行活体成像所需的较大成像视野，本发明所述的Mirco-CT成像系统一方面采用了具有较大成像面积的平板探测器，其成像面积在200×200mm²以上；另一方面还设计了相应的X线发生器、平板探测器及被测动物的运动轨迹以获得较大的成像视野。由图2可知，越是接近平板探测器，系统所获得的成像视野就越大。由此，我们可根据被测动物的体积大小，确定扫描成像所需求的成像视野，通过控制器控制水平方向2个电动平移台左右移动，调整X线发生器、被测动物以及平板探测器之间的距离，获得满足成像视野需求的最佳放大倍数以获得较好的分辨率。与此同时，还需通过控制器控制竖直方向2个电动平移台上下移动，调整X线发生器、被测动物以及平板探测器的高度，既使得被测动物处于X线的锥形束区域内，又处于平板探测器的有效成像区域内。

三、图像重建算法的设计

由于本发明所述的Mirco-CT成像系统采用高敏感度且具有较高分辨率的平板探测器，为保证探测器接收光子的一致性，本发明通过获得在不同系统参数设置下探测器的测量数据方程，提取相应的伪迹及一致性校正参数，对投影数据进行校正，提高测量数据的一致性。

为了降低辐射剂量，本发明所述Mirco-CT成像系统采用的X线发生器电流较低，检测到的投影数据中的噪声会降低重建图像的质量。为滤除投影数据中的噪声，保证成像质量，本发明基于上述测量数据方程，获得投影数据的噪声统计特性，并基于噪声的非平稳特性，设计了投影域的降噪算法及相应的重建算法，提高重建图像的质量。

为了降低辐射剂量，本发明所述Mirco-CT成像系统基于压缩感知和稀疏矩阵理论，采用较少的扫描角度获得较少的投影数据，设计了与压缩感知和稀疏矩阵理论相结合的锥形束的重建算法进行图像重建，提高了图像重建的速度。

四、低剂量处理流程

为实现动物的活体扫描成像，本发明设计了适用于Micro-CT系统低剂量成像的相应方法及处理流程，如图6所示，主要包括：

1.X线发生器的选择及参数设置

为降低辐射剂量并能得到高的成像分辨率，本发明采用微焦斑X线发生器，成像时X线发生器采用适于较大动物成像的能量段(如30-60keV)和较低的成像电流(如300-600μA)，并采用防散射栅降低对周围组织的辐射。

2.探测器的选择及噪声特性；

为降低辐射剂量，本发明选用高敏感度具有较高分辨率的平板探测器，例如像素尺寸为74.8μm，分辨率为：3072×1944像素，噪声大小约为：Max 1％peak over 0-20MHz的平板探测器。

3.结合低剂量成像的噪声抑制算法：基于获得的探测器噪声特性，设计相应的降噪算法，滤除投影数据中的噪声；

4.基于压缩感知和稀疏矩阵理论，设计更有效的扫描轨迹，减少扫描角度，降低辐射剂量；

5.结合扫描轨迹的锥束重建算法，实现低剂量成像。

Claims (7)

1.一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统，包括锥形束X线扫描装置和三维图像重建装置两部分，

其中，锥形束X线扫描装置包括：

(1)一台微焦点X线发生器，用于产生X射线对动物进行扫描；

(2)一台高分辨率平板探测器，用来接收和检测X射线；

(3)一台光学平台，其上固定有一个电动旋转台，用来控制动物旋转；一个电动升降台，用来放置和控制动物升降；数个电动平移台，其中两个竖直方向电动平移台分别用来固定X线发生器、平板探测器并且配合水平方向电动平移台使得被测动物、平板探测器处于X射线的锥形束区域之内并获得最佳的成像视野；

三维图像采集及重建装置包括：

(1)一个高频数据采集卡，与所述平板探测器和控制工作站相连接，用于锥形束投影数据的高速采集；

(2)多个控制器，通过与上述X-线发生器、平移旋转台和控制工作站相连，用于X-射线的产生和成像轨迹的控制；

(3)中心工作站，一方面与所述控制器及数据采集卡相连接，控制X线发生器及探测器的运动轨迹，并存储采集的投影数据；另一方面用于处理采集的投影数据，进行图像的三维重建及显示。

2.如权利要求1所述的一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统，该成像系统的主要成像步骤如下：

(1)在指定旋转方向上，X线发生器发出X线，对固定在旋转台上的待测动物进行扫描，衰减后的X线被平板探测器接收；

(2)平板探测器将接收到的X线光子经过模数转换，输出至高频数据采集卡中，并传输至中心工作站；

(3)重复上述步骤1、2直至所有投影角度的数据均被采集；

(4)将扫描轨迹与不完全数据锥束重建算法相结合，对投影数据进行三维图像重建，得到物体的三维结构图像。

3.如权利要求1或2所述的一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统，其特征是X线发生器的选择及参数设置，成像时X线发生器采用适于较大动物成像的能量段和较低的成像电流，并采用防散射栅降低对周围组织的辐射。

4.如权利要求1或2所述的一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统，其特征是探测器的选择及噪声统计特性，选择具有大成像面积的平板探测器，其成像面积要求在200*200mm²以上，并具有较高的像素分辨率，其像素尺寸在100μm以下。

5.如权利要求1或2所述的一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统，其特征是基于探测器测量数据统计特性的降噪算法，以滤除低剂量投影数据中的噪声，提高重建图像的质量。

6.如权利要求1或2所述的一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统，其特征是基于压缩感知和稀疏矩阵理论，设计更有效的扫描轨迹，以减少扫描角度，降低辐射剂量。

7.如权利要求1或2所述的一种大视野低剂量的Mirco-CT锥形束成像系统，其特征是结合扫描轨迹的锥形束重建算法，通过减少X线扫描角度，以较少的投影数据来重建图像，实现低剂量成像。

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