CN104548374B - 基于旋转准直器的cbct图像采集系统及其预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统，包括X射线源、平板探测器、医用直线加速器和治疗床，特征在于：X射线源与患者之间设置有旋转准直器。本发明的图像预处理方法包括：a).获取基于旋转准直器的CBCT投影图像；b).获取曝光区域的离散投影矩；c).计算图像矩；d).获取遮挡部分的投影图像；e).获取整幅图像的散射信号；f).获取抑制散射且具有完整信息的图像。本发明的CBCT图像采集系统和方法，将估计的遮挡区域的投影图像和对应曝光区域的投影图像，组成具有完整信息的投影图像，进一步减去散射信号，即得到抑制散射信号且具有完成信息的CBCT投影图像，成像更加清晰、准确，有益效果显著，便于应用推广。

Description

基于旋转准直器的CBCT图像采集系统及其预处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于旋转准直器的CBCT图像采集系统及其预处理方法，更具体的说，尤其涉及一种可获取抑制散射信号且具有完全信息的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统及其预处理方法。

背景技术

CBCT装置可以在线获取待治疗部位的容积图像，具有开放式结构，可以方便的集成到医用直线加速器上，易于使用。然而，由于受到散射光子的影响，CBCT成像质量差。目前，基于硬件的散射测量估计法越来越受到大家的重视，该方法通过测量遮挡区域的散射分布，通过插值、拟合等方法来估计整幅图像的散射分布情况。但是由于需要额外的扫描，以确定散射光子的分布，增加了病人所受到的辐射剂量，且引入残留误差，限制了临床应用。通过准直器边缘遮挡来估计散射分布的方法较好的解决了两次扫描的问题，但减少了探测器的可利用范围。基于移动光栅遮挡的方法，克服了上述算法的缺点，但同时带来了两个方面的问题：1、运动稳定性问题；2、因为对遮挡区域进行插值而导致的部分信息丢失的问题。为了解决在抑制散射光子过程中产生的上述问题，我们提出了一种基于旋转准直器的CBCT图像预处理方法。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于旋转准直器的CBCT图像采集系统及其预处理方法。

本发明的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统，包括X射线源、平板探测器、医用直线加速器和治疗床，治疗床用于承载待治疗的患者，医用直线加速器的机头位于治疗床的正上方；所述X射线源和平板探测器位于治疗床的两侧，并可以治疗床上的患者为中心进行同步转动；其特别之处在于：所述X射线源与治疗床上的患者之间设置有可随其同步转动的旋转准直器，旋转准直器由旋转轴、支撑轴和多个准直器组构成，准直器组设置于旋转轴和支撑轴的外围并可随旋转轴的旋转而转动；同一准直器组由间隔设置的条状缝隙和X射线不能透过的条状挡块组成，平板探测器用于采集CBCT投影图像。

本发明的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统，所述准直器组的数目为6个，沿旋转准直器的旋转方向算起，第一个与第四个、第二个与第五个、第三个与第六个准直器组的结构完全相同，且当第一个、第二个、第三个准直器组位于旋转轴与支撑轴之间的中间位置时，第四个、第五个、第六个准直器也分别位于旋转轴与支撑轴之间的中间位置处。

本发明的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统，所述旋转准直器的旋转轴沿竖直方向设置，每个准直器组均包含5个条状缝隙；每个条状缝隙的宽度为16mm，每个条状挡块的宽度为3mm；第二个准直器组中的条状挡块的高度依次比第一个准直器组中的条状挡块的高度低3mm，第三个准直器组中的条状挡块的高度依次比第二个准直器组中的条状挡块的高度低3mm。

本发明的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统的图像预处理方法，其特别之处在于，通过以下方法来实现：a).获取CBCT投影图像，在X射线源和平板探测器同步绕患者旋转1周的过程中，旋转准直器的旋转轴带动准直器组不断旋转，通过平板探测器获取未遮挡区域的CBCT投影图像I(x，y)_k，k＝1，2，...，m，m为所获取的投影图像的总数，k表示第k幅投影图像，投影图像包含曝光区域和遮挡区域；b).获取曝光区域的离散投影矩，通过拉东变换和一系列的正交多项式，将物体每一部分在特定角度下的曝光区域用唯一的离散投影矩H_p(θ)来表述，θ为投影图像的角度；c).计算图像矩，根据步骤b)中求取的离散投影矩H_p(θ)，计算出图像矩T_nm；d).获取遮挡部分的投影图像，根据步骤c)中获取的图像矩T_nm，估计出被旋转准直器的条状挡块遮挡部分的投影图像记为S1(x，y)_k；e).获取整幅图像的散射信号，根据步骤d)中获取的被遮挡部分的投影图像估计出整幅图像的散射信号IS(x，y)_k，k＝1，2，...，m，IS(x，y)_k表示第k幅投影图像的散射信号；f).获取抑制散射且具有完整信息的图像，将估计的遮挡区域的投影图像和对应曝光区域的投影图像，组成m个具有完整信息的投影图像，进一步减去步骤e)中获取的散射信号，即通过公式：I(x，y)_k+S1(x，y)_k-IS(x，y)_k计算得到抑制散射信号且具有完成信息的CBCT投影图像。

本发明的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统的图像预处理方法，步骤a)中获取的CBCT投影图像I(x，y)_k通过公式(1)来表示：

I(x，y)_k＝I_s(x，y)_k+I₀(x，y)_k (1)

其中，I_s(x，y)_k表示第k幅图像的遮挡部分，I₀(x，y)_k表示第k幅图像的曝光部分；

步骤b)中特定角度下曝光区域的离散投影矩H_p(θ)通过公式(2)进行求取：

其中，t_p(k)为一系列的正交多项式，R_θ(k)是图像曝光部分的离散拉东变换；p＝1，2，3，...，为多项式的阶数，θ为投影图像的角度；[0,N-1]为多项式t_p(k)的正交区间；

步骤c)中离散投影矩的定义如公式(3)所示：

其中，μ_nm(p，θ)为权重系数，表示离散投影矩与图像矩之间的关系；

步骤d)中被遮挡部分的投影图像通过公式(4)进行求取：

其中，T_nm为图像矩，M为图像矩的最大阶数，p为多项式的阶数，p＝0，1，2...M，θ为投影图像的角度。

本发明的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统的图像预处理方法，步骤e)中估计图像散射信号IS(x，y)_k的方法采用三次样条插值算法。

本发明的有益效果是：本发明的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统和图像预处理方法，通过在X射线源与患者之间设置由多个准直器组构成的旋转准直器，每个准直器组又由间隔设置的条状缝隙和条状挡块组成，在X射线源和平板探测器以患者为中心同步转动获取CBCT投影图像的过程中，通过旋转准直器自身的旋转，可获取不同角度下的遮挡区域和未遮挡区域的图像，通过被遮挡区域的图像可估算出整幅图像的散射信号，将估计的遮挡区域的投影图像和对应曝光区域的投影图像，组成具有完整信息的投影图像，进一步减去散射信号，即得到抑制散射信号且具有完成信息的CBCT投影图像。

附图说明

图1为本发明的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统的原理图；

图2为本发明的CBCT图像采集系统的图像获取原理图；

图3为本发明中旋转准直器的结构原理图。

图中：101、102、103、104、105、106准直器组，107旋转轴，108支撑轴，201旋转准直器，301为旋转准直器射角为m时的投影图像，302为旋转准直器射角为n时的投影图像，303为投影图像备注，401为X射线源，501平板探测器，601医用直线加速器，701治疗床。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统的原理图，其由X射线源401、旋转准直器201、平板探测器501、医用直线加速器601和治疗床701组成，待治疗的患者躺在治疗床701上，X射线源401和平板探测器501分别位于治疗床701的两侧，旋转准直器201位于X射线源401与患者之间，医用直线加速器601位于治疗床701的上方。X射线源401和平板探测器501可以以患者为中心进行同步转动，X射线源401发出的光线经旋转准直器201的遮挡后，照射于患者的待治疗区域，平板探测器501获取患者部位的CBCT投影图像。

如图3所示，给出了本发明中旋转准直器201的结构示意图，其由旋转轴107、支撑轴108以及6个准直器组(101、102、103、104、105和106)构成，6个准直器组设置于旋转轴107和支撑轴108的外侧，并可随旋转轴的旋转而运动。每个准直器组均由条状缝隙和条状挡块间隔设置形成，每个准直器组上设置有5个条状缝隙。标号为101、102、103、104、105和106的准直器组依次标记为第一至第六准直器，第一准直器组101与第四准直器组104的结构相同，第二准直器组102与第五准直器组105的结构相同，第三准直器组103与第六准直器组106的结构相同。

X射线源401始终与位于旋转轴107与支撑轴108中间位置处的准直器组相对应，X射线源经过旋转准直器201后，就形成了曝光区域和遮挡区域。旋转准直器201的条状挡块部分由X光线不能透过的铅或者钨合金材质构成。所示的条状分析的宽度可为16mm，条状挡块的宽度可为3mm。为了获取图像的遮挡部分图像，第二准直器组102上的条状挡块依次比第一准直器组101上的条状挡块低3mm，第三准直器组103上的条状挡块依次比二准直器组102上的条状挡块低3mm。

如图1中所示，X射线源401和平板检测器501旋转的同时，旋转准直器201自身旋转。当旋转准直器201在角度为m处时，旋转准直器中第一准直器组101位于焦点和成像目标之间，X射线源发出的射线通过第一准直器组101，使平板探测器501略靠右边的一组条状区域曝光；当旋转准直器201在角度为n处时，旋转准直器中第二准直器组102位于焦点和成像目标之间，X射线源发出的射线通过准直器，使得域曝光区域向左平移。直到旋转准直器中第6组光栅106旋转到焦点和成像目标之间，完成一次周期扫描。在射线源旋转一周的过程中，旋转准直器需要旋转180周以上，以获得足够的信息估计遮挡的区域。301为旋转准直器射角为m时候的投影图像，302为旋转准直器射角为n时候的投影图像，303为投影图像备注。

如图2所示，给出了本发明的CBCT图像采集系统的图像预处理原理图，其通过以下方法来实现：

a).获取CBCT投影图像，在X射线源和平板探测器同步绕患者旋转1周的过程中，旋转准直器的旋转轴带动准直器组不断旋转，通过平板探测器获取未遮挡区域的CBCT投影图像I(x，y)_k，k＝1，2，...，m，m为所获取的投影图像的总数，k表示第k幅投影图像，投影图像包含曝光区域和遮挡区域；

该步骤中，CBCT投影图像I(x，y)_k通过公式(1)来表示：

I(x，y)_k＝I_s(x，y)_k+I₀(x，y)_k (1)

其中，I_s(x，y)_k表示第k幅图像的遮挡部分，I₀(x，y)_k表示第k幅图像的曝光部分；

b).获取曝光区域的离散投影矩，通过拉东变换和一系列的正交多项式，将物体每一部分在特定角度下的曝光区域用唯一的离散投影矩H_p(θ)来表述，θ为投影图像的角度；

该步骤中，特定角度下曝光区域的离散投影矩H_p(θ)通过公式(2)进行求取：

其中，t_p(k)为一系列的正交多项式，R_θ(k)是图像曝光部分的离散拉东变换；P＝1，2，3，...，为多项式的阶数，θ为投影图像的角度；[0,N-1]为多项式t_p(k)的正交区间；

c).计算图像矩，根据步骤b)中求取的离散投影矩H_p(θ)，计算出图像矩T_nm；

该步骤中，离散投影矩的定义如公式(3)所示：

其中，μ_nm(p，θ)为权重系数，表示离散投影矩与图像矩之间的关系；

d).获取遮挡部分的投影图像，根据步骤c)中获取的图像矩T_nm，估计出被旋转准直器的条状挡块遮挡部分的投影图像记为S1(x，y)_k；

该步骤中，被遮挡部分的投影图像通过公式(4)进行求取：

其中，T_nm为图像矩，M为图像矩的最大阶数，p为多项式的阶数，p＝0，1，2...M，θ为投影图像的角度。

e).获取整幅图像的散射信号，根据步骤d)中获取的被遮挡部分的投影图像估计出整幅图像的散射信号IS(x，y)_k，k＝1，2，...，m，IS(x，y)_k表示第k幅投影图像的散射信号；

该步骤中，估计图像散射信号IS(x，y)_k的方法采用三次样条插值算法。

f).获取抑制散射且具有完整信息的图像，将估计的遮挡区域的投影图像和对应曝光区域的投影图像，组成m个具有完整信息的投影图像，进一步减去步骤

e)中获取的散射信号，即通过公式：I(x，y)_k+S1(x，y)_k-IS(x，y)_k计算得到抑制散射信号且具有完成信息的CBCT投影图像。

Claims (4)

1.一种基于旋转准直器的CBCT图像采集系统，包括X射线源(401)、平板探测器(501)、医用直线加速器(601)和治疗床(701)，治疗床用于承载待治疗的患者，医用直线加速器的机头位于治疗床的正上方；所述X射线源和平板探测器位于治疗床的两侧，并可以治疗床上的患者为中心进行同步转动；其特征在于：所述X射线源与治疗床上的患者之间设置有可随其同步转动的旋转准直器(201)，旋转准直器由旋转轴(107)、支撑轴(108)和多个准直器组构成，准直器组设置于旋转轴和支撑轴的外围并可随旋转轴的旋转而转动；同一准直器组由间隔设置的条状缝隙和X射线不能透过的条状挡块组成，平板探测器用于采集CBCT投影图像；

所述准直器组的数目为6个，沿旋转准直器的旋转方向算起，第一个与第四个、第二个与第五个、第三个与第六个准直器组的结构完全相同，且当第一个、第二个、第三个准直器组位于旋转轴(107)与支撑轴(108)之间的中间位置时，第四个、第五个、第六个准直器也分别位于旋转轴与支撑轴之间的中间位置处；

所述旋转准直器(201)的旋转轴(107)沿竖直方向设置，每个准直器组均包含5个条状缝隙；每个条状缝隙的宽度为16mm，每个条状挡块的宽度为3mm；第二个准直器组中的条状挡块的高度依次比第一个准直器组中的条状挡块的高度低3mm，第三个准直器组中的条状挡块的高度依次比第二个准直器组中的条状挡块的高度低3mm。

2.一种基于权利要求1所述的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统的图像预处理方法，其特征在于，通过以下方法来实现：

a).获取CBCT投影图像，在X射线源和平板探测器同步绕患者旋转1周的过程中，旋转准直器的旋转轴带动准直器组不断旋转，通过平板探测器获取未遮挡区域的CBCT投影图像I(x,y)_k，k＝1,2,...,m，m为所获取的投影图像的总数，k表示第k幅投影图像，投影图像包含曝光区域和遮挡区域；

b).获取曝光区域的离散投影矩，通过拉东变换和一系列的正交多项式，将物体每一部分在特定角度下的曝光区域用唯一的离散投影矩H_p(θ)来表述，θ为投影图像的角度；

c).计算图像矩，根据步骤b)中求取的离散投影矩H_p(θ)，计算出图像矩T_nm；

d).获取遮挡部分的投影图像，根据步骤c)中获取的图像矩T_nm，估计出被旋转准直器的条状挡块遮挡部分的投影图像记为S1(x,y)_k；

e).获取整幅图像的散射信号，根据步骤d)中获取的被遮挡部分的投影图像估计出整幅图像的散射信号IS(x,y)_k，k＝1,2,...,m，IS(x,y)_k表示第k幅投影图像的散射信号；

f).获取抑制散射且具有完整信息的图像，将估计的遮挡区域的投影图像和对应曝光区域的投影图像，组成m个具有完整信息的投影图像，进一步减去步骤e)中获取的散射信号，即通过公式：I(x,y)_k+S1(x,y)_k-IS(x,y)_k计算得到抑制散射信号且具有完成信息的CBCT投影图像。

3.根据权利要求2所述的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统的图像预处理方法，其特征在于：

步骤a)中获取的CBCT投影图像I(x,y)_k通过公式(1)来表示：

I(x,y)_k＝I_s(x,y)_k+I_o(x,y)_k (1)

其中，I_s(x,y)_k表示第k幅图像的遮挡部分，I_o(x,y)_k表示第k幅图像的曝光部分；

步骤b)中特定角度下曝光区域的离散投影矩H_p(θ)通过公式(2)进行求取：

$H_p\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{t}_p\left(k\right)R_{\mathrm{\θ}}\left(k\right)---\left(2\right)$

其中，t_p(k)为一系列的正交多项式，R_θ(k)是图像曝光部分的离散拉东变换；p＝1,2,3,...，为多项式的阶数，θ为投影图像的角度；[0,N-1]为多项式t_p(k)的正交区间；

步骤c)中离散投影矩的定义如公式(3)所示：

$H_p\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=0}{\overset{p}{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{p-m}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{nm}(p,\mathrm{\θ})T_{nm}---\left(3\right)$

其中，μ_nm(p,θ)为权重系数，表示离散投影矩与图像矩之间的关系；

步骤d)中被遮挡部分的投影图像通过公式(4)进行求取：

其中，T_nm为图像矩，M为图像矩的最大阶数，p为多项式的阶数，p＝0,1,2...M，θ为投影图像的角度。

4.根据权利要求2或3所述的基于旋转准直器的CBCT图像采集系统的图像预处理方法，其特征在于：步骤e)中估计图像散射信号IS(x,y)_k的方法采用三次样条插值算法。