CN104751502B - 一种用于扩大视野的ct图像重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于扩大视野的CT图像重建方法，利用PET图像信息对CT视野口径以外的CT图像通过逐曲线赋值的方法进行补充重建，获得扩大视野的CT图像，包括找到并记录缺失CT图像像素点；得到与像素点相对应的正弦投影曲线；得到正弦投影曲线与CT图像的sino图截断边界上的相交叉点的位置与交叉次数；正弦投影曲线上的所有点进行赋值后的正弦曲线组合为二维矩阵，再与CT图像的sino图探测器阵列对接补充，得到补充后sino图；重建CT图像，得到扩大视野的CT断层图像。本发明能够克服由于不完备数据问题引起的图像缺失和图像伪影，可用于PET/CT设备中的图像融合与图像校正。

Description

一种用于扩大视野的CT图像重建方法

技术领域

本发明属于生物医学成像技术领域，涉及PET/CT设备成像，尤其涉及一种用于扩大视野的CT图像重建方法，可用于PET/CT设备中的图像融合与图像校正。

背景技术

CT是计算机体层扫描，英文(Computed Tomography)的缩写。CT是利用X射线对人体进行体层检查。PET(派特)是正电子发射计算机断层显像，英文(Positron EmissionTomography)的缩写，是一种进行功能代谢显像的分子影像学设备。

PET-CT的全称叫正电子发射断层及X线计算机体层摄影成像系统，能同时提供解剖显像和功能显像，是目前影像诊断技术中最为理想的结合，特别是在肿瘤的诊断、分期、疗效评估等方面发挥重要的作用。

所谓PET/CT，是将PET和CT两个设备有机地结合在一起，使用同一个检查床和同一个图像处理工作站。PET/CT同时具有PET和CT的功能，但它不是二者功能的简单叠加，而为PET与CT优势互补，形成1+1>2的功效。PET可以显示病灶病理生理特征，更容易发现病灶；CT可以精确定位病灶，显示病灶结构变化。PET/CT除了具备PET和CT各自的功能外，其独有的融合图像功能将PET图像与CT图像融合，CT图像信息可用来对PET进行衰减校正，这也是目前PET/CT中最常用的衰减校正方法。

然而，PET与CT的视野口径(最大物理成像直径)是不一样的。由于几何尺寸限制，通常CT的视野口径小于PET的视野口径，于是当体胖病人的身体一部分如肩膀超出CT物理视野以外时，这时的CT图像不能合成正确的PET衰减校正系数，可能导致PET图像上出现伪影，干扰医生的诊断，尽管PET视野口径是足够大的。

由于硬件上的限制，不能再增加CT探测器的长度，即不能增大CT的物理视野口径。为解决上述问题，人们用软件方法来扩大CT有效成像口径。目前基本上有两类方法，第一类方法是利用CT不完备数据重建技术，第二类方法是目前新近研究的利用已有的同机PET图像对缺失的CT投影数据进行补充重建的技术。现有方法中，此类基于PET图像的CT补充重建技术大多引入较多的人为假定。比如，利用PET信息求出CT缺失部分的轮廓后，这些方法需要使用合适的组织类型来填充这些截断部分，这些组织类型的数值的确定往往是先验假定的，而且是单一介质(通常为水)，如在文献[1]和[2]所记载的，这些方法能够消除大部分伪影，因为即使是用水代替人体的CT缺失组织，也比没有好，因为水与空气的物质密度是完全不同的，水与人体软组织则相差不算太大。然而，当CT缺失部分含有骨骼时，上述方法还是可能造成较大的误差。

现有技术由于不完备数据问题引起的图像缺失和图像伪影，特别不利于缺失的CT图像中的骨骼图像的恢复。现有技术在利用CT投影空间的边缘信息时，通常采用的是数值外推(一种插值技术，比如最近邻插值)技术。然而CT投影空间结构与普通空间结构是不同的，比如在CT投影空间中很近的两个亮点，在普通空间中可能相距很远，也可能相距很近，这与扫描角度和物体所处的位置有关，因此，传统插值方法会带来新的误差。

引用文献：

[1]中国发明专利，200980117410.1，使用未经衰减校正的PET发射图像补偿不完备解剖图像，皇家飞利浦电子股份有限公司，2009。

[2]Lonn A,Hsieh J,Evaluation of CT Field of View Restoration for PET-CT Attenuation Correction,2006IEEE NSS Conference Record,M11-347.

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于扩大视野的CT图像重建方法，利用PET图像信息对其CT视野口径(即最大物理成像直径)以外的CT图像进行补充重建，从而克服由于不完备数据问题引起的图像缺失和图像伪影，可用于PET/CT设备中的图像融合与图像校正。

本发明的原理是：本发明提供的用于扩大视野的CT图像重建方法是一种利用已经获得的PET图像信息对缺失的CT图像进行补充重建的方法，属于背景技术所述第二类方法，即利用已有的同机PET图像对缺失的CT投影数据进行补充重建的方法。本发明提供方法不仅能利用PET图像轮廓信息，还充分利用了CT断层投影空间图像(称为sino图)的边缘信息，对缺失的CT图像的形态和物质属性进行很好的补充重建，较好地克服由于不完备数据问题引起的图像缺失和图像伪影；本发明利用了一种CT投影空间图像边缘信息对缺失CT的sino图像进行逐曲线赋值的方法，最大限度利用CT投影空间边缘处的数值信息，能够实现CT投影空间边缘处的数据流连续性条件，避免了先验性的单一介质假定，较好地解决了现有方法中的投影空间数据流的连续性问题等技术难点。本发明提供方法尤其有利于缺失的CT图像中的骨骼图像的恢复，可更好地用于PET/CT设备中的图像融合与图像校正。

本发明提供的技术方案是：

一种用于扩大视野的CT图像重建方法，利用PET图像信息对CT视野口径以外的CT图像通过逐曲线赋值的方法进行补充重建，获得扩大视野的CT图像，包括如下步骤：

1)以PET视野口径为成像区域，比较PET图像与CT图像，找出缺失CT图像；记录缺失CT图像的所有像素点；PET视野口径比CT的视野口径大；

缺失CT图像的所有像素点设为(i,j)，其中，i＝1,2,3…I,j＝1,2,3…I，I为这些像素的个数；(i,j)是全体缺失图像像素点的下标，表示该像素点在图像空间中的位置。

2)针对步骤1)的每一个空间图像像素点，通过CT前投影方法计算得到与像素点相对应的一条正弦投影曲线；该正弦投影曲线即二维投影空间图像(sino图)中的一条曲线；

针对每一个空间图像像素点(i,j)，得到对应的一条正弦投影曲线，该正弦投影曲线即数值化二维图像中的一个连续的一维点阵，这些一维点阵用二维投影空间图像(sino图)中的一维子集表示为：m＝m(n)；其中，m为CT探测器阵列编号，n＝1,2,3…n_a，n_a为投影角度总个数，(m,n)表示二维投影空间图像上任一点。由于以较大的PET视野口径为成像区域，对应的扩大视野的sino图(行数)也增大了，即相当于有效地在原来CT探测器两端又增加了若干探测器单元，这些正弦投影曲线在扩大视野的sino图空间中表现为一条完整的周期正弦曲线。

3)通过计算得到上述正弦投影曲线与CT图像的断层投影空间图像(即sino图)中对应于探测器阵列编码截断边界上的相交叉点的位置，并累积交叉次数N；相交叉点的位置的sino图数值(‘图像值’)为该处的线性衰减系数线积分或CT投影值；

累积交叉次数N越大，则表示该点的线积分包含了更多的缺失图像像素的贡献，相交叉点的投影空间图像像素位置用(m0,n0)表示，其中，m0为CT探测器阵列编号，n0为投影角度，该点的sino图的‘图像值’即为投影角度n0下，编号m0的探测器单元接收到的线性衰减系数的线积分；相交叉点的位置是CT的sino图截断边界所对应的那一条直线与上述正弦投影曲线的交叉点，(CT的sino图也是一种数字图像，可表示为一个二维矩阵，行m为探测器编号，列n为投影角度编号，sino图的像素用(m,n)标注，其截断边界是一条‘直线’，所在行是对应最边缘的探测器标号，所在列为所有投影角度，sino图在像素点(m,n)上的数值(‘图像值’)为m编号探测器单元在n角度下的线性衰减系数线积分或CT投影值)。

4)将步骤3)得到的相交叉点的位置上的线积分值(交叉点处的sino图的‘图像值’)被除以相应的交叉次数N，得到值K；在投影空间中将值K对经过该相交叉点的正弦投影曲线上的所有投影空间像素点进行累积赋值，即对该正弦投影曲线上的所有点(构成的二维投影空间即sino图中的一维正弦投影曲线点阵的那些像素集合)的投影空间图像值均赋予数值K；累积赋值指的是：若某一投影空间像素点被多次赋值，则其取值为每次赋值的值K的加和；对正弦投影曲线上的所有点进行累积赋值后，得到赋值后的正弦曲线；

5)将赋值后得到的正弦曲线(一维点阵)的超出原视野之外的部分组合为一个二维矩阵；该二维矩阵的列和行分别为投射角度和CT探测器阵列编号；

6)将步骤5)组合成的二维矩阵与CT原sino图(二维矩阵)的探测器阵列进行拼接，得到补充后的sino图；

7)对步骤6)得到的补充后的sino图重建CT图像，得到扩大视野的CT断层图像，此时成像口径为PET口径，大于原来CT口径。

针对上述用于扩大视野的CT图像重建方法，在本发明实施例中，步骤1)比较人体的PET图像与CT图像，找出缺失CT图像的方法具体是：首先从PET图像获取人体的未做衰减校正的重建断层图，经过边缘增强和数值图像处理中的膨胀与腐蚀方法，利用阈值将PET人体图像进行二值化，从而确定人体的边界。上述图像处理方法同样适用于进行像素尺寸刻度后的CT图像(此时得到的CT图像与PET图像同样大小)，以较大的PET视野口径为成像口径，对比PET图像与CT图像，可检测到有CT图像缺失的一些区域，CT图像缺失多发生在肩部。

步骤2)中的CT前投影方法为Radon变换方法。在本发明实施例中，采用的CT前投影方法具体是在某个视角下，在连接CT光源点与某一个CT探测器单元的连线上的线性衰减系数的路径积分，构成二维投影空间(sino图)中的一个点，其位置行列编号分别为投射视角角度与CT探测器阵列编号；对于一个图像空间中的像素，其二维投影空间中的图像表现为为一条正弦投影曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种用于扩大视野的CT图像重建方法，该方法利用已经获得的PET图像信息对缺失的CT图像进行补充重建，通过利用CT投影空间边缘信息对缺失CT的sino图像进行逐曲线赋值的方法，最大限度利用CT投影空间边缘处的数值信息，避免了先验性的单一介质假定，较好地解决了该类算法中的投影空间数据流的连续性问题等技术难点，即不仅能利用PET图像轮廓信息，还充分利用了CT断层投影空间的边缘信息，对缺失的CT图像的形态和物质属性进行很好的补充重建，较好地克服由于不完备数据问题引起的图像缺失和图像伪影，特别是有利于缺失的CT图像中的骨骼图像的恢复，可更好地用于PET/CT设备中的图像融合与图像校正。

相比于现有同类技术，本发明提供的技术方案能更好地恢复CT图像中的骨骼和与水偏离较大的组织成份(如肺)，可以更好地进行PET/CT的图像融合与更精准的图像校正。

附图说明

图1是本发明提供方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

在PET/CT临床扫描中，当体胖病人身体的一部分(如肩膀)超出其中CT的物理视野以外时，这时利用PET/CT临床扫描得到的CT图像不能合成正确的PET衰减校正系数，可能导致PET图像上出现伪影，干扰医生的诊断。本发明通过利用已经获得的PET图像信息对缺失的CT图像进行补充重建，不仅能利用PET图像轮廓信息，还充分利用了CT投影空间的边缘信息，对缺失的CT图像的形态和物质属性进行很好的补充重建，较好地克服由于不完备数据问题引起的图像缺失和图像伪影，解决了现有方法中的投影空间数据流的连续性问题等技术难点，特别有利于缺失的CT图像中的骨骼图像的恢复，可用于PET/CT设备中的图像融合与图像校正。

图1是本发明提供方法的流程框图。在具体实施中，首先从PET获取人体的未做衰减校正的重建断层图，经过边缘增强，数值图像处理中的膨胀与腐蚀技术，利用合适阈值将PET人体图像进行二值化，从而确定人体的边界，这些方法都是比较成熟的。上述图像处理方法同样适用于进行像素尺寸刻度后的CT图像(此时得到的CT图像与PET图像同样大小)，以较大的PET视野口径为成像口径，对比PET图像与CT图像，当检测到某些区域有CT图像缺失时(多发生在肩部)，通过实施以下扩大CT视野的图像重建的方法步骤，实现扩大视野的CT图像重建：

a)找到有CT图像缺失的部分图像，称为缺失CT图像；记录缺失CT图像的所有像素点，位置为(i,j)，并存入到一个查找表A(look up table A,LUT-A)中；

b)针对查找表LUT-A中每一个图像像素点(i,j)，通过前投影方法计算得到相对应的一条正弦投影曲线(sinusoidal curve)；

c)针对查找表LUT-A中每一个像素点，计算得到上述正弦投影曲线与真实CT的sino图探测器阵列截断边界上的相交叉点的位置，将交叉点信息作为结果存入查找表B(LUT-B)；相交叉点的信息包括交叉点所在的sino图上的行和列，以及该点上的sino图的‘图像值’(线性衰减系数或CT投影值)。

d)统计计算每个图像像素点(i,j)的正弦投影曲线与真实CT的sino图截断边界相交叉于交叉点位置(LUT-B)的累积交叉次数，并将相交叉累积次数作为结果N存入查找表C(LUT-C)，将经过该交叉点的全部正弦投影曲线上的点(m,n)存入查找表BA(LUT-BA)；

e)找到LUT-B诸交叉点上的数值(线性衰减系数，或CT投影值)，该数值被除以相应的交叉次数N(LUT-C)，结果存入查找表D(LUT-D)；

f)用查找表D(LUT-D)中所有元素的值分别对其路过的正弦曲线上的所有点(LUT-BA)进行累积赋值；

g)上述步骤LUT-A中所有像素点对应的正弦曲线被赋值后，将赋值后得到的正弦曲线一维点阵集合组合为一个二维矩阵；二维矩阵的列行分别为投射角度与CT探测器阵列编号；

h)取上述二维矩阵在原CT视野以外的数据(对应于有效增加的等效探测器单元)，将该二维矩阵与真实CT的sino图(对应于原有的CT探测器阵列)对接合成，得到一个新的二维矩阵，代表扩大CT视野的sino图；

i)将补充后扩大CT视野的sino图(二维矩阵)与原sino图进行平滑和刻度处理；此平滑和刻度处理步骤视具体情况，如果需要平滑时可做；

j)对扩大CT视野的新的sino图(二维矩阵)做CT图像重建，得到有效扩大视野的CT断层图。

上述步骤b)中，前投影方法采用标准的CT前投影方法，即将每一个像素点通过做Radon变换，得到该像素点对应的一条正弦投影曲线。

下面的实施例有助于说明本专利方法的特点和实施方式。

本实施例首先从PET图像获取人体的未做衰减校正的重建断层图，经过边缘增强和数值图像处理中的膨胀与腐蚀方法，利用阈值将PET人体图像进行二值化，从而确定人体的边界。上述图像处理方法同样适用于进行像素尺寸刻度后的CT图像(此时得到的CT图像与PET图像同样大小)，以较大的PET视野口径为成像口径，对比PET图像与CT图像，可检测到有CT图像缺失的一些区域，CT图像缺失多发生在肩部。具体为，本实施例在CT原视野之外、PET视野之内放置一个点状放射源，该放射源对于CT和PET来说都是点源，其质量密度约为水，大小为一个图像像素单元；其中CT与PET的图像是经过图像配准的，进行了尺度刻度的，尺寸一样，比如为128*128像素，经过合理地设置CT和PET的图像阈值，将物体与空气进行图像分割和二值化，对比CT和PET图像可以检测到CT图像有缺失，缺失部分为一个像素。利用CT几何结构参数进行前投影计算，计算其对应的正弦曲线。本实施例中该正弦曲线与CT的sino图边界只有两个交叉点(源于CT的360度采样的对称性)，每个交叉点的交叉次数N＝1，在CT的sino图边界上找到该正弦曲线对应的CT投影值，并对原CT视野外的正弦曲线点进行赋值。然后，赋值后的正弦曲线与原CT的sino图拼接，于是在扩大的视野中，一个完整的单点sino图被完整恢复了。重新做CT重建后，得到大视野中不缺失的、正确的CT图像。

从以上实施例可以看出，本发明提供方法原则上在单点源情况下可精确恢复CT缺失图像，其关键就在于本方法充分利用PET信息和原CT的sino图边界信息，对缺失的数据进行了很好的恢复，克服了传统插值方法的缺点，保证了所补充投影数据的边界连续性和整体不失真性。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种用于扩大视野的CT图像重建方法，所述CT图像重建方法利用PET图像信息对CT视野口径以外的CT图像通过逐曲线赋值的方法进行补充重建，获得扩大视野的CT图像，包括如下步骤：

1)比较PET图像与CT图像，找出缺失CT图像；记录缺失CT图像的所有像素点；

2)针对步骤1)的每一个像素点，通过前投影方法计算得到与像素点相对应的一条正弦投影曲线；

3)针对步骤1)的每一个像素点，通过计算得到上述正弦投影曲线与CT图像的断层投影空间图像sino图中对应于探测器阵列编码截断边界上的相交叉点的位置，并累积交叉次数N；相交叉点的位置的sino图数值为该处的线性衰减系数线积分或CT投影值；

4)针对步骤1)的每一个像素点，将步骤3)得到的相交叉点的位置上的sino图数值被除以相应的交叉次数N，得到值K；在投影空间中将值K对经过该相交叉点的正弦投影曲线上的所有投影空间像素点进行累积赋值，得到赋值后的正弦曲线；所述累积赋值是，首先对所述正弦投影曲线上的所有点的投影空间图像值均赋予值K；若某一投影空间像素点被多次赋值，则所述投影空间像素点的取值为每次赋值的值K的加和；

5)将赋值后得到的正弦曲线的超出原视野之外的部分组合为一个二维矩阵；该二维矩阵的列和行分别为投射角度和CT探测器阵列编号；

6)将步骤5)组合成的二维矩阵与CT图像的sino图探测器阵列进行拼接，得到补充后的sino图；

7)对步骤6)得到的补充后的sino图重建CT图像，得到扩大视野的CT断层图像。

2.如权利要求1所述用于扩大视野的CT图像重建方法，其特征是，步骤1)所述比较PET图像与CT图像，具体是以PET视野口径为成像区域比较PET图像与CT图像，找出缺失CT图像；所述PET视野口径比CT的视野口径大。

3.如权利要求2所述用于扩大视野的CT图像重建方法，其特征是，步骤1)比较人体的PET图像与CT图像，找出缺失CT图像的方法具体是：首先从PET人体图像获取人体的未做衰减校正的重建断层图，经过边缘增强和数值图像处理中的膨胀与腐蚀方法，通过利用阈值将PET人体图像进行二值化，获得人体的边界，再以较大的PET视野口径为成像口径，对比PET图像与CT图像，得到有CT图像缺失的区域。

4.如权利要求3所述用于扩大视野的CT图像重建方法，其特征是，还可通过对CT图像与PET图像进行尺度刻度，再对比CT图像和PET图像，以检测CT图像是否有缺失。

5.如权利要求4所述用于扩大视野的CT图像重建方法，其特征是，所述对CT图像与PET图像进行尺度刻度的尺寸为128*128像素。