CN105266839B - 一种三源圆轨迹半径不同的大视野ct成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种三源圆轨迹半径不相同的大视野CT成像方法，其既具有多源CT成像的特点，又可以实现同样设备下扩大成像视野，能够重建更大尺寸的待检测物体。具体包括三源圆轨迹半径不相同的大视野扫描模式，以及不需要数据重排的反投影滤波型算法，其中三组扇束都存在截断，三个射线源的初相位差不相同；重建精度高、速度快。此三源成像方法可以为三源CT系统的研发提供重要的理论基础和技术参考。

Description

一种三源圆轨迹半径不同的大视野CT成像方法

技术领域

本发明涉及医学、工业X射线CT 检测成像技术领域，具体的说，是涉及三个射线源的圆轨迹半径不相同的大视野CT成像系统，其中扇形束存在截断。

背景技术

基于对射线辐射剂量、运动物体高分辨成像、大尺寸物成像等的要求，系统中集成多个射线源和多组探测器是新一代医学、工业CT成像系统的发展趋势，即多源CT成像系统.它能够突破传统CT时间分辨率的局限，在对动态器官如心脏成像方面具有独特的技术优势，还可以利用多能CT不仅能重建高低不同能量谱下的平均衰减系数，而且可以重建出相对电子密度和原子序数，由此能在更大程度上区分物质属性.

西门子公司的双源CT系统放置了两组互为90度的射线源和64层探测器，这在设计思路上是一种突破.虽然该系统刚刚迈入临床不久，但其优越性已初步显现.从扫描时间上看，双源CT的数据采集时间仅为常规CT扫描时间的一半，有利于心脏等动态器官的扫描；从吸收剂量方面看，在相同数据量的情况下，双层探测器CT系统能够将辐射剂量降低40％左右.与双源CT系统相比，三源CT系统因其具有独特的扫描几何性质，逐渐成为了近年来广受业内学者关注的高端CT成像系统之一. 首先，三源锥束扫描装置可实现截断锥束数据的完美的镶嵌图案以满足Orlov条件；其次，提高了扫描效率，对于心脏的扇形角α=25º的情况，一个对称间隔的三源系统将使采集时间减小59%；再次，通过调节三个射线源的半径和初相位，可以获得更大的扫描视野.此三源成像技术可以为新一代三源CT扫描系统的设计提供重要的理论基础和技术参考.

射线源和线阵探测器的几何构架以及重建算法是多源扇束CT成像系统的关键技术，它决定了扫描时间、待检测物体的尺寸、重建图像的精度以及重建速度. 例如：

美国专利US 7,634,045 公开了一种五代X射线CT 系统和操作方法，系统中多个同心同轴的电子束装置和探测器序列等角均匀地分布，可以是180度、120度、90度或60度，且每一组都可以覆盖待检测物体.

中国专利CN101398397公开了一种多次扫描的CT成像方法，该方法中采用一个射线源和一组线阵探测器，多次扫描是通过转台做旋转和平移运动实现的，可以对获得的多组投影数据进行精确重建.

中国专利CN102793552A公开了一种CT图像采集装置及CT扫描成像系统，系统中包括两套相互垂直的图像采集装置，还包括图像处理装置.

上述技术涉及到了多源CT或是投影数据截断的情况，但都没有考虑到多源CT系统中存在数据截断的情况，也就是一种优化的多源CT扫描系统——既具有多源CT成像的优势又可以在同样设备下获得更大的扫描视野。

发明内容

本发明主要针对目前CT技术的一些不足和缺陷，提出了一种三源圆轨迹半径不同的大视野CT成像方法.

本发明通过以下技术方案实现：

一种三源圆轨迹半径不同的大视野CT成像方法包括扫描模式和重建方法：扫描中三个X射线源、转台、三组线阵探测器以及它们的几何构架，该扫描采集到三组截断投影数据；图像重建中使用无需数据重排的滤波反投影算法直接重建三组截断的投影数据. 其特征在于，三个射线源的运动轨迹不是同一个圆周，三个射线源之间的相位差也不相同，也不固定，可以通过参数进行调节；对于大尺寸物体，三组扇束中每一组都不能完全覆盖待检测物体，重建算法可以实现精确重建，不需要数据重排.

所述的扫描系统中有三个X射线源和三组线阵探测器；每一个X射线源的运动轨迹都是圆，三组线阵探测器序列的长度相同；由三个射线源和相应的线阵探测器形成的三组扇束是相同的.

所述的三个X射线源记为S ₁、S ₂和S ₃，它们的运动轨迹是两个中心相同半径不同的圆周. S ₁的圆轨迹半径小于S ₂和S ₃的圆轨迹半径；S₂和S₃的圆轨迹半径相等，即它们两个在同一圆轨迹上运动.

所述的S ₂和S ₃运动形成的圆轨迹半径大于等于S ₁的轨迹的半径.

所述的三个X射线源的初相位不同，它们之间的相位差也不相同，并且这个差值可以通过一个参量调节.

所述的三组扇束之间可以有重叠或是没有重叠，但不会有缝隙，它们组合在一起可以完全覆盖待检测物体.

所述的重建算法是FBP型的滤波反投影重建算法，没有数据重排，重建精度高、速度快、适于设计并行算法.

本发明中，涉及到一种新型的高性能CT扫描模式，该扫描既具有三源CT系统的优势，又可以在同样的设备条件下重建更大尺寸的物体. 扫描过程中，每一组扇束都要绕着同一个旋转中心旋转360度. 这样三组扇束的扫描视野（扫描视野一般认为是一个圆形区域）通常大于常规三源扇束圆轨迹的扫描视野.提出的针对于该扫描模式的重建算法能够精确、高效的重建待检测物，而并没有将数据进行重排.相应的重建算法是通过对平行束的FBP滤波反投影算法进行分解之后，利用该扫描模式下的几何关系获得的.

与以往的CT成像方法相比，本发明的有益效果：（1）同样的设备下获得更大的扫描视野，可以根据扫描系统的有关参数进行计算，得到本发明提出的CT扫描的视野，通常情况下视野扩大在2.5倍左右；（2）重建中采用的FBP型重建算法，可以在不需要重排的情况下，精确的、快速的重建CT图像；（3）随着双源CT成像技术的临床应用的成功，本发明提出的三源轨迹扇束扫描和重建方法给新一代的三源医学CT系统的研发提供了重要的理论指导和技术参考。

附图说明

图1为CT扫描系统的几何结构示意图；

图2为实施例中所使用改进的Shepp-Logan模型参数；

图3为扫描数据图；

图4为CT重建图像。

具体实施方式

本发明主要提供了一种大视野CT成像方法，包括扫描系统和重建算法. 目标是优化CT系统，提高设备性能和设备利用率，实现在相同设备下更大尺寸物体的扫描和重建.本发明的实施方式：首先给出系统中涉及到的有关装置，然后确定各装置之间的几何关系，以此来说明图1扫描模式如何实现，再给出图像重建方法，最后给出实施实例.

1、扫描系统的有关装置

X射线CT扫描系统可以获得待检测物体的投影图，这是CT图像重建的基础.本发明提出的获取重建数据的X射线CT扫描系统的构架的几何示意图如图1所示，该示意图中主要包括以下3个装置：

（1）三个X射线发生装置

X射线发生装置常简称为X射线源，其发射出的X射线穿过待检测物体，基于探测器的尺寸可以调节X射线装置发射出的射线覆盖的范围，本发明中有三个射线源用点分别记为S ₁、S ₂和S ₃.

（2）三组接收射线的线型探测器装置

该装置与三个X射线源相对应，本发明中使用线阵探测器是由探测器单元排成的线型探测器序列，接收穿过待检测物体之后的射线，三组线阵探测器序列分别记为D ₁、D ₂和D ₃，对应于图1中加粗的虚线.

（3）放置待检测物体的转台装置

此装置在X射线源装置和探测器装置之间，在医学CT扫描中射线源和探测器装置作旋转运动，待检测者躺在转台上不动，而工业CT扫描中射线源和探测器装置不同，待检测物放置在转台上，转台做旋转运动（注：此处指非螺旋CT系统），事实上由于运动的相对性，它们之间是等价的，在本发明中假设转台不动，转台的中心记为O.

此外，在CT扫描系统中，还有机械调节装置，用来控制扫描中的系统参数和待检测物，比如X射线源到探测器的距离，转台中心到探测器的距离，以及X射线源、转台、线阵探测器的升降等.

2、三种装置之间的几何关系

射线源、转台以及线阵探测器序列之间的几何关系决定着CT扫描模式，它是CT成像系统中的核心部分之一，通常决定了CT设备的性能.在给出本扫描模式的几何关系之前，首先需要确定三个系统参数：从三个射线源中选取一个，确定它到旋转中心的距离和线阵探测器序列的距离，以及线阵探测器序列的长度.下面给出图1中的三个射线源、转台以及三组线阵探测器序列之间的位置关系和数量关系.

（1）射线源、转台中心以及线阵探测器之间的位置关系

在传统的CT系统中，通常假设上述的X射线源与旋转中心的连线与探测器垂直，并且一般通过线阵探测器序列的中心.而本发明中，只有射线源S ₁与旋转中心O的连线与线阵探测器D ₁垂直，对于S ₂和S ₃，并连线并不与D ₂和D ₃垂直.

本发明中假设转台不动，待检测物体通常放在转台中央；三组扇束绕着旋转中心O作旋转运动，三个射线源的运动轨迹是2个中心相同（中心都为O）半径不同的圆周；X射线源、待检测物体（切片）以及线阵探测器在同一个平面上，即三组扇束在同一个平面上；三组扇束之间存在重叠或是恰好覆盖待检测物体，但是扇束之间没有缝隙.

（2）射线源、转台中心以及线阵探测器之间的数量关系

在工业CT中通常可以调节系统控制装置以控制有关参量. 记 R ₁是射线源S ₁到旋转中心的距离，R ₂是射线源S ₁到线阵探测器序列的距离，L是线阵探测器序列的长度.下面给出图1所示的扫描系统中一些数量关系.

(a) 由S ₁、S ₂、S ₃和相应的三组探测器D ₁、D ₂、D ₃形成的三组扇束，第一组扇束和第二组扇束以及第一组扇束和第三组扇束存在重叠或是正好相接（注：本发明中假设两个重叠量相同），重叠量记为ε，它是一个小的正数或是0. 可以根据待检测物体的尺寸选取重叠参量ε，通常当待重建物体的横截面偏大时选取小ε或是ε=0，此时正好扇束没有重叠，事实上当扫描模式在ε=0时扫描视野达到了最大；待重建物体的横截面更小时，可以选取更大的ε，比如选取5或是10个探测器单元长度，此时数据存在冗余，重建中可以利用这些数据提高系统的抗噪性.

(b)第一个射线源S ₁的圆轨迹是R ₁；第二、三个射线源S ₂和S ₃的圆轨迹半径大于等于S ₁的圆轨迹半径，小于等于R ₁(L ² +R ₂ ²)^1/2/R ₂；

(c)第一个射线源S ₁与第二个射线源S ₂的相位差是π-α；第一个射线源S ₁与第三个射线源S ₃之间的相位差是π+α；第二个射线源S ₂和第三个射线源S ₃之间的相位差是2α，其中α是S ₂或是S ₃与转台中心O的连线与线阵探测器序列所成的锐角的余角，tan ^-1α=(L-ɛ)/R ₂.可见，三个相位差都不是常数，而是一个关于ε的函数.

建立好扫描框架后，将待检测物体放在转台上进行360度全扫描，获得的三组投影数据.

3、图像重建方法

基于平行束FBP重建公式推导了本发明成像系统的扫描模式下的对应的重建公式，写成算法程序模块，集成到CT系统的图像重建软件后，通过高性能的电子计算机实现图像重建.算法实施中需要强调的是（1）每一组扇束都进行360度全扫描；（2）三组截断的投影数据作相应的延长补零后进行滤波；（3）每一组滤波后的全部数据都进行反投影，即每一个象素点重建时需要计算三次投影地址，重建图像是三组反投影之和.

重建软件的核心是重建算法，本发明针对于图1提出了FBP型的滤波反投影重建算法，算法不需要数据重排，精度高、速度快，并且适合设计并行算法，在GPU等并行处理器上进行加速计算.具体的实施步骤如下：

步骤1：数据预处理

(i) 选择ε；

(ii)加权三组投影数据；

(iii)对(ii)中的数据延长补0.

步骤2：滤波

(i) 选择合适的滤波核函数；

(ii) 在时域或是频域中对步骤1中(iii)中的数据进行滤波.

步骤3：反投影

(i) 对于一个给定的象素点，计算每个投影角度下的三个投影地址，找到相应的投影数据；

(ii) 加权本步骤中(i)中找到的投影数据；

(iii) 对于每一个投影角度，累加三个加权之后的投影数据，得到象素点的重建值，获得CT图像.

4、实施实例

本实施例选取改进的Shepp-Logan模型，其中包含10个椭圆，模型的详细有关参数参见图2中的表格，第一列的标号1-10表示椭圆的个数，后面参数依次是相应椭圆的中心坐标参数，长短轴参数，长轴旋转角度参数和灰度值. 采用上述实施方式对其进行扫描和重建.

根据上面的实施方式，通过本例说明如何实现图1的扫描模式.首先固定系统中三个X射线源S ₁、S ₂、S ₃，转台中心O、三组线阵探测器序列D ₁、D ₂、D ₃；然后选定系统参数如下：射线源到转台中心的距离R ₁=700mm，射线源到探测器的距离R ₂=300mm，线阵探测器序列由512个探测器单元组成，每一个探测器单元的长度是0.127，所以探测器的总长度L=65.024mm；其次确定本实施例中选取扇束重叠参量ε，这里选取扇束之间没有重叠即ε=0，根据上面的实施方式可以得到：射线源S ₁的圆轨迹半径700mm，射线源S ₁和S ₂的圆轨迹半径为701.5mm；最后确定S ₁与S ₂之间的相位差是176.3度，S ₁与S ₃之间的相位差是183.7度，S ₂和S ₃的相位之差是7.4度.

上述三组扇束中任意一组形成的扫描视野（扫描视野一般认为是一个圆）的半径是22.75mm，它也是传统的三源圆轨迹CT系统的扫描视野. 而本发明提出的图1中的扫描模式的视野最大可以达到68.15mm. 图2所示的Shepp-Logan模型参数中椭圆的最大长半轴为51.1mm，它显然超出了22.75mm的扫描视野，而本发明提出的扫描模式是可以完全覆盖该模型的. 扫描中使用在360度内进行720次均匀采样.获得的三组投影数据如图3所示，每组数据均有截断. 利用上述实施方式中算法实现步骤，重建CT图像如图4所示。

Claims (6)

1.一种三源圆轨迹半径不同的大视野CT成像方法，包括CT扫描系统和CT图像重建方法，其特征在于：(1)扫描系统中的三个射线源S₁、S₂、S₃的运动轨迹是两个圆心相同半径不同的圆，其中S₁的运动轨迹是一个半径为R₁的圆；S₂和S₃的运动轨迹是同心同半径的圆周，它的半径大于S₁的运动轨迹的半径R₁，但小于等于R₁(L²+R₂ ²)^1/2/R₂，其中，R₂是射线源S₁到线阵探测器的距离；L是线阵探测器的长度；所述的扫描系统中的三组扇束均存在截断；(2)所述的重建方法中使用的FBP型滤波反投影算法，不存在数据重排。

2.根据权利要求1所述的一种三源圆轨迹半径不同的大视野CT成像方法，其特征在于，所述的三个射线源S₁、S₂、S₃和相应的三组探测器D₁、D₂、D₃的形成三组扇束，它们能够完全覆盖待检测物体，对于大尺寸的检测物体每一组扇束都存在截断，第一组扇束和第二组扇束以及第一组扇束和第三组扇束存在重叠或是正好相接，重叠量为一个正数或是0，正数时表示扇束存在重叠，0时表示扇束正好相接，没有重叠。

3.根据权利要求1所述的一种三源圆轨迹半径不同的大视野CT成像方法，其特征在于，第一个射线源S₁与第二个射线源S₂的相位差是π-α；第一个射线源S₁与第三个射线源S₃之间的相位差是π+α；第二个射线源S₂和第三个射线源S₃之间的相位差是2α，其中α是S₂或是S₃与转台中心O的连线与线阵探测器序列所成的锐角的余角。

4.根据权利要求1所述的一种三源圆轨迹半径不同的大视野CT成像方法，其特征在于，三个射线源都要进行360度内全扫描。

5.根据权利要求1所述的一种三源圆轨迹半径不同的大视野CT成像方法，其特征在于，三组投影数据都存在截断，滤波延长三组投影数据补零。

6.根据权利要求1所述的一种三源圆轨迹半径不同的大视野CT成像方法，其特征在于，三组投影数据滤波后的全部数据都进行反投影，每一个象素点重建时需要计算三次投影地址，最后的重建图像是三组反投影之和。