CN105678823A - 一种多联装二维扇束计算机层析成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多联装二维扇束计算机层析成像方法，步骤为：(1)将多个物体放置于多联装CT检台，进行单圆轨道扇束CT扫描，获得一幅二维投影图像；(2)对步骤(1)中投影图像进行对数解调，获得一幅线积分二维图像；(3)计算每个物体扇束线积分在步骤(2)线积分二维图像中的对应位置参数；(4)利用步骤(3)计算出的位置参数，分割步骤(2)中线积分二维图像，获得每个物体的扇束线积分二维子图像；(5)将代数重建技术分别应用于步骤(4)中每个物体的扇束线积分二维子图像，生成每个物体的二维CT图像。本发明在不增加透照厚度情况下，可大幅提高成像效率，同时避免射束硬化、散射及信号串扰因素，实现过程简单、高效，精度高。

Description

一种多联装二维扇束计算机层析成像方法

技术领域

本发明涉及一种多联装二维扇束计算机层析(CT)成像方法，属于X射线计算机层析成像(CT)技术领域。

背景技术

在X射线CT系统中，X射线源发出X射线，从不同角度穿过被检测物体的某一区域，放置于射线源对面的探测器在相应角度接受，然后根据各角度射线不同程度的衰减，利用一定的重建算法和计算机进行运算，重建出物体被扫描区域的射线线衰减系数分布映射图像，从而实现由投影重建图像，无损地再现物体在该区域内的介质密度、成分和结构形态等特征。

成像效率一直是制约CT广泛应用的主要因素之一。它主要由扫描时间和图像重建时间决定。目前，由于图像处理单元GPU及其相应并行运算架构CUDA的广泛使用，图像重建时间已得到大幅提高。因此，为进一步改进成像效率，需要开发快速的扫描技术。从早期的单笔束一代CT到近期的电子束扫描五代CT，一代比一代扫描速度快，见证了人们在开发快速扫描CT技术方面的努力。

近年，许多新技术被提出来实现快速CT扫描成像。FlohrTG等，Firstperformanceevaluationofadual-sourceCT(DSCT)system，EuropeanRadiology,Vol.22,No.2,pp.256-268,2006,描述了一种双源CT系统，可提高扫描速度近一倍。HsiehSS等,AninversegeometryCTsystemwithstationarysourcearrays.SPIE，Vol.7961,pp.79611w,2011,提出了一种基于静止源阵列的逆几何CT，可实现快速体积扫描成像。尽管这些方法在不同程度上均获得了较好的扫描速度改进，但它们均工作在单联装模式，一次扫描仅能成像一个物体，难以适应大批量的工业化生产需求，仍存在进一步提高扫描效率的空间。

目前，尚未发现有不增加扫描透照厚度的基于多联装的CT成像方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对X射线CT成像效率问题，提供一种多联装二维扇束CT成像方法。该方法在不增加透照厚度情况下，一次扫描可实现多个物体CT成像，成像效率大幅提高，同时可避免射束硬化、散射及信号串扰因素，实现过程简单、高效。

本发明采用的技术方案：多联装二维扇束CT成像方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)将多个物体放置于多联装CT检台，进行单圆轨道扇束CT扫描，获得一幅二维投影图像；

(2)对步骤(1)中二维投影图像进行对数解调，获得一幅线积分二维图像；

(3)计算每个物体扇束线积分在步骤(2)中线积分二维图像中的对应位置参数；

(4)利用步骤(3)计算出的位置参数，分割步骤(2)中线积分二维图像，获得每个物体的扇束线积分二维子图像；

(5)将代数重建技术分别应用于步骤(4)中每个物体的扇束线积分二维子图像，生成每个物体的二维CT图像。

所述步骤(1)中将多个物体放置于多联装CT检台，进行单圆轨道扇束CT扫描，获得一幅二维投影图像步骤为：

(1.1)将多个被扫描物体放置于多联装CT检台，确保任一扫描角度下，物体被扇束覆盖；

(1.2)以扇束射线源对物体实施透照，同时，多联装CT检台匀速连续旋转，由探测器以固定采样帧频连续采集透射过物体的射线投影，获得投影数据；

(1.3)当检台旋转360度时，探测器停止采样，多联装CT检台和扇束射线源同时停止，即完成一次单圆轨道扇束CT扫描；

(1.4)当扫描结束，将探测器获取的一维投影数据以扫描旋转角度为纵坐标逐行堆叠，形成二维投影图像I(i,m)，其中，i表示扫描角度，m是某一探测通道在探测器上的位置。

所述步骤探测器为一维探测器或二维探测器的一行。

所述多联装CT检台为一具有多个旋转轴并同步旋转的联动旋转台。

所述步骤多联装CT检台多个旋转轴沿着平行于探测器方向等间距排列。

所述的步骤(2)中对步骤(1)中所述二维投影图像进行对数解调，获得一幅二维线积分图像的方法如下：

$p(i,m)=ln\left(\frac{mean\left(I\right(i,1:10\left)\right)}{I(i,m)}\right)$

其中，p(i,m)表示二维线积分图像，I(i,m)为二维投影图像，i代表扫描角度，m代表某一探测通道在探测器上位置；ln表示自然对数运算；mean表示一维均值运算；1:10表示从1取到10。

所述步骤(3)计算每个物体扇束线积分在步骤(2)中线积分二维图像中的对应位置参数方法为：

$S_A=D\×tan(atan\frac{s}{D}+asin\frac{r}{E})$

$S_B=D\×tan(atan\frac{s}{D}-asin\frac{r}{E})$

其中，S_A、S_B表示某一物体的投影数据在二维图像中左右水平位置参数，D是扇束射线源到探测器的垂直距离，s是该物体所在旋转轴旋转中心在探测器上投影位置与探测器中心位置的距离，E是扇束射线源到该物体所在旋转轴旋转中心在探测器上投影位置的距离，r是该物体回转半径，tan表示正切运算，atan表示反正切运算，asin表示反正弦运算。

所述步骤(4)利用步骤(3)计算出的位置参数，分割步骤(2)中线积分二维图像，获得每个物体的扇束投影二维子图像的方法为：

p^p＝p(1:M,S_A:S_B)

其中，p^p表示某个物体的扇束线积分二维子图像，S_A、S_B表示某一物体的投影数据在二维图像中左右水平位置参数，S_A:S_B表示从S_A取到S_B,p表示二维线积分图像,M表示周向旋转扫描角度采样数目。

所述的步骤(5)中将代数重建技术分别应用于步骤(4)中每个物体的扇束投影二维子图像，生成每个物体的二维CT图像的方法为：

其中，f表示二维CT重建图像，k为迭代次数，f⁽⁰⁾表示初始图像，f^(k)表示第k次迭代获得的重建图像，f^(k+1)表示第(k+1)次迭代获得的重建图像，r为收敛因子，r^(k)表示第k次迭代的收敛因子，M为投影矩阵，M_k表示第k次迭代的投影矩阵，P为前向投影算子，p^p为测量得到的某个物体的扇束线积分值。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明解决了多个物体高质量同时CT扫描成像问题，成像效率大幅提高；

(2)本发明在提高扫描效率的同时，不增加透照厚度，不产生信号串扰，成像质量高；

(3)本发明实现过程简单、高效，不需要高电压X射线源和特殊的硬件，易于工程实现。

附图说明

图1为多联装CT扫描成像原理图；

图2为一种形式的多联装多轴同步旋转检台；

图3为发明的成像方法与传统方法透照厚度比较；

图4为采用本发明方法获得的实际物体二维线积分投影图像；

图5为采用本发明方法获得的实际物体重建后图像；

图6为采用传统方法捆绑扫描得到的投影及CT图像。

具体实施方式

本发明多联装二维扇束CT成像方法扫描原理如图1：多个扫描物体放置于多联装检台上同步匀速连续旋转；旋转过程中，由探测器以固定采样速度连续采集透射过物体的射线投影，获得投影数据；当检台旋转360度时，探测器停止采样，检台和射线源同时停止，扫描结束；根据扫描形成的投影数据，利用对数解调算法、投影分割算法和CT重建算法进行重建，即可获得各个物体的二维层析图像。

图2所示为本发明多联装多轴同步旋转检台的一种实现方式：检台多个旋转轴沿着平行于探测器方向等间距排列，通过数控技术实现同步旋转。

在如图1所示的扫描方式下，探测器获取的二维投影图像可用I(i,m)表示，其中，i表示扫描角度，m表示某一探测通道在面阵探测器上的位置。根据二维投影图像，可以用对数解调公式(1)获得相应的二维线积分图像。

$p(i,m)=ln\left(\frac{mean\left(I\right(i,1:10\left)\right)}{I(i,m)}\right)---\left(1\right)$

其中，p(i,m)表示二维线积分图像，I(i,m)为二维投影图像，i代表扫描角度，m代表某一探测通道在探测器上位置；ln表示自然对数运算；mean表示一维均值运算；1:10表示从1取到10。

对数解调后的二维线积分投影图像，再通过公式(2)、(3)及(4)，进行分割，形成每个物体对应的投影子图像。

$S_A=D\×tan(atan\frac{s}{D}+asin\frac{r}{E})---\left(2\right)$

$S_B=D\×tan(atan\frac{s}{D}-asin\frac{r}{E})---\left(3\right)$

p^p＝p(1:M,S_A:S_B)(4)

其中，S_A、S_B表示某一物体的投影数据在二维图像中左右水平位置参数，D是射线源到探测器的垂直距离，s是该物体所在旋转轴旋转中心在探测器上投影位置与探测器中心位置的距离，E是射线源到该物体所在旋转轴旋转中心在探测器上投影位置的距离，r是该物体回转半径，tan表示正切运算，atan表示反正切运算，，asin表示反正弦运算，p^p表示某个物体的扇束线积分二维子图像，S_A:S_B表示从S_A取到S_B,p表示二维线积分图像,M表示周向旋转扫描角度采样数目。

目前，存在解析和迭代两位主要的CT重建算法。解析法要求连接旋转中心与射线源焦点的主射线垂直于探测器。这一条件在如图1所示的扫描方式下，难以得到保障。为此，采用公式(5)所示的代数迭代算法进行图像重建。

其中，f表示二维CT重建图像，k为迭代次数，f⁽⁰⁾表示初始图像，f^(k)表示第k次迭代获得的重建图像，f^(k+1)表示第(k+1)次迭代获得的重建图像，r为收敛因子，r^(k)表示第k次迭代的收敛因子，M为投影矩阵，M_k表示第k次迭代的投影矩阵，P为前向投影算子，p^p为测量得到的某个物体的扇束线积分值。

如图3所示，尽管传统CT扫描技术通过捆绑方式，也可以实现多个物体同时扫描成像，但它会带来透照厚度的增加，不但会使得透照电压增加提高硬件成本，而且恶化了射束硬化和散射问题，形成严重的伪影，影响CT图像质量。同时，它还会导致多个物体间信号的相互串扰，进一步影响图像质量。

如图2所示，本发明具体实现如下：

(1)将多个被扫描物体放置于多联装CT检台，确保任一扫描角度下，物体被扇束覆盖；

(2)以扇束射线源对物体实施透照，同时，多联装CT检台匀速连续旋转，由探测器以固定采样帧频连续采集透射过物体的射线投影，获得投影数据；

(3)当多联装CT检台旋转360度时，探测器停止采样，多联装CT检台和射线源同时停止，即完成一次单圆轨道扇束CT扫描；

(4)当扫描结束，将探测器获取的一维投影数据以扫描旋转角度为纵坐标逐行堆叠，形成二维投影图像I(i,m)，其中，i表示扫描角度，m是某一探测通道在探测器上的位置；

(5)采用公式(1)对获得的二维投影图像进行对数解调，获得一幅二维线积分图像p(i,m)；

(6)采用公式(2)、(3)及(4)分割二维线积分图像p(i,m)，得到每个物体对应的投影子图像p^p；

(7)利用公式(5)所示代数重建技术和步骤(6)得到的投影子图像，重建得到每个物体对应的二维CT切片图像。

为验证本发明，在实际扇束二维CT系统上进行了实验。实验的具体步骤如下：

(1)设定实验条件。本实验采用的物体是四个装满不同材料结构的试管：第一个填充药丸和橡皮泥；第二个填充金属钻头和橡皮泥，模拟金属伪影；第三个填充笔管和橡皮泥；第四个填充药片和橡皮泥。X射线管电压115KV，管电流为1.8mA,射线源到探测器距离1250mm，探测器角度采样数720个，投影图像大小为1920*720。

(2)根据设定参数，转台旋转，探测器采集数据，生成一幅二维投影图像。

(4)根据本发明对数解调公式，对二维投影图像进行解调，生成一幅二维线积分图像。

(5)根据本发明投影位置计算公式，计算出每个物体的投影子图像位置参数，并完成投影分割，形成对应投影子图像。

(6)将投影子图像带入代数迭代重建公式中重建每个物体的CT图像。

图4为采用本发明方法获得的实际物体的二维线积分投影图像；图5为采用本发明方法获得的实际物体重建后图像。由图4和5可知，CT图像正确揭示了第1、3和4号试管内所填充物体的结构，表明了本发明方法的有效性。同时，可以观察到第2号管内因填充了金属钻头，形成了严重的金属伪影，导致金属钻头截面形状严重扭曲变形。由于本发明方法避免了四个物体间投影信号的串扰，使得钻头的金属伪影没有影响到其他三个物体。与之相反，在图6所示的采用传统方法捆绑扫描得到的四个试管的投影及CT图像中，可以显著观察到由于透照厚度增加和信号串扰形成的严重伪影，使得部分结构扭曲，甚至消失。

由图4、5和6可知，本发明方法能快速高效高质量地实现多个物体的CT扫描成像，不增加透照厚度，不存在信号串扰，实现过程简单、高效，不需要特殊硬件，易于工程实现。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明以四个物体同时检测为例进行发明内容的阐释。应当指出，本发明方法可同时检测的物体个数不局限于四个物体。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多联装二维扇束计算机层析成像方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)将多个物体放置于多联装CT检台，进行单圆轨道扇束CT扫描，获得一幅二维投影图像；

(2)对步骤(1)中二维投影图像进行对数解调，获得一幅线积分二维图像；

(3)计算每个物体扇束线积分在步骤(2)线积分二维图像中的对应位置参数；

(4)利用步骤(3)计算出的位置参数，分割步骤(2)中线积分二维图像，获得每个物体的扇束线积分二维子图像；

(5)将代数重建技术分别应用于步骤(4)中每个物体的扇束线积分二维子图像，生成每个物体的二维CT图像。

2.根据权利要求1所述的一种多联装二维扇束计算机层析成像方法，其特征在于：所述步骤(1)中将多个物体放置于多联装CT检台，进行单圆轨道扇束CT扫描，获得一幅二维投影图像步骤为：

(1.1)将多个被扫描物体放置于多联装CT检台，确保任一扫描角度下，物体被扇束覆盖；

(1.2)以扇束射线对物体实施透照，同时，多联装CT检台匀速连续旋转，由探测器以固定采样帧频连续采集透射过物体的射线投影，获得投影数据；

(1.3)当检台旋转360度时，探测器停止采样，多联装CT检台和扇束射线源同时停止，即完成一次单圆轨道扇束CT扫描；

(1.4)当扫描结束，将探测器获取的一维投影数据以扫描旋转角度为纵坐标逐行堆叠，形成二维投影图像I(i,m)，其中，i表示扫描角度，m是某一探测通道在探测器上的位置。

3.根据权利要求2所述的一种多联装二维扇束计算机层析成像方法，其特征在于：所述步骤探测器为一维探测器或二维探测器的一行。

4.根据权利要求1或2所述的一种多联装二维扇束计算机层析成像方法，其特征在于：所述多联装CT检台为一具有多个旋转轴并同步旋转的联动旋转台。

5.根据权利要求4所述的一种多联装二维扇束计算机层析成像方法，其特征在于：所述步骤多联装CT检台多个旋转轴沿着平行于探测器方向等间距排列。

6.根据权利要求1所述的一种多联装二维扇束计算机层析成像方法，其特征在于：所述的步骤(2)中对步骤(1)中所述二维投影图像进行对数解调，获得一幅二维线积分图像的方法如下：

$p(i,m)=ln\left(\frac{mean\left(I\right(i,1:10\left)\right)}{I(i,m)}\right)$

其中，p(i,m)表示二维线积分图像，I(i,m)为二维投影图像，i代表扫描角度，m代表某一探测通道在探测器上位置；ln表示自然对数运算；mean表示一维均值运算；1:10表示从1取到10。

7.根据权利要求1所述的一种多联装二维扇束计算机层析成像方法，其特征在于：所述步骤(3)计算每个物体扇束线积分在步骤(2)线积分二维图像中的对应位置参数方法为：

$S_A=D\×tan(atan\frac{s}{D}+asin\frac{r}{E})$

$S_B=D\×tan(atan\frac{s}{D}-asin\frac{r}{E})$

其中，S_A、S_B表示某一物体的投影数据在二维图像中左右水平位置参数，D是扇束射线源到探测器的垂直距离，s是该物体所在旋转轴旋转中心在探测器上投影位置与探测器中心位置的距离，E是扇束射线源到该物体所在旋转轴旋转中心在探测器上投影位置的距离，r是该物体回转半径，tan表示正切运算，atan表示反正切运算，asin表示反正弦运算。

8.根据权利要求1所述的一种多联装二维扇束计算机层析成像方法，其特征在于：所述步骤(4)利用步骤(3)计算出的位置参数，分割步骤(2)中线积分二维图像，获得每个物体的扇束线积分二维子图像的方法为：

p^p＝p(1:M,S_A:S_B)

其中，p^p表示某个物体的扇束线积分二维子图像，S_A、S_B表示某一物体的投影数据在二维图像中左右水平位置参数，S_A:S_B表示从S_A取到S_B,p表示二维线积分图像,M表示周向旋转扫描角度采样数目。

9.根据权利要求1所述的一种多联装二维扇束计算机层析成像方法，其特征在于：所述的步骤(5)中将代数重建技术分别应用于步骤(4)中每个物体的扇束线积分二维子图像，生成每个物体的二维CT图像的方法为：

其中，f表示二维CT重建图像，k为迭代次数，f⁽⁰⁾表示初始图像，f^(k)表示第k次迭代获得的重建图像，f^(k+1)表示第(k+1)次迭代获得的重建图像，r为收敛因子，r^(k)表示第k次迭代的收敛因子，M为投影矩阵，M_k表示第k次迭代的投影矩阵，P为前向投影算子，p^p为测量得到的某个物体的扇束线积分值。