CN105761226B - 一种超视野ct扫描图像的补偿重建方法 - Google Patents
一种超视野ct扫描图像的补偿重建方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种超视野CT扫描图像的补偿重建方法，所述补偿重建的步骤包括：确定截断投影角度；对取样投影数据做阈值分割；连接截断的分割边界；向分割边界的截断位置填充投影值；保存扩展探测通道的投影数据；利用所述探测通道扩展后的投影数据矩阵重建CT图像。本发明基于投影数据(正弦图)进行，采用二次曲线外推探测通道上的投影值，得到边界比较明显的重建图像，修正FOV内部由于患者超出扫描视野，投影值被截断导致的重建图像CT值偏高的伪影，并且计算量控制在合理的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及CT图像的增强或复原，具体涉及一种超视野CT扫描图像的补偿重建方法。
背景技术
在第三代CT(Computed Tomography)机中，采用的扫描结构如图1所示。这种结构将大量探测器布置在以X射线源(X光管)为中心的圆弧上，X射线源和探测器在整个设备围绕病人旋转时保持相对静止。一般来说，探测器的尺寸应该足够大到使得整个检测对象始终落在探测器的视场内(图1a)。在实际产品设计生产中，考虑到成本与实际使用场景等因素，探测器尺寸不会做的非常大，一般扫描视野(FOV)控制在50cm左右，这个尺寸已经可以覆盖绝大部分患者。但是在实际中，也会遇到体型比较大的患者，或者由于扫描需要患者的摆位并非在床的中间位置(图1b)，被扫描患者会有一部分超出扫描视野，这种情况称为扫描数据被截断了。如果不进行任何处理，重建出来的图像在截断部位的边缘会有高亮伪影，影响图像质量。
针对截断重建情况，现在已有的几种解决方案都是通过在投影域进行数据通道的扩展来实现更大FOV范围的反投影。
1、投影数据镜像拓展方案(Symmetric mirroring of projection data)给出了一个非常简单的方法，针对被截断的每一个角度下的投影数据，以边界的投影值为中值，向外扩展的第n个通道对应的投影值取边界向内数第n个通道投影值与边界投影值的差。该方法能够很好的修正截断带来的FOV内部CT值的偏差，但是对于FOV外部图像的重建效果很差。
2、水圆柱拼凑方法(Water-cylinder fitting)是把超FOV的被扫描对象考虑成成分为水的圆柱体，根据截断处的数据投影值的斜率计算出与之相接的圆柱体位置，从而进行投影数据的拓展。该方案由于需要计算截断处投影值得斜率，其值的计算受噪声的影响比较大，最后的结果稳定性稍差，并且该方法对于截断部位含有高密度组织情况下的重建效果也不是很好。
3、目标近似水椭圆方法(Approximation of the patient as a water ellipse)是把被扫描部位假想成一个薄层椭圆水模来扩展FOV外部通道上的CT投影值，从而重建FOV内部图像。该方法主要针对的是FOV内部CT值的矫正，并且对于腹部成像效果比较好，对于胸部含有大量空气结构的部位效果不是很好。
4、正弦图修补法(Sinogram interpolation)根据重建图像中一点在各个角度上的投影曲线为正弦曲线的事实，根据被截断的正弦图反推FOV外部某一点位置上的CT值，该方法由于需要反复访问计算大量的数据导致最后的算法时间消耗比较大，另外对于大截断情况下，对于边界的重建效果会下降。
前三种方法的矫正效果只局限在FOV内部，对于FOV外部数据的重建效果很不好，重建出来的图像边界不清晰，第四种方法可以重建出FOV外部比较清晰的图像边界，但是计算量比较大，对于大截断效果下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种超视野CT扫描图像的补偿重建方法，基于投影数据(正弦图)进行，采用二次曲线外推探测通道上的投影值，得到比较清晰的重建轮廓，修正FOV内部由于患者超出扫描视野，投影值被截断导致的重建图像CT值偏高的伪影。
本发明的目的是由下述技术方案实现的：一种超视野CT扫描图像的补偿重建方法，所述补偿重建的步骤包括：
A、确定截断投影角度：遍历各投影角度下探测器最外侧探测通道得到的投影值，记录其中大于截断阈值S的投影值所对应的投影角度，得到截断投影角度区间[V1，V2]；
B、对取样投影数据做阈值分割：取出投影角度在[V1-10，V2+10]区间内的最外侧50个探测通道的投影数据作为取样投影数据，记录所述取样投影数据中最大值Pmax，产生一个投影阈值序列Pn＝S+n×(Pmax-S)/10，n＝0～10，使用投影阈值序列Pn对所述取样投影数据做阈值分割，得到截断的分割边界所在的投影角度v和探测通道c；
C、连接截断的分割边界：利用二次曲线c＝a1v2+a2v+a3拟合截断的分割边界，得出参数a1、a2、a3，根据参数a1、a2、a3可以得到截断投影角度区间[V1，V2]中的每一个投影角度v所对应的探测通道c，即扩展探测通道；对每个扩展探测通道赋值Pn；
D、向分割边界的截断位置填充投影值：利用二次曲线Pc＝b1c2+b2c+b3拟合扩展探测通道的离散的投影值Pn和视野范围内连续的投影值得到参数b1、b2、b3，根据参数b1、b2、b3对扩展探测通道进行赋值Pc，使扩展探测通道的投影值填充完整；
E、保存扩展探测通道的投影数据：当被截断部位的投影值完全填充完整之后，探测通道数量必然增加，重新得到一个探测通道扩展后的投影数据矩阵，包含填充的投影数据；
F、利用所述探测通道扩展后的投影数据矩阵重建CT图像。
更具体的，所述截断阈值S为扫描1～5毫米厚水模得到的投影值。
更优选的，所述截断阈值S为扫描3毫米厚水模得到的投影值。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明可以重建出超出探测器探测范围的图像，在扩展成像部分得到比较清晰的重建轮廓，修正FOV内部由于患者超出扫描视野导致的重建图像CT值偏高的伪影。
2、本发明通过一种新的途径来补充正弦图被截断的部位，能够得到边界比较明显的重建图像，并且计算量控制在合理的范围内。
以下结合附图和具体实施例对本发明作详尽说明。
附图说明
图1是第三代CT扫描机扫描结构示意图；
图2是本发明的流程框图；
图3是正弦图截断示意图；
图4是正弦图截断部位放大图；
图5是拟合截断的分割边界示意图；
图6是扩展探测通道的CT值分布图；
图7是补全被截断后的投影正弦图。
具体实施方式
参见图2，一种超视野CT扫描图像的补偿重建方法，所述补偿重建的步骤包括：
A、确定截断投影角度：遍历各投影角度下探测器最外侧探测通道得到的投影值，记录其中大于截断阈值S的投影值所对应的投影角度，得到截断投影角度区间[V1，V2]；
参见图3，当物体超出了CT扫描机的扫描视野范围，得到的投影正弦图在某些角度上会不完整(截断)。通过设定一个合理的截断阈值S，去检测每一个投影角度上探测器边界上的投影值，当投影值大于预设的截断阈值S时，就可以确定哪些投影角度是被截断的，需要进行后续的截断数据补偿。得到截断投影角度区间[V1，V2]，其中V1是首个比S大的投影值，V2是最后一个比S大的投影值。截断投影角度区间可能有一个，也可能有多个。
在本实施例中，所述截断阈值S为扫描1～5毫米厚水模得到的投影值。截断阈值可以根据实验结果的好坏在1～5毫米的范围内进行调整，最优选的，所述截断阈值S为扫描3毫米厚水模得到的投影值。
B、对取样投影数据做阈值分割：取出投影角度在[V1-10，V2+10]区间内的最外侧50个探测通道的投影数据作为取样投影数据，记录所述取样投影数据中最大值Pmax，产生一个投影阈值序列Pn＝S+n×(Pmax-S)/10，n＝0～10，使用投影阈值序列Pn对所述取样投影数据做阈值分割，得到截断的分割边界所在的投影角度v和探测通道c；
参见图4，对于被截断部位，以投影角度为X轴，探测器通道为Y轴，做出其范围内的CT值等高线图，会发现每条等高线(代表投影值相等)的形状近似可以用二次曲线来描述，并且该等高线的中间部位被截断了。对于任一Pn值对应的位置分布，设其探测通道为c，投影角度为v，那么c可以认为是v的函数，c＝f(v)。其表现为一条中间被截断的曲线，如图4所示。
C、连接截断的分割边界：利用二次曲线c＝a1v2+a2v+a3拟合截断的分割边界，得出参数a1、a2、a3，根据参数a1、a2、a3可以得到截断投影角度区间[V1，V2]中的每一个投影角度v所对应的探测通道c，即扩展探测通道；对每个扩展探测通道赋值Pn；
参见图5，用二次曲线去拟合每条中间被截断的曲线，得到中间被截断的曲线的具体位置分布(v，c)，并在对应位置上赋Pn值。本实施例中，采用二次曲线的形式，是对计算速度与精度的折中，也可以用更高次曲线进行拟合。
D、向分割边界的截断位置填充投影值：利用二次曲线Pc＝b1c2+b2c+b3拟合扩展探测通道的离散的投影值Pn和视野范围内连续的投影值得到参数b1、b2、b3，根据参数b1、b2、b3对扩展探测通道进行赋值Pc，使扩展探测通道的投影值填充完整；
参见图6，对于在截断投影角度区间[V1，V2]内的每一个投影角度，其投影值随探测通道分布，左半边连续分布的部分为采集到的投影数据，右半边离散分布的投影值为步骤C中得到的Pn值，假定投影值P随投影角度v的分布同样为二次曲线形式，即Pc＝b1c2+b2c+b3，根据已有的投影数据拟合得到该二次曲线的参数b1、b2、b3，之后就可以对扩展的每个通道进行赋值Pc，这样就扩展了投影数据；对于截断部位任意投影角度，得到了探测器外部可数的几个投影值样本点Pn，结合实际探测得到的探测器内部的投影值，可以通过二次曲线来拟合填充其余探测通道内的投影值。本实施例中，采用二次曲线的形式，是对计算速度与精度的折中，也可以用更高次曲线进行拟合。
E、保存扩展探测通道的投影数据：当被截断部位的投影值完全填充完整之后，探测通道数量必然增加，重新得到一个探测通道扩展后的投影数据矩阵，包含填充的投影数据；
参见图7，最后得到了补偿好的投影正弦图，进一步可以重建得到扩展视野下的CT图像。
F、利用所述探测通道扩展后的投影数据矩阵重建CT图像。通过投影数据矩阵重建CT图像的具体方式可以采用现有技术，此处不作重复描述。
本实施例的内容仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种超视野CT扫描图像的补偿重建方法，其特征在于：所述补偿重建的步骤包括：
A、确定截断投影角度：遍历各投影角度下探测器最外侧探测通道得到的投影值，记录其中大于截断阈值S的投影值所对应的投影角度，得到截断投影角度区间[V1，V2]；
B、对取样投影数据做阈值分割：取出投影角度在[V1-10，V2+10]区间内的最外侧50个探测通道的投影数据作为取样投影数据，记录所述取样投影数据中最大值Pmax，产生一个投影阈值序列Pn＝S+n×(Pmax-S)/10，n＝0～10，使用投影阈值序列Pn对所述取样投影数据做阈值分割，得到截断的分割边界所在的投影角度v和探测通道c；
C、连接截断的分割边界：利用二次曲线c＝a1v2+a2v+a3拟合截断的分割边界，得出参数a1、a2、a3，根据参数a1、a2、a3可以得到截断投影角度区间[V1，V2]中的每一个投影角度v所对应的探测通道c，即扩展探测通道；对每个扩展探测通道赋值Pn；
D、向分割边界的截断位置填充投影值：利用二次曲线Pc＝b1c2+b2c+b3拟合扩展探测通道的离散的投影值Pn和视野范围内连续的投影值得到参数b1、b2、b3，根据参数b1、b2、b3对扩展探测通道进行赋值Pc，使扩展探测通道的投影值填充完整；
E、保存扩展探测通道的投影数据：当被截断部位的投影值完全填充完整之后，探测通道数量必然增加，重新得到一个探测通道扩展后的投影数据矩阵，包含填充的投影数据；
F、利用所述探测通道扩展后的投影数据矩阵重建CT图像。
2.根据权利要求1所述的超视野CT扫描图像的补偿重建方法，其特征在于：所述截断阈值S为扫描1～5毫米厚水模得到的投影值。
3.根据权利要求1所述的超视野CT扫描图像的补偿重建方法，其特征在于：所述截断阈值S为扫描3毫米厚水模得到的投影值。
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Address after: 100176 1st floor, building 8, 11 Kangding street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing Patentee after: Sinovision Technology (Beijing) Co.,Ltd. Address before: 100176 floor 1, Yuehong building, No.13, Yongchang North Road, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing Patentee before: SAINUO WEISHENG TECHNOLOGY (BEIJING) Co.,Ltd. |
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Date of cancellation: 20220406 Granted publication date: 20180518 Pledgee: Beijing Zhongguancun bank Limited by Share Ltd. Pledgor: SAINUO WEISHENG TECHNOLOGY (BEIJING) Co.,Ltd. Registration number: Y2020990000200 |