CN106097411B

CN106097411B - Ct机图像重建方法及高分辨ct扫描机

Info

Publication number: CN106097411B
Application number: CN201610491671.1A
Authority: CN
Inventors: 施大新; 邹宇
Original assignee: Shenyang Top Medical Imaging Technology Co Ltd
Current assignee: Liaoning Kaiying Medical Co ltd
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: CN106097411A

Abstract

本发明涉及一种CT机扫描模式、图像重建方法及高分辨CT扫描机，所述扫描模式的扫描轨迹是在普通轴扫的同时，使辐射源和探测器单元与被扫描物体间沿旋转中心轴线发生定值的相对位移，旋转一周对应的轴向相对位移的大小等于1‑2个所述探测器单元的宽度，所述图像重建方法的核心是采用公式进行反向投影插值，以考虑轴向相对位移。所述CT扫描机是用于执行所述扫描模式并设置了所述图像重建方法的CT扫描机。本发明能在基本上不改变现有硬件设备的前提下显著提高重建图像的纵向空间分辨率。

Description

CT机图像重建方法及高分辨CT扫描机

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种CT机的新的扫描模式、与该扫描模式相配套的扫描图像重建方法以及采用上述扫描模式和图像重建方法的CT扫描机。

背景技术

目前CT机中要想提高轴扫模式得到的图像的纵向分辨率通常可以使用（1）高分辨率探测器单元，简单说就是将每一个探测器单元在z 方向的尺寸做小一点；（2）飞焦点（Flying Focal Spot）设计方法，这种方法来提高纵向空间分辨率对X-光源球管的设计有较高的要求，从而导致制造成本的提高。事实上，这两种方法都会要求对CT机硬件设备有较大的变动，成本会变高，而且也有其他方面各自的不足之处。

发明内容

本发明的目的是提供一种CT机扫描模式、图像重建方法及高分辨CT扫描机，能在不改变现有硬件设备的前提下，例如不提高对X-光源球管的设计要求的情况下显著提高重建图像的纵向空间分辨率。

本发明的主要技术方案是：

一种CT机扫描模式：以极小螺距（也可以称为微螺距）的螺旋运动路线为扫描轨迹对被扫描物体进行断层信息记录(但只扫描一周)，所述螺旋运动是指辐射源和探测器单元围绕所述被扫描物体同步做定轴相对旋转的同时所述辐射源和探测器单元二者与所述被扫描物体间轴向相对移动（即沿旋转中心轴线相对位移，旋转360度对应的轴向相对位移值等于一个螺距），所述极小螺距为不大于2个所述探测器单元的宽度的螺距。本方案可以看成用极小螺距的螺旋扫描（但只扫描一周）来近似普通轴扫。为描述方便起见，本文图中使用了平板探测器来代替实际医用CT机中的柱面探测器，并将探测器投影到了旋转中心z轴上。

所述辐射源的中心到所述探测器单元的垂线与所述旋转中心轴线垂直相交。

所述相对旋转和所述轴向相对移动可以是连续的或者是步进的，且两者同步进行。

所述360度螺旋运动的实现方式可以是：所述辐射源和探测器单元旋转同时沿所述旋转中心轴线平移，所述被扫描物体静止。

所述360度螺旋运动也可以是：所述辐射源和探测器单元只旋转不平移，所述被扫描物体只沿所述旋转中心轴线平移不旋转。

所述极小螺距的大小优选等于1-2个所述探测器单元的宽度，这里讲的探测器单元宽度指的是探测器单元投影到旋转轴z上的长度。

所述极小螺距的大小优选等于1个所述探测器单元的宽度、1.5个所述探测器单元的宽度或2个所述探测器单元的宽度。

一种CT机图像重建方法，用于前述任意一种所述的CT机扫描模式的图像重建，图像中待重建的点在空间中的位置用笛卡尔坐标来标识，辐射源和探测器单元以z轴为旋转中心轴线旋转，所述辐射源的中心到所述探测器单元的垂线与所述旋转中心轴线的交点为所述笛卡尔坐标系的原点O，是与笛卡尔坐标相对应的柱坐标，即，，其特征在于包括反向投影步骤，采用以下公式计算反向投影中的所需的坐标：

；

其中，是辐射源和探测器单元绕z轴旋转的旋转角；

H为螺距（即所述的极小螺距）；

D是辐射源中心到z轴的距离；

所述CT机图像重建方法优选采用公式（1）获得重建图像：

；（1）

其中，函数是CT机采集到的投影数据，用表示，函数是将投影数据加权后再进行滤波得到的加权滤波后的投影数据；，和K的计算方法分别由公式(2-4)给出。，

；（2）

；（3）

；（4）。

一种高分辨CT扫描机，包括辐射源、探测器单元和平台，还包括数据采集模块和图像重建模块，所述平台为用于承载被扫描物体的可直线移动载体，所述辐射源和探测器单元与所述平台之间通过采用所述的CT机扫描模式所对应的运动轨迹完成扫描，所述数据采集模块采集所述探测器单元的投影数据，所述图像重建模块根据所述投影数据进行图像重建，获得被扫描物体的断层平面图像，图像重建的方法采用所述的CT机图像重建方法。

本发明的有益效果为：

和普通轴扫模式相比，相同之处在于都只扫描一周，不同之处在于本发明增加了一个自由度，即在普通轴扫的基础上辐射源和探测器单元相对被扫描物体沿旋转中心轴线发生一个精确的微小的直线位移（即所述微螺距H），从而在数据中引入了更多的信息量，由此为提高重建出来的图像的纵向分辨率提供了可能。也因此，本发明能够在基本上不改变现有硬件设备的前提下，以及在不使用飞焦点设计的前提下，显著提高CT机重建出来的图像的纵向空间分辨率。

本发明将会在需要较高纵向分辨率的案例中（如支架造影stent imaging, 内耳造影 inner ear 等等）显著提高图像的质量。

图像重建过程中，本发明采用含有微螺距H的公式（3）来做反向投影（Backprojection）中的插值，不仅不会导致重建图像产生伪影，还能显著提高纵向空间分辨率。

附图说明

图1是图像空间中一点的笛卡尔坐标与柱坐标的对应关系图示；

图2是本发明的扫描模式的扫描轨迹的几何坐标关系示意图；

图3是普通轴扫得到的模拟数据的重建图像；

图4是采用本发明的扫描模式且微螺距为2个探测器单元宽度时得到的模拟数据的重建图像；

图5采用本发明的扫描模式且微螺距为1.5个探测器单元宽度时得到的模拟数据的重建图像；

图6采用本发明的扫描模式且微螺距为1个探测器单元宽度时得到的模拟数据的重建图像。

具体实施方式

本发明公开了一种CT机扫描模式：CT机以螺旋运动路线为扫描轨迹对被扫描物体进行断层信息记录，所述螺旋运动是指辐射源（Source）和探测器单元（detector cell）围绕所述被扫描物体同步做定轴相对旋转，在旋转的同时所述辐射源和探测器单元二者与所述被扫描物体间沿旋转中心轴线发生精确的定值的相对位移。为了方便描述，以下简称本发明的CT机扫描模式为微螺旋轴扫。

所述辐射源可以包括X射线、单光子、正电子、超声、微波等。

上述对于所述辐射源的描述进一步优选为对所述辐射源的中心的描述。

所述辐射源的中心到所述探测器单元的垂线优选与所述旋转中心轴线垂直相交。

所述相对旋转和所述轴向相对移动可以是连续的，也可以是步进的。要实现本发明所述的CT机扫描模式，可以使所述辐射源和探测器单元旋转同时沿所述旋转中心轴线平移，而保持所述被扫描物体静止；也可以使所述辐射源和探测器单元只旋转不平移，所述被扫描物体只沿所述旋转中心轴线平移不旋转。由于所述被扫描物体通常是静置于CT机的平台（couch）（或称床）上的，因此对所述床的运动控制就等于实现了对所述被扫描物体的运动控制。

作为进一步优化的技术方案，旋转360度对应的轴向相对位移的大小（微螺距的大小）为1-2个所述探测器单元的宽度，例如，优选为1个、1.5个或者2个所述探测器单元的宽度，以方便图像重建的运算。

所述微螺旋轴扫与普通的CT机轴扫不同的是本发明的扫描模式可以理解为在普通轴扫的同时还伴有沿旋转中心轴线的相对位移，比普通轴扫多一个自由度，这是本发明能够在普通的CT机（无飞焦点功能设计的CT机）上提高纵向分辨率的基础。由于扫描模式的上述不同，普通轴扫的重建方法中不体现螺距，如果简单地使用普通轴扫的重建方法（如FDK方法）来处理本发明所产生的数据，重建的图像中将会出现伪影（artifacts），因此普通轴扫模式的图像重建方法不能用于本发明的所述微螺旋轴扫的图像重建。

所述微螺旋轴扫与通常的螺旋扫描不同，包括：（1）所述微螺旋轴扫只需扫描一圈（旋转360度），通常的螺旋扫描需要扫描多圈，这在相应重建算法公式中体现为前者的积分限是2π，后者的积分限通常是z的函数（z轴是指与所述旋转中心轴线重合的笛卡尔坐标系的坐标轴，本文所称的纵向也指z轴方向）。（2）所述微螺旋轴扫采用微螺距扫描，由于探测器单元的宽度通常比较微小，至少与CT机上用于承载被扫描物体的床（或称平台）的人容易感知到的宏观平移距离相比是极其微小的（由此，相应螺旋运动的螺距被称为极小螺距或微螺距），因此说所述微螺旋轴扫的螺距比通常的螺旋扫描的螺距小很多。由于只扫描一周且螺距极小，通常的螺旋CT的重建方法无法重建出普通轴扫模式中所能重建的图像层数。综上，普通螺旋扫描的图像重建算法也不能应用于本发明所述微螺旋轴扫进行图像重建。

为此，本发明还公开了一种与本发明任意一种扫描模式相配套的CT机图像重建方法。是要重建的图像函数，图像中待重建的点在空间中的位置（即被扫描物体上某体素点的空间位置）用笛卡尔坐标来标识，辐射源和探测器单元以z轴为旋转中心轴线旋转。所述辐射源的中心到所述探测器单元的垂线与所述旋转中心轴线的交点为所述笛卡尔坐标系的原点O。在CT图像中指的是在坐标处的Hounsfield Unit（HU）值。在物理上，针对经过点的每条来自辐射源的射线，被扫描物体上处体素点都有一个对应的线性衰减系数（linear attenuation coefficient），求解断层平面（被扫描物体上垂直于z轴的截面）内某一体素点的就相当于求解对应于该断层平面内所有经过该体素点的射线的线性衰减系数值。CT机图像重建的最终目的是得到。

是与笛卡尔坐标相对应的柱坐标，即，，二者间关系参见图1。

本发明的重建方法优选基于FDK类型的解析算法，具体为：

；（1）

其中，是辐射源和探测器单元绕z轴旋转的旋转角（参见图2），函数是CT机采集到的投影数据（即探测器单元上测得的数据），是的函数。从整个空间上来讲，也是的函数，因此也用表示。投影数据的获得可以用图2简单表示。函数是加权滤波后的投影数据，即将投影数据加权后再进行滤波所得。

参见图2，x光透过人体后的投影数据被探测器B记录下来。图2表示由光源发出的经过扇面A上的x光透过人体后的投影数据被探测器B上的一行所记录，图中带箭头的线表示扇面A中的一束x光线对应于探测器B中一个探测器单元的数据。探测器B上的所有行记录了x光在转角时的锥束投影数据。探测器B和光源同时绕z轴旋转就可以得到对应于一族转角的锥束投影数据。图像重建的任务就是要从这一族锥束投影数据中获得目标函数，也就是人体的断层图像。

在重建的过程中，对于每一个给定的图像空间坐标，需要在中找到相应的每一个转角时的位置处的值，然后对所有的转角进行加和，即积分，这个过程就是反投影（Backprojection）过程。

给定，按照公式（2）、（3）确定：

；（2）

；（3）

其中，D是辐射源中心到z轴的距离（或者说辐射源中心到原点O的距离），H是本发明中的所述螺距；

本发明的图像重建方法是针对本发明的扫描模式开发的新算法，其中采用考虑了螺距H的公式（3）做反向投影中的坐标是本发明的图像重建方法的关键，这也正是采用本重建算法不仅不会产生伪影反而可以提高纵向分辨率的主要原因。

；（4）

公式（1）-（4）所表示的算法是基于反投影重建算法的新算法，也属于FDK类型的解析算法。事实上，可以采用任何的普通轴扫中其他FDK类型的方法（公式（1）只是其中的一个例子）来处理本发明所产生的数据。需要注意的是无论用哪种类型的FDK算法，上面提到的反投影过程中需使用（3）式来计算在旋转轴上的坐标，这体现了本发明的算法的核心思想。另外，在本发明的图像算法的核心思想框架下，目前所有的迭代算法都可以拿来套用。

为了验证本发明的创新思路，特进行了若干组模拟实验，图3-6所示为模拟实验数据的结果，这些图像均为冠状图像（coronal image），线条宽度和缝隙宽度均为1个探测器单元宽度。通过上述模拟数据的重建图像结果可以看出本发明（图4-6分别对应了螺距为2、1.5和1个探测器单元宽度的重建结果）相比于普通轴扫（图3）可以明显提高纵向分辨率，由此验证了本发明中的思想和方法是行之有效的。

因此，本发明的扫描模式和图像重建方法可以在不改变现有硬件设备的前提下，提高重建出来的图像的纵向（即旋转中心轴线方向）分辨率。

本发明还公开了一种高分辨CT扫描机，包括辐射源、探测器单元和平台，还包括数据采集模块和图像重建模块，所述平台为用于承载被扫描物体的可直线移动载体，所述辐射源和探测器单元与所述平台之间通过采用前述的任意一种CT机扫描模式，以相应的运动轨迹完成扫描，所述数据采集模块采集所述探测器单元的投影数据，所述图像重建模块根据所述投影数据进行图像重建，获得被扫描物体的断层平面图像，图像重建的方法采用前述的任意一种CT机图像重建方法。

该CT扫描机的辐射源和探测器单元围绕所述平台做同步的定轴旋转运动，转动范围是一圈，二者可固定在同一装置上，也可以分别固定在不同的装置上，随各自所在装置做旋转运动，在此过程中，所述平台沿旋转轴做同步的直线运动，所移动距离微小但精确，控制在1-2个探测器单元的宽度范围内，形成所述螺旋运动。这些是实现高的纵向分辨率的扫描图像的硬件基础。而内置了所述CT机图像重建方法所对应软件程序的图像重建模块是实现高的纵向分辨率的扫描图像的必备软件条件。

本发明就是要在不使用飞焦点的前提下，辐射源和探测器单元仍然遵循传统轴扫模式下的轨迹运行，只要配合CT机的床沿z轴方向做一个微小的螺距位移以及采用配套的图像重建方法进行图像重建，即可得到纵向空间分辨率明显高于CT机采用普通轴扫方式的断层图像。

Claims

1.一种CT机图像重建方法，图像中待重建的点在空间中的位置用笛卡尔坐标(x，y，z)来标识，辐射源和探测器单元以z轴为旋转中心轴线旋转，所述辐射源的中心到所述探测器单元的垂线与所述旋转中心轴线的交点为所述笛卡尔坐标系的原点O，(r，φ，z)是与笛卡尔坐标(x，y，z)相对应的柱坐标，即x＝r cos(φ)，y＝r sin(φ)，其特征在于包括反向投影步骤，采用以下公式做反向投影中的插值计算经过点(x，y，z)的射线与平面B的交点的z坐标ξ：

其中，β是辐射源和探测器单元绕z轴旋转的旋转角；

H为螺距；

D是辐射源中心到z轴的距离；

平面B是过z轴的与探测器单元平行的平面，

所述图像为下列CT机扫描模式的图像：以极小螺距的螺旋运动路线为扫描轨迹对被扫描物体进行断层信息记录，所述螺旋运动是指辐射源和探测器单元围绕所述被扫描物体同步做定轴相对旋转的同时所述辐射源和探测器单元二者与所述被扫描物体之间轴向相对移动，所述极小螺距为不大于2个所述探测器单元的宽度的螺距。

2.如权利要求1所述的CT机图像重建方法，其特征在于所述辐射源的中心到所述探测器单元的垂线与所述旋转中心轴线垂直相交。

3.如权利要求2所述的CT机图像重建方法，其特征在于所述相对旋转和所述轴向相对移动是连续的或者是步进的，且两者同步进行。

4.如权利要求3所述的CT机图像重建方法，其特征在于所述辐射源和探测器单元旋转同时沿所述旋转中心轴线平移，所述被扫描物体静止。

5.如权利要求3所述的CT机图像重建方法，其特征在于所述辐射源和探测器单元只旋转不平移，所述被扫描物体只沿所述旋转中心轴线平移不旋转。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的CT机图像重建方法，其特征在于所述极小螺距的大小等于1-2个所述探测器单元的宽度。

7.如权利要求6所述的CT机图像重建方法，其特征在于所述极小螺距的大小等于1个所述探测器单元的宽度、1.5个所述探测器单元的宽度或2个所述探测器单元的宽度。

8.如权利要求1、2、3、4或5所述的CT机图像重建方法，其特征在于采用下列公式获得重建图像：

其中，函数p(·)是CT机采集到的投影数据，用p(γ，ξ，β)表示，函数p″(·)是将投影数据p(·)加权后再进行滤波得到的加权滤波后的投影数据；γ，ξ和K的计算方法分别由下列公式给出；

K²＝D²+r²+2rD sin(β-φ)。

9.如权利要求6所述的CT机图像重建方法，其特征在于采用下列公式获得重建图像：

K²＝D²+r²+2r D sin(β-φ)。

10.如权利要求7所述的CT机图像重建方法，其特征在于采用下列公式获得重建图像：

K²＝D²+r²+2r D sin(β-φ)。

11.一种高分辨CT扫描机，包括辐射源、探测器单元和平台，其特征在于还包括数据采集模块和图像重建模块，所述平台为用于承载被扫描物体的可直线移动载体，所述辐射源和探测器单元与所述平台之间通过采用权利要求1-10中任意一项权利要求所述的CT机图像重建方法中涉及的所述CT机扫描模式所对应的运动轨迹完成扫描，所述数据采集模块采集所述探测器单元的投影数据，所述图像重建模块根据所述投影数据进行图像重建，获得被扫描物体的断层平面图像，图像重建的方法采用权利要求1-10中任意一项所述的CT机图像重建方法。