CN108577876A - 一种多边形静止ct及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多边形静止CT，该CT包括多个检测平面，检测平面环绕待检测区域形成多边形柱状结构；每个检测平面由多个面探测器和多个射线源单元拼接而成，射线源单元分布在面探测器之间；射线源单元用于发出射线扫描成像对象，与射线源单元相对设置的面探测器用于接收投影数据；每个射线源单元发出的射线仅通过部分待检测区域，所有的射线源单元发出的射线覆盖整个待检测区域。该多边形静止式CT能够使待检测区域与扫描系统紧密的耦合，降低扫描过程对非相关区域的辐射，避免了旋转扫描时机械振动对重建图像质量的影响，拓宽了CT系统的应用范围。本发明还提供了多边形静止CT的工作方法，进一步提升了该CT系统的重建图像质量。

Description

一种多边形静止CT及其工作方法
技术领域
本发明属于CT技术领域，特别涉及一种多边形静止CT及其工作方法。
背景技术
X射线断层成像技术，即CT技术，作为一种高分辨率的无损检测手段，被广泛应用于包括医学诊断及工业检测在内的许多领域。传统的X线成像系统一般采用单焦点热阴极X线球管，通过围绕待检测区域旋转扫描得到投影数据来进行图像重建。这样的成像模式具有一些难以突破的局限性：
1)受X线球管发出X射线锥角大小的影响，球管与被探测物体之间的距离必须足够远扫描时才能覆盖待检测区域，导致成像系统体积远大于待检测物体，应用范围受到了限制；
2)CT系统的旋转扫描结构，使得其结构复杂、成本高昂。一些医用CT系统为了提升扫描速度避免运动伪影，更进一步提高了设备设计制造的复杂度，同时机械运动过程中不可避免地出现机械抖动，导致成像过程中存在一定的位置误差和精度误差，影响重建恢复图像的空间分辨率；
3)成像系统因为体积原因不能与被测目标紧密耦合，使得非相关区域可能受到X射线的辐射，对成像对象产生不必要的损伤。
近些年来，碳纳米管冷阴极X射线管等场致发射冷阴极X射线管的研制成功，为我们进行更灵活的成像系统设计提供了可能，其体积小、易集成、可单独寻址的优点为成像系统设计提供了很大便利，相关科研机构已经开始进行应用研究。
以美国The University of North Carolina at Chapel Hill大学Otto Zhou教授为代表的科学家基于碳纳米管场发射的X射线源以及多源阵列研究，研发了世界上第一台基于碳纳米管X光源阵列的高分辨显微CT系统，以及基于碳纳米管多光束X射线源阵列的静态数字乳腺机断层扫描系统。Quan等提出了一种应用二维场致发射射线源阵列的层析成像方法，基于线阵列的场致发射射线源提出了四边形及六边形的静止式CT结构，并对于这种多射线源的结构提出了针对性的重建方法，同时对其成像特性与系统结构之间的关系也进行了仿真研究。Gonzales B等基于线阵列碳纳米管射线源研发了四边形结构的静止式CT用于机场安检系统，应用基于压缩感知的迭代重建方法，实现了接近实时的检测效率。而到了2015年，中山大学已报导了较大面积的氧化锌纳米冷阴极场致发射X射线源阵列，并实现了小于25微米的静态成像。等等一系列研究成果都为利用多X射线源乃至X射线源阵列探索新的成像结构及其成像方法奠定了基础。
在当前所研究报道的应用场致发射冷阴极X射线管的静止式CT系统设计中，均要求每一个射线源发出的射线对成像区域尽量形成覆盖，这就使得每一个射线源的射线张角及朝向都需要单独设计与校准，成像系统的制造难度上升。其次，虽然场致发射射线源具有快速的时间响应，但当被集成在一起形成的射线源阵列逐个扫描时，成像速度则会受到探测器检测速率的制约，仍可能形成运动伪影等失真。同时，基于碳纳米管技术的分立X射线源目前仍难以做到紧密的点源排列，应用场景依旧受到很多限制。此外，由于上述系统中的静止式CT的探测器都是环绕式的，在扫描时，同一个探测器位置可接收来自多个射线源的射线，这意味着探测器接收射线的方向不是固定的，无法用防散射滤线栅来去散射，由于多个射线源可能同时开启，不同射线源的散射的叠加，会导致散射值增大，影响重建图像的质量，而上述系统在结构及算法设计中也未有针对性的考量。
因此，应用基于当前的X射线源制造技术，设计结构更合理的静止式CT系统以及构建对应的CT重建算法来进一步缩小成像系统体积、提高扫描速度、降低非相关区域辐射以及提升重建图像质量，具有迫切的需求与重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多边形静止CT，减少CT系统的旋转和减小CT系统的体积，提高CT的成像质量和应用范围。
本发明提供的多边形静止CT的工作方法，提高CT的图像重建质量。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种多边形静止CT，包括多个检测平面，检测平面环绕待检测区域形成多边形柱状结构；每个检测平面由多个面探测器和多个射线源单元拼接而成，射线源单元分布在面探测器之间；射线源单元用于发出射线扫描成像对象，与射线源单元相对设置的面探测器用于接收投影数据；每个射线源单元发出的射线仅通过部分待检测区域，所有的射线源单元发出的射线覆盖整个待检测区域。
优选地，在同一检测平面内，由多个分立的射线源单元排列为一个或多个线阵列，或由多个来自可寻址线射线源阵列上的射线源单元构成一个或多个线阵列。
优选地，在同一检测平面内，射线源单元排列为多个线阵列，多个线阵列等间距平行分布。
优选地，检测平面环绕待检测区域形成多边形柱状结构时，相邻检测平面上临近的线阵列的射线源单元的焦点在一个不垂直于柱状结构中轴的平面上，或者相邻检测平面上的临近的线阵列射线源的焦点不在同一个平面上。
优选地，每个射线源单元的前方设置束光铅板，束光铅板用于控制射线源单元发出的射线的张角及朝向；相邻的射线源单元发出的射线在空间上有交叠。
优选地，检测平面以及组成检测平面的射线源单元及面探测器的数量和尺寸根据待检测区域的形状进行选择。
优选地，相邻的检测平面之间通过铰链结构连接。
所述的多边形静止CT的工作方法，包括步骤：
1)射线源单元发出射线扫描成像对象，与射线源单元相对设置的检测平面上的一个或多个面探测器接收投影数据，直至点亮所有射线源单元；
2)对因射线源单元的存在而导致的射线源单元所处位置的投影数据缺失进行投影数据补全操作；
3)根据投影数据，考虑投影信号的退化因素构建投影过程的物理模型及相应的重建目标函数，迭代求解得到重建图像。
优选地，在步骤2)中，补全操作的步骤为：
1)对投影遮挡区域进行插值补全；
2)使用原始投影以及插值补全的投影分别重建得到未校正重建图像及插值校正重建图像；
3)两组重建图像相减得到伪影叠加图像，对其进行阈值划分得到强伪影区域，并对强伪影区域进行连通标记，得到一系列小的伪影块；
4)将伪影块分别与未校正重建图像及插值校正重建图像进行图像互相关，确定与强伪影区域相关性大的图像为该强伪影的主要来源；
5)使用插值校正重建图像中相应的非强伪影主要来源区域替换未校正重建图像中的强伪影来源区域，平滑过渡得到组合图像，再对组合图像按照常见物质HU值进行阈值分割，得到分块平滑的组合先验图像；
6)对组合先验图像进行前向投影得到组合先验投影，补全原始投影中缺失的部分，并作平滑过渡，得到校正补全投影。
优选地，在步骤1)中，其中，射线源单元发出射线扫描成像对象时，每次点亮一个或多个射线源单元，直至点亮所有射线源单元，并保证一个面探测器不会接收两个或两个以上同时点亮的射线源单元的射线。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种多边形静止CT，包括多个检测平面，检测平面环绕待检测区域形成多边形柱状结构；每个检测平面由多个面探测器和多个射线源单元拼接而成，射线源单元分布在面探测器之间；每个射线源单元发出的射线仅通过部分待检测区域，且所有的射线源单元发出的射线覆盖整个待检测区域。该CT通过多边形结构围绕待检测区域，不需旋转即可对待检测物体成像，减小了机械设计的复杂度，避免了旋转时机械振动对于成像质量的影响；同时，通过多个射线源共同对待检测物体扫描，每个射线源发出的射线不需要完全覆盖待检测物体，使得射线源与待检测物体之间的距离大大减小，可以显著降低成像系统的体积，使得其应用场景得到拓广；此外，这种紧凑的结构可以使得待检测区域与扫描系统紧密的耦合，有效的减少扫描过程对非相关区域的辐射。
本发明提供的多边形静止CT的工作方法，其对因射线源单元的存在而导致的射线源单元所处位置的投影数据缺失进行投影数据补全操作，进一步的提高了图像重建结果的精确性。而其考虑投影信号的退化因素构建投影过程的物理模型及相应的重建目标函数，再进行迭代重建，利用了图像的先验知识，能够一定程度上抑制散射及其他噪声对重建图像质量的影响，改善CT重建结果的图像质量。
附图说明
图1为两块相邻的检测平面上的一种线阵列射线源与面探测器排布方式示意图。
图2为按照图1的线阵列射线源与面探测器排布方式所组成的CT的结构示意图。
图3为两块相邻的检测平面上的另一种线阵列射线源与面探测器排列方式示意图。
图4为按照图2的线阵列射线源与面探测器排布方式所组成的CT的结构示意图。
图5-1为沿某一线阵列射线源的横断面，射线源单元的一种点亮方式结构示意图。
图5-2为沿垂直于某一检测平面且沿待检测区域轴向的横断面，射线源单元的一种点亮方式结构示意图。
图6-1为沿某一线阵列射线源的横断面，射线源单元的另一种点亮方式结构示意图。
图6-2为沿垂直于某一检测平面且沿待检测区域轴向的横断面，射线源单元的另一种点亮方式结构示意图。
图7为采用组合先验图像的方法对投影数据进行补全的流程图。
图8-1为仿真模体的横断面、冠状面、矢状面图。
图8-2为重建图像的横断面、冠状面、矢状面图。
其中，1为面探测器，2为线阵列射线源，3为束光铅板，4为铰链结构，5为待检测区域。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
图1所示为本发明所述检测平面的一个实例方案下两块相邻的检测平面，其中，使用多个面探测器1与多条等间距平行的线阵列射线源2(即多个射线源单元排列成的线阵列2，可购买)拼接成为一个检测平面，相邻检测平面上的临近的线阵列射线源不在同一个平面，而是位于另一块检测平面的两条线阵列射线源的中线位置处，使得扫描时射线源对成像物体有较均匀的轴向覆盖，提高重建图像中轴向的分辨率。使用这样的不小于4个偶数块检测平面可以使用铰链结构4拼接并固定形成一个多边形柱状的环绕结构，围绕待检测物体，通过点亮不同位置处的射线源单元，使用对应位置处的面探测器接收投影数据，不需旋转地对待检测区域进行扫描。
当然，如果选用线阵列射线源2，则射线源单元排列呈线阵列；本领域技术人员知晓，为了实现所有射线源单元的射线作为整体对待检测物体实现全面覆盖，达成本发明的核心目的，射线源单元可以分散排布或排布成其他形式，而不一定必须排布呈线阵列。
根据成像对象的大小，选择合适参数的线阵列射线源与面探测器，并拼接成不同尺寸的检测平面，使用六块图1所示检测平面结构可以构建如图2的六边形柱状静止式CT成像系统。若设计小动物CT时，可选择较短的射线源分布密集的线阵列射线源，以及面积较小的面探测器；若需设计医疗用CT时，可选择较长的线阵列射线源，以及面积较大的面探测器；若需要进行高分辨率成像时，可以使用射线源密度较高的线阵列射线源，以及分辨率较高的面探测器；若需设计工业CT时，则可选择射线源单元辐射光子能量较高的线阵列射线源。在对成像物体扫描时，可以使用支撑结构承载待检测物体从成像系统两端开口处移动进入成像系统，使得待检测区域被检测平面围绕，从而进行扫描及成像；也可以打开拼接某两块检测平面的铰链，移动成像系统或使用支撑结构承载待检测物体从侧方进入成像系统，再拼接之前打开的铰链，使得待检测区域被检测平面围绕，继而进行扫描及成像。
传统CT的单射线源结构下，相对于成像物体的尺寸需要有较大的射线源焦点与待检测物体距离才能使得射线对待检测区域覆盖扫描；而线阵列的射线源可以利用其密集分布的射线源在较小的射线源与物体间距的情况下对待检测区域5进行覆盖扫描。线阵列射线源上每一个射线源单元发出射线的张角及朝向可以通过射线源前方的束光铅板3控制，每一个射线源单元发出一束射线穿过部分待检测区域5，相邻的射线源单元发出的射线在空间上有部分重叠，来自于成像系统各处的所有的射线源单元发出的射线在空间上共同对待检测区域5形成覆盖。这样的结构可以使得成像系统的体积大大缩小，同时，待检测区域5能较好的与成像系统耦合，这使得对于待检测物体的非相关检测区域的辐射屏蔽更容易实施。其次，可以通过束光铅板使得每个射线源单元发出的射线朝向及锥角相同，相对于当前提出的应用射线源阵列的成像系统，有更低的设计制造复杂度。
使用具有可单独寻址的射线源单元构成的线探测器搭建静止式CT成像系统可以灵活的选择其扫描方式。图5-1、图5-2、图6-1和图6-2为图2所示六边形柱状成像系统的沿某一线阵列射线源的横断面示意图(图5-1、图6-1)，及沿垂直于某一检测平面(沿待检测区域轴向)的矢状面示意图(图5-2、图6-2)。如图5-1和图5-2所示，扫描时可以分别点亮各个线形射线源阵列上的各个X射线源单元：若整个CT系统含m个平板，每个线阵列有P个射线源单元，首先点亮所有阵列的第1个射线源单元，采集到投影数据后再点亮所有阵列的第2个射线源单元，直至点亮所有阵列的第P个射线源并收集投影数据。或者，可以如图6-1和图6-2所示，扫描时分别点亮各个线形射线源阵列上的各组X射线源单元组：若整个CT系统含m个平板，每个线阵列有P个射线源单元，将所有这些射线源单元分成K组，并保证每组射线源单元发出射线在检测平面上不发生交叉混叠，此时首先点亮所有阵列的第1组射线源，采集到投影数据后再点亮所有阵列的第2组射线源，直至点亮第K组射线源并接收投影数据。尽管场致发射的射线源具有快速响应的特性，但若采用图5所示方法依次逐个点亮，考虑成像系统有较多的射线源单元，扫描整个待检测区域仍需要较长时间，对病人或动物进行扫描时，不免产生运动伪影。而采用类似图6所示的方法，能在获得同样数量投影数据的前提下，将扫描时间缩小数倍，一定程度上能够降低被扫描物体运动对图像重建质量的影响。
值得注意的是，由于线阵列上的射线源单元可单独控制或寻址，扫描时各个位置上的投影获取不仅限于按顺序采集或上述分组采集，这允许我们根据成像对象的特征，以及降低辐射剂量等因素的要求，通过设计不同的采样序列来进一步优化成像系统的扫描方式。
图3所示为本发明所述检测平面的另一个实例方案下两块相邻的检测平面，使用多个面探测器1与多条等间距平行的线阵列射线源2交错分布拼接成为一个检测平面，线阵列射线源与检测平面边缘有一定夹角(不为90°，使得线阵列不垂直于多边形柱状结构的轴向)，相邻检测平面上的线阵列射线源头尾相接，两条相接的线阵列射线源上的射线源焦点在一个不垂直于多边形中轴的平面上，使得扫描时射线源对成像物体有较均匀的轴向覆盖，提高重建图像中轴向的分辨率。使用不小于3块这样的检测平面可以使用铰链4拼接并固定形成一个多边形柱状的环绕结构，围绕待检测物体，通过点亮不同位置处的射线源单元，通过对应位置处的面探测器接收投影数据，不需旋转地对待检测区域进行扫描。使用六块图3所示检测平面可以构建如图4的六边形柱状静止式CT成像系统。成像系统的扫描方式及重建算法可同样使用上文介绍的方式。
无论是图2或图4，或其他应用本发明所述主题的成像系统实例，都会在获得投影数据时因为线阵列射线源的存在而缺失部分位置的投影数据，这种缺失可以通过在系统设计时，设置足量的来自成像系统上其他射线源与探测器的额外测量值来解决，也可以进行投影数据补全校正。图7所示为采用组合先验图像的方法对投影数据进行补全的流程图。其步骤包括：
(1)对投影缺失区域进行插值补全(本发明中可以采用线性插值)；(2)使用原始投影以及插值补全的投影(即线性插值投影)分别迭代重建得到未校正重建图像及插值校正重建图像(即线性插值校正图像)；(3)两组重建图像相减得到伪影叠加图像，对伪影叠加图像进行阈值划分得到强伪影区域，并对强伪影区域进行连通标记，得到一系列小的伪影块(即强伪影区域及标记)；(4)将伪影块分别与未校正重建图像及插值校正重建图像进行图像互相关，确定与强伪影区域相关性大的图像为该强伪影的主要来源；(5)使用插值校正重建图像中相应的非强伪影主要来源区域替换未校正重建图像中的强伪影来源区域，平滑过渡得到组合图像，再对组合图像按照常见物质HU值进行阈值分割，得到分块平滑的组合先验图像；(6)对组合先验图像进行前向投影得到组合先验投影，补全原始投影中缺失的部分，并作平滑过渡，得到校正补全投影(即校正后投影)。
无论是否进行投影补全校正，我们都可以考虑投影信号的退化因素构建投影过程的物理模型：令射线源单元辐射的X射线的光子强度为I0，可以通过空扫描获得，第p个射线源单元源点亮时探测器单元d上接收到的实际光子强度为Ipd，射线路径对应的系统矩阵为apd，x为待检测物体的衰减系数，根据比尔定理，且考虑射线源p点亮时在探测器d上散射信号的强度spd，则在射线源p点亮时在探测器d上检测到信号的期望值为：
根据上述投影过程物理模型，考虑第p个射线源单元源点亮时探测器单元d上接收到的实际光子强度Ipd的测量可以用泊松过程来建模，物质衰减系数x分布具有平滑或稀疏等的先验特征，散射分量s主要集中于投影数据中的极低频空间，可以对其离散梯度图像进行平滑约束或稀疏约束，因而可以构建重建目标函数
其中，p＝0，1，...，P,表示射线源单元，P为总的射线源单元数；d＝0，1，...，D,表示探测器单元，D为总的探测器单元数；β为对图像的正则化参数，R(x)表示对图像x的正则化约束，可根据不同方向及位置来进行不同的设计；γ为对散射分量s的正则化系数，即为散射分量的离散梯度图像向量化表示后的幅值，即其中和则分别表示散射分量沿三个不同方向上的梯度图像,表示对的平滑约束(r＝2)或稀疏约束(r＝1)。
在迭代求解得到重建图像时：根据上述的优化目标函数，考虑其含有重建图像x与散射分量s两个未知量，直接求解较为复杂，可采用交替方向最小化算法来最小化目标函数，可以将其分解成如下的两个子问题与进行交替最小化：
在上述两变量的函数最小化问题，优化的方法为每一步迭代中先固定其中的一个变量，然后更新另一个变量，循环往复交替进行。特别地，对于式中指数项可利用泰勒展开变为易于计算的二次函数形式。其中使用的迭代优化算法一般可以采用牛顿迭代，共轭梯度方法以及分离二次函数替代算法等。
上述考虑投影信号的退化因素构建投影过程的物理模型及相应的重建目标函数，再进行迭代重建，可以利用图像的先验知识，一定程度上抑制散射及其他噪声对重建图像质量的影响，提高CT重建结果的图像质量。
利用MOBY仿真软件生成的仿真模体进行实验，仿真模体的横断面、冠状面、矢状面分别如图8-1所示，模体分辨率为256×256×200，每个像素代表尺寸为0.025cm。采用选取一组特定参数进行实验:设CT成像系统为图2所示六边形结构，即平板数n＝6，每个平板上含三行线形射线源阵列，每行射线源阵列含12个X射线源，每个射线源发出的锥形X射线的锥角为30°，行阵列源间距2cm，物理尺寸为0.5cm×9cm，平板其余空间由阵列探测器填充，每个探测器单元大小为0.05cm×0.05cm，整个平面大小约为9cm×9cm，待检测物体位于柱状六边形中心，以此参数来评估算法的有效性。重建图像如图8-2所示，用RMSE来评估重建图像质量，图示横断面、冠状面、矢状面的RMSE分别为0.0039cm-1，0.0065cm-1，0.0077cm-1,取得了不错的重建质量。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种多边形静止CT，其特征在于，包括多个检测平面，检测平面环绕待检测区域(5)形成多边形柱状结构；每个检测平面由多个面探测器(1)和多个射线源单元拼接而成，射线源单元分布在面探测器(1)之间；射线源单元用于发出射线扫描成像对象，与射线源单元相对设置的面探测器(1)用于接收投影数据；每个射线源单元发出的射线仅通过部分待检测区域(5)，所有的射线源单元发出的射线覆盖整个待检测区域(5)。
2.如权利要求1所述的多边形静止式CT，其特征在于，在同一检测平面内，由多个分立的射线源单元排列为一个或多个线阵列，或由多个来自可寻址线射线源阵列上的射线源单元构成一个或多个线阵列。
3.如权利要求2所述的多边形静止CT，其特征在于，在同一检测平面内，射线源单元排列为多个线阵列，多个线阵列等间距平行分布。
4.如权利要求3所述的多边形静止CT，其特征在于，检测平面环绕待检测区域(5)形成多边形柱状结构时，相邻检测平面上临近的线阵列的射线源单元的焦点在一个不垂直于柱状结构中轴的平面上，或者相邻检测平面上的临近的线阵列射线源的焦点不在同一个平面上。
5.如权利要求2所述的多边形静止CT，其特征在于，每个射线源单元的前方设置束光铅板(3)，束光铅板(3)用于控制射线源单元发出的射线的张角及朝向；相邻的射线源单元发出的射线在空间上有交叠。
6.如权利要求1所述的多边形静止CT，其特征在于，检测平面以及组成检测平面的射线源单元及面探测器(1)的数量和尺寸根据待检测区域(5)的形状进行选择。
7.如权利要求1所述的多边形静止CT，其特征在于，相邻的检测平面之间通过铰链结构(4)连接。
8.权利要求1～7任一项所述的多边形静止CT的工作方法，其特征在于，包括步骤：
1)射线源单元发出射线扫描成像对象，与射线源单元相对设置的检测平面上的一个或多个面探测器(1)接收投影数据，直至点亮所有射线源单元；
2)对因射线源单元的存在而导致的射线源单元所处位置的投影数据缺失进行投影数据补全操作；
3)根据投影数据，考虑投影信号的退化因素构建投影过程的物理模型及相应的重建目标函数，迭代求解得到重建图像。
9.权利要求8所述的多边形静止CT的工作方法，其特征在于，在步骤2)中，补全操作的步骤为：
1)对投影遮挡区域进行插值补全；
2)使用原始投影以及插值补全的投影分别重建得到未校正重建图像及插值校正重建图像；
3)两组重建图像相减得到伪影叠加图像，对其进行阈值划分得到强伪影区域，并对强伪影区域进行连通标记，得到一系列小的伪影块；
4)将伪影块分别与未校正重建图像及插值校正重建图像进行图像互相关，确定与强伪影区域相关性大的图像为该强伪影的主要来源；
5)使用插值校正重建图像中相应的非强伪影主要来源区域替换未校正重建图像中的强伪影来源区域，平滑过渡得到组合图像，再对组合图像按照常见物质HU值进行阈值分割，得到分块平滑的组合先验图像；
6)对组合先验图像进行前向投影得到组合先验投影，补全原始投影中缺失的部分，并作平滑过渡，得到校正补全投影。
10.权利要求8所述的多边形静止CT的工作方法，其特征在于，在步骤1)中，其中，射线源单元发出射线扫描成像对象时，每次点亮一个或多个射线源单元，直至点亮所有射线源单元，并保证一个面探测器(1)不会接收两个或两个以上同时点亮的射线源单元的射线。
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