CN110264541B - 一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法，涉及医学影像技术领域，z向飞焦点扫描方式包括Z向飞焦点采样、调节相邻两个焦点的位置、轴扫模式下旋转机架轴180度、Z向飞焦点控制、设计线性变化的斜率；其中图像重建方法包括对两个焦点的数据分别进行重新排列，使其排列成两个平行束；在角度方向进行插值，使两个飞焦点的扫描数据角度相同；在径向方向进行插值，使两个焦点的非等距离平行束变为等距离的平行束；对两个平行束分别进行滤波操作；进行反投影计算。本发明的Z向飞焦点轴扫模式和图像重建方法可以在Z向任意位置重建而得到层厚完全相同的图像；同时此特殊轴扫模式和重建方法增加了Z向的采样点数因而减少了Z向混叠伪影。

Description

一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法
技术领域
本发明涉及医学影像技术领域，尤其涉及一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法。
背景技术
第三代CT系统的主要组成部分包括Tube(球管)，Collimator(限束器)，Detector(探测器)。X射线球管发出X光，经过限束器限制形成一个锥形的光束。锥形光束照射到探测器上经过探测器转化为电信号并经过数据采集和转换单元转换为数字信息存储在图像处理系统中。图像处理系统经过一系列的校正算法和图像重建算法生成图像显示在显示器上。从成本和技术成熟程度来说，主流探测器都采用了由很多个探测器模块排列在一个弧形或者多边形的面上来形成整个探测器。每个探测器模块中规则排列一个探测器单元形成的矩阵。
现有探测器像素设计一般都为在扫描平面内（X方向）探测器像素较大，而z向探测器像素较小。在扫描平面内像素较大是为了兼顾几何探测效率和空间分辨率而设计。扫描平面内可以使用探测器1/4偏移做到主射线和相隔180度机架旋转角的共轭射线结合做到2倍采样率。或者进一步和X射线焦点平面内摆动技术结合做到4倍采样率。这些技术可以做到扫描平面内的奈奎斯特采样频率大幅提升增加了平面内的空间分辨率并减少了混叠伪影。
虽然探测器像素在z方向较小，但是相比人体组织的细微结构仍然偏大。为了观察更细密的结构，可以减少探测器像素在Z向大小，但是减少此像素大小会导致探测器的几何效率降低因而图像噪声增加并且低密度分辨率降低。另外一种提高轴扫的Z向分辨率的方法是使用Z向飞焦点技术，相邻的采样在两个焦点位置切换。两个焦点位置的距离调节到合适的数值使得两个焦点到探测器中心的连线与机架旋转轴的相焦点的距离变为不使用Z向飞焦点的一半。也就是说两个焦点发出的X射线在Z向相互交错，因而采样率提升了一倍。在射线和机架旋转轴交叉点位置进行图像重建可以使用N排的探测器生成2N张图像，可以使用更多个焦点位置来使用焦点切换。出于减少平面内角度方向混叠伪影的目的，机架旋转一周所需要的采样数需要足够多，更多的飞焦点将需要更多的采样数。这将带来滑环传输成本和图像重建成本的增加。此外，由于采用了更多的采样数，每个采样对应的扫描时间将缩短，探测器的暗电流以及量子噪声相对增加，图像噪声和伪影将相对增加。因此在实际中采用多个焦点位置的方式是不实用的。
轴扫扫描重建图像时都是在每排探测器中心和焦点连线的位置进行重建，因此不使用Z向飞焦点时可以从N排探测器生成N张图像，使用Z向飞焦点时可以从N排探测器生成2N张图像。另外一个从N排探测器生成2N张图像的重建方法是可以在原始数据域或者图像域进行插值来得到更多的图像。这种重建方法需要在原始的两张图像位置之间的1/4处和3/4处进行重建来得到2N张图像（不使用Z向飞焦点）和4N张图像（使用Z向飞焦点）。如果不在这些Z向位置进行重建，由于插值权重的存在所得到的图像的层厚将不相同。比如在1/3处和1/2处重建的两张同样标称层厚的图像层厚不相同。由于图像层厚不相同因而图像噪声也不相同，所以当前的轴扫扫描模式只能在有限个分立的特殊位置进行重建。
简单来说：现有技术为了提高z向分辨率的方式包括：减少探测器像素在z方向的大小和使用z方向飞焦点技术，而减少探测器像素在z方向的大小会导致探测器排与排之间的缝隙占探测器总面积的比例增加，因而探测器几何效率减少导致图像噪声增加而低密度分辨率降低。使用z向飞焦点技术可以使采样加倍进一步减少混叠因而提升空间分辨率。
现有技术中轴扫图像重建时一般都在每排探测器对应的中心（Z向）Z位置进行重建。N排探测器可以重建出N张图像来。当采用Z向飞焦点时，X射线焦点与每排探测器中心的连线与机架旋转中心线交于两点，每两点的距离为不用飞焦点技术的一半，因而在这些位置重建能够使用N排探测器得到2N张互相有重叠的图像。另外一种得到2N张图像的方式是，对不用飞焦点技术产生的N张图像无论是从原始射线数据或者是从图像上，在每两张图像之间的1/4和3/4处进行插值。边缘的图像进行外插，因此从N张图像可以得到2N张图像。以上两种技术如果在其它位置进行重建得到的图像层厚将互不相同，因而噪声表现也各不相同。比如在两个原始图像的1/3处和1/2处计算出来的图像层厚不相等。
综上所述，现有技术无法解决重建位置不连续的问题和各处重建图像层厚不一致的问题。
基于此，本案由此产生。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法，可以在Z向任意位置重建并且其层厚在Z向处处相等，即得到层厚完全相同的图像。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法，
其中z向飞焦点扫描方式包括以下：
（（1）z向飞焦点采样：相邻的两个采样采用不同的两个焦点，相应得到从焦点到探测器单元像素中心的两组主射线；
（2）调节相邻两个焦点的位置，使得主射线之间的距离为采用一个焦点时的一半；
（3）轴扫模式下旋转机架轴180度：相应得到两组共轭射线；
（4）z向飞焦点控制：通过偏转电流的控制方式，两个焦点的位置随着机架旋转而连续线性变化；
（5）设计线性变化的斜率：使相隔180度的主射线和共轭射线之间的距离相差未使用飞焦点时射线距离的（K+1/8）倍，其中K为大于等于0的整数；
其中图像重建方法包括以下：
（1）对两个焦点的数据分别进行重新排列，使其排列成两个平行束；
（2）在角度方向进行插值，使两个飞焦点的扫描数据角度相同；
（3）在径向方向进行插值，使两个焦点的非等距离平行束变为等距离的平行束；
（4）对两个平行束分别进行滤波操作；
（5）进行反投影计算。
进一步的，所述图像重建方法的步骤（5）中，反投影时根据需要重建的像素点找出与其最接近的两条主射线和两条共轭射线，在此四条射线中找出距离此像素点最近的两条射线进行线性插值，得到穿过被重建点的射线数值进行反投影。
进一步的，所述z向飞焦点扫描方式的步骤（1）中，所述Z向飞焦点的位置随着机架旋转以两条曲线的形式进行连续变化，相邻的采样所采用的焦点位置从两条焦点位置曲线上进行选择。
进一步的，所述z向飞焦点扫描方式的步骤中，在机架扫描过程中患者床和球管相应位置保持不变。
进一步的，在机架旋转过程中，奇数编号的采样对应一个焦点得到采样组一，偶数编号的采样对应另外一个焦点得到采样组二。
进一步的，所述偏转电流的控制方式为，通过改变电子束在Z向偏转角度的偏转线圈电流来控制Z向飞焦点的位置，对采样组一和采样组二分别施加较大的偏转电流和较小的偏转电流，形成控制波形。
本发明原理及效果：本发明Z向飞焦点位置随着机架旋转以两条曲线进行连续变化，两条焦点位置曲线的设计方式使得相邻两个采样的焦点和每排探测器中心的连线在机架旋转轴线上相互交错；两条焦点位置曲线的设计方式使得相隔180度的射线在Z向相互交错。如0度位置的相邻两个采样对应的两条主射线和180度位置的相邻两个采样对应的两条共轭射线相互都在Z向交错。射线在机架旋转轴上的位置是不采用Z向飞焦点模式的1/4。此种扫描方式使Z向采样率增加到原来的四倍，并且由于焦点位置连续变化使得可以在Z向任意位置进行图像重建而得到同样层厚的断层图像。
因此，本发明的Z向飞焦点轴扫模式和图像重建方法可以在Z向任意位置重建而得到层厚完全相同的图像；同时此特殊轴扫模式和重建方法增加了Z向的采样点数因而减少了Z向混叠伪影，因而更有利于使用多平面重建技术（MPR）等来进行非横断位的观察。
附图说明
图1为传统的没有Z向飞焦点的采样中焦点与探测器相对位置示意图（探测器侧视图）；
图2为未设计线性变化斜率的Z向焦点位置控制偏转电流图；
图3为Z向焦点位置控制偏转电流图的局部放大图；
图4为Z向飞焦点模式采样中示意图焦点与探测器相对位置示意图（探测器侧视图）；
图5为通常Z向飞焦点轴扫模式下主射线和共轭射线相对位置示意图；
图6为本实施例采用的Z向飞焦点模式轴扫下偏转电流控制图；
图7为本实施例Z向飞焦点轴扫模式下主射线和共轭射线相对位置示意图。
标注说明：0度位置1，180度位置2，机架旋转轴3，探测器阵列4，主射线5，共轭射线6。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了以下实施例，并结合附图作如下详细说明：
在通常的z向飞焦点轴扫扫描方式中，采用Z向飞焦点时，在相邻的两个采样采用不同的两个焦点。在机架旋转过程中，奇数编号的采样对应一个焦点，而偶数编号的采样对应另外一个焦点。Z向焦点位置的控制采用改变电子束在Z向偏转角度的偏转线圈电流来控制，其控制波形如图2所示为方波（或者由于电流上升速度不够可以采用梯形波或者正弦波）。图3是图2的局部放大图，可以看出在每个采样位置对应一个焦点位置，所有的采样分为两组。其中一组对应大的偏转电流，而另外一组对应小的偏转电流。为了后续叙述的方便，我们把方波的顶端看作一条曲线（在本例中是直线）而方波的底端看作另外一条曲线（在本例中是直线）。本发明后续会详细描述如何改变此两条曲线来达到本发明所宣称的技术有点。
如图4所示，较之于传统没有采用z向飞焦点而言，相邻两个焦点的位置调节使得焦点与每个探测器像素中心的连线之间的距离减少到一半，因此Z向采样率提升一倍而使混叠伪影减少表现出来Z向的主观可分辨的线对数目增加。
然而在通常的Z向飞焦点轴扫扫描模式下相隔180度的两个采样中射线位置在Z向的相对关系如图5所示。其中我们把0度位置的两个焦点发出的射线称为主射线，而把与其旋转角度相差180度的射线称为共轭射线。从图5可以看出，在通常的Z向飞焦点轴扫模式中，在机架旋转轴线上，主射线和共轭射线重合，因而不能增加Z向的采样率。
为此本实施例提出了一种特殊的z向飞焦点扫描方式和图像重建方法，
其中z向飞焦点扫描方式包括以下：
（1）Z向飞焦点采样：相邻的两个采样采用不同的两个焦点，相应得到从焦点到探测器单元像素中心的两组主射线；Z向飞焦点的位置随着机架旋转以两条曲线的形式进行连续变化，相邻的采样所采用的焦点位置从两条焦点位置曲线上进行选择。
（2）调节相邻两个焦点的位置，使得主射线之间的距离为采用一个焦点时的一半；
（3）轴扫模式下旋转机架轴180度：在机架扫描过程中患者床和球管相应位置保持不变，相应得到两组共轭射线；在机架旋转过程中，奇数编号的采样对应一个焦点得到采样组一，偶数编号的采样对应另外一个焦点得到采样组二；
（4）Z向飞焦点控制：通过偏转电流的控制方式，两个焦点的位置随着机架旋转而连续线性变化；偏转电流的控制方式为，通过改变电子束在Z向偏转角度的偏转线圈电流来控制Z向飞焦点的位置，对采样组一和采样组二分别施加较大的偏转电流和较小的偏转电流，形成控制波形。
（5）设计线性变化的斜率：使相隔180度的主射线和共轭射线之间的距离相差未使用飞焦点时射线距离的（K+1/8）倍，其中K为大于等于0的整数；
上述步骤（1）（2）（3）（4）与前述“通常的z向飞焦点轴扫扫描方式”相同，而与“通常的z向飞焦点轴扫扫描方式”不同的在于上述在步骤（4），不同于通常的Z向飞焦点扫描模式，本实施例两个焦点的位置随着机架旋转而连续线性的变化。此线性变化的斜率需要得到合理的设计，使得如图6所示。此斜率的设置需要使相隔180度的主射线和共轭射线之间的距离相差未使用飞焦点时射线距离的(K+1/8)倍（K为大于等于0的整数）。采用本发明提出的飞焦点控制方式，相隔180度的主射线和共轭射线在Z轴方向相差未使用飞焦点时距离的1/8。
其中，假设未使用飞焦点模式时，射线在机架旋转轴上的距离为d；使用Z向飞焦点模式达到两倍采样时射线在机架旋转轴上的距离为d/2，此焦点偏转对应的偏转电流为 +-A。则本实施例提出的如图6所示示例中K=0，两个焦点对应偏转电流在机架旋转角度为0时为+-A。当机架旋转180度后，两个焦点对应的偏转电流分别为-7/8A和9/8A。当K不等于0时，对应180度的两个焦点对应偏转电流为（K-7/8）A和(K+9/8A)。假设机架旋转一周的采样数为M，则由此可以计算出两个焦点位置连续变化的直线的斜率为(8K-7)A/(4M)和(8K+9)A/(4M)。本实施例中仅提出了线性连续变化的两个焦点位置示例，但是其它任意连续的曲线（非传统的水平直线方式）的方式均属于本发明范围，只要是其目的是为了能够在轴扫模式下任意位置重建出相同层厚的轴扫图像。
其中图像重建方法包括以下：
（1）对两个焦点的数据分别进行重新排列，使其排列成两个平行束；
（2）在角度方向进行插值，使两个飞焦点的扫描数据角度相同；
（3）在径向方向进行插值，使两个焦点的非等距离平行束变为等距离的平行束；
（4）对两个平行束分别进行滤波操作；
（5）进行反投影计算：反投影时根据需要重建的像素点找出与其最接近的两条主射线和两条共轭射线，在此四条射线中找出距离此像素点最近的两条射线进行线性插值，得到穿过被重建点的射线数值进行反投影。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，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推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法，其特征在于：
其中z向飞焦点扫描方式包括以下：
（1）z向飞焦点采样：相邻的两个采样采用不同的两个焦点，相应得到从焦点到探测器单元像素中心的两组主射线；
（2）调节相邻两个焦点的位置，使得主射线之间的距离为采用一个焦点时的一半；
（3）轴扫模式下旋转机架轴180度：相应得到两组共轭射线；
（4）z向飞焦点控制：通过偏转电流的控制方式，两个焦点的位置随着机架旋转而连续线性变化；
（5）设计线性变化的斜率：使相隔180度的主射线和共轭射线之间的距离相差未使用飞焦点时射线距离的（K+1/8）倍，其中K为大于等于0的整数；
其中图像重建方法包括以下：
（1）对两个焦点的数据分别进行重新排列，使其排列成两个平行束；
（2）在角度方向进行插值，使两个飞焦点的扫描数据角度相同；
（3）在径向方向进行插值，使两个焦点的非等距离平行束变为等距离的平行束；
（4）对两个平行束分别进行滤波操作；
（5）进行反投影计算。
2.如权利要求1所述的一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法，其特征在于：所述图像重建方法的步骤（5）中，反投影时根据需要重建的像素点找出与其最接近的两条主射线和两条共轭射线，在此四条射线中找出距离此像素点最近的两条射线进行线性插值，得到穿过被重建点的射线数值进行反投影。
3.如权利要求1所述的一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法，其特征在于：所述z向飞焦点扫描方式的步骤（1）中，所述z向飞焦点的位置随着机架旋转以两条曲线的形式进行连续变化，相邻的采样所采用的焦点位置从两条焦点位置曲线上进行选择。
4.如权利要求1所述的一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法，其特征在于：所述z向飞焦点扫描方式的步骤中，在机架扫描过程中患者床和球管相应位置保持不变。
5.如权利要求1所述的一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法，其特征在于：在机架旋转过程中，奇数编号的采样对应一个焦点得到采样组一，偶数编号的采样对应另外一个焦点得到采样组二。
6.如权利要求5所述的一种z向飞焦点扫描方式和图像重建方法，其特征在于：所述偏转电流的控制方式为，通过改变电子束在z向偏转角度的偏转线圈电流来控制Z向飞焦点的位置，对采样组一和采样组二分别施加较大的偏转电流和较小的偏转电流，形成控制波形。
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