CN111419255A - 一种ct成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CT成像方法及装置，方法包括：提供一对相对布置的X射线发生器和探测器；将患者置于X射线发生器和探测器之间；获取患者在初始姿态下的平面投影数据；使患者围绕初始姿态的竖直中轴线顺时针或者逆时针旋转一角度，通过探测器获取每个角度对应的平面投影数据；重复上述步骤并至少获取三组平面投影数据；完成CT图像重建。装置包括用以完成上述步骤的X射线发生器、探测器、标记物以及图像重建单元。本发明能够利用医院中现有的X光设备快速且低成本的获取患者的CT影像，当大规模爆发疫情时能够方便、迅速地提供足够数量的替代CT设备供医护人员使用，有助于快速检测大量患者。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像领域，更具体地涉及一种CT成像方法及装置。
背景技术
2019年末至2020年初，新型冠状病毒(COVID-19)肆虐，数以万计的人感染新冠肺炎。疫情出现之初，核酸检测成为了新冠肺炎诊断的金标准，病人发病后需要通过核酸检测，然而受到核酸采样、运输、检测等过程中的多重技术要求的限制，核酸检测对于真实病例的检出率只有30％-50％，因此会通过多次检测进行判断，这严重影响了疫情诊断与防控的效率。同时，感染患者发病早期并不是非常凶险，但是后期会有一个快速恶化过程，病人很快进入一个多器官衰竭甚至死亡的状态。病程的非平滑性给防治和疫情防控带来了极大的不确定性，对医疗资源的储备和行政能力都带来了极大的挑战。因此，新冠肺炎的早期诊断能对疾病防治和疫情防控起到决定性的作用。
CT作为成熟的影像技术，也是新冠肺炎治疗诊断的重要科技支撑。了解、认识患者肺部感染，影像学是一个重要的内容，能快速了解疾病的范围、速度。患者的CT影像征象具有一定典型特征，例如胸膜下磨玻璃影、小叶间隔增厚纤维化、“铺路石征”、“白肺”等。在国家卫健委发布的《新型冠状病毒感染的肺炎的诊疗方案(试行第五版)》中，已将CT影像诊断纳入湖北地区的诊断标准。然而整个湖北地区现有CT设备数量仅1200台左右，相较于数万疑似病例和确诊病例，在筛查和治疗过程中CT设备数量远远不够，大量患者或者疑似患者在长时间的排队等待中耽误了治疗，同时也导致了更多的健康群体被感染。
发明内容
本发明的目的是提供一种CT成像方法及装置，从而解决现有技术中当大规模爆发疫情时不能快速且低成本的实现CT检测或者提供足够CT设备的问题。
本发明提供的CT成像方法，至少包括以下步骤：
步骤S1：提供一对相对布置的X射线发生器和探测器；
步骤S2：将患者置于所述X射线发生器和所述探测器之间；
步骤S3：获取所述患者在初始姿态下的平面投影数据；
步骤S4：使所述患者围绕所述初始姿态的竖直中轴线顺时针或者逆时针旋转一角度，通过所述探测器获取所述角度对应的平面投影数据；
步骤S5：重复上述步骤S4并至少获取三组平面投影数据；
步骤S6：根据至少三组平面投影数据进行CT图像重建。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S1中，所述X射线发生器和所述探测器分别采用DR设备的X射线球管和平板探测器。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S1中，所述X射线发生器和所述探测器分别采用X光机的X射线球管和探测器。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S1中，所述X射线发生器和所述探测器在水平方向上相对布置。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，将所述患者置于靠近所述探测器一端。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，所述患者通过一标记物置于所述X射线发生器和所述探测器之间的固定位置。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，所述标记物选用图形标记，所述图形标记中标示出了所述患者的站立位置、旋转角度和旋转方向。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，所述标记物选用转盘，所述患者置于所述转盘上。
根据本发明的一个实施例，所述转盘选用可升降转盘。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括在所述步骤S3之前，通过获取所述患者的初始平面投影数据判断所述患者的检测部位，调整所述升降转盘直至所述患者的检测部位处于所述探测器的检测范围内。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，所述初始姿态为所述患者静止站立时的姿态。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S4中，所述患者每次旋转的角度为固定值。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S4中，所述患者以固定角度完成旋转360°并获取相对应的平面投影数据。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S4中，控制所述患者在旋转的同时沿着所述竖直中轴线上升或下降，并获取相对应的平面投影数据。
本发明提供的CT成像装置，包括X射线发生器、探测器、标记物以及图像重建单元，所述探测器与所述X射线发生器在水平方向相对布置，所述探测器接收所述X射线发生器所发出的X射线并形成平面投影数据；所述标记物位于所述X射线发生器和所述探测器之间，患者检测时围绕标记物的轴线旋转至少三次；所述图像重建单元根据多组所述平面投影数据进行CT图像重建。
根据本发明的一个实施例，所述X射线发生器和所述探测器分别为DR设备的X射线球管和平板探测器。
根据本发明的一个实施例，所述X射线发生器和所述探测器分别为X光机的X射线球管和探测器。
根据本发明的一个实施例，所述标记物位于靠近所述探测器的一端。
根据本发明的一个实施例，所述标记物为图形标记，所述图形标记中标示出了所述患者的站立位置、旋转角度和旋转方向。
根据本发明的一个实施例，所述标记物为转盘，所述患者检测时置于所述转盘上，所述转盘带动所述患者完成旋转。
根据本发明的一个实施例，所述转盘为可升降转盘。
根据本发明的一个实施例，所述患者以固定角度值进行旋转。
本发明提供的CT成像方法及装置，通过利用医院中现有的X光设备实现CT成像，能够快速且低成本的获取患者的CT影像，可视为CT设备的替代设备，当大规模爆发疫情时能够方便、迅速地提供足够数量的类CT设备供医护人员使用，有助于快速检测病人，对于全人类有效的控制疫情传播具有积极的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一个实施例的CT成像方法的流程示意图；
图2是根据本发明一个实施例的CT成像方法的标记物示意图；
图3是根据本发明一个实施例的CT成像装置的示意图；
图4是根据本发明一个实施例的CT成像装置的平面示意图；
图5是根据图4实施例的CT成像装置的患者位移示意图；
图6是根据本发明一个实施例的CT成像装置的转盘位移示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
需要说明的是，当部件/零件被称为“设置在”另一个部件/零件上，它可以直接设置在另一个部件/零件上或者也可以存在居中的部件/零件。当部件/零件被称为“连接/联接”至另一个部件/零件，它可以是直接连接/联接至另一个部件/零件或者可能同时存在居中部件/零件。本文所使用的术语“连接/联接”可以包括电气和/或机械物理连接/联接。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或部件/零件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或部件/零件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。
另外，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是根据本发明一个实施例的CT成像方法的流程示意图，由图1可知，本发明提供的CT成像方法至少包括以下步骤：
步骤S1：提供一对相对布置的X射线发生器和探测器；
步骤S2：将患者置于X射线发生器和探测器之间；
步骤S3：获取患者初始站姿状态下的第一平面投影数据；
步骤S4：使患者围绕初始站姿的竖直中轴线顺时针或者逆时针旋转角度r并且获取该角度r对应的平面投影数据；
步骤S5：重复上述步骤S4以获取至少3个平面投影数据；
步骤S6：根据上述至少3个平面投影数据进行图像重建以获取CT图像。
具体地，在上述步骤S1中，X射线发生器可以采用医院放射科的DR(digitalradiography，简称DR)设备中的X射线球管，或者是医院放射科的X光机中的X射线发生器，即凡是能够产生X射线的装置均可以使用；探测器可以医院放射科的DR设备中的平板探测器，或者是医院放射科的X光机中的X射线探测器，即凡是能够在投影过程中获取影像对应的数字信号的设备均可以使用；X射线发生器和探测器相对布置指的是X射线发生器和探测器之间具有一定间距，从X射线发生器发出的X射线可以穿过该间距后被探测器所接收。
在上述步骤S2中，患者所在的位置优选地靠近探测器一侧，患者需要检查的器官或者部位应当位于X射线的照射范围内。
在上述步骤S3中，初始站姿状态为患者在步骤S2中位置被固定后开始检测时相对静止的站立状态，此时通过探测器获取X射线穿过患者检测部位衰减后的数字信号，即第一平面投影数据。开启X射线发生器以及通过探测器获取X射线对应的数字信号属于本领域技术人员容易实现的，在此不再赘述。
在上述步骤S4中，当步骤S3中的第一平面投影数据获得后，需要使患者相对的旋转一个角度r，此时患者的旋转应当遵循如下原则：首先，使患者自身相对于X射线发生器和探测器的间距保持不变；其次，在间距不变的前提下使患者旋转角度r，在本发明的实施例中，患者通常处于站立姿态，此时可以视为患者处于一个竖直平面内，患者的旋转是以患者所处位置的竖直中轴线方向作为旋转轴，可以视为患者在水平面内的每一个切面均沿着顺时针或者逆时针旋转，优选地患者每次旋转的角度为固定值。患者每旋转一个角度r对应获取一次平面投影数据，所有的平面投影数据的获取方法实质上是相同的，不同的是每一次的平面投影数据所对应的患者体位不同。
在上述步骤S5中，所获取的平面投影数据数据数量越多最终获得的CT图像的质量越高，也就是患者每次旋转的角度r越小，获得的投影数据越多，重建所得的图像质量越高，同时一次检测所花费的时长也会相应增加，实际操作中，可以根据需要综合考虑时间成本和图像质量进行旋转角度r的设置。优选地，患者每次旋转的角度r为30度或者45度。
在上述步骤S6中，根据多个平面投影数据重建获取CT图像与本领域中常用的CT图像重建方法相同，比如通过影像工作站进行图像重建，通过滤波、感兴趣区域分析等进行图像处理、图像阅览以及图像数据传输等，图像重建方法可以是解析法或迭代法，比如直接反投影、滤波反投影(Filter Backup Projection，简称FBP)，Feldkamp(简称FDK)算法、代数重建方法(Algebraic Reconstruction Technique，简称ART)和联合代数重建方法(Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique，简称SART)等，在此不再赘述。
进一步地，根据本发明的一个优选实施例，本发明的步骤如下：第一步：选用DR设备中的X射线球管以及探测器并且使二者在空间上相对布置，探测器用于接收X射线球管所发出的X射线；第二步，在X射线球管和探测器之间标定一固定位置，使患者站立于该固定位置处；第三步，使患者站立不动，调整X射线球管以及探测器的位置，使之能够覆盖患者所需检测的部位，开启DR设备以获取该初始状态下的平面投影数据；第四步，使患者围绕该固定位置在水平面内依次顺时针旋转30°，获取每一个角度对应的平面投影数据；第五步，重复第四步直至患者完成360°旋转；第六步，根据上述所获的多个平面投影数据进行CT图像重建。
为了使患者在旋转时保持患者、X射线发生器以及探测器之间的相对位置不变，上述步骤S4还可以具体通过以下方法实现：
第一种旋转方法：在X射线发生器和探测器之间的某一固定位置处设置一转盘，该转盘所在的平面与水平面平行，检测时使患者站立于转盘上，患者站立时应当使自身的竖直中轴线与转盘的旋转轴重合，转盘的旋转可以通过人工标定或者机器控制转动实现。
第二种旋转方法：在X射线发生器和探测器之间的某一固定位置处设置一可升降转盘，该升降转盘所在的平面与水平面平行，检测时使患者站立于转盘上，患者站立时应当使自身的竖直中轴线与转盘的旋转轴重合，当患者位于初始站立姿态时，检测人员根据获取的初始平面投影数据筛选需要检测的区域信息，然后通过控制升降转盘的高度使患者的待检测部位处于合适位置，转盘的转动与第一种旋转方法中所述相同。
第三种旋转方法：在X射线发生器和探测器之间的某一固定位置处设置一可升降转盘，该升降转盘所在的平面与水平面平行，检测时使患者站立于转盘上保持不动，患者站立时应当使自身的竖直中轴线与转盘的旋转轴重合，当患者开始检测时通过控制系统控制可升降转盘一边旋转一边上升高度，从而模拟螺旋CT的检测，便于对患者进行全身检查。
第四种旋转方法：如图2所示，在X射线发生器10和探测器20之间的某一固定位置处固定一标记物，该标记物可以为人工标记或者粘贴画形式，标记物的中心O与固定位置的中心重合，标记物的形状优选为圆形，圆形内具有脚印形标记，患者可以依次标记自己的位置，标记物中按照顺时针或者逆时针的方向标定了患者每次旋转的方向以及角度r，比如，患者在初始站立姿态时双脚站立于脚印形标记处，此时位置为P1，当第一次平面投影数据获取后逆时针旋转角度r，此时位置为P2，获取该位置对应的平面投影数据，以此类推，直至患者完成360°的旋转检测。
本发明还提供了一种CT成像装置，如图3所示，包括检测模块1、标记模块40以及处理模块2，其中检测模块1包括X射线发生器10、探测器20以及电路控制器23，X射线发生器10向探测器20的方向发射X射线，探测器20接收X射线穿过待检测物体后的衰减信息，电路控制器23分别与探测器20以及图像重建单元30连接以控制探测器20采集平面投影数据并将平面投影数据发送至图形处理器30进行处理；标记模块40设置于X射线发生器10与探测器20之间；处理模块2包括图像重建单元30，图像重建单元30根据平面投影数据进行CT图形重建和显示。
根据本发明的技术构思，X射线发生器10可以采用医院放射科的DR(digitalradiography，简称DR)设备中的X射线球管，或者是医院放射科的X光机中的X射线发生器，即凡是能够产生X射线的装置均可以使用；探测器20可以医院放射科的DR设备中的平板探测器，或者是医院放射科的X光机中的X射线探测器，即凡是能够在投影过程中获取影像对应的数字信号的设备均可以使用。
进一步地，标记模块40优选地靠近探测器一侧，患者检测时站立于标记模块40所在的位置，患者需要检查的器官或者部位应当位于X射线的照射范围内。
由于患者在检测时需要围绕标记模块40旋转，为了使患者在旋转时保持患者、X射线发生器以及探测器之间的相对位置不变，根据本发明的一个实施例，如图4所示，在X射线发生器10和探测器20之间的某一固定位置处设置一转盘40，该转盘40所在的平面与水平面平行，检测时使患者50站立于转盘40上，此时处于初始站立姿态，患者50面向探测器20站立，患者50站立时应当使自身的竖直中轴线与转盘40的旋转轴重合，X射线发生器10所发出的X射线11穿过患者50后被探测器20接收，此时图形处理器30可以获取初始平面投影数据。然后，通过转盘40的旋转使患者移动一个角度，如图5所示，患者50围绕竖直中轴线旋转可以通过转盘控制器60实现，转盘控制器60与图像重建单元30可以集成于处理模块2中，转盘控制器60用于精确的控制升降转盘40的升降高度和转动角度，并将其高度和角度传输至图像重建单元30。
根据本发明进一步的实施例，转盘40可以设计为可升降转盘，该升降转盘40所在的平面与水平面平行，检测时使患者50站立于转盘40上，患者50站立时应当使自身的竖直中轴线与转盘的旋转轴重合，当患者50位于初始站立姿态时(如图6中虚线所示)，检测人员根据获取的初始平面投影数据筛选需要检测的区域信息，然后通过控制升降转盘40使患者沿着箭头方向上升一高度h，从而使患者的待检测部位处于合适位置。转盘控制器60用于精确的控制升降转盘40的升降高度和转动角度，并将其高度和角度传输至图像处理器3，比如，转盘控制器60可以控制转盘40按照上述第一种-第三种方法进行旋转。
根据本发明的又一个实施例，如图2所示，标记模块40可以为人工标记或者粘贴画形式，标记模块40的中心O记为固定位置的中心，标记模块40的形状优选为圆形，圆形内具有脚印形标记，患者50可以依次标记自己的位置，标记模块40中按照顺时针或者逆时针的方向标定了患者50每次旋转的方向以及角度r，比如，患者50在初始站立姿态时双脚站立于脚印形标记处，此时位置为P1，当第一次平面投影数据获取后逆时针旋转角度r，此时位置为P2，获取该位置对应的平面投影数据，以此类推，直至患者完成360°的旋转检测。
进一步地，以一个带有圆形病灶的待测物体为例，说明该装置的成像全过程：该实施例中X射线发生器和探测器选用DR中的射线球管和平板探测器，在射线球管和平板探测器之间固定一个可升降转盘；然后，使待测物体正面朝向射线球管，开启DR机，获取正面投影数据；进一步地，通过图形处理器获取该投影图像，控制可升降转盘调整待测物体的高度，将待检测区域中心置于成像中心位置；再次开启DR机，获取该角度位置的平面投影数据；然后控制可升降转盘旋转一固定角度r，开启DR机获取该角度对应的平面投影数据；重复上述步骤，直至待测物体完成旋转360°，共获取n个(即360°/r个)角度的投影数据；最后，将n个角度的投影数据都传输至图形处理器，采用FBP算法进行图像重建，将所有角度的投影图像进行滤波，然后对滤波后的图像进行反投影，将所有反投影图像叠加获得CT图像。
从上述技术方案可以看出，本发明的CT成像方法及装置可以利用现有的射线发生器以及探测器，比如DR设备，快速且低成本的进行CT改造，获取患者的计算机断层成像图像，满足临时的大规模CT设备使用需求。本发明提供的CT成像装置还具有设备便携、相关的参数易于调整等特点，适应于特殊时期爆发性的CT使用需求。比如在COVID-19肆虐期间，无论是三级医院或是地方小型医院，配置的DR设备数量往往是CT设备数量的数倍，在疫情高发阶段，大量DR设备处于闲置状态，利用本发明的方法和设备可以快速的进行设备改造，帮助疑似患者完成CT影像检测，能够为疫情的前期快速诊断提供帮助，避免轻症病例拖延成为重症病例，对于全人类有效控制疫情传播具有积极的意义。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (23)
1.一种CT成像方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
步骤S1：提供一对相对布置的X射线发生器和探测器；
步骤S2：将患者置于所述X射线发生器和所述探测器之间；
步骤S3：获取所述患者在初始姿态下的平面投影数据；
步骤S4：使所述患者围绕所述初始姿态的竖直中轴线顺时针或者逆时针旋转一角度，通过所述探测器获取所述角度对应的平面投影数据；
步骤S5：重复上述步骤S4并至少获取三组平面投影数据；
步骤S6：根据至少三组平面投影数据进行CT图像重建。
2.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述X射线发生器和所述探测器分别采用DR设备的X射线球管和平板探测器。
3.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述X射线发生器和所述探测器分别采用X光机的X射线球管和探测器。
4.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述X射线发生器和所述探测器在水平方向上相对布置。
5.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S2中，将所述患者置于靠近所述探测器一端。
6.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述患者通过一标记物置于所述X射线发生器和所述探测器之间的固定位置。
7.根据权利要求6所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述标记物选用图形标记，所述图形标记中标示出了所述患者的站立位置、旋转角度和旋转方向。
8.根据权利要求6所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述标记物选用转盘，所述患者置于所述转盘上。
9.根据权利要求8所述的CT成像方法，其特征在于，所述转盘选用可升降转盘。
10.根据权利要求9所述的CT成像方法，其特征在于，所述方法还包括在所述步骤S3之前，通过获取所述患者的初始平面投影数据判断所述患者的检测部位，调整所述升降转盘直至所述患者的检测部位处于所述探测器的检测范围内。
11.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述初始姿态为所述患者静止站立时的姿态。
12.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述患者每次旋转的角度为固定值。
13.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述患者以固定角度完成旋转360°并获取相对应的平面投影数据。
14.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于，在所述步骤S4中，控制所述患者在旋转的同时沿着所述竖直中轴线上升或下降，并获取相对应的平面投影数据。
15.一种CT成像装置，其特征在于，包括：
X射线发生器；
探测器，所述探测器与所述X射线发生器在水平方向相对布置，所述探测器接收所述X射线发生器所发出的X射线并形成平面投影数据；
标记物，所述标记物位于所述X射线发生器和所述探测器之间，患者检测时围绕标记物的轴线旋转至少三次；以及
图像重建单元，所述图像重建单元根据多组所述平面投影数据进行CT图像重建。
16.根据权利要求15所述的CT成像装置，其特征在于，所述X射线发生器和所述探测器分别为DR设备的X射线球管和平板探测器。
17.根据权利要求15所述的CT成像装置，其特征在于，所述X射线发生器和所述探测器分别为X光机的X射线球管和探测器。
18.根据权利要求15所述的CT成像装置，其特征在于，所述标记物位于靠近所述探测器的一端。
19.根据权利要求15所述的CT成像装置，其特征在于，所述标记物为图形标记，所述图形标记中标示出了所述患者的站立位置、旋转角度和旋转方向。
20.根据权利要求15所述的CT成像装置，其特征在于，所述标记物为转盘，所述患者检测时置于所述转盘上，所述转盘带动所述患者完成旋转。
21.根据权利要求15所述的CT成像装置，其特征在于，所述CT成像装置进一步包括转盘控制器，所述转盘控制器与所述转盘连接以控制所述转盘运动。
22.根据权利要求20所述的CT成像装置，其特征在于，所述转盘为可升降转盘。
23.根据权利要求22所述的CT成像装置，其特征在于，所述患者以固定角度值进行旋转。
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