CN111657986A - 一种新型的移动ct中扫描机架驱动系统及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的移动CT中扫描机架驱动系统及驱动方法，系统包括CT控制系统、机架、图像重建单元、图像校正单元、位置测量装置和位置计算单元；方法包括CT控制系统设定机架的预期轨迹；CT控制系统向机架发送控制命令，控制移动CT的机架移动；机架移动过程中，移动CT对病人进行扫描，并将扫描数据发送给图像重建单元，位置测量装置对机架的移动过程进行检测，并将检测结果发送给位置计算单元，位置计算单元计算出机架移动后的位置，并发送给图像重建单元、图像校正单元或CT控制系统，对扫描数据或机架移动轨迹进行校正。本发明能够得到准确的重建图像，降低移动CT的成本，扫描覆盖范围扩大，成本低，并且操作简单快速。

Description

一种新型的移动CT中扫描机架驱动系统及驱动方法

技术领域

本发明属于医学成像技术领域，具体涉及一种新型的移动CT中扫描机架驱动系统及驱动方法。

背景技术

CT(Computed Tomography)是一种透视辐射成像的技术。一个CT系统一般包括CT扫描机架、病床、重建主机、电源等等。固定式的CT系统中，CT的扫描机架是固定在地面上的；在进行扫描时，病床通过轴向的运动，把病人需要被扫描的部位，送到CT扫描机架的扫描视野中。移动式CT系统中，病人的病床通常是不可移动的，这时就需要通过移动CT的机架来覆盖需要扫描的病人部位。

CT的扫描对位置的精度要求非常高，对于移动式CT来说，在机架运动的过程中需要保持速度精确稳定，而且移动方向不能发生偏转。受到地面光滑度平整度等因素的影响，使用滚轮来驱动机架并不能保证CT扫描要求的位置精度。因此传统的移动式CT系统在扫描时并不直接驱动机架的轮子来移动机架。在扫描时，传统的移动式CT利用机架轮子的刹车将底座固定，然后整个机架在底座的导轨上前后移动来进行扫描，如图1所示。也有的系统将机架的轮子腾空后使用履带装置支撑，然后通过履带来驱动整个机架的前后移动；这种履带驱动的方式与导轨驱动的方式类似，都是通过限制机架左右移动的自由度来达到机架做精确直线运动的目的。

现有技术中利用导轨移动CT扫描机架具有如下缺点：

(1)机架的移动距离受限制，扫描覆盖范围有限，因此很多移动式CT仅局限于头部或者四肢这些对扫描覆盖范围不大的部位，并不能进行全身CT扫描；

(2)扫描的准备时间长，因为要将机架移动到预定位置才能开始扫描；

(3)能支撑一吨左右的CT扫描机架进行高精度移动的导轨制造成本很高，因此这种设计方案会增加移动式CT的制造成本。

同样的，使用履带的方案虽然没有移动距离的限制，但是机架的上升下降需要额外的驱动硬件，也会造成制造成本的上升。

采用滚轮来确定机架会导致机架位置的精度降低，而CT扫描中对机架位置之所以有高精度的要求，是因为传统的重建算法中，并没有对机架位置的校正算法。这些传统的重建算法中均假设机架和病床的相对位置关系是严格按照扫描前设定的协议的，因此如果机架和病床的实际相对位置在任何时刻与重建算法中预设的不一致的话，在重建图像中就会造成伪影。

发明内容

发明目的：针对现有技术的移动CT扫描机架中导轨、履带或滚轮方案的不足，本发明公开了一种新型的移动CT中扫描机架驱动系统及驱动方法，能够得到准确的重建图像，降低移动CT的成本，扫描覆盖范围扩大，成本低，并且操作简单快速。

技术方案：本发明采用如下技术方案：一种新型的移动CT中扫描机架驱动系统，其特征在于：包括CT控制系统、机架、图像重建单元、图像校正单元、位置测量装置和位置计算单元；其中，CT控制系统输出控制命令到机架，机架输出扫描数据到图像重建单元，图像重建单元输出图像数据到图像校正单元，位置测量装置检测机架的运动并输出检测结果到位置计算单元，位置计算单元输出机架的位置信息到图像重建单元、图像校正单元和CT控制系统。

优选的：位置测量装置采用摄像头、超声波传感器、激光传感器、激光雷达、惯性导航传感器或者驱动轮编码器中的一个或多个。

优选的：位置测量装置安装在机架上或者机架外部的环境中。

一种新型的移动CT中扫描机架驱动方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、CT控制系统预先设定机架扫描的预期速度和预期轨迹；

S2、CT控制系统向机架发送控制命令，控制移动CT的机架移动；

S3、位置测量装置对机架的移动过程进行检测，并将检测结果发送给位置计算单元，位置计算单元根据检测结果计算出机架移动后的位置；

S4、移动CT在移动后的位置对病人进行扫描，并将扫描数据发送给图像重建单元。

优选的：步骤S2中，检测结果包括地面的纹理图像。

优选的：还包括如下步骤：

S5、位置计算单元将机架移动后的位置发送给图像重建单元；

S6、图像重建单元根据机架移动后的位置与CT控制系统设定的预期轨迹对移动后的扫描数据进行校正，并根据校正后的扫描数据进行重建，得到移动后的重建图像；

S7、重复步骤S2至S6，直到移动CT对病人的扫描完成。

优选的：还包括如下步骤：

S5′、图像重建单元根据机架移动后的扫描数据进行重建，得到移动后的初始图像数据，并将初始图像数据发送给图像校正单元；

位置计算单元将机架移动后的位置发送给图像校正单元；

S6′、图像校正单元根据机架移动后的位置与CT控制系统设定的预期轨迹对移动后的初始图像数据进行校正，得到移动后的重建图像；

S7′、重复步骤S2′至S6′，直到移动CT对病人的扫描完成。

优选的：还包括如下步骤：

S5″、位置计算单元将机架移动后的位置发送给CT控制系统；

同时，图像重建单元根据机架移动后的扫描数据进行重建，得到移动后的重建图像；

S6″、CT控制系统根据机架移动后的位置与CT控制系统设定的预期轨迹作对比，若位置与预期轨迹之间存在偏差，CT控制系统修正控制参数和控制命令，否则，CT控制系统不修正控制参数和控制命令；

S7″、重复步骤S2″至S6″，直到移动CT对病人的扫描完成。

有益效果：本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用机架的位置对重建图像进行校正，能够得到准确的扫描图像，消除机架运动偏差的影响；

2、本发明使用传感器等位置测量装置来记录机架的运动，因此去除了移动CT中对机架导轨或者履带的需求，从而大大降低了成本；

3、本发明利用滚轮来驱动机架，没有机架导轨的移动距离限制，扫描覆盖范围大大增加，尤其是对于需要加速和减速的螺旋CT扫描；且扫描覆盖范围不受机架本身的限制，因此在合适的病床配合下，可以扩展到全身扫描；

4、本发明扫描准备时间短，操作流程简单。

附图说明

图1为具有机架导轨的移动式CT的示意图；

图2为本发明中新型移动式CT的重建图像校正系统的实物示意图；

图3为本发明中新型移动式CT的重建图像校正系统的模块示意图；

图4为本发明中实施例1的方法流程图；

图5为本发明实施例1中对实际扫描数据进行校正的示意图；

图6为本发明中实施例2的方法流程图；

图7为本发明实施例2中校正前后的重建图像的对比图；

图8为本发明中实施例3的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明公开了一种新型的移动CT中扫描机架驱动系统，移动CT在扫描过程中的机架移动不需要通过导轨或履带，而是直接利用机架本身的滚轮来实现，如图3所示，包括CT控制系统、机架、图像重建单元、图像校正单元、位置测量装置和位置计算单元，其中，CT控制系统输出控制命令到机架，机架输出扫描数据到图像重建单元，图像重建单元输出图像数据到图像校正单元，位置测量装置检测机架的运动并输出检测结果到位置计算单元，位置计算单元输出机架的位置到图像重建单元、图像校正单元和CT控制系统。

移动CT包括传统CT，也包括使用平板的C型臂和O型臂等CBCT成像设备。

本发明中，位置测量装置可以是摄像头，比如可见光摄像头和红外摄像头，还可以是超声波传感器、激光传感器、激光雷达、惯性导航传感器或者驱动轮编码器等，还可以多个一起使用。

本发明中，位置测量装置可以安装在机架上，通过测量机架周围环境来测量机架的运动情况，还可以安装在机架外部环境中，通过观察机架本身来测量机架的运动情况；同时，在机架周围环境和机架上也可黏贴标记物来提高机架位置测量的灵敏度和准确度。

以安装在机架上的摄像头为例，摄像头的观察对象可以是地面，还可以是天花板，或者是周围环境的某一个参照物，可以根据具体情况改变摄像头在机架上的安装位置。

在本发明的一种实施例中，在CT的机架下方安装一个摄像头，如图2所示，使用摄像头来观察地面的纹理图像达到测量机架实际位置的目的。摄像头以地面为观察对象是因为：地面作为观察对象时是稳定的，同时在机架下方的摄像头也比较隐蔽。为了提高机架位置测量的灵敏度和准确度，可以直接使用地面的纹理图像，还可以在地面上黏贴标记物。

摄像头以地面为观察对象，不断采集地面的纹理图像并提供给位置计算单元，当机架发生移动时，摄像头观察到的地面的纹理图像也会发生相应的移动，这时位置计算单元会实时计算出机架移动的速度和距离，从而计算出在任何时刻机架所处的位置。假设地面的纹理图像为M(t)，其中t是扫描的时间；在t＝0的时刻，以机架的起始位置作为参考原点，在任意时刻t，机架的位置P(t)包括两个方面，一个是二维坐标(x(t)，y(t))，另一个是旋转角度θ(t)，则P(t)＝{x(t)，y(t)，θ(t)}。在机架运动的过程中，摄像头将地面的纹理图像发送给位置计算单元，位置计算单元中的程序不断地通过M(t)的变化量来估计P(t)的变化量：

ΔP(t)＝f₁(M(t)，M(t+Δt))

由此，根据P(t)的变化历史，可以获取在任意时刻的机架位置：

P(t)＝∑ΔP(t)

估计ΔP(t)的算法f₁有很多，可以通过传统的图像处理算法，比如ECC(EnhancedCorrelation Coefficient)，Lucas-Kanade算法，DIC(Dual Inverse Compositional)等等，也可以通过神经网络。

本发明公开了一种新型的移动CT中扫描机架驱动方法，利用位置测量装置实时检测机架移动的速度和距离，并反馈给图像重建单元、图像校正单元或者是CT控制系统，来校正扫描数据或机架移动，从而达到CT扫描对机架位置精度的要求。

实施例1

扫描前，CT控制系统预先设定机架扫描的预期速度和预期轨迹。

如图4所示，CT控制系统向机架发送控制命令，控制机架进行移动、旋转、曝光等一系列操作；

机架在移动过程中不断对病床上的病人进行扫描，并将实时的扫描数据传递给图像重建单元；

同时，机架在移动过程中，位置计算单元根据摄像头采集的地面的纹理图像不断计算机架移动的速度和距离，并将计算得到的机架的位置实时传递给图像重建单元；

图像重建单元中的重建算法根据机架的位置，校正在对应位置处的扫描数据，并对校正后的扫描数据进行重建，得到重建图像。

这种处理方式，比较适合于校正机架在运动过程中的实际轨迹和预期轨迹之间的随机误差带来的影响，适合用于螺旋扫描方式。比如在运动过程中，在时刻t，机架的实际位置为P(t)，预期的机架位置为P′(t)；在该时刻，从CT探测器获得的实际扫描数据为S(t)。根据上述信息，估计出机架在预期位置P′(t)时，CT探测器的预期扫描数据应为：

S′(t)＝f₂(S(t)，P(t)，P′(t))

如图5所示，机架在实际位置P(t)和预期位置P′(t)时，其CT探测器测量的实际扫描数据S(t)和预期扫描数据S′(t)之间的关系f₂并不是一个简单的平移和旋转的变换，因为X射线的焦点并不在同一位置。如图5所示，我们将实际扫描数据投影到当前的中心平面上，其中，中心平面经过机架旋转的中心线，并垂直于X射线的焦点和中心线所形成的平面。在该中心平面上，实际扫描数据S(t)可以根据P(t)和P′(t)的相对关系进行平移和旋转变换；完成该变换以后，再将其反投影到P′(t)对应的探测器位置，即可得到S′(t)。这种近似变换方法，在被扫描物体靠近机架旋转的中心线时，以及P(t)和P′(t)相差不大的情况下，精度是可以得到保证的。在P(t)和P′(t)之间的差别较大时，P(t)可以作为重建算法的输入，在重建算法中以实际的坐标进行反投影，以保证实际扫描数据在重建图像中的贡献与实际的机架位置吻合。

实施例2

扫描前，CT控制系统预先设定机架扫描的预期速度和预期轨迹。

如图6所示，CT控制系统向机架发送控制命令，控制机架进行移动、旋转、曝光等一系列操作；

机架在移动过程中不断对病人进行扫描，并将实时的扫描数据传递给图像重建单元，图像重建单元按照传统的重建算法对扫描数据进行一次重建，得到初始图像数据，并将初始图像数据传递给图像校正单元；

同时，机架在移动过程中，位置计算单元根据摄像头采集的地面的纹理图像不断计算机架移动的速度和距离，并将计算得到的机架的位置实时传递给图像校正单元；图像校正单元根据机架的位置，校正初始图像数据得到重建图像。

以轴扫为例，整个扫描的体数据是由多个轴向扫描组成的；在每一个扫描位置，机架处于静止状态。如果机架的每个扫描位置与预期位置不符合的话，就会出现如图7中所示，不同轴扫数据的位置互相不能对齐的情况。在轴扫情况下，机架的实际位置和预期位置不再是时间的连续函数，而是多步扫描的离散函数，分别用P(i)和P′(i)来表示，其中i是轴扫步进的计数。

P(i)和P′(i)包含的是二维坐标的位置和方向信息，可以用一个2×2的矩阵描述；二维坐标的平移和旋转变换，我们用下面的公式来表示：

P(i)＝J_i·P′(i)

其中J_i是一个2×2的变换矩阵。

由于扫描机架在移动时，高度相对于地面是始终固定的；在假设地面平整的前提下，轴扫扫描获得的三维图像信息在进行校正时，只需要在水平方向进行计算即可。对于目标重建区域内的某个像素位置(x，y，z)，我们先计算坐标(x，y)相对于第i次扫描实际机架位置的坐标：

如果(x′_i，y′_i)在第i次轴扫的扫描范围内，则进行插值得到该点的像素值G_i(x′_i，y′_i，z)，并对所有包含该像素的扫描进行平均得到像素位置(x，y，z)处的像素值：

G(x，y，z)＝mean{G_i(x′_i，y′_i，z)|(x′_i，y′_i)∈第i次扫描范围}

不同的轴扫步进之间可以增加一部分重叠区域，这样在机架运动发生轻微偏移的情况下，也能保证覆盖目标扫描区域。图7显示了根据机架位置进行校准前后的图像对比。

在螺旋扫描的情况下，如果实际机架位置和预期位置之间的区别是缓慢变换的，也可以通过上述类似的图像域插值算法进行校正。

实施例3

扫描前，CT控制系统预先设定机架扫描的预期速度和预期轨迹。

如图8所示，CT控制系统向机架发送控制命令，控制机架进行移动、旋转、曝光等一系列操作；

机架在移动过程中，位置计算单元根据摄像头采集的地面的纹理图像不断计算机架移动的速度和距离，并将计算得到的机架的位置实时反馈给CT控制系统；

CT控制系统不断根据机架实时的位置与预期轨迹作对比，并根据实时位置的反馈及时修正控制参数和控制命令，使CT控制系统再次向机架发送控制命令后，能够修正机架的移动轨迹，使机架按照扫描前设定的预期速度和预期轨迹进行移动和扫描。例如，可以使用常见的PID(Proportional Integral Differential)算法来对机架的移动轨迹进行控制。假设实时位置和预期轨迹之间的差值为ΔP(t)，这个差值的一阶导数和积分为

则CT控制系统在运动过程中的控制命令的修正可以通过下面这个公式计算：

C(t)＝K_p·ΔP(t)+K_i·，(t)+K_d·D(t)

其中，K_p、K_i和K_d是可调参数。

同时，机架在移动过程中不断对病人进行扫描，并将实时的扫描数据传递给图像重建单元，图像重建单元按照传统的重建算法对扫描数据进行重建，得到重建图像。

经过上述实施例3所述的闭环控制后，机架移动的实际轨迹和预期轨迹不会相差很多，仍然能满足传统的重建算法的需求。

实施例1、实施例2和实施例3也可以结合在一起使用，进一步提高图像重建的准确性。

在某些CT的应用中，需要在同一部位重复扫描多次，并且在扫描间隙，需要把机架移开以方便用户操作。比如术中CT，需要在术前、术中、术后都对同一部位进行扫描以进行对比。本发明中，通过机架下方的摄像头，可以保存一个或多个机架位置；在将机架移开的过程中，也可以记录机架移动的轨迹。因此当需要在同一位置再次进行扫描时，通过CT控制系统可以将机架从任何位置精确移动到任意保存的位置，扫描相同的部位。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型的移动CT中扫描机架驱动系统，其特征在于：包括CT控制系统、机架、图像重建单元、图像校正单元、位置测量装置和位置计算单元；其中，CT控制系统输出控制命令到机架，机架输出扫描数据到图像重建单元，图像重建单元输出图像数据到图像校正单元，位置测量装置检测机架的运动并输出检测结果到位置计算单元，位置计算单元输出机架的位置信息到图像重建单元、图像校正单元和CT控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种新型的移动CT中扫描机架驱动系统，其特征在于：位置测量装置采用摄像头、超声波传感器、激光传感器、激光雷达、惯性导航传感器或者驱动轮编码器中的一个或多个。

3.根据权利要求1所述的一种新型的移动CT中扫描机架驱动系统，其特征在于：位置测量装置安装在机架上或者机架外部的环境中。

4.一种新型的移动CT中扫描机架驱动方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、CT控制系统预先设定机架扫描的预期速度和预期轨迹；

S2、CT控制系统向机架发送控制命令，控制移动CT的机架移动；

S3、位置测量装置对机架的移动过程进行检测，并将检测结果发送给位置计算单元，位置计算单元根据检测结果计算出机架移动后的位置；

S4、移动CT在移动后的位置对病人进行扫描，并将扫描数据发送给图像重建单元。

5.根据权利要求4所述的一种新型的移动CT中扫描机架驱动方法，其特征在于：步骤S2中，检测结果包括地面的纹理图像。

6.根据权利要求4所述的一种新型的移动CT中扫描机架驱动方法，其特征在于：还包括如下步骤：

S5、位置计算单元将机架移动后的位置发送给图像重建单元；

S6、图像重建单元根据机架移动后的位置与CT控制系统设定的预期轨迹对移动后的扫描数据进行校正，并根据校正后的扫描数据进行重建，得到移动后的重建图像；

S7、重复步骤S2至S6，直到移动CT对病人的扫描完成。

7.根据权利要求4所述的一种新型的移动CT中扫描机架驱动方法，其特征在于：还包括如下步骤：

S5′、图像重建单元根据机架移动后的扫描数据进行重建，得到移动后的初始图像数据，并将初始图像数据发送给图像校正单元；

位置计算单元将机架移动后的位置发送给图像校正单元；

S6′、图像校正单元根据机架移动后的位置与CT控制系统设定的预期轨迹对移动后的初始图像数据进行校正，得到移动后的重建图像；

S7′、重复步骤S2′至S6′，直到移动CT对病人的扫描完成。

8.根据权利要求4所述的一种新型的移动CT中扫描机架驱动方法，其特征在于：还包括如下步骤：

S5″、位置计算单元将机架移动后的位置发送给CT控制系统；

同时，图像重建单元根据机架移动后的扫描数据进行重建，得到移动后的重建图像；

S6″、CT控制系统根据机架移动后的位置与CT控制系统设定的预期轨迹作对比，若位置与预期轨迹之间存在偏差，CT控制系统修正控制参数和控制命令，否则，CT控制系统不修正控制参数和控制命令；

S7″、重复步骤S2″至S6″，直到移动CT对病人的扫描完成。

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