CN111839568A - 一种新型大视场直线扫描ct系统及图像重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型大视场直线扫描CT系统及图像重建方法，属于X射线成像检测技术领域。该系统包括X射线源、探测器、检测对象、数据采集系统、图像处理系统、控制系统和机械系统；X射线源为锥束射线源，探测器为面阵平板探测器。扫描过程中，探测器固定，X射线源相对探测器做平行直线运动。本发明与传统CT系统相比，增大了成像视场，具有结构简单，成本低，易于实现等优点。针对本发明大视场直线扫描CT系统图像重建，本发明构建一种基于TV最小化的优化重建算法，可以直接对该系统采集的投影数据进行重建，具有较好的抗噪声和去伪影能力。

Description

一种新型大视场直线扫描CT系统及图像重建方法

技术领域

本发明属于X射线成像检测技术领域，涉及一种新型大视场直线扫描CT系统及图像重建方法。

背景技术

计算机断层成像技术(computed tomography，CT)自发明以来，广泛用于医疗、工业、安全检查等领域。在医疗领域，受CT机器结构限制，经常对一些肥胖病人进行CT扫描无能为力。在工业以及安全检查领域，对一些超出传统锥束CT视场的大物体的断层成像检测，如集装箱、发动机、大型涡轮叶片等，还存在亟待解决的问题。另一方面，在CT检测中，要求检测对象的大小必须在扫描视野范围内，如果检测对象过大，需要适当降低放大比，牺牲图像的分辨力来完成扫描，如何在保证高图像分辨力的同时，让扫描包含整个物体的支撑仍是一个未解决的问题。

最近，公开号为CN104809750A的专利提出了一种结构简单、低成本、可移动/便携的直线扫描CT系统，系统采用X射线源和探测器沿不同的方向平行移动的扫描方式，并且已经被证实在低成本CT扫描仪有巨大的潜力。为了实现对超出直线扫描CT视场的物体进行成像，公开号为CN106447740的专利提出了一种相对平行直线扫描CT感兴趣区域图像重建方法，该方法可对超出直线扫描CT视场的物体进行局部成像，但此方法不能对整个物体进行成像。为了满足对大物体的成像需求，本发明旨在提供一种新型直线扫描方法，可以增大扫描视场，同时继承直线扫描CT系统结构简单、低成本、可移动/便携的优点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种新型大视场直线扫描CT系统，该系统采用探测器固定，射线源相对探测器做平行直线运动的扫描方式，从而扩大射线束扫描范围，以达到增大扫描视场的目的。

本发明的目的之二在于提供一种新型大视场直线扫描CT的图像重建方法，利用压缩感知在不完备数据CT图像重建中发挥的作用，构建针对新型大视场直线扫描CT系统的TV最小化图像重建算法，为新型大视场直线扫描CT系统提供相应的图像重建方法。

为达到上述目的之一，本发明提供如下技术方案：

一种新型大视场直线扫描CT系统，包括X射线源(1)、检测对象(2)、探测器(3)、数据采集系统(4)、图像处理系统(5)、控制系统(6)和机械系统(7)；控制系统(6)控制X射线源(1)发出X射线，穿透检测对象，到达探测器(3)；探测器(3)将探测到的衰减后的X射线转换成电信号，并由数据采集系统(4)负责采集；采集后的信号传送给图像处理系统(5)重建后显示；机械系统(7)负责X射线源(1)的扫描运动、和检测物体(2)以及探测器(3)的位置调整运动。

在扫描过程中，探测器(3)固定，X射线源(1)相对于探测器做平行直线运动。

进一步，所述X射线源(1)为锥束射线源，探测器(3)为面阵平板探测器。

进一步，设探测器(3)长度为L_D，其中DOD、SOD分别为探测器(3)和X射线源(1)到扫描中心点O的距离，则该系统的扫描视场半径为

进一步，可得X射线源(1)的扫描行程为L_S∈[L_Smin,L_Smax]，其中，

进一步，所述X射线源(1)的扫描方式采用等距扫描，其扫描间距ΔL_S＝L_S/(N-1)，其中N为一次直线扫描采样点总数。

进一步，该系统采用T次圆周均布的直线扫描实现对检测对象的扫描，其中，

T＝[π/θ]

[π/θ]表示大于π/θ的最小整数。

进一步，以扫描物体为中心建立坐标系，平行于X射线源(1)运动轨迹的轴为x轴，垂直于X射线源(1)运动轨迹的轴为y轴，记点S₁(-L_Smin/2,-SOD)，对于任意扫描行程L_S∈[L_Smin,L_Smax]，有点S₂(-L_S/2,-SOD)，记过点S₁与视场边缘相切的直线为L₁，过点S₂与视场边缘相切的直线为L₂，P(x_P,y_P)为直线L₁与L₂的交点，则θ为直线L₁与L₂形成的夹角，有

进一步，可得直线L₁过点S₁(-L_Smin,-SOD)，以及点(-L_D/2,DOD)，其方程为：

y＝k₁(x+L_D/2)+DOD,

其中，

对于任意扫描行程L_S∈[L_Smin,L_Smax]，可得过点S₂(-L_S/2,-SOD)与视场边缘相切的直线L₂为：

y＝k₂(x+L_S/2)-SOD,

其中，

则直线L₁与L₂的交点P(x_P,y_P)为：

进一步，该系统对检测对象进行一次圆周扫描获得的投影数为I＝N×T。

为达到上述目的之二，本发明提供如下技术方案：

一种新型大视场直线扫描CT的图像重建方法，利用迭代方式进行图像重建，根据压缩感知构建基于全变分(total variation，TV)最小化的优化图像重建算法，优化图像质量。

进一步，构建的基于TV最小化的优化图像重建算法，表达式为：

其中，

为系统矩阵，

为重建图像，

为矫正后的投影数据，λ表示正则化参数，用于权衡数据保证项和正则项，TV(f)＝||▽f||₁表示图像梯度L1范数。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的大视场直线扫描CT系统相对于相对直线扫描CT相比，本发明可以扩大射线束扫描范围，从而增大扫描视场。

(2)本发明的另一个特点在于，扫描方式简单，成本低，运动简单易于实现。

(3)针对本发明的新型大视场直线扫描CT系统，本发明引入压缩感知，利用图像在梯度变换域的稀疏性，构建基于TV最小化的重建方法，对投影数据进行直接图像重建，可以减少数据不一致性对重建图像的影响。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述的大视场直线扫描CT系统模型；

图2为本发明系统的一种结构示意图；

图3为本发明系统的一种扫描运动示意图；

图4为本发明系统的CT扫描二维几何模型；

图5为等距3次圆周均布直线扫描方式示意图；

图6为采用本发明系统与传统CT系统重建的效果对比图，其中(a)为实验采用的Shepp-Logan模型；(b)为采用本发明所述的图像重建方法针对新型大视场直线扫描CT重建的图像；(c)为相同扫描参数下，采用传统CT扫描，SIRT算法重建的图像；

其中，1为X射线源，2为检测对象，3为探测器，4为数据采集系统，5为图像处理系统，6为控制系统，7为机械系统，8为旋转转台，9为直线滑轨。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图6，图1为一种新型大视场直线扫描CT系统的模型图，该系统包括X射线源1、检测对象2、探测器3，以及数据采集系统4、图像处理系统5、控制系统6和机械系统7。控制系统6控制X射线源1发出X射线，穿透检测对象2，到达探测器3；探测器3将探测到的衰减后的X射线转换成电信号，并由数据采集系统4负责采集；采集后的信号交由图像处理系统5重建后显示。在扫描过程中，探测器3固定，X射线源1相对于探测器3做平行直线运动。图2提供了一种参考结构示意，由X射线源1、旋转转台8、探测器3和直线滑轨9组成，检测对象可放置在旋转转台8上，直线滑轨9分别实现射线源1的扫描运动，探测器3与检测对象2、射线源1的距离调整。图3为对应的扫描运动示意图，在一次直线扫描运动过程中，检测对象2与探测器3固定，X射线源1做直线运动，其扫描轨迹平行于探测器3中心行。一次直线扫描完成后，检测对象2可旋转相应角度，实现第二次直线扫描。

参阅图4，对于确定的探测器3长度为L_D，以及探测器3和X射线源1到扫描中心点O的距离，可以得到新型大视场直线扫描CT的扫描半径为：

其中，DOD，SOD分别为探测器(3)和X射线源(1)到扫描中心点O的距离。在相同扫描参数下，传统圆周CT扫描系统以及相对平行直线扫描CT系统的扫描视场为：

参阅图4可以直观看出，本发明的新型大视场直线扫描CT较传统CT视场明显增大。

对于确定的探测器(3)大小，视场半径，可确定X射线源(1)的扫描行程为L_S∈[L_Smin,L_Smax]，其中,

对于一次直线扫描采样点数N，采用等距扫描方式，可得扫描间距为ΔL_S＝L_S/(N-1)。

根据Quinto对CT图像伪影分析的理论，在扫描视场圆周内，与射线相切的点能被精确重建。显然，一次直线运动扫描不能满足扫描视场圆周上所有的点都与射线相切，同时由于本发明扫描方式具有对称性，为此，本发明采用T次圆周均布的直线扫描实现对检测对象的扫描。其中：

T＝[π/θ] (5)

其中，以扫描物体为中心建立坐标系，平行于X射线源(1)运动轨迹的轴为x轴，垂直于X射线源(1)运动轨迹的轴为y轴，记点S₁(-L_Smin/2,-SOD)，对于任意扫描行程L_S∈[L_Smin,L_Smax]，有点S₂(-L_S/2,-SOD)，记过点S₁与视场边缘相切的直线为L₁，过点S₂与视场边缘相切的直线为L₂，P(x_P,y_P)为直线L₁与L₂的交点，则θ表示直线L₁与L₂形成的夹角，有

由于直线L₁过点S₁(-L_Smin,-SOD)，以及(-L_D/2,DOD)，可得其方程为：

y＝k₁(x+L_D/2)+DOD, (7)

其中，

对于任意扫描行程L_S∈[L_Smin,L_Smax]，可得过点S₂(-L_S/2,-SOD)与视场边缘相切的直线L₂为：

y＝k₂(x+L_S/2)-SOD, (8)

其中，

进一步可得直线L₁与L₂的交点P(x_P,y_P)为：

由式(5)(6)(9)可知，当探测器大小，物体中心到射线源以及探测器距离确定，扫描次数T的大小与一次直线扫描射线源运动行程L_S有关，对于L_S∈[L_Smin,L_Smax]，L_S越大，扫描次数T越小。

针对本发明的一种新型大视场直线扫描CT系统，提供了相应的图像重建算法。超出传统CT视野物体的重建问题可以归纳为一种不完全数据重建问题。本发明引入压缩感知理论，利用图像在梯度变换域的稀疏性，构建基于TV最小化的优化图像重建算法，其表达式如下：

其中，

为系统矩阵，

为重建图像，

为矫正后的投影数据，λ表示正则化参数，用于权衡数据保真项和正则项，

表示图像梯度L1范数。式(10)的求解可分为如下两步：

步骤1：凸集投影

(1)取初值f(k＝0)＝0，其中，k为迭代次数；

(2)利用SIRT算法实现数据保真；

其中，

表示重建图像第j个元素第k次迭代的SIRT结果，A_i为系统矩阵的第i行行向量，β为松弛因子；

(3)非负约束：

其中，

表示重建图像第j个元素第k+1次非负约束结果；

步骤2：TV最小化

(1)f^TV(m＝0)＝f^POCS(k+1)，其中m表示TV最小化的迭代次数；

(2)计算TV的梯度及梯度方向：

(3)沿TV梯度下降的方向迭代修正图像：

其中，α为调节因子；

(4)若m＞M，则

f^SIRT(k)＝f^TV(m+1) (15)

其中，M为TV最小化的最大迭代次数；

(5)若k＞K，则输出迭代结果。其中K为最大迭代次数。

验证实施例：

利用MATLAB工具，仿真本发明的大视场直线扫描CT及图像重建方法，其中直线扫描次数为3次，如图5所示，其仿真扫描参数如表1所示。

表1.仿真扫描参数

其重建图像大小为256×256，迭代次数SIRT迭代次数K＝500，TV最小化迭代次数M＝20。图6(b)为采用本发明所述的图像重建方法针对新型大视场直线扫描CT系统重建的图像；图6(c)为相同扫描参数下，利用SIRT算法对传统CT扫描数据的重建结果。对比图6(a)采用的Shepp-Logan模型可以看出，本发明扫描CT系统能有效增大扫描视场，并精确恢复图像结构信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种新型大视场直线扫描CT系统，其特征在于，该系统包括X射线源(1)、探测器(3)、数据采集系统(4)、图像处理系统(5)、控制系统(6)和机械系统(7)；

所述控制系统(6)控制X射线源(1)发出X射线，穿透检测对象(2)，到达探测器(3)；所述探测器(3)将探测到的衰减后的X射线转换成电信号，并由数据采集系统(4)负责采集；采集后的信号传送给图像处理系统(5)重建后显示；机械系统(7)负责X射线源(1)的扫描运动和检测物体(2)以及探测器(3)的位置调整运动；

在扫描过程中，探测器(3)固定，X射线源(1)相对于探测器(3)做平行直线运动。

2.根据权利要求1所述的一种新型大视场直线扫描CT系统，其特征在于，所述X射线源(1)为锥束射线源，所述探测器(3)为面阵平板探测器。

3.根据权利要求1所述的一种新型大视场直线扫描CT系统，其特征在于，该系统的扫描视场半径为：

其中，DOD、SOD分别为探测器(3)和X射线源(1)到扫描中心点O的距离，L_D为探测器(3)长度。

4.根据权利要求3所述的一种新型大视场直线扫描CT系统，其特征在于，X射线源(1)的扫描行程为L_S∈[L_Smin,L_Smax]，其中，

5.根据权利要求4所述的一种新型大视场直线扫描CT系统，其特征在于，所述X射线源(1)的扫描方式采用等距扫描，其扫描间距ΔL_S＝L_S/(N-1)，其中N为一次直线扫描采样点总数。

6.根据权利要求4所述的一种新型大视场直线扫描CT系统，其特征在于，以检测对象(2)为中心建立坐标系，平行于X射线源(1)运动轨迹的轴为x轴，垂直于X射线源(1)运动轨迹的轴为y轴，记点S₁(-L_Smin/2,-SOD)，对于任意扫描行程L_S∈[L_Smin,L_Smax]，有点S₂(-L_S/2,-SOD)，记过点S₁与视场边缘相切的直线为L₁，过点S₂与视场边缘相切的直线为L₂，P(x_P,y_P)为直线L₁与L₂的交点，则θ为直线L₁与L₂形成的夹角，有

7.根据权利要求6所述的一种新型大视场直线扫描CT系统，其特征在于，该系统采用T次圆周均布的直线扫描方式对检测进行扫描，则检测对象进行一次圆周扫描获得的投影数为I＝N×T，其中，T＝[π/θ]，[π/θ]为大于π/θ的最小整数，N为一次直线扫描采样点总数。

8.根据权利要求6所述的一种新型大视场直线扫描CT系统，其特征在于，过点S₁(-L_Smin,-SOD)以及点(-L_D/2,DOD)的直线L₁为：

y＝k₁(x+L_D/2)+DOD

其中，

对于任意扫描行程L_S∈[L_Smin,L_Smax]，过点S₂(-L_S/2,-SOD)与视场边缘相切的直线L₂为：

y＝k₂(x+L_S/2)-SOD

其中，

则直线L₁与L₂的交点P(x_P,y_P)为：

9.一种新型大视场直线扫描CT的图像重建方法，其特征在于，该方法利用迭代方式进行图像重建，根据压缩感知构建基于全变分(total variation，TV)最小化的优化图像重建算法，优化图像质量。

10.根据权利要求9所述的一种新型大视场直线扫描CT的图像重建方法，其特征在于，构建的基于TV最小化的优化图像重建算法，表达式为：

其中，

为系统矩阵，

为重建图像，

为矫正后的投影数据，λ表示正则化参数，

表示图像梯度L1范数。

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