CN112336366B - 移动ct系统的扫描重建方法、存储介质和ct扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CT扫描技术领域，尤其是一种移动CT系统的扫描重建方法、存储介质和CT扫描装置。本发明通过自动检测移动CT扫描机架的轨迹，利用真实的扫描空间几何信息对整个扫描区域进行图像重建，具体通过对病床检测和识别获得病床标记点数据，通过测量数据和重建数据的比对来估计扫描机架真实的运动轨迹并加以修正，使移动CT系统能够输出重叠伪影和条纹伪影等均得到明显抑制的最终图像。本发明能够实现无专用导轨的移动CT系统的精确移动，并获得满足临床要求的CT图像。

Description

移动CT系统的扫描重建方法、存储介质和CT扫描装置

技术领域

本发明涉及医学成像技术领域，具体涉及一种移动CT系统的扫描重建方法、存储介质和CT扫描装置。

背景技术

CT医学成像系统自20世纪70年代发明了之后经过了长足的进步，扫描速度从开始要几分钟到现在的0.2秒。探测器排数也从开始的单排双排，到现在的64排，128排，甚至256排。这其中的变化不单单是系统硬件的升级换代，系统的图像重建技术也带来了革命性的变化。初期的CT系统由于只有一排探测器，所以X射线束是扇形束，所用到的重建技术也都是二维的扇形束重建技术。因为每次只能扫描一层，整个扫描需要很长的时间，后来多排CT引入就是为了加快扫描的速度，比如16排，32排的系统。

通常的CT系统都必须是固定在地面上的，这给CT系统的使用带来了很大限制。因此，近年来推出了移动CT系统，整个CT系统能够自主移动，尤其是适合在重症监护室中使用。目前已经有三星的移动CT系统在医院中应用。如图13和图14所示，和传统的固定CT系统不同的是，移动CT系统是通过自主移动的机架来实现对患者的扫描。通常采用步进或者螺旋扫描方式。步进扫描就是，机架扫描一圈，然后机架整体移动一定的距离。螺旋扫描方式就是在机架旋转的过程中，机架也在沿着病床的方向移动。

现有的系统需要特制的导轨，扫描范围有限，通常只有10-20cm左右，对于要求更大扫描移动范围的比如四肢的扫描30-50cm，导轨的方法不能使用。而且特制的导轨需要额外的成本，对机械加工的要求也比较高。因此采用没有导轨限制的可移动CT系统具有更大的灵活性，但是没有了导轨的提供精确定位，机器的轨迹就很难保证。现有的图像重建技术，基于经典的重建理论，基于圆周扫描或者螺旋扫描。这些重建技术都是针对固定式CT系统，因此也就要求专用CT系统必须基于专用的导轨来实现精确的移动，对机械加工的精度，和工艺要求都比较高。如果移动CT系统中没有导轨的精确移动，基于传统CT算法会带来严重的伪影和几何失真，如图15和图16所示。

发明内容

技术目的：针对上述不足，本发明公开了一种移动CT系统的扫描重建方法、存储介质和CT扫描装置，应用于移动CT系统中，对患者进行连续螺旋扫描的过程中，能够实时对扫描机架的运动轨迹进行检测和修正，消除CT图像的运动伪影，获得满足临床要求的CT图像。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种移动CT系统的扫描重建方法，其特征在于，包括步骤：

(1)对患者进行摆位，扫描机架匀速旋转之后，继续沿病床方向移动并进行曝光，实现对患者的螺旋CT扫描，获得投影数据；

(2)按照扫描机架理想的运动轨迹，对步骤(1)中的投影数据进行重建，得到初始图像img_init；

(3)在投影数据中对病床的边缘或者标记点进行自动检测识别，获得病床标记点数据；

(4)在扫描过程中，根据投影数据和重建数据的比对来估计和修正扫描机架的运动模型，调整扫描机架的真实运动轨迹；

(5)根据步骤(4)估计和修正后的运动轨迹对初始图像img_init进行CT重建，增加反投误差修正，重建得到最终图像。

优选地，所述步骤(3)获得病床标记点数据的步骤包括：

(31)定义扫描过程中扫描机架和病床的相对位置关系；

(32)在投影数据中对病床的边缘或者标记点进行自动检测识别；

(33)在检测到每个角度的投影数据中的标记点或者边缘的位置之后，利用检测到的位置信息来和理论计算的进行对比，引入扫描机架的运动模型和运动误差MSE函数；

(34)利用梯度下降法或牛顿法对MSE函数进行求解，使病床的标记点的轨迹和实际在投影图像上自动检测得到的误差在预设范围内。

优选地，所述步骤(3)中，定义扫描过程中扫描机架和病床的相对位置关系，以静止的病床为基准，建立直角坐标系，在投影数据中对病床的边缘或者标记点进行自动检测识别。

优选地，运动误差MSE函数为：

a′、b′都是通过投影数据直接检测得到的标记点或边缘的位置，a、b是根据当前扫描机架和检查床的相对位置计算得到的位置；其中，

sid是扫描机架球管到旋转中心的距离，y0_tab是床板的平面到旋转中心沿着y方向的距离，β是当前投影的旋转角度；∠a_n表示过a点和球管焦点连线到探测器中心线的夹角∠b_n表示过b点和球管焦点连线到探测器中心线的夹角。

优选地，所述步骤(4)包括：

(41)对步骤(1)中的投影数据进行包括坏点矫正、空气矫正的预处理，得到第一图像P，按照扫描机架理想的运动轨迹，对重建图像进行正投影得到第二图像P_init；

(42)根据第一图像和第二图像，计算投影差异，为P-P_init；

(43)改变真实投影的位置，使得投影差异最小；投影差异最小时，对应的扫描机架的位置为预测估计的扫描机架的精确位置；

(44)结合扫描机架的扫描角度，估计扫描机架的运动轨迹，得到修正的扫描机架的运动模型。

优选地，所述步骤(44)中采用加速稳健特征SURF算法计算扫描机架相对于病床的运动轨迹，包括步骤：

获取两个以上的初始图像，在初始图像中定位得到多个特征点；

进行特征点方向匹配，根据特征点位移向量，计算图像的形变参数，公式为：

(x,z)为第n个图像中特征点的坐标位置，(x′,z′)为第n+1个图像与第n个图像匹配的特征点的坐标位置，其中θ为图像的旋转角度，角度表示扫描机架平面的旋转误差，Δ_x′，Δ_z′表示图像在x和z方向的位移；

采用最小二乘法或者Powell算法对Δ_x，Δ_z和θ参数优化，得到投影图像的变换参数；通过以下公式，映射机架的位移误差d′：

m表示病床上的标记点距离旋转中心的距离，sid表示射线源到旋转中心的距离，sdd表示射线源到探测器的距离，d表示图像在在x或z方向的位移误差。

优选地，所述步骤(3)中采用FDK类重建算法对投影数据进行重建，步骤(5)中对FBP类算法进行修改，增加反投误差修正，对图像进行重建得到最终图像，反投误差为扫描机架在x和z方向上的运动误差。

优选地，移动CT系统机器配有检测扫描机架位置的传感器，在所述步骤(4)中，，增加传感器反馈的扫描机架的当前位置信息，用于估计和修正扫描机架的运动轨迹。

一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有至少一个可被处理器执行的指令，所述至少一个指令被处理器执行时，实现所述的移动CT系统的扫描重建方法。

一种CT扫描装置，其特征在于，所述CT扫描装置包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个指令，所述处理器用于执行所述至少一个指令以实现所述的移动CT系统的扫描重建方法。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下技术效果：

本发明的目的是通过自动检测移动CT扫描的轨迹，利用真实的扫描空间几何信息对整个扫描区域进行图像重建，具体利用已知检查床或者床上特定标记点的几何尺寸，来进一步估计扫描机架相对于检查床的准确相对运动轨迹，用于对移动CT扫描机架的运动模型进行调整，对临床数据修正，最终使获得的重建图像中重叠伪影和条纹伪影等得到明显抑制。

附图说明

图1为本发明提供的移动CT系统的扫描重建方法的流程图；

图2为本发明提供的对病床的检测和识别方法的流程图；

图3为本发明采用的坐标系的结构示意图；

图4是病床的边缘及其标记点的示意图；

图5是对病床的边缘或者标记点进行识别的方法一示意图；

图6是对病床的边缘或者标记点进行识别的方法二示意图；

图7是病床标记点/边缘的位置在坐标系中位置关系的示意图；

图8是按照理想的轨迹重建初始图像并正投处理的效果图；

图9中左图为投影差异效果图，右图为差异统计图；

图10中左图为扫描机架运动轨迹真实误差和估计误差对比图，右图为更正前和更正后的结果；

图11图4是旋转中心平面内病床标记点及其投影的示意图；

图12是临床数据修正前后的扫描数据的对比图；

图13是移动CT系统的侧视示意图；

图14是移动CT系统的顶视示意图

图15是移动CT系统沿特制轨道和依靠驱动轮移动两种情况的示意图；

图16是移动CT系统沿特制轨道和依靠驱动轮移动的投影成像对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。

本发明的目的通过自动检测移动CT扫描的轨迹的情况下，利用真实的扫描空间几何信息对整个扫描区域进行图像重建。提供了一种移动CT系统的扫描重建方法，其流程图如图1所示，包括以下步骤：

1、对患者进行摆位，并准备用移动CT系统对患者进行扫描。

2、在机架匀速旋转之后开始启动机架的移动装置。保持机架沿着病床的方向直线运动并进行曝光。实现对患者的螺旋扫描。

3、在整个扫描过程中，机架的移动通过机械装置移动机架沿着病床的方向直线运动实现螺旋扫描。

4、扫描的过程中，如果机器配有光学，IMU等传感器，可以根据传感器的反馈估计和修正运动轨迹。(这个步骤不是必须的，如果没有传感器可以不需要)。

5、在基于以上估计轨迹的基础上，运动的轨迹可以进一步精确完善。在本发明中通过测量数据和重建数据的比对来估计扫描机架真实的运动轨迹。测量数据即根据CT扫描系统中各种传感器检测数据估计得到的运动数据，重建数据即根据估计轨迹得到的图像。比对过程中还包括通过对病床检测和识别，以获得的病床标记点数据。

6、根据以上精细估计的扫描轨迹对图像进行CT重建。重建的方法可以利用传统的CT重建算法，或者迭代CT重建算法。

为了能对扫描轨迹进行估计，本方法是利用已知检查床或者床上特定标记点的几何尺寸，来进一步估计扫描机架相对于检查床的准确相对运动轨迹。概括来说，该方法是利用扫描过程中采集的投影数据中的图像信息来匹配检查床的几何结构，反推相对运动轨迹。

结合图2，本发明对病床的检测和识别，包括以下四步：

第一步，定义扫描过程中机架和病床的相对位置关系。检查床在扫描过程中是静止的，因此以检查床建立直角坐标系(x_tab,y_tab,z_tab)方向，如图3所示。

通常情况下，屏蔽室的地面足够平坦，扫描过程中，整个扫描机架的运动可以近似为在平面上的2维移动和平面上的转动，这个可以通过x_c(n),z_c(n),θ(n)来表示。

x_c(n)是扫描平面中心在第n个view的时刻，处于病床坐标系的x位置。

z_c(n)是扫描平面中心在第n个view的时刻，处于病床坐标系的z位置。

θ(n)是扫描平面中心在第n个view的时刻，处于病床坐标系的角度位置。检查床上的标记点，或者边缘，在探测器上的投影位置是a′、b′。

第二步，就是在投影数据中对病床的边缘或者标记点进行自动检测识别，如图4所示。检测的方法可以是下面的两种之一：

1)在投影数据中，通常可以根据投影的衰减程度和边缘检测算子，找到图像中的标记点的位置；

如图5所示，采集的投影数据，经过了基本的预处理，比如坏点矫正，空气矫正等步骤，得到上图中左边的图像P，这个图像经过了边缘增强算子的锐化，得到边缘的强度和方向信息。为了能够找到检查床的边缘，对垂直方向的边缘，根据角度信息进行强化这样就可以得到检查床的边缘区域。

2)在投影数据中，通过锐化，边缘提取+阈值分割来识别每个标记点的位置。

如图6所示，采集的投影数据，经过了基本的预处理，比如坏点矫正，空气矫正等等步骤，得到上图中左边的图像P，这个图像经过了边缘增强算子的锐化，得到边缘的强度。为了能够找到特征点(通常有一定的衰减值)的区域检查床的边缘，对边缘的强度和衰减强度都进行比对，就能找到这些标记点的区域。

第三步，在检测到每个角度的投影数据中的标记点或者边缘的位置之后，就可以利用这些信息来和理论计算的进行对比。

其中扫描机架在扫描过程中的运动关系可以通过多种方式来表示，比如多项式，分段线性函数等等，这里只是利用多项式来进行举例。

x_c(n)＝C_x0+C_x1n+C_x2n²+C_x3n³+C_x4n⁴

y_c(n)＝C_y0+C_y1n+C_y2n²+C_y3n³+C_y4n⁴

θ_c(n)＝C_θ0+C_θ1n+C_θ2n²+C_θ3n³+C_θ4n⁴

其中n是当前投影的索引值，即第n个投影。其中C_xi，C_yi，C_θi是多项式需要求解的系数。求解的目标就是在已知运动轨迹的情况下，得到的病床的标记点的轨迹和实际在投影图像上自动检测得到的误差尽可能小。这个误差可以采用常见的误差指标来衡量，比如mean-square-error(MSE)，或者L1范数误差等。

a′、b′都是通过投影数据直接检测得到的标记点/边缘的位置。a,b是根据当前扫描机架和检查床的相对位置计算得到的位置，∠a_n表示过a点和球管焦点连线到探测器中心线的夹角，∠b_n表示过b点和球管焦点连线到探测器中心线的夹角。如图7所示。

其中sid是扫描机架球管到旋转中心的距离，y0_tab是床板的平面到旋转中心沿着y方向的距离，β是当前投影的旋转角度。

第四步，求解。

对于运动轨迹的估计，就是求解的过程就是利用常规的优化方法来，尽量减少测量值和估计值之间的误差(上面所叙述的MSE)。这里可以采用梯度下降法，牛顿法等方法来迭代求解。

获得病床标记点的信息后，通过测量数据和重建数据的比对来估计真实的运动轨迹，运动估计的方法包括步骤：

1、首先，按照理想的轨迹重建初始图象(img_init)，例如用FDK类重建算法对投影数据进行重建，由于运动轨迹不精确，导致图像存在严重的伪影，重影和条纹伪影，重建结果如图8所示。

2、按照原先的扫描几何结构对重建图像进行正投影得到P_init，即按照扫描机架的理想匀速直线运动轨迹，如图8所示。

3、计算得到投影差异＝P-P_init，偏差最大的区域就是运动明显的区域，如图9所示，图9中左图为投影的差异，右图为差异统计，可以得出在1000到1200视图，扫描机架运动明显。

4、通过改变投影的位置，即根据各种信息计算得到的机架运动模型来进行投影，使得投影的差异最小，该步骤可能需要多次调整以满足精度要求。从而预测估计机架的精确位置。

为了验证该方法的准确性，可通过数值仿真的方法，使用shep-logan体模进行扫描，引入运动轨迹已知误差。扫描机架在x方向做正弦周期运动，图10中的左图两条曲线分别表示为真实误差和估计误差，图10中的右图为更正前和更正后的结果。

5、通过这个变换关系，和扫描机架的已知扫描角度，来进一步反推机架的行进轨迹，如图11所示。

a点为病床上的标记点，其距离旋转中心的距离已知由m表示，射线源到旋转中心的距离为sid，射线源到探测器的距离为sdd。通过步骤4得出，在该角度下通过探测器投影估计运动误差为d’，机架运动距离可以通过以下公式得到：

6、根据更加精确的行动轨迹，对FBP类算法进行修改，增加反投误差修正，对图像进行重建得到最终图像。

以c点图像为例，其平面坐标位置(x,y)，其距离远点的距离为

角度为

在视角θ下其投影在探测器上的位置为：

当机架存在如上运动误差时，

同理根据相应的操作可以修正z方向的误差。

7、临床数据修正结果如图12所示，重叠伪影和条纹伪影得到明显抑制。

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 (7)

1.一种移动CT系统的扫描重建方法，其特征在于，包括步骤：

（1）对患者进行摆位，扫描机架匀速旋转之后，继续沿病床方向移动并进行曝光，实现对患者的螺旋CT扫描，获得投影数据；

（2）按照扫描机架理想的运动轨迹，对步骤（1）中的投影数据进行重建，得到初始图像img_init；

（3）在投影数据中对病床的边缘或者标记点进行自动检测识别，获得病床标记点数据；获得病床标记点数据的步骤包括：

（31）定义扫描过程中扫描机架和病床的相对位置关系；

（32）在投影数据中对病床的边缘或者标记点进行自动检测识别；

（33）在检测到每个角度的投影数据中的标记点或者边缘的位置之后，利用检测到的位置信息来和理论计算的进行对比，引入扫描机架的运动模型和运动误差MSE函数；

（34）利用梯度下降法或牛顿法对运动误差MSE函数进行求解，使病床的标记点的轨迹和实际在投影图像上自动检测得到的病床的标记点的轨迹的误差在预设范围内；

（4）在扫描过程中，根据投影数据和重建数据的比对来估计和修正扫描机架的运动模型，调整扫描机架的真实运动轨迹；包括：

（41）对步骤（1）中的投影数据进行包括坏点矫正和空气矫正的预处理，得到第一图像P，按照扫描机架理想的运动轨迹，对重建图像，即初始图像img_init进行正投影得到第二图像P_init；

（42）根据第一图像和第二图像，计算投影差异，为P-P_init；

（43）改变真实投影的位置，使得投影差异最小；投影差异最小时，对应的扫描机架的位置为预测估计的扫描机架的精确位置；

（44）结合扫描机架的扫描角度，估计扫描机架的运动轨迹，得到修正的扫描机架的运动模型；

（5）根据步骤（4）估计和修正后的运动轨迹，对FBP类算法进行修改，增加反投误差修正，重建得到最终图像。

2.根据权利要求1所述的一种移动CT系统的扫描重建方法，其特征在于，所述步骤（3）中，定义扫描过程中扫描机架和病床的相对位置关系，以静止的病床为基准，建立直角坐标系，在投影数据中对病床的边缘或者标记点进行自动检测识别，直角坐标系的x方向为病床沿扫描机架移动的方向，z方向为在病床移动所在平面上垂直于x方向的方向，y方向垂直于x方向和z方向。

3.根据权利要求2所述的一种移动CT系统的扫描重建方法，其特征在于，所述步骤（44）中采用加速稳健特征SURF算法计算扫描机架相对于病床的运动轨迹，包括步骤：

获取两个以上的初始图像img_init，在初始图像中定位得到多个特征点；

进行特征点方向匹配，根据特征点位移向量，计算图像的形变参数，公式为：

为第n个图像中特征点的坐标位置，

为第n+1个图像与第n个图像匹配的特征点的坐标位置，其中

为图像的旋转角度，图像的旋转角度表示扫描机架平面的旋转误差，

、

表示图像在x和z方向的位移；

采用最小二乘法或者Powell算法对

、

和

参数优化，得到投影图像的变换参数；

通过以下公式，映射机架的位移误差：

m表示病床上的标记点距离旋转中心的距离，

表示射线源到旋转中心的距离，

表示射线源到探测器的距离，

表示图像在x或z方向的位移误差，

表示通过探测器投影估计的扫描机架在x或z方向的运动误差。

4.根据权利要求2所述的一种移动CT系统的扫描重建方法，其特征在于：所述步骤（2）中采用FDK类重建算法对投影数据进行重建，步骤（5）中对FBP类算法进行修改，增加反投误差修正，对图像数据进行重建得到最终图像，反投误差为扫描机架在x和z方向上的运动误差。

5.根据权利要求1所述的一种移动CT系统的扫描重建方法，其特征在于：移动CT系统机器配有检测扫描机架位置的传感器，在所述步骤（4）中，增加传感器反馈的扫描机架的当前位置信息，用于估计和修正扫描机架的运动轨迹。

6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有至少一个可被处理器执行的指令，所述至少一个指令被处理器执行时，实现如权利要求1至5中任意一项所述的移动CT系统的扫描重建方法。

7.一种CT扫描装置，其特征在于，所述CT扫描装置包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个指令，所述处理器用于执行所述至少一个指令以实现如权利要求1至5任意一项所述的移动CT系统的扫描重建方法。

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