CN112971823B - 一种校正杂散射线的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种校正杂散射线的方法，该方法包括获取探测器第一通道上的第一信号，以及第二通道上的第二信号；其中，所述第一通道对应于所述探测器的第一视角，所述第二通道对应于所述探测器的第二视角，所述第二视角通过至少部分获取探测器各通道的位置而确定；基于所述第二信号，确定散射线在所述探测器第一通道的第一投影值；以及基于所述第一信号和第一投影值，确定主射线在所述探测器第一通道上的第二投影值。该方法通过校正杂散射线，减少或消除了杂散射线导致的图像伪影，提高了成像的质量。
Description
本申请是申请号为CN201710776974.2（发明名称为“一种校正杂散射线的方法”，申请日为2017.08.31）的发明专利的分案申请。
技术领域
本申请涉及一种校正杂散射线的方法，尤其是涉及一种计算机断层扫描成像（computed tomography, CT）中杂散X射线的校正方法。
背景技术
在计算机断层扫描成像（CT）过程中，射线滤过板、形状滤过板、X射线球管内的射线窗和/或准直器等部件会对来自射线源的X射线进行散射而形成杂散射线。所述杂散射线可以降低重建图像的质量，特别是对于投影值较大的区域，严重时重建图像可能出现伪影。而现有的技术并没有提供有效的散射射线校正方法和/或系统。因此，需要一种校正所述杂散射线，消除或减少图像中由于散射导致的伪影的方法。
发明内容
针对上述杂散射线降低重建图像质量的问题，本申请的目的在于提供一种有效消除或减少杂散射线的图像重建方法。
为达到上述发明目的，本申请提供的技术方案如下：
一种校正杂散射线的方法，该方法包括获取探测器第一通道上的第一信号，以及第二通道上的第二信号；其中，所述第一通道对应于所述探测器的第一视角，所述第二通道对应于所述探测器的第二视角，所述第二视角通过至少部分获取探测器各通道的位置而确定；基于所述第二信号，确定散射线在所述探测器第一通道的第一投影值；以及基于所述第一信号和第一投影值，确定主射线在所述探测器第一通道上的第二投影值。
在一些实施例中，所述基于所述第一信号和第一投影值，确定主射线在所述探测器第一通道上的第二投影值包括：至少基于所述第一投影值确定所述探测器第一通道上的散射线信号；基于所述第一信号和所述散射线信号确定所述主射线在所述探测器第一通道上的主射线信号；以及基于所述主射线信号确定所述主射线在所述探测器第一通道上的第二投影值。
在一些实施例中，所述方法进一步包括：确定散射线在所述探测器第一通道上的第一分布值；以及基于所述第一信号、第一分布值和第一投影值，确定主射线在所述探测器第一通道上的第三信号，其中，所述第一分布值通过蒙特卡罗方法或实验的方式获得。
在一些实施例中，所述基于所述第一信号、第一分布值和第一投影值，确定主射线在所述探测器第一通道上的第三信号包括：基于所述第一分布值和所述第一投影值确定所述探测器第一通道上的所述散射线信号；将所述第一信号与所述散射线信号相减，得到所述探测器第一通道上的所述第三信号。
在一些实施例中，所述主射线来自X射线球管。
在一些实施例中，所述散射线由X射线球管内的射线窗、射线滤过板、形状滤过板、准直器中的至少一个对射线源所产生的射线进行散射而形成。
在一些实施例中，所述射线过滤板用于减少或消除来自所述射线源的射线中的至少部分成分，所述形状滤过板用于允许来自所述射线源的至少部分角度的射线通过。
在一些实施例中，所述探测器包括单排CT探测器或多排CT探测器。
在一些实施例中，所述方法进一步包括：确定所述探测器所有通道的第二投影值；以及至少基于部分所述探测器所有通道的第二投影值，重建CT图像。
在一些实施例中，所述第一信号和/或第二信号通过所述探测器采集获得或对至少一个重建的CT图像进行正投影获得。
与现有技术相比，本申请的有益效果表现如下：
一、从算法上实现了对杂散射线的校正；
二、有效的减轻或消除了图像中的伪影。
附图说明
图1是本发明的成像系统的示意图；
图2是本发明的将杂散射线等效为等效散射线的示意图；
图3是本发明的校正杂散射线的示例性流程图；
图4是本发明的确定一个视角时探测器某一通道对应的等效投影值的示意图；
图5A是本发明的未校正杂散射线的CT图像；
图5B是本发明的校正杂散射线后重建的CT图像；
图1标记：101为数据采集设备，102为高压发生器，103为控制设备，104为处理设备，105为输入/输出界面，106为床架，107为辐射发生器，108为探测器，109为机架。
图2标记：201为射线源，202为射线滤过板，203为形状滤过板，204为等效平面，205为等效点，206为探测器。
图4标记：401-1为射线源，401-2为等效射线源，402为等效平面，403为等效点，404-1为第一探测器，404-2为第二探测器，405-1为第一通道，405-2为第二通道，406为第一路径，407为第二路径。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明所涉及的成像系统，不仅可以用于医学成像，如疾病的诊断和研究等，还可用于工业领域。所述成像系统可以是一个单模态系统或一个多模态系统，包括但不限于，计算机断层扫描（computed tomography, CT）系统、正电子发射断层扫描（positronemission tomography, PET）系统、磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）系统、超声波扫描（ultrasound, US）系统、单光子发射计算机断层扫描（single-photonemission computed tomography, SPECT）系统、PET-CT、US-CT、PET-MRI等一种或多种的组合。
图1是本发明的成像系统的示意图。成像系统100可以对一个目标物体进行扫描，并基于扫描信号生成相关图像。在一些实施例中，成像系统100可以是一个医学成像系统。成像系统100可以包括数据采集设备101、高压发生器102、控制设备103、处理设备104和输入/输出界面105。
数据采集设备101可以对一个目标物体进行扫描，并获取相应的扫描信号。数据采集设备101可以是计算机断层成像仪（CT）、正电子发射断层扫描仪（PET）、磁共振成像仪（MRI）、单光子发射计算机断层扫描仪（SPECT）、热断层扫描仪（TTM）、医用电子内窥镜（MEE）等中的一种或多种的组合。在一些实施例中，数据采集设备101可以是CT设备。
示例性地，以CT设备为例对数据采集设备101进行说明。所述CT数据采集设备可以包括一个床架106、一个辐射发生器107、一个探测器108和一个机架109。床架106可以支撑目标物体（例如，待诊断的病人）。在扫描过程中，床架106可以移动目标物体至指定位置（例如，机架109的圆形腔室内）。机架109可以支撑辐射发生器107和探测器108。所述辐射发生器107可以向目标物体发射放射性射线。典型的放射性射线可以包括X射线、中子、质子、重离子等中的一种或多种的组合。所述CT数据采集设备可以通过辐射发生器107向目标物体发射放射性射线对其进行扫描，并获取扫描数据。在扫描过程中，放射性射线可以经过X射线球管内的射线窗、射线滤过板、形状滤过板和/或准直器后，到达目标物体。透过目标物体的X射线可以被探测器108接收，从而生成CT图像数据。作为示例，辐射发生器107可以是一个X射线球管。探测器108可以是弧形探测器。在一些实施例中，探测器108可以是单排探测器或多排探测器。在一些实施例中，探测器108可以包括多个通道，所述多个通道可以分别接收特定角度的X射线。
高压发生器102可以产生高压或强电流。在一些实施例中，高压发生器102所产生的高压或强电流可以传输至辐射发生器107，用于产生放射性射线。控制设备103可以与数据采集设备101、高压发生器102、处理设备104和/或输入/输出界面105相关联。在一些实施例中，控制设备103可以控制数据采集设备101扫描目标物体。例如，控制设备103可以控制辐射发生器107和探测器108绕Z轴旋转。在一些实施例中，控制设备103可以控制处理设备104进行数据或图像处理。例如，控制设备103可以控制处理设备104从探测器108获取图像信号，并基于所述图像信号重建CT图像。
控制设备103可以是一个控制元件或设备。例如，控制设备103可以是微控制器（microcontroller unit，MCU）、中央处理器（central processing unit，CPU）、可编程逻辑器件（programmable logic device, PLD）、专用集成电路（application specificintegrated circuits, ASIC）、单片微型计算机（single chip microcomputer, SCM）、系统芯片（system on a chip，SoC）等。
处理设备104可以进行数据或图像处理。例如，处理设备104可以获取探测器108和机架109的位置，并基于所述探测器108和机架109的位置模拟辐射发生器107产生的射线经X射线球管内的射线窗、射线滤过板、形状滤过板和/或准直器散射形成的杂散射线的分布。关于辐射发生器107产生的射线经X射线球管内的射线窗、射线滤过板、形状滤过板和/或准直器散射形成的杂散射线的具体描述可以参见本申请的其他部分，例如图2及其描述。又例如，处理设备104可以从探测器108中获取扫描待测物体后生成的图像信号，并基于所述图像信号重建图像。在一些实施例中，处理设备104可以从探测器108或者外部数据源接收数据，并对接收到的数据进行处理。所述的外部数据源可以是硬盘、USB存储、光盘、闪速存储器（flash memory）、云盘（cloud disk）等中的一种或多种。
处理设备104可以是一个或多个处理元件，如中央处理器（central processingunit，CPU）、数字信号处理器（digital signal processor，DSP）、图形处理器（graphicsprocessing unit, GPU）等。在一些实施例中，处理设备105也可以是特殊设计的具备特殊功能的处理元件或设备。处理设备104可以是一个本地设备，如操控台、台式电脑、本地服务器、具备数据图像处理功能的云服务器等。处理设备104可以将处理结果（例如，重建的CT图像）传送至输入/输出界面105。
输入/输出界面105可以接收用户输入信息，或将控制设备103或处理设备104产生的图像或数据输出至用户。在一些实施例中，输入/输出界面105可以通过物理界面输入或输出信息，如触摸显示屏、麦克风、扬声器、LED指示灯、按钮、按键等。在一些实施例中，输入/输出界面105可以利用虚拟界面输入或输出信息，如虚拟现实、全息影像。在一些实施例中，输入/输出界面105可以是显示屏、指示灯、扬声器、按钮、按键等一种或几种的组合。
成像系统100中各部件可以通过有线或无线的方式进行连接。在一些实施例中，成像系统100中各部件可以通过网络连接。所述网络可以包括局域网、广域网、公用网络、专用网络、无线局域网、虚拟网络、都市城域网、公用开关电话网络等中的一种或几种的组合。例如，利用WIFI、蓝牙、ZigBee等协议进行通信的网络。在一些实施例中，所述网络可以包括多种网络接入点，例如有线或无线接入点、基站或网络交换点等。通过一个接入点，数据源可以与所述网络相连并通过所述网络发送信息。
在一些实施例中，成像系统100还可以包括与成像系统100相关的外部设备（例如，数据库、终端、存储设备等）。在一些实施例中，成像系统100中的高压发生器102可以包含于数据采集设备101中。
图2是本发明的将杂散射线等效为等效散射线的示意图。射线源201可以产生并向四周发射放射性射线（例如，X射线）。在一些实施例中，射线源201可以是辐射发生器107，例如X射线球管。射线源201产生的放射性射线经过射线滤过板202和形状滤过板203后到达目标物体（图中未示出）。射线滤过板202可以减少或消除来自射线源201的射线中的特定成分。在一些实施例中，采用不同厚度和性质的射线滤过板，可以减少或消除具有特定波长的放射性射线。形状滤过板203可以允许特定角度的放射性射线通过。在一些实施例中，形状滤过板203可以允许特定角度范围内的放射性射线通过，从而形成一个与弧形探测器206的大小相对应的扇形区域。所述放射性射线可以透过目标物体，并被探测器206接收。探测器206可以基于接收到的放射性射线，生成图像信号，用于重建图像。
在一些实施例中，放射源201产生的放射性射线在到达探测器206之前，可能在其路径上发生散射。例如，所述放射性射线在经过射线滤过板202、形状滤过板203、准直器（图中未示出）等部件时发生散射，从而形成杂散射线。所述杂散射线可以从X-Y平面内的多个点向不同的方向发射。
在一些实施例中，可以将所述杂散射线等效为从等效平面204中的一个或多个等效点发出的射线。从等效平面204内的所述一个或多个等效点发出的射线可以被称为等效散射线。等效平面204可以是直线、曲线、平面或曲面。例如，对于单排探测器，等效平面204可以是X-Y平面内的直线。对于多排探测器，等效平面204可以是参考坐标系内的曲线、平面或曲面。从等效平面204内各点发射的等效散射线可以被探测器206中的一个或多个通道所接收。例如，从等效点205发出的等效散射线可以被探测器206中的一个或多个通道所接收。所述等效散射线可以与射线源201发射的主射线（即射线源201发出的的未被散射的射线）一起被探测器206中一个或多个通道中所接收，形成探测信号。
处理设备104可以获得所述等效散射线在探测器206中的一个通道上的分布。在一些实施例中，所述分布可以由蒙特卡罗算法获得。所述等效散射线对探测器206中的通道n上的探测信号的贡献可以由等式（1）确定：
（1）
其中，表示等效散射线在探测器206的通道/>上的信号，/>表示从等效平面上的一个等效点/>发射的等效散射线在探测器通道/>的分布。/>可以通过一种或多种模拟算法获得，例如，蒙特卡罗模拟算法。/>表示从等效平面204上的等效点/>向探测器206中通道/>发射的等效散射线所在路径上的目标物体的投影值。
图3是本发明的校正杂散射线的示例性流程图。步骤301可以包括获取第i视角时探测器第j通道上的信号。数据采集设备101对一个目标物体进行第i视角扫描时，处理设备104可以获取探测器第j通道上的信号。参照图1，数据采集设备101扫描目标物体时，辐射发生器107和探测器108同步地绕Z轴旋转。在旋转过程中，探测器108每间隔一定角度采集一次数据。探测器108每次采集数据可以定义为一个视角（view）。每个视角可以对应圆周上的某一特定角度。例如，探测器108每间隔0.15°采集一次数据，每次采集数据对应一个视角，则总共有2400个视角。数据采集设备101处于第i视角时，处理设备104可以获取探测器108中所有通道上的信号。在一些实施例中，处理设备104可以获取探测器108中第j通道上的信号。
步骤302可以包括获取第i+s视角时探测器第j+t通道上的信号。数据采集设备101对第i+s视角进行扫描时，处理设备104可以获取探测器所有通道上的信号。在一些实施例中，处理设备104可以获取探测器第j+t通道上的信号。数据采集设备101从第i视角切换至第i+s视角可以通过将辐射发生器107和探测器108绕Z轴旋转角度后获得，其中，/>表示探测器108连续采集两次数据时所每间隔的角度。
步骤303可以包括基于第i+s视角时探测器第j+t通道的信号，确定第i视角时探测器第j通道对应的等效投影值。所述第i视角时探测器第j通道对应的等效投影值表示数据采集设备在进行第i视角扫描时，从等效平面上的一个等效点向探测器第j通道发出的等效散射线所在路径上目标物体的投影值。在一些实施例中，第i+s视角时探测器第j+t通道的信号可以与第i+s视角时探测器第j+t通道对应的的真实投影值相关。所述第i+s视角时探测器第j+t通道对应的的真实投影值表示数据采集设备在进行第i+s视角扫描时，射线源向探测器第j+t通道发出的主射线所在路径上目标物体的投影值。处理设备104可以通过获取第i+s视角时探测器第j+t通道的信号，确定第i+s视角时探测器第j+t通道对应的的真实投影值。基于第i+s视角时探测器第j+t通道对应的的真实投影值，处理设备104可以确定第i视角时探测器第j通道对应的等效投影值。关于确定第i视角时探测器第j通道对应的等效投影值的具体描述可以参见本申请其他部分，例如图4及其描述。
步骤304可以包括基于第i视角时探测器第j通道对应的等效投影值和第i视角时探测器第j通道上的信号，确定第i视角探测器第j通道上的真实信号。所述真实信号表示数据采集设备在进行第i视角扫描时，探测器第j通道获取的射线源发出的主射线的信号。结合等式（1），所述真实信号可以由等式（2）确定：
（2）
其中，表示第i视角时探测器通道/>上的主射线形成的信号，/>表示探测器通道/>上的信号（即主射线和杂散射线共同形成的信号），/>表示从等效平面上的等效点/>向探测器通道j发射的等效散射线所在路径上目标物体的投影值（即第i视角时探测器第j通道对应的等效投影值），/>可以在步骤303中获得。/>表示从等效平面上的一个等效点/>发射的等效散射线在探测器通道/>的分布。在一些实施例中，/>可以通过一种或多种模拟算法获得，例如，蒙特卡罗模拟算法。在一些实施例中，/>可以通过实验的方式获得。
步骤305可以包括基于第i视角探测器第j通道的真实信号，重建图像。在一些实施例中，处理设备104可以根据等式（2）获得数据采集设备在进行某一视角扫描时，获取探测器中一个或多个通道的真实信号。在一些实施例中，处理设备104可以根据等式（2）获得数据采集设备对多个视角逐一扫描时，分别获取探测器中一个或多个通道的真实信号。在一些实施例中，处理设备104可以根据等式（2）获得数据采集设备对所有视角进行扫描时，分别获取探测器中所有通道的真实信号。
基于获取的真实信号，处理设备104可以重建图像。对于不同类型的信号处理设备104可以采用不同的重建方法进行重建。所述信号可以包括但不限于CT信号、PET信号、MRI信号等。典型的CT重建算法包括滤波反投影重建算法、Radon反演算法、一元函数的Hilber变换算法、迭代重建算法等。典型的PET重建算法包括最大期望值法（expectationmaximization, EM）、有序子集最大期望值法（ordered subset expectationmaximization, OSEM）、共轭梯度法（conjugate gradient）、最大后验估计法（maximum aposteriori）等。典型的MRI重建算法包括傅里叶重建算法、迭代重建算法等。处理设备104可以将重建的图像通过输入/输出界面105发送至用户。
在一些实施例中，处理设备105可以通过获取重建的图像（例如，CT图像），并将获取的图像投影为正弦投影数据，然后进行杂散射线的校正。
图4是本发明的确定第i视角时探测器第j通道对应的等效投影值的示意图。射线源401-1发出的放射性射线包括主射线和杂散射线。所述主射线可以透过目标物体（图中未示出），最终到达第一探测器404-1。所述杂散射线可以由射线源401-1发出的射线经射线滤过板、形状滤过板、X射线球管内的射线窗和/或准直器散射而形成。所述杂散射线可以从X-Y平面内的多个点（除去射线源所在的点）出发，透过目标物体，最终达到探测器401-1。在一些实施例中，所述杂散射线可以等效于从等效平面402上的一个或多个等效点发出的等效散射线。所述等效散射线所经过的路径可以通过获取另一射线源所发出的主射线的路径而获得。在一些实施例中，从等效平面402上的一个等效点发出的等效散射线经过的路径与另一射线源发出的主射线所经过的路径重合或部分重合。例如，从等效点403发出的射线经过第一路径406，被第一探测器404-1中的第一通道405-1接收。等效射线源401-2发出的主射线经过第二路径407，到达第二探测器404-2中的第二通道405-2。第一路径406和第二路径407重合或部分重合。在一些实施例中，当等效平面402距离射线源401-1有一定距离时，第一路径406和第二路径407部分重合。
在一些实施例中，射线源401-1和等效射线源401-2为同一射线源。第一探测器404-1和第二探测器404-2为同一探测器。第i视角切换至第i+s视角时，等效射线源401-2可以由射线源401-1绕Z轴旋转而获得。第二探测器404-2可以由第一探测器404-1同步于射线源401-1进行旋转而获得。在第i视角时，等效平面402上的等效点403发出的等效散射线经过第一路径406，被探测器401-1中的第j通道接收。处于第i+s视角时，射线源401-1（此时射线源401-1已旋转至401-2所示位置）发出的主射线经过第二路径407被第一探测器404-1（此时第一探测器404-1已旋转至图中404-2所示位置）中的第j+t通道接收。第一路径406和第二路径407重合或部分重合。在一些实施例中，视角i、等效点403和通道j确定的情况下，处理设备104可以通过获取机架109和探测器108上各通道的位置，确定s和t的值。
由于第一路径406和第二路径407重合或部分重合，因此，处于第i视角时，等效点403向探测器中的第j通道发出的等效散射线所在路径上的投影值可以通过获取第i+s视角时，由射线源401-1向探测器中的第j+t通道发出的主射线所在路径上的投影值而获得。在一些实施例中，处于第i视角时，等效点403向探测器中的第j通道发出的等效散射线所在路径上的投影值与第i+s视角时由射线源401-1向探测器中的第j+t通道发出的主射线所在路径上的投影值相同。所述第i+s视角时由射线源401-1向探测器中的第j+t通道发出的主射线所在路径上的投影值可以是处理设备104获取的第i+s视角时探测器第j+t通道的探测信号。
图5A是本发明的未校正杂散射线的CT图像。图5B是本发明的校正杂散射线后重建的CT图像。在一些实施例中，图5B是基于本发明公开的方法（流程300中所述方法）获得的人体CT图像。对比图5A和图5B，可以看出基于本发明公开的方法获得的CT图像中肩部锁骨处（图中箭头所示的区域）由于散射产生的伪影得以改善。
以上所述仅为本发明的优选实施而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种校正杂散射线的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取探测器第一通道上的第一信号，以及第二通道上的第二信号；其中，所述第一通道对应于所述探测器的第一视角，所述第二通道对应于所述探测器的第二视角，所述第二视角通过至少部分获取探测器各通道的位置而确定；
基于所述第二信号，确定散射线在所述探测器第一通道的第一投影值，所述第一投影值与射线源向所述第二通道发出的主射线所在路径投影值相同；以及
基于所述第一信号和第一投影值，确定所述主射线在所述探测器第一通道上的第二投影值，所述第一信号由所述探测器第一通道上的散射线信号和所述主射线在所述探测器第一通道上的主射线信号组成。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一信号和第一投影值，确定主射线在所述探测器第一通道上的第二投影值包括：
至少基于所述第一投影值确定所述散射线信号；
基于所述第一信号和所述散射线信号确定所述主射线信号；以及
基于所述主射线信号确定所述主射线在所述探测器第一通道上的第二投影值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
确定散射线在所述探测器第一通道上的第一分布值；以及
基于所述第一信号、第一分布值和第一投影值，确定主射线在所述探测器第一通道上的第三信号，其中，所述第一分布值通过蒙特卡罗方法或实验的方式获得。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一信号、第一分布值和第一投影值，确定主射线在所述探测器第一通道上的第三信号包括：
基于所述第一分布值和所述第一投影值确定所述探测器第一通道上的所述散射线信号；
将所述第一信号与所述散射线信号相减，得到所述探测器第一通道上的所述第三信号。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述主射线来自X射线球管。
6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述散射线由X射线球管内的射线窗、射线滤过板、形状滤过板、准直器中的至少一个对射线源所产生的射线进行散射而形成。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述射线过滤板用于减少或消除来自所述射线源的射线中的至少部分成分，所述形状滤过板用于允许来自所述射线源的至少部分角度的射线通过。
8.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述探测器包括单排CT探测器或多排CT探测器。
9.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
确定所述探测器所有通道的第二投影值；以及
至少基于部分所述探测器所有通道的第二投影值，重建CT图像。
10.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一信号和/或第二信号通过所述探测器采集获得或对至少一个重建的CT图像进行正投影获得。
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