CN113229840A - 一种口腔cbct拍摄图像运动补偿重建方法 - Google Patents

Abstract

一种口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建方法，包括如下步骤：安装CBCT装置并获取拍摄的采集图像数据，分割标定投影标记点；对数据进行运动轨迹解析是否符合所需平面内运动轨迹；计算运动补偿标记物在未运动时的理想坐标；计算运动后标记点的偏移坐标；计算物体的运动参数；通过拓逆投影矩阵修正投影图像；重复步骤S3，进行判断；重建得到无运动感伪影的图像；作为最后输出图像；完成最优质的重建图像，有效输出因临床拍摄当中患者抖动和不自主移动造成的运动伪影图像，避免患者多次扫描而接受更多的X射线照射剂量、保障临床应用最佳重建图像及缩减拍摄时间，进一步提升了拍摄成功率及工作效率。

Description

一种口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建方法

技术领域

本发明涉及医疗影像领域，具体涉及一种口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建方法。

背景技术

口腔CBCT(Cone beam CT的简称，是口腔颌面锥形束计算机体层摄影设备)广泛应用于口腔颌面外科、正畸科、正颌外科、种植科、牙体牙髓科、牙周科等。口腔CBCT它具有辐射剂量低、高清晰的图像、合理的成像范围等特点，是目前牙科应用最广的口腔影像检查设备，为临床多学科诊断、评估提供更直观、准确的影像资料信息。但口腔CBCT设备在患者摄影完整的过程中需要十几秒到几十秒的时间，在摄影过程中，较多患者会因紧张头颅容易轻微晃动以及身体不自主控制的抖动，从而影响拍摄投影重建后数据的一致性，对重建图像表现出模糊不清或多重影像，这种称之为运动伪影。运动伪影对临床诊断产生极大的干扰。因此，如何弥补或有效的解决摄影过程因运动造成重建图像不清晰是目前急需解决的问题之一。目前国内外牙科CBCT口腔摄影设备在检查时通常采用的是一个下颌支撑部件和两侧支架支撑头部或者下颌支撑部件和牙齿咬合部件两个部分而组成,其一下颌支撑部件主要支撑下颌同时也有防止患者上下移动的作用，两侧支撑头部使头部摆正作用，其二牙齿咬合部件起固定作用。显然现有的摄影设备在检查时使用的固定结构不仅左右、前后方向定位效果不佳且完全控制不到患者拍摄过程中头部其他方向的运动，两侧支撑头部部件对材料要求高且强度不足以满足患者头颅左右摆动固定，实际临床的事实也证明了这一点，经常在拍摄的过程中患者的、晃动抖动和不自主移动对拍摄后的影像存在模糊、伪影等缺陷，尤其是儿童或肢体不受自控患者，下颌支撑或头部固定夹无法完全控制患者抖动和不自主移动，对拍摄结果和诊断带来了及其大的困扰。

发明内容

本发明目的是为了解决上述现有技术不足，提供一种口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建装置、方法。可应用于CBCT对受检者进行扫描拍摄过程中因运动而造成图像模糊及运动伪影，能有效的保证重建图像质量同时，且避免患者多次扫描而接受更多的X射线照射剂量，同时进一步提升了拍摄成功率及工作效率。具体包括如下步骤：

S1、安装CBCT拍摄运动补偿标定装置；

S2、获取CBCT拍摄的采集图像数据，分割标定投影标记点；

S3、对有标定物体的采集图像数据进行运动轨迹解析是否符合所需平面内运动轨迹；

S4、由未发生运动时的投影计算运动补偿标记物在未运动时的理想坐标；

S5、通过运动补偿标记物在运动过程中相对距离刚体不变性来优化计算运动后标记点的偏移坐标；

S6、利用标记点的理想坐标与偏移坐标计算物体的运动参数；

S7、利用运动参数修正发生运动的投影图像，通过拓逆投影矩阵修正投影图像；

S8、重复步骤S3，判断是否还表现出运动，若是，则再次从步骤S3开始，若不是则进行步骤S9；

S9、利用修正后投影图像替换原有投影数据重建得到无运动感伪影的图像。

S10、重建后的图像作为最后输出图像。

进一步地，步骤S1中，所述CBCT拍摄运动补偿标定装置，是由外表材料采用对X射线衰减较低的低密度的碳纤维或塑胶材料，所述CBCT拍摄运动补偿标定装置内部镶有X射线照射下对比度高的球状或粒状材质。

进一步地，所述步骤S2具体为：对有标定物体进行存在运动的CBCT拍摄，获取投影图像数据，并通过基于特定阈值的区域生长标定投影数据中的运动补偿标记点。

进一步地，所述S4步骤中，具体为：选择未发生运动时的那些投影图像，利用对应同一标记点的不同投影点与原点的连线交点即为其标记点坐标，来获取标记点在未运动时的理想坐标。

进一步地，所述步骤S5中，具体为：利用平行近似计算运动后，首先找到位移标记的近似位置，再通过迭代数值优化技术来估计已移动标记的新位置，该迭代数字优化技术使标记位置之间的已知相对距离与估计标记位置之间的相对距离之间的差异最小。

进一步地，所述步骤S6中，具体为：利用投影矩阵通过标记点的理想坐标与偏移坐标计算物体的运动参数，具体参数为共计六个自由度的运动的旋转参数和平移参数。

上述CBCT摄影过程中重建图像运动补偿重建装置、方法，在扫描成像过程中，先通过由外表材料采用符合生物兼容性低密度的碳纤维或塑胶材料材质，内部镶有X射线照射下对比度较高材质，如钢珠、铝的人体工学耳塞式标定装置，通过CBCT摄影运动过程中形成扫描运动轨迹，基于图像获取扫描数据，进而对带有标定物图像进行运动轨迹解析，在解析同时对有偏差运动估计进行插值，从而完成最优质的重建图像，有效输出因临床拍摄当中患者抖动和不自主移动造成的运动伪影图像，避免患者多次扫描而接受更多的X射线照射剂量、保障临床应用最佳重建图像及缩减拍摄时间，进一步提升了拍摄成功率及工作效率。

附图说明

图1为本发明CBCT图像采集及补偿重建的方法流程图；

图2为本发明标记物投影示意图；

图3为本发明标记物位移投影示意图。

具体实施方式

为了使本发明目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此描述的具体实施举例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参阅附图1并结合参阅附图2、三，为本发明的CBCT图像采集及补偿重建的方法流程图及标记物投影示意图、标记物位移投影示意图，一种口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建方法的具体实施，可以包括以下步骤：

步骤1，安装CBCT拍摄运动补偿标定装置，基于CBCT设备获取采集数据。

具体的，本发明采用CBCT设备对受检查者进行旋转扫描拍摄，患者拍摄时采用如下图2所示耳塞式定位装置，此装置内镶有两颗钢珠，同步获得带有此定位装置的采集图像数据。它使用四个标记来估计运动的旋转和平移参数(六个自由度)。标记的数量及其线性独立性是找到运动参数的两个必要条件。

步骤2，获取CBCT设备拍摄的采集图像数据，分割标定投影标记点。

具体的，由于标记物选用高密度材料，通过基于特定阈值的区域生长很容易标定出投影数据中的运动补偿标记点。

步骤3，对有标定物体的采集图像数据进行运动轨迹解析是否符合所需平面内运动轨迹。具体的，运动检测背后的想法源自这样一个事实，即相邻投影之间的相关系数非常高，仅以相距1°的步长来获取。如果所研究的对象遭受任何类型的运动，则一些相邻投影的相关系数的值将根据运动的量和位置而降低。使用以下等式(1)，我们计算了无运动情况以及平移，旋转和组合运动损坏情况的相关系数。

其中，m,n为图像像素点位置序号，I_mn＝R_β(t，r)且I′_mn＝R_β+1(t，r)，

与

分别为I_mn与I′_mn的均值。

步骤4，由未发生运动时的投影计算运动补偿标记物在未运动时的理想坐标。

具体的，对于某一标记点，将各投影位置标记点的投影点与射线源点连线，由于标记点还未发生运动，各连线的交点即为此标记点的理想空间坐标。

步骤5，通过运动补偿标记物在运动过程中相对距离刚体不变性来优化计算运动后标记点的偏移坐标。

具体的，一旦检测到运动的位置，就可以使用以下基于四个标记的技术来估计头部运动的六自由度(三个平移和三个旋转参数)。首先，标记的数量及其线性独立性是找到运动参数的两个必要条件，如图2所示，标记钢珠的空间坐标(x_iy_iz_i，i＝1,2,3,4)及其对应的投影的空间坐标

在检测板上的无运动理想情况是众所周知的。如果在CT扫描期间发生任何头部运动，则标记及其相应的投影将偏离其理想位置，其中(x′_iy′_iz′_i，i＝1,2,3,4)和

是偏离后标记及其相应投影坐标。由于刚体的结构，方程(2)和(3)将始终保持恒定。标记物的投影的新位置从检测器板上是已知的，但是标记物的新位置是未知的。在该提出的系统中，通过迭代数值优化技术来估计已移动标记的新位置，该迭代数字优化技术使标记位置之间的已知相对距离与估计标记位置之间的相对距离之间的差异最小。

其中i＝1,2,3与j＝2,3,4,且j＞i。

通过阈值分割与图形学运算，可以轻松找到检测器板上的标记投影坐标

一旦知道了标记点的投影空间坐标，我们就可以应用以下数值优化步骤来估算运动后的点的空间坐标。数值优化技术的第一步是找到偏移的标记的近似位置(x″_iy″_iz″_i，i＝1，2，3，4)。求移位标记的近似位置的广义公式由(4)给出：

其中，

i＝1,2,3,4；

K_i1＝(x² _i+y² _i+z² _i)²；

其中，SDD是源与检测器之间的距离。找到近似的标记位置(x″_iy″_iz″_i，i＝1,2,3,4)之后, 我们需要使用公式(5)计算它们之间的相对距离d″_ij：

其中i＝1,2,3与j＝2,3,4,且j＞i。

如果这些相对距离d″_ij接近d_ij(理想标记位置之间的相对距离)，则我们的近似值很好。否则，我们需要沿着相应的偏移线改变近似标记的位置，以使它们的相对距离变得非常接近理想距离d_ij，即

步骤6，利用标记点的理想坐标与偏移坐标计算物体的运动参数。

具体的，找到偏移的标记位置(x′_iy′_iz′_i)之后，我们可以轻松地从以下公式(7)中提取运动参数：

其中，

运动参数(即六个运动的自由度)分别为绕x轴旋转角度α，绕y轴旋转角度β，绕z轴旋转角度γ，及沿各轴平移t_x，t_y，t_z。

由于标记坐标对于任何形式的练习头运动都是线性独立的，因此(7)的解将始终存在。在找到运动的位置(即在CT扫描期间发生运动的源检测器位置)和头部运动的参数之后，利用运动参数修改FDK算法实现减轻重建过程中的运动伪影。

步骤7，利用运动参数修正发生运动的投影图像，通过拓逆投影矩阵修正投影图像。

具体的，利用运动参数修正发生运动位置对应的投影图像，通拓逆投影矩阵修正投影图像。步骤8，重复步骤S3，判断是否还表现出运动，若是，则再次从步骤S3开始，若不是则进行步骤S9。

步骤9，利用修正后投影图像替换原有投影数据重建得到无运动感伪影的图像。

具体的，本步骤利用通用FDL算法进行。

步骤10，重建后的图像作为最后输出图像。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进以及变形，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、安装CBCT拍摄运动补偿标定装置；

S2、获取CBCT拍摄的采集图像数据，分割标定投影标记点；

S3、对有标定物体的采集图像数据进行运动轨迹解析是否符合所需平面内运动轨迹；

S4、由未发生运动时的投影计算运动补偿标记物在未运动时的理想坐标；

S5、通过运动补偿标记物在运动过程中相对距离刚体不变性来优化计算运动后标记点的偏移坐标；

S6、利用标记点的理想坐标与偏移坐标计算物体的运动参数；

S7、利用运动参数修正发生运动的投影图像，通过拓逆投影矩阵修正投影图像；

S8、重复步骤S3，判断是否还表现出运动，若是，则再次从步骤S3开始，若不是则进行步骤S9；

S9、利用修正后投影图像替换原有投影数据重建得到无运动感伪影的图像。

S10、重建后的图像作为最后输出图像。

2.根据权利要求1所述的口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建方法，其特征在于，步骤S1中，所述CBCT拍摄运动补偿标定装置，是由外表材料采用对X射线衰减较低的低密度的碳纤维或塑胶材料，所述CBCT拍摄运动补偿标定装置内部镶有X射线照射下对比度高的球状或粒状材质。

3.根据权利要求1所述的口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：对有标定物体进行存在运动的CBCT拍摄，获取投影图像数据，并通过基于特定阈值的区域生长标定投影数据中的运动补偿标记点。

4.根据权利要求1所述的口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建方法，其特征在于，所述S4步骤中，具体为：选择未发生运动时的那些投影图像，利用对应同一标记点的不同投影点与原点的连线交点即为其标记点坐标，来获取标记点在未运动时的理想坐标。

5.根据权利要求1所述的口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建方法，其特征在于，所述步骤S5中，具体为：利用平行近似计算运动后，首先找到位移标记的近似位置，再通过迭代数值优化技术来估计已移动标记的新位置，该迭代数字优化技术使标记位置之间的已知相对距离与估计标记位置之间的相对距离之间的差异最小。

6.根据权利要求1所述的口腔CBCT拍摄图像运动补偿重建方法，其特征在于，所述步骤S6中，具体为：利用投影矩阵通过标记点的理想坐标与偏移坐标计算物体的运动参数，具体参数为共计六个自由度的运动的旋转参数和平移参数。

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