CN113303820B - 紧凑型ct探测器图像重建方法、重建装置和存储介质 - Google Patents

紧凑型ct探测器图像重建方法、重建装置和存储介质 Download PDF

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CN113303820B CN202110599730.8A CN202110599730A CN113303820B CN 113303820 B CN113303820 B CN 113303820B CN 202110599730 A CN202110599730 A CN 202110599730A CN 113303820 B CN113303820 B CN 113303820B
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Abstract

本发明公开了一种紧凑型CT探测器图像重建方法、重建装置和存储介质，方法包括步骤：使用紧凑型探测器对病床上的待检测对象进行圆周扫描或螺旋扫描，获得初始投影数据；通过数据重排将初始投影数据重排成传统探测器采样；对重排后的投影数据进行加权处理；对经过加权处理的加权投影数据进行滤波；对滤波后的投影数据进行加权反投影，得到重建图像。本发明通过数据重排将初始投影数据重排成传统探测器采样，改变原始滤波反投影重建算法的预加权和加权反投影权重，在保证滤波反投影高效率重建的性能基础上，有效抑制伪影，提升重建图像的质量。本发明有助于减小CT移动系统的体积，以及紧凑型探测器在临床科室以及重症监护室的推广应用。

Description

紧凑型CT探测器图像重建方法、重建装置和存储介质
技术领域
本发明涉及医学成像技术领域，具体涉及一种紧凑型CT探测器图像重建方法、重建装置和存储介质。
背景技术
传统的固定CT系统体积较大，一般放在特定的CT室且固定在地面上，这给CT系统的使用带来了很大限制。如果要将重危病人送到CT室进行扫描检查，则非常危险， 因为转送病人到CT室时需要暂停各种重要的生理监测和一些抢救设备的使用， 可能导致并发症或加重患者病情；但若不及时进行CT扫描检查又有延误诊断的危险。近年来推出了移动CT系统，整个CT系统能够自主移动，尤其适合在重症监护室中使用。移动CT系统通过自主移动的机架来实现对患者的扫描，在呼吸、消化、骨科和心内科等临床科室的手术中都可以用到，ICU收益更大。由于ICU病房和手术室设备多、人员多，所以要求CT系统体积小、质量轻和便于灵活操控。
传统探测器结构包括探测器外壳和探测器模块。探测器外壳是由顶盖板、底板、内弧形板和外弧形板组成的弧形腔体，内弧形板开设有入射窗口，多个探测器模块沿弧线方向排列于弧形腔体内，顶盖板开设有进风口；底板开设有出风口，出风口设有风扇；探测器模块包括探测器单元和模块支架，探测器单元贴近顶盖板并固定于模块支架上部，模块支架下部固定于出风口靠近内弧形板一侧的底板。这种设计使探测器模块的X光探测阵列离探测器外壳的顶部边缘有较大的距离，不可能实现紧凑设计的要求。在申请号为202010483599 .4的参考文献1中，提出了一种用于头部CT系统的CT探测器，能有效解决紧凑性要求的限制，如图3所示，为实现更紧凑的结构，多个探测器模块中，靠近边缘位置的探测器模块可以向球管焦点偏移，安装在离球管焦点更近的位置。探测器靠近边缘的模块安装在距球管焦点更近的位置，其在探测器底板上的定位和固定方式和中间模块一致。在CT系统其他部件允许的条件下，这样的设计可以实现更小的系统机架外径，使整个系统更紧凑轻巧。
传统3D滤波反投影重建方法，首先对投影数据加权滤波，然后再加权反投影，一般仅适用于探测器模块沿着以球管焦点为圆心的弧线排列的模式，直接用于如图3所示紧凑型探测器或其它紧凑型结构的探测器将产生明显的伪影。
发明内容
技术目的：为解决上述技术问题，本发明公开了一种CT图像三维滤波反投影重建方法，通过数据重排将初始投影数据重排成传统探测器采样，改变原始滤波反投影重建算法的预加权和加权反投影权重，能够适用于紧凑型CT探测器，在保证滤波反投影高效率重建的性能基础上，更正前重建图像的结构尺寸和CT值，正确重建出图像的结构，并有效抑制伪影，明显提升图像质量。
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：
一种紧凑型CT探测器图像重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用紧凑型探测器对病床上的待检测对象进行圆周扫描或螺旋扫描，获得初始投影数据；紧凑型探测器是以球管焦点和旋转中心的连线上点为圆心的弧形结构，传统探测器是以球管焦点为圆心的弧形结构；
S2、对投影数据进行加权处理，获得加权投影数据；
S3、对经过加权处理的加权投影数据进行滤波；
S4、对滤波后的投影数据进行加权反投影，得到重建图像；
在步骤S2中按以下公式进行加权处理：
Figure 718589DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，
Figure 260429DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 784644DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 615197DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 123538DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，
Figure 723147DEST_PATH_IMAGE006
为投影角，在角度
Figure 658742DEST_PATH_IMAGE006
位置获得的探测器投影为
Figure 773328DEST_PATH_IMAGE007
，R为传统探 测器中圆心即球管焦点到旋转中心的距离，
Figure 23044DEST_PATH_IMAGE008
为传统探测器的半径，即球管焦点到探测 器的距离，
Figure 290209DEST_PATH_IMAGE009
为传统探测器中投影射线与中心射线形成的扇角；
Figure 334388DEST_PATH_IMAGE010
为紧凑型探测器中的半径，即虚拟焦点到探测器的距离，
Figure 201850DEST_PATH_IMAGE011
为虚拟焦点到 旋转中心的距离，
Figure 989677DEST_PATH_IMAGE012
表示球管焦点到紧凑型探测器的距离，
Figure 626195DEST_PATH_IMAGE013
为旋转中心到紧凑型探测器 的距离，
Figure 638013DEST_PATH_IMAGE014
表示紧凑型探测器中投影射线与中心射线形成的扇角，
Figure 930454DEST_PATH_IMAGE015
表示探测器在z方向 的坐标，z方向为病床沿扫描机架移动的方向，
Figure 69443DEST_PATH_IMAGE016
表示中间变量。
优选地，所述步骤S3中，对加权投影数据
Figure 498150DEST_PATH_IMAGE017
沿着紧凑型探测器row方 向滤波，得到滤波后的投影
Figure 212028DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 726186DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure 918133DEST_PATH_IMAGE020
为滤波器。
优选地，所述步骤S4中，对滤波后的投影
Figure 466926DEST_PATH_IMAGE018
进行加权反投影：
Figure 820547DEST_PATH_IMAGE021
其中：
Figure 635050DEST_PATH_IMAGE022
Figure 568371DEST_PATH_IMAGE023
Figure 33988DEST_PATH_IMAGE024
Figure 761772DEST_PATH_IMAGE025
Figure 312839DEST_PATH_IMAGE026
Figure 784272DEST_PATH_IMAGE027
为重建点的坐标，
Figure 104395DEST_PATH_IMAGE028
为重建点的加权反投影，
Figure 268660DEST_PATH_IMAGE029
为射线源到重建点在旋转平面内的距离，
Figure 789247DEST_PATH_IMAGE030
为紧凑型探测器中 重建点扇角，
Figure 861108DEST_PATH_IMAGE031
为投影角度
Figure 239000DEST_PATH_IMAGE006
时，过重建点在旋转平面球管焦点到紧凑型探测 器的距离，
Figure 370904DEST_PATH_IMAGE032
为重建点在探测器z方向的位置。
优选地，所述步骤S2中在对投影数据进行加权处理前，先对投影数据进行数据重排，将紧凑型探测器采集到的数据重排成传统探测器采样数据，然后再进行加权处理；重排公式如下：
Figure 834246DEST_PATH_IMAGE033
Figure 709798DEST_PATH_IMAGE034
为重排后的投影，
Figure 942196DEST_PATH_IMAGE035
为紧凑型探测器所采集到的投影； 其中，
Figure 261313DEST_PATH_IMAGE036
为紧凑型探测器的扇角，
Figure 946373DEST_PATH_IMAGE037
为紧凑型 探测器z方向的位置，
Figure 360036DEST_PATH_IMAGE038
为扇角为
Figure 509258DEST_PATH_IMAGE039
时球管焦点到 紧凑型探测器的距离。
优选地，所述步骤S2中，紧凑型探测器的z方向排列与传统探测器一致，xz平面为病床所在平面，xy平面为探测器旋转方向所在的平面，y方向垂直于xz平面。
优选地，所述紧凑型探测器中，探测器模块向球管焦点偏移；紧凑型探测器的圆心 即虚拟焦点到探测器的距离为
Figure 186227DEST_PATH_IMAGE040
，圆心即虚拟焦点到旋转中心的距离为
Figure 420899DEST_PATH_IMAGE041
，分别小于对 应的传统探测器中的半径即球管焦点到探测器的距离
Figure 575937DEST_PATH_IMAGE042
、圆心即球管焦点到旋转中心的 距离R。
一种重建装置，其特征在于，包括：
CT扫描模块，使用紧凑型探测器对病床上的待检测对象进行圆周扫描或螺旋扫描，获得初始投影数据；
加权模块，对投影数据进行加权处理；
滤波模块，对经过加权处理的加权投影数据进行滤波；
加权反投影模块，对滤波后的投影数据进行加权反投影，得到重建图像；
在加权模块中按以下公式进行加权处理：
Figure 595977DEST_PATH_IMAGE001
Figure 443847DEST_PATH_IMAGE002
Figure 165815DEST_PATH_IMAGE003
Figure 921282DEST_PATH_IMAGE004
Figure 717200DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，
Figure 798288DEST_PATH_IMAGE006
为投影角，在角度
Figure 945236DEST_PATH_IMAGE006
位置获得的探测器投影为
Figure 520705DEST_PATH_IMAGE007
，R为传统探 测器中圆心即球管焦点到旋转中心的距离，
Figure 436708DEST_PATH_IMAGE008
为传统探测器的半径，即球管焦点到探测 器的距离，
Figure 423118DEST_PATH_IMAGE009
为传统探测器中投影射线与中心射线形成的扇角；
Figure 57362DEST_PATH_IMAGE010
为紧凑型探测器中的半径，即虚拟焦点到探测器的距离，
Figure 420210DEST_PATH_IMAGE011
为虚拟焦点到 旋转中心的距离，
Figure 253037DEST_PATH_IMAGE012
表示球管焦点到紧凑型探测器的距离，
Figure 348032DEST_PATH_IMAGE013
为旋转中心到紧凑型探测器 的距离，
Figure 279692DEST_PATH_IMAGE014
表示紧凑型探测器中投影射线与中心射线形成的扇角，
Figure 383914DEST_PATH_IMAGE015
表示探测器在z方向 的坐标，z方向为病床沿扫描机架移动的方向，
Figure 71247DEST_PATH_IMAGE016
表示中间变量。
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，实现所述的紧凑型CT探测器图像重建方法。
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CT图像三维滤波反投影重建方法，适用于紧凑型CT探测器，能够解决紧凑型CT重建问题，更正前重建图像的结构尺寸和CT值，正确重建出图像的结构，并有效抑制伪影，有助于减少CT移动系统的体积和质量，方便紧凑型探测器在呼吸、消化、骨科和心内科等临床科室，以及重症监护室的推广应用。
附图说明
图1为移动CT系统的俯视和侧视结构示意图；
图2为CT扫描系统的几何结构示意图；
图3为紧凑型探测器使用时的结构示意图；
图4为紧凑型探测器的投影示意图；
图5为图4的部分分解图一；
图6为图4的部分分解图二；
图7为使用传统探测器与紧凑型探测器的得到的重建图像对比图；
图8为传统探测器和两种紧凑型探测器柱面方向的示意图；
图9为采用传统探测器的CT系统的柱面方向的示意图；
图10为本发明紧凑型CT探测器图像重建方法的示意图；
其中，1-机架外壳；2-机架孔；3-球管焦点，7-底板，11-探测器模块。
具体实施方式
如图1所示，移动CT系统是通过自主移动的机架来实现对患者的扫描。移动CT系统通常采用步进圆周扫描或者螺旋扫描方式。步进圆周扫描，即机架扫描一圈，然后机架整体移动一个探测器覆盖的距离，通常在2-4cm之间。螺旋扫描方式，即在机架旋转的过程中，机架也在沿着病床的方向移动。机架的运动或者平移可以通过固定在机架上的导轨，或者机架自身的轮子的驱动轮来实现。
CT扫描的几何结构如图2所示，X射线源和探测器P相对，围绕着物体f沿着一定的 轨道旋转，一般可以是螺旋和圆形扫描轨道。
Figure 399460DEST_PATH_IMAGE043
为投影角，k为锥角，在扫描的过程中，在每 个角度
Figure 742717DEST_PATH_IMAGE043
位置， X射线穿过不同形状及组成的物体对射线的衰减强度不一样，衰减之后的 信号到达探测器，探测器采集一个角度的投影数据
Figure 712947DEST_PATH_IMAGE044
。CT系统通过特定的轨道，经过N个角 度扫描物体，采集得到完整的扫描数据。
传统3D滤波反投影重建方法，首先对投影数据加权滤波，然后再加权反投影，其公式如下：
Figure 458049DEST_PATH_IMAGE045
Figure 973475DEST_PATH_IMAGE046
其中：
Figure 804028DEST_PATH_IMAGE047
Figure 46790DEST_PATH_IMAGE048
Figure 708716DEST_PATH_IMAGE049
其中R为射线源到旋转中心的距离，
Figure 581994DEST_PATH_IMAGE043
为投影角，
Figure 962160DEST_PATH_IMAGE050
为射线与中心射线形成的扇 角，q为探测器z方向的坐标，
Figure 946296DEST_PATH_IMAGE051
为一个角度下的投影，
Figure 479040DEST_PATH_IMAGE052
为滤波器。
传统的探测器的结构都是以球管的焦点为圆心的一个弧面上的排布，通常叫做柱面探测器，这样的好处是更加符合经典的CT重建理论，等角扫描数据的CT重建，但是这种不利的地方就是探测器的尺寸有限制，会增大机架整体的尺寸。
本发明提出的紧凑型探测器设计及其非等角重建技术，其探测器不一定排布在以球管为焦点的圆柱面上，或者都不是柱面的形式，如图8和图9所示。这样设计的目的在于，仅仅在增加比较小的计算代价的情况下，就可以获得同样的图像质量和更小的机架尺寸。本发明可采用非等角CT重建方法，根据紧凑型CT探测器的结构与传统CT探测器结构的相对位置关系以及投影数据之间的关系，通过改变原始滤波反投影重建算法的预加权和加权反投影权重，在保证滤波反投影高效率重建的性能基础上，解决紧凑型CT探测器因柱面上结构的变化扫描得到非等角投影数据，不适用于传统重建算法的问题。通过本发明的方法能够正确重建出图像的结构，并有效抑制伪影，明显提升图像质量。
本发明提出一种适用于紧凑型CT的重建方法，能够解决紧凑型CT重建问题，重建过程与滤波反投影一致，即预加权，滤波，和加权反投影。本发明改变原始滤波反投影重建算法的预加权和加权反投影权重，在保证滤波反投影高效率重建的性能基础上，明显提升图像质量。
例如，紧凑型CT的探测器可以如图4、图5和图6所示排列：探测器z方向排列与传统 探测器一致，xy平面内底部弧形实线表示紧凑型探测，底部弧形虚线表示传统探测器。传统 探测器以球管焦点A为圆心，呈弧形排列，半径为
Figure 523219DEST_PATH_IMAGE053
，焦点到旋转中心的距离为R。紧凑型 探测器以虚拟焦点B为圆心呈弧形排列，半径为
Figure 390681DEST_PATH_IMAGE054
，圆心到旋转中心的距离为
Figure 178509DEST_PATH_IMAGE055
。
本发明的修改加权方法具体步骤如下：
1、在角度
Figure 815026DEST_PATH_IMAGE043
位置探测器投影为
Figure 826845DEST_PATH_IMAGE056
，则其加权投影为：
Figure 853706DEST_PATH_IMAGE057
其中：
Figure 258274DEST_PATH_IMAGE058
为球管焦点到紧凑型探测器的距离，
Figure 686981DEST_PATH_IMAGE059
Figure 135280DEST_PATH_IMAGE060
为旋转中心到紧凑型探测器的距离，
Figure 915017DEST_PATH_IMAGE061
表示 中间变量；
Figure 106964DEST_PATH_IMAGE062
Figure 390178DEST_PATH_IMAGE063
2、对加权投影沿着探测器row方向滤波，得到滤波后的投影：
Figure 274958DEST_PATH_IMAGE064
row表示“排”，就是CT探测器在Z轴方向的物理排列数目，是一种反映CT硬件结构的参数。
3、加权反投影：
Figure 276412DEST_PATH_IMAGE065
其中：
Figure 754273DEST_PATH_IMAGE066
为射线源到 重建点在旋转平面内的距离，
Figure 954310DEST_PATH_IMAGE067
为重 建点扇角。
Figure 947674DEST_PATH_IMAGE068
为射线源到探测器的距离。
Figure 498741DEST_PATH_IMAGE069
为重建点z方 向位置。
Figure 970174DEST_PATH_IMAGE070
图7中的左图为直接使用紧凑型探测器获得的重建图像，右图为使用本发明方法得到的重建图像。从图7可以看出，更正前重建图像的结构尺寸和CT值都发生明显改变，同时存在严重的伪影，新的重建方法能正确重建出图像的结构，并抑制伪影。
如图10所示，紧凑型CT探测器的图像重建，对投影数据进行加权处理前，可先对投影数据进行数据重排rebin，也就是插值的过程，将紧凑型探测器采集到的数据重排成传统探测器采样数据，然后再进行加权、滤波和加权反投影处理。也可以基于传统的方法，即在重建之前先进行扫描数据的重排即可以通过数据重排，把紧凑型探测器采集到的数据重排成传统探测器采样，然后直接按照传统滤波反投影算法进行重建。重排的公式如下：
Figure 290296DEST_PATH_IMAGE033
Figure 454562DEST_PATH_IMAGE034
为重排后的投影，
Figure 978078DEST_PATH_IMAGE035
为紧凑型探测器所采集到的投影； 其中，
Figure 253201DEST_PATH_IMAGE036
为紧凑型探测器的扇角，
Figure 693410DEST_PATH_IMAGE037
为紧凑型 探测器z方向的位置，
Figure 559735DEST_PATH_IMAGE038
为扇角为
Figure 23077DEST_PATH_IMAGE039
时球管焦点到 紧凑型探测器的距离。
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)

1.一种紧凑型CT探测器图像重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用紧凑型探测器对病床上的待检测对象进行圆周扫描或螺旋扫描，获得初始投影数据；紧凑型探测器是以球管焦点和旋转中心的连线上点为圆心的弧形结构；
S2、对投影数据进行加权处理，获得加权投影数据；
S3、对经过加权处理的加权投影数据进行滤波；
S4、对滤波后的投影数据进行加权反投影，得到重建图像；
在步骤S2中按以下公式进行加权处理：
Figure FDA0003628149550000011
其中，
Figure FDA0003628149550000012
Figure FDA0003628149550000013
其中，β为投影角，在角度β位置获得的探测器投影为p(β,γ′,q)，R为传统探测器中圆心即球管焦点到旋转中心的距离，RD为传统探测器的半径，即球管焦点到探测器的距离，γ为传统探测器中投影射线与中心射线形成的扇角；
RD′为紧凑型探测器中的半径，即虚拟焦点到探测器的距离，R′为虚拟焦点到旋转中心的距离，b表示球管焦点到紧凑型探测器的距离，a为旋转中心到紧凑型探测器的距离，γ′表示紧凑型探测器中投影射线与中心射线形成的扇角，q表示探测器在z方向的坐标，z方向为病床沿扫描机架移动的方向，ε表示中间变量。
2.根据权利要求1所述的紧凑型CT探测器图像重建方法，其特征在于：步骤S3中，对加权投影数据pw(β,γ′,q)沿着紧凑型探测器row方向滤波，得到滤波后的投影
Figure FDA0003628149550000014
Figure FDA0003628149550000015
其中，g(γ′)为滤波器。
3.根据权利要求2所述的紧凑型CT探测器图像重建方法，其特征在于：步骤S4中，对滤波后的投影
Figure FDA0003628149550000016
进行加权反投影：
Figure FDA0003628149550000017
其中：
Figure FDA0003628149550000018
Figure FDA0003628149550000021
Figure FDA0003628149550000022
Figure FDA0003628149550000023
Figure FDA0003628149550000024
(x,y,z)为重建点的坐标，f(x,y,z)为重建点的加权反投影，L(x,y,β)为射线源到重建点在旋转平面内的距离，γ′(x,y,β)为紧凑型探测器中重建点扇角，b(x,y,β)为投影角度β时，过重建点在旋转平面球管焦点到紧凑型探测器的距离，q(x,y,z,β)为重建点在探测器z方向的位置。
4.根据权利要求1所述的紧凑型CT探测器图像重建方法，其特征在于：所述步骤S2中在对投影数据进行加权处理前，先对投影数据进行数据重排，将紧凑型探测器采集到的数据重排成传统探测器采样数据，然后再进行加权处理；重排公式如下：
prebin(γ,q)＝p(γ′,q′)
prebin(γ,q)为重排后的投影，p(γ′,q′)为紧凑性探测器所采集到的投影；其中，
Figure FDA0003628149550000025
为紧凑型探测器的扇角，
Figure FDA0003628149550000026
为紧凑型探测器z方向的位置，
Figure FDA0003628149550000027
为扇角为γ时球管焦点到紧凑型探测器的距离。
5.根据权利要求1所述的紧凑型CT探测器图像重建方法，其特征在于：所述步骤S2中，紧凑型探测器的z方向排列与传统探测器一致，xz平面为病床所在平面，xy平面为探测器旋转方向所在的平面，y方向垂直于xz平面。
6.根据权利要求1所述的紧凑型CT探测器图像重建方法，其特征在于：所述紧凑型探测器中，探测器模块向球管焦点偏移；紧凑型探测器的圆心即虚拟焦点到探测器的距离为RD′，圆心即虚拟焦点到旋转中心的距离为R′，分别小于对应的传统探测器中的半径即球管焦点到探测器的距离RD、圆心即球管焦点到旋转中心的距离R。
7.一种重建装置，其特征在于，包括：
CT扫描模块，使用紧凑型探测器对病床上的待检测对象进行圆周扫描或螺旋扫描，获得初始投影数据；
加权模块，对投影数据进行加权处理；
滤波模块，对经过加权处理的加权投影数据进行滤波；
加权反投影模块，对滤波后的投影数据进行加权反投影，得到重建图像；
在加权模块中按以下公式进行加权处理：
Figure FDA0003628149550000031
Figure FDA0003628149550000032
Figure FDA0003628149550000033
Figure FDA0003628149550000034
Figure FDA0003628149550000035
其中，β为投影角，在角度β位置获得的探测器投影为p(β,γ′,q)，R为传统探测器的圆心到旋转中心的距离，RD为传统探测器的半径，γ为传统探测器中投影射线与中心射线形成的扇角；
RD′为紧凑型探测器中的半径，即虚拟焦点到探测器的距离，R′为虚拟焦点到旋转中心的距离，b表示球管焦点到紧凑型探测器的距离，a为旋转中心到紧凑型探测器的距离，γ′表示紧凑型探测器中投影射线与中心射线形成的扇角，q表示探测器在z方向的坐标，z方向为病床沿扫描机架移动的方向，ε表示中间变量。
8.一种存储介质，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6中任意一项所述的紧凑型CT探测器图像重建方法。
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