CN114886444A - 一种cbct成像重建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及断层影像重建领域，公开了一种CBCT成像重建方法，只需要扫描一圈，且全程不需要患者移动（或者不需要射源探测器沿着重建Z轴方向移动），解决了传统拼接大视野CBCT设备成像时间长、辐射剂量、误差过大的问题；同时，由于本发明直接从探测器采集到的投影图像数据中实现双源重建数据的合并，无需分别重建出各自的三维影像再拼接，大大提高了拼接过渡处的图像质量，也极大的提高了大视野影像的重建速度。

Description

一种CBCT成像重建方法
技术领域
本发明涉及断层影像重建领域，具体涉及一种CBCT成像重建方法。
背景技术
CBCT为Cone beam CT的简称，即锥形束CT。CBCT是锥形束投照计算机重组断层影像设备，其原理是X线发生器以较低的射线量围绕投照体做环形DR（数字式投照）。然后将围绕投照体多次数字投照后所获得的数据在计算机中重组，进而获得三维图像。
一般而言，在传统CBCT成像领域中，重建视野大小与探测器的大小直接相关。但过大的探测器尺寸会带来过大的锥角，受限于锥束伪影的影响，大探测器的重建影像的图像质量会大大降低。因此，传统厂商在制造大视野CBCT设备时，一般会采用尺寸较小的探测器结合上多圈扫描、分别成像然后简单拼接的方式来获得大视野影像。例如，想要拍摄一个完整的头颅影像，首先扫描一圈重建出人头颅下部的三维影像，然后移动患者（或者患者保持不动，移动射源和探测器）再次扫描一圈重建出人头颅上部的三维影像，然后将两个三维影像简单拼接在一起形成完整的大视野三维影像。但这种方法扫描时间长，辐射剂量大，且拍摄过程中由于有移动，误差也较大；同时，直接基于三维影像的拼接本身准确度就不够，重合过渡区域图像质量大大降低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种CBCT成像重建方法，只需要扫描一圈，且全程不需要患者移动（或者不需要射源探测器沿着重建Z轴方向移动），解决了传统拼接大视野CBCT设备成像时间长、辐射剂量、误差过大的问题；同时，由于本发明直接从探测器采集到的投影图像数据中实现双源重建数据的合并，无需分别重建出各自的三维影像再拼接，大大提高了拼接过渡处的图像质量，也极大的提高了大视野影像的重建速度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种CBCT成像重建方法，通过具有双射源的图像采集系统实现影像重建，图像采集系统包括：
以任意形式排布的双射源，包括第一射源和第二射源，在一个信号周期内交替发出X射线；
探测器，与双射源相对设置，且在双射源围绕被测对象旋转扫描过程中，探测器与双射源的相对位置保持固定；被测对象位于双射源与探测器之间；
成像重建方法包括以下步骤：
步骤一：第k个信号周期内，第一射源和第二射源各发出一次X射线，探测器采集到与第一射源对应的投影图像数据
Figure DEST_PATH_IMAGE001
以及与第二射源对应的投影图像数据
Figure 301146DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤二：对于对于空间中任意一个待重建点
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，均有：
Figure 157106DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 854804DEST_PATH_IMAGE001
对应的投影矩阵，
Figure 745399DEST_PATH_IMAGE006
为
Figure 542454DEST_PATH_IMAGE002
对应的投影矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为待重建点p在
Figure 744765DEST_PATH_IMAGE008
上对应的投影点坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为待重建点p在
Figure 387099DEST_PATH_IMAGE002
上对应的投影点坐标，
Figure 132201DEST_PATH_IMAGE010
为放大系数；
步骤三：获取所有信号周期内的投影矩阵后，通过滤波反投影公式计算待重建点的三维坐标。
进一步地，将步骤三替换为如下步骤：
待重建点p的重建值
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 959212DEST_PATH_IMAGE012
为加权系数；
当投影点坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 524185DEST_PATH_IMAGE014
均在探测器范围之外时，
Figure 704631DEST_PATH_IMAGE015
当投影点坐标
Figure 694453DEST_PATH_IMAGE013
在探测器范围之内、
Figure 567731DEST_PATH_IMAGE014
在探测器范围之外时，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
当投影点坐标
Figure 620000DEST_PATH_IMAGE013
在探测器范围之外、
Figure 728771DEST_PATH_IMAGE014
在探测器范围之内时，
Figure 714044DEST_PATH_IMAGE017
当投影点坐标
Figure 758224DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 563369DEST_PATH_IMAGE014
均在探测器范围之内时，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 210251DEST_PATH_IMAGE019
为探测器高度方向分辨率。
进一步地，将双射源替换为M个射源，M≥3；对于任意一个待重建点p，将距离该待重建点p最近的两个射源作为第一射源和第二射源，通过步骤一至步骤三实现影像重建。
进一步地，将双射源替换为M个射源，M≥3；将单个探测器替换为N个探测器，N个探测器能够覆盖M个射源的视野；对于任意一个待重建点p，将距离该待重建点p最近的两个射源作为第一射源和第二射源，将N个探测器视为一个探测器，通过步骤一至步骤三实现影像重建。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
（1）本发明的成像重建方法，可以搭配双射源、单探测器结构，实现单圈扫描即可重建出大视野的影像，相较于传统的多圈扫描方式，扫描时间短、辐射剂量低。
（2）本发明的成像重建方法，整个扫描过程中患者无需任何移动（射源、探测器沿重建Z轴方向也无需任何移动），大大降低了因移动导致的各种误差和伪影。
（3）本发明将双源图像拼接的步骤直接结合到了CBCT成像重建方法中，实现了在投影图层面的视野融合，使得重建结果更加准确，大大提升了过渡区域的影像质量，同时，极大地提高了三维影像重建速度。
（4）本发明的技术方案可以简单的推广到多射源、多探测器的结构中，相较于传统的单射源单探测器的结构，可以拥有更多的设计、发展空间，获得更多影像质量的提升。
附图说明
图1为本发明中射源、待重建点与探测器之间的投影关系图；
图2为本发明双射源单探测器图像采集系统的结构图；
图3为本发明第一射源和第二射源交替发射X射线的信号波形图；
图4为本发明双射源、单探测器的重建视野示意图；
图5为本发明多射源（射源数量三个以上）、多探测器的示意图；
图6为本发明多射源（射源数量三个以上）、单探测器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
如图2所示，本发明中的图像采集系统包括：
以任意形式排布的双射源，交替发出X射线；
探测器，与所述双射源相对设置，且与双射源相对位置保持固定；
承载机构，设置在射源和探测器之间，用于承载；
运算处理单元，用于运行CBCT成像重建方法。
本发明中的图像采集系统不仅适用于双射源、单探测器的情况，改变射源数量和探测器数量后，也适用于多射源、单探测器，以及多射源、多探测器的情况。
本实施例的图像采集系统中，射源沿着旋转轴方向分布，探测器与射源对向放置，射源与探测器均被固定在一个旋转支架上，可以绕着旋转轴同步进行转动。
在CBCT中进行影像重建的常用方法为滤波反投影算法，反投影的过程可以表示为以下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
其中，p为待重建点的三维坐标，f（p）代表反投影过程中待重建点p的重建值，w为加权系数，与射源到探测器距离和待重建点p的位置有关，
Figure 784451DEST_PATH_IMAGE021
代表在β角度下，经过斜坡滤波器后的
Figure DEST_PATH_IMAGE022
位置的投影图像数据。
如图1所示，空间位置p即为待重建点的空间位置，射线从点射源发出，穿过待重建点到达探测器上的点即为对应的投影点，空间位置p与投影点坐标
Figure 733953DEST_PATH_IMAGE023
满足一个确定的投影关系。
投影关系可以用射源与探测器之间的几何参数来表达，或者可以简单地采用一个投影矩阵来进行总体的描述，即在某一个确定的视角下，通过一个3*4的矩阵，来表达射源到探测器距离、射源到探测器垂足的坐标、以及重建坐标系到射源-探测器投影坐标系的旋转平移关系。记第k个视角（信号周期）下的投影矩阵为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
,因此对于空间中任意一个待重建点p，第k个视角下其投影点的二维坐标
Figure 619869DEST_PATH_IMAGE025
满足关系式：
Figure 211388DEST_PATH_IMAGE026
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为放大系数。
当获取到所有视角下的投影矩阵之后，结合反投影公式，就可以进行CBCT的重建步骤了。滤波反投影算法与投影矩阵相关知识属于现有技术，本领域技术人员均熟知。
如图3所示，在一个信号周期内，第一射源和第二射源交替发射X射线，同时，探测器第一射源和第二射源发射X射线后，分别采集投影图像数据。因此，在一个信号周期中，探测器端可以采集到两张投影图像数据。
如图4所示，单个射源与单个探测器之间的相对位置关系确定了一个固定的成像视野。上述成像系统结合上本发明的重建算法，最终成像视野应是两个射源成像视野的并集。
以下详细地说明整个成像重建方法的流程。
首先，在第k个视角下反投影重建过程中，记采集到的滤波后的投影图像数据分别为
Figure 640095DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 150711DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 930448DEST_PATH_IMAGE001
是与第一射源对应的投影图像数据，
Figure 60078DEST_PATH_IMAGE002
是与第二射源对应的投影图像数据，
Figure 343292DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 431333DEST_PATH_IMAGE002
对应的投影矩阵分别为
Figure 557421DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 225163DEST_PATH_IMAGE028
，对于空间中任意一个待重建点
Figure 628462DEST_PATH_IMAGE029
，在
Figure 621826DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 969631DEST_PATH_IMAGE002
上对应的投影点坐标分别为
Figure 706643DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 230028DEST_PATH_IMAGE031
，其满足关系式：
Figure 128714DEST_PATH_IMAGE004
（1）
待重建点的重建值由以下公式决定：
Figure 104760DEST_PATH_IMAGE011
（2）
其中，
Figure 504518DEST_PATH_IMAGE012
为待定的加权系数，其值由以下几种情况决定：
a.
Figure 616830DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 951996DEST_PATH_IMAGE032
均在探测器范围之外：
Figure 149760DEST_PATH_IMAGE033
（3）
b.
Figure 353208DEST_PATH_IMAGE013
在探测器范围之内，
Figure 851185DEST_PATH_IMAGE014
在探测器范围之外：
Figure 91674DEST_PATH_IMAGE016
（4）
c.
Figure 42312DEST_PATH_IMAGE013
在探测器范围之外，
Figure 659238DEST_PATH_IMAGE014
在探测器范围之内：
Figure 870777DEST_PATH_IMAGE034
（5）
d.
Figure 282167DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 454522DEST_PATH_IMAGE032
均在探测器范围之内
Figure 140718DEST_PATH_IMAGE035
（6）
其中，
Figure 82129DEST_PATH_IMAGE019
为探测器高度方向分辨率。
因此，每一个视角k下的反投影重建过程中，待重建点的重建值可以由公式（1）至（6）唯一决定，从而可以直接在重建过程中从投影图像数据的层面上对双源的数据进行融合，生成最终的大视野CBCT影像。
本实施例展示了一个双源单探测器结构的图像采集系统，结合本发明提出的成像重建方法进行大视野CBCT重建的完整过程。可以看到，依照本实例中的流程，可以实现单圈扫描即可获得大视野CBCT的影像，整个过程扫描时间短、辐射剂量低，无需患者或者扫描结构竖直运动，大大减少了误差的产生。同时，在重建层面直接进行投影图像数据的融合拼接，大大提高了不同视野影像拼接的准确度，对于重叠区域的影像质量有着极大的提升，也大大提高了重建速度。
本发明提出的成像重建方法可以简单、直接地扩展到多射源（射源数量大于或者等于三）、单探测器以及多射源（射源数量大于或者等于三）、多探测器的情况。
以多射源、多探测器举例：
如图5所示，假如有n块探测器，每块探测器对应的射源数为
Figure 54633DEST_PATH_IMAGE036
，因此总共有
Figure 714285DEST_PATH_IMAGE037
个射源。因为探测器端只要保证能够覆盖所需的不同视野区域即可，因此n块探测器可以认为是一块完整的大型探测器，因此，可以认为其退化到m射源、单探测器的情形，如图6所示。
对于m射源、单探测器的配置，任意重建区域，对应有以下两种情形：
第一种情形，投影点
Figure 673014DEST_PATH_IMAGE038
均在探测器范围之外;
第二种情形，投影点
Figure 734511DEST_PATH_IMAGE039
共计有j项在探测器范围之内，剩余m-j项在探测器范围之外。
对于第一种情形，说明该投影点在可重建范围之外，无需特殊考虑；
对于第二种情形，在j个射源中，可以选择距离该投影点最近的两个射源为有效射源，其它同样能够有光线通过该点的射源为无效射源；仅考虑最近的两个有效射源时，可以退化为双射源、单探测器的情形，直接采用前述计算公式即可。
另外，需要说明的是，多射源在曝光时，可以分别脉冲曝光，也可以某些射源组同时曝光，只需要保证同一个重建点同一时间仅仅只会有一条射线穿过并到达探测器上即可。
图2、图3、图4中的射源1即第一射源，射源2即第二射源。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种CBCT成像重建方法，通过具有双射源的图像采集系统实现影像重建，其特征在于，图像采集系统包括：
以任意形式排布的双射源，包括第一射源和第二射源，在一个信号周期内交替发出X射线；
探测器，与双射源相对设置，且在双射源围绕被测对象旋转扫描过程中，探测器与双射源的相对位置保持固定；被测对象位于双射源与探测器之间；
成像重建方法包括以下步骤：
步骤一：第k个信号周期内，第一射源和第二射源各发出一次X射线，探测器采集到与第一射源对应的投影图像数据
Figure 338564DEST_PATH_IMAGE001
以及与第二射源对应的投影图像数据
Figure 173665DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤二：对于对于空间中任意一个待重建点
Figure 448789DEST_PATH_IMAGE003
，均有：
Figure 826680DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 161847DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 625189DEST_PATH_IMAGE001
对应的投影矩阵，
Figure 563058DEST_PATH_IMAGE006
为
Figure 795456DEST_PATH_IMAGE002
对应的投影矩阵，
Figure 35945DEST_PATH_IMAGE007
为待重建点p在
Figure 986583DEST_PATH_IMAGE008
上对应的投影点坐标，
Figure 728143DEST_PATH_IMAGE009
为待重建点p在
Figure 80627DEST_PATH_IMAGE002
上对应的投影点坐标，
Figure 757596DEST_PATH_IMAGE010
为放大系数；
步骤三：获取所有信号周期内的投影矩阵后，通过滤波反投影公式计算待重建点的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的CBCT成像重建方法，其特征在于，将步骤三替换为如下步骤：
待重建点p的重建值
Figure 929951DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 84989DEST_PATH_IMAGE012
为加权系数；
当投影点坐标
Figure 416614DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 998905DEST_PATH_IMAGE014
均在探测器范围之外时，
Figure 658556DEST_PATH_IMAGE015
当投影点坐标
Figure 617285DEST_PATH_IMAGE013
在探测器范围之内、
Figure 803415DEST_PATH_IMAGE016
在探测器范围之外时，
Figure 822187DEST_PATH_IMAGE017
当投影点坐标
Figure 969135DEST_PATH_IMAGE013
在探测器范围之外、
Figure 731554DEST_PATH_IMAGE016
在探测器范围之内时，
Figure 647558DEST_PATH_IMAGE018
当投影点坐标
Figure 961864DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 596108DEST_PATH_IMAGE016
均在探测器范围之内时，
Figure 896639DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure 667149DEST_PATH_IMAGE020
为探测器高度方向分辨率。
3.根据权利要求1所述的CBCT成像重建方法，其特征在于，将双射源替换为M个射源，M≥3；对于任意一个待重建点p，将距离该待重建点p最近的两个射源作为第一射源和第二射源，通过步骤一至步骤三实现影像重建。
4.根据权利要求1所述的CBCT成像重建方法，其特征在于，将双射源替换为M个射源，M≥3；将单个探测器替换为N个探测器，N个探测器能够覆盖M个射源的视野；对于任意一个待重建点p，将距离该待重建点p最近的两个射源作为第一射源和第二射源，将N个探测器视为一个探测器，通过步骤一至步骤三实现影像重建。
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