CN115227275B - 一种旋转阻挡器和基于该旋转阻挡器的散射伪影校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种旋转阻挡器和基于该旋转阻挡器的散射伪影校正方法，旋转阻挡器包括圆形阻挡板、旋转控制设备和控制中心软件模块；将旋转阻挡器集成于现有的CBCT成像设备进行数据采集，在单次扫描中可以获取开放区域和阻挡区域的投影信号。使用阻挡区域投影信号估计得到开放区域散射信号，该开放区域散射信号被用于对开放区域投影信号进行散射校正以获得开放区域原射信号。开放区域原射信号经过降噪处理，被用于重建获得校正CBCT图像。本发明解决了双扫描模式需要两次扫描的问题，可以在不增加扫描剂量和扫描时间的情况下，测量得到散射信号并进行散射校正，得到高质量的CBCT图像。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像设备领域，具体涉及一种旋转阻挡器和基于该旋转阻挡器的散射伪影校正方法。
背景技术
锥束计算机断层成像（cone beam computed tomography，CBCT）系统主要由 X 射线球管、平板探测器、旋转系统和图像处理系统等组成。由于其具有易于集成、单圈三维容积成像、高性价比等优势，CBCT成像系统在临床应用广泛，如牙科、乳腺、 C-arm 和图像引导放疗设备上的机载均利用了CBCT成像技术。然而，CBCT中扫描体积的增加导致散射信号在总信号的占比增大，导致重建的图像出现严重的散射伪影，极大降低了图像质量，进而限制CBCT图像在临床上的应用场景。为得到高质量的CBCT图像，各种各样的方法不断被提出以校正散射伪影。其中基于阻挡板的散射校正方法可以通过简单的硬件集成来测量得到散射信号，从而进行散射校正。近年来，不同的扫描模式和硬件设计也被提出用于提高CBCT的图像质量。双扫描模式方法在插入光束阻挡器的情况下进行一次扫描以测量散射信号，然后在不插入光束阻挡器的情况下执行另一次扫描以进行图像重建。两次扫描方法增加了扫描时间和患者剂量，并且散射校正性能会受到两次扫描之间的患者运动的影响。为了解决这些问题，充分利用信号冗余特性的移动阻挡板和半束阻挡板散射校正方法被提出，它们都可以在单次扫描中测量散射信号并进行图像校正。移动阻挡板散射校正方法中所获取的重建数据是不完全整的，不能使用滤波反投影重建算法进行快速重建，需要使用迭代重建，重建时间达到10小时以上，在临床上应用受到限制。此外原射信号的丢失是不可逆的并且会导致图像出现严重的伪影，因此移动阻挡板方法中的数据采集是一个复杂的过程，应该非常谨慎地实施。半束阻挡板的方法充分利用了 X 射线信号在一个完整旋转过程中的对称特性来得到完整的重建数据，但是该硬件设计限制了成像视野，在临床应用有限。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种旋转阻挡器和基于该旋转阻挡器的散射伪影校正方法，从而解决了双扫描模式需要两次扫描的问题，可以在不增加扫描剂量和扫描时间的情况下，测量得到散射信号并进行散射校正，得到高质量的CBCT图像；解决了移动式阻挡器数据采集复杂，重建时间长的问题；解决了半束阻挡板的重建视野受到限制的问题。通过本发明提出的设备，将不完全数据重建问题，转化成稀疏角度重建的问题，可以快速重建得到高质量的CBCT图像。本发明可以在单次扫描中获得散射信号，并可以使用滤波反投影算法重建得到高质量的图像，此外，本发明的旋转阻挡器不限制成像射野，适用于更广泛的临床应用场景。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于散射伪影校正的旋转阻挡器，其安装在x射线球管前端，在扫描时转动；包括圆形阻挡板、旋转控制设备和控制中心软件模块；
所述圆形阻挡板由一个圆形主基板、两个圆形固定基板和若干弧形板条制成；所述圆形主基板和两个圆形固定基板均由低原子序数材料制成，所述圆形主基板上存在多个和其同圆心、同角度的弧形挖空区域和多个通孔；其中一个通孔和圆形主基板同圆心，其他通孔的圆心分布于同圆形主基板同圆心的同心圆上；两个圆形固定基板上有和圆形主基板相同位置的通孔，用于将旋转阻挡板固定在变速旋转电机上；所述弧形板条由高原子序数材料制成，所述弧形板条的大小和圆形主基板上的弧形挖空区域相同，用于填充固定于圆形主基板的弧形挖空区域，在数据采集过程中用来阻挡x射线球管发射的x射线；所述圆形主基板的弧形挖空区域保证在单次扫描中，弧形挖空区域有足够多的次数旋转到x射线球管前方，以保证散射估计的准确性；
所述旋转控制设备包含变速旋转电机、变速器和旋转平台；所述变速旋转电机用于带动圆形阻挡板转动，所述变速器用于调整并控制变速旋转电机的转速，所述旋转平台用于固定圆形阻挡板、变速旋转电机和变速器；所述变速旋转电机位于x射线球管下方、旋转平台之上；所述变速器位于变速旋转电机和圆形阻挡板之间；所述圆形阻挡板位于x射线球管前方；
所述控制中心软件模块用于控制所述旋转阻挡器的转动。
进一步地，所述控制中心软件模块通过外部输入来控制所述变速器，设置所述变速旋转电机的启动时间，启动速度，启动加速度，旋转速度，停止时间和终止减速度。
进一步地，所述低原子序数材料为铝，钛，亚克力或碳纤维，或者其他合适的材料。
进一步地，所述高原子序数材料为铅、钨、及其合金材料，或者其他合适的材料，用于阻挡99.99%以上的x射线。
本发明还提供一种基于所述的用于散射伪影校正的旋转阻挡器的散射伪影校正方法，具体包括如下步骤：
步骤1：使用安装有所述旋转阻挡器的CBCT成像设备进行数据采集，在单次扫描中获取开放区域和阻挡区域的投影信号；当圆形阻挡板的非弧形挖空区域在x射线球管前面时，测量信号为开放区域投影信号，该部分信号用于图像重建；当圆形阻挡板的弧形挖空区域在X射线球管前面时，测量信号为阻挡区域对应信号，该部分信号用于估计散射信号；
步骤2：所述旋转阻挡器的圆形阻挡板的弧形挖空区域填充有高原子序数材料，所述材料阻挡99.99%以上的x射线，因此阻挡区域投影信号中高原子序数材料对应区域的信号为测量散射信号；利用散射信号的低频性，对测量散射信号进行处理得到开放区域散射信号；
步骤3：将开放区域散射信号从开放区域投影信号中减去，得到不含散射信号的开放区域原射投影信号；
步骤4：对开放区域原射投影信号进行降噪处理，得到开放区域降噪原射信号；
步骤5：使用开放区域降噪原射投影信号进行图像重建，得到校正CBCT图像。
进一步地，所述步骤2中，对测量散射信号进行处理包含插值处理和平滑处理，所述插值处理通过线性插值、最近邻插值或三次样条插值实现，所述平滑处理使用高斯滤波、双边滤波或中值滤波实现。
进一步地，所述步骤4中，所述的降噪处理通过惩罚权重最小二乘法、引导滤波或深度学习算法来实现。
进一步地，所述步骤5中，所述重建的算法使用滤波反投影算法、迭代算法或深度学习算法。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
（1）同双扫描模式使用的固定式全束阻挡板相比，本发明设备可以在单次扫描过程中通过旋转的方式交替地获取阻挡区域和开放区域的信号，从而解决了双扫描模式使用的固定式阻挡板所存在的扫描时间和扫描剂量增加的问题，并且可以有效降低两次扫描过程中患者运动对校正效果的影响。
（2）同移动式全束阻挡板相比，本发明设备是通过旋转的方式交替地获取阻挡区域和开放区域的信号，其中用于重建的开放投影数据是完整的，可以进行快速重建，并且不存在移动式全束阻挡板方法中因为重建投影数据缺失而导致图像出现严重伪影的问题。此外，移动式全束阻挡板是同时获取开放区域和阻挡区域的信号，每个角度的用于重建投影数据是不完整，需要通过插值之后才可以使用滤波反投影算法进行快速重建。但是重建投影数据是高频的，通过插值获得的信号会存在较大误差，这直接降低重建的图像质量。而只采用测量的重建投影数据进行重建需要使用迭代重建，导致重建时间较长。因此，同移动式阻挡板相比，本发明旋转阻挡器设备的数据采集容错性更强，重建过程更简单快速。
（3）同半束阻挡器相比，本发明设备的优势在于成像视野较大，可以用于大射野的半扫描模式和小视野的全扫描模式，而半束阻挡器仅适用于小视野的全扫描模式。
附图说明
图1 为安装本发明的旋转阻挡器的成像系统示意图。其中1表示x射线球管，2表示变速旋转电机，3表示变速器，4表示旋转平台，5表示圆形阻挡板。
图2 为图1中的圆形阻挡板的示意图。
图3a，图3b，图3c为圆形阻挡板中组件的示意图；其中，图3a为圆形主基板示意图，图3b为圆形固定基板示意图，图3c为弧形板条示意图。
图4为本发明的基于该旋转阻挡器的散射伪影校正方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的旋转阻挡器包括旋转控制设备、圆形阻挡板5组成的硬件模块和一个控制中心软件模块。所述旋转控制设备包含一个变速旋转电机2、变速器3和旋转平台4。其中，所述变速旋转电机2用于带动圆形阻挡板5转动，位于x射线球管1下方、旋转平台4之上。所述变速器3用于调整并控制变速旋转电机2的转速，位于变速旋转电机2和圆形阻挡板5之间。所述旋转平台4主要用于放置并支撑所述变速旋转电机2、变速器3和圆形阻挡板5。所述圆形阻挡板5位于x射线球管1前方，在圆形阻挡板5旋转的过程中，圆形阻挡板5的开放区域或者阻挡区域会完全遮挡住x射线球管1的出光口。
如图2所示，所述圆形阻挡板5由一个圆形主基板、两个圆形固定基板和若干弧形板条制成。图2中，虚线中的圆孔为为通孔，黑色虚线对应圆形固定基板大小，除虚线中的圆孔外的白色区域由低原子序数材料组成，黑色区域由高原子序数材料组成。所述圆形固定基板上的通孔位置和圆形主基板相同。如图3a，图3b，图3c所示，阻挡区域为60度扇形分割，实际应用中不限于60度，可以为任意合适角度分割。如图3a所示的所述圆形主基板和如图3b所示的两个圆形固定基板均由低原子序数材料制成。所述低原子序数材料可以为铝，钛，亚克力，碳纤维等。所述圆形主基板上存在多个和其同圆心、同角度的弧形挖空区域和多个通孔。其中一个通孔和圆形主基板同圆心，其他通孔的圆心分布于同圆形主基板同圆心的同心圆上。两个圆形固定基板上有和圆形主基板相同位置的通孔，两个圆形固定基板分别安装于圆形主基板前后，用于将圆形阻挡板5固定在变速旋转电机2上。如图3c所示的弧形板条由高原子序数材料制成。所述高原子序数材料可以为铅，钨等。所述弧形板条的大小和圆形主基板上的弧形挖空区域相同，用于填充固定于圆形主基板的弧形挖空区域，在数据采集过程中用来阻挡x射线球管1发射的x射线。其中，圆形主基板的弧形挖空区域设计成要能保证在单次扫描中，弧形挖空区域有足够多的次数出现在x射线球管1的前方，以保证散射估计的准确性。
所述控制中心软件模块属于软件模块，用于控制本发明的旋转阻挡器的转动。其通过外部输入来控制变速器3设置，设置内容包含变速旋转电机2的启动时间，启动速度，启动加速度，稳定旋转速度，停止时间和终止减速度。
如图4所示，本发明的基于旋转阻挡器的散射伪影校正方法包含数据获取，散射估计，散射校正，投影域降噪和图像重建5个步骤。
步骤1：使用安装有旋转阻挡器的CBCT（锥形束CT）成像设备进行数据采集，在单次扫描中获取开放区域和阻挡区域的投影信号。当圆形阻挡板5的非弧形挖空区域在X射线球管1前面时，测量信号为开放区域投影信号，该部分信号用于图像重建。当圆形阻挡板5的弧形挖空区域在X射线球管1的前面时，测量信号为阻挡区域投影信号，该部分信号用于估计散射信号。
步骤2：旋转阻挡器的圆形阻挡板5的弧形挖空区域填充有高原子序数材料，该材料可以阻挡99.99%以上的x射线，因此阻挡区域投影信号中高原子序数材料对应区域的信号为测量散射信号。利用散射信号的低频性，对测量散射信号进行处理得到开放区域散射信号。其中，处理过程包含插值处理和平滑处理，插值处理可以通过线性插值、最近邻插值、或三次样条插值等算法实现，平滑处理可以使用高斯滤波、双边滤波、中值滤波等方式进行。
步骤3：将开放区域散射信号从开放区域投影信号中减去，得到不含散射信号的开放区域原射投影信号。
步骤4：对开放区域原射投影信号进行降噪处理，得到开放区域降噪原射信号。其中，降噪处理可以通过惩罚权重最小二乘法、引导滤波、深度学习等算法来实现。
步骤5：使用开放区域降噪原射信号进行图像重建，得到校正CBCT图像。其中，重建算法可以使用滤波反投影算法（如FDK算法）、迭代算法和深度学习算法。
在此实施例中，旋转阻挡器和圆形阻挡板安装位置可以如图1所示，其设计可以如图2和图3a、图3b、图3c所示，但并非限制本发明的范围。将旋转阻挡器安装在x射线球管前端，然后对物体进行扫描，之后按图4中的校正方法流程图执行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于散射伪影校正的旋转阻挡器的散射伪影校正方法，所述旋转阻挡器安装在x射线球管前端，在扫描时转动；包括圆形阻挡板、旋转控制设备和控制中心软件模块；
所述圆形阻挡板由一个圆形主基板、两个圆形固定基板和若干弧形板条制成；所述圆形主基板和两个圆形固定基板均由低原子序数材料制成，所述圆形主基板上存在多个和其同圆心、同角度的弧形挖空区域和多个通孔；其中一个通孔和圆形主基板同圆心，其他通孔的圆心分布于同圆形主基板同圆心的同心圆上；两个圆形固定基板上有和圆形主基板相同位置的通孔，用于将旋转阻挡板固定在变速旋转电机上；所述弧形板条由高原子序数材料制成，所述弧形板条的大小和圆形主基板上的弧形挖空区域相同，用于填充固定于圆形主基板的弧形挖空区域，在数据采集过程中用来阻挡x射线球管发射的x射线；所述圆形主基板的弧形挖空区域保证在单次扫描中，弧形挖空区域有足够多的次数旋转到x射线球管前方，以保证散射估计的准确性；
所述旋转控制设备包含变速旋转电机、变速器和旋转平台；所述变速旋转电机用于带动圆形阻挡板转动，所述变速器用于调整并控制变速旋转电机的转速，所述旋转平台用于固定圆形阻挡板、变速旋转电机和变速器；所述变速旋转电机位于x射线球管下方、旋转平台之上；所述变速器位于变速旋转电机和圆形阻挡板之间；所述圆形阻挡板位于x射线球管前方；
所述控制中心软件模块用于控制所述旋转阻挡器的转动；
其特征在于，所述散射伪影校正方法包括如下步骤：
步骤1：使用安装有所述旋转阻挡器的CBCT成像设备进行数据采集，在单次扫描中获取开放区域和阻挡区域的投影信号；当圆形阻挡板的非弧形挖空区域在x射线球管前面时，测量信号为开放区域投影信号，该部分信号用于图像重建；当圆形阻挡板的弧形挖空区域在X射线球管前面时，测量信号为阻挡区域投影信号，该部分信号用于估计散射信号；
步骤2：所述旋转阻挡器的圆形阻挡板的弧形挖空区域填充有高原子序数材料，所述材料阻挡99.99%以上的x射线，因此阻挡区域投影信号中高原子序数材料对应区域的信号为测量散射信号；利用散射信号的低频性，对测量散射信号进行处理得到开放区域散射信号；所述处理的过程包含插值处理和平滑处理；
步骤3：将开放区域散射信号从开放区域投影信号中减去，得到不含散射信号的开放区域原射投影信号；
步骤4：对开放区域原射投影信号进行降噪处理，得到开放区域降噪原射信号；
步骤5：使用开放区域降噪原射信号进行图像重建，得到校正CBCT图像。
2.根据权利要求1所述的散射伪影校正方法，其特征在于：所述控制中心软件模块通过外部输入来控制所述变速器，设置所述变速旋转电机的启动时间，启动速度，启动加速度，旋转速度，停止时间和终止减速度。
3.根据权利要求1所述的散射伪影校正方法，其特征在于：所述低原子序数材料为铝，钛，亚克力或碳纤维。
4.根据权利要求1所述的散射伪影校正方法，其特征在于：所述高原子序数材料为铅、钨、及其合金材料，用于阻挡99.99%以上的x射线。
5.根据权利要求1所述的散射伪影校正方法，其特征在于：所述步骤2中，所述插值处理通过线性插值、最近邻插值或三次样条插值实现，所述平滑处理使用高斯滤波、双边滤波或中值滤波实现。
6.根据权利要求1所述的散射伪影校正方法，其特征在于：所述步骤4中，所述的降噪处理通过惩罚权重最小二乘法、引导滤波或深度学习算法来实现。
7.根据权利要求1所述的散射伪影校正方法，其特征在于：所述步骤5中，所述重建的算法使用滤波反投影算法、迭代算法或深度学习算法。
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