CN116172601A - 一种可变空间分辨率ct扫描方法、扫描装置及成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变空间分辨率CT扫描方法、扫描装置及成像系统，将待扫描对象放置在射线源和探测器之间，并根据扫描要求移动待扫描对象的位置以调节扫描图像的空间分辨率；旋转待扫描对象，同时通过射线源和探测器对待扫描对象进行扫描，对扫描图像进行三维图像重建。通过上述优化设计的可变空间分辨率CT扫描方法，通过调节待扫描对象与射线源和探测器之间的相对距离，实现根据扫描需求进行扫描图像的空间分辨率的调节，以及整体扫描与局部扫描之间的切换，从而能够根据具体需求，避免光子串扰以及照射伪影，达到最优的成像效果。

Description

一种可变空间分辨率CT扫描方法、扫描装置及成像系统
技术领域
本发明涉及x射线CT扫描技术领域，尤其涉及一种可变空间分辨率CT扫描方法、扫描装置和成像系统。
背景技术
CT是一种用于化学、生物学、医学、自然科学相关工程与技术领域的成像仪器。它是一种非破坏性的3D成像技术，可以在不破坏样本的情况下清楚了解样本的内部结构。与临床CT 普遍采用的扇形X 线束不同的是，小动物CT通常采用锥形X 线束。采用锥形束不仅能够获得真正各向同性的容积图像，提高空间分辨率和射线利用率，而且在采集相同 3D图像时速度快于扇形束CT。
目前大多数的待扫描对象，例如小动物CT都是单一分辨率的，成像视野大小调节受限制，无法满足不同小动物以及不同的动物部位和器官组织的扫描。目前国际上已有的可变分辨率的待测对象，例如小动物CT通常是改变探测器的位置，比如通过改变探测器的倾斜角度来改变分辨率，这样虽然能在一定程度上改变分辨率，但是会带来光子串扰；还有一种是通过移动X射线光源和探测器的位置来实现改变分辨率的目的，比如缩短X射线源到探测器之间的距离，然而这样会使得照射的入射锥角增大，从而引入更大的照射伪影。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可变空间分辨率CT扫描方法、扫描装置及成像系统，可变空间分辨率进行扫描，利用图像空间分辨率调节方法，避免光子串扰以及照射伪影，达到最优的成像效果。
本发明技术解决方案：
第一方面，本发明提供一种可变空间分辨率CT扫描方法，包括：
步骤1、将待扫描对象放置在射线源和探测器之间，动态调节待扫描对象的相对位置，实现可变的扫描图像的空间分辨率的调节，以及待扫描对象整体扫描与局部扫描之间的切换，然后围绕旋转盘的旋转中心旋转待扫描对象，同时通过射线源和探测器对待扫描对象进行扫描，获得扫描图像；
所述动态调节待扫描对象的相对位置，实现可变的扫描图像的空间分辨率的调节，以及待扫描对象整体扫描与局部扫描之间的切换是指根据扫描要求移动待扫描对象的位置，调节扫描图像的空间分辨率和成像视野，再根据成像视野决定整体扫描还是局部扫描；
所述调节扫描图像的空间分辨率r的公式为：
Figure SMS_1
；
其中，
Figure SMS_2
为扫描图像像素值，M表示为扫描图像放大率，M=SDD/SAD，SDD表示射线源到探测器的距离，SAD表示射线源（4）到旋转盘的旋转中心的距离；
所述图像像素值
Figure SMS_3
为：
Figure SMS_4
；
其中，
Figure SMS_5
为探测器的像素值，/>
Figure SMS_6
为焦斑模糊系数，/>
Figure SMS_7
，/>
Figure SMS_8
为焦斑大小；
步骤2、对扫描图像进行三维图像重建；
步骤3、重新移动待扫描对象到另一个不同位置，重复步骤1-步骤2，完成在不同成像视野不同扫描图像的空间分辨率下对同一待扫描对象的成像；
本发明通过直线移动与旋转，调节待扫描对像，例如小动物的位置，射线源与探测器是固定不动的，而扫描图像的空间分辨率和成像视野是根据位置进行调节的，并根据成像视野大小和待扫描对象尺寸自动决定扫描模式（整体还是局部扫描），实现对待扫描对象整体的扫描以及内部局部扫描。
进一步，所述步骤2中，三维图像重建包括对扫描图像的整体成像或局部成像；当对扫描对象需要整体扫描时，对扫描图像进行整体成像，所述三维图像重建使用全局图像重建算法进行；当对扫描对象需要局部扫描时，对扫描图像进行局部成像，所述三维图像重建使用局部图像重建算法进行；所述局部重建算法利用拉普拉斯算子滤波和残差滤波余弦加权，用于纠正局部扫描引起的截断伪影。
第二方面，本发明提供一种可变空间分辨率CT扫描装置，包括：射线源、探测器、调节平台、旋转盘、旋转驱动机构和直线驱动机构；
调节平台位于射线源和探测器之间，旋转盘能够转动地安装在调节平台上，旋转驱动机构用于驱动旋转盘转动，直线驱动机构与调节平台连接用于驱动调节平台在射线源和探测器之间移动，以调节旋转平台与射线源和探测器之间的间距。
进一步，所述直线驱动机构包括：第一电机、第一丝杠和导轨；射线源和探测器分别位于导轨两端；第一丝杠位于导轨一侧且平行于导轨延伸；调节平台滑动安装在导轨上，并且调节平台具有与第一丝杠螺纹配合的螺孔；第一电机的输出端与第一丝杠连接用于通过驱动第一丝杠带动调节平台移动。
进一步，所述直线驱动机构包括两个导轨；第一丝杠位于两个导轨之间。
进一步，所述旋转驱动机构包括：第二电机、第二丝杆和齿轮；齿轮与旋转盘同轴布置且固定连接，第二丝杆与齿轮啮合，第二电机的输出端与第二丝杠连接用于通过第二丝杠驱动齿轮转动，以带动旋转盘转动。
第三方面，本发明提供一种可变空间分辨率CT成像系统，包括计算机控制单元和所述的可变空间分辨率CT扫描装置；
计算机控制单元控制射线源的出束、探测器采集数据和信息传输，并且控制旋转驱动机构和直线驱动机构的运动，以改变调节平台、旋转盘的位置，对于输出的结果，计算机控制单元对输出的结果进行数据重建和分析。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质（如ROM/RAM、磁盘、光盘），其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的可变空间分辨率CT扫描方法。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明提出的可变空间分辨率CT扫描方法，将待扫描对象放置在射线源和探测器之间，并根据扫描要求移动待扫描对象的位置以调节扫描图像的空间分辨率；旋转待扫描对象，同时通过射线源和探测器对待扫描对象进行扫描，对扫描图像进行三维图像重建。通过上述优化设计的可变空间分辨率CT扫描方法，通过调节待扫描对象与射线源和探测器之间的相对距离，实现根据扫描需求进行扫描图像的空间分辨率的调节，利用扫描图像的空间分辨率的调节方法，避免光子串扰以及照射伪影。
（2）本发明可变空间分辨率扫描和三维成像效果不受成像视野和扫描物体大小限制，实现在扫描图像的高空间分辨率下对待扫描对像的局部进行成像，也可以在扫描图像的低空间分辨率下对待扫描对像的整体进行成像，完成在不同成像视野不同扫描图像的空间分辨率下对同一待扫描对象的成像。
（3）本发明的可变空间分辨率CT扫描装置，通过固定射线源和探测器的位置，移动调节平台的位置，一方面，易于机械设计和自动控制，另一方面，有效避免较大的重复定位误差，同时射线源位置固定，固定的锥角可以减小CT扫描过程中带来的伪影，再一方面，在有限空间内实现更大的成像视野范围和图像的空间分辨率范围，进而实现待测对象的宏观全身照射到扫描图像的高空间分辨率的器官、骨骼和血管等成像。
附图说明
图1为本发明方法的实现流程图；
图2为本发明的一种可变空间分辨率CT扫描装置的一种实施方式的结构示意图；
图3为本发明提出的一种可变空间分辨率CT扫描装置的一种实施方式的俯视结构示意图；
图4为本发明提出的一种可变空间分辨率CT扫描装置的一种实施方式的旋转驱动机构的结构示意图；
图5为本发明提出的一种可变空间分辨率CT成像系统的结构示意图；
图6为本发明提出的一种可变空间分辨率CT扫描方法的一种实施方式的100μm空间分辨率下小鼠全身扫描图像（大成像视野扫描图像的低空间分辨率整体成像）；
图7为本发明提出的一种可变空间分辨率CT扫描方法的一种实施方式的50μm空间分辨率下小鼠肺部器官扫描图像（中成像视野扫描图像的中空间分辨率局部成像）；
图8为本发明提出的一种可变空间分辨率CT扫描方法的一种实施方式的15μm空间分辨率下小鼠骨骼组织扫描图像（小成像视野扫描图像的高空间分辨率局部成像）。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图１所示，本发明提出的一种可变空间分辨率CT扫描方法，包括下列步骤，可以对同一物体进行不同空间分辨率的整体和局部成像：
步骤1、将待扫描对象放置在射线源4和探测器3之间，并根据扫描要求移动待扫描对象的位置以调节扫描图像的空间分辨率；旋转所述待扫描对象，同时通过射线源4和探测器3对待扫描对象进行扫描；
步骤2、对步骤1中扫描获取的图像进行三维图像重建。
步骤3、重新移动扫描对象到另一个不同位置，重复步骤1-2。完成在不同成像视野不同扫描图像的空间分辨率下对同一待扫描对像的成像。
不同成像视野不同扫描图像的空间分辨率包括大成像视野扫描图像的低空间分辨率、中成像视野扫描图像的中空间分辨率和小成像视野扫描图像的高空间分辨率，其中大成像视野扫描图像的低空间分辨率应用于大成像视野范围>10cm，中成像视野扫描图像的中空间分辨率应用于中成像视野范围2-10cm，小成像视野扫描图像的高空间分辨率应用于小成像视野范围0-2cm，整个扫描图像的空间分辨率的调节过程为连续可调，可应用于范围内所有的位置成像。
在本发明实施例中的可变空间分辨率CT扫描方法，将待扫描对象放置在射线源4和探测器3之间，并根据扫描要求移动待扫描对象的位置以调节扫描图像的空间分辨率；旋转待扫描对象，同时通过射线源4和探测器3对待扫描对象进行扫描，对扫描图像进行三维图像重建。通过上述优化设计的可变空间分辨率CT扫描方法，通过调节待扫描对象与射线源4和探测器3之间的相对距离，实现根据扫描需求进行扫描图像的空间分辨率的调节，从而能够对待扫描对象的整体和局部同时成像。对局部感兴趣区域进行更加精细和扫描图像的高空间分辨率的成像。
如图2-5所示，本发明的一种可变空间分辨率CT扫描装置，包括：射线源4、探测器3、调节平台1、旋转盘2、旋转驱动机构和直线驱动机构；
调节平台1位于射线源4和探测器3之间，旋转盘2能够转动地安装在调节平台1上，旋转驱动机构用于驱动旋转盘2转动，直线驱动机构与调节平台1连接用于驱动调节平台1在射线源4和探测器3之间移动以调节旋转平台与射线源4和探测器3之间的间距。
直线驱动机构包括：第一电机13、第一丝杠14和导轨12；射线源4和探测器3分别位于导轨12两端；第一丝杠14位于导轨12一侧且平行于导轨12延伸；调节平台1滑动安装在导轨12上，并且具有与第一丝杠14螺纹配合的螺孔；第一电机13的输出端与第一丝杠14连接用于通过驱动第一丝杠14带动调节平台1移动。
直线驱动机构包括两个导轨12，第一丝杠14位于两个导轨12之间。
旋转驱动机构包括：第二电机23、第二丝杆和齿轮24；齿轮24与旋转盘2同轴布置且固定连接，第二丝杆与齿轮24啮合，第二电机23的输出端与第二丝杠26连接用于通过第二丝杠26驱动齿轮24转动，以带动旋转盘2转动。
所述可变空间分辨率CT扫描装置的工作过程中，首先将待扫描对象放置在旋转盘2上，根据扫描整体或局部的要求，移动调节平台1与射线源4和探测器的距离，使得扫描区域的中心位于旋转盘2的旋转中心上，并使扫描区域具有高空间分辨率。然后，开启射线源4和探测器3对扫描区域的截面进行扫描，同时转动旋转盘2，获取一系列待扫描对象不同旋转角度的截面图像，最后通过对上述图像进行三维重建，实现待扫描对象的成像。
在本发明实施例中，所提出的可变空间分辨率CT扫描装置，通过固定射线源和探测器的位置，移动调节平台的位置，一方面，易于机械设计和自动控制，另一方面，有效避免较大的重复定位误差，同时射线源位置固定，固定的锥角可以减小CT扫描过程中带来的伪影，再一方面，在有限空间内实现更大的照射野范围和扫描图像的空间分辨率范围，进而实现待测对像的宏观全身照射到扫描图像的高空间分辨率的器官、骨骼和血管等成像。
在调节扫描图像的空间分辨率时，在本发明实施例的可变空间分辨率CT扫描方法的步骤1中，扫描图像的空间分辨率r为：
Figure SMS_9
；
其中，
Figure SMS_10
为扫描图像像素值，M表示为扫描图像放大率，M=SDD/SAD，其中，SDD表示射线源4到探测器3的距离，SAD表示射线源4到旋转盘2旋转中心的距离。在实际计算时，当射线源4与探测器3之间距离一定时，根据所需的空间分辨率即可计算出X射线源4到旋转盘2旋转中心的距离，即旋转盘2的位置即可确定。
当计算时将图像像素值直接取探测器3的像素值，探测器3实际获取的图像像素值会受环境影响，进而影响计算结果的准确度。因此，在进一步具体实施方式中，所述图像像素值
Figure SMS_11
为：
Figure SMS_12
；
其中，
Figure SMS_13
为探测器3的像素值，/>
Figure SMS_14
为焦斑模糊系数，/>
Figure SMS_15
，
Figure SMS_16
为焦斑大小。
为了保证旋转盘2能够按照上述距离精确移至所需位置，本发明实施例的直线驱动机构包括第一电机13、第一丝杠14和导轨12，射线源4和探测器3分别位于导轨12两端，第一丝杠14位于导轨12一侧且平行于导轨12延伸，调节平台1可滑动安装在导轨12上且其上具有与第一丝杠14螺纹配合的螺孔，第一电机13的输出端与第一丝杠14连接用于通过驱动第一丝杠14带动调节平台1移动。移动时，第一电机13驱动第一丝杠14转动，通过第一丝杠14与调节平台1的螺孔螺纹配合，调节平台1沿导轨12滑动，使得调节平台1根据扫描图像的空间分辨率的计算值能够精确移动至所需位置。
为了保证调节平台1移动的稳定性，在具体设计方式中，直线驱动机构包括两个导轨12，第一丝杠14位于两个导轨12之间。
旋转驱动机构包括第二电机23、第二丝杆26和齿轮24，齿轮24与旋转盘2同轴布置且固定连接，第二丝杆与齿轮24啮合，第二电机23的输出端通过联轴器25与第二丝杠26连接用于通过第二丝杠26驱动齿轮24转动，以带动旋转盘2转动。旋转时，第二电机23驱动第二丝杠24转动，通过第二丝杠26与齿轮24啮合，通过齿轮24带动旋转242转动，从而使得扫描时旋转盘2平稳均速转动，进而保证扫描图像获取的均匀性和图像质量。
参照图2-5所示，下面以小鼠的全身和局部CT扫描成像为例详细说明本实施例。
如图5所示，一种可变空间分辨率CT成像系统，其中计算机控制单元5控制射线源4的出束、探测器3采集数据和信息传输，并且控制旋转驱动机构和直线驱动机构的运动，以改变调节平台1、旋转盘2的位置，计算机控制单元5对输出的结果进行数据重建和分析。
如图6所示，一种实施方式的100μm空间分辨率下小鼠全身扫描图像（属于大成像视野扫描图像的低空间分辨率整体成像），对小鼠全身进行成像时，首先将待扫描对象放置在旋转盘2的中心，然后根据所需的图像空间分辨率移动调节平台1，使得待扫描对象位于适当位置。驱动旋转盘2转动，通过射线源4和探测器3获取待扫描对象的多个截面图像。在图像重建时，可以使用不同算法对获取的多个截面图像进行三维重建。
如图7所示，一种可变空间分辨率CT扫描方法的一种实施方式的50μm空间分辨率下小鼠肺部器官扫描图像（属于中成像视野扫描图像的中空间分辨率局部成像）；
当小鼠体内的局部器官（肺部器官/骨骼）进行成像时，对待扫描对象进行局部扫描。根据所需的图像空间分辨率移动调节平台1，使得小鼠感兴趣区域位于适当位置，此时小鼠到射线源4的距离要比全身成像时小。驱动旋转盘2转动，通过射线源和探测器获取小鼠的局部截面扫描图像。在图像重建时，通过局部重建算法对待扫描对象内部的扫描区域的进行三维重建。具体地，局部重建算法利用拉普拉斯算子滤波和残差滤波余弦加权，用于纠正局部扫描引起的截断伪影。实现高质量的局部感兴趣区三维成像。
如图8所示，一种实施方式的15μm空间分辨率下小鼠骨骼组织扫描图像（属于小成像视野扫描图像的高空间分辨率局部成像）。这个实施例的扫描方法和扫描装置可变照射野的范围更大，可变扫描图像的空间分辨率范围也更大，可以实现对同一只小动物从宏观全身成像到扫描图像的高空间分辨率的器官、骨骼和血管等局部感兴趣区成像。
避免光子串扰是通过本发明整个装置在扫描的时候，射线源4与探测器3位置固定来达到的，而照射伪影是通过局部重建算法利用拉普拉斯算子滤波和残差滤波余弦加权，用于纠正局部扫描引起的截断伪影实现的。
从图6-8中的三幅成像图可以看出无光子串扰以及照射伪影，图像更加清晰准确。
总之，本发明通过可变扫描图像的空间分辨率，利用扫描图像的空间分辨率调节方法及重建，同时避免了光子串扰以及照射伪影。
基于同一发明构思，本发明的另一实施例提供一种电子装置（计算机、服务器、智能手机等），其包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行本发明方法中各步骤的指令。
基于同一发明构思，本发明的另一实施例提供一种计算机可读存储介质（如ROM/RAM、磁盘、光盘），所述计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序被计算机执行时，实现本发明方法的各个步骤。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种可变空间分辨率CT扫描方法，其特征在于，包括：
步骤1、将待扫描对象放置在射线源（4）和探测器（3）之间，动态调节待扫描对象的相对位置，实现可变的扫描图像的空间分辨率的调节，以及待扫描对象整体扫描与局部扫描之间的切换，然后围绕旋转盘（2）的旋转中心旋转待扫描对象，同时通过射线源（4）和探测器（3）对待扫描对象进行扫描，获得扫描图像；
所述动态调节待扫描对象的相对位置，实现可变的扫描图像的空间分辨率的调节，以及待扫描对象整体扫描与局部扫描之间的切换是指根据扫描要求移动待扫描对象的位置，调节扫描图像的空间分辨率和成像视野，再根据成像视野决定整体扫描还是局部扫描；
所述调节扫描图像的空间分辨率r的公式为：
Figure QLYQS_1
；
其中，
Figure QLYQS_2
为扫描图像像素值，M表示为扫描图像放大率，M=SDD/SAD，SDD表示射线源（4）到探测器（3）的距离，SAD表示射线源（4）到旋转盘（2）的旋转中心的距离；
所述图像像素值
Figure QLYQS_3
为：
Figure QLYQS_4
；
其中，
Figure QLYQS_5
为探测器（3）的像素值，/>
Figure QLYQS_6
为焦斑模糊系数，/>
Figure QLYQS_7
，/>
Figure QLYQS_8
为焦斑大小；
步骤2、对扫描图像进行三维图像重建；
步骤3、重新移动待扫描对象到另一个不同位置，重复步骤1-步骤2，完成在不同成像视野不同扫描图像的空间分辨率下对同一待扫描对象的成像。
2.根据权利要求1所述的可变空间分辨率CT扫描方法，其特征在于，所述步骤2中，三维图像重建包括对扫描图像的整体成像或局部成像；当对扫描对象需要整体扫描时，对扫描图像进行整体成像，所述三维图像重建使用全局图像重建算法进行；当对扫描对象需要局部扫描时，对扫描图像进行局部成像，所述三维图像重建使用局部图像重建算法进行；所述局部重建算法利用拉普拉斯算子滤波和残差滤波余弦加权，用于纠正局部扫描引起的截断伪影。
3.一种实现权利要求1或2所述的可变空间分辨率CT扫描方法的可变空间分辨率CT扫描装置，其特征在于，包括：射线源（4）、探测器（3）、调节平台（1）、旋转盘（2）、旋转驱动机构和直线驱动机构；
调节平台（1）位于射线源（4）和探测器（3）之间，旋转盘（2）能够转动地安装在调节平台（1）上，旋转驱动机构用于驱动旋转盘（2）转动，直线驱动机构与调节平台（1）连接用于驱动调节平台（1）在射线源（4）和探测器（3）之间移动，以调节旋转平台与射线源（4）和探测器（3）之间的间距。
4.根据权利要求3所述的可变空间分辨率CT扫描装置，其特征在于，所述直线驱动机构包括：第一电机（13）、第一丝杠（14）和导轨（12）；射线源（4）和探测器（3）分别位于导轨（12）两端；第一丝杠（14）位于导轨（12）一侧且平行于导轨（12）延伸；调节平台（1）滑动安装在导轨（12）上，并且调节平台（1）具有与第一丝杠（14）螺纹配合的螺孔；第一电机（13）的输出端与第一丝杠（14）连接用于通过驱动第一丝杠（14）带动调节平台（1）移动。
5.根据权利要求4所述的可变空间分辨率CT扫描装置，其特征在于，所述直线驱动机构包括两个导轨（12）；第一丝杠（14）位于两个导轨（12）之间。
6.根据权利要求4所述的可变空间分辨率CT扫描装置，其特征在于，所述旋转驱动机构包括：第二电机（23）、第二丝杆和齿轮（24）；齿轮（24）与旋转盘（2）同轴布置且固定连接，第二丝杆与齿轮（24）啮合，第二电机（23）的输出端与第二丝杠（26）连接用于通过第二丝杠（26）驱动齿轮（24）转动，以带动旋转盘（2）转动。
7.一种可变空间分辨率CT成像系统，其特征在于，包括计算机控制单元（5）和权利要求3-6任意之一所述的可变空间分辨率CT扫描装置；
计算机控制单元控制射线源（4）的出束、探测器（3）采集数据和信息传输，并且控制旋转驱动机构和直线驱动机构的运动，以改变调节平台（1）、旋转盘（2）的位置，计算机控制单元（5）对输出的结果进行数据重建和分析。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1或2所述的方法。
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