CN117137511A - 一种高图像质量、低剂量的多源ct系统快速扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法，在X射线源为奇数的多源CT系统中，采集的图像数据是对称分布且互补的，由于制造及装配误差，或为其他扩展用途，射线源与对应探测器通道的中心有一定的偏差，本发明利用此偏差实现更高分辨率、更低伪影和更少失真的图像，使用最小旋转角度来收集一组完备的投影数据，可实现快速扫描，获得最佳的成像时间分辨率，并减少完成扫描所需的时间，进而减少对病人的射线辐射以及造影剂的用量。本发明实现多源CT系统的快速扫描，利用球管焦点和探测器中心的偏差，使得多源CT系统的扫描速度、时间分辨率和重建图像图像质量都得到显著提高，并减少对病人的射线辐射剂量和造影剂剂量。

Description

一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法

技术领域

本发明属于X线电子计算机断层扫描技术领域，具体是一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法。

背景技术

在CT(X线电子计算机断层扫描)系统中，通常有三种扫描方式：

全扫描：X射线球管和探测器需要围绕中心旋转＝2π

半扫描：X射线球管和探测器需要围绕中心旋转＜2π

过扫描：X射线球管和探测器需要围绕中心旋转＞2π；

在半扫描中，由于只需部分旋转角度用于数据采集，可以加快扫描速度，提高CT系统的时间分辨率。但实现精确重建的扫描角度需要进行精确地计算，以便在保证精确重建的前提下，尽可能减少对病人的扫描时间。

CT扫描是一种通过X射线旋转扫描患者身体来获取断层图像的成像技术。为了获得准确的重建图像，通常单源CT系统需要围绕被测对象完成一周的射线扫描。为了优化CT的时间分辨率，我们应该通过半扫描方式，尽量使用最小的一个范围角度数据来获得一个投影数据集合，最终精确重建一幅图像。对于单源扇形束的几何结构，Parker提出了一种半扫描权重策略[1]。对于CT半扫描的数据重合区域的数据，采取一种加权方案，采样区更加平滑，避免了这些区域间断，从而减少重建图像伪影。

如图7所示，一个等扇角几何结构的单源CT系统，α是探测器的角度(也就是X射线扇形束的角度)，β是X射线源的角度；

在单源CT上，根据Packer权重公式(如下)，可以得到冗余数据的区域图(如图8所示)，

在冗余数据区域图中的上下灰色冗余区域被重复采样，所以在图像重建时，两个区域数据必须根据权重合并。

以2α＝60°为例，球管从0°开始旋转π+2α的数据收集，则需要收集240度的数据。采集到的π+2α数据分布，如图9所示，

A1、A2、A3部分数据需要根据上述Parker权重系数，对重建过程使用的数据量进行权重调整，权重调整时可以对数据量估计和差值操作，以获得更准确的图像重建，有效降低伪影和失真。

现有背景技术的文件：

(1)D.L.Parker,“Optimal short scan convolution reconstruction for fanbeam CT,”Med.Phys.9,254–257！1982".

(2)Ying Liu,Hong Liu,Ying Wang,Ge Wang“Half-scan cone-beam CTfluoroscopy with multiple x-ray sources”Medical Physics,Vol.28,No.7,July 2001

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种实现多源CT系统(考虑到机械机构可实现性，多源为奇数多源，例如三源，五源等)快速扫描，可以有效降低多源CT系统的伪影和失真，获得更准确的图像；使得多源CT系统的图像速度和时间分辨率都可以得到飞跃式的提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法，在X射线源为奇数的多源CT系统中，采集的图像数据是对称分布且互补的，由于制造及装配误差，或为其他扩展用途，射线源与对应探测器通道的中心有一定的偏差，利用此偏差实现更高分辨率、更低伪影和失真的成像；另外，使用最小旋转角度来收集一组完备的投影数据，可以实现快速扫描，从而获得最佳的时间分辨率，并减少对病人的辐射剂量。

优选地，对于多源CT，考虑到机械制造、装配误差，以及更多扩展用途，各个源所对探测器的中心通道均有一定的偏差，而且这些偏差也不尽相同。即对于每个源的β值需要进一步修正，修正值为(β₁,β₂…β_n)。

优选地，N源一个通用的CT权重公式为：

公式中β_n偏差需要计算每个源相对中心通道的偏移量，例如，第一个X射线源与相应探测器偏移1/16通道，即可计算出对应的角度；

多源CT半扫描收集的数据采用上述权重公式进行合理的估计和一些差值运算，可以有效降低这些伪影和失真，获得更准确的图像。

优选地，多源CT系统采用三源CT系统，其步骤如下：

1)将三个球管分别编号为球管1、球管2和球管3，且球管1分别与球管2和球管3之间呈指定角度的夹角；

2)在系统对准时，三个探测器中心间隔指定角度的夹角，分别位于三个球管的对面，编号分别为探测器1、探测器2和探测器3；

3)系统进行精确图像重建，至少需要π+2α范围的投影数据。所以三源系统顺时针旋转π/3+2α/3进行数据采集，则三个射线源：

球管1得到π/3+2α/3的数据，

球管2得到π/3+2α/3的数据，

球管3得到π/3+2α/3的数据。

优选地，所述步骤1)中球管2位于球管1逆时针120°处，球管3位于球管1顺时针120°处。

优选地，所述步骤2)中每个探测器位于其对应的球管180度间隔方向。

优选地，多源CT系统采用以0.36s旋转的三源CT系统，探测器角度为60°，得到：

1)扫描速度至少可以达到12FPS，结合目前的高性能计算机，可以达到实时看到心脏跳动的效果；

2)时间分辨率≈T_快速扫描x(1/4～1/3)，时间分辨率可以达到26ms；可以在不用心电门控技术即可在心动周期的任何位置采集清晰无运动伪影的冠脉图像；

3)由于快速扫描的方式相对与全扫描，数据采集时间的缩短，X线剂量也降低了30％以上。

本发明实现多源CT系统(考虑到机械机构可实现性，多源为奇数多源，例如三源，五源等)快速扫描，可以有效降低多源CT系统的伪影和失真，获得更准确的图像；使得多源CT系统的图像质量、时间分辨率和剂量递减都可以得到飞跃式的提高。

附图说明

图1为本发明实施例1的工作原理图；

图2为本发明实施例1中三个X射线球管的半扫描时，每个球管采集数据的覆盖区域关系图；

图3为本发明实施例1中三源CT的类Parker权重的通用形式示意图；

图4和图5为本发明中实施例2中X射线球管和探测器布局图；

图6为本发明实施例3中对比结果显示图；

图7为本发明背景技术中一个等扇角几何结构的单源CT系统的工作原理图；

图8为本发明背景技术中单源CT上根据Packer权重公式得到冗余数据的区域图；

图9为本发明背景技术中采集到的π+2α数据分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种实现多源CT系统(考虑到机械机构可实现性，多源为奇数多源，例如三源，五源等)快速扫描方式。

在X射线源为奇数的多源CT系统中，采集的图像数据是对称分布且互补的。为了获得最佳的时间分辨率，应该使用最小角度来收集一组完整数据。根据现有技术，扇形束CT系统重建图像所需一圈数据的最小角度数据和应为π+2α，2α为扇形束夹角。以三源CT系统为例，实现CT快速扫描、精确重建方法为：

1)三个X射线球管分辨编号为1、2(球管1逆时针120°)、3(球管1顺时针120°)；详见图1；

2)在系统安装对准(Al ignment)时，三个探测器中心间隔120度，均匀排布，位于球管的对面(180°间隔方向)；详见附图1；

3)系统进行精确图像重建，至少需要π+2α范围的投影数据。所以三源系统顺时针旋转π/3+2α/3进行数据采集，则三个射线源：

球管1得到π/3+2α/3的数据，

球管2得到π/3+2α/3的数据，

球管3得到π/3+2α/3的数据，

数据分布详见图1。

三个X射线球管的半扫描时，每个球管采集数据的覆盖区域关系图如图2所示；三角形区域是重复数据采样的区域(数据图中的A1：B3、A3：C1、B1：C3部分)。则三源CT的类Parker权重的通用形式如图3所示。

对于多源CT，考虑到机械制造、装配误差，以及更多扩展用途，各个源所对探测器的中心通道均有一定的偏差，而且这些偏差也不尽相同。甚至于，为了特殊的目的，故意将射线源与探测器的中心通道做一些偏移。即对于每个源的β值需要进一步修正，修正值为(β₁,β₂…β_n)。

综上所述，N源(N为奇数)一个通用的CT权重公式为：

公式中β_n偏差需要计算每个源相对中心通道的偏移量，例如第一个X射线源与相应探测器偏移1/16通道，即可计算出对应的角度。

多源CT半扫描收集的数据上述权重公式进行合理的估计和一些差值运算，可以有效降低这些伪影和失真，获得更准确的图像。

通过这种快速扫描方式，CT系统的图像速度、时间分辨率、剂量递减都可以得到飞跃式的提高。以0.36s旋转的三源CT系统为例，探测器角度假定为60°

1)这样扫描速度至少可以实现12FPS重建图像，可以达到实时看到心脏跳动的效果。

2)时间分辨率≈T_快速扫描x(1/4～1/3)，时间分辨率可以达到26ms。可以在不用心电门控技术即可在心动周期的任何位置采集清晰无运动伪影的冠脉图像。

3)由于快速扫描的方式相对与全扫描，数据采集时间的缩短，X线剂量也降低了30％以上。

实施例2

以三源CT系统为例，X射线球管和探测器布局如图4所示，三组X射线球管与探测器，间隔120°排布在一个平面内，它们共同绕着旋转中心旋转。

三源CT系统，从0°开始旋转π/3+2α/3(以α＝0为例)后，X射线球管与探测器的相对位置如图5所示。

实施例3

以三源CT系统为例，对本发明所述方案进行了模拟，并且与全扫描(2π)、单源半扫描(π+2α)方式对比结果显示(如图6所示)，本发明所述的三源半扫描(π/3+2α/3)的结果与上述两种方式在同一水平。

Claims (7)

1.一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法，其特征在于：在X射线源为奇数的多源CT系统中，采集的图像数据是对称分布且互补的，由于制造及装配误差，或为其他扩展用途，射线源与对应探测器通道的中心有一定的偏差，利用此偏差实现更高分辨率、更低伪影和失真的成像；另外，使用最小旋转角度来收集一组完备的投影数据，可以实现快速扫描，从而获得最佳的时间分辨率，并减少对病人的辐射剂量。

2.根据权利要求1所述的一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法，其特征在于：对于多源CT，考虑到机械制造、装配误差，以及更多扩展用途，各个源所对探测器的中心通道均有一定的偏差，而且这些偏差也不尽相同；即对于每个源的β值需要进一步修正，修正值为(β₁,β₂…β_n)。

3.根据权利要求2所述的一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法，其特征在于：N源一个通用的CT权重公式为：

公式中β_n偏差需要计算每个源相对中心通道的偏移量，例如：第一个X射线源与相应探测器偏移1/16通道，即可计算出对应的角度；

多源CT半扫描收集的数据采用上述权重公式进行合理的估计和一些差值运算，可以有效降低这些伪影和失真，获得更准确的图像。

4.根据权利要求1所述的一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法，其特征在于：多源CT系统采用三个X射线源，其步骤如下：

1)将三个球管分别编号为球管1、球管2和球管3，且球管1分别与球管2和球管3之间呈指定角度的夹角；

2)在系统对准时，三个探测器中心间隔指定角度的夹角，分别位于三个球管的对面，编号分别为探测器1、探测器2和探测器3；

3)扇形束CT系统进行精确图像重建，所需投影数据的最小角度之和为π+2α，

2α为射线源扇形束夹角；所以三源系统顺时针旋转π/3+2α/3进行数据采集，则三个射线源：

球管1得到π/3+2α/3的数据，

球管2得到π/3+2α/3的数据，

球管3得到π/3+2α/3的数据。

5.根据权利要求4所述的一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法，其特征在于：所述步骤1)中球管2位于球管1逆时针120°处，球管3位于球管1顺时针120°处。

6.根据权利要求4所述的一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法，其特征在于：所述步骤2)中每个探测器位于其对应的球管180度间隔方向。

7.根据权利要求1所述的一种高图像质量、低剂量的多源CT系统快速扫描方法，其特征在于：如果多源CT系统采用以0.36s旋转的三源CT系统，探测器覆盖的扇束角度为60°，则得到：

1)如果扫描加图像重建速度至少可以达到12FPS(帧每秒)，则可以达到实时看到心脏跳动的效果；

2)时间分辨率≈T_快速扫描x(1/4～1/3)，时间分辨率可以达到26ms；可以在不用心电门控技术即可在心动周期的任何位置采集清晰无运动伪影的冠脉图像；

3)由于快速扫描的方式相对与全扫描，数据采集时间的缩短，X线剂量也降低了30％以上。