CN117414151A - 一种呼吸门控计算机断层成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种呼吸门控计算机断层成像方法及系统，属于生命科学和医学影像设备技术领域。本发明提供的方法包括以下步骤：监测呼吸信号并设定时域t1与时域t2；固定角度采集图像；改变角度并再次采集图像；图像重建：将采集得到的图像，即不同角度采集到的投影图，进行图像重建，得到重建CT影像；其中，所述时域t1为延迟时间，所述时域t2为图像采集时间。本发明还提供了一种呼吸门控计算机断层成像的系统。本呼吸门控计算机断层成像方法及系统能够成功实现对不同动物的成像，相对于传统门控方法本发明的门控准确性更好，信噪比更高，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及生命科学和医学影像设备领域，具体涉及一种呼吸门控计算机断层成像方法及系统。
背景技术
计算机断层成像（computed tomography，CT）系统主要由 X 射线球管、平板探测器或者多排阵列探测器、旋转系统和图像处理系统等组成。由于其具有成像速度快、易于集成等优势，CT成像系统在科研应用广泛，如动物CT成像系统。然而，CT扫描时，由于动物呼吸引起的运动，导致重建的图像出现运动伪影，降低了图像质量，进而限制CT的应用场景。为得到高质量的CT图像，需要开发新的方法和技术来抑制运动伪影。
激光位移传感器是基于激光三角原理实现测量的传感器。激光在目标物体上产生漫射，反射光在CMOS上成像，通过检测位置、形状的变化来测量位移。可测量高度、位置等参数。成像目标呼吸时，呼吸肌收缩舒张引起胸廓节律性扩张与缩小，由此引起的肺被动的扩张（吸气）、回缩（呼气）和歇息。在呼吸期间，胸部皮肤连同胸廓发生规律性起伏，这种起伏可以被由激光位移传感器组成的激光测量系统检测，并用于量化成像目标的呼吸幅度。据此设计了一种呼吸门控计算机断层成像方法。该方法不需要跟被扫描物体直接接触，可以实时监测呼吸信号并有效筛选CT投影数据进行图像重建，得到高质量的CT图像。
中国专利申请202110535415.9公开了一种呼吸门控的X射线摄影系统及其方法。该系统包括X射线摄影发射装置，X射线摄影成像装置，呼吸监测装置，曝光控制装置。其中，所述呼吸监测装置设有监测探头，监测探头置于受检物体的口鼻处，通过受检物体的气体交换对其呼吸状态进行监测，根据呼吸状态监测情况控制X射线摄影系统，以减少呼吸伪影的产生。然而，该设备需要靠近受检物体的口鼻处，对X射线成像的过程是一种干扰。
中国专利申请202210295558.1公开了一种医学扫描系统、方法和存储介质，包括CT扫描设备、雷达设备和控制设备。具体地，通过雷达设备获取受测对象的呼吸信号，并判断对象的呼吸状态，并依次控制CT扫描设备的扫描，从而减少呼吸伪影的产生。上述现有技术中雷达使用方便，但设备普及度相对较低。
中国专利申请202211639493.4公开了一种基于超声的4DCT重建系统与方法。该系统包括：治疗床、超声探头及支架、CT球管、CT平板、CT机架、同步出发板以及角度传感器，所述超声探头通过支架安装固定于所述治疗床上，所述角度传感器安装于所述CT机架上，其中，所述系统按照如下步骤来重建4DCT影像：S1：对患者进行体位固定，准备开始4DCT采集；S2：调整超声探头及支架角度，使其能够采集患者肝部血管图像；S3：机架旋转，连续采集CT单帧图像；S4：超声同步采集肝部运动图像，并获取肝部呼吸运动曲线；S5：基于获取的肝部呼吸运动曲线数据，利用FDK迭代重建算法来重建三维CT影像；S6：将不同相位CT数据进行拼接，以得到完整4DCT影像数据。上述现有技术采用固定超声探头的方法测定受检患者呼吸信号，主要针对肝部区域进行检测，难以对其他部位检测，也难以对实验动物进行检测。
2012年发表的《Non-contact respiration monitoring for in-vivo murinemicro computed tomography: characterization and imaging applications》（2012Phys. Med. Biol. 57 5749）一文公开了一种非接触式的检测小鼠呼吸以门控micro-CT成像的技术。该技术通过光纤传导的方式将光信号通过光纤传到至待检小鼠近处，检测小鼠的呼吸信号，然后通过设置阈值的方式，控制CT门控对小鼠进行成像，以小鼠降低呼吸对小鼠micro-CT成像结果的影响。然而一方面，该技术提供的CT成像装置仅限于小鼠或类似小鼠的动物进行测定，无法对其他体型较大的动物进行测定；另一方面，该方法中监测信号的传导依赖光纤，受限于小鼠周围非常有限的空间，而且其信号必须通过光纤反馈，无法保证对大幅度运动信号监测的准确性，该门控方式存在准确度较低的缺点。
综上所述，实现客体泛用性更好、准确度更好、信噪比更高的呼吸门控计算机断层成像，成为本领域亟待解决的瓶颈问题。
发明内容
有鉴于此，针对现有技术难以实现客体泛用性更好、准确度更好、信噪比更高的呼吸门控计算机断层成像的问题，本发明的目的是提供一种呼吸门控计算机断层成像方法及系统。
为实现上述发明目的，一方面，本发明提供一种呼吸门控计算机断层成像方法，具体如下：
一种呼吸门控计算机断层成像方法，包括以下步骤：
S1、监测呼吸信号并设定时域t1与时域t2；
S2、固定角度采集图像；
S3、改变角度并再次采集图像；
S4、图像重建：将步骤S2和步骤S3中采集得到的图像进行图像重建，得到重建CT影像；
其中，步骤S1中，所述时域t1为延迟时间，所述时域t2为步骤S2和步骤S3中所述采集图像的图像采集时间。
优选地，所述步骤S3重复次数≥1次。
优选地，步骤S1中，所述监测呼吸信号具体为：采用接触式监测方法、非接触式监测方法中的至少一种方法监测呼吸信号。
其中接触式监测方法包括接触式柔性传感器、温度传感器等，非接触式监测方法包括毫米波雷达、激光位移传感器、基于视频呼吸监测方法等。
更优选地，所述监测呼吸信号为实时监测成像目标的呼吸信号。
更优选地，所述接触式监测方法选自接触式柔性传感器、温度传感器中的至少一种，非接触式监测方法选自毫米波雷达、激光位移传感器、基于视频呼吸监测方法中的至少一种。
再优选地，且作为本发明的实例，步骤S1中，所述监控呼吸信号具体为：通过激光测量系统实时检测成像目标的呼吸信号。
优选地，步骤S1中，所述时域t1与时域t2为依次连续的时域。
优选地，步骤S1中，所述设定时域t1与时域t2的方法为：利用寻峰算法获取呼吸信号的吸气末峰值，并根据该吸气末峰值设定时域t1与时域t2。
更优选地，所述寻峰算法获取呼吸信号的吸气末峰值，并根据该吸气末峰值设定时域t1与时域t2的方法具体如下：
t2为呼吸幅度最小的连续时间段，经验值大约为整个呼吸周期的30-70%。t1为从吸气末峰值到t2开始的时间段。其中，上述吸气末峰值的判断标准为：呼吸幅度大于阈值且幅度首次随时间下降的点。设置前提前预览几个呼吸周期，找到几个周期中吸气末峰值的最小值，阈值设置为峰值最小值的80%。
优选地，步骤S2中，所述采集图像包括如下步骤：
在时域t2内，开始X射线照射成像目标，采集到图像后，停止X射线照射成像目标直至下一次由时域t1内变为时域t2内时。
更优选地，在一些实例中，步骤S2中，所述采集图像还包括如下步骤：
对于脉冲式X射线球管，球管初始保持在不出光状态，在每个固定的旋转角度内，选择在t2时间内，脉冲出光，使得X射线照射成像目标（此时，成像目标因为呼吸造成的运动幅度最小），采集到图像后，脉冲关闭。
在一些实例中，步骤S2中，所述采集图像还包括如下步骤：
对于连续式X射线球管，快门初始保持在关闭状态，在每个固定的旋转角度内，选择在t2时间内，打开快门，使得X射线照射成像目标（此时，成像目标因为呼吸造成的运动幅度最小），采集到图像后，快门关闭。
优选地，步骤S3中，所述改变角度并再次采集图像包括如下步骤：
改变采集角度后，如果正处于时域t2内，开始X射线照射成像目标，采集到图像后，停止X射线照射成像目标直至下一次由时域t1内变为时域t2内时；如果未处于时域t2内，则等待直至处于时域t2内时，开始X射线照射成像目标，采集到图像后，停止X射线照射成像目标直至下一次由时域t1内变为时域t2内时。
更优选地，所述改变采集角度具体为旋转成像目标、旋转CT设备机架中的至少一种。
再优选地，所述改变采集角度具体为旋转成像目标、CT设备机架中的一种。
优选地，步骤S4中，所述图像重建具体为采用下述重建算法中的至少一种进行重建：
滤波反投影算法、迭代重建算法。
另一方面，本发明提供了一种呼吸门控计算机断层成像的系统，其特征在于，包括CT成像设备，激光测量系统，中央软件模块；
其中，所述CT成像设备包括对立的X射线球管、平板探测器，及位于X射线球管和平板探测器之间的载物机构；
所述载物机构用于固定成像目标；
所述载物机构的运行方法选自方法P1、方法P2中的一种：
方法P1、进行CT图像采集的时候，保持载物机构固定，X射线球管和平板探测器围绕载物机构旋转调节采集角度；
方法P2、X射线球管和平板探测器固定，载物机构旋转带动成像目标调节采集角度；
所述激光测量系统用于获取成像目标的呼吸信号；
所述中央软件模块用于接收成像目标的呼吸信号、根据设置的时域参数控制所述CT成像设备采集成像目标图像、将不同角度采集到的投影图进行图像重建。
优选地，所述X射线球管选自脉冲式X射线球管、连续式X射线球管中的一种。
更优选地，当所述X射线球管为连续出光X射线球管时，所述X射线球管的出光口位置设置有快门。
优选地，所述载物机构具体为：固定载物台加旋转机架或者旋转载物台加固定机架。
更优选地，所述载物台的用途为放置成像目标。
更优选地，所述机架的用途为搭载X射线球管和平板探测器。
更优选地，当使用所述载物机构的运行方法为方法P1时，使用固定载物台加旋转机架作为载物机构；当使用所述载物机构的运行方法为方法P2时，使用旋转载物台加固定机架作为载物机构。
进一步地，当所述X射线球管为连续出光X射线球管时，所述X射线球管的出光口位置设置有快门。
优选地，所述快门由电机和与其连接的、位于X射线球管出光口前方、可以阻挡X射线的挡片组成；所述电机可以驱动挡片运动以阻挡X射线球管出光口发射的X射线。
更优选地，所述挡片的形状选自实心扇形、矩形、圆形中的一种或者其他可以对光束进行有效遮挡的任意形状。挡片可以是旋转运动、上下或左右平移运动，以通过快速运动形成对光束的遮挡与去遮挡。
再优选地，所述挡片的材质选自铜、钨、铅、铁等对X射线衰减相对较大的材料，或上述几种材质构成的合金。
再优选地，如果选用钨片，所述挡片的厚度为2-5mm。
在一些实例中，所述挡片形状为扇形，材质为钨钢，厚度为3mm。
在另一些实例中，所述挡片为形状为矩形，材质为铜，厚度为5mm。
更优选地，所述电机可以驱动挡片运动以阻挡X射线球管出光口发射的X射线。
再优选地，所述运动选自直线运动、旋转运动中的任意一种。
在一些实例中，所述挡片为扇形，所述电机连接扇形挡片的圆心位置，电机以圆心为轴带动扇形挡片作旋转运动，进而控制遮挡X射线球管出光口。
在另一些实例中，所述挡片为矩形，所述电机带动挡片作直线运动，进而控制遮挡X射线球管出光口。
优选地，所述中央软件模块通过外部输入来控制所述X射线球管对所述成像目标的X射线照射。
更优选地，当所述X射线球管为连续出光的X射线球管时，所述中央软件模块通过外部输入来控制所述X射线球管对所述成像目标的X射线照射具体为：通过控制所述电机来控制对所述成像目标的X射线照射。
进一步优选地，所述通过控制所述电机来控制所述X射线球管对所述成像目标的X射线照射具体为：通过控制所述电机的启动时间、启动速度、启动加速度、旋转速度、停止时间和终止减速度来控制对所述成像目标的X射线照射。
优选地，所述成像目标为实验动物。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过构建一种新型的呼吸门控计算机断层成像方法，采用监控呼吸信号并根据寻峰公式获得吸气峰值并设置时域的方式对X光进行呼吸门控，实现了准确度更高的计算机断层成像效果。
（2）本发明同现有的基于其他传感器的呼吸门控技术相比，激光位移传感器不接触成像目标，不会对成像目标的呼吸产生干扰，提高了成像目标的舒适度；激光位移传感器位于CBCT的成像视野外，通过激光信号获取运动信息，不存在射束衰减和干扰成像的问题；激光位移传感器不易受到温度影响，使得该系统可应用的场景更为广泛。
（3）本发明相比现有的的呼吸门控CT成像技术，本发明具有准确度更好，信噪比更高，客体泛用性更强的优点。
附图说明
图1为本发明的整体执行流程图。
图2为本发明的呼吸信号、门控信号波形图，其中呼吸信号在寻峰后阈值触发，经过时域t1延迟后时域t2为X射线可通过时域。
图3为本发明实施例1与对比例1的重建CT影像斜率值的对比图。
图4为本发明实施例1与对比例1的重建CT影像信噪比及对比度噪声比的对比图。
图5是本发明的一种呼吸门控计算机断层成像系统整体示意图；其中1表示X射线球管，2表示快门，3表示激光测量系统，4表示旋转台，5表示平板探测器。
图6是X射线球管和快门相对位置图；其中10表示X射线球管，20表示X射线球管的出光口，30表示电机，40表示挡片；挡片固定在电机的动力输出端。
图7为本发明的系统框图。
具体实施方式
以下非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述内容仅仅是对本发明要求保护的范围的示例性说明，本领域技术人员可以根据所公开的内容对本发明的发明作出多种改变和修饰，而其也应当属于本发明要求保护的范围之中。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种呼吸门控计算机断层成像的方法，该方法的流程图如图1。具体地，该方法包括以下步骤：
步骤S1：监测呼吸信号与设定固定时域t1与时域t2：通过激光测量系统实时监测成像目标（受试动物为气体麻醉的C57小鼠，6-12周龄）的呼吸信号，利用寻峰算法获取呼吸信号的吸气末峰值，设定固定的时域t1与时域t2，其中时域t1为触发吸气末峰值后的延迟时间，时域t2为触发吸气末峰值后的允许的图像采集时间。
时域t1和时域t2的分布示例如图2所示。
步骤S2：固定角度的采集图像：基于步骤1监测到的呼吸信号与设定好的固定时间阈值，进行采集图像；
其中，对于脉冲式X射线球管，球管初始保持在不出光状态，在每个固定的旋转角度内，选择在时域t2时间内，脉冲出光，使得X射线照射成像目标，此时，成像目标因为呼吸造成的运动幅度最小，采集到图像后，脉冲关闭；
其中，对于连续式X射线球管，快门初始保持在关闭状态，在每个固定的旋转角度内，选择在时域t2时间内，打开快门，使得X射线照射成像目标，此时，成像目标因为呼吸造成的运动幅度最小，采集到图像后，快门关闭。
步骤S3：改变角度并重新采集图像：旋转成像目标或CT设备机架重新采集图像，旋转到下一个采集角度，重复步骤2进行采集图像，根据呼吸信号确定吸气末峰值后，如正处于时域t2时间内则允许X射线球管出光采集图像，如未处于时域t2时间内，则等待下一次时域t2时间到来后允许X射线球管出光采集图像。
步骤S4：图像重建：将不同角度采集到的投影图，采用重建算法重建，得到重建CT影像。
其中，对于本实施例，所述采用重建算法具体为采用FDK算法，将不同角度采集到的投影图重建，实现步骤包括：（1）使用加权函数对投影数据进行加权；（2）对加权后的投影数据进行滤波；（3）对不同投影角度下滤波后的投影数据沿X射线反方向进行反投影。
其中，对于本实施例，气体麻醉后的C57小鼠的呼吸频率在1Hz左右，时域t1设置为350ms，时域t2设置为450ms。
实施例2
与实施例1不同之处在于，受试动物为经气体麻醉的新西兰白兔，其余皆相同。
实验结果：对于本实施例，气体麻醉后的新西兰白兔的呼吸频率在40次/分钟左右，在时域t1设置为300ms，时域t2设置为500ms的条件下，可以得到更为清晰的重建CT影像。
实施例3
与实施例1不同之处在于，受试动物为经气体麻醉的比格犬，其余皆相同。
实验结果：对于本实施例，气体麻醉后的比格犬的呼吸频率在25次/分钟左右，在时域t1设置为500ms，时域t2设置为1000ms的条件下，可以得到更为清晰的重建CT影像。
对比例1
与实施例1不同之处在于，仅仅采用幅度阈值触发的门控而非吸气末峰值结合时域t1、时域t2的方式进行门控。
如图3所示，对比例1成像图像中沿虚线信号变化的斜率值小于实施例1成像图像中沿虚线信号变化的斜率值，可以看出本发明的延迟门控成像图像更清晰的采集到了呼气末阶段图像。
如图4所示，对比例1成像图像中虚线框内的信噪比及对比度噪声比经计算也是小于实施例1成像图像的，可以看出本发明的延迟门控成像图像具有更优的成像效果。
通过对比两组重建CT影像可以看出，采用本发明的成像方法获得的图像中肺部轮廓更加清晰，且肺部内结构特征清晰可见，具有更好的成像效果。
装置实施例
一种呼吸门控计算机断层成像的系统，结构如图5所示，具体地，包括以下结构：
CT成像设备，所述CT成像设备包括X射线球管1、旋转台4、平板探测器5。其中，X射线球管1与平板探测器5直立相对，X射线球管1发射的X射线能够由平板探测器5检测；旋转台4的旋转轴固定在X射线球管1与平板探测器5的连线上，旋转台4的高度与X射线球管1和平板探测器5相当，使X射线能够穿透旋转台4上的待测目标到达平板探测器5处，所述X射线球管1的出光口位置设置有快门2；
激光测量系统3固定于CT成像设备之外，用于获取处于CT成像设备内成像目标的呼吸信号；
中央软件模块，用于接收成像目标的呼吸信号，并根据设置的时域参数控制所述CT成像设备采集成像目标图像。
所述X射线球管1采用连续式X射线球管，其中快门2选用旋转快门，用于配合连续式X射线球管1控制出光时间。所述旋转快门的结构如图6所示。
所述快门2由一个电机30及其连接的挡片40组成，所述电机30可以驱动挡片40转动以阻挡X射线球管出光口20发射的X射线，所述挡片40位于X射线球管出光口20前方，外形为一定角度的实心扇形，由足够厚（3mm）的钨钢板制成。
所述中央软件模块通过外部输入来控制电机的启动时间、启动速度、启动加速度、旋转速度、停止时间和终止减速度。
所述中央软件模块，用于控制本发明的旋转电机的转动、设定参数和控制出光脉冲。设置内容包含变速旋转电机的启动时间，启动速度，启动加速度，稳定旋转速度，停止时间，终止减速度和开关出光脉冲。
上述系统的框图如图7所示。
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。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种呼吸门控计算机断层成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、监测呼吸信号并设定时域t1与时域t2；
S2、固定角度采集图像；
S3、改变角度并再次采集图像；
S4、图像重建：将步骤S2和步骤S3中采集得到的图像进行图像重建，得到重建CT影像；
其中，步骤S1中，所述时域t1为延迟时间，所述时域t2为步骤S2和步骤S3中所述采集图像的图像采集时间。
2.根据权利要求1所述的一种呼吸门控计算机断层成像方法，其特征在于，步骤S1中所述监测呼吸信号具体为：采用接触式监测方法、非接触式监测方法中的至少一种方法监测呼吸信号。
3.根据权利要求1所述的一种呼吸门控计算机断层成像方法，其特征在于，步骤S1中，所述时域t1与时域t2为依次连续的时域；所述设定时域t1与时域t2的方法为：利用寻峰算法获取呼吸信号的吸气末峰值，并根据该吸气末峰值设定时域t1与时域t2。
4.根据权利要求1所述的一种呼吸门控计算机断层成像方法，其特征在于，步骤S2中，所述采集图像包括如下步骤：
在时域t2内，开始X射线照射成像目标，采集到图像后，停止X射线照射成像目标直至下一次由时域t1内变为时域t2内时。
5.根据权利要求1中所述一种呼吸门控计算机断层成像方法，其特征在于，步骤S3中，所述改变角度并再次采集图像包括如下步骤：
改变采集角度后，如果正处于时域t2内，开始X射线照射成像目标，采集到图像后，停止X射线照射成像目标直至下一次由时域t1内变为时域t2内时；如果未处于时域t2内，则等待直至处于时域t2内时，开始X射线照射成像目标，采集到图像后，停止X射线照射成像目标直至下一次由时域t1内变为时域t2内时。
6.根据权利要求1所述一种呼吸门控计算机断层成像方法，其特征在于，步骤S4中，所述图像重建具体为采用下述重建算法中的至少一种进行重建：滤波反投影算法、迭代重建算法。
7.一种呼吸门控计算机断层成像系统，其特征在于，包括CT成像设备，激光测量系统，中央软件模块；
其中，所述CT成像设备包括对立的X射线球管、平板探测器，及位于X射线球管和平板探测器之间的载物机构；
所述载物机构用于固定成像目标；
所述载物机构的运行方法选自方法P1、方法P2中的一种：
方法P1、进行CT图像采集时，保持载物机构固定，X射线球管和平板探测器围绕载物机构旋转调节采集角度；
方法P2、X射线球管和平板探测器固定，载物机构旋转带动所述成像目标调节采集角度；
所述激光测量系统用于获取所述成像目标的呼吸信号；
所述中央软件模块用于接收所述成像目标的呼吸信号、根据设置的时域参数控制所述CT成像设备采集所述成像目标图像、将不同角度采集到的投影图进行图像重建。
8.根据权利要求7所述的一种呼吸门控计算机断层成像系统，其特征在于，所述X射线球管选自脉冲出光X射线球管、连续出光X射线球管中的一种；
当所述X射线球管为连续出光X射线球管时，所述X射线球管的出光口位置设置有快门。
9.根据权利要求7所述的一种呼吸门控计算机断层成像系统，其特征在于，所述载物机构具体为：固定载物台加旋转机架或者旋转载物台加固定机架。
10.根据权利要求7所述的一种呼吸门控计算机断层成像系统，其特征在于，所述中央软件模块通过外部输入来控制所述X射线球管对所述成像目标的X射线照射。
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