CN118196232A - 锥束螺旋ct重建方法、装置、系统、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了锥束螺旋CT重建方法、装置、系统、电子设备及存储介质，该方法首先配置锥形束螺旋CT设备，配置探测器向左偏置，在固定的扫描角度下，扫描仪沿着轴线进行旋转扫描，同一时间内沿着轴线轴向移动，形成螺旋状的扫描路径，按扫描位置进行扫描时形成于射线探测区域内的投影点的数量和位置，对待重建空间点，使用大于360度角度范围对它进行重建，将0到1的线性渐变转化成更快速的非线性平滑渐变，对投影数据加权处理，重建后获得目标图像。螺旋偏置360度扫描可以大大提高扫描视野，但现有的螺旋偏置360度扫描存在不连续伪影。本发明提出的冗余角度加权方法，可以消除这种伪影，从而提高了螺旋偏置360度扫描的图像质量。

Description

锥束螺旋CT重建方法、装置、系统、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及一种锥束螺旋CT，具体是锥束螺旋CT重建方法、装置、系统、电子设备及存储介质。

背景技术

在当前锥束螺旋CT领域，重建算法主要分为两大类别：精确重建和近似重建。其中，KATSEVICH基于PI线的精确重建算法在代表性方面居于领先地位，而螺旋FDK算法则是近似重建算法的主要代表，目前在商用重建算法中占据主导地位。

然而，当前商用的螺旋FDK算法存在两个主要挑战，迫使我们寻求更先进的解决方案。首先，目前常用的锥束螺旋CT扫描方法通常基于没有偏置的探测器。这种扫描配置导致了视野范围的限制，探测器无法充分利用其潜在的扫描范围。因此，我们面临着视野范围小的问题，这在一些情境下可能限 制了对扫描对象的全面观察和分析。

其次，直接将传统的螺旋FDK算法应用于螺旋偏置扫描中，会引发不连续伪影的问题。这种不连续伪影可能导致图像质量下降，影响临床诊断的准确性。因此，我们需要克服这一挑战，以确保在螺旋偏置扫描中获得高质量且无伪影的重建图像。

发明内容

本发明的目的在于提供锥束螺旋CT重建方法、装置、系统、电子设备及存储介质，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：配置锥形束螺旋CT设备，包括X射线源、探测器、旋转机构、定位结构和安全装置的配置，其中配置探测器是偏置探测器；依据配置完成所述的锥形束螺旋CT设备，在固定的扫描角度下，沿着轴线进行旋转扫描，并且在同一时间内沿着轴线轴向移动，形成螺旋状的扫描路径，确定按所述的扫描路径进行扫描时形成于成像视野范围内的投影点的值和位置；依据所述的扫描路径进行扫描时形成于成像视野范围内的投影点的值和位置，将其标识为待重建空间点，所述待重建空间点包括所有位于成像视野范围内的投影点，采用大于360度角度的重建范围对所述待重建空间点进行重建，对超过360度的角度范围和从0度开始的重叠角度范围的反投影数据进行加权，确保权重和为1；应用投影数据以及图像重建算法以生成目标图像。

根据本发明的一个实施方式，所述待重建空间点进行重建包括设定一个多项式函数，多项式函数在渐变初期快速增长，随后逐渐趋于平缓，提高渐变的平滑性，在图像重建过程中，根据设定的多项式函数，计算每个数据点的权重，用于调整对应数据点的贡献度，所述的多项式函数用于执行图像处理中的非线性渐变，在定义域[0,1]内实现从最小值0到最大值1的平滑渐变。

根据本发明的一个实施方式，对所述待重建空间点进行重建包括：设备配置和扫描路径定义步骤，其中设备包括至少一个偏置配置的探测器，所述探测器沿一个预定义的螺旋状扫描路径绕旋转轴旋转并沿轴向移动；投影点的采集步骤，其中在每个固定的扫描角度，探测器捕获从不同角度穿过被扫描对象的X射线衰减数据，形成投影点；投影点的标识和记录步骤，其中记录成像视野内的所有投影点，并将其标识为待重建空间点；图像重建步骤，使用大于360度的扫描角度对标识的待重建空间点进行图像重建。

根据本发明的一个实施方式，所述探测器的偏置配置是相对于所述旋转轴的左偏置。

根据本发明的一个实施方式，所述图像重建步骤进一步包括使用迭代重建算法来处理所述待重建空间点的数据。

根据本发明的一个实施方式，用于所述的计算每个数据点的权重的加权方法：对收集的每个原始投影数据，应用图像重建加权，对每个投影点进行强度调整，依据图像重建加权后的投影数据进一步进行偏置加权，以校正成像过程中由于系统误差、探测器不均匀性或其他因素引起的数据偏差，对偏置加权后的投影数据进行一维卷积滤波处理，使用滤波核增强图像的边缘和细节，改善图像的空间分辨率和对比度，将滤波后的投影数据进行反投影操作，以从多个角度投影的二维数据重建出三维体积数据，通过逆向投影算法，结合所述的加权和滤波步骤，重建生成最终的三维图像。

根据本发明的一个实施方式，图像重建加权方法为：使用算法进行锥形束CT图像重建，对投影图像的加权处理，处理方法为：对于每个投影点首先计算该点距离X射线源的归一化距离R与该点到X射线源直线距离的平方和的平方根之比，得到经过加权处理后的投影值，调整每个投影点的强度，以补偿由于投影点距离X射线源不同而造成的强度衰减，确保图像重建的准确性和均匀性。

根据本发明的一个实施方式，偏置加权方法步骤为：依据通过锥形束CT扫描获得的原始投影图数据对其进行应用偏置加权，偏置加权使用预设的加权函数，调整每个投影点的权重，从而减少图像的噪声和偏差，根据偏置加权函数对每个投影点的数据进行加权，计算加权后的投影数据，确保每个投影点根据其位置相对于旋转轴的偏差进行适当的调整，以反映更准确的衰减信息，生成并输出调整后的投影数据。

根据本发明的一个实施方式，所述的一维卷积滤波方法为：对通过锥形束CT扫描获得的投影数据的每一行执行一维卷积滤波处理，此处理采用斜坡滤波器作为滤波核，对每行数据进行卷积操作，通过对投影数据中的每个点进行加权，以调整其在最终图像中的贡献，突出结构的边界和过渡区域，在执行一维卷积操作时，通过将斜坡滤波器应用于投影图的每一行，根据滤波器的权重分布调整数据点的强度值，以实现高频细节的增强，经过滤波处理后，生成新的投影数据。

根据本发明的一个实施方式，所述的反投影操作方法为：设定重建点位置向量，所述的位置向量指示在三维空间中的具体位置，对每个重建点计算其到射源的距离，执行角度加权反投影对滤波后的投影数据进行反投影，使用由角度定义的加权函数来调整反投影的权重，通过积分来融合整个扫描周期中各个角度的加权投影数据。

本发明提供了一种锥束螺旋CT装置，包括：X射线源：发射X射线的组件；探测器：位于X射线源对面，用于捕捉通过被扫描物体的X射线；旋转机构：包括用于支持和转动X射线源和探测器的机械结构；定位结构：包括患者座椅、颌拖和牙托柱，用于在扫描过程中固定和调整患者的位置；安全装置：包括辐射屏蔽和紧急停止按钮结构，确保操作人员和患者的安全。

本发明提供了一种锥束螺旋CT系统，包括：投影数据采集模块：用于从锥形束CT扫描中采集投影数据的模块，该模块能够接收来自X射线源和探测器的数据，并将其转换为数字化的投影数据；投影数据预处理模块：用于对采集到的投影数据进行预处理的模块，包括对数据进行噪声去除、校正和滤波等操作，以提高后续重建过程的准确性和稳定性；重建算法模块：包括用于执行锥形束螺旋CT图像重建的算法的模块，该模块能够接收预处理后的投影数据，并将其转换为三维体积数据；图像优化模块：用于对重建的三维体积数据进行优化和增强的模块，包括对数据进行去模糊、增强对比度、噪声抑制等操作，以生成高质量的最终图像；用户界面模块：用于与系统进行交互和控制的模块，包括图形用户界面或命令行界面，使操作者能够对系统进行设置、启动和监控；存储和输出模块：用于存储和输出重建后的图像数据的模块，可以将图像数据保存到本地存储设备或输出到打印机、网络或其他外部设备。

本发明提供了一种电子设备，包括：存储器，所述存储器存储执行指令；以及处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行上述任一实施方式所述的锥束螺旋CT重建方法。

本发明提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现上述任一实施方式所述的锥束螺旋CT重建方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下。

冗余角度加权方法利用相邻扫描路径的重叠信息，对螺旋偏置360度扫描中的投影数据进行加权处理；加权的目的是在冗余角度上降低伪影的影响，提高图像重建的准确性和质量；对于每个投影角度，算法根据冗余角度的程度给予不同的权重；冗余角度越大，权重越高，以更好地利用重叠信息；在投影图的生成过程中，使用加权后的投影数据；这可以通过将冗余角度权重因子应用于投影数据的计算来实现；冗余角度加权方法有效地降低了螺旋偏置360度扫描中由不连续扫描路径引起的伪影；这样的改进有助于提高图像的对比度、清晰度，并减少可能的重建错误。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施方式的锥束螺旋CT重建方法的流程示意图。

图2为根据本发明的一个实施方式的改善图像重建的质量和效率的扫描方法的流程示意图。

图3为根据本发明的一个实施方式的数据点的权重的加权方的流程示意图。

图4为根据本发明的一个实施方式的没有冗余角度加权的重建结果的示意图。

图5为根据本发明的一个实施方式的添加了冗余角度加权的重建结果的示意图。

图6为根据本发明的一个实施方式的锥束螺旋CT重建装置的示意图。

图7为根据本发明的另一个实施方式采用处理系统的硬件实现方式的锥束螺旋CT重建系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本发明的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本发明的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

本文使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个（种、者）”和“所述（该）”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。

实施例1

图1是根据本发明的一个实施方式的锥束螺旋CT重建方法的流程示意图。参阅图1，本发明提供了锥束螺旋CT重建方法M100，本实施方式的锥束螺旋CT重建方法M100可以包括以下步骤S100、步骤S200、步骤S300和步骤S400。

S100，配置锥形束螺旋CT设备，包括X射线源、探测器、旋转机构、定位结构和安全装置的配置，其中配置探测器是偏置探测器。

设备包括一台旋转设备和至少一个探测器。所述旋转设备具有一个旋转轴，所述探测器相对于所述旋转轴呈现左偏置，即所述旋转轴位于所述探测器中心的右侧位置。这种配置允许探测器更有效地捕捉到偏离中心的图像数据，特别是在设备旋转过程中，该设备的核心原理在于，通过将探测器偏置设置，可以使得探测器的有效成像区域更加集中于旋转轴以外的特定区域。在传统配置中，旋转轴与探测器中心对齐可能导致成像质量受到限制，尤其是对于旋转轴附近区域的详细成像。而偏置探测器则提供了改进的视野，尤其是在进行圆锥束计算机断层扫描（CBCT）等应用时，可以更精确地覆盖并扫描到感兴趣的区域。

S200，依据配置完成所述的锥形束螺旋CT设备，在固定的扫描角度下，沿着轴线进行旋转扫描，并且在同一时间内沿着轴线轴向移动，形成螺旋状的扫描路径。

利用一个配置有左偏置探测器的旋转设备。在本实施例中，探测器在固定的扫描角度下绕着轴线旋转，并且在扫描过程中沿着轴线轴向移动，从而形成一个螺旋状的扫描路径。

在启动扫描时，锥形束X射线从源发射，经过被扫描对象，最后被偏置的探测器捕捉。由于探测器的特殊配置，与传统CBCT设备相比，本发明能在每个旋转角度捕获更广范围的数据点。探测器的左偏置配置使其能够在固定的扫描角度下，更有效地覆盖并扫描到偏离旋转轴的感兴趣区域。

随着设备沿着轴线的轴向移动，探测器在每个固定角度上扫描并记录数据，逐步形成一条螺旋路径。这种螺旋移动模式确保了从多个角度捕获对象的不同截面，从而增强了图像的维度和清晰度。

在整个扫描过程中，由于螺旋路径的连续性，探测器能够在整个成像视野范围内捕捉到连续的投影点。每个投影点代表了探测器在特定时间点捕捉到的X射线衰减数据。投影点的数量取决于探测器的分辨率、扫描速度和轴向移动速度。

具体来说，假设探测器每秒能够旋转N度，并且沿着轴向每秒移动M毫米，那么在每圈旋转结束时，探测器将沿螺旋路径覆盖M毫米的轴向距离。假设探测器具有P像素的横向分辨率，则在完成一圈旋转后，将捕捉个投影点。

通过这种扫描方式，可以在整个扫描周期内连续记录并更新投影数据，确保每个数据点都精确对应其在对象中的具体位置，从而实现高精度的三维重建。

S300，依据所述的扫描路径进行扫描时形成于成像视野范围内的投影点的值和位置，将其标识为待重建空间点，所述待重建空间点包括所有位于成像视野范围内的投影点，采用大于360度角度的重建范围对所述待重建空间点进行重建，对超过360度的角度范围和从0度开始的重叠角度范围的反投影数据进行加权，确保权重和为1。

图2是根据本发明的一个实施方式的通过优化扫描路径和增加成像视野范围内投影点的数量，以改善图像重建的质量和效率的扫描方法的流程示意图。参阅图2，本发明提供了扫描方法S300，本实施方式的扫描方法S300可以包括以下步骤S310、步骤S320、步骤S330和步骤S340。

S310，设备配置和扫描路径定义：设备包括至少一个偏置配置的探测器，该探测器在旋转设备上偏离旋转轴，探测器沿一个预定义的螺旋状扫描路径绕旋转轴旋转并沿轴向移动，其探测器相对于旋转轴略微偏离，这样在旋转过程中可以形成一条螺旋状的扫描路径，例如，在进行头部CT扫描时，探测器可能会沿着螺旋路径围绕患者旋转，同时沿着轴向移动，以确保捕获到整头部的数据；

S320，投影点的采集：在每个固定的扫描角度，探测器捕获从不同角度穿过被扫描对象的X射线衰减数据，形成投影点，这些投影点在成像视野内均匀分布，每个投影点都记录其具体位置，在扫描过程中，X射线穿过患者的头部，被探测器捕获，探测器的像素记录所接收到的X射线的强度，从而形成一个投影点，这些投影点组成了一系列投影图像，用于后续的图像重建；

S330，投影点的标识和记录：记录成像视野内的所有投影点，并将其标识为待重建空间点，这些空间点包括所有位于成像视野范围内的投影点；

S340，图像重建：使用大于360度的扫描角度对标识的待重建空间点进行图像重建，此额外的扫描角度可以通过在扫描路径上添加额外的旋转步骤或采用全周扫描方法实现，从而增加投影数据的完整性和重建图像的精确度。

设定一个多项式函数，多项式函数在渐变初期快速增长，随后逐渐趋于平缓，提高渐变的平滑性，在图像重建过程中，根据设定的多项式函数，计算每个数据点的权重，用于调整对应数据点的贡献度，所述的多项式函数用于执行图像处理中的非线性渐变，在定义域[0,1]内实现从最小值0到最大值1的平滑渐变。

设定函数，其t表示归一化的线性渐变值;通过该函数，我们将0到1的线性渐变转化为更快速的非线性平滑渐变，以用于图像重建过程中的权重调整。

这个函数s(t)是一个典型的三次样条插值函数，它在 [0, 1] 区间内呈现出平滑的非线性变化,它具有以下性质：

当 t0 时，s(0)/>0，当 t/>1 时，s(1)/>1。

在 t0 和t/>1 处的导数为0，这确保了渐变的起始和结束点处的平滑过渡。

在 t0.5 处取得最大值，即s(0.5)/>1，这意味着在渐变的中间部分，变化更快。

图3是根据本发明的一个实施方式的计算每个数据点的权重的加权方法的流程示意图。参阅图3，本发明提供了数据点的权重的加权方法，本实施方式的数据点的权重的加权方法可以包括以下步骤S510、步骤S520、步骤S530和步骤S540。

S510,对收集的每个原始投影数据，应用图像重建加权，使用算法进行锥形束CT图像重建，对投影图像的加权处理，处理方法为：对于每个投影点首先计算该点距离X射线源的归一化距离R与该点到X射线源直线距离的平方和的平方根之比，得到经过加权处理后的投影值，调整每个投影点的强度，以补偿由于投影点距离X射线源不同而造成的强度衰减，确保图像重建的准确性和均匀性。

在圆锥束CT (CBCT) 系统中，FDK算法是一种流行的重建算法，它涉及到对投影数据进行加权，以弥补圆锥束几何结构引起的畸变，并最终实现准确的图像重建。在FDK算法中，原始的投影图像首先需要通过一个特定的加权函数来进行处理，以便更好地进行后续的反投影重建步骤。这个加权过程的数学表达是核心的一步，具体如下所述：

对于给定的投影图像p(u,v)，FDK加权是通过以下公式实现的：，其中：

表示在探测器上的位置/>处测得的投影数据；

R是X射线源到旋转中心（也称为旋转轴或重建中心）的距离；

D是X射线源到探测器平面的距离；

是投影数据在探测器平面上的坐标，相对于探测器中心的位置。

假设我们有一个圆锥束CT (CBCT) T设备，其参数如下：

射线源到旋转中心的距离R500 mm；

射线源到探测器的距离 D1000 mm；

考虑探测器平面上一个特定的点，例如位于距离探测器中心100 mm右侧和50 mm上方的点u100mm,v/>50mm。

根据加权函数公式：；

我们首先计算分母中的距离：

≈1006.23mm；

然后应用加权因子：≈0.497；

如果原始测得的投影值是=0.8（这个值代表经过对象后射线的衰减程度），那么加权后的投影/>为：/>=0.497×0.8/>0.3976。

S520,对每个投影点进行强度调整，依据图像重建加权后的投影数据进一步进行偏置加权，以校正成像过程中由于系统误差、探测器不均匀性或其他因素引起的数据偏差，依据通过锥形束CT扫描获得的原始投影图数据对其进行应用偏置加权，偏置加权使用预设的加权函数，调整每个投影点的权重，从而减少图像的噪声和偏差，根据偏置加权函数对每个投影点的数据进行加权，计算加权后的投影数据，确保每个投影点根据其位置相对于旋转轴的偏差进行适当的调整，以反映更准确的衰减信息，生成并输出调整后的投影数据。

由于设备或系统本身的结构或操作存在一定的不确定性，比如旋转轴在探测器上的位置偏差，可能会导致成像过程中出现重复观测的情况，从而影响到图像的准确性和清晰度。

为了解决这一问题，一种常见的技术是对投影图进行偏置加权，通过调整投影图中每个像素点的权重，来校正由于旋转轴位置偏差引起的重复观测。这种加权方法可以通过一个称为加权函数的数学函数来实现，其中/>表示旋转轴在探测器上的投影位置，∆是控制加权范围的参数。

具体而言，加权函数 w(u,v) 可以根据旋转轴在探测器上的位置以及其他相关参数，对每个投影图中的像素点进行不同程度的加权。一般而言，对于距离旋转轴较近的像素点，其权重会偏大，而对于距离较远的像素点，其权重则会偏小，以达到平衡整个投影图的效果。

通过这种偏置加权的方法，可以有效地校正由于旋转轴在探测器上的位置偏差而引起的重复观测现象，从而提高图像重建的质量和准确性。

加权函数 w(u,v) 的定义如下：

，其中：

是非线性平滑函数，/>是旋转轴在探测器上的投影位置，∆控制加权的范围。

当时，投影点不受加权影响，保持原始的投影值；

当时，通过/>函数对投影点进行加权，使得在旋转轴附近的投影值更加平滑；

当时，投影点被完全忽略，不参与图像重建。

假设我们有一个投影图，其中/>=100，Δ=10。现在我们计算加权后的投影图/>。

例如，当=95 时，根据加权函数的定义，我们可以计算出相应的加权系数，然后将原始投影值与加权系数相乘，得到加权后的投影值；

通过这样的加权过程，可以校正由旋转轴在探测器上的位置偏差引起的重复观测现象，从而提高图像重建的精度和准确性。

S530,对偏置加权后的投影数据进行一维卷积滤波处理，使用滤波核增强图像的边缘和细节，改善图像的空间分辨率和对比度，所述的一维卷积滤波方法为：对通过锥形束CT扫描获得的投影数据的每一行执行一维卷积滤波处理，此处理采用斜坡滤波器作为滤波核，对每行数据进行卷积操作，通过对投影数据中的每个点进行加权，以调整其在最终图像中的贡献，突出结构的边界和过渡区域，在执行一维卷积操作时，通过将斜坡滤波器应用于投影图的每一行，根据滤波器的权重分布调整数据点的强度值，以实现高频细节的增强，经过滤波处理后，生成新的投影数据。

对投影图的每一行进行一维卷积滤波， 这里/>是滤波核，即斜坡滤波器，举例来说，假设我们有一个投影图/>，我们采用斜坡滤波器/>对其进行一维卷积滤波处理，得到滤波后的投影图/>，通过比较滤波前后的投影图，我们可以观察到图像的对比度和清晰度有所改善，图像中的细节和边缘信息也更加突出和清晰。

S540,将滤波后的投影数据进行反投影操作，以从多个角度投影的二维数据重建出三维体积数据，通过逆向投影算法，结合所述的加权和滤波步骤，重建生成最终的三维图像，所述的反投影操作方法为：设定重建点位置向量，所述的位置向量指示在三维空间中的具体位置，对每个重建点计算其到射源的距离，执行角度加权反投影对滤波后的投影数据进行反投影，使用由角度定义的加权函数来调整反投影的权重，通过积分来融合整个扫描周期中各个角度的加权投影数据。

反投影算法的基本原理是根据投影数据进行反向投影，以确定每个重建点的像素值。其数学表示如下：其中：

表示重建图像中位置向量r处的像素值；

D表示射源到探测器的距离；

L(r) 表示重建点r到射源的距离；

β表示射源扫描角度；

c(β)是一个加权函数，用于校正由于射源扫描角度引起的重建图像的偏差；

表示经过滤波处理后的投影图像中位置/>处的投影值。

加权函数c(β)是根据射源扫描角度对投影数据进行加权处理的函数，其定义如下：

其中，/>是射源扫描角度。

螺旋扫描下，即使重建点恰好仅仅被360度范围测量，通过边界扩充仍然可以应用本算法在处理锥形束CT（计算机断层扫描）图像时，经常会遇到投影点超出探测器边界的问题，尤其是在采用螺旋路径扫描时。这种情况下的数据处理需要精细的算法以确保图像质量和准确性不受影响。下面详细解释这个处理过程的各个步骤：

步骤 1: 判断投影点是否超出边界

首先，算法需要确定每一个投影点的位置是否超出了探测器的实际边界。探测器边界可以定义为其有效接收X射线的最小和最大坐标。如果投影点的坐标（通常是一个二维坐标，包括横向和纵向位置）超出了这些预设的边界，就需要进行相应的处理。

步骤 2: 使用最近的点替代

一旦检测到投影点超出边界，算法将选取探测器上与之最近的边界点作为替代点。在实际操作中，通常情况下这个点会位于探测器的上边或下边边缘。选择最近点作为代替的方法简单且效率高，可以避免因投影数据丢失导致的图像重建质量下降。

步骤 3: 利用GPU纹理插值进行反投影计算

最后，在进行反投影计算时，为了从投影数据重建出三维图像，需要在GPU上进行高效的纹理插值计算。纹理插值是一种图像处理技术，用于在已知像素点周围推断未知像素点的值。在这种情况下，通常配置为“边缘扩展”方式，即当引用超出纹理边界的纹理坐标时，会自动使用边缘的像素值。这样做可以在图像边缘提供更平滑的视觉效果，同时减少边界效应导致的图像失真。

通过上述步骤，算法有效处理了由于螺旋扫描引起的投影数据超出探测器边界的问题。这种处理方法确保了即使在数据丢失或边界外的情况下，也能尽可能保持图像的连续性和质量，对于医学成像尤为重要，因为它直接关系到诊断的准确性和可靠性。

实施例2

图6是根据本发明的一个实施方式的锥束螺旋CT重建装置的示意图。参阅图6，本发明还提供了锥束螺旋CT重建装置1000，本实施方式的锥束螺旋CT重建处理装置1000可以包括X射线源1002、探测器1004、旋转机构1006、定位结构1008和安全装置1010。

X射线源1002是一种关键的组件，其主要功能是发射X射线，这是一种能量较高的电磁波，可以穿透大多数物质。在医疗成像领域，X射线源通过对靶材料（通常是钨或钼）的电子束的高速碰撞产生X射线。这些X射线会被引导并精确地照射到被扫描的物体上，以获取内部结构的影像。X射线源的设计和功率决定了产生X射线的强度和质量，从而直接影响到成像结果的清晰度和细节分辨率。

探测器1004位于X射线源的对面，并负责捕捉通过被扫描物体后的X射线。这些探测器可以是基于不同技术的，如光电二极管阵列、荧光屏或其他感光材料。当X射线穿过被扫描的物体，如人体部分，不同密度和成分的组织会以不同程度吸收X射线，这些差异会被探测器捕捉并转化为电信号，进而被转换成图像数据。这些图像可以显示出被扫描物体的内部结构，对于医学诊断尤为重要。

旋转机构1006包括一套机械结构，用于支持并转动X射线源和探测器。这允许设备在被扫描对象周围进行360度的全方位扫描。通过这种方式，可以从多个角度获取数据，这些数据随后可用于重建三维图像或更为详尽的二维切片图像。旋转机构的精确控制是确保图像质量和减少扫描错误的关键。

定位结构1008是设计用来在扫描过程中固定和调整患者位置的设施。这通常包括患者座椅、颌拖和牙托柱，这些设施不仅确保患者在扫描过程中的舒适度，还能保持患者稳定，从而减少由于移动造成的图像模糊。定位结构的设计旨在适应不同体型和需求的患者，同时易于操作者调整，确保扫描的准确性和效率。

安全装置1010是保障操作人员和患者安全的重要部分。这包括辐射屏蔽，如铅板或其他辐射防护材料，用于阻挡和吸收散射的X射线，防止无关人员接触到辐射。此外，紧急停止按钮结构允许在发生意外或设备故障时迅速切断电源，立即停止设备运行，以防止对患者和操作人员造成进一步的潜在危害。安全装置的设计和维护对于确保医疗设备操作的安全性至关重要。

实施例3

图7是根据本发明的另一个实施方式的采用处理系统的硬件实现方式的锥束螺旋CT重建系统1100的示意图。参阅图7，本发明还提供了锥束螺旋CT重建系统1100，本实施方式的锥束螺旋CT重建系统1100可以包括目标图像生成模块1101、显示模块1102、接收模块1104、兴趣区域确定模块1105、重建区域确定模块1106、图像重建模块1108。

投影数据采集模块1101是一个关键的组件，专门用于从锥形束CT扫描中采集投影数据。该模块能够接收来自X射线源和探测器的数据，并将其转换为数字化的投影数据。在扫描过程中，X射线源发射X射线，穿过被扫描的物体并被探测器捕获。投影数据采集模块负责将这些数据进行处理和记录，为后续的图像重建提供必要的信息。

投影数据预处理模块1102用于对采集到的投影数据进行预处理，以提高后续重建过程的准确性和稳定性。这些预处理操作包括噪声去除、数据校正和滤波等。噪声去除可以消除数据中的干扰信号，校正操作可以修正由于系统偏差引起的数据失真，而滤波则可以进一步优化数据的质量，使其更适合于后续重建算法的处理。

重建算法模块1103包括用于执行锥形束螺旋CT图像重建的算法。该模块接收预处理后的投影数据，并将其转换为三维体积数据。在此过程中，各种重建算法，如滤波反投影算法（FBP）或迭代重建算法，被应用于投影数据，以恢复被扫描物体的内部结构。这些算法通过将投影数据转换为图像数据来实现重建，从而提供了对被扫描物体三维结构的详细描述。

图像优化模块1104用于对重建的三维体积数据进行优化和增强，以生成高质量的最终图像。这包括去模糊、增强对比度、噪声抑制等操作。通过这些优化过程，最终的图像可以更清晰、更具对比度，并且可以降低由于噪声引起的图像伪影，从而提高图像的可读性和诊断准确性。

用户界面模块1105用于与系统进行交互和控制。这包括图形用户界面（GUI）或命令行界面（CLI），使操作者能够对系统进行设置、启动和监控。通过用户界面，操作者可以进行参数设置、观察扫描过程的实时状态，并对系统进行必要的调整和控制，从而确保扫描过程的顺利进行。

存储和输出模块1106用于存储和输出重建后的图像数据。这个模块可以将图像数据保存到本地存储设备，如硬盘或数据库中，也可以将图像输出到打印机、网络或其他外部设备。通过这个模块，医疗专业人员可以方便地查看、分享和存档扫描结果，以便进一步的分析和诊断。

需要说明的是，本实施方式的锥束螺旋CT重建系统1100中未披露的细节，可参照本发明提出的上述实施方式的锥束螺旋CT重建方法M100中所披露的细节，此处不再赘述。

该锥束螺旋CT重建系统1100可以包括执行上述流程图中各个或几个步骤的相应模块。因此，可以由相应模块执行上述流程图中的每个步骤或几个步骤，并且该装置可以包括这些模块中的一个或多个模块。模块可以是专门被配置为执行相应步骤的一个或多个硬件模块、或者由被配置为执行相应步骤的处理器来实现、或者存储在计算机可读介质内用于由处理器来实现、或者通过某种组合来实现。

该锥束螺旋CT重建系统1100的硬件结构可以利用总线架构来实现。总线架构可以包括任何数量的互连总线和桥接器，这取决于硬件的特定应用和总体设计约束。总线1500将包括一个或多个处理器1200、存储器1300和/或硬件模块的各种电路连接到一起。总线1500还可以将诸如外围设备、电压调节器、功率管理电路、外部天线等的各种其他电路1400连接。

总线1500可以是工业标准体系结构（ISA，Industry Standard Architecture）总线、外部设备互连（PCI，Peripheral Component）总线或扩展工业标准体系结构（EISA，Extended Industry Standard Component）总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，该图中仅用一条连接线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施方式所属技术领域的技术人员所理解。处理器执行上文所描述的各个方法和处理。例如，本发明中的方法实施方式可以被实现为软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储器。在一些实施方式中，软件程序的部分或者全部可以经由存储器和/或通信接口而被载入和/或安装。当软件程序加载到存储器并由处理器执行时，可以执行上文描述的方法中的一个或多个步骤。备选地，在其他实施方式中，处理器可以通过其他任何适当的方式（例如，借助于固件）而被配置为执行上述方法之一。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以具体实现在任何可读存储介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施方式方法的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一种可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施方式的步骤之一或其组合。该存储介质可以是易失性/非易失性存储介质。

此外，在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个可读存储介质中。存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明还提供了一种电子设备，包括：存储器，存储器存储执行指令；以及处理器或其他硬件模块，处理器或其他硬件模块执行存储器存储的执行指令，使得处理器或其他硬件模块执行上述任一实施方式的图像处理方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现上述任一实施方式的图像处理方法。

就本说明书而言，“可读存储介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。可读存储介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式只读存储器（CDROM）。另外，可读存储介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在存储器中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式/方式”、“一些实施方式/方式”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须是相同的实施方式/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式/方式或示例以及不同实施方式/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种锥束螺旋CT重建方法，其特征在于，包括：

配置锥形束螺旋CT设备，包括X射线源、探测器、旋转机构、定位结构和安全装置的配置，其中配置探测器是偏置探测器；

依据配置完成所述的锥形束螺旋CT设备，在固定的扫描角度下，沿着轴线进行旋转扫描，并且在同一时间内沿着轴线轴向移动，形成螺旋状的扫描路径，确定按所述的扫描路径进行扫描时形成于成像视野范围内的投影点的值和位置；

依据所述的扫描路径进行扫描时形成于成像视野范围内的投影点的值和位置，将其标识为待重建空间点，所述待重建空间点包括所有位于成像视野范围内的投影点，采用大于360度角度的重建范围对所述待重建空间点进行重建，对超过360度的角度范围和从0度开始的重叠角度范围的反投影数据进行加权，确保权重和为1；

应用投影数据以及图像重建算法以生成目标图像。

2.根据权利要求1所述的锥束螺旋CT重建方法，其特征在于，所述待重建空间点进行重建包括设定一个多项式函数，多项式函数在渐变初期快速增长，随后逐渐趋于平缓，提高渐变的平滑性，在图像重建过程中，根据设定的多项式函数，计算每个数据点的权重，用于调整对应数据点的贡献度，所述的多项式函数用于执行图像处理中的非线性渐变，在定义域[0,1]内实现从最小值0到最大值1的平滑渐变。

3.根据权利要求1所述的锥束螺旋CT重建方法，其特征在于，对所述待重建空间点进行重建包括：

设备配置和扫描路径定义步骤，其中设备包括至少一个偏置配置的探测器，所述探测器沿一个预定义的螺旋状扫描路径绕旋转轴旋转并沿轴向移动；

投影点的采集步骤，其中在每个固定的扫描角度，探测器捕获从不同角度穿过被扫描对象的X射线衰减数据，形成投影点；

投影点的标识和记录步骤，其中记录成像视野内的所有投影点，并将其标识为待重建空间点；

图像重建步骤，使用大于360度的扫描角度对标识的待重建空间点进行图像重建。

4.根据权利要求3所述的锥束螺旋CT重建方法，其中所述探测器的偏置配置是相对于所述旋转轴的左偏置。

5.根据权利要求3所述的锥束螺旋CT重建方法，其中所述图像重建步骤进一步包括使用迭代重建算法来处理所述待重建空间点的数据。

6.根据权利要求2所述的锥束螺旋CT重建方法，其特征在于，用于所述的计算每个数据点的权重包括：对收集的每个原始投影数据，应用图像重建加权，对每个投影点进行强度调整，依据图像重建加权后的投影数据进一步进行偏置加权，以校正成像过程中由于系统误差、探测器不均匀性或其他因素引起的数据偏差，对偏置加权后的投影数据进行一维卷积滤波处理，使用滤波核增强图像的边缘和细节，改善图像的空间分辨率和对比度，将滤波后的投影数据进行反投影操作，以从多个角度投影的二维数据重建出三维体积数据，通过逆向投影算法，结合所述的加权和滤波步骤，重建生成最终的三维图像。

7.根据权利要求6所述的锥束螺旋CT重建方法，其特征在于，所述图像重建加权包括：使用算法进行锥形束CT图像重建，对投影图像的加权处理，处理方法为：对于每个投影点首先计算该点距离X射线源的归一化距离R与该点到X射线源直线距离的平方和的平方根之比，得到经过加权处理后的投影值，调整每个投影点的强度，以补偿由于投影点距离X射线源不同而造成的强度衰减，确保图像重建的准确性和均匀性。

8.根据权利要求6所述的锥束螺旋CT重建方法，其特征在于，所述偏置加权包括：依据通过锥形束CT扫描获得的原始投影图数据对其进行应用偏置加权，偏置加权使用预设的加权函数，调整每个投影点的权重，从而减少图像的噪声和偏差，根据偏置加权函数对每个投影点的数据进行加权，计算加权后的投影数据，确保每个投影点根据其位置相对于旋转轴的偏差进行适当的调整，以反映更准确的衰减信息，生成并输出调整后的投影数据。

9.根据权利要求6所述的锥束螺旋CT重建方法，其特征在于，所述一维卷积滤波包括：对通过锥形束CT扫描获得的投影数据的每一行执行一维卷积滤波处理，此处理采用斜坡滤波器作为滤波核，对每行数据进行卷积操作，通过对投影数据中的每个点进行加权，以调整其在最终图像中的贡献，突出结构的边界和过渡区域，在执行一维卷积操作时，通过将斜坡滤波器应用于投影图的每一行，根据滤波器的权重分布调整数据点的强度值，以实现高频细节的增强，经过滤波处理后，生成新的投影数据。

10.根据权利要求6所述的锥束螺旋CT重建方法，其特征在于，所述反投影操作包括：设定重建点位置向量，所述的位置向量指示在三维空间中的具体位置，对每个重建点计算其到射源的距离，执行角度加权反投影对滤波后的投影数据进行反投影，使用由角度定义的加权函数来调整反投影的权重，通过积分来融合整个扫描周期中各个角度的加权投影数据。

11.一种锥束螺旋CT装置，其特征在于，包括：

X射线源：发射X射线的组件；

探测器：位于X射线源对面，用于捕捉通过被扫描物体的X射线；

旋转机构：包括用于支持和转动X射线源和探测器的机械结构；

定位结构：包括患者座椅、颌拖和牙托柱，用于在扫描过程中固定和调整患者的位置；

安全装置：包括辐射屏蔽和紧急停止按钮结构，确保操作人员和患者的安全。

12.一种锥束螺旋CT系统，其特征在于，包括：

投影数据采集模块：用于从锥形束CT扫描中采集投影数据的模块，该模块能够接收来自X射线源和探测器的数据，并将其转换为数字化的投影数据；

投影数据预处理模块：用于对采集到的投影数据进行预处理的模块，包括对数据进行噪声去除、校正和滤波等操作，以提高后续重建过程的准确性和稳定性；

重建算法模块：包括用于执行锥形束螺旋CT图像重建的算法的模块，该模块能够接收预处理后的投影数据，并将其转换为三维体积数据；

图像优化模块：用于对重建的三维体积数据进行优化和增强的模块，包括对数据进行去模糊、增强对比度、噪声抑制等操作，以生成高质量的最终图像；

用户界面模块：用于与系统进行交互和控制的模块，包括图形用户界面或命令行界面，使操作者能够对系统进行设置、启动和监控；

存储和输出模块：用于存储和输出重建后的图像数据的模块，可以将图像数据保存到本地存储设备或输出到打印机、网络或其他外部设备。

13.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，所述存储器存储执行指令；以及

处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行如权利要求1至10中任一项所述的锥束螺旋CT重建方法。

14.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至10中任一项所述的锥束螺旋CT重建方法。