基于螺旋马鞍线的锥形束CT重建方法

摘要

一种生物医学成像技术领域的基于螺旋马鞍线的锥形束CT重建方法，步骤为：首先让X射线源沿着螺旋马鞍线路径进行扫描，在扫描过程中根据需要实时调整参数，然后将扫描获得的投影数据利用精确反投影滤波重建算法、精确滤波反投影算法或者是三维锥形束近似重建算法进行图像重建，并显示出来。本发明既能实现螺旋线的扫描方式，又能实现马鞍线的扫描方式，以及介于两者之间的螺旋马鞍线的扫描方式，特别适用于血管内团注的追踪和检测，误检率降低百分之二十以上。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种生物医学成像技术领域的方法，具体是一种基于螺旋马鞍线的锥形束CT的重建方法。

背景技术

锥形束CT的工作过程是这样的：X射线球管在一点发出锥形束X射线，穿过被测对象后，衰减的X射线被对侧的检测器检测，并将X光转化为电信号，送至计算机的模数转换器和数据采集器，转化为数字信号并存储在计算机中。这只是完成一次的曝光和采集过程，为了得到重建被测对象所需的投影数据，X射线源和相应的检测器需要沿一定的轨迹扫描，并在每个位置完成一次曝光和数据采集过程。锥形束CT的精确重建算法对于投影数据的完备性有着严格的要求，具体的说就是穿过被测对象的每一个平面都必须与X射线源的扫描轨迹有至少一个交点。

经对现有技术的文献检索发现，Yu Zhou等在Medical Physics(医学物理杂志)(2005年第32期，第2639至2648页)上发表的“PI-line-based imagereconstruction in helical cone-beam computed tomography with a variablepitch”(基于PI线的变螺距的螺旋锥形束CT图像重建)，提出了一种基于变螺距螺旋线的锥形束CT重建方法。具体的实现方法是让X射线源和检测器沿着变螺距的螺旋线运动，然后沿着PI线运用精确滤波反投影重建算法或者精确反投影滤波重建算法进行三维重建。所述PI线是指螺旋线上两点的连线，表示这两点位置的角度参数之差小于360度。这个方法的优点是数据采集速度快，可以通过调节螺旋线的螺距在被测物体的不同区域获得不同分辨率的图像；这个方法的缺点是X射线源沿Z轴的运动方向是单向的，在一次扫描中，被测物体的每一个区域只能获得一幅重建图像，对于某些需要反复观察的区域无能为力。以血管内团注的追踪为例，由于血液流动的不确定性，可能出现回流或者阻塞，因此对于同一区域需要进行反复的观察，如果X射线源和检测器采用变螺距的螺旋线进行扫描就不能达到要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于螺旋马鞍线的锥形束CT重建方法。使其满足锥形束CT精确重建算法对于投影数据的完备性要求，而且扫描方式灵活，通过调节参数，既能实现螺旋线的扫描方式，又能实现马鞍线的扫描方式，或者是介于两者之间的螺旋马鞍线的扫描方式，可以适用于不同类型的被测物体。

本发明是通过以下技术方法实现的，本发明首先让X射线源沿着螺旋马鞍线路径进行扫描，在扫描过程中根据需要实时调整参数，然后将扫描获得的投影数据利用精确反投影滤波重建算法、精确滤波反投影算法或者是三维锥形束(Feldkamp)近似重建算法进行图像重建，并显示出来。

本发明方法包括以下步骤：

(1)X射线源在一点发出锥形束X射线，穿过被测对象后，衰减的X射线被对侧的检测器检测。

(2)设置X射线源与检测器中心的连线垂直于Z轴。

(3)X射线源与检测器以Z轴为轴线，同时相对于被测物体作螺旋马鞍线运动。检测器及相对应的投影数据采集系统采集投影数据。

所述的螺旋马鞍线，是指：螺旋线和马鞍线在Z轴方向上的线性叠加，即满足$\mathrm{\ρ}\left(s\right)=(R\left(s\right)\cos \left(s\right),R\left(s\right)\sin \left(s\right),A\left(s\right)\cos \left(2s\right)+\frac{H\left(s\right)}{2\mathrm{\π}}s)$的函数曲线，其中ρ是螺旋马鞍线上任一点的坐标，s是角度参数，R(s)是螺旋马鞍线上角度参数为s的那一点在X-Y平面上的投影到原点间的距离，A(s)是马鞍线的振幅，H(s)是螺旋线的螺距。

所述的马鞍线的振幅，是指：马鞍线在Z轴方向偏离X-Y平面的距离。

所述的螺旋线的螺距，是指：螺旋线在Z轴方向上相邻两个螺圈间的距离。

所述的投影数据采集系统，是指：把检测器上的数据记录下来并转化成数字信号传给计算机处理的系统。

(4)调节马鞍线的振幅和螺旋线的螺距，确定对于被测物体某一区域反复扫描的次数。

(5)确定直角坐标系中的一个平面，用检测器内获得的投影数据，通过三维锥形束近似重建算法，重建出该平面的低分辨率的二维重建图像。或者确定一系列PI坐标系，用检测器内获得的投影数据，通过精确反投影滤波重建算法或者精确滤波反投影算法，重建出该系列PI坐标系下的高分辨率的二维重建图像；

(6)然后用这一系列PI坐标系下的二维重建图像，生成直角坐标系下的被测对象的三维图像，在指定的范围内显示出重建后的高分辨率的三维图像或二维断层图像。

所述的三维锥形束近似重建算法，是指：先对投影数据进行余弦校正，然后对校正后的投影数据进行卷积滤波，再进行反投影运算。

所述的PI坐标系，是指：一个二维直角坐标系，一根轴为PI线，另一根轴为PI线的一个端点的角度参数，PI线的另一个端点为固定值。

所述的PI线，是指：一条直线段，它的两个端点都位于X射线源的扫描轨迹上，表示这两个端点位置的角度参数之差小于360度。

所述的精确反投影滤波重建算法，是指：先对投影数据求偏导数，然后进行反投影运算，再沿着PI线进行滤波，包括希尔伯特变换运算。

所述的精确滤波反投影重建算法，是指：先对投影数据求偏导数，然后沿着PI线在检测器内的投影线分别进行滤波，包括希尔伯特变换运算，再进行反投影运算。

在一般定螺距或是变螺距螺旋线所包含的区域内，每一个点属于且仅属于一条PI线。精确滤波反投影重建算法或精确反投影滤波重建算法是沿着PI线进行的，因此对于每一个点只能重建一次。而在螺旋马鞍线所包含的区域内，每一个点属于且至少属于一条PI线，具体经过每个点的PI线的数目由马鞍线的振幅和螺旋线的螺距决定。精确滤波反投影重建算法或精确反投影滤波重建算法是沿着PI线进行的，因此对于每一个点可以重建多次。

本发明相对于基于螺旋线的锥形束CT重建方法的优势在于：(1)扫描方式灵活，通过调节马鞍线的螺距和螺旋线的螺距，可以实现基于螺旋线的锥形束CT扫描方法，又可以实现基于马鞍线的锥形束CT扫描方法，同时满足了长物体成像和动态物体成像的需要；(2)可以对被测物体的某一区域反复进行扫描和重建，达到实时观察的目的。特别适用于血管内团注的追踪和检测，误检率降低百分之二十以上。

附图说明

图1是本发明螺旋马鞍线扫描轨迹示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以人的血管造影实时检测为例。整个发明的实现过程如下：

1.让已经注射过血管造影剂的病人躺于可沿Z轴方向作直线运动床上，X射线源在一点发出锥形束X射线，经准直器，穿过病人后，衰减的X射线被对侧的检测器检测，检测器为圆弧形的柱面，检测器由512x64个检测单元组成。

2.X射线源距离Z轴75cm，检测器距离Z轴60cm，X射线源与检测器的中心垂直于Z轴。

3.X射线源和检测器绕Z轴沿着马鞍线运动，每隔0.3度采集一次投影数据。病人随着床沿Z轴做直线运动。初始时马鞍线的振幅为5cm，螺旋线的螺距为10cm。在记录投影数据时，还应记录扫描装置的空间位置以及其他在之后图象重建中必要的相关信息，包括：X射线发射源的Z轴位置；获取数据时每个检测器组中的每个检测器单元的位置等。

4.血管造影剂在病人体内随着血液流速的不同，在血管的不同位置有不同的浓度，具体在CT重建图像上的表现是颜色的加深，而且由于血液可能出现回流，因此对于同一位置需要反复扫描和重建。由于螺旋马鞍线在Z轴方向上具有来回摆动的特性，利用三维锥形束近似重建算法对已经扫描过的区域反复进行三维重建，获得直角坐标系下257×257点二维重建图像，实时观察某一区域造影剂浓度的变化。

5.当从重建图像中观察到某一区域造影剂浓度在逐渐增大，超过一定阈值时，则调节马鞍线的振幅，使之增大到10cm，同时降低螺旋线的螺距为5cm。

6.确定以一PI线为一坐标轴的PI坐标系，固定PI线的一个端点，用检测器内获取的投影数据，通过精确反投影滤波重建算法或精确滤波反投影重建算法，重建出该PI坐标系下512×512点二维重建图像。

7.改变PI线的端点，重复6，得到512组PI坐标系下512×512点的二维重建图像。

8.用这512组PI坐标系下的512×512点的二维重建图像，生成直角坐标系下的病人的512×512×512点的三维图像，在指定的范围内显示出重建后的三维图象或二维断层图像。

实施效果如下表：

  重建图像质量    误检率变螺距螺旋锥形束CT    模糊    40％螺旋马鞍线锥形束CT    清楚    15％

这样的实施方式，既保证了数据采集速度，又能针对同一区域进行反复三维重建，实时观察造影剂浓度的变化，根据需要选择不同的重建算法，重建低分辨率或是高分辨率的断层图像，使得医生可以及时发现病人可能的患病位置，用于辅助医生诊断。