缺失数据的补偿方法、计算机断层扫描成像方法及系统

摘要

本公开提供一种缺失数据的补偿方法、计算机断层扫描成像方法及系统，应用于计算机断层扫描成像中对扫描盲区的缺失数据进行补偿，涉及CT成像技术领域。计算机断层扫描成像系统包括相对设置的X射线源和X射线探测器，X射线探测器的中心轴相对于计算机断层扫描成像系统的成像中心轴在X射线探测器的运动切线方向上偏移一预设距离以得到一扩展探测区域；该缺失数据的补偿方法包括：获取探测对象的参考三维投影数据并对参考三维投影数据进行加权处理，以对缺失的三维投影数据进行补偿而得到探测对象的目标三维投影数据。本公开可扩充X射线探测器的探测面积，从而扩大CT成像视野，还可抑制重建图像中的数据截断伪影，从而提高CT成像质量。

说明书

技术领域

本公开涉及CT成像技术领域，尤其涉及一种缺失数据的补偿方法、计算机断层扫描成像方法及系统。

背景技术

CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)是利用X射线源和高灵敏度的X射线探测器共同围绕检测对象进行扫描，以将透过检测对象的X射线转变为数字信号，并基于重建算法对检测对象进行三维断层图像的重建。CT成像是一种无损的成像手段，可用于对人体、动物、以及工业样品等的检查和检测。

在CT成像系统中，其成像视野与X射线探测器的探测面积密切相关。在相同的成像几何下，X射线探测器的探测面积与成像视野基本成正比例变化。为了满足大尺寸对象的检测需求，CT成像系统需要能够实现较大视野的成像能力，这就对X射线探测器的探测面积提出了更高的要求。目前，大面积X射线探测器的研制还存在许多困难，例如在CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)型探测器中，虽然CCD和CMOS的工艺发展迅猛，但开发大面积CCD或者CMOS的成本高昂且技术难度较大，因此为了实现较大的探测面积，各个厂商采取的方式之一是采用多组拼接CCD或者CMOS芯片技术，但这种拼接结构会造成在探测器成像视野中出现大范围的“死区域”即探测盲区。

此外，硅Si、砷化镓GaAs、碲化镉CdTe、碲锌镉CZT等半导体材料具有良好的X射线分辨性能、较高的光子探测效率、以及较广的能量探测范围，是当前直接转换光子计数探测器材料研究的主要选择。但大尺寸的半导体材料整体制备存在很大困难，因此大面积的光子计数探测器大多采用模块拼接的方式组成。在使用光子计数探测器进行大面积拼接耦合时，由于半导体材料存在保护环等结构，导致探测器模块之间产生较大的间隙，从而造成在探测器成像视野中出现大范围“死区域”，严重时可达毫米级水平，占总探测面积的5～10％。在后端芯片封装中，芯片与引线框架的连接为电源和信号的分配提供了电路连接，采用了引线键合等连接形式，使得多个芯片拼接时也存在较大空隙，这同样会造成探测器的“死区域”问题。由于对高分辨率成像能力的需求，光子计数探测器的像素尺寸通常设置在100um以下，此时探测“死区域”的范围则会横跨十多个甚至几十个像素。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种缺失数据的补偿方法、计算机断层扫描成像方法及系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的一个方面，提供一种缺失数据的补偿方法，应用于计算机断层扫描成像中对扫描盲区的缺失数据进行补偿；

计算机断层扫描成像系统包括相对设置的X射线源和X射线探测器，所述X射线探测器的中心轴相对于所述计算机断层扫描成像系统的成像中心轴在所述X射线探测器的运动切线方向上偏移一预设距离以得到一扩展探测区域；

所述缺失数据的补偿方法包括：

获取探测对象的参考三维投影数据并对所述参考三维投影数据进行加权处理，以对缺失的三维投影数据进行补偿而得到所述探测对象的目标三维投影数据。

本公开的一种示例性实施例中，所述预设距离小于所述X射线探测器的有效探测区的1/2宽度，所述扩展探测区域的宽度为所述预设距离的两倍。

本公开的一种示例性实施例中，所述获取探测对象的参考三维投影数据包括：

采集X射线的特征数据并对所述特征数据进行处理以得到所述参考三维投影数据P(m,n,β,e)；

其中，m为X射线探测器沿宽度方向的位置，其取值范围为[0,L+2Δ)；n为X射线探测器沿高度方向的位置，其取值范围为[0,H)；β为投影图像的采集角度，在2π角度全扫描时其取值范围为[0,2π)；e为X射线探测器的能区编号，其取值范围为[0,E)；L为X射线探测器的宽度；H为X射线探测器的高度；Δ为X射线探测器所偏移的预设距离；E为探测器能区数量。

本公开的一种示例性实施例中，所述扫描盲区以及所述扩展探测区域的参考三维投影数据均置零。

本公开的一种示例性实施例中，所述对所述参考三维投影数据进行加权处理包括：

基于对所述参考三维投影数据P(m,n,β,e)在所述X射线探测器的运动切线方向上进行加权处理，以得到所述目标三维投影数据

其中，W(m)为加权函数，该加权函数为连续的光滑函数且满足：

λ＝0,1,2,3……；a为有效探测区的宽度尺寸；b为扫描盲区的宽度尺寸。

本公开的一种示例性实施例中，所述加权函数包括：

其中，λ＝0,1,2,3……。

本公开的一种示例性实施例中，所述X射线源发射的X射线为具有圆形扫描轨迹的锥形束或者扇形束。

本公开的一种示例性实施例中，所述X射线探测器包括光子计数探测器或者电荷积分式探测器。

根据本公开的一个方面，提供一种计算机断层扫描成像方法，包括：

采用上述的缺失数据的补偿方法获取探测对象的目标三维投影数据；

基于计算机断层扫描重建算法根据所述目标三维投影数据进行三维重建以得到三维重建图像。

根据本公开的一个方面，提供一种计算机断层扫描成像系统，包括：

X射线源，用于发射X射线；

X射线探测器，与所述X射线源相对设置，用于获取探测对象的参考三维投影数据，该X射线探测器的中心轴相对于计算机断层扫描成像系统的成像中心轴偏移一预设距离以得到一扩展探测区域；

信号处理模块，用于对所述参考三维投影数据进行加权处理，以对缺失的三维投影数据进行补偿而得到所述探测对象的目标三维投影数据；

三维重建模块，基于计算机断层扫描重建算法根据所述目标三维投影数据进行三维重建以得到三维重建图像。

本公开示例性实施方式所提供的缺失数据的补偿方法、计算机断层扫描成像方法及系统，采用X射线探测器的像素偏置方式来构造扫描盲区的补偿信息，通过对X射线探测器获取到的参考三维投影数据进行加权处理，以实现对扫描盲区的缺失信息的补偿修复，从而得到包括有效探测区的真实数据信息和扫描盲区的补偿数据信息的目标三维投影数据。基于此，本示例实施方式所提供的缺失数据的补偿方法，一方面可以扩充X射线探测器的有效探测面积，从而扩大CT的成像视野，另一方面还可以抑制重建图像中的数据截断伪影，从而提高CT成像质量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出本公开示例性实施例中CT成像系统的结构示意图；

图2示意性示出本公开示例性实施例中X射线探测器的像素偏置结构示意图；

图3示意性示出本公开示例性实施例中缺失数据的补偿方法流程图；

图4示意性示出本公开示例性实施例中CT成像方法的流程图；

图5示意性示出本公开示例性实施例中CT成像系统的模块示意图；

图6示意性示出本公开示例性实施例中探测对象的P(m,100,β,0)图像；

图7示意性示出采用本公开CT成像方法得到的三维重建图像；

图8示意性示出未采用本公开CT成像方法得到的三维重建图像。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

传统的X线阵列探测器或者面阵列探测器由于闪烁晶体损伤等原因，常常会出现图像坏点甚至坏道，但通常仅覆盖一个或者几个像素范围。面阵列探测器模块拼接所造成的“缝隙”通常控制在微米级水平。由以上问题所引起的细微缺陷对于CT成像效果的影响并不明显，其通过插值算法或者图像修复算法就可以很好地解决。

但随着探测器模块之间“间隙”的增大，插值算法和图像修复算法的效果出现大幅下降，尤其是当被检测物体中的某一特征对象恰好位于探测“死区域”即探测盲区，且其尺寸小于探测盲区的面积时，仅仅依赖于插值算法或者图像修复算法是无法进行有效恢复的。因此，X射线探测器(尤其是新型的光子计数型探测器)在成像视野中间隔出现的大面积探测盲区会造成CT扫描中每一个投影图像均出现严重的信息缺失，再经过滤波反投影，就好在重建图像上形成明显的数据截断伪影，从而严重的影响CT成像的图像质量。

基于此，本示例实施方式提供一种缺失数据的补偿方法，应用于CT成像中对扫描盲区的缺失数据进行补偿。其中，所述扫描盲区可以由多个X射线探测器模块之间的拼接所致，也可以由多个X射线探测器之间的拼接所致，还可以由X射线探测器的内部损伤所致，且不以此为限。

图1为本示例实施方式所提供的CT成像系统的示意图。该CT成像系统可以包括相对设置的X射线源10和X射线探测器20，且X射线探测器20的中心轴(M-M)相对于该CT成像系统的成像中心轴(N-N)在X射线探测器20的运动切线方向上偏移一预设距离Δ并以此得到一扩展探测区域200。

需要说明的是：所述X射线探测器20的运动切线方向是指X射线探测器20的平移方向或者旋转方向的切向方向；所述CT成像系统的成像中心轴(N-N)是指X射线源10与CT旋转中心的连线在成像区的投影。

本示例实施方式中，X射线探测器20由于拼接或者晶体损伤等原因，在成像视野内会存在有效探测区201和扫描盲区202间隔出现的情况。参考图2所示，记X射线探测器20沿宽度方向即X方向的尺寸为L、沿高度方向即Z方向的尺寸为H，有效探测区201的宽度为a，扫描盲区202的宽度为b，偏移的预设距离为Δ，则有效探测区201被划分为两部分，其中一部分的宽度为a/2+Δ，另一部分的宽度为a/2-Δ。基于该结构，在进行2π角度的全扫描时，X射线探测器20的成像视野在X方向的宽度尺寸会增加为L+2Δ，即得到一扩展探测区域200。其中，所述预设距离Δ小于X射线探测器20的有效探测区201的1/2宽度即a/2，所述扩展探测区域200的宽度在2π角度的全扫描时为该预设距离Δ的两倍即2Δ。

基于上述结构的CT成像系统，如图3所示，所述缺失数据的补偿方法可以包括：

S1、利用X射线探测器20获取探测对象30的参考三维投影数据；

S2、对获取到的参考三维投影数据进行加权处理，以对缺失的三维投影数据进行补偿而得到探测对象30的目标三维投影数据。

其中，所述参考三维投影数据是指X射线探测器20实际获取到的三维投影数据，其仅包含X射线探测器20的有效探测区201所接收到的数据信息，而无法获取X射线探测器20的扫描盲区202对应的数据信息；所述目标三维投影数据是指基于X射线探测器20获取到的参考三维投影数据进行补偿修复而得到的三维投影数据，其包括分别对应于X射线探测器20的有效探测区201和扫描盲区202的数据信息，且对应于扫描盲区202的数据信息很大程度上还原了X射线的真实信息。

本公开示例实施方式所提供的缺失数据的补偿方法，采用X射线探测器20的像素偏置方式来构造扫描盲区的补偿信息，通过对X射线探测器20获取到的参考三维投影数据进行加权处理，以实现对扫描盲区202的缺失信息的补偿修复，从而得到包括有效探测区201的真实数据信息和扫描盲区202的补偿数据信息的目标三维投影数据。基于此，本示例实施方式所提供的缺失数据的补偿方法，一方面可以扩充X射线探测器20的有效探测面积，从而扩大CT的成像视野，另一方面还可以抑制重建图像中的数据截断伪影，从而提高CT成像质量。

在CT成像系统中，X射线探测器20是成像的关键部件，其可将探测到的X射线转换为电信号，以通过电子设备传输、处理、存储并显示于计算机中。目前，CT成像系统中主要采用的X射线探测器按照能量转换方式可以分为间接转换型探测器和直接转换型探测器两大类。间接转换型探测器可将X射线能量沉积在闪烁体等介质中并释放出可见光子，再经过光电转换而被后续的电子系统接收和处理。直接转换型探测器可直接将X光子转化为电信号，再进行后续的处理和分析。

近些年来，随着半导体工艺的进步以及高速处理电子学技术的发展，X射线探测器技术也得到了高速发展，尤其是能量分辨光子计数型探测器的发展，促使X射线探测器技术和能谱CT成像技术有了质的飞跃。与传统的电荷积分式探测器相比，光子计数型探测器属于直接转化型半导体探测器，它可以探测到X射线中每一个光子的能量并进行计数，其得到的是X射线的能谱信息，根据统计的能量信息解析出不同的单能量图像，通过分析X射线的能量信息能够呈现出检测对象更加丰富的信息。

基于此，本示例实施方式中的X射线探测器20可以采用传统的电荷积分式探测器，也可以采用新型的光子计数型探测器，这里对此不作限定。

此外，本示例实施方式中的CT成像方法优选采用具有圆形扫描轨迹的锥形束成像结构或者扇形束成像结构，则X射线源10发射的X射线优选为锥形束X射线或者扇形束X射线。

下面结合附图对本示例实施方式所提供的缺失数据的补偿方法进行详细的说明。

在步骤S1中，获取探测对象30的参考三维投影数据具体可以包括：

采集X射线的特征数据，并对该特征数据进行处理以得到参考三维投影数据P(m,n,β,e)；

其中，参考图2所示，m为X射线探测器20沿宽度方向即X方向的位置，其取值范围为[0,L+2Δ)；n为X射线探测器20沿高度方向即Z方向的位置，其取值范围为[0,H)；β为投影图像的采集角度，在2π角度全扫描时其取值范围为[0,2π)；e为X射线探测器20的能区编号，其取值范围为[0,E)；L为X射线探测器20的宽度；H为X射线探测器20的高度；Δ为X射线探测器20所偏移的预设距离；E为探测器能区数量。

需要说明的是：所述X射线的特征数据是指X射线探测器20对接收到的X射线进行转换而得到的电子，或者是X射线探测器20直接探测到的光子。

本示例实施方式中，在获取有效探测区201的参考三维投影数据P(m,n,β,e)的同时，还可将扫描盲区202以及扩展探测区域200的参考三维投影数据P(m,n,β,e)均置零。

在步骤S2中，对获取到的参考三维投影数据进行加权处理具体可以包括：

基于对所述参考三维投影数据P(m,n,β,e)在X射线探测器20的运动切线方向上进行加权处理，以得到目标三维投影数据

W(m)为加权函数，该加权函数为连续的光滑函数且满足：

其中，λ＝0,1,2,3……。

需要说明的是：所述X射线探测器20的运动切线方向即为X射线探测器20的宽度方向(X方向)。

本实施例中，所述加权函数W(m)例如可以为：

其中，λ＝0,1,2,3……。

这样一来，本公开利用加权函数W(m)对已获取的参考三维投影数据P(m,n,β,e)进行加权处理，即可得到经过补偿修复的目标三维投影数据从而实现对缺失数据的补偿和优化，以此抑制重建图像中的数据截断伪影，提高CT成像质量。

本示例实施方式还提供了一种CT成像方法，如图4所示，该CT成像方法可以包括：

S10、采用上述的缺失数据的补偿方法获取探测对象30的目标三维投影数据

S20、基于CT重建算法根据获取到的目标三维投影数据进行三维重建以得到三维重建图像。

其中，所述CT重建算法例如可以为Feldkamp算法，但不限于此。

这样一来，采用本示例实施方式所提供的CT成像方法，即可消除投影数据缺失所造成的伪影，从而使得三维重建结果更为准确，成像效果更佳。

相应的，本示例实施方式还提供了一种CT成像系统，如图5所示，该CT成像系统可以包括：

X射线源10，用于发射X射线；

X射线探测器20，与X射线源10相对设置，用于获取探测对象30的参考三维投影数据，该X射线探测器20的中心轴(M-M)相对于CT成像系统的成像中心轴(N-N)偏移一预设距离Δ以得到一扩展探测区域200；

信号处理模块40，用于对参考三维投影数据进行加权处理，以对缺失的三维投影数据进行补偿而得到探测对象30的目标三维投影数据；

三维重建模块50，基于CT重建算法根据所述目标三维投影数据进行三维重建以得到三维重建图像。

本示例实施方式所提供的CT成像系统，采用X射线探测器20的像素偏置方式来构造扫描盲区的补偿信息，通过对X射线探测器20获取到的参考三维投影数据进行加权处理以得到经过补偿修复的目标三维投影数据，从而实现对缺失数据的补偿和优化，以此抑制重建图像中的数据截断伪影，从而使得三维重建结果更为准确，成像效果更佳。

下面以一具体的实施例对所述CT成像方法进行示例性说明。其中，该CT成像方法采用具有圆形扫描轨迹的锥形束成像结构，X射线探测器20的宽度L＝1024、高度H＝768，有效探测区201的宽度a＝192，扫描盲区202的宽度为b＝16，X射线探测器20的中心轴(M-M)相对于CT成像系统的成像中心轴(N-N)偏移的预设距离Δ＝48。基于该结构，在进行2π角度的全扫描时，X射线探测器20的成像视野宽度增加为1120。

参考图1所示，在进行CT成像时，将探测对象30置于CT成像系统的旋转中心，并采集2π角度的1024幅X射线投影图像即参考三维投影数据P(m,n,β,e)；其中，m的取值范围为[0,1120)，n的取值范围为[0,768)，β的取值范围为[0,2π)，e为能区编号。本实施例中，P(m,100,β,0)的图像参见图6所示。

在此基础上，对采集得到的参考三维投影数据P(m,n,β,e)在X方向上进行加权处理，其公式如下：

其中，W(m)为加权函数，本实施例中该加权函数采用如下形式：

λ＝0,1,2,3……。

所述参考三维投影数据P(m,n,β,e)经过加权处理之后即可得到目标三维投影数据

基于此，采用Feldkamp算法进行CT三维重建，即可得到三维重建图像f(x,y,n,e)。其中，能区为0的第100层图像f(x,y,100,0)参考图7所示，而未采用本公开方法的CT重建图像参考图8所示。

由此可知，基于本公开示例性实施方式所提供的CT成像方法及系统而得到的CT重建图像可消除投影数据缺失所造成的伪影，从而获得优质的CT成像效果。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。