扩大扫描视野的CT图像重建方法、装置和可读存储介质

摘要

本发明公开了一种扩大扫描视野的CT图像重建方法、装置和可读存储介质，包括：根据X射线源的扫描轨迹获取投影数据；若投影数据没有截断，利用所述投影数据建立第一CT图像重建算法模型；若投影数据有截断，则对所述投影数据进行加权延展构建数据延展模型，并利用所述数据延展模型获取延展投影数据；基于所述数据延展模型构建平滑过渡模型，并利用所述平滑过渡模型对所述延展投影数据进行平滑过渡；基于平滑过渡后的延展投影数据在第一CT图像重建算法模型的基础上构建第二CT图像重建算法模型。本发明对投影数据进行加权延展获得延展投影数据，且利用经过平滑过渡的延展投影数据能够获得清晰完整以及质量高的CT图像。

说明书

技术领域

本发明属于图像重建技术领域，具体涉及一种扩大CT扫描视野的图像重建方法、装置和可读存储介质。

背景技术

X射线计算机断层扫描(CT，Computed Tomography)设备，广泛的用在医疗和工业上用来诊断疾病和无损检测。当被扫描的物体尺寸超过CT设备的扫描视野(FOV，Field OfView)时，由于数据的截断，重建的图像会有严重的伪影。

为了增加CT设备的扫描视野，常用的方法是：利用探测器偏移，使得X射线源不正对探测器的中心从而扩大扫描视野。其中，探测器偏移量越大，扫描视野越大。例如，图1示出的是通过平板探测器偏移来扩大扫描视野的二维轴面图，其偏移方向是向右侧偏移，其中，黑色粗实线表示实际存在的物理探测器，该物理探测器在实际系统中的大小不变，而黑色粗虚线则表示由于偏移造成的探测器缺失。可见，由于探测器的偏移，在探测器偏移方向的另一边会存在数据缺失(如图1中的黑色粗虚线)，导致无法生成质量合格的图像。

为了解决图像质量的问题，现有技术中，通常采用在单张投影数据上面进行数据外插的方式来补充缺失的数据，通常是利用等效圆柱形或者椭圆形水模并基于数据外插的数据延展来补充缺失的数据。但此种方法主要存在以下缺陷：

1)此种方法仅能适用于探测器的偏移量较小的情形，且在适用时仍存在重建的CT值整体偏大的问题。原因在于：物体的边界处截断的投影数据值通常比中间的投影数据值小，而外插模型要基于未截断的中间投影数据值估计截断的边界值，而导致估计的外插值过大；且在物体的边界处通常是空气，其投影值为零，由于数据不存在无法预先判断空气边界位置，所以外插的数据会导致投影数据值偏大。

2)此种方法不能适用于探测器的偏移量较大的情形，当偏移量变大时，假定的外插模型会失效。原因在于：外插模型假定缺失的部分和已知边界的数据是连续的，当偏移量变大时，物体缺失部分增加，通常由于物体内部结构的变化，这种连续性的假设并不成立，所以数据外插的方法假设的模型会失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种扩大CT扫描视野的图像重建方法、装置和可读存储介质，用以解决现有技术中存在的至少一个问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种扩大扫描视野的CT图像重建方法，包括：

根据X射线源的扫描轨迹获取投影数据；

若所述投影数据没有截断，利用所述投影数据建立第一CT图像重建算法模型；

若所述投影数据有截断，则所述投影数据进行加权延展构建数据延展模型，并利用所述数据延展模型获取延展投影数据；

基于所述数据延展模型构建平滑过渡模型，并利用所述平滑过渡模型对所述延展投影数据进行平滑过渡；

基于平滑过渡后的延展投影数据在所述第一CT图像重建算法模型的基础上构建第二CT图像重建算法模型，并利用所述第二CT图像重建算法模型生成第二目标图像。

基于上述公开的内容，通过在现有的第一CT图像重建算法模型的基础上，构建数据延展模型对所述投影数据进行加权延展，获得延展投影数据，并对延展投影数据进行平滑过渡，然后利用平滑过渡后的延展投影数据改进第一CT图像重建算法模型，获得第二CT图像重建算法模型；其中，获得的延展投影数据的数据值准确，且利用经过平滑过渡的延展投影数据能够获得清晰完整以及质量高的CT图像。

在一种可能的设计中，若所述投影数据没有截断，利用所述投影数据建立第一CT图像重建算法模型的函数表达式为：

其中，

基于上述公开的内容，在投影数据没有截断的时候，可以直接构建第一CT图像重建算法模型，无需考虑数据缺失的问题。

在一种可能的设计中，若投影数据有截断，对所述投影数据进行加权延展构建数据延展模型，并利用所述数据延展模型获取延展投影数据，包括：

通过所述扫描轨迹的角度的加权、探测器排数方向的加权以及探测器列数方向的加权，对所述投影数据的共轭数据进行加权构建数据延展模型，并利用所述数据延展模型获取所述延展投影数据；其中，所述数据延展模型中的函数表达式为：

其中，

u

λ

其中，m为控制在角度方向上的数据使用范围的参数，w

基于上述公开的内容，通过所述扫描轨迹的角度的加权、探测器排数方向的加权以及探测器列数方向的加权，对所述投影数据的共轭数据进行加权延展构建数据延展模型，由于是利用已知的共轭数据估计截断数据，不会因估计不准确而导致最终的CT数据值不准确的问题；且经过加权扩展后的投影数据理论上能够支持CT设备扫描视野扩大一倍时的情形。

在一种可能的设计中，当探测器向u正半轴偏移时，基于所述数据延展模型构建平滑过渡模型，并利用所述平滑过渡模型对所述延展投影数据进行平滑过渡的函数表达式为：

当探测器向u负半轴偏移时，基于所述数据延展模型构建平滑过渡模型，并利用所述平滑过渡模型对所述延展投影数据进行平滑过渡的函数表达式为：

其中，w

基于上述公开的内容，能够实现原始的投影数据与加权延展产生的数据之间的平滑过渡，避免后续生成的目标图像存在伪影，影响图像质量。

在一种可能的设计中，基于平滑过渡后的延展投影数据在所述第一CT图像重建算法模型的基础上构建第二CT图像重建算法模型，包括：

用平滑过渡后的延展投影数据替换所述第一CT图像重建算法模型中的所述投影数据，以获得所述第二CT图像重建算法模型：

其中，

基于上述公开的内容，能够通过平滑过渡后的延展投影数据在第一CT图像重建算法模型的基础上构建第二CT图像重建算法模型，且利用第二CT图像重建算法模型生成的目标图像的图像清晰、无伪影且图像质量高。

第二方面，本发明提供一种扩大扫描视野的CT图像重建装置，包括：

第一数据获取模块，用于根据X射线源的扫描轨迹获取投影数据；

第一模型建立模块，用于若所述投影数据没有截断，利用所述投影数据建立第一CT图像重建算法模型；

第二数据获取模块，用于若所述投影数据有截断，则对所述投影数据进行加权延展构建数据延展模型，并利用所述数据延展模型获取延展投影数据；

平滑过渡模块，用于基于所述数据延展模型构建平滑过渡模型，并利用所述平滑过渡模型对所述延展投影数据进行平滑过渡；

第二模型建立模块，用于基于平滑过渡后的延展投影数据在所述第一CT图像重建算法模型的基础上构建第二CT图像重建算法模型；

目标图像生成模块，用于利用所述第二CT图像重建算法模型生成第二目标图像。

第三方面，本发明提供一种扩大扫描视野的CT图像重建装置，包括：依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面所述的扩大扫描视野的CT图像重建方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面所述的扩大扫描视野的CT图像重建方法。

第五方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行第一方面所述的扩大扫描视野的CT图像重建方法。

附图说明

图1为本发明中平板探测器扫描时的二维轴面图；

图2为本发明中典型的CT扫描系统的扫描轨迹示意图；

图3为本发明中扩大扫描视野的CT图像重建方法的流程图；

图4为本发明中探测器在u方向扩大扫描视野的的轨迹示意图；

图5为本发明在u轴上偏移时的坐标示意图；

图6为本发明弧形探测器CT扫描系统的轨迹示意图；

图7为本发明扩大扫描视野的CT图像重建装置的结构示意图；

图8为本发明另一扩大扫描视野的CT图像重建装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，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

为了弥补探测器扩大扫描视野时的数据缺失，并获得清晰完整的高质量CT图像，本申请实施例提供了一种扩大扫描视野的CT图像重建方法，该扩大扫描视野的CT图像重建方法通过重建CT图像的算法模型，并利用该算法模型能够获得清晰完整的高质量CT图像。

本申请实施例提供的扩大扫描视野的CT图像重建方法可应用于服务器，包括但不限于通过python、java、C++等语言和工具执行步骤S101-步骤S105实现。

请结合参见图2-6，下面对本申请实施例提供的扩大扫描视野的CT图像重建方法进行详细说明。

步骤S101.根据X射线源的扫描轨迹获取投影数据；

在步骤S101中，图2示出了现有技术中典型的CT扫描系统的轨迹示意图，其中，X射线源和探测器围绕旋转中线转动，旋转中线为与z轴平行且通过旋转中心o的虚拟直线。s(λ)表示X射线源的扫描轨迹，λ为射线源的旋转角度，(u,v,w)为探测器和射线源所在的旋转坐标,(u,v)表示探测器平面上点的坐标。射线源到旋转中心的距离为R，射线源在探测器上的投影为o

其中，射线源的扫描轨迹由

则X射线源穿过扫描物体的投影数据可以用如下公式表示：

其中

步骤S102.若所述投影数据没有截断，利用所述投影数据建立第一CT图像重建算法模型；

在步骤S102中，若所述投影数据没有截断，则CT图像重建问题就是利用投影数据来重建扫描物体内部断层结构f(x,y,z)，则第一CT图像重建算法模型的函数表达式为：

其中，

其中，需要说明的是，所述第一CT图像重建算法模型是现有的CT图像重建算法模型，在所述投影数据没有截断的时候，可以直接应用所述第一CT图像重建算法模型对目标图像进行重建，具体的重建原理此处不做赘述。同时，本文中提到的第一CT图像重建算法模型只是现有CT图像重建算法模型的其中一种，其他现有模型也可以用来取代本文中第一CT图像重建算法模型。本文提出的数据延展方法并不局限于本文中的第一CT图像重建算法模型，可以用到任何一种针对投影数据没有截断的CT图像重建算法模型。

通过探测器偏移扩大扫描视野的CT系统如图4-5所示，由于探测器的偏移，会造成另一边数据的缺失，所述第一CI图像重建算法模型无法适用，因此，需要对缺失的数据进行补全。

步骤S103.若所述投影数据有截断，则对所述投影数据进行加权延展构建数据延展模型，并利用所述数据延展模型获取延展投影数据；

在一种可能的设计中，对所述投影数据进行加权延展构建数据延展模型，并利用所述数据延展模型获取延展投影数据，包括：

通过所述扫描轨迹的角度的加权、探测器排数方向的加权以及探测器列数方向的加权，对所述投影数据的共轭数据进行加权延展构建数据延展模型，并利用所述数据延展模型获取所述延展投影数据；其中，所述数据延展模型中的函数表达式为：

其中，

u

λ

其中，m为控制在角度方向上的数据使用范围的参数，w

其中，w

基于上述公开的内容，通过所述扫描轨迹的角度的加权、探测器排数方向的加权以及探测器列数方向的加权，对所述投影数据的共轭数据进行加权延展构建数据延展模型，由于是利用已知的共轭数据估计截断数据，不会因估计不准确而导致最终的CT数据值不准确的问题；且经过加权扩展后的投影数据理论上能够支持CT设备扫描视野扩大一倍时的情形。

在实际应用中，探测器可能有多种扫描轨迹，例如圆形扫描轨迹、螺旋扫描轨迹以及其他任意扫描轨迹。

在一种可能的设计中，由于圆形扫描轨迹扫描一周360度即可覆盖物体的全部或者一部分。在圆形扫描轨迹中，由于单次扫描射线源只旋转一周，则公式(2)中的m1＝m2＝0。则构建圆形扫描轨迹的数据延展模型可根据公式(2)变形为：

其中，当n1＝n2＝0时，公式(d)变成最简单的形式为：

即直接取探测器同一排数的共轭投影数据g(u

在一种可能的设计中，通常螺旋扫描通过连续扫描覆盖长物体。此时m1>0,m2>0，分别向上和向下方向找出相应的共轭投影数据进行加权延展，由于螺旋扫描的对称性，可以设置m1＝m2，即在扫描轨迹上向前和向后相同的距离上寻找共轭数据。

在一种可能的设计中，其他任意扫描轨迹可以通过参数m1和m2来控制角度方向的加权，也可以通过n1和n2来控制探测器排数方向的加权，从而适应于任意扫描轨迹的投影数据加权延展。

步骤S104.基于所述数据延展模型构建平滑过渡模型，并利用所述平滑过渡模型对所述延展投影数据进行平滑过渡；

通过所述平滑过渡模型实现原始数据和延展的数据之间的平滑过渡，以确保重建的CT图像不会因为投影数据不平滑而产生伪影。其中，所述平滑过渡模型可以有多种形式。

在一种可能的设计中，当探测器向u正半轴偏移时，基于所述数据延展模型构建平滑过渡模型，并利用所述平滑过渡模型对所述延展投影数据进行平滑过渡的函数表达式为：

当探测器向u负半轴偏移时，基于所述数据延展模型构建平滑过渡模型，并利用所述平滑过渡模型对所述延展投影数据进行平滑过渡的函数表达式为：

其中，w

其中，所述单边平滑单调递增函数可以是：

基于上述公开的内容，能够实现原始的投影数据与加权延展产生的数据之间的平滑过渡，避免后续生成的目标图像存在伪影，影响图像质量。

步骤S105.基于平滑过渡后的延展投影数据在所述第一CT图像重建算法模型的基础上构建第二CT图像重建算法模型，并利用所述第二CT图像重建算法模型生成第二目标图像。

在一种可能的设计中，基于平滑过渡后的延展投影数据在所述第一CT图像重建算法模型的基础上构建第二CT图像重建算法模型，包括：

用平滑过渡后的延展投影数据替换所述第一CT图像重建算法模型中的所述投影数据，以获得所述第二CT图像重建算法模型：

其中，

基于上述公开的内容，能够通过平滑过渡后的延展投影数据构建第二CT图像重建算法模型，且利用第二CT图像重建算法模型生成的第二目标图像的图像清晰、无伪影且图像质量高。

在实际应用中，需要说明的是，所述第二CT图像重建算法模型同样适用于弧形探测器，如图6所示，示出了弧形探测器的CT扫描系统。

其中，弧形探测器扫描轨迹的投影数据用g(γ,v,λ)表示。则所述第二CT图像重建算法模型在弧形探测器系统可表示如下：

其中，

γ

λ

其中，γ

同理，平滑过渡模型在弧形探测器系统中可以也可以直接用γ取代u来表示。

如图7所示，第二方面，本发明提供一种扩大扫描视野的CT图像重建装置，包括：

第一数据获取模块，用于根据X射线源的扫描轨迹获取投影数据；

第一模型建立模块，用于若所述投影数据没有截断，利用所述投影数据建立第一CT图像重建算法模型；

第二数据获取模块，用于若所述投影数据有截断，则对所述投影数据进行加权延展构建数据延展模型，并利用所述数据延展模型获取延展投影数据；

平滑过渡模块，用于基于所述数据延展模型构建平滑过渡模型，并利用所述平滑过渡模型对所述延展投影数据进行平滑过渡；

第二模型建立模块，用于基于所述平滑过渡后的延展投影数据在所述第一CT图像重建算法模型的基础上构建第二CT图像重建算法模型；

目标图像生成模块，用于利用所述第二CT图像重建算法模型生成第二目标图像。

本实施例第二方面提供的装置的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见实施例第一方面，于此不再赘述。

如图8所示，第三方面，本发明提供一种扩大扫描视野的CT图像重建装置，包括：依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面所述的扩大扫描视野的CT图像重建方法。

本实施例第三方面提供的装置的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见实施例第一方面，于此不再赘述。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面所述的扩大扫描视野的CT图像重建方法。

本实施例第四方面提供的装置的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见实施例第一方面，于此不再赘述。

第五方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行第一方面所述的扩大扫描视野的CT图像重建方法。

本实施例第五方面提供的装置的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见实施例第一方面，于此不再赘述。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。