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CN104545976B - 计算机体层摄影方法和装置 - Google Patents

计算机体层摄影方法和装置 Download PDF

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CN104545976B CN201410857172.0A CN201410857172A CN104545976B CN 104545976 B CN104545976 B CN 104545976B CN 201410857172 A CN201410857172 A CN 201410857172A CN 104545976 B CN104545976 B CN 104545976B
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Abstract

一种成像方法，将物体置于检测区域内，并将探测器偏置放置，然后使成像系统沿纵向Z轴移动，射线源和探测器同步环绕物体进行圆周运动，进行扫描和采集数据，并根据数据进行补全进行断层。本发明成像方法，采用探测器偏置和螺旋轨迹扫描相结合，解决传统CT成像(尤其是锥形束CT成像)使用的图像拼接方法以对长Z轴覆盖的锥形束CT在拼接处图像产生伪影问题，并且减少探测器使用面积，节约系统成本。

Description

计算机体层摄影方法和装置
技术领域
本发明涉及一种成像方法，尤其涉及一种利用计算机对体层进行摄影的方法，以及实施该方法的装置。
背景技术
自1971年第一台CT原型机发明以来，CT成像技术在现代医学诊断中发挥着重要的作用。大成像视野的CT成像设备更是临床应用的迫切需求。但是，由于CT探测器价格昂贵，探测器的尺寸将显著影响CT设备的制造成本。配置大尺寸探测器会显著提高CT成像设备的制造成本。
为获得更大的CT成像覆盖体积，螺旋扫描是一种理想的增大成像视野的方式。据学术论文数据库检索结果，德国科学家Willi Kalender在1989年研发出第一台螺旋扫描的CT设备，该设备可以有效地提高CT成像设备在Z轴方向(病人扫描过程中，病床的移动方法)的覆盖面积，实现了“长”物体的连续CT扫描。经相关专利检索发现，现有的专利均描述采用螺旋扫描方式来提高CT成像设备在Z轴方向(Z轴是与CT断层图像所在平面相对的坐标轴)的覆盖面积，如：200410026596.9等。但该种扫描方式仅限于提高Z轴方向的成像视野，所需要的探测器尺寸只能够在Z轴方向减小，并不能在保证成像视野大小不变的前提下，显著减小CT成像设备所需要的探测器尺寸。
目前市场上，已经有一些锥形束CT厂商使用扫描装置(主要包括X射线球管和探测器)整体移动的方法来扩大其锥形束CT设备在Z轴方向的覆盖面积。其实现方法首先是固定成像系统在某一个高度，然后进行CT扫描和图像重建，得到该成像范围内的三维体数据。然后将该成像系统的扫描装置，包括X射线源和探测器等，上升至另一个高度，再进行一次CT成像，得到该高度位置的三维体数据。最后将两次扫描成像的三维体数据进行拼接，得到一个完整的，长Z轴覆盖的三维体数据。该方法的一个明显缺陷是两个三维体数据拼接处留下明显的图像伪影，不利于医生辨别和诊断，而且在两个位置分别进行CT扫描，需要增加额外的扫描装置移动过程，增加了整体的扫描时间，容易导致图像中产生不必要的运动伪影。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种成像方法，利用计算机对体层进行摄影，实现大成像视野的方法。
本发明的另一个目的在于提供一种成像方法，显著提高锥形束CT对探测器的利用效率，实现在保证成像视野和成像质量不变的前提下，降低CT设备的成本。
本发明的再一个目的在于提供一种成像方法，显著减少长Z轴尺寸物体的扫描时间
本发明的又一个目的在于提供一种成像方法，以显著减少图像拼接处的伪影对辨别和诊断产生的影响。
本发明的又一个目的在于提供一种成像装置，以实施各种成像方法。
本发明提供的一种成像方法，包括如下步骤：
首先，将物体置于检测区域内，并将探测器相对于物体偏置，使得射线源对物体进行扫描的部分数据被探测器获得；
然后，将射线源和射线探测器组成的成像系统沿纵向Z轴移动，同时，射线源和探测器同步环绕物体圆周运动进行扫描，以及数据采集；
最后，对所采集数据进行重建，获得完整的物体图像。
由于本发明采用了射线源和探测器相对物体偏置的检测方法。对于不同规格的物体进行成像时或探测器规格发生变化时，还需要对物体是否被置于成像中心区域进行检验。本发明提供的另一种成像方法，包括如下步骤：
第一步，将物体置于检测区域内，并将探测器相对于物体偏置，使得射线源对物体进行扫描的部分数据被探测器获得；
第二步，按二维投影成像范围需求，重复如下步骤调整成像范围并进行图像拼接，以实现目标成像区域定位；
i)首先，调整探测器的位置，从探测器上获得射线源对物体进行第一次投影的数据，在水平方向上移动探测器或者在竖直方向上移动成像系统(包括射线源和射线探测器)获得射线源对物体进行第二次投影的数据，以弥补第一次投影未获取的数据；将第一次投影的数据和第二次投影的数据拼接组合；如果无法获得需要的投影图像，继续重复步骤i)采集更多不同位置的投影图像直到满足需求；
ii)接着，将射线源-探测器部件相对物体转动90度；
iii)然后按照i)中所述方法调整探测器位置，从探测器上获得射线源对物体进行第三次投影的数据，在水平方向上移动探测器或者在竖直方向上移动成像系统(包括射线源和射线探测器)获得射线源对物体进行第四次投影的数据，以弥补第三次投影未获取的数据；将第三次投影的数据和第四次投影的数据拼接组合，如果无法获得需要的投影图像，继续重复步骤iii)以获得该角度下的满足目标成像区域定位的需求；
第三步，将物体沿纵向Z轴移动，射线源和探测器同步环绕物体圆周运动，进行扫描和数据采集；
最后，对所采集数据进行重建，获得完整的物体图像。
本发明提供的各种成像方法，物体沿纵向Z轴移动的最大速度满足p/t。其中，p为探测器在Z轴方向所具有的高度，t为射线源和探测器旋转360度所需的时间。
本发明提供的各种成像方法，射线源焦点与射线源－探测器部件的中心点的连线与探测器相交。探测器部件包括探测器和滑轨机构，探测器于滑轨中滑动。
本发明提供的各种成像方法，射线源和探测器围绕物体至少旋转360度。
本发明提供的各种成像方法，探测器优先选择平板探测器。
本发明提供的各种成像方法，物体包括生物体，尤其是指人、野生动物和家畜(Livestock)。野生动物为自然状态下未经人工驯化的动物。家畜是为了提供食物来源而人工饲养的动物，如：狗、猫、鼠、仓鼠、猪、兔、奶牛、水牛、公牛、绵羊、山羊、鹅和鸡等。按本发明方法进行成像的“生物体”优先选择哺乳动物，尤其是人，其以站姿或坐姿于检测区域内。
为实现本发明提供的各种成像方法，一种成像装置，包括
架体，用于升降移动；
旋转架，与架体活动连接，包括滑轨机构；
数据传输部件，设于架体与旋转架的连接处，与电源线和数据线分别连接；
射线源，设于旋转架；
探测器，于所述的滑轨机构滑动。
本发明所提供的装置，探测器优先选择平板探测器。
本发明所提供的装置，滑轨机构至少包括一条滑轨，探测器于滑轨上滑动。
本发明所提供的装置，旋转架与架体的活动连接处为旋转中心，旋转架旋转时，射线源和探测器所覆盖的区域始终包含围绕着旋转中心。
本发明技术方案实现的有益效果：
本发明成像方法，使用平板探测器偏置螺旋扫描结构，解决传统CT成像(尤其是锥形束CT成像)使用的图像拼接方法以对长Z轴覆盖的锥形束CT在拼接处图像产生伪影问题。
本发明方法采用探测器偏置和螺旋轨迹扫描相结合的方法，同时实现了扩大X-Y平面内的成像视野和Z轴方向上的成像视野，还实现了使用小面积平板探测器进行大视野投影成像的方法。
本发明成像方法应用于锥形束CT成像中，能使用小尺寸平板探测器(如：18cm×7cm)实现大视野成像，在实现相同成像视野的情况下显著降低了整体CT成像设备的成本。
本发明成像方法适合于生物体，尤其是人以站姿或坐姿于检测区域，医疗的顺应性得到显著提高。
本发明成像装置，在旋转中心处使用滑环结构，容许射线源和探测器进行连续旋转扫描成像，节省整体扫描时间，有效避免潜在的运动伪影产生。
本发明成像装置，采用了滑轨机构，有利于调整平板水平位置进行全视野成像，解决偏置探测器带来的定位问题。
附图说明
图1为实施本发明成像方法的装置一实施例的结构示意图；
图2为图1中数据信号传输部件一实施例的结构示意图；
图3为图1中探测器部件一实施例的结构示意图；
图4为本发明从探测器上获得射线源对物体进行第一次投影数据进行成像的CT图；
图5为本发明从探测器上获得射线源对物体进行第二次投影数据进行成像的CT图；
图6为将第一次投影的数据和第二次投影的数据拼接组合，获得的完整投影图像；
图7为本发明对物体进行偏置扫描并成像的一实施例结构示意图；
图8为本发明方法成像时对一侧偏置扫描所缺失的数据进行补全的示意图；
图9为本发明方法对物体进行扫描的轨迹示意图；
图10为本发明方法对物体扫描所采集到的数据进行成像产生的投影图像；
图11为本发明方法一实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
图1为实施本发明成像方法的装置一实施例的结构示意图，图2为图1中数据信号传输部件一实施例的结构示意图，图3为图1中探测器部件一实施例的结构示意图。如图1、图2和图3所示，将CT扫描系统(如：锥形束CT)设计为成像部分(1-2)和立柱部分(1-1)，成像部分(1-2)于立柱部分(1-1)内为滑动结构，可进行竖直方向的升降移动。
使用滑环系统(1-3)与电源线(1-5)和数据线(1-6)分别连接，以代替传统的导线连接，实现探测部件(1-4)和射线源(1-7)环绕物体连续转动，防止导线纠缠。
探测部件(1-4)包括两条平行的导轨(1-9)，探测器(1-8)于两条平行的导轨(1-9)间滑动。本实施例中，导轨为滑轨机构，以利于调整平板水平位置进行全视野成像，解决偏置探测器带来的定位问题。探测器(1-8)的面积一般应小于两条平行的导轨(1-9)所成的面积。本实施例中，探测器(1-8)采用长度为18厘米，宽度为7厘米的锥行束CT平板探测器。在CT扫描过程中，成像部分移动，结合探测器和射线源环绕物体转动，实现螺旋轨迹扫描。
图7为本发明对物体进行偏置扫描并成像的一实施例结构示意图。将锥形束CT成像系统的探测器相对于物体偏置放置，并确保射线源焦点(3-1)与射线源－探测器部件的中心点(3-3)的连线与平板探测器(3-2)相交。结合图1和图3，参见图7，将探测器(1-8)固定在X方向的导轨上，并采用电动控制将平板探测器(1-8)沿导轨(1-9)的运动。将探测器(1-8)偏置，即探测器偏置在X方向的一边，其中圆形阴影部分是拟图像重建的目标区域(2-4)。在CT扫描过程中，成像部分(1-2)沿Z轴方向纵向移动，与此同时，射线源(1-7)和探测部件(1-4)环绕物体进行圆周运动，X射线曝光和采集数据，其扫描的轨迹如图9所示。本实施例中，物体为人，其以站姿或坐姿于检测区域。
物体沿纵向Z轴移动的最大速度满足p/t。其中，p为物体所具有的长度，t为射线源和探测器旋转360度所需的时间。比如：探测器在Z轴方向为7厘米，CT扫描一圈的时间为10秒，该系统中的物体在CT扫描过程中位移的速度为0.7厘米/秒。射线源和探测器的旋转速度为36度/秒。
参见图7，与此同时射线源发射X射线(3-1)，探测器探测X射线信号(3-2)，并沿着被扫描物体进行连续圆周运动，直到系统的成像结构的移动距离完全覆盖待扫描物体，并且X射线源至少转动360度。射线源和探测器进行圆周运动的旋转中心(1-0)参见图1或图7中心点(3-3)所示。射线源和探测器组成的数据采集系统不需要完整覆盖整个待成像平面，仅需要保证在沿着旋转中心旋转时，射线源和探测器所覆盖的区域一直包含他们围绕的旋转中心。
图9揭示了本发明成像方法涉及的CT扫描一实施例的轨迹，在同一个射线源角度位置，随着物体的沿Z轴纵向移动，物体的不同部分(Z1，Z2，Z3)被扫描，其投影数据由探测器收集而成像，如图10所示。
对于不同规格的物体或使用不同规格的探测器进行成像时，还需要对物体是否被置于成像中心区域进行检验。图4揭示了偏置螺旋CT中所成图像的特点，由于探测器面积较小，一次成像无法覆盖完整的物体的水平方向结构，而仅仅是其第一局部特征(2-1)。将平板探测器沿着导轨滑动，进行再次成像，获得第二局部特征(2-2)(参见图5)，第二局部特征可以将弥补未在第一局部特征中示出的部分，由此将两次成像结果拼接成一张完整的头部投影图像(2-3)(参见图6)。以相同的方式采集射线源在90度位置时的投影图像，以判断物体是否被置于成像中心。
本实施例提供的成像方法如图11所示，具体为：
步骤10：将物体置于检测区域内，并将探测器相对于物体偏置，使得射线源对物体进行扫描的部分数据被探测器获得。
按二维投影成像范围需求，调整成像范围并进行图像拼接，以实现目标成像区域定位，具体为：
步骤211：调整探测器的位置，从探测器上获得射线源对物体进行第一次投影的数据；步骤212：在水平方向上移动探测器或者在竖直方向上移动成像系统(包括X射线源和X射线探测器)获得射线源对物体进行第二次投影的数据，以弥补第一次投影未获取的数据；步骤213将第一次投影的数据和第二次投影的数据拼接组合，并能获得完整的投影图像；如果无法获得需要的投影图像，继续重复步骤221至步骤213采集更多不同位置的投影图像直到满足需求。
接着，步骤221：将射线源-探测器部件相对物体转动90度；
然后，按步骤231：从探测器上获得射线源对物体进行第三次投影的数据；步骤232：在水平方向上移动探测器或者在竖直方向上移动成像系统(包括X射线源和X射线探测器)获得射线源对物体进行第四次投影的数据，以弥补第三次投影未获取的数据；和步骤233：将第三次投影的数据和第四次投影的数据拼接组合，并能获得物体相对射线源转动90度后的完整的投影图像，如果无法获得需要的投影图像，继续重复步骤231至步骤233以获得该角度下的满足目标成像区域定位的需求。
步骤30：将物体沿纵向Z轴移动，射线源和探测器同步环绕物体进行圆周运动，进行X射线扫描和采集数据。
步骤40：对所采集数据进行重建，获得完整的物体图像。
在对图像进行重建中，需要对数据进行不全。
由于本实施例使用小尺寸探测器，在CT扫描中，一个角度的投影图像无法覆盖整个目标成像区域，那么我们使用对侧图像补充进行三维体数据重建的策略。图8为本发明方法成像时对一侧偏置扫描所缺失的数据进行补全的示意图。如图8所示，当射线源运转到α1角度和h1位置(4-1)时，只对图4中局部的区域(4-4)能够被探测器检测到X射线信号，图4中区域(4-5)所指示的平面区域无对应探测器进行数据采集。为了补偿该区域缺失的信号，需要使用射线源运转到其他位置时探测器采集到投影数据进行补偿。以图4中虚线(4-2)所示的数据缺失补偿为例。在射线源在原位置(α1，h1)时，因为探测器横向尺寸不足以覆盖整个成像平面，那么图4中虚线所示的射线源在原位置(α1，h1)时的投影数据由射线源运转到α2位置(4-3)时的投影数据进行补全。图4中虚线(4-2)需要与α2位置的射线源和该角度射线源对应的探测器平面同时相交。
上述过程可具体表述为，在α1角度下，待重建区域的f(x,h)点的投影数据没有被探测器采集。此时，将α1角度下射线源焦点的位置与待重建区域的f(x,h)点进行直线连接，该直线与α1角度下射线源焦点的位置和成像系统的旋转中心的连线的夹角记为Δα。为了补全在α1角度下待重建点f(x,h)的数据缺失，使用当射线源运动到α2(α2＝α1+180°±Δα)位置时，射线源焦点和待重建区域的f(x,h)点的直线连接与探测器相交的位置的测量值进行数据补全。其中，1)当以射线源为视角，其右面视野的探测器缺失，并且其向右转动，则为α2＝α1+180°-Δα角度下的投影数据；2)当以射线源为视角，其右面视野的探测器缺失，并且其向左转动，则为α2＝α1+180°+Δα角度下的投影数据；3)当以射线源为视角，其左面视野的探测器缺失，并且其向左转动，则为α2＝α1+180°-Δα角度下的投影数据；4)当以射线源为视角，其左面视野的探测器缺失，并且其向右转动，则为α2＝α1+180°+Δα角度下的投影数据。
利用这些补全数据进行滤波操作，借助NVIDIA的图形计算卡和CUDA并行计算技术，依照经典的滤波反投影重建算法进行三维体数据重建。三维体数据重建分为两部分，图像滤波和反投影。在图像滤波步骤，我们使用通过以上补全策略所述方法获得的完整的投影数据进行滤波；在反投影步骤，仅使用每一角度下直接测量的滤波后的数据进行反投影，使用补全策略补充后的数据区域不进行反投影操作。
虽然目前已有一些锥形束CT企业使用射线源和探测器平移的方法，在两个位置分别进行CT扫描，最后再进行图像拼接以达到长Z轴的覆盖。但该方法需要增加额外的扫描装置移动过程，增加了整体的扫描时间，容易导致图像中有不必要的运动伪影。
也有一些锥形束CT企业采用探测器偏置的方法扩大成像视野。但该方法仅能扩大X-Y平面内的成像视野，无法扩大Z方向的成像视野。本实施例提供方法结合探测器偏置和螺旋轨迹扫描，同时扩大X-Y平面内和Z轴方向上的成像视野，并且提出了使用小面积平板探测器进行大视野投影成像的方法。

Claims (17)

1.一种成像方法，其特征在于包括如下步骤：
首先，将物体置于检测区域内，并将探测器相对于物体偏置，使得射线源对物体进行扫描的部分数据被探测器获得；
然后，将物体沿纵向Z轴移动，同时，射线源和探测器同步环绕物体进行圆周运动，进行扫描和采集数据；
最后，对所采集数据进行重建，获得完整的物体图像；
所述对所采集数据进行重建时，还包括对数据的补全，其方法为：
在α1角度下，待重建区域的f(x,h)点的投影数据没有被探测器采集；将α1角度下射线源焦点的位置与待重建区域的f(x,h)点进行直线连接，该直线与α1角度下射线源焦点的位置和成像系统的旋转中心的连线的夹角记为Δα；为了补全在α1角度下待重建点f(x,h)的数据缺失，使用当射线源运动到α2位置时，射线源焦点和待重建区域的f(x,h)点的直线连接与探测器相交的位置的测量值进行数据补全；
所述α2＝α1+180°±Δα；
所述成像系统包括射线源和射线探测器。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述物体沿纵向Z轴移动的最大速度满足p/t；其中，p为所述探测器在Z轴方向所具有的高度，t为所述射线源和所述探测器旋转360度所需的时间。
3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述的射线源和所述的探测器围绕所述的物体至少旋转360度。
4.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述射线源的焦点与射线源－探测器部件的中心点的连线与探测器相交，所述探测器部件包含所述探测器。
5.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述物体为生物体，其以站姿置于所述的检测区域内。
6.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于所述物体为人，其以站姿或坐姿置于所述的检测区域内。
7.一种成像方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步，将物体置于检测区域内，并将探测器相对于物体偏置，使得射线源对物体进行扫描的部分数据被探测器获得；
第二步，按二维投影成像范围需求，重复如下步骤调整成像范围并进行图像拼接，以实现目标成像区域定位；
i)首先，调整探测器的位置，从探测器上获得射线源对物体进行第一次投影的数据，在水平方向上移动探测器或者在竖直方向上移动成像系统获得射线源对物体进行第二次投影的数据，以弥补第一次投影未获取的数据；将第一次投影的数据和第二次投影的数据拼接组合；如果无法获得需要的投影图像，继续重复步骤i)采集更多不同位置的投影图像直到满足需求；
ii)接着，将射线源-探测器部件相对物体转动90度；
iii)然后按照i)中所述方法调整探测器位置，从探测器上获得射线源对物体进行第三次投影的数据，在水平方向上移动探测器或者在竖直方向上移动成像系统获得射线源对物体进行第四次投影的数据，以弥补第三次投影未获取的数据；将第三次投影的数据和第四次投影的数据拼接组合，如果无法获得需要的投影图像，继续重复步骤iii)以获得该角度下的满足目标成像区域定位的需求；
第三步，将物体沿纵向Z轴移动，射线源和探测器同步环绕物体圆周运动，进行扫描和数据采集；
最后，对所采集数据进行重建，获得完整的物体图像。
8.根据权利要求7所述的成像方法，其特征在于所述对所采集数据进行重建时，还包括对数据的补全，其方法为：
在α1角度下，待重建区域的f(x,h)点的投影数据没有被探测器采集；将α1角度下射线源焦点的位置与待重建区域的f(x,h)点进行直线连接，该直线与α1角度下射线源焦点的位置和成像系统的旋转中心的连线的夹角记为Δα；为了补全在α1角度下待重建点f(x,h)的数据缺失，使用当射线源运动到α2位置时，射线源焦点和待重建区域的f(x,h)点的直线连接与探测器相交的位置的测量值进行数据补全；
所述α2＝α1+180°±Δα；
所述成像系统包括射线源和射线探测器。
9.根据权利要求7所述的成像方法，其特征在于所述物体沿纵向Z轴移动的最大速度满足p/t；其中，p为所述探测器在Z轴方向所具有的高度，t为所述射线源和所述探测器旋转360度所需的时间。
10.根据权利要求7所述的成像方法，其特征在于所述的射线源和所述的探测器围绕所述的物体至少旋转360度。
11.根据权利要求7所述的成像方法，其特征在于所述射线源的焦点与射线源－探测器部件的中心点的连线与探测器相交，所述探测器部件包含所述探测器。
12.根据权利要求7所述的成像方法，其特征在于所述物体为生物体，其以站姿置于所述的检测区域内。
13.根据权利要求7所述的成像方法，其特征在于所述物体为人，其以站姿或坐姿置于所述的检测区域内。
14.根据权利要求1-13之一所述的成像方法，其特征在于所述探测器为平板探测器。
15.一种用于权利要求1-13之一所述成像方法的装置，其特征在于包括
架体，用于升降移动；
旋转架，与所述的架体活动连接，包括滑轨机构；
数据传输部件，设于所述的架体与所述旋转架的连接处，与电源线和数据线分别连接；
射线源，设于所述的旋转架；
探测器，于所述的滑轨机构滑动。
16.根据权利要求15所述的成像方法的装置，其特征在于所述的滑轨机构至少包括一条滑轨。
17.根据权利要求15所述的成像方法的装置，其特征在于所述的旋转架与所述架体的活动连接处为旋转中心，所述的旋转架旋转时，所述的射线源和所述的探测器所覆盖的区域始终包含围绕着所述的旋转中心。
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