CN102727230A - Ct扫描图像重建方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CT技术领域，公开了一种CT扫描图像重建方法及装置，该方法包括：将扫描数据重组至反投影要求的数据格式；对每个选定的目标像素点，计算投影穿过所述目标像素点的通道位置；对每个选定的目标像素点，根据各类型焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置；将得到的所述投影穿过所述目标像素点的通道位置和层位置加权累加到所述目标像素点上。利用本发明，可以避免现有技术中两步插值对z轴方向分辨率的影响。

Description

CT扫描图像重建方法及装置

技术领域

本发明涉及CT(Computed Tomography，计算机x射线断层扫描技术)技术领域，更具体地说，涉及一种CT扫描图像重建方法及装置。

背景技术

z轴方向飞焦点(zDFS)技术是一种提高CT(Computed Tomography，计算机X射线断层扫描技术)的z轴方向分辨率的一种技术，它通过周期性偏移的X射线焦点位置，使得在一次扫描中获得双倍采样密度的数据，从而在z轴方向获得更高的分辨率。

三维反投影方法是多排x射线CT中图像重建技术的一种，它通过在三维空间中计算出目标重建点投影到二维CT检测器上的坐标，然后在二维检测器上插值，将插值出的投影值反向累加到目标重建点位置，从而获得图像的CT值。一般认为，在多排CT中，三维反投影方法能够获得比二维图像重建方法更好的图像质量，主要体现在锥角伪影(即由于检测器某些层不在中心平面而导致的图像重建不准确带来的伪影)、z轴方向分辨率方面。

在传统的z轴方向飞焦点重建技术中，一般采用先在投影数据空间中作飞焦点插值，即数据重组过程，然后利用获得的校正数据进行反投影重建，这使得反投影过程中的插值是建立在飞焦点插值结果的基础上，在事实上加宽了插值宽度，使得小于该宽度的小物体无法被分辨出来，降低了z轴方向分辨率。

发明内容

本发明实施例针对现有技术中存在的上述问题，提供一种CT扫描图像重建方法及装置，避免现有技术中两步插值对z轴方向分辨率的影响。

为此，本发明实施例提供如下技术方案：

一种CT扫描图像重建方法，包括：

将扫描数据重组至反投影要求的数据格式；

对每个选定的目标像素点，计算投影穿过所述目标像素点的通道位置；

对每个选定的目标像素点，根据各类型焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置；

将得到的所述投影穿过所述目标像素点的通道位置和层位置加权累加到所述目标像素点上。

优选地，所述将扫描数据重组至反投影要求的数据格式包括：

将扫描数据重组至单层数据；或者

将扫描数据重组至多层数据。

优选地，所述根据各类型焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置包括：

分别计算各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置；

将得到的各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置进行插值处理，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

优选地，所述将得到的各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置进行插值处理，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置包括：

对各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置向下取整得到对应该焦点的第一个插值点，并将所述第一个插值点加1得到对应该焦点的第二个插值点；

对各焦点的所有插值点进行加权，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

优选地，所述方法还包括：

根据对应各焦点的插值点到该焦点的射线的实际整数层的距离设定所述插值点进行加权的权值。

一种CT扫描图像重建装置，包括：

数据重组单元，用于将扫描数据重组至反投影要求的数据格式；

通道位置计算单元，用于对每个选定的目标像素点，计算投影穿过所述目标像素点的通道位置；

层位置计算单元，用于对每个选定的目标像素点，根据各类型焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置；

累加单元，用于将得到的所述投影穿过所述目标像素点的通道位置和层位置加权累加到所述目标像素点上。

优选地，所述数据重组单元，具体用于将扫描数据重组至单层数据；或者将扫描数据重组至多层数据。

优选地，所述层位置计算单元包括：

第一计算子单元，用于分别计算各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置；

插值处理子单元，用于将得到的各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置进行插值处理，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

优选地，所述插值处理子单元包括：

插值点确定子单元，对各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置向下取整得到对应该焦点的第一个插值点，并将所述第一个插值点加1得到对应该焦点的第二个插值点；

加权子单元，用于对各焦点的所有插值点进行加权，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

优选地，所述插值处理子单元还包括：

权值设定子单元，用于根据对应各焦点的插值点到该焦点的射线的实际整数层的距离设定所述插值点进行加权的权值。

本发明实施例CT扫描图像重建方法及装置，将z轴方向飞焦点插值结合到图像重建的反投影过程中，使得飞焦点插值和反投影处理一次性完成，即对每个选定的目标像素点，根据各焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置，从而减少了实际插值宽度，避免了现有技术中两步插值对z轴方向分辨率的影响。

附图说明

图1是现有技术中z轴方向飞焦点的原理示意图；

图2是现有技术中二焦点方式实现z轴方向飞焦点的示意图；

图3是现有技术中基于二焦点飞行方式的插值处理流程图；

图4是现有技术中基于飞焦点插值实现图像重建的流程图；

图5是本发明实施例CT扫描图像重建方法的流程图；

图6是本发明实施例中目标像素点的示意图；

图7是本发明实施例CT扫描图像重建装置的一种结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

下面首先对现有技术中飞焦点的原理做简单说明。

在飞焦点技术中，主要使用焦点A，C，其几何位置分别记为：

A(z-)、C(z+)。

z轴方向飞焦点的原理如图1所示，其中，A和C分别表示zDFS中的两个不同焦点。R表示机架的旋转半径，R_FD表示标准焦点位置到检测器的距离，R_OD表示旋转中心到检测器的距离，并用R_C＝R+d和R_A＝R-d分别表示焦点C和焦点A的旋转半径。

射束在z方向上偏移，从焦点A偏转至焦点C，使得焦点C的各层在旋转中心处，穿过焦点A相邻两层的正中心，即在旋转中心所处的直线上，焦点C的各通道穿过焦点A的半层点，从而获得二倍于原始层的采样。

利用各焦点和检测器各层的坐标，可以求出在该坐标系下，各层射线在z轴上的截距即各层在旋转中心的采样位置，分别是：

$C:Z_C\left(m\right)=\frac{(m-\frac{M-1}{2})\mathrm{\Δ}(R+d)+R_{\mathrm{OD}}d\tan \mathrm{\φ}}{R_{\mathrm{FD}}+d}$

$A:Z_A\left(m\right)=\frac{(m-\frac{M-1}{2})\mathrm{\Δ}(R-d)-R_{\mathrm{OD}}d\tan \mathrm{\φ}}{R_{\mathrm{FD}}-d}---\left(1\right)$

于是，在上图1中，从右到左各层排列位置为：

Z_A(0)，Z_C(0)，Z_A(1)，Z_C(1)，…，Z_A(M-2)，Z_C(M-2)，Z_A(M-1)，Z_C(M-1)

焦点A的实际切片厚度(在z轴上)为：

$s_A=Z_A(m+1)-Z_A\left(m\right)=\frac{\mathrm{\Δ}(R-d)}{R_{\mathrm{FD}}-d}=\frac{R_{\mathrm{FD}}}{R}\·\frac{(R-d)}{R_{\mathrm{FD}}-d}s---\left(2\right)$

焦点C的实际切片厚度(中心)为：

$s_C=Z_C(m+1)-Z_C\left(m\right)=\frac{\mathrm{\Δ}(R+d)}{R_{\mathrm{FD}+}d}=\frac{R_{\mathrm{FD}}}{R}\·\frac{(R+d)}{R_{\mathrm{FD}+}d}s---\left(2\right),$

交叉排列的各层射线实质上增加了z轴上的采样密度，从而能够提高z方向分辨率。

在现有技术中，z方向飞焦点技术一般采样如下方式：

图2是实现z轴方向飞焦点的示意图。

插值处理过程如图3所示，包括以下步骤：

步骤301，获得扫描数据；

步骤302，对获得的飞行一圈的扫描数据按照以每个循环周期的个数为基本操作单元进行循环处理，重组出一圈的视图数据，每个处理过程包括以下步骤：

步骤302-1，计算检测器的各个目标层位置。

具体地，设实际的物理检测器层数为N，层厚度为s，那么令目标层的个数为2N，层厚度为s/2，则目标各层的位置为：(k-(2N-1)/2)*(s/2)，k＝0，1，......，2N-1。

步骤302-2，利用A、C焦点所对应的检测器实际位置，插值出上述步骤302-1中计算出的目标层位置的数据。

具体地，将A、C焦点的数据交叉排列(按照实际的层位置顺序)，作为插值输入，将302-1计算的目标层位置作为插值输出，利用任一种插值方法插值计算出目标层位置的数据，即z飞焦点插值之后的数据。

图4是现有技术中基于飞焦点插值实现图像重建的流程图，包括以下步骤：

步骤401，进行基于扫描数据的飞焦点插值处理；

步骤402，进行数据重组。

即将扫描获得的数据重组至反投影要求的数据格式，如平行束数据。如果采用二维反投影方法，则重组至单层数据；如果采用三维反投影方法，则重组至多层数据。

步骤403，对数据加锥角权并滤波。

为了抵消多层检测器的各层射线在z方向的发散作用(此发散导致图像重建不准确，带来锥角伪影)，需要对各层数据乘以一个锥角权(即锥角的cos值)，从而将各层数据投影到中心平面上。然后采用适当的卷积核与数据做卷积，以增强数据中的有效频率成分，或者以减弱数据中的无效频率成分。

步骤404，定义像素序号变量k＝0，即选择第一个像素点。

步骤405，判断k是否小于总像素个数N；如果是，则执行步骤406；否则执行步骤410。

步骤406，计算某个投影穿过上述像素点的射线的通道位置，即该投影在x轴上的投影值。

步骤407，计算某个投影穿过上述像素点的射线的理论层位置，并利用飞焦点插值后的整数层位置，插值出理论层位置的数据，即该投影在z轴上的投影值。

步骤408，将计算得到的层和通道的投影值加权累加到该像素点上，即反投影过程。

步骤409，k＝k+1，即选择下一个像素点进行反投影过程。

步骤410，结束。

可见，在上述图像重建过程中，反投影的计算像素的投影值的过程建立在飞焦点插值结果的基础上，加宽了插值宽度，使得小于该宽度的小物体无法被分辨出来，降低了z轴方向辨率。

为此，本发明实施例CT扫描图像重建方法及装置，针对上述问题，将z轴方向飞焦点校正结合到反投影过程中，使得飞焦点插值和反投影过程一次性完成，避免两步插值带来的不利影响。

如图5所示，是本发明实施例CT扫描图像重建方法的流程图，包括以下步骤：

步骤501，将扫描数据重组至反投影要求的数据格式。

即将扫描获得的数据重组至反投影要求的数据格式，如平行束数据。如果采用二维反投影方法，则重组至单层数据；如果采用三维反投影方法，则重且至多层数据。

数据重组的具体方法可采用现有技术中的一些处理方法，在此不做详细描述。

步骤502，对每个选定的目标像素点，计算投影穿过所述目标像素点的通道位置。

步骤503，对每个选定的目标像素点，根据各类型焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

具体地，可以分别计算各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置，然后将得到的各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置进行插值处理，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

在进行插值处理时，对各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置向下取整得到对应该焦点的第一个插值点，并将所述第一个插值点加1得到对应该焦点的第二个插值点，然后对各焦点的所有插值点进行加权，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置的数据。各插值点的权值可以根据该插值点到该插值点对应焦点的射线的实际整数层的距离来设定。

步骤504，将得到的所述投影穿过所述目标像素点的通道位置和层位置加权累加到所述目标像素点上，即反投影过程。

所述反投影是一种应用投影几何原理进行影像重建的方法，三维反投影过程的原理如下：

设p为经过数据重组(步骤402)和加锥角权且滤波(步骤403)后的数据，则对于目标重建点X(x1，x2，x3)，其像素值为各个方向通过该目标点的射线投影值的累加：

$f(x,y,z)=\underset{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{out}}}{\∫}}w\left(\mathrm{\θ}\right)p(\mathrm{\θ},t(\mathrm{\θ},x,y,z),m(\mathrm{\θ},x,y,z))\mathrm{d\θ}$

其中，θ为投影角，θ_in和θ_out分别为穿过目标点的起始投影角和结束投影角，w(θ)为每个投影的权值，t(θ，x，y，z)为x轴方向(即通道方向)的射线位置，m(θ，x，y，z)为z轴方向(即层方向)的射线位置。t和m不一定恰好落在某条射线上，而是落在一些采样射线之间，这时，需要用这两条射线作插值得到真正的m和t，下文假设t采用简单的线性插值，主要关注t。

由前面的描述可知，投影数据p(θ，t，m)需要通过邻近的射线插值得到，在本发明实施例中，利用经过焦点偏移后的投影射线来插值该数据，由于飞焦点增加了采样密度，利用它来插值能有效减小插值宽度，从而提高z轴方向分辨率。

下面以三维反投影方式为例，对本发明实施例中将z轴方向飞焦点插值处理结合到反投影处理的过程作进一步详细说明。

如图6所示，从焦点A和焦点C分别发出射线穿过目标像素点700，由于检测器是对x射线的离散采样，所以不一定恰好有采样经过目标像素点，这时需要插值，如图中所示，在yz平面上看，有四条真实的x射线采样分布在目标点的两侧，它们是分别来自于焦点A的采样点72、74和焦点C的采样点71、73。

下面以利用这四个采样点插值出目标像素点的值，设插值基函数为

下面详细描述插值过程。

通过几何关系可以得到，穿过所述目标像素点的射线的层位置m的理论值为：

$m(\mathrm{\θ},x,y,R,s)=\frac{R(Z_{\mathrm{img}}-(\mathrm{\θ}+\mathrm{\γ})\frac{\mathrm{pMs}}{2\mathrm{\π}})}{R\cos \mathrm{\γ}-(x\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{startAgl})+y\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{startAgl}))}---\left(3\right)$

其中，Z_img表示目标图像相对于整幅图像的起始投影的z轴位置，θ表示相对于起始投影的投影角度，p为螺距，M为检测器的总层数，s为中心切片厚度，startAgl表示起始投影的投影角度(相当于起始投影的旋转码)，γ表示通过像素点的射线与通过旋转中心的射线的夹角(一般称为扇角)，

其中，t为射线到旋转中心的垂直距离。

利用上述公式(2)、(2)’、(3)，可以计算出每个焦点射线穿过目标像素点的理论层位置：

m_c＝m(θ，x，y，R_C，S_C)，m_A＝m(θ，x，y，R_A，S_A)；

令

然后，再用m₀+1、m₀、m₁+1、m₁这四个点插值出目标像素点的值。权值分别为：

令W_All＝W_BackC+W_ForeC+W_BackA+W_ForeA；

设通道方向计算所得理论通道位置为t，令

权值

则最后计算得到目标像素点的投影数据：

$p(\mathrm{\θ},t,m)=p_{\mathrm{fore}}^{\mathrm{chn}}*W_{\mathrm{fore}}^{\mathrm{chn}}+p_{\mathrm{back}}^{\mathrm{chn}}*W_{\mathrm{back}}^{\mathrm{chn}}---\left(4\right)$

其中：

$p_{\mathrm{fore}}^{\mathrm{chn}}=\frac{(w_{\mathrm{backC}}*p_C(\mathrm{\θ},t_{\mathrm{fore}},m_0+1)+w_{\mathrm{backA}}*p_A(\mathrm{\θ},t_{\mathrm{fore}},m_1+1)+w_{\mathrm{foreC}}*p_C(\mathrm{\θ},t_{\mathrm{fore}},m_0)+w_{\mathrm{foreA}}*p_A(\mathrm{\θ},t_{\mathrm{fore}},m_1)}{W_{\mathrm{All}}}$

$p_{\mathrm{fore}}^{\mathrm{chn}}=\frac{(w_{\mathrm{backC}}*p_C(\mathrm{\θ},t_{\mathrm{back}},m_0+1)+w_{\mathrm{backA}}*p_A(\mathrm{\θ},t_{\mathrm{back}},m_1+1)+w_{\mathrm{foreC}}*p_C(\mathrm{\θ},t_{\mathrm{back}},m_0)+w_{\mathrm{foreA}}*p_A(\mathrm{\θ},t_{\mathrm{back}},m_1)}{W_{\mathrm{All}}}$

为了减小实际插值宽度，插值函数利用高次多项式，

(一般情况下，选择m为2，若期望更窄的插值宽度，可选m＞2)。

上面以只有z方向飞焦点、三维反投影方法为例对本发明实施例CT扫描图像重建方法进行了详细描述，需要说明的是，本发明实施例并不仅适用于只有z方向飞焦点的飞行方式，其他飞焦点方式也同样适用。

由上述描述可见，本发明实施例CT扫描图像重建方法，将z轴方向飞焦点插值结合到图像重建的反投影过程中，使得飞焦点插值和反投影处理一次性完成，即对每个选定的目标像素点，根据各焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置，从而减少了实际插值宽度，避免了现有技术中两步插值对z轴方向分辨率的影响

相应地，本发明实施例还提供了一种CT扫描图像重建装置，如图7所示，是该装置的一种结构示意图。

在该实施例中，所述装置包括：数据重组单元701，通道位置计算单元702，层位置计算单元703，和累加单元704。其中：

数据重组单元701将扫描数据重组至反投影要求的数据格式；通道位置计算单元702对每个选定的目标像素点，计算投影穿过所述目标像素点的通道位置；层位置计算单元703对每个选定的目标像素点，根据各类型焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置；累加单元704将得到的所述投影穿过所述目标像素点的通道位置和层位置加权累加到所述目标像素点上。

在该实施例中，所述数据重组单元701可以将扫描数据重组至单层数据，或者将扫描数据重组至多层数据。

所述层位置计算单元703包括：第一计算子单元731和插值处理子单元732。其中：

所述第一计算子单元731分别计算各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置；所述插值处理子单元732将得到的各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置进行插值处理，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

所述插值处理子单元732包括：插值点确定子单元和加权子单元，还可进一步包括：权值设定子单元。其中：

所述插值点确定子单元对各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置向下取整得到对应该焦点的第一个插值点，并将所述第一个插值点加1得到对应该焦点的第二个插值点；加权子单元对各焦点的所有插值点进行加权，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置；权值设定子单元根据对应各焦点的插值点到该焦点的射线的实际整数层的距离设定所述插值点进行加权的权值。

利用插值处理子单元732将第一计算子单元731得到的各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置进行插值处理的详细过程可参照前面本发明实施例CT扫描图像重建方法中的描述，在此不再详细描述。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种CT扫描图像重建方法，其特征在于，包括：

将扫描数据重组至反投影要求的数据格式；

对每个选定的目标像素点，计算投影穿过所述目标像素点的通道位置；

对每个选定的目标像素点，根据各类型焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置；

将得到的所述投影穿过所述目标像素点的通道位置和层位置加权累加到所述目标像素点上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将扫描数据重组至反投影要求的数据格式包括：

将扫描数据重组至单层数据；或者

将扫描数据重组至多层数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各类型焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置包括：

分别计算各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置；

将得到的各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置进行插值处理，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将得到的各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置进行插值处理，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置包括：

对各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置向下取整得到对应该焦点的第一个插值点，并将所述第一个插值点加1得到对应该焦点的第二个插值点；

对各焦点的所有插值点进行加权，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据对应各焦点的插值点到该焦点的射线的实际整数层的距离设定所述插值点进行加权的权值。

6.一种CT扫描图像重建装置，其特征在于，包括：

数据重组单元，用于将扫描数据重组至反投影要求的数据格式；

通道位置计算单元，用于对每个选定的目标像素点，计算投影穿过所述目标像素点的通道位置；

层位置计算单元，用于对每个选定的目标像素点，根据各类型焦点的射线在z轴位置的采样点确定所述投影穿过所述目标像素点的层位置；

累加单元，用于将得到的所述投影穿过所述目标像素点的通道位置和层位置加权累加到所述目标像素点上。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述数据重组单元，具体用于将扫描数据重组至单层数据；或者将扫描数据重组至多层数据。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述层位置计算单元包括：

第一计算子单元，用于分别计算各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置；

插值处理子单元，用于将得到的各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置进行插值处理，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述插值处理子单元包括：

插值点确定子单元，对各焦点的射线穿过所述目标像素点的理论层位置向下取整得到对应该焦点的第一个插值点，并将所述第一个插值点加1得到对应该焦点的第二个插值点；

加权子单元，用于对各焦点的所有插值点进行加权，得到所述投影穿过所述目标像素点的层位置。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述插值处理子单元还包括：

权值设定子单元，用于根据对应各焦点的插值点到该焦点的射线的实际整数层的距离设定所述插值点进行加权的权值。

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