CN109223016B - Ct成像方法及成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种CT成像方法，包括如下步骤：S1，利用X射线对成像物进行扫描，获取初始投影数据，初始投影数据包括至少一个成像几何参数的数据；S2，对至少一个成像几何参数进行参数采样后进行模拟CT投影，以获取一系列投影数据；S3，在一系列投影数据中寻找与初始投影数据最接近的两个投影数据；S4，通过差值算法计算获得至少一个成像几何参数的更新值；S5，基于更新值，进行图像重建，获得成像物的CT断层图像；S6，评价CT断层图像是否符合要求；若符合，输出结果；若不符合，回到步骤S2重复执行直至获得符合要求的CT断层图像。如此操作，不再要求射线源与探测器之间为相对位置固定不变，实现了灵活的CT扫描、提高CT扫描的适用范围。

Description

CT成像方法及成像设备

技术领域

本发明涉及CT成像技术领域，尤其涉及CT成像方法及成像设备。

背景技术

目前，X射线成像广泛应用于医疗领域，例如：DR设备和CT设备。DR设备和CT设备一般主要包括三部分，分别为机架、射线源和探测器。其中射线源发射X射线、探测器采集X射线信号进行成像，机架结构固定射线源和探测器。

DR设备和CT设备的成像模式为将患者固定在射线源和探测器中间，射线源发射X射线，探测器接收穿过患者的X射线信号并进行成像。DR是二维投影成像；CT扫描的基本过程是X射线源和探测器相对位置固定，且围绕物体转一周，并进行X射线发射和投影数据采集。传统的CT图像重建是基于采集到的投影数据，对每一张投影使用滤波反投影操作重构出三维结构。

对于传统的基于已知模型的CT扫描几何校准技术：该技术已经普遍应用于现有CT成像设备中，即通过已知模型，例如钢珠模型，在设备出厂前和设备定期维护过程中进行CT成像几何的校准。其主要原理是通过特定模型在CT扫描过程中呈现的轨迹反推出CT成像几何以进行三维图像重建。

为保证成像质量，传统X射线CT成像设备的射线源和探测器通常为固定式的，在CT扫描过程中静止，或者固定在一个公共的机架上，保证相对位置不变。现有的医疗X射线成像设备多为固定式成像，即需要患者采取固定的姿势，或站立、或平躺。如果一次扫描完成后，需要变换扫描位置，通常需要操作人员重新进行摆位；扫描过程中，患者只能适应扫描设备的成像方式，无法实现灵活的CT扫描，扫描设备无法适应患者的特殊情况，例如轮椅患者等。

有鉴于此，有必要设计改进的CT成像方法及成像设备，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现灵活的CT扫描、提高CT扫描的适用范围的CT成像方法及成像设备。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种CT成像方法，包括如下步骤：

S1，利用X射线对成像物进行扫描，获取初始投影数据，所述初始投影数据包括至少一个成像几何参数的数据；

S2，对所述至少一个成像几何参数进行参数采样并逐次进行模拟CT投影，以获取对应的一系列模拟CT投影数据；

S3，在所述一系列模拟CT投影数据中寻找到与所述初始投影数据最接近的两个模拟CT投影数据；

S4，通过差值算法计算获得所述至少一个成像几何参数的更新值；

S5，基于所述至少一个成像几何参数的更新值，进行图像重建，获得所述成像物的CT断层图像；

S6，评价所述CT断层图像，若符合要求，则输出结果；若不符合要求，则返回至步骤S2重新执行。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，在所述初始投影数据与所述一系列模拟CT投影数据的相同位置处分别提取一段截取的初始投影数据与一系列截取的模拟CT投影数据，在所述一系列截取的模拟CT投影数据中寻找与所述截取的初始投影数据最接近的两个模拟CT投影数据。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，在高维空间中，所述初始投影数据对应一个实际位置点，所述一系列模拟CT投影数据对应有一系列模拟数据点，将高维空间的所述实际位置点与所述一系列模拟数据点降维到二维空间，以获得所述实际位置点的投影点以及一系列模拟数据点对应的一系列投影点，在所述一系列投影点中找到与所述实际位置点的投影点最接近的两个投影点，所述两个投影点对应的投影数据即为所述最接近的两个投影数据。

作为本发明的进一步改进，基于所述两个投影点对应的参数采样是已知的，根据差值算法获得所述至少一个成像几何参数的更新值。

作为本发明的进一步改进，所述实际位置点的投影点与所述一系列模拟数据点对应的一系列投影点在二维空间上形成连续曲线。

作为本发明的进一步改进，该CT成像方法用于CT成像设备的图像重建，所述CT成像设备包括X射线源和探测器，所述至少一个成像几何参数可为所述X射线源的旋转角度、所述X射线源与旋转中心之间的距离、所述探测器与旋转中心之间的距离、所述探测器在水平方向上的偏移、所述探测器在垂直方向上的偏移、所述X射线源在水平方向上的偏移、所述X射线源在垂直方向上的偏移、所述探测器在探测器所在平面内的旋转角度、所述探测器相对于水平面的旋转角度以及所述探测器相对于垂直平面的旋转角度。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种成像设备，包括：数据采集***和图像重建***；

所述数据采集***包括：

X射线发生装置，用于发射X射线，其包括第一机械手臂和设置于所述第一机械手臂上的X射线源；

信号接收装置，用于接收X射线，其包括第二机械手臂和设置于所述第二机械手臂上的探测器；其中

所述数据采集***用于采集X射线扫描成像物获取的初始投影数据，所述初始投影数据包括至少一个成像几何参数数据；

所述图像重建***包括：

模拟扫描模块，用于选取所述至少一个成像几何参数中的任意一个作为变化参数；将所述至少一个成像几何参数进行参数取样后逐次进行模拟CT投影，以获取对应的一系列模拟CT投影数据；

更新模块，用于在所述一系列模拟CT投影数据中寻找与所述初始投影数据最接近的两个模拟CT投影数据，基于所述初始投影数据与所述一系列模拟CT投影数据之间的相关性，通过差值算法计算获得所述至少一个成像几何参数的更新值；以及

重建模块，用于基于所述至少一个成像几何参数的更新值，进行图像重建，获得所述成像物的输出结果。

作为本发明的进一步改进，所述更新模块还用于，在所述初始投影数据与所述一系列模拟CT投影数据的相同位置处分别提取一段截取的初始投影数据与一系列截取的模拟CT投影数据，在所述一系列截取的模拟CT投影数据中寻找与所述截取的初始投影数据最接近的两个模拟CT投影数据。

作为本发明的进一步改进，在高维空间中，所述初始投影数据对应一个实际位置点，所述模拟CT投影获取的一系列模拟CT投影数据对应有一系列模拟数据点；所述更新模块还用于将高维空间的所述实际位置点与所述一系列模拟数据点降维到二维空间，以获得所述实际位置点的投影点以及一系列模拟数据点对应的一系列投影点，在所述一系列投影点中找到与所述实际位置点的投影点最接近的两个投影点，所述两个投影点对应的投影数据即为所述最接近的两个模拟CT投影数据。

作为本发明的进一步改进，所述更新模块还用于，基于所述两个投影点对应的参数采样是已知的，根据差值算法获得所述变化参数的更新值。

本发明的有益效果是：本发明的CT成像方法和成像设备利用X射线对成像物进行扫描，获取包括至少一个成像几何参数数据的初始投影数据，对至少一个成像几何参数进行参数取样后逐次进行模拟CT投影，以获取对应的一系列模拟CT投影数据；基于初始投影数据与一系列模拟CT投影数据之间的相关性，更新至少一个成像几何参数的数值为更新值，以至少一个成像几何参数的更新值进行图像重建，获得成像物的CT断层图像。如此操作，不再要求射线源与探测器之间为相对位置固定不变，实现了灵活的CT扫描、提高CT扫描的适用范围。

附图说明

图1为本发明的CT成像方法的流程示意图。

图2为本发明的CT成像方法的一种实施方式的流程示意图。

图3为本发明成像设备的结构示意图。

图4为图3中图像重建***的结构示意图。

图5为图3中X射线发生装置与信号接收装置的结构示意图。

图6为单一参数进行模拟投影后降维到二维平面的轨迹的片段示意图。

图7为两个参数进行模拟投影后降维到二维平面的轨迹的片段示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

请参阅图1至图7所示，本发明提供了一种CT成像方法，用于CT成像设备100的图像重建，CT成像设备100包括X射线源12和探测器22，CT成像方法包括如下步骤：

S1，利用X射线对成像物进行扫描，获取初始投影数据，初始投影数据包括至少一个成像几何参数的数据；

S2，对至少一个成像几何参数进行参数取样并逐次进行模拟CT投影，以获取对应的一系列模拟CT投影数据；

S3，在一系列模拟CT投影数据中寻找到与初始投影数据最接近的两个模拟CT投影数据；

S4，通过差值算法计算获得至少一个成像几何参数的更新值；

S5，基于至少一个成像几何参数的更新值，进行图像重建，获得成像物的CT断层图像；

S6，评价CT断层图像，若符合要求，则输出结果；若不符合要求，则返回至步骤S2重新执行。

在步骤S1中，基于初始投影数据进行图像重建，得到相应的CT断层图像。

在步骤S2中，模拟CT投影获取了一系列模拟CT投影数据。

在步骤S3中包括如下处理步骤：在初始投影数据与一系列模拟CT投影数据的相同位置处分别提取一段数据以获得一段截取的初始投影数据与一系列截取的模拟CT投影数据；在一系列截取的模拟CT投影数据中寻找与初始投影截取数据最相近的两个模拟CT投影数据。现有的探测器CT扫描和重建中，通常需要同时重建出多个断层CT图像，即输出三维体数据图像。而如果对整个三维体数据进行投影，计算量必然大，处理过程耗时久；相较于传统的处理方式，本发明中，可仅提取一段截取的投影数据进行比较，即仅提取了传统三维体数据中的一部分投影层，如此操作，在密集模拟CT投影中减少了需要处理的数据量，加快了处理过程，提高了***工作效率。

在步骤S3中，最接近的两个投影数据是通过降维处理获得，降维处理的具体过程如下：在高维空间中，初始投影数据对应在高维空间中的一个实际位置点；一系列模拟CT投影数据对应有一系列模拟数据点；将高维空间的实际位置点与一系列模拟数据点降维到二维空间，以获得实际位置点的投影点以及一系列模拟数据点对应的一系列投影点；在一系列投影点中找到与实际位置点的投影点最接近的两个投影点，两个投影点对应的模拟CT投影数据即为最接近的两个模拟CT投影数据。

在步骤S4中，基于两个投影点对应的参数采样是已知的，根据差值算法获得实际位置点对应的至少一个成像几何参数的更新值。

其中，至少一个成像几何参数可为X射线源的旋转角度θ、X射线源与旋转中心之间的距离SOD、探测器与旋转中心之间的距离ODD、探测器在水平方向上的偏移、探测器在垂直方向上的偏移、X射线源在水平方向上的偏移、X射线源在垂直方向上的偏移、探测器在探测器所在平面内的旋转角度、探测器相对于水平面的旋转角度以及探测器相对于垂直平面的旋转角度。

在实际操作中，操作者可以在上述十个成像几何参数中任意选择一个、多个或者所有的参数进行更新，以获取CT断层图像。成像几何参数数量的选择在此不予限制。

需要对多个参数进行更新时，可采用如下步骤：请参阅图2所示，首先，利用X射线对成像物进行扫描，获取初始投影数据，初始投影数据包括上述十个成像几何参数的数据；按照初始投影数据进行CT图像重建；然后，对参数1、参数2、参数2、参数4……分别进行参数取样后逐次进行模拟CT投影，获取对应的一系列模拟CT投影数据；其中，参数即可为上述十个成像几何参数。根据差值算法计算获得成像几何参数对应的更新值(参数1的更新值、参数2的更新值、参数3的更新值、参数4的更新值……)；基于更新值，进行图像重建，获得成像物的CT断层图像；评价CT断层图像，若符合要求，则输出结果；若不符合要求，则再次进行参数更新，不断迭代更新，直至获得符合要求的CT断层图像后输出该CT断层图像。每个参数的更新方法大致相同，在此不再赘述。需要说明的是，操作者也可以直接设置迭代次数来控制参数的更新次数。

基于CT扫描的数据采集轨迹是连续的，那么采集到的投影数据也具有连续性，即数据之间具有相关性。可知，实际位置点的投影点与一系列模拟数据点的一系列投影点在二维空间上会形成连续的曲线。例如，图6为对X射线源的旋转角度θ进行密集模拟投影获得的单一参数轨迹，图7为同时基于X射线源的旋转角度θ与探测器在水平方向上的偏移x₀进行密集模拟投影获得的两个参数的轨迹。需要说明的是：图7中的两条轨迹线处于三维空间中，并没有相交；还需要说明的是，图6与图7仅展示了连续的曲线的部分片段。

本发明还提供了一种成像设备100，包括：进行数据采集的数据采集***10和基于数据采集***10采集的数据进行CT图像重建的图像重建***20；

数据采集***10包括：

X射线发生装置1，用于发射X射线，其包括第一机械手臂11和设置于第一机械手臂上的X射线源12；

信号接收装置2，用于接收X射线源发出的X射线，其包括第二机械手臂21和设置于第二机械手臂21上的探测器22；其中

数据采集***10用于采集X射线扫描成像物获取的初始投影数据，初始投影数据包括至少一个成像几何参数数据。

图像重建***40包括模拟扫描模块41、与模拟扫描模块41信号连接的更新模块42以及与更新模块42信号连接的重建模块43。

模拟扫描模块41，用于选取至少一个成像几何参数中的任意一个作为变化参数；将至少一个成像几何参数进行参数取样后逐次进行模拟CT投影，以获取对应的一系列模拟CT投影数据。

更新模块42，用于在所述初始投影数据与所述一系列模拟CT投影数据的相同位置处分别提取一段截取的初始投影数据与一系列截取的模拟CT投影数据，并在所述一系列截取的模拟CT投影数据中寻找与所述截取的初始投影数据最接近的两个模拟CT投影数据。

在高维空间中，初始投影数据对应一个实际位置点，模拟CT投影获取的一系列模拟CT投影数据对应有一系列模拟数据点；更新模块42还用于将高维空间的实际位置点与一系列模拟数据点降维到二维空间，以获得实际位置点的投影点以及一系列模拟数据点对应的一系列投影点，在一系列投影点中找到与实际位置点的投影点最接近的两个投影点，两个投影点对应的投影数据即为最接近的两个投影数据。基于两个投影点对应的参数采样的取值是已知的，根据差值算法获得变化参数(任意一个成像几何参数)的更新值。即，更新模块42基于初始投影数据与一系列投影数据之间的相关性，更新变化参数在初始投影数据中的数值，定义其为更新值，更新至少一个成像几何参数的数据为更新值，更新值形成成像物的新的投影数据。

重建模块43，用于基于新的投影数据，进行图像重建，获得成像物的CT断层图像。

请参图5所示，X射线发生装置1还包括与第一机械手臂11连接的可移动基座13；信号接收装置2还包括与第二机械手臂21连接的可移动基座23。特别地，第一机械手臂11和第二机械手臂21中的至少一个为具有4至8个六自由度的机械手臂，即，第一机械手臂11和第二机械手臂21中的至少一个具有4至8个独立驱动关节的机械手臂。机械手臂的操作灵活性好，可以灵活地驱动X射线源12或探测器22至预定位置或按预先设定的运动轨迹移动(即扫描轨迹)。当然，可移动基座13和可移动基座23还可以与对应的第一机械手臂11和第二机械手臂21配合移动，以实现更大范围的空间移动。如此设置，使得X射线源12相对于探测器22的距离可以根据操作需要随时调整，大大提高了成像设备100的使用灵活性，提高了成像设备100的适用范围。需要说明的是，也可以仅在X射线发生装置1上设置可移动基座13或者仅在信号接收装置2上设置可移动基座23，仅需保证二者之间的相对位置可以根据使用需要灵活改变即可。

综上所述，本发明的CT成像方法和成像设备100利用X射线对成像物进行扫描，获取包括至少一个成像几何参数数据的初始投影数据，对至少一个成像几何参数进行参数采样后逐次进行模拟CT投影，以获取对应的一系列投影数据；基于初始投影数据与一系列投影数据之间的相关性，更新至少一个成像几何参数的数值为更新值，以至少一个成像几何参数的更新值形成的成像物的新的投影数据为成像几何参数数据进行图像重建，获得成像物的CT断层图像。如此操作，不再要求射线源与探测器之间为相对位置固定不变，实现了灵活的CT扫描、提高CT扫描的适用范围，即，基于密集投影点之间的相关性获取准确的成像几何参数的数据进行CT三维图像重建。如此操作，不再要求射线源与探测器之间相对位置固定不变，实现了灵活的CT扫描、提高CT扫描的适用范围。

以上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，可以对本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。

Claims (9)

1.一种CT成像方法，用于CT成像设备的图像重建，所述CT成像设备包括X射线源和探测器，其特征在于：所述CT成像方法包括如下步骤：

S1，利用X射线对成像物进行扫描，获取初始投影数据，所述初始投影数据包括至少一个成像几何参数的数据；所述至少一个成像几何参数可为所述X射线源的旋转角度、所述X射线源与旋转中心之间的距离、所述探测器与旋转中心之间的距离、所述探测器在水平方向上的偏移、所述探测器在垂直方向上的偏移、所述X射线源在水平方向上的偏移、所述X射线源在垂直方向上的偏移、所述探测器在探测器所在平面内的旋转角度、所述探测器相对于水平面的旋转角度以及所述探测器相对于垂直平面的旋转角度；

S2，对所述至少一个成像几何参数进行参数采样并逐次进行模拟CT投影，以获取对应的一系列模拟CT投影数据；

S3，在所述一系列模拟CT投影数据中寻找到与所述初始投影数据最接近的两个模拟CT投影数据；

S4，通过差值算法计算获得所述至少一个成像几何参数的更新值；

S5，基于所述至少一个成像几何参数的更新值，进行图像重建，获得所述成像物的CT断层图像；

S6，评价所述CT断层图像，若符合要求，则输出结果；若不符合要求，则返回至步骤S2重新执行。

2.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于：在步骤S3中，在所述初始投影数据与所述一系列模拟CT投影数据的相同位置处分别提取一段截取的初始投影数据与一系列截取的模拟CT投影数据，在所述一系列截取的模拟CT投影数据中寻找与所述截取的初始投影数据最接近的两个模拟CT投影数据。

3.根据权利要求1所述的CT成像方法，其特征在于：在步骤S3中，在高维空间中，所述初始投影数据对应一个实际位置点，所述一系列模拟CT投影数据对应有一系列模拟数据点，将高维空间的所述实际位置点与所述一系列模拟数据点降维到二维空间，以获得所述实际位置点的投影点以及一系列模拟数据点对应的一系列投影点，在所述一系列投影点中找到与所述实际位置点的投影点最接近的两个投影点，所述两个投影点对应的投影数据即为所述最接近的两个投影数据。

4.根据权利要求3所述的CT成像方法，其特征在于，所述步骤S4具体如下：基于所述两个投影点对应的参数采样是已知的，根据差值算法获得所述至少一个成像几何参数的更新值。

5.根据权利要求3所述的CT成像方法，其特征在于：所述实际位置点的投影点与所述一系列模拟数据点对应的一系列投影点在二维空间上形成连续曲线。

6.一种成像设备，其特征在于，包括：数据采集***和图像重建***；所述数据采集***包括：X射线发生装置，用于发射X射线，其包括第一机械手臂和设置于所述第一机械手臂上的X射线源；信号接收装置，用于接收X射线，其包括第二机械手臂和设置于所述第二机械手臂上的探测器；其中所述数据采集***用于采集X射线扫描成像物获取的初始投影数据，所述初始投影数据包括至少一个成像几何参数数据；所述至少一个成像几何参数可为所述X射线源的旋转角度、所述X射线源与旋转中心之间的距离、所述探测器与旋转中心之间的距离、所述探测器在水平方向上的偏移、所述探测器在垂直方向上的偏移、所述X射线源在水平方向上的偏移、所述X射线源在垂直方向上的偏移、所述探测器在探测器所在平面内的旋转角度、所述探测器相对于水平面的旋转角度以及所述探测器相对于垂直平面的旋转角度；所述图像重建***包括：模拟扫描模块，用于选取所述至少一个成像几何参数中的任意一个作为变化参数；将所述至少一个成像几何参数进行参数取样后逐次进行模拟CT投影，以获取对应的一系列模拟CT投影数据；更新模块，用于在所述一系列模拟CT投影数据中寻找与所述初始投影数据最接近的两个模拟CT投影数据，基于所述初始投影数据与所述一系列模拟CT投影数据之间的相关性，通过差值算法计算获得所述至少一个成像几何参数的更新值；以及重建模块，用于基于所述至少一个成像几何参数的更新值，进行图像重建，获得所述成像物的输出结果。

7.根据权利要求6所述的成像设备，其特征在于：所述更新模块还用于，在所述初始投影数据与所述一系列模拟CT投影数据的相同位置处分别提取一段截取的初始投影数据与一系列截取的模拟CT投影数据，在所述一系列截取的模拟CT投影数据中寻找与所述截取的初始投影数据最接近的两个模拟CT投影数据。

8.根据权利要求6所述的成像设备，其特征在于：在高维空间中，所述初始投影数据对应一个实际位置点，所述模拟CT投影获取的一系列模拟CT投影数据对应有一系列模拟数据点；所述更新模块还用于将高维空间的所述实际位置点与所述一系列模拟数据点降维到二维空间，以获得所述实际位置点的投影点以及一系列模拟数据点对应的一系列投影点，在所述一系列投影点中找到与所述实际位置点的投影点最接近的两个投影点，所述两个投影点对应的投影数据即为所述最接近的两个模拟CT投影数据。

9.根据权利要求8所述的成像设备，其特征在于：所述更新模块还用于，基于所述两个投影点对应的参数采样是已知的，根据差值算法获得所述变化参数的更新值。

Images