CN109620273A - 一种实时计算短扫描权重的快速cbct重建算法 - Google Patents

一种实时计算短扫描权重的快速cbct重建算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数，克服在开始重建之前加载所有采集图像和投影信息并计算所有采集图像的Parker权重所造成的耗时和角度不一致问题，达到快速完成CBCT短扫描重建的目的。本发明针对短扫描情况下的CBCT图像重建，通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数，克服在开始重建之前加载所有采集图像和投影信息并计算所有采集图像的Parker权重所造成的耗时和角度不一致问题。本发明提出一种实时快速的CBCT短扫描重建方法。

Description

一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法
技术领域
本发明涉及一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，属于医学图像数据处理技术领域。
背景技术
CBCT(Cone-Beam Computed Tomography)图像引导***主要用于辅助引导质子肿瘤治疗，通过与计划CT图像进行配准获取患者摆位误差。因此在临床实际应用中需要对患者扫描数据快速地进行三维重建。
现有的CBCT三维重建算法主要以FDK为主，在RTK开源库中对这部分进行了很好的封装，针对短扫描重建，其提供的重建基本流程是先一次性加载所有患者扫描数据(X射线二维投影图像)和对应的投影信息，根据患者扫描数据的所有几何投影信息计算参与重建二维投影图像的Parker权重系数，然后再将Parker权重系数作用到每一帧患者扫描数据，最后利用FDK算法进行三维重建。因此，在临床应用中，待所有扫描数据采集完成后再进行重建的思路无法满足快速实时地应用需求。在Parker的基础上，有研究者对其进行了扩展，提出在多个射线源条件下推算短扫描权重系数，可以实现对单帧图像的计算，但由于算法本身存在的问题，导致重建结果出现一些伪影，影响成像质量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，其提供了一种快速短扫描重建方法。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：对短扫描情况下的CBCT图像重建，通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数，克服在开始重建之前加载所有采集图像和投影信息并计算所有采集图像的Parker权重所造成的耗时和角度不一致问题，达到快速完成CBCT短扫描重建的目的。
一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，该算法包括下述步骤：
步骤一：对短扫描情况下的CBCT图像重建；
步骤二：通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数；
步骤三：克服在开始重建之前加载所有采集图像和投影信息并计算所有采集图像的Parker权重所造成的耗时和角度不一致问题，达到快速完成CBCT短扫描重建的目的。
进一步地，所述步骤二中通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数的过程包括以下步骤：
1)CBCT平板探测器在患者扫描过程中实时的向工作站发送平板探测器所采集的X射线二维投影图像的缓存数据；
2)在开始短扫描重建之前，根据预设的参与重建的X射线二维投影图像的总帧数，计算患者扫描起始和终止角度的弧度值；
3)在进行短扫描重建的过程中，实时的获取当前载入图像的曝光角度值；
4)根据Parker权重的计算公式，结合扫描起始和终止角度、实时曝光角度以及当前载入的X射线二维投影图像，计算Parker权重并应用于二维投影图像；
进一步地，所述步骤2)中，一次CBCT采集任务中，所要采集的总帧数、扫描起始角度和终止角度是由用户提前设置的，因此采集总帧数是已知的。
进一步地，所述步骤3)中，CBCT患者扫描过程中，用户设置的曝光间隔通常与实际曝光角度不一致，因此在现有方法中，其做法是在获取所有的几何投影信息和图像数据后，一次性的计算所有X射线二维投影图像的Parker权重系数。
进一步地，所述步骤4)中，将Parker权重应用于二维投影数据是对应点的乘积操作，计算生成的Parker权重是一张与二维投影图像大小一致的图像，二者具有相同的位置坐标，Parker权重系数纠正二维投影图像的过程就是乘积过程。
进一步地，所述Parker权重的计算过程包含为以下步骤：
1)根据采集总帧数N，采集起始角度预设值为preStartAngle，计算扫描起始角度startAngle和终止角度endAngle；
startAngle＝(360.-N*preStartAngle)*π/180.
endAngle＝(360.-preStartAngle)*π/180.
if endAngle＜startAngle endAngle+＝2*π；
2)计算扇形束角Δ；
Δ＝0.5*(endAngle-startAngle-π)
Δ＝Δ-2π*floor(Δ/2π)
floor(x)表示取不大于x的最大整数，将Δ值限定在[-2π，2π]之间。
3)计算实时载入图像数据所对应的X射线源角度位置β，当前帧数的索引值为I，阈值范围在[0，N-1]之间；
β＝(360.-(I+1)*preStartAngle)*π/180.-startAngle；
ifβ＜0β+＝2π；
4)计算Parker权重，二维投影数据每个位置点所对应的平板探测器的角度位置为α；
其中Wi为Parker权重。
进一步地，Parker短扫描权重即Parker权重作用于二维投影数据Proj的公式为：
Proj′i＝Proji*wi，i∈[0，N-1]。
本发明的有益效果如下：
本发明针对短扫描情况下的CBCT图像重建，通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数，克服在开始重建之前加载所有采集图像和投影信息并计算所有采集图像的Parker权重所造成的耗时和角度不一致问题。本发明提出一种实时快速的CBCT短扫描重建方法。
附图说明
图1-a是本发明实时快速CBCT短扫描重建的一种方法流程图；
图2-a是本发明实时案例平板探测器所采集的一帧二维投影图像；
图3-a是本发明计算Parker权重的依据，表明X射线源与平板探测器阵列的位置关系；
图4-a是本发明计算的Parker权重图像，该图为三维图像，每一层对应于每一帧二维投影图像；
图5-a是本发明在计算Parker权重时，采用基于多个射线源条件下推算短扫描权重系数的方法所重建的结果，该图中为CTP528模块切面图，存在不同程度的伪影；
图5-b是本发明在计算Parker权重时，采用基于多个射线源条件下推算短扫描权重系数的方法所重建的结果，该图中为CTP401模块切面图，存在不同程度的伪影；
图6-a是本发明的CBCT短扫描重建结果，该图中为CTP528模块切面图；
图6-b是本发明的CBCT短扫描重建结果，该图中为CTP401模块切面图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了实施例用来实现本发明的结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
如图1-a所示，本发明的一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，它对短扫描情况下的CBCT图像重建，通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数，克服在开始重建之前加载所有采集图像和投影信息并计算所有采集图像的Parker权重所造成的耗时和角度不一致问题，实现实时快速地短扫描重建。
下面以一次对患者进行扫描开始至CBCT三维图像重建完成为实施案例，患者以CatPhan500性能测试体膜来代替，结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。
通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数的过程包括以下步骤：
1)CBCT平板探测器在患者扫描过程中实时的向工作站发送平板探测器所采集的X射线二维投影图像的缓存数据；
2)在开始短扫描重建之前，预设的参与重建的X射线二维投影图像的总帧数为400帧，患者扫描开始角度在0.5°位置上，估算终止角度位置为200°，计算患者扫描起始和终止角度的弧度值；
3)在进行短扫描重建的过程中，实时地获取当前载入图像的曝光角度值，预设的曝光间隔为0.5°，实际曝光间隔在0.5°左右不等；
4)根据Parker权重的计算公式，结合扫描起始和终止角度、实时曝光角度以及当前载入的X射线二维投影图像，计算Parker权重并应用于二维投影图像；
Parker短扫描权重的计算过程包含为以下步骤：
1)根据采集总帧数N，采集起始角度预设值为preStartAngle，计算扫描起始角度startAngle和终止角度endAngle；
startAngle＝(360.-N*preStartAngle)*π/180.
endAngle＝(360.-preStartAngle)*π/180.
if endAngle<startAngle endAngle+＝2*π
2)计算扇形束角Δ；
Δ＝0.5*(endAngle-startAngle-π)
Δ＝Δ-2π*floor(Δ/2π)
floor(x)表示取不大于x的最大整数，将Δ值限定在[-2π，2π]之间。
3)计算实时载入图像数据所对应的X射线源角度位置β，当前帧数的索引值为I，阈值范围在[0，N-1]之间；
β＝(360.-(I+1)*preStartAngle)*π/180.-startAngle
ifβ<0β+＝2π
4)计算Parker权重,二维投影数据的大小均为1440×1440，二维投影数据每个位置点所对应的平板探测器的角度位置为α。
在步骤4)中，其特征是，Parker短扫描权重作用于二维投影数据Proj的公式为：
Proj′i＝Proji*wi，i∈[0，N-1]
经过Parker权重纠正的二维投影数据导入FDK重建算法中进行短扫描重建，待采集结束、重建完成后终止。本次案例中一帧图像的采集时间为0.067s，图像大小为1440×1440，单帧图像内存为3.95MB，采集400帧所需时间为26.8s，本次案例从患者扫描开始计时，至重建完成后结束，总时间为31.15s，即在患者扫描完成后，0至5s之内，三维图像重建完成，满足临床需求，达到快速CBCT短扫描重建的目的。
本发明针对短扫描情况下的CBCT图像重建，通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数，克服在开始重建之前加载所有采集图像和投影信息并计算所有采集图像的Parker权重所造成的耗时和角度不一致问题。本发明提出一种实时快速的CBCT短扫描重建方法。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，其特征在于，该算法包括下述步骤：
步骤一：对短扫描情况下的CBCT图像重建；
步骤二：通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数；
步骤三：克服在开始重建之前加载所有采集图像和投影信息并计算所有采集图像的Parker权重所造成的耗时和角度不一致问题，达到快速完成CBCT短扫描重建的目的。
2.根据权利要求1所述的一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，其特征在于，所述步骤二中通过实时计算当前采集的二维X射线投影图像的Parker权重系数的过程包括以下步骤：
1)CBCT平板探测器在患者扫描过程中实时的向工作站发送平板探测器所采集的X射线二维投影图像的缓存数据；
2)在开始短扫描重建之前，根据预设的参与重建的X射线二维投影图像的总帧数，计算患者扫描起始和终止角度的弧度值；
3)在进行短扫描重建的过程中，实时的获取当前载入图像的曝光角度值；
4)根据Parker权重的计算公式，结合扫描起始和终止角度、实时曝光角度以及当前载入的X射线二维投影图像，计算Parker权重并应用于二维投影图像。
3.根据权利要求2所述的一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，其特征在于，所述步骤2)中，一次CBCT采集任务中，所要采集的总帧数、扫描起始角度和终止角度是由用户提前设置的，因此采集总帧数是已知的。
4.根据权利要求2所述的一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，其特征在于，所述步骤3)中，CBCT患者扫描过程中，用户设置的曝光间隔通常与实际曝光角度不一致，因此在现有方法中，其做法是在获取所有的几何投影信息和图像数据后，一次性的计算所有X射线二维投影图像的Parker权重系数。
5.根据权利要求2所述的一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，其特征在于，所述步骤4)中，将Parker权重应用于二维投影数据是对应点的乘积操作，计算生成的Parker权重是一张与二维投影图像大小一致的图像，二者具有相同的位置坐标，Parker权重系数纠正二维投影图像的过程就是乘积过程。
6.根据权利要求2或5所述的一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，其特征在于，所述Parker权重的计算过程包含为以下步骤：
1)根据采集总帧数N，采集起始角度预设值为preStartAngle，计算扫描起始角度startAngle和终止角度endAngle；
startAngle＝(360.-N*preStartAngle)*π/180.
endAngle＝(360.-preStartAngle)*π/180.
if endAngle<startAngle endAngle+＝2*π；
2)计算扇形束角Δ；
Δ＝0.5*(endAngle-startAngle-π)
Δ＝Δ-2π*floor(Δ/2π)
floor(x)表示取不大于x的最大整数，将Δ值限定在[-2π，2π]之间；
3)计算实时载入图像数据所对应的X射线源角度位置β，当前帧数的索引值为I，阈值范围在[0，N-1]之间；
β＝(360.-(I+1)*preStartAndle)*π/180.-startAngle；
if β<0 β+＝2π；
4)计算Parker权重,二维投影数据每个位置点所对应的平板探测器的角度位置为α；
其中Wi为Parker权重。
7.根据权利要求6所述的一种实时计算短扫描权重的快速CBCT重建算法，其特征在于，Parker短扫描权重即Parker权重作用于二维投影数据Pro投的公式为：
Proj′i＝Proji*wi，i∈[0，N-1]。
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