CN111449670A - 一种移动ct***的步进成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动CT***的步进成像方法，包括如下步骤：将整个待扫描区域分成若干个步进扫描区域，CT机从第一个步进扫描区域开始扫描，得到扫描数据，重建得到扫描图像；计算理想步进，步进移动到下一个步进扫描区域并扫描重建得到扫描图像；根据惯性导航单元计算的参考步进和移动前后的两个步进扫描区域的扫描图像，计算估计步进和移动后实际的扫描中心位置；判断扫描区域是否已经覆盖整体待扫描区域；若扫描完成，根据之前计算得到的各个步进扫描区域的扫描图像和估计步进融合成最终的重建体数据。本发明所提方法在无导轨的情况下能够准确估计CT机的扫描中心的运动轨迹，得到更加准确的扫描图像，减少伪影和几何失真。

Description

一种移动CT***的步进成像方法

技术领域

本发明属于医学成像领域，特别涉及一种移动CT***的步进成像方法。

背景技术

CT***是一种能够对患者进行3D扫描，并获得3D图像信息的大型医疗***。但是传统CT***对场地的要求比较严格，必须要有专门的屏蔽室以及相当的场地要求。整个***是固定在地面，所以对使用场景有比较大的限制。尤其是对于手术室，重症监护室(ICU)等场合，传统的固定式的CT不能满足要求。因此，近年来头部专用CT***开始出现，如图1所示，通常采用的是一个可移动的轮式小型CT机架，然后把机架推到患者床边，对头颅进行扫描。传统的固定式CT***采用的是，通过专用的病床平移病人，同时机架不停转动，来实现CT扫描。但是对于专用头部CT***，由于很多情况下针对的是危重患者，患者是不能移动的，而且也没有专用病床。扫描的过程是通过一根特制的导轨，推动整个旋转的机架，以此来实现对患者的扫描。

现有的CT***仅仅需要特制的导轨，扫描范围有限，通常只有10-20cm左右，对于要求更大扫描移动范围的比如四肢的扫描30-50cm，导轨的方法不能使用。而且特制的导轨需要额外的成本，对机械加工的要求也比较高。因此采用没有导轨限制的可移动CT***具有更大的灵活性，但是没有了导轨的提供精确定位，机器的轨迹就很难保证，如图2所示。现有的图像重建技术，基于经典的重建理论，基于圆周扫描或者螺旋扫描。这些重建技术都是针对固定式CT***，因此也就要求专用CT***基于的都是专用的导轨来实现精确的移动，对机械加工的精度，和工艺要求都比较高。如果移动CT***中没有导轨的精确移动，基于传统CT算法会带来严重的伪影和几何失真，如图3所示。如果不对这些运动加以矫正就会带来严重的伪影和几何失真。

发明内容

发明目的：针对现有技术中无导轨移动CT***如何实现精确移动的问题，本发明公开了一种移动CT***的步进成像方法，在无导轨的情况下准确估计CT机的运动轨迹，得到更加准确的扫描图像，减少伪影和几何失真。

技术方案：本发明采用如下技术方案：一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、CT机对患者进行扫描时，根据整体待扫描区域和CT机初始的扫描中心位置确定扫描中心的理想运动轨迹，同时将整体待扫描区域分成若干个步进扫描区域，CT机从第一个步进扫描区域开始扫描，得到第一个步进扫描区域的扫描数据，并根据扫描数据重建得到第一个扫描图像；

步骤B、根据理想运动轨迹和CT机的当前步进扫描区域的扫描中心位置，计算CT机移动到下一个步进扫描区域的理想步进，根据理想步进，将CT机步进移动到下一个步进扫描区域，CT机进行扫描得到下一个步进扫描区域的扫描数据，根据扫描数据，重建得到该步进扫描区域的扫描图像；

步骤C、根据步骤B中CT机的实际步进计算步进参考值即参考步进，根据参考步进、步骤B中CT机移动前后的两个步进扫描区域的扫描图像，计算估计步进，估计步进用于计算CT机移动后的步进扫描区域的实际的扫描中心位置；

步骤D、判断CT机的已扫描区域是否已经覆盖整体待扫描区域，如果未覆盖整体待扫描区域，进入下一个步进扫描区域，重复步骤B至步骤C继续进行步进扫描；如果已经覆盖整体待扫描区域，转到步骤E；

步骤E、根据之前计算得到的各个步进扫描区域的扫描图像和估计步进融合成最终的整体重建体数据。

优选的，相邻的步进扫描区域有重叠。

优选的，CT机的步进移动通过驱动轮实现。

优选的，所述步骤C中，利用贝叶斯理论计算估计步进(L_k，Δθ_k)的方法如下：

其中，Bel是估计步进的贝叶斯估计，L_k和Δθ_k分别为估计步进长度和估计步进角度；

是CT机移动前的步进扫描区域的扫描中心位置，Δθ_k-1是移动前的步进扫描区域的估计步进角度；

和

分别是计算的参考步进长度和参考步进角度；vol_k和vol_k-1分别是CT机移动前后的两个步进扫描区域的扫描图像；β和γ是常数；σ_θ是驱动轮的角度公差，σ_l是驱动轮的距离公差；σ_v是噪声参数。

优选的，所述常数β和γ取1，噪声参数σ_v取10。

优选的，所述步骤A中，若CT机在二维平面上移动，CT机的理想步进

满足：

其中，

和

分别为理想步进长度和理想步进角度；(x_k-1，y_k-1，θ_k-1)为CT机移动前的步进扫描区域的扫描中心位置，x_k-1和y_k-1为扫描中心的二维平面坐标，θ_k-1为该步进扫描区域与理想运动轨迹所成的倾角；

为CT机移动后的步进扫描区域的理想扫描中心位置，该理想扫描中心位置位于理想运动轨迹上。

优选的，所述CT机每次步进的长度小于单次扫描的宽度。

优选的，所述步骤F中，融合方法如下：

其中，Vol(x，y，z)为融合后的整体重建体数据，vol_k和vol_k(x_k，y_k，z_k)为CT机在第k个步进扫描区域的扫描图像和扫描图像的体数据像素值。

优选的，CT机在每个步进扫描区域采用圆周扫描。

优选的，所述扫描数据通过经典的卷积反投影方法来重建得到三维的扫描图像。

有益效果：本发明具有如下有益效果：

1、本发明所提方法能够在无导轨的情况下准确估计CT机的运动轨迹，得到更加准确的扫描图像，减少伪影和几何失真；

2、本发明所提方法应用于无导轨的CT机的运动轨迹的精确估计，减少了现实生活中CT***扫描的限制，在四肢等无法用带导轨的CT机进行扫描处，可采用无导轨的移动CT***，具有更大的灵活性，不需额外的成本，同时也能保证精确定位。

附图说明

图1为移动CT***的结构示意图，其中图1(a)为侧视图，图1(b)为俯视图；

图2为移动CT机在有无导轨情况下的移动轨迹对比图，其中图2(a)为CT机沿着特制轨道移动，图2(b)为CT机依靠驱动轮移动；

图3为理想图像与移动CT***在无导轨情况下的重建图像的对比图，其中图3(a)为理想图像，图3(b)为移动CT***无导轨情况下基于传统CT算法得到的重建图像；

图4为本发明所提方法中移动CT***步进扫描和图像重建的流程图；

图5为本发明所提方法中移动CT***各个扫描区域之间的相对位置关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明公开了一种移动CT***的步进成像方法，应用于移动CT***中，不依赖导轨进行扫描，而是依靠驱动轮的移动来对CT机进行控制，并在不同的位置对患者进行步进扫描并获得满足临床要求的CT图像。

本发明提出的方法将整体待扫描区域分成若干个步进扫描区域，在每个步进扫描区域使用圆周扫描进行扫描，所有步进扫描完成后，根据惯性导航单元(以下简称IMU)和扫描图像的信息，将所有数据经过整合获得一个整体重建的图像。这里每次步进扫描的移动通常是通过驱动轮来实现。比如，对于CT机在地面移动，这是一个在二维平面上的移动(如果地面不平坦，三维运动也可以利用类似的方法计算)。

在本发明提出的方法中，在一个步进扫描区域的圆周扫描完成以后，利用驱动轮带动CT机进行适当的步进移动(L_k，Δθ_k)，并对下一段区域进行扫描得到扫描图像vol_k，其中L_k为移动的距离即步进长度，Δθ_k为移动的角度即步进角度。两次扫描的区域有部分重叠。由于CT机的移动没有办法精确控制，虽然可以有IMU来估计CT机的移动轨迹，但是这个估计通常都存在比较大的误差，而且误差会随着CT机的移动和时间逐渐累积。因此这里还提出了更精确的估计方法来估计CT机的移动轨迹，结合IMU和扫描图像的信息共同更加精确的估计当前CT机的步进(L_k，Δθ_k)，并根据当前的扫描中心的位置估计和理想的扫描中心的位置差异决定下一次步进扫描的移动方向。

一种移动CT***的步进成像方法，以二维平面的移动为例，如图5所示，理想运动轨迹为CT机初始的扫描中心位置与整体待扫描区域中心之间的直线移动轨迹，建立平面直角坐标系，X轴与理想运动轨迹平行，Y轴与理想运动轨迹垂直，设理想运动轨迹为y＝y₀。

如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤A、CT机对患者进行扫描时，根据整体待扫描区域和CT机的初始的扫描中心位置确定扫描中心的理想运动轨迹，同时将整体待扫描区域分成若干个步进扫描区域，CT机从第一个步进扫描区域开始扫描，得到第一个步进扫描区域的扫描数据，并根据扫描数据重建得到第一个三维的扫描图像。

步骤B、根据当前步进扫描区域的扫描中心位置(x_k-1，y_k-1，θ_k-1)和理想运动轨迹y＝y₀，计算CT机移动到下一个步进扫描区域的理想步进

原则上最终步进长度L小于CT机单次扫描的宽度，比如单次扫描的宽度为2cm，则步进长度可以为L＝1.6cm；

的选择是为了让扫描中心位置能在理想运动轨迹上。

由于理想步进长度与CT机真实的步进长度之间存在一定的误差，因此理想步进长度足够小时，CT机真实的步进长度才能小于扫描宽度，优选理想步进长度为80％的扫描宽度。

CT机的理想步进

满足下面的公式：

其中，

为理想步进长度，

为理想步进角度；(x_k-1，y_k-1，θ_k-1)为当前步进扫描区域的扫描中心位置，x_k-1和y_k-1为扫描中心的二维平面坐标，θ_k-1为该步进扫描区域与理想运动轨迹所成的倾角；

为下一个步进扫描区域的理想扫描中心位置，位于理想运动轨迹上，即y_k应满足y_k＝y₀。

根据理想步进，利用驱动轮将CT机步进移动到下一个步进扫描区域，进行圆周扫描得到扫描数据Prj_k，根据扫描数据Prj_k，通过经典的卷积反投影方法来重建得到三维的扫描图像vol_k，以及扫描图像的体数据像素值vol_k(x，y，z)。

步骤C、IMU根据CT机的实际步进计算步进参考值即参考步进

根据参考步进和CT机移动前后的两个步进扫描区域的扫描图像vol_k-1和vol_k，估计得到更加准确的估计步进(L_k，Δθ_k)，进而得到更加精确的CT机移动后实际的扫描中心位置(x_k，y_k，θ_k)。

参考步进还可以通过驱动轮编码器计算。

基于贝叶斯理论来估计CT机的估计步进：

其中，Bel是运动轨迹的贝叶斯估计，基于的是历史的运动状态信息和重建的图像信息。L_k和Δθ_k分别为估计步进长度和估计步进角度；

是第k-1个步进扫描区域的扫描中心位置，其中

为扫描中心位置的二维向量表示，即

Δθ_k-1是CT机从第k-2个步进扫描区域移动到k-1个步进扫描区域的估计步进角度，通过CT机在第k-1个步进扫描区域之前移动的所有估计步进角度的叠加，可以得到第k-1个步进扫描区域的倾角θ_k-1；vol_k和vol_k-1分别是移动前后两个步进扫描区域的扫描图像。两次图像有部分重叠区域。

β和γ都是常数，可以取1；σ_θ是驱动轮的角度公差，σ_l是驱动轮的距离公差，这些都由具体的器件的出厂性能参数决定。

σ_v是噪声参数，用来控制图像的概率分布，这里可以取10；vol_k(x_a，y_a，z_a)表示移动后的扫描图像的重叠区域中的体数据像素值；vol_k-1(x_b，y_b，z_b)表示移动前的扫描图像中的体数据像素值，其中，若第k-1个扫描图像中的像素点(x_b，y_b，z_b)对应的实际点为A，则经过给定移动后，实际点A在第k个扫描图像中对应的像素点为(x_a，y_a，x_a)。

上述公式是用来表现重叠区域的相对位置的概率分布的一种计算方法，重叠区域在真正的几何变换下，重叠区域在不同的两幅图像中的数据之间的差异会非常小，此时概率最大。概率的分布可以有很多定义方式，这里应用的是常见的高斯分布。

第k个步进扫描区域的更加精确的扫描中心位置(x_k，y_k，θ_k)为

(x_k，y_k，θ_k)＝(x_k-1，y_k-1，θ_k-1)+(L_kcos(θ_k-1+Δθ_k)，L_ksin(θ_k-1+Δθ_k)，Δθ_k)

其中，(x_k-1，y_k-1，θ_k-1)为第k-1个步进扫描区域的扫描中心位置。

步骤D、通过CT机在所有相邻步进扫描区域之间的估计步进，计算CT机当前的总步进，从而判断扫描区域是否已经覆盖整体扫描区域。

如果还有区域未进行扫描，进入下一个步进扫描区域，重复步骤B至步骤C继续进行步进扫描；如果已经扫描完成了，转到步骤E。

步骤E、如果已经覆盖了整个扫描区域，那么根据之前计算得到的各个步进扫描区域的扫描图像vol_k和估计步进(L_k，Δθ_k)把扫描图像数据融合成最终的整体重建体数据。

整体重建体数据的生成主要是根据各个步进扫描区域得到的三维扫描图像的体积数据到整体体积数据的映射关系来融合的。融合的具体方法如下面的公式：

其中，Vol(x，y，z)是整体重建体数据的像素值，可以得到最终输出的扫描整体区域Vol；vol_k(x_k，y_k，z_k)是第k个步进扫描区域的体数据像素值。

移动CT机从第一个步进扫描区域的扫描中心位置经过k-1个步进移动得到第k个步进扫描区域的扫描中心位置：

(x_k，y_k，θ_k，z_k)＝(x_k-1，y_k-1，θ_k-1，z_k)+(L_kcos(θ_k-1+Δθ_k)，L_ksin(θ_k-1+Δθ_k)，Δθ_k，z_k)

融合的方法就是基于上面给出的每个步进扫描区域的坐标变换关系来不断地融合每次扫描得到的部分图像，直到所有扫描图像都处理完成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、CT机对患者进行扫描时，根据整体待扫描区域和CT机初始的扫描中心位置确定扫描中心的理想运动轨迹，同时将整体待扫描区域分成若干个步进扫描区域，CT机从第一个步进扫描区域开始扫描，得到第一个步进扫描区域的扫描数据，并根据扫描数据重建得到第一个扫描图像；

步骤B、根据理想运动轨迹和CT机的当前步进扫描区域的扫描中心位置，计算CT机移动到下一个步进扫描区域的理想步进，根据理想步进，将CT机步进移动到下一个步进扫描区域，CT机进行扫描得到下一个步进扫描区域的扫描数据，根据扫描数据，重建得到该步进扫描区域的扫描图像；

步骤C、根据步骤B中CT机的实际步进计算步进参考值即参考步进，根据参考步进、步骤B中CT机移动前后的两个步进扫描区域的扫描图像，计算估计步进，估计步进用于计算CT机移动后的步进扫描区域的实际的扫描中心位置；

步骤D、判断CT机的已扫描区域是否已经覆盖整体待扫描区域，如果未覆盖整体待扫描区域，进入下一个步进扫描区域，重复步骤B至步骤C继续进行步进扫描；如果已经覆盖整体待扫描区域，转到步骤E；

步骤E、根据之前计算得到的各个步进扫描区域的扫描图像和估计步进融合成最终的整体重建体数据。

2.根据权利要求1所述的一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，相邻的步进扫描区域有重叠。

3.根据权利要求2所述的一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，CT机的步进移动通过驱动轮实现。

4.根据权利要求3所述的一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，所述步骤C中，利用贝叶斯理论计算估计步进(L_k，Δθ_k)的方法如下：

其中，Bel是估计步进的贝叶斯估计，L_k和Δθ_k分别为估计步进长度和估计步进角度；

是CT机移动前的步进扫描区域的扫描中心位置，Δθ_k-1是移动前的步进扫描区域的估计步进角度；

和

分别是计算的参考步进长度和参考步进角度；vol_k和vol_k-1分别是CT机移动前后的两个步进扫描区域的扫描图像；β和γ是常数；σ_θ是驱动轮的角度公差，σ_l是驱动轮的距离公差；σ_v是噪声参数。

5.根据权利要求4所述的一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，所述常数β和γ取1，噪声参数σ_v取10。

6.根据权利要求2所述的一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，所述步骤A中，若CT机在二维平面上移动，CT机的理想步进

满足：

其中，

和

分别为理想步进长度和理想步进角度；(x_k-1，y_k-1，θ_k-1)为CT机移动前的步进扫描区域的扫描中心位置，x_k-1和y_k-1为扫描中心的二维平面坐标，θ_k-1为该步进扫描区域与理想运动轨迹所成的倾角；

为CT机移动后的步进扫描区域的理想扫描中心位置，该理想扫描中心位置位于理想运动轨迹上。

7.根据权利要求6所述的一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，所述CT机每次步进的长度小于单次扫描的宽度。

8.根据权利要求2所述的一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，所述步骤F中，融合方法如下：

其中，Vol(x，y，z)为融合后的整体重建体数据，vol_k和vol_k(x_k，y_k，z_k)为CT机在第k个步进扫描区域的扫描图像和扫描图像的体数据像素值。

9.根据权利要求1所述的一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，CT机在每个步进扫描区域采用圆周扫描。

10.根据权利要求1所述的一种移动CT***的步进成像方法，其特征在于，所述扫描数据通过经典的卷积反投影方法来重建得到三维的扫描图像。

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