專利名稱：X射線復(fù)式斷層掃描成像系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)復(fù)式斷層掃描成像系統(tǒng)，尤其是能獲取高分辨率斷層圖像 的成像方法，屬于CT信號(hào)與圖像處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
X射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁輻射，具有很高的穿透本領(lǐng)，能透過許多對(duì)可見光不 透明的物質(zhì)，因此廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷和工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域。常見的X射線成像是依靠帶有束 光器的X射線球管和由探測(cè)感應(yīng)單元排列組成的線型探測(cè)器相互對(duì)準(zhǔn)同步運(yùn)動(dòng)掃描被測(cè) 物體而完成的。X射線對(duì)被測(cè)物體內(nèi)部不同密度、結(jié)構(gòu)和成份的穿透能力不同，因此透過被 測(cè)物體被探測(cè)器感應(yīng)到的能量亦有不同。當(dāng)射線收發(fā)端完成一輪運(yùn)動(dòng)掃描后，就可得到一 幅反映物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維X光圖像。但是由于有些物體內(nèi)部成分對(duì)X線的吸收差別極小， 造成X光圖像的密度分辨率偏低，因此X射線對(duì)那些前后重疊的結(jié)構(gòu)就難以分辨。另外，X 光圖像僅能看到投射角度的平面圖像，而順投射方向的深度信息即斷層信息并不能獲得。CT成像技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了以上X射線成像的不足，它是一種利用X射線球管與陣 列式探測(cè)器相互配合同步旋轉(zhuǎn)掃描來獲取物體斷面圖像信息的方法。通過對(duì)不同層面的單 軸旋轉(zhuǎn)掃描，可以產(chǎn)生一系列二維斷層圖像，從而得到物體內(nèi)部深度信息也即三維信息。與 圖像上會(huì)出現(xiàn)許多重疊投影的傳統(tǒng)X射線攝影術(shù)相比，CT圖像具有顯著提高的對(duì)比度，即 具備高密度分辨能力。首先放射球管發(fā)出的X線束對(duì)被測(cè)物中感興趣的斷層層面進(jìn)行掃 描，由探測(cè)器接收透過該層面的X線，接著根據(jù)接收射線的強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)作 為待處理信息輸入計(jì)算機(jī)處理。掃描到所有信息后，計(jì)算機(jī)便將這些掃描信息交由CT圖像 重建算法進(jìn)行計(jì)算并獲得一幅斷層圖像，從而再現(xiàn)物體掃描斷層層面內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀況。由 此可以看出CT圖像并不是直接掃描感測(cè)出來的，而是需要增加一個(gè)重建過程，因此CT圖像 是一種重建圖像。常用的工業(yè)CT成像設(shè)備結(jié)構(gòu)示意如圖1中所示，底座7上安裝有一個(gè)升降柱6和 一個(gè)升降轉(zhuǎn)軸8，升降轉(zhuǎn)軸8上固定一個(gè)可由轉(zhuǎn)軸8帶動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)的臺(tái)面9，被測(cè)物體可置 于臺(tái)面9上隨臺(tái)面旋轉(zhuǎn)從而在旋轉(zhuǎn)中接受斷層掃描。升降柱6上安裝有一個(gè)水平橫桿3，橫 桿3的兩端分別固定了X射線源和X射線探測(cè)器。其中固定于左端的拍片盒1中安裝有線 型陣列探測(cè)器2，固定于右端的X射線球管4產(chǎn)生的X射線經(jīng)過束光器5放射出線型光束， 并與另一端的線型陣列探測(cè)器2對(duì)齊，使探測(cè)器2能夠接收到射線。當(dāng)升降柱6伸縮運(yùn)動(dòng) 時(shí)，可帶動(dòng)水平橫桿3及其兩端的部件整體上下運(yùn)動(dòng)，保證了 X射線發(fā)射端和接收端始終對(duì) 準(zhǔn)，從而獲取被測(cè)物體準(zhǔn)確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組分信息。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)斷層掃描成像檢測(cè)過程可以用圖2所示流程來加以說明。首先，將 掃描的初始位置定位于被測(cè)物體的上方，為了保證掃描結(jié)果的準(zhǔn)確性，被測(cè)物體需要固定 以保持靜止不動(dòng)。然后放射端與接收端從初始位置起自上而下同步運(yùn)動(dòng)，對(duì)物體進(jìn)行全身 X光掃描。當(dāng)掃描完成后，將掃描得到的一維數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理，獲得一幅二維平面X光全身 影像。通過對(duì)全身影像的分析，找到所要檢測(cè)的感興趣區(qū)域。為了進(jìn)一步的獲得感興趣區(qū)域的深度信息，需要繼續(xù)對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行斷層掃描。此時(shí)要將放射端與接收端定位于感興 趣區(qū)。與全身掃描不同，為了得到360度完整的掃描信息，在掃描過程中，放射端與接收端 的位置要始終保持固定。而被測(cè)物體則開始隨臺(tái)面勻速旋轉(zhuǎn)，以使掃描器件能測(cè)得各個(gè)角 度的數(shù)據(jù)。啟動(dòng)掃描完成物體旋轉(zhuǎn)一周的數(shù)據(jù)采集。最后，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行斷層圖 像重構(gòu)，得到最終的感興趣點(diǎn)的斷層圖像。目前，常用的CT成像設(shè)備盡管能夠捕捉到物體的深度信息，且相比較X光圖像具 備高密度分辨率，但是由于探測(cè)單元有限，CT圖像的空間分辨力卻不如X光圖像高。另外， 在成像、采集、傳輸、處理過程中，由于系統(tǒng)受到感應(yīng)單元融合、振動(dòng)、電磁干擾、曝光不均及 射線衍射等內(nèi)外環(huán)境的影響，斷層圖像會(huì)有不同程度的降質(zhì)，主要包括有混疊效應(yīng)、模糊 (尤其是邊界)、失真、數(shù)據(jù)漏檢和系統(tǒng)噪聲。事實(shí)上，即使空間分辨率稍高的X光圖像也面 臨以上問題和增強(qiáng)分辨率的挑戰(zhàn)。結(jié)合CT應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)解決影像的分辨率問題，對(duì)于感 興趣點(diǎn)尤其是細(xì)小點(diǎn)的檢測(cè)提取，是非常重要而迫切的。增強(qiáng)分辨率的方式有兩種。一種是通過改造設(shè)備器件提高精度，但受到工藝水平 和成本的制約不便采用。另一種是通過超分辨率的信號(hào)處理方式，在不更換硬件的條件下 對(duì)現(xiàn)有的降質(zhì)圖像進(jìn)行處理，以獲得高品質(zhì)、高分辨率的圖像。所謂超分辨率重建就是從一 系列低分辨率降質(zhì)圖像重構(gòu)出一幅高質(zhì)量、高分辨率的圖像。這種技術(shù)已被廣泛用在成像 領(lǐng)域，例如遙感、監(jiān)控、視頻等。實(shí)質(zhì)上，這是一種通過時(shí)間來?yè)Q取空間分辨率的技術(shù)。在CT 成像中，快速掃描使得獲取單幀和多幀圖像在時(shí)間上并無(wú)太大差別，因此用可忽略的時(shí)間 獲取多幀圖像來?yè)Q取高空間分辨率的圖像是可行且經(jīng)濟(jì)的。迄今為止，有眾多超分辨率重構(gòu)方法被提出。但是CT圖像噪聲統(tǒng)計(jì)特性不顯著， 圖像紋理豐富局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常用重構(gòu)法對(duì)CT圖像的處理缺乏通用性、適應(yīng)性和魯棒性， 重構(gòu)出的圖像對(duì)一些特殊噪聲的抑制不理想。這給利用CT圖像進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)帶來了困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有CT成像設(shè)備成像分辨率較低和成像質(zhì)量較差的不 足，同時(shí)在利用以時(shí)間換空間的技術(shù)時(shí)為了解決常用超分辨率方法對(duì)CT圖像特點(diǎn)針對(duì)性 不強(qiáng)的問題。本發(fā)明給出了一種新的CT成像機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)了一種復(fù)式循環(huán)掃 描成像流程，以獲取多角度、多時(shí)相信息含量豐富的序列圖像；提出了一種新的對(duì)CT圖像 較為適用的基于核回歸的超分辨率重構(gòu)方法。以上發(fā)明不僅能夠獲得高空間分辨率的CT 圖像，而且對(duì)于成像過程中產(chǎn)生的模糊、混疊、噪聲和失真等降質(zhì)因素能夠有較好的抑制作 用。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明X射線復(fù)式斷層掃描成像系統(tǒng)，機(jī)械裝置包括拍片盒(10)、x射線線型陣列 探測(cè)器(11)、x射線球管(12)、束光器(13)、升降轉(zhuǎn)軸(14)和臺(tái)面(15)以及監(jiān)測(cè)反饋控制 系統(tǒng)，在機(jī)械設(shè)備底座(16)上從右至左依次順序安裝X射線發(fā)射裝置X射線球管(12)、由 升降轉(zhuǎn)軸(14)和臺(tái)面(1 構(gòu)成的載物裝置、X射線接收裝置拍片盒(10)，其特征是X射 線球管(1 和拍片盒(10)分別通過支撐連接柱固定在底座(16)的兩端，升降轉(zhuǎn)軸(14) 帶動(dòng)臺(tái)面(1 進(jìn)行升降和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；拍片盒(10)內(nèi)壁固定兩根水平平行的滑道(17)，滑 道上架有一根連桿(18)，連桿在滑道上水平滑動(dòng)，X射線線型陣列探測(cè)器(11)固定在連桿之上隨連桿進(jìn)行亞探測(cè)單元的微距水平位移；所述監(jiān)測(cè)反饋控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、光電和模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集緩存器、信 號(hào)處理器、高電壓產(chǎn)生器、監(jiān)視器、發(fā)射啟閉控制器、緩存?zhèn)鬏攩㈤]控制器、水平運(yùn)動(dòng)控制 器、探測(cè)啟閉控制器、升降運(yùn)動(dòng)控制器和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制器，其中計(jì)算機(jī)主機(jī)的輸出端分別接 監(jiān)視器、高電壓產(chǎn)生器、發(fā)射啟閉控制器、緩存?zhèn)鬏攩㈤]控制器、水平運(yùn)動(dòng)控制器、探測(cè)啟閉 控制器、升降運(yùn)動(dòng)控制器和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制器的輸入端，高電壓產(chǎn)生器和發(fā)射啟閉控制器的 輸出端與X射線球管(1 連接，水平運(yùn)動(dòng)控制器和探測(cè)啟閉控制器的輸出端接X射線線型 陣列探測(cè)器的輸入端，X射線線型陣列探測(cè)器(11)的輸出端依次串接光電轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn) 換器、數(shù)據(jù)采集緩存器、信號(hào)處理器后與計(jì)算機(jī)主機(jī)雙向通信，緩存?zhèn)鬏攩㈤]控制器的輸出 端接信號(hào)處理器的輸入端，升降運(yùn)動(dòng)控制器和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制器的輸出端與升降轉(zhuǎn)軸連接。X射線復(fù)式斷層掃描成像系統(tǒng)的成像方法，包括如下步驟①首先設(shè)定超分辨率重建所需序列圖像的幀數(shù)N ；②為了掃得物體的全身X圖像， 啟動(dòng)升降控制器將物體的頂端置于掃描水平線以下，以此作為全身掃描的初始位置，啟動(dòng) 掃描發(fā)射接收器，推升臺(tái)面使物體自上而下接受一次掃描，獲得一張全身掃描圖像，將掃描 圖像存入緩存器中等待處理；③開啟水平運(yùn)動(dòng)控制器，使X線探測(cè)器隨機(jī)水平微移亞探測(cè) 單元距離，為下次獲得亞像素位移的圖像做準(zhǔn)備；④重復(fù)循環(huán)上述②-③步驟，獲得N幀亞 像素位移的X射線圖像；⑤開啟緩存?zhèn)鬏斂刂破鲗⑿蛄袌D像輸入信號(hào)處理器，調(diào)用信號(hào)處 理器中固化的超分辨率重建處理程序，重建出物體高分辨率X射線圖像；⑥在高分辨率X射 線圖像中找到感興趣或異常區(qū)域，啟動(dòng)升降操作，將此區(qū)域所在的斷層對(duì)準(zhǔn)掃描水平線，準(zhǔn) 備對(duì)其進(jìn)行斷層掃描；⑦勻速旋轉(zhuǎn)臺(tái)面，開啟掃描收發(fā)器，轉(zhuǎn)動(dòng)180度，重構(gòu)出一幀斷層掃 描圖，將掃描圖像存入緩存器中等待處理；⑧開啟水平運(yùn)動(dòng)控制器，使X線探測(cè)器隨機(jī)水平 微移亞探測(cè)單元距離，為下次獲得亞像素位移的圖像做準(zhǔn)備；⑨重復(fù)循環(huán)上述⑦-⑧步驟， 獲得N幀亞像素位移的CT圖像；⑩開啟緩存?zhèn)鬏斂刂破鲗⑿蛄袌D像輸入信號(hào)處理器，調(diào)用 信號(hào)處理器中固化的超分辨率重建處理程序，重建出物體高分辨率CT圖像。固化在信號(hào)處理器中的超分辨率重建方法包括如下步驟(1)讀取圖像序列，并 對(duì)序列圖像進(jìn)行配準(zhǔn)；( 按照配準(zhǔn)的位置將序列圖像置于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高分辨率網(wǎng)格內(nèi)； (3)對(duì)網(wǎng)格內(nèi)非均勻分布的圖像進(jìn)行經(jīng)典核回歸處理，得到新的非均勻分布的圖像；(4)新 舊兩個(gè)圖像進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于亮度相差較大的像素作為異常值，在舊圖像中剔除；( 對(duì)已剔 除異常值的舊圖像再次進(jìn)行經(jīng)典核回歸處理，得到一幅均勻分布的圖像；(6)根據(jù)均勻分 布的圖像的紋理和結(jié)構(gòu)，算出所有像素點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)自適應(yīng)核函數(shù)；(7)利用已得的自適 應(yīng)核函數(shù)，對(duì)均勻分布的圖像進(jìn)行自適應(yīng)核回歸處理，得到新的均勻分布的圖像；(8)對(duì) (7)中所得的圖像進(jìn)行解模糊處理，得到高分辨率高質(zhì)量的圖像。本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是(1)設(shè)計(jì)的CT成像機(jī)械設(shè)備中，射線收發(fā)端預(yù)先已相互對(duì)準(zhǔn)并固定于檢測(cè)臺(tái)面兩 端，在成像過程中無(wú)需調(diào)整其高度，簡(jiǎn)化了操作的復(fù)雜度。(2)設(shè)計(jì)的CT成像機(jī)械設(shè)備中，臺(tái)面既可旋轉(zhuǎn)用以CT成像，又可升降用以X線成 像，只需控制臺(tái)面轉(zhuǎn)軸，方便了兩種成像轉(zhuǎn)換的操作。(3)設(shè)計(jì)的CT成像機(jī)械設(shè)備中，拍片盒內(nèi)探測(cè)器可以水平運(yùn)動(dòng)。通過亞探測(cè)單元 的微距位移，可以獲得多幅有亞像素偏移的圖像序列，形成信息互補(bǔ)，使超分辨率可行。
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(4)依據(jù)以上機(jī)械設(shè)備功能，給出CT成像設(shè)備感應(yīng)、傳輸、監(jiān)視、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使 得整個(gè)成像過程能夠自動(dòng)完成，盡可能少的加入人為操作，提高了成像的效率，減少不必要 的人力消耗。(5)在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，給出整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的成像運(yùn)轉(zhuǎn)過程，使掃描成像 過程流程化，操作技術(shù)人員容易上手。流程中有兩個(gè)階段復(fù)式循環(huán)掃描過程，為后續(xù)的超分 辨率重構(gòu)提供了豐富的數(shù)據(jù)。(6)針對(duì)X圖像和CT圖像中信號(hào)與噪聲的分布特點(diǎn)，提出了新的基于核回歸的超 分辨率重構(gòu)算法。本算法引入了像素的置信度指標(biāo)，可有效的剔除異常值。另外，給出自適 應(yīng)核函數(shù)的解算策略，使重構(gòu)的圖像在保持結(jié)構(gòu)的顯著性同時(shí)更多地去除干擾。重構(gòu)圖像 分辨率明顯提高，均方根誤差(RMSE)提高2-4個(gè)單位?？傊景l(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)CT圖像分辨率低、質(zhì)量差的問題，設(shè)計(jì)了可用于超分辨率 重構(gòu)的CT機(jī)械設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行流程，設(shè)備布局簡(jiǎn)單，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便；建立在 置信度指標(biāo)和自適應(yīng)核函數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了適用于CT圖像的新的基于核回歸的超分辨 率重構(gòu)方法，消噪效果好，質(zhì)量和分辨率提升效率高。本發(fā)明可以在CT成像領(lǐng)域廣泛推廣。


圖1是現(xiàn)有CT機(jī)械設(shè)備示意圖。圖中1.拍片盒，2. X射線線型陣列探測(cè)器，3.橫 桿，4. X射線球管，5.束光器，6.升降柱，7.底座，8.升降轉(zhuǎn)軸，9.臺(tái)面。圖2是傳統(tǒng)CT成像掃描過程示意圖。圖3是本發(fā)明CT機(jī)械設(shè)備示意圖。圖中10.拍片盒，11. X射線線型陣列探測(cè)器， 12. X射線球管，13.束光器，14.升降轉(zhuǎn)軸，15.臺(tái)面，16.底座。圖4是圖3中拍片盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖中11. X射線線型陣列探測(cè)器，17.水平 滑道，18.連桿。圖5是本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖6是本發(fā)明CT成像掃描過程示意圖。圖7是本發(fā)明面向CT圖像的基于核回歸的超分辨率重建算法流程框圖。
具體實(shí)施例方式如圖3所示，本發(fā)明用兩個(gè)連接柱分別將拍片盒10和X射線球管12固定并支撐 在底座16的兩端，所述X射線球管12上安裝有引導(dǎo)射線方向和形狀的束光器13，所述拍 片盒10內(nèi)置接收X射線的X射線線型陣列探測(cè)器11，所述束光器13引導(dǎo)出的X射線要瞄 準(zhǔn)X射線線型陣列探測(cè)器11，所述拍片盒10和X射線球管12中間是用于擺放固定被測(cè)物 體的可升降和旋轉(zhuǎn)的臺(tái)面15，所述臺(tái)面15通過升降轉(zhuǎn)軸14與底座16相連，所述升降轉(zhuǎn)軸 的升降旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由底座16內(nèi)的升降和旋轉(zhuǎn)控制裝置所帶動(dòng)。需要掃描物體時(shí)，X射線球管 12、X射線線型陣列探測(cè)器11和臺(tái)面15上的物體應(yīng)通過升降轉(zhuǎn)軸調(diào)整到同一高度的水平 線上。當(dāng)要對(duì)物體進(jìn)行X射線全身掃描時(shí)，臺(tái)面15只進(jìn)行勻速垂直升降運(yùn)動(dòng)；當(dāng)要對(duì)物體 進(jìn)行CT斷層掃描時(shí)，在定位斷層位置后，臺(tái)面15只進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖4所示，本發(fā)明中的拍片盒中結(jié)構(gòu)如下將兩根水平滑道17平行固定在拍片 盒的內(nèi)壁上，所述平行水平滑道17上架有一根可在水平滑道17上自由水平滑動(dòng)的連桿18，所述連桿18安裝水平放置的X射線線型陣列探測(cè)器11，所述X射線線型陣列探測(cè)器11只 可在連桿18帶動(dòng)下作水平移動(dòng)，不可垂直旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以免偏離已瞄準(zhǔn)的X射線，不能完成同 步掃描。如圖5所示，本發(fā)明所述的機(jī)械設(shè)備是通過一套機(jī)電感應(yīng)、傳輸、監(jiān)視、控制系統(tǒng) 來協(xié)調(diào)工作的，以提高設(shè)備工作運(yùn)行的自動(dòng)化程度。具體如下所述整個(gè)工作系統(tǒng)的核心是 一臺(tái)計(jì)算機(jī)主機(jī)，它的作用是調(diào)度設(shè)備接收、外傳、顯示圖像數(shù)據(jù)和反饋控制指令。(1)所 述計(jì)算機(jī)主機(jī)在人機(jī)接口端，連接有可實(shí)時(shí)監(jiān)視原始、重建圖像的監(jiān)視器，連接有可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程數(shù)據(jù)傳輸和控制的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，另外在檢測(cè)調(diào)度現(xiàn)場(chǎng)還連接有用于人工干預(yù)的人機(jī)操作接 口，以上是為了方便在必要和緊急時(shí)刻引入人為的調(diào)度。(2)所述工作系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)主機(jī) 在設(shè)備操控端，分別連接有發(fā)射、接收和轉(zhuǎn)軸臺(tái)面三大模塊①所述發(fā)射端由計(jì)算機(jī)主機(jī)控 制著高電壓發(fā)生器的開啟，當(dāng)高電壓發(fā)生器的開啟時(shí)，便可隨時(shí)激發(fā)球管發(fā)出X射線，當(dāng)然 這要在發(fā)射啟閉控制器打開時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，發(fā)射啟閉控制器直接由計(jì)算機(jī)主機(jī)控制。②所述 接受端事實(shí)上與計(jì)算機(jī)主機(jī)形成了反饋控制的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)主機(jī)的調(diào)度下，水平運(yùn) 動(dòng)控制器控制著射線探測(cè)器作亞探測(cè)單元距離的微小移動(dòng)以獲取亞像素位移的圖像，探測(cè) 啟閉控制器控制著射線探測(cè)器的開關(guān)；當(dāng)開關(guān)打開且位移固定時(shí)，探測(cè)器便可接收到穿過 物體的射線，射線光信號(hào)隨即交由光電轉(zhuǎn)換器處理變?yōu)槟M電信號(hào)；為了適應(yīng)信號(hào)處理存 儲(chǔ)的數(shù)字化，模擬電信號(hào)接著經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，繼而輸入數(shù)據(jù)采集緩存器中 等待處理；當(dāng)緩存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)滿足超分辨率處理的數(shù)據(jù)量時(shí)，緩存器回饋計(jì)算機(jī)主機(jī) 要求下一步指令；計(jì)算機(jī)收到回饋信息，打開傳輸通道，使信號(hào)處理器接受并處理數(shù)據(jù)，所 述信號(hào)處理器內(nèi)嵌入了超分辨率重建程序可以對(duì)序列圖像進(jìn)行超分辨率重建，信號(hào)處理器 可直接與計(jì)算機(jī)通信。③所述轉(zhuǎn)軸臺(tái)面的功能和作用在圖3中已有表述，所述轉(zhuǎn)軸是通過 升降運(yùn)動(dòng)控制器和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制器與計(jì)算機(jī)相通信，達(dá)到控制轉(zhuǎn)軸與臺(tái)面帶動(dòng)物體升降和 旋轉(zhuǎn)已完成掃描。如圖6所示，本發(fā)明中被掃描物體的CT成像過程如下將被掃描物體置于臺(tái)面上 并固定，CT圖像的形成過程是在圖5所示系統(tǒng)中各模塊緊密配合之下完成的。①首先設(shè)定 超分辨率重建所需序列圖像的幀數(shù)N ；②為了掃得物體的全身X圖像，啟動(dòng)升降控制器將物 體的頂端置于掃描水平線以下，以此作為全身掃描的初始位置，啟動(dòng)掃描發(fā)射接收器，推升 臺(tái)面使物體自上而下接受一次掃描，獲得一張全身掃描圖像，將掃描圖像存入緩存器中等 待處理；③開啟水平運(yùn)動(dòng)控制器，使X線探測(cè)器隨機(jī)水平微移亞探測(cè)單元距離，為下次獲得 亞像素位移的圖像做準(zhǔn)備；④重復(fù)循環(huán)上述②-③步驟，獲得N幀亞像素位移的X射線圖 像；⑤開啟緩存?zhèn)鬏斂刂破鲗⑿蛄袌D像輸入信號(hào)處理器，調(diào)用信號(hào)處理器中固化的超分辨 率重建處理程序，重建出物體高分辨率X射線圖像；⑥在高分辨率X射線圖像中找到感興 趣或異常區(qū)域，啟動(dòng)升降操作，將此區(qū)域所在的斷層對(duì)準(zhǔn)掃描水平線，準(zhǔn)備對(duì)其進(jìn)行斷層掃 描；⑦勻速旋轉(zhuǎn)臺(tái)面，開啟掃描收發(fā)器，轉(zhuǎn)動(dòng)180度，重構(gòu)出一幀斷層掃描圖，將掃描圖像存 入緩存器中等待處理；⑧開啟水平運(yùn)動(dòng)控制器，使X線探測(cè)器隨機(jī)水平微移亞探測(cè)單元距 離，為下次獲得亞像素位移的圖像做準(zhǔn)備；⑨重復(fù)循環(huán)上述⑦-⑧步驟，獲得N幀亞像素位 移的CT圖像；⑩開啟緩存?zhèn)鬏斂刂破鲗⑿蛄袌D像輸入信號(hào)處理器，調(diào)用信號(hào)處理器中固化 的超分辨率重建處理程序，重建出物體高分辨率CT圖像。如圖7所示，固化在信號(hào)處理器中的超分辨率重建算法程序是本發(fā)明中提出的基于核回歸的超分辨率重建方法。本方法適用于處理X射線圖像和CT圖像，能夠獲得理想的 重建效果。具體步驟包括①讀取圖像序列，并對(duì)序列圖像進(jìn)行配準(zhǔn)；②按照配準(zhǔn)的位置將 序列圖像置于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高分辨率網(wǎng)格內(nèi)；③對(duì)網(wǎng)格內(nèi)非均勻分布的圖像進(jìn)行經(jīng)典核回歸 處理，得到新的非均勻分布的圖像；④新舊兩個(gè)圖像進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于亮度相差較大的像素作 為異常值，在舊圖像中剔除；⑤對(duì)已剔除異常值的舊圖像再次進(jìn)行經(jīng)典核回歸處理，得到一 幅均勻分布的圖像；⑥根據(jù)均勻分布的圖像的紋理和結(jié)構(gòu)，算出所有像素點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)自 適應(yīng)核函數(shù)；⑦利用已得的自適應(yīng)核函數(shù)，對(duì)均勻分布的圖像進(jìn)行自適應(yīng)核回歸處理，得到 新的均勻分布的圖像；⑧對(duì)⑦中所得的圖像進(jìn)行解模糊處理，得到高分辨率高質(zhì)量的圖像。
權(quán)利要求
1.一種X射線復(fù)式斷層掃描成像系統(tǒng)，包括拍片盒(10)、X射線線型陣列探測(cè)器(11)、 X射線球管(12)、束光器(13)、升降轉(zhuǎn)軸(14)和臺(tái)面(15)以及監(jiān)測(cè)反饋控制系統(tǒng)，在機(jī)械 設(shè)備底座(16)上從右至左依次順序安裝X射線發(fā)射裝置X射線球管(12)、由升降轉(zhuǎn)軸(14) 和臺(tái)面(15)構(gòu)成的載物裝置、X射線接收裝置拍片盒(10)，其特征是X射線球管(12)和 拍片盒(10)分別通過支撐連接柱固定在底座(16)的兩端，升降轉(zhuǎn)軸(14)帶動(dòng)臺(tái)面(15) 進(jìn)行升降和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；拍片盒(10)內(nèi)壁固定兩根水平平行的滑道(17)，滑道上架有一根連 桿(18)，連桿在滑道上水平滑動(dòng)，X射線線型陣列探測(cè)器(11)固定在連桿之上隨連桿進(jìn)行 亞探測(cè)單元的微距水平位移；所述監(jiān)測(cè)反饋控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、光電和模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集緩存器、信號(hào)處 理器、高電壓產(chǎn)生器、監(jiān)視器、發(fā)射啟閉控制器、緩存?zhèn)鬏攩㈤]控制器、水平運(yùn)動(dòng)控制器、探 測(cè)啟閉控制器、升降運(yùn)動(dòng)控制器和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制器，其中計(jì)算機(jī)主機(jī)的輸出端分別接監(jiān)視 器、高電壓產(chǎn)生器、發(fā)射啟閉控制器、緩存?zhèn)鬏攩㈤]控制器、水平運(yùn)動(dòng)控制器、探測(cè)啟閉控制 器、升降運(yùn)動(dòng)控制器和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制器的輸入端，高電壓產(chǎn)生器和發(fā)射啟閉控制器的輸出 端與X射線球管(12)連接，水平運(yùn)動(dòng)控制器和探測(cè)啟閉控制器的輸出端接X射線線型陣 列探測(cè)器(11)的輸入端，X射線線型陣列探測(cè)器(11)的輸出端依次串接光電轉(zhuǎn)換器、模數(shù) 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集緩存器、信號(hào)處理器后與計(jì)算機(jī)主機(jī)雙向通信，緩存?zhèn)鬏攩㈤]控制器的輸 出端接信號(hào)處理器的輸入端，升降運(yùn)動(dòng)控制器和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制器的輸出端與升降轉(zhuǎn)軸(14) 連接。
2.一種X射線復(fù)式斷層掃描成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于包括如下步驟①首先設(shè)定超分辨率重建所需序列圖像的幀數(shù)N ；②為了掃得物體的全身X圖像，啟動(dòng) 升降控制器將物體的頂端置于掃描水平線以下，以此作為全身掃描的初始位置，啟動(dòng)掃描 發(fā)射接收器，推升臺(tái)面使物體自上而下接受一次掃描，獲得一張全身掃描圖像，將掃描圖像 存入緩存器中等待處理；③開啟水平運(yùn)動(dòng)控制器，使X線探測(cè)器隨機(jī)水平微移亞探測(cè)單元 距離，為下次獲得亞像素位移的圖像做準(zhǔn)備；④重復(fù)循環(huán)上述②-③步驟，獲得N幀亞像素 位移的X射線圖像；⑤開啟緩存?zhèn)鬏斂刂破鲗⑿蛄袌D像輸入信號(hào)處理器，調(diào)用信號(hào)處理器 中固化的超分辨率重建處理程序，重建出物體高分辨率X射線圖像；⑥在高分辨率X射線圖 像中找到感興趣或異常區(qū)域，啟動(dòng)升降操作，將此區(qū)域所在的斷層對(duì)準(zhǔn)掃描水平線，準(zhǔn)備對(duì) 其進(jìn)行斷層掃描；⑦勻速旋轉(zhuǎn)臺(tái)面，開啟掃描收發(fā)器，轉(zhuǎn)動(dòng)180度，重構(gòu)出一幀斷層掃描圖， 將掃描圖像存入緩存器中等待處理；⑧開啟水平運(yùn)動(dòng)控制器，使X線探測(cè)器隨機(jī)水平微移 亞探測(cè)單元距離，為下次獲得亞像素位移的圖像做準(zhǔn)備；⑨重復(fù)循環(huán)上述⑦-⑧步驟，獲得 N幀亞像素位移的CT圖像；⑩開啟緩存?zhèn)鬏斂刂破鲗⑿蛄袌D像輸入信號(hào)處理器，調(diào)用信號(hào) 處理器中固化的超分辨率重建處理程序，重建出物體高分辨率CT圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的X射線復(fù)式斷層掃描成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于固 化在信號(hào)處理器中的超分辨率重建方法包括如下步驟(1)讀取圖像序列，并對(duì)序列圖像 進(jìn)行配準(zhǔn)；( 按照配準(zhǔn)的位置將序列圖像置于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高分辨率網(wǎng)格內(nèi)；C3)對(duì)網(wǎng)格內(nèi) 非均勻分布的圖像進(jìn)行經(jīng)典核回歸處理，得到新的非均勻分布的圖像；(4)新舊兩個(gè)圖像 進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于亮度相差較大的像素作為異常值，在舊圖像中剔除；( 對(duì)已剔除異常值的 舊圖像再次進(jìn)行經(jīng)典核回歸處理，得到一幅均勻分布的圖像；(6)根據(jù)均勻分布的圖像的 紋理和結(jié)構(gòu)，算出所有像素點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)自適應(yīng)核函數(shù)；(7)利用已得的自適應(yīng)核函數(shù)，對(duì)均勻分布的圖像進(jìn)行自適應(yīng)核回歸處理，得到新的均勻分布的圖像；(8)對(duì)(7)中所得的圖 像進(jìn)行解模糊處理，得到高分辨率高質(zhì)量的圖像。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種X射線復(fù)式斷層掃描成像系統(tǒng)及方法。整個(gè)成像系統(tǒng)由機(jī)械裝置(包括拍片盒、X射線線型陣列探測(cè)器、X射線球管、束光器、升降轉(zhuǎn)軸、臺(tái)面)和監(jiān)測(cè)反饋控制系統(tǒng)組成。所述方法首先設(shè)定超分辨率重構(gòu)所需序列圖像的幀數(shù)N；對(duì)被測(cè)物進(jìn)行全身X線掃描得到X線平面圖像，探測(cè)器水平移動(dòng)亞探測(cè)單元的微小距離；直至得到N幀有亞像素位移的圖像序列；超分辨率重建圖像序列得到一幅高分辨率X線平面圖像，在此圖像中找到感興趣點(diǎn)；對(duì)感興趣點(diǎn)所在斷層進(jìn)行旋轉(zhuǎn)斷層掃描，重構(gòu)得到CT圖像，探測(cè)器水平移動(dòng)亞探測(cè)單元的微小距離；直至得到N幀有亞像素位移的圖像序列；超分辨率重建圖像序列得到一幅高分辨率CT圖像。
文檔編號(hào)G01N23/04GK102106740SQ201110058738
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者丁曉峰, 張學(xué)武, 張家華, 張振, 徐楓, 徐立中, 王慧斌, 王鑫, 石愛業(yè), 郭銳 申請(qǐng)人:河海大學(xué)