X射線ct轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層重排重建方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層重排重建方法，首先在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋掃描，將兩組螺旋錐形束投影重排成多層平行束投影，然后利用平行束投影的對稱性質(zhì)去除數(shù)據(jù)的橫向截?cái)?，得到一組完全覆蓋物體橫截面的平行束投影數(shù)據(jù)，再通過濾波反投影方式進(jìn)行圖像重建。本發(fā)明通過在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋掃描成像，能夠更大程度上擴(kuò)展螺旋錐束CT的橫向成像視野，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠擴(kuò)展至2.56倍的成像視野，在更大程度上擴(kuò)展成像視野的同時(shí)成像質(zhì)量沒有明顯下降，具有與傳統(tǒng)全覆蓋算法相當(dāng)?shù)某上褓|(zhì)量。
【專利說明】
X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層重排重建方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于CT掃描成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描 單層重排重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] X射線計(jì)算機(jī)斷層成像(Computed Tomography，CT)是指利用X射線穿透物體的投 影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建來獲得物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)，其成像過程涉及物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī) 學(xué)、圖形圖像學(xué)和機(jī)械學(xué)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域。隨著面陣探測器在采集效率、耐輻射和抗干擾 等技術(shù)上的不斷進(jìn)步，以錐形束射線源和面陣探測器為基礎(chǔ)的錐束CT在諸多領(lǐng)域獲得了越 來越廣泛的應(yīng)用。與CT硬件發(fā)展對應(yīng)的是掃描方式的不斷進(jìn)步。基于面陣探測器和第四代 掃描方式的螺旋錐束CT具有成像時(shí)間短、射線利用率高和分辨率各向同性的優(yōu)勢。此外，與 圓軌跡錐束CT相比，螺旋錐束CT能夠獲得更加充分的投影數(shù)據(jù)，解決大錐角時(shí)重建圖像質(zhì) 量退化的問題，并且能夠解決軸向截?cái)嗤队皵?shù)據(jù)的重建問題，更加適合于對長物體的快速、 連續(xù)成像。目前，螺旋錐束CT已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床診斷和工業(yè)無損檢測、逆向 工程和材料組織分析等領(lǐng)域。
[0003] 由于成像系統(tǒng)中成像視野與成像分辨率通常相互制約，使得常規(guī)CT系統(tǒng)中很難同 時(shí)實(shí)現(xiàn)大視野和高分辨成像。螺旋錐束CT能夠擴(kuò)展錐束CT軸向的成像視野，但是受面陣探 測器等硬件尺寸的限制，其橫向成像視野仍然是受限的。目前，基于視野擴(kuò)展的成像方法在 很多方面得到了應(yīng)用，比如對發(fā)動(dòng)機(jī)、大型渦輪葉片以及印刷電路板的三維成像中。對于螺 旋錐束CT的橫向視野擴(kuò)展方法，目前的研究較少，主要有:半覆蓋螺旋掃描和多次螺旋掃 描。半覆蓋螺旋錐束CT成像能夠擴(kuò)展接近2倍的橫向視野，但是，隨著螺距的增大，這種掃描 方式缺失的投影數(shù)據(jù)越來越多，會(huì)使重建圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降，由于半覆蓋掃描幾何下每個(gè) 投影角度的數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重的橫向截?cái)?，而該算法采用全局的斜坡濾波器，重建結(jié)果存在較 為嚴(yán)重的截?cái)鄠斡?。針對半覆蓋螺旋roK算法存在的問題，Guo等人提出了改進(jìn)的半覆蓋螺 旋FDK算法，該算法借鑒2維CT中局部濾波的思想，重建過程中采用一種具有局部特性的濾 波器，新濾波器能夠在一定程度上抑制由于數(shù)據(jù)截?cái)嗪腿譃V波帶來的截?cái)鄠斡?進(jìn)一步 出現(xiàn)的工業(yè)雙螺旋錐束CT，其掃描方式為:螺旋掃描前先控制載物臺(tái)沿探測器行方向平移 一段距離，使射束能夠覆蓋物體橫截面的一半，進(jìn)行第一次螺旋軌跡掃描;然后控制載物臺(tái) 沿相反的方向平移，使射束能夠覆蓋物體橫截面的另一半，進(jìn)行第二次螺旋掃描，利用兩次 螺旋掃描得到的投影進(jìn)行圖像重建，但是，由于只采集了相對于成像視野兩倍的投影數(shù)據(jù)， 因此其橫向視野擴(kuò)展率的極限只能達(dá)到2倍，這在很多情況下仍然不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需 求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層 重排重建方法，通過在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋掃描，將兩組螺旋錐形束投影重排成多 層平行束投影，利用平行束投影的對稱性質(zhì)去除數(shù)據(jù)的橫向截?cái)?，得到一組完全覆蓋物體 橫截面的平行束投影數(shù)據(jù)，通過濾波反投影方式進(jìn)行圖像重建，能夠更加有效的擴(kuò)展錐束 CT的成像視野。
[0005] 按照本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方案，一種X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層重排重 建方法，包含如下步驟：
[0006] 步驟1、對被掃描物體在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋掃描，兩次螺旋掃描射線對被 掃描物體橫截面的覆蓋區(qū)域之間相互有交疊，兩次螺旋掃描總的覆蓋區(qū)域大于等于被掃描 物體橫截面的一半；
[0007] 步驟2、通過螺旋掃描得到相應(yīng)的螺旋錐形束投影，在成像幾何下將螺旋錐形束投 影分別重排成相應(yīng)的多層扇形束投影；
[0008] 步驟3、將多層扇形束投影分別重排成相應(yīng)的多層平行束投影，并在重排過程中對 平行束幾何進(jìn)行統(tǒng)一，同時(shí)利用平行束投影的對稱性質(zhì)去除數(shù)據(jù)的橫向截?cái)?，得到一組完 全覆蓋被掃描物體橫截面的平行束投影數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟4、利用濾波反投影方法完成圖像重建。
[0010] 上述的，步驟2中具體包含如下內(nèi)容：
[0011] 步驟2.1、構(gòu)建成像幾何的等價(jià)幾何模型，承載被掃描物體的轉(zhuǎn)臺(tái)做順時(shí)針螺旋軌 跡運(yùn)動(dòng)等價(jià)于光源和探測器同步做逆時(shí)針螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)在水平方向的偏移等同于光 源和探測器同步沿相反方向的平移，以螺旋掃描的面陣探測器中心為原點(diǎn)定義旋轉(zhuǎn)的笛卡 爾直角坐標(biāo)系(1^^%)，坐標(biāo)軸的方向向量為匕,(/:)、&(幻、〔'(乂），其中，1等于1或2，表示 第:次螺旋掃描，w軸與面陣探測器的法向量平行，u軸和v軸分別沿面陣探測器的行方向和 列方向；在固定坐標(biāo)系(x，y，z)情況下，坐標(biāo)軸方向向量表示為：
[0012]
[0013]
[0014] (6-,(/.) = (0,0,1);
[0015] 步驟2.2、根據(jù)等價(jià)幾何模型，沿探測器水平方向同步偏移光源和探測器進(jìn)行螺旋 掃描，得到螺旋錐形束投為投影角度，（u， v)表示面探測器上的點(diǎn)；
[0016] 步驟2.3、根據(jù)重排公式：
，得到相應(yīng)的重排后的 多層扇形束投影表示扇形投影角度，u表示線陣探測器探元位置，z表示被掃描物 體第ζ層橫截面，對于任意ζ層，p、（0，u)包含360角度范圍內(nèi)的投影數(shù)據(jù)，其中，
.和Θ滿足θ = λ%231，％表示求余運(yùn)算，s表示光源到探測器的距離，Δ Z表示 錐形束源點(diǎn)與虛擬扇形束源點(diǎn)的距離，D表示螺旋掃描中心射束位置到轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸的距離。 [0017]上述的，所述步驟3具體包含如下內(nèi)容：
[0018]步驟3.1、相應(yīng)的多層平行束投影^ (β，t)重排公式表示為：
[0019]
[0020] ，β表示平行束投影角度，且^^[??！急硎拘D(zhuǎn)軸到平行束的距離^:表示第一 次螺旋掃描的旋轉(zhuǎn)半徑，R 2表示第二次螺旋掃描的旋轉(zhuǎn)半徑，L表示第一次螺旋掃描旋轉(zhuǎn)軸 到第二次螺旋掃描旋轉(zhuǎn)軸的距離，tlmin、t lmax分別表示旋轉(zhuǎn)軸到中射束的最小、最 大距離;t2min、t2max分別表示旋轉(zhuǎn)軸到Ρ 2ζ(λ，11)中射束最小、最大距離；
[0021] 步驟3.2、根據(jù)平行束投影的對稱性質(zhì)82(巾3)=82(31+(})，-〇，其中，0和(})的關(guān)系 表示為：
，完全覆蓋被掃描物體橫截面的平行束投影數(shù)據(jù)重排公式表 \、ψ" ' 八·> 卜* |_ν *· ? ^-y ·· f 示為U
$Ζ(Φ，t)包含180角度范圍內(nèi)完全覆蓋被掃描物體橫截 面的投影數(shù)據(jù)，其中，Φ表示平行束的投影角度，且滿足φε[0，π)及te[-RQ，RQ]，R Q表示為 轉(zhuǎn)臺(tái)橫截面的半徑。
[0022] 上述的，步驟4中利用濾波反投影方法完成圖像重建包含:根據(jù)平行束投影數(shù)據(jù)gz (Φ，t)，采用平行束FBP方法完成圖像重建，公式如下
，其 中，f(x，y，z)表示三維圖像重建結(jié)果，ΚΖ(ΦΛ)表示斜坡濾波后的數(shù)據(jù)，/(扒X,)·)表示點(diǎn)(X， y，ζ)最終投影到平行束幾何中位置。
[0023]本發(fā)明的有益效果：
[0024] 本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)中受面陣探測器尺寸等硬件條件的限制，錐束CT成像視野有 限，難以滿足應(yīng)用中對大尺寸物體成像的需求的問題，通過在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋 掃描，將兩組螺旋錐形束投影重排成多層平行束投影，利用平行束投影的對稱性質(zhì)去除數(shù) 據(jù)的橫向截?cái)啵玫揭唤M完全覆蓋物體橫截面的平行束投影數(shù)據(jù)，通過濾波反投影方式進(jìn) 行圖像重建;相比現(xiàn)有成像視野擴(kuò)展方法，該掃描方式通過在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋 掃描成像，能夠更大程度上擴(kuò)展螺旋錐束CT的橫向成像視野，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠擴(kuò)展至 2.56倍的成像視野，在更大程度上擴(kuò)展成像視野的同時(shí)成像質(zhì)量沒有明顯下降，具有與傳 統(tǒng)全覆蓋算法相當(dāng)?shù)某上褓|(zhì)量。
【附圖說明】：
[0025] 圖1為本發(fā)明的流程示意圖；
[0026] 圖2為螺旋錐束CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次掃描成像幾何示意圖；
[0027] 圖3為螺旋錐束CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次掃描等價(jià)成像幾何示意圖；
[0028] 圖4為多層扇形束投影成像幾何示意圖；
[0029] 圖5為扇形束投影到平行束投影重排幾何示意圖；
[0030] 圖6為仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)示意圖；
[0031 ]圖7為轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩側(cè)螺旋掃描和標(biāo)準(zhǔn)螺旋掃描第360度投影示意圖；
[0032]圖8為利用本發(fā)明和螺旋FDK方法進(jìn)行圖像重建的結(jié)果對比圖；
[0033] 圖9為圖8所示重建結(jié)果中的部分垂直剖線示意圖；
[0034] 圖10為重建圖像誤差均方根對比示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0035] 下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，并通過優(yōu)選的實(shí)施例詳 細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于此。
[0036] 實(shí)施例一，參見圖1所示，一種X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層重排重建方法， 包含如下步驟：
[0037] 步驟1、對被掃描物體在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋掃描，兩次螺旋掃描射線對被 掃描物體橫截面的覆蓋區(qū)域之間相互有交疊，兩次螺旋掃描總的覆蓋區(qū)域大于等于被掃描 物體橫截面的一半；
[0038] 步驟2、通過螺旋掃描得到相應(yīng)的螺旋錐形束投影，在成像幾何下將螺旋錐形束投 影分別重排成相應(yīng)的多層扇形束投影；
[0039] 步驟3、將多層扇形束投影分別重排成相應(yīng)的多層平行束投影，并在重排過程中對 平行束幾何進(jìn)行統(tǒng)一，同時(shí)利用平行束投影的對稱性質(zhì)去除數(shù)據(jù)的橫向截?cái)啵玫揭唤M完 全覆蓋被掃描物體橫截面的平行束投影數(shù)據(jù)；
[0040] 步驟4、利用濾波反投影方法完成圖像重建。
[0041] 本發(fā)明通過在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋掃描，將兩組螺旋錐形束投影重排成多 層平行束投影，利用平行束投影的對稱性質(zhì)去除數(shù)據(jù)的橫向截?cái)?，得到一組完全覆蓋物體 橫截面的平行束投影數(shù)據(jù)，通過濾波反投影方式進(jìn)行圖像重建;相比現(xiàn)有成像視野擴(kuò)展方 法，該掃描方式通過在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋掃描成像，能夠更大程度上擴(kuò)展螺旋錐 束CT的橫向成像視野。
[0042] 實(shí)施例二，參見圖1~10所示，一種X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層重排重建 方法，包含如下內(nèi)容：
[0043] 對被掃描物體在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋掃描，兩次螺旋掃描射線對被掃描物 體橫截面的覆蓋區(qū)域之間相互有交疊，兩次螺旋掃描總的覆蓋區(qū)域大于等于被掃描物體橫 截面的一半;通過螺旋掃描得到相應(yīng)的螺旋錐形束投影，在成像幾何下將螺旋錐形束投影 分別重排成相應(yīng)的多層扇形束投影;將多層扇形束投影分別重排成相應(yīng)的多層平行束投 影，并在重排過程中對平行束幾何進(jìn)行統(tǒng)一，同時(shí)利用平行束投影的對稱性質(zhì)去除數(shù)據(jù)的 橫向截?cái)?，得到一組完全覆蓋被掃描物體橫截面的平行束投影數(shù)據(jù);利用濾波反投影方法 完成圖像重建。具體內(nèi)容如下：
[0044]螺旋錐束CT的轉(zhuǎn)臺(tái)位于光源和面陣探測器之間，掃描時(shí)，光源和探測器固定，轉(zhuǎn)臺(tái) 承載著被掃描物體做螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)，具體成像幾何參見圖2所示，2(a)為俯視圖、2(b)為側(cè) 視圖，兩次螺旋掃描的軌跡分別對應(yīng)2(a)中的虛線圓和實(shí)線圓，以及2(b)中的虛線螺旋線 和實(shí)線螺旋線，其旋轉(zhuǎn)軸分別位于對應(yīng)的01和02，兩次螺旋掃描轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸所處的水平位置 不同，且都位于光源到探測垂線的一側(cè)。轉(zhuǎn)臺(tái)做順時(shí)針螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)等價(jià)于光源和探測器 同步做逆時(shí)針螺旋軌跡運(yùn)動(dòng);轉(zhuǎn)臺(tái)在水平方向上的偏移等同于光源和探測器同步沿相反方 向的平移，等價(jià)幾何模型如圖3所示，3(a)表示俯視圖、3(b)表示側(cè)視圖，以轉(zhuǎn)臺(tái)中心〇2為原 點(diǎn)建立固定的直角坐標(biāo)系(x，y，z)，定義轉(zhuǎn)臺(tái)橫截面的半徑為R〇,而物體的最大支撐為半徑 為R〇的圓柱體，在圖3(a)中物體的支撐與轉(zhuǎn)臺(tái)重合;定義光源垂直探測器的射束為中心射 束，等價(jià)幾何模型中兩次螺旋掃描是通過沿探測器水平方向同步偏移光源和探測器實(shí)現(xiàn) 的，其中，第一次中心射束位于〇1處，實(shí)現(xiàn)對物體外側(cè)的掃描;第二次中心射束位于轉(zhuǎn)臺(tái)旋 轉(zhuǎn)軸02處，實(shí)現(xiàn)對物體中部的掃描，兩次掃描都以轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸02為旋轉(zhuǎn)軸，光源到探測器的 距離表示為S，圖中所示， 81到〇1的距離和82到〇2的距離相同且等于0, 〇1到〇2的距離為L，則兩 次螺旋掃描的旋轉(zhuǎn)半徑分別為/?1=>/^Τ? Τ和R2 = D，如圖3(b)所示，兩次掃描的起始高度、 螺距是相同的。
[0045] 在固定坐標(biāo)系(x，y，z)下兩次掃描光源的軌跡分別表示為：
[0046]
[0047]
[0048]，其中，λ表示旋轉(zhuǎn)角度，h表示螺距，λ〇為無符號角度且A〇 = arctan(L/D)，以螺旋掃 描的面陣探測器中心為原點(diǎn)定義旋轉(zhuǎn)的笛卡爾直角坐標(biāo)系(m，Vl，Wl)，坐標(biāo)軸的方向向量 為匕μ)、& μ)、(1),其中，w軸與面陣探測器的法向量平行，u軸和V軸分別沿面陣探測器 的行方向和列方向；在固定坐標(biāo)系(X，y，Ζ)情況下，坐標(biāo)軸方向向量表示為：
[0049]
[0050]
[0051 ] ^ α) = (〇,ο,?)/
[0052] 圖3(a)中，定義轉(zhuǎn)臺(tái)中心到射束方向的距離t，從光源向轉(zhuǎn)臺(tái)中心，如果射線位于 轉(zhuǎn)臺(tái)的左側(cè)則t為負(fù)的，反之，則t為正的；定義轉(zhuǎn)臺(tái)中心到兩次螺旋掃描中射束的最小和最 足巨 1? '力U 、tlmax矛口 t2min、t2max，?兩iS·:
[0053]
[0054] 根據(jù)等價(jià)幾何模型，沿探測器水平方向同步偏移光源和探測器進(jìn)行螺旋掃描，得 到螺旋錐形束投影為投影角度，（u， v)表示面探測器上的點(diǎn)，兩組投影數(shù)據(jù)的 重排相互獨(dú)立;根據(jù)重排公式：
，得到相應(yīng)的重排后的多層 扇形束投影表示扇形投影角度，u表示線陣探測器探元位置，z表示被掃描物體第 ζ層橫截面;多層扇形束投影各層之間的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，從扇形束投影到平行束投影的重排 只涉及到相同ζ層的數(shù)據(jù)，對于任意ζ層，包含360角度范圍內(nèi)的投影數(shù)據(jù)，其中，
λ和Θ滿足θ = λ%231，％表示求余運(yùn)算，s表示光源到探測器的距離，Δ Ζ表示 錐形束源點(diǎn)與虛擬扇形束源點(diǎn)的距離，D表示螺旋掃描中心射束位置到轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸的距離。
[0055] 對于任意z層，定義旋轉(zhuǎn)軸到(λ, u)和ρ2ζ (λ, u)中射束的最小和最大距離分別為 匕^、^_和^*山_，重排后9辦，〇內(nèi)所有到旋轉(zhuǎn)軸的距離小于^^的射線全部來源于 ?^，11)，而所有到旋轉(zhuǎn)軸的距離大于等于^?1"的射線全部來源于?22〇， 11)，通過這種方式， 便可以將兩組獨(dú)立的扇形束投影融合成一組完整的平行束投影，并且能夠去除兩組投影之 間的冗余數(shù)據(jù)。具體的，重排過程中的幾何關(guān)系如圖5所示，其中，光源到探測器的距離為S， 81到〇1的距離和82到〇2的距離相同且等于D，而 〇1到〇2的距離為L，兩次螺旋掃描的旋轉(zhuǎn)半徑 分別為
PR2 = D，由圖5所示的成像幾何可知，
γ表示帶符號扇角，Μ表示轉(zhuǎn)臺(tái)中心到〇1(〇2)的距離。對于第一組扇形束投影，M = L，
:而對于第二組扇形束投影
由于，當(dāng)t< t2min時(shí)射線全部來源于(λ，U);當(dāng)t彡t2min時(shí)射線全部來源于Ρ2ζ(λ，U)，相應(yīng)的多層平行束 投影qz(i3，t)重排公式表示為：
[0056]
[0057] ，β表示平行束投影角度，且^^[??！?，丨表示旋轉(zhuǎn)軸到平行束的距離^:表示第一 次螺旋掃描的旋轉(zhuǎn)半徑，R 2表示第二次螺旋掃描的旋轉(zhuǎn)半徑，L表示第一次螺旋掃描旋轉(zhuǎn)軸 到第二次螺旋掃描旋轉(zhuǎn)軸的距離;根據(jù)平行束投影的對稱性質(zhì)&(Φ，t)=g z(3I+(})，-t)，其 中，β和Φ的關(guān)系表示為
完全覆蓋被掃描物體橫截面的平行束投影 數(shù)據(jù)重排公式表示為：
[0058]
gz( Φ，t)包含180角度范圍內(nèi)完全覆蓋被掃描物體橫 截面的投影數(shù)據(jù)，其中，Φ表示平行束的投影角度，且滿足Φε[0，π)及te[-RQ，RQ]，R Q表示 為轉(zhuǎn)臺(tái)橫截面的半徑。
[0059] 利用濾波反投影方法完成圖像重建，根據(jù)平行束投影數(shù)據(jù)gz((i)，t)，采用平行束 FBP方法完成圖像重建，公式如下：
其中，f(x，y，z)表示三維 圖像重建結(jié)果，ΚΖ(Φ，t)表示斜坡濾波后的數(shù)據(jù)，?(扒U)表示點(diǎn)（x，y，z)最終投影到平行 束幾何中位置;為減少重排誤差在反投影重建中對重建圖像質(zhì)量的影響，反投影重建方法 也可以通過最初的成像幾何計(jì)算投影位置來完成圖像重建。
[0060] 下面通過具體的數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典 螺旋FDK方法進(jìn)行比較：
[0061 ]構(gòu)建如圖3所示的螺旋錐束CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描成像幾何，并對三維Shepp- Logan體模進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)螺旋成像幾何下對Shepp-Logan體模進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 兩次采得的投影數(shù)據(jù)分別使用本發(fā)明和經(jīng)典螺旋FDK方法進(jìn)行重建，具體的成像幾何參數(shù) 如圖6所示，轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)使用的探測器的尺寸為200X100，而Shepp-Logan體模尺寸為256 X 256X256,即物體在橫向上超出成像視野，投影數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)截?cái)?標(biāo)準(zhǔn)螺旋掃描仿真實(shí)驗(yàn) 中探測器尺寸為200 X 256，而物體的尺寸為256 X 256 X 256，即投影數(shù)據(jù)不存在橫向數(shù)據(jù)截 斷。轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描的第360度投影數(shù)據(jù)分別如圖7中7(a)和7(b)所示，圖7(a)和7 (b) 分別表示第一次螺旋掃描和第二次螺旋掃描;而標(biāo)準(zhǔn)螺旋掃描第360度投影數(shù)據(jù)如圖7 (c) 所示;本發(fā)明和經(jīng)典螺旋FDK方法的重建結(jié)果如圖8所示，圖8中：（&)、（13)、（(：)分別表示 經(jīng)典螺旋FDK方法重建結(jié)果的x-y、y_z和x-z中心切片，（d)、（e)、（f)分別表示本發(fā)明重建結(jié) 果的x-y、y-z和χ-ζ中心切片;重建結(jié)果剖線如圖9所示，圖9中（a)、（b)、（c)分別表示圖8中 所示的x-y、y-z和χ-ζ中心切片的垂直剖線。
[0062]為進(jìn)一步對重建結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，通過對重建三維圖像的誤差均方根進(jìn)行比較，如 圖10，誤差均方根可根據(jù)式
·算得到，其中，f jPfr分別表示 真值和重建結(jié)果，N表示體素個(gè)數(shù)。
[0063] 由圖8的重建結(jié)果可以看出，本發(fā)明能夠有效對螺旋錐束CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次掃描的 投影數(shù)據(jù)實(shí)施重建，重建結(jié)果中沒有明顯的截?cái)鄠斡昂蛨D像不均勻現(xiàn)象;進(jìn)一步從圖9中的 剖線圖數(shù)值比較可以看出，本發(fā)明重建結(jié)果在數(shù)值上與真值相差很小，表明本發(fā)明重建結(jié) 果具有較高的數(shù)值準(zhǔn)確性；圖9和圖10中與經(jīng)典螺旋FDK方法使用標(biāo)準(zhǔn)螺旋錐束投影重建結(jié) 果的對比可以說明，本發(fā)明重建結(jié)果沒有引入新的誤差，重建圖像質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)螺旋Π )Κ算法 的重建質(zhì)量相當(dāng)。
[0064] 以上說明本發(fā)明能夠有效的處理投影數(shù)據(jù)的融合和數(shù)據(jù)截?cái)鄦栴}，在擴(kuò)大CT成像 視野的同時(shí)，成像不會(huì)引入額外誤差，重建質(zhì)量較好，與標(biāo)準(zhǔn)螺旋roK算法重建質(zhì)量相當(dāng)；同 時(shí)，與目前螺旋錐束CT擴(kuò)展視野算法的橫向視野擴(kuò)展率不能大于2倍的現(xiàn)狀相比，本發(fā)明能 夠更有效地?cái)U(kuò)展螺旋錐束CT的橫向成像視野，如圖6所示，本次實(shí)驗(yàn)的橫向視野擴(kuò)展率為 2.56〇
[0065] 本發(fā)明不局限于上述【具體實(shí)施方式】，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可據(jù)此做出多種變化，但 任何與本發(fā)明等同或者類似的變化都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層重排重建方法，其特征在于：包含如下步 驟： 步驟1、對被掃描物體在轉(zhuǎn)臺(tái)的同一側(cè)進(jìn)行兩次螺旋掃描，兩次螺旋掃描射線對被掃描 物體橫截面的覆蓋區(qū)域之間相互有交疊，兩次螺旋掃描總的覆蓋區(qū)域大于等于被掃描物體 橫截面的一半； 步驟2、通過螺旋掃描得到相應(yīng)的螺旋錐形束投影，在成像幾何下將螺旋錐形束投影分 別重排成相應(yīng)的多層扇形束投影； 步驟3、將多層扇形束投影分別重排成相應(yīng)的多層平行束投影，并在重排過程中對平行 束幾何進(jìn)行統(tǒng)一，同時(shí)利用平行束投影的對稱性質(zhì)去除數(shù)據(jù)的橫向截?cái)?，得到一組完全覆 蓋被掃描物體橫截面的平行束投影數(shù)據(jù)； 步驟4、利用濾波反投影方法完成圖像重建。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層重排重建方法，其特征在 于:步驟2中具體包含如下內(nèi)容： 步驟2.1、構(gòu)建成像幾何的等價(jià)幾何模型，承載被掃描物體的轉(zhuǎn)臺(tái)做順時(shí)針螺旋軌跡運(yùn) 動(dòng)等價(jià)于光源和探測器同步做逆時(shí)針螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)在水平方向的偏移等同于光源和 探測器同步沿相反方向的平移，W螺旋掃描的面陣探測器中屯、為原點(diǎn)定義旋轉(zhuǎn)的笛卡爾直 角坐標(biāo)系(心￥：1，'\￥〇，坐標(biāo)軸的方向向量為^，，（2)、^^桃、e?,.(義).，其中，i等于1或2,表示第i 次螺旋掃描，W軸與面陣探測器的法向量平行，U軸和V軸分別沿面陣探測器的行方向和列方 向；在固定坐標(biāo)系(x，y，z)情況下，坐標(biāo)軸方向向量表示為：步驟2.2、根據(jù)等價(jià)幾何模型，沿探測器水平方向同步偏移光源和探測器進(jìn)行螺旋掃 描，得到螺旋錐形束投影6ι(λ，υ，ν)，λ為投影角度，（u，v)表示面探測器上的點(diǎn)； 步驟2.3、根據(jù)重排公式，得到相應(yīng)的重排后的多層 扇形束投影ρ?ζ(θ，ιι)，θ表示扇形投影角度，U表示線陣探測器探元位置，Z表示被掃描物體第 Ζ層橫截面，對于任意Ζ層，piz(0，u)包含360角度范圍內(nèi)的投影數(shù)據(jù)，其中和Θ滿足θ = λ%2π，％表示求余運(yùn)算，S表示光源到探測器的距離，Δζ表示錐形束源點(diǎn)與虛 擬扇形束源點(diǎn)的距離，D表示螺旋掃描中屯、射束位置到轉(zhuǎn)臺(tái)中屯、軸的距離。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層重排重建方法，其特征在 于:所述步驟3具體包含如下內(nèi)容： 步驟3.1、相應(yīng)的多層平行束投影qz (β，t)重排公式表示為：e表示平行束投影角度，且0￡[〇,231)，*表示旋轉(zhuǎn)軸到平行束的距離，町表示第一次螺旋 掃描的旋轉(zhuǎn)半徑，R2表示第二次螺旋掃描的旋轉(zhuǎn)半徑，L表示第一次螺旋掃描旋轉(zhuǎn)軸到第二 次螺旋掃描旋轉(zhuǎn)軸的距離，分別表示旋轉(zhuǎn)軸到ρ1ζ(λ，11)中射束的最小、最大距離； t2min、t2max分別表示旋轉(zhuǎn)軸到Ρ2ζ(λ，11)中射束最小、最大距離； 步驟3.2、根據(jù)平行束投影的對稱性質(zhì)gz(Φ，t)=gz(3?+Φ，-t)，其中，β和Φ的關(guān)系表示 為：完全覆蓋被掃描物體橫截面的平行束投影數(shù)據(jù)重排公式表示 為：gz( Φ，t)包含180角度范圍內(nèi)完全覆蓋被掃描物體橫截面 的投影數(shù)據(jù)，其中，Φ表示平行束的投影角度，且滿足φε[〇,3?)及化[-柄，帖]，柏表示為轉(zhuǎn) 臺(tái)橫截面的半徑。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的X射線CT轉(zhuǎn)臺(tái)單側(cè)兩次螺旋掃描單層重排重建方法，其特征在 于:步驟4中利用濾波反投影方法完成圖像重建包含:根據(jù)平行束投影數(shù)據(jù)gz( Φ，t)，采用 平行束FBP方法完成圖像重建，公式如下：'其中，f(x，y，z)表示Ξ維圖像重建結(jié)果，Κζ(Φ，t)表示 斜坡濾波后的數(shù)據(jù)，攻巧X，的表示點(diǎn)(X，y，Z)最終投影到平行束幾何中位置。
【文檔編號】A61B6/03GK105973917SQ201610512467
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】韓玉, 李磊, 程根陽, 閆鑌, 席曉琦, 王林元, 王彪
【申請人】中國人民解放軍信息工程大學(xué)