專利名稱：C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法
技術領域：
本發明涉及一種C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，屬于生物醫學成像領域，適用于C型臂X射線的斷層成像。
背景技術：
C型臂成像系統主要由C型臂及安裝C型臂兩端的X射線源和平板檢測器組成。X射線源發射的X射線光信號在空間中形成錐束，C型臂可繞水平軸線在有限空間內進行最大角度范圍的旋轉，與此同時，平板檢測器能可采集X射線衰減后的光信號。這些光信號又能轉換為錐束投影數據，利用這些數據就能重建出CT斷層圖像。具備CT斷層功能的C型臂在臨床診斷和手術評估具有重要的應用價值，是一項具有廣泛應用前景的重要技術。利用C型臂進行斷層重建，最實用的掃描軌跡是圓弧軌跡。目前有FDK類型和Katsevich類型兩類算法可以實現相應的重建。前者是借鑒Feldmap等人在Journal ofthe Optical Society of America上發表的Practical cone beam algorithm論文的思想，將二維扇束重建公式向錐束投影空間的推廣，屬于近似錐束重建算法。后者是Guang-HongChen 等人利用 Katsevich 在 International Jounal of Mathematics and MathematicalSciences 上發表的A general scheme for constructing inversion algorithm for conebeam CT論文的思想,將精確錐束重建算法推廣到圓弧軌跡,并申請美國專利cone beamfiltered backprojection image reconstruction method for short trajectories,其專利號為US7，203，272 B2，屬于半精度的錐束重建算法。雖然FDK類型算法重建思想簡單，速度較快，全圓軌跡的FDK算法在較小的錐角(< ±4° )下，能取得良好的重建效果，然而對于圓弧軌跡的FDK類型算法重建密度差較大的物體時在錐角±2°左右就出現了偽像。Katsevich類型重建算法的關鍵是計算臨界面的構造因子。Guang-Hong Chen等人利用通過重建點與圓弧軌跡的端點且與軌跡平面垂直的平面將圓弧軌跡分成三段，再利用射源所在軌跡區段位置來判別構造因子的大小。因不同的重建點會將圓弧軌跡分成不同的三個區段，從而不同的投影角度以及不同的重建點都需要判別構造因子的大小，并且相應的計算關系還需要一些平方、開方以及三角函數的運算，是一個相對復雜計算判別過程。因此，盡管Katsevich類型的算法可獲得較精確的重建結果，結構因子的復雜計算過程不利于算法的并行處理，從而降低了重建算法的計算效率。此外，在某些投影角度上Katsevich類型重建算法存在沿豎直或者接近豎直方向的濾波線，而Guang-Hong Chen等人提出的算法并未對投影數據沿檢測器豎直方向進行重采樣，影響了重建結果的精度。以上兩點不利于Katsevich類型錐束重建算法在實際中的應用。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而提供一種C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，其特點是將Katsevich精確重建算法應用到圓弧軌跡，利用同一條投影射線上的重建點構造因子相同，將結構因子相關的計算映射到檢測器平面上，獲得構造因子計算規則，進而得到具有濾波反投影的重建公式。避免了現有Katsevich重建算法構造因子的復雜計算過程，提高重建算法的速度；同時也避免了 FDK類型算法重建精度不高的缺點，為C型臂斷層成像提供方法支撐。本發明的目的由以下技術措施實現C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法包括以下步驟檢測器上的陣元接受X射線源發射的X射線衰減信號；x射線源和檢測器繞水平軸線旋轉，數據采集系統將陣元獲取的X射線衰減信號轉換為錐束投影數據；圖像重建系統接收錐束投影數據，輸入錐束投影數據預處理模塊進行預處理；預處理后的投影數據并行輸入到偏導數模塊I、偏導數模塊II和偏導數模塊III計算關于不同參數的偏導數；偏導加權模塊并行接收相應的偏導數據，進行加權求和，獲得投影數據的偏導數g, ( λ，U，V);投影數據的偏導數并行輸入到濾波模塊I、濾波模塊II和濾波模塊III分別計算沿三類濾波線的濾波；濾波加權反投影模塊并行接收三類濾波數據，進行權重求和，產生反投影數據，再進行沿圓弧軌跡的反投影操作，獲得斷層圖像。所述數據采集系統是把檢測器陣元接收的X射線模擬信號轉換為數字信號，進而轉化成錐束投影數據。所述射源發射X射線，并繞水平軸線旋轉，產生圓弧掃描軌跡，包括短掃描和超短掃描軌跡。所述檢測器是指二維平板檢測器，由若干個陣元組成，每個陣元可感光X射線。所述的沿三類濾波線是指與圓弧軌跡相切的臨界面與檢測器平面的交線；過圓弧起始或終止端點的臨界面與檢測器平面的交線。所述的沿三類濾波線的濾波是指偏導數據沿與圓弧軌跡相切的臨界面與檢測器平面的交線進行的希爾伯特濾波gfμ, ,W ;偏導數據沿過圓弧起始端點的臨界面與檢測
器平面的交線進行的希爾伯特濾波Z μ，〃，V);偏導數據沿過圓弧終止端點的臨界面與檢
測器平面的交線進行的希爾伯特濾波gf (Akv)。在進行偏導數據沿過圓弧起始端點的臨界面與檢測器平面的交線進行的希爾
伯特濾波V(人〃,V，)前，需過端點在檢測器上的投影點作斜率為-I的直線，將位于該直
線下方的偏導數據g' (λ，ιι，ν)乘以-1，獲得修正后偏導數據g ' S(A,U,V), g /s(A,u, v)沿縱向或橫向坐標方向進行重采樣獲得橫向修正后偏導數據g ^ sh(A,u, v)或
縱向修正后偏導數據為。^入，1^)，再進行希爾伯特濾波，得到&^人^0，其值為
gs (X,//, V) = A11 -T====h// (It - U )du + A21 ,、 ，〒/ "(V —v’) ，其中:kdPk2"λ//)- + W ' + V 'a V./.)- + 1.1 ' + V '
取值只能是O或I且Ii1和k2異或值為I。在進行偏導數據沿過圓弧終止端點的臨界面與檢測器平面的交線進行的希爾
伯特濾波i μ，《,ν)前，需過端點在檢測器上的投影點作斜率為-I的直線，將位于該直
線下方的偏導數據g' (λ，ιι，ν)乘以-1，獲得修正后偏導數據g ' e(A,u,v), g /e(A,u, v)沿縱向或橫向坐標方向進行重采樣獲得橫向修正后偏導數據g ^ eh(A,u, v)或縱向修正后偏導數據為g ^ ^(入…^^再進行希爾伯特濾波’得到發^人^^^其值為
權利要求
1.一種C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，其特征在于成像方法的步驟包括檢測器(4)上的陣元(5)接受X射線源(2)發射的X射線(3)衰減信號；X射線源(2)和檢測器(4)繞水平軸線(9)旋轉，數據采集系統(11)將陣元(5)獲取的X射線(3)衰減信號轉換為錐束投影數據；圖像重建系統(15)接收錐束投影數據，輸入錐束投影數據預處理模塊(20)進行預處理；預處理后的投影數據并行輸入到偏導數模塊I (21)、偏導數模塊II (22)和偏導數模塊111(23)計算關于不同參數的偏導數；偏導加權模塊(24)并行接收相應的偏導數據，進行加權求和，獲得投影數據的偏導數g ^ (A,u, v);投影數據的偏導數并行輸入到濾波模塊I (25)、濾波模塊II (26)和濾波模塊111(27)分別計算沿三類濾波線的濾波；濾波加權反投影模塊(28 )并行接收三類濾波數據，進行權重求和，產生反投影數據，再進行沿圓弧軌跡的反投影操作，獲得斷層圖像(29 )。
2.根據權利要求I所述C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，其特征在于所述數據采集系統(11)是把檢測器陣元接收的X射線模擬信號轉換為數字信號，進而轉化成錐束投影數據。
3.根據權利要求I所述C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，其特征在于所述射源發射X射線(3)，并繞水平軸線旋轉，產生圓弧掃描軌跡，包括短掃描和超短掃描軌跡。
4.根據權利要求I所述C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，其特征在于所述檢測器(4)是指二維平板檢測器，由若干個陣元組成，每個陣元可感光X射線。
5.根據權利要求I所述的C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，其特征在于所述的沿三類濾波線是指與圓弧軌跡相切的臨界面與檢測器平面的交線；過圓弧起始或終止端點的臨界面與檢測器平面的交線。
6.根據權利要求I所述的C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，其特征在于所述的沿三類濾波線的濾波是指偏導數據沿與圓弧軌跡相切的臨界面與檢測器平面的交線進行的希爾伯特濾波^μ,〃，V，)；偏導數據沿過圓弧起始端點的臨界面與檢測器平面的交線進行的希爾伯特濾波Kμ，〃,V，)；偏導數據沿過圓弧終止端點的臨界面與檢測器平面的交線進行的希爾伯特濾波^ (疋〃，V)。
7.根據權利要求I或6所述所述的C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，其特征在于在進行偏導數據沿過圓弧起始端點的臨界面與檢測器平面的交線進行的希爾伯特濾波V)前，需過端點在檢測器上的投影點作斜率為-I的直線，將位于該直線下方的偏導數據g' (λ，ιι，ν)乘以-1，獲得修正后偏導數據g ' s(A,u, v),沿縱向或橫向坐標方向進行重采樣獲得橫向修正后偏導數據g ^ sh(A，u，v)或縱向修正后偏導數據為g' ”^，!!，^，再進行希爾伯特濾波’得到
8.根據權利要求I或6所述所述的C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，其特征在于在進行偏導數據沿過圓弧終止端點的臨界面與檢測器平面的交線進行的希爾伯特濾波<μ，〃,V，)前，需過端點在檢測器上的投影點作斜率為-I的直線，將位于該直線下方的偏導數據g' (λ，ιι，ν)乘以-1，獲得修正后偏導數據g ' e(A,u,v), g /e(A,u, v)沿縱向或橫向坐標方向進行重采樣獲得橫向修正后偏導數據g ^ eh(A,u, v)或縱向修正后偏導數據為g ^ ev( λ，U，V)，再進行希爾伯特濾波，得到兄:(1，〃，V)，其值為
9.根據權利要求I所述的C型臂半精確濾波反投影斷層成像方法，其特征在于所述的三種濾波數據的加權是指三類濾波數據g/'、g (λ, H, V)和iff μ，〃. V)按照公式g:. (A,u,v) + 0.5g" (/!.,〃, v)-0.5gf (1，M，V)進行加權,獲得反投影值。
全文摘要
本發明公開了一種適合于C型臂成像設備的斷層成像方法，其特點是該方法具有移不變特征，對圓弧軌跡掃描的錐束投影數據進行半精確重建。圓弧軌跡是短掃描軌跡，即π加扇角掃描軌跡；也是超短掃描軌跡，即小于短掃描的軌跡。此方法包括權重投影數據的偏導數；沿水平與非水平方向的一維希爾伯特變換；圓弧軌跡的反投影。相對FDK類型近似重建算法，本發明提出的方法具有重建精度、離散誤差小等優點。
文檔編號A61B6/02GK102973291SQ20121055865
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者王瑜, 李迅波, 陳亮, 王成棟, 汪忠來, 梁巍, 黃建龍 申請人:電子科技大學