专利名称：C型臂半精确滤波反投影断层成像方法
技术领域：
本发明涉及一种C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，属于生物医学成像领域，适用于C型臂X射线的断层成像。
背景技术：
C型臂成像系统主要由C型臂及安装C型臂两端的X射线源和平板检测器组成。X射线源发射的X射线光信号在空间中形成锥束，C型臂可绕水平轴线在有限空间内进行最大角度范围的旋转，与此同时，平板检测器能可采集X射线衰减后的光信号。这些光信号又能转换为锥束投影数据，利用这些数据就能重建出CT断层图像。具备CT断层功能的C型臂在临床诊断和手术评估具有重要的应用价值，是一项具有广泛应用前景的重要技术。利用C型臂进行断层重建，最实用的扫描轨迹是圆弧轨迹。目前有FDK类型和Katsevich类型两类算法可以实现相应的重建。前者是借鉴Feldmap等人在Journal ofthe Optical Society of America上发表的Practical cone beam algorithm论文的思想，将二维扇束重建公式向锥束投影空间的推广，属于近似锥束重建算法。后者是Guang-HongChen 等人利用 Katsevich 在 International Jounal of Mathematics and MathematicalSciences 上发表的A general scheme for constructing inversion algorithm for conebeam CT论文的思想,将精确锥束重建算法推广到圆弧轨迹,并申请美国专利cone beamfiltered backprojection image reconstruction method for short trajectories,其专利号为US7，203，272 B2，属于半精度的锥束重建算法。虽然FDK类型算法重建思想简单，速度较快，全圆轨迹的FDK算法在较小的锥角(< ±4° )下，能取得良好的重建效果，然而对于圆弧轨迹的FDK类型算法重建密度差较大的物体时在锥角±2°左右就出现了伪像。Katsevich类型重建算法的关键是计算临界面的构造因子。Guang-Hong Chen等人利用通过重建点与圆弧轨迹的端点且与轨迹平面垂直的平面将圆弧轨迹分成三段，再利用射源所在轨迹区段位置来判别构造因子的大小。因不同的重建点会将圆弧轨迹分成不同的三个区段，从而不同的投影角度以及不同的重建点都需要判别构造因子的大小，并且相应的计算关系还需要一些平方、开方以及三角函数的运算，是一个相对复杂计算判别过程。因此，尽管Katsevich类型的算法可获得较精确的重建结果，结构因子的复杂计算过程不利于算法的并行处理，从而降低了重建算法的计算效率。此外，在某些投影角度上Katsevich类型重建算法存在沿竖直或者接近竖直方向的滤波线，而Guang-Hong Chen等人提出的算法并未对投影数据沿检测器竖直方向进行重采样，影响了重建结果的精度。以上两点不利于Katsevich类型锥束重建算法在实际中的应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特点是将Katsevich精确重建算法应用到圆弧轨迹，利用同一条投影射线上的重建点构造因子相同，将结构因子相关的计算映射到检测器平面上，获得构造因子计算规则，进而得到具有滤波反投影的重建公式。避免了现有Katsevich重建算法构造因子的复杂计算过程，提高重建算法的速度；同时也避免了 FDK类型算法重建精度不高的缺点，为C型臂断层成像提供方法支撑。本发明的目的由以下技术措施实现C型臂半精确滤波反投影断层成像方法包括以下步骤检测器上的阵元接受X射线源发射的X射线衰减信号；x射线源和检测器绕水平轴线旋转，数据采集系统将阵元获取的X射线衰减信号转换为锥束投影数据；图像重建系统接收锥束投影数据，输入锥束投影数据预处理模块进行预处理；预处理后的投影数据并行输入到偏导数模块I、偏导数模块II和偏导数模块III计算关于不同参数的偏导数；偏导加权模块并行接收相应的偏导数据，进行加权求和，获得投影数据的偏导数g, ( λ，U，V);投影数据的偏导数并行输入到滤波模块I、滤波模块II和滤波模块III分别计算沿三类滤波线的滤波；滤波加权反投影模块并行接收三类滤波数据，进行权重求和，产生反投影数据，再进行沿圆弧轨迹的反投影操作，获得断层图像。所述数据采集系统是把检测器阵元接收的X射线模拟信号转换为数字信号，进而转化成锥束投影数据。所述射源发射X射线，并绕水平轴线旋转，产生圆弧扫描轨迹，包括短扫描和超短扫描轨迹。所述检测器是指二维平板检测器，由若干个阵元组成，每个阵元可感光X射线。所述的沿三类滤波线是指与圆弧轨迹相切的临界面与检测器平面的交线；过圆弧起始或终止端点的临界面与检测器平面的交线。所述的沿三类滤波线的滤波是指偏导数据沿与圆弧轨迹相切的临界面与检测器平面的交线进行的希尔伯特滤波gfμ, ,W ;偏导数据沿过圆弧起始端点的临界面与检测
器平面的交线进行的希尔伯特滤波Z μ，〃，V);偏导数据沿过圆弧终止端点的临界面与检
测器平面的交线进行的希尔伯特滤波gf (Akv)。在进行偏导数据沿过圆弧起始端点的临界面与检测器平面的交线进行的希尔
伯特滤波V(人〃,V，)前，需过端点在检测器上的投影点作斜率为-I的直线，将位于该直
线下方的偏导数据g' (λ，ιι，ν)乘以-1，获得修正后偏导数据g ' S(A,U,V), g /s(A,u, v)沿纵向或横向坐标方向进行重采样获得横向修正后偏导数据g ^ sh(A,u, v)或
纵向修正后偏导数据为。^入，1^)，再进行希尔伯特滤波，得到&^人^0，其值为
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异或值为I。在进行偏导数据沿过圆弧终止端点的临界面与检测器平面的交线进行的希尔
伯特滤波i μ，《,ν)前，需过端点在检测器上的投影点作斜率为-I的直线，将位于该直
线下方的偏导数据g' (λ，ιι，ν)乘以-1，获得修正后偏导数据g ' e(A,u,v), g /e(A,u, v)沿纵向或横向坐标方向进行重采样获得横向修正后偏导数据g ^ eh(A,u, v)或纵向修正后偏导数据为g ^ ^(入…^^再进行希尔伯特滤波’得到发^人^^^其值为
权利要求
1.一种C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特征在于成像方法的步骤包括检测器(4)上的阵元(5)接受X射线源(2)发射的X射线(3)衰减信号；X射线源(2)和检测器(4)绕水平轴线(9)旋转，数据采集系统(11)将阵元(5)获取的X射线(3)衰减信号转换为锥束投影数据；图像重建系统(15)接收锥束投影数据，输入锥束投影数据预处理模块(20)进行预处理；预处理后的投影数据并行输入到偏导数模块I (21)、偏导数模块II (22)和偏导数模块111(23)计算关于不同参数的偏导数；偏导加权模块(24)并行接收相应的偏导数据，进行加权求和，获得投影数据的偏导数g ^ (A,u, v);投影数据的偏导数并行输入到滤波模块I (25)、滤波模块II (26)和滤波模块111(27)分别计算沿三类滤波线的滤波；滤波加权反投影模块(28 )并行接收三类滤波数据，进行权重求和，产生反投影数据，再进行沿圆弧轨迹的反投影操作，获得断层图像(29 )。
2.根据权利要求I所述C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特征在于所述数据采集系统(11)是把检测器阵元接收的X射线模拟信号转换为数字信号，进而转化成锥束投影数据。
3.根据权利要求I所述C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特征在于所述射源发射X射线(3)，并绕水平轴线旋转，产生圆弧扫描轨迹，包括短扫描和超短扫描轨迹。
4.根据权利要求I所述C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特征在于所述检测器(4)是指二维平板检测器，由若干个阵元组成，每个阵元可感光X射线。
5.根据权利要求I所述的C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特征在于所述的沿三类滤波线是指与圆弧轨迹相切的临界面与检测器平面的交线；过圆弧起始或终止端点的临界面与检测器平面的交线。
6.根据权利要求I所述的C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特征在于所述的沿三类滤波线的滤波是指偏导数据沿与圆弧轨迹相切的临界面与检测器平面的交线进行的希尔伯特滤波^μ,〃，V，)；偏导数据沿过圆弧起始端点的临界面与检测器平面的交线进行的希尔伯特滤波Kμ，〃,V，)；偏导数据沿过圆弧终止端点的临界面与检测器平面的交线进行的希尔伯特滤波^ (疋〃，V)。
7.根据权利要求I或6所述所述的C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特征在于在进行偏导数据沿过圆弧起始端点的临界面与检测器平面的交线进行的希尔伯特滤波V)前，需过端点在检测器上的投影点作斜率为-I的直线，将位于该直线下方的偏导数据g' (λ，ιι，ν)乘以-1，获得修正后偏导数据g ' s(A,u, v),沿纵向或横向坐标方向进行重采样获得横向修正后偏导数据g ^ sh(A，u，v)或纵向修正后偏导数据为g' ”^，!!，^，再进行希尔伯特滤波’得到
8.根据权利要求I或6所述所述的C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特征在于在进行偏导数据沿过圆弧终止端点的临界面与检测器平面的交线进行的希尔伯特滤波<μ，〃,V，)前，需过端点在检测器上的投影点作斜率为-I的直线，将位于该直线下方的偏导数据g' (λ，ιι，ν)乘以-1，获得修正后偏导数据g ' e(A,u,v), g /e(A,u, v)沿纵向或横向坐标方向进行重采样获得横向修正后偏导数据g ^ eh(A,u, v)或纵向修正后偏导数据为g ^ ev( λ，U，V)，再进行希尔伯特滤波，得到兄:(1，〃，V)，其值为
9.根据权利要求I所述的C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特征在于所述的三种滤波数据的加权是指三类滤波数据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)进行加权,获得反投影值。
全文摘要
本发明公开了一种适合于C型臂成像设备的断层成像方法，其特点是该方法具有移不变特征，对圆弧轨迹扫描的锥束投影数据进行半精确重建。圆弧轨迹是短扫描轨迹，即π加扇角扫描轨迹；也是超短扫描轨迹，即小于短扫描的轨迹。此方法包括权重投影数据的偏导数；沿水平与非水平方向的一维希尔伯特变换；圆弧轨迹的反投影。相对FDK类型近似重建算法，本发明提出的方法具有重建精度、离散误差小等优点。
文档编号A61B6/02GK102973291SQ20121055865
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者王瑜, 李迅波, 陈亮, 王成栋, 汪忠来, 梁巍, 黄建龙 申请人:电子科技大学