专利名称：一种自适应插值方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗设备领域，特别是一种自适应插值方法和装置。
背景技术：
在X射线计算机断层成像(Computed Tomography,CT)设备中，通常有两种方法来测量或计算X射线球管的投影角度。一 种是固定时间触发方法，该方法中检测器(DMS，Datameasurement system)在固定的时间间隔At内读片(reading,即采集X射线投影数据)。在该时间间隔At内，X射线球管的旋转角度称为角度间隔^，其为X射线管旋转角速度Co在间隔时间t内的积分，其中角速度《 = v/r, V为旋转速度，r为机架孔的半径。理论上旋转速度V是固定不变的，所以两次读片间的角度间隔^应该是一个常数。不过，由于机架在旋转过程中并不能保持绝对的平衡和稳定，且机架的旋转部分与静止部分间的摩擦会随着温度而变化，所以旋转速度并不是固定不变的，进而两次读片间的角度间隔也发生变化，这种变化会影响CT成像质量，如产生伪影等。当旋转速度的变化超过门限值时，图像质量就会变得很差。另一种测量或计算实际投影角度的方法是固定位置触发方法，该方法中检测器在X射线管的固定角度位置处读片。理论上，需要测量图像重建所需的全部投影角度，否则会导致图像模糊或者图像质量很差。如在高端CT设备中，利用安装在机架上的1000个以上的位置传感器来采样X射线球管的角度位置，于是检测器可以每隔360° /1000 = 0. 36°就进行一次读片，这种方式极大地减少了角度差，从而极大地改善了成像质量。不过由于设置有大量的位置传感器和复杂的信号采集和控制系统，产品成本也非常高，所以无法用于低端CT设备上。为了在产品成本过和成像质量之间寻求一个合适的平衡点，现有技术提出一种将位置传感器与固定时间触发方法相结合的方法，其采用线性插值或二次插值的方法来生成每次读片的投影角度。不过这种方法插值的准确率和对成像质量的改善是有限的，除非仍使用大量的位置传感器。申请号为201110145184. 7发明专利申请公开了一种用于保持扫描间隔不变的时间触发装置和方法，该申请需要改变CT设备的固件(firmware)和控制系统，如可编程计时器还是需要花费一定成本。而本申请则无需改变CT设备的固件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应插值方法和装置，以计算每次读片时X射线球管的投影角度，并用较低的成本来实现使两次连续读片间的角度间隔基本不变的目的，提高投影角度计算的准确率，获得较高的成像质量。有鉴于此，本发明提出一种自适应插值方法，所述方法包括一个位置传感器对X射线球管的位置进行采样，以获取X射线球管旋转速度信息；根据所述旋转速度信息来设定一插值系数，以使两次连续读片间的角度间隔保持不变；根据所述插值系数按如下公式来计算每次读片时X射线球管的投影角度CIv= I (t) *360，其中I (t)为插值系数，t为某次读片的时间点，a (V)为该次读片时X射线球管的投影角度，a v为在时间点t时X射线球管的投影角度。从而在不改变及增加设备固件的情况下，用较低的成本保持两次连续读片间X射线球管的角度间隔基本不变。根据本发明的一个实施例，所述设定插值系数的步骤包括获取所述插值系数的基本曲线；根据所述旋转速度信息得到一个调整系数，并用该调整系数来改变所述基本曲线的频率。根据本发明的另一个实施例，所述获取基本曲线的步骤包括根据一个与角度间隔有关的已知变量来获取所述插值系数的基本曲线。根据本发明的再一个实施例,所述已知变量是机架重力弓I起的变量。
根据本发明的又一个实施例，所述基本曲线为一正弦曲线。根据本发明的又一个实施例，所述正弦曲线的初始相位和幅度是固定的，频率能根据所述机架旋转速度信息来调整。根据本发明的再一个实施例，所述方法进一步包括根据所述投影角度进行读片，以获取X射线投影数据。本发明还提供一种自适应插值装置，所述装置包括一个位置传感器，用于对X射线球管的位置进行采样，以获取X射线球管旋转速度信息；一个插值系数设定组件，用于根据所述旋转速度信息来设定插值系数，以使两次连续读片间的角度间隔保持不变；一投影角度计算组件，用于根据所述插值系数按如下公式来计算每次读片时X射线球管的投影角度= I (t)*360,其中，I (t)为所述插值系数，t为某次读片的时间点，a (v)为该次读片时X射线球管的投影角度，a v为在时间点t时X射线球管的投影角度。从而在不改变及增加设备固件的情况下，用较低的成本保持两次连续读片间X射线球管的角度间隔基本不变。根据本发明的一个实施例，所述插值系数设定组件包括固定模块，用于存储所述插值系数的基本曲线；可变模块，用于根据所述旋转速度信息得到一个调整系数，并用该调整系数来改变所述基本曲线的频率。根据本发明的一个实施例，所述装置进一步包括一读片组件，用于根据所述投影角度进行读片，以获取X射线投影数据。从上述方案中可以看出，由于本发明能在不改变及增加设备固件的情况下，用较低的成本保持两次连续读片间X射线球管的角度间隔基本不变，以提高成像质量；同时，本发明只需一个位置传感器来采样机架的旋转速度信息，相比固定位置触发方法，能大大简化数据采集系统控制电路板的结构，降低数据采集系统的成本。此外，本发明还能提高计算投影角度的准确率。
下面将通过参照附图详细描述本发明的实施例，使本领域技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中图I为本发明获取插值系数的示意图。图2a为本发明自适应插值方法得到的两次连续读片间的角度间隔与实际角度间隔的比较示意图。图2b为本发明自适应插值方法得到的投影角度与实际投影角度的差值经归一化处理后的不意图。图3a为采用2个位置传感器时，本发明自适应插值方法与线性插值、二次插值方法的得到的角度间隔的比较示意图。图3b为采用24个位置传感器时，本发明自适应插值方法与线性插值、二次插值方法的得到的角度间隔的比较示意图。图4为本发明自适应插值装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。本发明提供一种自适应插值方法和装置，以用较低的成本来实现保持两次连续读片间X射线球管的角度间隔基本不变的目的。这里，两次连续读片间的时间间隔At是不变的，其角度间隔可以经本发明的自适应插值方法得以校正。本发明自适应插值方法可以配置到设备的软件中去，这样就无需改变或增加设备的固件，从而节约成本。以下以CT设备为例进行具体说明。如背景技术所述，现有技术中采用的线性插值的公式为
I — tt 一 t v =(V) + ――L OCa (v), tx<t<t2 (I)。
t j 12 12 t'其中，相邻两个位置传感器的采样时间点为t2，相应的投影角度为atl(v)、at2(v)。由于两次连续读片间的时间间隔是固定的，所以t2_ti = At，t为某次读片的时间点，是一个已知量，这样可用公式⑴计算出a (v).现有技术中提到的二次插值的公式为
(t —12 )(t — ^ ){t — t. )(t -^)(t — t7)(t — to)
v =-——^~Tan(v) + —^T+ -^—a, Jv) (2),
(G - ,2)(,丨 ,3)(^2 - 0(,2 -^)(,3 一冬)(G _Z2)其中，在初始条件下，tl彡t彡t2彡t3，在其他条件下，&彡t2彡t彡t3。相邻三个位置传感器的采样时间点为ti、t2、t3,相应的投影角度为a tl (v)、a t2(v)、a t3(v)。由于
两次连续读片间的时间间隔是固定的，所以G = h - tID = Ar。而t是已知的，
这样可用公式(2)计算出a (V)。例如在有24个位置传感器的情况下，相邻两个位置传感器的角度间隔为360° /24 = 15°，X 射线球管的旋转周期为 0.48s，则 At = 0.48/24 = 0.02s ;取 a tl(v)=15。，a t2 (V) = 30。，a t3 (V) = 45。, = 0. 02s、t2 = 0. 04s、t3 = 0. 06s,则根据公式(I)或(2)的插值方法可以得到在t = 0. 03s或0. 05s等时刻时读片的投影角度。不过上述线性插值或二次插值方法插值的准确率比较低，对成像质量的改善也有限，除非使用大量的位置传感器，但这会提高产品的成本。这点将在图3a和图3b中具体说明。为降低产品成本，即用较少的位置传感器即可获取每次读片时的投影角度，且使该投影角度与实际投影角度的差值较小，本发明提出一种自适应插值方法，其如下公式(3)来计算每次读片时的投影角度a v = ^ ! (t) a tl (v) + ^ 2 (t) a t2 (v) , ^ t ^ t2 (3)其中Ut)、l2(t)为插值系数。公式(3)中只需要两个位置传感器来获取h采样时间点的投影角度a tl (v)和t2采样时间点的投影角度at2(v)即可。从降低产品成本的角度考虑，本发明自适应插值方法的位置传感器数目可以从两个减少到一个，在这种情况下，公式⑶中h = 0、t2 = T (旋转时间)，a tl(v) = 0, a t2 (v)=360°，于是公式(3)就演变为如下公式(4)a v = ^ (t) *360，0 彡 t 彡 T (4)。公式(3)和⑷中插值系数1抓l2(t)和I⑴不同于公式⑴中的线性插值系数，也不同于公式(2)中二次插值系数，正是插值系数不同使得本发明的自适应插值方法得到的投影角度与实际投影角度的差值更小，且降低对位置传感器数目的需求。图I为本发明获取插值系数的示意图。其包括如下步骤步骤101，用一个位置传感器对X射线球管的位置进行采样，以获取X射线球管旋转速度信息。例如，获取取当前X射线球管旋转一周所需的旋转时间T。步骤102，获取插值系数的基本曲线。可以根据一个与角度间隔有关的已知变量来得到该基本曲线。如在背景技术中所述，在CT扫描中机架的旋转速度并不是固定不变的，旋转速度可分解为四个分量不变的基线速度分量、重力引起的变量、摩擦引起的变量和随机变量。其中重力引起的变量在每个旋转周期中为一正弦曲线且是可预测的，一旦装配好机架，重力引起的变量的正弦曲线的幅度和初始相位就不再改变，除非维护需要重新装配机架。同时在使用中，重力引起的变量可以再次测量和记录。在经过100次以上旋转后，摩擦引起的变量也可看作一近似正弦曲线，其虽不像重力引起的变量那样可预测，但却是可测量的。可以利用一个位置传感器来来获取X射线球管旋转一周所需的旋转时间，由于两次连续旋转之间旋转时间的差异相当小(如不超过0.2%)，所以可以用X射线管上一周的旋转时间来估计摩擦引起的变量。有时，摩擦引起的变量还可看作是重力引起的变量的幅度改变。在上述四个分量中，重力引起的变量和摩擦引起的变量对成像质量的影响最大，而随机变量对成像质量的影响相比重力引起的变量和摩擦引起的变量对成像质量的影响就相对小很多。据此，插值系数只需随着旋转速度同步变化即可将旋转速度的改变对成像质量的影响降低到最小。根据本发明的一个实施例，插值系数可以根据机架重力引起的变量来设定，于是所述基本曲线为一正弦曲线，且其初始相位和幅度是固定不变的。步骤103，根据一带有所述旋转速度信息的查找表来设定所述插值系数。所述查找表包括一个固定模块和一个可变模块。其中固定模块中存储所述插值系数的基本曲线，其在产品交付给客户之前就预先写入，且不会改变，除非由CT服务工程师再次写入。查找表可整合到CT设备的软件系统中。可变模块根据位置传感器获取的旋转时间T得到一个调整系数，并用该调整系数来改变所述基本曲线的频率，这部分可随时写入。由于两次连续读片间的时间间隔是不变的，所以旋转时间T的变化会导致读片次数发生变化，即，旋转时间较长时，读片次数增多，旋转时间较短时，读片次数减少。这种变化在正弦曲线上表现为频率变化。正是这种变化导致成像质量较差。因此本发明的自适应插值方法就通过一个调整系数来调整该基本曲线的频率，以保证两次连续读片间的角度间隔基本不变。如当正弦曲线的频率较快(fl)时，可用一个小于I的调整系数al乘以该频率，以保证两次连续读片间的角度间隔基本不变；当正弦曲线的频率较慢(f2)时，可用一个大于I的调整系数a2乘以该频率，以保证两次连续读片间的角度间隔基本不变，即
(p = jal* 2<1 = fa2 * 2jf2 =(5)
AtAfAt其中fO为所述基本曲线的频率。步骤104，根据获取的插值系数按公式(4)来计算每次读片的投影角度。 进一步，本发明的自适应插值方法包括步骤105，根据所述投影角度进行读片，以获取X射线投影数据。图2a为本发明自适应插值方法得到两次连续读片间的角度间隔与实际的角度间隔的比较示意图。其中，横坐标为一个旋转周期内的读片次数，纵轴为角度间隔，点化线为假设的实际角度间隔变化曲线(如，正弦成分变化幅度为5%，随机成分为1%)，实线为本发明自适应插值方法得到的角度间隔变化曲线，其与实际测量的角度间隔变化曲线基本上是拟合的，角度间隔约在0. 3度左右。图2b为本发明自适应插值方法得到的投影角度与实际投影角度的差值经归一化处理后的示意图。其中，横坐标为一个旋转周期内的读片次数，纵轴为归一化后的投影角度差值。图2b中可看出采用本发明的自适应插值方法投影角度与实际投影角度的差值经归一化后非常小，在±0.01的差值范围之内。其中归一化的投影角度差定义为(实际角度间隔-自适应插值方法获得的角度间隔)/(360°/每次旋转的读片总次数)。图3a为采用2个位置传感器时，本发明自适应插值方法与线性插值、二次插值方法的得到的角度间隔的比较示意图。其中横坐标为一个旋转周期内的读片次数，纵坐标为角度间隔，点化线为假设的实际角度间隔变化曲线(正弦成分变化幅度为5%，随机成分为1%)，实线为本发明自适应插值方法得到的角度间隔变化曲线，点线为线性插值得到的角度间隔变化曲线，虚线为二次插值得到的角度间隔变化曲线。图3a中可见线性插值和二次插值与实际角度间隔变化曲线差异很大，而本发明的自适应插值方法得到的角度间隔变化曲线则能很好地拟合实际角度间隔变化曲线。图3b为采用24个位置传感器时，本发明自适应插值方法与线性插值、二次插值方法的得到的角度间隔的比较示意图。其中横坐标为一个旋转周期内的读片次数，纵坐标为角度间隔，点化线为假设的实际角度间隔变化曲线(正弦成分变化幅度为5%，随机成分为1% )，实线为自适应插值得到的角度间隔变化曲线，点线为线性插值得到的角度间隔变化曲线，长虚线为二次插值得到的角度间隔变化曲线。图3b中可见，在将位置传感器的数量增加到24个后，线性插值和二次插值与实际角度间隔变化曲线差异相比图3a大大减小，而本发明的自适应插值方法得到的角度间隔变化曲线仍与图3a基本一致，仍能很好地拟合实际角度间隔变化曲线。由此可知，相比线性插值和二次插值方法，本发明的自适应插值方法对位置传感器的数目的敏感性大大降低。此外，相比线性插值和二次插值方法，本发明自适应插值方法对旋转速度幅度改变的敏感性也大大降低。本发明还提供一种自适应插值装置I，如图4所示，装置I包括一个位置传感器11，用于对X射线球管的位置进行采样，以获取X射线球管旋转速度f目息。一个插值系数设定组件12，用于根据所述旋转速度信息来设定插值系数，以使两次连续读片间的角度间隔保持不变。其中所述插值系数设定组件包括固定模块，用于存储所述插值系数的基本曲线；可变模块，用于根据所述旋转速度信息得到一个调整系数，并用该调整系数来改 变所述基本曲线的频率。所述基本曲线和用调整系数改变所述基本曲线的频率已在前述获取插值系数的方法中有具体说明，这里不再赘述。一投影角度计算组件13，用于根据所述插值系数按公式(4)来计算每次读片时X射线球管的投影角度。进一步，装置I还包括一读片组件14，用于根据所述投影角度进行读片，以获取X射线投影数据。可见用本发明的自适应方法和装置可使在X射线管旋转一周的过程中，连续两次读片间的角度间隔的大小基本相等，从而最小化角度间隔的变化，能减少CT图像中的伪影，使低端CT设备无需通过额外增加校正固件就能提高成像质量，能节省产品成本。另外，由于只需要一个位置传感器，大大简化数据采集系统控制电路板的结构。本发明涉及医疗设备领域，特别是一种自适应插值方法。所述方法包括一个位置传感器对X射线球管的位置进行采样，以获取X射线球管旋转速度信息；根据所述旋转速度信息来设定一插值系数，以使两次连续读片间的角度间隔保持不变；根据所述插值系数按如下公式来计算每次读片时X射线球管的投影角度CIv= I (t)*360，其中I (t)为插值系数，t为某次读片的时间点，a (v)为该次读片时X射线球管的投影角度，Civ为在时间点t时X射线球管的投影角度。本发明还提供一种自适应插值装置。本发明的方法和装置相比现有技术降低产品成本，提高成像质量和投影角度计算的准确率。以上所述仪为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种自适应插值方法，所述方法包括 一个位置传感器对X射线球管的位置进行采样，以获取X射线球管旋转速度信息； 根据所述旋转速度信息来设定一插值系数，以使两次连续读片间的角度间隔保持不变； 根据所述插值系数按如下公式来计算每次读片时X射线球管的投影角度 α V = ξ (t)*360, 其中ξ (t)为插值系数，t为某次读片的时间点，α (V)为该次读片时X射线球管的投影角度，α ν为在时间点t时X射线球管的投影角度。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述设定插值系数的步骤包括 获取所述插值系数的基本曲线； 根据所述旋转速度信息得到一个调整系数，并用该调整系数来改变所述基本曲线的频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取基本曲线的步骤包括根据一个与角度间隔有关的已知变量来获取所述插值系数的基本曲线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述已知变量是机架重力引起的变量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基本曲线为一正弦曲线。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述正弦曲线的初始相位和幅度是固定的，频率能根据所述机架旋转速度信息来调整。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括 根据所述投影角度进行读片，以获取X射线投影数据。
8.—种自适应插值装置，所述装置包括 一个位置传感器，用于对X射线球管的位置进行采样，以获取X射线球管旋转速度信息； 一个插值系数设定组件，用于根据所述旋转速度信息来设定插值系数，以使两次连续读片间的角度间隔保持不变； 一投影角度计算组件，用于根据所述插值系数按如下公式来计算每次读片时X射线球管的投影角度α V = ξ (t)*360, 其中，ξ (t)为所述插值系数，t为某次读片的时间点，α (V)为该次读片时X射线球管的投影角度，α ν为在时间点t时X射线球管的投影角度。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述插值系数设定组件包括 固定模块，用于存储所述插值系数的基本曲线； 可变模块，用于根据所述旋转速度信息得到一个调整系数，并用该调整系数来改变所述基本曲线的频率。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括 一读片组件，用于根据所述投影角度进行读片，以获取X射线投影数据。
全文摘要
本发明涉及医疗设备领域，特别是一种自适应插值方法。所述方法包括一个位置传感器对X射线球管的位置进行采样，以获取X射线球管旋转速度信息；根据所述旋转速度信息来设定一插值系数，以使两次连续读片间的角度间隔保持不变；根据所述插值系数按如下公式来计算每次读片时X射线球管的投影角度αv＝ξ(t)*360，其中ξ(t)为插值系数，t为某次读片的时间点，α(v)为该次读片时X射线球管的投影角度，αv为在时间点t时X射线球管的投影角度。本发明还提供一种自适应插值装置。本发明的方法和装置相比现有技术能降低产品成本，提高成像质量和投影角度计算的准确率。
文档编号G06T3/40GK102855603SQ201110182438
公开日2013年1月2日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者田毅, 王薇, 张纪庄 申请人:上海西门子医疗器械有限公司