医学扫描图像的重建方法和装置以及医学成像系统与流程

本发明主要涉及医学扫描图像处理，尤其涉及一种医学扫描图像的重建方法和装置。

背景技术：

计算机断层扫描(computedtomography,ct)技术是一种基于不同物质对于射线具有不同的衰减性质，用放射性从各方向照射被测物体，测量穿过物体的射线强度，并通过一定的重建算法计算出物体内部各点物质对于射线的线性衰减系数，从而得到被测物体的断层图像的放射诊断技术。

ct扫描得到的ct图像数据经过图像重建(imagereconstruction)后储存，供操作者查看。在评价高分辨ct成像的重建图像质量时，切片方向灵敏度曲线(slicesensitivityprofile,ssp)是一项重要指标，通常将其定义为ct系统沿病人轴(z轴)的冲激响应，表征了扫描对象的纵向分辨能力。

目前，ct扫描仪尤其是螺旋ct扫描仪中广泛应用锥束(conebeam,cb)重建算法。当前商用的锥束重建算法在反投影过程中，通过在探测器相邻行和通道方向利用双线性插值的方法将扫描对象中的体素映射到投影域。虽然这种方法计算效率较高，但是探测器行方向采样点之间较大的距离会导致重建层厚展宽，从而使z轴方向的分辨率严重退化。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种医学扫描图像的重建方法和装置，以提高医学成像系统的纵向分辨率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种医学扫描图像的图像重建方法，包括：接收来自医学影像设备的扫描数据；确定各体素的一对共轭射线的投影值；以及对该对共轭射线的投影值在该医学扫描图像的探测器的行方向进行多阶插值。

在本发明的一实施例中，该多阶插值的阶数大于等于3。

在本发明的一实施例中，上述方法还包括对该对共轭射线的投影值在该探测器的通道方向使用线性插值。

在本发明的一实施例中，该多阶插值的方法如下：

其中g为多阶插值得到的投影点的投影值，x,y,z是投影点坐标且z是投影点在探测器行方向的坐标，q(t,θ,zn)和q(t,θ,zn+1)为投影点的相邻点的吸收强度，q(t′,θ′,z′n)和q(t′,θ′,z′n+1)为共轭投影点的相邻点的吸收强度值，t,t′是等中心点到平行束的距离，θ，θ′是平行束的投影角，m是探测器投影方向的像素点的序号，n是探测器行方向的像素点的序号，函数k为大于等于3的正整数，ξ,ξ′为插值点在探测器行方向的坐标z到不大于自身的最大整数zn的距离。

在本发明的一实施例中，该线性插值的方法如下：

f(x,y,z)＝(1-η)·gm(x,y,z)+η·gm+1(x,y,z)；

其中f为线性插值得到的投影点的投影值，x,y,z是投影点坐标，z是投影点在探测器行方向的坐标，g为投影点的相邻点的投影值，m是探测器投影方向的像素点的序号，η为插值点在探测器通道方向的坐标t到不大于自身的最大整数tm的距离。

在本发明的一实施例中，该医学影像设备是ct设备或pet-ct设备。

在本发明的一实施例中，该医学影像设备是光学相位衬度ct设备，该方法还包括对散射信息在该探测器的行方向进行多阶插值。

本发明还提出一种医学扫描图像的图像重建装置，包括存储器、处理器和储存在该存储器上的计算机指令，该处理器执行该计算机指令时实施本发明所述的方法。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其中当计算机指令被处理器执行时，执行本发明所述的方法。

本发明还提出一种医学成像系统，包括如上所述的图像重建装置。

与现有技术相比，本发明通过在探测器行方向使用多阶插值算法，提高了扫描对象的纵向分辨率。

附图说明

图1是根据本发明的一些实施例所示的图像处理系统的示意图。

图2是根据本发明的一些实施例所示的ct成像系统的示意图。

图3是根据本发明的一些实施例所示的图像处理系统的计算机设备配置的架构示意图。

图4是示例图像处理系统的重建流程。

图5是根据本发明一实施例的图像处理系统的前向投影模型。

图6是根据本发明一实施例的图像处理系统的共轭采样示意图。

图7是根据本发明一实施例的图像处理系统的锥束共轭射线对示意图。

图8是根据本发明一实施例的平行束重排示意图。

图9是根据本发明一实施例的重建方法流程图。

图10是根据本发明另一实施例的重建方法流程图。

图11是不同算法对纵向分辨率的影响对比图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

虽然本申请对根据本申请的实施例的系统中的某些模块做出了各种引用，然而，任何数量的不同模块可以被使用并运行在成像系统和/或处理器上。所述模块仅是说明性的，并且所述系统和方法的不同方面可以使用不同模块。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

本发明的实施例描述医学扫描图像的重建方法和装置，这些方法和装置可以提高医学成像系统的纵向分辨率。

图1是根据本发明的一些实施例所示的图像处理系统的示意图。该图像处理系统100可以包括一个成像系统110、一个图像处理系统120、和一个网络130。在一些实施例中，成像系统110可以是单模态成像设备，或多模态成像系统。在一些实施例中，图像处理系统120可以是对获取的图像数据进行处理以得到图像和/或相关信息。

成像系统110可以是单个成像系统，或是多个不同成像系统的组合。成像系统可以通过扫描一个目标进行成像，在一些实施例中，成像系统可以是一个医学成像系统。医学成像系统可以采集人体各部位的图像信息。医学成像系统可以是x光成像系统、计算机断层扫描(ct)系统、磁共振成像(mr)系统、和正子发射断层扫描(pet)系统、单光子发射计算机断层成像(single-photonemissioncomputedtomography，spect)系统、组合式医学成像系统等。成像系统110可以包括一个或多个扫描仪。

图像处理系统120可以处理获取的数据信息。在一些实施例中，数据信息可以包括文本信息，图像信息，声音信息等一种或几种的组合。在一些实施例中，图像处理系统120可以包括一个处理器，一个处理核，一个或多个存储器等中的一种或几种的组合。例如，图像处理系统120可以包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)，专用集成电路(application-specificintegratedcircuit，asic)，专用指令处理器(application-specificinstruction-setprocessor，asip)，图形处理器(graphicsprocessingunit，gpu)，物理运算处理器(physicsprocessingunit，ppu)，数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)，现场可编程逻辑门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)，可编程逻辑器(programmablelogicdevice，pld)，控制器(controller)，微控制器单元(microcontrollerunit)，处理器(processor)，微处理器(microprocessor)，arm处理器(advancedriscmachines)等一种或几种的组合。在一些实施例中，图像处理系统120可以处理从成像系统110获取的图像信息。

网络130可以是单个网络，或多个不同网络的组合。例如，网络130可能是一个局域网(localareanetwork(lan))、广域网(wideareanetwork(wan))、公用网络、私人网络、专有网络、公共交换电话网(publicswitchedtelephonenetwork(pstn))、互联网、无线网络、虚拟网络、城域网络、电话网络等中的一种或几种的组合。网络130可以包括多个网络接入点，例如，有线接入点、无线接入点、基站、互联网交换点等在内的有线或无线接入点。通过这些接入点，数据源可以接入网络130并通过网络130发送数据信息。在一些实施例中，网络130可以用于图像处理系统120的通信，接收图像处理系统120内部或外部的信息，向图像处理系统120内部其他部分或外部发送信息。

需要注意的是，上述图像处理系统120可以实际存在于成像系统110中，或通过云计算平台完成相应功能。所述云计算平台可以包括存储数据为主的存储型云平台、以处理数据为主的计算型云平台以及兼顾数据存储和处理的综合云计算平台。成像系统110所使用的云平台可以是公共云、私有云、社区云或混合云等。例如，根据实际需要，成像系统110输出的一些图像信息和/或数据信息，可以通过用户云平台进行计算和/或存储。另一些图像信息和/或数据信息，可以通过本地图像处理系统120进行计算和/或存储。

由于ct成像系统的代表性，在本发明的实施例中，医学成像系统是以ct成像系统为例描述。ct成像系统可以使用x射线、中子射线等粒子射线。

图2是根据本发明的一些实施例所示的ct成像系统200的示意图。成像系统200可以是成像系统110的一个具体实施例。该成像系统200可以包括一个机架210和一个检查床250。

在一些实施例中，机架210可以包括具有围绕成像系统200轴线旋转的可旋转部分220。可旋转部分220的空间结构可以是圆柱体、椭圆体、长方体等一种或几种的组合。在一些实施例中，可旋转部分220可以包括射线源230、探测器240和扫描腔体270。可旋转部分220可以以成像系统200的轴线260为轴进行旋转。射线源230和探测器240可以随可旋转部分220一起以轴线260为轴进行旋转。

在进行检查时，一个对象(例如，患者、模体等)可以被放置在检查床250上。检查床250可以沿着z轴方向被推入到扫描腔体270中。绕轴线260进行旋转时，射线源230和探测器240可以采集患者的扫描数据，产生原始数据文件。原始数据文件可以在图像处理系统120中被用于重建。

在一些实施例中，成像系统200可以进行螺旋扫描。在螺旋扫描中，被扫描对象可以沿轴260前后移动，同时射线源可以绕轴260进行旋转。射线源可以相对于对象产生螺旋轨迹。

图3是根据本发明的一些实施例所示的图像处理系统120的计算机设备配置的架构示意图。计算机300能够被用于实现实施本申请中披露的特定系统。本实施例中的特定系统利用功能框图解释了一个包含用户界面的硬件平台。计算机300可以实施当前图像处理系统120的一个或多个组件、模块、单元、子单元。另外，图像处理系统120能够被计算机300通过其硬件设备、软件程序、固件以及它们的组合所实现。这种计算机可以是一个通用目的的计算机，或一个有特定目的的计算机。两种计算机都可以被用于实现本实施例中的特定系统。为了方便起见，图3中只绘制了一台计算机，但是本实施例所描述的提供图像处理所需信息的相关计算机功能是可以以分布的方式、由一组相似的平台所实施的，分散系统的处理负荷。

如图3所示，计算机300可包括内部通信总线310，处理器(processor)320，只读存储器(rom)330，随机存取存储器(ram)340，通信端口350，输入/输出组件360，硬盘370，和用户界面380。内部通信总线310可实现计算机300组件间的数据通信。处理器320可以执行程序指令完成在此申请中所描述的图像处理系统120的任何功能、组件、模块、单元、子单元。处理器320可以由一个或多个处理器组成。通信端口350可以实现计算机300与系统100其他部件(比如成像系统110)之间数据通信(比如通过网络130)。计算机300还可以包括不同形式的程序储存单元以及数据储存单元，例如硬盘370，只读存储器(rom)330，随机存取存储器(ram)340，存储计算机处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器320所执行的可能的程序指令。输入/输出组件360支持计算机300与系统100其他组件(如成像系统110)之间的输入/输出数据流。计算机300也可以通过通信端口350从网络130发送和接受信息及数据。

本领域技术人员能够理解，本申请所披露的内容可以出现多种变型和改进。例如，以上所描述的不同系统组件都是通过硬件设备所实现的，但是也可能只通过软件的解决方案得以实现。例如：在现有的服务器上安装系统。此外，这里所披露的位置信息的提供可能是通过一个固件、固件/软件的组合、固件/硬件的组合或硬件/固件/软件的组合得以实现。

图4示例图像处理系统的重建流程。参考图4所示，一个基于p-fdk算法的重建流程包括角度重排41(azimuthalrebin)、径向重排(radialrebin)42、卷积(convolution)43、行滤波(rowfilter)44、反投影(backprojection)45等。按照p-fdk算法，读取的原始投影数据，先执行重排41、42，再执行滤波反投影算法44、45。可以理解，重建流程可以包含更多或更少的步骤。或者，也可以基于其他的算法来进行重建。反投影是整个重建流程的重要步骤。在反投影过程中，需要精确地定位物体上的体素(voxel)中心在探测器上的投影值。但是由于探测器像素的离散化，投影位置一般不在探测器的中心，因此需要通过插值算法估计出该位置处的投影值。

图5是根据本发明一实施例的图像处理系统的前向投影模型。结合参考图2和图5所示，射线源230发射锥束51，其投影到探测器240的角度为γ的弧形范围中，这一方向是探测器240的通道方向。探测器240的z轴所在方向为行方向，其标记行的序号，例如第n行，第n+1行。通常的插值方法是利用坐标变换法则计算出探测器240上点的坐标位置，利用探测器240行方向和通道方向上相邻的四个点(如图中灰色阴影区域)进行双线性插值。这种方法具有简单和稳定的优点。在简单性方面，插值系数与采样到插值点的距离成反比，只要得到系数，只需要两次乘法和一次加法就能得到插值结果；在稳定性方面，插值结果总是位于连接用于插值的两个采样值的直线上，使得插值结果不会偏离临近的采样数据。尽管线性插值有很多优点，但是其也存在不能保留高频信息的不足，对于某些ct应用，期望获得z轴方向的更高分辨率。

回到图2所示，本发明的实施例的成像系统兼容轴向扫描(也称步进-采样模式)和螺旋扫描这两种扫描模式。在轴向扫描模式下，机架210围绕病人旋转采集一套完整的数据时，病人保持静止，数据采集完成后，病人被平移到下一个位置准备下一次扫描；而螺旋扫描模式的情况则不相同，病人在数据采集过程中以恒定的速度平移。通常扫描时，射线源230连续旋转，可以采集360度范围内的完整数据，实际上重建只需要180度范围内的数据即可。为了充分利用另一个180度范围内的数据，发展了共轭反投影算法。图6是根据本发明一实施例的图像处理系统的共轭采样示意图。如图6所示，当满足条件(其中，γ为探测器的扇角，β为投影视角)时，称(γ,β)和(γ′,β′)是一对共轭射线(也称为正反投影射线)，它们表示经过扫描对象内部相同路径且传播方向相反的两条射线。共轭反投影某种程度上造成了数据的冗余，但也为更精确地重建图像提供了可能。

图7是根据本发明一实施例的图像处理系统的锥束共轭射线对示意图。参考图7所示，在锥束ct中，束线不再平行于x-y平面，满足经过扫描对象内部相同路径且传播方向相反这一条件的两条射线一般不会经过相同的路径，而只是相交于一点，此时也称它们为共轭射线对。一旦扫描对象内的体素选定了，其共轭射线对是唯一确定的。

图8是根据本发明一实施例的平行束重排示意图。参考图8所示，重排过程可以用以下公式描述：

其中，p(t,θ,z)是原始投影数据，q(t,θ,z)是重排后的投影采样值，t是等中心点到平行束的距离，d是射线源到等中心点的距离，θ是平行束的投影角。

重排之后，经过扫描对象内同一个体素的两条共轭射线形成的投影值可以分别表示为q(t,θ,z)和q(t′,θ′,z′)，这两个投影值分别可以通过插值的方法获得。

图9是根据本发明一实施例的重建方法流程图。参考图9所示，总结来说，本实施例的一种医学扫描图像的图像重建方法，包括以下步骤：

在步骤91，接收来自医学影像设备的扫描数据；

在步骤92，确定各体素的一对共轭射线的投影值；以及

在步骤93，对该对共轭射线的投影值在该医学扫描图像的探测器的行方向进行多阶插值。

在本实施例中，由于在探测器行方向(即图5中的z方向)采用高阶的插值算法，可以获得更高的z方向分辨率。本实施例的图像重建方法中有关反投影的其他细节，以及有关重排的细节，本领域技术人员可以在参考前文的描述后轻易实施，在此不再展开。

在一实施例中，在探测器行方向的多阶插值的阶数大于等于3。可以阶数的插值可以更显著地提升纵向分辨率，这将在后文描述。

图10是根据本发明另一实施例的重建方法流程图。参考图10所示，本实施例的步骤101-103与图9所示实施例的对应步骤相同，步骤104中，对该对共轭射线的投影值在探测器的通道方向使用线性插值。因为探测器的通道方向与z方向垂直，其插值方式对z方向分辨率的提高几乎没有帮助，因此可以仍采用线性插值。然而可以理解，本发明并不特别限定这一方向的插值方式，本领域技术人员可以的认为合适的情况下，使用其他插值方式。

本实施例通过在探测器行方向使用多阶插值算法，在探测器通道方向使用线性插值，既维持了切片的噪声特性，又大大提高了纵向分辨率。

下文对步骤92-93，102-103的细节进一步描述如下：

假设某个体素在探测器上的投影点的吸收强度值为：q(t,θ,z)，其探测器行方向的两个相邻像素的吸收强度值为：q(t,θ,zn)和q(t,θ,zn+1)，相应地，共轭投影点的吸收强度值为q(t′,θ′,z′)，其探测器行方向的两个相邻像素的吸收强度值为：q(t′,θ′,z′n)和q(t′,θ′,z′n+1)。在此，t,t′是等中心点到平行束的距离，θ,θ′是平行束的投影角，z是投影点在探测器行方向的坐标，z’是共轭投影点在探测器行方向的坐标，zn,zn+1是投影点的两个相邻点在探测器行方向的坐标，,z′n,z′n+1是共轭投影点的两个相邻点在探测器行方向的坐标，n是探测器行方向的像素点的序号。

在探测器行方向进行多阶插值的方法为：

其中g为多阶插值得到的投影点的投影值，x,y,z是投影点坐标，m是探测器投影方向的像素点的序号，函数k为大于等于3的正整数，ξ,ξ′为插值点在探测器行方向的坐标z到不大于自身的最大整数zn的距离，例如ξ＝z-zn。

下文对步骤1004的细节进一步描述如下：

在探测器通道方向进行线性插值的方法为：

f(x,y,z)＝(1-η)·gm(x,y,z)+η·gm+1(x,y,z)；

其中f为线性插值得到的投影点的投影值，η为插值点在探测器通道方向的坐标t到不大于自身的最大整数tm的距离(η＝t-tm)。

如前所述，医学影像设备可为螺旋ct设备。另外，医学影像设备也可以是光学相位衬度ct设备。在后一种情况下，本发明的重建方法还可包括对散射信息在该探测器的行方向进行多阶插值。

对本发明上述实施例提出的插值算法，进行仿真实验。图11是不同算法对纵向分辨率的影响对比图。参考图11所示，可以发现本发明提出的算法，如三阶、四阶和十阶插值算法明显改善了纵向分辨率，为某些特定的临床需求提供了一系列可能的解决方案。

本发明一实施例的医学扫描图像的图像重建装置可以如图3所示的计算机系统或者其变化例中实施。例如图像重建装置可包括诸如ram340这样的存储器、处理器320这样的处理器和储存在存储器上的计算机指令，处理器执行该计算机指令时实施本发明所描述的方法。计算机指令可以持久在存储在rom330或硬盘370这样的计算机存储介质中，或者临时地通过通信端口350从网络获取后实施。处理器320可以是通用处理器(cpu)，也可以是图形处理器(gpu)。

本发明的一实施例的计算机存储介质，其上存储有计算机指令，其中当计算机指令被处理器执行时，执行本发明所描述的方法。计算机存储介质可以是如图3的ram340、rom330、硬盘370，也可以是光盘、软盘等各种已知的介质。位于计算机存储介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、rf、或类似介质、或任何上述介质的组合。

本发明的图像重建装置可以包含在医学成像系统，例如图1所示的成像系统110中，作为其一部分，也可以是独立于医学成像系统的装置。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。