一种多联装二维扇束计算机层析成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多联装二维扇束计算机层析(CT)成像方法，属于X射线计算机层 析成像(CT)技术领域。
【背景技术】
[0002] 在X射线CT系统中，X射线源发出X射线，从不同角度穿过被检测物体的某一区域， 放置于射线源对面的探测器在相应角度接受，然后根据各角度射线不同程度的衰减，利用 一定的重建算法和计算机进行运算，重建出物体被扫描区域的射线线衰减系数分布映射图 像，从而实现由投影重建图像，无损地再现物体在该区域内的介质密度、成分和结构形态等 特征。
[0003] 成像效率一直是制约CT广泛应用的主要因素之一。它主要由扫描时间和图像重建 时间决定。目前，由于图像处理单元GPU及其相应并行运算架构CUDA的广泛使用，图像重建 时间已得到大幅提高。因此，为进一步改进成像效率，需要开发快速的扫描技术。从早期的 单笔束一代CT到近期的电子束扫描五代CT，一代比一代扫描速度快，见证了人们在开发快 速扫描CT技术方面的努力。
[0004] 近年，许多新技术被提出来实现快速CT扫描成像。Flohr T G等，First performance evaluation of a dual-source CT(DSCT)system,European Radiology, Vol. 22，No. 2，pp. 256-268，2006，描述了一种双源CT系统，可提高扫描速度近一倍。Hsieh S S等，An inverse geometry CT system with stationary source arrays .SPIE, Vol. 7961，pp. 7961 lw，2011，提出了一种基于静止源阵列的逆几何CT，可实现快速体积扫描 成像。尽管这些方法在不同程度上均获得了较好的扫描速度改进，但它们均工作在单联装 模式，一次扫描仅能成像一个物体，难以适应大批量的工业化生产需求，仍存在进一步提高 扫描效率的空间。
[0005] 目前，尚未发现有不增加扫描透照厚度的基于多联装的CT成像方法。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是:针对X射线CT成像效率问题，提供一种多联装二维扇 束CT成像方法。该方法在不增加透照厚度情况下，一次扫描可实现多个物体CT成像，成像效 率大幅提高，同时可避免射束硬化、散射及信号串扰因素，实现过程简单、高效。
[0007] 本发明采用的技术方案:多联装二维扇束CT成像方法，其特征在于包括下列步骤：
[0008] (1)将多个物体放置于多联装CT检台，进行单圆轨道扇束CT扫描，获得一幅二维投 影图像；
[0009] (2)对步骤(1)中二维投影图像进行对数解调，获得一幅线积分二维图像；
[0010] (3)计算每个物体扇束线积分在步骤(2)中线积分二维图像中的对应位置参数；
[0011] (4)利用步骤(3)计算出的位置参数，分割步骤(2)中线积分二维图像，获得每个物 体的扇束线积分二维子图像；
[0012] (5)将代数重建技术分别应用于步骤(4)中每个物体的扇束线积分二维子图像，生 成每个物体的二维CT图像。
[0013] 所述步骤(1)中将多个物体放置于多联装CT检台，进行单圆轨道扇束CT扫描，获得 一幅二维投影图像步骤为：
[0014] (1.1)将多个被扫描物体放置于多联装CT检台，确保任一扫描角度下，物体被扇束 覆盖；
[0015] (1.2)以扇束射线源对物体实施透照，同时，多联装CT检台匀速连续旋转，由探测 器以固定采样帧频连续采集透射过物体的射线投影，获得投影数据；
[0016] (1.3)当检台旋转360度时，探测器停止采样，多联装CT检台和扇束射线源同时停 止，即完成一次单圆轨道扇束CT扫描；
[0017] (1.4)当扫描结束，将探测器获取的一维投影数据以扫描旋转角度为纵坐标逐行 堆叠，形成二维投影图像I(i，m)，其中，i表示扫描角度，m是某一探测通道在探测器上的位 置。
[0018] 所述步骤探测器为一维探测器或二维探测器的一行。
[0019] 所述多联装CT检台为一具有多个旋转轴并同步旋转的联动旋转台。
[0020] 所述步骤多联装CT检台多个旋转轴沿着平行于探测器方向等间距排列。
[0021] 所述的步骤(2)中对步骤（1)中所述二维投影图像进行对数解调，获得一幅二维线 积分图像1·
[0022]
[0023]其中，p(i，m)表示二维线积分图像，I(i，m)为二维投影图像，i代表扫描角度，m代 表某一探测通道在探测器上位置；In表示自然对数运算;mean表示一维均值运算；1:10表示 从1取到10。
[0024]所述步骤(3)计算每个物体扇束线积分在步骤(2)中线积分二维图像中的对应位 置参数方法为：
[0025]
[0026]
[0027]其中，Sa、Sb表示某一物体的投影数据在二维图像中左右水平位置参数，D是扇束射 线源到探测器的垂直距离，s是该物体所在旋转轴旋转中心在探测器上投影位置与探测器 中心位置的距离，E是扇束射线源到该物体所在旋转轴旋转中心在探测器上投影位置的距 离，r是该物体回转半径，tan表示正切运算，atan表示反正切运算，as in表示反正弦运算。
[0028] 所述步骤(4)利用步骤(3)计算出的位置参数，分割步骤(2)中线积分二维图像，获 得每个物体的扇束投影二维子图像的方法为：
[0029] pp = p( 1 :M, Sa: Sb)
[0030] 其中，Pp表示某个物体的扇束线积分二维子图像，Sa、Sb表示某一物体的投影数据 在二维图像中左右水平位置参数，S A:SB表示从SA取到SB，p表示二维线积分图像，Μ表示周向 旋转扫描角度采样数目。
[0031] 所述的步骤(5)中将代数重建技术分别应用于步骤(4)中每个物体的扇束投影二 维子图像，生成每个物体的二维CT图像的方法为：
[0032]
[0033]其中，f表示二维CT重建图像，k为迭代次数，f(())表示初始图像，f(k)表示第k次迭代 获得的重建图像，f(k+1)表示第(k+Ι)次迭代获得的重建图像，r为收敛因子，r(k)表示第k次迭 代的收敛因子，Μ为投影矩阵，M k表示第k次迭代的投影矩阵，P为前向投影算子，pp为测量得 到的某个物体的扇束线积分值。
[0034]本发明与现有技术相比的优点如下：
[0035] (1)本发明解决了多个物体高质量同时CT扫描成像问题，成像效率大幅提高；
[0036] (2)本发明在提高扫描效率的同时，不增加透照厚度，不产生信号串扰，成像质量 尚；
[0037] (3)本发明实现过程简单、高效，不需要高电压X射线源和特殊的硬件，易于工程实 现。
【附图说明】
[0038]图1为多联装CT扫描成像原理图；
[0039]图2为一种形式的多联装多轴同步旋转检台；
[0040] 图3为发明的成像方法与传统方法透照厚度比较；
[0041] 图4为采用本发明方法获得的实际物体二维线积分投影图像；
[0042] 图5为采用本发明方法获得的实际物体重建后图像；
[0043] 图6为采用传统方法捆绑扫描得到的投影及CT图像。
【具体实施方式】
[0044] 本发明多联装二维扇束CT成像方法扫描原理如图1:多个扫描物体放置于多联装 检台上同步匀速连续旋转;旋转过程中，由探测器以固定采样速度连续采集透射过物体的 射线投影，获得投影数据；当检台旋转360度时，探测器停止采样，检台和射线源同时停止， 扫描结束;根据扫描形成的投影数据，利用对数解调算法、投影分割算法和CT重建算法进行 重建，即可获得各个物体的二维层析图像。
[0045] 图2所示为本发明多联装多轴同步旋转检台的一种实现方式:检台多个旋转轴沿 着平行于探测器方向等间距排列，通过数控技术实现同步旋转。
[0046] 在如图1所示的扫描方式下，探测器获取的二维投影图像可用I(i，m)表示，其中，i 表示扫描角度，m表示某一探测通道在面阵探测器上的位置。根据二维投影图像，可以用对 数解调公式(1)获得相应的二维线积分图像。
[0047]
(1)
[0048] 其中，p(i，m)表示二维线积分图像，I(i，m)为二维投影图像，i代表扫描角度，m代 表某一探测通道在探测器上位置；In表示自然对数运算;mean表示一维均值运算；1:10表示 从1取到10。
[0049]对数解调后的二维线积分投影图像，再通过公式(2)、（3)及(4)，进行分割，形成每 个物体对应的投影子图像。
(2): (3) L0052J ρμ = ρ(1：Μ,8Α：8Β) (4)
[0053]其中，Sa、Sb表示某一物体的投影数据在二维图像中左右水平位置参数，D是射线源 到探测器的垂直距离，s是该物体所在旋转轴旋转中心在探测器上投影位置与探测器中心 位置的距离，E是射线源到该物体所在旋转轴旋转中心在探测器上投影位置的距离，r是该 物体回转半径，tan表示正切运算，atan表示反正切运算，，asin表示反正弦运算，p p表示某 个物体的扇束线积分二维子图像，SA:SB表示从SA取到S B，p表示二维线积分图像，Μ表示周向 旋转扫描角度采样数目。
[0054]目前，存在解析和迭代两位主要的CT重建算法。解析法要求连接旋转中心与射线 源焦点的主射线垂直于探测器。这一条件在如图1所示的扫描方式下，难