专利名称：大视场三维ct成像方法
技术领域：
本发明涉及一种大视场三维CT成像方法，属于X射线CT技术领域。
背景技术：
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。
在现有典型锥束射线3D-CT成像中，为满足Tuy、Smith和Grangeat数据完备条件，相继发展了一系列行之有效的扫描方式及其重建算法，如正交扫描、螺旋扫描以及修正螺旋扫描等。出于扫描速度和算法计算量的考虑，目前的3D-CT主要是基于单圆轨道锥束扫描方式和FDK重建算法的技术。如图2(a)所示，在该扫描方式下，仅物体绕旋转轴回转一周，即可根据FDK算法和平板探测器采集的数据，重建出由X射线源S对探测器所张锥束覆盖的物体待层析部分。如图2(b)所示，该种3D-CT技术可检测物体最大回转直径为r。对于回转直径更大构件的三维层析以及微小试件的高放大比显微层析，受扫描视场限制，上述扫描技术均难以进行。
随着研究的深入，大视场三维层析成像问题得到了CT界越来越多的关注和研究。目前扩大三维CT成像范围的方法，主要是将二维大视场CT成像方法近似应用到小锥角三维CT成像中。按扫描方式、投影预处理方法和重建算法不同，这些二维大视场CT成像方法大体可以分为三类投影拼接法、伪数据拟合法和冗余数据挖掘法。投影拼接法扫描视场大，投影预处理和重建算法简单，但扫描系统结构复杂，扫描效率低；伪数据拟合法扫描效率高，工程实现方便，但扫描视场只能提高0.5～1倍，重建精度低。所以，真正能为实际应用的还应考虑冗余数据挖掘法。冗余数据挖掘法利用标准单圆轨道锥束扫描存在的投影数据冗余特征，通过改进扫描方式，扩大扫描视场。比较有代表性的冗余数据挖掘法是傅健等，锥束射线三维大视场工业CT成像方法研究，2006，光学技术，32(2)209～212中提出的检台偏置法。其扫描方式如图3(c)，首先检台水平平移，以使其旋转中心位于连接射线源焦点和探测器端点的射线上，然后检台旋转360度，完成扫描。它通过修正射线源到探测器距离，将仅在中心平面存在的投影数据对称性应用到非中心平面，对数据进行预处理，最后利用标准FDK算法进行重建。尽管冗余数据挖掘法具有扫描效率和重建精度高的优点，但其扫描视场仍只能扩大0.5～1倍。
发明内容
本发明的技术解决问题是针对目前基于单圆轨道锥束扫描和FDK重建算法的三维CT存在扫描视场小的问题，提供一种基于检台两次偏置扫描的大视场三维CT成像方法，解决较大尺寸构件的快速三维层析和微小试件的高放大比显微层析，通过检台两次单圆轨道锥束扫描和类平行束重排处理，将单圆轨道锥束扫描的成像视野扩大至原来的3倍，且扫描及重建过程简单，高效。
本发明的技术解决方案大视场三维CT成像方法，其特点在于包括以下步骤(1)进行第一次单圆轨道锥束CT扫描，获得第一组数字射线投影图像序列；(2)承载物体的检台垂直主射线方向平移一定距离，进行第二次单圆轨道锥束CT扫描，获得第二组数字射线投影图像序列；(3)对两组数字射线投影图像进行暗电流和不一致性校正；(4)记录射线源到探测器距离、检台平移距离、探测器水平探测通道个数；
(5)根据上述参数，利用本发明研究的投影重排算法将上述不完备的两组锥束射线投影数字图像序列重排成完备的类平行束射线投影图像序列；(6)依据步骤(5)得到的图像序列，利用本发明研究的类平行束射线重建算法，重建扫描区域的三维CT图像。
本发明的扫描原理如图4扫描时，检台首先在位置1做一次360度回转扫描，然后检台水平运动到位置2，再做一次360度回转扫描，即可完成扫描层析，可检构件回转直径为r1。而单圆轨道锥束扫描CT可检构件回转直径最大为r2，同样采用检台偏置扫描的冗余数据挖掘法可检构件回转直径最大为r3。
本发明的类平行束重排算法如下，推导图见图5P(t，θ，s)＝F(β，m，n，i)，m=R·tR2-t2]]>若|m|≤L12,β=θ+arcsin(tR),m=R·tR2-t2,|mn|=|Sm|·|st||St|,]]>|St|=R·cos(γ),|Sm|=R·tan(γ)]]>若|m|>L12,β=θ+γ1-γ2;m=tcos(γ1-γ2)-L,γ1=arcsin(tR2+L2),γ2=arcsin(LR2+L2)]]>|St|=R2+L2·cos(γ1),|Sm|=|St|-|t|·tan(φ),φ=γ2-γ1]]>P(θ，t，s)为重排生成的类平行束投影图像序列，F(β，m，n，i)为探测器采集的两组单圆轨道锥束扫描投影图像序列，L1代表探测器水平探元个数，θ为0～2π间一个值，代表回转扫描角度，R为射线源到探测器平面的距离，L为检台平移距离，i为1或2，代表检台的两个扫描位置，其他参数意义如图5和6所示。
本发明的重建算法如下μ(x,y,z)=∫02π~p(θ,t(x,y,θ),s(x,y,z,θ))dθ]]>
P~(θ,t,s)=(|St||Ss|·P(θ,t,s))*h(t),t(x,y,θ)=y·cos(θ)-x·sin(θ),m=t·RR2-t2,]]>若|m|≤L12,]]>则s(x,y,z,θ)=z·R2-t2(x,y,θ)R2-t2(x,y,θ)-(x·cos(θ)+y·sin(θ))]]>若|m|>L12,]]>则s(x,y,z,θ)=z·R2+L2-t2(x,y,θ)R2+L2-t2(x,y,θ)-(x·cos(θ)+y·sin(θ))]]>其中，μ(x，y，z)为空间待重建点的值，|St||Ss|]]>是空间射线与其在水平面投影的夹角余弦，h(t)为一维Shepp-Logan滤波函数。
本发明扫描成像视场近似计算公式如下x2=R·(L1+L)R2+(L12+L)2]]>在典型CT成像条件下(R＝1463，L＝240，L1＝256)，本发明扫描视场半径x2＝356.6，而标准单圆轨道扫描3D-CT扫描视场半径为127.51。可见，本发明扫描视场可达标准单圆轨道扫描3D-CT的2.8倍以上，极限情况下，可达3倍。
本发明与现有技术相比的优点如下(1)本发明由于只需要检台沿主射线方向进行一次平移，所以扫描结构简单，易于与现有标准单圆轨道锥束扫描3D-CT系统兼容；(2)本发明只需要进行两次旋转扫描，所以扫描效率高；(3)本发明扫描视场可达标准单圆轨道扫描3D-CT的3倍。
图1为本发明大视场三维CT成像方法流程图；图2(a)为基于单圆轨道锥束扫描方式和FDK重建算法的3D-CT技术扫描原理，图2(b)为扫描原理俯视图；图3(a)为伪数据拟合法大视场CT技术扫描原理，图3(b)为探测器偏置法大视场CT技术扫描原理，图3(c)为检台偏置法大视场CT技术扫描原理；图4为本发明大视场三维CT扫描原理俯视图；图5为本发明大视场三维CT的类平行束重排算法推导图；图6为本发明3D-CT实验装置，其标准单圆轨道锥束扫描视场为180mm；图7为以三个工件构成的回转直径为500mm的组合件在图7实验装置上完成大视场三维CT成像的过程及结果。图7(a)为扫描角度为0度时探测器在位置1采集的投影，图7(b)为扫描角度为0度时探测器在位置2采集的投影，图7(c)为360度周向扫描过程中探测器中间层在位置1和2生成的投影正弦图，图7(d)为探测器中间层完成类平行束重排后的投影正弦图，图7(e)为滤波后探测器中间层对应类平行束投影正弦图，图7(f)为利用类平行束重建算法得到的中间层CT重建图像，图7(g)为利用类平行束重建算法得到的构件扫描区域的三维CT重建图像(逐层显示)。
具体实施例方式
如图1，本发明的具体实施步骤如下(1)将被扫描物体放置于锥束CT扫描系统旋转检台，确保检台旋转中心位于主射线上；(2)以经准直而成的锥束射线对物体实施透照，同时，检台匀速连续旋转，由面阵探测器以固定采样速度连续采集透射过物体的射线投影，获得第一组二维数字图像序列；(3)当检台旋转360度时，面阵探测器停止采样，检台和射线源同时停止，即完成第一次单圆轨道锥束CT扫描；(4)承载物体的检台从完成第一次单圆轨道锥束扫描的位置垂直主射线方向平移一定距离。该距离应小于面阵探测器水平尺寸，并且确保物体在扫描过程中，只有一个方向超出面阵探测器成像范围；
(5)以经准直而成的锥束射线对物体实施透照，同时，检台匀速连续旋转，由面阵探测器以固定采样速度连续采集透射过物体的射线投影，获得第二组二维数字图像序列；(6)当检台旋转360度时，面阵探测器停止采样，检台和射线源同时停止，即完成第二次单圆轨道锥束CT扫描；(7)无射线时，按步骤(2)和(3)方法，形成暗场投影图像序列，将暗场投影图像序列取平均值，得到二维暗场投影图像D；(8)将物体从扫描台移走，确保射线源和线阵探测器间无任何物体；(9)按步骤(2)和(3)方法，形成亮场投影图像，将亮场投影图像序列取平均值，得到二维亮场投影图像L；(10)将L减去D，完成亮场暗电流校正，得到L1；(11)求L1的平均值，以平均值除以L1的每个值，得到二维数组U；(12)将两组投影图像序列的每幅图像数据都减去D，完成暗电流校正；(13)将两组投影图像序列的每幅图像数据乘以U，完成不一致性校正；(14)由扫描装置机械数控系统提供扫描几何参数，即射线源到探测器距离、检台平移距离以及探测器水平探测通道个数；(15)设定类平行束射线投影图像序列对应的扫描角度θ、水平投影位置t以及垂直投影位置s，计算出相应的锥束扫描投影图像序列对应的扫描角度β、水平投影位置m、垂直投影位置n以及扫描位置i；(16)利用三线性插值公式，从锥束扫描投影图像序列F(β，m，n，i)重排得到类平行束射线投影图像序列P(θ，t，s)；(17)重复上述步骤(15)和(16)，直到扫描角度θ达到360度。
(18)设定类平行束射线投影图像序列对应的扫描角度θ，求出该扫描角度下，空间射线与其在水平面投影的夹角余弦，利用其对投影图像P(θ，t，s)进行乘积加权；(19)重复上述步骤(18)，直到角度θ达到360度；
(20)设定类平行束射线投影图像序列对应的扫描角度θ，利用Shepp-Logan滤波函数对加权后投影图像P(θ，t，s)逐行进行滤波，得到滤波后投影图像 (21)重复上述步骤(20)，直到角度θ达到360度；(22)给定重建点空间坐标(x，y，z)，在每个扫描角度θ下求出其相应的投影地址t和s；(23)将所有θ角下的 进行求和平均，得到空间(x，y，z)点的重建值；(24)重复上述步骤(22)和(23)，直至扫描区域每个空间点都被计算出来，从而完成扫描区域的三维层析重建。
图7给出了由三种工件构成的回转直径为500mm的组合件的大视场三维CT成像实例。图7(a)～(f)以探测器中间行为例，说明了本发明数据处理过程。其中，图7(a)为扫描角度为0度时探测器在位置1采集的投影，图7(b)为扫描角度为0度时探测器在位置2采集的投影，图7(c)为360度周向扫描过程中探测器中间层在位置1和2生成的投影正弦图，图7(d)为探测器中间层完成类平行束重排后的投影正弦图，图7(e)为滤波后探测器中间层对应类平行束投影正弦图，图7(f)为利用类平行束重建算法得到的中间层CT重建图像。图7(g)为利用类平行束重建算法得到的构件扫描区域的三维CT重建图像(逐层显示)。图7结果表明，本发明扫描原理和重建算法正确。
权利要求
1.大视场三维CT成像方法，其特征在于包括下列步骤(1)进行第一次单圆轨道锥束CT扫描，获得第一组数字射线投影图像序列；(2)承载物体的检台垂直主射线方向平移一定距离，进行第二次单圆轨道锥束CT扫描，获得第二组数字射线投影图像序列；(3)对两组数字射线投影图像进行暗电流和不一致性校正；(4)记录射线源到探测器距离、检台平移距离、探测器水平探测通道个数；(5)根据上述参数，利用投影重排算法将上述不完备的两组锥束射线投影数字图像序列重排成完备的类平行束射线投影图像序列；(6)依据步骤(5)得到的图像序列，利用类平行束射线重建算法，重建扫描区域的三维CT图像。
2.根据权利要求1所述的大视场三维CT成像方法，其特征在于所述步骤(1)中进行第一次单圆轨道锥束CT扫描，获得一组数字射线投影图像序列的步骤为(1)将被扫描物体放置于锥束CT扫描系统旋转检台，确保检台旋转中心位于主射线上；(2)以经准直而成的锥束射线对物体实施透照，同时，检台匀速连续旋转，由面阵探测器以固定采样速度连续采集透射过物体的射线投影，获得第一组二维数字图像序列；(3)当检台旋转360度时，面阵探测器停止采样，检台和射线源同时停止，即完成第一次单圆轨道锥束CT扫描。
3.根据权利要求1所述的大尺寸三维CT成像方法，其特征在于所述步骤(2)中进行第二次单圆轨道锥束CT扫描，获得一组数字射线投影图像序列的步骤为(1)承载物体的检台从完成第一次单圆轨道锥束扫描的位置垂直主射线方向平移一定距离，该距离应小于面阵探测器水平尺寸，并且确保物体在扫描过程中，只有一个方向超出面阵探测器成像范围；(2)以经准直而成的锥束射线对物体实施透照，同时，检台匀速连续旋转，由面阵探测器以固定采样速度连续采集透射过物体的射线投影，获得第二组二维数字图像序列；(3)当检台旋转360度时，面阵探测器停止采样，检台和射线源同时停止，即完成第二次单圆轨道锥束CT扫描。
4.根据权利要求1所述的大视场三维CT成像方法，其特征在于所述的步骤(3)中对两组数字射线投影图像进行暗电流和不一致性校正的步骤为(1)无射线时，按权利要求2步骤(2)和(3)方法，形成暗场投影图像序列，将暗场投影图像序列取平均值，得到二维暗场投影图像D；(2)将物体从扫描台移走，确保射线源和线阵探测器间无任何物体；(3)按权利要求2中的步骤(2)和(3)方法，形成亮场投影图像，将亮场投影图像序列取平均值，得到二维亮场投影图像L；(4)将L减去D，完成亮场暗电流校正，得到L1；(5)求L1的平均值，以平均值除以L1的每个值，得到二维数组U；(6)将权利要求2和3获取的两组投影图像序列的每幅图像数据都减去D，完成暗电流校正；(7)将步骤(6)获取的两组投影图像序列的每幅图像数据乘以U，完成不一致性校正。
5.根据权利要求1所述的大视场三维CT成像方法，其特征在于，所述的步骤(4)中射线源到探测器距离、检台平移距离以及探测器水平探测通道个数通过扫描装置机械数控系统提供。
6.根据权利要求1所述的大视场三维CT成像方法，其特征在于，所述的步骤(5)中的投影重排算法的步骤为(1)设定类平行束射线投影图像序列对应的扫描角度θ、水平投影位置t以及垂直投影位置s，计算出相应的锥束扫描投影图像序列对应的扫描角度β、水平投影位置m、垂直投影位置n以及扫描位置i；(2)利用三线性插值公式，从锥束扫描投影图像序列F(β，m，n，i)重排得到类平行束射线投影图像序列P(θ，t，s)；(3)重复上述步骤(1)和(2)，直到扫描角度θ达到360度。
7.根据权利要求1所述的大视场三维CT成像方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的类平行束三维重建算法的步骤为(1)设定类平行束射线投影图像序列对应的扫描角度θ，求出该扫描角度下，空间射线与其在水平面投影的夹角余弦，利用其对投影图像P(θ，t，s)进行乘积加权；(2)重复上述步骤(1)，直到角度θ达到360度；(3)设定类平行束射线投影图像序列对应的扫描角度θ，利用Shepp-Logan滤波函数对加权后投影图像P(θ，t，s)逐行进行滤波，得到滤波后投影图像P(θ，t，s)；(4)重复上述步骤(3)，直到角度θ达到360度；(5)给定重建点空间坐标(x，y，z)，在每个扫描角度θ下求出其相应的投影地址t和s；(6)将所有θ角下的P(θ，t，s)进行求和平均，得到空间(x，y，z)点的重建值；(7)重复上述步骤(5)和(6)，直至扫描区域每个空间点都被计算出来，从而完成扫描区域的三维层析重建。
全文摘要
大视场三维CT成像方法，步骤为(1)进行第一次单圆轨道锥束CT扫描，获得第一组数字射线投影图像序列；(2)承载物体的检台垂直主射线方向平移一定距离，进行第二次单圆轨道锥束CT扫描，获得第二组数字射线投影图像序列；(3)对两组数字射线投影图像进行暗电流和不一致性校正；(4)记录射线源到探测器距离、检台平移距离、探测器水平探测通道个数；(5)根据上述参数，利用本发明研究的投影重排算法将上述不完备的两组锥束射线投影数字图像序列重排成完备的类平行束射线投影图像序列；(6)依据步骤(5)得到的图像序列，利用本发明研究的类平行束射线重建算法，重建扫描区域的三维CT图像。本发明通过检台两次单圆轨道锥束扫描，可将单圆轨道锥束扫描的成像视野扩大至原来的3倍，扫描及重建过程简单，高效。
文档编号A61B6/03GK1865954SQ20061001221
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者傅健, 魏东波, 姜明, 卿磊, 孙晶晶, 龚磊, 黄琼 申请人:北京航空航天大学