专利名称：一种ct系统及信号处理方法
技术领域：
本发明涉及CT系统的新设计及新的图像重建方法，特别涉及一种CT系统及信号 处理方法。
背景技术：
现有的CT系统的结构示意图如图1所示，它使用了大面积的探测器，一般有 40X30cm2，提高了仪器的生产成本和体积，同时由于整体覆盖被扫描物体，故对扫描物体的 辐射剂量大，对人体造成不同程度的伤害。近来信息理论的最新进展，压缩传感原理，已经在最优或是近最优的信号重构中， 特别是不完全线性测量的重构中被证明了其优越之处。这些理论很快被改编运用到核磁共 振图像重建中。而本发明第一次改编并运用这些理论于CT系统。
发明内容
本发明的目的在于，为克服传统CT系统扫描病人的放射剂量大扫描时间长，以及 散射效应等问题，从而提出一种CT系统及信号处理方法。为了实现上述发明目的，它的独特设计在于X射线源的排列模式，以及扫描束轨 迹安排。这使得物体的采样可以达到最佳。发明的另一项独特之处在于它的重构算法，特 别是它使用的压缩传感于优化采样方案。这个新系统可以用于医疗，如人脑或人体的扫 描，或是工业用扫描仪(如设备的瑕疵、损伤、疲劳)，也可用于古生物复原或考古学的研 究等。系统减少了 X射线平板探测器的大小，从而有效地降低了仪器的生产成本和体积。本发明提出的一种CT系统，其特征在于，所述的CT系统包含-X射线源阵列和小 型平板探测器，所述的X射线源阵列和小型平板探测器水平方向共轴设置。所述的X射线源阵列包含一扫描射线源，所述的扫描射线源与一准直器金属靶 相连，该准直器金属靶用于产生并限制X射线只能通往小型平板探测器；其中，所述的X射线源阵列和所述的小型平板探测器阵列分别固定在一个可旋转 的支架的两端，通过支架的运动，所述的X射线源阵列和小型平板探测器围绕待扫描物体 同步旋转运动。所述的准直器金属靶，该准直器金属靶为均勻的开若干孔的金属板，用于保证每 一通过准直器金属靶的某个孔的X射线源和小型平板探测器形成一个覆盖部分物体的扇 束区。所述的小型平板探测器采用用于快速记录扫描数据的光子计数探测阵列，该光子 计数探测阵列包含位于小型平板探测器上的若干个小半导体探测器。 所述的X射线源阵列，还可以，由放置在被扫描物周围的若干碳纳米X射线源形成 一个三维阵列X射线源。 所述的X射线源阵列，其排列方式由优化方法得到，通过随机排列及实验效果决 定各个点源的位置。
所述的优化方法具体包含如下步骤1)X射线源的位置通过简单的计算机模拟随机产生；2)通过现有的CT模拟程序，代入1)中相应源的位置，模拟相应的采集信号；3) CT图像最后由本专利提到的重建方法获得；4)计算病人所受到的辐射剂量，该剂量可简化为正比于X射线源的数目；5)反复通过以上1) 4)中所述的的模拟计算，可以得到X射线源位置和图像质 量以及病人所受辐射剂量的曲线关系，并由此可以决定最佳的X射线源的排列方式。一种CT系统的信号处理方法，所述的CT系统包含X射线源阵列和小型平板探测 器，所述的X射线源阵列和小型平板探测器水平方向共轴设置；所述的方法用于还原该CT 系统扫描的物体形成图像输出，该方法具体包含如下步骤11)设定X射线源阵列扫描物体，对物体进行随机采样；12)小型平板探测器记录采样得到的数据；13)针对采样得到的数据，采用图像压缩重建方法恢复扫描物体图像，具体包含如 下步骤首先用导数或二阶导数求得物体的稀疏变换，具体公式如下II^(Z)IIn =+ /； + /z2 办办必或 IK/)lli, = JVf +f2yy ^rfldxdydz其中，f函数代表被扫描的物体，而11^/) 则为被扫描物体的稀疏变换；然后，在限制条件(Af-y)T(Af_y) = ，或(Af_y)T(Af_y) < ￡，下将Ll范数的稀 疏变换最小化，还原不完全采样的物体，形成图像输出；其中，矩阵A为CT的投影矩阵，y为 探测器记录的数据。所述的最小化的方法包含内点法、牛顿迭代法、共轭梯度法或迭代条件模式法，具 体公式如下OTinI^(Z)Ia, s.t. \Af-yfl2<s 。此外，纳米技术的进展，特别是碳纳米管X射线源的产生，使得在CT系统中使用X 射线阵列成为可能。把多个X射线源按一定模式排列，这项发明可以在CT扫描中实现随机 采样从而使得压缩传感的理论得以充分应用。除纳米X射线源外，使用特别设计准直器的 扫描束X射线源也可以用来提供类似的X射线阵列。这种扫描束X射线源的好处在于它的 价格低廉。它和这项发明中使用的小型探测器一起，使得整个系统的价格非常低廉。本发明的优点在于，它可以使得病人所受的放射剂量和扫描时间大大减少，这项 发明提供了高分辨率，低辐射，高时间分辨率(实时三维图形)，及可能的多光谱图像处理 技术，这对于诊断及放射治疗特别是新兴高端的图像控制的精准定位放射治疗(IGRT)是 十分有用的。
图1为传统CT结构示意图；图2为本发明的CT结构示意图；图3为本发明的一种具体CT系统的工作方式示意图；图4为本发明的一种CT系统的具体结构，包含扫描射线源，准直器金属靶和小型平板探测器；图5为本发明的一种CT系统的旋转支架示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。1.多源和小型探测器CT构型这项发明采用了一个CT系统新的构型设计。它使用了多个X射线源位置，即X射 线源阵列和小型的探测器。这种设计大大降低了整个系统的成本。如附图1和附图2所示，附图1显示了常规CT扫描仪的构型设计，它使用了大面 积的探测器，一般有40X30cm2，附图2显示了本发明的CT扫描仪设计，它的探测器面积被缩 减到常规CT的十分之一。它的X射线源位于不同的位置，从而每一队X射线源和探测器形成了 一个小的扇 束区，覆盖了扫描物体的一部分。在扫描过程中，X射线源阵列和探测器围绕物体沿着一个 圆形或是螺旋形轨迹旋转，如附图3所示。小的探测器和X射线束覆盖减小了电子的开普敦散射效应，从而提高了重构图像质量。2.随机采样技术我们注意到，当使用这种新型结构设计的时候，扫描物体在每个投射角度并不像 常规设计那样被X射线束整体覆盖，这使得辐射剂量大大减少。一般来说这同时意味着图 像质量变差，因为采集的数据的减少。但如果我们仔细选择X射线束的投射，并使用有效的 重构算法，被扫描物体可以被完全还原出来。根据压缩传感理论，一个X射线束的自然选择 就是对于线性测量的随机采样。使用这种采样，物体可以从X射线投射中完全重构出来，尽 可能有效地利用所采集的数据，降低庸余程度。假如物体的稀疏变换存在的话。这个变换 实际上可以通过最小总差异(TV)正规化而来的梯度变换发现。此外在这个发明中我们提 议使用二阶导数来增加稀疏度，这使得重构结果更完善准确，我们在下面会详细说明。随机 采样方式可以通过实验来验证，一旦确定，同样的方式可以重复用于别的物体或是病人。3.压缩传感重构技术因为测量(X射线成像)的采样严重不足，使用常规反变换来还原物体是不太可能 而且很不稳定的。重构因此需要被扫描物体额外的信息，即先验知识。在这个发明中，这个 先验知识就是物体的“稀疏”性质。它在很多场合例如人体和别的物体中被证明了是可靠 的，并已经应用到人体的核磁共振成像中。我们需要找到一种变换使得物体在变换后的空 间中是稀疏的。这里我们使用以前提到过的导数和二阶导数。压缩传感技术显示，使用被 稀疏物体的Ll norm，我们就可以从不完全采样测量中完全还原物体。由此我们导出了下面 的方程来解决Ll优化的问题。
权利要求
1.一种CT系统，其特征在于，所述的CT系统包含x射线源阵列和小型平板探测器，所 述的X射线源阵列和小型平板探测器水平方向共轴设置。
2.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述的X射线源阵列包含一扫描射 线源，所述的扫描射线源与一准直器金属靶相连，该准直器金属靶用于产生并限制X射线 只能通往小型平板探测器；其中，所述的X射线源阵列和所述的小型平板探测器阵列分别固定在一个可旋转的支 架的两端，通过支架的运动，所述的X射线源阵列和小型平板探测器围绕待扫描物体同步 旋转运动。
3.根据权利要求2所述的CT系统，其特征在于，所述的准直器金属靶，该准直器金属靶 为均勻的开若干孔的金属板，用于保证每一通过准直器金属靶的某个孔的X射线源和小型 平板探测器形成一个覆盖部分物体的扇束区。
4.根据权利要求2所述的CT系统，其特征在于，所述的小型平板探测器采用用于快速 记录扫描数据的光子计数探测阵列，该光子计数探测阵列包含位于小型平板探测器上的若 干个小半导体探测器。
5.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述的X射线源阵列，还可以，由放置 在被扫描物周围的若干碳纳米X射线源形成一个三维阵列X射线源。
6.根据权利要求1所述的CT系统，其特征在于，所述的X射线源阵列，其排列方式由优 化方法得到，该方法具体包含如下步骤首先，用计算机模拟随机产生X射线源的初级位置；然后通过现有的CT模拟程序，代入 相应源的初级位置，模拟相应的采集信号，并用重建方法获得CT图像；最后计算病人所受 到的辐射剂量，该剂量可简化为正比于X射线源的数目；反复通过以上所述的模拟计算，得 到X射线源位置和图像质量以及病人所受辐射剂量的曲线关系，并由此可以决定最佳的X 射线源的排列方式。
7.—种CT系统的信号处理方法，所述的CT系统包含X射线源阵列和小型平板探测 器，所述的X射线源阵列和小型平板探测器水平方向共轴设置；所述的方法用于还原该CT 系统扫描的物体形成图像输出，该方法具体包含如下步骤1)设定X射线源阵列扫描物体，对物体进行随机采样；2)小型平板探测器记录采样得到的数据；3)针对采样得到的数据，采用图像压缩重建方法恢复扫描物体图像，具体包含如下步骤首先用导数或二阶导数求得物体的稀疏变换，具体公式如下
8.根据权利要求7所述的信号处理方法，其特征在于，所述的最小化的方法包含内点 法、牛顿迭代法、共轭梯度法或迭代条件模式法，具体公式如下min||^(/)||n, s.t. \\Af-yfl2<e 。
全文摘要
本发明涉及一种CT系统及信号处理方法，该CT系统包含X射线源阵列和小型的平板探测器，所述的X射线源阵列和小型平板探测器水平方向共轴。所述的X射线源阵列包含电子扫描射线源和准直器金属靶，该扫描射线源与一准直器金属靶相连；所述的X射线源阵列和所述的小型平板探测器阵列分别固定在一个可旋转支架的两端；位于旋转支架两端的X射线源阵列和小型平板探测器围绕物体沿着一个圆形或是螺旋形轨迹旋转。另一种X射线阵列，还可以，由放置在被扫描物周围的碳纳米X射线源形成一个三维的阵列；所述的碳纳米X射线源产生的X射线源阵列与小型探测器构成CT系统。本发明还提出一种针对这种新的CT扫描系统的图像压缩重建方法。
文档编号A61B6/03GK102121908SQ20101000019
公开日2011年7月13日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者李乐攻, 李天放, 毛钱江 申请人:李乐攻, 李天放, 毛钱江