CT图像的重建方法和装置与流程

本发明主要涉及计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)设备，尤其涉及一种CT图像的重建方法和装置。

背景技术：

计算机断层扫描(Computed Tomography,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扫描的过程中，患者身体或器官的运动(例如心跳、呼吸等)会对扫描图像质量造成影响，造成运动伪影。以心脏CT扫描来说，为了消除心脏运动对图像的影响，减少重建的图像中的运动伪影，会使用门控曲线对于扫描数据进行加权后再进行图像重建，以得到比较清晰的心脏图像。具体来说，在扫描心脏的同时监控心电(ECG)信号，并通过一条与心电信号相关的门控曲线(为加权函数曲线)对扫描数据进行加权。在加权时，对心脏运动幅度较小时采集的扫描数据采用较大的权重参与图像重建，而对心脏运动幅度较大时采集的扫描数据采用较小的权重参与图像重建。

尽管如此，如果仅仅根据心电信号得到单个相位的重建图像，仍然无法确保这一重建图像是最好的。因此使用CT设备扫描心脏或者其它部位后，医生期望能够得到多个相位(phase)的重建图像，从而能够从中选择图像效果最好的那个相位的重建图像。为此，期望重建的相位足够多，以便能够选择最佳相位的图像。

目前的CT设备的重建方法，每次重建仅能针对单个相位进行重建。因此，为了重建足够多相位的图像，势必需要耗费很长的时间。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供CT图像的重建方法和装置，可以更快地进行多个相位的图像重建。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种CT图像的重建方法，包括以下步骤：将多个相位所对应的图像集合一并进行反投影前的预处理过程；针对每个相位所对应的图像子集，分别进行反投影，其中每个相位所对应的图像子集是该图像集合的一部分，且至少两个相位所对应的图像子集之间存在交集。

根据本发明的一实施例，进行所述反投影时，每个相位所对应的图像子集中的各个图像按照其在对应相位中的权重进行反投影。

根据本发明的一实施例，进行所述反投影时，每个相位所对应的图像子集中的各个图像中，每个像素值的计算由单独的线程执行。

根据本发明的一实施例，每个相位只预先重建数量的断层图像。

根据本发明的一实施例，上述方法还包括根据选定的相位，重建该选定相位的所有断层图像。

根据本发明的一实施例，该相位的数量为2-20。

根据本发明的一实施例，上述CT图像为在多个相位上扫描的心脏断层图像

本发明还提供一种CT图像的重建装置，包括存储器和处理器，该存储器储存有重建程序，该处理器执行该重建程序以实施下述步骤：将多个相位所对应的图像集合一并进行反投影前的预处理过程；针对每个相位所对应的图像子集，分别进行反投影，其中每个相位所对应的图像子集是该图像集合的一部分，且至少两个相位所对应的图像子集之间存在交集。

本发明还提出一种CT图像的重建装置，包括：用于将多个相位所对应的图像集合一并进行反投影前的预处理过程的模块；用于针对每个相位所对应的图像子集，分别进行反投影的模块，其中每个相位所对应的图像子集是该图像集合的一部分，且至少两个相位所对应的图像子集之间存在交集。

本发明还提出一种医学成像系统，包含如上所述的CT图像的重建装置。

与现有技术相比，本发明的上述技术方案通过把存在很大重叠区间的多个相位的扫描图像进行合并处理，使得计算量大大下降，从而提升了重建的速度。

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CT图像的重建流程。

图5是根据本发明一实施例的CT图像的重建方法流程图。

图6是根据本发明一实施例的CT图像的4相位重建示意图。

图7是心电信号和与其对应的加权函数曲线的示意图。

图8是根据本发明一实施例的心脏CT图像的单个相位的重建图像选取示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

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射线的C型臂系统、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。扫描仪可以是计算机断层扫描扫描仪(CT Scanner)。

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(Central Processing Unit，CPU)，专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)，专用指令处理器(Application-Specific Instruction-Set Processor，ASIP)，图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)，物理运算处理器(Physics Processing Unit，PPU)，数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，可编程逻辑器(Programmable Logic Device，PLD)，控制器(Controller)，微控制器单元(Microcontroller unit)，处理器(Processor)，微处理器(Microprocessor)，ARM处理器(Advanced RISC Machines)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(local area network(LAN))、广域网(wide area network(WAN))、公用网络、私人网络、专有网络、公共交换电话网(public switched telephone network(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。

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X射线源230、X射线探测器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。X射线源230和X射线探测器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，X射线源230和X射线探测器240可以采集患者的扫描数据。扫描数据可以被用于重建，例如，待校正图像、待校正图像的参照图像等。

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X射线源可以绕轴260进行旋转。X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。

本发明的实施例描述的CT图像的重建方法和装置，可以在图1-3所示的环境中实施。例如，重建方法和装置在图像处理系统120中实施。重建方法和装置能够通过一次重建得到多个相位的图像，达到快速建像的目的。在此，CT图像可以是心脏CT图像、肺部CT图像或者腹部CT图像等等。

图4是心脏CT图像的重建流程。参考图4所示，一次重建往往包含有二三十个算法步骤，每一个步骤对数据都要进行一次处理。将整个重建过程按种类划分为：前处理部分410、建像部分420和后处理部分430。前处理部分包括AIR、SliceNormal、ClossTalk、……HU等，建像部分420包括AziRbin、RadialRebin、滤波(Filter)、……、反投影(Back Projection,BP)等，后处理部分130包括RingOff、TV、……、Saver等。

按已知的重建方式，对每个相位的图像都会单独进行如图5所示的重建流程，这需要耗费大量的时间。然而经过分析发现，各个相位所包含的图像之间有大量的重叠数据，这些数据在前处理部分算法和重建部分算法都进行了多次处理浪费了计算量。

图5是根据本发明一实施例的CT图像的重建方法流程图。参考图5所示，本实施例的方法包括以下步骤：

在步骤501，将多个相位所对应的图像集合一并进行反投影前的预处理过程；

在步骤502，针对每个相位所对应的图像子集，分别进行反投影，其中每个相位所对应的图像子集是该图像集合的一部分，且至少两个相位所对应的图像子集之间存在交集。

这一重建方法可以实施为计算机程序，储存在图3所示的ROM 330或者硬盘370中，处理器320载入并执行此重建程序以执行步骤501-503。

在步骤501中，预处理过程包括反投影前的必要步骤和可选步骤。以图4为例，前处理部分410、建像部分420部分中反投影之前的步骤，可以根据需要部分或全部包含在预处理过程中。

在步骤502中，多个相位所对应的图像集合会按照相位被分成多个图像子集，每个图像子集对应一个相位。可以理解，不同相位的图像子集之间存在交集。也就是说，不同相位的图像子集中，部分图像是重叠的。但在预处理过程中，图像集合并未被按照相位划分，因此不会被重复处理。下面举一个实际的例子说明。

图6是根据本发明一实施例的CT图像的4相位重建示意图。参考图6所示，4个相位的相位点分别为：20％，30％，40％，50％。以第1个周期中的4个相位为例，它们所对应的扫描图像(即重建所需要的扫描图像)集合数量分别是900、899、899和899。每个相位所对应的扫描图像的数量与重建视野大小有关，一般地，当重建视野较小时，其图像的像素对应的时间分辨率较高；而当重建视野较大时，为了保证大视野图像边缘处的像素有足够的投影数据，需要使得其对应的相位处加权函数宽度增加，即在该相位处会用到更长时间(更多)的投影数据参与图像重建。从图6中可以看出，4个相位所分别对应扫描图像之间有部分是重叠的，它们的图像集合总共只有1700个扫描图像。

根据图5的实施例，在步骤501中会将多个相位所对应的图像集合一起进行反投影前的预处理过程。具体地说，多个相位所对应的图像集合会一起经历图1中前处理部分110、建像部分120中反投影之前的步骤。仍以图3为例，第1个周期中的4个相位所对应的图像集合，即1700个扫描图像会一并经历图1中前处理部分110、建像部分120中反投影之前的步骤。同样的，后续的各个周期会也进行类似的步骤，直到所有视角(View)的扫描图像都处理完毕。

在反投影步骤，则会对各个相位所对应的扫描图像(后文称之为图像子集)分别进行反投影。在反投影过程中需要考虑各个扫描图像的在各个相位中的权重。

仍以心脏CT扫描为例，图7是心电信号和与其对应的加权函数曲线的示意图，图7上半部分为心电(ECG)信号的曲线，其横坐标为时间t，纵坐标为心跳幅度，其代表了心跳幅度随时间的变化；图7的下半部分为与心电信号对应的加权函数曲线。

通常来说，对心脏运动幅度较小时采集的扫描数据采用较大的权重，从而使得在心脏运动幅度较小时采集的扫描数据更多地参与图像重建；而对心脏运动幅度较大时采集的扫描数据采用较小的权重，从而使得在心脏运动幅度较大时采集的扫描数据较少的参与图像重建。以上方法可以减少心脏运动对于重建图像的影像，减少图像中的运动伪影。如图7所示，在本实施例中，对于心脏运动幅度较大时对应的权重系数为0，对于心脏运动幅度较大时对应的权重系数为1。

图8是根据本发明一实施例的心脏CT图像的单个相位的重建图像选取示意图，如图8所示，在每个相位的多个视角(view)的扫描图像中，每个扫描图像都有一个权重Gweight，该权重为该扫描图像对其所影响的重建图像的权重。所有的扫描图像的权重在视角方向形成一个权重曲线，重建图像的位置为ImagePosition。

对于多个相位的情况，每个相位都有一个权重曲线，并且在每个重建图像的位置都有多个图像(其数量为相位的数量)，这样可以减少反投影之前算法的计算量。

反投影的公式如下：

其中：

t＝y_jsinθ_l+x_icosθ_l

v＝-x_isinθ_l+y_jcosθ_l (2)

其中：指图像上i列的像素在x方向的位置，指图像上j行的像素在y方向的位置，指第k个图像在z方向的位置，i,j,k＝1,2,3,4,…。

CDirection是病床的方向(进床还是出床)。R指的探测器到旋转中心的距离，指的是球管的旋转角度，l指的是当前视角在视觉序列的索引。Pitch指的是螺距，z'_k指的是图像重建开始的z方向位置，Couchpos是病床的位置，t指的是图像上的某个点在视角中投影点到视角中心沿探测器方向(channel)的距离。参数t是投影点在channel方向到穿过重建中心的那条射线的距离，v指的是投影点沿射线方向到重建中心的距离。

P^～CP指的是输入的平行束原始(Raw)数据，W(θ,q)为孔径加权权重(Aperture weighting)，计算方式如下：

其中：Q是控制本函数平滑性的因子，dq指的第m幅(m指图像序列中，视角影响的图像的索引，范围在1到图像数目)图像中(i，j)个像素在视角中切片(slice)方向的投影点距离视角中心的距离。

根据上述计算方式，单个相位的反投影公式就修改为：

其中：W(P)指的是视角对应的权重。

多个相位的反投影公式修改为：

其中：l指的是第l个相位，W(P)_l指的是视角对应第l个相位的权重。

根据上述公式(5)就可执行步骤502中的反投影。

在计算过程中，像素值可以利用图形处理单元(GPU)计算。较佳地，每个相位所对应的图像子集中的各个图像中，对每一个像素分配一个线程，并且将原始数据绑定到纹理内存，以提升数据的读取速度。这样的优势是，因此n个相位得到的图像数目为单个相位的n倍，而所花的时间几乎和单个相位的时间一样。

在已知的重建方式中一次建像只能重建一个相位。这样所有算法节点的数据处理量是：Data1(20％时对应的数据)+Data2(30％时对应的数据)+Data3(40％时对应的数据)+Data4(50％时对应的数据)。相比之下，本发明的实施例中把存在很大重叠区间的Data1～Data4数据进行合并处理，使得计算量大大下降，从而提升了重建的速度。

进行快速的多相位重建在临床上有显著的意义。以心脏CT图像重建来说，医生不知道哪个相位处图像是最好的，因而倾向于在多个相位处进行重建。一般来说一个相位的重建图像数量是300幅，且一般会对病人在10个相位处进行建像。这样针对一个病人需要重建3000(300x10)幅图像，再从中挑选出最佳相位的300幅图像。显而易见这一重建过程大量浪费了计算量，这也是重建速度不高的原因。更严重的是，最佳相位可能不包含在重建的10个相位处。使用本发明的实施例，可以一次重建更多相位点(几十到几百个，例如100个)的图像(相位点分别为1％到100％)，但是每个相位只重建非常有限的设定数量的图像。例如每个相位可以只重建冠脉处的1个图像。这样，允许医生通过评审所有相位点图像来判断最佳的相位点。CT成像系统根据所选定的相位点进行完整的图像重建，即重建该相位点的所有断层图像。这种方式的计算量只有400幅图像(1x100+300x1)，大大节省了计算量的同时还提高了选取的准确性。

从另一角度看，本发明还提出一种CT图像的重建装置，包括：用于将多个相位所对应的图像集合一并进行反投影前的预处理过程的模块；用于针对每个相位所对应的图像子集，分别进行反投影的模块，其中每个相位所对应的图像子集是该图像集合的一部分，且至少两个相位所对应的图像子集之间存在交集。

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。