CT扫描及图像重建方法技术

本发明专利技术涉及CT扫描及图像重建方法，其xy平面上的扫描运动包括光源和探测器组件绕旋转中心的转动和旋转中心相对于床的移动，由此在圆周扫描协议中增加X射线光源在y方向上的线性移动变量，形成升降床扫描协议，X射线光源依据所述升降床扫描协议中的运动轨迹进行扫描，重建CT图像。本发明专利技术可以在基本上不更改CT机硬件设备的条件下提高CT图像的轴向空间分辨率，从而使得放射科医生能够依据CT图像发现更小的病灶，更早地发现病人病症。更早地发现病人病症。更早地发现病人病症。

【技术实现步骤摘要】
CT扫描及图像重建方法


[0001]本专利技术涉及CT扫描及图像重建方法，属于医学影像


技术介绍

[0002]目前国际上所称的超高端CT机通常指的是宽体CT机(wide
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volume CT)或者叫做容积CT机(volumetric CT)。这类CT机通常在纵向(longitudinal direction)能够覆盖160mm的宽度从而使得能够对心脏进行一个心跳(one
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beat)成像，即在旋转一周内对整个脏器进行覆盖采样，进而对数据进行处理重建得到脏器的三维图像。目前市场上的宽体CT机主要有GE公司的GE Revolution(256排物理探测器)超高端能谱CT和Canon公司的Aquilion
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One系列CT(320排物理探测器)。宽体CT机在扫描时通常采用圆周扫描协议，如图1所示。
[0003]图1表示了宽体CT中使用的扫描协议。图1中探测器1是一个二维的圆柱面，该圆柱面以通过X射线光源S且平行于纵轴z轴的直线为中心轴。光源S发射X射线穿过物体2(代表病人)后打到探测器上的信号被探测器记录下来，称为投影数据。光源和探测器同时绕着纵轴z轴旋转一周，每旋转一定的角度(图1中使用λ来表示转角位置，即λ∈[0，2π))，探测器就记录一幅投影。一般情况下这样的投影数据会有几百到几千幅。这些投影数据被预处理后再通过重建算法及若干后处理，输出能够让放射科医生阅读的CT图像。宽体CT的扫描协议最主要的就是光源绕纵轴z轴旋转一周，由于光源一直处于xy平面内，其运动轨迹为一个圆周，故而这个扫描协议被称为圆周扫描(或称轴扫协议)。
[0004]图2表示了在中心平面(X射线光源的圆周运动轨迹所处平面，即xy平面)上圆周扫描协议的示意图，探测器显示为一条弧线CD，图2可以理解为图1的俯视(纵向投影)图。
[0005]为简单起见，图2只画出了光源S的运动轨迹，射线SE表示光源S发出射线通过B点(图2中使用位置向量表示)打到探测器CD上的E点，SE这条射线的方向使用单位向量来表示，变量γ表示的是SE这条射线对应的扇角，转角λ(光源绕旋转轴旋转的转角)可用于表示当前光源所处的位置，R表示光源S到旋转中心O点的距离，即OA＝R。
[0006]定义了上述变量后，圆周扫描协议中光源的运动轨迹可以简单地用下面的方程来表示：
[0007][0008]方程(1)中和分别代表x轴和y轴上的单位向量，即方程(1)代表了宽体CT机中使用的扫描协议。
[0009]现有的适用于宽体CT机的圆周扫描协议简单、易于工程实现。与其配套使用的重建算法通常是FDK算法
[1]或者与之等价的基于Hilbert变换的反投影滤波算法
[2]以及反投影混合卷积算法
[3]等。在这些重建算法中有一个相同的特点就是重建的图像是通道(channel)方向或者说是扇角γ方向的贡献和转角λ方向的贡献之和。然而由于扫描协议是一个圆周(光源的运动轨迹是一个圆周)，这些算法中转角λ方向的贡献非常小，在中心平面
上，这些算法中转角λ方向的贡献为0，即在二维重建中，转角λ方向没有任何贡献。因此，CT图像的轴向空间分辨率(axial resolution)主要由扇角γ方向的贡献来决定，如果扇角方向的采样频率较低，则图像的轴向空间分辨率就低，即xy平面内的分辨率低，无法使得放射科医生依据CT图像发现更小的病灶，从而更早地发现病人的病症。
[0010]为了提高在xy平面内的分辨率，人们只能从通道方向着手改进。通常可以采用的方法有两种，一种是硬件方面的，一种是软件方面的。硬件方面就是使用更小的探测器，如佳能(Canon)Aquilion Precision系列所谓的超高分辨率CT机(Ultra
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High Resolution CT，或称UHR CT)，使用了比Aquilion
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One系列小一半的探测器单元(0.25mm)来获取更高的分辨率，但是为了得到和Aquilion
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One系列一样的视野(field of view)，探测器单元的个数必须是原来的2倍，这种硬件方面的提升通常使得CT机器的硬件成本大幅度提高。另外一种软件方面的方案就是使用所谓的Quater
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Quater(QQ)插值，即利用圆周扫描协议的对称性在设计过程中使得探测器的中心通道偏离0.25个通道，然后进行数据插值以提高重建图像的分辨率。这种软件方面的QQ插值方案在二维重建时是可行的，但带来的问题是噪声的放大，以及其要求x
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球管的位置要严格偏离0.25个通道。然而当我们面对的是宽体CT重建问题时，这种QQ插值的方法是不能使用的，这是因为随着锥角的变大(宽体CT机器由于在纵向要覆盖160mm的高度，锥角通常在15度左右，即半锥角在7度以上)，QQ插值的假设越来越不适用。QQ插值的假设是圆周扫描协议中在一个二维平面上投影数据具有冗余性，但是在宽体CT机图像重建这个问题上我们面临的是一个三维问题，这种二维假设随着锥角的变大其近似程度越来越差。因此如果在三维问题上强行使用二维QQ插值会给重建图像带来很多无法预料的伪影(artifacts)，这些伪影是由于强行使用QQ插值带来的错误的投影数据造成的。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是提高或改善CT图像的轴向空间分辨率。
[0012]本专利技术的技术方案是：CT扫描及图像重建方法，xy平面(垂直于纵向的平面)上的扫描运动包括光源(X射线源，或称X光源)和探测器组件(或称光源和探测器构件)绕旋转中心的转动(旋转，亦可称为自转)和旋转中心相对于床(直接支承和固定人体或其他被检测客体的床板或床面等)的移动。
[0013]所述xy平面为与光源和探测器组件绕旋转中心转动的角速度方向垂直的平面。通常，光源和探测器组件绕旋转中心转动的角速度方向为纵向，所称xy平面为垂直于纵向的平面。
[0014]当光源和探测器组件和床之间没有纵向上的相对移动时，扫描运动仅为xy平面上的运动；当光源和探测器组件和床之间有纵向上的相对移动时，如在光源和探测器组件自转的同时床纵向移动，可将扫描运动在xy平面上的分量作为所称的xy平面上的扫描运动。
[0015]光源绕床(或者说被扫描客体，例如病人的待检测部位)一周，即在xy平面上形成一个闭合曲线，为一次扫描(参见图4)。实践中，可以依据实际条件及数据处理上的便利，确定一次扫描的起点和终点。
[0016]所述光源和探测器组件为包含光源和探测器且一同扫描运动的组件(构件)，通常可以设有环形的旋转架，将所述光源和探测器安装在旋转架上，与旋转架一同转动，由此形
成扫描运动中的自转运动。
[0017]旋转中心相对于床的移动可以通过光源和探测器组件的整体移动实现，例如，旋转架的安装基础(例如，可移动机架)在扫描过程中的平移运动，也可以由床的移动(例如上升)实现。现有技术背景下，采用床平移的方式更为便利。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.CT扫描及图像重建方法，其特征在于xy平面上的扫描运动包括光源和探测器组件绕旋转中心的转动和旋转中心相对于床的移动。2.如权利要求1所述的CT扫描及图像重建方法，其特征在于旋转中心相对于床的移动为竖向直线运动，光源在xy平面上的运动轨迹由下式确定：其中，其中，λ为光源绕旋转中心转动的转角或角位置；为xy平面上光源相对于旋转中心的位置向量；为xy平面上旋转中心相对于床的位移向量。3.如权利要求2所述的CT扫描及图像重建方法，其特征在于旋转中心相对于床的移动方向为y轴方向、光源和探测器组件绕旋转中心转动的角速度方向为z轴方向，依据下列方式计算光源的运动轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹宇，施大新，张启林，杨溢，林树，
申请(专利权)人：辽宁开影医疗有限公司，
类型：发明
国别省市：