基于双平面长行程扫描的层析重建方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于双平面长行程扫描的层析重建方法及装置，应用于双平面X光机系统，包括：设置双平面X光扫描模式和几何环境，获取待重建对象在不同相对位置关系下的原始图像；对原始图像进行预处理，获取原始图像的灰度值，进行对数变换将灰度值转化为对应的X射线吸收率，同时，根据长行程扫描几何环境，确定层析重建范围；选定重建宽度，以重建宽度历遍所有重建范围点，通过滤波反投影完成冠状面、矢状面层析图像的重建；获取重建的层析图像的重叠部分，对于重叠部分使用加权叠加法进行拼接形成长行程图像，实现了双平面长行程扫描的层析重建算法，实现冠状面、矢状面负重位层析图像重建，扩大层析图像重建范围，提高图像层间分辨率。像层间分辨率。像层间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
基于双平面长行程扫描的层析重建方法及装置


[0001]本专利技术涉及医学成像
，尤其涉及一种基于双平面长行程扫描的层析重建方法及装置。

技术介绍

[0002]骨科是一门主要研究骨骼肌肉系统的解剖、生理、病理及其治疗方式的临床医学学科。
[0003]目前骨科各次级学科仍存在待攻克的临床问题。青少年特发性脊柱侧凸是一种常见脊柱疾病，总体患病率为0.47
‑
5.2％，患病人群男女比在1:1.5至1:3之间，且Cobb角较大的人群中女性患病率显著高于男性；脊柱融合术后邻近节段退变综合发病率为29.3％，颈椎节段发病率为32.8％，腰椎节段发病率为26.6％；单髁膝关节置换术后翻修率比传统全膝关节置换术高，其中36％归因于术后非置换间室和髌股进展性关节炎；前交叉韧带断裂占20％膝关节运动损伤，且前交叉韧带断裂后10年进展性膝关节炎的发病率超过50％，然而即便进行前交叉韧带重建术治疗，仍有40
‑
90％患者在剩余生命中会患有关节炎。以上脊柱外科、关节外科、运动医学等领域客观存在的临床问题，需要针对性、创新性医疗仪器设备辅助骨科医生进行解决攻关。
[0004]通过医学影像技术评估患者患病骨骼、关节的解剖形态，有助于骨科临床诊断疾病类型、进行手术规划、跟踪术后疗效，从而提高骨科临床疾病诊治水平。应用于骨科临床影像学诊断主要包括：数字X线成像、计算机断层成像(CT)、磁共振成像(MRI)、超声成像、层析合成成像。数字X线成像技术易于存储、辐射剂量小、成像质量高，但由于是基于锥束投影实现成像，无法区分识别不同深度病灶信息，无法进行三维测量；CT可以快速、清晰地实现骨骼肌肉软组织三维成像，但由于辐射剂量高，不适合一次性全身检查和定期随访跟踪；MRI通过不同序列实现骨骼、肌肉、脊髓等关键部位无辐射无创成像，但成像时间久、国内装机量小，难以保证大范围骨科临床应用；超声成像可以较为清晰地实现骨折、肌肉韧带损伤诊断，但目前超声信号难以实现重要关节面的诊断。层析合成成像是一种基于数字X光于小投影角度获得图像并使用反投影算法重建图像的技术，具有剂量低、扫描时间短、去除组织结构混叠、增强局部组织对比的能力，并证实可以显著提高骨科临床对复杂解剖结构、微骨折、关节面形态的分辨能力。因此，层析合成成像是一项具有充分潜力的临床骨科成像技术。
[0005]现有技术中，目前层析合成重建技术根据扫描方式可以分为三大类：平板探测器
‑
放射源同平面反向扫描、平板探测器
‑
放射源平行圆周反向扫描、平板探测器
‑
放射源同平面同向扫描。三大类层析合成重建技术的关键性技术特点如下：
[0006](1)平板探测器
‑
放射源同平面反向扫描包含四种常见扫描模式：
①
平板探测器和放射源以线性轨迹同步反向运动(如图1A所示)；
②
平板探测器和放射源以圆弧轨迹同步反向运动(如图1B所示)；
③
平板探测器以线性轨迹，放射源以圆弧轨迹同步反向运动(如图1C所示)；
④
平板探测器保持静止，放射源以圆弧轨迹运动(如图1D所示)。由于平板探测器和
放射源运动轨迹始终在同一平面内，因此根据扫描时平板探测器
‑
放射源相对位置、放射源开口角度、旋转角度或移动距离、目标区域深度等几何参数，可以获得目标区域体素、X射线位置及吸收率的关系，使用反投影方法即可重建目标区域层析图像。由于目前临床使用设备为一组平板探测器
‑
放射源，因此该类扫描模式主要扫描重建冠状面层析图像。
[0007](2)平板探测器
‑
放射源平行圆周反向扫描模式如图2所示。平板探测器中心和放射源分别在两个平行平面，绕着同一轴(图2A中Z轴)以圆周轨道进行扫描，扫描过程中保持放射源中心射线与平板探测器垂直且穿过平板探测器中心。在放射源开口角度较小的情况下，可以将实际锥形束X射线近似等效为一组平行束，对于任意平板探测器
‑
放射源位置拍摄目标区域，可以近似等效为以特定角度截面采样目标区域(如图2A所示)。在对应三维傅里叶空间中，可以近似等效为特定角度截面采样目标区域空间分辨率信息，经过频率滤波后做傅里叶反变换，即可重建目标区域层析图像。由于目前临床使用设备为一组平板探测器
‑
放射源，因此该类扫描模式主要扫描重建冠状面层析图像。
[0008](3)平板探测器
‑
放射源同平面同向扫描模式是一种最先由Koichi Shibata等提出的长行程层析合成成像技术，如图3所示。不同于传统平板探测器
‑
放射源同步反向运动的扫描模式，该扫描模式设定平板探测器中心和放射源在同一平面内同步同向以平行线为轨迹进行扫描，扫描和成像空间范围取决于放射源开口角、平板探测器
‑
放射源线性运动距离和间隔、重建目标区域深度信息。取任意成像空间内平行于平板探测器平面的条状空间，通过合理的数据重排模仿局部探测器
‑
放射源反向线性扫描模式，配合反投影算法实现该条状层析图像重建，历遍目标成像空间范围内所有可能条状空间位置，实现多深度长行程层析合成重建。由于目前临床使用设备为一组平板探测器
‑
放射源，因此该类扫描模式主要扫描重建冠状面层析图像。
[0009]现有技术的缺点如下：(1)传统层析合成重建空间区域小，非中心区域图像混叠严重。传统层析合成重建方法依赖于五种扫描方式：平板探测器
‑
放射源反向线性运动、平板探测器
‑
放射源反向圆弧运动、平板探测器线性
‑
放射源圆弧反向运动、平板探测器静止
‑
放射源圆弧运动、平板探测器
‑
放射源反向圆周轨迹运动。这五种扫描模式决定了高图像质量的重建区域取决于平板探测器
‑
放射源间距(通常设定为600
‑
1000mm)、平板探测器
‑
扫描物体间距(通常设定为100
‑
500mm)、放射源开口角度(通常不超过25
°
)、旋转角度(通常不超过60
°
)等参数，对于目前使用最为广泛的层析合成成像技术，重建构建空间区域小，用于骨科三维测量分析区域受限。同时，层析合成技术的扫描模式和反投影重建方法决定了目标区域中心可以获得较高层内分辨率和组织对比度，但目标区域边缘和非目标区域的反投影信息较少，图像出现严重混叠。
[0010](2)层间分辨率低。目前层析合成技术仅使用一组平板探测器
‑
放射源进行扫描，因此只能重建一个方向上的层析图像。由于层析合成技术主要依赖于处理后的X光透视图像反投影形成目标层图像，平板探测器
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放射源同平面扫描系统在平板探测器法向量方向对目标区域的频率响应低，平板探测器
‑
放射源平行圆周扫描系统在平行圆周轨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双平面长行程扫描的层析重建方法，其特征在于，应用于双平面X光机系统，所述双平面X光机系统包括第一X光机和第二X光机，所述第一X光机包括第一放射源，用于向人体发射X光；第一探测器，与所述第一放射源呈相对设置，用于接收经过人体后的X射线；所述第二X光机包括第二放射源，用于向人体发射X光；第二探测器，与所述第二放射源呈相对设置，用于接收经过人体后的X射线；所述重建方法包括如下步骤：设置双平面X光扫描模式和几何环境，确定所述第一X光机和所述第二X光机上的放射源和探测器间的相对位置关系后进行长行程扫描，获取待重建对象在不同相对位置关系下的图像后得到原始图像；对所述原始图像进行预处理，获取所述原始图像的灰度值，进行对数变换将灰度值转化为对应的X射线吸收率，同时，根据长行程扫描几何环境，确定层析重建范围；选定重建宽度，以重建宽度历遍所有重建范围点，通过滤波反投影完成所有冠状面、矢状面层析图像的重建；及获取垂直方向上重建的层析图像的重叠部分，对于重叠部分使用加权叠加法进行拼接形成长行程图像。2.如权利要求1所述的一种基于双平面长行程扫描的层析重建方法，其特征在于，所述设置双平面X光扫描模式和几何环境，确定所述第一X光机和所述第二X光机上的放射源和探测器间的相对位置关系后进行长行程扫描包括：设置所述第一平板探测器与所述第一放射源的第一间距，设置所述第二平板探测器与所述第二放射源间的第二间距，所述第一间距和所述第二间距呈相同设置，且在扫描过程中所述第一间距和所述第二间距保持不变；设定扫描范围，在待成像对象位于所述第一放射源和所述第二放射源形成光束公共区域时，所述第一平板探测器与所述第一放射源和所述第二平板探测器与所述第二放射源沿竖直方向同步运行；从初始高度h1开始，所述第一平板探测器与所述第一放射源和所述第二平板探测器与所述第二放射源同步沿竖直方向以相同线速度运动，且间隔
△
h完成一次X射线曝光，直至覆盖全部扫描范围，所述第一X光机和所述第二X光机到达终止高度h
N
，全过程完成曝光N次；及获取特定高度h
k
下双平面X光影像，分别以所述第一X光机和所述第二X光机的图像空间为基准，根据初始位置下所述第一X光机和所述第二X光机的相对位置关系，建立刚体正交空间坐标系。3.如权利要求2所述的一种基于双平面长行程扫描的层析重建方法，其特征在于，所述获取待重建对象在不同相对位置关系下的图像后得到原始图像包括：对于特定高度h
k
下，以所述第一X光机的图像空间为基准建立刚体正交空间坐标系(R1,V
1,k
)，满足：
其中R1为3
×
3大小矩阵，每一列表示所述第一X光机图像坐标系的坐标轴单位向量；V
1，k
为3
×
1大小列向量，表示所述第一X光机图像坐标系原点位置；h
k
为标量，表示当前所述第一探测器中心和第一放射源垂直高度；对于特定高度h
k
下，以所述第二X光机的图像空间为基准建立刚体正交空间坐标系(R2，V
2，k
)，其中R
2，k
为3
×
3大小矩阵，每一列表示所述第二X光机图像坐标系的坐标轴单位向量；V
2，k
为3
×
1大小列向量，表示所述第二X光机图像坐标系原点位置；刚体正交空间坐标系(R2，V
2，k
)由初始位置下所述第一X光机与所述第二X光机相对位置关系确定：R
2,k
＝R2，V
2,k
＝V
21
+V
1,k
，其中，V
21
为初始高度下所述第二X光机图像空间相对于所述第一X光机图像空间相对位置关系。4.如权利要求1所述的一种基于双平面长行程扫描的层析重建方法，其特征在于，所述获取所述原始图像的灰度值，进行对数变换将灰度值转化为对应的X射线吸收率中，对数变换公式为：其中，I为任意高度下所述第一X光机或所述第二X光机拍摄获得的X光原始图像灰度值，表示X射线穿透组织后的残余射线强度；I0为放射源发出的X射线强度；μ
n
为被拍摄物体组织吸收率，d
n
为被拍摄物体组织厚度，C为对数变换后的常数。5.如权利要求1所述的一种基于双平面长行程扫描的层析重建方法，其特征在于，所述根据长行程扫描几何环境，确定层析重建范围中，所述层析重范围包括双平面层析区域和非双平面层析区域；所述双平面层析区域为所述第一X光机和所述第二X光机发出的锥形束X射线相交公共区域，能进行双平面层析合成重建；所述非双平面层析区域只有所述第一X光机或所述第二X光机发出的锥形束X射线穿过，仅能进行单平面层析合成重建。6.如权利要求3所述的一种基于双平面长行程扫描的层析重建方法，其特征在于，所述根据长行程扫描几何环境，确定层析重建范围中，对于重建范围内的任意一点P，确定高度H...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡宗远，郑楠，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：