一种连续倾斜直线扫描变螺距螺旋CT的扫描方法及图像重建方法技术

一种连续倾斜直线扫描变螺距螺旋CT的扫描方法及图像重建方法，属于射线断层成像技术领域，扫描方法包括：S1：射线源沿轴向倾角γ(t)的倾斜直线轨迹平移，平板探测器不动，完成第t圈扫描中一段倾斜直线扫描；S2：射线源和探测器组合与被测物轴向相对平移h(t)，且被测物旋转角度间隔Δθ；S3：继续S1倾斜直线扫描；以此往复直至变螺距螺旋扫描轨迹覆盖被测物。重建方法包括：S1

【技术实现步骤摘要】
一种连续倾斜直线扫描变螺距螺旋CT的扫描方法及图像重建方法


[0001]本专利技术属于射线断层成像
，尤其涉及一种连续倾斜直线扫描变螺距螺旋CT的扫描方法及图像重建方法。

技术介绍

[0002]计算断层成像(computed tomography，CT)是实现被测物体内部成像的无损检测技术，被广泛用于医疗、工业检测、安全检查、考古、农业、地球物理等众多领域。在实际的CT检测中，往往需要对大物体进行高分辨率成像，而传统的CT检测要求被测物体严格位于成像视场内，若被测物体尺寸过大，则需要适当地减小几何放大比，但便牺牲了成像分辨率，尤其是被测物体为不可或难以分割成小样本时，例如：化石，宝石，古董等珍贵物体。兼备大成像视场和大几何放大比(即高分辨率)一直是CT成像领域不断追求的关键目标之一。
[0003]以往的扩大视场CT成像主要采用偏置探测器的成像几何，然而，一方面，这种方法理论上最大只能扩大到两倍。另一方面，随着视场的扩大，冗余区间的减少，会导致成像质量变差；故实际应用中并不能扩大视场至理论值。
[0004]相比传统圆轨迹扫描模式，直线扫描易于控制精度和工程实现。公开号为CN104809750A的专利提出了一种结构简单、低成本、可移动/便携的直线扫描CT系统，系统采用射线源和探测器沿不同的方向平行移动的扫描方式，在低成本CT中具有潜力。为了实现对超出直线扫描CT视场的物体进行能够成像，公开号为CN106447740的专利提出了一种相对平行直线扫描CT感兴趣区域图像重建方法，该方法可对超出直线扫描CT视场的物体进行局部成像，但此方法不能对整个物体进行全域成像。为了增大几何放大比的同时增大横截面的成像视场，公开号为CN111839568A的专利提出了一种新型大视场直线扫描CT系统及图像重建方法。该系统通过固定探测器，通过沿直线轨迹平移X射线源器实现直线扫描，考虑到一段直线轨迹长度有限导致重建的有限角问题，设计了配合工件旋转几个角度实现横向大尺寸物体的完整成像。然而，由于该系统的多段直线扫描轨迹为同一平面内的直线段，无法在锥束CT成像中满足数据完备条件，实现横向视场的扩展，而无法实现轴向长物体的成像。实际上，该系统要实现更高的空间分辨率，即增大几何放大比，则会导致锥角变小。为避免轴向截断伪影，通常的措施是将锥束伪影外的数据截去，这样导致轴向成像的视场变窄。将上述专利技术沿长物体轴向进行逐块的三维重建和拼接，也能实现长物体的扫描成像；但该方法不仅扫描效率较低，还存在较大的配准误差。为实现螺旋锥束CT的扩大视场，即解决横向截断的扩大视场成像，也同时兼备轴向截断的长物体成像，邹晓兵在《大视场螺旋锥束工业CT的扫描方法与重建算法研究》中提出了横向截断的半覆盖螺旋锥束CT方式，并提出将螺旋锥束投影数据进行单层重排为扇束投影数据，然后采用二维扇束BPF算法进行重建，也进一步提出双螺旋锥束CT扫描方式，使待成像区域的横截面在每个投影视角下都能被射线束完全覆盖。实际上，邹晓兵研究的半覆盖螺旋锥束CT成像和双螺旋锥束CT扫描成像都是针对标准的螺旋轨迹，扩大视场的实质是通过探测器偏置的方式，当探测器偏置增大时
重建图像质量恶化。公开号为CN102004111B的专利提出了一种倾斜多锥束直线轨迹CT成像方法，将多个锥束倾斜安装在不同位置，即需要多组射线源和探测器组，被检物体做直线运动穿过所有锥束，探测器采集从不同方向穿过物体的射线，其扫描方式成本高，不能获得轴向长物体的完备投影数据，无法对轴向很长的物体进行检测以及精确重建和扩大视野重建。公开号为CN111982939A的专利提出了一种可移动式多段直线光源CT成像系统及方法，其包括可移动的多个扫描段，且每个扫描段包括一个直线分布式光源阵列和一个直线探测器阵列，多个扫描段间配合且互相平行，以实现采集完备数据和扩大视野成像。

技术实现思路

[0005]为了满足对横向尺寸大且轴向长物体的全域高分辨率CT成像需求，本专利技术旨在提供一种连续倾斜直线扫描的变螺距螺旋扫描CT系统与图像重建方法，首先提供一种新型非标准螺旋扫描轨迹的方法，然后提供实现该扫描轨迹的机械装置，最后提供该扫描轨迹的图像重建方法，使达到兼备扩大横向视场成像和轴向长物体高分辨率成像的目的，且同时继承以往直线扫描CT系统的结构简单，易于实现和扩大成像视场等优点。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种连续倾斜直线扫描变螺距螺旋CT的扫描方法及图像重建方法，其特征在于：连续倾斜直线扫描螺旋CT的扫描为一种变螺距扫描及相应用于此种扫描的图像重建方法。
[0008]一种连续倾斜直线扫描变螺距螺旋CT的扫描方法，配合机械运动系统的基本运动形式为：
[0009]S1：设定螺旋扫描圈数为N
r
，射线源沿轴向倾角γ(t)的倾斜直线轨迹平移，平板探测器不动，完成第t圈扫描中的第n段倾斜直线扫描(其中t为螺旋扫描圈数序号，满足t＝1,2,...,N
r
，n为倾斜直线扫描段数序号，满足n＝1,2,...,N
r
·
T，两者之间的关系为：t＝ceil(n/T))；
[0010]S2：旋转台控制被测物体旋转角度间隔Δθ，并垂直上升或下降(任一的单方向)一段间距h(t)；
[0011]S3：继续步骤S1的第t圈扫描中的第(n+1)段倾斜直线扫描(其中t值由以下公式确定：t＝ceil(n/T))，以此往复直至连续倾斜直线扫描覆盖被测物体，形成变螺距螺旋扫描轨迹。
[0012]一种连续倾斜直线扫描变螺距螺旋CT的扫描方法，射线源的倾斜直线扫描轨迹表达式为：
[0013][0014]其中，λ
i
为射线源焦点在倾斜直线轨迹上的坐标，即λ
i
∈[
‑
λ
m
,λ
m
]，1≤i≤N，N表示每段倾斜直线扫描的采样点数；θ
n
为第n段射线源倾斜直线平移轨迹与固定坐标系x轴正向的夹角，θ
n
＝(n
‑
1)
·
Δθ，n＝1,2,...,N
r
·
T，其中N
r
为螺旋扫描圈数，T为扫描一圈所需要的倾斜直线轨迹段数，Δθ由如下关系确定：Δθ＝2arctan(u
m
/dod)，进而T可由如下关系确定：T＝ceil(2π/Δθ)，ceil(
·
)表示向上取整；为第n段射线源倾斜直线平移轨迹的旋转矩阵；z(λ
i
,n)为射线源(1)在固定坐标系z轴上的坐标，其计算式为：
[0015][0016]式中H'为第t圈螺旋扫描过程的前(t
‑
1)圈轨迹的z向高度，满足h(t)为第t圈螺旋扫描过程中的倾斜直线轨迹z向高度(不包含相邻倾斜直线段交叉的冗余部分)，其满足h(t)＝p(t)/T；p(t)为变螺距序列，由螺旋扫描圈数N
r
设定不尽相同的螺距值，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续倾斜直线扫描变螺距螺旋CT的扫描方法及图像重建方法，其特征在于：所述连续倾斜直线扫描螺旋CT的扫描为一种变螺距扫描及相应用于此种扫描的图像重建方法。2.根据权利要求1所述的一种连续倾斜直线扫描变螺距螺旋CT的扫描方法，其特征在于，所述变螺距螺旋扫描方法具体为：S1：设定螺旋扫描圈数为N
r
，射线源(1)沿轴向倾角γ(t)的倾斜直线轨迹平移，平板探测器(3)不动，完成第t圈扫描中的第n段倾斜直线扫描(其中t为螺旋扫描圈数序号，满足t＝1,2,...,N
r
，n为倾斜直线扫描段数序号，满足n＝1,2,...,N
r
·
T，两者之间的关系为：t＝ceil(n/T)；S2：旋转台控制被测物体(2)旋转角度间隔Δθ，并垂直上升或下降(任一的单方向)一段间距h(t)；S3：继续步骤S1的第t圈扫描中的第(n+1)段倾斜直线扫描(其中t值由以下公式确定：t＝ceil(n/T))，以此往复直至连续倾斜直线扫描覆盖被测物体(2)，形成变螺距螺旋扫描轨迹。3.一种连续倾斜直线扫描的变螺距螺旋CT的图像重建方法，其特征在于，包括以下步骤：S1
’
：通过差分反投影(differentiated back
‑
projection,DBP)算子得到第n段倾斜直线扫描的三维DBP图像计算式如下：其中R和dod分别为旋转台中心轴到射线源焦点和平板探测器中心的距离；λ
m
为射线源(1)倾斜直线扫描轨迹的半长；u为平板探测器(3)的行向坐标，u
m
为平板探测器行向的半长；v为平板探测器(3)的纵向坐标；是第n段倾斜直线扫描锥束投影数据的冗余加权函数；是第n段倾斜直线扫描时射线源在倾斜直线轨迹为λ位置的锥束投影数据；z(λ)为射线源(1)第n段倾斜直线扫描时在平板探测器(3)上的纵向坐标，计算式为：z(λ)＝λsin(γ(t))
‑
H(t)/2；射线源(1)射线穿过待重建点在平板探测器(3)的行向坐标为u
*
，其计算式为：S2
’
：对第n段DBP图像沿轴向逐层进行一维有限Hilbert逆变换，得到第n段倾斜直线扫描的三维重建图像
其中y1表示一维Hilbert变换方向，y1∈]L
y
+ε
y
,U
y
‑
ε
y
]，其中[L
y
,U
y
]表示Hilbert变换的有限区间，ε
y
为一个小正数；表示重建第n段有限角图像需要计算的未知常数，通过找出已知的一些位置点，将其经有限Hilbert变换后的均值来作为S3
’
：通过以下公式将N
r
·
...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪志胜，崔俊宁，王顺利，边星元，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：