專利名稱：基于運動補償?shù)腸t設備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例涉及輻射成像，具體涉及一種基于運動補償?shù)腃T設備和方法。
背景技術(shù)：
自從1972年Hounsf ield發(fā)明了第一臺CT機，CT技術(shù)給醫(yī)學診斷和工業(yè)無損檢測 帶來了革命性的影響，CT已經(jīng)成為醫(yī)療、生物、航空航天、國防等行業(yè)重要的檢測手段之一。 隨著技術(shù)的進步，CT掃描模式和成像方法也在不斷地改進，三維錐束CT已經(jīng)成為研究和應 用的主流。X射線錐束CT已經(jīng)在醫(yī)學臨床、安全檢查、無損檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應用， 特別是在醫(yī)學臨床診斷中，螺旋CT已經(jīng)成為不可或缺的檢查手段之一。1989年，螺旋CT開始投入醫(yī)學臨床應用，由于螺旋CT的巨大優(yōu)勢，使得它逐步替 代了以前的斷層CT，螺旋CT相對于斷層CT的優(yōu)勢在于螺旋CT可以連續(xù)不間斷地采集 投影數(shù)據(jù)，并通過專門設計的重建算法得到物體的三維體數(shù)據(jù)，使得CT掃描的時間大大縮 短，提供了重建圖像的Z軸分辨率，減少了運動偽跡。1991年，Elscint公司在單層螺旋CT 基礎(chǔ)上，首先推出了雙層螺旋CT，從此揭開了多層螺旋CT(Multi-Slice CT, MSCT)飛速發(fā) 展的序幕。MSCT與單層螺旋CT的主要區(qū)別在于單層螺旋CT的檢測器是單排的，每次只能采 集一層扇束投影數(shù)據(jù)，而MSCT的檢測器是多排的，可以同時采集多層錐束投影數(shù)據(jù)。因此， MSCT和單層螺旋CT相比在性能上有了很大的提升，大大增加了 X射線束的覆蓋范圍，有效 地提高X射線的利用率，縮短了掃描時間，能夠得到更高質(zhì)量的三維重建圖像。1998年，GE、 Siemens, Toshiba, Philips公司推出了 4層螺旋CT，揭開了各大醫(yī)療設備公司激烈競爭的 序幕。2001 年，GE 公司率先推出了 8 層。2002 年，GE、Siemens、^Toshiba、Philips 公司分 別推出了 16層螺旋CT。2005年，Toshiki公司推出了 256層螺旋CT。2007年，在美國芝 加哥的第93屆北美放射學會議上Toshiba公布了其最新推出的320層螺旋CT產(chǎn)品。而 Siemens公司則在2005年推出了首臺雙能量螺旋CT。目前最新的MSCT的掃描速度達到了 每秒4周，已經(jīng)廣泛地被應用于人體三維成像、血管造影成像、心臟成像、腦灌注成像等領(lǐng) 域。在MSCT技術(shù)上還發(fā)展起來了計算機輔助手術(shù)、虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)和輔助放射治療等新技 術(shù)。盡管目前CT技術(shù)已經(jīng)工業(yè)、安檢、醫(yī)療等領(lǐng)域取得了巨大的成功，但由于工程應 用條件的復雜性和多樣性，對CT技術(shù)的進一步發(fā)展提出了更高的要求。在CT掃描過程中 經(jīng)常會遇到被掃描物體自身運動的情況，特別是在生物活體CT成像中。例如在醫(yī)療CT掃 描過程，由于人體器官的固有運動，CT影像經(jīng)常存在運動偽影，導致圖像模糊、重影等，影響 醫(yī)生對疾病的準確診斷。人體器官在正常的新陳代謝過程中會存在多種生理性的運動，包 括心臟的跳動、肺部的呼吸運動、脈搏的跳動、腸胃的蠕動等等。這些器官的運動，除去呼 吸可以通過摒息來控制，其他多數(shù)運動都很難使之暫時停止。另外，一些無法自我控制身體 運動的特殊群體，例如帕金森患者、幼兒、沒有自我控制能力的精神病人等，都可能在CT掃 描過程中存在較大幅度的肢體運動。所有上述運動會不可避免地在MSCT圖像中形成運動偽影，導致圖像質(zhì)量變差，甚至掃描失敗。因此，研究抑制和消除運動偽影的技術(shù)對于CT成 像具有重要現(xiàn)實意義。在摒住呼吸的情況下，健康人體在10秒鐘內(nèi)其頭部的平均運動位移約為0. 35mm, 在目前MSCT圖像只有0.4mm分辨率的情況下，不會在圖像中產(chǎn)生嚴重的運動偽影。而人體 軀干部分的器官，由于受心跳、腸胃蠕動等運動的影響更大，運動會比頭部更明顯。特別是 對病人而言，由于其身體的控制能力變?nèi)?，其運動幅度可能會超過Imm甚至更多，可能會導 致嚴重的運動偽影，影響CT圖像的質(zhì)量。減少運動偽影的根本辦法是提高成像的速度，以減少掃描過程中器官自身運動帶 來的影響。但是，現(xiàn)有MSCT通過滑環(huán)技術(shù)實現(xiàn)X光機和探測器圍繞人體快速旋轉(zhuǎn)，以完成 CT掃描。目前最快的掃描速度是0. 25秒/圈，受離心力、材料強度等多方面限制，這個速度 已經(jīng)是業(yè)內(nèi)的極限，在未來幾年內(nèi)很難有大的突破。除了 MSCT，其他醫(yī)療CT、工業(yè)CT掃描 速度更是遠遠低于0. 25秒/圈。因此，單純地依靠提高掃描速度是無法做到完全消除運動 偽影的。目前抑制運動偽影的另外一個技術(shù)是門控技術(shù)(Gating)，該技術(shù)在心臟成像中已 經(jīng)有相當應用，通過門控技術(shù)(Gating)把MSCT的掃描數(shù)據(jù)按照心臟相位進行分組，分別進 行圖像重建，然后利用圖像融合技術(shù)得到最終的CT圖像。這種門控技術(shù)帶來的問題就是一 些X射線投影數(shù)據(jù)沒有得到有效地使用，大大增加了心臟成像的輻射劑量。而醫(yī)療照射已 經(jīng)成為全民最大的人為電離輻射來源，減少CT檢查的X射線劑量是關(guān)系到全體社會公眾及 其后代健康的重大課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于運動補償?shù)腃T設備和方法，它利用立體視覺系統(tǒng) 測量被掃描物體運動坐標，進而利用基于重建圖像矩陣變換的運動補償技術(shù)來消除CT圖 像中的運動偽影，獲得清晰的CT圖像。在本發(fā)明的一個方面，提出了一種基于運動補償?shù)腃T設備，包括CT掃描設備，用 于對被掃描物體進行CT掃描；立體視覺測量系統(tǒng)，用于與所述CT掃描設備的掃描同步地測 量被掃描物體的運動參數(shù)；成像裝置，基于所述運動參數(shù)，通過對重建圖像矩陣進行變換來 在CT成像過程中對被掃描物體的運動進行補償。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述立體視覺測量系統(tǒng)包括第一攝像機和第二攝像機，與 所述CT掃描同步地采集被掃描物體的2D/3D圖像，其中所述成像裝置基于采集的2D/3D圖 像來計算被掃描物體的運動參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述第一攝像機和第二攝相機與CT掃描設備之間的同步 是基于CT掃描設備的探測器的采集時序的。根據(jù)本發(fā)明的實施例，當CT掃描設備使用的探測器的采集速度高于所述第一攝 像機和第二攝像機的采集速度時，將同步采集脈沖觸發(fā)信號周期調(diào)整到探測器采集周期的 整數(shù)倍，作為所述第一攝像機和第二攝像機的采集觸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，在進行CT重建時，通過插值得到和CT投影一一對應的被掃 描物體的三維坐標以及運動參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，當CT掃描設備使用的探測器的采集速度低于或等于所述第一攝像機和第二攝像機時，將探測器的采集信號當作所述第一攝像機和第二攝像機同步 觸發(fā)信號進行圖像采集。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述成像裝置在每次反投影之前將重建圖像矩陣按照測量 到的運動參數(shù)做相應的矩陣變換，使得圖像矩陣和該時刻物體形態(tài)一致。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述運動參數(shù)包括被掃描物體的至少一部分的旋轉(zhuǎn)和平 移。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述運動補償是在FBP和ART算法中實現(xiàn)的。在本發(fā)明的另一方面，提出了一種用于CT設備的方法，包括步驟利用CT掃描設 備對被掃描物體進行CT掃描；與所述CT掃描設備的掃描同步地測量被掃描物體的運動參 數(shù)；基于所述運動參數(shù)，通過對重建圖像矩陣進行變換來在CT成像過程中對被掃描物體的 運動進行補償。本發(fā)明實施例的設備可以作為獨立模塊嵌入到已有或新開發(fā)的CT設備中，利用 本發(fā)明實施例的設備和方法可獲得消除運動偽影的CT圖像，能夠有效消除在CT掃描過程 中由于物體運動而產(chǎn)生的運動偽影。


從下面結(jié)合附圖的詳細描述中，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點將更明顯，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的基于運動補償?shù)腃T設備的示意性框圖；圖2示出了雙目立體視覺系統(tǒng)中兩臺攝像機的相對位置關(guān)系和各坐標系示意圖；圖3是描述使用立體視覺系統(tǒng)進行三維空間坐標測量的流程的示意性流程圖；圖4示出了控制X射線探測器和攝像機同步采集的時序圖，其中(a)表示當CT系統(tǒng)使用的探測器采集速度高于攝像機時的時序圖；(b)表示當CT系統(tǒng)使用的探測器采集速度攝像機相等時的時序圖；(c)表示當CT系統(tǒng)使用的探測器采集速度低于攝像機時的時序圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的圖像重建方法的流程圖；圖6示出了測試本發(fā)明實施例的設備和方法所用的圓盤模型，其中(a)表示初始時刻模型；(b)表示一段時間以后變化的模型；以及圖7示出了利用根據(jù)本發(fā)明實施例的設備對運動物體進行CT重建的仿真結(jié)果，其 中(a)傳統(tǒng)FBP重建結(jié)果；(c)使用本專利的運動補償FBP重建結(jié)果；(b)和(d)分別是重建結(jié)果中的水平和豎直中心剖面線；(e)傳統(tǒng)ART重建結(jié)果；(g)使用本專利的運動補償ART重建結(jié)果；(f)和(h)分別是重建結(jié)果中的水平和豎直中心剖面線。
具體實施例方式下面，參考附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。在附圖中，雖然示于不同的附圖中，但相同的附圖標記用于表示相同的或相似的組件。為了清楚和簡明，包含在這里的已知 的功能和結(jié)構(gòu)的詳細描述將被省略，否則它們將使本發(fā)明的主題不清楚。根據(jù)本發(fā)明的實施例，提出了一種基于運動補償?shù)腃T成像設備和方法。圖1示出 了根據(jù)本發(fā)明實施例的基于運動補償?shù)腃T設備的示意性框圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的CT設備配備了立體視覺系統(tǒng)。在CT掃描控制 模塊30的控制下，在CT掃描過程中由圖像采集卡11同步采集被掃描物體的運動，例如通 過攝像機A 20和攝像機B 21并配合存儲在工控機10的存儲器(未示出)的算法來計算 物體的運動參數(shù)。進而，基于計算的運動參數(shù)來在圖像重建過程中對運動進行補償，消除運 定偽影。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的設備還具備進行CT掃描所需的X光機50、探測 器40和滑環(huán)60。在CT掃描過程中，設置在X光機50和探測器40之間的被掃描物體會發(fā) 生一些部位例如頭部的運動。根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過一套立體視覺系統(tǒng)，在CT掃描過程中同步采集被掃描 物體的2D光學圖像，通過基于雙目/三目的快速三維坐標標定算法，記錄每個CT投影對應 的被掃描物體的三維坐標，然后利用測量的被掃描物體運動參數(shù)，在CT重建過程中通過重 建圖像矩陣變換技術(shù)進行運動補償，進而消除最終重建2D/3D圖像中的運動偽影，獲得高 精度的CT影像。立體視覺是利用計算機通過多幅2D圖像重建三維場景的方法，是計算機視覺研 究領(lǐng)域的重要研究目標，尤其是在近二十年來取得了大量的研究成果。立體視覺主要分為 被動和主動兩種立體測量技術(shù)，前者中景物的照明由物體周圍光線提供，后者則使用專門 的光源裝置來提供目標物體周圍的照明。應用較多的是基于攝像機的立體視覺測量技術(shù)， 根據(jù)使用到的攝像機數(shù)目的不同，又分為單目法、雙目法、多目法。后面具體講到的是利用 兩臺攝像機進行立體視覺測量的雙目技術(shù)，是一種基于雙視角的三維坐標快速定位方法。 但利用立體視覺技術(shù)進行運動三維坐標的測量，并不僅僅限于雙目立體視覺。本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員應該意識到，也可以采用其他的立體視覺系統(tǒng)來與CT掃描過程同步地采集被 掃描物體的三維坐標和運動參數(shù)，而不是必須要使用上述的雙目/三目三維坐標標定算 法。雙目立體視覺是計算機視覺的一個重要分支，即由不同位置的兩臺攝像機拍攝同 一幅運動場景，通過計算空間點在兩幅圖像中的視差，獲得該點的三維坐標值。80年代美國 麻省理工大學的Marr提出了一種視覺計算理論并應用在雙目匹配上，使兩張有視差的平 面圖產(chǎn)生了有深度的立體圖形，奠定了雙目立體視覺發(fā)展的理論基礎(chǔ)。相比其他體視方法， 雙目視覺直接模擬人類雙眼處理景物的方式，可靠簡便，在許多領(lǐng)域具有重要的應用價值， 如工業(yè)非接觸式測量、機器人導航與航測、三維測量學、虛擬現(xiàn)實等。如圖3所示，雙目立體視覺技術(shù)的實現(xiàn)可分為以下步驟圖像獲取步驟S10、攝像 機標定步驟Sl 1、特征提取步驟S12、圖像匹配步驟S13和三維坐標計算步驟S14。根據(jù)本發(fā)明的實施例，針對CT掃描的環(huán)境和目標物體的運動特點，提出了用于CT 成像的雙目立體視覺測量系統(tǒng)和方法，然后利用后面提出的基于重建圖像矩陣變換的技術(shù) 來實現(xiàn)運動物體的準確CT成像，消除運動偽影。根據(jù)本發(fā)明的實施例，使用一套立體視覺測量系統(tǒng)，在X射線源進行CT掃描的同時，對被掃描物體進行三維坐標的測量，獲得該物體的運動參數(shù)，然后利用提出的運動補償 技術(shù)消除運動偽影，獲得清晰的CT圖像。本發(fā)明實施例的立體視覺測量系統(tǒng)是基于雙目立 體視覺的原理，從兩個不同位置的視點觀察同一景物，以獲取CT掃描物體在不同視角下的 感知圖像，通過幾何成像原理，計算圖像像素間的位置偏差(視差)，來獲取物體的三維坐 標信息。如圖1所示，立體視覺測量系統(tǒng)主要包括以下軟硬件組成部分兩臺參數(shù)性能相同的攝像機20和21，圖像采集卡11、數(shù)據(jù)傳輸線等輔助設備。在 兩個不同視角同時獲取被掃描物體的兩幅圖像，然后計算出被掃描物體的三維坐標。如圖 1所示，兩臺攝像機A、B分開一定距離固定布置，一般可采用CXD攝像機，分別通過視頻采 集卡11與計算機連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C10，在計算機10中通過執(zhí)行軟件程序來進行基 于運動補償?shù)膱D像重建過程。一般立體視覺系統(tǒng)只要求兩臺攝像機同步采集，而本發(fā)明實 施例中，不僅僅要求這兩臺攝像機20和21要同步采集，而且其采集必須保證能夠與CT掃 描系統(tǒng)中的探測器40采集同步，以便后面計算得到的被掃描物體三維坐標能夠和采集到 的CT投影數(shù)據(jù)一一對應，方便進行CT運動補償重建。因此，為了實現(xiàn)兩臺攝像機和CT掃 描系統(tǒng)的同步采集，可以從CT掃描控制模塊30中引出與CT探測器40同步的采集脈沖信 號，作為外觸發(fā)源實現(xiàn)兩臺攝像機20和21的同步采集。為方便物體的三維坐標計算，一般固定兩臺攝像機A、B的相互位置關(guān)系如附圖2。 首先定義被掃描物體所在的三維空間內(nèi)的直角坐標系為xyz，其次分別定義和為 攝像機A和B的成像平面，由于兩臺攝像機性能參數(shù)完全相同，可以使得它們的光軸zA、zB 平行，同時使得成像平面^yA、&yB在同一個平面內(nèi)，并且它們的水平軸^、知與三維空間坐 標系的χ軸完全重合。PA、Pb分別表示物體點P在攝像機A、B成像平面內(nèi)的成像點，而0A、 Ob分別表示攝像機A、B的焦點，在χ軸上相對坐標原點對稱，焦點到成像平面的距離，即焦 距f由像機自身的硬件決定，為已知條件。兩臺像機的距離為D，可通過測量得到?？臻g物體點P的三維坐標記為(、…，。，在某一時亥??！，兩臺攝像機々』同時拍攝 到點P的圖像，在其各自成像平面內(nèi)分別記為Pa= (XpAJ Ypa) > PB= ( ，5^)。由于A、B的 圖像在同一平面內(nèi)，且χ軸重合，因此，點P在A、B上的圖像點的y坐標相同，即ypA = ypB。 由三角幾何關(guān)系可以得到
權(quán)利要求
1.一種基于運動補償?shù)腃T設備，包括CT掃描設備，用于對被掃描物體進行CT掃描；立體視覺測量系統(tǒng)，用于與所述CT掃描設備的掃描同步地測量被掃描物體的運動參數(shù)；成像裝置，基于所述運動參數(shù)，通過對重建圖像矩陣進行變換來在CT成像過程中對被 掃描物體的運動進行補償。
2.如權(quán)利要求1所述的CT設備，其中所述立體視覺測量系統(tǒng)包括第一攝像機和第二攝 像機，與所述CT掃描同步地采集被掃描物體的2D/3D圖像，其中所述成像裝置基于采集的 2D/3D圖像來計算被掃描物體的運動參數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的CT設備，其中所述第一攝像機和第二攝相機與CT掃描設備之 間的同步是基于CT掃描設備的探測器的采集時序的。
4.如權(quán)利要求3所述的CT設備，其中，當CT掃描設備使用的探測器的采集速度高于所 述第一攝像機和第二攝像機的采集速度時，將同步采集脈沖觸發(fā)信號周期調(diào)整到探測器采 集周期的整數(shù)倍，作為所述第一攝像機和第二攝像機的采集觸發(fā)。
5.如權(quán)利要求4所述的CT設備，其中，在進行CT重建時，通過插值得到和CT投影一一 對應的被掃描物體的三維坐標以及運動參數(shù)。
6.如權(quán)利要求3所述的CT設備，其中當CT掃描設備使用的探測器的采集速度低于或 等于所述第一攝像機和第二攝像機時，將探測器的采集信號當作所述第一攝像機和第二攝 像機同步觸發(fā)信號進行圖像采集。
7.如權(quán)利要求1所述的CT設備，其中所述成像裝置在每次反投影之前將重建圖像矩陣 按照測量到的運動參數(shù)做相應的矩陣變換，使得圖像矩陣和該時刻物體形態(tài)一致。
8.如權(quán)利要求7所述的CT設備，其中所述運動參數(shù)包括被掃描物體的至少一部分的旋 轉(zhuǎn)和平移。
9.如權(quán)利要求7所述的CT設備，其中所述運動補償是在FBP和ART算法中實現(xiàn)的。
10.一種用于CT設備的方法，包括步驟 利用CT掃描設備對被掃描物體進行CT掃描；與所述CT掃描設備的掃描同步地測量被掃描物體的運動參數(shù)； 基于所述運動參數(shù)，通過對重建圖像矩陣進行變換來在CT成像過程中對被掃描物體 的運動進行補償。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中通過第一攝像機和第二攝像機，與所述CT掃描同 步地采集被掃物體的2D/3D圖像，其中基于采集的2D/3D圖像來計算被掃描物體的運動參數(shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第一攝像機和第二攝相機與CT掃描設備之間 的同步是基于CT掃描設備的探測器的采集時序的。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，當CT掃描設備使用的探測器的采集速度高于所 述第一攝像機和第二攝像機的采集速度時，將同步采集脈沖觸發(fā)信號周期調(diào)整到探測器采 集周期的整數(shù)倍，作為所述第一攝像機和第二攝像機的采集觸發(fā)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，在進行運動補償CT重建時，通過插值得到和CT 投影一一對應的被掃描物體的三維坐標以及運動參數(shù)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中當CT掃描設備使用的探測器的采集速度低于或等 于所述第一攝像機和第二攝像機時，將探測器的采集信號當作所述第一攝像機和第二攝像 機同步觸發(fā)信號進行圖像采集。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其中在每次反投影之前將重建圖像矩陣按照測量到的 運動參數(shù)做相應的矩陣變換，使得圖像矩陣和該時刻物體形態(tài)一致。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述運動參數(shù)包括被掃描物體的至少一部分的旋 轉(zhuǎn)和平移。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述運動補償是在FBP和ART算法中實現(xiàn)的。
全文摘要
公開了一種基于運動補償?shù)腃T設備和方法。本發(fā)明利用基于立體視覺的運動測量系統(tǒng)獲得成像目標的運動參數(shù)，然后通過基于重建圖像矩陣變換的技術(shù)實現(xiàn)運動補償，消除運動偽影，獲得清晰地二維/三維CT圖像。本發(fā)明能夠有效消除CT掃描過程中由于被掃描物體自身運動帶來的運動偽影，并且能夠方便地嵌入到現(xiàn)有的CT掃描裝置中，實現(xiàn)無縫銜接。本發(fā)明能夠有效提高現(xiàn)有CT的影像質(zhì)量，特別是對某些運動無法自控的特殊目標CT成像，具有尤為重要意義，例如帕金森患者、幼兒、活體小老鼠等，以及超高分辨率人體成像等。
文檔編號G03B42/02GK102144927SQ201010111359
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者劉以農(nóng), 康克軍, 張麗, 李亮, 李元景, 趙自然, 邢宇翔, 金鑫, 陳志強 申請人:同方威視技術(shù)股份有限公司, 清華大學