螺旋ct系統(tǒng)及重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實施例一般涉及輻射成像，具體涉及大螺距CT系統(tǒng)及其重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] CT型行李安檢系統(tǒng)已經(jīng)成為一種重要的爆炸物檢測手段，廣泛應(yīng)用于機場、車站 等公共場所。CT檢測系統(tǒng)的原理是通過掃描獲取行李的投影數(shù)據(jù)，利用重建算法獲得其 斷層圖像，根據(jù)識別算法對爆炸物進(jìn)行識別和報警。這種掃描的方式通常采用安裝了 X光 源和探測器的滑環(huán)旋轉(zhuǎn)同時物體通過皮帶前進(jìn)的方式，因此掃描軌道屬于螺旋軌道。為了 滿足安檢場所對于行李通過率的要求，皮帶前進(jìn)速度必須達(dá)到某一限值，例如〇. 3m/s~ 0. 5m/s。為了采集重建圖像所需要的完備的投影數(shù)據(jù)，需要提高滑環(huán)轉(zhuǎn)速或者增加探測器 排數(shù)。對于滑環(huán)，考慮到機械強度和穩(wěn)定性，其轉(zhuǎn)速不能無限提高；另一方面，由于X光源錐 角的限值和探測器硬件成本考慮，也不能無限增加探測器排數(shù)。綜合以上各方面因素，只有 增加掃描螺距是提高行李通過率的最有效的方式。
[0003] 近年來，在螺旋CT重建算法領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列重要成果。例如=Katsevich算法、 PI算法、CB-FBP算法等。但是，這些算法都需要滿足一定的螺距條件，當(dāng)螺距和錐角增大時 會導(dǎo)致投影數(shù)據(jù)缺失，重建結(jié)果的誤差也會增大，甚至引入偽影。為了保證圖像質(zhì)量滿足要 求，通常螺距因子不大于1.5。
[0004] 在安檢CT系統(tǒng)中，重建算法的實時性也是一項重要的指標(biāo)，在重建算法中，非一 維移不變形式的濾波、具有距離權(quán)重因子的錐束反投影、求解大量非線性方程、使用較大的 反投影角度范圍都會導(dǎo)致重建算法效率降低，應(yīng)盡量避免使用這一類的算法。因此，上述 的一些重建算法都具有影響算法效率的環(huán)節(jié)，并且也主要用于投影數(shù)據(jù)完備或者冗余的情 況。
[0005] 綜上所述，目前已有技術(shù)均未考慮大螺距條件下的數(shù)據(jù)缺失問題，因此無法直接 用于大螺距CT系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的一個或多個問題，提出了一種螺旋CT系統(tǒng)及其重建方法，能夠 滿足大螺距情況下的圖像重建要求。
[0007] 在本發(fā)明的一個方面，提出了一種錐束螺旋CT的重建方法，包括步驟：根據(jù)錐束 螺旋CT系統(tǒng)的螺距和多排探測器的排間距計算覆蓋Tam窗所需要的最少探測器排數(shù)；在所 述錐束螺旋CT系統(tǒng)的探測器排數(shù)小于所述最少探測器排數(shù)的情況下，通過對互補的投影 數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)來彌補缺失的投影數(shù)據(jù)；將補全后的投影數(shù)據(jù)重排為帶錐角的平行束數(shù)據(jù)； 對重排后的平行束數(shù)據(jù)進(jìn)行錐角余弦加權(quán)，然后沿著重排為平行束數(shù)據(jù)時定義的虛擬探測 器的排方向進(jìn)行一維濾波；以及對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行無加權(quán)的帶錐角的平行束反投影，得 到重建圖像。
[0008] 在本發(fā)明的另一方面，提出了一種錐束螺旋CT系統(tǒng)，包括：根據(jù)錐束螺旋CT系統(tǒng) 的螺距和多排探測器的排間距計算覆蓋Tam窗所需要的最少探測器排數(shù)的裝置；在所述錐 束螺旋CT系統(tǒng)的探測器排數(shù)小于所述最少探測器排數(shù)的情況下，通過對互補的投影數(shù)據(jù) 進(jìn)行加權(quán)來彌補缺失的投影數(shù)據(jù)的裝置；將補全后的投影數(shù)據(jù)重排為帶錐角的平行束數(shù)據(jù) 的裝置；對重排后的平行束數(shù)據(jù)進(jìn)行錐角余弦加權(quán)，然后沿著重排為平行束數(shù)據(jù)時定義的 虛擬探測器的排方向進(jìn)行一維濾波的裝置；以及對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行無加權(quán)的帶錐角的平 行束反投影，得到重建圖像的裝置。
[0009] 在一些實施例中，利用上述的方案，可以在現(xiàn)有探測器面積和滑環(huán)速度不變的情 況下，將皮帶速度提高一倍以上，從而提高行李通過率，并且保持重建的圖像質(zhì)量不變。
【附圖說明】
[0010] 為了更好地理解本發(fā)明，將根據(jù)以下附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述：
[0011] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的CT系統(tǒng)中螺旋軌道掃描示意圖，其中探測器上的 灰色區(qū)域表示Tam窗；
[0012] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的扇束掃描中的共軛射線對定義；
[0013] 圖3是根據(jù)本發(fā)明實施方式的CT設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖4示出了如圖3所示的計算機數(shù)據(jù)處理器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0015] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的控制器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0016] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的重建方法的流程圖；
[0017] 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的螺旋軌道掃描下的共軛投影插值示意圖
[0018] 圖8示出了重排成帶錐角的平行束及虛擬探測器的示意圖；
[0019] 圖9示出了在本發(fā)明的一個具體實施例中，螺距為3. 9cm時的重建結(jié)果；以及
[0020] 圖10示出了在本本發(fā)明的一個具體實施例中，螺距為6cm時的重建結(jié)果。
【具體實施方式】
[0021] 下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實施例，應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實施例只用于舉例 說明，并不用于限制本發(fā)明。在以下描述中，為了提供對本發(fā)明的透徹理解，闡述了大量特 定細(xì)節(jié)。然而，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是：不必采用這些特定細(xì)節(jié)來實行本發(fā) 明。在其他實例中，為了避免混淆本發(fā)明，未具體描述公知的結(jié)構(gòu)、材料或方法。
[0022] 在整個說明書中，對" 一個實施例"、"實施例"、" 一個示例"或"示例"的提及意味 著：結(jié)合該實施例或示例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包含在本發(fā)明至少一個實施例中。 因此，在整個說明書的各個地方出現(xiàn)的短語"在一個實施例中"、"在實施例中"、"一個示例" 或"示例"不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當(dāng)?shù)慕M合和/或子組合將特 定的特征、結(jié)構(gòu)或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解，這里使用的術(shù)語"和/或"包括一個或多個相關(guān)列出的項目的任何和所有組合。
[0023] 針對現(xiàn)有技術(shù)無法滿足大螺距情況下的重建要求，尤其是螺距因子大于1. 5時， 本發(fā)明的實施例提出了用螺旋CT系統(tǒng)獲得的投影數(shù)據(jù)的互補投影數(shù)據(jù)的加權(quán)來補償因為 大螺距造成的數(shù)據(jù)缺失。在將數(shù)據(jù)補全后，將投影數(shù)據(jù)重排為帶錐角的平行束數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn) 行錐角余弦加權(quán)和一維濾波，最后進(jìn)行平行束反投影來得到重建的圖像。在一些實施例中， 利用上述的方法，可以在現(xiàn)有探測器面積和滑環(huán)速度不變的情況下，將皮帶速度提高一倍 以上，從而提高行李通過率，并且保持重建的圖像質(zhì)量不變。
[0024] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的CT系統(tǒng)中螺旋軌道掃描示意圖。如圖1所示，定 義X光源110的旋轉(zhuǎn)半徑為R，滑環(huán)旋轉(zhuǎn)1圈皮帶前進(jìn)的距離（稱為螺距）為h，柱面等角 探測器120的扇束張角為2 a "，X光源110到探測器120的距離為D。探測器120的排數(shù)為 Nraw，排間距為Sraw。定義螺距因子為：
[0025]
[0026] 滑環(huán)的圓周旋轉(zhuǎn)和皮帶的平移形成了相對運動的螺旋軌道131，在以掃描物體的 坐標(biāo)系中，X光源的運動軌跡可以表示為：
[0027] V ιπ j
[0028] 在螺旋掃描軌道下，精確重建所需要的投影數(shù)據(jù)為相距最近的兩段螺旋線在探測 器上的投影即Tam-Danielsson窗（以下簡稱Tam窗）121所覆蓋的投影數(shù)據(jù)，如圖1所示。 由此，可以計算出在排間距S row和螺距h等參數(shù)確定的條件下，覆蓋Tam窗所需要的最少探 測器排數(shù)為：
[0029]
[0030] 根據(jù)該公式（3)也可以反推出對于一個固定了探測器排數(shù)、排間距和扇角的CT系 統(tǒng)，其允許的最大螺距和最大螺距因子為：
[0031]
[0032]
[0033] 例如，當(dāng)扇角2 a n = Ji/3時，最大螺距因子為1. 3。
[0034] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的扇束掃描中的共軛射線對定義。如圖2所示，定 義X光源210的旋轉(zhuǎn)半徑為R，滑環(huán)旋轉(zhuǎn)1圈皮帶前進(jìn)的距離（稱為螺距）為h，柱面等角 探測器220的扇束張角為2 a "，X光源210到探測器220的距離為D。在二維扇束掃描下， 穿過同一條直線的兩條射線稱為共軛射線對L-L'，即從從射線源210到位置210'的射線和 從射線源位于位置210'時到位置210的射線，如圖2所示。在錐束螺旋掃描下，不存在嚴(yán) 格意義的共軛射線對，但可以定義具有類似關(guān)系的互補投影：
[0035]
[0036] 這樣，螺旋重建算法在反投影時，可以利用互補的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余加權(quán)或者補 償缺失的數(shù)據(jù)。
[0037] 圖3是根據(jù)本發(fā)明實施方式的CT設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，根據(jù)本實施方 式的CT設(shè)備包括：機架20、承載機構(gòu)40、控制器50、計算機數(shù)據(jù)處理器60等。機架20包 括發(fā)出檢查用X射線的射線源10,諸如X光機，以及探測和采集裝置30。承載機構(gòu)40承載 被檢查行李70穿過機架20的射線源10與探測和采集裝置30之間的掃描區(qū)域，同時機架 20圍繞被檢查行李70的前進(jìn)方向轉(zhuǎn)動，從而由射線源10發(fā)出的錐束射線能夠透過被檢查 行李70,對被檢查行李70進(jìn)行CT掃描。
[0038] 探測和采集裝置30例如是具有整體模塊結(jié)構(gòu)的探測器及數(shù)據(jù)采集器，例如多排 探測器，用于探測透射被檢物品的射線，獲得模擬信號，并且將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 從而輸出被檢查行李70針對X射線的投影數(shù)據(jù)?？刂破?0用于控制整個系統(tǒng)的各個部分 同步工作。計算機數(shù)據(jù)處理器60用來處理由數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并重 建，輸出結(jié)果。
[0039] 如圖3所示，射線源10置于可放置被檢物體的一側(cè)，探測和采集裝置30置于被檢 查行李70的另一側(cè)，包括探測器和數(shù)據(jù)采集器，用于獲取被檢查行李70的透射數(shù)據(jù)和/或 多角度投影數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器中包括數(shù)據(jù)放大成形電路，它可工作于（電流）積分方式或 脈沖（計數(shù)）方式。探測和采集裝置30的數(shù)據(jù)輸出電纜與控制器50和計算機數(shù)據(jù)處理器 60連接，根據(jù)觸發(fā)命令將采集的數(shù)據(jù)存儲在計算機數(shù)據(jù)處理器60中。
[0040] 圖4示出了如圖3所示的計算機數(shù)據(jù)處理器60的結(jié)構(gòu)框圖。如圖4所示，數(shù)據(jù)采 集器所采集的數(shù)據(jù)通過接口單元68和總線64存儲在存儲器61中。只讀存儲器（ROM) 62 中存儲有計算機數(shù)據(jù)處理器的配置信息以及程序。隨機存取存儲器（RAM) 63用于在處理器 66工作過程中暫存各種數(shù)據(jù)。另外，存儲器61中還存儲有用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計算機程 序。內(nèi)部總線64連接上述的存儲器61、只讀存儲器62、隨機存取存儲器63、輸入裝置65、 處理器66、顯示裝置67和接口單元68。
[0041] 在用戶通過諸如鍵盤和鼠標(biāo)之