專利名稱：三維錐束ct圖像重建的處理系統(tǒng)及處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)及處理方法，尤其是一種利用多個(gè)并行處理器的三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)及處理方法。
背景技術(shù)：
CT是英文Computerized Tomography的簡寫，意為計(jì)算機(jī)層析成像、計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床診斷以及工業(yè)、生物、石油、物探、材料、安全等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行無損檢測。X射線計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)從從上世紀(jì)70年代開始運(yùn)用，傳統(tǒng)CT是基于二維(平行束，扇束)成像的。
三維錐束CT具有比二維XCT的掃描速度快、成像分辨率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前大多CT是斷層CT，每次用X射線掃描被測物體的一個(gè)斷層，建立二維圖像(因此其射線利用效率低，掃描速度慢)，然后由不同斷層的圖像通過插值得到被測物的三維圖像，這種三維圖像是“偽三維圖像”，其軸向分辨率遠(yuǎn)低于斷層內(nèi)的分辨率，難以滿足對(duì)空間和時(shí)間分辨率要求較高的檢測需求(如心臟掃描、化工過程等動(dòng)態(tài)成像需求)。多層螺旋CT在一定程度上改善了軸向分辨率，提高了掃描速度。但隨著層數(shù)增加，過程會(huì)變得很復(fù)雜，偽影也會(huì)加重。而且速度慢，實(shí)時(shí)性不好。
最典型的一種三維錐束CT是三維螺旋錐束CT(常用于醫(yī)學(xué)臨床)。螺旋掃描(spiral CT scan，Helical CT scan)又稱容積掃描(volumetric CTscan)，是指采用滑環(huán)技術(shù)，在掃描過程中X射線源和探測器連續(xù)360度旋轉(zhuǎn)，X射線源連續(xù)產(chǎn)生錐束X射線，數(shù)據(jù)采集也隨之連續(xù)進(jìn)行；與此同時(shí)，病人隨檢查床沿縱軸方向連續(xù)移動(dòng)通過掃描架，導(dǎo)致錐束X射線以螺旋形方式穿過病人。螺旋掃描與常規(guī)CT不同，檢查床移動(dòng)速度與掃描層厚可有不同的組合，這種組合以Pitch值，即螺距來表示，螺距等于X射線源旋轉(zhuǎn)一周檢查床(即平臺(tái))移動(dòng)的距離。掃描范圍為檢查床每秒移動(dòng)的距離與X線球管連續(xù)曝光時(shí)間之積。因此，螺距越大，每次閉氣所能掃描的范圍就越大。螺旋掃描的掃描速度快，可進(jìn)行連續(xù)快速掃描成像，而且，可以獲取容積數(shù)據(jù)，可重建出高質(zhì)量的多軸面圖像和三維立體圖像。CT圖像重建的數(shù)據(jù)龐大，每次掃描獲得的大量圖像和原始數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性差，傳輸和儲(chǔ)存能力有待提高，并且后處理費(fèi)時(shí)。
現(xiàn)有的CT圖像重建均使用串行處理的方法，因此冗余數(shù)據(jù)處理非常多，圖像重建的速度比較慢。串行處理無法兼顧大運(yùn)算量和實(shí)時(shí)性的要求。所以如果為了重建高分辨率圖像，那么計(jì)算量將非常大，串行處理的每一個(gè)模塊將處理所有的投影數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性；如果為了實(shí)現(xiàn)好的實(shí)時(shí)性，則不能處理大量的數(shù)據(jù)，不得不降低圖像分辨率，因此顯示效果將非常差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)和處理方法的缺陷，提供一種三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)和處理方法，可以既實(shí)現(xiàn)好的實(shí)時(shí)性，即處理速度快，又達(dá)到高的分辨率。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)，包括相互連接的錐束X射線掃描裝置和圖像重建裝置，其中所述錐束X射線掃描裝置包括一平臺(tái)，用來放置被檢測物體；一X射線源，包括一X射線發(fā)生器，用來產(chǎn)生X射線；一準(zhǔn)直器，與所述X射線發(fā)生器相連接，用來將X射線校準(zhǔn)為錐束X射線后進(jìn)行發(fā)射；一面探測器，與所述X射線源相對(duì)設(shè)置于所述平臺(tái)兩側(cè)，用來接收和檢測X射線；所述圖像重建裝置包括
一數(shù)據(jù)采集器，與所述面探測器相連接，用來采集投影數(shù)據(jù)；一中心計(jì)算機(jī)，與所述數(shù)據(jù)采集器相連接；數(shù)個(gè)處理器，均與所述中心計(jì)算機(jī)相連接，用來處理投影數(shù)據(jù)。
所述中心計(jì)算機(jī)還連接有顯示器和用于監(jiān)視掃描過程的視頻監(jiān)視器以及存儲(chǔ)設(shè)備。
本發(fā)明還提供了一種三維CT圖像重建的處理方法，其中包括以下步驟步驟1、X射線源的X射線發(fā)生器所產(chǎn)生的X射線經(jīng)過準(zhǔn)直器校準(zhǔn)為錐束X射線后發(fā)射，對(duì)置于平臺(tái)上的待測物體進(jìn)行掃描，透過待測物體的剩余X射線被面探測器所接收，在掃描過程中X射線源和面探測器的相對(duì)位置保持不變；步驟2、所述面探測器將接收到的X射線變?yōu)槟M信號(hào)，再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的投影數(shù)據(jù)后輸入數(shù)據(jù)采集器；步驟3、所述數(shù)據(jù)采集器將所述投影數(shù)據(jù)采集后輸入中心計(jì)算機(jī)；步驟4、所述中心計(jì)算機(jī)將該投影數(shù)據(jù)分配給不同的處理器進(jìn)行圖像重建處理；步驟5、所有的處理器將各自重建后的圖像發(fā)送到所述中心計(jì)算機(jī)；步驟6、所述中心計(jì)算機(jī)將所有處理器重建后的圖像合成為整體圖像。
所述對(duì)置于平臺(tái)上的待測物體進(jìn)行掃描具體為所述X射線源和面探測器圍繞所述待測物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)；或者所述X射線源和面探測器圍繞所述待測物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)，所述平臺(tái)沿所述X射線源和面探測器的旋轉(zhuǎn)平面的垂直方向直線運(yùn)動(dòng)；還可以所述X射線源和面探測器圍繞所述待測物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿著所述X射線源和面探測器的旋轉(zhuǎn)平面的垂直方向直線運(yùn)動(dòng)。
所述步驟5中處理器進(jìn)行圖像重建處理具體為首先處理器將投影數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理后的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，最后進(jìn)行反投影處理得到重建后的圖像；或者首先處理器將投影數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理后的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行反投影處理，最后進(jìn)行濾波處理得到重建后的圖像。所述預(yù)處理為求導(dǎo)處理。
因此，本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)及處理方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1、三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了好的實(shí)時(shí)性，又實(shí)現(xiàn)了高的分辨率。
2、三維錐束CT圖像重建的處理方法的處理速度非常快，并且圖像重建質(zhì)量高。
下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理方法的流程圖。
圖3為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理方法的掃描線和掃描空間的示意圖。
圖4為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理方法的PI線與PI參數(shù)區(qū)間示意圖。
圖5為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理方法的Tam-Danielsson窗示意圖。
圖6為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理方法的Tam-Danielsson錐束覆蓋的示意圖。
圖7為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理方法的濾波直線的示意圖。
圖8為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理方法的加速比示意圖。
圖9為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理方法并行效率的示意圖。
圖10為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理方法另一實(shí)施例的示意圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明是將圖像重建的投影數(shù)據(jù)分配給不同的處理器進(jìn)行并行處理，然后將各自重建的圖像合成為整體圖像。
三維錐束CT是基于物體內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)對(duì)光子的不同吸收作用形成物體的三維圖像，來表征物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。具體是，通過從多個(gè)光源處(通常形成所謂的掃描曲線)，發(fā)射錐束射線穿過待測物體，在面探測器上采集投影數(shù)據(jù)，然后由投影數(shù)據(jù)計(jì)算出表示吸收作用的圖像值。從投影數(shù)據(jù)得到圖像的算法稱為圖像重建算法。并且認(rèn)為投影數(shù)據(jù)是在某個(gè)平面上采集的(不論面探測器是什么形狀的)，稱該平面為探測平面；稱待測物體所處的空間區(qū)域?yàn)閳D像空間。
如圖1所示，為本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)包括，相互連接的錐束X射線掃描裝置1和圖像重建裝置2，其中錐束X射線掃描裝置1包括平臺(tái)10，平臺(tái)10的兩側(cè)設(shè)置有X射線源11和面探測器14，X射線源11由互相連接的X射線發(fā)生器12與準(zhǔn)直器組成13，圖像重建裝置2包括與所述面探測器14相連接數(shù)據(jù)采集器20，數(shù)據(jù)采集器20連接了中心計(jì)算機(jī)21，而中心計(jì)算機(jī)21則連接了數(shù)個(gè)處理器22-1至22-n、顯示器23、視頻監(jiān)視器24和存儲(chǔ)設(shè)備，常用的存儲(chǔ)設(shè)備為磁帶機(jī)25。平臺(tái)10用來放置被測物體3，可以豎直直線運(yùn)動(dòng)(也可以做水平)運(yùn)動(dòng)，X射線源11產(chǎn)生和發(fā)射錐束X射線。X射線源11和面探測器14相對(duì)固定設(shè)置在平臺(tái)10的兩側(cè)，方向相對(duì)，可以同時(shí)圍繞平臺(tái)10旋轉(zhuǎn)，當(dāng)X射線源11產(chǎn)生的X線穿過被測物體3，透過被測物體3的剩余射線為面探測器14所接收，面探測器14對(duì)X射線高度敏感，可以將收集到的X射線轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的投影數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集器20收集投影數(shù)據(jù)并發(fā)送與中心計(jì)算機(jī)21，中心計(jì)算機(jī)21將這些投影數(shù)據(jù)分配給并行的各個(gè)處理器22-1至22-n，由這些處理器分別各自重建部分圖像，最后由中心計(jì)算機(jī)21合成最終的重建圖像，合成的圖像在顯示器23上進(jìn)行顯示，而視頻監(jiān)視器可以檢測掃描過程，重建的圖像可以儲(chǔ)存于磁帶機(jī)25的磁帶中。
三維錐束CT重建從原理上可分為三類精確重建，近似重建，迭代算法。本發(fā)明適用于前兩類。下述提到的重建統(tǒng)指這兩類。
圖像重建基于相應(yīng)的重建公式。重建公式都以連續(xù)模型表示，但圖像重建的實(shí)際實(shí)現(xiàn)要求離散化的投影數(shù)據(jù)和圖像空間。1、投影數(shù)據(jù)的離散化在探測平面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中，選擇一些離散點(diǎn)采集投影數(shù)據(jù)。2、圖像空間的離散化在圖像空間中，選擇一些離散點(diǎn)作為像素，這些像素的圖像值正是圖像重建所要求解的目標(biāo)。上述離散化處理稱為采樣。
重建主要包括兩種處理，濾波和反投影。1、濾波濾波處理可以是位移不變的(shift-invariant)，也可以是依位移變化的(shift-variant)。濾波處理可以在探測平面上進(jìn)行，也可以在圖像空間上進(jìn)行。另外，雖然對(duì)投影數(shù)據(jù)求導(dǎo)可以認(rèn)為是一種濾波處理，但在本發(fā)明中把求導(dǎo)作為濾波或反投影前的預(yù)處理。2、反投影把探測平面上經(jīng)過某些處理的投影數(shù)據(jù)通過某種加權(quán)累加給圖像空間中離散格點(diǎn)。
而且，數(shù)值實(shí)現(xiàn)的某些步驟中需要對(duì)采樣方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這通過插值來實(shí)現(xiàn)，所以把插值作為重建實(shí)現(xiàn)中的一種基本處理。
并行處理技術(shù)的原理是，在每一步中，以數(shù)據(jù)分割為手段，形成并行模式。例如如果要從數(shù)據(jù)Sin得到數(shù)據(jù)Sout，根據(jù)具體情況，總能設(shè)法將數(shù)據(jù)Sin和數(shù)據(jù)Sout分別分割成Sin=Ui=1mSini]]>Sout=Uj=1nSoutj]]>以使得每個(gè)數(shù)據(jù)Sini(1≤i≤m)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)Soutj(1≤j≤n)的貢獻(xiàn)能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。這些處理可由不同的處理器獨(dú)立完成。
本發(fā)明的并行處理如下所述第一針對(duì)濾波，反投影和插值這三種重建算法中涉及的基本處理過程，相應(yīng)的并行處理具體描述如下(a)、濾波的并行處理無論是在探測平面上還是在圖像空間上，濾波處理總可以看作沿著直線進(jìn)行。此處的并行技術(shù)是根據(jù)具體情況，選定一族直線，使這些直線上進(jìn)行的濾波處理能夠相互獨(dú)立，分配給若干不同的處理器執(zhí)行。
(b)、反投影處理的并行處理此處，引入一個(gè)術(shù)語錐束覆蓋。在每個(gè)光源點(diǎn)處(X射線源相對(duì)于待測物體的運(yùn)動(dòng)軌跡稱為掃描曲線，掃描曲線上的每個(gè)點(diǎn)都稱為光源點(diǎn))，必要的投影數(shù)據(jù)總是對(duì)圖像空間中某個(gè)特定區(qū)域的圖像重建有貢獻(xiàn)，而不必涉及其他區(qū)域。該特定區(qū)域稱為錐束覆蓋。任何掃描模式下的圖像重建公式都確定了每個(gè)光源點(diǎn)的錐束覆蓋。圖像重建的具體實(shí)現(xiàn)中，總是選取若干個(gè)光源點(diǎn)，在這些光源點(diǎn)處能夠針對(duì)各自對(duì)應(yīng)的錐束覆蓋相互獨(dú)立地實(shí)施反投影，也就是說，在每個(gè)光源點(diǎn)處，可以獨(dú)立地把反投影處理需要的輸入數(shù)據(jù)反投影到錐束覆蓋中的采樣點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)處理器個(gè)數(shù)，把光源點(diǎn)分割成若干組，使得每一組包含的反投影處理由一個(gè)處理器執(zhí)行。另外，可以將圖像空間分割成若干塊，針對(duì)每一塊進(jìn)行的反投影處理也是獨(dú)立的。
(c)、插值的并行處理插值在探測平面或圖像空間上進(jìn)行。是指根據(jù)具體需要，把某種離散形式A下的格點(diǎn)上的數(shù)據(jù)通過插值轉(zhuǎn)換成另外一種離散形式B下的格點(diǎn)上的數(shù)據(jù)。事實(shí)上，離散形式A下的每個(gè)格點(diǎn)p上的數(shù)值只對(duì)離散形式B下的固定的若干格點(diǎn)(組成集合Sp)上的數(shù)值有貢獻(xiàn)。所以可以單獨(dú)針對(duì)每個(gè)格點(diǎn)p，把它的數(shù)值以某種方式(由具體采用的插值處理確定)累加給集合Sp上的點(diǎn)。可以把這些獨(dú)立的運(yùn)算分配給若干處理器執(zhí)行。
如圖2所示，為本發(fā)明三維CT圖像重建的處理方法的流程圖，步驟如下步驟101、X射線源的X射線發(fā)生器所產(chǎn)生的X射線經(jīng)過準(zhǔn)直器校準(zhǔn)為錐束X射線后發(fā)射，X射線源和面探測器圍繞所述待測物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)，而平臺(tái)則拖載待測物體沿所述X射線源和面探測器的旋轉(zhuǎn)平面垂直方向直線運(yùn)動(dòng)，透過待測物體的剩余X射線被面探測器所接收，在掃描過程中X射線源和面探測器的相對(duì)位置保持不變；
也可以X射線源和探測器圍繞所述待測物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿著所述X射線源和面探測器的旋轉(zhuǎn)平面的垂直方向直線運(yùn)動(dòng)，即只要X射線源和面探測器與待測物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為螺旋運(yùn)動(dòng)即可；如圖3所示，為本發(fā)明掃描曲線和圖像空間的示意圖，本實(shí)施例中的掃描曲線是標(biāo)準(zhǔn)螺旋線，對(duì)于圖像空間中的固定坐標(biāo)系(x1，x2，x3)，標(biāo)準(zhǔn)螺旋線的參數(shù)方程為C＝{y∈R3y1＝Rcos(s)，y2＝Rsin(s)，y3＝s(h/2π)，s∈I}，I＝[sstart，send]，其中h＞0，b＞a；而圖像空間U是與螺旋線同軸的柱體U:={x∈R3:x12+x22<r2,a(h/2π)<x3<b(h/2π)},0<r<R;]]>步驟102、面探測器將接收到的經(jīng)過待測物體吸收后的X射線變?yōu)槟M信號(hào)，再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的投影數(shù)據(jù)后輸入數(shù)據(jù)采集器；步驟103、數(shù)據(jù)采集器將所述投影數(shù)據(jù)采集后輸入中心計(jì)算機(jī)；步驟104、中心計(jì)算機(jī)將該投影數(shù)據(jù)分配給不同的處理器進(jìn)行圖像重建處理；重建可以分為濾波反投影型的和反投影濾波型的兩種；第一種為濾波反投影型，以Katsevich的濾波反投影型精確反演公式為例；Katsevich的反演公式為f(x)=-12π2∫IPI(x)1|x-y(s)|∫02π∂∂qDf(y(q),Θ(s,x,γ))|q=sdγsinγds]]>公式涉及一個(gè)重要概念——PI線段設(shè)螺旋線上兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)參數(shù)之差小于2π，則稱這兩點(diǎn)相連得到的線段為PI線段，對(duì)于圖像空間中的每一點(diǎn)x，都存在唯一通過它的PI線段，PI線的兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別記為sb(x)和st(x)，IPI(x)＝[sb(x)，st(x)]為PI參數(shù)區(qū)間，參見圖4所示，為本發(fā)明三維CT圖像重建的處理方法的PI線與PI參數(shù)區(qū)間示意圖，它確定了對(duì)x點(diǎn)的圖像值f(x)重建有貢獻(xiàn)的光源點(diǎn)集合；重建公式包含兩層積分(a)、內(nèi)層積分
Ψ(s,x)=∫02π∂∂qDf(y(q),Θ(s,x,γ))|q=sdγsinγ]]>表示濾波處理；(b)、外層積分f(x)=-12π2∫IPI(x)1|x-y(s)|Ψ(s,x)ds]]>表示反投影處理；基于Katsevich公式的圖像重建的具體過程為步驟1041a、首先進(jìn)行濾波處理，在探測平面上進(jìn)行；探測平面上必要的投影數(shù)據(jù)g(s，u，v)，(u，v)∈W(s)。其中W(s)為光源點(diǎn)y(s)處的Tam-Danielsson窗，參見圖5所示，數(shù)值計(jì)算時(shí)需要稍稍超出Tam-Danielsson窗，取包含Tam-Danielsson窗的矩形進(jìn)行離散化，形成二維的方格點(diǎn)，采集這些方格點(diǎn)上的投影數(shù)據(jù)；如圖7所示的濾波直線示意圖，濾波沿著如圖7所示的直線族進(jìn)行，方格點(diǎn)上的投影數(shù)據(jù)經(jīng)過求導(dǎo)等處理后插值得到這些直線族上的數(shù)據(jù)，濾波完成后再將它們插值回方格點(diǎn)上；步驟1041b、接著進(jìn)行反投影處理；參見圖5和圖6所示，為Tam-Danielsson窗和錐束覆蓋的示意圖，由Katsevich公式確定的每個(gè)光源點(diǎn)y(s)處的錐束覆蓋，是以Tam-Danielsson窗為底面，光源點(diǎn)為頂點(diǎn)的錐體；將光源點(diǎn)進(jìn)行分割，設(shè)光源點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角參數(shù)s范圍為[sstart，send]，處理器數(shù)為n，則將[sstart，send]分為n段。將第k(1≤k≤n)段表示的各個(gè)光源點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濾波反投影處理由中心計(jì)算機(jī)分配給第k個(gè)處理器進(jìn)行計(jì)算；步驟105、處理器各自將處理結(jié)果發(fā)送與中心計(jì)算機(jī)；步驟106、由中心計(jì)算機(jī)累加所有處理器上的計(jì)算結(jié)果就可以得到重建圖像。
這種基于光源點(diǎn)分割的并行實(shí)現(xiàn)可以使成像速度大大加快。在一個(gè)有256個(gè)雙CPU(至強(qiáng)2.0)計(jì)算結(jié)點(diǎn)的linux機(jī)群上運(yùn)行了關(guān)于Katsevich重建的并行程序，程序運(yùn)行的結(jié)果顯示了良好的并行加速比和并行效率。
并行效率E(n，P)和加速比S(n，P)的定義如下S(n,P)=T(n,1)T(n,P),E(n,P)=T(n,1)PT(n,P)]]>其中n表示算法處理的數(shù)據(jù)規(guī)模，P表示處理器數(shù)。如圖8和圖9所示，為本發(fā)明三維CT圖像重建的處理方法的加速比和并行效率的示意圖。從圖8可以看出本方法具有線性的加速比，而且直到32個(gè)處理器仍能保持很高的并行效率，說明本方法具有良好的可擴(kuò)展性。
在數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)中，采用三維的Shepp-Logan標(biāo)準(zhǔn)模型做并行重建，圖象空間的采樣網(wǎng)格為256×256×256，X射線的光源點(diǎn)數(shù)為3000，探測平面的采樣網(wǎng)格為100×500。采用同樣的處理器運(yùn)行，單處理器的重建時(shí)間為6543秒，32個(gè)處理器的并行重建時(shí)間為231秒。
步驟104中的另一種重建方法是反投影濾波型；以Zou & Pan的重建公式為例，這是一個(gè)三維螺旋錐束CT的精確重建公式，它可拆分為兩個(gè)公式1.---g(x)=∫IPI(x)1|x-y(s)|∂∂qDf(y(q),β)|q=sds]]>表示對(duì)投影數(shù)據(jù)的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行反投影；2.---f(x)=∫R3dx′K(x,x′)g(x′)]]>再用濾波器K(x，x′)進(jìn)行濾波，得到重建圖像。因此這個(gè)公式是反投影濾波型的。
引入與PI相聯(lián)系的坐標(biāo)系取沿著PI線的方向?yàn)閤π軸，其方向向量為e^π(x)=y(st)-y(sb)|y(st)-y(sb)|,]]>原點(diǎn)取為PI線的中點(diǎn)。而另外兩個(gè)坐標(biāo)軸yπ，zπ可以任取兩個(gè)互相垂直的方向，使(xπ，yπ，zπ)為右手正交系，那么，每條PI線會(huì)決定一個(gè)坐標(biāo)系，而濾波過程可以重寫為fπ(xπ,sb,st)=-12π2∫Rdxπ′xπ-xπ′gπ(xπ′,sb,st),]]>其中g(shù)π(xπ，sb，st)為相應(yīng)PI線上經(jīng)過求導(dǎo)和加權(quán)反投影后的值。于是可以看到，Zou & Pan公式中的濾波處理可以單獨(dú)在各條PI線上進(jìn)行。
下面對(duì)重建每一步的并行處理進(jìn)行詳細(xì)描述步驟1042a、首先處理器將投影數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即進(jìn)行求導(dǎo)；與Katsevich公式相同，由于求導(dǎo)是一個(gè)局部算子，求一個(gè)光源點(diǎn)處投影數(shù)據(jù)的導(dǎo)數(shù)只需要它附近的光源點(diǎn)的數(shù)據(jù)即可，因此可以將光源點(diǎn)按順序進(jìn)行排列并分割，設(shè)光源點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)范圍為[sstart，send]，處理器數(shù)為n，則將[sstart，send]分為n段；將第k(1≤k≤n)段表示的各個(gè)光源點(diǎn)對(duì)應(yīng)的處理由中心計(jì)算機(jī)分配給第k個(gè)處理器進(jìn)行計(jì)算；步驟1042b、接著進(jìn)行反投影處理；反投影處理可以利用錐束覆蓋的方法來處理，Zou & Pan算法中相應(yīng)的錐束覆蓋的定義與Katsevich公式的相同，即每個(gè)光源點(diǎn)y(s)處的錐束覆蓋，如圖5所示，是以Tam-Danielsson窗為底面，光源點(diǎn)為頂點(diǎn)的錐體；與Katsevich公式不同的是，這里錐束覆蓋包含了整個(gè)錐體包含在螺旋線所圍柱體內(nèi)的所有部分，而Katsevich公式只需要錐體與圖像空間相交的部分就行了；對(duì)于每個(gè)光源點(diǎn)來說，反投影處理可以在所對(duì)應(yīng)的錐束覆蓋內(nèi)的像素點(diǎn)上獨(dú)立進(jìn)行，將不同光源點(diǎn)的反投影處理分配到預(yù)處理的處理器上并行處理；步驟1042c、最后進(jìn)行濾波處理。
Zou & Pan公式的濾波處理是在各條PI線上進(jìn)行的，每條PI線上的濾波又是互相獨(dú)立的，因此可以將不同PI線上的濾波處理分配到預(yù)處理和反投影處理的處理器上并行處理。
通過以上三步可以得到每條PI線上的離散點(diǎn)的像素值，還需要將他們插值到圖像空間中正規(guī)的格點(diǎn)上，這也可以并行處理。
另外，可以利用圓軌道的Feldkamp濾波反投影型近似重建公式。
參見圖10所示，F(xiàn)eldkamp重建公式是以圓軌道為掃描曲線4，圖像空間5為一個(gè)球體，以二維扇束濾波反投影算法為基礎(chǔ)，通過一些啟發(fā)性的近似推導(dǎo)而來。是一個(gè)三維錐束CT的近似重建公式。
圓軌道掃描曲線4的參數(shù)方程為x＝Rcosβ，y＝Rsinβ，z＝z0其中R是圓半徑；在所取坐標(biāo)系下，圓軌道垂直于z軸，z0是常數(shù)，表示圓上點(diǎn)的z坐標(biāo)；β是圓軌跡的角參數(shù)，取值范圍是0≤β＜2π，每個(gè)固定的β對(duì)應(yīng)一個(gè)光源點(diǎn)6。
在掃描時(shí)，X射線發(fā)生器所產(chǎn)生的X射線經(jīng)過準(zhǔn)直器校準(zhǔn)為錐束X射線后發(fā)射，X射線源和面探測器圍繞所述待測物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)，因?yàn)楸粶y物體是短物體(在z軸方向范圍小)，因此可以被錐束X射線所全部覆蓋，因此只進(jìn)行圓形掃描即可，不用進(jìn)行螺旋掃描。
各個(gè)處理器的具體處理如下步驟1043a、首先處理器對(duì)于各自處理的光源點(diǎn)的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，濾波沿著圖10所示的一族平行直線7進(jìn)行，由下式確定(β,a,b)=(RR2+a2+b2Df(β,a,b))*h(a)]]>其中h(a)為斜坡濾波器，而(a，b)為探測平面上的坐標(biāo)對(duì)于每個(gè)光源點(diǎn)處的投影數(shù)據(jù)，首先都要進(jìn)行濾波，F(xiàn)eldkamp算法的濾波處理是二維扇束重建算法中濾波處理的直接推廣，它在每條與中平面平行的探測直線上進(jìn)行。每條濾波直線上的運(yùn)算是相互獨(dú)立的，因此可以將各條直線上的濾波處理分配到不同的處理器上進(jìn)行并行計(jì)算；步驟1043b、然后進(jìn)行反投影，得到重建圖像，這由下式確定f(x,y,z)=∫02πR2U(x,y,β)2G(β,a(x,y,β),b(x,y,z,β))dβ]]>其中U(x，y，β)＝R+xcosβ+ysinβ
a(x,y,β)=R-xsinβ+ycosβR+xcosβ+ysinβ]]>b(x,y,z,β)=zRR+xcosβ+ysinβ]]>Feldkamp算法的反投影過程同樣可以采用錐束覆蓋的方法設(shè)計(jì)并行處理，圖10所示的圖像空間5(即待測物體所占據(jù)的空間)為簡化起見以一個(gè)球體表示，其他形狀的圖像空間也可以。相應(yīng)的錐束覆蓋8恰恰就是圖像空間。對(duì)于每個(gè)光源點(diǎn)6，對(duì)圖像空間的每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行反投影?？梢詫⑺泄庠袋c(diǎn)處的反投影處理分配到不同的處理器上進(jìn)行并行處理。
因此，本發(fā)明三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)利用并行處理器進(jìn)行處理，所以既實(shí)現(xiàn)了好的實(shí)時(shí)性，又實(shí)現(xiàn)了高的分辨率。而且三維錐束CT圖像重建的處理方法的處理速度非?？?，圖像重建質(zhì)量高。
最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)，包括相互連接的錐束X射線掃描裝置和圖像重建裝置，其中所述錐束X射線掃描裝置包括一平臺(tái)，用來放置被檢測物體；一X射線源，包括一X射線發(fā)生器，用來產(chǎn)生X射線；一準(zhǔn)直器，與所述X射線發(fā)生器相連接，用來將X射線校準(zhǔn)為錐束X射線后進(jìn)行發(fā)射；一面探測器，與所述X射線源相對(duì)設(shè)置于所述平臺(tái)兩側(cè)，用來接收和檢測X射線；所述圖像重建裝置包括一數(shù)據(jù)采集器，與所述面探測器相連接，用來采集投影數(shù)據(jù)；一中心計(jì)算機(jī)，與所述數(shù)據(jù)采集器相連接；數(shù)個(gè)處理器，均與所述中心計(jì)算機(jī)相連接，用來處理投影數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維錐束CT圖像重建的處理裝置，其中所述中心計(jì)算機(jī)還連接有顯示器和用于監(jiān)視掃描過程的視頻監(jiān)視器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維錐束CT圖像重建的處理裝置，其中所述中心計(jì)算機(jī)還連接有存儲(chǔ)設(shè)備。
4.一種三維錐束CT圖像重建的處理方法，其中包括以下步驟步驟1、X射線源的X射線發(fā)生器所產(chǎn)生的X射線經(jīng)過準(zhǔn)直器校準(zhǔn)為錐束X射線后發(fā)射，對(duì)置于平臺(tái)上的待測物體進(jìn)行掃描，透過待測物體的剩余X射線被面探測器所接收，在掃描過程中X射線源和面探測器的相對(duì)位置保持不變；步驟2、所述面探測器將接收到的X射線變?yōu)槟M信號(hào)，再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的投影數(shù)據(jù)后輸入數(shù)據(jù)采集器；步驟3、所述數(shù)據(jù)采集器將所述投影數(shù)據(jù)采集后輸入中心計(jì)算機(jī)；步驟4、所述中心計(jì)算機(jī)將該投影數(shù)據(jù)分配給不同的處理器進(jìn)行圖像重建處理；步驟5、所有的處理器將各自重建后的圖像發(fā)送到所述中心計(jì)算機(jī)；步驟6、所述中心計(jì)算機(jī)將所有處理器重建后的圖像合成為整體圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維錐束CT圖像重建的處理方法，其中所述對(duì)置于平臺(tái)上的待測物體進(jìn)行掃描具體為所述X射線源和面探測器圍繞所述待測物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維錐束CT圖像重建的處理方法，其中所述對(duì)置于平臺(tái)上的待測物體進(jìn)行掃描具體為所述X射線源和面探測器圍繞所述待測物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)，所述平臺(tái)沿所述X射線源和面探測器的旋轉(zhuǎn)平面的垂直方向直線運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維錐束CT圖像重建的處理方法，其中所述對(duì)置于平臺(tái)上的待測物體進(jìn)行掃描具體為所述X射線源和面探測器圍繞所述待測物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿著所述X射線源和面探測器的旋轉(zhuǎn)平面的垂直方向直線運(yùn)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維錐束CT圖像重建的處理方法，其中所述步驟5中處理器進(jìn)行圖像重建處理具體為首先處理器將投影數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理后的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，最后進(jìn)行反投影處理得到重建后的圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維錐束CT圖像重建的處理方法，其中所述步驟5中處理器進(jìn)行圖像重建處理具體為首先處理器將投影數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理后的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行反投影處理，最后進(jìn)行濾波處理得到重建后的圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的三維錐束CT圖像重建的處理方法，其中所述預(yù)處理為求導(dǎo)處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維錐束CT圖像重建的處理系統(tǒng)，包括相互連接的錐束X射線掃描裝置和圖像重建裝置，錐束X射線掃描裝置包括平臺(tái)和相對(duì)設(shè)置于平臺(tái)兩側(cè)的X射線源和面探測器，X射線源由互相連接的X射線發(fā)生器和準(zhǔn)直器組成；圖像重建裝置包括數(shù)據(jù)采集器，與面探測器連接；中心計(jì)算機(jī)，與數(shù)據(jù)采集器連接；數(shù)個(gè)處理器，均與中心計(jì)算機(jī)連接。本發(fā)明還涉及一種三維錐束CT圖像重建的處理方法，射線源發(fā)射錐束X射線，對(duì)置于平臺(tái)上的待測物體進(jìn)行掃描，面探測器將接收到的X射線轉(zhuǎn)化為投影數(shù)據(jù)后輸入數(shù)據(jù)采集器，再輸入中心計(jì)算機(jī)；中心計(jì)算機(jī)將投影數(shù)據(jù)分配給不同的處理器，各自將重建后的圖像發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)合成整體圖像。因此本發(fā)明的實(shí)時(shí)性好。
文檔編號(hào)G01N23/00GK1739455SQ20051010315
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者楊建生, 周鐵, 姜明, 周蜀林, 孔強(qiáng), 郭曉虎 申請(qǐng)人:北京大學(xué)