專利名稱：一種計算機斷層掃描成像裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機斷層掃描(CT, Computed Tomography)技術(shù)，特別涉 及一種CT掃描成像裝置和方法。
背景技術(shù)：
CT技術(shù)一種由放射學(xué)和計算機科學(xué)結(jié)合而成的新的成像技術(shù)。其旨在 不損傷待檢測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，通過某種射線源，如X射線源，從 外部用檢測設(shè)備獲取投影數(shù)據(jù)，并運用一定的數(shù)學(xué)模型和重建成像技術(shù)，使 用計算機生成待才全測物體內(nèi)部的二維或三維圖像，從而重現(xiàn)待4企測物體內(nèi)部 的特征。
在現(xiàn)有的CT技術(shù)中，通常只能在某一固定X射線源的管電壓下對待抬r 測物體進行掃描?？墒牵瑢τ谠赬射線的透照方向上有效厚度變化率較大 的待檢測物體，這種處理方式就會存在一定的問題。這里所提到的有效厚度 變化率較大的待檢測物體通常表現(xiàn)為長寬比較大、外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜或內(nèi)部結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，如多孔狀結(jié)構(gòu)等。當(dāng)采用固定管電壓的X射線源對這類物體進行 掃描時，會得到質(zhì)量很差的投影圖像，具體表現(xiàn)為投影圖像的灰度信息在某 些區(qū)域(對應(yīng)有效厚度較小的區(qū)域)產(chǎn)生"飽和"開花現(xiàn)象，而對于某些有 效厚度較大的區(qū)域，則可能由于X射線無法穿透物體而無可用信息，從而 使得該區(qū)域?qū)?yīng)的圖像灰度過小。也就是說，將無法獲取整個待檢測物體的 全部結(jié)構(gòu)信息，從而無法完成CT檢測。
針對這一問題，現(xiàn)有技術(shù)中主要提出了以下幾種解決方式
1、采用高動態(tài)范圍的成像器件，比如探測器
通過更換成像器件，來提升投影圖像的動態(tài)范圍，從而增加投影圖像的對比度。但是，這種處理方式也存在一定的缺陷，由于高動態(tài)范圍的成像器 件所能達到的灰度動態(tài)范圍是有 一定局限的，即所能適用的待檢測物體的有
效厚度是一定的，所以并不能從根本上解決問題；而且，對成像器件和X 射線源提出了更高的性能要求，無形中增加了技術(shù)成本。
2、給待檢測物體增加圓形套筒或填充孔洞結(jié)構(gòu)
給待檢測物體增加圓形套筒是指采用與待檢測物體密度相差不大的材 料做成一個圓形套筒，套在待檢測物體的外面；填充孔洞結(jié)構(gòu)是指采用與待 檢測物體密度相差不大的材料對待檢測物體中的孔洞進行填充。也就是說， 上述兩種方式均是首先彌補X射線透照方向上待檢測物體有效厚度的突變， 然后再通過常規(guī)的X-CT掃描技術(shù)來完成對待檢測物體的CT檢測。
但是，這兩種方式在提高投影圖像的對比度的同時，又增加了待檢測物 體的有效厚度，相應(yīng)地對X射線源提出了更高的要求；另外，大部分待檢 測物體的外形都比較復(fù)雜，且待檢測物體的孔洞并不是完全暴露在物體表 面，這就增加了為待檢測物體增加套筒或為待檢測物體填充孔洞的難度，也 就是說，這兩種方式都不具備較強的通用性。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種計算機斷層掃描成像裝置， 該裝置適用于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的待檢測物體，不受X射線透照方向上待檢測 物體有效厚度變化的影響。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種計算機斷層掃描成像方法，該方法適用 于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的待檢測物體，不受X射線透照方向上待檢測物體有效厚 度變化的影響。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的
一種計算機斷層掃描CT成像裝置，該裝置包括
變劑量CT掃描模塊，用于根據(jù)掃描過程中X射線透照方向上待檢測物 體有效厚度的變化，實時調(diào)整X射線源管電壓，并按照調(diào)整后的X射線源管電壓對所述待檢測物體進行圓軌跡X-CT掃描，將掃描得到的投影圖像發(fā) 送給CT重建模塊；
所述CT重建模塊，用于根據(jù)接收到的投影圖像進行CT重建，得到所 迷待檢測物體的斷層圖像。
一種計算機斷層掃描CT成像方法，該方法包括
根據(jù)掃描過程中X射線透照方向上待檢測物體有效厚度的變化，實時 調(diào)整X射線源管電壓，并按照調(diào)整后的X射線源管電壓對所述待檢測物體 進行圓軌跡X-CT掃描；
根據(jù)掃描得到的投影圖像進行CT重建，得到所述待檢測物體的斷層圖像。
可見，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，根據(jù)X射線的性質(zhì)，即X射線的穿透 能力取決于X射線源管電壓，X射線源管電壓越大，X射線的穿透能力越強， 相應(yīng)地它所穿過的有效厚度越大；對于在X射線的透照方向上有效厚度變 化率較大的待檢測物體，根據(jù)掃描過程中待檢測物體有效厚度的變化，實時 調(diào)整X射線源管電壓，并按照調(diào)整后的X射線源管電壓對所述待檢測物體 進行圓軌跡X-CT掃描，從而得到成像質(zhì)量較高的投影圖像；然后，根據(jù)這 些投影圖像進行CT重建，得到待檢測物體的斷層圖像。與現(xiàn)有技術(shù)相比， 本發(fā)明所述方案適用于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的待檢測物體，且不受X射線透照方 向上待檢測物體有效厚度變化的影響。


圖1為本發(fā)明CT掃描成像裝置實施例的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明CT掃描成像裝置較佳實施例的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明CT掃描成像方法實施例的流程圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明。
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明中提出 一種新的CT掃描成像方案。 根據(jù)X射線的性質(zhì)，即X射線的穿透能力取決于X射線源管電壓，X射線 源管電壓越大，X射線的穿透能力越強，相應(yīng)地它所穿過的有效厚度越大。 那么，對于在X射線的透照方向上有效厚度變化率較大的待檢測物體，則 可以通過改變X射線源的管電壓(劑量)，即利用變劑量X-CT掃描成像技 術(shù)來完成對其的CT4全測。
圖1為本發(fā)明CT掃描成像裝置實施例的組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示， 該裝置包括變劑量CT掃描模塊和CT重建模塊。
其中，變劑量CT掃描模塊，用于根據(jù)掃描過程中X射線透照方向上祠， 檢測物體有效厚度的變化，實時調(diào)整X射線源管電壓，并按照調(diào)整后的X 射線源管電壓對待檢測物體進行圓軌跡X-CT掃描，并將掃描得到的投影圖 像發(fā)送給CT重建模塊；CT重建模塊，用于根據(jù)接收到的投影圖像進行CT 重建，得到待檢測物體的斷層圖像。
在實際應(yīng)用中，變劑量CT掃描模塊實時調(diào)整X射線源管電壓的方式可 以是根據(jù)人為設(shè)置調(diào)整，因為掃描得到的投影圖像是可以實時顯示出來的， 那么，裝置操作人員可以通過觀察所顯示出來的投影圖像質(zhì)量，判斷出下一 次掃描時是需要增大還是減小X射線源管電壓，并相應(yīng)地作出調(diào)整?；蛘?， 也可以采用自動控制的方式來調(diào)整X射線源管電壓。對于這種情況，圖1 所示裝置中還需要進一步包括以下模塊
變劑量預(yù)掃描模塊，用于在預(yù)先設(shè)定的角度上，按照X射線源管電壓 由小到大的預(yù)定順序，掃描得到預(yù)定數(shù)量的投影圖像，并輸出給電壓模型構(gòu) 建模塊和有效區(qū)域提取模塊；
電壓模型構(gòu)建模塊，用于接收來自變劑量預(yù)掃描模塊的各投影圖像，獲 取各投影圖像中的有效區(qū)域灰度均值，并根據(jù)各投影圖像有效區(qū)域的灰度均 值以及各投影圖像對應(yīng)的X射線源管電壓，構(gòu)建有效區(qū)域灰度均值與X射 線源管電壓之間的數(shù)學(xué)模型；有效區(qū)域提取模塊，用于接收來自變劑量預(yù)掃描模塊的各投影圖像，提 取各投影圖像中的有效區(qū)域位置并計算各有效區(qū)域灰度均值，將提取出的各
有效區(qū)域位置信息及計算出的各有效區(qū)域灰度均值輸出給圖像預(yù)測模塊；
圖像預(yù)測模塊，用于根據(jù)接收到的各投影圖像中的有效區(qū)域位置信息及 各有效區(qū)域的灰度均值，預(yù)測下一幀投影圖像的有效區(qū)域位置及有效區(qū)域灰 度均值，并將預(yù)測結(jié)果輸出給電壓調(diào)節(jié)模塊；
電壓調(diào)節(jié)模塊，用于接收圖像預(yù)測模塊預(yù)測出的下一幀投影圖像的有效 區(qū)域位置信息及有效區(qū)域灰度均值，通過與電壓模型構(gòu)建模塊進行交互，依 據(jù)電壓模型構(gòu)建模塊構(gòu)建出的有效區(qū)域灰度均值與X射線源管電壓之間的 數(shù)學(xué)模型，計算與預(yù)測出的有效區(qū)域灰度均值對應(yīng)的X射線源管電壓，并 輸出給變劑量CT掃描模塊。
另外，為了保證后續(xù)進行CT重建時的重建精度，還可以在CT重建之 前，通過設(shè)置一投影序列加權(quán)模塊來對變劑量CT掃描模塊中掃描得到的各 投影圖像分別進行像素驅(qū)動加權(quán)，以凸顯有效區(qū)域，弱化非有效區(qū)域。 下面通過具體的較佳實施例對本發(fā)明所述方案作進一步地詳細說明 圖2為本發(fā)明CT掃描成像裝置較佳實施例的組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2 所示，該裝置包括變劑量預(yù)掃描模塊、電壓模型構(gòu)建模塊、有效區(qū)域提取 模塊、電壓調(diào)節(jié)模塊、變劑量CT掃描模塊、投影序列加權(quán)模塊以及CT重 建模塊。其中，各模塊的功能詳細介紹如下
(1) 變劑量預(yù)掃描模塊
該模塊用于在預(yù)先設(shè)定的角度上，按照X射線源管電壓由小到大的順 序，按照通常的X-CT掃描技術(shù)掃描得到一定數(shù)量的投影圖像。投影圖像的 具體數(shù)量以及每次掃描時所對應(yīng)的x射線源管電壓大小可根據(jù)實際需要進
行設(shè)置。比如，可以按照X射線源管電壓分別為5V、 IOV、 15V,......遞增
的方式，掃描得到20幅投影圖像。
(2) 電壓模型構(gòu)建模塊
由于不同的X射線源管電壓對應(yīng)著不同能量的X射線，而不同能量的X射線能夠穿過的待檢測物體的有效厚度又不同，在投影圖像中表現(xiàn)為圖像 灰度不同，所以可利用數(shù)學(xué)的方法建立X射線源管電壓與投影圖像的灰度 之間的數(shù)學(xué)模型；并通過所建立的數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)X射線源管電壓的控制 以及為有效區(qū)域提取模塊提供可靠的圖像灰度信息。
連續(xù)X射線譜的強度分布與X射線源的激發(fā)條件的關(guān)系可用下式表示
其中，C為常數(shù)，Z為X射線源的把原子序數(shù)，/l為X射線的波長，
、in=^， r為x射線源管電壓，i為X射線源管電流。乂人^^式(1)可以看
出，當(dāng)X射線源管電流i不變時，改變X射線源管電壓V, X射線的強度I也 會相應(yīng)地發(fā)生變化；X射線源管電壓V越大，X射線的強度I也越大。
令￡ = 代入公式(l),可得到X射線強度I關(guān)于射線能量的函數(shù)
/ = ^(丄-1) (2) (Ac)2 12400
其中，A為普朗克常數(shù)，c為光子速度，五為某一X射線管電壓下連續(xù)X射 線的能量。
在不同X射線管電壓下的連續(xù)X射線譜中，某種材料的衰減系數(shù)不再是一 個常數(shù)，而是隨著電壓和相應(yīng)電壓下的射線能量的不同而不同，即材料的衰減 系數(shù)是一個關(guān)于材料的原子序數(shù)、電壓以及相應(yīng)電壓下的射線能量的函數(shù) A(z,&n。這樣，可得到不同X射線源管電壓下的連續(xù)X射線的衰減規(guī)律如下
"廣WK〃,)'必 (3)
其中，/。為初始強度，/為衰減后的強度，通常等效為探測器采集到的投影 圖像灰度y (單點像素灰度)，/為X射線在待檢測物體中所穿過的長度，&ax=!，為某一x射線源管電壓v下x射線的最大能量。
max 12400
由公式(2)和(3)可得
/ = # ^！^(^_ — i)廣(z,w必 (4 )
1 (Ac)2 12400
從公式(4)可以看出，X射線源的把原子序數(shù)、X射線源管電壓V和投影 圖像灰度y之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，即
(5)
本實施例中，為了排除等效厚度變化率較大，物體本身特點以及成像的物 理因素等的影響，投影圖像的灰度y只取投影圖像中有結(jié)構(gòu)信息的有效區(qū)域的 灰度均值(該有效區(qū)域通過在預(yù)掃描實驗時附上像質(zhì)計來標(biāo)定)，即
其中，S表示投影圖像中的有效區(qū)域，^表示有效區(qū)域中每個像素點的灰 度信息，X表示有效區(qū)域中的總像素數(shù)。
則可以根據(jù)預(yù)掃描得到的投影圖像，即前面所迷的20幅投影圖像的有效區(qū) 域灰度均值以及各自對應(yīng)的X射線源管電壓之間的關(guān)系，利用最小二乘逼近的 方法構(gòu)建有效區(qū)域灰度均值與X射線源管電壓之間的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然，也可以 不采用全部20幅投影圖像，而是只選取其中的部分圖像對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)模 型構(gòu)建。最小二乘逼近方法的具體實現(xiàn)為本領(lǐng)域公知，不再贅述。 (3)有效區(qū)域提取模塊
在進行掃描時，待檢測物體本身的特點以及成像的物理因素等都會對投影 圖像的成像質(zhì)量造成影響，具體表現(xiàn)為噪聲，而噪聲通常服從正態(tài)分布，所以 可以采用假設(shè)檢驗的方法對投影圖像灰度進行統(tǒng)計分析，計算灰度的置信空間， 以此來提取投影圖像中的有效區(qū)域。具體實現(xiàn)包括設(shè)X射線源管電壓K下的投影圖像為/。，根據(jù)公式(5)，可以計算出當(dāng)X 射線源管電壓為F。時，投影圖像中有效區(qū)域的灰度均值^為
<formula>formula see original document page 13</formula>以投影圖像灰度4為統(tǒng)計樣本，有效區(qū)域灰度均值A(chǔ)為樣本均值，即 《=凡，在期望和方差未知的情況下，可以構(gòu)造一個子樣函數(shù)("-l,2,…,W, m表 示第"次變電壓，^l，2,…,M z表示第,'個像素，M表示投影圖像中的總像素數(shù))
<formula>formula see original document page 13</formula>其中， 〃為待求灰度置信區(qū)間的未知參數(shù)，《=」1￡(/, -i)為方差的無<formula>formula see original document page 13</formula>
偏估計；上述子樣函數(shù)服從《M)分布；對于給定的置信度l- ("—般取經(jīng)驗 值)，可以通過查表得出相應(yīng)的分位點^ /2,使得
將公式(8)代入公式(9)，得到
(<formula>formula see original document page 13</formula>進一步由公式(10)得到灰度置信空間為
由于在假設(shè)檢驗中，選取的灰度均值是有效區(qū)域的灰度均值，所以可以以 該置信區(qū)間作為有效區(qū)域的灰度波動范圍，即有效灰度帶；然后根據(jù)公式(ll)設(shè)定閾值^± v /2 *對投影圖像進行雙閾值分割
<formula>formula see original document page 14</formula> (12) 0 (其它)
對分割后的圖像//;。進行連通區(qū)域標(biāo)定，并進行濾波，提取有效區(qū)域&,再 根據(jù)有效區(qū)域中的像素位置信息到對應(yīng)的投影圖像中獲取各像素的實際灰度信
息^"e&)。
(4) 圖像預(yù)測模塊
依據(jù)之前介紹的X射線的衰減規(guī)律可知，X射線衰減后的強度函數(shù)是一個 連續(xù)函數(shù)，在投影圖像中表現(xiàn)為 一方面，隨著X射線劑量的變化，投影圖像 灰度的變化是一個連續(xù)變化的過程；另一方面，X射線劑量不同，所穿過的待 檢測物體有效厚度不同，即隨著X射線劑量從小到大的變化，對應(yīng)得到的投影 圖像的有效區(qū)域位置也不同。這樣，就可以根據(jù)前幾幀的有效區(qū)域位置以及灰 度均值信息對下一幀投影圖像的灰度變化以及有效區(qū)域位置變化做出合理的預(yù) 測，進而自動控制X射線源管電壓的變化。該模塊可以減少改變X射線源管電 壓的次數(shù)，提高運算效率，在一定程度上可以降低技術(shù)成本。
卡爾曼預(yù)測是一個對動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)序列進行線性最小方差估計的算法， 通過以動態(tài)的狀態(tài)方程和觀測方程來描述系統(tǒng)。它可以以任意一點作為起點開 始觀測，采用遞歸估計的方法計算，對目標(biāo)進行預(yù)測，具有計算量小以及可實 時計算的特點。因此，可以采用卡爾曼預(yù)測方式對下一幀投影圖像的有效區(qū)域 位置及有效區(qū)域灰度均值進行預(yù)測。具體到本實施例中，由于預(yù)掃描得到的20 幅投影圖像的有效區(qū)域位置以及對應(yīng)的灰度均值信息都是可知的，所以可以將 這些信息作為預(yù)測模型的輸入，來預(yù)測下一幀投影圖像的有效區(qū)域位置及有效 區(qū)域灰度均值。卡爾曼預(yù)測的具體實現(xiàn)為本領(lǐng)域Z^知，不再贅述。
(5) 電壓調(diào)節(jié)模塊和變劑量CT掃描模塊
圖像預(yù)測模塊將預(yù)測出的下 一 幀投影圖像的有效區(qū)域位置及該有效區(qū)域的灰度均值提供給電壓調(diào)節(jié)模塊；電壓調(diào)節(jié)模塊根據(jù)接收到的有效區(qū)域灰 度均值信息，利用電壓模型構(gòu)建模塊構(gòu)建出的有效區(qū)域灰度均值與X射線 源管電壓之間的數(shù)學(xué)模型，計算出與該預(yù)測出的有效區(qū)域灰度均值對應(yīng)的X 射線源管電壓，然后，將計算結(jié)果輸出給變劑量CT掃描模塊。變劑量CT 掃描模塊根據(jù)接收到的X射線源管電壓進行X-CT掃描，并將掃描得到的招: 影圖像輸出給投影序列加權(quán)模塊。另外，變劑量CT掃描模塊還可以將掃描 得到的投影圖像送往有效區(qū)域提取橫塊進行有效區(qū)域提取，有效區(qū)域提取才莫 塊提取出投影圖像中的有效區(qū)域位置信息后，發(fā)送給電壓調(diào)節(jié)模塊；電壓調(diào) 節(jié)模塊將接收自有效區(qū)域提取模塊的有效區(qū)域位置信息與預(yù)先接收自圖像 預(yù)測模塊的預(yù)測出的下 一 幀投影圖像的有效區(qū)域位置信息進行比較，確定兩 者是否一致，即比較實際效果與預(yù)測效果是否一致，如果不一致，則可根據(jù) 實際情況對X射線源管電壓的大小進行微調(diào)，具體微調(diào)多少可通過人為干 預(yù)實現(xiàn)，并將微調(diào)后X射線源電壓輸出給變劑量CT掃描模塊，由變劑量 CT掃描模塊按照微調(diào)后的X射線管電壓重新進行X-CT掃描，以便得到更 加準(zhǔn)確的投影圖像。
需要說明的是，在實際應(yīng)用中，X-CT掃描的過程是一個圓軌跡掃描過程， 即按照360°的角度，在每一個角度上分別進行X-CT掃描。通常，起始掃描位 置為r角的位置，在每個角度上掃描得到若干幅投影圖像，當(dāng)滿足需要(比如， 確定已經(jīng)得到所需的結(jié)構(gòu)信息)后，則自動跳轉(zhuǎn)到下一個角度進行掃描。而對 于本發(fā)明來說，變劑量預(yù)掃描模塊、電壓模型構(gòu)建模塊、有效區(qū)域提取模塊和 圖像預(yù)測模塊所完成的功能都相^于是在進行樣本訓(xùn)練， 一旦訓(xùn)練完成，后續(xù) 掃描過程將不間斷地持續(xù)進行。 (6)投影序列加權(quán)模塊
當(dāng)上述圓軌跡X-CT掃描過程完成后，將得到一系列對應(yīng)不同角度的投影 圖像，而這些不同的投影圖像可組成一投影序列，對該投影序列進行CT重建， 即可得到最終所需的關(guān)于待檢測物體的用于CT檢測的斷層圖像。但是，在實際應(yīng)用中，由于待檢測物體有效厚度變化率較大的影響，某x 射線源管電壓下的投影圖像中某些區(qū)域會因為對應(yīng)的待檢測物體有效厚度過
大，X射線無法穿透而無可用信息，圖像灰度過??；還有些區(qū)域會因為對應(yīng)的 待檢測物體的有效厚度過小，X射線完全穿透，產(chǎn)生飽和"開花"現(xiàn)象，圖像 灰度過大。所以，為了保證后續(xù)CT重建的精度，還需要對得到的投影序列進 行處理。本實施例中，可采用像素驅(qū)動加權(quán)技術(shù)對得到的投影序列進行處理， 即凸顯投影圖像中的有效區(qū)域，弱化非有效區(qū)域。具體來說，即采用高斯加權(quán) 函數(shù)對各投影圖像中的像素進行加權(quán)，弱化異?；叶取?br> 根據(jù)電壓模型構(gòu)建模塊和有效區(qū)域提取模塊可以得到當(dāng)電壓為^時，投 影圖像灰度為4，有效區(qū)域為& ，有效區(qū)域的灰度為^，(xe&)，其灰度均值 為a ,則根據(jù)高斯函數(shù)可以確定像素驅(qū)動加權(quán)函數(shù)wCU:
0^"，(一(/'"一〈")2)
其中，c為有效區(qū)域中灰度偏離灰度均值h的波動范圍， 一般取經(jīng)驗值， nd,2,…,iV表示第"次變電壓(改變X射線源管電壓)，！、1,2,…,M表示第!'個像 素。
該模塊一方面可以避免有效厚度較小而造成的投影圖像飽和"開花"的影
響；另一方面又可避免由于有效厚度較大而無可用信息的影響，能夠有效地才是 高后續(xù)CT重建的精度。 (7 ) CT重建才莫塊
圖像重建是CT技術(shù)中的一個重要問題，研究圖像重建各種各樣的算法， 其目的就是要針對某種具體的CT成像模式尋找更精確的重建算法，以獲取更 好的重建圖像質(zhì)量，方便于物體的CT檢測。本實施例中，可采用變劑量最大 4以'然重建算^r (IMAVD, Iterative Maximum-Likelihood Algorithm for VaryingDose)來對投影序列進行CT重建，以得到待檢測物體的斷層圖像，從而完成 對有效厚度變化率較大的待檢測物體的CT檢測。
現(xiàn)有技術(shù)中，最大似然估計(MLE, Maximum Likelihood Estimator)是最 為常用和有效的一種CT重建算法，它的基本思想是在對被估計的未知參凄史 沒有任何先驗知識的情況下，利用已知的若干觀測值估計該參數(shù)。本實施例中， 可將待重建的斷層圖像視為被估計的參數(shù)；將投影序列視為已知的觀測值，一 般認(rèn)為它是符合泊松分布的隨機變量?；谠撍惴ㄟM行的CT重建，重建圖像 清晰準(zhǔn)確，偽影較少，受噪聲的影響較小。
通常，基于最大似然估計的最常用的重建算法有ML-EM和ML-TR，其中， ML-EM算法是一種乘型迭代，重建速度比較慢，所以一般選用加型的統(tǒng)計迭代 算法ML-TR:
z丄(") (14)
該算法是針對單一投影而言的，若用于本發(fā)明實施例中，還需進一步改進。
對于給定衰減系數(shù)//的待檢物體，理想情況下得到的投影為
"exp(—( 15)
乂=1
公式(14)和(15)中，hl,2,…,M,表示第i條射線，即投影的第i個像 素，M表示投影圖像中的總像素數(shù)；乂、1,2,…,J,表示重建后的待檢測物體圖
像的第/個像素，J表示待檢測物體圖像的總像素數(shù)；》,為X射線在理想情況下
衰減后的強度，^為X射線的初始強度，纟,為第z條射線通過第7個像素的長度，
^為第/個像素所對應(yīng)的衰減系數(shù)；k表示迭代的次數(shù)。
對于變劑量CT掃描得到的投影序列，利用ML ( Maximum-Likelihood)方 法和光子服從的泊松先驗知識分布，得到(20)
<formula>formula see original document page 18</formula>(i6)
由公式(15)、 (16)可得
在上式中，<formula>formula see original document page 18</formula>表示第"次變電壓下的第/條射線的拍: 影數(shù)據(jù)，丄表示極大對數(shù)似然函數(shù)。
對公式(17)進行泰勒展開，可得到校正因子<formula>formula see original document page 18</formula>(18)
結(jié)合公式(14)、 (17)、 (18)得到基于投影序列的投影公式 w H:V"'-4) (19)
基于之前的介紹可知，對于有效厚度變化率較大的待檢測物體，其對應(yīng)的
投影圖像不均勻度較大，對比度較低，所以若直接采用公式(19)進行CT重 建，會降低重建圖像質(zhì)量，且空間信息差，不利于對待檢測物體進行缺陷提取 以及結(jié)構(gòu)分析，所以需要對投影序列加權(quán)，以凸顯有效區(qū)域。具體實現(xiàn)方式為 將投影序列加權(quán)模塊中的像素驅(qū)動加權(quán)函數(shù)w(4)與公式(19)進行結(jié)合，得到 適用于本發(fā)明實施例的IMAVD重建算法/ = l,2,'..，M;M = l,2,..-，iV 。
后續(xù)具體如何完成CT重建為本領(lǐng)域公知，不再贅述。
基于上述裝置，圖3為本發(fā)明CT掃描成像方法實施例的流程圖。如圖 3所示，包括以下步驟
步驟301:根據(jù)掃描過程中X射線透照方向上待檢測物體有效厚度的變 化，實時調(diào)整X射線源管電壓，并按照調(diào)整后的X射線源管電壓對待檢測 物體進行圓軌跡X-CT掃描。
該步驟的具體實現(xiàn)包括在預(yù)先設(shè)定的角度上，按照X射線源管電壓 由小到大的預(yù)定順序，掃描得到預(yù)定數(shù)量的投影圖像；獲取各投影圖像中的 有效區(qū)域灰度均值，并根據(jù)不同投影圖像的有效區(qū)域灰度均值以及不同投影 圖像對應(yīng)的X射線源管電壓，構(gòu)建有效區(qū)域灰度均值與X射線源管電壓之 間的數(shù)學(xué)模型；提取各投影圖像中的有效區(qū)域位置并計算各有效區(qū)域的灰度 均值；根據(jù)各投影圖像中的有效區(qū)域位置信息及各有效區(qū)域的灰度均值，預(yù) 測下一幀投影圖像的有效區(qū)域位置及有效區(qū)域灰度均值；根據(jù)預(yù)測出的有效 區(qū)域灰度均值，依據(jù)構(gòu)建出的有效區(qū)域灰度均值與X射線源管電壓之間的 數(shù)學(xué)模型，計算與預(yù)測出的有效區(qū)域灰度均值對應(yīng)的X射線源管電壓，并 根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整X射線源管電壓。
另外，按照調(diào)整后的X射線源管電壓對待檢測物體進行圓軌跡X-CT掃 描之后，可進一步包括提取掃描得到的投影圖像的有效區(qū)域位置，并將其 與預(yù)測出的有效區(qū)域位置信息進行比較，確定兩者是否一致，如果不一致， 則根據(jù)實際差別情況對X射線源管電壓進行微調(diào)，并按照微調(diào)后的X射線 管電壓重新進行X-CT掃描。
步驟302:根據(jù)掃描得到的投影圖像進行CT重建，得到斷層圖像。
在進行CT重建之前，進一步包括對掃描得到的每個投影圖像分別進 行像素驅(qū)動加權(quán)。
圖3所示方法實施例的具體工作流程請參照圖l和圖2所示裝置實施例中的相應(yīng)說明，此處不再贅述。
總之，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下優(yōu)勢
(1) 通用性強本發(fā)明所述方案適用于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的待^r測物體，不受 X射線透照方向上待檢測物體有效厚度變化的影響。
(2) 重建精度高本發(fā)明所述方案通過對待檢物體進行變劑量CT掃描成 像，得到投影序列，通過投影序列反映任意投影角度上整個待檢測物體的全部 結(jié)構(gòu)信息；同時對投影序列利用像素驅(qū)動加權(quán)技術(shù)凸顯有效區(qū)域，弱化非有效 區(qū)域，以此進行CT重建，可達到較高的重建精度。
(3) 設(shè)備性能要求低本發(fā)明所述方案既不需要高動態(tài)范圍的成像器件， 又可避免因增加待檢測物體的有效厚度而對X射線源提出的更高要求。
綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的 保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改 進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種計算機斷層掃描CT成像裝置，其特征在于，該裝置包括變劑量CT掃描模塊，用于根據(jù)掃描過程中X射線透照方向上待檢測物體有效厚度的變化，實時調(diào)整X射線源管電壓，并按照調(diào)整后的X射線源管電壓對所述待檢測物體進行圓軌跡X-CT掃描，將掃描得到的投影圖像發(fā)送給CT重建模塊；所述CT重建模塊，用于根據(jù)接收到的投影圖像進行CT重建，得到所述待檢測物體的斷層圖像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置進一步包括變劑量預(yù)掃描模塊，用于在預(yù)先設(shè)定的角度上，按照X射線源管電壓由小到大的預(yù)定順序，掃描得到預(yù)定數(shù)量的投影圖像，并輸出給電壓模型構(gòu) 建模塊和有效區(qū)域提取模塊；所述電壓模型構(gòu)建模塊，用于接收來自所述變劑量預(yù)掃描模塊的各投影 圖像，獲取所述各投影圖像中的有效區(qū)域灰度均值，并根據(jù)各投影圖像有效 區(qū)域的灰度均值以及各投影圖像對應(yīng)的X射線源管電壓，構(gòu)建有效區(qū)域灰 度均值與X射線源管電壓之間的數(shù)學(xué)模型；所述有效區(qū)域提取模塊，用于接收來自所述變劑量預(yù)掃描模塊的各投影 圖像，提取所述各投影圖像中的有效區(qū)域位置并計算各有效區(qū)域灰度均值， 將提取出的各有效區(qū)域位置信息及計算出的各有效區(qū)域灰度均值輸出給圖 像預(yù)測模塊；所述圖像預(yù)測模塊，用于根據(jù)接收到的所述各投影圖像中的有效區(qū)域位 置信息及各有效區(qū)域的灰度均值，預(yù)測下一幀投影圖像的有效區(qū)域位置及有 效區(qū)域灰度均值，并將預(yù)測結(jié)果輸出給電壓調(diào)節(jié)模塊；所述電壓調(diào)節(jié)模塊，用于接收所述圖像預(yù)測模塊預(yù)測出的下 一 幀投影圖 像的有效區(qū)域位置信息及有效區(qū)域灰度均值，通過與所述電壓模型構(gòu)建模塊 進行交互，依據(jù)所述電壓模型構(gòu)建模塊構(gòu)建出的有效區(qū)域灰度均值與X射線源管電壓之間的數(shù)學(xué)模型，計算與所述預(yù)測出的有效區(qū)域灰度均值對應(yīng)的X射線源管電壓，并輸出給所述變劑量CT掃描模塊。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述變劑量CT掃描模 塊進一步用于，將掃描得到的投影圖像輸出給所述有效區(qū)域提取模塊，由所 述有效區(qū)域提取模塊提取出其中的有效區(qū)域位置并輸出給所述電壓調(diào)節(jié)模塊；所述電壓調(diào)節(jié)模塊進一 步用于，將接收自所述有效區(qū)域提取模塊的有效 區(qū)域位置信息與接收自所述圖像預(yù)測模塊的預(yù)測出的有效區(qū)域位置信息進 行比較，確定兩者是否一致，如果不一致，則根據(jù)具體差別情況對所述x射線源管電壓進行微調(diào)，并輸出給所述變劑量CT掃描模塊；所述變劑量CT掃描模塊按照所述微調(diào)后的X射線管電壓重新進行 X-CT掃描。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的裝置，其特征在于，該裝置進一步包括投影序列加權(quán)模塊，用于接收來自所述變劑量CT掃描模塊掃描得到的 投影圖像，對各投影圖像分別進行像素驅(qū)動加權(quán)后輸出給所述CT重建模塊。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述CT重建模塊采用 變劑量最大似然重建算法IMAVD對接收到的投影圖像進行CT重建，得到 所述待檢測物體的斷層圖像。
6、 一種計算機斷層掃描CT成像方法，其特征在于，該方法包括 根據(jù)掃描過程中X射線透照方向上待檢測物體有效厚度的變化，實時調(diào)整X射線源管電壓，并按照調(diào)整后的X射線源管電壓對所述待檢測物體 進行圓軌跡X-CT掃描；根據(jù)掃描得到的投影圖像進行CT重建，得到所述待檢測物體的斷層圖像。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)掃描過程中X 射線透照方向上待檢測物體有效厚度的變化，實時調(diào)整X射線源管電壓包括..在預(yù)先設(shè)定的角度上，按照X射線源管電壓由小到大的預(yù)定順序，掃描得到預(yù)定數(shù)量的投影圖像；獲取所述各投影圖像中有效區(qū)域的灰度均值，并根據(jù)各投影圖像的有效 區(qū)域灰度均值以及各投影圖像對應(yīng)的X射線源管電壓，構(gòu)建有效區(qū)域灰度 均值與X射線源管電壓之間的數(shù)學(xué)模型；提取所述各投影圖像中的有效區(qū)域位置并計算各有效區(qū)域的灰度均值；根據(jù)所述各投影圖像中的有效區(qū)域位置及各有效區(qū)域的灰度均值，預(yù)測 下一幀投影圖像的有效區(qū)域位置及有效區(qū)域灰度均值；根據(jù)所述預(yù)測出的下 一 幀投影圖像的有效區(qū)域灰度均值，依據(jù)所述構(gòu)建 出的有效區(qū)域灰度均值與X射線源管電壓之間的數(shù)學(xué)模型，計算與所述預(yù) 測出的下一幀投影圖像的有效區(qū)域灰度均值對應(yīng)的X射線源管電壓，并根 據(jù)計算結(jié)果調(diào)整X射線源管電壓。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述按照調(diào)整后的X射 線源管電壓對所述待檢測物體進行圓軌跡X-CT掃描之后，進一 步包括提取掃描得到的投影圖像中的有效區(qū)域位置，并將其與預(yù)測出的有效區(qū) 域位置進行比較，確定兩者是否一致，如果不一致，則根椐具體差別情況對 X射線源管電壓進行微調(diào)，并按照所述微調(diào)后的X射線管電壓重新進行 X-CT掃描。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6、 7或8所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)掃描得 到的投影圖像進行CT重建，得到所述待檢測物體的斷層圖像之前，進一步 包括對掃描得到的每個投影圖像分別進行像素驅(qū)動加權(quán)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)掃描得到的投 影圖像進行CT重建包括采用變劑量最大似然重建算法IMAVD對掃描得 到的投影圖像進行CT重建；所述IMAVD算法為+ Z二S^^"7'");其中,/ = 1,2,...,M，表示投影圖像的第f個像素，M表示投影圖像中的總像素數(shù)；j、l，2，…,J，表示 重建后得到的待檢測物體圖像的第_/個像素，J表示待檢測物體圖像的總像素數(shù)；A.表示第y個像素所對應(yīng)的衰減系數(shù)，義為X射線在理想情況下衰減后的 強度，4.為第!'條射線通過第y個像素的長度，/, 為第"次變電壓下的第/條射線 的投影數(shù)據(jù)，hl,2,…M，;"-l,2,…,W, W為變電壓的總次數(shù)；w(4)為對每個投 影圖像分別進行像素驅(qū)動加權(quán)時所采用的像素驅(qū)動加權(quán)函數(shù)；k為迭代次數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種計算機斷層掃描成像裝置，該裝置包括變劑量CT掃描模塊，用于根據(jù)掃描過程中X射線透照方向上待檢測物體有效厚度的變化，實時調(diào)整X射線源管電壓，并按照調(diào)整后的X射線源管電壓對所述待檢測物體進行圓軌跡X-CT掃描，并將掃描得到的投影圖像發(fā)送給CT重建模塊；所述CT重建模塊，用于根據(jù)接收到的投影圖像進行CT重建，得到所述待檢測物體的斷層圖像。本發(fā)明同時公開了一種計算機斷層掃描成像方法。本發(fā)明所述的裝置和方法適用于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的待檢測物體，并且不受X射線透照方向上待檢測物體有效厚度變化的影響。
文檔編號G01N23/04GK101308102SQ20081013239
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者賓 劉, 潘晉孝, 王黎明, 平 陳, 陳方林, 焱 韓 申請人:中北大學(xué)