專利名稱：一種ct系統(tǒng)及信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CT系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)及新的圖像重建方法，特別涉及一種CT系統(tǒng)及信號(hào) 處理方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的CT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它使用了大面積的探測(cè)器，一般有 40X30cm2，提高了儀器的生產(chǎn)成本和體積，同時(shí)由于整體覆蓋被掃描物體，故對(duì)掃描物體的 輻射劑量大，對(duì)人體造成不同程度的傷害。近來信息理論的最新進(jìn)展，壓縮傳感原理，已經(jīng)在最優(yōu)或是近最優(yōu)的信號(hào)重構(gòu)中， 特別是不完全線性測(cè)量的重構(gòu)中被證明了其優(yōu)越之處。這些理論很快被改編運(yùn)用到核磁共 振圖像重建中。而本發(fā)明第一次改編并運(yùn)用這些理論于CT系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為克服傳統(tǒng)CT系統(tǒng)掃描病人的放射劑量大掃描時(shí)間長(zhǎng)，以及 散射效應(yīng)等問題，從而提出一種CT系統(tǒng)及信號(hào)處理方法。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，它的獨(dú)特設(shè)計(jì)在于X射線源的排列模式，以及掃描束軌 跡安排。這使得物體的采樣可以達(dá)到最佳。發(fā)明的另一項(xiàng)獨(dú)特之處在于它的重構(gòu)算法，特 別是它使用的壓縮傳感于優(yōu)化采樣方案。這個(gè)新系統(tǒng)可以用于醫(yī)療，如人腦或人體的掃 描，或是工業(yè)用掃描儀(如設(shè)備的瑕疵、損傷、疲勞)，也可用于古生物復(fù)原或考古學(xué)的研 究等。系統(tǒng)減少了 X射線平板探測(cè)器的大小，從而有效地降低了儀器的生產(chǎn)成本和體積。本發(fā)明提出的一種CT系統(tǒng)，其特征在于，所述的CT系統(tǒng)包含-X射線源陣列和小 型平板探測(cè)器，所述的X射線源陣列和小型平板探測(cè)器水平方向共軸設(shè)置。所述的X射線源陣列包含一掃描射線源，所述的掃描射線源與一準(zhǔn)直器金屬靶 相連，該準(zhǔn)直器金屬靶用于產(chǎn)生并限制X射線只能通往小型平板探測(cè)器；其中，所述的X射線源陣列和所述的小型平板探測(cè)器陣列分別固定在一個(gè)可旋轉(zhuǎn) 的支架的兩端，通過支架的運(yùn)動(dòng)，所述的X射線源陣列和小型平板探測(cè)器圍繞待掃描物體 同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所述的準(zhǔn)直器金屬靶，該準(zhǔn)直器金屬靶為均勻的開若干孔的金屬板，用于保證每 一通過準(zhǔn)直器金屬靶的某個(gè)孔的X射線源和小型平板探測(cè)器形成一個(gè)覆蓋部分物體的扇 束區(qū)。所述的小型平板探測(cè)器采用用于快速記錄掃描數(shù)據(jù)的光子計(jì)數(shù)探測(cè)陣列，該光子 計(jì)數(shù)探測(cè)陣列包含位于小型平板探測(cè)器上的若干個(gè)小半導(dǎo)體探測(cè)器。 所述的X射線源陣列，還可以，由放置在被掃描物周圍的若干碳納米X射線源形成 一個(gè)三維陣列X射線源。 所述的X射線源陣列，其排列方式由優(yōu)化方法得到，通過隨機(jī)排列及實(shí)驗(yàn)效果決 定各個(gè)點(diǎn)源的位置。
所述的優(yōu)化方法具體包含如下步驟1)X射線源的位置通過簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)模擬隨機(jī)產(chǎn)生；2)通過現(xiàn)有的CT模擬程序，代入1)中相應(yīng)源的位置，模擬相應(yīng)的采集信號(hào)；3) CT圖像最后由本專利提到的重建方法獲得；4)計(jì)算病人所受到的輻射劑量，該劑量可簡(jiǎn)化為正比于X射線源的數(shù)目；5)反復(fù)通過以上1) 4)中所述的的模擬計(jì)算，可以得到X射線源位置和圖像質(zhì) 量以及病人所受輻射劑量的曲線關(guān)系，并由此可以決定最佳的X射線源的排列方式。一種CT系統(tǒng)的信號(hào)處理方法，所述的CT系統(tǒng)包含X射線源陣列和小型平板探測(cè) 器，所述的X射線源陣列和小型平板探測(cè)器水平方向共軸設(shè)置；所述的方法用于還原該CT 系統(tǒng)掃描的物體形成圖像輸出，該方法具體包含如下步驟11)設(shè)定X射線源陣列掃描物體，對(duì)物體進(jìn)行隨機(jī)采樣；12)小型平板探測(cè)器記錄采樣得到的數(shù)據(jù)；13)針對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)，采用圖像壓縮重建方法恢復(fù)掃描物體圖像，具體包含如 下步驟首先用導(dǎo)數(shù)或二階導(dǎo)數(shù)求得物體的稀疏變換，具體公式如下II^(Z)IIn =+ /； + /z2 辦辦必或 IK/)lli, = JVf +f2yy ^rfldxdydz其中，f函數(shù)代表被掃描的物體，而11^/) 則為被掃描物體的稀疏變換；然后，在限制條件(Af-y)T(Af_y) = ，或(Af_y)T(Af_y) < ￡，下將Ll范數(shù)的稀 疏變換最小化，還原不完全采樣的物體，形成圖像輸出；其中，矩陣A為CT的投影矩陣，y為 探測(cè)器記錄的數(shù)據(jù)。所述的最小化的方法包含內(nèi)點(diǎn)法、牛頓迭代法、共軛梯度法或迭代條件模式法，具 體公式如下OTinI^(Z)Ia, s.t. \Af-yfl2<s 。此外，納米技術(shù)的進(jìn)展，特別是碳納米管X射線源的產(chǎn)生，使得在CT系統(tǒng)中使用X 射線陣列成為可能。把多個(gè)X射線源按一定模式排列，這項(xiàng)發(fā)明可以在CT掃描中實(shí)現(xiàn)隨機(jī) 采樣從而使得壓縮傳感的理論得以充分應(yīng)用。除納米X射線源外，使用特別設(shè)計(jì)準(zhǔn)直器的 掃描束X射線源也可以用來提供類似的X射線陣列。這種掃描束X射線源的好處在于它的 價(jià)格低廉。它和這項(xiàng)發(fā)明中使用的小型探測(cè)器一起，使得整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格非常低廉。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以使得病人所受的放射劑量和掃描時(shí)間大大減少，這項(xiàng) 發(fā)明提供了高分辨率，低輻射，高時(shí)間分辨率(實(shí)時(shí)三維圖形)，及可能的多光譜圖像處理 技術(shù)，這對(duì)于診斷及放射治療特別是新興高端的圖像控制的精準(zhǔn)定位放射治療(IGRT)是 十分有用的。


圖1為傳統(tǒng)CT結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的CT結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的一種具體CT系統(tǒng)的工作方式示意圖；圖4為本發(fā)明的一種CT系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，包含掃描射線源，準(zhǔn)直器金屬靶和小型平板探測(cè)器；圖5為本發(fā)明的一種CT系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)支架示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，但不應(yīng)該以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。1.多源和小型探測(cè)器CT構(gòu)型這項(xiàng)發(fā)明采用了一個(gè)CT系統(tǒng)新的構(gòu)型設(shè)計(jì)。它使用了多個(gè)X射線源位置，即X射 線源陣列和小型的探測(cè)器。這種設(shè)計(jì)大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。如附圖1和附圖2所示，附圖1顯示了常規(guī)CT掃描儀的構(gòu)型設(shè)計(jì)，它使用了大面 積的探測(cè)器，一般有40X30cm2，附圖2顯示了本發(fā)明的CT掃描儀設(shè)計(jì)，它的探測(cè)器面積被縮 減到常規(guī)CT的十分之一。它的X射線源位于不同的位置，從而每一隊(duì)X射線源和探測(cè)器形成了 一個(gè)小的扇 束區(qū)，覆蓋了掃描物體的一部分。在掃描過程中，X射線源陣列和探測(cè)器圍繞物體沿著一個(gè) 圓形或是螺旋形軌跡旋轉(zhuǎn)，如附圖3所示。小的探測(cè)器和X射線束覆蓋減小了電子的開普敦散射效應(yīng)，從而提高了重構(gòu)圖像質(zhì)量。2.隨機(jī)采樣技術(shù)我們注意到，當(dāng)使用這種新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，掃描物體在每個(gè)投射角度并不像 常規(guī)設(shè)計(jì)那樣被X射線束整體覆蓋，這使得輻射劑量大大減少。一般來說這同時(shí)意味著圖 像質(zhì)量變差，因?yàn)椴杉臄?shù)據(jù)的減少。但如果我們仔細(xì)選擇X射線束的投射，并使用有效的 重構(gòu)算法，被掃描物體可以被完全還原出來。根據(jù)壓縮傳感理論，一個(gè)X射線束的自然選擇 就是對(duì)于線性測(cè)量的隨機(jī)采樣。使用這種采樣，物體可以從X射線投射中完全重構(gòu)出來，盡 可能有效地利用所采集的數(shù)據(jù)，降低庸余程度。假如物體的稀疏變換存在的話。這個(gè)變換 實(shí)際上可以通過最小總差異(TV)正規(guī)化而來的梯度變換發(fā)現(xiàn)。此外在這個(gè)發(fā)明中我們提 議使用二階導(dǎo)數(shù)來增加稀疏度，這使得重構(gòu)結(jié)果更完善準(zhǔn)確，我們?cè)谙旅鏁?huì)詳細(xì)說明。隨機(jī) 采樣方式可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，一旦確定，同樣的方式可以重復(fù)用于別的物體或是病人。3.壓縮傳感重構(gòu)技術(shù)因?yàn)闇y(cè)量(X射線成像)的采樣嚴(yán)重不足，使用常規(guī)反變換來還原物體是不太可能 而且很不穩(wěn)定的。重構(gòu)因此需要被掃描物體額外的信息，即先驗(yàn)知識(shí)。在這個(gè)發(fā)明中，這個(gè) 先驗(yàn)知識(shí)就是物體的“稀疏”性質(zhì)。它在很多場(chǎng)合例如人體和別的物體中被證明了是可靠 的，并已經(jīng)應(yīng)用到人體的核磁共振成像中。我們需要找到一種變換使得物體在變換后的空 間中是稀疏的。這里我們使用以前提到過的導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)。壓縮傳感技術(shù)顯示，使用被 稀疏物體的Ll norm，我們就可以從不完全采樣測(cè)量中完全還原物體。由此我們導(dǎo)出了下面 的方程來解決Ll優(yōu)化的問題。
權(quán)利要求
1.一種CT系統(tǒng)，其特征在于，所述的CT系統(tǒng)包含x射線源陣列和小型平板探測(cè)器，所 述的X射線源陣列和小型平板探測(cè)器水平方向共軸設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CT系統(tǒng)，其特征在于，所述的X射線源陣列包含一掃描射 線源，所述的掃描射線源與一準(zhǔn)直器金屬靶相連，該準(zhǔn)直器金屬靶用于產(chǎn)生并限制X射線 只能通往小型平板探測(cè)器；其中，所述的X射線源陣列和所述的小型平板探測(cè)器陣列分別固定在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的支 架的兩端，通過支架的運(yùn)動(dòng)，所述的X射線源陣列和小型平板探測(cè)器圍繞待掃描物體同步 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CT系統(tǒng)，其特征在于，所述的準(zhǔn)直器金屬靶，該準(zhǔn)直器金屬靶 為均勻的開若干孔的金屬板，用于保證每一通過準(zhǔn)直器金屬靶的某個(gè)孔的X射線源和小型 平板探測(cè)器形成一個(gè)覆蓋部分物體的扇束區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CT系統(tǒng)，其特征在于，所述的小型平板探測(cè)器采用用于快速 記錄掃描數(shù)據(jù)的光子計(jì)數(shù)探測(cè)陣列，該光子計(jì)數(shù)探測(cè)陣列包含位于小型平板探測(cè)器上的若 干個(gè)小半導(dǎo)體探測(cè)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CT系統(tǒng)，其特征在于，所述的X射線源陣列，還可以，由放置 在被掃描物周圍的若干碳納米X射線源形成一個(gè)三維陣列X射線源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CT系統(tǒng)，其特征在于，所述的X射線源陣列，其排列方式由優(yōu) 化方法得到，該方法具體包含如下步驟首先，用計(jì)算機(jī)模擬隨機(jī)產(chǎn)生X射線源的初級(jí)位置；然后通過現(xiàn)有的CT模擬程序，代入 相應(yīng)源的初級(jí)位置，模擬相應(yīng)的采集信號(hào)，并用重建方法獲得CT圖像；最后計(jì)算病人所受 到的輻射劑量，該劑量可簡(jiǎn)化為正比于X射線源的數(shù)目；反復(fù)通過以上所述的模擬計(jì)算，得 到X射線源位置和圖像質(zhì)量以及病人所受輻射劑量的曲線關(guān)系，并由此可以決定最佳的X 射線源的排列方式。
7.—種CT系統(tǒng)的信號(hào)處理方法，所述的CT系統(tǒng)包含X射線源陣列和小型平板探測(cè) 器，所述的X射線源陣列和小型平板探測(cè)器水平方向共軸設(shè)置；所述的方法用于還原該CT 系統(tǒng)掃描的物體形成圖像輸出，該方法具體包含如下步驟1)設(shè)定X射線源陣列掃描物體，對(duì)物體進(jìn)行隨機(jī)采樣；2)小型平板探測(cè)器記錄采樣得到的數(shù)據(jù)；3)針對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)，采用圖像壓縮重建方法恢復(fù)掃描物體圖像，具體包含如下步驟首先用導(dǎo)數(shù)或二階導(dǎo)數(shù)求得物體的稀疏變換，具體公式如下
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的信號(hào)處理方法，其特征在于，所述的最小化的方法包含內(nèi)點(diǎn) 法、牛頓迭代法、共軛梯度法或迭代條件模式法，具體公式如下min||^(/)||n, s.t. \\Af-yfl2<e 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種CT系統(tǒng)及信號(hào)處理方法，該CT系統(tǒng)包含X射線源陣列和小型的平板探測(cè)器，所述的X射線源陣列和小型平板探測(cè)器水平方向共軸。所述的X射線源陣列包含電子掃描射線源和準(zhǔn)直器金屬靶，該掃描射線源與一準(zhǔn)直器金屬靶相連；所述的X射線源陣列和所述的小型平板探測(cè)器陣列分別固定在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)支架的兩端；位于旋轉(zhuǎn)支架兩端的X射線源陣列和小型平板探測(cè)器圍繞物體沿著一個(gè)圓形或是螺旋形軌跡旋轉(zhuǎn)。另一種X射線陣列，還可以，由放置在被掃描物周圍的碳納米X射線源形成一個(gè)三維的陣列；所述的碳納米X射線源產(chǎn)生的X射線源陣列與小型探測(cè)器構(gòu)成CT系統(tǒng)。本發(fā)明還提出一種針對(duì)這種新的CT掃描系統(tǒng)的圖像壓縮重建方法。
文檔編號(hào)A61B6/03GK102121908SQ20101000019
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者李樂攻, 李天放, 毛錢江 申請(qǐng)人:李樂攻, 李天放, 毛錢江