專利名稱：一種抑制c型臂斷層成像中軌道振動偽影的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抑制X射線計算機(jī)斷層成像(CT)偽影的裝置與方法，更具體地 說，它涉及一種基于傳統(tǒng)錐束重建算法的C型臂X射線計算機(jī)斷層成像中抑制軌道振動偽 影的裝置與方法，屬于醫(yī)療成像領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
C型臂X射線計算機(jī)斷層成像(C-arm CT)技術(shù)，是運(yùn)用C型臂平面探測器獲得的 二維X射線投影數(shù)據(jù)去重建CT圖像，這是一種全新的圖像成像技術(shù)。C型臂成像系統(tǒng)的主 要組成部分是X射線產(chǎn)生部分(X射線源)、探測器部分(平面探測器)和C型臂構(gòu)架部分。 C型臂系統(tǒng)構(gòu)架包括了一個支架和一個C型臂，C型臂上一端安裝著探測器，另一端安裝著 X射線源。由于c型臂非封閉式的設(shè)計，在有限空間內(nèi)可以進(jìn)行最大角度范圍的掃描，因此， C型臂CT檢測角度的選擇十分靈活。另外，C型臂CT比傳統(tǒng)CT小巧，移動方便。由于上述 原因，C型臂CT廣泛用于臨床診斷和手術(shù)評估中。更重要的是，C型臂CT可用于術(shù)中檢測， 進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航，這是一般CT不能做到的。當(dāng)前C-arm CT系統(tǒng)中用到的圖像重建算法主要是由Feldkamp等人提出的錐束重 建算法，也稱 FDK 算法，見參考文獻(xiàn)[1] Feldkamp, Davis, Kress.，Practical cone-beam algorithm, J. Opt. Soc. Am. A, 1984，1 (6) :612_619。這個算法主要包含了數(shù)據(jù)加權(quán)修正、卷 積運(yùn)算和三維濾波反投影三步。FDK算法簡單易行，是一種基于圓軌道掃描的近似重建算 法——在任何測量分辨率下，重建結(jié)果和真實(shí)物體都會有一些偏差。但是，如果選擇合適的 錐角，這種偏差將會非常小。FDK算法由于其簡易性，成為實(shí)際錐束重建算法中應(yīng)用最廣泛 的算法。C型臂CT在實(shí)際應(yīng)用中，X射線源的掃描軌道會由于機(jī)械振動，引力凹陷，軸承不 規(guī)則性等因素偏離預(yù)先設(shè)計的軌道，發(fā)生軌道振動現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在重建后的CT圖像中出 現(xiàn)偽影，影響醫(yī)生診斷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的裝置和 易于實(shí)現(xiàn)、高效率的方法，用以抑制c型臂CT中出現(xiàn)的軌道振動偽影。本發(fā)明的技術(shù)方案如下在C型臂上安裝三個位置傳感器，分別裝在C型臂圓弧 的中間處、C型臂的X射線源處以及平面探測器處，在C型臂進(jìn)行掃描并獲得投影數(shù)據(jù)的過 程中，用三個傳感器記錄的信息可以得到C型臂實(shí)際掃描過程中振動后的實(shí)際掃描平面， 以及每個實(shí)際投影角度下X射線源的實(shí)際位置S' (x' ,y' ,z')。然后，將每個實(shí) 際投影角度0 ‘下X射線源的實(shí)際位置換算成軌道振動偽影抑制方法中的三個偏移參數(shù) (D'，，a)。最后，再運(yùn)用軌道振動修正方法，抑制軌道振動帶來的偽影，重建出CT圖 像。具體抑制方法如下第一步、C型臂上的X射線源和平面探測器圍繞物體的中心0點(diǎn)沿著掃描軌道進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，記錄投影數(shù)據(jù)Ρ( β ‘，a，b)。第二步，在實(shí)際掃描過程中，根據(jù)三個傳感器記錄的信息確定C型臂的實(shí)際掃描 平面，以及每個實(shí)際投影角度下X射線源的實(shí)際位置S' (χ'，y'，ζ')。第三步，由每個實(shí)際投影角度β ‘下實(shí)際X射線源的位置S’，確定三個偏移參數(shù) (D'，β ‘，α)。第四步，根據(jù)偏移參數(shù)D'和β'，對投影數(shù)據(jù)ρ(β'，a，b)進(jìn)行加權(quán)處理。第五步，根據(jù)三個偏移參數(shù)(D'，β ‘ ,α)對加權(quán)濾波后的投影數(shù)據(jù)#’G5’,fl,6)進(jìn) 行反投影，得到重建后圖像f(x，y，ζ)。本發(fā)明的有益效果是(1)該裝置與方法能有效抑制掃描過程中，C型臂振動所帶來的軌道振動圖像偽 影；(2)成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，在幾乎不改變原有C型臂CT系統(tǒng)加工工藝的前提下，僅 需要加入三個位置傳感器；(3)該方法數(shù)學(xué)形式簡單，容易實(shí)現(xiàn)，且修正方法引入的冗余計算少，對CT圖像重 建時間影響不大。


圖1是在理想的無振動情況下，C型臂CT進(jìn)行檢測時的掃描示意圖圖2是在出現(xiàn)振動情況后，C型臂CT進(jìn)行檢測時的掃描示意圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4是圖2的側(cè)視圖；圖5為本發(fā)明的重建結(jié)果；圖6為傳統(tǒng)錐束重建方法的重建結(jié)果；圖7為無振動情況下的重建結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本發(fā)明提供的抑制C型臂斷層成像中軌道振動偽影的裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，在C 型臂1的兩個圓弧自由端分別固定有X射線源5和平面探測器6，C型臂1上安裝三個位置 傳感器，分別為第一傳感器2、第二傳感器3和第三傳感器4，所述的第一傳感器2裝在C型 臂1圓弧的中心處，第二傳感器3安裝在C型臂1的X射線源5處，第三傳感器4安裝在平 面探測器6處。C型臂1上的X射線源5和平面探測器6圍繞物體8的中心0點(diǎn)沿著理想 圓形掃描軌道7進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描?；谏鲜龅囊种艭型臂斷層成像中軌道振動偽影的裝置，本發(fā)明還提供了一種抑 制C型臂斷層成像中軌道振動偽影的方法，具體如下第一步、C型臂1上的X射線源5和平面探測器6圍繞物體8的中心0點(diǎn)進(jìn)行旋 轉(zhuǎn)掃描，記錄投影數(shù)據(jù)Ρ( β ‘，a，b)。如圖1所示，X射線源5所在位置記為點(diǎn)S，則點(diǎn)S到物體1中心0的線段SO的長 度為D。β為投影角度，即在中心平面(XOY)上，直線SO與Y軸所成的角度。所述的中心
5平面是指C型臂1在理想狀態(tài)下(C型臂無振動情況)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描的軌道平面。圖1是在無振動情況下，C型臂1圍繞物體8的中心0進(jìn)行的掃描示意圖，C型臂 1的運(yùn)動軌道是一個理想圓形。掃描過程就是把每個投影角度β下的投影數(shù)據(jù)Ρ( β ‘ ,a, b)通過平面探測器6記錄下來，用于CT圖像重建。由于一般情況下，物體8的中心0點(diǎn)是 固定的，記為0(Χ(Ι，％，Z(l)，也可以把它作為建立空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)。每個投影角度β下的 理想X射線源5的位置點(diǎn)S的坐標(biāo)S(x，y, ζ)可以在掃描軌道定下后就計算得到。第二步，在實(shí)際掃描過程中，根據(jù)三個傳感器記錄的信息確定C型臂的實(shí)際掃描 平面，以及每個實(shí)際投影角度下X射線源的實(shí)際位置S' (χ'，y'，ζ')。C型臂1在實(shí)際掃描過程中會出現(xiàn)振動情況，如圖2所示，此時，實(shí)際X射線源的位 置S’與無振動情況下X射線源的位置S之間會出現(xiàn)一個偏移，實(shí)際探測器的位置與無振動 情況下探測器6的位置也會出現(xiàn)一個偏移。由于C型臂1是一個剛體，X射線源5和探測 器6在X、Z方向上發(fā)生的偏移大小相同，但方向相反；而X射線源5和探測器6在Y方向上 發(fā)生的偏移大小和方向都相同。此時，用三個傳感器2、3、4分別記錄下C型臂1圓弧中心 處、X射線源處和平面探測器處的實(shí)際位置點(diǎn)。 因?yàn)镃型臂1是剛體，這三個實(shí)際位置點(diǎn)即可確定實(shí)際掃描過程中(振動情況下) C型臂1的軌道平面。實(shí)際X射線源的位置S'的坐標(biāo)記為S' (x' ,y' ,ζ')，而實(shí)際X 射線源的位置S'在中心平面(XOY)上投影S 〃的坐標(biāo)為S" (χ'，y'，ζ)。第三步，由每個實(shí)際投影角度β ‘下實(shí)際X射線源的位置S'，確定三個偏移參數(shù) (D'，β ‘，α)。在軌道振動偽影抑制方法中，用參數(shù)(D' , β ‘ , α)就能表示實(shí)際X射線源與它 理想位置的偏移。理想X射線源的位置S(x，y，z)與實(shí)際X射線源的位置S' (x'，y'，z')的空 間偏移為(Δχ，Δγ, Δζ)。實(shí)際X射線源的位置S' (χ'，y'，ζ')到物體中心0(xQ，yQ，zQ)的距離D‘可 以直接由兩點(diǎn)間距離公式計算得到(如圖2) 實(shí)際投影角度β ‘可以由直線S" 0與Y軸間夾角計算公式得到(如圖3) 實(shí)際X射線源的位置S'與中心平面(XOY)所成的垂直偏移角度α可以由垂直三 角形S' S" 0計算得到(如圖4) 第四步，根據(jù)偏移參數(shù)D'和β ‘，對投影數(shù)據(jù)Ρ(β ‘ ,a,b)進(jìn)行加權(quán)處理 其中，β ‘表示實(shí)際投影角度，a為探測器上橫坐標(biāo)，b為探測器上縱坐標(biāo)，并且 再用沿著縱坐標(biāo)方向的濾波器hP(a)對加權(quán)后的投影數(shù)據(jù)P' ‘，a，b)進(jìn)行 濾波 第五步，根據(jù)三個偏移參數(shù)(D'，3 ‘ , a)對加權(quán)濾波后的投影數(shù)據(jù)戶'(存>，6)進(jìn) 行反投影，得到重建后圖像f(x，y，z) 其中f (x，y，z)為重建圖像中的每個像素點(diǎn)的衰減系數(shù)，重建圖像由它組成。式 (6)中，U(x，y， 3 ‘ ， a，D' ) = D' +xcos a sin^ ‘ -ycos a cos ^ ' +zsina，為積分力口 權(quán)因子。在對本發(fā)明的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，分別采用傳統(tǒng)錐束重建方法和采用本發(fā)明的軌道振動 偽影抑制方法對存在振動情況的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，圖5為本發(fā)明的重建結(jié)果，圖6為傳統(tǒng) 錐束重建方法的重建結(jié)果，圖7為無振動情況下的重建結(jié)果，可以看出，本發(fā)明的重建結(jié)果 與無振動情況下的重建結(jié)果相近，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)錐束重建方法的重建結(jié)果。且本發(fā)明方法 在具體實(shí)現(xiàn)中結(jié)構(gòu)簡單，計算方便，相對于傳統(tǒng)方法，并未增加太多復(fù)雜度。
權(quán)利要求
一種抑制C型臂斷層成像中軌道振動偽影的裝置，其特征在于C型臂上安裝三個位置傳感器，分別為第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器，所述的第一傳感器裝在C型臂圓弧的中心處，第二傳感器安裝在C型臂的X射線源處，第三傳感器安裝在平面探測器處。
2.一種抑制C型臂斷層成像中軌道振動偽影的方法，其特征在于第一步、C型臂上的X射線源和平面探測器圍繞物體的中心O點(diǎn)沿著掃描軌道進(jìn)行旋 轉(zhuǎn)掃描，記錄投影數(shù)據(jù)Ρ( β ‘，a，b);第二步，在實(shí)際掃描過程中，根據(jù)三個傳感器記錄的信息確定C型臂的實(shí)際掃描平面， 以及每個實(shí)際投影角度下X射線源的實(shí)際位置S' (χ'，y'，ζ')；三個傳感器分別記錄下C型臂圓弧中心處、X射線源處和平面探測器處的實(shí)際位置點(diǎn)， 即得到C型臂的實(shí)際掃描平面；理想X射線源的位置S(x，y，z)與實(shí)際X射線源的位置S' (χ'，y' ,ζ')的空間偏 移為(Δχ，Ay，Δζ)；實(shí)際X射線源的位置S'的坐標(biāo)記為S' (χ'，y' ,ζ')，而實(shí)際X 射線源的位置S'在中心平面XOY上投影S"的坐標(biāo)為S" (χ'，y'，z);第三步，由每個實(shí)際投影角度β ‘下實(shí)際X射線源的位置S'，確定三個偏移參數(shù) (D' , β ‘，α)；實(shí)際X射線源的位置S' (χ'，y' ,ζ')到物體中心0 (xQ，yQ，zQ)的距離 D' 實(shí)際投影角度β'由直線S" 0與Y軸間夾角計算得到 實(shí)際X射線源的位置S'與中心平面XOY所成的垂直偏移角度α由垂直三角形 S' S" 0計算得到 第四步，根據(jù)偏移參數(shù)D'和β'，對投影數(shù)據(jù)Ρ(β'，a，b)進(jìn)行加權(quán)處理；加權(quán)處理 后得到 其中，β'表示實(shí)際投影角度，a為探測器上橫坐標(biāo)，a = D'-——乂二‘—，，b為探濃上縱坐標(biāo)， 第五步，根據(jù)三個偏移參數(shù)(D' , β ‘ ,α)對加權(quán)濾波后的投影數(shù)據(jù)戶'(廣，a,的進(jìn)行反 投影，得到重建后圖像f(x，y，z)； 其中f(x，y，z)為每點(diǎn)的衰減系數(shù)，重建圖像由每點(diǎn)的衰減系數(shù)組成；式(6)中，U(x，y, β ‘ ， a，D' ) = D' +xcos a sin β ' -ycos a cos β ' +zsin a ，為積分力口權(quán)因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種抑制C型臂斷層成像中軌道振動偽影的方法，其特征在 于第四步中加權(quán)處理后還要進(jìn)行濾波的步驟，所述的濾波步驟沿著縱坐標(biāo)方向的濾波器 hP(a)對加權(quán)后的投影數(shù)據(jù)P' (β' ,a,b)進(jìn)行濾波，得到
全文摘要
本發(fā)明公開一種抑制C型臂斷層成像中軌道振動偽影的裝置與方法，屬于醫(yī)療成像領(lǐng)域。所要解決的是抑制C型臂斷層成像中X射線源軌道振動帶來的圖像偽影。所述裝置在C型臂上安裝三個位置傳感器，所述方法包括在C型臂進(jìn)行掃描并獲得投影數(shù)據(jù)的過程中，用三個位置傳感器記錄每個投影角度下C型臂振動情況的步驟；根據(jù)C型臂振動情況，計算出軌道振動偽影抑制方法中的偏移參數(shù)(D′，β′，α)的步驟；最后重建出圖像。本發(fā)明能有效抑制C型臂振動所帶來的軌道振動圖像偽影，并且成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)，對CT圖像重建時間影響不大。
文檔編號A61B6/03GK101884546SQ201010222418
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者徐敏, 曹皓舒, 李德玉, 樊瑜波, 蒲放, 蔡可 申請人:北京航空航天大學(xué)