針對(duì)半覆蓋螺旋錐束ct的單層重排濾波反投影重建方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種針對(duì)半覆蓋螺旋錐束CT的單層重排濾波反投影重建方法，首先將錐束投影重排成多排扇形束投影，每一排對(duì)應(yīng)物體的一層，然后利用平行束投影的對(duì)稱性質(zhì)將每一排的扇形束投影重排成π范圍內(nèi)的平行束投影，此時(shí)平行束投影完全覆蓋物體橫截面，不存在數(shù)據(jù)截?cái)啵詈笸ㄟ^在重排前的錐束幾何下計(jì)算反投影點(diǎn)，進(jìn)行三維濾波反投影，避免了將第一次的重排誤差引入重建圖像。通過采用上述方法，能夠?qū)崿F(xiàn)半覆蓋螺旋錐束幾何下快速、高質(zhì)量的三維重建，重建圖像中沒有明顯截?cái)鄠斡?，重建質(zhì)量不受數(shù)據(jù)截?cái)辔恢玫挠绊?，能夠更大程度地?cái)U(kuò)展螺旋錐束CT的成像視野。
【專利說明】針對(duì)半覆蓋螺旋錐束CT的單層重排濾波反投影重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種針對(duì)半覆蓋螺旋錐束CT的單層重排濾波反投影重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]螺旋錐束CT能夠解決長物體的成像問題，并且具有掃描速度快、空間分辨率高和射線利用高的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中被越來越廣泛地使用。傳統(tǒng)的螺旋錐束CT只能對(duì)在各個(gè)投影角度下橫截面完全被射束覆蓋的長物體進(jìn)行成像，但是，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到應(yīng)用小面陣探測器對(duì)大物體進(jìn)行成像的問題，比如對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的無損檢測，此時(shí)物體的橫截面在各個(gè)投影角度下不能被射線全部覆蓋，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的螺旋錐束CT失效。
[0003]為了解決該問題，一些新的掃描方式和相應(yīng)的重建方法被提出，如雙螺旋掃描方式和雙螺旋FDK、雙螺旋Katsevich以及雙螺旋BPF型重建方法，能夠?qū)崿F(xiàn)螺旋錐束CT接近2倍的橫向成像視野擴(kuò)展；又如多次螺旋掃描方式和相應(yīng)的FBP型重建方法，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的橫向視野擴(kuò)展率。但是，這兩種方法在工程實(shí)施上均存在一些難度，于是一種更為簡單的方法便是實(shí)現(xiàn)半覆蓋螺旋維束CT成像。
[0004]半覆蓋螺旋錐束CT成像能夠擴(kuò)展接近2倍的橫向視野，其可由兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是載物臺(tái)偏置，一種是探測器偏置，兩種實(shí)現(xiàn)方式本質(zhì)上相同，重建方法能夠相互適用。例如，在載物臺(tái)偏置方式下實(shí)現(xiàn)半覆蓋螺旋錐束CT成像時(shí)，X射線源和探測器固定不動(dòng)，載物臺(tái)承載被掃描物體首先沿平行探測器方向偏置，使每個(gè)投影角度下X射線只覆蓋被掃描物體橫截面的一半，然后進(jìn)行螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在預(yù)定的投影角度下探測器采集投影數(shù)據(jù)。重建時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)螺旋錐束CT相比，半覆蓋螺旋錐術(shù)CT只利用一半的投影數(shù)據(jù)重建整個(gè)超視野物體，因此能夠擴(kuò)展成像視野。針對(duì)半覆蓋螺旋錐束CT，鄒曉兵等人提出了半覆蓋螺旋FDK方法，相比標(biāo)準(zhǔn)螺旋FDK，該方法使用一半的投影數(shù)據(jù)重建整個(gè)物體，但是，每個(gè)投影角度下數(shù)據(jù)存在橫向截?cái)啵摲椒ú捎萌值男逼聻V波器，因此重建結(jié)果存在較為嚴(yán)重的截?cái)鄠斡啊?duì)此問題，郭吉強(qiáng)等人又提出了改進(jìn)的半覆蓋螺旋FDK方法，該方法借鑒二維CT中局部濾波的思想，重建過程中采用一種新的具有局部特性的濾波器，從而能夠在一定程度上抑制由于數(shù)據(jù)截?cái)嗪腿譃V波帶來的截?cái)鄠斡?。但是，其重建結(jié)果中截?cái)鄠斡耙廊淮嬖?，尤其投影?shù)據(jù)截?cái)辔恢酶咏咏矬w中心時(shí)表現(xiàn)更為明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種針對(duì)半覆蓋螺旋錐束CT的單層重排濾波反投影重建方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)半覆蓋螺旋錐束幾何下快速、高質(zhì)量的三維重建，重建圖像中沒有明顯截?cái)鄠斡埃亟ㄙ|(zhì)量不受數(shù)據(jù)截?cái)辔恢玫挠绊?，能夠更大程度地?cái)U(kuò)展螺旋錐束CT的成像視野。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種針對(duì)半覆蓋螺旋錐束CT的單層重排濾波反投影重建方法，該方法基于被掃描物體的螺旋錐形束投影進(jìn)行重建，主要包括以下步驟:
[0007](I)將螺旋錐形束投影重排成多層扇形束投影，重排后每個(gè)角度下的錐形束投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為互相平行的多層扇形束投影數(shù)據(jù)，每層扇形束數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)被掃描物體沿旋轉(zhuǎn)軸方向的一層；
[0008](2)將步驟(1)中的多層扇形束投影重排成多層平行束投影，該重排只涉及被掃描物體相同層的扇形束投影，即重排后的多層平行束投影仍對(duì)應(yīng)被掃描物體的相同層；
[0009](3)將步驟(2)中的平行束投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，然后對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反投影，從而實(shí)現(xiàn)重建；并且，其中的反投影過程是在錐形束幾何下進(jìn)行的。
[0010]上述單層重排濾波反投影重建方法，其中經(jīng)步驟(1)重排后的被掃描物體每層對(duì)應(yīng)2π范圍內(nèi)的扇形束投影，且每個(gè)角度下對(duì)應(yīng)的扇形束投影只覆蓋被掃描物體橫截面的一半。
[0011]上述單層重排濾波反投影重建方法，其中步驟(2)中的重排利用了平行束投影的對(duì)稱性質(zhì)，重排后的平行束投影角度范圍為η，且每個(gè)角度下的投影完全覆蓋被掃描物體的橫截面，不存在數(shù)據(jù)截?cái)唷?br> [0012]上述單層重排濾波反投影重建方法，其中被掃描物體的錐形束投影數(shù)據(jù)的具體獲取過程為:構(gòu)建半徑為Rtl的圓柱體，假設(shè)被掃描物體即包含于該圓柱體中，在該圓柱體的中心位置建立固定的右手笛卡爾坐標(biāo)系U，y, ζ)，且被掃描物體的偏置量為Dtl，成像時(shí)，被掃描物體做螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)，即相當(dāng)于被掃描物體固定、射線源和探測器同時(shí)做反向的螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)軸與Z軸重合，射線源的旋轉(zhuǎn)半徑為R，射線源到探測器的距離為S，射線源到平行于探測器且過旋轉(zhuǎn)軸的平面的距離為D，建立旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系(U，V, w)，其中心為探測器中心，對(duì)于探測器上的任何一點(diǎn)，都可以用坐標(biāo)(U，V)表示；為獲得重建所需的足夠投影數(shù)據(jù)，每個(gè)角度下的射線至少覆蓋被掃描物體橫截面的一半，即需要滿足:
【權(quán)利要求】
1.一種針對(duì)半覆蓋螺旋錐束CT的單層重排濾波反投影重建方法，該方法基于被掃描物體的螺旋錐形束投影進(jìn)行重建，其特征在于包括以下步驟: (1)將螺旋錐形束投影重排成多層扇形束投影，重排后每個(gè)角度下的錐形束投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為互相平行的多層扇形束投影數(shù)據(jù)，每層扇形束數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)被掃描物體沿旋轉(zhuǎn)軸方向的一層; (2)將步驟(1)中的多層扇形束投影重排成多層平行束投影，該重排只涉及被掃描物體相同層的扇形束投影，即重排后的多層平行束投影仍對(duì)應(yīng)被掃描物體的相同層； (3)將步驟(2)中的平行束投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，然后對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反投影，從而實(shí)現(xiàn)重建；并且，其中的反投影過程是在錐形束幾何下進(jìn)行的。
2.如權(quán)利要求1所述的單層重排濾波反投影重建方法，其特征在于:經(jīng)步驟(1)重排后的被掃描物體每層對(duì)應(yīng)2 π范圍內(nèi)的扇形束投影，且每個(gè)角度下對(duì)應(yīng)的扇形束投影只覆蓋被掃描物體橫截面的一半。
3.如權(quán)利要求1所述的單層重排濾波反投影重建方法，其特征在于:所述步驟(2)中的重排利用了平行束投影的對(duì)稱性質(zhì)，重排后的平行束投影角度范圍為η，且每個(gè)角度下的投影完全覆蓋被掃描物體的橫截面，不存在數(shù)據(jù)截?cái)唷?br> 4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的單層重排濾波反投影重建方法，其特征在于:被掃描物體的錐形束投影數(shù)據(jù)的具體獲取過程為:構(gòu)建半徑為Rtl的圓柱體，假設(shè)被掃描物體即包含于該圓柱體中，在該圓柱體的中心位置建立固定的右手笛卡爾坐標(biāo)系(x，y，z)，且被掃描物體的偏置量為Dtl，成像時(shí)，被掃描物體做螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)，即相當(dāng)于被掃描物體固定、射線源和探測器同時(shí)做反向的螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)軸與Z軸重合，射線源的旋轉(zhuǎn)半徑為R，射線源到探測器的距離·為S，射線源到平行于探測器且過旋轉(zhuǎn)軸的平面的距離為D，建立旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系(U，V，W)，其中心為探測器中心，對(duì)于探測器上的任何一點(diǎn)，都可以用坐標(biāo)(U，V)表示；為獲得重建所需的足夠投影數(shù)據(jù)，每個(gè)角度下的射線至少覆蓋被掃描物體橫截面的一半，即需要滿足:
\Dy)< D lan{rIH)
{(/) lan(;/〃, ) + ￡>") cos(;/〃,) > R11 其中Ym表不最大的扇角的一半。
5.如權(quán)利要求4所述的單層重排濾波反投影重建方法，其特征在于:所述步驟(1)中由錐形束投影到扇形束投影的具體重排過程為:每層扇形束數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)被掃描物體沿Z軸方向的一層，重排后的扇形束幾何與錐形束幾何相匹配，即虛擬的扇形束源點(diǎn)同樣位于距旋轉(zhuǎn)軸距離為R的位置，線陣探測器與面探測器的行匹配同時(shí)對(duì)應(yīng)被掃描物體沿Z軸方向的一層；重排前的錐形束投影數(shù)據(jù)為b( λ，U，V)，其中λ表示投影角度，(U，V)表示面探測器上的點(diǎn)，重排后的扇形束投影數(shù)據(jù)*ΡΖ(Θ，U)，其中ζ表示物體沿Z軸方向的層數(shù)，Θ表示扇形投影角度，且θ=λ%2π，u表示線陣探測器探元位置，則該步驟下的重排過程可由下面公式表示:

I
P (θ,ιι) = —^11 +5 ?(λ,ιι,ν) '^lu2+V2+S2其中
6.如權(quán)利要求5所述的單層重排濾波反投影重建方法，其特征在于:所述步驟(2)中由扇形束投影到平行束投影的具體重排過程為:
7.如權(quán)利要求6所述的單層重排濾波反投影重建方法，其特征在于:在所述步驟(3)中，采用標(biāo)準(zhǔn)的斜坡濾波器分別對(duì)被掃描物體每一層的每個(gè)投影角度的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，即
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK103714578SQ201410035682
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】李磊, 韓玉, 閆鑌, 席曉琦, 張峰, 古宇飛, 王林元, 蔡愛龍 申請(qǐng)人:中國人民解放軍信息工程大學(xué)