[发明专利]C型臂半精确滤波反投影断层成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，属于生物医学成像领域，适用于C型臂X射线的断层成像。

背景技术

C型臂成像系统主要由C型臂及安装C型臂两端的X射线源和平板检测器组成。X射线源发射的X射线光信号在空间中形成锥束，C型臂可绕水平轴线在有限空间内进行最大角度范围的旋转，与此同时，平板检测器能可采集X射线衰减后的光信号。这些光信号又能转换为锥束投影数据，利用这些数据就能重建出CT断层图像。具备CT断层功能的C型臂在临床诊断和手术评估具有重要的应用价值，是一项具有广泛应用前景的重要技术。

利用C型臂进行断层重建，最实用的扫描轨迹是圆弧轨迹。目前有FDK类型和Katsevich类型两类算法可以实现相应的重建。前者是借鉴Feldmap等人在Journal of the Optical Society of America上发表的Practical cone beam algorithm论文的思想，将二维扇束重建公式向锥束投影空间的推广，属于近似锥束重建算法。后者是Guang-Hong Chen等人利用Katsevich在International Jounal of Mathematics and Mathematical Sciences 上发表的A general scheme for constructing inversion algorithm for cone beam CT论文的思想，将精确锥束重建算法推广到圆弧轨迹，并申请美国专利cone beam filtered backprojection image reconstruction method for short trajectories，其专利号为US7,203,272 B2，属于半精度的锥束重建算法。

虽然FDK类型算法重建思想简单，速度较快，全圆轨迹的FDK算法在较小的锥角(＜±4°)下，能取得良好的重建效果，然而对于圆弧轨迹的FDK类型算法重建密度差较大的物体时在锥角±2°左右就出现了伪像。Katsevich类型重建算法的关键是计算临界面的构造因子。Guang-Hong Chen等人利用通过重建点与圆弧轨迹的端点且与轨迹平面垂直的平面将圆弧轨迹分成三段，再利用射源所在轨迹区段位置来判别构造因子的大小。因不同的重建点会将圆弧轨迹分成不同的三个区段，从而不同的投影角度以及不同的重建点都需要判别构造因子的大小，并且相应的计算关系还需要一些平方、开方以及三角函数的运算，是一个相对复杂计算判别过程。因此，尽管Katsevich类型的算法可获得较精确的重建结果，结构因子的复杂计算过程不利于算法的并行处理，从而降低了重建算法的计算效率。此外，在某些投影角度上Katsevich类型重建算法存在沿竖直或者接近竖直方向的滤波线，而Guang-Hong Chen等人提出的算法并未对投影数据沿检测器竖直方向进行重采样，影响了重建结果的精度。以上两点不利于Katsevich类型锥束重建算法在实际中的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种C型臂半精确滤波反投影断层成像方法，其特点是将Katsevich精确重建算法应用到圆弧轨迹，利用同一条投影射线上的重建点构造因子相同，将结构因子相关的计算映射到检测器平面上，获得构造因子计算规则，进而得到具有滤波反投影的重建公式。避免了现有Katsevich重建算法构造因子的复杂计算过程，提高重建算法的速度；同时也避免了FDK类型算法重建精度不高的缺点，为C型臂断层成像提供方法支撑。

本发明的目的由以下技术措施实现：

C型臂半精确滤波反投影断层成像方法包括以下步骤：检测器上的阵元接受X射线源发射的X射线衰减信号；X射线源和检测器绕水平轴线旋转，数据采集系统将阵元获取的X射线衰减信号转换为锥束投影数据；图像重建系统接收锥束投影数据，输入锥束投影数据预处理模块进行预处理；预处理后的投影数据并行输入到偏导数模块Ⅰ、偏导数模块Ⅱ和偏导数模块Ⅲ计算关于不同参数的偏导数；偏导加权模块并行接收相应的偏导数据，进行加权求和，获得投影数据的偏导数g＇(λ,u,v)；投影数据的偏导数并行输入到滤波模块Ⅰ、滤波模块Ⅱ和滤波模块Ⅲ分别计算沿三类滤波线的滤波；滤波加权反投影模块并行接收三类滤波数据，进行权重求和，产生反投影数据，再进行沿圆弧轨迹的反投影操作，获得断层图像。

所述数据采集系统是把检测器阵元接收的X射线模拟信号转换为数字信号，进而转化成锥束投影数据。

所述射源发射X射线，并绕水平轴线旋转，产生圆弧扫描轨迹，包括短扫描和超短扫描轨迹。