CN116636869A - 一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹ct扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法，属于射线断层成像技术领域。本发明基本实现步骤为：S1：射线源射束沿轴向倾角γ的斜线轨迹平移，平板探测器不动，完成一段斜线轨迹锥束扫描；S2：射线源和探测器的组合与被测物进行轴向相对平移间距h，且被测物旋转角度间隔Δθ；S3：继续步骤S1的一段斜线扫描，以此往复完成一圈由多段斜线组合的螺旋扫描；S4：重复步骤S1‑S3，但旋转方向与之前步骤旋转方向相反完成一圈斜线扫描，形成逐次反螺旋轨迹，直至覆盖被测物。相较以往CT系统，本发明不仅能实现横向截断的大物体成像，还能实现轴向截断的长物体成像，分辨率高且易实现。

Description

一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法

技术领域

本发明属于射线断层成像技术领域，尤其涉及一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法。

背景技术

计算断层成像(computed tomography，CT)是实现被测物体内部成像的无损检测技术，被广泛用于医疗、工业检测、安全检查、考古、农业、地球物理等众多领域。在实际的CT检测中，往往需要对大物体进行高分辨率成像，而传统的CT检测要求被测物体严格位于成像视场内，若被测物体尺寸过大，则需要适当地减小几何放大比，但便牺牲了成像分辨率，尤其是被测物体为不可或难以分割成小样本时，例如：化石，宝石，古董等珍贵物体。兼备大成像视场和大几何放大比(即高分辨率)一直是CT成像领域不断追求的关键目标之一。

以往的扩大视场CT成像主要采用偏置探测器的成像几何，然而，一方面，这种方法理论上最大只能扩大到两倍。另一方面，随着视场的扩大，冗余区间的减少，会导致成像质量变差；故实际应用中并不能扩大视场至理论值。

相比传统圆轨迹扫描模式，直线扫描易于控制精度和工程实现。公开号为CN104809750A的专利提出了一种结构简单、低成本、可移动/便携的直线扫描CT系统，系统采用射线源和探测器沿不同的方向平行移动的扫描方式，在低成本CT中具有潜力。为了实现对超出直线扫描CT视场的物体进行能够成像，公开号为CN106447740的专利提出了一种相对平行直线扫描CT感兴趣区域图像重建方法，该方法可对超出直线扫描CT视场的物体进行局部成像，但此方法不能对整个物体进行全域成像。为了增大几何放大比的同时增大横截面的成像视场，公开号为CN111839568A的专利提出了一种新型大视场直线扫描CT系统及图像重建方法。该系统通过固定探测器，通过沿直线轨迹平移X射线源器实现直线扫描，考虑到一段直线轨迹长度有限导致重建的有限角问题，设计了配合工件旋转几个角度实现横向大尺寸物体的完整成像。然而，由于该系统的多段直线扫描轨迹为同一平面内的直线段，无法在锥束CT成像中满足数据完备条件，实现横向视场的扩展，而无法实现轴向长物体的成像。实际上，该系统要实现更高的空间分辨率，即增大几何放大比，则会导致锥角变小。为避免轴向截断伪影，通常的措施是将锥束伪影外的数据截去，这样导致轴向成像的视场变窄。将上述发明沿长物体轴向进行逐块的三维重建和拼接，也能实现长物体的扫描成像；但该方法不仅扫描效率较低，还存在较大的配准误差。为实现螺旋锥束CT的扩大视场，即解决横向截断的扩大视场成像，也同时兼备轴向截断的长物体成像，邹晓兵在《大视场螺旋锥束工业CT的扫描方法与重建算法研究》中提出了横向截断的半覆盖螺旋锥束CT方式，并提出将螺旋锥束投影数据进行单层重排为扇束投影数据，然后采用二维扇束BPF算法进行重建，也进一步提出双螺旋锥束CT扫描方式，使待成像区域的横截面在每个投影视角下都能被射线束完全覆盖。实际上，邹晓兵研究的半覆盖螺旋锥束CT成像和双螺旋锥束CT扫描成像都是针对标准的螺旋轨迹，扩大视场的实质是通过探测器偏置的方式，当探测器偏置增大时重建图像质量恶化。公开号为CN102004111B的专利提出了一种倾斜多锥束直线轨迹CT成像方法，将多个锥束倾斜安装在不同位置，即需要多组射线源和探测器组，被检物体做直线运动穿过所有锥束，探测器采集从不同方向穿过物体的射线，其扫描方式成本高，不能获得轴向长物体的完备投影数据，无法对轴向长的物体进行检测以及精确重建和扩大视野重建。公开号为CN111982939A的专利提出了一种可移动式多段直线光源CT成像系统及方法，其包括可移动的多个扫描段，且每个扫描段包括一个直线分布式光源阵列和一个直线探测器阵列，多个扫描段间配合且互相平行，以实现采集完备数据和扩大视野成像。

发明内容

为了满足对大物体和长物体的全域高分辨率CT成像需求，本发明旨在提供一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹扫描CT系统及图像重建算法，主要特征在于提供一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹扫描系统，使达到兼备扩大横向视场成像和轴向长物体成像的目的，且同时继承以往直线扫描CT系统的结构简单、易于高精度控制等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法，配合机械运动系统，其机械运动形式为：

S1：射线源射束沿轴向倾角γ的斜线轨迹平移，平板探测器不动，完成一段斜线轨迹锥束扫描；

S2：射线源和探测器的组合与被测物进行轴向相对平移间距h，且被测物旋转角度间隔Δθ；

S3：继续步骤S1的一段斜线扫描，以此往复完成一圈由多段斜线组合的螺旋扫描；

S4：重复步骤S1-S3，但旋转方向与之前步骤旋转方向相反完成一圈斜线扫描，形成逐次反螺旋轨迹，直至覆盖被测物。

其一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹扫描CT系统如图1所示，包括：射线源、平板探测器、数据采集系统、计算平台、控制系统、机械运动系统；控制系统包括控制软件和控制硬件，其中控制软件部署在计算平台内，计算平台的控制软件配合通讯接口和协议，能控制射线源的管电压、管电流、曝光时间等参数；配合控制硬件、通讯接口和协议能驱动机械运动系统实现多轴精密运动；配合高速通讯接口和协议对数据采集系统下发控制指令和实现数据上下行，数据采集系统对平板探测器的投影图像进行高速采集，编码和传输；数据采集系统将采集的投影图像按特定格式传输，存储至计算平台硬盘或内存，以备计算平台内部署的图像重建软件进行图像重建；

机械运动系统为本系统的核心，其负责射线源的斜线平移和垂直升降，负责调整射线源斜线平移轨道的轴向倾角γ，负责平板探测器的垂直升降、水平位置以及进退距离的调整，负责旋转台的旋转、垂直升降、水平位置以及进退距离的调整，通过组合机械运动实现连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描。

本系统能采集完备数据的横向扩大成像视场半径R′₁为：

其中，λ_m为射线源射束的斜线平移轨迹的半长，u_m为平板探测器行向的半长，R和dod分别为旋转台中心轴到射线源焦点和平板探测器中心的距离。

射线源射束的斜线平移扫描轨迹为：

其中，λ_i为射线源焦点在斜线轨迹上的坐标，λ_m为一段斜线轨迹的半长，即λ_i∈[-λ_m，λ_m]，1≤i≤N，N表示每段斜线扫描的采样点数；θ_n为第n段射线源斜线平移轨迹与固定坐标系x轴正向的夹角，floor(·)表示向下取整，n＝1，2，...，N_r·T，其中N_r为扫描圈数，T为扫描一圈所需要的斜线轨迹段数，Δθ大小由如下关系确定：Δθ＝2arctan(u_m/dod)，进而T可由如下关系确定：T＝ceil(2π/Δθ)，ceil(·)表示向上取整；z(λ_i，n)为射线源(1)射束在固定坐标系z轴上的坐标，计算式为：

其中，p为螺距，满足p＝2Z_m/N_r，其中Z_m为螺旋扫描轨迹(不包含相邻斜线扫描轨迹交叉的冗余部分)的z轴向半长，需满足2Z_m≥Z_body，Z_body为被测物体的z轴向长度；h_p为螺旋扫描轨迹的z轴向总高度，

斜线轨迹轴向倾角γ的计算式为：

为第n段射线源斜线平移轨迹的旋转矩阵，

射线源的斜线轨迹平移扫描形式为：将射线源装配在直线运动模组上，直线运动模组装配在射线源立柱端面的旋转轴上，射线源在直线运动模组上进行精密平移运动实现斜线轨迹平移扫描，调整直线运动模组在射线源立柱上的转角能调整斜线轨迹的轴向倾角γ。

本发明的有益效果在于：

1本发明提供的反螺旋扫描扩大视场CT系统相对于相对直线扫描CT、平面多段直线扫描CT、标准螺旋扫描CT，不仅可以扩大横向视场进行成像大物体，还可以扩大轴向视场对长物体进行成像；

2本发明提供的反螺旋扫描扩大视场CT系统与半覆盖螺旋扫描和双螺旋扫描等标准螺旋扩大视场CT系统相比，由于具备直线扫描的部分特性，所以具有扫描方式简单，易于高精度控制和实现的优势，能通过调整射线源斜线平移轨迹长度实现可调的扩大横向视场；能调整射线源斜线平移轨迹的轴向倾角、射线源斜线平移轨迹长度、扫描圈数等参数实现可调的轴向成像长度；能便捷控制射线源射束斜线平移的采样点数来增加投影数，以提高成像质量；

3本发明提供的由连续倾斜直线扫描组合的反螺旋轨迹可能为图像引导治疗提供新的思路。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1是本发明的反螺旋轨迹扫描方法的步骤；

图2是本发明的系统架构图；

图3(a)-(b)分别展示了在不同视角下的本发明装备结构图；

图4(a)-(d)分别展示了本发明在第一组几何参数下的1圈6段斜线的螺旋扫描立体图、轴侧图、俯视图和侧视图；

图5(a)-(d)分别展示了本发明在第二组几何参数下的1圈10段斜线的螺旋扫描轴侧图、俯视图和侧视图；

图6展示了本发明在数值试验中采用自定义体模和SIRT迭代重建算法的重建图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法，配合机械运动系统7，其机械运动形式如图1所示为：

S1：射线源射束沿轴向倾角γ的斜线轨迹平移，平板探测器不动，完成一段斜线轨迹锥束扫描；

S2：射线源和探测器的组合与被测物进行轴向相对平移间距h，且被测物旋转角度间隔Δθ；

S3：继续步骤S1的一段斜线扫描，以此往复完成一圈由多段斜线组合的螺旋扫描；

S4：重复步骤S1-S3，但旋转方向与之前步骤旋转方向相反完成一圈斜线扫描，形成逐次反螺旋轨迹，直至覆盖被测物。

一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描系统如图2所示，包括：射线源1、平板探测器3、数据采集系统4、计算平台5、控制系统6、机械运动系统7；

机械运动系统7为本系统的核心，其负责射线源1的斜线平移和垂直升降，负责调整射线源1斜线平移轨道的轴向倾角γ，负责平板探测器3的垂直升降、水平位置以及进退距离的调整，负责旋转台的旋转、垂直升降、水平位置以及进退距离的调整，通过组合机械运动实现一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹扫描。

控制系统6包括控制软件和控制硬件，其中控制软件部署在计算平台5内，计算平台5的控制软件配合通讯接口和协议，能控制射线源1的管电压、管电流、曝光时间等参数；配合控制硬件、通讯接口和协议能驱动机械运动系统7实现多轴精密运动；配合高速通讯接口和协议对数据采集系统4下发控制指令和实现数据上下行，数据采集系统4对平板探测器3的投影图像进行高速采集，编码和传输；数据采集系统4将采集的投影图像按特定格式传输，存储至计算平台5硬盘或内存，以备计算平台5内部署的图像重建软件进行图像重建；

本系统能采集完备数据的横向扩大成像视场半径R′₁为：

其中，λ_m为射线源1射束的斜线平移轨迹的半长，u_m为平板探测器3行向的半长，R和dod分别为旋转台中心轴到射线源1焦点和平板探测器3中心的距离。

射线源1射束的斜线平移扫描轨迹为：

其中，λ_i为射线源(1)焦点在斜线轨迹上的坐标，λ_m为一段斜线轨迹的半长，即λ_i∈[-λ_m，λ_m]，1≤i≤N，N表示每段斜线扫描的采样点数；θ_n为第n段射线源斜线平移轨迹与固定坐标系x轴正向的夹角，floor(·)表示向下取整，n＝1，2，...，N_r·T，其中N_r为扫描圈数，T为扫描一圈所需要的斜线轨迹段数，Δθ大小由如下关系确定：Δθ＝2arctan(u_m/dod)，进而T可由如下关系确定：T＝ceil(2π/Δθ)，ceil(·)表示向上取整；z(λ_i，n)为射线源(1)射束在固定坐标系z轴上的坐标，计算式为：

其中，p为螺距，满足p＝2Z_m/N_r，其中Z_m为螺旋扫描轨迹(不包含相邻斜线扫描轨迹交叉的冗余部分)的z轴向半长，需满足2Z_m≥Z_body，Z_body为被测物体的z轴向长度；h_p为螺旋扫描轨迹的z轴向总高度，

斜线轨迹轴向倾角γ的计算式为：

为第n段射线源斜线平移轨迹的旋转矩阵，

如图3所示，射线源1的斜线轨迹平移扫描实现形式为：将射线源1装配在直线运动模组上，直线运动模组装配在射线源立柱端面的旋转轴上，射线源1在直线运动模组上进行精密平移运动实现斜线轨迹平移扫描，调整直线运动模组在射线源立柱上的转角能调整斜线轨迹的轴向倾角γ。

仿真本发明的一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹扫描CT，其仿真扫描参数如表1所示，所得的1圈6段斜线组合的螺旋扫描轨迹的轴侧图、俯视图和侧视图分别如图4(a)-(d)所示。

表1.仿真扫描参数

依据表1中的扫描参数，仅改变扫描圈数N_r＝3，最后所得的3圈且每圈6段斜线组合的螺旋扫描轨迹如图5(a)-(d)所示。

针对本发明的一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹扫描CT系统，采用SIRT迭代图像重建算法进行图像重建。为了验证本发明的实施例，依据表1的仿真扫描参数，自定义径向半径为R′₁且轴向高度为18mm的棒状体模作为被测物体，经一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹扫描并获得锥束投影数据，采用SIRT迭代图像重建算法进行重建的结果如图6所示。

本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的；本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的；本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法，其特征在于：所述连续倾斜直线扫描的轨迹为一种反螺旋轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法，其特征在于，所述反螺旋扫描方法具体为：

S1：射线源射束沿轴向倾角γ的斜线轨迹平移，平板探测器不动，完成一段斜线轨迹锥束扫描；

S2：射线源和探测器的组合与被测物进行轴向相对平移间距h，且被测物旋转角度间隔Δθ；

S3：继续步骤S1的一段斜线扫描，以此往复完成一圈由多段斜线组合的螺旋扫描；

S4：重复步骤S1-S3，但旋转方向与之前步骤旋转方向相反完成一圈斜线扫描，形成逐次反螺旋轨迹，直至覆盖被测物。

3.根据权利要求1所述的一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法，其特征在于，所述射线源(1)射束的斜线平移扫描轨迹为：

其中，λ_i为射线源(1)焦点在斜线轨迹上的坐标，λ_m为一段斜线轨迹的半长，即λ_i∈[-λ_m,λ_m]，1≤i≤N，N表示每段斜线扫描的采样点数；θ_n为第n段射线源斜线平移轨迹与固定坐标系x轴正向的夹角，floor(·)表示向下取整，n＝1,2,...,N_r·T，其中N_r为扫描圈数，T为扫描一圈所需要的斜线轨迹段数，Δθ大小由如下关系确定：Δθ＝2arctan(u_m/dod)，进而T可由如下关系确定：T＝ceil(2π/Δθ)，ceil(·)表示向上取整；z(λ_i,n)为射线源(1)射束在固定坐标系z轴上的坐标，计算式为：

其中，p为螺距，满足p＝2Z_m/N_r，其中Z_m为螺旋扫描轨迹(不包含相邻斜线扫描轨迹交叉的冗余部分)的z轴向半长，需满足2Z_m≥Z_body，Z_body为被测物体的z轴向长度；h_p为螺旋扫描轨迹的z轴向总高度，

斜线轨迹轴向倾角γ的计算式为：

为第n段射线源斜线平移轨迹的旋转矩阵，

4.根据权利要求1所述的一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法，其特征在于，所述射线源(1)的斜线轨迹平移扫描的实现形式为：将所述射线源(1)装配在直线运动模组上，所述直线运动模组装配在射线源立柱端面的旋转轴上，射线源(1)在直线运动模组上进行精密平移运动实现斜线轨迹平移扫描，调整直线运动模组在射线源立柱上的转角能调整斜线轨迹的轴向倾角。

5.一种用于权利要求1至4任一项所述一种连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法的装置。

6.根据权利要求5所述的连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描方法的装置，包括射线源(1)、平板探测器(3)、数据采集系统(4)、计算平台(5)、控制系统(6)和机械运动系统(7)，所述多连续倾斜直线扫描的反螺旋轨迹CT扫描由机械运动系统(7)完成。