CN120000239A - 一种基于ct扫描架提高数据采样触发信号精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法，包括：静态控制板控制器对于从滑环的编码器模块传过来A,B正交脉冲信息处理后转为数据采集系统采样触发信号；静态控制板控制器对于前n个采样触发信号利用期望阀值处理，生成改进后的前n个采样触发信号；静态控制板控制器利用改进后卡尔曼滤波依次生成改进后的第n个后的采样触发信号；静态控制板控制器把这些信号经过滑环命令环传给旋转控制板,再由旋转控制板传给数据采集系统作为触发信号进行采样。采用改进后的卡尔曼滤波提高数据采样触发信号的精度，比平均值滤波的实时性更高，加入去除异常极端测量值，能平滑数据并消除异常极端值导致的不必要的波动。

Description

一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法

技术领域

本发明涉及放射诊断的技术领域，具体涉及一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法。

技术背景

CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)是一种医学影像技术，它通过精确的X射线束和高灵敏度探测器对人体进行逐层扫描。通过计算机处理扫描得到的数据生成身体内部横断面、冠状面或矢状面的高分辨率图像。CT图像以不同的灰度反映器官和组织对X线的吸收程度，具有高密度分辨力，能够清晰地显示软组织和骨骼结构。CT广泛应用于临床诊断、治疗规划和疾病监测，尤其在肿瘤、血管病变、创伤和感染的诊断上显示出极高的价值。

CT机由控制台，扫描架，扫描床和电源柜等组成。CT机的扫描架由静止部分和旋转体部分组成。静止部分包括静止机架，显示屏，控制操作面板，静态控制电路板及滑环静止部分等组成；旋转体部分由旋转控制板，滑环旋转部分，高压发生器，X射线球管，准直器，数据采集系统(简称DAS)等组成。滑环由数据接收模块1、滑环盘面2、碳刷模块3，数据发送模块4、编码器模块5、滑环盘面上的编码带6组成，如图2、图3、图4所示。

扫描开始时，旋转体上的X射线球管以ISO孔径中心360度旋转，球管发出X射线也以360度方式向检测部位发射。X射线穿过检测物体到达数据采集系统。滑环上的编码器模块采集编码带的信息，生成A,B相正交差分脉冲和每圈一个的Z相差分脉冲，并把A，B，Z相脉冲发送给静态控制板，静态控制板经过处理转化为数据采集系统的采样触发信号，构成了数据采集系统的采样频率，它记载了旋转的角度信息和速度信息。数据采集系统在旋转体转一圈期间的采样频率决定了CT的时间分辨率。时间分辨率和空间分辨率是CT机系统的重要参数之一。在多层螺旋CT中，它与扫描覆盖范围和重建方式，与每帧图像的采样时间，重建时间，以及连续成像的能力有关，时间分辨率决定了心脏及周围大血管成像质量的最重要参数。时间分辨率的基频由旋转体上的滑环编码带产生或者由静态部分的旋转电机上的编码器产生。多数厂家大都采用旋转体上的编码器，因为它直接决定360度上采样的角度，由于机械加工的精度和难度，基频的频率，一般在1K左右，然后经过控制器倍频到2K、4K、6K等。

CN201310732682专利只是公开了滑环编码器及其编码方法，利用冗余传感器提高编码的稳定性，计算机断层扫描系统(CT)在扫描过程中，由于滑环上的编码带上的机械误差和编码器模块采集的微小误差，最终会造成数据采集系统采样触发信号的精度变差，从而造成心脏及周围大血管成像图像质量下降，因此提高数据采集系统采样触发信号的精度也是很有必要的。

发明内容

本发明目的是提出了一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法，从而提高心脏及周围大血管成像的质量。

本发明是由以下技术方案是实现的：一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法，包括以下步骤：

静态控制板控制器采集滑环上的编码器模块的A、B正交脉冲和Z脉冲；并将A、B正交脉冲处理后转为数据采样触发信号；

对于前n个采样触发信号，利用期望阈值处理生成改进后的前n个采样触发信号；

通过改进后卡尔曼滤波输出采样触发信号：计算改进后的前n个采样触发信号输出平均值作为初始估计值；利用改进后的第n+i个触发信号测量值作为改进后卡尔曼的测量值，进行第i次改进后卡尔曼滤波，得到的滤波估计值作为第n+i个改进后的采样触发信号输出。

所述对于前n个采样触发信号，利用期望阈值处理生成改进后的前n个采样触发信号，包括以下步骤：

读取n个采样触发信号值，将每个测量值和期望值进行比较；

如果这n个测量值在期望值的阀值内，则将n个采样触发信号值作为改进后的采样触发信号输出；

如果这n个测量值中的某个值大于期望值的阀值，则将期望值加上期望值的阀值作为改进后的采样触发信号输出；

如果这n个测量值的某个值小于期望值的阀值，就以期望值减去期望值的阀值作为改进后的采样触发信号输出。

所述期望值的阀值为期望值的a％；a≦10。

所述某个值大于期望值的阀值，用于表示编码带机械孔堵孔；所述某个值小于期望值的阀值，用于表示编码带机械孔筛孔。

所述通过改进卡尔曼滤波输出采样触发信号，包括以下步骤：

1)计算改进后的前n个采样触发信号Z(n)的平均值作为初始估计值

X_i-1＝(Z₁+Z₂+…+Z_n)/n；i＝1,2,…

2)判断第n+i个采样触发信号测量值是否在期望值D的a％以内；如果在期望值D的a％以内，第n+i个采样触发信号测量值作为改进后卡尔曼的测量值Z_n+i；如果大于期望值D的a％，那么Z_n+i＝D*(1+a％)；如果小于期望值D的a％,那么Z_n+i＝D*(1-a％)；

3)根据改进后卡尔曼增益K_i和上一个估计值X_i-1，计算下一个估计值X_i＝X_i-1+K_i*(Z_n+i-X_i-1)；X_i作为第n+i个改进后的数据采样触发信号，T_n+i＝X_i；

根据改进后卡尔曼增益K_i和估计误差e_est(i-1)计算下一个估计误差e_esti；

e_esti＝(1-K_i)*e_est(i-1)

根据测量误差e_mea和估计误差e_esti求出下一个改进后卡尔曼增益K_i+1；

K_i+1＝e_esti/(e_esti+e_mea)

4)通过步骤2)-步骤3)，将生成的估计值X_i+1作为数据采样触发信号的输出，T_n+i+1＝X_i+1。

所述采样触发信号，经过滑环命令环传给旋转控制板,再由旋转控制板传给数据采集系统进行采样。

一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的系统，应用于静态控制板控制器；包括：

采样触发信号生成模块，用于采集滑环上的编码器模块的A、B正交脉冲和Z脉冲；并将A、B正交脉冲处理后转为数据采样触发信号；对于前n个采样触发信号，利用期望阈值处理生成改进后的前n个采样触发信号；

采样触发信号优化模块，用于通过改进后卡尔曼滤波输出采样触发信号：计算改进后的前n个采样触发信号输出平均值作为初始估计值；利用改进后的第n+i个触发信号测量值作为改进后卡尔曼的测量值，进行第i次改进后卡尔曼滤波，得到的滤波估计值作为第n+i个改进后的采样触发信号输出。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果及优点：

采用改进后的卡尔曼滤波提高数据采样触发信号的精度，比平均值滤波的实时性更高，加入去除异常极端测量值比标准卡尔曼滤波，能进一步平滑数据，消除异常极端值导致的不必要的波动。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为滑环的正面组成图；

图3为滑环的背面组成图；

图4为滑环的编码带局部放大图；

其中，1数据接收模块，2滑环盘面，3碳刷模块，4数据发送模块，5编码器模块，6滑环盘面上的编码带；

图5为没有加入改进后的卡尔曼滤波前的数据采样触发信号，1S曝光时间，2320个view积分时间图；

图6为加入改进后的卡尔曼滤波后的数据采样触发信号,1S曝光时间，2320个view积分时间图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法，包括：静态控制板控制器对于从滑环的编码器模块传过来A,B正交脉冲信息处理后转为数据采集系统采样触发信号；静态控制板控制器对于前n个采样触发信号利用期望阀值处理，生成改进后的前n个采样触发信号；静态控制板控制器利用改进后卡尔曼滤波依次生成改进后的第n个后的采样触发信号采样触发信号；静态控制板控制器把这些信号经过滑环命令环传给旋转控制板,再由旋转控制板传给数据采集系统作为触发信号进行采样，提高心脏及周围大血管成像的质量

本发明的实现步骤包括：

1、静态控制板上的控制器采集从滑环的编码器模块传过来的A,B，Z脉冲信息。静态控制板上的控制器把A,B脉冲信息经过处理转为数据采样触发信号

2、静态控制板上的控制器读取n个测量数据采样触发信号值，这n个测量的采样触发信号每个值和期望值作比较，如果这n个测量值在期望值的阀值以内.就把这些信号作为改进后的采样触发信号输出；如果这n个测量值中的某个值大于期望值的阀值，就以期望值加上期望值的阀值作为改进后的采样触发信号输出；如果这n个测量值的某个值小于期望值的阀值，就以期望值减去期望值的阀值作为改进后的采样触发信号输出。

3、计算出改进后的前n个采样触发信号输出平均值作为初始估计值；利用改进后的第n+1触发信号测量值作为改进后卡尔曼的测量值，进行第1次改进后卡尔曼滤波，估计值作为第n+1改进后的采样触发信号输出，然后利用改进后卡尔曼滤波特性迭代下去，依次得到采样触发信号输出。

4、经过滑环命令环传给旋转控制板,再由旋转控制板传给数据采集系统进行采样。

在整个旋转过程中大于期望值阀值的测量值代表的是编码带机械小孔堵孔，小于期望值阀值的测量值代表的是编码带机械小孔筛孔。这样做的目的是消除某个堵孔或筛孔的比较大的异常极端测量值对改进后卡尔曼滤波的影响。

实施例：

1、静态控制板采集从滑环上传过来编码器模块传过来的A,B正交脉冲和Z脉冲。静态控制板把A,B正交脉冲处理后转为数据采样触发信号。

2、静态控制板读取n个数据采样触发信号放到数组Z(n),本实例中，滑环的编码带上的小孔是方孔，方孔更有利于编码器模块采样，但方孔的加工难度更高，滑环的编码带一圈有2320个机械小孔，当CT扫描架开始扫描时旋转电机开始带动滑环旋转，编码器采集编码带上机械小孔的上升沿和下降沿，生成正交的A,B正交脉冲，发给静态控制板，在经过静态控制板处理后转为数据采样触发信号输入。

本实例n取4，采样触发信号的期望D的阀值定为3％。如果这4个测量值在期望值D的3％以内，前4个数据采样触发信号采用测量的实际测量的信号，T₁＝Z₁,T₂＝Z₂,T₃＝Z₃,T₄＝Z₄；如果这4个测量值某个值大于期望值D的3％。那个值改为期望值D加上期望值的3％；如果这4个测量值某个值小于期望值D的3％。那个值改为期望值D减去期望值的3％；把这4个信号作为改进后的采样触发信号输出。

3、静态控制板控制器利用改进后卡尔曼滤波依次生成改进后的第n个后的采样触发信号采样触发信号。

1)计算出Z(n)的平均值作为初始估计值X₀＝(Z₁+Z₂+Z₃+Z₄)/4。

2)根据测量误差e_mea和估计语差e_est0求出当前改进后卡尔曼增益K₁。测量误差e_mea在本实例中取0.1us,估计误差e_est0取3us,其中，测量误差e_mea为固定值；

K₁＝e_est0/(e_est0+e_mea)＝3/(3+0.1)＝0.968

3)根据改进后卡尔曼增益K₁和初始估计值X₀，取下一个数据采样触发信号测量值，判断这个测量值是否在期望值的3％以内，如果在这个范围内，这个测量值就作为改进后卡尔曼的测量值Z_n+1；如果大于期望值D的3％,那么Z_n+1＝D*(1+3％)；如果小于期望值D的3％,那么Z_n+1＝D*(1-3％)；利用公式计算估计值X₁；

X₁＝X₀+K₁*(Z_n+1-X₀)

X₁代表第n+1个改进后的数据采样触发信号，T_n+1＝X₁；

4)根据改进后卡尔曼增益K₁和估计语差e_est0计算下一个估计误差生成e_est1；

e_est1＝(1-K1)*e_est0＝(1-0.968)*3＝0.096

根据测量误差e_mea和估计语差e_est1求出下一个改进后卡尔曼增益K₂。

K₂＝e_est1/(e_est1+e_mea)＝0.096/(0.096+0.1)＝0.490

5)根据改进后卡尔曼增益K₂和初始估计值X₁，取下一个数据采样触发信号测量值，判断这个测量值是否在期望值的3％以内，如果在这个范围内，这个测量值就作为改进后卡尔曼的测量值Z_n+1；如果大于期望值D的3％,那么Z_n+2＝D*(1+3％)；如果小于期望值D的3％,那么Z_n+2＝D*(1-3％)；利用公式计算估计值X₂。

X₂＝X₁+K₂*(Z_n+2-X₁)

X₂代表第n+1个改进后的数据采样触发信号，T_n+2＝X₂；

6)重复4)～5)一直不停的迭代下去,依次生成估计值X₃,X₄,X₅……X_m；

把X₃,X₄,X₅……X_m依次作为数据统采样触发信号的输出，T_n+3＝X₃,T_n+4＝X_4,T_n+5＝X₅……T_n+m＝X_m。

4、经过滑环命令环传给旋转控制板,再由旋转控制板传给数据采集系统进行采样。

进一步的，当计算机断层扫描(本实例为1S的转速)时，旋转电机开始旋转，静态控制板就会收到滑环的编码器传过来的数据采样触发信号，静态控制板的前4个数据采集系统采样触发信号用经过期望值的阀值判断后的测量值输出，第5个及第5个以后的数据采样触发信号把经过改进后的卡尔曼滤波后的估计值作为数据采样触发信号输出。当扫描架的旋转部分到达1S时，开始放线曝光，此时的数据采样触发信号经过改进后的卡尔曼滤波的多次迭代后采样精度已经变得的非常高，达到预期的目的。

进一步的，当CT扫描架在1S转速，2320VIEW，曝光1S时,在系统上测试。图5为传统意义上的滑环未经过改进后的卡尔曼滤波数据采样时间的差值＝0.450-0.420＝0.030ms。

图6为传统意义上的滑环经过改进后的卡尔曼滤波数据采样时间的差值＝0.4329-0.4304＝0.0025ms。

如图5、图6所示，横坐标表示采样点，纵坐标表示采样时间。经过图5、图6对比，可以看到经过改进后的卡尔曼滤波处理后比未经过改进后的卡尔曼滤波数据采样触发信号的精度提高了12倍。

Claims (7)

1.一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法，其特征在于,包括以下步骤：

静态控制板控制器采集滑环上的编码器模块的A、B正交脉冲和Z脉冲；并将A、B正交脉冲处理后转为数据采样触发信号；

对于前n个采样触发信号，利用期望阈值处理生成改进后的前n个采样触发信号；

通过改进后卡尔曼滤波输出采样触发信号：计算改进后的前n个采样触发信号输出平均值作为初始估计值；利用改进后的第n+i个触发信号测量值作为改进后卡尔曼的测量值，进行第i次改进后卡尔曼滤波，得到的滤波估计值作为第n+i个改进后的采样触发信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法，其特征在于,所述对于前n个采样触发信号，利用期望阈值处理生成改进后的前n个采样触发信号，包括以下步骤：

读取n个采样触发信号值，将每个测量值和期望值进行比较；

如果这n个测量值在期望值的阀值内，则将n个采样触发信号值作为改进后的采样触发信号输出；

如果这n个测量值中的某个值大于期望值的阀值，则将期望值加上期望值的阀值作为改进后的采样触发信号输出；

如果这n个测量值的某个值小于期望值的阀值，就以期望值减去期望值的阀值作为改进后的采样触发信号输出。

3.根据权利要求1所述的一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法，其特征在于，所述期望值的阀值为期望值的a％；a≦10。

4.根据权利要求1所述的一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法，其特征在于，所述某个值大于期望值的阀值，用于表示编码带机械孔堵孔；所述某个值小于期望值的阀值，用于表示编码带机械孔筛孔。

5.根据权利要求1所述的一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法，其特征在于，所述通过改进卡尔曼滤波输出采样触发信号，包括以下步骤：

1)计算改进后的前n个采样触发信号Z(n)的平均值作为初始估计值

X_i-1＝(Z₁+Z₂+…+Z_n)/n；i＝1,2,…

2)判断第n+i个采样触发信号测量值是否在期望值D的a％以内；如果在期望值D的a％以内，第n+i个采样触发信号测量值作为改进后卡尔曼的测量值Z_n+i；如果大于期望值D的a％，那么Z_n+i＝D*(1+a％)；如果小于期望值D的a％,那么Z_n+i＝D*(1-a％)；

3)根据改进后卡尔曼增益K_i和上一个估计值X_i-1，计算下一个估计值X_i＝X_i-1+K_i*(Z_n+i-X_i-1)；X_i作为第n+i个改进后的数据采样触发信号，T_n+i＝X_i；

根据改进后卡尔曼增益K_i和估计误差e_est(i-1)计算下一个估计误差e_esti；

e_esti＝(1-K_i)*e_est(i-1)

根据测量误差e_mea和估计误差e_esti求出下一个改进后卡尔曼增益K_i+1；

K_i+1＝e_esti/(e_esti+e_mea)

4)通过步骤2)-步骤3)，将生成的估计值X_i+1作为数据采样触发信号的输出，T_n+i+1＝X_i+1。

6.根据权利要求1所述的一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的方法，其特征在于，所述采样触发信号，经过滑环命令环传给旋转控制板,再由旋转控制板传给数据采集系统进行采样。

7.一种基于CT扫描架提高数据采样触发信号精度的系统，其特征在于,应用于静态控制板控制器；包括：

采样触发信号生成模块，用于采集滑环上的编码器模块的A、B正交脉冲和Z脉冲；并将A、B正交脉冲处理后转为数据采样触发信号；对于前n个采样触发信号，利用期望阈值处理生成改进后的前n个采样触发信号；

采样触发信号优化模块，用于通过改进后卡尔曼滤波输出采样触发信号：计算改进后的前n个采样触发信号输出平均值作为初始估计值；利用改进后的第n+i个触发信号测量值作为改进后卡尔曼的测量值，进行第i次改进后卡尔曼滤波，得到的滤波估计值作为第n+i个改进后的采样触发信号输出。