CT圖像的重建方法和裝置與流程

本發明主要涉及計算機斷層掃描(Computed Tomography,CT)設備，尤其涉及一種CT圖像的重建方法和裝置。

背景技術：

計算機斷層掃描(Computed Tomography,CT)技術是一種基于不同物質對于射線具有不同的衰減性質，用放射性從各方向照射被測物體，測量穿過物體的射線強度，并通過一定的重建算法計算出物體內部各點物質對于射線的線性衰減系數，從而得到被測物體的斷層圖像的放射診斷技術。

CT掃描的過程中，患者身體或器官的運動(例如心跳、呼吸等)會對掃描圖像質量造成影響，造成運動偽影。以心臟CT掃描來說，為了消除心臟運動對圖像的影響，減少重建的圖像中的運動偽影，會使用門控曲線對于掃描數據進行加權后再進行圖像重建，以得到比較清晰的心臟圖像。具體來說，在掃描心臟的同時監控心電(ECG)信號，并通過一條與心電信號相關的門控曲線(為加權函數曲線)對掃描數據進行加權。在加權時，對心臟運動幅度較小時采集的掃描數據采用較大的權重參與圖像重建，而對心臟運動幅度較大時采集的掃描數據采用較小的權重參與圖像重建。

盡管如此，如果僅僅根據心電信號得到單個相位的重建圖像，仍然無法確保這一重建圖像是最好的。因此使用CT設備掃描心臟或者其它部位后，醫生期望能夠得到多個相位(phase)的重建圖像，從而能夠從中選擇圖像效果最好的那個相位的重建圖像。為此，期望重建的相位足夠多，以便能夠選擇最佳相位的圖像。

目前的CT設備的重建方法，每次重建僅能針對單個相位進行重建。因此，為了重建足夠多相位的圖像，勢必需要耗費很長的時間。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供CT圖像的重建方法和裝置，可以更快地進行多個相位的圖像重建。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種CT圖像的重建方法，包括以下步驟：將多個相位所對應的圖像集合一并進行反投影前的預處理過程；針對每個相位所對應的圖像子集，分別進行反投影，其中每個相位所對應的圖像子集是該圖像集合的一部分，且至少兩個相位所對應的圖像子集之間存在交集。

根據本發明的一實施例，進行所述反投影時，每個相位所對應的圖像子集中的各個圖像按照其在對應相位中的權重進行反投影。

根據本發明的一實施例，進行所述反投影時，每個相位所對應的圖像子集中的各個圖像中，每個像素值的計算由單獨的線程執行。

根據本發明的一實施例，每個相位只預先重建數量的斷層圖像。

根據本發明的一實施例，上述方法還包括根據選定的相位，重建該選定相位的所有斷層圖像。

根據本發明的一實施例，該相位的數量為2-20。

根據本發明的一實施例，上述CT圖像為在多個相位上掃描的心臟斷層圖像

本發明還提供一種CT圖像的重建裝置，包括存儲器和處理器，該存儲器儲存有重建程序，該處理器執行該重建程序以實施下述步驟：將多個相位所對應的圖像集合一并進行反投影前的預處理過程；針對每個相位所對應的圖像子集，分別進行反投影，其中每個相位所對應的圖像子集是該圖像集合的一部分，且至少兩個相位所對應的圖像子集之間存在交集。

本發明還提出一種CT圖像的重建裝置，包括：用于將多個相位所對應的圖像集合一并進行反投影前的預處理過程的模塊；用于針對每個相位所對應的圖像子集，分別進行反投影的模塊，其中每個相位所對應的圖像子集是該圖像集合的一部分，且至少兩個相位所對應的圖像子集之間存在交集。

本發明還提出一種醫學成像系統，包含如上所述的CT圖像的重建裝置。

與現有技術相比，本發明的上述技術方案通過把存在很大重疊區間的多個相位的掃描圖像進行合并處理，使得計算量大大下降，從而提升了重建的速度。

附圖說明

圖1是根據本發明的一些實施例所示的圖像處理系統的示意圖。

圖2是根據本發明的一些實施例所示的CT成像系統的示意圖。

圖3是根據本發明的一些實施例所示的圖像處理系統的計算機設備配置的架構示意圖。

圖4是CT圖像的重建流程。

圖5是根據本發明一實施例的CT圖像的重建方法流程圖。

圖6是根據本發明一實施例的CT圖像的4相位重建示意圖。

圖7是心電信號和與其對應的加權函數曲線的示意圖。

圖8是根據本發明一實施例的心臟CT圖像的單個相位的重建圖像選取示意圖。

具體實施方式

為讓本發明的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，以下結合附圖對本發明的具體實施方式作詳細說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是本發明還可以采用其它不同于在此描述的其它方式來實施，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。

圖1是根據本發明的一些實施例所示的圖像處理系統的示意圖。該圖像處理系統100可以包括一個成像系統110、一個圖像處理系統120、和一個網絡130。在一些實施例中，成像系統110可以是單模態成像設備，或多模態成像系統。在一些實施例中，圖像處理系統120可以是對獲取的圖像數據進行處理以得到圖像和/或相關信息。

成像系統110可以是單個成像系統，或是多個不同成像系統的組合。成像系統可以通過掃描一個目標進行成像，在一些實施例中，成像系統可以是一個醫學成像系統。醫學成像系統可以采集人體各部位的圖像信息。醫學成像系統可以是X射線的C型臂系統、組合式醫學成像系統等。成像系統110可以包括一個或多個掃描儀。掃描儀可以是計算機斷層掃描掃描儀(CT Scanner)。

圖像處理系統120可以處理獲取的數據信息。在一些實施例中，數據信息可以包括文本信息，圖像信息，聲音信息等一種或幾種的組合。在一些實施例中，圖像處理系統120可以包括一個處理器，一個處理核，一個或多個存儲器等中的一種或幾種的組合。例如，圖像處理系統120可以包括中央處理器(Central Processing Unit，CPU)，專用集成電路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)，專用指令處理器(Application-Specific Instruction-Set Processor，ASIP)，圖形處理器(Graphics Processing Unit，GPU)，物理運算處理器(Physics Processing Unit，PPU)，數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，現場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，可編程邏輯器(Programmable Logic Device，PLD)，控制器(Controller)，微控制器單元(Microcontroller unit)，處理器(Processor)，微處理器(Microprocessor)，ARM處理器(Advanced RISC Machines)等一種或幾種的組合。在一些實施例中，圖像處理系統120可以處理從成像系統110獲取的圖像信息。

網絡130可以是單個網絡，或多個不同網絡的組合。例如，網絡130可能是一個局域網(local area network(LAN))、廣域網(wide area network(WAN))、公用網絡、私人網絡、專有網絡、公共交換電話網(public switched telephone network(PSTN))、互聯網、無線網絡、虛擬網絡、城域網絡、電話網絡等中的一種或幾種的組合。網絡130可以包括多個網絡接入點，例如，有線接入點、無線接入點、基站、互聯網交換點等在內的有線或無線接入點。通過這些接入點，數據源可以接入網絡130并通過網絡130發送數據信息。在一些實施例中，網絡130可以用于圖像處理系統120的通信，接收圖像處理系統120內部或外部的信息，向圖像處理系統120內部其他部分或外部發送信息。

需要注意的是，上述圖像處理系統120可以實際存在于成像系統110中，或通過云計算平臺完成相應功能。所述云計算平臺可以包括存儲數據為主的存儲型云平臺、以處理數據為主的計算型云平臺以及兼顧數據存儲和處理的綜合云計算平臺。成像系統110所使用的云平臺可以是公共云、私有云、社區云或混合云等。例如，根據實際需要，成像系統110輸出的一些圖像信息和/或數據信息，可以通過用戶云平臺進行計算和/或存儲。另一些圖像信息和/或數據信息，可以通過本地圖像處理系統120進行計算和/或存儲。

圖2是根據本發明的一些實施例所示的CT成像系統200的示意圖。成像系統200可以是成像系統110的一個具體實施例。該成像系統200可以包括一個機架210和一個檢查床250。

在一些實施例中，機架210可以包括具有圍繞成像系統200軸線旋轉的可旋轉部分220。可旋轉部分220的空間結構可以是圓柱體、橢圓體、長方體等一種或幾種的組合。在一些實施例中，可旋轉部分220可以包括X射線源230、X射線探測器240和掃描腔體270。可旋轉部分220可以以成像系統200的軸線260為軸進行旋轉。X射線源230和X射線探測器240可以隨可旋轉部分220一起以軸線260為軸進行旋轉。

在進行檢查時，一個對象(例如，患者、模體等)可以被放置在檢查床250上。檢查床250可以沿著Z軸方向被推入到掃描腔體270中。繞軸線260進行旋轉時，X射線源230和X射線探測器240可以采集患者的掃描數據。掃描數據可以被用于重建，例如，待校正圖像、待校正圖像的參照圖像等。

在一些實施例中，成像系統200可以進行螺旋掃描。在螺旋掃描中，被掃描對象可以沿軸260前后移動，同時X射線源可以繞軸260進行旋轉。X射線源可以相對于對象產生螺旋軌跡。

圖3是根據本發明的一些實施例所示的圖像處理系統120的計算機設備配置的架構示意圖。計算機300能夠被用于實現實施本申請中披露的特定系統。本實施例中的特定系統利用功能框圖解釋了一個包含用戶界面的硬件平臺。計算機300可以實施當前圖像處理系統120的一個或多個組件、模塊、單元、子單元。另外，圖像處理系統120能夠被計算機300通過其硬件設備、軟件程序、固件以及它們的組合所實現。這種計算機可以是一個通用目的的計算機，或一個有特定目的的計算機。兩種計算機都可以被用于實現本實施例中的特定系統。為了方便起見，圖3中只繪制了一臺計算機，但是本實施例所描述的提供圖像處理所需信息的相關計算機功能是可以以分布的方式、由一組相似的平臺所實施的，分散系統的處理負荷。

如圖3所示，計算機300可包括內部通信總線310，處理器(processor)320，只讀存儲器(ROM)330，隨機存取存儲器(RAM)340，通信端口350，輸入/輸出組件360，硬盤370，和用戶界面380。內部通信總線310可實現計算機300組件間的數據通信。處理器320可以執行程序指令完成在此申請中所描述的圖像處理系統120的任何功能、組件、模塊、單元、子單元。處理器320可以由一個或多個處理器組成。通信端口350可以實現計算機300與系統100其他部件(比如成像系統110)之間數據通信(比如通過網絡130)。計算機300還可以包括不同形式的程序儲存單元以及數據儲存單元，例如硬盤370，只讀存儲器(ROM)330，隨機存取存儲器(RAM)340，存儲計算機處理和/或通信使用的各種數據文件，以及處理器320所執行的可能的程序指令。輸入/輸出組件360支持計算機300與系統100其他組件(如成像系統110)之間的輸入/輸出數據流。計算機300也可以通過通信端口350從網絡130發送和接受信息及數據。

本領域技術人員能夠理解，本申請所披露的內容可以出現多種變型和改進。例如，以上所描述的不同系統組件都是通過硬件設備所實現的，但是也可能只通過軟件的解決方案得以實現。例如：在現有的服務器上安裝系統。此外，這里所披露的位置信息的提供可能是通過一個固件、固件/軟件的組合、固件/硬件的組合或硬件/固件/軟件的組合得以實現。

本發明的實施例描述的CT圖像的重建方法和裝置，可以在圖1-3所示的環境中實施。例如，重建方法和裝置在圖像處理系統120中實施。重建方法和裝置能夠通過一次重建得到多個相位的圖像，達到快速建像的目的。在此，CT圖像可以是心臟CT圖像、肺部CT圖像或者腹部CT圖像等等。

圖4是心臟CT圖像的重建流程。參考圖4所示，一次重建往往包含有二三十個算法步驟，每一個步驟對數據都要進行一次處理。將整個重建過程按種類劃分為：前處理部分410、建像部分420和后處理部分430。前處理部分包括AIR、SliceNormal、ClossTalk、……HU等，建像部分420包括AziRbin、RadialRebin、濾波(Filter)、……、反投影(Back Projection,BP)等，后處理部分130包括RingOff、TV、……、Saver等。

按已知的重建方式，對每個相位的圖像都會單獨進行如圖5所示的重建流程，這需要耗費大量的時間。然而經過分析發現，各個相位所包含的圖像之間有大量的重疊數據，這些數據在前處理部分算法和重建部分算法都進行了多次處理浪費了計算量。

圖5是根據本發明一實施例的CT圖像的重建方法流程圖。參考圖5所示，本實施例的方法包括以下步驟：

在步驟501，將多個相位所對應的圖像集合一并進行反投影前的預處理過程；

在步驟502，針對每個相位所對應的圖像子集，分別進行反投影，其中每個相位所對應的圖像子集是該圖像集合的一部分，且至少兩個相位所對應的圖像子集之間存在交集。

這一重建方法可以實施為計算機程序，儲存在圖3所示的ROM 330或者硬盤370中，處理器320載入并執行此重建程序以執行步驟501-503。

在步驟501中，預處理過程包括反投影前的必要步驟和可選步驟。以圖4為例，前處理部分410、建像部分420部分中反投影之前的步驟，可以根據需要部分或全部包含在預處理過程中。

在步驟502中，多個相位所對應的圖像集合會按照相位被分成多個圖像子集，每個圖像子集對應一個相位。可以理解，不同相位的圖像子集之間存在交集。也就是說，不同相位的圖像子集中，部分圖像是重疊的。但在預處理過程中，圖像集合并未被按照相位劃分，因此不會被重復處理。下面舉一個實際的例子說明。

圖6是根據本發明一實施例的CT圖像的4相位重建示意圖。參考圖6所示，4個相位的相位點分別為：20％，30％，40％，50％。以第1個周期中的4個相位為例，它們所對應的掃描圖像(即重建所需要的掃描圖像)集合數量分別是900、899、899和899。每個相位所對應的掃描圖像的數量與重建視野大小有關，一般地，當重建視野較小時，其圖像的像素對應的時間分辨率較高；而當重建視野較大時，為了保證大視野圖像邊緣處的像素有足夠的投影數據，需要使得其對應的相位處加權函數寬度增加，即在該相位處會用到更長時間(更多)的投影數據參與圖像重建。從圖6中可以看出，4個相位所分別對應掃描圖像之間有部分是重疊的，它們的圖像集合總共只有1700個掃描圖像。

根據圖5的實施例，在步驟501中會將多個相位所對應的圖像集合一起進行反投影前的預處理過程。具體地說，多個相位所對應的圖像集合會一起經歷圖1中前處理部分110、建像部分120中反投影之前的步驟。仍以圖3為例，第1個周期中的4個相位所對應的圖像集合，即1700個掃描圖像會一并經歷圖1中前處理部分110、建像部分120中反投影之前的步驟。同樣的，后續的各個周期會也進行類似的步驟，直到所有視角(View)的掃描圖像都處理完畢。

在反投影步驟，則會對各個相位所對應的掃描圖像(后文稱之為圖像子集)分別進行反投影。在反投影過程中需要考慮各個掃描圖像的在各個相位中的權重。

仍以心臟CT掃描為例，圖7是心電信號和與其對應的加權函數曲線的示意圖，圖7上半部分為心電(ECG)信號的曲線，其橫坐標為時間t，縱坐標為心跳幅度，其代表了心跳幅度隨時間的變化；圖7的下半部分為與心電信號對應的加權函數曲線。

通常來說，對心臟運動幅度較小時采集的掃描數據采用較大的權重，從而使得在心臟運動幅度較小時采集的掃描數據更多地參與圖像重建；而對心臟運動幅度較大時采集的掃描數據采用較小的權重，從而使得在心臟運動幅度較大時采集的掃描數據較少的參與圖像重建。以上方法可以減少心臟運動對于重建圖像的影像，減少圖像中的運動偽影。如圖7所示，在本實施例中，對于心臟運動幅度較大時對應的權重系數為0，對于心臟運動幅度較大時對應的權重系數為1。

圖8是根據本發明一實施例的心臟CT圖像的單個相位的重建圖像選取示意圖，如圖8所示，在每個相位的多個視角(view)的掃描圖像中，每個掃描圖像都有一個權重Gweight，該權重為該掃描圖像對其所影響的重建圖像的權重。所有的掃描圖像的權重在視角方向形成一個權重曲線，重建圖像的位置為ImagePosition。

對于多個相位的情況，每個相位都有一個權重曲線，并且在每個重建圖像的位置都有多個圖像(其數量為相位的數量)，這樣可以減少反投影之前算法的計算量。

反投影的公式如下：

其中：

t＝y_jsinθ_l+x_icosθ_l

v＝-x_isinθ_l+y_jcosθ_l (2)

其中：指圖像上i列的像素在x方向的位置，指圖像上j行的像素在y方向的位置，指第k個圖像在z方向的位置，i,j,k＝1,2,3,4,…。

CDirection是病床的方向(進床還是出床)。R指的探測器到旋轉中心的距離，指的是球管的旋轉角度，l指的是當前視角在視覺序列的索引。Pitch指的是螺距，z'_k指的是圖像重建開始的z方向位置，Couchpos是病床的位置，t指的是圖像上的某個點在視角中投影點到視角中心沿探測器方向(channel)的距離。參數t是投影點在channel方向到穿過重建中心的那條射線的距離，v指的是投影點沿射線方向到重建中心的距離。

P^～CP指的是輸入的平行束原始(Raw)數據，W(θ,q)為孔徑加權權重(Aperture weighting)，計算方式如下：

其中：Q是控制本函數平滑性的因子，dq指的第m幅(m指圖像序列中，視角影響的圖像的索引，范圍在1到圖像數目)圖像中(i，j)個像素在視角中切片(slice)方向的投影點距離視角中心的距離。

根據上述計算方式，單個相位的反投影公式就修改為：

其中：W(P)指的是視角對應的權重。

多個相位的反投影公式修改為：

其中：l指的是第l個相位，W(P)_l指的是視角對應第l個相位的權重。

根據上述公式(5)就可執行步驟502中的反投影。

在計算過程中，像素值可以利用圖形處理單元(GPU)計算。較佳地，每個相位所對應的圖像子集中的各個圖像中，對每一個像素分配一個線程，并且將原始數據綁定到紋理內存，以提升數據的讀取速度。這樣的優勢是，因此n個相位得到的圖像數目為單個相位的n倍，而所花的時間幾乎和單個相位的時間一樣。

在已知的重建方式中一次建像只能重建一個相位。這樣所有算法節點的數據處理量是：Data1(20％時對應的數據)+Data2(30％時對應的數據)+Data3(40％時對應的數據)+Data4(50％時對應的數據)。相比之下，本發明的實施例中把存在很大重疊區間的Data1～Data4數據進行合并處理，使得計算量大大下降，從而提升了重建的速度。

進行快速的多相位重建在臨床上有顯著的意義。以心臟CT圖像重建來說，醫生不知道哪個相位處圖像是最好的，因而傾向于在多個相位處進行重建。一般來說一個相位的重建圖像數量是300幅，且一般會對病人在10個相位處進行建像。這樣針對一個病人需要重建3000(300x10)幅圖像，再從中挑選出最佳相位的300幅圖像。顯而易見這一重建過程大量浪費了計算量，這也是重建速度不高的原因。更嚴重的是，最佳相位可能不包含在重建的10個相位處。使用本發明的實施例，可以一次重建更多相位點(幾十到幾百個，例如100個)的圖像(相位點分別為1％到100％)，但是每個相位只重建非常有限的設定數量的圖像。例如每個相位可以只重建冠脈處的1個圖像。這樣，允許醫生通過評審所有相位點圖像來判斷最佳的相位點。CT成像系統根據所選定的相位點進行完整的圖像重建，即重建該相位點的所有斷層圖像。這種方式的計算量只有400幅圖像(1x100+300x1)，大大節省了計算量的同時還提高了選取的準確性。

從另一角度看，本發明還提出一種CT圖像的重建裝置，包括：用于將多個相位所對應的圖像集合一并進行反投影前的預處理過程的模塊；用于針對每個相位所對應的圖像子集，分別進行反投影的模塊，其中每個相位所對應的圖像子集是該圖像集合的一部分，且至少兩個相位所對應的圖像子集之間存在交集。

雖然本發明已參照當前的具體實施例來描述，但是本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，在沒有脫離本發明精神的情況下還可作出各種等效的變化或替換，因此，只要在本發明的實質精神范圍內對上述實施例的變化、變型都將落在本申請的權利要求書的范圍內。