一種多聯裝二維扇束計算機層析成像方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多聯裝二維扇束計算機層析(CT)成像方法，屬于X射線計算機層 析成像(CT)技術領域。
【背景技術】
[0002] 在X射線CT系統中，X射線源發出X射線，從不同角度穿過被檢測物體的某一區域， 放置于射線源對面的探測器在相應角度接受，然后根據各角度射線不同程度的衰減，利用 一定的重建算法和計算機進行運算，重建出物體被掃描區域的射線線衰減系數分布映射圖 像，從而實現由投影重建圖像，無損地再現物體在該區域內的介質密度、成分和結構形態等 特征。
[0003] 成像效率一直是制約CT廣泛應用的主要因素之一。它主要由掃描時間和圖像重建 時間決定。目前，由于圖像處理單元GPU及其相應并行運算架構CUDA的廣泛使用，圖像重建 時間已得到大幅提高。因此，為進一步改進成像效率，需要開發快速的掃描技術。從早期的 單筆束一代CT到近期的電子束掃描五代CT，一代比一代掃描速度快，見證了人們在開發快 速掃描CT技術方面的努力。
[0004] 近年，許多新技術被提出來實現快速CT掃描成像。Flohr T G等，First performance evaluation of a dual-source CT(DSCT)system,European Radiology, Vol. 22，No. 2，pp. 256-268，2006，描述了一種雙源CT系統，可提高掃描速度近一倍。Hsieh S S等，An inverse geometry CT system with stationary source arrays .SPIE, Vol. 7961，pp. 7961 lw，2011，提出了一種基于靜止源陣列的逆幾何CT，可實現快速體積掃描 成像。盡管這些方法在不同程度上均獲得了較好的掃描速度改進，但它們均工作在單聯裝 模式，一次掃描僅能成像一個物體，難以適應大批量的工業化生產需求，仍存在進一步提高 掃描效率的空間。
[0005] 目前，尚未發現有不增加掃描透照厚度的基于多聯裝的CT成像方法。
【發明內容】
[0006] 本發明要解決的技術問題是:針對X射線CT成像效率問題，提供一種多聯裝二維扇 束CT成像方法。該方法在不增加透照厚度情況下，一次掃描可實現多個物體CT成像，成像效 率大幅提高，同時可避免射束硬化、散射及信號串擾因素，實現過程簡單、高效。
[0007] 本發明采用的技術方案:多聯裝二維扇束CT成像方法，其特征在于包括下列步驟：
[0008] (1)將多個物體放置于多聯裝CT檢臺，進行單圓軌道扇束CT掃描，獲得一幅二維投 影圖像；
[0009] (2)對步驟(1)中二維投影圖像進行對數解調，獲得一幅線積分二維圖像；
[0010] (3)計算每個物體扇束線積分在步驟(2)中線積分二維圖像中的對應位置參數；
[0011] (4)利用步驟(3)計算出的位置參數，分割步驟(2)中線積分二維圖像，獲得每個物 體的扇束線積分二維子圖像；
[0012] (5)將代數重建技術分別應用于步驟(4)中每個物體的扇束線積分二維子圖像，生 成每個物體的二維CT圖像。
[0013] 所述步驟(1)中將多個物體放置于多聯裝CT檢臺，進行單圓軌道扇束CT掃描，獲得 一幅二維投影圖像步驟為：
[0014] (1.1)將多個被掃描物體放置于多聯裝CT檢臺，確保任一掃描角度下，物體被扇束 覆蓋；
[0015] (1.2)以扇束射線源對物體實施透照，同時，多聯裝CT檢臺勻速連續旋轉，由探測 器以固定采樣幀頻連續采集透射過物體的射線投影，獲得投影數據；
[0016] (1.3)當檢臺旋轉360度時，探測器停止采樣，多聯裝CT檢臺和扇束射線源同時停 止，即完成一次單圓軌道扇束CT掃描；
[0017] (1.4)當掃描結束，將探測器獲取的一維投影數據以掃描旋轉角度為縱坐標逐行 堆疊，形成二維投影圖像I(i，m)，其中，i表示掃描角度，m是某一探測通道在探測器上的位 置。
[0018] 所述步驟探測器為一維探測器或二維探測器的一行。
[0019] 所述多聯裝CT檢臺為一具有多個旋轉軸并同步旋轉的聯動旋轉臺。
[0020] 所述步驟多聯裝CT檢臺多個旋轉軸沿著平行于探測器方向等間距排列。
[0021] 所述的步驟(2)中對步驟（1)中所述二維投影圖像進行對數解調，獲得一幅二維線 積分圖像1·
[0022]
[0023]其中，p(i，m)表示二維線積分圖像，I(i，m)為二維投影圖像，i代表掃描角度，m代 表某一探測通道在探測器上位置；In表示自然對數運算;mean表示一維均值運算；1:10表示 從1取到10。
[0024]所述步驟(3)計算每個物體扇束線積分在步驟(2)中線積分二維圖像中的對應位 置參數方法為：
[0025]
[0026]
[0027]其中，Sa、Sb表示某一物體的投影數據在二維圖像中左右水平位置參數，D是扇束射 線源到探測器的垂直距離，s是該物體所在旋轉軸旋轉中心在探測器上投影位置與探測器 中心位置的距離，E是扇束射線源到該物體所在旋轉軸旋轉中心在探測器上投影位置的距 離，r是該物體回轉半徑，tan表示正切運算，atan表示反正切運算，as in表示反正弦運算。
[0028] 所述步驟(4)利用步驟(3)計算出的位置參數，分割步驟(2)中線積分二維圖像，獲 得每個物體的扇束投影二維子圖像的方法為：
[0029] pp = p( 1 :M, Sa: Sb)
[0030] 其中，Pp表示某個物體的扇束線積分二維子圖像，Sa、Sb表示某一物體的投影數據 在二維圖像中左右水平位置參數，S A:SB表示從SA取到SB，p表示二維線積分圖像，Μ表示周向 旋轉掃描角度采樣數目。
[0031] 所述的步驟(5)中將代數重建技術分別應用于步驟(4)中每個物體的扇束投影二 維子圖像，生成每個物體的二維CT圖像的方法為：
[0032]
[0033]其中，f表示二維CT重建圖像，k為迭代次數，f(())表示初始圖像，f(k)表示第k次迭代 獲得的重建圖像，f(k+1)表示第(k+Ι)次迭代獲得的重建圖像，r為收斂因子，r(k)表示第k次迭 代的收斂因子，Μ為投影矩陣，M k表示第k次迭代的投影矩陣，P為前向投影算子，pp為測量得 到的某個物體的扇束線積分值。
[0034]本發明與現有技術相比的優點如下：
[0035] (1)本發明解決了多個物體高質量同時CT掃描成像問題，成像效率大幅提高；
[0036] (2)本發明在提高掃描效率的同時，不增加透照厚度，不產生信號串擾，成像質量 尚；
[0037] (3)本發明實現過程簡單、高效，不需要高電壓X射線源和特殊的硬件，易于工程實 現。
【附圖說明】
[0038]圖1為多聯裝CT掃描成像原理圖；
[0039]圖2為一種形式的多聯裝多軸同步旋轉檢臺；
[0040] 圖3為發明的成像方法與傳統方法透照厚度比較；
[0041] 圖4為采用本發明方法獲得的實際物體二維線積分投影圖像；
[0042] 圖5為采用本發明方法獲得的實際物體重建后圖像；
[0043] 圖6為采用傳統方法捆綁掃描得到的投影及CT圖像。
【具體實施方式】
[0044] 本發明多聯裝二維扇束CT成像方法掃描原理如圖1:多個掃描物體放置于多聯裝 檢臺上同步勻速連續旋轉;旋轉過程中，由探測器以固定采樣速度連續采集透射過物體的 射線投影，獲得投影數據；當檢臺旋轉360度時，探測器停止采樣，檢臺和射線源同時停止， 掃描結束;根據掃描形成的投影數據，利用對數解調算法、投影分割算法和CT重建算法進行 重建，即可獲得各個物體的二維層析圖像。
[0045] 圖2所示為本發明多聯裝多軸同步旋轉檢臺的一種實現方式:檢臺多個旋轉軸沿 著平行于探測器方向等間距排列，通過數控技術實現同步旋轉。
[0046] 在如圖1所示的掃描方式下，探測器獲取的二維投影圖像可用I(i，m)表示，其中，i 表示掃描角度，m表示某一探測通道在面陣探測器上的位置。根據二維投影圖像，可以用對 數解調公式(1)獲得相應的二維線積分圖像。
[0047]
(1)
[0048] 其中，p(i，m)表示二維線積分圖像，I(i，m)為二維投影圖像，i代表掃描角度，m代 表某一探測通道在探測器上位置；In表示自然對數運算;mean表示一維均值運算；1:10表示 從1取到10。
[0049]對數解調后的二維線積分投影圖像，再通過公式(2)、（3)及(4)，進行分割，形成每 個物體對應的投影子圖像。
(2): (3) L0052J ρμ = ρ(1：Μ,8Α：8Β) (4)
[0053]其中，Sa、Sb表示某一物體的投影數據在二維圖像中左右水平位置參數，D是射線源 到探測器的垂直距離，s是該物體所在旋轉軸旋轉中心在探測器上投影位置與探測器中心 位置的距離，E是射線源到該物體所在旋轉軸旋轉中心在探測器上投影位置的距離，r是該 物體回轉半徑，tan表示正切運算，atan表示反正切運算，，asin表示反正弦運算，p p表示某 個物體的扇束線積分二維子圖像，SA:SB表示從SA取到S B，p表示二維線積分圖像，Μ表示周向 旋轉掃描角度采樣數目。
[0054]目前，存在解析和迭代兩位主要的CT重建算法。解析法要求連接旋轉中心與射線 源焦點的主射線垂直于探測器。這一條件在如圖1所示的掃描方式下，難