专利名称：锥束图像重建方法及装置的制作方法
锥束图像重建方法及装置
技术领域：
本发明涉及计算机成像领域，特别是涉及一种锥束图像重建方法及装置。背景技术：
X射线断层扫描计算机成像(computed tomography，简称CT)是计算机层析成像 技术，不仅应用于放射诊断医学领域，同时也是现代工业无损检测和勘探领域的重要手段， 它是利用射线束对物体进行扫描，根据扫描所得结果运用特定的重建算法，以二维或三维 成像的方式呈现出物体内部的密度分布。为此人们提出了许多图像重建的方法，大致可以分为两大类，即解析法和迭代法。 解析法在实际的应用中实现的条件过于严格，后者如联合代数重建算法(SART)、最大似 然-期望算法(ML-EM)以及有序子集-期望值最大化算法(OS-EM)，与解析法相比较，迭代 法更适合应用于有限角投影和噪声状况较差等情况，但是在实际的应用过程中，又存在着 重建速度慢、计算量大、鲁棒性不好及重建效率不高的问题。此外，通过传统的C型臂所获得的χ射线图片由于C型臂旋转中心的偏移，导致χ 射线图片是非等中心的锥束图像，若直接用非等中心图像进行重建，重建结果比较差，因此 有必要对其非等中心进行转化。
发明内容基于此，有必要提供一种提高图像质量的锥束图像重建方法。此外，还有必要提供一种提高图像质量的锥束图像重建装置。—种锥束图像重建方法，包括如下步骤扫描得到投影图像，并跟踪C型臂的运动 姿态，计算得到三维运动矩阵；根据所述三维运动矩阵，对非等中心投影图像转化，得到等 中心投影图像；根据所述等中心投影图像，重建锥束图像。优选地，所述扫描得到投影图像，并跟踪C型臂的运动姿态，计算得到三维运动矩 阵的步骤是提取体模基准点；根据所述体模基准点，进行C型臂的运动姿态估计，得到三 维运动矩阵。优选地，所述提取体模基准点的步骤是对所述投影图像进行高斯滤波；将滤波 后得到的投影图像进行二值化处理；通过连通成分标记进行基准点的标注。优选地，所述提取体模基准点的步骤是剔除投影图像中CT值大于第一阈值的区 域，得到初选的投影区域；在所述初选的投影区域中提取CT值大于第二阈值的感兴趣的投 影区域，所述第一阈值大于第二阈值；通过连通成分标记进行基准点的标注。优选地，所述姿态估计的步骤是选取基准点，设定三维运动矩阵初值，建立残差 方程计算得到所述基准点的初始旋转分量和初始平移分量；再次选取基准点，将初始的旋 转分量和平移分量进行迭代，得到旋转增量及平移增量，并更新得到旋转分量和平移分量; 判断相邻的两次选取基准点所得到的旋转分量之差及平移分量之差是否小于预设阈值或 所述迭代次数是否大于预设次数，是，则终止迭代，反之，则再次选取基准点进行迭代。
优选地，所述迭代次数至少1次。优选地，所述根据所述三维运动矩阵，对非等中心投影图像转化，得到等中心投影 图像的步骤是通过投影关系得到投影图像的投影坐标，根据旋转分量和平移分量计算得 到圆心偏移量，并根据所述圆心偏移量和锥束射线的扫描角度，还原所述投影图像的物理 坐标；转换所述物理坐标得到等中心的投影图像。优选地，所述根据所述等中心投影图像，重建锥束图像的步骤是通过等中心投影 图像中体素的衰减系数和所述投影图像获得体素值向量；修正所述等中心投影图像，得到 修正值；根据所述修正值和体素的衰减系数进行反投影，更新体素值向量。一种锥束图像重建装置，至少包括跟踪模块，用于扫描得到投影图像，并跟踪C 型臂的运动姿态，计算得到三维运动矩阵；中心变换模块，用于根据所述三维运动矩阵，对 非等中心投影图像转化，得到等中心投影的投影图像；重建模块，用于根据所述等中心投影 图像，重建锥束图像。优选地，所述跟踪模块包括提取单元，用于提取体模基准点；估计单元，用于根 据所述体模基准点，进行C型臂的运动姿态估计，得到三维运动矩阵。优选地，所述提取单元对所述投影图像在高斯滤波后进行二值化处理，并通过连 通成分标记进行基准点的标注。优选地，所述提取单元剔除投影图像中CT值大于第一阈值的区域，得到初选的投 影区域，在所述初选的投影区域中提取CT值大于第二阈值的感兴趣的投影区域，所述第一 阈值大于第二阈值，并通过连通成分标记进行基准点的标注。优选地，所述估计单元选取基准点，设定三维运动矩阵初值，建立残差方程计算得 到所述基准点初始旋转分量和初始平移分量，然后再次选取基准点，将初始的旋转分量和 平移分量进行迭代，得到残差值、旋转增量及平移增量，判断相邻的两次选取基准点所得到 的旋转分量之差及平移分量之差是否小于预设阈值或所述迭代次数是否大于预设次数，是 则终止迭代，反之，则再次选取基准点进行迭代，最后通过旋转增量及平移增量分别更新旋 转分量和平移分量。优选地，所述估计单元中的迭代次数至少1次。优选地，所述中心变换模块包括还原单元，用于通过投影关系得到非等中心投影 图像的投影坐标，根据旋转分量和平移分量计算得到圆心偏移量。并根据圆心偏移量和锥 束射线的扫描角度，还原投影图像的物理坐标；转换单元，用于转换所述物理坐标得到等中 心的投影图像。优选地，所述重建模块包括投影单元，用于通过等中心投影图像中体素的衰减系 数和所述投影图像获得体素值向量；修正单元，用于修正所述等中心投影图像，得到修正 值；反投影单元，用于根据所述修正值和体素的衰减系数进行反投影，更新体素值向量。上述锥束图像重建方法及装置通过跟踪C型臂的运动姿态，将扫描得到的非等中 心投影图像结合投影的几何关系，在不增加额外跟踪设备的基础上，转化为等中心图像，有 效地降低了成本，提高投影图像的准确性，提高了投影图像的成像质量及其鲁棒性。上述锥束图像重建方法及装置通过多次运动姿态估计，来得到三维运动矩阵，收 敛性好，有效地降低了投影点与基准点坐标之间的误差。
图1为一实施例中锥束图像重建方法的流程图；图2为一实施例中步骤SlO的方法流程图；图3为一实施例中体模的示意图；图4为一实施例中提取体模基准点的方法流程图；图5为另一实施例中提取体模基准点的方法流程图；图6为一实施例中姿态估计的方法流程图；图7为一实施例中步骤S20的方法流程图；图8为一实施例中非等中心投影的几何关系图；图9为一实施例中等中心投影的几何关系图；图10为一实施例中重建锥束图像的方法流程图；图11为一实施例中锥束图像重建装置的模块图。图12为一实施例中原始等中心投影图像与等中心图像差；图13为一实施例中等中心投影图像示例；图14为一实施例中非等中心投影图像示例；图15a、图1 和图15c为一实施例中脊骨原始三维截面图；图16a、图16b和图16c为一实施例中重建后脊骨三维截面图。
具体实施方式图1示出了一实施例中的锥束图像重建的方法流程，包括如下步骤在步骤SlO中，扫描得到投影图像，并跟踪C型臂的运动姿态，计算得到三维运动 矩阵。一实施方式中，C型臂中所扫描得到的投影图像是非等中心的，即投影图像的中心与 实际的旋转中心存在着偏差，因此需要跟踪C型臂的运动姿态以修正非等中心投影。如图 2所示，步骤SlO的过程具体是在步骤S120中，提取体模基准点。一实施例中，如图3所示，体模为镶嵌预设数量 铅球的物体，该铅球呈螺旋形排列，因此在其投影上表现为若干像素的阴影。体模中的铅球 质地均勻，内部没有瑕疵，铅球半径在1. 5 3mm内，间距为3 8mm，从而保证铅球的投影 不会产生重叠。具体地，如图4所示，提取体模基准点的过程是在步骤S122中，对投影图像进行高斯滤波。为排除噪声对投影图像的影响，通过 高斯滤波器对投影图像进行预处理。在步骤SlM中，将滤波后得到的投影图像进行二值化处理。二值化处理是把图像 分成前景和背景的方法，基于滤波后所得到的投影图像具有较高对比度的情况，可以通过 图像二值化的方法来进行基准点的分割。假定原灰度图像为f (X，y)，则二值化后的新图像为
权利要求
1.一种锥束图像重建方法，包括如下步骤扫描得到投影图像，并跟踪C型臂的运动姿态，计算得到三维运动矩阵； 根据所述三维运动矩阵，对非等中心投影图像转化，得到等中心投影图像； 根据所述等中心投影图像，重建锥束图像。
2.根据权利要求1所述的锥束图像重建方法，其特征在于，所述扫描得到投影图像，并 跟踪C型臂的运动姿态，计算得到三维运动矩阵的步骤是提取体模基准点；根据所述体模基准点，进行C型臂的运动姿态估计，得到三维运动矩阵。
3.根据权利要求2所述的锥束图像重建方法，其特征在于，所述提取体模基准点的步 骤是对所述投影图像进行高斯滤波； 将滤波后得到的投影图像进行二值化处理； 通过连通成分标记进行基准点的标注。
4.根据权利要求2所述的锥束图像重建方法，其特征在于，所述提取体模基准点的步 骤是剔除投影图像中CT值大于第一阈值的区域，得到初选的投影区域； 在所述初选的投影区域中提取CT值大于第二阈值的感兴趣的投影区域，所述第一阈 值大于第二阈值；通过连通成分标记进行基准点的标注。
5.根据权利要求2所述的锥束图像重建方法，其特征在于，所述姿态估计的步骤是 选取基准点，设定三维运动矩阵初值，建立残差方程计算得到所述基准点的初始旋转分量和初始平移分量；再次选取基准点，将初始的旋转分量和平移分量进行迭代，得到旋转增量及平移增量， 并更新得到旋转分量和平移分量；判断相邻的两次选取基准点所得到的旋转分量之差及平移分量之差是否小于预设阈 值或所述迭代次数是否大于预设次数，是，则终止迭代，反之，则再次选取基准点进行迭代。
6.根据权利要求5所述的锥束图像重建方法，其特征在于，所述迭代次数至少1次。
7.根据权利要求1所述的锥束图像重建方法，其特征在于，所述根据所述三维运动矩 阵，对非等中心投影图像转化，得到等中心投影图像的步骤是通过投影关系得到投影图像的投影坐标，根据旋转分量和平移分量计算得到圆心偏移 量，并根据所述圆心偏移量和锥束射线的扫描角度，还原所述投影图像的物理坐标； 转换所述物理坐标得到等中心的投影图像。
8.根据权利要求1所述的锥束图像重建方法，其特征在于，所述根据所述等中心投影 图像，重建锥束图像的步骤是通过等中心投影图像中体素的衰减系数和所述投影图像获得体素值向量； 修正所述等中心投影图像，得到修正值；根据所述修正值和体素的衰减系数进行反投影，更新体素值向量。
9.一种锥束图像重建装置，其特征在于，至少包括跟踪模块，用于扫描得到投影图像，并跟踪C型臂的运动姿态，计算得到三维运动矩阵；中心变换模块，用于根据所述三维运动矩阵，对非等中心投影图像转化，得到等中心投 影的投影图像；重建模块，用于根据所述等中心投影图像，重建锥束图像。
10.根据权利要求9所述的锥束图像重建装置，其特征在于，所述跟踪模块包括 提取单元，用于提取体模基准点；估计单元，用于根据所述体模基准点，进行C型臂的运动姿态估计，得到三维运动矩阵。
11.根据权利要求10所述的锥束图像重建方法，其特征在于，所述提取单元对所述投 影图像在高斯滤波后进行二值化处理，并通过连通成分标记进行基准点的标注。
12.根据权利要求10所述的锥束图像重建装置，其特征在于，所述提取单元剔除投影 图像中CT值大于第一阈值的区域，得到初选的投影区域，在所述初选的投影区域中提取CT 值大于第二阈值的感兴趣的投影区域，所述第一阈值大于第二阈值，并通过连通成分标记 进行基准点的标注。
13.根据权利要求10所述的锥束图像重建方法，其特征在于，所述估计单元选取基准 点，设定三维运动矩阵初值，建立残差方程计算得到所述基准点初始旋转分量和初始平移 分量，然后再次选取基准点，将初始的旋转分量和平移分量进行迭代，得到残差值、旋转增 量及平移增量，判断相邻的两次选取基准点所得到的旋转分量之差及平移分量之差是否小 于预设阈值或所述迭代次数是否大于预设次数，是则终止迭代，反之，则再次选取基准点进 行迭代，最后通过旋转增量及平移增量分别更新旋转分量和平移分量。
14.根据权利要求13所述的锥束图像重建装置，其特征在于，所述估计单元中的迭代 次数至少1次。
15.根据权利要求9所述的锥束图像重建装置，其特征在于，所述中心变换模块包括 还原单元，用于通过投影关系得到非等中心投影图像的投影坐标，根据旋转分量和平移分量计算得到圆心偏移量。并根据圆心偏移量和锥束射线的扫描角度，还原投影图像的 物理坐标；转换单元，用于转换所述物理坐标得到等中心的投影图像。
16.根据权利要求9所述的锥束图像重建装置，其特征在于，所述重建模块包括投影单元，用于通过等中心投影图像中体素的衰减系数和所述投影图像获得体素值向量；修正单元，用于修正所述等中心投影图像，得到修正值；反投影单元，用于根据所述修正值和体素的衰减系数进行反投影，更新体素值向量值。
全文摘要
一种锥束图像重建方法，包括如下步骤扫描得到投影图像，并跟踪C型臂的运动姿态，计算得到三维运动矩阵；根据所述三维运动矩阵，对非等中心投影图像转化，得到等中心投影图像；根据所述等中心投影图像，重建锥束图像。上述锥束图像重建方法及装置通过跟踪C型臂的运动姿态，将扫描得到的非等中心投影图像结合投影的几何关系，在不增加额外跟踪设备的基础上，转化为等中心图像，有效地降低了成本，提高投影图像的准确性，提高了投影图像的成像质量及其鲁棒性。
文档编号G06T17/00GK102103757SQ20101060676
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者何凯, 王志强, 陈前 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院