專利名稱：錐束圖像重建方法及裝置的制作方法
錐束圖像重建方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)成像領(lǐng)域，特別是涉及一種錐束圖像重建方法及裝置。背景技術(shù)：
X射線斷層掃描計(jì)算機(jī)成像(computed tomography，簡(jiǎn)稱CT)是計(jì)算機(jī)層析成像 技術(shù)，不僅應(yīng)用于放射診斷醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，同時(shí)也是現(xiàn)代工業(yè)無損檢測(cè)和勘探領(lǐng)域的重要手段， 它是利用射線束對(duì)物體進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描所得結(jié)果運(yùn)用特定的重建算法，以二維或三維 成像的方式呈現(xiàn)出物體內(nèi)部的密度分布。為此人們提出了許多圖像重建的方法，大致可以分為兩大類，即解析法和迭代法。 解析法在實(shí)際的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的條件過于嚴(yán)格，后者如聯(lián)合代數(shù)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)，與解析法相比較，迭代 法更適合應(yīng)用于有限角投影和噪聲狀況較差等情況，但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中，又存在著 重建速度慢、計(jì)算量大、魯棒性不好及重建效率不高的問題。此外，通過傳統(tǒng)的C型臂所獲得的χ射線圖片由于C型臂旋轉(zhuǎn)中心的偏移，導(dǎo)致χ 射線圖片是非等中心的錐束圖像，若直接用非等中心圖像進(jìn)行重建，重建結(jié)果比較差，因此 有必要對(duì)其非等中心進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種提高圖像質(zhì)量的錐束圖像重建方法。此外，還有必要提供一種提高圖像質(zhì)量的錐束圖像重建裝置?！N錐束圖像重建方法，包括如下步驟掃描得到投影圖像，并跟蹤C(jī)型臂的運(yùn)動(dòng) 姿態(tài)，計(jì)算得到三維運(yùn)動(dòng)矩陣；根據(jù)所述三維運(yùn)動(dòng)矩陣，對(duì)非等中心投影圖像轉(zhuǎn)化，得到等 中心投影圖像；根據(jù)所述等中心投影圖像，重建錐束圖像。優(yōu)選地，所述掃描得到投影圖像，并跟蹤C(jī)型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，計(jì)算得到三維運(yùn)動(dòng)矩 陣的步驟是提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)；根據(jù)所述體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行C型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)估計(jì)，得到三 維運(yùn)動(dòng)矩陣。優(yōu)選地，所述提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的步驟是對(duì)所述投影圖像進(jìn)行高斯濾波；將濾波 后得到的投影圖像進(jìn)行二值化處理；通過連通成分標(biāo)記進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)注。優(yōu)選地，所述提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的步驟是剔除投影圖像中CT值大于第一閾值的區(qū) 域，得到初選的投影區(qū)域；在所述初選的投影區(qū)域中提取CT值大于第二閾值的感興趣的投 影區(qū)域，所述第一閾值大于第二閾值；通過連通成分標(biāo)記進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)注。優(yōu)選地，所述姿態(tài)估計(jì)的步驟是選取基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)定三維運(yùn)動(dòng)矩陣初值，建立殘差 方程計(jì)算得到所述基準(zhǔn)點(diǎn)的初始旋轉(zhuǎn)分量和初始平移分量；再次選取基準(zhǔn)點(diǎn)，將初始的旋 轉(zhuǎn)分量和平移分量進(jìn)行迭代，得到旋轉(zhuǎn)增量及平移增量，并更新得到旋轉(zhuǎn)分量和平移分量; 判斷相鄰的兩次選取基準(zhǔn)點(diǎn)所得到的旋轉(zhuǎn)分量之差及平移分量之差是否小于預(yù)設(shè)閾值或 所述迭代次數(shù)是否大于預(yù)設(shè)次數(shù)，是，則終止迭代，反之，則再次選取基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行迭代。
優(yōu)選地，所述迭代次數(shù)至少1次。優(yōu)選地，所述根據(jù)所述三維運(yùn)動(dòng)矩陣，對(duì)非等中心投影圖像轉(zhuǎn)化，得到等中心投影 圖像的步驟是通過投影關(guān)系得到投影圖像的投影坐標(biāo)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)分量和平移分量計(jì)算得 到圓心偏移量，并根據(jù)所述圓心偏移量和錐束射線的掃描角度，還原所述投影圖像的物理 坐標(biāo)；轉(zhuǎn)換所述物理坐標(biāo)得到等中心的投影圖像。優(yōu)選地，所述根據(jù)所述等中心投影圖像，重建錐束圖像的步驟是通過等中心投影 圖像中體素的衰減系數(shù)和所述投影圖像獲得體素值向量；修正所述等中心投影圖像，得到 修正值；根據(jù)所述修正值和體素的衰減系數(shù)進(jìn)行反投影，更新體素值向量。一種錐束圖像重建裝置，至少包括跟蹤模塊，用于掃描得到投影圖像，并跟蹤C(jī) 型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，計(jì)算得到三維運(yùn)動(dòng)矩陣；中心變換模塊，用于根據(jù)所述三維運(yùn)動(dòng)矩陣，對(duì) 非等中心投影圖像轉(zhuǎn)化，得到等中心投影的投影圖像；重建模塊，用于根據(jù)所述等中心投影 圖像，重建錐束圖像。優(yōu)選地，所述跟蹤模塊包括提取單元，用于提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)；估計(jì)單元，用于根 據(jù)所述體模基準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行C型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)估計(jì)，得到三維運(yùn)動(dòng)矩陣。優(yōu)選地，所述提取單元對(duì)所述投影圖像在高斯濾波后進(jìn)行二值化處理，并通過連 通成分標(biāo)記進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)注。優(yōu)選地，所述提取單元剔除投影圖像中CT值大于第一閾值的區(qū)域，得到初選的投 影區(qū)域，在所述初選的投影區(qū)域中提取CT值大于第二閾值的感興趣的投影區(qū)域，所述第一 閾值大于第二閾值，并通過連通成分標(biāo)記進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)注。優(yōu)選地，所述估計(jì)單元選取基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)定三維運(yùn)動(dòng)矩陣初值，建立殘差方程計(jì)算得 到所述基準(zhǔn)點(diǎn)初始旋轉(zhuǎn)分量和初始平移分量，然后再次選取基準(zhǔn)點(diǎn)，將初始的旋轉(zhuǎn)分量和 平移分量進(jìn)行迭代，得到殘差值、旋轉(zhuǎn)增量及平移增量，判斷相鄰的兩次選取基準(zhǔn)點(diǎn)所得到 的旋轉(zhuǎn)分量之差及平移分量之差是否小于預(yù)設(shè)閾值或所述迭代次數(shù)是否大于預(yù)設(shè)次數(shù)，是 則終止迭代，反之，則再次選取基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行迭代，最后通過旋轉(zhuǎn)增量及平移增量分別更新旋 轉(zhuǎn)分量和平移分量。優(yōu)選地，所述估計(jì)單元中的迭代次數(shù)至少1次。優(yōu)選地，所述中心變換模塊包括還原單元，用于通過投影關(guān)系得到非等中心投影 圖像的投影坐標(biāo)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)分量和平移分量計(jì)算得到圓心偏移量。并根據(jù)圓心偏移量和錐 束射線的掃描角度，還原投影圖像的物理坐標(biāo)；轉(zhuǎn)換單元，用于轉(zhuǎn)換所述物理坐標(biāo)得到等中 心的投影圖像。優(yōu)選地，所述重建模塊包括投影單元，用于通過等中心投影圖像中體素的衰減系 數(shù)和所述投影圖像獲得體素值向量；修正單元，用于修正所述等中心投影圖像，得到修正 值；反投影單元，用于根據(jù)所述修正值和體素的衰減系數(shù)進(jìn)行反投影，更新體素值向量。上述錐束圖像重建方法及裝置通過跟蹤C(jī)型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，將掃描得到的非等中 心投影圖像結(jié)合投影的幾何關(guān)系，在不增加額外跟蹤設(shè)備的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)化為等中心圖像，有 效地降低了成本，提高投影圖像的準(zhǔn)確性，提高了投影圖像的成像質(zhì)量及其魯棒性。上述錐束圖像重建方法及裝置通過多次運(yùn)動(dòng)姿態(tài)估計(jì)，來得到三維運(yùn)動(dòng)矩陣，收 斂性好，有效地降低了投影點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)之間的誤差。
圖1為一實(shí)施例中錐束圖像重建方法的流程圖；圖2為一實(shí)施例中步驟SlO的方法流程圖；圖3為一實(shí)施例中體模的示意圖；圖4為一實(shí)施例中提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的方法流程圖；圖5為另一實(shí)施例中提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的方法流程圖；圖6為一實(shí)施例中姿態(tài)估計(jì)的方法流程圖；圖7為一實(shí)施例中步驟S20的方法流程圖；圖8為一實(shí)施例中非等中心投影的幾何關(guān)系圖；圖9為一實(shí)施例中等中心投影的幾何關(guān)系圖；圖10為一實(shí)施例中重建錐束圖像的方法流程圖；圖11為一實(shí)施例中錐束圖像重建裝置的模塊圖。圖12為一實(shí)施例中原始等中心投影圖像與等中心圖像差；圖13為一實(shí)施例中等中心投影圖像示例；圖14為一實(shí)施例中非等中心投影圖像示例；圖15a、圖1 和圖15c為一實(shí)施例中脊骨原始三維截面圖；圖16a、圖16b和圖16c為一實(shí)施例中重建后脊骨三維截面圖。
具體實(shí)施方式圖1示出了一實(shí)施例中的錐束圖像重建的方法流程，包括如下步驟在步驟SlO中，掃描得到投影圖像，并跟蹤C(jī)型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，計(jì)算得到三維運(yùn)動(dòng) 矩陣。一實(shí)施方式中，C型臂中所掃描得到的投影圖像是非等中心的，即投影圖像的中心與 實(shí)際的旋轉(zhuǎn)中心存在著偏差，因此需要跟蹤C(jī)型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以修正非等中心投影。如圖 2所示，步驟SlO的過程具體是在步驟S120中，提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)。一實(shí)施例中，如圖3所示，體模為鑲嵌預(yù)設(shè)數(shù)量 鉛球的物體，該鉛球呈螺旋形排列，因此在其投影上表現(xiàn)為若干像素的陰影。體模中的鉛球 質(zhì)地均勻，內(nèi)部沒有瑕疵，鉛球半徑在1. 5 3mm內(nèi)，間距為3 8mm，從而保證鉛球的投影 不會(huì)產(chǎn)生重疊。具體地，如圖4所示，提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的過程是在步驟S122中，對(duì)投影圖像進(jìn)行高斯濾波。為排除噪聲對(duì)投影圖像的影響，通過 高斯濾波器對(duì)投影圖像進(jìn)行預(yù)處理。在步驟SlM中，將濾波后得到的投影圖像進(jìn)行二值化處理。二值化處理是把圖像 分成前景和背景的方法，基于濾波后所得到的投影圖像具有較高對(duì)比度的情況，可以通過 圖像二值化的方法來進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的分割。假定原灰度圖像為f (X，y)，則二值化后的新圖像為
權(quán)利要求
1.一種錐束圖像重建方法，包括如下步驟掃描得到投影圖像，并跟蹤C(jī)型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，計(jì)算得到三維運(yùn)動(dòng)矩陣； 根據(jù)所述三維運(yùn)動(dòng)矩陣，對(duì)非等中心投影圖像轉(zhuǎn)化，得到等中心投影圖像； 根據(jù)所述等中心投影圖像，重建錐束圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐束圖像重建方法，其特征在于，所述掃描得到投影圖像，并 跟蹤C(jī)型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，計(jì)算得到三維運(yùn)動(dòng)矩陣的步驟是提取體模基準(zhǔn)點(diǎn)；根據(jù)所述體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行C型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)估計(jì)，得到三維運(yùn)動(dòng)矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的錐束圖像重建方法，其特征在于，所述提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的步 驟是對(duì)所述投影圖像進(jìn)行高斯濾波； 將濾波后得到的投影圖像進(jìn)行二值化處理； 通過連通成分標(biāo)記進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)注。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的錐束圖像重建方法，其特征在于，所述提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的步 驟是剔除投影圖像中CT值大于第一閾值的區(qū)域，得到初選的投影區(qū)域； 在所述初選的投影區(qū)域中提取CT值大于第二閾值的感興趣的投影區(qū)域，所述第一閾 值大于第二閾值；通過連通成分標(biāo)記進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)注。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的錐束圖像重建方法，其特征在于，所述姿態(tài)估計(jì)的步驟是 選取基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)定三維運(yùn)動(dòng)矩陣初值，建立殘差方程計(jì)算得到所述基準(zhǔn)點(diǎn)的初始旋轉(zhuǎn)分量和初始平移分量；再次選取基準(zhǔn)點(diǎn)，將初始的旋轉(zhuǎn)分量和平移分量進(jìn)行迭代，得到旋轉(zhuǎn)增量及平移增量， 并更新得到旋轉(zhuǎn)分量和平移分量；判斷相鄰的兩次選取基準(zhǔn)點(diǎn)所得到的旋轉(zhuǎn)分量之差及平移分量之差是否小于預(yù)設(shè)閾 值或所述迭代次數(shù)是否大于預(yù)設(shè)次數(shù)，是，則終止迭代，反之，則再次選取基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行迭代。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的錐束圖像重建方法，其特征在于，所述迭代次數(shù)至少1次。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐束圖像重建方法，其特征在于，所述根據(jù)所述三維運(yùn)動(dòng)矩 陣，對(duì)非等中心投影圖像轉(zhuǎn)化，得到等中心投影圖像的步驟是通過投影關(guān)系得到投影圖像的投影坐標(biāo)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)分量和平移分量計(jì)算得到圓心偏移 量，并根據(jù)所述圓心偏移量和錐束射線的掃描角度，還原所述投影圖像的物理坐標(biāo)； 轉(zhuǎn)換所述物理坐標(biāo)得到等中心的投影圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐束圖像重建方法，其特征在于，所述根據(jù)所述等中心投影 圖像，重建錐束圖像的步驟是通過等中心投影圖像中體素的衰減系數(shù)和所述投影圖像獲得體素值向量； 修正所述等中心投影圖像，得到修正值；根據(jù)所述修正值和體素的衰減系數(shù)進(jìn)行反投影，更新體素值向量。
9.一種錐束圖像重建裝置，其特征在于，至少包括跟蹤模塊，用于掃描得到投影圖像，并跟蹤C(jī)型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，計(jì)算得到三維運(yùn)動(dòng)矩陣；中心變換模塊，用于根據(jù)所述三維運(yùn)動(dòng)矩陣，對(duì)非等中心投影圖像轉(zhuǎn)化，得到等中心投 影的投影圖像；重建模塊，用于根據(jù)所述等中心投影圖像，重建錐束圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的錐束圖像重建裝置，其特征在于，所述跟蹤模塊包括 提取單元，用于提取體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)；估計(jì)單元，用于根據(jù)所述體?；鶞?zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行C型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)估計(jì)，得到三維運(yùn)動(dòng)矩陣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的錐束圖像重建方法，其特征在于，所述提取單元對(duì)所述投 影圖像在高斯濾波后進(jìn)行二值化處理，并通過連通成分標(biāo)記進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)注。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的錐束圖像重建裝置，其特征在于，所述提取單元剔除投影 圖像中CT值大于第一閾值的區(qū)域，得到初選的投影區(qū)域，在所述初選的投影區(qū)域中提取CT 值大于第二閾值的感興趣的投影區(qū)域，所述第一閾值大于第二閾值，并通過連通成分標(biāo)記 進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)注。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的錐束圖像重建方法，其特征在于，所述估計(jì)單元選取基準(zhǔn) 點(diǎn)，設(shè)定三維運(yùn)動(dòng)矩陣初值，建立殘差方程計(jì)算得到所述基準(zhǔn)點(diǎn)初始旋轉(zhuǎn)分量和初始平移 分量，然后再次選取基準(zhǔn)點(diǎn)，將初始的旋轉(zhuǎn)分量和平移分量進(jìn)行迭代，得到殘差值、旋轉(zhuǎn)增 量及平移增量，判斷相鄰的兩次選取基準(zhǔn)點(diǎn)所得到的旋轉(zhuǎn)分量之差及平移分量之差是否小 于預(yù)設(shè)閾值或所述迭代次數(shù)是否大于預(yù)設(shè)次數(shù)，是則終止迭代，反之，則再次選取基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn) 行迭代，最后通過旋轉(zhuǎn)增量及平移增量分別更新旋轉(zhuǎn)分量和平移分量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的錐束圖像重建裝置，其特征在于，所述估計(jì)單元中的迭代 次數(shù)至少1次。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的錐束圖像重建裝置，其特征在于，所述中心變換模塊包括 還原單元，用于通過投影關(guān)系得到非等中心投影圖像的投影坐標(biāo)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)分量和平移分量計(jì)算得到圓心偏移量。并根據(jù)圓心偏移量和錐束射線的掃描角度，還原投影圖像的 物理坐標(biāo)；轉(zhuǎn)換單元，用于轉(zhuǎn)換所述物理坐標(biāo)得到等中心的投影圖像。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的錐束圖像重建裝置，其特征在于，所述重建模塊包括投影單元，用于通過等中心投影圖像中體素的衰減系數(shù)和所述投影圖像獲得體素值向量；修正單元，用于修正所述等中心投影圖像，得到修正值；反投影單元，用于根據(jù)所述修正值和體素的衰減系數(shù)進(jìn)行反投影，更新體素值向量值。
全文摘要
一種錐束圖像重建方法，包括如下步驟掃描得到投影圖像，并跟蹤C(jī)型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，計(jì)算得到三維運(yùn)動(dòng)矩陣；根據(jù)所述三維運(yùn)動(dòng)矩陣，對(duì)非等中心投影圖像轉(zhuǎn)化，得到等中心投影圖像；根據(jù)所述等中心投影圖像，重建錐束圖像。上述錐束圖像重建方法及裝置通過跟蹤C(jī)型臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，將掃描得到的非等中心投影圖像結(jié)合投影的幾何關(guān)系，在不增加額外跟蹤設(shè)備的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)化為等中心圖像，有效地降低了成本，提高投影圖像的準(zhǔn)確性，提高了投影圖像的成像質(zhì)量及其魯棒性。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102103757SQ20101060676
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者何凱, 王志強(qiáng), 陳前 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院