基于分段調(diào)速的活體ct掃描控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)用CT掃描技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種計(jì)算機(jī)斷層攝影（CT，Computed Tomography)呼吸門控技術(shù)、分段變速掃描技術(shù)，尤其是涉及一種通過(guò)兩次掃描，實(shí)現(xiàn)CT呼 吸門控（RespiratoryGate)的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] CT成像作為的一種活體成像方式，具有空間分辨率高、成像時(shí)間短、成本相對(duì)低、 能夠得到動(dòng)物活體情況下的三維結(jié)構(gòu)信息等優(yōu)點(diǎn)。但使用微型CT對(duì)活體動(dòng)物胸部或腹部 等成像時(shí)，活體動(dòng)物的呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影，導(dǎo)致圖像空間分辨率降低。通常的解決方 法是采用呼吸門控技術(shù)減少重建圖像的運(yùn)動(dòng)偽影。
[0003]目前的呼吸門控技術(shù)主要包括外在門控技術(shù)、內(nèi)在門控技術(shù)、觸發(fā)性門控技術(shù)與 回顧性門控技術(shù)?；仡櫺院粑T控計(jì)算機(jī)斷層技術(shù)是一種應(yīng)用相當(dāng)廣泛的采集和分析模 式，如在專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201410722668. 7的專利文獻(xiàn)中，公開(kāi)了一種全自動(dòng)內(nèi)在回顧性CT 呼吸門控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在原來(lái)CT系統(tǒng)上實(shí)施內(nèi)在呼吸門控，降低使用成本，節(jié)約資源且降 低系統(tǒng)復(fù)雜性。
[0004] 但在常規(guī)的包括上述專利文獻(xiàn)記載的回顧性呼吸門控中，考慮到成像期間目標(biāo)的 運(yùn)動(dòng)，為了獲得被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)循環(huán)中確定點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并用于計(jì)算斷層圖像，往往需要采集多 圈的投影數(shù)據(jù)，增加了圖像采集的時(shí)間與被測(cè)物體所受的輻射量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于分段調(diào)速的活體CT掃描 控制方法，通過(guò)兩次掃描同一物體，使兩次掃描中在相應(yīng)位置時(shí)處于互補(bǔ)的呼吸相位，從而 通過(guò)投影圖像篩選，得到去除呼吸偽影的重建圖像，以減少呼吸門控的采集時(shí)間與被測(cè)對(duì) 象輻射劑量。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案：一種基于分段調(diào)速的活體CT掃描控 制方法，包括以下步驟：
[0007] 獲得被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)波形，根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)波形計(jì)算出被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)周期與當(dāng)前 相位；
[0008] 根據(jù)計(jì)算所得的所述運(yùn)動(dòng)周期與當(dāng)前相位，確定斷層攝影設(shè)備每次掃描的分段大 小與第一段圖像采集的啟動(dòng)時(shí)間和旋轉(zhuǎn)速度；
[0009] 啟動(dòng)第一次掃描，在掃描過(guò)程中用前一段圖像在采集過(guò)程中獲得的運(yùn)動(dòng)波形控制 后一段圖像采集的啟動(dòng)時(shí)間與旋轉(zhuǎn)速度；
[0010] 第一次掃描結(jié)束后，錯(cuò)開(kāi)呼吸相位，進(jìn)行第二次掃描；
[0011] 對(duì)第二次掃描獲得的圖像進(jìn)行更新篩選獲得計(jì)算機(jī)斷層重建所需要的投影圖像， 用篩選更新的所述投影圖像進(jìn)行圖像矯正與重建，獲得被測(cè)對(duì)象的重建波形。
[0012] 優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)波形由外部設(shè)備獲得或直接通過(guò)所述斷層攝影設(shè)備預(yù)先采集的 投影圖像計(jì)算得到，所述外部設(shè)備至少為攝像機(jī)、紅外測(cè)量?jī)x或壓力傳感器。
[0013] 優(yōu)選地，通過(guò)采集的投影圖像計(jì)算得到所述運(yùn)動(dòng)波形的方法包括：
[0014] a、自動(dòng)定位感興趣區(qū)域，其中，自動(dòng)定位方法包括：
[0015]al、用垂直于隔膜方向上灰度質(zhì)心的變化來(lái)自動(dòng)定位感興趣區(qū)域，設(shè)垂直于隔膜 的方向?yàn)閆方向，則計(jì)算公式如下：
[0016]
公式中P表示Z方向的灰度質(zhì)心，z表示Z方向 上的坐標(biāo)值，mz表示區(qū)域內(nèi)所有縱坐標(biāo)值為z的像素的灰度值和；
[0017]a2、靜止采集至少一張投影圖，用方差找出所述投影圖像中Z方向質(zhì)心變化最大 的地方，即得到所述感興趣區(qū)域。
[0018] b、啟動(dòng)斷層攝影設(shè)備開(kāi)始掃描，從所述感興趣區(qū)域的Z軸方向灰度質(zhì)心的數(shù)據(jù)波 動(dòng)中提取運(yùn)動(dòng)波形。
[0019] 優(yōu)選地，對(duì)所述感興趣區(qū)域的數(shù)據(jù)波動(dòng)采用高通濾波器進(jìn)行濾波，濾除旋轉(zhuǎn)對(duì)呼 吸波動(dòng)造成的影響，獲得門控波形。
[0020] 優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)速度在采圖過(guò)程中根據(jù)所述被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)信號(hào)周期來(lái)修改， 所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)包括各種動(dòng)物不同頻率的呼吸運(yùn)動(dòng)。
[0021] 優(yōu)選地，所述斷層攝影設(shè)備每次掃描的角度范圍為0°到360°，且在掃描過(guò)程中 進(jìn)行等角度米圖。
[0022] 優(yōu)選地，所述斷層攝影設(shè)備兩次旋轉(zhuǎn)為連續(xù)旋轉(zhuǎn)兩圈，或正轉(zhuǎn)一圈、反轉(zhuǎn)一圈，或 旋轉(zhuǎn)一圈、回到原點(diǎn)后重新旋轉(zhuǎn)一圈。
[0023] 優(yōu)選地，第一次掃描結(jié)束后，錯(cuò)開(kāi)半個(gè)呼吸周期進(jìn)行第二次掃描。
[0024] 優(yōu)選地，在旋轉(zhuǎn)采圖過(guò)程中，根據(jù)獲得的所述運(yùn)動(dòng)波形對(duì)投影圖像進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估 的依據(jù)至少為所述呼吸波形的幅值、相對(duì)相位或絕對(duì)相位。
[0025] 優(yōu)選地，獲得所述相對(duì)相位的方法包括：找到運(yùn)動(dòng)波形的局部最大值，記為呼吸相 位的起點(diǎn)，每幀圖像在運(yùn)動(dòng)波形中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)到起點(diǎn)的距離與其所在呼吸周期的比值，即為 所述相對(duì)相位。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：
[0027] 1、本發(fā)明采用兩次掃描即可獲得任何呼吸相位下的重建圖像，在減少運(yùn)動(dòng)偽影， 提高重建圖像空間分辨率的同時(shí)，大大較少了掃描時(shí)間與被測(cè)物體所受的輻射劑量。
[0028] 2、本發(fā)明將每次掃描分成多段處理，分段大小、啟動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)整增加 了系統(tǒng)對(duì)不同周期信號(hào)的動(dòng)態(tài)性與自適應(yīng)性。
[0029] 3、本發(fā)明可直接通過(guò)投影圖像提取運(yùn)動(dòng)波形，減少了設(shè)備的復(fù)雜度，降低成本；且 運(yùn)動(dòng)信號(hào)的分析處理以及斷層攝影設(shè)備的控制都由內(nèi)部直接計(jì)算完成，減少了人工操作的 復(fù)雜程度。
[0030] 4、本發(fā)明適用于多種運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集裝置，增加了系統(tǒng)的兼容性。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1是本發(fā)明基于分段調(diào)速的活體CT掃描控制方法的流程示意圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明基于分段調(diào)速的活體CT掃描控制方法的原理示意圖；
[0033] 圖3中，圖3a~圖3e是本發(fā)明活體微型CT在不同呼吸相位下獲得的實(shí)驗(yàn)小老鼠 胸廓的投影圖像圖，圖3f為小老鼠的呼吸波形；
[0034] 圖4是本發(fā)明提取呼吸波形的感興趣區(qū)域；
[0035] 圖5是本發(fā)明模擬小老鼠氣麻狀態(tài)下的模擬呼吸波形圖；
[0036] 圖6a為直接從感興趣區(qū)域獲得的數(shù)據(jù)波動(dòng)，圖6b為經(jīng)過(guò)濾波處理后獲得的門控 波形；
[0037] 圖7a為斷層攝影設(shè)備實(shí)行兩次采集時(shí)從投影圖像中提取的呼吸波形，圖7b為圖 7a中矩形區(qū)域的放大波形；
[0038] 圖8a為門控后未進(jìn)行分段調(diào)速旋轉(zhuǎn)的重建圖，圖8b為門控后實(shí)施分段調(diào)速旋轉(zhuǎn) 的重建圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。
[0040] 本發(fā)明為了在減少運(yùn)動(dòng)偽影，提高重建圖像空間分辨率的同時(shí)，縮短被測(cè)物體的 采集時(shí)間，減少被測(cè)目標(biāo)所受輻射劑量，提出一種基于分段調(diào)速的活體CT掃描控制方法， 該方法只需通過(guò)兩次掃描同一物體，使兩次掃描在相應(yīng)位置獲得互補(bǔ)的呼吸相位；并將每 次掃描分成多段，用前一段計(jì)算所得運(yùn)動(dòng)周期和當(dāng)前相位控制后一段掃描的啟動(dòng)時(shí)間和轉(zhuǎn) 動(dòng)速度，從而最后通過(guò)投影圖像篩選，得到去除呼吸偽影的重建圖像。
[0041] 如圖1所示，本發(fā)明提供的一種基于分段調(diào)速的活體CT掃描控制方法，具體包括 以下步驟：
[0042] 步驟一、獲得被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)波形，根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)波形，預(yù)先計(jì)算被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng) 周期與當(dāng)前相位。
[0043] 計(jì)算所需要的呼吸波形既可由外部設(shè)備，如攝像機(jī)、紅外測(cè)量?jī)x、壓力傳感器等獲 得，也可直接由斷層攝影設(shè)備預(yù)先采集的投影圖像計(jì)算得到。其中，結(jié)合圖2所示，斷層攝 影設(shè)備1包括射線源11、探測(cè)器12和驅(qū)動(dòng)裝置13,射線源11用于發(fā)射X射線，X射線經(jīng)過(guò) 被測(cè)對(duì)象14之后，射線輻射衰減并由相應(yīng)探測(cè)器12接收。驅(qū)動(dòng)裝置13控制射線源11與 探測(cè)器12的旋轉(zhuǎn)，在測(cè)量過(guò)程中控制旋轉(zhuǎn)速度使其匹配檢查目標(biāo)的周期性呼吸運(yùn)動(dòng)。
[0044] 本發(fā)明實(shí)施例以掃描對(duì)象為小老鼠，計(jì)算所需的運(yùn)動(dòng)波形（實(shí)施例以呼吸波形為 例）直接從投影圖像中提取為例。圖3a~圖3e是活體微型CT在不同呼吸相位下獲得的 實(shí)驗(yàn)小老鼠胸廓的投影圖像，圖3f為小老鼠的呼吸波形，觀察圖像可發(fā)現(xiàn)，在不同相位下 的CT投影圖像中，胸廓區(qū)域的大小、隔膜的高低等存在較大變化，因此，可以通過(guò)灰度質(zhì)心 值、灰度和等相關(guān)參數(shù)從投影圖像中直接獲得用于實(shí)施呼吸門控的門控波形。提取呼吸波 形的具體過(guò)程如下：
[0045] (1)自動(dòng)定位感興趣區(qū)域；如圖4所示，將感興趣區(qū)域定義為包含小動(dòng)物CT隔膜 的一個(gè)矩形區(qū)域。本實(shí)施例用垂直于隔膜方向上灰度質(zhì)心的變化來(lái)自動(dòng)定位感興趣區(qū)域， 假設(shè)垂直于隔膜的方向?yàn)閆方向，則計(jì)算公式如下：
[0047]公式中p表示Z方向的灰度質(zhì)心，z表示Z方向上的坐標(biāo)值，mz表示感興趣區(qū)域內(nèi) 所有縱坐標(biāo)值為Z(即投影圖像中的同一行）的像素的灰度值和。
[0048] 靜止采集幾張投影圖，用方差找出圖像中Z方向質(zhì)心變化最大的地方，即為我們 所需的感興趣區(qū)域。
[0049] (2)啟動(dòng)斷層攝影設(shè)備開(kāi)始掃描，同樣從感興趣區(qū)域的Z軸方向灰度質(zhì)心的數(shù)據(jù) 波動(dòng)中提取運(yùn)動(dòng)波形。
[0050] 自動(dòng)提取到呼吸波形后，可通過(guò)剛才靜止采集的圖像和呼吸波形，預(yù)先計(jì)算被測(cè) 對(duì)象的呼吸周期與當(dāng)前的相位。
[0051] 步驟二、根據(jù)步驟一計(jì)算所得的運(yùn)動(dòng)周期與當(dāng)前相位，確定斷層攝影設(shè)備每次掃 描的分段大小與第一段圖像采集的啟動(dòng)時(shí)間和旋轉(zhuǎn)速度。
[0052] 具體地，用呼吸周期確定每次掃描的分段大?。涸诒緦?shí)施例中，若