Ct图像重建方法、ct图像重建装置及ct系统的制作方法
Ct图像重建方法、ct图像重建装置及ct系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及CT图像重建方法、CT图像重建装置及CT系统，特别涉及有物体运动 的情况下的CT图像重建方法、CT图像重建装置及CT系统。
【背景技术】
[0002] X射线计算机断层成像（CT)技术正在得到越来越广泛的应用。例如，CT技术被广 泛利用于科学研究、生物体数据获取、人体检查等多个领域。其中，CT图像例如作为中间数 据用于疾病诊断已有30年的历史。对CT图像重建方式进行研究以降低辐射剂量、提高CT 图像质量、降低图像伪影，一直是研究中的热点问题。
[0003] 实际应用中，CT图像重建方式主要包括滤波反投影方式和迭代重建方式。其中，滤 波反投影方式是CT图像重建的传统方式，已经在目前的CT产品中得到了广泛的应用。但 在滤波反投影方式中，重建图像的投影数据被假设为无噪声干扰的。而实际上，噪声是伴随 着投影数据始终存在的，尤其是在低剂量扫描的情况下更是如此。因此，通过滤波反投影方 式难以获得高质量的CT图像。
[0004] 然而，随着CT技术的各应用领域的发展，CT应用的广度和深度都日渐达到了前所 未有的高度。在这种新的形势背景下，业界对CT使用的安全性考虑与图像质量均有了新 的、更高的要求。这便使得滤波反投影方式难以满足新的需求。
[0005] 针对以上新的需求，在高端应用中，迭代重建方式被重视并研究。迭代重建方式 可以很好地处理电子噪声和其它物理因素所导致的图像伪影，从而在保证图像质量的情况 下，降低扫描时的X射线剂量。但是由于其庞大的计算量导致成像速度缓慢而难以实际应 用。近年，但随着计算机硬件和计算科学的飞速发展，迭代重建方式应用于实际产品成为了 可能。
[0006] 图像重建过程可以公式1表示，其中Μ表示CT的系统矩阵，X为需要重建的图像， Ρ为CT扫描得到的投影数据。
[0007] MX = Ρ (公式 1)
[0008] 迭代重建方式是通过迭代的过程求公式2中最小化目标函数0art来得到最终的图 像X，即最终重建得到的图像X要满足CT扫描得到的投影数据的一致性条件。
[0009] 〇art = | |MX-P| |2 (公式 2)
[0010] 近年来，压缩感知（Compress sensing)理论在CT图像重建领域得到了广泛研究 (参见现有技术文献1)。根据压缩感知理论，在CT图像的迭代重建中引入先验知识作为约 束条件，能够有效的减少迭代重建方式的迭代次数，提高图像重建质量。
[0011] 压缩感知（Compress sensing)理论的CT图像重建过程可以用公式3表示。公式 3表示在满足公式1所示的数据一致性条件下，最小化先验知识的约束项目标函数，即约束 重建的图像在稀疏变换后L1范数最小。其中Ψ为稀疏变换矩阵，常用的有各种小波变换。
[0012] min | | ΨΧ | | 丨，s. t. MX = P (公式 3)
[0013] 在现有技术文献1的方法中，已经证实了 Ψ为TV(总变分：Total Variation)变 换时的有效性。
[0014] 现有技术文献2在现有技术文献1的基础上过引入已知先验图像作为约束条件， 能够在稀疏的投影数据的情况下重建清晰的图像，其约束项增加了先验图像约束项，如公 式4所示。
[0015] min[a | ΙΨΑ-Χρ) | |1+(1-(1) | |Ψ"Χ) | (公式 4)
[0016] 其中ΨρΨ2均为稀疏变换矩阵，Xp为通过一定方法估计得到的先验基本图像，a 为权重。这样，即使在投影数据较少（稀疏）的情况下，由于先验图像的约束，也能重建出 清晰的图像，从而可以有效地减少X射线的辐射剂量。
[0017] 如上所述，CT技术特别是CT图像重建技术这些年发展迅速。但是，在实际的CT应 用中，对于有运动物体的情况，往往还是会有较大的伪影。这是由于在CT旋转扫描过程中， 运动的物体导致了 CT扫描的数据具有不一致性，因此难以重建一致性好的清晰的图像。例 如，在对心脏进行扫描的过程中，由于CT在旋转一周扫描的过程中心脏在跳动，这样每个 角度扫描时内部结构发生了变化。因此，在利用所有角度进行图像重建时就会产生运动伪 影，难以重建出清晰的图像。然而，针对心脏等运动物体的CT扫描的需求这些年来越来越 大，因此该技术问题急需得到研究和解决。
[0018] 现有技术文献 1 :Sidky E Y, Pan X. Image reconstruction in circular cone-beam computed tomography by constrained, total-variation minimization[J]. Physics in medicine and biology, 2008, 53(17):4777.
[0019] 现有技术文献 2 :Chen G H, Tang J,Leng S. Prior image constrained compressed sensing (PICCS) : a method to accurately reconstruct dynamic CT images from highly undersampled projection data sets[J]. Medical physics, 2008, 35(2) :660-663.
【发明内容】
[0020] 本申请针对现有技术中的上述技术问题，提出了一种CT图像重建方法、CT图像重 建装置及CT系统，用于减少有物体运动的情况下的CT图像的运动伪影。
[0021] 本发明提供一种CT图像重建方法，根据通过X射线扫描而得到的投影数据重建CT 图像，其特征在于，包括：运动物体位置检测步骤，检测运动物体在CT图像中的位置；部分 角度选择步骤，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视角点和角 度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据；部分角度约束步骤，根据所述部分角度的 数据，生成部分角度约束条件；以及迭代重建步骤，使用所述部分角度约束条件，通过迭代 重建来生成CT图像。
[0022] 根据本发明的CT图像重建方法，将部分角度投影数据作为数据一致性的约束条 件引入迭代重建算法中。由于部分角度的投影数据能够限制在扫描过程中图像的不一致 性，因此将部分角度的投影数据作为整个重建结果的约束，则能让迭代重建的结果向着符 合一致性的方向进行，也就是运动伪影较小的方向进行。由此，能够提高运动物体的CT图 像的时间分辨率，减少运动伪影。
[0023] 在上述CT图像重建方法中，也可以在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心 区域的情况下，所述部分角度选择步骤选择相对于CT图像的中心与所述运动物体的位置 处于不同侧的视角点；在所述运动物体的位置属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分 角度选择步骤选择任意的视角点。
[0024] 其中，也可以在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，所述部 分角度选择步骤选择距离所述运动物体的位置最远的视角点。
[0025] 由此，在运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，选择相对于CT图像 的中心与运动物体的位置处于不同侧的视角点、例如距离运动物体的位置最远的视角点， 能够减少运动物体的运动对投影数据的影响，从而进一步减少运动伪影。< br>[0026] 在上述CT图像重建方法中，所述部分角度选择步骤也可以从所述投影数据中，选 择以所述视角点为中心的预先设定的角度范围的数据，作为所述部分角度的数据。
[0027] 由此，通过以视角点为中心，根据经验值等适当设定角度范围，能够进一步减少运 动伪影。
[0028] 在上述CT图像重建方法中，所述迭代重建步骤也可以使用对所述部分角度约束 条件和整体图像约束条件进行加权相加而得到的约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。
[0029] 由此，通过将部分角度投影数据作为数据一致性的约束条件引入例如基于压缩感 知理论的迭代重建中，能够提高运动物体的CT图像的时间分辨率，减少运动伪影。
[0030] 另外，本发明还提供一种CT图像重建装置，根据通过X射线扫描而得到的投影数 据重建CT图像，其特征在于，具备：运动物体位置检测单元，检测运动物体在CT图像中的位 置；部分角度选择单元，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视角 点和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据；部分角度约束单元，根据所述部分 角度的数据，生成部分角度约束条件；以及迭代重建单元，使用所述部分角度约束条件，通 过迭代重建来生成CT图像。
[0031] 另外，本发明还提供一种CT系统，通过X射线进行扫描并输出CT图像，其特征在 于，具有：CT扫描仪，通过X射线进行扫描，得到投影数据；CT图像重建装置，检测运动物体 在CT图像中的位置，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视角点 和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据，根据所述部分角度的数据，生成部分 角度约束条件，使用所述部分角度约束条件，通过迭代重建来生成CT图像；以及CT图像输 出装置，输出由所述CT图像重建装置重建的CT图像。
[0032] 本发明的CT图像重建方法的上述各个方式都能够通过CT图像重建装置及CT系 统实现。另外，本发明不限于上述CT图像重建方法、CT图像重建装置及CT系统，也可以通 过使计算机执行上述CT图像重建方法的CT图像重建程序或者构成上述CT图像重建装置 的集成电路来实现。
【附图说明】
[0033] 图1是具备本发明的实施方式的CT图像重建装置的、CT系统的结构框图。
[0034] 图2是本发明的实施方式的CT图像重建装置的结构框图。
[0035] 图3是本发明的实施方式的CT图像重建方法的流程图。
[0036] 图4是本发明的实施方式的CT图像重建的一个具体例的流程图。
[0037] 图5A至图?是本发明的实施方式的部分角度约束有效性的原理图。
[0038] 图6A、图6B是本发明的实施方式的具体例的运动物体位置检测的一个方式的原 理图，图6C是其流程图。
[0039] 图7A是本发明的实施方式的具体例的运动物体位置检测的另一个方式的原理 图，图7B是其流程图。
[0040] 图8A、图8B是本发明的实施方式的具体例的部分角度选择与设置的原理图，图8C 是其流程图。
【具体实施方式】
[0041] 以下结合附图及实施方式对本发明进行更详细的说明。此外，在附图中给同一或 者相应部分附以同一附图标记，省略重复的说明。
[0042] 首先详细说明具备本发明的CT图像重建装置的CT系统。图1是具备本发明的实 施方式的CT图像重建装置的、CT系统的结构框图。如图1所示，CT系统1主要包括CT扫 描仪10、CT图像重建装置20和CT图像输出装置30。
[0043] CT扫描仪10通过X射线进行扫描，得到投影数据。CT扫描仪10包括X射线扫描 器101 (以下又称为X射线源），通过X射线对扫描区域中的扫描对象进行扫描。在此，扫描 对象例如为人体等生物体，可以包括心脏等运动物体。
[0044] CT图像重建装置20例如由通用的计算机或专用的集成电路实现，具体在后文中 详细说明。CT图像重建装置306根据CT扫描仪301所输出的投影数据，利用例如迭代重建 方式的CT图像重建来生成CT图像。
[0045] CT图像输出装置30输出由CT图像重建装置20重建的CT图像。CT图像输出装 置30典型为CT图像显示装置，在屏幕上显示由CT图像重建装置20输出的CT图像。当 然，CT图像输出装置30不限于CT图像显示装置，也可以是通过网络发送由CT图像重建装 置20输出的CT图像的数据传输接口、打印由CT图像重建装置20输出的CT图像的打印机 等。
[0046] 由CT系统1输出的CT图像例如可以被利用于科学研究、生物体数据获取等多个 领域。另外，该CT图像例如也可以作为中间数据，被利用于疾病诊断和健康管理等领域。
[0047] 以下，具体说明本发明的实施方式的CT图像重建装置20。图2是本发明的实施方 式的CT图像重建装置的结构框图。如图2所示，CT图像重建装置20的一个具体结构例具 备运动物体位置检测单元21、部分角度选择单元22、部分角度约束单元23和迭代重建单元 24。CT图像重建装置20所具备的这些结构可以分别由独立的电路结构作为硬件来实现，也 可以通过处理器执行存储器中存储的程序作为功能模块来实现。
[0048] 运动物体位置检测单元21根据被输入的投影数据，检测运动物体在CT图像中的 基本位置，并输出检测到的运动图像位置。部分角度选择单元22根据运动物体的位置选择 视角点和角度范围，并根据视角点和角度范围选择投影数据中的部分角度的数据，作为部 分角度约束单元23的输入。部分角度约束单元23根据部分角度的数据，生成部分角度约 束条件。迭代重建单元24使用由部分角度约束单元23给定的部分角度约束条件作为约束 项，通过迭代重建来生成CT图像，以最终提高运动物体的CT图像的时间分辨率，减少运动 伪影。
[0049] 图2所示的CT图像重建装置20的上述结构仅是本发明的CT图像重建装置的一 例。本发明的CT图像重建装置只要能够实现由上述结构所实现的功能即可，不限定于必须 具有上述结构。
[0050] 接着，具体说明本发明的实施方式的CT图像重建装置20所执行的CT图像重建方 法。图3是本发明的实施方式的CT图像重建方法的流程图。如图3所示，根据本发明的实 施方式的CT图像重建方法，在运动物体位置检测步骤S1中，运动物体位置检测单元21检 测运动物体在CT图像中的位置。然后，在部分角度选择步骤S2中，部分角度选择单元22 根据运动物体的位置选择视角点和角度范围，并根据视角点和角度范围选择投影数据中的 部分角度的数据。然后，在部分角度约束步骤S3中，部分角度约束单元23根据部分角度的 数据，生成部分角度约束条件。最后，在迭代重建步骤S4中，迭代重建单元24使用部分角 度约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。
[0051] 根据本实施方式的CT图像重建装置20及CT图像重建方法，将部分角度投影数据 作为数据一致性的约束条件引入迭代重建算法中。由于部分角度的投影数据能够限制在扫 描过程中图像的不一致性，因此将部分角度的投影数据作为整个重建结果的约束，则能让 迭代重建的结果向着符合一致性的方向进行，也就是运动伪影较小的方向进行。由此，能够 提高运动物体的CT图像的时间分辨率，减少运动伪影。
[0052] 以下说明本实施方式的CT图像重建装置及其方法的一个具体例。该具体例仅为 了使本实施方式的CT图像重建装置及其方法容易理解而举出，并不用于对本实施方式的 CT图像重建装 置及其方法进行限定。接下来结合附图详细说明该具体例。
[0053] 图4是本发明的实施方式的CT图像重建的一个具体例的流程图。如图4所示，在 步骤201中，CT图像重建装置20首先进行一次完整角度的图像重建，得到初始图像，该初 始图像用作迭代重建的初始图像，也可以被用作运动物体位置检测。其中完整角度图像重 建一般使用传统的滤波反投影方法（FBP)，得到的图像具有基本的重建结果，但包含较大的 伪影。
[0054] 在步骤202中，运动图像位置检测单元21利用步骤201中得到的初始图像，进行 运动图像位置检测。具体过程在后文中详细说明。
[0055] 在步骤203中，在步骤202通过运动物体位置检测得到运动物体位置后，部分角度 选择单元22判断运动物体的位置是否属于CT图像的中心区域。在此，CT图像的中心区域 例如是距离CT图像的中心小于规定阈值的区域。一种可实施的方式是计算运动物体的中 心点距离图像中心点的距离，当两个中心点距离小于规定阈值时，则判断为运动物体的位 置属于CT图像的中心区域。另一种可实施的方式是判断运动物体的区域是否覆盖到图像 中心点，如果覆盖到，则判断为运动物体的位置属于CT图像的中心区域。
[0056] 在步骤203中判断为运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，执行步 骤204。在步骤204中，部分角度选择单元22选择距离运动物体的位置最远的视角点，并 从投影数据中，选择以选择的视角点为中心的预先设定的角度范围的数据，作为部分角度 (以下也称为局部角度）的数据。具体过程在后文中详细说明。在此，角度范围只要为投影 数据的角度（例如360度）中的部分角度即可，不作特别设定，例如可以根据以往的履历进 行估计并设定为经验值。
[0057] 在步骤203中判断为运动物体的位置属于CT图像的中心区域的情况下，执行步骤 205。在步骤205中，部分角度选择单元22选择任意的视角点，并选择以该视角点为中心的 预先设定的角度范围的数据，作为部分角度的数据。即，选择投影数据的完整角度中任意的 局部角度。
[0058] 在步骤206中，部分角度约束单元23根据部分角度的数据，生成部分角度约束条 件（以下也称为局部角度约束）。局部角度约束例如是结合实际局部投影数据巧《和当前 的图像重建结果正向投影得到的对应角度的局部投影数据Plnit生成的稀疏约束项，可以用 公式5表不：
[0059] - PQ： 公式 5
[0060] 其中表示投影数据的稀疏性变换。
[0061] 为了和其他图像约束项一致，将该约束项转换到CT图像域中，可由公式6表示。
[0062] %{XlmT - Xlmt) 公式 6
[0063] 其中为图像数据的稀疏性变换，为实际局部投影数据巧《滤波反投影后得 到的图像，Xlnit为当前的图像重建结果正向投影得到的对应角度的局部投影数据？_再进行 滤波反投影得到的图像。由此，结合局部角度实际投影数据和当前的图像重建结果得到局 部角度投影数据的约束项，即部分角度约束条件。
[0064] 本具体例的CT图像重建装置20将局部角度投影数据的约束项增加到基于压缩感 知理论的迭代重建的目标函数中，这样基于压缩感知理论的迭代重建的目标函数如公式7 所示：
[0065]
[0066] 其中Ψ2Χ对应于步骤207中生成的其他约束项。作为其他约束项的一例，可以是 针对图像整体的整体图像约束条件，例如TV(总变分）变换或者其他形式的图像本身的稀 疏性约束。Ct为权衡本发明提出的局部角度约束项和其它约束项的权重，范围为〇~1，一 般根据不同应用条件通过实验选取。
[0067] 在步骤208中，迭代重建单元24进行迭代重建更新。在迭代重建更新中，可以使 用现有的基本的迭代重建方式，如ART (代数迭代）、SART (联合迭代）等。
[0068] 在步骤209中，迭代重建单元24对目标函数进行最优化。目标函数优化可以使用 一般的目标函数优化方法，如梯度下降法等。
[0069] 在步骤210中，迭代重建单元24判断迭代的过程是否满足一定的迭代结束条件。 迭代约束条件可以是最大迭代次数，也可以是重建图像数据的计算机投影和实际投影数据 的差异小于一定阈值的情况，或者是二者的组合。
[0070] 在步骤210中判断为不满足迭代结束条件的情况下，返回步骤208,并继续进行迭 代重建。
[0071] 在步骤210中判断为满足迭代结束条件的情况下，执行步骤211。在步骤211中， 迭代重建单元24得到满足约束条件的最终重建结果图像。
[0072] 如上所述，在本具体例中，迭代重建单元24在步骤S208至S211中，使用对部分角 度约束条件和整体图像约束条件进行加权相加而得到的约束条件，通过迭代重建来生成CT 图像。
[0073] 在本实施方式的上述具体例中，步骤202对应于运动物体位置检测步骤S1，步骤 203至205对应于部分角度选择步骤S2,步骤206对应于部分角度约束步骤S3,步骤208至 步骤211对应于迭代重建步骤S4。根据该具体例，CT图像重建装置20通过增加了部分角 度约束条件，能够生成具有较少的运动伪影的CT图像。
[0074] 以下详细说明本实施方式（及其具体例）能够生成具有较少的运动伪影的CT图 像的原理，即部分角度约束有效性原理。图5A至图f5D是本发明的实施方式的部分角度约 束有效性的原理图。图中301是图像，302是运动物体，303是X射线源，304是X射线源扫 描一圈的轨迹。从图5A、图5B和图5C可以看出，当X射线源扫描角度较小时，也就是扫描 时间较短时（例如图5B的情况），运动物体的对图像一致性的影响较小，当X射线源扫描角 度较大时，也就是扫描持续时间较长时（例如图5C的情况），运动物体的对图像一致性的影 响较大。这一倾向通过图f5D示出。部分角度的投影数据能够限制在扫描过程中图像的不 一致性，因此将部分角度的投影数据作为整个重建结果的约束，则能让迭代重建的结果向 着符合一致性的方向进行，也就是运动伪影较小的方向进行。
[0075] 接着，详细说明由本实施方式的上述具体例中运动物体位置检测模块21在步骤 202中进行的运动物体位置检测的具体例。运动物体位置检测可以使用基于透射图的定位 方式（图6A至图6C)和基于切片图（一般的CT图像）的定位方式（图7A、图7B)。
[0076] 图6A、图6B是本发明的实施方式的具体例的运动物体位置检测的一个方式的原 理图，图6C是其流程图。在该基于透射图的定位方式中，通过给定两个垂直方向的透射图， 在每个透射图中定位运动目标，从而得到运动目标在CT图像中的X，Y轴的位置坐标。一般 根据图像坐标系选取正好是X，Υ坐标轴方向的两个垂直透射图以方便处理。如图6C的流 程图所示，在步骤304中，输入投影数据。在步骤305中，获取两个投影角度成直角的透射 图，由此在步骤306、307中得到透射图1和透射图2。在步骤308中，针对透射图1和透射 图2进行运动物体检测定位。在步骤309、310中，分别确定运动物体X轴向位置和运动物 体Υ轴向位置。由此，在步骤311中，检测出运动物体的位置。其中，运动物体的检测定位 可以是根据某种特定运动物体（如心脏）的透射图特征的自动检测方法，也可以是由用户 输入确定。
[0077] 图7Α是本发明的实施方式的具体例的运动物体位置检测的另一个方式的原理 图，图7Β是其流程图。在该基于切片图（一般 的CT图像）的定位方式中，如图7Β的流程 图所示，在步骤312中，获取切片图像。在步骤313中，提取运动物体特征。在步骤314中， 训练该物体的分类器。在步骤315中，检测出运动物体窗口位置。其中，可以利用某些特定 运动物体（如心脏）的CT图像特征，例如形状、纹理、CT值等，通过训练该物体的特征分类 器，在CT图像中检测得到位置。该方式属于图像检测领域内的成熟技术，可参考人脸检测 方法。
[0078] 另外，本实施方式中的运动物体位置检测不限于上述方式，可以使用以往的各种 检测方式，也可以直接由用户划定运动目标的大概位置。
[0079] 接着详细说明本实施方式的上述具体例中部分角度选择模块22在步骤203至205 中进行的部分角度选择的原理。图8Α、图8Β是本发明的实施方式的具体例的部分角度选择 与设置的原理图，图8C是其流程图。在上述具体例中，部分角度的选择可以根据运动物体 的位置来确定。如图8Α所示，当X射线源501在距离运动物体502较远的一侧时，运动物 体的运动对投影数据的影响范围为503所示。如图8Β所示，当X射线源501在距离运动物 体502较近的一侧时，运动物体的运动对投影数据的影响范围为505所示。可以看出，图8Α 中503的范围比图8B中505的范围要小。即，X射线源501在距离运动物体502较远时与 较近时相比，运动物体的运动对投影数据的影响范围较小。
[0080] 因此，为了使运动物体的运动对投影数据的影响小，选择X射线源501距离运动物 体502较远的图8A中504所示的部分角度，优于选择X射线源501距离运动物体502较近 的图8B中506所示的部分角度。进而，为了使得X射线源501距离运动物体502较远，可 以选择相对于CT图像的中心与运动物体的位置处于不同侧的视角点。在上述具体例中，作 为相对于CT图像的中心与运动物体的位置处于不同侧的视角点，选择了距离运动物体的 位置最远的视角点。
[0081] 因此，在运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，可以如图8C的流程 图所示决定部分角度范围。在步骤507中，部分角度选择模块22从运动物体位置检测模块 21获取运动物体位置。在步骤508中，部分角度选择模块22计算X射线源旋转轨道（扫描 轨道）上的距离运动物体最远点。在步骤509中，部分角度选择模块22获取该最远点对应 的投影数据的投影角度FV。在步骤510中，部分角度选择模块22以投影角度FV为中心设 置部分角度的范围。由此，选择扫描轨道上距离运动物体最远的点对应的角度作为部分角 度的中心点，部分角度的部分范围可以随意调整，具体权衡伪影强度和重建时间根据实验 设定。由此，通过以视角点为中心，根据经验值等适当设定角度范围，能够进一步减少运动 伪影。
[0082] 以上参照【附图说明】了本发明的实施例。其中，以上说明的实施例仅是本发明的具 体例子，用于理解本发明，而不用于限定本发明的范围。本领域技术人员能够基于本发明的 技术思想对各实施例进行各种变形、组合和要素的合理省略，由此得到的方式也包括在本 发明的范围内。
【主权项】
1. 一种CT图像重建方法，根据通过X射线扫描而得到的投影数据重建CT图像，其特征 在于，包括： 运动物体位置检测步骤，检测运动物体在CT图像中的位置； 部分角度选择步骤，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视 角点和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据； 部分角度约束步骤，根据所述部分角度的数据，生成部分角度约束条件；以及 迭代重建步骤，使用所述部分角度约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。2. 如权利要求1所述的CT图像重建方法，其特征在于， 在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择步骤 选择相对于CT图像的中心与所述运动物体的位置处于不同侧的视角点； 在所述运动物体的位置属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择步骤选 择任意的视角点。3. 如权利要求2所述的CT图像重建方法，其特征在于， 在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择步骤 选择距离所述运动物体的位置最远的视角点。4. 如权利要求1至3中任一项所述的CT图像重建方法，其特征在于， 所述部分角度选择步骤从所述投影数据中，选择以所述视角点为中心的预先设定的角 度范围的数据，作为所述部分角度的数据。5. 如权利要求1至3中任一项所述的CT图像重建方法，其特征在于， 所述迭代重建步骤使用对所述部分角度约束条件和整体图像约束条件进行加权相加 而得到的约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。6. -种CT图像重建装置，根据通过X射线扫描而得到的投影数据重建CT图像，其特征 在于，具备： 运动物体位置检测单元，检测运动物体在CT图像中的位置； 部分角度选择单元，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视 角点和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据； 部分角度约束单元，根据所述部分角度的数据，生成部分角度约束条件；以及 迭代重建单元，使用所述部分角度约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。7. 如权利要求6所述的CT图像重建装置，其特征在于， 在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择单元 选择相对于CT图像的中心与所述运动物体的位置处于不同侧的视角点； 在所述运动物体的位置属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择单元选 择任意的视角点。8. 如权利要求6或7所述的CT图像重建装置，其特征在于， 在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择单元 选择距离所述运动物体的位置最远的视角点。9. 如权利要求6或7所述的CT图像重建装置，其特征在于， 所述部分角度选择单元从所述投影数据中，选择以所述视角点为中心的预先设定的角 度范围的数据，作为所述部分角度的数据。10. -种CT系统，通过X射线进行扫描并输出CT图像，其特征在于，具有： CT扫描仪，通过X射线进行扫描，得到投影数据； CT图像重建装置，检测运动物体在CT图像中的位置，根据运动物体的所述位置选择视 角点和角度范围，并根据所述视角点和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据， 根据所述部分角度的数据，生成部分角度约束条件，使用所述部分角度约束条件，通过迭代 重建来生成CT图像；以及 CT图像输出装置，输出由所述CT图像重建装置重建的CT图像。
【专利摘要】本发明提供CT图像重建方法、CT图像重建装置及CT系统，用于减少有物体运动的情况下的CT图像的运动伪影。CT图像重建方法根据通过X射线扫描而得到的投影数据重建CT图像，包括：运动物体位置检测步骤，检测运动物体在CT图像中的位置；部分角度选择步骤，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视角点和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据；部分角度约束步骤，根据所述部分角度的数据，生成部分角度约束条件；以及迭代重建步骤，使用所述部分角度约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。由此，能够提高运动物体的CT图像的时间分辨率，减少运动伪影。
【IPC分类】G06T11/00
【公开号】CN105488823
【申请号】CN201410472082
【发明人】盛兴东, 韩颖婕, 后藤大雅, 山川惠介
【申请人】株式会社日立医疗器械
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月16日
【公告号】WO2016042863A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及CT图像重建方法、CT图像重建装置及CT系统，特别涉及有物体运动 的情况下的CT图像重建方法、CT图像重建装置及CT系统。
【背景技术】
[0002] X射线计算机断层成像（CT)技术正在得到越来越广泛的应用。例如，CT技术被广 泛利用于科学研究、生物体数据获取、人体检查等多个领域。其中，CT图像例如作为中间数 据用于疾病诊断已有30年的历史。对CT图像重建方式进行研究以降低辐射剂量、提高CT 图像质量、降低图像伪影，一直是研究中的热点问题。
[0003] 实际应用中，CT图像重建方式主要包括滤波反投影方式和迭代重建方式。其中，滤 波反投影方式是CT图像重建的传统方式，已经在目前的CT产品中得到了广泛的应用。但 在滤波反投影方式中，重建图像的投影数据被假设为无噪声干扰的。而实际上，噪声是伴随 着投影数据始终存在的，尤其是在低剂量扫描的情况下更是如此。因此，通过滤波反投影方 式难以获得高质量的CT图像。
[0004] 然而，随着CT技术的各应用领域的发展，CT应用的广度和深度都日渐达到了前所 未有的高度。在这种新的形势背景下，业界对CT使用的安全性考虑与图像质量均有了新 的、更高的要求。这便使得滤波反投影方式难以满足新的需求。
[0005] 针对以上新的需求，在高端应用中，迭代重建方式被重视并研究。迭代重建方式 可以很好地处理电子噪声和其它物理因素所导致的图像伪影，从而在保证图像质量的情况 下，降低扫描时的X射线剂量。但是由于其庞大的计算量导致成像速度缓慢而难以实际应 用。近年，但随着计算机硬件和计算科学的飞速发展，迭代重建方式应用于实际产品成为了 可能。
[0006] 图像重建过程可以公式1表示，其中Μ表示CT的系统矩阵，X为需要重建的图像， Ρ为CT扫描得到的投影数据。
[0007] MX = Ρ (公式 1)
[0008] 迭代重建方式是通过迭代的过程求公式2中最小化目标函数0art来得到最终的图 像X，即最终重建得到的图像X要满足CT扫描得到的投影数据的一致性条件。
[0009] 〇art = | |MX-P| |2 (公式 2)
[0010] 近年来，压缩感知（Compress sensing)理论在CT图像重建领域得到了广泛研究 (参见现有技术文献1)。根据压缩感知理论，在CT图像的迭代重建中引入先验知识作为约 束条件，能够有效的减少迭代重建方式的迭代次数，提高图像重建质量。
[0011] 压缩感知（Compress sensing)理论的CT图像重建过程可以用公式3表示。公式 3表示在满足公式1所示的数据一致性条件下，最小化先验知识的约束项目标函数，即约束 重建的图像在稀疏变换后L1范数最小。其中Ψ为稀疏变换矩阵，常用的有各种小波变换。
[0012] min | | ΨΧ | | 丨，s. t. MX = P (公式 3)
[0013] 在现有技术文献1的方法中，已经证实了 Ψ为TV(总变分：Total Variation)变 换时的有效性。
[0014] 现有技术文献2在现有技术文献1的基础上过引入已知先验图像作为约束条件， 能够在稀疏的投影数据的情况下重建清晰的图像，其约束项增加了先验图像约束项，如公 式4所示。
[0015] min[a | ΙΨΑ-Χρ) | |1+(1-(1) | |Ψ"Χ) | (公式 4)
[0016] 其中ΨρΨ2均为稀疏变换矩阵，Xp为通过一定方法估计得到的先验基本图像，a 为权重。这样，即使在投影数据较少（稀疏）的情况下，由于先验图像的约束，也能重建出 清晰的图像，从而可以有效地减少X射线的辐射剂量。
[0017] 如上所述，CT技术特别是CT图像重建技术这些年发展迅速。但是，在实际的CT应 用中，对于有运动物体的情况，往往还是会有较大的伪影。这是由于在CT旋转扫描过程中， 运动的物体导致了 CT扫描的数据具有不一致性，因此难以重建一致性好的清晰的图像。例 如，在对心脏进行扫描的过程中，由于CT在旋转一周扫描的过程中心脏在跳动，这样每个 角度扫描时内部结构发生了变化。因此，在利用所有角度进行图像重建时就会产生运动伪 影，难以重建出清晰的图像。然而，针对心脏等运动物体的CT扫描的需求这些年来越来越 大，因此该技术问题急需得到研究和解决。
[0018] 现有技术文献 1 :Sidky E Y, Pan X. Image reconstruction in circular cone-beam computed tomography by constrained, total-variation minimization[J]. Physics in medicine and biology, 2008, 53(17):4777.
[0019] 现有技术文献 2 :Chen G H, Tang J,Leng S. Prior image constrained compressed sensing (PICCS) : a method to accurately reconstruct dynamic CT images from highly undersampled projection data sets[J]. Medical physics, 2008, 35(2) :660-663.
【发明内容】
[0020] 本申请针对现有技术中的上述技术问题，提出了一种CT图像重建方法、CT图像重 建装置及CT系统，用于减少有物体运动的情况下的CT图像的运动伪影。
[0021] 本发明提供一种CT图像重建方法，根据通过X射线扫描而得到的投影数据重建CT 图像，其特征在于，包括：运动物体位置检测步骤，检测运动物体在CT图像中的位置；部分 角度选择步骤，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视角点和角 度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据；部分角度约束步骤，根据所述部分角度的 数据，生成部分角度约束条件；以及迭代重建步骤，使用所述部分角度约束条件，通过迭代 重建来生成CT图像。
[0022] 根据本发明的CT图像重建方法，将部分角度投影数据作为数据一致性的约束条 件引入迭代重建算法中。由于部分角度的投影数据能够限制在扫描过程中图像的不一致 性，因此将部分角度的投影数据作为整个重建结果的约束，则能让迭代重建的结果向着符 合一致性的方向进行，也就是运动伪影较小的方向进行。由此，能够提高运动物体的CT图 像的时间分辨率，减少运动伪影。
[0023] 在上述CT图像重建方法中，也可以在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心 区域的情况下，所述部分角度选择步骤选择相对于CT图像的中心与所述运动物体的位置 处于不同侧的视角点；在所述运动物体的位置属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分 角度选择步骤选择任意的视角点。
[0024] 其中，也可以在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，所述部 分角度选择步骤选择距离所述运动物体的位置最远的视角点。
[0025] 由此，在运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，选择相对于CT图像 的中心与运动物体的位置处于不同侧的视角点、例如距离运动物体的位置最远的视角点， 能够减少运动物体的运动对投影数据的影响，从而进一步减少运动伪影。< br>[0026] 在上述CT图像重建方法中，所述部分角度选择步骤也可以从所述投影数据中，选 择以所述视角点为中心的预先设定的角度范围的数据，作为所述部分角度的数据。
[0027] 由此，通过以视角点为中心，根据经验值等适当设定角度范围，能够进一步减少运 动伪影。
[0028] 在上述CT图像重建方法中，所述迭代重建步骤也可以使用对所述部分角度约束 条件和整体图像约束条件进行加权相加而得到的约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。
[0029] 由此，通过将部分角度投影数据作为数据一致性的约束条件引入例如基于压缩感 知理论的迭代重建中，能够提高运动物体的CT图像的时间分辨率，减少运动伪影。
[0030] 另外，本发明还提供一种CT图像重建装置，根据通过X射线扫描而得到的投影数 据重建CT图像，其特征在于，具备：运动物体位置检测单元，检测运动物体在CT图像中的位 置；部分角度选择单元，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视角 点和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据；部分角度约束单元，根据所述部分 角度的数据，生成部分角度约束条件；以及迭代重建单元，使用所述部分角度约束条件，通 过迭代重建来生成CT图像。
[0031] 另外，本发明还提供一种CT系统，通过X射线进行扫描并输出CT图像，其特征在 于，具有：CT扫描仪，通过X射线进行扫描，得到投影数据；CT图像重建装置，检测运动物体 在CT图像中的位置，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视角点 和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据，根据所述部分角度的数据，生成部分 角度约束条件，使用所述部分角度约束条件，通过迭代重建来生成CT图像；以及CT图像输 出装置，输出由所述CT图像重建装置重建的CT图像。
[0032] 本发明的CT图像重建方法的上述各个方式都能够通过CT图像重建装置及CT系 统实现。另外，本发明不限于上述CT图像重建方法、CT图像重建装置及CT系统，也可以通 过使计算机执行上述CT图像重建方法的CT图像重建程序或者构成上述CT图像重建装置 的集成电路来实现。
【附图说明】
[0033] 图1是具备本发明的实施方式的CT图像重建装置的、CT系统的结构框图。
[0034] 图2是本发明的实施方式的CT图像重建装置的结构框图。
[0035] 图3是本发明的实施方式的CT图像重建方法的流程图。
[0036] 图4是本发明的实施方式的CT图像重建的一个具体例的流程图。
[0037] 图5A至图?是本发明的实施方式的部分角度约束有效性的原理图。
[0038] 图6A、图6B是本发明的实施方式的具体例的运动物体位置检测的一个方式的原 理图，图6C是其流程图。
[0039] 图7A是本发明的实施方式的具体例的运动物体位置检测的另一个方式的原理 图，图7B是其流程图。
[0040] 图8A、图8B是本发明的实施方式的具体例的部分角度选择与设置的原理图，图8C 是其流程图。
【具体实施方式】
[0041] 以下结合附图及实施方式对本发明进行更详细的说明。此外，在附图中给同一或 者相应部分附以同一附图标记，省略重复的说明。
[0042] 首先详细说明具备本发明的CT图像重建装置的CT系统。图1是具备本发明的实 施方式的CT图像重建装置的、CT系统的结构框图。如图1所示，CT系统1主要包括CT扫 描仪10、CT图像重建装置20和CT图像输出装置30。
[0043] CT扫描仪10通过X射线进行扫描，得到投影数据。CT扫描仪10包括X射线扫描 器101 (以下又称为X射线源），通过X射线对扫描区域中的扫描对象进行扫描。在此，扫描 对象例如为人体等生物体，可以包括心脏等运动物体。
[0044] CT图像重建装置20例如由通用的计算机或专用的集成电路实现，具体在后文中 详细说明。CT图像重建装置306根据CT扫描仪301所输出的投影数据，利用例如迭代重建 方式的CT图像重建来生成CT图像。
[0045] CT图像输出装置30输出由CT图像重建装置20重建的CT图像。CT图像输出装 置30典型为CT图像显示装置，在屏幕上显示由CT图像重建装置20输出的CT图像。当 然，CT图像输出装置30不限于CT图像显示装置，也可以是通过网络发送由CT图像重建装 置20输出的CT图像的数据传输接口、打印由CT图像重建装置20输出的CT图像的打印机 等。
[0046] 由CT系统1输出的CT图像例如可以被利用于科学研究、生物体数据获取等多个 领域。另外，该CT图像例如也可以作为中间数据，被利用于疾病诊断和健康管理等领域。
[0047] 以下，具体说明本发明的实施方式的CT图像重建装置20。图2是本发明的实施方 式的CT图像重建装置的结构框图。如图2所示，CT图像重建装置20的一个具体结构例具 备运动物体位置检测单元21、部分角度选择单元22、部分角度约束单元23和迭代重建单元 24。CT图像重建装置20所具备的这些结构可以分别由独立的电路结构作为硬件来实现，也 可以通过处理器执行存储器中存储的程序作为功能模块来实现。
[0048] 运动物体位置检测单元21根据被输入的投影数据，检测运动物体在CT图像中的 基本位置，并输出检测到的运动图像位置。部分角度选择单元22根据运动物体的位置选择 视角点和角度范围，并根据视角点和角度范围选择投影数据中的部分角度的数据，作为部 分角度约束单元23的输入。部分角度约束单元23根据部分角度的数据，生成部分角度约 束条件。迭代重建单元24使用由部分角度约束单元23给定的部分角度约束条件作为约束 项，通过迭代重建来生成CT图像，以最终提高运动物体的CT图像的时间分辨率，减少运动 伪影。
[0049] 图2所示的CT图像重建装置20的上述结构仅是本发明的CT图像重建装置的一 例。本发明的CT图像重建装置只要能够实现由上述结构所实现的功能即可，不限定于必须 具有上述结构。
[0050] 接着，具体说明本发明的实施方式的CT图像重建装置20所执行的CT图像重建方 法。图3是本发明的实施方式的CT图像重建方法的流程图。如图3所示，根据本发明的实 施方式的CT图像重建方法，在运动物体位置检测步骤S1中，运动物体位置检测单元21检 测运动物体在CT图像中的位置。然后，在部分角度选择步骤S2中，部分角度选择单元22 根据运动物体的位置选择视角点和角度范围，并根据视角点和角度范围选择投影数据中的 部分角度的数据。然后，在部分角度约束步骤S3中，部分角度约束单元23根据部分角度的 数据，生成部分角度约束条件。最后，在迭代重建步骤S4中，迭代重建单元24使用部分角 度约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。
[0051] 根据本实施方式的CT图像重建装置20及CT图像重建方法，将部分角度投影数据 作为数据一致性的约束条件引入迭代重建算法中。由于部分角度的投影数据能够限制在扫 描过程中图像的不一致性，因此将部分角度的投影数据作为整个重建结果的约束，则能让 迭代重建的结果向着符合一致性的方向进行，也就是运动伪影较小的方向进行。由此，能够 提高运动物体的CT图像的时间分辨率，减少运动伪影。
[0052] 以下说明本实施方式的CT图像重建装置及其方法的一个具体例。该具体例仅为 了使本实施方式的CT图像重建装置及其方法容易理解而举出，并不用于对本实施方式的 CT图像重建装 置及其方法进行限定。接下来结合附图详细说明该具体例。
[0053] 图4是本发明的实施方式的CT图像重建的一个具体例的流程图。如图4所示，在 步骤201中，CT图像重建装置20首先进行一次完整角度的图像重建，得到初始图像，该初 始图像用作迭代重建的初始图像，也可以被用作运动物体位置检测。其中完整角度图像重 建一般使用传统的滤波反投影方法（FBP)，得到的图像具有基本的重建结果，但包含较大的 伪影。
[0054] 在步骤202中，运动图像位置检测单元21利用步骤201中得到的初始图像，进行 运动图像位置检测。具体过程在后文中详细说明。
[0055] 在步骤203中，在步骤202通过运动物体位置检测得到运动物体位置后，部分角度 选择单元22判断运动物体的位置是否属于CT图像的中心区域。在此，CT图像的中心区域 例如是距离CT图像的中心小于规定阈值的区域。一种可实施的方式是计算运动物体的中 心点距离图像中心点的距离，当两个中心点距离小于规定阈值时，则判断为运动物体的位 置属于CT图像的中心区域。另一种可实施的方式是判断运动物体的区域是否覆盖到图像 中心点，如果覆盖到，则判断为运动物体的位置属于CT图像的中心区域。
[0056] 在步骤203中判断为运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，执行步 骤204。在步骤204中，部分角度选择单元22选择距离运动物体的位置最远的视角点，并 从投影数据中，选择以选择的视角点为中心的预先设定的角度范围的数据，作为部分角度 (以下也称为局部角度）的数据。具体过程在后文中详细说明。在此，角度范围只要为投影 数据的角度（例如360度）中的部分角度即可，不作特别设定，例如可以根据以往的履历进 行估计并设定为经验值。
[0057] 在步骤203中判断为运动物体的位置属于CT图像的中心区域的情况下，执行步骤 205。在步骤205中，部分角度选择单元22选择任意的视角点，并选择以该视角点为中心的 预先设定的角度范围的数据，作为部分角度的数据。即，选择投影数据的完整角度中任意的 局部角度。
[0058] 在步骤206中，部分角度约束单元23根据部分角度的数据，生成部分角度约束条 件（以下也称为局部角度约束）。局部角度约束例如是结合实际局部投影数据巧《和当前 的图像重建结果正向投影得到的对应角度的局部投影数据Plnit生成的稀疏约束项，可以用 公式5表不：
[0059] - PQ： 公式 5
[0060] 其中表示投影数据的稀疏性变换。
[0061] 为了和其他图像约束项一致，将该约束项转换到CT图像域中，可由公式6表示。
[0062] %{XlmT - Xlmt) 公式 6
[0063] 其中为图像数据的稀疏性变换，为实际局部投影数据巧《滤波反投影后得 到的图像，Xlnit为当前的图像重建结果正向投影得到的对应角度的局部投影数据？_再进行 滤波反投影得到的图像。由此，结合局部角度实际投影数据和当前的图像重建结果得到局 部角度投影数据的约束项，即部分角度约束条件。
[0064] 本具体例的CT图像重建装置20将局部角度投影数据的约束项增加到基于压缩感 知理论的迭代重建的目标函数中，这样基于压缩感知理论的迭代重建的目标函数如公式7 所示：
[0065]
[0066] 其中Ψ2Χ对应于步骤207中生成的其他约束项。作为其他约束项的一例，可以是 针对图像整体的整体图像约束条件，例如TV(总变分）变换或者其他形式的图像本身的稀 疏性约束。Ct为权衡本发明提出的局部角度约束项和其它约束项的权重，范围为〇~1，一 般根据不同应用条件通过实验选取。
[0067] 在步骤208中，迭代重建单元24进行迭代重建更新。在迭代重建更新中，可以使 用现有的基本的迭代重建方式，如ART (代数迭代）、SART (联合迭代）等。
[0068] 在步骤209中，迭代重建单元24对目标函数进行最优化。目标函数优化可以使用 一般的目标函数优化方法，如梯度下降法等。
[0069] 在步骤210中，迭代重建单元24判断迭代的过程是否满足一定的迭代结束条件。 迭代约束条件可以是最大迭代次数，也可以是重建图像数据的计算机投影和实际投影数据 的差异小于一定阈值的情况，或者是二者的组合。
[0070] 在步骤210中判断为不满足迭代结束条件的情况下，返回步骤208,并继续进行迭 代重建。
[0071] 在步骤210中判断为满足迭代结束条件的情况下，执行步骤211。在步骤211中， 迭代重建单元24得到满足约束条件的最终重建结果图像。
[0072] 如上所述，在本具体例中，迭代重建单元24在步骤S208至S211中，使用对部分角 度约束条件和整体图像约束条件进行加权相加而得到的约束条件，通过迭代重建来生成CT 图像。
[0073] 在本实施方式的上述具体例中，步骤202对应于运动物体位置检测步骤S1，步骤 203至205对应于部分角度选择步骤S2,步骤206对应于部分角度约束步骤S3,步骤208至 步骤211对应于迭代重建步骤S4。根据该具体例，CT图像重建装置20通过增加了部分角 度约束条件，能够生成具有较少的运动伪影的CT图像。
[0074] 以下详细说明本实施方式（及其具体例）能够生成具有较少的运动伪影的CT图 像的原理，即部分角度约束有效性原理。图5A至图f5D是本发明的实施方式的部分角度约 束有效性的原理图。图中301是图像，302是运动物体，303是X射线源，304是X射线源扫 描一圈的轨迹。从图5A、图5B和图5C可以看出，当X射线源扫描角度较小时，也就是扫描 时间较短时（例如图5B的情况），运动物体的对图像一致性的影响较小，当X射线源扫描角 度较大时，也就是扫描持续时间较长时（例如图5C的情况），运动物体的对图像一致性的影 响较大。这一倾向通过图f5D示出。部分角度的投影数据能够限制在扫描过程中图像的不 一致性，因此将部分角度的投影数据作为整个重建结果的约束，则能让迭代重建的结果向 着符合一致性的方向进行，也就是运动伪影较小的方向进行。
[0075] 接着，详细说明由本实施方式的上述具体例中运动物体位置检测模块21在步骤 202中进行的运动物体位置检测的具体例。运动物体位置检测可以使用基于透射图的定位 方式（图6A至图6C)和基于切片图（一般的CT图像）的定位方式（图7A、图7B)。
[0076] 图6A、图6B是本发明的实施方式的具体例的运动物体位置检测的一个方式的原 理图，图6C是其流程图。在该基于透射图的定位方式中，通过给定两个垂直方向的透射图， 在每个透射图中定位运动目标，从而得到运动目标在CT图像中的X，Y轴的位置坐标。一般 根据图像坐标系选取正好是X，Υ坐标轴方向的两个垂直透射图以方便处理。如图6C的流 程图所示，在步骤304中，输入投影数据。在步骤305中，获取两个投影角度成直角的透射 图，由此在步骤306、307中得到透射图1和透射图2。在步骤308中，针对透射图1和透射 图2进行运动物体检测定位。在步骤309、310中，分别确定运动物体X轴向位置和运动物 体Υ轴向位置。由此，在步骤311中，检测出运动物体的位置。其中，运动物体的检测定位 可以是根据某种特定运动物体（如心脏）的透射图特征的自动检测方法，也可以是由用户 输入确定。
[0077] 图7Α是本发明的实施方式的具体例的运动物体位置检测的另一个方式的原理 图，图7Β是其流程图。在该基于切片图（一般 的CT图像）的定位方式中，如图7Β的流程 图所示，在步骤312中，获取切片图像。在步骤313中，提取运动物体特征。在步骤314中， 训练该物体的分类器。在步骤315中，检测出运动物体窗口位置。其中，可以利用某些特定 运动物体（如心脏）的CT图像特征，例如形状、纹理、CT值等，通过训练该物体的特征分类 器，在CT图像中检测得到位置。该方式属于图像检测领域内的成熟技术，可参考人脸检测 方法。
[0078] 另外，本实施方式中的运动物体位置检测不限于上述方式，可以使用以往的各种 检测方式，也可以直接由用户划定运动目标的大概位置。
[0079] 接着详细说明本实施方式的上述具体例中部分角度选择模块22在步骤203至205 中进行的部分角度选择的原理。图8Α、图8Β是本发明的实施方式的具体例的部分角度选择 与设置的原理图，图8C是其流程图。在上述具体例中，部分角度的选择可以根据运动物体 的位置来确定。如图8Α所示，当X射线源501在距离运动物体502较远的一侧时，运动物 体的运动对投影数据的影响范围为503所示。如图8Β所示，当X射线源501在距离运动物 体502较近的一侧时，运动物体的运动对投影数据的影响范围为505所示。可以看出，图8Α 中503的范围比图8B中505的范围要小。即，X射线源501在距离运动物体502较远时与 较近时相比，运动物体的运动对投影数据的影响范围较小。
[0080] 因此，为了使运动物体的运动对投影数据的影响小，选择X射线源501距离运动物 体502较远的图8A中504所示的部分角度，优于选择X射线源501距离运动物体502较近 的图8B中506所示的部分角度。进而，为了使得X射线源501距离运动物体502较远，可 以选择相对于CT图像的中心与运动物体的位置处于不同侧的视角点。在上述具体例中，作 为相对于CT图像的中心与运动物体的位置处于不同侧的视角点，选择了距离运动物体的 位置最远的视角点。
[0081] 因此，在运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，可以如图8C的流程 图所示决定部分角度范围。在步骤507中，部分角度选择模块22从运动物体位置检测模块 21获取运动物体位置。在步骤508中，部分角度选择模块22计算X射线源旋转轨道（扫描 轨道）上的距离运动物体最远点。在步骤509中，部分角度选择模块22获取该最远点对应 的投影数据的投影角度FV。在步骤510中，部分角度选择模块22以投影角度FV为中心设 置部分角度的范围。由此，选择扫描轨道上距离运动物体最远的点对应的角度作为部分角 度的中心点，部分角度的部分范围可以随意调整，具体权衡伪影强度和重建时间根据实验 设定。由此，通过以视角点为中心，根据经验值等适当设定角度范围，能够进一步减少运动 伪影。
[0082] 以上参照【附图说明】了本发明的实施例。其中，以上说明的实施例仅是本发明的具 体例子，用于理解本发明，而不用于限定本发明的范围。本领域技术人员能够基于本发明的 技术思想对各实施例进行各种变形、组合和要素的合理省略，由此得到的方式也包括在本 发明的范围内。
【主权项】
1. 一种CT图像重建方法，根据通过X射线扫描而得到的投影数据重建CT图像，其特征 在于，包括： 运动物体位置检测步骤，检测运动物体在CT图像中的位置； 部分角度选择步骤，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视 角点和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据； 部分角度约束步骤，根据所述部分角度的数据，生成部分角度约束条件；以及 迭代重建步骤，使用所述部分角度约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。2. 如权利要求1所述的CT图像重建方法，其特征在于， 在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择步骤 选择相对于CT图像的中心与所述运动物体的位置处于不同侧的视角点； 在所述运动物体的位置属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择步骤选 择任意的视角点。3. 如权利要求2所述的CT图像重建方法，其特征在于， 在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择步骤 选择距离所述运动物体的位置最远的视角点。4. 如权利要求1至3中任一项所述的CT图像重建方法，其特征在于， 所述部分角度选择步骤从所述投影数据中，选择以所述视角点为中心的预先设定的角 度范围的数据，作为所述部分角度的数据。5. 如权利要求1至3中任一项所述的CT图像重建方法，其特征在于， 所述迭代重建步骤使用对所述部分角度约束条件和整体图像约束条件进行加权相加 而得到的约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。6. -种CT图像重建装置，根据通过X射线扫描而得到的投影数据重建CT图像，其特征 在于，具备： 运动物体位置检测单元，检测运动物体在CT图像中的位置； 部分角度选择单元，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视 角点和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据； 部分角度约束单元，根据所述部分角度的数据，生成部分角度约束条件；以及 迭代重建单元，使用所述部分角度约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。7. 如权利要求6所述的CT图像重建装置，其特征在于， 在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择单元 选择相对于CT图像的中心与所述运动物体的位置处于不同侧的视角点； 在所述运动物体的位置属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择单元选 择任意的视角点。8. 如权利要求6或7所述的CT图像重建装置，其特征在于， 在所述运动物体的位置不属于CT图像的中心区域的情况下，所述部分角度选择单元 选择距离所述运动物体的位置最远的视角点。9. 如权利要求6或7所述的CT图像重建装置，其特征在于， 所述部分角度选择单元从所述投影数据中，选择以所述视角点为中心的预先设定的角 度范围的数据，作为所述部分角度的数据。10. -种CT系统，通过X射线进行扫描并输出CT图像，其特征在于，具有： CT扫描仪，通过X射线进行扫描，得到投影数据； CT图像重建装置，检测运动物体在CT图像中的位置，根据运动物体的所述位置选择视 角点和角度范围，并根据所述视角点和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据， 根据所述部分角度的数据，生成部分角度约束条件，使用所述部分角度约束条件，通过迭代 重建来生成CT图像；以及 CT图像输出装置，输出由所述CT图像重建装置重建的CT图像。
【专利摘要】本发明提供CT图像重建方法、CT图像重建装置及CT系统，用于减少有物体运动的情况下的CT图像的运动伪影。CT图像重建方法根据通过X射线扫描而得到的投影数据重建CT图像，包括：运动物体位置检测步骤，检测运动物体在CT图像中的位置；部分角度选择步骤，根据运动物体的所述位置选择视角点和角度范围，并根据所述视角点和角度范围选择所述投影数据中的部分角度的数据；部分角度约束步骤，根据所述部分角度的数据，生成部分角度约束条件；以及迭代重建步骤，使用所述部分角度约束条件，通过迭代重建来生成CT图像。由此，能够提高运动物体的CT图像的时间分辨率，减少运动伪影。
【IPC分类】G06T11/00
【公开号】CN105488823
【申请号】CN201410472082
【发明人】盛兴东, 韩颖婕, 后藤大雅, 山川惠介
【申请人】株式会社日立医疗器械
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月16日
【公告号】WO2016042863A1
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