技术领域
[0001] 本
发明属于医用CT扫描技术领域，涉及一种计算机
断层摄影(CT，Computed Tomography)呼吸
门控技术、分段变速扫描技术，尤其是涉及一种通过两次扫描，实现CT呼吸门控(Respiratory Gate)的设计。
背景技术
[0002] CT成像作为的一种活体成像方式，具有空间
分辨率高、成像时间短、成本相对低、能够得到动物活体情况下的三维结构信息等优点。但使用微型CT对活体动物胸部或腹部等成像时，活体动物的呼吸运动会产生运动伪影，导致
图像空间分辨率降低。通常的解决方法是采用呼吸门控技术减少重建图像的运动伪影。
[0003] 目前的呼吸门控技术主要包括外在门控技术、内在门控技术、触发性门控技术与回顾性门控技术。回顾性呼吸门控计算机断层技术是一种应用相当广泛的采集和分析模式，如在
专利申请号为CN201410722668.7的专利文献中，公开了一种全自动内在回顾性CT呼吸门控系统，实现了在原来CT系统上实施内在呼吸门控，降低使用成本，节约资源且降低系统复杂性。
[0004] 但在常规的包括上述专利文献记载的回顾性呼吸门控中，考虑到成像期间目标的运动，为了获得被测物体运动循环中确定点的数据，并用于计算断层图像，往往需要采集多圈的投影数据，增加了
图像采集的时间与被测物体所受的
辐射量。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服
现有技术的
缺陷，提供一种基于分段调速的活体CT扫描控制方法，通过两次扫描同一物体，使两次扫描中在相应
位置时处于互补的呼吸
相位，从而通过投影图像筛选，得到去除呼吸伪影的重建图像，以减少呼吸门控的采集时间与被测对象
辐射剂量。
[0006] 为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种基于分段调速的活体CT扫描控制方法，包括以下步骤：
[0007] 获得被测对象的运动
波形，根据所述运动波形计算出被测对象的运动周期与当前相位；
[0008] 根据计算所得的所述运动周期与当前相位，确定断层摄影设备每次扫描的分段大小与第一段图像采集的启动时间和旋转速度；
[0009] 启动第一次扫描，在扫描过程中用前一段图像在采集过程中获得的运动波形控制后一段图像采集的启动时间与旋转速度；
[0010] 第一次扫描结束后，错开呼吸相位，进行第二次扫描；
[0011] 对第二次扫描获得的图像进行更新筛选获得计算机断层重建所需要的投影图像，用筛选更新的所述投影图像进行图像矫正与重建，获得被测对象的重建波形。
[0012] 优选地，所述运动波形由外部设备获得或直接通过所述断层摄影设备预先采集的投影图像计算得到，所述外部设备至少为摄像机、红外测量仪或压
力传感器。
[0013] 优选地，通过采集的投影图像计算得到所述运动波形的方法包括：
[0014] a、自动
定位感兴趣区域，其中，自动定位方法包括：
[0015] a1、用垂直于隔膜方向上灰度质心的变化来自动定位感兴趣区域，设垂直于隔膜的方向为Z方向，则计算公式如下：
[0016] 其中， 公式中p表示Z方向的灰度质心，z表示Z方向上的坐标值，mz表示区域内所有纵坐标值为z的
像素的灰度值和；
[0017] a2、静止采集至少一张投影图，用方差找出所述投影图像中Z方向质心变化最大的地方，即得到所述感兴趣区域。
[0018] b、启动断层摄影设备开始扫描，从所述感兴趣区域的Z轴方向灰度质心的数据
波动中提取运动波形。
[0019] 优选地，对所述感兴趣区域的数据波动采用高通
滤波器进行滤波，滤除旋转对呼吸波动造成的影响，获得门控波形。
[0020] 优选地，所述旋转速度在采图过程中根据所述被测对象的运动
信号周期来
修改，所述运动信号包括各种动物不同
频率的呼吸运动。
[0021] 优选地，所述断层摄影设备每次扫描的
角度范围为0°到360°，且在扫描过程中进行等角度采图。
[0022] 优选地，所述断层摄影设备两次旋转为连续旋转两圈，或正转一圈、反转一圈，或旋转一圈、回到原点后重新旋转一圈。
[0023] 优选地，第一次扫描结束后，错开半个呼吸周期进行第二次扫描。
[0024] 优选地，在旋转采图过程中，根据获得的所述运动波形对投影图像进行评估，评估的依据至少为所述呼吸波形的幅值、相对相位或绝对相位。
[0025] 优选地，获得所述相对相位的方法包括：找到运动波形的局部最大值，记为呼吸相位的起点，每
帧图像在运动波形中对应的点到起点的距离与其所在呼吸周期的比值，即为所述相对相位。
[0026] 本发明的有益效果是：
[0027] 1、本发明采用两次扫描即可获得任何呼吸相位下的重建图像，在减少运动伪影，提高重建图像空间分辨率的同时，大大较少了扫描时间与被测物体所受的辐射剂量。
[0028] 2、本发明将每次扫描分成多段处理，分段大小、启动时间和运动速度的调整增加了系统对不同周期信号的动态性与自适应性。
[0029] 3、本发明可直接通过投影图像提取运动波形，减少了设备的复杂度，降低成本；且运动信号的分析处理以及断层摄影设备的控制都由内部直接计算完成，减少了人工操作的复杂程度。
[0030] 4、本发明适用于多种运动信号采集装置，增加了系统的兼容性。
附图说明
[0031] 图1是本发明基于分段调速的活体CT扫描控制方法的流程示意图；
[0032] 图2是本发明基于分段调速的活体CT扫描控制方法的原理示意图；
[0033] 图3中，图3a～图3e是本发明活体微型CT在不同呼吸相位下获得的实验小老鼠胸廓的投影图像图，图3f为小老鼠的呼吸波形；
[0034] 图4是本发明提取呼吸波形的感兴趣区域；
[0035] 图5是本发明模拟小老鼠气麻状态下的模拟呼吸波形图；
[0036] 图6a为直接从感兴趣区域获得的数据波动，图6b为经过滤波处理后获得的门控波形；
[0037] 图7a为断层摄影设备实行两次采集时从投影图像中提取的呼吸波形，图7b为图7a中矩形区域的放大波形；
[0038] 图8a为门控后未进行分段调速旋转的重建图，图8b为门控后实施分段调速旋转的重建图。
具体实施方式
[0039] 下面将结合本发明的附图，对本发明
实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0040] 本发明为了在减少运动伪影，提高重建图像空间分辨率的同时，缩短被测物体的采集时间，减少被测目标所受辐射剂量，提出一种基于分段调速的活体CT扫描控制方法，该方法只需通过两次扫描同一物体，使两次扫描在相应位置获得互补的呼吸相位；并将每次扫描分成多段，用前一段计算所得运动周期和当前相位控制后一段扫描的启动时间和转动速度，从而最后通过投影图像筛选，得到去除呼吸伪影的重建图像。
[0041] 如图1所示，本发明提供的一种基于分段调速的活体CT扫描控制方法，具体包括以下步骤：
[0042] 步骤一、获得被测对象的运动波形，根据所述运动波形，预先计算被测对象的运动周期与当前相位。
[0043] 计算所需要的呼吸波形既可由外部设备，如摄像机、红外测量仪、
压力传感器等获得，也可直接由断层摄影设备预先采集的投影图像计算得到。其中，结合图2所示，断层摄影设备1包括射线源11、探测器12和驱动装置13，射线源11用于发射
X射线，X射线经过被测对象14之后，射线辐射衰减并由相应探测器12接收。驱动装置13控制射线源11与探测器12的旋转，在测量过程中控制旋转速度使其匹配检查目标的周期性呼吸运动。
[0044] 本发明实施例以扫描对象为小老鼠，计算所需的运动波形(实施例以呼吸波形为例)直接从投影图像中提取为例。图3a～图3e是活体微型CT在不同呼吸相位下获得的实验小老鼠胸廓的投影图像，图3f为小老鼠的呼吸波形，观察图像可发现，在不同相位下的CT投影图像中，胸廓区域的大小、隔膜的高低等存在较大变化，因此，可以通过灰度质心值、灰度和等相关参数从投影图像中直接获得用于实施呼吸门控的门控波形。提取呼吸波形的具体过程如下：
[0045] (1)自动定位感兴趣区域；如图4所示，将感兴趣区域定义为包含小动物CT隔膜的一个矩形区域。本实施例用垂直于隔膜方向上灰度质心的变化来自动定位感兴趣区域，假设垂直于隔膜的方向为Z方向，则计算公式如下：
[0046] 其中
[0047] 公式中p表示Z方向的灰度质心，z表示Z方向上的坐标值，mz表示感兴趣区域内所有纵坐标值为Z(即投影图像中的同一行)的像素的灰度值和。
[0048] 静止采集几张投影图，用方差找出图像中Z方向质心变化最大的地方，即为我们所需的感兴趣区域。
[0049] (2)启动断层摄影设备开始扫描，同样从感兴趣区域的Z轴方向灰度质心的数据波动中提取运动波形。
[0050] 自动提取到呼吸波形后，可通过刚才静止采集的图像和呼吸波形，预先计算被测对象的呼吸周期与当前的相位。
[0051] 步骤二、根据步骤一计算所得的运动周期与当前相位，确定断层摄影设备每次扫描的分段大小与第一段图像采集的启动时间和旋转速度。
[0052] 具体地，用呼吸周期确定每次扫描的分段大小：在本实施例中，若呼吸周期小于3s，则每段的角度间隔为30°，即将一次扫描分为12段；若呼吸周期大于3s，则每段的角度间隔为60°，即将一次扫描分为6段。相对于同一种被测对象而言，在麻醉态下，被测对象的呼吸周期较大时，呼吸比较平稳，呼吸周期的变化较小，可将分段的角度增大，进一步加快扫描时间。
[0053] 同时，用呼吸周期和当前相位确定断层摄影设备的第一段扫描的启动时间：本实施例中，在第一次扫描时，每段启动位置确定为吸气末端。如图5所示，为模拟的小老鼠气麻状态下的模拟呼吸波形，小老鼠在气麻状态下会为喘气式呼吸，峰值的顶端即为吸气末端，图中T为呼吸周期，U为当前的呼吸相位，第一次第一段扫描从吸气末端开始，T-U即为当前所需等待时间。
[0054] 此外，还需用呼吸周期确定第一段扫描的旋转速度。旋转速度决定了断层摄影设备对呼吸的
采样率，当断层摄像设备对被测对象进行等角度旋转采图时，若旋转速度加快，则减少了所采集的相邻两张图像之间的时间间隔，增加了对运动周期的时间采样率，通过控制旋转速度，使断层摄影设备在每段图像采集中保持相同的
采样频率，从而确保第一次采图与第二次采图在相应位置的相位互补。
[0055] 本发明实施例在旋转采图时，均匀采样的角度间隔为0.5°，假设小老鼠的呼吸周期为1s，控制旋转速度时期对周期的采样率为30，则采集两张图片之间的时间间隔为1/30s，即转台运动0.5°的时间为1/30s，其旋转速度为15°/s。
[0056] 旋转速度在采图过程中可以根据被测对象的运动信号周期来修改，这里的运动信号包括各种动物不同频率的呼吸运动。且本发明的断层摄影设备每次扫描的角度不限于这里提到的0.5°，范围为0°到360°，且在扫描过程中进行等角度采图。另外，断层摄影设备两次旋转即可为连续旋转两圈，又可为正转一圈加反转一圈，也可以是旋转一圈后回到原点重新旋转一圈。
[0057] 步骤三、启动第一次扫描，在扫描过程中用前一段图像在采集过程中获得的运动波形控制后一段图像采集的启动时间与旋转速度。
[0058] 具体地，在第一次扫描中，每次可按照同样的方法，从前一段扫描所采集的投影图像中提取呼吸波形，计算出呼吸周期和当前相位，来控制后一段扫描的启动时间和旋转速度。值得注意的是，断层摄影设备在旋转过程中，用相同方法获得呼吸波形，会受到旋转角度的影响，出现一些低频载波，本发明实施例中优选用
高通滤波器去除其影响。如图6a即表示直接计算感兴趣区域的Z轴灰度质心获得的数据波动；图6b表示通过高通滤波器滤除旋转对呼吸波动造成影响后获得的门控波形。
[0059] 步骤四、第一次扫描结束后，错开呼吸相位，用同样的方法进行第二次扫描。
[0060] 在本发明实施例中，完成第一次扫描后，错开半个呼吸周期，用相同的方法开始第二次扫描。即第一次扫描从吸气末端开始，第二次扫描则从呼气末端开始。同样根据图5所示，T为呼吸周期，U为当前的呼吸相位，为保证第二次扫描与第一次扫描错开相位，每段从呼气末端开始，T/2-U即为当前所需等待时间。
[0061] 步骤五、对第二次扫描获得的图像进行更新筛选获得计算机断层重建所需要的投影图像，用筛选更新的投影图像进行图像矫正与重建，获得被测对象的重建波形。
[0062] 具体地，在两次扫描过程中，根据运动波形对每帧投影图像进行评估。为了减少干扰，本实施例优选依据相对相位对图像进行评估。获得相对相位的具体方法为：找到门控波形的局部最大值，即吸气末端，记为呼吸相位的起点(0％点)，每帧图像在门控波形中对应的点到起点距离与其所在呼吸周期的比值，即为相对相位。当然，也可依据呼吸波形的幅值、绝对相位等其他参数进行评估。
[0063] 根据所需重建的特定相位(即某一时刻相对于临近峰值的相对相位)，对每帧投影图像进行评估，越靠近所需相位的图像分值越高。在第二次采集过程中，在特定角度，用高分的投影图像替代低分投影图像，获得用于重建的投影数据集。
[0064] 从采图过程的投影图中直接获得的呼吸波形可以看出分段变速旋转采图的结果：图7a为断层摄影设备实行两次采集时从投影图像中提取的呼吸波形，图7b为图7a中矩形区域的放大。两幅图像中
颜色较深的部分由第一次采集获得，颜色较浅的部分由第二次采集获得。从7b中可以看出两次采集获得的投影图像在相应位置很好地错开了相位，证明可通过两次采集获得较好的去除呼吸伪影的重建图像。
[0065] 图8是门控后的重建结果，其中图8a为未进行分段调速旋转重建图，图8b为实施分段调速
旋转门控后重建图。两幅图中的白色箭头所指示的位置为小鼠的肋骨结构，白色圆形头所指示的位置是
肺部组织与软组织的边界，白色菱形头所指示的位置表示气管。可以看出：在图8a中，肋骨的定义不清晰，肺部与软组织的边界较模糊且基本看不到气管结构。而同一台微型CT设备，在经过
软件门控后，得到图8b中的肋骨结构则变得非常清晰，肺部与软组织的边界也更加分明，同时，在8b图中不仅可以看到气管还能观察到主要支气管。此外，未经过呼吸门控的图像存在很严重的由呼吸运动造成的放射状运动伪影。总体上来讲，使用了分段调速门控技术对图像
质量有了比较大的提高，说明其能很好的消除由动物呼吸运动带来的运动伪影，同时也可减少扫描时间和被测物体所受辐射量。
[0066] 本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请
权利要求所涵盖。
