CBCT重建方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种CBCT重建方法，包括如下步骤：在全局坐标系的Z轴方向上，设定相邻两个重建切片之间的间隔等于射线源的相邻两个位置点之间的间隔的非负整数倍；利用射线源获取K帧投影数据；若投影数据对当前重建切片为部分贡献时，根据当前投影数据对当前重建切片的贡献范围边界建立临界数组，根据临界数组和当前投影数据针对每帧投影数据进行反投影运算。本发明专利技术还提供了一种CBCT重建系统，包括预设模块、数据获取模块、反投影重建模块。本发明专利技术还提供了一种CBCT系统，包括射线源、探测器、上位机和FPGA加速电路。本发明专利技术的CBCT重建方法及系统，简化了系统的计算量，提高了反投影运算的效率，降低了系统的复杂程度，易于FPGA实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及成像
，特别是涉及一种CBCT重建方法及系统。
技术介绍
CBCT(conebeamcomputedtomography)即锥束CT，其射线束为锥形，相比于传统的平行束、扇形束CT(ComputedTomography)，具有扫描速度快、图像分辨率高、辐射利用率高、各向同性空间分辨力等优点，也因此广泛用在口腔医疗和放射治疗等领域。CBCT重建算法按精确程度可分为近似重建算法和精确重建算法。其中近似重建算法以FDK(Feldkamp-Davis-Kress)算法为代表，该重建算法的轨迹是圆形，数学形式上简单，实现起来容易，在锥角小于5°的情况下，能够很好的抑制伪影。但随着角度的增加，FDK算法中的加权相对误差越来越大，由此引入的噪声将导致重建图像的质量下降，且扫描轨迹只适合圆形。精确重建算法以Katsevich算法为代表，Katsevich能够兼顾重建质量和重建速度，其分为求导、长度校正、前向插值、DHT滤波、后向插值和反投影六大步，反投影部分是耗时比较多且与重建质量密切相关的步骤，且传统上又分为基于PI线(PI-line)和基于Tam窗(Tam-DanielssonWindow)两种反投影方法。基于PI线的原理是每个待重建像素点对应着一条PI线，对每个重建点在PI线区间内做投影数据积分运算。当投影数据过来时，需要逐个像素点判断此投影帧的位置是否在该像素点的PI区间内，若是，则进行反投影累加，若否则略过。但求解PI线区间需要求解非线性方程，运算量大，且每个像素点都需要开辟两个数据空间用于存储PI线区间的两个端点，大大增加了内存，电路结构较复杂且成本高。基于Tam窗需要先计算重建像素点的在当前射线源照射下的投影坐标，然后判断该投影坐标是否在Tam窗内，若是，则取投影数据进行累加，若否则略过该射线源处的投影。并且在多切片重建时，由于重建像素点规模大，在射线源的位置更新时需要重新计算所有像素点是否在更新后的射线源锥束覆盖的范围内，这样就存在很多无效的投影点坐标计算，计算量较大。此外，由于数据量大的问题，单纯的用一个CPU(CentralProcessingUnit)计算重建速度慢，效率低。目前多采用计算机集群、GPU(GraphicsProcessingUnit)、FPGA(FieldProgrammableGateArray)进行加速。但是，采用计算机集群对重建算法进行加速，成本高且难以突破通用处理器自身的瓶颈，不适合临床应用。GPU虽然可以通过大量运算单元(流处理器)对数据进行并行加速处理，对算法并行化加速相当有效，但GPU对于本身不能高线程并行化的工作带来的帮助不大。同时，针对Katsevich算法的FPGA实现，都是在现有的PI线和Tam窗理论上进行，没有提出新的方案。
技术实现思路
鉴于现有技术的现状，本专利技术的目的在于提供一种CBCT重建方法及系统，减小了系统的计算量，降低了系统的复杂程度，易于通过FPGA实现。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种CBCT重建方法，包括如下步骤：在全局坐标系的Z轴方向上，设定相邻两个重建切片之间的间隔等于射线源相邻两个位置点之间的间隔的非负整数倍；利用所述射线源获取K帧投影数据，其中，K为正整数；若所述投影数据对当前重建切片为部分贡献时，针对每帧所述投影数据，按照以下步骤进行反投影过程：获取当前投影数据对所述重建切片的贡献范围边界，并根据所述贡献范围边界建立临界数组；基于射线源相邻两个位置点之间的间隔建立相邻两个重建切片之间的贡献范围边界的坐标旋转矩阵；利用所述贡献范围边界的坐标旋转矩阵，由已重建切片的临界数组迭代获得与所述已重建切片相邻的所述重建切片的临界数组；根据所述重建切片的临界数组和当前投影数据，将当前投影数据反投影累加至上一次的重建数据中，生成更新的重建数据；根据所述更新的重建数据，获得所述重建切片的重建图像。在本专利技术的一个实施例中，每帧所述投影数据对应获得一个长度为M的临界数组；其中，M为重建切片的行分辨率，所述临界数据的索引表示所述当前重建切片的行，所述临界数组内的元素值表示相应行的边界点列坐标。在本专利技术的一个实施例中，所述反投影过程还包括：获取当前投影数据的帧序号；根据所述当前投影数据的帧序号，判断所述当前投影数据对所述重建切片的贡献度，生成用以表示所述当前投影数据类别的贡献系数，其中，所述投影数据类别包括无贡献数据、部分贡献数据以及完全贡献数据；若所述贡献系数表示所述投影数据为无贡献数据，则略过所述当前投影数据；若所述贡献系数表示所述投影数据为完全贡献数据，则逐行对所述重建切片的所有重建点进行反投影累加；若所述贡献系数表示所述投影数据为部分贡献数据，则获取每帧所述投影数据对所述重建切片的贡献范围边界，根据所述贡献范围边界逐行对所述重建切片的重建点进行反投影累加。在本专利技术的一个实施例中，若所述贡献系数表示当前投影数据为完全贡献数据，则逐行对所述重建点进行反投影累加的步骤包括：针对每一个重建切片，逐行获取所述重建切片的所有重建点的上一次的重建数据；针对每一个所述重建点，计算反投影系数；根据所述反投影系数，将所述当前投影数据累加至所述上一次的重建数据中，生成更新的重建数据。在本专利技术的一个实施例中，若所述贡献系数表示为部分贡献数据，则根据所述贡献范围边界逐行对所述重建切片的重建点进行反投影累加的步骤还包括：获取当前重建切片的序号以及所述当前重建切片的当前重建行的行号；根据所述当前投影数据的帧序号、所述当前重建切片的序号以及所述当前重建行的行号生成所述临界数组的查找地址；根据所述查找地址从所述临界数组中获得与所述当前重建行的行号对应的边界值；判断重建切片的个数，若所述重建切片的数量为一个，则根据所述边界值逐行判断所述重建切片的当前重建行是否需要所述当前投影数据，若是，则获取所述当前重建行的上一次的重建数据，将所述当前投影数据累加至所述上一次的重建数据中，生成所述更新的重建数据；若否，则直接跳过所述当前重建行，进行下一行的反投影过程，直至遍历所述当前重建切片的所有行之后，继续下一帧投影数据的反投影过程；若所述重建切片的数量为两个以上时，则执行如下步骤：根据所述贡献范围边界的坐标旋转矩阵，针对所述边界值进行坐标旋转变换，获得转换边界值；根据所述转换边界值逐行判断所述当前重建切片的当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CBCT重建方法，其特征在于，包括如下步骤：在全局坐标系的Z轴方向上，设定相邻两个重建切片之间的间隔等于射线源的相邻两个位置点之间的间隔的非负整数倍；利用所述射线源获取K帧投影数据，其中，K为正整数；若所述投影数据对当前重建切片为部分贡献时，针对每帧所述投影数据，按照以下步骤进行反投影过程：获取当前投影数据对所述重建切片的贡献范围边界，并根据所述贡献范围边界建立临界数组；基于所述射线源的相邻两个位置点之间的间隔建立相邻两个重建切片之间的贡献范围边界的坐标旋转矩阵；利用所述贡献范围边界的坐标旋转矩阵，由已重建切片的临界数组迭代获得与所述已重建切片相邻的所述重建切片的临界数组；根据所述重建切片的临界数组和所述当前投影数据，将当前投影数据反投影累加至上一次的重建数据中，生成更新的重建数据；根据所述更新的重建数据，获得所述重建切片的重建图像。

【技术特征摘要】
1.一种CBCT重建方法，其特征在于，包括如下步骤：
在全局坐标系的Z轴方向上，设定相邻两个重建切片之间的间隔等于射线
源的相邻两个位置点之间的间隔的非负整数倍；
利用所述射线源获取K帧投影数据，其中，K为正整数；
若所述投影数据对当前重建切片为部分贡献时，针对每帧所述投影数据，
按照以下步骤进行反投影过程：
获取当前投影数据对所述重建切片的贡献范围边界，并根据所述贡献范围
边界建立临界数组；
基于所述射线源的相邻两个位置点之间的间隔建立相邻两个重建切片之间
的贡献范围边界的坐标旋转矩阵；
利用所述贡献范围边界的坐标旋转矩阵，由已重建切片的临界数组迭代获
得与所述已重建切片相邻的所述重建切片的临界数组；
根据所述重建切片的临界数组和所述当前投影数据，将当前投影数据反投
影累加至上一次的重建数据中，生成更新的重建数据；
根据所述更新的重建数据，获得所述重建切片的重建图像。
2.根据权利要求1所述的CBCT重建算法，其特征在于，每帧所述投影数
据对应获得一个长度为M的临界数组，其中，M为重建切片的行分辨率；所述
临界数组的索引表示所述当前重建切片的行，所述临界数组内的元素值表示相
应行的边界点列坐标。
3.根据权利要求1所述的CBCT重建算法，其特征在于，所述反投影过程
还包括：
获取当前投影数据的帧序号；
根据所述当前投影数据的帧序号，判断所述当前投影数据对所述重建切片
的贡献度，生成用以表示所述当前投影数据类别的贡献系数，其中，所述投影
数据类别包括无贡献数据、部分贡献数据以及完全贡献数据；
若所述贡献系数表示所述投影数据为无贡献数据，则略过所述当前投影数
据；
若所述贡献系数表示所述投影数据为完全贡献数据，则逐行对所述重建切

\t片的所有重建点进行反投影累加；
若所述贡献系数表示所述投影数据为部分贡献数据，则获取所述当前投影
数据对所述重建切片的贡献范围边界，根据所述贡献范围边界逐行对所述重建
切片的重建点进行反投影累加。
4.根据权利要求3所述的CBCT重建算法，其特征在于，若所述贡献系数
表示当前投影数据为完全贡献数据，则逐行对所述重建点进行反投影累加的步
骤包括：
针对每一个重建切片，逐行获取所述重建切片的所有重建点的上一次的重
建数据；
针对每一个所述重建点，计算反投影系数；
根据所述反投影系数，将所述当前投影数据累加至所述上一次的重建数据
中，生成更新的重建数据。
5.根据权利要求3所述的CBCT重建算法，其特征在于，若所述贡献系数
表示为部分贡献数据，则根据所述贡献范围边界逐行对所述重建切片的重建点
进行反投影累加的步骤还包括：
获取当前重建切片的序...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩，郑海刚，高伦，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44