一种用于CT重建的旋转对称体素离散化方法技术

一种用于ＣＴ重建的旋转对称体素离散化方法，涉及断层影像重建技术领域。本发明专利技术方法的主要步骤为：１）根据重建分辨率的要求计算采样步距ｄ；２）沿扫描旋转轴的轴线方向将有效重建高度离散成厚度为ｄ的圆盘；３）对每层圆盘在截面直径为Ｎｄ的有效区域内进行扫描旋转半径方向离散化成Ｎ／２＋１个圆环；４）计算每层内的体素数目Ｊ↓［ｍａｘ］＝［πＮ／Θ］；５）在每层截面内对每个圆环进行圆周方向离散化；６）计算任意度投影角度下对应的系统矩阵参数；７）应用查表法计算投影／反投影；８）重建完成后，根据显示方式对旋转对称体素离散化的图像进行插值。本方法可在保证分辨率的前提下，减少ＣＴ重建算法中的投影／反投影所需的系统矩阵系数计算量和存储空间，提高ＣＴ重建速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及断层影像重建
，特别是用于CT重建中的旋转对称体素离散化方法。
技术介绍
随着时代的进步，计算机断层成像技术(CT)在医学诊断技术和无损检测中得到了广泛的应用。在CT重建算法中，计算量主要集中在投影/反投影步骤。在CT扫描系统参数一定的情况下，预先计算投影/反投影中用到的系统矩阵，用查表法实现投影/反投影是常用的重建加速方法。统计迭代法在重建图像的计算中具有明显的优势，但多次迭代所需的计算量非常巨大，在迭代法中常使用查表法，可以避免每次迭代过程对系统矩阵的重复计算。同时，查表法也适用于系统参数固定的工程实际应用。查表法在减少计算量的同时提出了对内存的需求，随着未知空间维数的增长，存储系统矩阵所需的空间以幂次方急剧增长超出目前通用计算平台的容量。所以目前查表法的使用仅限于小物体或低分辨率图像重建。综上所述，如何构造高效的系统矩阵元素表，减少所需的内存空间是查表法应用于高分辨率和高维数图像重建的一个关键，也是统计迭代法在实际中得到更广泛应用的重要基础。旋转极坐标法是人们提出的一种节约查表法所需内存和提高查表速度的方法，但是随着重建半径的增大分辩率会下降阻止了该方法的普遍使用，而对此作方法改进后的等差排列法却使计算的复杂度明显增加。
技术实现思路
为了克服上述现有方法存在的不足，本专利技术的目的是提供一种用于CT重建的旋转对称体素离散化方法。它可在保证分辨率的前提下，减少CT重建算法中的投影/反投影所需的系统矩阵系数计算量和存储空间，提高CT重建速度。为了达到上述的专利技术目的，本专利技术的技术方案以如下方式实现一种用于CT重建的旋转对称体素离散化方法，其主要步骤为1)根据重建分辨率的要求计算采样步距d；2)沿扫描旋转轴的轴线方向将有效重建高度离散成厚度为d的圆盘；3)对每层圆盘在截面直径为Nd的有效区域内进行扫描旋转半径方向离散化，离散成N/2+1个环宽d的圆环；4)计算每层内的体素数目 Θ为360度范围内的投影数；5)在每层截面内对每个圆环进行圆周方向离散化，用Mi表示各个圆环圆周方向的离散点数①各层内中心处直径为d的圆作为一个体素，即M0＝1；②各层内第i＝1，2，…Θ/2π个圆环，都均匀离散化成Θ个点；③各层内第i＝Θ/2π+1，Θ/2π+2，…2Θ/2π个圆环，都均匀离散化成2Θ个点；④各层内第i＝2Θ/2π+1，2Θ/2π+2，…3Θ/2π个圆环，都均匀离散化成3Θ个点；⑤如上继续，直到第N/2个圆环，均匀离散化成Jmax个点；6)计算任意度投影角度下对应的系统矩阵参数；7)应用查表法计算投影/反投影①通过查表法计算第一个角度的投影/反投影；②对其它投影角度 重排对应于第一个角度的系统矩阵参数； 由重排得到的系统矩阵参数计算对应的投影/反投影；8)重建完成后，根据显示方式对旋转对称体素离散化的图像进行插值。在上述离散化方法中，所述扫描旋转半径方向离散化得到的圆环间距和圆周方向的采样率在满足分辨率要求下选择，并且针对所有角度具有整间隔对称性。本专利技术由于采用了上述的方法步骤，同现有技术相比，产生如下有益效果(1)避免了对不同投影角度建立参数表的需要，从而使得查表法所需的参数项减少了一个数量级，缩小了查表法在内存上的受限程度。假设物体在轴线方向的离散化层数为H，则通过本专利技术方法得到的一层内的离散体素数目与N2H成正比，总的系统矩阵参数查找表的项数也与N2H成正比。传统的体素离散化方法得到的离散体素数目也与N2H成正比，但是由于对每个投影角度都需要计算各自的参数，通常投影角度数目与N在同一数量级，所以总的参数查找表的项数与N3H成正比。本专利技术方法利用旋转对称性避免了对不同投影角度建立参数表的需要，使得查表法所需的参数项减少了一个数量级，减少了计算量，缩小了查表法在内存上的受限程度。(2)本专利技术方法通过简单的几何关系就可以从一个投影角度的几何关系计算得到所有投影角度下的系统矩阵，可以减少通常意义的投影和反投影的计算量，从而提高CT重建速度。(3)本专利技术方法可适应任何分辨率要求，可通过对其它对称性的使用进一步减小查表量，同时本专利技术方法可直接应用于圆周扫描和螺旋扫描。(4)由于本专利技术方法的离散化过程适用于不同的扫描方式，独立于具体的重建算法，因此可以方便地引入到已有的CT重建软件中使用。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。附图说明图1为本专利技术方法中扫描旋转半径方向离散化示意图；图2为本专利技术方法中圆周方向离散化示意图；图3为本专利技术方法中旋转对称体素离散化示意图；图4为使用本专利技术方法投影角度为0度时射线a和b分别穿过体素(i，0，0)和(i，j，0)的几何关系； 图5为使用本专利技术方法物体顺时针旋转θstep后射线a和b分别穿过体素(i，Δ，0)和(i，j+Δ，0)的几何关系。具体实施例方式参看图1至图3，本专利技术方法步骤为1)根据重建分辨率的要求计算采样步距d。2)沿扫描旋转轴的轴线方向将有效重建高度Hd离散成厚度为d的圆盘。3)对每层圆盘在截面直径为Nd的有效区域内进行扫描旋转半径方向离散化，离散成N/2+1个环宽d的圆环，其中心处为圆，最外层圆环只有靠内侧的 宽在有效重建区域内。4)计算每层内的体素数目 Θ为360度范围内的投影数。5)在每层截面内对每个圆环进行圆周方向离散化，用Mi表示各个圆环圆周方向的离散点数，i为环的下标①各层内中心处直径为d的圆作为一个体素，即M0＝1。②各层内第i＝1，2，…Θ/2π个圆环，都均匀离散化成Θ个点。③各层内第i＝Θ/2π+1，Θ/2π+2，…2Θ/2π个圆环，都均匀离散化成2Θ个点。④各层内第i＝2Θ/2π+1，2Θ/2π+2，…3Θ/2π个圆环，都均匀离散化成3Θ个点。⑤如上继续，直到第N/2个圆环，均匀离散化成Jmax个点。6)用象素驱动法或射线驱动法计算0度投影角度下对应的系统矩阵参数。7)应用查表法计算投影/反投影①通过查表法计算第一个角度的投影/反投影；②对其它投影角度 重排对应于第一个角度的系统矩阵参数。参看图4和图5，在顺时针旋转θstep投影角度后，体素(i，Δ，0)和(i，j+Δ，0)与射线a和b的几何关系和0角度投影角度时体素(i，0，0)和(i，j，0)与射线a和b的几何关系完全一致。因此，对其它投影角度的参数可以从第一个角度的计算结果得到。这种不同投影角度下的体素和探测器的对应关系如表1所示，其中的θ和b分别表示投影角度的顺序数和在某一个角度的探测器的位置索引。 表1 由重排得到的系统矩阵参数计算对应的投影/反投影。8)重建完成后，根据显示方式对旋转对称体素离散化的图像进行插值。除上述实施例中描述的特定参数外，根据具体情况选择其它参数也属于本专利技术保护的范围。权利要求1.一种用于CT重建的旋转对称体素离散化方法，其主要步骤为1)根据重建分辨率的要求计算采样步距d；2)沿扫描旋转轴的轴线方向将有效重建高度离散成厚度为d的圆盘；3)对每层圆盘在截面直径为Nd的有效区域内进行扫描旋转半径方向离散化，离散成N/2+1个环宽d的圆环；4)计算每层内的体素数目 Θ为360度范围内的投影数；5)在每层截面内对每个圆环进行圆周方向离散化，用Mi表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于ＣＴ重建的旋转对称体素离散化方法，其主要步骤为：１）根据重建分辨率的要求计算采样步距ｄ；２）沿扫描旋转轴的轴线方向将有效重建高度离散成厚度为ｄ的圆盘；３）对每层圆盘在截面直径为Ｎｄ的有效区域内进行扫描旋转半径 方向离散化，离散成Ｎ／２＋１个环宽ｄ的圆环；４）计算每层内的体素数目Ｊ↓［ｍａｘ］＝「πＮ／Θ」，Θ为３６０度范围内的投影数；５）在每层截面内对每个圆环进行圆周方向离散化，用Ｍ↓［ｉ］表示各个圆环圆周方向的离散点数： ①各层内中心处直径为ｄ的圆作为一个体素，即Ｍ↓［０］＝１；②各层内第ｉ＝１，２，…「Θ／２π」个圆环，都均匀离散化成Θ个点；③各层内第ｉ＝「Θ／２π」＋１，「Θ／２π」＋２，…「２Θ／２π」个圆环，都均匀离散化成２Θ个点；　 　④各层内第ｉ＝「２Θ／２π」＋１，「２Θ／２π」＋２，…「３Θ／２π」个圆环，都均匀离散化成３Θ个点；⑤如上继续，直到第Ｎ／２个圆环，均匀离散化成Ｊ↓［ｍａｘ］个点；６）计算任意度投影角度下对应的系统矩阵参数； ７）应用查表法计算投影／反投影：①通过查表法计算第一个角度的投影／反投影；②对其它投影角度：＠重排对应于第一个角度的系统矩阵参数；＊由重排得到的系统矩阵参数计算对应的投影／反投影；８）重建完成后，根据 显示方式对旋转对称体素离散化的图像进行插值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邢宇翔，陈志强，张丽，李元景，刘以农，赵自然，肖永顺，
申请(专利权)人：清华大学，同方威视技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]