投影旋轉(zhuǎn)間隔對CT重建圖像的影響

孫濤，韓善清

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a.放射科；b.信息中心，江蘇 南京 210029

投影旋轉(zhuǎn)間隔對CT重建圖像的影響

孫濤a，韓善清b

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a.放射科；b.信息中心，江蘇 南京 210029

目的 探討CT扇形束掃描的投影旋轉(zhuǎn)間隔對成像時間、成像質(zhì)量以及圖像重建計算量的影響。方法 采用Matlab軟件編程，實現(xiàn)對仿真模型的投影數(shù)據(jù)取得、圖像反投影重建，并將此方法用于實際顱腦的CT圖像進(jìn)行投影和反投影重建驗證。結(jié)果 本文通過對模型圖像重建研究，得到了投影及重建過程中投影旋轉(zhuǎn)間隔對成像時間、成像質(zhì)量以及圖像重建計算量的影響因素。結(jié)論在扇形束投影CT的成像過程中，投影旋轉(zhuǎn)間隔在<2°的范圍內(nèi)會對成像時間、成像質(zhì)量以及計算量產(chǎn)生較小影響。

CT機(jī)；扇形束掃描；圖像重建；醫(yī)學(xué)影像

CT在臨床上廣泛應(yīng)用，正朝著成像更加清晰、迅速的方向發(fā)展[1-3]。CT的掃描數(shù)據(jù)是CT成像的依據(jù)，掃描方式和掃描量都對最終成像產(chǎn)生影響。本文主要探討扇形束掃描CT數(shù)據(jù)取得過程中，投影旋轉(zhuǎn)間隔對CT重建圖像的影響。

1 研究對象和方法

1.1 投影數(shù)據(jù)的獲取

CT的掃描方式直接推動了CT技術(shù)的前進(jìn)。掃描方式雖然發(fā)生多次革新，但目前常用的CT的投影數(shù)據(jù)基本都是以扇形束投影的方式取得的[4]。本文扇形束掃描投影數(shù)據(jù)的計算方法是建立在單束掃描的基礎(chǔ)上，適合于所有機(jī)型的步進(jìn)式掃描。本研究采用機(jī)型為西門子SOMATOM CT Scanner，掃描參數(shù)為 130kV、240mAs，Slice為 10.0mm。單束掃描過程可以分為2個步驟。

（1）掃描機(jī)構(gòu)直線平移，得到n個投影數(shù)據(jù)。若每次平移間隔為dl，則第i次掃描的掃描線距掃描中線的距離為 t=i×dl。

（2）旋轉(zhuǎn)一個小角度α，作第2次平移掃描，其中第j次掃描時，旋轉(zhuǎn)的角度相對于原始角度則為θ=α×j。如此下去，旋轉(zhuǎn)180°得到n×(180/α)=m個投影數(shù)據(jù)。圖1即為單次平移120次，旋轉(zhuǎn)間隔為1°的頭顱CT掃描圖。

扇形束的投影數(shù)據(jù)可以以單束掃描為基礎(chǔ)，作一些變量的代換即可實現(xiàn)（圖2）。圖中γ為射線的張角，β為點源s發(fā)射中心線與Y的夾角，D為放射源到投影中心的距離。與單束投影對應(yīng)，本研究取投影線間隔為α、旋轉(zhuǎn)間隔為δ，則第i次投影張角γ=i×α，第j次旋轉(zhuǎn)中心線轉(zhuǎn)角β=j×δ。根據(jù)其中幾何關(guān)系直線投影中的t就可以由D和γ來表示，而θ就可以由γ和β來表示，具體的關(guān)系：

θ=β+γ

t=Dsinγ

圖1 120×(180/1)頭顱CT掃描示意圖

圖2 扇形束掃描

根據(jù)上述關(guān)系，扇形束投影對投影數(shù)據(jù)的影響主要與投影源張角的γm、投影源與投影原點之間的距離D、投影線間隔α和旋轉(zhuǎn)間隔δ有關(guān)。

設(shè)定D=1（相對尺寸，與正方形圖像大小一致，圖像相對尺寸設(shè)為1），射線張角設(shè)定為90°，這樣可以保證每次掃描都能包含整個圖像，同時也盡量利用了射線束。

1.2 仿真模型的建立

采用能夠有效評價斷層成像效果的Sheep Logan模型（S-L模型）作為仿真研究對象，建立了仿真模型（圖 3）。

圖3 S-L仿真模型(256×256)

對于某臺CT，其D和γm是固定的，在本實驗中選取了典型的0.25°、1°、2°旋轉(zhuǎn)間隔。

1.3 CT圖像的重建

單束掃描的重建可以有3種方法來實現(xiàn)：直接反投影、濾波反投影和卷積反投影。由于直接反投影和濾波反投影相對于卷積反投影存在不足之處，目前，圖像的重建主要使用卷積反投影來實現(xiàn)[5-7]。

2 實驗結(jié)果

2.1 投影間隔對圖像重建的影響

投影線之間的間隔大小直接影響投影單次掃描數(shù)據(jù)的采集量，進(jìn)而影響總體數(shù)據(jù)的處理量，同時也會影響圖像質(zhì)量。掃描數(shù)據(jù)量越大，需要的掃描時間就越長，掃描過程中因移動造成的偽影幾率就會增大，圖像重建時計算量也會增多。相反，如果掃描數(shù)據(jù)量小，掃描和重建時間會減小，不過重建后的圖像質(zhì)量會因數(shù)據(jù)量減少而變差，甚至不能提供足夠我們所需的斷層信息。

本實驗中通過設(shè)定不同的m值，即可得到不同投影間隔下的重建圖像。為保持其他參數(shù)的一致性，投影旋轉(zhuǎn)間隔采用的是默認(rèn)值1°，投影方式也是默認(rèn)的等角度投影。

（1）圖4是投影間隔為1°時所成的圖像。重建后圖像基本反映了模型的特征，但對于模型中較小的橢圓反映不好，邊緣略顯模糊。在實際醫(yī)學(xué)應(yīng)用時其分辨率能夠滿足一些粗略的診斷，但若涉及到對細(xì)小病變的檢查還是不夠的。

圖4 1°投影間隔重建圖像

（2）將投影間隔增大到2°，那么數(shù)據(jù)量將會減少到原來的1/2。但我們看圖5的重建結(jié)果，圖像模糊，邊緣不夠清晰，小的橢圓基本沒有得到反映，大橢圓還出現(xiàn)了變形，成像效果極其不理想。

圖5 2°投影間隔重建圖像

（3）將投影間隔改為0.25°，數(shù)據(jù)采集量變?yōu)榱?°投影時的4倍，用與重建的信息量也就增多了。圖6是重建后圖像，很好地反映了模型特征，邊緣清晰，對小橢圓的反映也很好。

圖6 0.25°投影間隔重建圖像

2.2 實際顱腦CT圖像研究

本實驗選取了顱腦CT圖像（圖7）作為研究對象。

圖7 用于實際圖像研究的顱腦CT圖像

（1）投影間隔為為1°時，得到圖8，其結(jié)果與原圖像相差很大，對于斷層信息的反映很不好，表面呈波紋樣模糊。

圖8 1°投影間隔重建實際圖像

（2）當(dāng)投影間隔為0.25°時，得到圖9，其重建結(jié)果基本與原圖像相同，取得令人滿意的效果。

圖9 0.25°投影間隔重建實際圖像

3 小結(jié)

通常，如果需要得到足夠清晰的圖像，就需要增加投影數(shù)據(jù)的采集量，特別是要增加投影密度，但實際情況下，投影間隔縮小不是無限制的，投影間隔的縮小需要解決放射源和檢測器2個方面的問題。在生產(chǎn)和使用過程中我們要考慮實際應(yīng)用對圖像質(zhì)量的要求，根據(jù)實際需要的圖像質(zhì)量來設(shè)定投影數(shù)據(jù)的獲取量，避免出現(xiàn)不必要的浪費(fèi)。

[1] 高麗娜,陳文革.CT技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展及前景[J].CT理論與應(yīng)用研究,2009,18(1):99-109.

[2] 童雙立.多層螺旋.CT的新進(jìn)展[J].CT理論與應(yīng)用研究,2005,(4):52-55.

[3] 李強(qiáng).醫(yī)學(xué)圖像分割進(jìn)展[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2010,25(5):121- 124.

[4] 羅述謙,周果宏.醫(yī)學(xué)圖像處理與分析[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[5] 江根苗,連兵,劉晉軍,等.CT圖像重建的算法優(yōu)化和代碼優(yōu)化[J].CT理論與應(yīng)用研究,2000,(9):13-22.

[6] 孫豐榮,劉積仁,王長宇,等.CT快速二維反投影算法[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,2005,24(2):179-185.

[7] 高云,胡道予,李震,等.直接投影斷層成像技術(shù)的初步實驗研究[J].CT理論與應(yīng)用研究,2006,15(1):42-45.

Study on How the Projection Rotation Interval Affects CT Reconstructed Image

SUN Taoa, HAN Shan-qingb
a.Radiology Department; b.Information Center, The First Affiliated Hospital of Nan Jing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

Objective In this paper, the effects of projection rotation interval on imaging time, imaging quality and image reconstruction value in Fan Beam Scan CT were investigated. Methods Achieve the progress of projection data acquisition; the back-projection image reconstruction with Matlab software program. Results Based on the model, we can learn how the projection rotation interval affects imaging time, imaging quality and image reconstruction value. Conclusion The projection rotation interval has little effect on the imaging time, image quality and others if it is lower than 2°.

CT; fan beam scan; image reconstruction; medical imaging

1674-1633(2011)10-0036-03

2011-04-19

2011-08-22

本文作者：孫濤，碩士研究生，主管技師。

韓善清，碩士研究生，工程師。

作者郵箱：stsdwh@sina.com

R445.3

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.10.010