基于多源靜態CT系統的幾何校正

王 程，崔志立，高 建

(北京納米維景科技有限公司，北京 100094)

0 引言

X射線自成像誕生以來，由于其可以獲取物體內部的信息，在醫學、安檢、無損檢測等領域發揮著重要作用[1-3]。目前，在醫學領域，全球主要應用的CT以第3代螺旋CT為主，成像技術是通過滑環技術使X射線管和探測器可以在圓環軌跡連續旋轉，對物體的各個角度進行射線掃描，從而獲取射線對物體的透射信息。從這一螺旋結構不難看出，圍繞物體轉動的X射線管、探測器及其他配套零部件所能承受的最大加速度是限制螺旋CT系統時間分辨率的一個關鍵因素。螺旋CT硬件結構帶來的先天“缺陷”始終無法避免，旋轉結構上的零部件承受的離心力已經接近目前工藝水平所能達到的極限能力，滑環不能以更高的轉速旋轉，掃描速度也接近了最大極限，很難再有提高。

隨著醫學的發展，臨床上需要具備更高分辨率的技術幫助早期發現微小病灶，也需要更快時間分辨率的技術用于心臟疾病的診療。西門子公司率先采用了新的設計思路作為突破點，推出了Force系列CT，技術參數有所提高，并已經應用于臨床[4]，但依然是基于“螺旋”結構的設計。本課題組采用整環分布式X射線管和整環光子流探測器的雙環結構，用分布式X射線管的輪流脈沖曝光，替代了射線源旋轉過程中的持續曝光。通過多源靜態等效的方式，等效獲得的時間分辨率可以大幅提升，關鍵部件不再承受巨大的離心力和加速度，有效解決了限制螺旋CT轉速的難題。本文將著重介紹多源靜態CT的結構和獨特幾何校正算法。

1 系統設計

1.1 靜態 CT 成像系統

傳統的靜態CT技術是一種利用分布式光源采集物體不同角度投影的CT掃描技術[5]，通過物體周圍排布的一系列X射線源逐次曝光，獲取完整的投影數據，在系統設計上避免了滑環一類機械結構，系統更穩定。

在美國北卡羅來納州，Otto Zhou教授領導的研究團隊經過多年全面深入的研究，分別研制出了微型靜態CT、靜態口腔CT、靜態乳腺CT以及靜態胸部CT[9]掃描系統，開啟了靜態CT系統在醫學臨床的應用，但這些都只是局部應用。

多源靜態CT(Multi-source Static CT)是本研究團隊設計并研發的、可全身應用的靜態CT系統，是CT發展史上的第6代。其中，“多源”和“靜態”是相對于傳統螺旋CT的結構和運行方式而言的，避免了螺旋CT面臨的物理極限的缺點，實現了更高的空間分辨率，使更快的時間分辨率和多能譜成為可能，從而為更加廣闊的應用提供了更多發展機會。

本機設計采用自上而下的整體設計與自底向上的集成細化之架構思路，將高分辨率靜態CT設備從系統頂層劃分為高速脈沖射線源、光子流探測器、電控系統、機械結構、影像鏈、軟件與算法等子系統，其中高速脈沖射線源、光子流探測器及算法為該系統的自主研發核心部件，整體架構如圖1、圖2所示。

圖1 靜態CT整體架構

圖2 靜態CT系統的整體架構

與以往滑環CT的結構不同，靜態CT系統采用了光子流探測器和高速脈沖射線源構成雙環結構，整環設計植入百余個環狀排列的掃描射線源，體現了“多源”的設計理念。設備終止了射線源和探測器相對同步旋轉的情形，以“靜止”成像方式，創新性解決了螺旋CT設備機械旋轉速度和器件所能承受離心力的限制以及旋轉速度接近瓶頸的問題。采用高速切換方式，通過各分布式光源的依次曝光，實現了更高的等效轉速，其掃描效率明顯優于螺旋CT，在避免運動偽影的同時大大降低了輻射劑量，在大幅提高空間分辨率的同時，時間分辨率方面也將明顯超過現有螺旋CT設備的指標。

雙環結構概念如圖3所示，A為射線源環，B為探測器環。

圖3 靜態CT系統

本多源靜態CT系統的特點主要有：(1)掃描時無需機械旋轉，通過整環的分布式射線源的快速切換，實現更高的等效旋轉，快速完成CT掃描和重建；(2)整環探測器和整環射線源，可以多個射線源同時曝光，進一步提升時間分辨率，最大限度減少呼吸運動偽影，進一步提升成像精準度和清晰度；(3)整環探測器的CT架構，將ASIC集成到探測器芯片內部，直接數字信號輸出，同時采用探測器端實時圖像校準，并分擔計算機圖像處理任務，提升圖像處理實時能力。以上設計使更低輻射劑量、更快速掃描、無機械運動偽影、高靈敏度圖像采集、極大數據量的圖像信息獲取等各個方面的性能得到了顯著改進。

1.2 基于靜態CT的幾何校正

系統的幾何位置參數精度對重建圖像的質量有很大影響，是決定CT系統能夠進行高質量重建的先決條件，尤其是空間分辨率高的系統。如果系統的幾何位置有偏差，重建圖像中將會出現偽影，嚴重時將導致重建結果沒有意義。既往技術發展中的很多方法總體可分為兩類：一類是離線校準方法，另一類是在線校準方法。前者多采用制作精細的多球體模體，依靠特定模體的掃描來計算幾何參數；后者則是一類實時計算的系統幾何校正方法，依賴特定的目標函數，包括Kyriakou等、Kingston等、孟等提出的各種函數。以上兩類校準方法都各有其使用的范圍和優缺點，針對本文的多源靜態CT平臺，需要研究一種更高適用性、高精度的校正算法。

針對多源探測器的幾何校正，先要找到各個源的相對位移，整合成為一個正弦圖，再對整個正弦圖計算出整體偏心誤差，從而得到精確的偏心。相對位移的檢測，首先采用自適應閾值分割的方法分割出金屬絲，并定位其位置，先根據默認的偏心值對每個分布射線源投照的投影圖像進行切割，然后取同一行圖像數據，得到相應正弦曲線的一部分，通過檢測到的每個源金屬絲的位置，計算出每個源與第一個源的相對位移，得到初步的相對位移。對每一個源得到的曲線，采用最小二乘法擬合曲線的方法，再一次精確測量兩個源之間的相對位移，重新記錄相應位移偏差。對得到的標準的正弦曲線，計算相應的重心的方法得到整個圖像的偏心，從而計算出精確的偏心，記錄每個源的裁剪位置，對整環圖像進行裁剪。算法流程如圖4所示。

圖4 算法流程

以上算法過程是在Linux平臺上使用C++語言實現的圖像各種校正，并基于Nvidia提供的cuda并行計算架構進行性能加速，從而實現了多源的幾何校正，改善圖像中出現的偽影現象，可以更好地對圖像進行判讀和定性分析。

2 成像效果

在該系統上進行了實際掃描及圖像重建，通過實驗驗證成像效果。相應數據的測試結果如圖5所示。

圖5 一圈整環圖像每個源的部分正弦曲線

可以看到，通過特有的幾何校正，可以得到較為清晰的高分辨率重建圖像(見圖6)。

圖6 粗裁剪后的正弦曲線圖(左)；精確裁剪后的正弦曲線圖(右)

通過幾何校正后重建的效果如圖7所示，21LP/CM清晰可見。

圖7 幾何校正后重建效果

3 結語

多源靜態CT系統作為全新一代CT平臺，在世界范圍內都屬于領先的技術方向。靜態CT相對于傳統CT擁有多個優勢：第一，靜態CT系統掃描速度比傳統CT快很多；第二，靜態CT系統可實現瞬間開關和X射線發射的程序化控制；第三，由于分布式X射線管的獨立控制，每個X射線管可以在不同的能級下工作，從而實現多能譜掃描重建，提升CT設備的物質鑒別能力；第四，球管和探測器以“靜止”方式工作，無機械運動偽影，大幅提升空間分辨率。基于多源靜態CT形態變化，引出了結構設計和算法改進的一系列技術難點，本文主要談及的“幾何校正”只是其中的一個?；谇捌诘难芯?，探索到了一種適合多源靜態CT平臺的幾何校正算法。本文提及的幾何校正方法是基于機械結構的穩定，這會受到產業鏈上多環節質量控制的影響，如球管生產、系統組裝、零配件更換校準等。為了做到“適應性廣泛”的幾何校正，目前相關人員已經在已知的環節著手制定研發、生產的標準，并進行嚴格的質控，力爭風險最小化。