基于多源靜態(tài)CT系統(tǒng)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(lái)，由于其可以獲取物體內(nèi)部的信息，在醫(yī)學(xué)、安檢、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1-3]。目前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，全球主要應(yīng)用的CT以第3代螺旋CT為主，成像技術(shù)是通過(guò)滑環(huán)技術(shù)使X射線管和探測(cè)器可以在圓環(huán)軌跡連續(xù)旋轉(zhuǎn)，對(duì)物體的各個(gè)角度進(jìn)行射線掃描，從而獲取射線對(duì)物體的透射信息。從這一螺旋結(jié)構(gòu)不難看出，圍繞物體轉(zhuǎn)動(dòng)的X射線管、探測(cè)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(tǒng)時(shí)間分辨率的一個(gè)關(guān)鍵因素。螺旋CT硬件結(jié)構(gòu)帶來(lái)的先天“缺陷”始終無(wú)法避免，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上的零部件承受的離心力已經(jīng)接近目前工藝水平所能達(dá)到的極限能力，滑環(huán)不能以更高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，掃描速度也接近了最大極限，很難再有提高。

隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，臨床上需要具備更高分辨率的技術(shù)幫助早期發(fā)現(xiàn)微小病灶，也需要更快時(shí)間分辨率的技術(shù)用于心臟疾病的診療。西門子公司率先采用了新的設(shè)計(jì)思路作為突破點(diǎn)，推出了Force系列CT，技術(shù)參數(shù)有所提高，并已經(jīng)應(yīng)用于臨床[4]，但依然是基于“螺旋”結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本課題組采用整環(huán)分布式X射線管和整環(huán)光子流探測(cè)器的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，用分布式X射線管的輪流脈沖曝光，替代了射線源旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的持續(xù)曝光。通過(guò)多源靜態(tài)等效的方式，等效獲得的時(shí)間分辨率可以大幅提升，關(guān)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(zhuǎn)速的難題。本文將著重介紹多源靜態(tài)CT的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特幾何校正算法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 靜態(tài) CT 成像系統(tǒng)

傳統(tǒng)的靜態(tài)CT技術(shù)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(shù)[5]，通過(guò)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(shù)據(jù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上避免了滑環(huán)一類機(jī)械結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)更穩(wěn)定。

在美國(guó)北卡羅來(lái)納州，Otto Zhou教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年全面深入的研究，分別研制出了微型靜態(tài)CT、靜態(tài)口腔CT、靜態(tài)乳腺CT以及靜態(tài)胸部CT[9]掃描系統(tǒng)，開(kāi)啟了靜態(tài)CT系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)臨床的應(yīng)用，但這些都只是局部應(yīng)用。

多源靜態(tài)CT(Multi-source Static CT)是本研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并研發(fā)的、可全身應(yīng)用的靜態(tài)CT系統(tǒng)，是CT發(fā)展史上的第6代。其中，“多源”和“靜態(tài)”是相對(duì)于傳統(tǒng)螺旋CT的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式而言的，避免了螺旋CT面臨的物理極限的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了更高的空間分辨率，使更快的時(shí)間分辨率和多能譜成為可能，從而為更加廣闊的應(yīng)用提供了更多發(fā)展機(jī)會(huì)。

本機(jī)設(shè)計(jì)采用自上而下的整體設(shè)計(jì)與自底向上的集成細(xì)化之架構(gòu)思路，將高分辨率靜態(tài)CT設(shè)備從系統(tǒng)頂層劃分為高速脈沖射線源、光子流探測(cè)器、電控系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、影像鏈、軟件與算法等子系統(tǒng)，其中高速脈沖射線源、光子流探測(cè)器及算法為該系統(tǒng)的自主研發(fā)核心部件，整體架構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 靜態(tài)CT整體架構(gòu)

圖2 靜態(tài)CT系統(tǒng)的整體架構(gòu)

與以往滑環(huán)CT的結(jié)構(gòu)不同，靜態(tài)CT系統(tǒng)采用了光子流探測(cè)器和高速脈沖射線源構(gòu)成雙環(huán)結(jié)構(gòu)，整環(huán)設(shè)計(jì)植入百余個(gè)環(huán)狀排列的掃描射線源，體現(xiàn)了“多源”的設(shè)計(jì)理念。設(shè)備終止了射線源和探測(cè)器相對(duì)同步旋轉(zhuǎn)的情形，以“靜止”成像方式，創(chuàng)新性解決了螺旋CT設(shè)備機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度和器件所能承受離心力的限制以及旋轉(zhuǎn)速度接近瓶頸的問(wèn)題。采用高速切換方式，通過(guò)各分布式光源的依次曝光，實(shí)現(xiàn)了更高的等效轉(zhuǎn)速，其掃描效率明顯優(yōu)于螺旋CT，在避免運(yùn)動(dòng)偽影的同時(shí)大大降低了輻射劑量，在大幅提高空間分辨率的同時(shí)，時(shí)間分辨率方面也將明顯超過(guò)現(xiàn)有螺旋CT設(shè)備的指標(biāo)。

雙環(huán)結(jié)構(gòu)概念如圖3所示，A為射線源環(huán)，B為探測(cè)器環(huán)。

圖3 靜態(tài)CT系統(tǒng)

本多源靜態(tài)CT系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有：(1)掃描時(shí)無(wú)需機(jī)械旋轉(zhuǎn)，通過(guò)整環(huán)的分布式射線源的快速切換，實(shí)現(xiàn)更高的等效旋轉(zhuǎn)，快速完成CT掃描和重建；(2)整環(huán)探測(cè)器和整環(huán)射線源，可以多個(gè)射線源同時(shí)曝光，進(jìn)一步提升時(shí)間分辨率，最大限度減少呼吸運(yùn)動(dòng)偽影，進(jìn)一步提升成像精準(zhǔn)度和清晰度；(3)整環(huán)探測(cè)器的CT架構(gòu)，將ASIC集成到探測(cè)器芯片內(nèi)部，直接數(shù)字信號(hào)輸出，同時(shí)采用探測(cè)器端實(shí)時(shí)圖像校準(zhǔn)，并分擔(dān)計(jì)算機(jī)圖像處理任務(wù)，提升圖像處理實(shí)時(shí)能力。以上設(shè)計(jì)使更低輻射劑量、更快速掃描、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)偽影、高靈敏度圖像采集、極大數(shù)據(jù)量的圖像信息獲取等各個(gè)方面的性能得到了顯著改進(jìn)。

1.2 基于靜態(tài)CT的幾何校正

系統(tǒng)的幾何位置參數(shù)精度對(duì)重建圖像的質(zhì)量有很大影響，是決定CT系統(tǒng)能夠進(jìn)行高質(zhì)量重建的先決條件，尤其是空間分辨率高的系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的幾何位置有偏差，重建圖像中將會(huì)出現(xiàn)偽影，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致重建結(jié)果沒(méi)有意義。既往技術(shù)發(fā)展中的很多方法總體可分為兩類：一類是離線校準(zhǔn)方法，另一類是在線校準(zhǔn)方法。前者多采用制作精細(xì)的多球體模體，依靠特定模體的掃描來(lái)計(jì)算幾何參數(shù)；后者則是一類實(shí)時(shí)計(jì)算的系統(tǒng)幾何校正方法，依賴特定的目標(biāo)函數(shù)，包括Kyriakou等、Kingston等、孟等提出的各種函數(shù)。以上兩類校準(zhǔn)方法都各有其使用的范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)本文的多源靜態(tài)CT平臺(tái)，需要研究一種更高適用性、高精度的校正算法。

針對(duì)多源探測(cè)器的幾何校正，先要找到各個(gè)源的相對(duì)位移，整合成為一個(gè)正弦圖，再對(duì)整個(gè)正弦圖計(jì)算出整體偏心誤差，從而得到精確的偏心。相對(duì)位移的檢測(cè)，首先采用自適應(yīng)閾值分割的方法分割出金屬絲，并定位其位置，先根據(jù)默認(rèn)的偏心值對(duì)每個(gè)分布射線源投照的投影圖像進(jìn)行切割，然后取同一行圖像數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)正弦曲線的一部分，通過(guò)檢測(cè)到的每個(gè)源金屬絲的位置，計(jì)算出每個(gè)源與第一個(gè)源的相對(duì)位移，得到初步的相對(duì)位移。對(duì)每一個(gè)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(cè)量?jī)蓚€(gè)源之間的相對(duì)位移，重新記錄相應(yīng)位移偏差。對(duì)得到的標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線，計(jì)算相應(yīng)的重心的方法得到整個(gè)圖像的偏心，從而計(jì)算出精確的偏心，記錄每個(gè)源的裁剪位置，對(duì)整環(huán)圖像進(jìn)行裁剪。算法流程如圖4所示。

圖4 算法流程

以上算法過(guò)程是在Linux平臺(tái)上使用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的圖像各種校正，并基于Nvidia提供的cuda并行計(jì)算架構(gòu)進(jìn)行性能加速，從而實(shí)現(xiàn)了多源的幾何校正，改善圖像中出現(xiàn)的偽影現(xiàn)象，可以更好地對(duì)圖像進(jìn)行判讀和定性分析。

2 成像效果

在該系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)際掃描及圖像重建，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成像效果。相應(yīng)數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 一圈整環(huán)圖像每個(gè)源的部分正弦曲線

可以看到，通過(guò)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(jiàn)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(guò)幾何校正后重建的效果如圖7所示，21LP/CM清晰可見(jiàn)。

圖7 幾何校正后重建效果

3 結(jié)語(yǔ)

多源靜態(tài)CT系統(tǒng)作為全新一代CT平臺(tái)，在世界范圍內(nèi)都屬于領(lǐng)先的技術(shù)方向。靜態(tài)CT相對(duì)于傳統(tǒng)CT擁有多個(gè)優(yōu)勢(shì)：第一，靜態(tài)CT系統(tǒng)掃描速度比傳統(tǒng)CT快很多；第二，靜態(tài)CT系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)瞬間開(kāi)關(guān)和X射線發(fā)射的程序化控制；第三，由于分布式X射線管的獨(dú)立控制，每個(gè)X射線管可以在不同的能級(jí)下工作，從而實(shí)現(xiàn)多能譜掃描重建，提升CT設(shè)備的物質(zhì)鑒別能力；第四，球管和探測(cè)器以“靜止”方式工作，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)偽影，大幅提升空間分辨率?；诙嘣挫o態(tài)CT形態(tài)變化，引出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和算法改進(jìn)的一系列技術(shù)難點(diǎn)，本文主要談及的“幾何校正”只是其中的一個(gè)。基于前期的研究，探索到了一種適合多源靜態(tài)CT平臺(tái)的幾何校正算法。本文提及的幾何校正方法是基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，這會(huì)受到產(chǎn)業(yè)鏈上多環(huán)節(jié)質(zhì)量控制的影響，如球管生產(chǎn)、系統(tǒng)組裝、零配件更換校準(zhǔn)等。為了做到“適應(yīng)性廣泛”的幾何校正，目前相關(guān)人員已經(jīng)在已知的環(huán)節(jié)著手制定研發(fā)、生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)控，力爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)最小化。