投影旋转间隔对CT重建图像的影响

孙涛，韩善清

南京医科大学第一附属医院 a.放射科；b.信息中心，江苏 南京 210029

投影旋转间隔对CT重建图像的影响

孙涛a，韩善清b

南京医科大学第一附属医院 a.放射科；b.信息中心，江苏 南京 210029

目的 探讨CT扇形束扫描的投影旋转间隔对成像时间、成像质量以及图像重建计算量的影响。方法 采用Matlab软件编程，实现对仿真模型的投影数据取得、图像反投影重建，并将此方法用于实际颅脑的CT图像进行投影和反投影重建验证。结果 本文通过对模型图像重建研究，得到了投影及重建过程中投影旋转间隔对成像时间、成像质量以及图像重建计算量的影响因素。结论在扇形束投影CT的成像过程中，投影旋转间隔在<2°的范围内会对成像时间、成像质量以及计算量产生较小影响。

CT机；扇形束扫描；图像重建；医学影像

CT在临床上广泛应用，正朝着成像更加清晰、迅速的方向发展[1-3]。CT的扫描数据是CT成像的依据，扫描方式和扫描量都对最终成像产生影响。本文主要探讨扇形束扫描CT数据取得过程中，投影旋转间隔对CT重建图像的影响。

1 研究对象和方法

1.1 投影数据的获取

CT的扫描方式直接推动了CT技术的前进。扫描方式虽然发生多次革新，但目前常用的CT的投影数据基本都是以扇形束投影的方式取得的[4]。本文扇形束扫描投影数据的计算方法是建立在单束扫描的基础上，适合于所有机型的步进式扫描。本研究采用机型为西门子SOMATOM CT Scanner，扫描参数为 130kV、240mAs，Slice为 10.0mm。单束扫描过程可以分为2个步骤。

（1）扫描机构直线平移，得到n个投影数据。若每次平移间隔为dl，则第i次扫描的扫描线距扫描中线的距离为 t=i×dl。

（2）旋转一个小角度α，作第2次平移扫描，其中第j次扫描时，旋转的角度相对于原始角度则为θ=α×j。如此下去，旋转180°得到n×(180/α)=m个投影数据。图1即为单次平移120次，旋转间隔为1°的头颅CT扫描图。

扇形束的投影数据可以以单束扫描为基础，作一些变量的代换即可实现（图2）。图中γ为射线的张角，β为点源s发射中心线与Y的夹角，D为放射源到投影中心的距离。与单束投影对应，本研究取投影线间隔为α、旋转间隔为δ，则第i次投影张角γ=i×α，第j次旋转中心线转角β=j×δ。根据其中几何关系直线投影中的t就可以由D和γ来表示，而θ就可以由γ和β来表示，具体的关系：

θ=β+γ

t=Dsinγ

图1 120×(180/1)头颅CT扫描示意图

图2 扇形束扫描

根据上述关系，扇形束投影对投影数据的影响主要与投影源张角的γm、投影源与投影原点之间的距离D、投影线间隔α和旋转间隔δ有关。

设定D=1（相对尺寸，与正方形图像大小一致，图像相对尺寸设为1），射线张角设定为90°，这样可以保证每次扫描都能包含整个图像，同时也尽量利用了射线束。

1.2 仿真模型的建立

采用能够有效评价断层成像效果的Sheep Logan模型（S-L模型）作为仿真研究对象，建立了仿真模型（图 3）。

图3 S-L仿真模型(256×256)

对于某台CT，其D和γm是固定的，在本实验中选取了典型的0.25°、1°、2°旋转间隔。

1.3 CT图像的重建

单束扫描的重建可以有3种方法来实现：直接反投影、滤波反投影和卷积反投影。由于直接反投影和滤波反投影相对于卷积反投影存在不足之处，目前，图像的重建主要使用卷积反投影来实现[5-7]。

2 实验结果

2.1 投影间隔对图像重建的影响

投影线之间的间隔大小直接影响投影单次扫描数据的采集量，进而影响总体数据的处理量，同时也会影响图像质量。扫描数据量越大，需要的扫描时间就越长，扫描过程中因移动造成的伪影几率就会增大，图像重建时计算量也会增多。相反，如果扫描数据量小，扫描和重建时间会减小，不过重建后的图像质量会因数据量减少而变差，甚至不能提供足够我们所需的断层信息。

本实验中通过设定不同的m值，即可得到不同投影间隔下的重建图像。为保持其他参数的一致性，投影旋转间隔采用的是默认值1°，投影方式也是默认的等角度投影。

（1）图4是投影间隔为1°时所成的图像。重建后图像基本反映了模型的特征，但对于模型中较小的椭圆反映不好，边缘略显模糊。在实际医学应用时其分辨率能够满足一些粗略的诊断，但若涉及到对细小病变的检查还是不够的。

图4 1°投影间隔重建图像

（2）将投影间隔增大到2°，那么数据量将会减少到原来的1/2。但我们看图5的重建结果，图像模糊，边缘不够清晰，小的椭圆基本没有得到反映，大椭圆还出现了变形，成像效果极其不理想。

图5 2°投影间隔重建图像

（3）将投影间隔改为0.25°，数据采集量变为了1°投影时的4倍，用与重建的信息量也就增多了。图6是重建后图像，很好地反映了模型特征，边缘清晰，对小椭圆的反映也很好。

图6 0.25°投影间隔重建图像

2.2 实际颅脑CT图像研究

本实验选取了颅脑CT图像（图7）作为研究对象。

图7 用于实际图像研究的颅脑CT图像

（1）投影间隔为为1°时，得到图8，其结果与原图像相差很大，对于断层信息的反映很不好，表面呈波纹样模糊。

图8 1°投影间隔重建实际图像

（2）当投影间隔为0.25°时，得到图9，其重建结果基本与原图像相同，取得令人满意的效果。

图9 0.25°投影间隔重建实际图像

3 小结

通常，如果需要得到足够清晰的图像，就需要增加投影数据的采集量，特别是要增加投影密度，但实际情况下，投影间隔缩小不是无限制的，投影间隔的缩小需要解决放射源和检测器2个方面的问题。在生产和使用过程中我们要考虑实际应用对图像质量的要求，根据实际需要的图像质量来设定投影数据的获取量，避免出现不必要的浪费。

[1] 高丽娜,陈文革.CT技术的应用发展及前景[J].CT理论与应用研究,2009,18(1):99-109.

[2] 童双立.多层螺旋.CT的新进展[J].CT理论与应用研究,2005,(4):52-55.

[3] 李强.医学图像分割进展[J].中国医疗设备,2010,25(5):121- 124.

[4] 罗述谦,周果宏.医学图像处理与分析[M].北京:科学出版社,2003.

[5] 江根苗,连兵,刘晋军,等.CT图像重建的算法优化和代码优化[J].CT理论与应用研究,2000,(9):13-22.

[6] 孙丰荣,刘积仁,王长宇,等.CT快速二维反投影算法[J].中国生物医学工程学报,2005,24(2):179-185.

[7] 高云,胡道予,李震,等.直接投影断层成像技术的初步实验研究[J].CT理论与应用研究,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：孙涛，硕士研究生，主管技师。

韩善清，硕士研究生，工程师。

作者邮箱：stsdwh@sina.com

R445.3

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.10.010