基于多源静态CT系统的几何校正

王 程，崔志立，高 建

(北京纳米维景科技有限公司，北京 100094)

0 引言

X射线自成像诞生以来，由于其可以获取物体内部的信息，在医学、安检、无损检测等领域发挥着重要作用[1-3]。目前，在医学领域，全球主要应用的CT以第3代螺旋CT为主，成像技术是通过滑环技术使X射线管和探测器可以在圆环轨迹连续旋转，对物体的各个角度进行射线扫描，从而获取射线对物体的透射信息。从这一螺旋结构不难看出，围绕物体转动的X射线管、探测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系统时间分辨率的一个关键因素。螺旋CT硬件结构带来的先天“缺陷”始终无法避免，旋转结构上的零部件承受的离心力已经接近目前工艺水平所能达到的极限能力，滑环不能以更高的转速旋转，扫描速度也接近了最大极限，很难再有提高。

随着医学的发展，临床上需要具备更高分辨率的技术帮助早期发现微小病灶，也需要更快时间分辨率的技术用于心脏疾病的诊疗。西门子公司率先采用了新的设计思路作为突破点，推出了Force系列CT，技术参数有所提高，并已经应用于临床[4]，但依然是基于“螺旋”结构的设计。本课题组采用整环分布式X射线管和整环光子流探测器的双环结构，用分布式X射线管的轮流脉冲曝光，替代了射线源旋转过程中的持续曝光。通过多源静态等效的方式，等效获得的时间分辨率可以大幅提升，关键部件不再承受巨大的离心力和加速度，有效解决了限制螺旋CT转速的难题。本文将着重介绍多源静态CT的结构和独特几何校正算法。

1 系统设计

1.1 静态 CT 成像系统

传统的静态CT技术是一种利用分布式光源采集物体不同角度投影的CT扫描技术[5]，通过物体周围排布的一系列X射线源逐次曝光，获取完整的投影数据，在系统设计上避免了滑环一类机械结构，系统更稳定。

在美国北卡罗来纳州，Otto Zhou教授领导的研究团队经过多年全面深入的研究，分别研制出了微型静态CT、静态口腔CT、静态乳腺CT以及静态胸部CT[9]扫描系统，开启了静态CT系统在医学临床的应用，但这些都只是局部应用。

多源静态CT(Multi-source Static CT)是本研究团队设计并研发的、可全身应用的静态CT系统，是CT发展史上的第6代。其中，“多源”和“静态”是相对于传统螺旋CT的结构和运行方式而言的，避免了螺旋CT面临的物理极限的缺点，实现了更高的空间分辨率，使更快的时间分辨率和多能谱成为可能，从而为更加广阔的应用提供了更多发展机会。

本机设计采用自上而下的整体设计与自底向上的集成细化之架构思路，将高分辨率静态CT设备从系统顶层划分为高速脉冲射线源、光子流探测器、电控系统、机械结构、影像链、软件与算法等子系统，其中高速脉冲射线源、光子流探测器及算法为该系统的自主研发核心部件，整体架构如图1、图2所示。

图1 静态CT整体架构

图2 静态CT系统的整体架构

与以往滑环CT的结构不同，静态CT系统采用了光子流探测器和高速脉冲射线源构成双环结构，整环设计植入百余个环状排列的扫描射线源，体现了“多源”的设计理念。设备终止了射线源和探测器相对同步旋转的情形，以“静止”成像方式，创新性解决了螺旋CT设备机械旋转速度和器件所能承受离心力的限制以及旋转速度接近瓶颈的问题。采用高速切换方式，通过各分布式光源的依次曝光，实现了更高的等效转速，其扫描效率明显优于螺旋CT，在避免运动伪影的同时大大降低了辐射剂量，在大幅提高空间分辨率的同时，时间分辨率方面也将明显超过现有螺旋CT设备的指标。

双环结构概念如图3所示，A为射线源环，B为探测器环。

图3 静态CT系统

本多源静态CT系统的特点主要有：(1)扫描时无需机械旋转，通过整环的分布式射线源的快速切换，实现更高的等效旋转，快速完成CT扫描和重建；(2)整环探测器和整环射线源，可以多个射线源同时曝光，进一步提升时间分辨率，最大限度减少呼吸运动伪影，进一步提升成像精准度和清晰度；(3)整环探测器的CT架构，将ASIC集成到探测器芯片内部，直接数字信号输出，同时采用探测器端实时图像校准，并分担计算机图像处理任务，提升图像处理实时能力。以上设计使更低辐射剂量、更快速扫描、无机械运动伪影、高灵敏度图像采集、极大数据量的图像信息获取等各个方面的性能得到了显著改进。

1.2 基于静态CT的几何校正

系统的几何位置参数精度对重建图像的质量有很大影响，是决定CT系统能够进行高质量重建的先决条件，尤其是空间分辨率高的系统。如果系统的几何位置有偏差，重建图像中将会出现伪影，严重时将导致重建结果没有意义。既往技术发展中的很多方法总体可分为两类：一类是离线校准方法，另一类是在线校准方法。前者多采用制作精细的多球体模体，依靠特定模体的扫描来计算几何参数；后者则是一类实时计算的系统几何校正方法，依赖特定的目标函数，包括Kyriakou等、Kingston等、孟等提出的各种函数。以上两类校准方法都各有其使用的范围和优缺点，针对本文的多源静态CT平台，需要研究一种更高适用性、高精度的校正算法。

针对多源探测器的几何校正，先要找到各个源的相对位移，整合成为一个正弦图，再对整个正弦图计算出整体偏心误差，从而得到精确的偏心。相对位移的检测，首先采用自适应阈值分割的方法分割出金属丝，并定位其位置，先根据默认的偏心值对每个分布射线源投照的投影图像进行切割，然后取同一行图像数据，得到相应正弦曲线的一部分，通过检测到的每个源金属丝的位置，计算出每个源与第一个源的相对位移，得到初步的相对位移。对每一个源得到的曲线，采用最小二乘法拟合曲线的方法，再一次精确测量两个源之间的相对位移，重新记录相应位移偏差。对得到的标准的正弦曲线，计算相应的重心的方法得到整个图像的偏心，从而计算出精确的偏心，记录每个源的裁剪位置，对整环图像进行裁剪。算法流程如图4所示。

图4 算法流程

以上算法过程是在Linux平台上使用C++语言实现的图像各种校正，并基于Nvidia提供的cuda并行计算架构进行性能加速，从而实现了多源的几何校正，改善图像中出现的伪影现象，可以更好地对图像进行判读和定性分析。

2 成像效果

在该系统上进行了实际扫描及图像重建，通过实验验证成像效果。相应数据的测试结果如图5所示。

图5 一圈整环图像每个源的部分正弦曲线

可以看到，通过特有的几何校正，可以得到较为清晰的高分辨率重建图像(见图6)。

图6 粗裁剪后的正弦曲线图(左)；精确裁剪后的正弦曲线图(右)

通过几何校正后重建的效果如图7所示，21LP/CM清晰可见。

图7 几何校正后重建效果

3 结语

多源静态CT系统作为全新一代CT平台，在世界范围内都属于领先的技术方向。静态CT相对于传统CT拥有多个优势：第一，静态CT系统扫描速度比传统CT快很多；第二，静态CT系统可实现瞬间开关和X射线发射的程序化控制；第三，由于分布式X射线管的独立控制，每个X射线管可以在不同的能级下工作，从而实现多能谱扫描重建，提升CT设备的物质鉴别能力；第四，球管和探测器以“静止”方式工作，无机械运动伪影，大幅提升空间分辨率。基于多源静态CT形态变化，引出了结构设计和算法改进的一系列技术难点，本文主要谈及的“几何校正”只是其中的一个。基于前期的研究，探索到了一种适合多源静态CT平台的几何校正算法。本文提及的几何校正方法是基于机械结构的稳定，这会受到产业链上多环节质量控制的影响，如球管生产、系统组装、零配件更换校准等。为了做到“适应性广泛”的几何校正，目前相关人员已经在已知的环节着手制定研发、生产的标准，并进行严格的质控，力争风险最小化。