基于動(dòng)態(tài)體模的CT時(shí)間分辨力的測(cè)試方法研究與實(shí)踐.pdf

1、計(jì)算機(jī)斷層成像(Computed Tomography，CT)已成為醫(yī)療診斷最重要的輔助手段之一，自1972年CT問(wèn)世以來(lái)，人們一直致力于研究CT成像質(zhì)量的改善以及掃描機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度的提高，隨著CT的更新?lián)Q代，其成像質(zhì)量不斷得到改善，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)掃描及容積成像，但是CT機(jī)架的旋轉(zhuǎn)速度一直制約著CT時(shí)間分辨力的提高，直到2005年西門子公司推出了雙源CT(Dual Sources Computed Tomography，DSCT)，使得CT機(jī)

2、架旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間達(dá)到330ms，極大地提高了CT的時(shí)間分辨力，擴(kuò)大了CT的臨床應(yīng)用范圍。
　　 CT時(shí)間分辨力主要是指掃描野內(nèi)用于圖像采集和重建的時(shí)間之和，也即掃描機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間。時(shí)間分辨力是影響心臟成像質(zhì)量的重要因素，時(shí)間分辨力越高，越能將運(yùn)動(dòng)的心臟“凍結(jié)”在某一特定的時(shí)相，從而克服運(yùn)動(dòng)偽影對(duì)醫(yī)療診斷的影響。目前，對(duì)于CT時(shí)間分辨力的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有可以借鑒的測(cè)試方法及相應(yīng)的測(cè)試工具，因此為了更好的評(píng)價(jià)CT的性能及成像質(zhì)

3、量，本文提出了基于第三代CT環(huán)形偽影產(chǎn)生原理來(lái)測(cè)量CT時(shí)間分辨力的方法，設(shè)計(jì)和研制出一種時(shí)間分辨力動(dòng)態(tài)體模，并實(shí)現(xiàn)了時(shí)間分辨力的測(cè)量。
　　 首先，本文介紹了時(shí)間分辨力動(dòng)態(tài)體模的設(shè)計(jì)與研制。時(shí)間分辨力體模的形狀是在模仿美國(guó)體模實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的用于評(píng)價(jià)CT性能的Catphan500體模及本課題時(shí)間分辨力測(cè)量原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的，體模的形狀為圓柱體，直徑為15cm，厚度為5cm，材料為有機(jī)玻璃(Polymethylmethacryla

4、te，PMMA)。兩個(gè)高密度衰減物分別為距離圓心3cm和5cm處的不銹鋼絲和鋁絲，直徑均為3mm。時(shí)間分辨力體模在兩相四線混合式步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下工作，而步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用了軟件和硬件相結(jié)合的控制方法，其控制系統(tǒng)由宏晶科技生產(chǎn)的單片機(jī)STC12C2052AD及東芝公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H構(gòu)成。也就是說(shuō)時(shí)間分辨力體模的驅(qū)動(dòng)采用單片機(jī)技術(shù)，以編程的方式控制其做類似于圓周的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度的大小由輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率來(lái)決定，運(yùn)動(dòng)方向與

5、CT機(jī)架旋轉(zhuǎn)的方向相同。
　　 其次，分析了時(shí)間分辨力與心臟成像的關(guān)系，指出CT時(shí)間分辨力的高低直接影響著心臟成像質(zhì)量的好壞，進(jìn)而影響醫(yī)療診斷水平的高低，所以對(duì)時(shí)間分辨力進(jìn)行研究對(duì)提高醫(yī)療水平有至關(guān)重要的影響;同時(shí)闡述了第三代CT環(huán)形偽影的產(chǎn)生機(jī)制，在第三代CT中如果一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器通道發(fā)生異常，在圖像重建時(shí)將會(huì)產(chǎn)生環(huán)形偽影，依據(jù)此原理，讓包含有高密度衰減物的時(shí)間分辨力體模與CT機(jī)架以同樣的速度和方向旋轉(zhuǎn)，利用不完全掃描重建產(chǎn)生

6、環(huán)形偽影，環(huán)形偽影的角度為我們測(cè)量時(shí)間分辨力提供了依據(jù);本文還介紹了數(shù)據(jù)采集所使用的受檢設(shè)備及體模速度驗(yàn)證設(shè)備，并設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)要的時(shí)間分辨力測(cè)量方法，在此基礎(chǔ)上完成了數(shù)據(jù)的采集。
　　 由于時(shí)間分辨力動(dòng)態(tài)體模整體裝置在設(shè)計(jì)上采用了兩個(gè)不銹鋼橫梁，使得數(shù)據(jù)采集時(shí)產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的放射狀金屬偽影。金屬作為一種高密度衰減物，在射線通過(guò)時(shí)，其衰減系數(shù)比有機(jī)玻璃等組織要高很多，所以X射線在被這些高密度衰減物作用后會(huì)急劇衰減，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的投影數(shù)據(jù)失

7、真，在圖像重建時(shí)就會(huì)出現(xiàn)實(shí)物中不存在的成分，也就是金屬偽影。金屬偽影是影響CT圖像質(zhì)量的一個(gè)重要因素，因此在利用采集到的圖像測(cè)量時(shí)間分辨力時(shí)，首先需要對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理。本文對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理的大致步驟是首先采用傳統(tǒng)的自適應(yīng)前置濾波器對(duì)遭到金屬偽影破壞的原始圖像進(jìn)行濾波，以降低圖像的噪聲并對(duì)圖像進(jìn)行平滑;其次采用Mean-Shift圖像分割算法將濾波后的圖像分為金屬類部分和偽影類部分（由于重建后的圖像包括兩個(gè)環(huán)形偽影，我們將直徑較小的環(huán)

8、形偽影也作為偽影類部分）;接著對(duì)兩部分的圖像分別進(jìn)行Radon變換，得到各自的弦圖;然后采用混合插值算法對(duì)兩部分圖像進(jìn)行插值校正，即對(duì)金屬類部分做三次樣條插值，偽影類部分做線性插值，為方便以后的數(shù)據(jù)處理，將直徑較小的環(huán)形偽影作為偽影部分去掉;最后將校正后的兩部分弦圖進(jìn)行融合，再對(duì)融合后的圖像進(jìn)行濾波反投影重建(Filtered Back Projection，F(xiàn)BP)，得到去除放射狀金屬偽影及小圓弧后的圖像，從而完成圖像的預(yù)處理。

9、>　　 然后，為了確定圓弧所在的圓及圓心，需對(duì)預(yù)處理完后的圖像進(jìn)行圓心定位檢測(cè)。一般情況下，采用Hough變換圓檢測(cè)算法進(jìn)行確定。Hough變換(Hough Transformation，HT)是利用圖像的全局特性將邊緣像素連接起來(lái)組成區(qū)域封閉邊界的一種方法，它實(shí)現(xiàn)的是一種從圖像空間到參數(shù)空間的映射關(guān)系。本文詳細(xì)介紹了基于傳統(tǒng)Hough變換的直線檢測(cè)及圓檢測(cè)，傳統(tǒng)Hough變換圓檢測(cè)算法的基本思想是將圖像的空間域變換到參數(shù)空間，用大多

10、數(shù)邊界點(diǎn)滿足的某種參數(shù)形式來(lái)描述圖像中的曲線邊界，由于圓的參數(shù)空間是三維的，所以進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要消耗非常大的計(jì)算時(shí)間及存儲(chǔ)空間。在此情況下，本文提出了一種基于圖像本身的灰度信息和圓的梯度信息的圓檢測(cè)算法，該算法減少了無(wú)效累積的檢測(cè)，極大地降低了計(jì)算量與資源需求，提高了檢測(cè)速度。文章還詳細(xì)介紹了梯度的求取方法以及基于梯度信息圓檢測(cè)算法的具體步驟，實(shí)現(xiàn)了圓弧所在圓的檢測(cè)，并畫出其所在的圓。
　　 最后，本文詳細(xì)地介紹了傳統(tǒng)的Prewi

11、tt算子，該算子抗噪性強(qiáng)、檢錯(cuò)率低、檢測(cè)效果好，所以本文利用該算子實(shí)現(xiàn)了圓弧的邊緣檢測(cè)，比較準(zhǔn)確地確定了圓弧的起始點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)結(jié)合基于梯度信息的Hough變換圓檢測(cè)算法確定的圓弧所在圓的圓心坐標(biāo)，計(jì)算出當(dāng)CT機(jī)架以0.5s/240°的掃描方式采集到的圖像數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的圓心角大小為(240.0791°±0.6637°)，然后根據(jù)CT時(shí)間分辨力的計(jì)算公式，計(jì)算出其大小為(0.5002±0.0014)s。因此我們可以看出，經(jīng)過(guò)測(cè)量得到的C