一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法技術

本發明專利技術公開了一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其制備方法包括以下步驟：S1，通過胸部數字合成體層成像，獲取CTS投影數據；S2,從S1中獲取的CTS投影數據提取膈肌的運動軌跡；S3,從S2獲取的膈肌運動進行進行sin?quadric模型擬合。本發明專利技術針對在目標對象進行CTS掃描過程中，因目標對象肺功能不全或者屏氣不足導致的投影數據處于不同的呼吸相位中，從而造成呼吸運動偽影，影響CTS呈現的問題，通過對CTS呼吸信號進行提取分析，通過sobel算法邊緣檢測及sin?quadratic模型擬合對CTS圖像進行呼吸運動校正，有效防止了CTS圖像中的呼吸運動偽影。

A Breathing Motion Analysis Method in Thoracic Digital Synthetic X-ray Tomography

The invention discloses a respiratory motion analysis method in chest digital synthetic X-ray tomography. The preparation method includes the following steps: S1, obtaining CTS projection data through chest digital synthetic tomography; S2, extracting diaphragm motion track from CTS projection data obtained from S1; S3, fitting sin quadric model for diaphragm motion obtained from S2. In the process of CTS scanning of target object, projection data caused by insufficient lung function or breath holding of target object is in different breathing phases, thus causing breathing motion artifacts and affecting CTS presentation. By extracting and analyzing the breathing signal of CTS, breathing of CTS image is carried out through Sobel algorithm edge detection and sin quadratic model fitting. Motion correction can effectively prevent breathing motion artifacts in CTS images.

【技術實現步驟摘要】
一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法
本專利技術涉及輻射成像和圖像處理技術
，尤其涉及一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法。
技術介紹
據2015年《中國癌癥統計》報告，肺癌在我國的發病率和死亡率均占到所有癌癥的首位。當前臨床使用最廣泛的早期肺癌篩查手段是胸部數字X射線平片攝影(digitalradiography，DR)。低輻射劑量、低檢測成本、吞吐量大的優點使得DR受到臨床工作者的青睞。但DR的成像方式是將三維的物體投影到二維平面上，造成組織重疊，此種模式大大降低了DR對于肺部結節尤其是肺部微小結節或隔膜下結節的特異性。近年來，得益于平板探測器技術的發展，X射線數字合成體層成像(digitaltomosynthesis，DTS)技術受到了科研界和醫學界的持續關注，其中以胸部數字合成體層成像(chesttomosyntesis，CTS)最具代表性。tomosyntesis是一種新興的有限角度成像技術，該技術利用有限角度下的掃描投影對物體進行偽三維重建，可以避開DR成像中的組織重疊效應。由于其三維成像的特點，CTS對肺部病灶的檢測靈敏度是DR的三倍，而其輻射劑量遠低于CT。硬件方面，CTS只需在DR的基礎上對X射線球管配對一個步進電機，加上CTS的專屬重建算法即可實現，使得CTS的檢測成本遠低于胸部CT。綜上所述，CTS有望在臨床中取代DR和CT而成為肺癌的常規檢查手段。在CTS掃描過程中，需要對目標對象進行有限角度的持續曝光，目標對象肺功能不全或者屏氣不足將導致連續獲取的投影數據處于不同呼吸相位，使得呼吸運動偽影成為CTS成像中不可避免的問題，進而使CTS圖像質量急劇下降，甚至可導致CTS對肺部病灶的特異性降至DR水平。目前，尚未有文獻或報道就CTS中呼吸運動偽影的問題給出合理的解決方案。本專利技術中，我們將依據投影數據本身，分析目標對象在掃描過程中是否能夠屏氣(是否存在呼吸運動)，并提出了一種呼吸信號的提取方法。通過對目標對象呼吸運動的分析，一方面可以指導臨床技師對存在呼吸運動的病人進行再次掃描檢查；另一方面，可對呼吸信號進行相位劃分，進而對CTS中的運動偽影進行抑制。
技術實現思路
基于
技術介紹
存在的技術問題，本專利技術提出了一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法。本專利技術提出的一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其制備方法包括以下步驟：S1，通過胸部數字合成體層成像，獲取CTS投影數據；S2,從S1中獲取的CTS投影數據提取膈肌的運動軌跡；S3,從S2獲取的膈肌運動進行進行sin-quadric模型擬合；S4，根據S3中擬合的數據，分離出二次型的膈肌基底運動曲線，最終得出呼吸信號曲線；S5，根據S4所得出的呼吸信號曲線，進行CTS呼吸運動校正重建。優選地，所述CTS投影數據系統參數主要包括投影角度、投影數、球管至旋轉中心距離以及球管至探測器距離。優選地，所述胸部數字合成體層成像中的X射線球管與探測器呈平行反方向運動，其運動方式連續且均勻。優選地，所述CTS掃描過程中膈肌的運動方向與探測器運動方向一致。優選地，所述CTS中的X射線與膈肌的交匯點呈二次型軌跡，其方向與X射線球管運動方向平行。優選地，所述S2中的X射線與膈肌造成投影中的膈肌信號拼接起來，形成膈肌運動圖像；對圖像進行邊緣算法提取，即可得到膈肌在CTS投影中的運動軌跡優選地，所述邊緣算法采用sobel算法，prewitt算法，roberts算法，高斯-拉普拉斯算法，zero-cross算法或者canny算法。優選地，所述膈肌在CTS投影中的運動軌跡提取步驟：將靜止狀態掃描時由于CTS掃描幾何所引起的投影中的膈肌運動稱為基底運動，對CTS掃描過程中膈肌的運動進行模型分析，建立模型：Mdiaphragm＝Mrespiration+Mbase(I)其中，Mdiaphragm表示CTS投影中膈肌的運動，Mrespiration表示目標對象的呼吸運動，Mbase表示由掃描幾何所引起的基底運動；，CTS掃描過程中膈肌的具體運動模型建立為：y(x)＝A*sin(B*x+C)+D*x2+E*x+F(II)；其中，y(x)為膈肌運動幅值，x為投影編號，A～F為模型系數。式(I)與式(II)的映射關系為：Mdiaphragm→y(x)；Mrespiration→A*sin(B*x+C)；Mbase→D*x2+E*x+F；采用最小二乘法求解該模型，其求解公式為：根據上述所求解出的模型，取sin部分模型，即為所需要提取的呼吸信號：Mrespiration*＝A**sin(B**x+C*)(IV)；根據得出的呼吸信號曲線，利用獲取呼吸信號對投影數據進行相位劃分，然后針對不同相位進行呼吸運動偽影矯正重建，具體如下：采用目標對象所有的不劃分相位的投影數據利用FDK算法進行CTS重建，得到初始重建圖像，其像素矩陣大小為720*720*40；針對劃分的不同相位，對所生成的初始重建圖像迭代地進行校正，其迭代矯正模型為：其中，μ為當前的CTS圖像；μnext為一次迭代完成后所得到的呼吸運動校正后的圖像；pphase為特定呼吸相位下的CTS投影數據；為正向投影操作，由步驟1中CTS的系統參數以及呼吸相位的劃分共同確定；為逆向投影操作。具體的，式(Ⅴ)中圖像運動校正模型的迭代初值為所有投影數據重建所得的初始圖像，采用梯度下降法求解該模型，最終生成呼吸運動校正后的CTS圖像。本專利技術針對在目標對象進行CTS掃描過程中，因目標對象肺功能不全或者屏氣不足導致的投影數據處于不同的呼吸相位中，從而造成呼吸運動偽影，影響CTS呈現的問題，通過對CTS呼吸信號進行提取分析，通過sobel算法邊緣檢測及sin-quadratic模型擬合對CTS圖像進行呼吸運動校正，或進行再次掃描，不需要另外的呼吸信號檢測裝置或者CT圖像進行輔助，有效防止了CTS圖像中的呼吸運動偽影。附圖說明圖1為本專利技術方法的流程示意圖；圖2為本專利技術中呼吸信號提取過程的流程示意圖；圖3為本專利技術中說明CTS掃描過程中目標對象膈肌位移方式的圖像；其中，a為CTS掃描過程中X射線與膈肌交匯點的位移的幾何示意圖；b膈肌在探測器上的相對位移的示意圖；圖4為本專利技術中對帶有呼吸運動XCAT體模數據進行CTS投影提取呼吸信號的實驗結果；其中，a為求解sin-quadratic模型所得的結果圖，b為使用求解sin-quadratic模型提取出的呼吸信號曲線與體模原本呼吸信號的對比圖；圖5為本專利技術對病人真實數據的實驗結果；其中，a為膈肌信號提取圖像；b為對其進行sin-quadratic模型擬合的結果；圖6中a、b分別為本專利技術實施案例中對病人數據進行直接重建和呼吸運動校正重建的圖像，c為劃分4個呼吸相位下重建的圖像。具體實施方式下面結合具體實施例對本專利技術作進一步解說。本專利技術提出的一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，如圖1所示，其制備方法包括以下步驟：S1，通過胸部數字合成體層成像，獲取CTS投影數據；S2,從S1中獲取的CTS投影數據提取膈肌的運動軌跡；S3,從S2獲取的膈肌運動進行進行sin-quadric模型擬合；S4，根據S3中擬合的數據，分離出二次型的膈肌基底運動曲線，最終得出本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其特征在于，其制備方法包括以下步驟：S1，通過胸部數字合成體層成像，獲取CTS投影數據；S2,從S1中獲取的CTS投影數據提取膈肌的運動軌跡；S3,從S2獲取的膈肌運動進行進行sin?quadric模型擬合；S4，根據S3中擬合的數據，分離出二次型的膈肌基底運動曲線，最終得出呼吸信號曲線；S5，根據S4所得出的呼吸信號曲線，進行CTS呼吸運動校正重建。

【技術特征摘要】
1.一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其特征在于，其制備方法包括以下步驟：S1，通過胸部數字合成體層成像，獲取CTS投影數據；S2,從S1中獲取的CTS投影數據提取膈肌的運動軌跡；S3,從S2獲取的膈肌運動進行進行sin-quadric模型擬合；S4，根據S3中擬合的數據，分離出二次型的膈肌基底運動曲線，最終得出呼吸信號曲線；S5，根據S4所得出的呼吸信號曲線，進行CTS呼吸運動校正重建。2.根據權利要求1所述的一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其特征在于，所述CTS投影數據系統參數主要包括投影角度、投影數、球管至旋轉中心距離以及球管至探測器距離。3.根據權利要求1所述的一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其特征在于，所述胸部數字合成體層成像中的X射線球管與探測器呈平行反方向運動，其運動方式連續且均勻。4.根據權利要求1所述的一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其特征在于，所述CTS掃描過程中膈肌的運動方向與探測器運動方向一致。5.根據權利要求1所述的一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其特征在于，所述S2中的CTS中的X射線與膈肌的交匯點呈二次型軌跡，其方向與X射線球管運動方向平行。6.根據權利要求1所述的一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其特征在于，所述S2中的X射線與膈肌造成投影中的膈肌信號拼接起來，形成膈肌運動圖像；對膈肌運動圖像進行邊緣算法提取，得到膈肌在CTS投影中的運動軌跡。7.根據權利要求6所述的一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其特征在于，所述邊緣算法采用sobel算法，prewitt算法，roberts算法，高斯-拉普拉斯算法，zero-cross算法或者canny算法。8.根據權利要求6所述的一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其特征在于...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陶熙，張華，馬建華，黃靜，陳武凡，
申請(專利權)人：南方醫科大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44