X射线切面成像方法、存储介质及成像系统
阅读说明：本技术 X射线切面成像方法、存储介质及成像系统 (X-ray section imaging method, storage medium and imaging system ) 是由 邹鲁民 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种X射线切面成像方法,包括在X射线源、被检测目标物和X射线接收器构成的3D空间内,确定被检测目标物和X射线接收器的空间位置,X射线源的初始位置；基于被检测目标物与X射线接收器的空间位置,确定X射线源在3D空间内的运动区域；控制X射线源在运动区域内自由运动,在自由运动中对被检测目标物进行预定次数的X射线成像,以获取被检测目标物二维投影图像序列,并利用二维图像序列重建切面图像序列；以及存储介质和成像系统；有益效果：在选定的空间运动区域内自由运动,可在任意投影角度或任意SID获取被检测目标物的X射线图像数据并重建切面图像,而不受X射线成像系统中机械部件精度高低和空间运动轨迹的限制。(The invention provides an X-ray section imaging method, which comprises the steps of determining the space positions of a detected target object and an X-ray receiver and the initial position of an X-ray source in a 3D space formed by the X-ray source, the detected target object and the X-ray receiver; determining a motion region of the X-ray source in a 3D space based on the spatial positions of the detected target object and the X-ray receiver; controlling an X-ray source to move freely in a moving area, carrying out X-ray imaging on a detected target object for a preset number of times in the free movement to obtain a two-dimensional projection image sequence of the detected target object, and reconstructing a section image sequence by using the two-dimensional image sequence; and a storage medium and an imaging system; has the advantages that: the X-ray image data of the detected target object can be acquired at any projection angle or any SID and the sectional image can be reconstructed without the limitation of the precision of mechanical parts and the space motion track in the X-ray imaging system.)
技术领域
本发明属于X射线技术领域，特别涉及一种X射线切面成像方法、存储介质及成像系统。
背景技术
X射线成像技术是各种医学影像技术中使用量最大、应用面最宽、装备数量最大，具有极高临床价值的影像诊断手段，广泛用于医疗和兽医领域的影像学诊断和图像引导治疗中，并在工业无损检测领域也有广泛使用。
在传统X射线成像系统中，X射线在穿过不同密度物质过程中表现出不同的衰减特性，通过检测X射线的衰减程度获取被成像对象内部结构的密度差信息，从而产生X射线图像。在这类常规X射线成像系统中，X射线源朝受检者或对象(例如患者或一件行李)发射X射线射束。在下文中，术语“受检者”和“对象”应包括能够被成像的任何物体。射束在被受检者衰减后照射到辐射检测器的阵列上，在该检测器阵列接收的射束辐射的强度取决于受检者对X射线射束的衰减程度，检测器阵列的每个检测器元件接收衰减射束的X线光子并转换成电信号，该电信号被数字化并且传送到数据处理系统用于处理和产生受检者或对象的数字化X射线图像。
X射线成像系统在结构上有多种形式,常见的有双立柱结构、悬吊架结构移动机结构和电动遥控床结构。图1示出了本发明
背景技术
中提及的一种X射线成像系统的结构示意图。参见图1，X射线源连接在影像系统的主体框架上。在成像过程中，主体框架在高精度导轨2中滑动从而带动X射线源1沿着预设的固定轨道3运动，并在固定轨道3的预设位置发射X射线至受检者或对象，以实现对受检者或对象的一系列成像的获取，进而通过数据处理系统完成受检者切面图像的重建。整个成像过程中，由于连接X射线源的主体框架、与主体框架滑动配合的高精度导轨2以及X射线源运动的固定轨道的精度直接影响X射线源的拍摄位置的精准度，进而影响重建的切面成像质量。故而，成像质量的高低严重依赖于上述机械设备的设计精度、制造精度以及安装精度。为保证X射线成像系统的主体框架、与主体框架滑动配合的高精度导轨以及X射线源运动的固定轨道具备较高的几何精度要求，上述机械设备需采用高成本的材料，如高强度航空铝材，同时也需要高精度的加工设备和严格的加工工艺辅助，使得现有的X射线切面成像系统的制造难度和制造成本居高不下，大为限制了X射线切面成像系统产品的普及和运用。同时对机械结构高精度的要求，也限制了设备的机械结构设计的灵活性和应用场景。
另外，对于许多已经在医院使用的产品，其精度水平不高的X射线成像系统的主体框架、与其配合的导轨以及X射线源运动的固定轨道的精度偏低，若在其基础上改造成为切面成像系统，在成像过程中，机械误差直接影响X射线源的拍摄位置的精准度，进而影响成像质量。如果对相关机械结构进行高精度升级，将产生高昂的改造费用，失去改造的意义，无法满足欠发达地区对现有X射线产品进行升级改造的需要。
发明内容
本发明在总结现有技术的基础之上，开发出一种只需通过X射线源在3D空间内自由运动即可获取用于构成被检测目标物切面图像序列的二维投影图像序列的X射线切面成像方法。
本申请的目的还在于提供一种采用上述方法的X射线成像系统，该系统不受X射线成像系统中导轨等机械部件精度高低和空间运动轨迹的限制，可在任意投影角度或任意SID获取被检测目标物的X射线图像数据并重建切面图像。
本发明具体技术方案如下：
一种X射线切面成像方法，该方法包括：
在X射线源、被检测目标物和X射线接收器构成的3D空间内，确定所述被检测目标物以及所述X射线接收器的空间位置，以及所述X射线源的初始位置；
基于所述被检测目标物与所述X射线接收器的空间位置，确定所述X射线源在所述3D空间内的运动区域；
控制所述X射线源在所述运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行预定次数的X射线成像，以获取用于构成被检测目标物切面图像重建的二维投影图像序列；
利用所述二维投影图像序列进行切面图像重建。
进一步的，所述控制X射线源在所述运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行预定次数的X射线成像包括：
所述X射线源在成像时的各个位置与所述X射线接收器的位置呈已知几何关系。
进一步的，所述控制X射线源在所述运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行预定次数的X射线成像包括：
所述X射线源的运动轨迹在X射线接收器上的投影为直线或是不规则曲线。
进一步的，所述控制X射线源在所述运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行预定次数的X射线成像还包括：
在控制所述X射线源在所述运动区域内自由运动前，设定所述X射线源的几何中心的运动轨迹。
进一步的，所述运动轨迹在X射线接收器上的投影为直线或或是不规则曲线中的任意一种。
进一步的，在所述运动轨迹上设定所述X射线源的预定成像位置，所述预定成像位置与所述X射线接收器的位置呈已知几何关系。
进一步的，还包括：
获取X射线源在所述运动轨迹上的实际成像位置，将所述实际成像位置与所述预定成像位置比对，当实际成像位置与预定成像位置不一致时，对在实际成像位置获取的二维投影图像进行几何校正。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现上述中的任一项所述方法。
一种X射线成像系统，所述成像系统包括：
X射线源，产生X射线并用于在对被检测目标物切面图像采集过程中沿运动轨迹运动；
X射线接收器，用于接收来自所述X射线源的X射线，并且检测所接收的所述X射线以用于图像生成；
空间位置检测模块,用于在X射线源、被检测目标物和X射线接收器构成的3D空间内，定位所述被检测目标物以及所述X射线接收器的空间位置，以及所述X射线源的初始位置；
计算模块，用于根据所述被检测目标物与所述X射线接收器的空间位置，确定所述X射线源在所述3D空间内的运动区域；
处理模块，用于控制所述X射线源在所述运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行预定次数的X射线成像，以获取被检测目标物的二维投影图像序列，以及利用所述二维投影图像序列进行切面图像重建。
进一步的，所述X射线源在成像时的各个位置与所述X射线接收器的位置呈已知几何关系。
进一步的，所述X射线源的运动轨迹在X射线接收器上的投影为直线或是不规则曲线。
进一步的，还包括：
轨道，用于限定所述X射线源在所述平面内按照预定的运动轨迹运动。
进一步的，所述运动轨迹为直线或曲线中的任意一种。
进一步的，在所述运动轨迹上设定所述X射线源的预定成像位置，所述预定成像位置等间隔或等弧长排列。
进一步的，还包括：
校正模块，用于获取X射线源在所述运动轨迹上的实际成像位置，将所述实际成像位置与所述预定成像位置比对，当实际成像位置与预定成像位置不一致时，对在实际成像位置获取的二维投影图像进行几何校正。
本发明的有益效果如下：
1、本技术方案通过控制X射线源在空间运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行多次X射线成像。通过在多个投影角度对被检测目标物进行X射线成像获取的图像，可以获得被检测目标物任意切面的切面图像。与传统X射线切面成像系统依赖于高精度导轨等机械部件相比，本申请在选定的空间运动区域内自由运动，可在任意投影角度或任意SID获取被检测目标物的X射线图像数据并重建切面图像，而不受X射线成像系统中导轨等机械部件精度高低和空间运动轨迹的限制。
2、基于上述成像方法，该X射线切面成像系统可采用目前常规X射线系统采用的一般精度机械部件，或是特殊结构造型的机械结构设计，使设备结构简单、轻巧，便于制造和大量部署，产品价格较现有基于高精度机械部件的X射线切面成像系统显著降低，具有明显的价格竞争优势，能适应更多的应用场景。
3、将该方法集成的影像链组件和关键机械部件应用于传统精度水平不高的X射线成像系统对其进行产品技术升级，不仅改造费用低，而且改造周期短，对技术升级设备的要求门槛低，经济性、时效性和普适性优，能有效满足欠发达地区急需X射线切面图像检查的需要，例如解决对新冠肺炎早期影像诊断能力严重不足的问题，具有很好的市场推广前景，将为医疗、兽医及工业检测提供一种全新的强有力X射线切面影像检测手段。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明背景技术中提及的一种X射线成像系统的结构示意图；
图2为根据本申请实施例示出的一种X射线切面成像方法的流程图；
图3为根据本申请实施例示出的一种X射线源在不同成像位置与X射线接收器的几何关系图的正视图；
图4为图3的侧视图；
图5为根据本申请实施例示出的另一种X射线源在不同成像位置与X射线接收器的几何关系图的正视图；
图6为图5的侧视图；
图7为根据本申请实施例示出的一种X射线切面成像系统的结构框架图；
图8为根据本申请实施例示出的又一种X射线切面成像系统的结构框架图；
图9为根据本申请实施例示出的再一种X射线切面成像系统的结构框架图。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
X射线成像技术包括数字X光线成像术(DR-Digital Radiography)，DR所成的图像具有更大的动态显示范围，同时DR可充分利用现代计算机图像处理技术，以实现较好的诊断效果。
在全文的描述中，SID是指X射线源1的焦点与X射线接收器4接收面中心的距离。切面，即体层合成平面，作为与X射线接收器4接收面平行的薄切片。
结合图2所示，一种X射线切面成像方法，该方法包括：
步骤S101：在X射线源1、被检测目标物和X射线接收器4构成的3D空间内，确定被检测目标物以及X射线接收器4的空间位置，以及X射线源1的初始位置。
其中，X射线源1、被检测目标物和X射线接收器4的空间位置信息可通过定位装置获取。定位装置包括但不限于陀螺仪定位装置等。
步骤S102：基于被检测目标物与X射线接收器4的空间位置，确定X射线源1在3D空间内的运动区域。
X射线源1的运动区域根据被检测目标物与X射线接收器4的空间位置信息确定，该运动区域的范围需满足：X射线源1在该区域运动中发射的X射线投影到X射线接收器4上。特别地，为保障成像质量以及减少患者尽可能少的接受X射线辐射，优选的，X射线源1在运动过程中，其焦点与接收器接收面的中心对齐。该运动区域既可以为一个平面又可以为一个3D空间。
步骤S103：控制X射线源1在运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行预定次数的X射线成像，以获取用于构成被检测目标物切面图像序列的二维投影图像序列。
预定次数是根据使用者所需被检测目标物的特性和尺寸来确定，可在X射线成像系统中由程序设定或手动输入即可。该预定次数可为15次、30次或60次，但不限于上述数值的选择。自由运动是有序运动，需满足X射线源1在运动区域内由探测器的法线的一侧依序运动到另一侧。本申请中，自由运动包括线性运动和非线性运动。运动过程中，SID既可以是固定值也可以是变值。
步骤S104：利用二维投影图像序列进行切面图像重建。
传统X射线切面成像系统中，X射线源1在运动过程中的预定曝光位置必须精确定位投影角度，一旦实际投影角度误差范围过大，典型情况在误差大于1％时，将在实际投影角度获取的被检测目标物的二维投影图像进行切面图像重建所得到的切面图像质量将显著下降，可能导致严重的伪影出现，妨碍医生对图像的正确诊断。而采用本方法，即使在投影角度超出预定投影角度误差大于5％的情况下获得的二维投影图像序列，将该图像序列进行切面图像重建后所获得的切面图像依然贴合被检测实物的实际特征，能够实现被检测目标物切面图像的无伪影重建。特别是X射线源1在非线性运动过程中，实际投影角度与预定投影角度存在一定范围的较大偏差时，典型情况，投影角度误差达5％-50％时，同样能够实现被检测目标物切面图像的准确重建。
综上所述，本技术方案通过控制X射线源1在空间运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行多次X射线成像。通过在多个投影角度对被检测目标物进行X射线成像获取的图像，可以获得被检测目标物任意切面的切面图像。与传统X射线切面成像系统依赖于高精度导轨等机械部件相比，本申请在选定的空间运动区域内自由运动，可在任意投影角度或任意SID获取被检测目标物的X射线图像数据并重建切面图像，而不受X射线成像系统中导轨等机械部件精度高低和空间运动轨迹的限制。
具体地，控制X射线源1在运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行预定次数的X射线成像包括：X射线源1在成像时的各个位置与X射线接收器4的位置呈已知几何关系。
结合图3和图4所示，在一种可能的实施方式中，X射线源1在成像时的各个位置与X射线接收器4的位置满足：所有位置处的X射线源1的运动轨迹在X射线接收器4上的投影为围绕探测器法线的圆锥空间内的一个限定空间内。。在该实施方式中，通过一系列位于该圆锥空间中射线源的不同投影角度对被检测目标物进行快速图像采集，所采集图像信息组成一个二维投影图像序列。该投影图像序列数据信息存储到计算机内作为原始信息可被后续切面图像重建直接使用。
结合图5和图6所示，在另一种可能的实施方式中，X射线源1在成像时的各个位置与X射线接收器4的位置满足：X射线源1的运动轨迹在X射线接收器4上的投影可为任意一条曲线，即自由运动。
在该实施方式中，平面数设定为2个。采用包括但不限于如下方式进行数据处理：通过一系列不同投影角度对被检测目标物进行快速图像采集，所采集图像信息组成二维投影图像序列一并存储到计算机内作为原始图像信息可被后续切面图像重建直接使用。
控制X射线源1在运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行预定次数的X射线成像还包括：在控制X射线源1在运动区域内自由运动前，在平面内设定X射线源的几何中心的运动轨迹，具体的运动轨迹应与实际应用环境所匹配。其中，运动轨迹可以为直线或曲线中的任意一种，既可以是线性轨迹也可以是非线性轨迹。该运动轨迹进一步凸显了本申请所述的X射线源1自由运动的灵活特性，与现有传统X射线切面成像系统中X射线源1只能按照弧线型的运动轨迹比对具有明显技术优势，能够适用于各种环境和应用场所，显著拓宽了X射线成像系统的应用范围。
在运动轨迹上设定X射线源1的预定成像位置，预定成像位置与X射线接收器的位置呈已知几何关系。预定成像位置在计算机系统中可以通过程序设定或人工输入的方式在运动轨迹上依序设置，需结合X射线成像系统具体的应用环境以及使用者所需被检测目标物的特性来确定。。该几何关系包括但不限于不同位置的相同的SID或不同的SID；以及在运动轨迹上相邻预定成像位置既可以选择等间隔或等弧长设置，也可选择非等间隔或非等弧长设置。本方案中，X射线源1在运动轨迹上的相邻预定成像位置优选等间隔或等弧长设置。将更有利于简化机械系统控制复杂度。
进一步的，该X射线切面成像方法还包括：
获取X射线源1在运动轨迹上的实际成像位置，将实际成像位置与预定成像位置比对：当实际成像位置与预定成像位置不一致时，对在实际成像位置获取的投影图像进行几何校正。比如预定成像位置显示摄影角度为3°，而实际成像位置显示摄影角度为3.6°时，将对实际成像位置获得的被检测目标物的图像数据进行相应数据信息的几何校正。该几何校正过程保证了被检测目标物最终的三维数据与实物的精准匹配度，同时保证算法的重建精度。
待获取被检测目标物的不同投影角度的图像后，通过重建输出可视化切面重建图像序列。
一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有指令，相应指令被处理器执行时实现上述成像方法。本领域普通技术人员可以理解上述成像方法可通过程序来指令相关硬件完成，相关程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的成像方法也可以使用一个或多个计算单元来实现，相应地，上述实施例中的执行过程可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
第二方面，本申请实施例又提供了一种X射线成像系统，结合图7至图9所示，该成像系统包括：
X射线源1，产生X射线并用于在对被检测目标物切面图像采集过程中沿运动轨迹运动；具体的，X射线源1的工作电压范围为20kvp至180kvp。
X射线接收器4，用于接收来自X射线源1的X射线，并且检测所接收的X射线以用于图像生成；具体的，为常用的平板探测器。
空间位置检测模块5,用于在X射线源1、被检测目标物和X射线接收器4构成的3D空间内，定位被检测目标物以及X射线接收器4的空间位置，以及X射线源1的初始位置。本方案中该空间位置检测模块可以选择但不限于陀螺仪，且在X射线源1、被检测目标物和X射线接收器4内均设置陀螺仪。
计算模块6，用于根据被检测目标物与X射线接收器4的空间位置，确定X射线源1在3D空间内的运动区域；与空间位置检测模块5信号连接。
处理模块7，用于控制X射线源1在运动区域内自由运动，并在自由运动过程中对被检测目标物进行预定次数的X射线成像，以获取用于构成被检测目标物切面图像序列的二维投影图像序列，以及利用所述切面二维图像序列进行切面图像重建。。具体的，处理模块7为计算机内设置的一个软件程序或硬件处理单元。
处理模块7可以包括具有诸如处理器的典型硬件的计算机，以及用于运行各种软件程序和/或通信应用的操作系统，可以被配置为在不同设备之间传输图像相关数据，与X射线源1、X射线接收器4、空间位置检测模块5以及计算模块6通信连接。进一步的，处理模块7还可以与显示模块8通讯连接，用于显示X射线源1和X射线接收器4的空间位置，并将最终得到的可视化切面图像序列输出。显示模块8可以为常用的计算机显示器。
X射线成像系统的不同组件的操作可以由处理模块7进行同步。例如，处理模块7可以控制X射线源1沿运动轨迹运动并在成像位置以产生朝向被检测目标物处的X射线脉冲。同时，处理模块7还可以控制X射线接收器4的操作(例如，通过向其发送适当的同步信号)，使得曝光和读出窗口与关联于每个X射线脉冲的X射线开和关时段一致。可以接收空间位置检测模块5发送的定位信息并进行有效处理，进而明确X射线源1和X射线接收器4的实时位置所在，同时将X射线源1和X射线接收器4的空间位置在显示模块8显示，达到X射线源1与X射线接收器4中心点对齐的目的。还可进一步处理被检测目标物切面图像的显示。
X射线源1在成像时的各个位置与X射线接收器4的位置呈已知几何关系。具体的，X射线源1的运动区域根据被检测目标物与X射线接收器4的空间位置信息确定，该运动区域的范围需满足：X射线源1在该区域运动中发射的X射线投影到X射线接收器4上。关于已知几何关系的描述可结合图3至图6以及前述相关记载进行说明，在此不予赘述。
X射线切面成像系统还包括轨道9，用于限定X射线源1在平面内按照预定的运动轨迹运动。运动轨迹可以为直线或曲线中的任意一种，该运动轨迹进一步凸显了本申请所述的X射线源1自由运动的灵活特性，与现有传统X射线切面成像系统中X射线源1只能按照弧线型的运动轨迹比对具有明显技术优势，能够适用于各种环境和应用场所，显著拓宽了X射线成像系统的应用范围。
本方案中，在运动轨迹上设定X射线源1的预定成像位置，且预定成像位置可以设置成等间隔或等弧长排列，更有利于简化机械系统控制复杂度。
X射线成像系统还包括：
校正模块10，用于获取X射线源1在运动轨迹上的实际成像位置，将实际成像位置与预定成像位置比对：当实际成像位置与预定成像位置不一致时，对在实际成像位置获取的投影图像进行几何校正。比如预定成像位置显示摄影角度为3°，而实际成像位置显示摄影角度为3.6°时，将对实际成像位置获得的被检测目标物的图像数据进行相应数据信息的几何校正，。该几何校正过程保证了被检测目标物最终的三维数据与实物的精准匹配度，同时保证算法的重建精度。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
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