三源锥束螺旋CT成像方法研究

Multiple-cone-beam CT can breakthrough the limitation of the traditional time resolution, and has a unique advantage on dynamic organ imaging. Now, it is an international research hotspot. In addition, multi-source CT also has more advantage on energy imaging. And it gets more abundant material structure and component information. This contributes to early diagnosis of some diseases. As a representative, triple-cone-beam CT is in active study period. So there are many problems to be solved. Here we mainly: (1) According to the necessary and sufficient condition of the Smith three-dimensional accurate reconstruction, design the triple-cone-beam scan mode with different radius; using inter-helix PI-line and M-line, deduce reconstruction formula; and get more accurate 3D reconstruction of larger horizontal vision in the same equipment condition; (2) analyzing parallel in reconstruction algorithm, develop GPU accelerated reconstruction algorithm; (3) further consider triple-cone-beam CT reconstruction under multi energy spectrum for improving the reconstruction image contrast. The implementation of the project can provide important guidance for research and development of medical CT equipment.

多源锥束CT能够突破传统CT时间分辨率的局限，在动态器官成像方面具有独特的优势，目前已成为国际研究热点。此外，多源CT在能量成像方面更具优势，它能够获得更丰富的物质结构和成分信息，有助于疾病的早期诊断。三源锥束CT技术作为新一代的代表，正处于研究活跃期，存在很多问题亟待解决。本项目主要研究：(1)根据Smith 三维精确重建的充要条件，设计不同半径的三源三螺旋扫描模式，结合跨PI线和M线的概念，推导不同半径的三螺旋CT重建公式，实现同样设备下更大水平视野的三维精确重建；(2)分析重建算法的并行性，开展GPU加速重建算法；(3)进一步考虑多能谱下的三螺旋CT重建，提高重建图像衬度。本项目的顺利实施能够给医学三源CT设备的设计、研发提供重要指导。

多源CT成像能够突破传统CT技术的时间分辨率的局限，对动态器官如心脏的成像具有独特的技术优势。随着双源CT技术的临床应用，三源和多源锥束CT技术备受关注并成为CT领域的研究热点之一。三源CT作为新一代CT的代表，正处于研究活跃期，很多问题亟待研究。三源CT成像技术的基础研究和关键技术的突破对国产高端影像设备研发起到积极的推动作用。. 本项目主要研究了三源大视野重建方法，包括扇束和锥束情况，以及多能谱重建方法。（1）根据二维和三维精确重建条件，a）提出了三源圆轨迹扇束、锥束截断的扫描模式，设计了圆轨迹上三个射线源的位置和三组探测器的位置，使得完全覆盖待检测物体，其中包括三个射线源半径相同和不相同的情况；b）提出了三源螺旋轨迹锥束大视野扫描模式，三个射线源在半径不同螺旋线上运动；上述扫描模式中的三组扇束或是锥束扫描数据在水平方向均存在截断，此类扫描模式可以在相同的硬件设备下获得更大的扫描视野，扫描更大尺寸的病灶和工件；（2）给出了相应于（1）中的几种扫描模式的重建算法：a）三源圆轨迹半径相同扇束扫描FBP型重建算法和短扫描重建算法；b）三源圆轨迹半径相同锥束扫描FDK型重建算法；c）基于M线的三源螺旋半径不同锥束扫描重建算法；（3）基于基材料分解方法提出了一种双材质物质分离的重建算法。初步试验结果表明，算法可以分别重建出双材质物体中的两种物质，并且可以获得任意能量下的单能重建图像，在一定程度上提高图像的对比度。. 总之，本项目设计了几种三源的扇束和锥束扫描模式，并给出了相应的重建方法，实现了在同样设备条件下更大尺寸的物体的重建；给出了一种双能谱重建方法。本项目的研究内容能够实现更大和更高分辨率的CT图像重建，有关研究结果为三源CT系统的研究提供了一定的理论指导和技术支持。另外，本项目研究期间共发表10篇论文，其中7篇SCI检索论文，3篇EI检索论文；申请了3项国家发明专利；获得了一项厅级和一项社会力量奖励；项目组培养和协助培养了2名博士后，1名博士和2名研究研究生；项目组成员中有4人获得了省部级等不同层次的人才计划的资助出国访问学习1年。