[发明专利]一种旋转X射线造影图像迭代重建方法

摘要

本发明公开了一种旋转X射线造影图像迭代重建方法，首先在第一阶段构造低分辨率投影矩阵，并将完整矩阵拆解为单一角度矩阵和旋转矩阵2个分量进行简化存储，然后第二阶段在第一阶段得到低分辨率投影矩阵的基础上，进行进一步基于投影内容的简化，最后在第三阶段进行三维血管重建本方法采用的经过掩模简化的投影矩阵解决了旋转X射线造影系统投影，反投影计算量过大，计算时间过长的问题，能够有效获得三维血管结构，帮助临床医师进行诊断。

主权项

1.一种旋转X射线造影图像迭代重建方法，其特征在于，包括以下步骤：1）从旋转X射线造影设备读取扫描数据文件，保存投影序列图像并记录如下参数：射线源到探测板距离SDD，射线源到C臂旋转中心距离SOD，各投影采样的旋转角度，投影图像像素边长h，投影图像长度U个像素单位和宽度V个像素单位，所述投影图像尺寸与二维投影空间尺寸一致；确定二维投影空间坐标轴u、v，所述坐标轴u、v分别平行于二维投影空间的长、宽方向，根据用户的精度需求，分别设定三维图像空间长度为X个体素单位、宽度为Y个体素单位、高度为Z个体素单位，三维图像空间体素边长l，确定三维图像空间坐标轴x、y、z，所述坐标轴x、y、z分别平行于三维图像空间的长、宽、高方向，且均通过三维图像空间的中心位置；2）根据步骤1）中设定的三维图像空间长宽高对三维图像空间进行降采样操作，具体方法为：选定降采样倍数d_if，所述降采样倍数d_if为能被三维图像空间长度X、宽度Y、高度Z分别整除的整数，将三维图像空间中由d_if*d_if*d_if个体素组成的、边长为d_if*l的立方体内的体素，归并为降采样体素，对整个三维图像空间完成归并处理后，按照归并顺序排列所述降采样体素，得到降采样三维图像空间，降采样体素边长为三维图像空间体素边长的d_if倍；根据步骤1）中记录的投影图像长宽，对二维投影空间进行降采样操作，具体方法为：选定降采样倍数d_pf，所述降采样倍数为能被二维投影空间长度U和宽度V分别整除的整数，将二维投影空间中由d_pf*d_pf个像素组成的、边长为d_pf*h的正方形内的像素，归并为投影空间降采样像素，对整个二维投影空间完成归并处理后，按照归并顺序排列所述投影空间降采样像素，得到降采样二维投影空间，投影空间降采样像素边长为二维投影空间像素边长的d_pf倍；根据步骤1）中记录的投影图像长宽，对步骤1）获得的投影序列图像进行降采样操作，得到降采样序列投影图像，具体方法为：对投影序列中每个投影图像，将其中由d_pf*d_pf个像素组成的、边长为d_pf*h的正方形内的像素，归并为投影图像降采样像素，并且对所述正方形内的像素值进行累加求和，作为投影图像降采样像素值，对整个投影图像完成归并处理后，按照归并顺序排列所述投影图像降采样像素，得到降采样投影图像，投影图像降采样像素边长为投影图像像素边长的d_pf倍；3）根据步骤1）中所记录的探测板距离SDD，射线源到C臂旋转中心距离SOD，初始采样旋转角度，针对步骤2）得到的降采样三维图像空间和降采样二维投影空间，利用距离驱动算法，构造初始扫描方向低分辨率体素索引投影矩阵，并将得到的初始扫描方向低分辨率体素索引投影矩阵以三元组存放方式保存于内存设备中；4）针对步骤2）提供的降采样三维图像空间，构造各旋转角度下降采样三维图像空间旋转矩阵R，具体方法为：首先根据图像旋转角度位置关系，利用线性插值算法构造并存储降采样图像空间切面层旋转矩阵R⁰，随后根据降采样三维图像空间旋转矩阵R的分块对称性，利用公式得到降采样图像空间旋转矩阵R；5）对步骤2）得到的降采样投影序列图像采用顶帽滤波方法进行滤波处理，对滤波处理结果二值化得到第一分割结果，对步骤2）得到的降采样投影序列图像采用Frangi血管滤波方法进行滤波处理，对滤波处理结果二值化得到第二分割结果，对第一分割结果和第二分割结果求并集，得到低分辨率投影序列图像血管分割结果；6）利用步骤3）所得到的三元组格式存储的初始扫描方向低分辨率体素索引投影矩阵和步骤4）所得到的各旋转角度降采样图像空间旋转矩阵，对步骤5）所得到的低分辨率投影序列图像血管分割结果进行反投影操作：具体方法为：对低分辨率投影图像血管分割结果，根据像素编号排列拉伸低分辨率投影图像血管分割结果，得到低分辨率投影图像血管分割结果向量，将所得向量同初始扫描方向低分辨率体素索引投影矩阵的转置矩阵相乘得到中间低分辨率反投影结果；将该中间低分辨率反投影结果同对应旋转角度降采样图像空间旋转矩阵的转置矩阵相乘，得到该旋转角度下的低分辨率反投影结果；7）利用步骤6）所得到的低分辨率反投影结果确定低分辨率三维图像空间血管掩模，具体方法为：当投影数目小于等于5时，对各旋转角度下低分辨率反投影结果求交集，作为低分辨率三维图像空间血管掩模；当投影数目大于5时，利用对各旋转角度下低分辨率反投影结果求和并进行阈值划分，作为低分辨率三维图像空间血管掩模；8）对步骤7）得到的低分辨率三维图像空间血管掩模，根据步骤2）所设定的降采样倍数d_if进行升采样操作，得到三维图像空间血管掩模，具体方法为：将低分辨率三维图像空间血管掩模的每一个低分辨率体素在x，y，z方向等分为d_if份，拆分成为d_if*d_if*d_if个高分辨率体素，将该低分辨率体素的值作为其拆分成的高分辨率体素的值，并按照拆分顺序排列高分辨率体素，当低分辨率三维图像空间血管掩模的所有低分辨率体素完成上述操作后，即得到三维图像空间血管掩模；9）根据步骤1）中所记录的射线源到探测板距离SDD，射线源到C臂旋转中心距离SOD，初始采样旋转角度，投影图像长度U、宽度V，投影图像像素边长h，设定的三维图像空间长度X、宽度Y、高度Z，三维图像空间体素边长l，以及步骤8）所得的到三维图像空间血管掩模，利用距离驱动算法计算各旋转角度下的完整投影矩阵；10）根据步骤1）所记录的投影序列图像，根据步骤9）所得到的各旋转角度下的完整投影矩阵，完成三维血管结构重建，具体方法为：101）设定一个重建结果向量，所述重建结果向量长度为图像空间体素总个数X×Y×Z，重建结果向量元素值全部为0；设定一个步长向量，所述步长向量长度为图像空间体素总个数X×Y×Z，步长向量元素值全部为0；设定一个单元向量，所述单元向量长度为图像空间体素总个数X×Y×Z，单元向量元素值全部为1；102）对于每个投影角度，进行如下操作：将单元向量与当前投影角度下的完整投影矩阵相乘，将相乘结果同当前投影角度下的完整投影矩阵的转置矩阵相乘，得到当前投影角度的单方向步长向量，将该单方向步长向量累加至步长向量；对所有投影角度完成上述操作后，将累加完成的步长向量记录保存为迭代步长向量；103）执行重建结果向量迭代更新步骤100至300次，完成指定次数的重建结果向量迭代更新步骤后，将重建结果向量保存为重建结果三维血管体数据，所述重建结果向量迭代更新的方法如下：对于每个投影角度，进行如下操作：将当前的重建结果向量同当前投影角度下的完整投影矩阵相乘，得到当前方向临时投影向量，用当前方向投影图像向量减去所述当前方向临时投影向量，得到当前方向临时投影差向量，将所述当前方向临时投影差向量同当前投影角度下的完整投影矩阵的转置矩阵相乘，得到当前方向差异反投影向量，用所述当前方向差异反投影向量点除以迭代步长向量，得到当前方向迭代步进向量，将当前方向迭代步进向量累加至重建结果向量；对所有角度完成上述操作后，完成一次重建结果向量更新。