一种用于动态人体运动成像的CBCT系统及方法

本发明涉及医学影像设备，尤其涉及一种用于动态人体运动成像的锥形束计算机断层扫描（cbct）系统及方法。

背景技术：

1、传统的cbct成像系统通常面向静态或准静态对象进行图像采集，要求待测者在扫描过程中保持固定姿势，以保证投影数据的一致性和图像重建质量。然而，在运动医学、康复评估、骨科功能评价及生物力学研究等领域，需要获取人体在步行、负重、上下台阶、蹲起等自然或受控运动状态下的三维动态影像数据。

2、目前公开的动态成像或跟踪成像方案通常依赖机械臂、多自由度支架、左右分体式源/探测器驱动或移动底盘等结构实现随动采集。上述结构在大范围或较高频率跟踪过程中可能受结构柔性、传动间隙、同步控制残差和地面重复定位误差影响，使源-探测器相对几何关系、扫描轨迹和投影时序难以长期保持一致；同时，部分方案的有效行程、姿态适配能力和低剂量相位门控能力有限，难以兼顾完整运动周期覆盖与高质量锥束重建。

3、此外，在待测者沿运动通道运动且成像框架同时随动的情况下，成像框架的纵向位移、x射线源与探测器的投影角度以及目标解剖区域的位置和姿态均可能随时间变化，共同影响各锥束投影帧对应的成像几何。与此同时，从目标运动状态被传感器检测至x射线实际曝光之间，还存在传感采样、数据传输、控制计算、驱动响应及曝光触发等环节造成的系统延迟。如果仅依据当前检测到的目标位置控制成像框架，可能使曝光时刻的成像视野与目标解剖区域实际位置发生偏差。另一方面，仅依据运动相位对不同运动周期的投影进行分组，也不能完全排除不同周期之间目标位置和姿态差异对投影一致性的影响；当部分投影因位置偏差、运动相位偏差、几何误差或安全联锁而无法使用时，还可能造成重建所需投影角度缺失。

4、因此，需要一种结构稳定、行程可控、便于场景切换并能够协调随动控制与多角度投影采集的cbct系统，以在人体自然运动状态下提高几何稳定性、采集完整性和重建一致性。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于动态人体运动成像的cbct系统及方法，用以解决现有技术的缺陷。

2、本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，包括平行设置的第一滑轨和第二滑轨，跨接于所述第一滑轨和所述第二滑轨之间的倒u型框架，分别固定于所述倒u型框架的两侧壁的相对位置的x射线源和探测器，能够驱动所述倒u型框架沿所述第一滑轨和所述第二滑轨滑动的驱动机构，用于感测待测者的位置和/或速度的传感器，与所述传感器、所述驱动机构、所述x射线源、所述探测器通信连接的控制器。

3、在一种实施方案中，本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，包括平行设置的第一滑轨和第二滑轨，跨接于所述第一滑轨和所述第二滑轨之间的一体成型刚性倒u型框架，分别固定于所述倒u型框架的两侧壁相对位置的x射线源和探测器，用于驱动所述倒u型框架沿所述第一滑轨和所述第二滑轨滑动的驱动机构，设置于所述倒u型框架上的投影角度调制机构，用于感测待测者的位置、速度和/或步态相位的传感器，与所述传感器、所述驱动机构、所述投影角度调制机构、所述x射线源、所述探测器通信连接的控制器；其中，所述倒u型框架用于保持所述x射线源与所述探测器的相对几何关系恒定，所述控制器基于所述传感器输出实施延迟补偿的随动控制并触发多角度锥束投影采集，以用于三维/四维重建。

4、在一种实施方式中，控制器根据目标解剖区域的位置、速度和/或姿态以及系统总延迟，预测锥束投影帧实际曝光时刻的目标位置，并控制倒u型框架沿第一滑轨和第二滑轨纵向移动，使目标解剖区域在曝光时刻保持于成像视野允许范围内；同时，根据运动相位、目标位置与成像等中心之间的位置偏差以及安全使能状态确定是否允许触发脉冲曝光。对于多个运动周期或同一运动任务的多次重复通过，控制器可在同一目标运动相位分别采集互补的投影角度子集，并将各锥束投影帧与对应的框架轨道位移、投影角度、时间信息、运动相位及目标位姿建立关联，用于后续投影一致性筛选、运动校正及三维或四维重建。

5、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述第一滑轨和所述第二滑轨上分别设置有第一滑块和第二滑块，所述倒u型框架通过所述第一滑块和所述第二滑块跨接于所述第一滑轨和所述第二滑轨之间。

6、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述驱动机构与所述第一滑块和所述第二滑块连接，并驱动所述第一滑块和所述第二滑块带动所述倒u型框架沿所述第一滑轨和所述第二滑轨滑动。

7、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述驱动机构为以下任一项：

8、直线电机；

9、伺服电机及与其适配的同步带；

10、伺服电机及与其适配的滚珠丝杆。

11、在一种实施方案中，本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述投影角度调制机构可包括回转支承、旋转电机及角度编码器，所述x射线源与所述探测器安装在旋转组件上并相对所述扫描区域在预设角度范围内转动；或者，所述投影角度调制机构可为多源多探测器阵列，以在无需连续旋转的情况下实现多角度采集。

12、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，还包括能够调节高度和倾斜度的调节平台，所述调节平台承载所述第一滑轨和所述第二滑轨。

13、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述调节平台包括基座、位于基座底部一端的第一升降机构以及位于基座底部另一端的第二升降机构，所述基座承载所述第一滑轨和所述第二滑轨。

14、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述调节平台包括平台、底座、第三升降机构，所述平台承载所述第一滑轨和所述第二滑轨，所述平台的后端通过铰接轴与所述底座连接，所述第三升降机构的下端固定于所述底座上，所述第三升降机构的上端通过铰接球与所述平台的前端连接。

15、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述第一滑轨和所述第二滑轨的长度范围为1.5-2米。

16、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述调节平台的倾斜度范围为0-20°。

17、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述传感器安装于所述倒u型框架的横梁的中部。

18、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述传感器为以下任一种或其任意组合：红外对射阵列、超声测距传感器、压力感应垫或惯性测量单元。

19、根据本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述控制器配置为从所述传感器接收待测者的位置和/或速度信息，向所述驱动机构发送驱动指令，以及向所述x射线源和所述探测器发送投影数据采集指令；

20、所述驱动机构接收来自所述控制器的驱动指令驱动所述倒u型框架沿所述第一滑轨和所述第二滑轨跟随待测者移动；

21、所述x射线源和所述探测器接收来自所述控制器的投影数据采集指令采集待测者在运动过程中的投影数据。

22、在一种实施方案中，本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统，所述控制器配置为从所述传感器接收待测者的位置、速度和/或步态相位信息，对倒u型框架的随动控制进行延迟补偿与预测，向所述驱动机构发送驱动指令，并在预设步态相位向所述x射线源、所述探测器以及所述投影角度调制机构发送同步的多角度投影数据采集指令；

23、所述驱动机构接收来自所述控制器的驱动指令驱动所述倒u型框架沿所述第一滑轨和所述第二滑轨跟随待测者移动，使目标解剖区域保持在成像视野中心；

24、所述x射线源和所述探测器接收来自所述控制器的投影数据采集指令在预设步态相位进行脉冲曝光并采集锥束投影数据，所述投影角度调制机构接收角度调制指令以形成多角度采集，所述控制器同步记录轨道位姿与旋转角度用于运动校正与三维/四维重建。

25、本发明还提供一种动态人体运动成像方法，基于上述任一项所述的用于动态人体运动成像的cbct系统实现，包括：

26、通过传感器感测待测者在所述用于动态人体运动成像的cbct系统中运动时的位置和/或速度，并将待测者的位置和/或速度信息发送至控制器；

27、通过控制器根据待测者的位置和/或速度信息向驱动机构发送驱动指令，以及向x射线源和探测器发送投影数据采集指令；

28、通过驱动机构根据驱动指令驱动倒u型框架沿第一滑轨和第二滑轨跟随待测者移动；

29、通过x射线源和探测器根据投影数据采集指令采集待测者在运动过程中的投影数据，用于待测者的三维运动数据重建。

30、本发明还提供一种动态人体运动成像方法，基于上述任一项所述的用于动态人体运动成像的cbct系统实现，包括：

31、通过传感器感测待测者在所述用于动态人体运动成像的cbct系统中运动时的实时位置、速度和/或步态相位，并将所述信息发送至控制器；

32、通过控制器基于所述信息生成倒u型框架的随动控制指令并进行延迟补偿预测，向驱动机构发送驱动指令，同时在预设步态相位向x射线源、探测器以及投影角度调制机构发送同步的多角度投影数据采集指令；

33、通过驱动机构根据驱动指令驱动倒u型框架沿第一滑轨和第二滑轨跟随待测者移动，使目标解剖区域保持在成像视野中心；

34、通过x射线源和探测器在预设步态相位进行脉冲曝光并采集锥束投影数据，同时通过投影角度调制机构形成多角度采集，控制器同步记录轨道位姿与旋转角度，并对投影数据进行几何标定、运动校正与三维/四维重建。

35、本发明提供的一种用于动态人体运动成像的cbct系统及方法，至少具有以下技术效果：

36、通过采用一体成型的刚性倒u型框架结构，将x射线源与探测器固定为刚性整体，使源-探测器几何关系在随动过程中保持恒定，从而避免左右独立驱动同步误差以及柔性连接振动与微动带来的几何偏差，满足锥形束ct重建对几何精度的要求。

37、系统所采用的双滑轨结构可提供长达1.5–2米的扫描行程，能够覆盖人体自然步行的关键行走区间，支持在连续步行、负重移动等场景下无中断采集时序投影数据，为步态/负重功能评估提供更完整的数据基础。

38、创新性地引入高度与倾斜角度可调节的调节平台，可根据待测者身高与目标解剖部位设置等中心高度，并可模拟上下楼梯/坡道等真实环境，从而支持水平行走、上下台阶、静立、蹲起等多种姿态的动态成像。

39、通过集成位置/速度/步态相位传感器与控制器，系统对倒u型框架实施延迟补偿的随动控制，使目标解剖区域保持在成像视野中心；并可在预设步态相位（如着地相/支撑相）触发脉冲曝光，从采集时序上降低相对运动导致的模糊与伪影。

40、通过在倒u型框架上设置投影角度调制机构，在随动过程中形成多角度锥束投影采集，并结合轨道位姿与旋转角度的同步记录，可对投影数据进行几何标定与运动校正，进而实现三维重建或按步态相位分箱的四维重建；同时结合脉冲曝光与迭代/稀疏重建等低剂量策略，在保证图像质量的同时显著降低待测者与操作者的受照剂量。

41、综上所述，本发明通过刚性一体结构、长行程滑轨、可调平台、延迟补偿随动控制与多角度投影采集的协同设计，系统性解决动态运动条件下的几何稳定性、覆盖范围与重建一致性难题，实现在真实运动状态下获取高质量、低剂量的三维/四维动态影像，在临床诊断、康复评估与生物力学研究中具有广阔应用前景。