CN109875591B - 一种锥束ct系统的几何标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锥束CT系统的几何标定方法。该方法不需要额外设计加工配件，通过简单束光器调节和无特殊要求的标定模体即可实现几何参数的标定。该方法通过刚性配准获得单次CT扫描中每张投影图相对于第一张投影图的偏差，可满足误差来源丰富且规律性或周期性不强的复杂情况下的应用需求。在基于配准方法的投影图修正后，该方法将六个标定参数简化为代表主要误差来源的包含单方向的平移偏移量和轴偏角的两个参数，并通过单层重建图和计算熵的方式求解优化问题，其中采用基于梯度下降的优化算法，方法简单直接，计算效率高，可快速获得几何修正参数估算结果。

Description

一种锥束CT系统的几何标定方法

技术领域

本发明属于X射线成像技术领域，具体是涉及一种锥束CT系统的几何标定方法。

背景技术

锥束CT位形下的运动方式主要包括两类：针对工业样本和生物离体样本测量的样本支撑件旋转，X射线源和探测器固定的方式；针对活体小动物以及人体诊断的X射线源和探测器相对旋转，样本固定的方式。在样本旋转的方式中，实际位形和设计理想位形间为固定几何偏差；在X射线源和探测器相对旋转时，实际位形和设计理想位形间的几何偏差可能会随着角度发生改变，同时在长时间尺度内相同角度对应的几何偏差也可能发生改变。

现有的常规几何标定方法的基础是已知参数的定制设计精密加工模体，对于加工精度的要求高，且由于是非标准件，其加工成本高，生产周期长。常规方法中在获得模体测试数据后需要进一步确定探测器几何偏差的六个标定参数，包含三个方向的平移偏移量和三个方向的轴偏角。六个未知量对应的优化问题求解所需的计算量较大，且非线性度较高，难以通过常规GPU加速技术优化，总之其计算所需时间较长。常规方法的成功应用还需要假设：1)旋转运动中X射线源和探测器间没有相对运动；2)长期应用中几何偏差为固定值的。这两条假设在旋转系统负载较大的情况下很难完全保证。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中用于锥束CT系统的几何标定方法需要依靠复杂的模体设计和多参量优化估算，且对于存在源和探测器相对运动情况下的估计有局限性，从而本申请提出一种锥束CT系统的几何标定方法。该方法不需要额外设计加工配件，通过简单束光器调节和无特殊要求的标定模体即可实现几何参数的标定。该方法通过刚性配准获得单次CT扫描中每张投影图相对于第一张投影图的偏差，可满足误差来源丰富且规律性或周期性不强的复杂情况下的应用需求。在基于配准方法的投影图修正后，该方法将六个标定参数简化为代表主要误差来源的包含单方向的平移偏移量和轴偏角的两个参数，接着通过单层重建图和计算熵的方式求解优化问题，并采用梯度下降法快速找到两个参数的最优解。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种锥束CT系统的几何标定方法，该方法包括如下步骤：

S1：调整束光器，使得X射线源发出的X射线在X射线平板探测器上的覆盖范围小于X射线平板探测器有效收集区域。

S2：将已知外轮廓形状物体作为标定模体进行锥束CT扫描实验，获得不同角度的若干张投影图。

S3：在每张投影图中截取相同区域，该区域包含非共线的束光器边缘区域点，利用图像配准获得第一张之外的所有投影图和第一张投影图间的几何变换矩阵。

S4：投影图修正：将S3步骤中获得的几何变换矩阵对应应用到除第一张的各张投影图，得到修正后的投影图。

S5：对S4步骤修正后的投影图进行解析重建，得到转轴方向上的正中心单层的重建图，并通过基于正中心单层重建图熵值的迭代优化方法获得探测器在水平方向上的位移偏移量。

S6：对S4步骤修正后的投影图进行解析重建，代入S5步骤中获得的探测器位移偏移量，得到转轴方向上的上、下边界层的重建图，并通过基于上、下边界单层重建图熵值的迭代优化方法获得转轴和探测器竖向轴线之间的偏角。

进一步地，所述步骤S1中：

束光器调节后的X射线在平板探测器上的覆盖范围和X射线平板探测器有效收集区域的边长差距，应大于锥束CT系统中X射线源和平板探测器间在扫描一圈过程中在水平或竖直方向相对位置的最大变化量的两倍，一般为探测器有效收集区域边长的5％。

进一步地，所述步骤S1中：

采用锥束CT系统常规组件束光器作为标记物，无需额外标记物或其他配件。

进一步地，所述步骤S2中：

待扫描的物体要求：该物体每个角度的二维图，在X方向上不能超出探测器的探测范围以及X射线源经过S1步骤约束后的照射区域；物体在探测器上的投影最小值大于探测器的背景噪声。

进一步地，所述步骤S3中：

对于方形束光器，投影图截取区域应包含束光器边缘区域的某一个顶角；对于圆形束光器，截取区域应包含束光器边缘区域的某一段圆弧。

进一步地，所述步骤S3具体包括如下步骤：

S31：每张投影图中截取相同区域；

S32：利用For循环进行除第一张投影图之外的投影图和第一张投影图刚性配准的操作；

S33：获得其他投影图和第一张投影图的几何变换矩阵。

进一步地，所述步骤S31中：

投影图截取区域不包含扫描的已知形状物体的对应投影区域。

进一步地，所述步骤S4中：

利用矩阵操作将步骤S3中获得的各张投影图的几何变换矩阵作用到对应投影图，实现几何修正。

进一步地，所述步骤S5中：

采用的锥束CT解析重建方法为标准FDK滤波反投影算法。

进一步地，所述步骤S5中：

采用梯度下降法实现探测器平移偏移量优化问题中的熵值最小化，获得平移偏移量的估计值。

进一步地，所述步骤S6中：

采用的锥束CT解析重建方法为标准FDK滤波反投影算法。

此外，针对系统机械刚性较好的情况可以省去束光器在线修正的步骤，针对样本旋转而X射线源和探测器固定的情况可以进一步省去模体标定中的束光器调节和图像配准操作。

本发明的有益效果在于：本发明采用常规锥束CT系统组件束光器作为标记物，无需进行复杂的模体设计以及相关的复杂计算；利用标准刚性配准操作快速得到每张投影图相对于第一张投影图的几何变换矩阵，实现精确到每一个投影角的几何修正，适应每个投影角的几何误差并不相同或类似的复杂情况；采用基于梯度下降的优化算法，方法简单直接，计算效率高，可快速获得几何修正参数估算结果。

附图说明

图1为本发明一个实施例的一种锥束CT系统的几何标定方法的流程图；

图2为本发明一个实施例的一种锥束CT系统的几何标定方法中步骤S1束光器调节的示意图(以常用的方形束光器为例)；

图3为本发明一个实施例的一种锥束CT系统的几何标定方法中步骤S5探测器在水平方向上的位移偏移量的示意图；

图4为本发明一个实施例的一种锥束CT系统进行细丝标定模体扫描后探测器几何偏移量的修正结果，窗选择为：[0,1]mm^-1；

图5为本发明一个实施例的一种锥束CT系统的几何标定方法中步骤S6探测器轴偏角的示意图；

图6为本发明一个实施例的一种锥束CT系统进行细丝标定模体扫描后探测器轴偏角的修正结果，窗选择为：[0,1]mm^-1；

图7为本发明一个实施例的一种锥束CT系统扫描小鼠标本情况下探测器几何偏移量的修正结果，窗选择为：[0,0.05]mm^-1；

图8为本发明一个实施例的一种锥束CT系统扫描小鼠标本情况下探测器轴偏角的修正结果，窗选择为：[0,0.05]mm^-1。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的一种锥束CT系统的几何标定方法，包括如下步骤：

S1：如图2所示，调整束光器，使得X射线源发出的X射线在X射线平板探测器上的覆盖范围小于X射线平板探测器有效收集区域。

S2：将已知外轮廓形状物体作为标定模体进行锥束CT扫描实验，获得不同角度的若干张投影图；其中选用普通金属细丝如铁丝为标定模体，无需设计或特殊定制。

S3：在每张投影图中截取相同区域，该区域包含非共线的束光器边缘区域点，利用图像配准获得第一张之外的所有投影图和第一张投影图间的几何变换矩阵。该步骤具体包括以下子步骤：

S31：每张投影图中截取相同区域；

S32：利用For循环进行除第一张投影图之外的投影图和第一张投影图刚性配准的操作；

S33：获得其他投影图和第一张投影图的几何变换矩阵。

S4：投影图修正：将S3步骤中获得的几何变换矩阵对应应用到除第一张的各张投影图，得到修正后的投影图。

S5：应用标准FDK滤波反投影算法对S4步骤修正后的投影图进行解析重建，得到转轴方向上的正中心单层的重建图，并通过基于正中心单层重建图熵值的迭代优化方法获得探测器在水平方向上的位移偏移量。如图3所示，本步骤中只考虑探测器平面内的水平方向平移运动。如图4所示，在应用获得的探测器位移偏移量后，细丝的中间层重建结果更接近理想的圆形。

S6：应用标准FDK滤波反投影算法对S4步骤修正后的投影图进行解析重建，代入S5步骤中获得的探测器位移偏移量，得到转轴方向上的上、下边界层的重建图，并通过基于上、下边界单层重建图熵值的迭代优化方法获得转轴和探测器竖向轴线之间的偏角。如图5所示，本步骤中只考虑探测器中心列和转轴在探测器平面的投影方向的夹角。如图6所示，在应用获得的探测器轴偏角后，细丝的边缘层重建结果更接近理想的圆形。

本实施例还给出该几何标定方法在小鼠标本锥束CT数据上的实施结果示意图。小鼠标本中间层重建结果如图7所示，其中a’：未应用几何标定参数，直接解析重建的结果，b’：对重建结果进行探测器位移偏移量修正的结果，显示窗为[0,0.05]mm^-1。小鼠标本边缘层重建结果如图8所示，其中a’：未应用几何标定参数，直接解析重建的结果，b’：对重建结果进行探测器位移偏移量和轴偏角修正的结果，显示窗为[0,0.05]mm^-1。’

上述技术方案中，小鼠标本的锥束CT数据在解析重建过程中应用本发明中的几何标定方法得到的几何修正参数后，相比较于未修正前的解析重建结果，显著的消除了原有图像中几何误差带来的伪影。

本实施例所述的一种锥束CT系统的几何标定方法，无需复杂的模体设计，直接应用锥束CT系统的常规组件作为标记物；利用标准刚性配准操作实现精确到每一个投影角的几何修正，适应每个投影角的几何误差并不相同或类似的复杂情况；采用基于梯度下降的优化算法，方法简单直接，计算效率高，可快速获得几何修正参数估算结果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种锥束CT系统的几何标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：调整束光器，使得X射线源发出的X射线在X射线平板探测器上的覆盖范围小于X射线平板探测器有效收集区域；

S2：将已知外轮廓形状物体作为标定模体进行锥束CT扫描实验，获得不同角度的若干张投影图；

S3：在每张投影图中截取相同区域，该区域包含非共线的束光器边缘区域点，利用图像配准获得第一张之外的所有投影图和第一张投影图间的几何变换矩阵；

S4：投影图修正：将S3步骤中获得的几何变换矩阵对应应用到除第一张的各张投影图，得到修正后的投影图；

S5：对S4步骤修正后的投影图进行解析重建，得到转轴方向上的正中心单层的重建图，并通过基于正中心单层重建图熵值的迭代优化方法获得探测器在水平方向上的位移偏移量；

S6：对S4步骤修正后的投影图进行解析重建，代入S5步骤中获得的探测器位移偏移量，得到转轴方向上的上、下边界层的重建图，并通过基于上、下边界单层重建图熵值的迭代优化方法获得转轴和探测器竖向轴线之间的偏角。

2.根据权利要求1所述的锥束CT系统的几何标定方法，其特征在于，所述步骤S1中：

束光器调节后的X射线在平板探测器上的覆盖范围和X射线平板探测器有效收集区域的边长差距，应大于锥束CT系统中X射线源和平板探测器间在扫描一圈过程中在水平或竖直方向相对位置的最大变化量的两倍，为探测器有效收集区域边长的5％。

3.根据权利要求1所述的锥束CT系统的几何标定方法，其特征在于，所述步骤S2中：

待扫描的物体要求：该物体每个角度的二维图，在X方向上不能超出探测器的探测范围以及X射线源经过S1步骤约束后的照射区域；物体在探测器上的投影最小值大于探测器的背景噪声。

4.根据权利要求1所述的锥束CT系统的几何标定方法，其特征在于，所述步骤S3中：

对于方形束光器，投影图截取区域应包含束光器边缘区域的某一个顶角；对于圆形束光器，截取区域应包含束光器边缘区域的某一段圆弧。

5.根据权利要求1所述的锥束CT系统的几何标定方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：

S31：每张投影图中截取相同区域；

S32：利用For循环进行除第一张投影图之外的投影图和第一张投影图刚性配准的操作；

S33：获得其他投影图和第一张投影图的几何变换矩阵。

6.根据权利要求5所述的锥束CT系统的几何标定方法，其特征在于，所述步骤S31中：

投影图截取区域不包含扫描的已知形状物体的对应投影区域。

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