CN101126722B - 基于配准模型仿真的锥束ct射束硬化校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正方法，通过对零件进行圆轨迹锥束CT扫描获取多色投影数据；对多色投影进行锥束CT重建得到CT序列切片图像后对其中若干幅进行轮廓提取，获得由若干封闭的轮廓线组成的测量点集；配准零件的测量点集及其CAD模型后进行投影仿真，得到射线在各成像点上穿越零件的长度；非线性拟合得到一条过原点的硬化曲线；线性拟合得到一条过原点的直线；根据硬化曲线和校正直线校正锥束CT射束硬化伪影。本发明在应用上更具有灵活性，能将多色投影近似校正为单色投影，校正后的射束硬化伪影显著减少。
Description
技术领域
本发明涉及一种锥束CT射束硬化校正方法，属于CT技术领域。
背景技术
锥束CT(Cone-Beam Computed Tomography，CBCT)利用锥形束射线源和面阵探测器采集被测物体的投影数据，是近年发展起来的一种三维CT技术。与传统的二维CT相比，锥束CT具有很高的扫描速度，重建出的切片图像记录了物体内部各点的材质、密度等物性参数分布，具有切片序列连续、切片内和切片间的空间分辨率相同、精度高等特点，在逆向工程与工业内视等领域已显示出广阔的应用和发展前景。
在锥束CT系统中，射线源发出的X射线具有一定范围的能量分布(此种射线称为多色射线)，当射线与物质相互作用时，由于低能量光子的衰减量大于高能量光子，造成穿过一定厚度的物体后射线的平均能量增大，此时射线平均能量对应的线性衰减系数也不再是常数而是逐渐减小，导致投影值与穿越长度也不再呈线性关系。而CT重建算法是基于X射线是单能谱假设的，重建时直接用多色投影代替单色投影，导致在重建的切片图像上呈现杯状伪影(Cupping Artifacts)，严重时图像会产生变形，使得该切片内的结构、尺寸、密度、成分等物理化学性质无法准确地判读和计量，这种现象就称为射束硬化(Beam Hardening)。
射束硬化是锥束CT实际应用中必须解决的一个重大问题。目前，CT的射束硬化校正方法主要分为单能法和双能法两大类。由于操作上的复杂性，双能法在工程实践中很少被采用。单能法易于实现，实际应用效果也比较好，因此被广泛研究。杨民、路宏年、路远等人在《光学技术》(2003，29(2)：177-182)的文章“CT重构中射线硬化的校正研究”中提出的方法就是一种典型的单能校正法，其校正思路是：利用楔形模体来获取射线贯穿物体长度与多色投影值之间的关系曲线，再对该曲线进行拟合，然后从坐标原点对该曲线做切线，以该切线建立多色数据与单色数据的函数关系，从而达到硬化校正的目的。该方法实现起来简单，但要求有与被检试件相同材质的模体，这就影响了该方法的应用灵活性。
另外，目前的射束硬化校正方法多数是针对二维CT的，尽管有的方法通过改造可以推广到锥束CT，但实际开展的研究仍然较少。
发明内容
为了克服现有技术应用不够灵活、不能有效适用于锥束CT的不足，本发明提供了一种基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正新方法，以对锥束CT应用于实际无损检测中出现的射束硬化问题进行有效校正。
在工业无损检测中，基本上所有的待检测零件都有其CAD模型，本发明据此提出一种基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正新方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)对被检测零件进行圆轨迹锥束CT扫描，从平板探测器获取一组连续的多色投影图像数据，这些图像在获取过程中已经过必要的暗场校正、坏像素校正和增益校正，校正手段可采用平板探测器厂方配套程序进行，也可以自行根据公知技术开发相应程序进行；
(2)对多色投影进行锥束CT部分切片重建，即只须根据需要重建若干个CT切片图像；
(3)对重建的若干CT切片图像采用数字图像处理中的相关算法进行轮廓提取，获得由轮廓像素点组成的测量点集；
(4)采用配准算法配准零件的测量点集及其CAD模型，即将零件的CAD模型通过配准变换到零件实际扫描的位置；
(5)在若干投影方位对配准后的零件CAD模型进行仿真投影，得到若干幅仿真投影图像，结合相应方位的多色投影图像，得到与射线在平板探测器各成像点上穿越零件的长度一一对应的多色投影图像像素灰度数据；
(6)对得到射线穿越长度一多色投影灰度间对应的数据进行非线性拟合，得到一个过原点的硬化曲线函数；
(7)将射线穿越长度一多色投影灰度间对应的数据靠近原点的一部分进行线性拟合，得到一个过原点的校正直线函数；
(8)根据过原点的硬化曲线函数和校正直线函数进行锥束CT射束硬化校正计算：对各幅多色投影图像的每个像素，先将其灰度代入硬化曲线函数计算得到对应长度，然后将该长度代入校正直线函数得到校正后的近似单色投影灰度值。
上述的基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正方法，不仅可以应用于锥束CT，还可以应用于扇束CT。
在上述方法第4步中，进行配准的目的就是消除测量坐标系与设计坐标系之间的偏差，使测量数据点集与CAD模型匹配起来。在获得测量点集的前提下，可采用的公知配准算法较多，如头帽法和迭代最近点算法(ICP)，以及在此基础上改进的算法，可选择较优的算法使用。
在上述方法第5步中，对配准后的零件CAD模型进行仿真投影时，要求在锥束CT仿真系统中设置与实际扫描相同的几何参数，即仿真中的各部件相互间的距离和位置关系与实际扫描相同。在传统的CT扫描仿真投影计算中，得到的投影图像的像素灰度值通常代表射线的衰减量，而在本发明中借助仿真计算得到的投影图像的像素灰度值代表的是平板探测器各成像点上射线穿越零件的长度值，即以灰度值表示长度值。由于仿真扫描与实际扫描的几何坐标相同，因此在同一个投影方位，仿真投影图像所表示的射线穿越零件的长度与多色投影图像像素点的灰度一一对应。
在上述方法第6步和第7步中，非线性拟合和线性拟合的公知方法有多种，一般先确定好拟合函数后采用最小二乘法进行拟合。
本发明的有益效果是：本发明提出的基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正方法，与传统的多项式拟合校正方法相比，该方法不需要制造用于生成校正模型的楔形模体，在应用上更具有灵活性，且能将锥束CT的多色投影近似校正为单色投影，用校正后的投影进行锥束CT重建所得的切片图像中的射束硬化伪影显著减少。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明射束硬化校正流程图；
图2为锥束CT成像的几何位置关系图；
图3为圆柱零件第50层切片校正前后相同位置线性灰度比较图。
具体实施方式
对一个材质为铁的被检测圆柱零件，应用本发明方法校正其锥束CT射束硬化伪影，执行以下步骤：
(1)对被检测零件进行圆轨迹锥束CT扫描，零件连续旋转360度，从Varian公司的PaxScan2520平板探测器获取一组连续的360幅多色投影图像数据，这些图像在获取过程中已采用平板探测器厂方配套程序进行必要的暗场校正、坏像素校正和增益校正；
(2)采用FDK算法对多色投影进行锥束CT部分切片重建，在圆柱零件沿轴线不同位置重建出10个CT切片图像；
(3)对重建的10个CT切片图像采用数字图像处理中的OTSU算法进行轮廓提取，获得由轮廓像素点组成的测量点集；
(4)采用ICP配准算法配准零件的测量点集及其CAD模型，即将零件的CAD模型通过配准变换到零件实际扫描的位置；
(5)在3个不同投影方位对配准后的零件CAD模型进行仿真投影，得到3幅仿真投影图像，结合相应方位的多色投影图像，得到与射线在平板探测器各成像点上穿越零件的长度一一对应的多色投影图像像素灰度数据；
(6)采用最小二乘法对得到射线穿越长度一多色投影灰度间对应的数据进行不带常数项的5次多项式拟合，得到一个过原点的硬化曲线函数；
(7)采用最小二乘法将射线穿越长度一多色投影灰度间对应的数据的前1/6(靠近原点的一部分)进行线性拟合，得到一个过原点的校正直线函数；
(8)根据过原点的硬化曲线函数和校正直线函数进行锥束CT射束硬化校正计算：对360幅多色投影图像的每个像素，先将其灰度代入硬化曲线函数计算得到对应长度，然后将该长度代入校正直线函数得到校正后的近似单色投影灰度值。
图3为圆柱零件第50层切片校正前后相同位置线性灰度比较，可见本发明提供的校正方法已基本消除了由射束硬化造成的杯状伪影，校正后的切片图像质量明显改善，图像轮廓的清晰度大大提高，表明本发明方法是切实可行的。
Claims (5)
1.基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)对被检测零件进行圆轨迹锥束CT扫描，从平板探测器获取一组连续的多色投影图像数据，这些图像在获取过程中已经过必要的暗场校正、坏像素校正和增益校正；
(b)对多色投影进行锥束CT部分切片重建，即只须根据需要重建若干个CT切片图像；
(c)对重建的若干CT切片图像采用数字图像处理中的相关算法进行轮廓提取，获得由轮廓像素点组成的测量点集；
(d)采用配准算法配准零件的测量点集及其CAD模型，即将零件的CAD模型通过配准变换到零件实际扫描的位置；
(e)在若干投影方位对配准后的零件CAD模型进行仿真投影，得到若干幅仿真投影图像，结合相应方位的多色投影图像，得到与射线在平板探测器各成像点上穿越零件的长度一一对应的多色投影图像像素灰度数据；
(f)对得到的与射线在平板探测器各成像点上穿越零件的长度一一对应的多色投影图像像素灰度数据进行非线性拟合，得到一个过原点的硬化曲线函数；
(g)将与射线在平板探测器各成像点上穿越零件的长度一一对应的多色投影图像像素灰度数据靠近原点的一部分进行线性拟合，得到一个过原点的校正直线函数；
(h)根据过原点的硬化曲线函数和校正直线函数进行锥束CT射束硬化校正计算：对各幅多色投影图像的每个像素，先将其灰度代入硬化曲线函数计算得到对应长度，然后将该长度代入校正直线函数得到校正后的近似单色投影灰度值。
2.根据权利要求1的基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正方法，其特征在于：采用扇束CT替换锥束CT。
3.根据权利要求1的基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正方法，其特征在于：所述的配准算法采用头帽法或迭代最近点算法。
4.根据权利要求1的基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正方法，其特征在于：所述的仿真投影要求在锥束CT仿真系统中设置与实际扫描相同的几何参数，即仿真中的各部件相互间的距离和位置关系与实际扫描相同。
5.根据权利要求1的基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正方法，其特征在于：所述的非线性拟合和线性拟合先确定好拟合函数后采用最小二乘法进行拟合。
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