CN101305922A - 超长规格x线放射影像的校准与拼接方法 - Google Patents

Abstract

一种医学放射影像领域的实现超长规格X线影像的校准与拼接方法，步骤为：第一步，将两把特制型钢尺平行置于受检者被摄部位两侧，特制型钢尺上钻孔，并依次对钻孔点标记刻度，钻孔点即为影像校准与拼接的标记点；第二步，将分段影像采集至计算机，影像中显示受检部位和钢尺上的标记点。第三步，校准分段影像，获得已校准的待拼接序列图像。第四步，建立图像拼接坐标系，根据图像序列次序，分别实施相邻分段影像的两两拼接。第五步，选取两把钢尺在每幅图像重叠区域的三个标记点，由该三个标记点构成两幅图像间的三角形匹配对。以一幅图像为基准图像，通过坐标变换，完成两幅相邻分段影像的两两拼接。本发明简便实用，精度高，成本低。

Description

超长规格X线放射影像的校准与拼接方法

技术领域

本发明涉及一种医学放射影像技术领域的影像校准与拼接方法，具体是一种超长规格X线放射影像的校准与拼接方法。

背景技术

通用的X线影像设备只能提供有限长度的X线放射影像(最长规格约为43厘米)，无法满足临床对超长规格X线放射影像的诊断要求。为了获得超长规格X线放射影像，目前主要采用对多幅常规X线影像进行拼接的方法。

经对现有技术的文献检索发现：秦民益等在《中华放射学杂志》2004，38(6)，656-658上发表了“数字化立位全脊柱成像技术的研究”。该文介绍了用特制的负重位全下肢成像摄片装置(实用新型专利号：ZL01263367.4)采集两幅部分重叠的X线放射影像，具体为胸、腰椎重叠影像，手动选取影像重叠区域的解剖标记，通过确认的标记点完成两幅影像的拼接。该方法存在的不足是，影像拼接效果极大地依赖对解剖标记点人工选取的精度，存在较大的人为误差，且影像拍摄时需依赖特制的成像摄片装置。

检索中还发现，史建静等在《放射学实践》2005，20(9)，833-834上发表了“全下肢及全脊柱成像技术的临床应用”，以及凌寿佳等在《实用放射学杂志》2006，22(10)，1285-1286上发表了“全脊柱CR单次曝光与多次曝光成像的比较”。该两篇文献都介绍了利用专用的超长规格X线成像摄片装置(AGFA公司)连续采集多幅部分重叠的X线放射影像，根据多个摄影板(IP板)之间重叠的缝线完成多幅影像的拼接。该方法不足是，影像拼接效果取决于IP板之间的重叠缝线以及多个于IP板之间的上下轴线是否对准这两个要素，由于IP板是放置于暗盒内的，IP板与暗盒大小并不完全匹配，即IP板可在暗合内有少量移动，而IP板放置暗盒内的过程是盲操作，即IP板被放置的位置无法通过目测调整，由此影响X线影像的拼接精度，且该影像拼接方法仍存在需依赖专用成像摄片装置而致摄片成本高，操作不灵活的缺点，因而并未获得广泛应用。

常规X线可拍摄的最长肢体长度为17英寸(约43厘米)。欲拍摄肢体长度超过这个范围的，称为超长规格X线放射影像。临床获取超长规格X线放射影像主要是为了进行各种诊断所需的解剖测量，如测量全下肢负重力线和全脊柱侧凸角等。由于X线是以焦点为顶点的圆锥形放射线束，X线放射影像存在一定的放大倍率误差，直接影响对超长规格X线放射影像的解剖测量结果。上述X线放射影像拼接方法中，均未考虑影像的几何校准问题，X线影像经该类方法拼接后存在与实际尺寸有偏差的缺点，从而影响了解剖测量结果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有X线影像拼接方法的不足，提出一种超长规格X线放射影像的校准与拼接方法，用于解决临床对全下肢和全脊柱等超长规格X线放射影像精确拼接与测量的技术难题。该方法简便实用，用该方法拼接后的X线影像高精度地对应被摄肢体的实际大小尺寸，且用于校准与拼接的特制型钢尺制作简易，成本低。该方法可广泛用于临床对全下肢和全脊柱等超长规格X线放射影像的解剖测量。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括如下步骤：

第一步，将两把特制型钢尺平行置于受检者被摄部位两侧，受检者保持体位不动；

所述特制型钢尺，是在钢尺上钻孔，并依次对钻孔点标记顺序刻度，钻孔点即为影像校准与拼接的标记点。

所述钢尺上钻孔，其孔径为2mm，孔距为30mm。

所述钢尺长度为1500mm，宽度40mm。

第二步，采用常规X线摄像方法，分段重叠拍摄包含钢尺的受检部位全部X线影像，并将分段影像采集至计算机。影像中将显示受检部位和钢尺上的圆形标记点。

第三步，分段影像的校准：在分段影像上，任选一把钢尺，测量其上任意两个标记点之间的像素距，再依据该两个标记点所代表的实际距离(由钢尺标定)，对该分段影像作校准，即对该分段图像中单位像素距做重新标定。对所有分段影像实施同样的校准方法，获得已校准的待拼接序列图像。

第四步，建立图像拼接坐标系：从待拼接序列图像中确定一幅图像作为拼接起始图像，以该幅图像为基准建立拼接坐标系。根据图像序列次序，分别实施相邻分段影像的两两拼接。

第五步，影像的两两拼接：在已作校准的两幅相邻分段影像的重叠区域中，选取两把钢尺在每幅图像重叠区域的三个标记点，其中一把钢尺上选取一点，另一把钢尺上选取二点，由该三个标记点构成两幅图像间的三角形匹配对。以一幅图像为基准图像，通过坐标变换，完成两幅相邻分段影像的两两拼接。

本发明采用可简便制作的特制型钢尺，通过钢尺上的标记点，既实现了对多幅X线影像的拼接，又实现了对拼接图像实际尺寸的校准，具有操作简易、成本低、使用灵活、精度与准确度高的优点，可广泛应用于临床对全下肢和全脊柱等超长规格X线放射影像的解剖测量。以测量一段分三次才能完全摄入的肢体长度为例，采用本发明方法对三幅分段X线影像拼接后，测量的肢体长度与实际长度之间的绝对误差最大值为0.6mm。

附图说明

图1特制型钢尺加工示意图

其中：钢尺钻孔孔径为2mm，孔距为30mm，钢尺长度为1500mm，宽度40mm。

图2用于图像校准与拼接的计算机图像坐标系和像素坐标系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例为拼接一幅全下肢的X线影像，用于测量全下肢负重力线。

1.将两把特制型钢尺(如图1所示)平行置于受检者全下肢部位两侧，被摄的全下肢部位位于X线的中心线位置，受检者保持体位不动。考虑到人体体厚因素，两把特制型钢尺垫高至与受检者下肢骨骼基本等高位置，且两把钢尺被垫高度相等，使得两把钢尺与X线焦点的垂直距离保持一致，以减小放大倍率误差。

2.采用常规X线摄像方法，分段重叠拍摄受检者股骨头、膝关节和踝关节的X线影像，影像的重叠长度大于30mm。分段拍摄时，应尽量使受检者股骨头、膝关节和踝关节的中心位于X线焦点的正中位置，使得这三个部位的中心点保持一致的放大倍率。将上述三个含钢尺的分段影像采集至计算机，影像中将显示被摄肢体和钢尺上的圆形标记点。

3.对三个分段影像依此进行图像几何校准。图像几何校准的目的是获得影像上每个像素所代表的真实距离，具体为，在其中一个分段影像上，建立图像的像素坐标系(o′，x_f，y_f)(如图2所示)，原点o″位于数字图像的左上角，x_f轴平行于图像的行，且向右为正，y_f轴平行于图像的列，且向下为正。在该分段影像上，任选一把钢尺，选择钢尺上的任意两个标记点p(x_f1，y_f2)和q(x_f1，y_f2)，测量这两个标记点之间的像素距 $N:N=\sqrt{{(x_{f1}-x_{f2})}^2+{(y_{f1}-y_{f2})}^2}.$ 依据这两个标记点所代表的实际距离L(由钢尺上对该标记点的刻度所得)，得到该分段影像上每个像素所代表的真实距离，即单位实际像素距k∶k＝L/N，由此完成了对该分段图像与实际被代表物之间的几何校准。对所有分段影像实施同样的校准步骤，获得已校准的待拼接序列图像。

4.建立图像拼接坐标系：从待拼接序列图像中确定一幅图像作为拼接起始图像(一般是第一幅采集的X线影像)，以该幅图像为基准建立拼接坐标系(O，X，Y)(如图2所示)。该坐标系的原点位于图像中心，X轴和Y轴分别与像素坐标系的x_f、y_f轴平行。根据图像序列次序，依此通过坐标变换，将相邻分段影像两两拼接于该坐标系下。

5.影像的两两拼接：在已作校准的两幅相邻分段影像的重叠区域中，选取两把钢尺在每幅图像重叠区域的三个标记点，其中一把钢尺上选取一点，另一把钢尺上选取二点，由该三个标记点构成两幅图像间的三角形匹配对。具体为，在基准图像的钢尺重叠区域上选取三点，分别为A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)和C(x_C，y_C)，在待拼接图像的钢尺重叠区域，由钢尺上的刻度次序，选择与该三点刻度次序标记相同的图像匹配特征点A′(x′_A，y′_A)、B(x′_B，y′_B)和C(x′_C，y′_C)。通过坐标变换，将这三个匹配特征点A′(x′_A，y′_A)、B(x′_B，y′_B)和C(x′_C，y′_C)与基准图像上的三个匹配特征点A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)和C(x_C，y_C)重叠，求得待拼接图像的坐标变换矩阵。根据坐标变换矩阵，对待拼接图像上的每个像素点进行坐标变换，完成待拼接图像与基准图像的两两拼接。

坐标变换公式如下：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right)$ 其中，Δx和Δy为待拼接图像坐标原点沿X轴和Y轴平移至基准图像坐标原点的平移量，θ是待拼接图像坐标原点旋转至基准图像坐标原点的旋转角。将三对匹配特征点的坐标代入变换矩阵，求出坐标变换矩阵的三个未知参数θ、Δx和Δy，采用最小二乘法求出使坐标变换误差达到最小的唯一解。

6.以最新完成拼接的图像为新一轮拼接的基准图像，重复步骤5，直至完成所有图像的拼接。

本实施例通过对待拼接图像先行校准后，再以特制型钢尺上的预制标记点作为图像拼接的匹配特征对，完成超长规格X线放射影像的拼接。该方法即克服了以往对X线放射影像拼接后，存在与实际尺寸有偏差的缺点，又因图像拼接过程不依赖于图像灰度而具有很强的鲁棒性，加之特制型钢尺制作的简易，使该方法更具成本低、使用灵活的优点，将能广泛应用于临床对全下肢和全脊柱等超长规格X线放射影像的解剖测量。

Claims (5)

1、一种实现超长规格X线影像的校准与拼接方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，将两把特制型钢尺平行置于受检者被摄部位两侧，所述特制型钢尺，是在钢尺上钻孔，并依次对钻孔点标记顺序刻度，钻孔点即为影像校准与拼接的标记点；

第二步，采用X线摄像方法分段重叠拍摄包含钢尺的受检部位全部X线影像，并将分段影像采集至计算机，影像中显示受检部位和钢尺上的圆形标记点；

第三步，分段影像的校准：在分段影像上，任选一把钢尺，测量其上任意两个标记点之间的像素距，再依据该两个标记点所代表的实际距离，对该分段影像作校准，即对该分段图像中单位像素距做重新标定，对所有分段影像实施同样的校准方法，获得已校准的待拼接序列图像；

第四步，建立图像拼接坐标系：从待拼接序列图像中确定一幅图像作为拼接起始图像，以该幅图像为基准建立拼接坐标系，根据图像序列次序，分别实施相邻分段影像的两两拼接；

第五步，影像的两两拼接：在已作校准的两幅相邻分段影像的重叠区域中，选取两把钢尺在每幅图像重叠区域的三个标记点，其中一把钢尺上选取一点，另一把钢尺上选取二点，由该三个标记点构成两幅图像间的三角形匹配对，以一幅图像为基准图像，通过坐标变换，完成两幅相邻分段影像的两两拼接。

2、根据权利要求1所述的实现超长规格X线影像的校准与拼接方法，其特征是，所述钢尺上钻孔，其孔径为2mm，孔距为30mm。

3、根据权利要求1或2所述的实现超长规格X线影像的校准与拼接方法，其特征是，所述钢尺长度为1500mm，宽度40mm。

4、根据权利要求1所述的实现超长规格X线影像的校准方法，其特征是，所述分段影像的校准中，选择钢尺上的任意两个标记点p(x_f1，y_f1)和q(x_f1，y_f2)，测量这两个标记点之间的像素距 $N:N=\sqrt{{(x_{f1}-x_{f2})}^2+{(y_{f1}-y_{f2})}^2},$ 依据这两个标记点所代表的实际距离L，L由钢尺上对该标记点的刻度所得，得到该分段影像上每个像素所代表的真实距离，即单位实际像素距k：k＝L/N，由此完成了对该分段图像与实际被代表物之间的几何校准。

5、根据权利要求1所述的实现超长规格X线影像的拼接方法，其特征是，所述影像的两两拼接，具体为：分别在基准图像和待拼接图像的钢尺重叠区域，选取钢尺刻度次序相同的三个标记点作为图像拼接的匹配三角形对，通过坐标变换，求得待拼接图像转至基准图像坐标系的坐标变换矩阵，坐标变换公式如下：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right)$ 其中， $\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)$ 和 $\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right)$ 分别表示基准图像和待拼接图像上匹配特征点的二维坐标，Δx和Δy为待拼接图像坐标原点沿X轴和Y轴平移至基准图像坐标原点的平移量，θ是待拼接图像坐标原点旋转至基准图像坐标原点的旋转角，将三对匹配特征点坐标代入变换矩阵，求出坐标变换矩阵的三个未知参数θ、Δx和Δy，采用最小二乘法求出使坐标变换误差达到最小的唯一解。

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