CN101341395A - 计算机化层面摄影系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机化层面摄影系统，包括：固定X射线源(10)，用于产生扇形束(20)；固定数字检测器(12)；以及操纵器(14)，用于保持和旋转待检测的物体。将旋转物体在所述固定数字检测器上的左右投影用于确定中心射线位置，所述物体的图像重构基于所述中心射线位置。还公开了对应的方法和装置。

Description

计算机化层面摄影系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机化层面摄影系统及方法，更具体但非排他性地涉及工业应用的X射线计算机化层面摄影检测系统和方法。更具体而言，本发明涉及通过使用待扫描物体的投影来确定中心射线。

背景技术

工业应用的常规X射线微计算机化层面摄影(“CT”)系统包括X射线源、用于定位和旋转待扫描物体的操纵体/旋转体以及X射线检测器(照相机)。好的CT扫描需要精确确定中心射线。中心射线有时称为等通道(iso-channel)并且是是检测器的旋转中心的虚拟投影。

大部分的扇形束微CT检测系统也配备有二维检测作为它们的基本功能。这些系统经常需要操纵体从一个位置移动到另一个位置并且需要旋转体安装在操纵体上和从操纵体上移除。因为这种柔性，每次移动操纵体或旋转体都需要首先确定中心射线。即使与同一个操纵体配合，一般情况下系统也会产生相差很大难以接受的两个中心射线位置。

此问题的共同解决方案在于每次CT扫描之前使用线模型(wirephantom)来校准中心射线位置。为此，线模型放置在旋转轴线上，并且以预定角度布置旋转360度。线模型的所有角度的投影被记录并且用于确定中心射线。线模型一般非常小，使得其可以被认为是所有角度的点。在扇形束形状下，由于线模型与旋转轴线的偏离较小，所以中心射线被简单确定为线模型的正弦图(sinogram)的中心。使用线模型确定中心射线位置引起许多问题，包括但不限于：降低CT处理的速度、当改变线模型的物体时由于不同重量、不同固定状态等引入误差，由此影响最终CT图像质量；以及不能够自动进行CT扫描。当需要大的放大倍率时产生大的误差，物体必须被放置得接近源。在此情况下，操纵体需要移动远离源，使得存在用于改变线模型的物体的空间，反之亦然。

发明内容

根据第一优选方面，提供一种计算机化层面摄影系统，其包括：

(a)固定X射线源，用于产生扇形束；

(b)固定数字检测器；以及

(c)操纵器，用于保持和旋转待检测的物体；

其中，将旋转物体在所述固定数字检测器上的左右投影用于确定中心射线位置，所述物体的图像重构基于所述中心射线位置。

根据第二优选方面，提供一种计算机化层面摄影方法，其包括：

(a)在固定X射线源处产生X射线的扇形束；

(b)在固定数字检测器处检测X射线；

(c)使用操纵体旋转待检测的物体；

(d)确定所述物体在所述固定数字检测器上的左右投影；

(e)从所述左右投影确定中心射线位置；以及

(f)使用所述中心射线位置重构所述物体的图像。

物体的投影的正弦图可以用于判定中心射线位置。可以通过识别正弦图的左右端来判定中心射线。

物体的左投影、固定X射线源以及物体的右投影之间的夹角可以用于判定中心射线位置。中心射线平分所述夹角。

将所述物体上到旋转中心的最大半径的部分用于判定所述物体在所述固定数字检测上的左右投影，所述部分的左投影为最左侧投影，所述右投影为最右侧投影。或者，所述物体的产生更清楚对比度的点的左右投影用于判定所述中心射线位置。所述点包括由比所述物体更致密的材料制成的相对小的物体，所述相对小的物体附装到所述物体。所述相对小的物体远离所述物体上受关注的至少一个区域附装到所述物体上，以使得重构的图像质量不受影响。

附图说明

为了能够完全理解本发明并容易地将其应用于实际应用中，现在通过本发明的非限制性的优选实施例进行描述，参考附图描述本发明。

在附图中：

图1(a)是一般现有技术的工业应用的X射线微CT系统的示意图；

图1(b)图示现有技术的CT扫描和重构系统；

图2是使用图1(a)和1(b)的CT系统进行现有技术CT扫描处理的流程图；

图3(a)是使用用于中心射线确定的线模型的现有技术的CT系统的示意图；

图3(b)是用于中心射线确定的实际线模型的照片；

图3(c)是由其投影产生的现有技术模型线的正弦图的示例；

图4(a)图示第一优选实施例，其中将具有不同直径的多个球的物体用于CT扫描；

图4(b)是第一优选实施例的CT扫描处理的流程图；

图5(a)示出用随机选择的到中心通道的距离的旋转轴线的线模型确定的第一优选实施例的中心射线；

图5(b)示出直接用形状和材料都差别很大的物体确定的中心射线，其中所有物体均如图5(a)以相同旋转轴线的扫描；

图6(a)是用笔形钻石切割机帽的演示；

图6(b)是图6(a)的物体的2D投影；

图6(c)是图6(a)的物体的重构图像；

图7(a)是用雕刻陶瓷猫头鹰(owl)的演示；

图7(b)是图7(a)的物体的2D投影；

图7(c)是图7(a)的物体的重构图像；

图8(a)是用胡桃(walnut)的演示；

图8(b)是图8(a)的物体的2D投影；

图8(c)是图8(a)的物体的重构图像；

图9(a)是用铝泡沫的演示；

图9(b)是图9(a)的物体的2D投影；

图9(c)是图9(a)的物体的重构图像；

图10是第二实施例与图4(a)相对应的图；而

图11是第三实施例中与图4(a)相对应的图。

具体实施方式

待检测物体的CT扫描在360度上或在180度加上扇形束角度的弧上以选定角度进行。记录每个角度的投影。这些投影然后被用于中心射线确定和图像重构。该方法的原理是选定物体切片的正弦图的左端和右端来自物体上距离物体旋转轴线的半径最大的点。中心射线平分由两个端点和X射线源点所形成的角。因此，利用关于中心通道(一直是固定的)的现有知识，中心射线可以通过几何关系来确定。如果不需要较高的精度的话，或者识别的左右端彼此接近，或者由左投影和右投影相对于中心通道的角都较小，则中心射线可以简单地确定为正弦图的左右端的中心。

图1(a)示出常规现有技术的微CT系统的示意图。其包括固定X射线源、固定平板X射线检测器12以及具有用于保持、移动和旋转待检测物体16的旋转体18的操纵体14。操纵体14可以是高精度定位平台，其可以至少沿X、Y和/或Z方向移动；旋转体18可以绕与检测器阵列的一个维度平行对准的轴线旋转。X射线扇形束20从X射线源10产生，经过物体16并投影到检测器12上。系统的放大倍数由源到物体的距离30(SOD)(即，从10到16)和源到图像距离32(SID)(即，从10到12)所确定。

图1(b)图示CT扫描的布置。中心射线(等通道)22被限定为旋围轴线X在检测器12上的投影。中心通道24是X射线投影在其上的检测器单元，并且其垂直于检测器12的平面。像素大小26是检测器12的每个单元28的大小。

图2和3(a)示出使用这样的现有技术微CT扫描的常规CT扫描。在CT扫描之前，待检测的物体16安装在旋转体18上，并且识别物体16的最佳扫描位置(201)。选择对所有扫描角度均具有良好对比度的适当管电压和管电流。然后，移除物体16，并进行偏差的校准(202)、增益的校准(203)以及调整楔的校准(204)。安装线模型34(205)。线模型34通常是固定在塑料管中的直线。在其扫描用于中心射线22的确定(206)过程中，其由旋转体18保持并以预定角度步骤旋转360度。然后，从所有角度获得的所有检测结果来生成正弦图，并将其用于确定中心射线22的位置。如是未能成功地识别中心射线22，则使用更大直径的线模型34，直到确定中心射线22。在成功确定中心射线22后，移除线模型34，并且将待检测物体16再次安装在旋转体18上(207)。设置相应的CT扫描参数(208)，并进行CT扫描(209)。通常获得的对物体16的检测结果，重构物体16的横截面图像。

图3(b)示出实际线模型的照片，图3(c)是从其检测结果中生成的线模型的正弦图的示例。

图4图示第一实施例的原理，其中将具有距离旋转轴线44不同半径的四个球的物体16用于CT扫描。在扫描了一个整圆或者180度加上扇形束角度弧的情况下，仅具有最大半径的球36在检测器12上产生最宽的投影。即，所选择的切片的正弦图的左边缘40和右边缘42是在物体16的片中的最大半径球36。因此，一旦给出旋转轴线44的位置，就使用最大半径球36的半径确定以下项的夹角：

左切点M，其中提供最左侧点40的束产生与球36的切线；

源10；以及

右切点N，其中提供最右侧点42的束产生与球36的切线(“MSN”)。

通过找出投影的左边缘40和右边缘42的对应扫描角度，可以确定MSN角度。因为中心射线22必须平分MSN角，故可获得中心射线22的角度。通过使用公知的边缘检测运算法则，可以识别左边缘40和右边缘42。可以使用诸如曲线匹配(curve fitting)的其他方法来提高子像素水平的精确度。

确定MSN的一个方法是使用已知的中心通道24和检测器像素大小26。如上所述，中心通道24被限定为垂直于检测器阵列的射线。在X射线源10和检测器12固定的情况下，中心通道24和检测器像素大小28一直是固定的，并且不会改变，除非移动源10和/或检测器12。例如可能因为更换损坏的照相机而产生上述情况。基于已知的中心通道C和检测器像素大小p，则可以如下计算中心射线：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{OC}}=\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{SC}}}{p}\right)*\mathrm{tg}\left\{\right[t{g}^{-1}\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{LC}}*p}{\stackrel{\‾}{\mathrm{SC}}}\right)-t{g}^{-1}\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{CR}*p}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{SC}}}\right)]/2\}$

其中，SC是源到检测器的距离(单位：μm)；OC、LC、RC分别是从中心射线点O、投影的左端L和投影的右端R到中心通道点C的距离(单位：像素)。全部SC、OC、LC、RC都是矢量，并且其符号根据它们相对于中心通道的相对位置确定。

对于其中 ${\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{LC}}*p}{\stackrel{\‾}{\mathrm{SC}}}\right)=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{LC}}*p}{\stackrel{\‾}{\mathrm{SC}}}\mathrm{andt}{g}^{-1}\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{CR}}*p}{\stackrel{\‾}{\mathrm{SC}}}\right)=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{CR}}*p}{\stackrel{\‾}{\mathrm{SC}}},$ 的情况，上述公式可以简化如下：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{OC}}=\frac{1}{2}(\stackrel{\‾}{\mathrm{LC}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{CR}})=\frac{1}{2}\left(\right|\mathrm{LC}|+|\mathrm{CR}\left|\right)$

在识别中心射线点O的情况下，可以开始重构处理。

图4(b)是CT扫描的流程图。安装物体16并设置参数(401)。在物体16位于辐射区域外侧的情况下移动操纵体后，进行偏差校准(402)、增益校准(403)以及调整楔校准(404)产生效果。利用稳定的X射线源10和数字检测器12，此步骤可以每天进行一次，并且仅需在改变管电压或电流时重复一次。具有物体16的操纵体移动返回旋转体18上的先前位置(405)，并进行扫描(408)和重构(407)。

基于此CT扫描，可以实现比上述系统更简单的一步式微CT检测系统，并且使得可以自动进行确定系统参数设置、物体的定位、偏差校准、增益校准、调整楔校准、CT扫描以及图像重构。自动系统参数设置可以通过下面完成：对照射下的物体进行图像分析，或者检查基于系统参数和物体性能之间关系(包括形状和大小)产生的查找表格。自动物体定位可以通过分析照射下的物体图像来实现。

图5(a)示出用随机选择的旋转轴线的线模型34确定的中心射线22。线模型34被故意放置成距离旋转轴线特定距离，以产生到旋转轴线的半径。

图5(b)总结了用形状和材料都不相同的物体确定的中心射线。所有物体以图5(a)的相同旋轴线进行扫描。中心射线的值可以使用它们自身的投影数据来适当地确定。变化与通过重复研究使用线模型34观察的一致。

图6是用笔形钻石切割机帽的演示。图6(a)物体的2D投影；图6(b)是识别的正弦图的左端和右端的一个切片的正弦图；以及图6(c)是物体的重构切片图像。

图7(a)是用雕刻陶瓷猫头鹰(owl)的演示；图7(a)是物体的2D投影；图7(b)是识别的正弦图的左端和右端的一个切片的正弦图；以及图7(c)是物体的重构切片图像。

图8是胡桃的演示。图8(a)是物体的2D投影；图8(b)是识别的正弦图的左端和右端的一个切片的正弦图；以及图8(c)是物体的重构切片图像。

图9是铝泡沫的演示。图9(a)是物体的2D投影；图9(b)是识别的正弦图的左端和右端的一个切片的正弦图；以及图9(c)是物体的重构切片图像。

图10是第二实施例，其中由致密材料制成的相对小的物体50被粘附到待检测的物体16上，待检测物体16具有特殊结构或材料密度分布。小物体50可以放置在物体16的无关紧要的区域，使得不会影响物体16的重要区域。CT扫描然后可以以上述方式进行。由于物体16的特殊结构和材料特性分布，会不能够产生适当的边缘识别的良好投影对比度，故使用小物体50产生必须的对比度。

图11示出第三实施例，其中，不使用具有较大半径36的物点(objectpoint)的投影。将产生比其周围点更清楚的对比度的点38的投影用于计算中心射线22。

CT处理由此被简化并且具有更好的用户友好性。还可以将所有的校准处理集成到CT扫描处理中，以提高自动化。

虽然已经描述了本发明的上述优选实施例，但是本领域一般技术人员应当理解，在不偏离本发明的情况下可以在设计或构造细节上做出许多变更或修改。

Claims (18)

1.一种计算机化层面摄影系统，包括：

(a)固定X射线源，用于产生扇形束；

(b)固定数字检测器；以及

(c)操纵器，用于保持并旋转待检测的物体；

其中，将旋转物体在所述固定数字检测器上的左右投影用于确定中心射线位置，基于所述中心射线位置进行所述物体的图像重构。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述物体的投影的正弦图被用于确定所述中心射线位置。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，夹角被用于确定所述中心射线位置，所述夹角在所述物体的左投影、所述固定X射线源以及所述物体的右投影之间。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述中心射线平分所述夹角。

5.根据权利要求3或4所述的系统，其中，将所述物体的到旋转中心具有最大半径的部分用于确定所述物体在所述固定数字检测器上的左右投影，所述部分的左投影为最左侧投影，所述右投影为最右侧投影。

6.根据从属于权利要求2的权利要求3-5中任一项所述的系统，其中，已知所述检测器的中心通道和像素大小，通过识别所述正弦图的左右端来确定所述中心射线。

7.根据权利要求3或4所述的系统，其中，所述物体的产生更清楚对比度的点的左右投影被用于确定所述中心射线位置。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述点包括由比所述物体更致密的材料制成的相对小的物体，所述相对小的物体附装到所述物体。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述相对小的物体远离所述物体上受关注的至少一个区域附装到所述物体上，以使得重构的图像质量不受影响。

10.一种计算机化层面摄影方法，包括：

(a)在固定X射线源处产生X射线的扇形束；

(b)在固定数字检测器处检测X射线；

(c)使用操纵体旋转待检测的物体；

(d)确定所述物体在所述固定数字检测器上的左右投影；

(e)从所述左右投影确定中心射线位置；并且

(f)使用所述中心射线位置重构所述物体的图像。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述物体的投影的正弦图被用于确定所述中心射线位置。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，夹角被用于确定所述中心射线位置，所述夹角在所述物体的左投影、所述固定X射线源以及所述物体的右投影之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述中心射线平分所述夹角。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，将所述物体的具有到旋转中心的最大半径的部分用于确定所述物体在所述固定数字检测器上的左右投影，所述部分的左投影为最左侧投影，所述右投影为最右侧投影。

15.根据当从属于权利要求11时的权利要求12-14中任一项所述的方法，其中，已知所述检测器的中心通道和像素大小，通过识别所述正弦图的左右端来确定所述中心射线。

16.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述物体的产生更清楚对比度的点的左右投影被用于确定所述中心射线位置。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述点包括由比所述物体更致密的材料制成的相对小的物体，所述相对小的物体附装到所述物体。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述相对小的物体远离所述物体上受关注的至少一个区域附装到所述物体上，以使得重构的图像质量不受影响。

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