CN101371786B - 一种x射线图像三维重构的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线图像三维重构的方法，它包括下列步骤：(1)通过测量或标定方式获得成像系统参数；(2)投影图像采样；(3)建立图像数据索引；(4)设置视点参数；(5)计算视线参数；(6)图像数据引索查找；(7)图像处理；(8)图像显示。本发明还公开了一种X射线三维重构系统。本发明提供的X射线图像三维重构的方法及系统使用低成本的二维X射线摄像装置，但能获取待测物体一个多视角的三维影像，便于医生进行全面观察及作出正确的诊疗。

Description

一种X射线图像三维重构的方法及系统

技术领域

本发明涉及医学图像处理技术，尤其涉及一种根据对象的二维X射线影像数据重构其三维图像的方法与系统。

背景技术

X射线成像技术广泛应用于医学诊断、工业无损检测和科学研究领域。在医学诊断中使用的X射线成像技术可分为二维与三维两类，二维有X光胶片、CR与DR，三维有CT。其中，X光胶片是将X光透过拍摄对象(例如人体)后的强度记录在感光胶片上形成潜影，然后通过显影定影获得对象的影像。X光胶片成像过程长，且获得的影像是模拟的，不便于现代计算机处理与通信传输，正逐渐被后来出现的CR或DR取代。CR(Computer Radiography)技术用一涂有光激励发光物质(photo stimulated luminescence substance，PSL)的成像板(ImagingPlate，IP)取代胶片，透过对象的X光强度首先被记录在IP上，然后通过用激光照射IP，IP中的PSL受激辐射出可见光，再用CCD或摄像机对其拍摄即可获得X光影像。CR获得的是数字影像，便于计算机处理及通信传输，且IP可反复使用，但CR时间分辨率较低，不能满足动态器官和结构的显示。DR(DigitalRadiography)是直接数字成像技术，透过对象的X光强度直接记录在平板探测器或CCD上，不象CR那样需经过激光读取，且分辩率高，可动态显示影像，医生可根据需要进行拍摄及时实影像处理，DR代表X射线二维成象技术的发展方向。CT(Computed Tomography)利用X光对拍摄对象进行螺旋扫描，获取对象的一系列体层数据，然后通过重构算法最终获得对象的三维影像。现有的X光成像技术中，二维CR、DR与三维CT相比具有设备简单，成本低等优势，但只能获取对象某一角度或至多某几个角度的二维影像，不能获得被摄目标一个多角度或三维的像，不便于医生进行全面观察及作出正确的诊疗。

发明内容

针对现有X射线二维成像技术存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种X射线图像三维重构的方法及系统，利用现有的二维X光成像技术来获得被摄目标一个多角度或三维的图像。

为了实现上述目的，本发明X射线图像三维重构方法的技术方案为：一种X射线图像三维重构的方法，其特征在于，它包括下列步骤：

(1)通过测量或标定方式获得X射线成像系统参数；

(2)旋转X射线成像系统或载物台，使X射线成像系统与放在载物台上的待测物体发生相对圆周或螺旋运动，每一定角度采集一幅投影图像；

(3)将采集的图像数据根据需要进行数据压缩并存贮到计算机内存，对所有成像数据依据成像系统参数建立两级排序索引；

(4)通过交互式界面，根据观察需要设置观察视点与视线方向；

(5)计算指定视线参数，以便对图像数据进行重采样；

(6)根据步骤(5)中计算得到的视线参数，在步骤(3)建立的图像数据索引表里查找与所指定视线相邻的射线束，完成图像数据的重采样；

(7)将重采样获得的图像数据通过显示器输出显示。

在步骤(6)中，根据计算机运算性能和用户对图像精度的需要，采用邻域插值或双线性插值的滤波插值方式对相邻射线束进行插值合成计算，以获得与所指定视线最匹配的射线。

在步骤(7)中，通过交互界面对图像数据进行增强处理后再输出。

另外，本发明X射线图像三维重构系统的技术方案为：一种X射线三维重构系统，它包括X线管控制器、X线管、载物台、X射线面阵探测器、数据采集器、系统控制器、图像处理器、图像存储器及图像显示器；

X线管控制器用于X线管控制，X线管与X射线面阵探测器构成X射线成像系统，X射线成像系统可以相对于载物台作圆周或螺旋运动；

系统控制器由计算机和其它控制电路组成，完成整个系统的指挥与协调；

数据采集器把模拟信号转换为数字信号，主要由A/D转换器组成；

图像处理器用于建立图像数据索引、进行图像数据查找、图像滤波、图像增强、恢阶变换、黑白反转或数字减影等处理；

存储器用于存储图像数据；

图像显示器用于图像数据输出显示。

面阵探测器采用数字平板探测器或面阵CCD，X线管与面阵探测器安装在一C形臂装置上，C形臂绕某一固定轴转动时，X射线成像系统相对于载物台上的物体作圆周运动，载物台在系统控制器控制下可作上下运动及绕中心轴的转动。

与现有技术相比，本发明提供的X射线图像三维重构的方法及系统使用低成本的二维X射线摄像装置，但能获取待测物体一个多视角的三维影像，便于医生进行全面观察及作出正确的诊疗。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的X射线成像系统示意图；

图3为本发明方法实施例一的投影图像采样示意图；

图4为本发明方法实施例二的投影图像采样示意图；

图5为本发明方法实施例一的图像重采样示意图；

图6为本发明方法实施例二的图像重采样示意图；

图7为本发明方法实施例一的数据索引示意图；

图8为本发明方法实施例二的数据索引示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的X射线图像三维重构系统包括X线管控制器1、X线管2、载物台3、X射线面阵探测器5、数据采集器6、系统控制器7、图像处理器8、图像存储器9及图像显示器10。X线管控制器1用于X线管2工作电压及曝光时间等控制，X线管2与X射线面阵探测器5构成X射线成像系统，X射线成像系统可以相对于载物台3作圆周或螺旋运动，系统控制器7由计算机和其它控制电路组成，完成整个系统的指挥与协调，数据采集器6把模拟信号转换为数字信号，主要由A/D转换器组成，图像处理器8用于建立图像数据索引、进行图像数据查找、图像滤波、图像增强、恢阶变换、黑白反转、数字减影等处理，存储器用于存储图像数据，图像显示器10用于图像数据输出显示。其中X射线面阵探测器5可采用数字平板探测器或面阵CCD，由X线管2与面阵探测器5组成的X射线成像系统安装在一C形臂装置4上，C形臂绕某一固定轴转动时，X射线成像系统相对于载物台3上的物体作圆周运动，载物台3在系统控制器7控制下可作上下运动及绕中心轴的转动。

下面分两个实施例来说明本发明X射线图像三维重构的方法步骤：

实施例一

请参阅图2，首先测量或标定X射线成像系统参数D、R、d₀。D为X射线源S到面阵探测器间的距离，R为X射线源S到待测物体旋转中心轴的距离，d₀为面阵探测器像素间距(面阵探测器供货商可提供此参数)。

请参阅图3，转动X射线成像系统或载物台，使成像系统与载物台上物体发生相对圆周或螺旋运动，并进行图像采样。S为X线管，其沿着一圆形轨迹(采样圆)运动，与其相对的面阵探测器的运动轨迹亦是圆(在C形臂情况下，面阵探测器与X线管将在同一个采样圆上运动)。待测物体放置于载物台上，X锥形射线束中心线SO穿过旋转中心轴并垂直于面阵探测器，交其上i₀处，对应投影图像的第i₀列像素，X锥形射线束的某一非中心线L_i交面阵探测器上i处，对应投影图像的第i列像素，射线L_i到旋转中心轴的距离为d_i。每θ角采集一帧图像I(θ)，将采集到的图像数据根据需要进行数据压缩并存贮到计算机内存。

请参阅图7，对所有成像数据依据成像系统参数建立距离与角度排序索引。其中第一级索引表中存储射线束到旋转中心轴的距离d_i、像素列编号和对应的第二级索引表指针；每个第二级索引表中存储距离d_i相同的投影角角度α_l和投影图像编号。第一级索引按照d_i排序，第二级索引按α_l排序。d_i为射线L_i到物体旋转中心轴的水平距离，α_l为射线L_i与基准坐标轴(X轴)的夹角。根据图3所示几何关系可得：

${\mathrm{\β}}_i={\tan }^{-1}\left[\frac{(i-i_0)*d_0}{D}\right]---\left(1\right)$

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&beta;}}_i+2\mathrm{\&pi;}& ({\mathrm{\&beta;}}_i>\mathrm{\&theta;})\\ \mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&beta;}}_i& ({\mathrm{\&beta;}}_i<\mathrm{\&theta;}<{\mathrm{\&beta;}}_i+2\mathrm{\&pi;})\\ \mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&beta;}}_i-2\mathrm{\&pi;}& (\mathrm{\&theta;}>{\mathrm{\&beta;}}_i+2\mathrm{\&pi;})\end{array}\right.---\left(2\right)$

d_i＝R×sin(β_i)  (3)

式中β_i为射线L_i与SO的夹角，θ为中心射线与基准轴(X轴)的夹角，i、i₀、R、D与d₀的意义如上所述。

请参阅图5，图像采样及数据索引完成后即可据此进行三维重构。先设置观察视点与视线方向，P(x，y)为所设观察视点，

为视线，其与OP的夹角为γ_i，OP与基准轴(X轴)夹角为。在实际应用中，观察视点与视线方向通过交互式界面设置。

然后计算视线参数。计算视线参数即是对原采样图像数据的重采样，需求出图5所示视线的距离

与角度。由图5所示的几何关系可得：

$d_i^{\&prime;}=\sqrt{x^2+y^2}\&times;{\sin \mathrm{\&gamma;}}_i---\left(4\right)$

$\mathrm{\&phi;}={\tan }^{-1}\frac{y}{x}---\left(5\right)$

${\mathrm{\&alpha;}}_i^{\&prime;}=\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&gamma;}}_i---\left(7\right)$

式中x、y为视点坐标，γ_i如上所述，皆为已知量，由(4)～(6)式可得到视线

的距离

与角度

参数，然后在上面建立的图像索引表里查找与所述视线相邻的射线束L_i，用其取代

。此时根据计算机运算性能和用户对图像精度的需要，还可采用邻域插值、双线性插值等滤波插值方式对相邻射线束进行插值合成计算，以获得与所指定视线最匹配的射线L_i。

用上述步骤求出视锥体中所有射线后即可由显示器进行图像的输出显示，在图像显示时还可进行滤波、增强、恢阶变换、黑白反转等处理以获得所需的显示效果。

实施例二

请参阅图4，S为X线管，其沿着一圆形轨迹(采样圆)运动，与其相对的面阵探测器的运动轨迹亦是圆(在C形臂情况下，面阵探测器与X线管将在同一个采样圆上运动)。待测物体放置于载物台上，X锥形射线束中心线SO穿过旋转中心轴并垂直于面阵探测器，交其上i₀处，对应投影图像的第i₀列像素，X锥形射线束的某一非中心线L_i交面阵探测器上i处，对应投影图像的第i列像素，射线L_i与中心线SO的夹角为β_i，中心线SO与基准轴(X轴)的夹角为θ。每θ角采集一帧图像I(θ)，将采集到的图像数据根据需要进行数据压缩并存贮到计算机内存。

请参阅图8，建立数据索引时是对所有成像数据依据成像系统参数建立两级角度排序索引。其中θ为图像采样时X射线锥形光束中心线与某基准轴(X轴)的夹角， ${\mathrm{\&beta;}}_i={\tan }^{-1}\left[\frac{(i-i_0)*d_0}{D}\right]$ ，为锥形光束中心线与某一光线的夹角，θ的取值范围为0~2π，βi的取值范围为-δ/2~+δ/2，δ的最大值由能成像的边缘射线决定。

请参阅图6，然后计算视线参数。计算视线参数即是对原采样图像数据的重采样，需求出视线

的θ′与

。在三角形ΔPOS′中，由正弦定理可得：

${\mathrm{\&beta;}}_i^{\&prime;}={\sin }^{-1}\left(\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{R}{\sin \mathrm{\&gamma;}}_i\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\&phi;}={\tan }^{-1}\frac{y}{x}---\left(2\right)$

$\mathrm{\&theta;}\&prime;=\mathrm{\&phi;}+{\mathrm{\&beta;}}_i^{\&prime;}-{\mathrm{\&gamma;}}_i---\left(3\right)$

式中x、y为视点坐标，γ_i如上所述，皆为已知量。由(1)~(3)式可得到视线

的角度参数θ′与

，据此在上面建立的图像索引表里查找与所述视线相邻的射线束L_i，用其取代

。此时根据计算机运算性能和用户对图像精度的需要，还可采用邻域插值、双线性插值等滤波插值方式对相邻射线束进行插值合成计算，以获得与所指定视线最匹配的射线L_i。

其他步骤与实施例一相同。

Claims (6)

1.一种X射线图像三维重构的方法，其特征在于，X射线成像系统主要由X线管与面阵探测器组成，X射线成像系统参数分别为D、R、d₀，D为X射线源S到面阵探测器间的距离，R为X射线源S到待测物体旋转中心轴的距离，d₀为面阵探测器像素间距，包括下列重构步骤：

(1)通过测量或标定方式获得X射线成像系统参数；

(2)旋转X射线成像系统或载物台，X线管沿着一圆形轨迹运动，与其相对的面阵探测器的运动轨迹亦是圆，待测物体放置于载物台上，X锥形射线束中心线SO穿过旋转中心轴并垂直于面阵探测器，交其上i₀处，对应投影图像的第i₀列像素，X锥形射线束的某一非中心线L_i交面阵探测器上i处，对应投影图像的第i列像素，射线L_i到旋转中心轴的距离为d_i，每θ角采集一帧图像I(θ)；

(3)将采集的图像数据根据需要进行数据压缩并存贮到计算机内存，对所有成像数据依据成像系统参数建立两级角度排序索引，其中θ为图像采样时X射线锥形光束中心线与基准轴的夹角，

为锥形光束中心线与某一光线的夹角，θ的取值范围为0～2π，β_i的取值范围为-δ/2～+δ/2，δ的最大值由能成像的边缘射线决定；

(4)通过交互式界面，根据观察需要设置观察视点与视线方向；

(5)计算指定视线参数，以便对图像数据进行重采样；

(6)根据步骤(5)中计算得到的视线参数，在步骤(3)建立的图像数据索引表里查找与所指定视线相邻的射线束，完成图像数据的重采样；

(7)将重采样获得的图像数据通过显示器输出显示。

2.如权利要求1所述的X射线图像三维重构的方法，其特征在于，在步骤(6)中，根据计算机运算性能和用户对图像精度的需要，采用邻域插值或双线性插值的滤波插值方式对相邻射线束进行插值合成计算，以获得与所指定视线最匹配的射线。

3.如权利要求1所述的X射线图像三维重构的方法，其特征在于，在步骤(7)中，通过交互界面对图像数据进行增强处理后再输出。

4.如权利要求1所述的X射线图像三维重构的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的排序索引为距离与角度排序索引，在第一级索引表中存储射线束到旋转中心轴的距离d_i、像素列编号和对应的第二级索引表指针；每个第二级索引表中存储距离d_i相同的投影角角度α_i和投影图像编号，第一级索引按照d_i排序，第二级索引按α_i排序。

5.如权利要求4所述的X射线图像三维重构的方法，其特征在于，在步骤(5)中，得到视线L′_i的距离和角度参数为距离d′_i与角度α′_i，然后在上面建立的图像索引表里查找与所述视线相邻的射线束L_i，用其取代L′_i。

6.如权利要求1所述的X射线图像三维重构的方法，其特征在于，在步骤(5)中，得到视线L′_i的角度参数θ′与β′_i，据此在上面建立的图像索引表里查找与所述视线相邻的射线束L_i，用其取代L′_i。

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