CN101515370A

CN101515370A - 三维显微ct扫描系统中射线源焦点的投影坐标的标定方法

Info

Publication number: CN101515370A
Application number: CNA2009100792777A
Authority: CN
Inventors: 杨民; 李保磊; 韩春梅; 刘静华; 吴文晋; 王钢
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: CN101515370B

Abstract

本发明公开了一种适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，该方法是通过在位于射线源和面阵探测器之间的扫描台上放置一支撑架，并在支撑架上任意安装A圆球、B圆球；当射线源射出的锥束射线分别照射到A圆球、B圆球上时，由面阵探测器采集到A圆球、B圆球在成像平面上的A椭圆投影、B椭圆投影；利用图像、图形处理方法，分别提取A椭圆投影、B椭圆投影的轮廓上的序列点坐标，基于各自的轮廓上的序列点坐标，利用最小二乘拟合法分别得到两个椭圆投影长轴直线方程，最后求解该两个长轴直线方程的交点P′(λ_X，λ_Z)，该交点P′即为射线源焦点P在探测器的成像平面内的投影坐标。

Description

三维显微CT扫描系统中射线源焦点的投影坐标的标定方法

技术领域

本发明涉及一种适用于三维显微CT扫描系统的射线源焦点的投影坐标的标定方法，是针对基于面阵探测器的X-射线显微3D-CT(Three DimensionalMicro-computed Tomography)扫描成像系统射线源焦点坐标的测量，可用于医学和工业领域射线数字成像(DR-Digital Radiography)、三维计算机断层扫描(3D-CT)成像过程中的相关显微测量。

背景技术

近几年来，随着微焦点X射线机性能的不断提高和高分辨率面阵列探测器的出现，三维显微CT技术在复合材料、微机电产品(MEMS)、电子元器件、石油岩芯等的质量检测和结构分析中的应用日益得到重视。该技术利用微焦点X-射线源和高投影放大比保证了微米级的信息重建，CT图像的细节分辨力可达到2～5微米。显微工业CT作为一种新型的无损检测及产品质量评估技术，其工作原理和传统CT技术相同，二者的主要不同之处在于：显微工业CT技术采用微焦点X射线源，焦点尺寸在几十微米到几个微米之间，这使得成像系统在很高的投影放大比下，仍然可以获得几何不清晰度很小的高分辨率DR图像，从而保证了CT图像的高空间分辨率。

专利号ZL 200610066252.X中公开了“一种适用于三维CT扫描系统投影坐标原点的标定方法”。在该专利中，通过在位于射线源和探测器之间的多自由度载物台上放置一板状目标；目标上任意安装两个圆形物体；当射线源射出的锥束射线照射到目标上时，通过移动多自由度载物台，探测器采集到两个成像位置的两个圆形物体的DR图像，通过最小二乘拟合法联立解算出投影坐标原点O的坐标(λ_x，o，λ_z)。专利号ZL 200610066252.X中是基于二次成像的最小二乘拟合方法实现对投影坐标原点O的高精度标定，该发明方法比较适合于射线源为普通焦点的三维CT扫描系统投影坐标原点的标定。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，该方法采用对两个圆球进行一次成像，获得两个圆球的椭圆形投影，然后采用图像、图形处理方法提取出两个椭圆投影轮廓上的序列点坐标，分别对序列点坐标进行最小二乘法拟合得到两个椭圆投影长轴的直线方程(即长轴直线方程)，最后求解两长轴直线方程的交点P′(λ_X，λ_Z)，该交点P′即为射线源焦点P在探测器的成像平面内的投影坐标。

本发明是一种适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，该方法是通过在位于射线源和面阵探测器之间的扫描台上放置一支撑架，并在支撑架上任意安装A圆球、B圆球；当射线源射出的锥束射线分别照射到A圆球、B圆球上时，由面阵探测器采集到A圆球、B圆球在成像平面上的A椭圆投影、B椭圆投影；利用图像、图形处理方法，分别提取A椭圆投影、B椭圆投影的轮廓上的序列点坐标，基于各自的轮廓上的序列点坐标，利用最小二乘拟合法分别得到两个椭圆投影长轴直线方程，最后求解该两个长轴直线方程的交点P′(λ_X，λ_Z)，该交点P′即为射线源焦点P在面阵探测器的成像平面内的投影坐标。

本发明适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定，具有如下优点：(1)仅通过一次成像即可测量出射线源焦点投影坐标值，有效缩短了图像采集与数据处理时间；(2)通过求解椭圆长轴交点获得射线源焦点投影坐标，算法简单易行，且不会产生假解；(3)双圆球在成像时空间位置任意，只要保证其投影在面阵探测器成像区域内即可，容易实现，且操作起来简单；(4)以最小二乘法拟合椭圆的参数并联立求解，求解坐标值精度达到亚像素级；(5)与本发明人已获得的专利号ZL 200610066252.X公开内容相比，省略了步骤(B)和步骤(C)，真正实现了对两个圆球的一次成像。

附图说明

图1是本发明用于进行三维显微CT扫描系统中射线源焦点的投影坐标的标定方法的原理简示图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，该方法是通过在位于射线源1和面阵探测器5之间的扫描台3上放置一支撑架4，并在支撑架4上任意安装两个圆球(A圆球11、B圆球12)；当射线源1射出的锥束射线2照射到A圆球11、B圆球12上时，由面阵探测器5采集到A圆球11、B圆球12在成像平面51上的两个椭圆形投影(A椭圆投影21、B椭圆投影22)；利用图像、图形处理方法，分别提取A椭圆投影21、B椭圆投影22的轮廓上的序列点坐标，基于轮廓上的序列点坐标，利用最小二乘拟合法得到两个椭圆投影长轴直线方程，最后求解两个长轴直线方程的交点P′(λ_X，λ_Z)，该交点P′即为射线源焦点P在面阵探测器5的成像平面51内的投影坐标。

在本发明中，射线源1与扫描台3之间的距离记为D，射线源1与面阵探测器5之间的距离记为D′，则有

\frac{D^{'}}{D} &GreaterEqual; 10 .

支撑架4上的A圆球11、B圆球12的直径为3～8mm。对双球体(A圆球11、B圆球12)进行一次DR成像，且双球体在支撑架4上的安装位置为任意放置。

在本发明中，面阵探测器5选取平面面阵探测器。

在本发明中，射线源1可以为焦点P的尺寸为几微米到几十微米的各种X-射线发生器。

本发明是一种适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，该标定方法具体如下实施步骤：

步骤一：调整射线源1的中心射线PP′与面阵探测器5的成像平面51垂直，成像平面51的坐标系记为XOZ；

射线源焦点P在成像平面51上的投影点记为P′，投影点P′在成像平面51的坐标系XOZ下的坐标记为(λ_X，λ_Z)，该投影点P′即为本发明所要标定的三维显微CT扫描系统中射线源焦点的投影点；

步骤二：将A圆球11、B圆球12安装在支撑架4上，支撑架4安装在扫描台3上，从射线源1射出的锥束射线2照射到A圆球11、B圆球12上，用面阵探测器5采集A圆球11、B圆球12分别在成像平面51中的投影图像(即A椭圆投影21、B椭圆投影22)；

所述A椭圆投影21、B椭圆投影22均为DR图像；

步骤三：对A椭圆投影21进行边缘检测、阈值分割、轮廓细化、轮廓追踪的DR图像处理，获得A椭圆投影21的轮廓上的序列点坐标，即轮廓点序列A；用最小二乘拟合法对轮廓点序列A进行拟合得到A椭圆投影21的长轴直线方程，即长轴直线A方程

Z = k_{A} \cdot X + Z_{c_{A}} - k_{A} \cdot X_{c_{A}},

k_A表示A椭圆投影21的长轴直线的斜率，

表示A椭圆投影21的中心点的Z坐标，表示A椭圆投影21的中心点的X坐标，X表示在成像平面51坐标系XOZ下的X轴上的参数，Z表示在成像平面51坐标系XOZ下的Z轴上的参数；

对B椭圆投影22进行边缘检测、阈值分割、轮廓细化、轮廓追踪的DR图像处理，获得B椭圆投影22的轮廓上的序列点坐标，即轮廓点序列B；用最小二乘拟合法对轮廓点序列B进行拟合得到B椭圆投影22的长轴直线方程，即长轴直线B方程

Z = k_{B} \cdot X + Z_{c_{B}} - k_{B} \cdot X_{c_{B}},

k_B表示B椭圆投影22的长轴直线的斜率，

表示B椭圆投影22的中心点的Z坐标，

表示B椭圆投影22的中心点的X坐标，X表示在成像平面51坐标系XOZ下的X轴上的参数，Z表示在成像平面51坐标系XOZ下的Z轴上的参数；

求解方程组

\{\begin{matrix} Z = k_{A} \cdot X + Z_{c_{A}} - k_{A} \cdot X_{c_{A}} \\ Z = k_{B} \cdot X + Z_{c_{B}} - k_{B} \cdot X_{c_{B}} \end{matrix}

得到长轴直线A和长轴直线B的交点P′

(λ_X，λ_Z)，该交点P′即为射线源焦点P在探测器的成像平面51内的投影坐标。

在本发明中，拟合椭圆投影长轴直线方程时，采用了最小二乘拟合法。

实施例

本专利申请的发明人利用计算机模拟对三维显微CT扫描系统中射线源焦点的投影坐标的标定方法的正确性和测量精度进行考核，模拟条件如下(单位：像素)：

(1)射线源焦点投影坐标：λ_X＝512，λ_Z＝512；

(2)射线源焦点P到面阵探测器成像平面51的距离：PP′＝1000；

(3)A圆球11和B圆球12的直径：30；

(4)投影图像尺寸：1024×1024；

(5)分别将A圆球11、B圆球12置于射线源与面阵探测器之间的任意位置进行DR成像，只要满足A圆球11、B圆球12投影在面阵探测器的成像区域内即可。为了验证该标定方法的重复精度，本发明人进行了三次测量，每次测量中的A圆球11、B圆球12在射线源与面阵探测器之间的位置不同。

(6)椭圆投影DR图像中叠加1％的高斯噪声。

三次测量结果见表1。

表1利用计算机模拟对射线源焦点P的投影点P′(λ_Z，λ_Z)的测量结果

(单位：像素)

	λ_X	λ_Z	ΔX	ΔZ	err_X	err_Z
	λ_X	λ_Z	ΔX	ΔZ	err_X	err_Z	第一次测量	512.288	512.288	0.288	0.288	0.056％	0.056％
第二次测量	512.433	512.825	0.433	0.825	0.085％	0.161％	第一次测量	512.288	512.288	0.288	0.288	0.056％	0.056％
第二次测量	512.433	512.825	0.433	0.825	0.085％	0.161％	第三次测量	511.557	512.357	0.443	0.357	0.087％	0.070％
平均值	512.093	512.490	0.388	0.490	0.076％	0.096％	第三次测量	511.557	512.357	0.443	0.357	0.087％	0.070％

注：ΔX、ΔZ为绝对误差，err_X、err_Z为相对误差。

计算结果表明，λ_X、λ_Z的平均相对误差分别为0.076％和0.096％。

为了验证本发明测量方法对显微三维CT重建的有效性，将安装有两个圆球的支撑架置于225kV micro-CT系统的锥束成像场中，分别进行了五次测量，每次测量中支撑架处于射线源与面阵探测器之间的不同位置。利用本发明提出的椭圆长轴拟合及联立求解方法得到五次测量的结果见表2。

225kV micro-CT系统的主要硬件配置如下：

1)射线源：瑞士Comet公司产XM225D型微焦点X-射线源，最小焦点尺寸为3微米。

2)扫描台：由DM1100型(美国PARKER公司产)直流伺服电机驱动的多自由度扫描台，扫描台具有旋转、升降、沿主射线和垂直于主射线方向运动的功能，最大承重15kg。

3)面阵探测器：美国Varian公司产PaxScan2520型面阵探测器，探元尺寸为0.127mm；成像平面尺寸200mm×250mm。

表2对225kV micro-CT系统射线源焦点P的投影点P′(λ_X，λ_Z)的测量结果

(单位：像素)

计算机模拟和实验结果表明，本发明所提测量方法具有以下优点：(1)仅通过一次成像即可测量出射线源焦点投影坐标值，有效缩短了图像采集与数据处理时间；(2)通过求解椭圆长轴交点获得射线源焦点投影坐标，算法简单易行，且不会产生假解；(3)双圆球在成像时空间位置任意，只要保证其投影在面阵探测器成像区域内即可，容易实现，且操作起来简单；(4)以最小二乘法拟合椭圆的参数并联立求解，求解坐标值精度达到亚像素级。

Claims

1、一种适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，其特征在于：该方法是通过在位于射线源(1)和面阵探测器(5)之间的扫描台(3)上放置一支撑架(4)，并在支撑架(4)上任意安装A圆球(11)、B圆球(12)；当射线源(1)射出的锥束射线(2)分别照射到A圆球(11)、B圆球(12)上时，由面阵探测器(5)采集到A圆球(11)、B圆球(12)在成像平面(51)上的A椭圆投影(21)、B椭圆投影(22)；利用图像、图形处理方法，分别提取A椭圆投影(21)、B椭圆投影(22)的轮廓上的序列点坐标，基于各自的轮廓上的序列点坐标，利用最小二乘拟合法分别得到两个椭圆投影长轴直线方程，最后求解该两个长轴直线方程的交点P′(λ_X，λ_Z)，该交点P′即为射线源焦点P在面阵探测器(5)的成像平面(51)内的投影坐标。

2、根据权利要求1所述的适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，其特征在于该标定方法具体如下实施步骤：

步骤一：调整射线源(1)的中心射线PP′与面阵探测器(5)的成像平面(51)垂直，成像平面(51)的坐标系记为XOZ；

射线源焦点P在成像平面(51)上的投影点记为P′，投影点P′在成像平面(51)的坐标系XOZ下的坐标记为(λ_X，λ_Z)；

步骤二：将A圆球(11)、B圆球(12)安装在支撑架(4)上，支撑架(4)安装在扫描台(3)上，从射线源(1)射出的锥束射线(2)照射到A圆球(11)、B圆球(12)上，用面阵探测器(5)采集A圆球(11)、B圆球(12)分别在成像平面(51)中的A椭圆投影(21)、B椭圆投影(22)；

所述A椭圆投影(21)、B椭圆投影(22)均为DR图像；

步骤三：对A椭圆投影(21)进行边缘检测、阈值分割、轮廓细化、轮廓追踪的DR图像处理，获得A椭圆投影(21)的轮廓上的序列点坐标，即轮廓点序列A；用最小二乘拟合法对轮廓点序列A进行拟合得到A椭圆投影(21)的长轴直线方程，即长轴直线A方程

Z = k_{A} \cdot X + {Z_{c}}_{A} - k_{A} \cdot {X_{c}}_{A},

k_A表示A椭圆投影(21)的长轴直线的斜率，

表示A椭圆投影(21)的中心点的Z坐标，

表示A椭圆投影(21)的中心点的X坐标，X表示在成像平面(51)坐标系XOZ下的X轴上的参数，Z表示在成像平面(51)坐标系XOZ下的Z轴上的参数；

对B椭圆投影(22)进行边缘检测、阈值分割、轮廓细化、轮廓追踪的DR图像处理，获得B椭圆投影(22)的轮廓上的序列点坐标，即轮廓点序列B；用最小二乘拟合法对轮廓点序列B进行拟合得到B椭圆投影(22)的长轴直线方程，即长轴直线B方程

Z = k_{B} \cdot X + {Z_{c}}_{B} - k_{B} \cdot {X_{c}}_{B},

k_B表示B椭圆投影(22)的长轴直线的斜率，

表示B椭圆投影(22)的中心点的Z坐标，

表示B椭圆投影(22)的中心点的X坐标，X表示在成像平面(51)坐标系XOZ下的X轴上的参数，Z表示在成像平面(51)坐标系XOZ下的Z轴上的参数；

求解方程组

\{\begin{matrix} Z {= k}_{A} \cdot X + {Z_{c}}_{A} - k_{A} \cdot {X_{c}}_{A} \\ Z = k_{B} \cdot X + {Z_{c}}_{B} - k_{B} \cdot {X_{c}}_{B} \end{matrix}

得到长轴直线A和长轴直线B的交点P′(λ_X，λ_Z)，该交点P′即为射线源焦点P在探测器的成像平面(51)内的投影坐标。

3、根据权利要求1所述的适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，其特征在于：对双球体进行一次DR成像，且双球体在支撑架(4)上的安装位置为任意。

4、根据权利要求1所述的适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，其特征在于：射线源(1)与扫描台(3)之间的距离记为D，射线源(1)与面阵探测器(5)之间的距离记为D′，则有

\frac{D^{'}}{D} &GreaterEqual; 10 .

5、根据权利要求1所述的适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，其特征在于：支撑架(4)上的A圆球(11)、B圆球(12)的直径为3～8mm。

6、根据权利要求1所述的适用于三维显微CT扫描系统射线源焦点的投影坐标的标定方法，其特征在于：射线源(1)的焦点P的尺寸为微米级。