CN101750430B - X射线计算机断层成像系统的几何校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明是X射线计算机断层成像系统的几何校正方法，尤其适合于圆轨道的锥束和扇束计算机断层成像系统的几何参数校正，利用线模体X射线计算机断层成像三维重建数据中包含的计算机断层成像系统的X射线探测器偏移信息，精确估计X射线探测器的水平偏移量，并用获得的水平偏移量进行X射线计算机断层成像系统的几何校正，从而提高X射线计算机断层成像系统的空间分辨率，减少图像伪影。

Description

X射线计算机断层成像系统的几何校正方法

技术领域

本发明属于影像处理的技术领域，涉及X射线计算机断层成像系统的几何参数校正，尤其适合于圆轨道的锥束和扇束计算机断层成像系统的几何参数校正。

背景技术

X射线计算机断层成像(以下简称CT)系统在成像技术以及工业无损探伤等方面均发挥着重要作用。CT系统的几何位置参数对成像质量具有非常大的影响。几何位置误差会导致系统空间分辨率下降、产生图像伪影甚至使重建图像无法正常使用。

锥束圆轨道CT系统和扇束圆轨道CT系统是两种常见的CT系统，其中扇束圆轨道CT系统可以看作是锥束圆轨道CT系统的特例。对于锥束圆轨道CT系统，已有人提出了几种几何参数的校正方法。这些方法可分为两类：一类是利用专门设计的几何测试模体，利用几何测试模体在多个角度下的投影数据估计几何位置参数。例如，参考文献K.Yang，A.L.C.Kwan，D.F.Miller，and J.M.Boone，“A geometric calibrationmethod for cone beam CT systems，”Medical Physics，vol.33，no.6，pp.1695-1706，2006.使用滚珠模体投影的方法进行CT系统的几何校正。在该方法中，对滚珠模体进行360度CT扫描，获得滚珠模体的扫描投影数据，利用投影数据中包含的CT系统的几何偏移信息，即可计算出系统的几何位置误差。该方法虽然可以计算出CT系统的几何位置偏差，但是其计算得到的水平偏移量常常会有一定的误差。另一类方法是通过构造一个与几何位置偏差相关的代价函数，通过优化算法使该代价函数最小，当代价函数达到局部最小点时即获得一组几何位置参数。对于这种构造代价函数的方法，由于存在局部最小点，优化算法难以保证代价函数到达了全局最小点，从而导致获得的几何参数存在偏差。

发明内容

为了解决现有技术中X射线探测器水平偏移误差大时，影响成像效果的问题，本发明的目的是提出了一种基于线模体的X射线计算机断层成像系统的几何校正方法，尤其适合于圆轨道的锥束和扇束计算机断层成像系统的X射线探测器水平偏移误差的校正。

为了达成所述目的，本发明提供一种X射线计算机断层成像系统的几何校正方法，包括步骤如下：

步骤1：用X射线计算机断层成像系统对线模体进行扫描和三维重建；

步骤2：利用线模体的三维重建数据中包含X射线计算机断层成像系统的X射线探测器偏移信息，计算X射线探测器的水平偏移量；

步骤3：通过将X射线探测器的中心通道左移或右移该水平偏移量，实现X射线探测器水平偏移的补偿，从而完成对X射线计算机断层成像系统进行几何校正。

其中，所述线模体包括圆柱体和细线，所述细线位于圆柱体中，细线的直径远小于X射线计算机断层成像系统所能达到的空间分辨率，且细线的密度远大于其周围材料密度。

其中，所述的细线与X射线计算机断层成像系统的旋转轴平行放置，且细线靠近旋转轴，用于对线模体进行360度扫描，获得线模体扫描投影数据。

其中，所述线模体的三维重建的步骤包括：

步骤21：利用滚珠模体投影的方法测得一组X射线计算机断层成像系统的初始几何参数，利用初始几何参数对X射线计算机断层成像系统进行几何校正，获得几何校正参数；

步骤22：利用几何校正参数和X射线计算机断层成像算法，将线模体360度扫描获得的线模体投影数据重建出线模体的重建切片，重建切片的像素大小要小于CT系统所能达到的空间分辨率；

步骤23：重建多张重建切片，构成线模体的三维重建数据，完成线模体的三维重建。

其中，所述计算X射线探测器存在水平偏移，是根据线模体的细线在X射线计算机断层成像系统的三维重建数据的切面中对应一圆环，利用该线模体的细线对应圆环的半径r计算X射线探测器的水平偏移量，计算公式为Δu＝M·r，其中Δu是X射线探测器的水平偏移量，M是X射线计算机断层成像系统的放大倍数。

其中，所述校正水平偏移量是首先向一方向补偿X射线探测器的偏移量，将X射线探测器中心通道左移该水平偏移量，并再次使用X射线计算机断层成像算法，由线模体360度扫描获得的线模体投影数据重建出线模体的重建切片；观察重建切片，如果该线模体的细线对应圆环消失，变成一个实心点，则X射线计算机断层成像系统几何校正完毕；如果该线模体的细线对应圆环变大，则说明补偿方向有误，需要向相反的方向补偿偏移量，即将X射线探测器中心通道右移该水平偏移量，完成X射线计算机断层成像系统的几何校正。

其中，X射线探测器的中心通道为X射线源发出的X射线束中穿过旋转轴的一条射线所对应的X射线探测器的位置。

本发明的有益效果：利用线模体的计算机三维重建数据中包含的X射线计算机断层成像系统的X射线探测器偏移信息，精确估计X射线探测器的水平偏移量。并用获得的偏移信息进行CT系统的几何校正，从而提高CT系统的空间分辨率，减少图像伪影。

附图说明

图1为存在X射线探测器水平偏移时线模体扫描时的投影数据采集和三维重建反向投影的示意图。

图2为X射线探测器水平偏移导致圆环形成的示意图。

图3a-图3b为用于CT系统几何校正的线模体的结构示意图。

图4为不同X射线探测器水平偏移下得到的线模体三维重建切面图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

虽然实施例是在微型锥束CT系统下进行，在普通的锥束CT系统和扇束CT系统下情况类似，同样适用。在使用本发明时，只要保证所用线模体5的细线的直径远小于CT系统所能达到的空间分辨率(小于空间分辨率的三分之一)，细线的密度远大于其周围材料密度，CT重建的切片像素大小小于CT系统所能达到的空间分辨率即可。对使用的X射线源1，X射线探测器2以及其像素大小和像素个数，X射线源1到X射线探测器2的距离，X射线源1到CT系统的旋转轴4的距离，CT系统的放大倍数，线模体5的外径，细线在线模体5中的位置，CT系统的具体扫描参数，重建切片的厚度等均没有硬性限制。实施例中线模体5包含两根钨丝，但也可以只有一根钨丝。

实施例中CT系统采用微焦斑X射线源1，X射线探测器2采用高分辨率的X射线平板探测器，X射线探测器2像素大小为0.05mm×0.05mm，有效像素个数是2240×2344个，CT系统所能达到的空间分辨率为35微米。利用本发明所涉及的CT系统几何校正的具体实施步骤如下：

步骤1：利用滚珠模体投影的方法(见参考文献)测得一组X射线计算机断层成像系统的初始几何参数，利用初始几何参数对X射线计算机断层成像系统进行几何校正，获得系统校正参数；实验测得X射线源1到X射线探测器2的距离SDD＝498mm，X射线源1到CT系统的旋转轴4的距离SOD＝383mm，系统的放大倍数M＝1.3。

步骤2：使用如图3a-图3b所示，用于CT几何校正的线模体5的结构示意图，图3a是线模体5的纵向剖视图，图3b是线模体5的横断面剖视图，图中线模体5的圆柱体51材料为有机树脂，图中52表示线模体5中的一根钨丝，称为第一细线52，图中53表示线模体5中的另一根钨丝，称为第二细线53，图中a表示线模体5的直径32mm，图中b为线模体5的高度40mm，图中c为第一细线52到线模体5中心的距离1mm，图中d为第二细线53到线模体5中心的距离12mm。

所述线模体5包括圆柱体51，第一细线52和第二细线53，所述第一细线52和第二细线53位于圆柱体51中，所述第一细线52和第二细线53是钨丝，线模体1中的第一细线52和第二细线53的直径为10微米，远小于CT系统所能达到的空间分辨率，且细线材料为钨丝，密度远大于构成线模体5的圆柱体51的有机树脂的密度。将线模体5放置在CT系统旋转轴4附近，并保证线模体5中的第一细线52和第二细线53与CT系统旋转轴4平行放置，且第一细线52靠近CT系统旋转轴4。

步骤3：使用X射线计算机断层成像系统对线模体5进行扫描，具体扫描参数如下：X射线源1的管电压为45KVp，电流1.0mA，X射线探测器2积分时间为0.6s，对线模体5在360°圆周上进行均匀扫描，并采集500个线模体投影数据。

步骤4：利用步骤1中测得的系统几何校正参数和X射线计算机断层成像算法，对线模体5的投影数据进行X射线计算机断层成像三维重建，重建出线模体的重建切片；该线模体5中有两个平行的第一细线52和第二细线53，仅重建第一细线52和第二细线53其中之一即可，在此实施例中重建的是选择靠近线模体5中心的那根第一细线52，第一细线52重建数据的切片像素大小0.01mm×0.01mm，切片厚度0.05mm。

步骤5：从重建数据中取CT系统中心射线附近的切片若干张，计算平均值以降低噪声的影响，将该平均后的切片图像作为重建线模体5的中心切片。其结果如图4a所示。

步骤6：图4a中包含有X射线探测器2的偏移信息。当X射线探测器2无水平偏移时，第一细线52在X射线计算机断层成像三维重建的切面图中对应一实心点；当X射线探测器2存在水平偏移时，第一细线52在X射线计算机断层成像三维重建的切面图中对应一圆环。由图4a可以看出，图的中心明显成现一个圆环。说明X射线探测器2存在水平偏移，通过数据拟合的方法求得该圆环的半径r＝0.035mm。

步骤7：根据计算X射线探测器2的水平偏移量的公式

Δu＝M·r，

计算出X射线探测器2的水平偏移量Δu＝0.045mm，即0.9个像素大小；其中M是CT系统的放大倍数，在该实施例中M为1.3，r为步骤6计算得到的圆环半径。

步骤8：在计算得到的X射线探测器2水平偏移量之后，首先向左补偿该X射线探测器2的水平偏移量Δu，即将X射线探测器2中心通道左移该水平偏移量，并再次使用X射线计算机断层成像算法，由线模体5的扫描投影数据重建出线模体5的第一细线52的重建切片；观察重建切片，如果该线模体5的第一细线52对应圆环消失，变成一个实心点，则X射线计算机断层成像系统几何校正完毕；如果该线模体5的第一细线52对应圆环变大，则说明补偿方向有误，需要向相反的方向补偿偏移量，即将X射线探测器中心通道右移该水平偏移量，完成X射线计算机断层成像系统的几何校正。结果如图4b所示，图中圆环变大，则说明补偿方向有误，需要向相反的方向(右向)补偿偏移量，即将X射线探测器2中心通道右移该水平偏移量，图4c显示了向右补偿水平偏移后的重建结果。该结果中没有X射线探测器2水平偏移的影响，切片图像中心呈现为一个实心的点，从而完成CT系统几何校正。

关于步骤7中的计算X射线探测器2的水平偏移量的详细描述如下：

如图1所示，图中1表示X射线源，2表示X射线探测器，3表示X射线探测器2上的投影值，即线模体扫描时X射线探测器2上采集的的信号值。图中S为X射线源1的焦斑，O为CT系统旋转轴4的中心，从S点发出的X射线经系统旋转轴4交X射线探测器2于X射线探测器2中心通道O_d，OO_d称为CT系统的中心射线，X射线源1到X射线探测器2的距离SDD，X射线源1到系统旋转轴4的距离SOD，P是线模体5的第一细线52上的一点，P的密度远大于其周围的密度值，点P到系统旋转轴4的距离(即线模体5中第一细线52到系统旋转轴4的距离)为l。设点初始位置在CT系统的中心射线OO_d上，对线模体5进行扫描时，点P围绕系统旋转轴旋转，设点P转过的角度为β(0≤β＜2π)，β是OP与中心射线OO_d的夹角，点P投影于X射线探测器2的N点。由于存在X射线探测器2的水平偏移量Δu，在对线模体5的第一细线52进行在进行三维重建时，将会从N’点沿N’S方向反投影，而不是沿着原投影方向SP的反方向投影，其中点N’是X射线探测器2上与点N距离为Δu的一点。设点P到N’S的距离为r，点P与过点P且平行于X射线探测器2表面的直线与N’S的交点之间的距离为r′，∠SN’N＝φ，则r′＝r/sinφ。如果考虑到很多个投影射线的叠加，就会出现如图2所示的效果，即在点P周围出现一个半径为r的圆环。设∠OSN＝α，∠NSN’＝θ。

由于Δu很小，则 $\mathrm{\θ}\≈\frac{\mathrm{\Δu}}{\mathrm{SDD}},$ 利用图1中的几何位置关系，

有 $\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{l\sin \mathrm{\β}}{\mathrm{SOD}+l\cos \mathrm{\β}}\right),$

$\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α}-\mathrm{\θ},$

$\frac{\mathrm{\Δu}}{r^{\′}}=\frac{\mathrm{SDD}}{\mathrm{SOD}+l\cos \mathrm{\β}},$

从而有 $\frac{\mathrm{\Δu}}{r}=\frac{\mathrm{SDD}}{(\mathrm{SOD}+l\cos \mathrm{\β})\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})},$

考虑到Δu＜＜SDD 和l＜＜SOD，

故 $\frac{\mathrm{\Δu}}{r}=\frac{\mathrm{SDD}}{\mathrm{SOD}}=M,$

即Δu＝M·r。

利用上述公式，即可计算出X射线探测器2的水平偏移量Δu。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种X射线计算机断层成像系统的几何校正方法，其特征在于：

步骤1：用X射线计算机断层成像系统对线模体进行扫描和三维重建；

步骤2：利用线模体的三维重建数据中包含X射线计算机断层成像系统的X射线探测器偏移信息，计算X射线探测器的水平偏移量；

步骤3：通过将X射线探测器的中心通道左移或右移该水平偏移量，实现X射线探测器水平偏移的补偿，从而完成对X射线计算机断层成像系统进行几何校正。

2.根据权利要求1所述的X射线计算机断层成像系统的几何校正方法，其特征在于：所述线模体包括圆柱体和细线，所述细线位于圆柱体中，细线的直径远小于X射线计算机断层成像系统所能达到的空间分辨率，且细线的密度远大于其周围材料密度。

3.根据权利要求2所述的X射线计算机断层成像系统的几何校正方法，其特征在于：所述的细线与X射线计算机断层成像系统的旋转轴平行放置，且细线靠近旋转轴，用于对线模体进行360度扫描，获得线模体扫描投影数据。

4.根据权利要求1所述的X射线计算机断层成像系统的几何校正方法，其特征在于：所述线模体的三维重建的步骤包括：

步骤21：利用滚珠模体投影的方法测得一组X射线计算机断层成像系统的初始几何参数，利用初始几何参数对X射线计算机断层成像系统进行几何校正，获得系统校正参数；

步骤22：利用系统校正参数和X射线计算机断层成像算法，将线模体360度扫描获得的线模体投影数据重建出线模体的重建切片，重建切片的像素大小要小于CT系统所能达到的空间分辨率；

步骤23：重建多张重建切片，构成线模体的三维重建数据，完成线模体的三维重建。

5.根据权利要求1所述的X射线计算机断层成像系统的几何校正方法，其特征在于：所述计算X射线探测器水平偏移，是根据线模体的细线在X射线计算机断层成像系统的三维重建数据的切面中对应一圆环，利用该线模体的细线对应圆环的半径r计算X射线探测器的水平偏移量，计算公式为Δu＝M·r，其中Δu是X射线探测器的水平偏移量，M是X射线计算机断层成像系统的放大倍数。

6.根据权利要求1所述的X射线计算机断层成像系统的几何校正方法，其特征在于：所述X射线探测器水平偏移的补偿是首先向一方向补偿X射线探测器的偏移量，将X射线探测器中心通道左移该水平偏移量，并再次使用X射线计算机断层成像算法，由线模体360度扫描获得的线模体投影数据重建出线模体的重建切片；观察重建切片，如果该线模体的细线对应圆环消失，变成一个实心点，则X射线计算机断层成像系统几何校正完毕；如果该线模体的细线对应圆环变大，则说明补偿方向有误，需要向相反的方向补偿偏移量，即将X射线探测器中心通道右移该水平偏移量，完成X射线计算机断层成像系统的几何校正。

7.根据权利要求1所述的X射线计算机断层成像系统的几何校正方法，其特征在于：其中X射线探测器的中心通道为X射线源发出的X射线束中穿过旋转轴的一条射线所对应的X射线探测器的位置。

Images