CN101909524B - 用于校准数字x光设备的方法(变型) - Google Patents

Abstract

本发明(变型)旨在改进数字X光设备：电子计算机X光断层照相机以及装配有C臂和U臂型支架的数字X光设备的校准精度，该方法基于支架的机械不稳定性的计算。用于X光设备的校准方法：其中，将不同直径的一个或两个X光对比球放置在除了其中心以外的扫描场中，获得一系列具有不同支架旋转角度的扫描场的图像，使用球的投影中心的坐标来确定X光设备支架的机械不稳定性的X方向和Y方向规则分量，形成支架的机械不稳定性的X方向和Y方向校准修改集，该修改用于修正图像，根据本发明，使用投影比例确定数字X光支架的机械不稳定性的附加规则分量，并且形成支架的机械不稳定性的校准数据集，其包括比例校准修改。

Description

用于校准数字X光设备的方法(变型)

技术领域

本组发明属于医疗X光工程，即数字X光设备(X射线设备，X射线装置)：电子计算机X光断层照相机以及装配有C臂和U臂型支架(架，台)的数字X光设备的技术特性的检查和测量器械。

背景技术

数字X光设备校准的主要目的是，在放射探查的过程中产生检查目标(患者)的最高质量的图像。探查图像的质量在很大程度上受到电子计算机X光断层照相机支架(也叫做X光断层照相机台架)的机械不稳定性和数字X光设备的C臂和U臂支架的机械不稳定性影响。因此，例如，数字X光设备支架旋转路径的变化可以导致检测器的预校准，例如阴影的校准等的失效。对于电子计算机X光断层照相机设备，除了检测器预校准的失效以外，甚至X光断层照相扫描路径的最小变化也可以导致正被重构的图像的相当大的劣化。电子计算机X光断层照相机支架的机械不稳定性、数字X光设备的C臂和U臂支架的机械不稳定性，包括规则的和随机的分量。由于考虑数字X光设备支架的机械不稳定性的规则分量，本申请下的发明被设计为精确地修正用X光设备获得的图像。

具有C臂支架的X光设备的机械不稳定性的以下校准方法是已知的，其中，应用设备机械不稳定性的外部监测系统：

a)[美国专利第2001053204号的申请，公开日2001年12月20日，IPC A61B6/00]的方法是已知的，根据该方法，将特殊的标识器安装在X光管上，并且使用没有连接至X光设备的外部光学立体照相机追踪设备的旋转路径；根据该路径确定设备机械不稳定所需的修正。

当使用已知方法时，除了给定方法应用的复杂性和昂贵性以外，实现所述以下技术结果的障碍还包括可能阻碍光学立体照相机的视场(当患者的桌子处于照相机和标识器之间时或者当医务人员闯进照相机视场时等等，在设备旋转的过程中，标识器变得对于照相机不可见)。因此，将在未修正设备的机械不稳定性的情况下获得一部分诊断数据，这种情况会导致正获得的X光图像的劣化。

b)[美国专利第6,120,180号，公开日2000年9月19日，IPCA61B6/00]的方法是已知的，根据该方法，在X光管和X光检测器上安装超声发射器，通过至少两个超声接收器记录发射器信号。处理由超声检测器接收的信号，并使用其确定设备的旋转路径；根据该路径确定设备的机械不稳定性的修正。

当使用已知方法时，除了给定方法应用的复杂性和昂贵性以外，实现所述以下技术结果的障碍还包括这样的事实：超声辐射特性取决于通过其传播的介质的温度。这导致必须进行复杂的计算和修正由超声数据接收器接收的信息，因为X光管、X光传感器和环境空气的温度不同。

[美国专利第5,822,396号，公开日1998年10月13日，IPCA61B6/00]的用于电子计算机X光断层照相机的校准方法是已知的，根据该方法，为了检查目标(患者，当在医学上使用X光设备时)的每次曝光，使测试目标放置于扫描场中。所观察的位置与理想的位置之间的偏差使得计算每张X光照片的位移数据，该数据用来实时地补偿支架的机械不稳定性。

当使用已知方法时，实现所述以下技术结果的障碍包括这样的事实：此方法的测试目标由X光对比材料制成，通常由金属制成。在每次曝光的过程中存在这种目标会导致在正被重构的图像上形成伪像；当进行X光断层照相机检查时，这导致误差。

在关于其技术本质的申请下，与本发明的两个变型最接近的相同目的的方法是，在[Fahrig R.，Holdsworth D.W.，Three-dimensionalcomputed tomographic reconstruction using a C-arm mounted XRII：image-based correction of gantry motion nonidealities(使用安装C臂的XRII的三维电子计算机X光断层照相重构：台架运动非理想性的基于图像的修正).Medical Physics(医学物理学)，2000，V.27(1)，p.30-38.]中给出的用于电子计算机X光断层照相机的校准方法。该方法包括，使用安装在X光设备的扫描场中的钢球(或几个球)对X光设备支架的机械不稳定性的规则分量获得预校准数据。该方法意味着，对于不同的支架旋转角度

获得一系列N张X光照片。获得X光照片并以数字形式处理。在每张X光照片中，找到球(或几个球)的投影中心坐标。使用找到的坐标，确定X光设备支架机械不稳定性的规则分量。在该方法中，主导作用属于X光设备支架机械不稳定性的X方向和Y方向校准数据，使用已知方法实现所述以下技术结果的障碍包括这样的事实：在已知方法中，未确定数字X光设备支架、Z方向机械不稳定性的规则分量(比例校准数据)。比例校准数据在绝对值上相对较小，虽然在焦距为1200mm且检查目标大小为100mm的情况中，10mm的Z方向的位移会导致检查目标的投影大小变化1.7％(如果检查目标位于X光管和检测器之间的中间)，这在检查中是不合适的，其中需要高精度的测量(电子计算机X光断层照相术、脉管修复血管照相术等)，但是，在X方向和Y方向校准数据确定的过程中，支架机械不稳定性的所述Z方向分量(影响比例)可以导致误差。

发明内容

本发明的目的是，提供更高精度的用于X光设备的校准方法。根据第一和第二变型的本发明的技术结果是，由于形成机械不稳定性的支架规则分量的校准数据集和由于考虑比例校准数据而导致数字X光设备校准精度的改进，以及在使用本申请的方法的情况中增加X光设备支架旋转的机械精度公差。在第二变型中，由于在校准过程中使用至少两个不同直径的球，X光设备的机械不稳定性规则分量的校准数据的确定精度高于第一变型中的精度。校准数据对X光图像的应用减小了图像噪音，然后这提高了X光设备的低对比度和高对比度X光照片的分辨率，由于此原因，在医学X光诊断中，例如，可以在较早的阶段检测到恶性肿瘤。

在本发明的第一变型中，由于这样的事实而实现所述技术结果：在数字X光设备的校准方法中，这表示在除了其中心以外的扫描场中安装至少一个X光对比球，获得扫描场图像，通过球的投影中心的坐标来确定支架的机械不稳定性的X方向和Y方向的规则分量，形成支架的X方向和Y方向机械不稳定性的校准数据集，该校准数据集其用于根据本发明修改图像，然后，另外，确定数字X光设备支架的机械不稳定性的比例规则分量(比例系数SK)，以及形成支架的机械不稳定性的校准数据集，该校准数据集包括X方向、Y方向和比例校准数据。

在本发明的第二变型中，由于使用数字X光设备校准方法而实现所述技术结果，这表示将X光对比球放置在除了其中心以外的扫描场中，获得扫描场图像，使用球的投影中心的坐标、用于修正图像的X方向和Y方向校准数据集来确定支架的机械不稳定性的规则分量，根据本发明，将至少两个不同直径的X光对比球放置在扫描场中，使用较小直径的球的投影中心的坐标来确定数字X光设备支架的机械不稳定性的X方向和Y方向的规则分量，而使用较大直径的球的投影中心的坐标来确定数字X光设备支架的机械不稳定性的比例规则分量(比例系数SK)，以及基于获得的X方向、Y方向和比例数据形成支架的机械不稳定性的校准数据集。

现在，将参照附图更具体地描述并在权利要求中指出本发明的上述和其它特征(包括部件的结构和组合的各种新颖的细节)以及其它优点。应当理解，通过示例示出了使本发明具体化的具体方法和装置，并且其不应当理解为限制本发明。在不背离本发明的范围的情况下，本发明的原理和特征可以体现为各种和许多实施方式。

附图说明

在附图中，参考字符是指不同视图中的相同部件。附图并非必需要按比例；相反，重点已放在示出本发明的原理。

图1示出了数字X光设备的布局图(沿着轴X观察)。

图2示出了数字X光设备的布局图(沿着轴Y观察)。

图3示出了球的投影中心的X坐标的数字序列及其最接近的正弦曲线。

图4示出了数字X光设备支架的机械不稳定性的X方向规则分量。

图5示出了数字X光设备支架的机械不稳定性的5个计算的X方向规则分量的集合。

图6示出了使用根据本申请的方法变型获得的校准数据修正X光图像的流程图。

图7示出了在没有支架的Z方向机械不稳定性的数据的基础上获得的(测试目标)的统一数学模型的重构。

图8示出了在与支架沿着轴Z移动1cm相当的投影比例的人工修改过程中获得的统一数学模型的重构。

具体实施方式

通过装置(图1、图2)实现根据本发明的第一变型的方法。图1、图2示意性地示出了数字X光设备的布局图，其中：

1-X光管，

2-检测器，

3-X光对比材料的球，

4-扫描路径的中心，

5-X光对比材料的球的投影。

在第二变型中，将放置在除了其中心以外的扫描场中的至少两个不同直径的由X光对比材料例如钢制成的球用作校准目标。

根据本发明第一变型的包括X光管1和检测器2的数字X光设备支架的预校准按以下方式实现。将例如来自钢的X光对比材料的球3放置在除了其中心4以外的扫描场中(球制造的精度应高于数字X光设备的空间分辨率)。获得一系列具有不同支架旋转角度

的N张X光照片。获得X光照片并以数字形式处理。在每张X光照片中，找到球投影5的中心坐标和球投影5的投影直径。这样，根据支架旋转角度

获得球的投影中心的每个坐标的数字序列：

i＝1...N；为了计算比例系数的数字序列，根据支架旋转角度

获得球的投影直径的数字序列

每个数字序列

可以表示为三项的和(对X、Y和D类似地示出)：

其中，

是周期分量，由中心外部的球位置产生；

对于在一个完整周期中的角度间隔

位置；

是规则分量；

ns是随机分量。

为了消除周期分量

使用以正弦曲线形式(图3)给出近似值的最小二乘法找到参数a、b、c。数字序列在近似之前的中值滤波用来消除尖峰(大误差)。然后，在允许获得

的相应点中(图4)从原始数字序列(未用中值滤波器过滤)中减去找到的函数的值。

将所描述校准处理重复K次，该处理产生集合

j＝1...K(图5)。

在角度

的相应值处的取平均值允许减小随机分量ns并允许获得

的估计。

在第二变型中，使用至少两个不同直径的X光对比球实现数字X光设备支架的预校准(球制造的精度应高于数字X光设备的空间分辨率)。根据本发明的第一变型获得X光设备的机械不稳定性的规则分量的校准数据的估计，虽然使用较小直径的球的投影来估计X方向和Y方向的校准数据，而使用较大直径的球的投影来估计比例校准数据。为了校准数字X光设备支架的X方向和Y方向机械不稳定性的规则分量，期望具有小尺寸的球，因为，球越大，球的投影中心离球投影的中心的偏移越大，这导致X方向和Y方向校准数据的精度减小。相反，为了数字X光设备支架的机械不稳定性的规则分量的比例校准，期望球投影将更大，因为，支架的相对偏移会由于投影直径改变而减小，因此，比例校准数据的确定精度增加。

通过图6中的流程图解释了使用由本申请的方法变型获得的校准数据执行X光图像校准，在图6中：

6-开始X光检查，

7-支架旋转，

8-曝光和X光图像获取，

9-从旋转传感器读出支架角度位置，

10-将支架机械不稳定性的规则分量的校准数据应用于获得的图像，

11-完成图像获取，

12-附加的图像处理，

13-显示所处理的图像。

在开始X光检查6时，将支架旋转入期望的位置中7，获取检查目标的曝光和X光图像8，从旋转传感器获得支架位置角度9，将与支架的给定角度相对应的支架机械不稳定性的规则分量的校准数据应用于获得的图像10，在获得所需要数量的图像11的情况中，实现图像的补充处理12，并在屏幕显示13，否则，从步骤7重复操作。

我们已经证明，影响投影比例的沿着轴Z的支架偏移对于改变了正被重构的图像，通过电子计算机X光断层照相机获得该图像并且，也改变了通过具有C臂和U臂支架的数字X光设备获得的图像，这是由于数字X光设备的诊断能力正在变差。X光设备支架的机械不稳定性的规则分量的校准数据的应用更涉及电子计算机X光断层照相机，因为，对于所述设备，沿着轴Z的支架偏移更大地改变了正被重构的图像。在图7中，示出了基于没有沿着轴Z的支架机械不稳定性的数据而获得的(测试目标的)统一数学模型的重构。在图8中，示出了在与支架沿着轴Z偏移1cm相当的投影比例的人工修改的过程中获得的统一数学模型的重构。在图8中，我们可以看到，比例不稳定性很大地改变了正被重构的图像，增加了图像噪音，并对图像增加了补充的人工修改，这些会轮流使电子计算机X光断层照相机的诊断能力变差。

这样，由于归因于考虑比例校准数据而形成支架的机械不稳定性的规则分量的校准数据集，实现了数字X光设备的校准精度的改进。在第二变型中，与第一变型相比，改进了数字X光设备的支架的机械不稳定性的规则分量的校准数据的精度，这是由于在校准过程中使用了至少两个不同直径的球而发生的。

根据第一和第二方法获得的校准数据的应用改进了X光设备的低对比度和高对比度分辨率，由于此原因，例如，在医疗X光诊断中，可以在较早的阶段检测到恶性肿瘤。实施本申请的方法可减少对X光设备支架旋转的机械精度的需求，和同时改进了重构的图像质量。

本发明实施方式的变型

以以下方式实现了根据本发明第一变型的包括X光管1和检测器2的数字X光设备支架的预校准。将直径50mm的钢球放置在扫描场中(在无线电透明支撑物之上)，这样的方式使得X光照片上的球图像(侧投影)与中心稍微偏移。

当拍X光照片时，使用1024×1024像素的分辨率矩阵，X光管的电压是100kV，电量是1mAs；使用功率为80kW的高频发电机；管子的焦点是1mm，支架的焦距是1200mm；根据检测器尺寸(400×400mm，在1200mm的焦距处)打开准直仪。

对于支架的不同旋转角度--从0至360度，获得一系列X光照片(360张X光照片)，当通过旋转角度的传感器获得旋转角度的精确值时，旋转步幅大约是1度(大于或小于1度)。在所获得系列的每张X光照片中，通过计算机处理，识别球的圆图像并计算此圆的中心坐标(x，y)和直径。图3中用粗线示出了对于坐标X(根据角度)获得的数字序列。然后，使用本申请中描述的方法，确定数字X光设备支架的机械不稳定性的比例、X方向和Y方向规则分量，之后，根据本发明，也确定正被用于图像修正的支架机械不稳定性的比例、X方向和Y方向校准数据集。

图3至图5中给出了根据第一变型(方法1)的校准实现的具体实例的结果，其中，支架的旋转角度

沿着水平轴增加，像素值沿着垂直轴增加；在图3中，粗线示出了因变量

细线示出了结果

图4示出了其差值

图5示出了集合

基于数字序列

获得比例系数的值，数字序列是球的投影直径的变化的规则分量。

在本申请的第二变型中，通过至少两个不同直径的X光对比球实现数字X光设备支架的预校准(球制造的精度应高于数字X光设备的空间分辨率)。与本发明的第一变型一致地执行X光设备的机械不稳定性的规则分量的校准数据的确定，虽然使用较小直径的球的投影来确定X方向和Y方向校准数据，并通过较大直径的球的投影来确定比例校准数据。使用本发明的第二变型，与第一变型相比，改进了校准精度。当使用更高空间分辨率的检测器校准X光设备时，能更好地证明这一点。可以通过这样的事实来解释：当使用本发明的第一变型来校准具有良好空间分辨率的X光设备时，X方向和Y方向的校准误差增加，因为球的中心的投影离球的投影的中心的偏移变得对于检测器来说更“明显”，并且，X光对比球的直径越大，此偏移越大。另一方面，校准X光对比球的直径越大，设备的比例校准的精度越大。

因此，当使用本申请的校准方法校准X光设备的机械不稳定性时，X光设备的数字检测器具有相对低的空间分辨率，为了实现所述技术结果，可以使用本发明的第一变型。在使用本申请的校准方法来校准X光设备的机械不稳定性的情况中，X光设备的数字检测器具有良好的空间分辨率，必需使用本发明的第二变型。

工业应用

使用由本申请的方法变型获得的校准数据实现X光图像修正通过图6中的流程图来解释，并且可以使用已知的技术设备来执行。根据第一和第二方法获得的校准数据的应用改进了X光设备的低对比度和高对比度分辨率，由于此原因，例如，在医疗X光诊断中，可以在较早的阶段检测到恶性肿瘤。实施本申请的方法允许减少对X光设备支架旋转的机械精度的需求，和同时使用电子计算机X光断层照相机的机械不稳定性的校准改进了重构的图像的质量。

虽然已经参照其优选的实施方式具体地示出了并描述了本发明，但是，本领域技术人员应当理解，在不背离由所附权利要求包含的本发明的范围的情况下，可以进行在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (2)

1.一种数字X光设备的校准方法，包括：

将至少一个X光对比球放置在扫描场的中心之外的扫描场中；

获得所述扫描场的图像；

使用所述球的投影的中心的坐标来确定数字X光设备支架沿着X方向和Y方向的机械不稳定性的规则分量；

使用所述球的投影的直径来确定所述数字X光设备支架的机械不稳定性的比例规则分量；以及

形成所述支架的机械不稳定性的校准数据集，

其中，确定数字X光设备支架沿着X方向的机械不稳定性的规则分量的方法包括：

获得一系列具有不同支架旋转角度

的N张X光照片，获得X光照片并以数字形式处理，在每张X光照片中，找到球投影的中心坐标和球投影的投影直径，这样，根据支架旋转角度

获得球的投影中心的每个坐标的数字序列：

i＝1...N，为了计算比例系数的数字序列，根据支架旋转角度获得球的投影直径的数字序列

每个数字序列

表示为三项的和，Y和D如X示出：

其中，

是周期分量，由中心外部的球位置产生，对于在一个完整周期中的角度间隔

位置，

是规则分量，

ns是随机分量，

对数字序列通过中值滤波来消除尖峰，使用以正弦曲线形式给出近似的最小二乘法找到参数a、b、c，然后，在未经过中值滤波的原始数字序列

各数值中减去找到的相对应的函数值

从而获得参数

将上述校准处理重复K次，产生集合

j＝1...K，对在角度的相应值处取平均值，从而减小随机分量ns并获得

的估计。

2.一种数字X光设备的校准方法，包括：

将至少两个不同直径的X光对比球放置在扫描场的中心之外的所述设备的扫描场中；

获得所述扫描场的图像；

使用较小球的投影的中心的坐标来确定数字X光设备支架沿着X方向和Y方向的机械不稳定性的规则分量；

使用较大球的投影的直径来确定所述数字X光设备支架的机械不稳定性的比例规则分量；以及

形成所述支架的机械不稳定性的校准数据集，

其中，确定数字X光设备支架沿着X方向的机械不稳定性的规则分量的方法包括：

获得一系列具有不同支架旋转角度

的N张X光照片，获得X光照片并以数字形式处理，在每张X光照片中，找到较小球投影的中心坐标和较大球投影的投影直径，这样，根据支架旋转角度

获得较小球的投影中心的每个坐标的数字序列：

i＝1...N，为了计算比例系数的数字序列，根据支架旋转角度

获得较大球的投影直径的数字序列

每个数字序列

表示为三项的和，Y和D如X示出：

其中，是周期分量，由中心外部的较小球位置产生，对于在一个完整周期中的角度间隔

位置，

是规则分量，

ns是随机分量，

对数字序列

通过中值滤波来消除尖峰，使用以正弦曲线形式给出近似的最小二乘法找到参数a、b、c，然后，在未经过中值滤波的原始数字序列

各数值中减去找到的相对应的函数值

从而获得参数

将上述校准处理重复K次，产生集合j＝1...K，对

在角度

的相应值处取平均值，从而减小随机分量ns并获得

的估计。

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