CN105678739A - 一种锥束ct系统三维图像的分辨率测试方法 - Google Patents

一种锥束ct系统三维图像的分辨率测试方法 Download PDF

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Abstract

一种锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，包括采用圆球标准试件，其特征在于：包括以下步骤：1)获取圆球标准试件的三维CT图像；2)获取三维CT图像的灰度值分布情况，设定阈值，进行二值化处理，获得二值化图像；3)计算二值化图像的圆球标准试件的球心坐标；4)计算二值化图像的圆球标准试件的半径R；5)利用上述步骤3)、4)得出的球心坐标和半径R，使用三维CT图像的图像灰度值，测试三维CT图像的空间分辨率和密度分辨率。该锥束CT系统的三维图像的分辨率测试方法，根据二值化后的图像确定球心、半径和轮廓，不但准确而且速度快速，而且能够快速测出三维CT图像的空间分辨率和密度分辨率。

Description

一种锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法
技术领域
本发明涉及一种锥束CT系统的三维图像分辨率的测试方法。
背景技术
锥束CT利用锥形束射线源和平板探测器采集被测试物体的投影数据，利用锥束投影数据重建得出物体三维图像的技术，具有扫描速度快、数据信息量大以及图像直观的技术特点。在医学病情诊断和工业无损检测等领域已显示广阔的应用前景。
CT系统质量保证及图像可靠性评定是CT研究领域的重要方向，CT系统性能指标测试方法的研究已在医学临床、工业CT工程应用中开展。空间分辨率和密度分辨率是CT系统两项重要性能表征参数，也是CT设备质量保证的关键因素。空间分辨率，指从CT图像中能够分辨特定的最小几何细节的能力，定量的表示为能分辨两个细节特征的最小间距，医学临床上体现为对小病灶或结构的成像能力，工业CT上体现为对细节特征(气孔、裂纹)的辨别能力；密度分辨率是CT系统分辨给定面积映射到CT图像上射线衰减系数差别(对比度)的能力，定量的表示为给定面积上能够分辨的细节(给定面积)与基体材料的最小对比度。
目前，国内工业CT系统空间分辨率、密度分辨率测试方法及标准试件都是针对扇束CT二维图像所设计的，尚无针对锥束工业CT的三维图像的分辨率测试方法及标准试件。而在锥束CT中应用线对卡法、圆盘法等方法测试空间、密度分辨率，仅能得到与射束方向平行平面上的空间、密度分辨率，不能实现锥束CT三维图像尤其Z轴上的分辨率测试，目前，国内科研人员在锥束工业CT三维图像分辨率测试领域的研究尚无报导。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种锥束CT系统的三维图像的分辨率测试方法，该方法可以用于测试三维CT图像的空间分辨率和密度分辨率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，包括采用圆球标准试件，其特征在于：包括以下步骤：1)获取圆球标准试件的三维CT图像；
2)获取三维CT图像的灰度值分布情况，设定阈值，进行二值化处理，获得二值化图像；
3)计算二值化图像的圆球标准试件的球心坐标；
4)计算二值化图像的圆球标准试件的半径R；
5)利用上述步骤3)、4)得出的球心坐标和半径R，使用三维CT图像的图像灰度值，测试三维CT图像的空间分辨率和密度分辨率。
为了使获取的圆心、半径和圆球轮廓更加准确，步骤2)具体为，设该三维CT图像的灰度值分为0到m级，选取一经过整个圆球内部及边界的截面，该截面尽量靠近球心，获取整个截面上的像素的灰度值分布情况，设为a到b，其中0≤a≤b≤m，则将半高宽值设定为阈值，并进行整幅三维CT图像的二值化处理，即将灰度值小于的值定义为0，灰度值大于的值定义为1，得出圆球标准试件的二值化图像。
优选地，上述步骤5)中的测试空间分辨率的步骤具体包括计算边界响应函数(ERF)曲线；通过该边界响应函数曲线得到点扩散函数曲线；通过该点扩散函述得到反映空间分辨率的调制传递函数。
优选地，该计算边界响应函数曲线的具体步骤包括选取经过球心的任一方向的截面作为图像分辨率测试平面，得到该图像分辨率测试平面的CT图像，以球心为中心，选取外径尺寸为R+15像素、内径尺寸为R-15像素的一个圆环区域作为数据分析区域，该圆环区域涵盖整个图像分辨率测试平面的边界，对该圆环区域内的像素点进行分组，与球心之间的距离相同的为一组，然后计算每组内的像素的灰度值的平均值，得到像素的灰度值的平均值与距离球心的距离之间的关系曲线，即边界响应函数(ERF)曲线，对该边界响应函数(ERF)进行插值处理，对经过插值后的曲线进行最小二乘立方拟合，建立距离与拟合后四位像素灰度值的平均值之间的关系曲线，即平滑边界响应函数曲线。
优选地，计算点扩散函述的具体步骤为：对边界响应函数曲线进行分段拟合，并对每一次拟合得出的多项式进行求导，计算中间点在每个导数解析式对应的值，得出距离与导数值的关系函数，对该关系函数进行归一化处理得出点扩散函数曲线。
优选地，得到调制传递函数的具体步骤包括对点扩散函数进行离散傅里叶变换，变换后的幅值在零频处进行归一化处理，对得出的曲线进行坐标标定，得出锥束CT系统中该指定方向上的反映空间分辨率的调制传递函数。
优选地，上述步骤5)中测试三维CT图像的密度分辨率的具体步骤，包括选取经过球心的任一方向的截面作为图像分辨率测试平面，得到该图像分辨率测试平面的CT图像，在该图像分辨率测试平面的CT图像的中心区域内选择一方形区域，将该方形区域划分为大小相同的n×n个方块，n可以为任意自然数；不同的n进行划分的方形区域所对应的方块大小不同，对于每种尺寸的方块，计算各个方块内的像素灰度值的平均值，然后计算每个方块内的平均值的标准偏差，得出该方块尺寸下的平均标准偏差σ，建立方块尺寸和平均标准偏差之间的关系曲线，将平均标准偏差表示为占方形区域的像素灰度值的平均值的百分比，得出该百分比与方块尺寸之间的关系曲线，即得出该锥束CT系统中该指定方向上反映密度分辨率的对比度鉴别函数。
优选地，该圆球标准试件，以实际工作中CT系统检测的产品的材料相近的材料制成，圆球标准试件直径为锥束CT系统的成像范围尺寸的70％。
优选地，方形区域中心与球心重合，其对角线长度为圆球标准试件直径的60％。
与现有技术相比，本发明的优点在于该锥束CT系统的三维图像的分辨率测试方法，根据二值化后的图像确定球心、半径和轮廓，不但准确而且速度快速，而且能够快速测出三维CT图像的空间分辨率和密度分辨率。
具体实施方式
以下结合实施例对发明作进一步详细描述。
本发明实施例的锥束CT系统三维图像分辨率的测试方法，采用圆球标准试件，该圆球标准试件以实际工作中CT系统检测的产品的材料相近，通常采用不锈钢、铝合金、树脂类材料等制作，圆球标准试件直径选择一般为锥束CT系统的成像范围尺寸的70％。
三维图像的分辨率测试方法如下：
步骤1：将圆球标准试件置于转台中心位置，并加装固定装置，调节锥束CT系统设备至正常工作运行状态，调节设备扫描参数，扫描获取圆球标准试件的三维CT图像。
步骤2：在三维CT图像中获取圆球图像的灰度值分布情况，设定阈值，进行二值化处理。具体的实施方法如下：设该三维CT图像的灰度值可以分为0到m级，选取一经过整个圆球内部及边界的截面，该截面尽量靠近中心，获取整个截面上的像素的灰度值分布情况，设为a到b，其中0≤a≤b≤m，则将半高宽值设定为阈值，并进行整幅圆球三维CT图像的二值化处理，即将灰度值小于的值定义为0，灰度值大于的值定义为1，得出圆球标准试件的二值化图像。
步骤3：计算二值化图像的球心坐标，具体为：在二值化图像中选取同一方向的两个平行截面，得出两个平行的圆面，在每个圆面上采用从图像四周向图像中心设置搜索线，查找最外侧的灰度值为1的边界点，作为圆面外环轮廓线，进行360度搜索，对于获得的圆面边界轮廓坐标进行圆周拟合，计算得出圆心，经过两个平行圆面的圆心画出一条过球心的直线，同理，选取另一方向上的两个平行截面，得出另一条过球心的直线，两条直线的交点即为球心。
步骤4：计算二值化图像中的圆球标准试件的半径R，在任一方向上选取经过二值化图像的球心的截面，得到一圆面，在圆面上采用从图像四周向图像中心设置搜索线，查找最外侧的灰度值为1的边界点，作为圆面外环轮廓线，计算得出半径R。
步骤5：该步骤开始仍然开始使用最初测得的圆球初始三维CT图像，选取经过球心的任一方向的截面作为图像分辨率测试平面，得到该图像分辨率测试平面的CT图像，以球心为中心，选取外径尺寸为R+15像素、内径尺寸为R-15像素的一个圆环区域作为数据分析区域，该圆环区域涵盖整个图像分辨率测试平面的边界。对该圆环区域内的像素点进行分组，与球心之间的距离相同的为一组，然后计算每组内的像素的灰度值的平均值，得到像素的灰度值的平均值与距离球心的距离之间的关系曲线，即边界响应函数(ERF)曲线，对该边界响应函数(ERF)进行插值处理，对经过插值后的曲线进行最小二乘立方拟合，建立距离与拟合后四位像素灰度值的平均值之间的关系曲线，即平滑边界响应函数曲线。
步骤6：对生成的平滑边界响应函数曲线进行分段拟合，并对每一次拟合得出的多项式进行求导，计算中间点在每个导数解析式对应的值，得出距离与导数值的关系函数，然后对该关系函数进行归一化处理，得出点扩散函数曲线。
步骤7：对得出的点扩散函数进行离散傅里叶变换，变换后的幅值在零频处进行归一化处理，对得出的曲线进行坐标标定，得出锥束CT系统中该指定方向上的反映空间分辨率的调制传递函数。
上述为空间分辨率的测试方法步骤，以下为密度分辨率的测试方法步骤，该密度分辨率的测试方法，其中前4个步骤与空间分辨率的测试方法的步骤相同，
步骤5：该步骤开始仍然开始使用最初用锥束CT系统测得的圆球初始三维CT图像，选取经过球心的任一方向的截面作为图像分辨率测试平面，得到该图像分辨率测试平面的CT图像，在该图像分辨率测试平面的CT图像的中心区域特定范围内选择一方形区域，方形区域中心与球心重合，其对角线长度为圆球标准试件直径的60％。
步骤6：对方形区域按12、22、32、42……n2个方格进行划分，即将该方形区域划分为大小相同的n×n个方块，n值选取视最高密度分辨率而定，方块尺寸最小大约为4、5个像素的大小，n可以为任意自然数。不同的n进行划分的方形区域所对应的方块大小不同。
步骤7：对于每种尺寸的方块，即对于不用的n，计算各个方块内的像素灰度值的平均值，通过计算每个方块内的平均值的标准偏差，得出该方块尺寸下的平均标准偏差σ。
步骤8：按照方块尺寸的大小，建立方块尺寸和平均标准偏差的关系曲线。将平均标准偏差表示为占该方形区域像素灰度值的平均值的百分比，得出该百分比与方块尺寸之间的关系曲线，即得出该锥束CT系统中该指定方向上反映密度分辨率的对比度鉴别函数，该方向为步骤5中选取的圆球中的截面的方向。

Claims (9)

1.一种锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，包括采用圆球标准试件，其特征在于：包括以下步骤：1)获取圆球标准试件的三维CT图像；
2)获取三维CT图像的灰度值分布情况，设定阈值，进行二值化处理，获得二值化图像；
3)计算二值化图像的圆球标准试件的球心坐标；
4)计算二值化图像的圆球标准试件的半径R；
5)利用上述步骤3)、4)得出的球心坐标和半径R，使用三维CT图像的图像灰度值，测试三维CT图像的空间分辨率和密度分辨率。
2.如权利要求1所述的锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，其特征在于：步骤2)具体为，设该三维CT图像的灰度值分为0到m级，选取一经过整个圆球内部及边界的截面，该截面尽量靠近球心，获取整个截面上的像素的灰度值分布情况，设为a到b，其中0≤a≤b≤m，则将半高宽值设定为阈值，并进行整幅三维CT图像的二值化处理，即将灰度值小于的值定义为0，灰度值大于的值定义为1，得出圆球标准试件的二值化图像。
3.如权利要求2所述的锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，其特征在于：上述步骤5)中的测试空间分辨率的步骤具体包括计算边界响应函数(ERF)曲线；通过该边界响应函数曲线得到点扩散函数曲线；通过该点扩散函述得到反映空间分辨率的调制传递函数。
4.如权利要求3所述的锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，其特征在于：该计算边界响应函数曲线的具体步骤包括选取经过球心的任一方向的截面作为图像分辨率测试平面，得到该图像分辨率测试平面的CT图像，以球心为中心，选取外径尺寸为R+15像素、内径尺寸为R-15像素的一个圆环区域作为数据分析区域，该圆环区域涵盖整个图像分辨率测试平面的边界，对该圆环区域内的像素点进行分组，与球心之间的距离相同的为一组，然后计算每组内的像素的灰度值的平均值，得到像素的灰度值的平均值与距离球心的距离之间的关系曲线，即边界响应函数(ERF)曲线，对该边界响应函数(ERF)进行插值处理，对经过插值后的曲线进行最小二乘立方拟合，建立距离与拟合后四位像素灰度值的平均值之间的关系曲线，即平滑边界响应函数曲线。
5.如权利要求4所述的锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，其特征在于：计算点扩散函述的具体步骤为：对边界响应函数曲线进行分段拟合，并对每一次拟合得出的多项式进行求导，计算中间点在每个导数解析式对应的值，得出距离与导数值的关系函数，对该关系函数进行归一化处理得出点扩散函数曲线。
6.如权利要求5所述的锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，其特征在于：得到调制传递函数的具体步骤包括对点扩散函数进行离散傅里叶变换，变换后的幅值在零频处进行归一化处理，对得出的曲线进行坐标标定，得出锥束CT系统中该指定方向上的反映空间分辨率的调制传递函数。
7.如权利要求3所述的锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，其特征在于：上述步骤5)中测试三维CT图像的密度分辨率的具体步骤，包括选取经过球心的任一方向的截面作为图像分辨率测试平面，得到该图像分辨率测试平面的CT图像，在该图像分辨率测试平面的CT图像的中心区域内选择一方形区域，将该方形区域划分为大小相同的n×n个方块，n可以为任意自然数；不同的n进行划分的方形区域所对应的方块大小不同，对于每种尺寸的方块，计算各个方块内的像素灰度值的平均值，然后计算每个方块内的平均值的标准偏差，得出该方块尺寸下的平均标准偏差σ，建立方块尺寸和平均标准偏差之间的关系曲线，将平均标准偏差表示为占方形区域的像素灰度值的平均值的百分比，得出该百分比与方块尺寸之间的关系曲线，即得出该锥束CT系统中该指定方向上反映密度分辨率的对比度鉴别函数。
8.如权利要求1-7中任一项所述的锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，其特征在于：该圆球标准试件，以实际工作中CT系统检测的产品的材料相近的材料制成，圆球标准试件直径为锥束CT系统的成像范围尺寸的70％。
9.如权利要求7所述的锥束CT系统三维图像的分辨率测试方法，其特征在于：所述方形区域中心与球心重合，其对角线长度为圆球标准试件直径的60％。
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