CN105849537A - 校准设备和计算机断层扫描方法 - Google Patents

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Abstract

在射线摄影系统中，例如CT系统，对校准对象成像。处理影像以校准该系统，而无需对校准对象进行在先测量。改进初始估值以提高准确度。

Description

校准设备和计算机断层扫描方法
技术领域
本发明涉及一种校准方法，用于使用校准专用(但不必须校准)的对象(幻像)的x射线计算机断层扫描(CT)系统。
背景技术
x射线成像作为现有技术用于分析样品，例如，出于测量或检验的目的。该样品使从射线源发出的x射线衰减并且利用测器检检测x射线。穿过样品的x射线的衰减程度以及因此由检测器检测的x射线的强度取决于样品特征。例如，使x射线强衰减的样品的部分在检测器的影像上通常显示为暗区。
因此，可以获得样品结构的信息，包括其内部结构。
在二维x射线成像中，通常只取单个样品影像，其仅提供关于样品结构的有限深度信息。
在计算机断层扫描(CT)x射线成像中，采集样品的多个二维投影影像，例如，通过使样品相对于射线源与检测器旋转。通常情况下，样品置于一底座上，如一个转盘，并且底座绕一旋转轴以连续角度增量旋转。加工获得的二维影像以重建出样品的三维表象。
该重建使用CT系统的参数。因此，为了对样品进行精确的重建，CT系统的参数的准确度是非常重要的。例如，使用CT系统测量样品，例如飞机部件，的内部和外部时，需要可能的最高精确度。同样，系统的参数需要有很高的精确度。
换句话说，CT系统参数的精确度越高、重建的精确性也就越高。已知通过校准确定CT系统的参数(见，例如，参考文献[1]-[5]和[12])。更具体地，通过该系统对具有已知特性的样品(通常称为校准对象、伪像或幻像)成像。分析获得的影像，使用已知的样品特征以确定系统的参数，使其用于随后其它物体的成像。
校准对象具有在辅助材料中排列为已知排布的多个标记。通常情况下，标记使x射线强衰减，并且辅助材料使x射线弱衰减，这样标记在x射线影像上脱颖而出。如上文所述，校准对象在CT系统中成像。另一种计量方法测量，如使用附设光学扫描仪或触摸探针的坐标测量机械臂(CMM arm)，也用于测量校准对象。例如，通过CT系统和替代计量法获得的测量值，如标记之间的距离，可用于对照，和用于校准CT系统。
已知的校准对象和使用校准对象校准CT系统的方法的示例记载于参考文献[1]至[6]。
参考文献[1]、[2]、[3]、[4]、[5]中的校准方法在校准前需要，尤其是关于标记的3D相对位置的精确信息，并且任何错误对校准方法的准确性具有直接影响。在参考文献[6]中，可以努力减少但无法消除影响。
参考文献[12]涉及一种利用工件的不同位置之间的已知距离确定一系统如CT系统中放大率的方法。其结果是有限的精度。
参考文献[17]涉及一种通过添加多个投影图像确定断层合成设备中的旋转轴的方法，并利用添加的投影图像是关于旋转轴对称这一事实。
参考文献[17]的方法不使用包含标记的专用幻像，并只能够确定2项几何参数。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术中存在的问题。
本发明的方面如权利要求所列。
根据其一个方面，本发明提供校准射线摄影系统的方法，该系统包括射线源和/或检测器，所述方法包括提供校准对象，使校准对象相对于射线源和/或检测器围绕一旋转轴旋转，获取校准对象的多个射线影像，分配一代表射线源与旋转轴之间距离的标称值，以及使用所述射线影像和所述距离的标称值确定系统的几何参数。
根据其另一方面，本发明提供校准射线摄影系统的方法，该系统包括射线源和/或(x射线)检测器，所述方法包括提供校准对象，使校准对象相对于射线源和/或检测器旋转，获取校准对象的多个射线影像，以及使用所述射线影像确定系统的几何参数，至少在初始估计中无需获取或使用校准对象的先验信息，即由除校准后的系统以外的设备获取的信息。
换句话说，系统的几何参数来自标记的影像，无需使用标记位于校准对象中的位置的精确测量值。为了提供尺寸信息，则可能需要额外测量以引入长度标准(对应于上述距离的标称值)。
根据其又一方面，本发明提供校准射线摄影系统的方法，该系统包括射线源和/或检测器，所述方法包括提供校准对象，使校准对象相对于射线源和/或检测器旋转，获取校准对象的多个射线影像，其中校准对象包括多个标记，所述方法包括在多个影像中识别标记，使用所述影像获取针对每个标记的椭圆路径，较优地通过对每个标记的成像轨迹拟合椭圆，并使用椭圆路径以确定系统的几何参数。
如下文所述，对至少两个标记的二维成像轨迹拟合椭圆使系统的几何参数得以确定。
较优地，校准对象绕旋转轴旋转。可将校准对象安装于底座上，例如，一个可旋转的底座。底座也允许校准对象平移，例如，在三个垂直方向上平移。或者，射线源和/或检测器可以绕校准对象旋转，并也可以相对于校准对象平移。
多个射线影像是对应于x射线不同投影方向的不同影像。换句话说，影像是在不同的相对旋转角度获取的。
本发明的实施例源于对系统几何参数的初始估计，然后对该初始估计进一步完善。这提高了精确度。
本发明还提供了一个合适的校准对象。
专用幻像是通过在x射线弱衰减材料的低密度泡沫内设置x射线强衰减材料的球形标记(例如碳化钨精密球轴承)构造而成。幻像的射线影像摄于大量的位置和方向。确定每一射线照片中的每个标记的2D影像坐标。建立非线性方程组来表示依据标记的3D相对位置的这些2D影像的坐标以及CT系统的几何参数。使用非线性迭代求解器求出最小二乘解。凡可获得的有关标记的3D相对位置或有关CT系统的几何参数或有关幻像的位置和/或方向的准确信息，可用于提高该解的鲁棒性。
在本发明中，对系统进行校准不需要关于标记的3D相对位置的精确的先验信息。因此，测量标记可能引起的错误不引入校准中，从而可以提高精度。在此条件下，校准是自洽的并只取决于系统和幻像。校准还可更快、更高效、更简单和更具成本效益，因为无需额外的测量设备。校准可以现场进行，而无需额外测量设备或信息。例如，系统的所有者可以校准系统，而无需依赖制造商。这种方法能够确定6项几何参数(或引入长度标准后的7项几何参数)。
幻像的制造精度只需确保标记不在射线影像重叠。无需测量幻像(例如，使用接触或光学坐标测量机)，并且无需保持其长时间在尺寸上稳定。这使得幻像的成本较低，也使其影像学属性得以更好地优化。
用于x射线CT校准的幻像中使用的低密度塑料或泡沫陶瓷(亦没有胶粘剂)使标记比在现有技术中成像更清楚。
如同在现有技术中，如果必须使用接触坐标测量机测量标记，那么支撑结构必须更加开放以允许坐标测量机的测头进入。此外，支撑结构在坐标测量机测头的作用力下必须不能偏斜。另外，测量值必须在长时间(即，用接触坐标测量机复测之间)保持有效。
所有这些因素都意味着一般泡沫不能提供足够的结构稳定性，所以不适用于现有技术。
同样，根据本发明，也不需要例如，用于固定标记的胶粘剂。在校准过程中，重要的是标记不移动。它们可被原地固定从而被压入泡沫。胶粘剂与固体塑料有类似的衰减效果(即，强于低密度泡沫)，并因此避免胶粘剂可以获得更高对比度的影像。
在本发明的实施例中，校准对象可通过在固体的塑料内嵌入标记，如滚珠轴承而制成。与泡沫支撑结构相比，会形成稍低的对比，但影像仍相当清楚，因为辅助材料会非常均匀。标记的2D影像坐标的改进方法比现有技术更准确。通过该方法，由于方法和改进，影像坐标能定位到亚像素级，达到约1/200th的像素。本方法在此方面的效果取决于标记能够被非常清楚地成像。
本发明还提供了一种装置，例如，CT系统和计算机程序或存储计算机程序(例如，执行方法)的计算机可读存储介质。
较优地，射线摄影系统是x射线系统，更具体地说，是x射线CT系统。
附图说明
本发明的实施例将参考下述附图说明如后。
图1是CT系统的结构框图；
图2是根据本发明实施例的幻像的示意图；
图3是图2所示幻像的第一射线摄影图；
图4是图2所示幻像的第二射线摄影图；
图5是图2所示幻像的第三射线摄影图；
图6是根据本发明实施例的方法的步骤流程图；
图7所示的是幻像中的标记；
图8所示的是中央扫描中幻像的两份射线影像的组合；
图9所示的是中央扫描中两个标记的影像的轨迹；
图10所示的是偏移扫描中幻像的两份射线影像的组合；
图11所示的是偏移扫描中两个标记的影像的轨迹；
图12是来自偏移扫描的椭圆、直线和点的示意图；
图13是来自偏移的扫描的直线和点的另一示意图；
图14阐明了CT系统的几何参数；
图15阐明了一种改进标记的影像坐标的方法；
图16是CT系统的一般示意图。
具体实施方式
图16示出x射线摄影成像技术的一般原理。射线源S以具有射向检测器D的中心线C的光束B发射x射线。目标对象T设置于射线源S和检测器D之间，位于旋转轴R上。
在CT成像中，目标对象T绕旋转轴R递增地旋转。每个旋转增量后，通过检测器D获得2维投影影像。处理多个影像(射线摄像投影)以构造目标对象的3维体积再现(体积图)。
从2维影像构建体积图的技术对于本领域技术人员是已知的。
为了创建体积图，需要已知CT系统的某些几何参数，如射线源S的位置、检测器D的位置和旋转轴R。精确地确定这些参数需要通过校准实现。
图1示出CT成像系统的一个实施例。该系统具有射线源2，其发射出圆锥形光束(未示出)的x射线；和检测器4，用于检测射线源2发射出的x射线辐。
一样品底座6设置于射线源2与检测器4之间。样品底座6包括平台8和平台8上的转盘10。样品12安装在平台8上。平台8上可通过操纵器(未示出)沿光束中心线(x轴)和垂直于光束中心线(y和z轴)的平面内的垂直轴线转化。转盘10绕一旋转轴(图1中未示出，但将在下文中详述)旋转。
控制器以控制计算机14形式控制射线源、检测器和样品底座。控制器14也从检测器4获取影像数据并重构体积图。如下文详述，控制器14也执行校准，以确定CT系统的几何参数。或者，影像数据可从CT系统转移用于别处的后续处理。
若要执行校准，用作靶样品的是专用的校准对象，也称为幻像或伪像。
图2显示了根据本发明实施例的幻像16。
幻像被构建为在辅助材料20中设置多个标记18。为了提供高对比度的射线影像其中标记容易被识别，标记18对于x射线强衰减(不透射线，或对于x射线相对不透明)。标记为精密的球状，这样每个标记的2D影像坐标可以非常高的精度确定。在实施例中，标记18由碳化钨精密球轴承形成。将18标记保留在辅助材料20而无需使用胶粘剂。标记18彼此之间排列为尽量避免在预定的射线影像中重叠。优选地，标记18排列为永远不会在预定的射线影像中重叠。图2示出一种合适设置的一个示例，但不排除其它设置，如参考文献[3]中所公开。可以通过例如，模化或检查设计合适的设置。优选地，如图2所示，至少一个标记靠近幻像的中轴线附近以及至少另一个标记与中轴线相隔较远。换句话说，标志包括径向间隔的标记，较优地是至少一个标记靠近中轴线而至少一个标记靠近幻像的外周。辅助材料20是弱衰减(射线可透，或对于x射线相对半透明)，这样使每个标记的轮廓尽可能清除地成像。辅助材料20最好是一种低密度泡沫，该低密度泡沫主要由低原子序数的材料构成。较优地，辅助材料20呈刚性、均匀，并具有低的热膨胀系数。碳或碳化硅泡沫因此被认为是理想的。塑料泡沫，如挤塑式聚苯乙烯泡沫比较不可取，但可以产生可接受的结果。其他合适的材料包括固体塑料和陶瓷。如图1所示，幻像16放置在的x射线CT系统中，并且在大量的位置和方向上拍摄射线影像。较优地，采集的结果包括完整旋转一圈(以小角度增加)，同时使旋转轴在检测器的中心地区内成像。中央扫描是重要的，因为这是CT采集通常发生的位置。
图3显示了来自中央扫描的图2的幻像16的射线影像的示例。
较优地，采集的结果还包括完整旋转一圈，同时使旋转轴明显朝向检测器的左侧或右侧成像(但整个幻像16仍保留在视图中)。此偏移扫描是重要的，因为仅仅是来自中央扫描的数据并不能完全解耦CT系统所需的所有几何参数。
优选地，检测器相对于旋转轴的不同心度在中央扫描时是零或接近零，并在偏移扫描时显著大于零，并且尽可能的大。
更具体地说，为了不同心角(在检测器的平面，相对于旋转轴"z"和垂直轴"x")"歪斜"、(绕旋转轴z)"偏斜"，和(绕轴x)"倾斜"，最好是在中央扫描中偏斜名义上等于零，在偏移扫描中偏斜为非零。
歪斜、偏斜、倾斜中的误差(即在重建过程中使用的值与真实值之间的差异)(以及其它几何参数中的误差)可以产生不同的影响，如部分或全部重建中的模糊，或错误缩放。
对于解决这类问题的现有技术具有局限性。例如，一种技术假设不同心度(尤其是在偏斜或倾斜中)接近于零，从而降低了准确性(尤其是对于倾斜)，并导致失真。另一种技术引入严重的偏斜从而确定倾斜，但这还需要后续在相同的倾斜度进行CT采集，从而增加额外的复杂性并使重建对误差更敏感。
在本技术中，中央扫描的偏斜接近于零意味着几何参数中的小误差具有最小影响。可通过斜着翻译旋转轴引入偏斜，而无需更改x射线源与检测器之间的关系。通过使偏移扫描非零偏斜，可以解决计算中的模糊。
CT采集通常是在偏斜、歪斜和倾斜几乎为零的情况下以使对象的重建尽可能地对偏斜、歪斜和倾斜中的误差不敏感。因此，同样地，校准最好是涉及在类似的条件下的中央扫描。然而，没有附加信息倾斜会彻底模糊(此时偏斜为0)或倾斜的精确度很差(此时倾斜几乎为0)。这些含糊可通过偏移扫描解决。
为了将中央和偏移扫描的信息联系起来，这两种扫描之间的不变量是必需的。在本实施例中，这即是，例如，标记在幻像中的的位置和x射线源与检测器之间的关系(尤其是主点的位置和射线源到检测器的距离)。
图4显示来自偏移扫描的图2的幻像16的射线影像的示例。
较优地，采集的结果还包括在不同放大倍数(随着幻像16朝向和/或远离射线源)和在不同的垂直位置拍摄的影像。这对于提供有关操纵器轴的方向相对于检测器的像素行和列的方向的信息是重要的。较优地，整个幻像16包括于每次捕获的影像的视图中，但这不是必需的，只须在旋转过程中保持至少2个标记18在视图中。
图5显示在高倍放大镜下扫描幻像16的射线影像的示例。
完整的采集可能会耗费相当长的时间(也许4小时或更多)，因此存在系统的几何参数或标记18的3D相对位置可能发生一些变化(例如，由热变化所引起)的可能性。由于此原因，在较短时间窗口(在采集的初始、末尾或中间阶段)内重复采集射线影像的子集可能是有益的。此快速扫描允许慢速扫描的长期态势，该慢速扫描将在随后的分析中得到确定和补偿。这可以通过比较快速和慢速扫描中标记的轨迹而实现。
然后分析射线影像以确定标记的2D影像坐标。
参照图6，根据本发明实施例的校准方法步骤如下。该方法源于CT系统的几何参数的第一近似值，随后通过执行各种改进，逐步提高精度。
总体而言，根据实施例的方法包括定义未知数(未知参数)，确定冗余自由度，测量幻像16的偏移位置，提取标记的中心坐标，计算初始几何估值，执行迭代非线性最小二乘估算，和残差分析。下文将予以详述。
根据一个实施例的第一阶段的分析，圆检测法，更具体地说，Canny边缘检测和Hough圆检测法，用于识别大约具有正确直径的影像中的圆形(步骤601)。这是为了识别影像中可能对应于标记18的部分。该圆检测法标识影像中的多个圆形，每个圆形具有其相应的"分数"，强应答或分数表明相应的形状是圆形的可能性更大。如果幻像16包含所有的N标记，然后通常地，对圆检测法最强的N应答被选中。确定单个影像中的标记后，按次序相邻的影像中的标记18的近似坐标可被预测。一旦在两个或多个影像中识别了标记之后，可以提高预测的准确性。
在下一阶段的分析中改进标记的2D影像坐标(标记的投影影像的坐标)(步骤602)。这是在多个不同的角度通过提取径向强度分布完成的。使用双线性插值法，虽然其他插值法也可能适用。对于每个径向强度分布，确定最大梯度的点并且将该点的坐标转换回笛卡尔(Cartesian)坐标。使用最小二乘解根据这些点拟合圆。将最大梯度的点以及拟合圆的中心和直径存储备用。
基于标记18的3D相对位置的(近似的)先验信息，标记被赋予数字标识符(步骤603)。这可以通过例如，检验而无需测量简单地完成。为避免产生歧义，幻像内标记的设置是最好是不对称的。
然后，分析来自偏移扫描的2D影像坐标以确定CT系统和旋转轴的方向和位置的几何参数的初步估计，下文将予以详细论述。总体而言，这是通过识别在校准对象的旋转过程中每个标记追踪检测器上的椭圆路径(即，在多个影像中的每个标记的影像的路径是椭圆)而实现的。根据两个或多个标记的2D影像坐标拟合椭圆(步骤604)。根据这些椭圆方程，可以得到检测器4上的直线，其是中心切片(central slice)的影像(即，垂直于旋转轴并包含x射线源点的平面的影像)的方程(步骤605)。也可能获得主点(即垂直于检测器并包括x射线源点的线的影像)的坐标和x射线源点到检测器的垂直距离，进而获得射线源S的位置。最后有可能获得检测器上的直线，其是旋转轴的影像的方程。
根据本实施方式确定初步估计的方法将在下文中详细阐述。
图7示出了幻像16，其单个标记在坐标体系(x，y，z)中编号。
图8示出中央扫描下的在检测器平面内的两张射线影像(投影)在坐标体系(u，v)中的示例。
图9显示中央扫描下的两个具体标记18的完整轨迹。
图10显示偏移扫描下的两张射线影像(投影)的示例。
图11显示偏移扫描下的两个具体标记18的完整轨迹。
影像中的N个标记被识别在，如上文所述，选定2个或多个标记用于初步估算。在本实施例中，选择两个标记18，具体地是标记(球)5和标记(球)31。识别多个捕捉到的影像中的选定标记的轨迹(对应x射线的不同投影方向的不同影像，即校准对象旋转的不同相对位置)。在图11中，轨迹20对应于标记5，轨迹22对应标记31。
如图12所示，根据两个标记的轨迹拟合椭圆。图12和13显示由椭圆方程构建的线和点。图13中轴的比例比图12的大。
可以使用，例如，参考文献[13]中的方法之一根据上述两条轨迹拟合椭圆。图12示出了代表标记31(顶部)和标记5(底部)拟合的椭圆。在此示例中，球5的椭圆24的方程是(1.70E-06u2-4.65E-06uv+6.33E-05v2-3.44E-04u+1.60E-02v+1＝0)，标记31的椭圆26的方程是(1.48E-06u2-1.56E-07uv+5.54E-05v2-2.62E-04u-1.50E-02v+1＝0)。
很容易可以从它们的方程确定椭圆的中心。在本示例中，标记5的椭圆的中心(由图12和13中的x28表示)是(u＝-75.75，v＝-129.35)，标记31椭圆的中心(由图12和13中的x30表示)是(u＝-81.28，v＝134.92)。
可通过，例如，参考文献[14]，具体为第11章11.4节，所述的方法使两椭圆24、26相交。应该注意的是，参考文献[14]中给出的求解相关的三次方程的方法似乎是错误的，可以使用另一种方法，即参考文献[15]，具体为183页，给出的方法。椭圆24、26无真正的交点，但如参考文献[14]所述他们有两对复共轭交点。每个复共轭对可连接成一实线。图12中确定的中心切片的影像是线32。在此示例中，此线具有方程(v＝1.98E-02u+2.69)。另一条线是图13中确定的消失线34。在此示例中，此线具有方程(u＝6.75E-01v+7309.63)。两线的交点是图13中确定的消失点36。在此示例中，消失点是(u＝7410.55，v＝149.61)。
根据中心切片32的影像的方程和椭圆24、26的方程，可以使用，例如，参考文献[10]所述的方法来获取相应的圆圈的中心38、40的影像。注意这些和椭圆的中心不一样，如图12所示。图12和13中的虚线42、43、44、45、46、48是其相关的椭圆在两正交方向的切线和垂线。在所述方向之一的消失点36与图13中确定的点相同。在另一方向的消失点是旋转轴50的像与中心切片32的像的相交点。旋转轴50本身的像的方程可以通过连接两个圆圈中心的影像获得，并在图12中被识别。在此示例中，这线50具有方程(u＝-2.09E-02v-76.58)。
图12显示通过椭圆中心28、30和标记5和31的圆圈中心38、40对应的像的直线。这些线和其他标记的类似线与中心切片的像相交于单个点52。结果表明，主点58位于一条线，该线通过点52并垂直于中心切片的像。图12中确定该线为线54，并具有方程u＝-1.98E-02v+9.90。
结果还表明，主点58在同一时间位于线56，该线通过消失点36并垂直于旋转轴50的像。图13确定了该线56。此线56与之前确定的线54的交点定位了主点58的位置。在本示例中，穿过主点58的线56具有方程v＝2.09E-02u-5.21，并且主点58位于u＝10.00，v＝-5.00。
此外，参考文献[16]指出从x射线源2到检测器4的垂直距离(即焦距)等于产品的沿此线56的两个距离的乘积的平方根。第一距离是从主点58到旋转轴50的像的距离，第二距离是从主点58到消失点36的距离。主点和焦距的组合构成CT系统的几何参数的完整描述。
可通过计算中心切片的平面内的两向量的向量乘积而确定旋转轴的方向(如上文所述，中心切片是垂直于旋转轴并包含x射线源点的平面的像，并且与该平面的垂直关系是通过该平面内的向量的向量乘积发现的)。一个向量可(在检测器的平面内)沿中心切片的像的方向。另一向量可从x射线源点到在中心切片的像上的任何点(在检测器的平面内)。
然后，可通过选择旋转轴的像上的任何点确定旋转轴的位置。
图14示出了沿主点52的两个标记的椭圆路径24、26的另一示例，旋转轴50的像，和中心切片32的像。
如上文所述，以上一起获得CT系统的几何参数和旋转轴的位置和方向的完整描述，但是在没有关于标记的3D相对位置(尤其是幻像的整体大小)的准确先验信息的情况下，不可能确定从x射线源到旋转轴的垂直距离(即放大倍数)。如果此距离是临时分配的一个标称值，然后可以以替代值代替该值并可以常规地计算出对旋转轴的位置和标记的3D相对位置的做出的适当变化。在这一阶段，标记的2D影像坐标的不精确性绝大部分源自插入误差但还应注意到只有在球体的像集中于主点的情况下，该球体的轮廓是一个圆。在所有其他情况下，球体的像经过透视畸变，它的轮廓会变成椭圆。在很多情况下，这种影响可以忽略不计，但当球体的像很大(例如在高倍放大时)并远离主点时，影响会很大。因为主点的坐标和x射线源到检测器的垂直距离已知(根据第一估算)，就有可能弥补透视畸变(步骤606)。将最大梯度点(之前已存储)转换至适当的虚拟检测器，在那里最大梯度点形成一个圆(而不是椭圆)。再次存储该虚拟的检测器拟合的新圆以及其直径和中心。
使用速度较慢但更准确的算法进一步改进标记的2D影像坐标(步骤607)。该算法认为虚拟检测器上的窄圆环为几个像素宽并包含球体轮廓(见图15)。该算法旨在极大化点的强度和关于中心的镜像点的强度的乘积(在整个圆环上)的面积积分。极大值发生在镜像点是中心时。这类似于影像配准中常用的最大互相关法。在虚拟检测器上构建适当的取样点，然后将其转换于真正的检测器上，然后(例如)使用二次b-样条曲线插值法(quadratic b-spline interpolation)获取强度。可以通过(例如)单纯形法(Nelder-Mead simplex method)或使用基于梯度的方法进行极大化。也可以使用其他方法。
可选地，对慢扫描的2D影像坐标进行补偿以匹配快速扫描的结果。必要的补偿的量级可以用来评估CT系统和幻像的热(或其他)稳定性、机械力如抖动等产生的变化、球轴承不规则度、等等。为了有效地利用所有可用的数据，应用最小二乘解，其使用了所有标记的2D影像坐标(来自偏移和中央扫描)。使用迭代非线性求解器最小化测量的和由一模型预测的2D影像坐标(步骤608)之间的差异。完整的模型包含标记的3D相对位置、CT系统的几何参数、和幻像的位置和方向(对于每个射线影像)。使用逐渐越来越多的自由参数进行一连串的拟合。
使用来自偏移扫描的2D影像坐标和CT系统的几何参数和旋转轴的位置和方向的(先前获得的)初步估值，查找用于标记的3D相对位置的最小二乘解(使用一个非迭代求解器)。然后用迭代非线性求解器为完整模型求解(只为偏移扫描)，该模型受限的条件为：幻像处于纯理论旋转(已知角度步长)。
完成中央扫描的旋转轴的方向和位置的初步估值。这可以与中央和偏移扫描的位置的差异和/或一个或多个标记的2D影像坐标中观察到的差异相关的(近似的)先验信息为基础。然后使用迭代非线性求解器改进此估值(无需试图求解决此模型的任何其他部分)。
然后用迭代非线性求解器为完整模型求解(同时为偏移和中央扫描)，该模型受限的条件为：幻像处于两种单独的纯理论旋转(已知角度步长)。
可选的另一步骤是放宽纯理论旋转的约束条件。允许幻像对于每个射线影像具有单独的位置和方向。再次使用迭代非线性求解器查找最小二乘解，其然后包含旋转轴的跳动(run-out)和摆动(wobble)的测量值。
另一可选步骤(步骤609)是尝试检测(并量化)射线成像设备的影像失真的简单形式。假定失真是相对于一个已知中心(常用为主点)的径向失真，其具有r'＝r+a×r2的形式，其中a是被发现的值并且是失真的方向和量级的测量值。对a的一些试验值修正2D影像坐标，并且重新计算所有初始估值和随后的非线性最小二乘解。2D影像坐标的测量值和模型的预测值之间的方差的总和是a的试验值的正确性的测量值并求其最小值。换句话说，以失真补偿的不同量级重复执行步骤604到608，选择最佳结果。可以使用其他用于影像失真的模型，如非径向或三阶方程模型。
如前文所述，到目前为止介绍的方法是无法确定x射线源到旋转轴的垂直距离。相应地，它无法确定幻像的总体大小。这是一个严重的限制，CT系统是一种计量CT系统并且需要准确的绝对距离测量值。这就需要引入长度标准(步骤610)。在此描述的方法容易适于纳入如下所述的两种长度标准的可能类型中的任一。
第一类长度标准是幻像中标记之间的准确已知的距离。它可以是一对标记之间的距离或是两个或多个此距离的平均值。考虑到最小二乘解是基于x射线源到旋转轴的垂直距离的标称值，计算完全等效解，即模型中幻像内标记之间的距离等于已知的距离，是微不足道的。
第二类长度标准是幻像的位置之间的准确已知的距离。例如，采集过程可以包括幻像的完整旋转(同时，旋转轴在检测器的中心成像)，其间从x射线源到旋转轴的垂直距离减少了已知的距离。需要额外拟合以确定在高倍扫描下的旋转轴的方向和位置。再次，考虑到最小二乘解，计算完全等效解，即模型中幻像的位置之间的距离等于已知的距离，是微不足道的。对于此扫描，有可能使用更大的角增量。采集过程还可包括这样几种扫描，即所有扫描位置之间的增量距离是已知的。
可以使用已知的方法确定上述长度标准的距离。
相机领域中有关上述方法技术的详情记载于参考文献[7]、[8]、[9]、[10]和[11]中。
实施本发明可以使用适当的编程的计算机，例如，具有适于执行每个函数的软件模块的微处理器，或使用专用的硬件模块来执行每个函数，或软件和硬件的结合。
可以在CT系统本身内部进行校准，或可以将数据下载并传输到另一个系统进行加工处理。然后在后续处理中，也即是，用于成像其他对象时，联合使用校准数据和CT系统。
本发明的方面和特征载列如下。
本发明的一个方面提供一种校准射线摄影系统的方法，该系统包括射线源和检测器，所述方法包括提供校准对象，使校准对象相对于射线源和/或检测器绕轴旋转，采集校准对象的多个射线影像，分配一个表示射线源与旋转轴之间的距离的标称值(标称距离值)，以及通过使用所述射线影像和标称距离值确定系统的几何参数。
本发明的另一方面提供一种校准射线摄影系统的方法，该系统包括射线源和检测器，所述方法包括提供校准对象，使校准对象相对于射线源和/或检测器旋转，获取校准对象的多个射线影像，以及使用所述射线影像确定系统的几何参数，无需有关校准对象的测量值信息(例如先验信息，即先于确定参数)。换句话说，本方法通过扫描之前或之后的测量，使用未校准的校准对象，即，在确定系统的参数中使用或需要该对象的固有测量值未知。在校准对象包括标记的情况下，如实施例中所述，未校准的校准对象是其中标记的准备位置是未知的。
换句话说，本方法可以无需校准对象的信息而校准系统，即，确定系统的几何参数。尤其是，无需通过测量校准对象获得的校准对象的测量值来确定几何参数，此测量可直接通过坐标测量机(CMM)，或间接通过一已校准的系统进行。这意味着校准对象有更多的选择，因为其无需被摄设计为适合CMM测量，或具有更多的灵活性因为无需特定类型的校准对象，无需在先测量，无需特定测量设备，例如CMM或其他校准系统。
如上文所述，根据本发明，确定x射线源到旋转轴的垂直距离或长度标准需要测量值。换句话说，无需校准对象的测量可以获得系统的所有几何参数，除了此距离测量值，其在校准系统不总是必需的。
优选地，校准对象包括多个标记，所述方法包括在射线影像中识别标记的位置。
优选地，该方法包括通过使用多个射线影像为每个标记推导椭圆路径，较优地通过对每个标记的成像轨迹拟合椭圆。
本发明的另一方面提供了一种校准摄像影像系统的方法，该系统包括射线源和检测器，所述方法包括提供配备至少一个标记的客体，使客体该相对于射线源和/或检测器旋转，获取该客体的多个射线影像，所述方法包括确定至少一个标记的像在多个影像中的位置，使用所述影像推导该至少一个标记的路径，以及使用该路径确定系统的几何参数。
本发明的又一方面提供了一种校准摄像影像系统的方法，该系统包括射线源和检测器，所述方法包括提供一校准对象，使校准对象相对于射线源和/或检测器旋转，获取校准对象的多个射线影像，其中校准对象包括多个标记，所述方法包括在多个影像中确定多个标记，使用所述影像为每个标记推导椭圆路径，较优地通过对每个标记的成像轨迹拟合椭圆，以及使用椭圆路径以确定系统的几何参数。
优选地，该方法包括使用椭圆方程，和/或基于或包括使椭圆相交的方法来确定系统的几何参数。
优选地，该方法包括使用所述射线影像中的上述标记从而获得系统的初始几何估值。
优选地，该方法包括使用圆检测方法来识别每个影像中的多个圆形，并选择N个或更少的圆形，其中N是校准对象中标记的数量。
优选地，几何参数包括旋转轴的影像、中心切片的影像和主点中一个或多个。
优选地，该方法还包括获得从射线源到检测器的距离、对象的偏移、旋转轴中的一个或多个。
优选地，该方法包括补偿透视失真，例如，通过将标记的影像投影到虚拟检测器上，其中虚拟检测器内的影像更圆。
优选地，该方法包括使用最大互相关法改进标记的影像(圆)的坐标。
优选地，所述方法包括推导校准对象的预估模型，和改进所述初始几何估值和校准对象的预估模型，例如，使用一种迭代非线形技术。优选地，该方法包括分析和补偿残差，如影像失真。
优选地，该方法包括确定代表射线源与旋转轴之间的距离的一个值。
优选地，通过使用校准对象的测量值或校准对象的相对位置的测量值确定该距离值。
优选地，该方法包括设置校准对象处于校准对象的旋转轴大约与光束中线相交的中心位置，其中获取校准对象处于所述中心位置的多个射线影像。
优选地，该方法包括设置校准对象处于校准对象的旋转轴偏离于光束中线的偏移位置，其中获取校准对象处于所述偏移位置的多个射线影像。
本发明的另一个方面提供用于校准射线摄影系统的校准对象，其包括在使x射线弱衰减的材料内设置多个使x射线强衰减的球形标记，由此获得具有高对比度和高精确度的标记影像。
优选地，辅助材料是低密度泡沫，如碳或碳化硅泡沫或塑料泡沫，例如挤塑式聚苯乙烯泡沫或固体塑料或陶瓷。
优选地，标记是由碳化钨、钢或黄金制成的球形轴承。
优选地，标记的排布是不对称的，这样不会在射线影像中重叠。
优选地，标记不由胶粘剂固定。
本发明的另一个方面提供如上文或下文所述的使用上述校准对象的方法。
优选地，该方法包括以不同的速度进行扫描用于，例如，补偿环境条件的变化，如温度。优选地，该方法包括指定代表射线源和旋转轴之间的距离的标称值，和使用射线影像以及该距离标称值确定系统的几何参数。
优选地，该方法还包括使用校准对象(如上文所述)的测量值获得距离标称值的一数值。
本发明的另一个方面提供了一种测量方法，使用上述方法校准的射线摄影系统测量对象。
本发明的另一个方面提供一种校准射线摄影系统的方法，利用一校准对象，在缺乏通过除该射线摄影系统以外的测量设备所获得的所述校准对象的完整再现的情况下，校准所述射线摄影系统。
本发明的另一个方面提供一种装置，其包括执行上文所述方法的设备。
本发明的另一个方面提供计算机程序或计算机可读存储介质，其包括用于执行上述方法的计算机可执行指令。
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Claims (32)

1.一种校准包括射线源和检测器的射线摄像系统的方法，该方法包括：
提供一校准对象，
使所述校准对象相对于所述射线源和/或所述检测器旋转，
获取所述校准对象的多个射线影像，其中，所述校准对象包括多个标记，
在多个影像中识别多个标记，
使用所述影像获得对应于每个标记的椭圆路径，较优地通过对每个标记的成像轨迹拟合椭圆，以及，
使用所述椭圆路径确定所述系统的几何参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述系统的几何参数的方法无需测量所述校准对象。
3.一种校准包括射线源和检测器的射线摄像系统的方法，该方法包括：
提供一校准对象，
使所述校准对象相对于所述射线源和/或所述检测器旋转，
获取所述校准对象的多个射线影像，以及，
使用所述射线影像确定所述系统的几何参数，无需所述校准对象的测量信息。
4.根据权利要求3的所述的方法，其中所述校准对象包括多个标记，该方法包括：识别所述射线影像中的所述标记的位置，较优地包括：使用多个射线影像获得对应于每个标记的椭圆路径，较优地通过对每个标记的成像轨迹拟合椭圆。
5.根据权利要求1、2或4所述的方法，其中包括使所述椭圆相交从而确定所述系统的几何参数。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，包括使用所述射线影像中的所述标记获得所述系统的初始几何估值。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，包括使用圆检测法来识别每个影像中的多个圆形，以及选择N或少于N个所述圆形，其中N是所述校准对象中的标记的个数。
8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述几何参数包括旋转轴的影像，中心切片的影像和主点中的一个或多个。
9.根据权利要求7所述的方法，包括获得从所述射线源到检测器的距离、对象的偏移、旋转轴中的一个或多个。
10.根据权利要求3-9中任一所述的方法，包括补偿透视失真，例如，通过将标记的影像投射于虚拟检测器上，其中虚拟检测器中的影像更圆。
11.根据权利要求3-10中任一所述的方法，包括使用最大互相关法改进所述标记的影像(圆圈)的坐标。
12.根据前述任一权利要求所述的方法，包括获得所述校准对象的预估模型；以及
改进所述初始几何估值和所述校准对象的所述预估模型，例如，通过使用迭代非线性技术。
13.根据前述任一权利要求所述的方法，包括分析和补偿残差，例如影像失真。
14.根据前述任一权利要求所述的方法，包括确定一个代表所述射线源与所述旋转轴之间的距离的值。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述距离值是通过使用校准对象的测量值或校准对象的相对位置的测量值确定的。
16.根据前述任一权利要求所述的方法，包括设置所述校准对象位于所述校准对象的所述旋转轴大约与光束中线相交的中心位置，其中当所述校准对象位于所述中心位置时获取多个所述射线影像。
17.根据前述任一权利要求所述的方法，包括设置所述校准对象位于所述校准对象的所述旋转轴偏离于所述光束中线的偏移位置，其中当所述校准对象处于所述偏移位置时获取多个所述射线影像。
18.用于校准射线摄影系统的校准对象，包括在使x射线弱衰减的辅助材料内设置多个使x射线强衰减的球形标记，由此获得具有高对比度和高精确度的标记影像。
19.根据权利要求17所述的校准对象，其中辅助材料是低密度泡沫，如碳或碳化硅泡沫或塑料泡沫，例如挤塑式聚苯乙烯泡沫或固体塑料或陶瓷。
20.根据权利要求18或19所述的校准对象，其中所述标记是由碳化钨、钢或黄金制成的球形轴承。
21.根据权利要求18-20中任一所述的校准对象，其中所述标记的排布是不对称的，这样所述标记不会在射线影像中重叠。
22.根据权利要求18-21中任一所述的校准对象，其中不通过胶粘剂固定所述标记。
23.根据权利要求1-17中的任一所述的方法，其中使用根据权利要求18-22中的任一所述的校准对象。
24.根据权利要求1-17和23中的任一所述的方法，包括以不同的速度进行扫描，例如，以补偿环境条件的变化，如温度。
25.根据权利要求1-17和23-24中的任一所述的方法，包括指定代表所述射线源和所述旋转轴之间的距离的标称值，以及使用所述射线影像和所述距离的标称值确定所述系统的几何参数。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括使用所述校准对象的测量值获得所述距离的标称值的一数值。
27.根据权利要求1-17和23-26中的任一所述的方法，包括使用一未校准的校准对象。
28.一种校准包括射线源和检测器的射线摄像系统的方法，包括：
提供一配置有标记的对象，
使所述对象相对于所述射线源和/或所述检测器旋转，
获取所述对象的多个射线影像，
在多个影像中识别所述标记的影像的位置，
使用所述影像获得对应于所述标记的路径，以及，
使用所述路径确定所述系统的几何参数。
29.一种测量方法，使用根据权利要求1-17和23-28中任一所述的方法校准的射线摄影系统测量一对象。
30.一种校准射线摄影系统的方法，利用一校准对象，在缺乏通过除该射线摄影系统以外的测量设备所获得的所述校准对象的完整再现的情况下，校准所述射线摄影系统。
31.一种装置，包括执行如权利要求1-17和23-29中任一所述的方法的设备。
32.计算机可读存储介质，包括用于执行如权利要求1-17和23-29中任一所述的方法的计算机可执行指令。
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