CN107796835A - 一种x射线柱面三维锥束计算机层析成像方法及装置 - Google Patents
一种x射线柱面三维锥束计算机层析成像方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法及装置，该方法包括：获取探测器采集到的二维投影图像序列；对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列；利用柱面三维滤波反投影重建算法对二维线积分图像序列进行图像重建获得物体柱面三维CT切片图像。本发明实施例相比于现有基于正交平面切片的CT扫描技术，无需通过图像旋转和三维空间插值等操作，即可高清三维可视化物体沿柱面的结构特征，不仅减小了重建体积，节约了图像处理时间，而且提高了重建图像质量，增强了图像的可读性。
Description
技术领域
本发明涉及X射线计算机层析成像技术领域，尤其涉及一种X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法及装置。
背景技术
在X射线计算机层析成像(Computed Tomography，简称CT)系统中，X射线源发出X射线，从不同角度穿过被检测物体的某一区域，放置于射线源对面的探测器在相应角度接收。然后，根据各角度射线不同程度的衰减，利用一定的重建算法和计算机进行运算，重建出物体被扫描区域的射线线衰减系数分布映射图像，从而实现由投影重建图像，无损地再现物体在该区域内的介质密度、成分和结构形态等特征。
CT技术广泛应用于工业无损检测、材料科学性能评价以及公共安全检查等领域，在提高产品质量、促进新材料研发、保障公共安全等方面发挥了重要作用。受成像原理制约，CT重建切片图像都是正交平面切片图像，在异型构件检测方面存在较大局限性。特别是，对于诸如航空发动机壳体、储油罐、飞机机身舱段等典型的中空圆柱体结构，将难以高分辨可视直观地呈现柱面特征及缺陷，而且还会花费巨大时间，用于重建无谓的中空体积。
近年，Liu T.等，Differential reconstruction for planar object incomputed tomography，Journal of X-ray Science and Technology,vol.17,No.2,pp:101-114,2009，实现了一种针对面状物体的CT成像技术(Computed Laminography，简称CL)，能减小重建体积，提高三维可视化精度。但该技术重建的仍是正交平面切片图像，仍然难以解决中空圆柱体柱面结构的CT成像问题。
目前，尚未发现有能解决上述问题的X射线计算机层析成像技术。
发明内容
本发明提一种X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法及装置，以减小物体CT重建体积，提高成像效率和重建精度，增强图像可读性。
本发明的一个方面是提供一种X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法，包括如下步骤：
步骤1、获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是物体沿着轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述物体的二维投影图像；
步骤2、对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列；利用新型柱面三维滤波反投影重建算法对二维线积分图像序列进行图像重建，获得所述物体柱面三维CT切片图像。
进一步地，步骤1还包括：物体放置于倾斜转台上，在扫描过程中物体随着转台转动而转动；
所述物体沿着旋转轴的旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中成像区被锥束覆盖。
进一步地，所述对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列，包括：
依据公式(1)对所述二维投影图像序列I(i,m,n)进行对数解调获得二维线积分图像序列p(i,m,n)：
其中，i表示扫描角度，(m,n)表示在所述探测器的垂直面内探测通道的二位坐标，ln表示自然对数运算，mean表示二维均值运算，1∶10表示从1取到10，1∶K表示从1取到K，I(i,1∶10,1∶K)表示所述二维投影图像序列中第i个二维投影图像中宽度为10、高度为K的区域。
进一步地，所述采用新型柱面滤波反投影重建算法对所述物体的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述物体柱面的三维CT切片图像，包括：
依据公式(2)-(5)对所述物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述物体柱面的三维CT切片图像f：
其中，f(x,y,r)表示被重建的三维物体，(x,y,r)表示三维物体质点在柱面坐标系中的位置。其中，r代表柱面距离柱面坐标系原点的距离，x和y表示柱面展开成平面的二维直角坐标。D表示射线源到探测器的距离,D0表示射线源到探测器的距离，p(β,s,v)表示进行对数解调后获得的二维线积分图像序列，(s,v)表示某像素在二维图像坐标系中的坐标位置，对应三维物体质点映射到二维线积分图像上的投影地址，β表示旋转角度，h(s)是一维滤波器。
本发明的另一个方面是提供一种X射线柱面三维锥束计算机层析成像装置，包括：
获取模块，用于获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是物体沿着轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述物体的二维投影图像；
计算模块，用于对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列；利用新型柱面三维滤波反投影重建算法对二维线积分图像序列进行图像重建，获得所述物体柱面的三维CT切片图像。
进一步地，获取模块还包括：物体放置于倾斜转台上，在扫描过程中物体随着转台转动而转动；
所述物体沿着旋转轴的旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中成像区被锥束覆盖。
进一步地，所述计算模块具体用于依据公式(1)对所述二维投影图像序列I(i,m,n)进行对数解调获得二维线积分图像序列p(i,m,n)：
其中，i表示扫描角度，(m,n)表示在所述探测器的垂直面内探测通道的二位坐标，ln表示自然对数运算，mean表示二维均值运算，1∶10表示从1取到10，1∶K表示从1取到K，I(i,1∶10,1∶K)表示所述二维投影图像序列中第i个二维投影图像中宽度为10、高度为K的区域。
进一步地，所述计算模块具体用于依据公式(2)-(5)对所述物体的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述物体柱面的三维CT切片图像f：
其中，f(x,y,r)表示被重建的三维物体，(x,y,r)表示三维物体质点在柱面坐标系中的位置。其中，r代表柱面距离柱面坐标系原点的距离，x和y表示柱面展开成平面的二维直角坐标。D表示射线源到探测器的距离,D0表示射线源到探测器的距离，p(β,s,v)表示进行对数解调后获得的二维线积分图像序列，(s,v)表示某像素在二维图像坐标系中的坐标位置，对应三维物体质点映射到二维线积分图像上的投影地址，β表示旋转角度，h(s)是一维滤波器。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明能够解决圆柱物体柱面三维成像问题，能根据探测器获得的投影图像序列，快速高精度直接重建出物体柱面CT图像；(2)步骤简单，仅包含数据获取与图像重建模块；(3)重建效率高，重建体积减小一个数量级以上；(4)重建图像质量高，柱面CT图像可以直接重建得到，无需通过三维笛卡尔坐标系空间插值转换，没有插值误差；(5)重建出来的切片图像是展开的物体柱面，易读性强，三维可视化精度高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法流程图；
图2为本发明实施例提供的X射线柱面三维锥束计算机层析成像系统原理图；
图3为采用X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法获得的实际物体在一些扫描角度下的二维线积分图像；
图4为采用X射线柱面三维滤波反投影重建算法获得的实际物体重建后柱面CT图像；
图5为采用传统重建算法重建获得的实际物体的CT图像；
图6为本发明实施例提供的X射线柱面三维锥束计算机层析成像装置的结构图。
图中：20为X射线源，21为X射线束，22为待测圆柱物体，23为转台，24为探测器，25为计算机，60为X射线柱面三维锥束计算机层析成像装置，61为获取模块，62为计算模块。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明实施例提供的X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法流程图；本发明实施例针对现有X射线CT成像，切片图像都是横平竖直的正交坐标系断层图像，难以高分辨可视直观地呈现圆柱体构件柱面特征及缺陷的问题，提供了基于新型柱面滤波反投影重建算法的X射线三维锥束计算机层析成像方法，该方法具体步骤如下：
步骤S101、获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是物体沿着轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述物体的二维投影图像。
图2为本发明实施例提供的X射线柱面三维锥束计算机层析成像系统原理图；如图2所示，X射线柱面三维锥束计算机层析成像系统包括：X射线源20、X射线束21、待测圆柱物体22、转台23、探测器24、计算机25。其中，待测圆柱物体22放置在转台23上，探测器24、转台22和X射线源20分别与计算机25连接。计算机25用于控制X射线源20发生锥束的强度与时间、控制转台23转动速度，以及控制探测器24的采样周期。X射线源20形成的锥束21对待测物体22进行透射，待测物体22成像区被锥束21覆盖，转台23匀速沿着轴向转动，探测器24周期性采集透射过待测物体22的射线投影，当转台23转动360°后，计算机25控制探测器24停止采样、控制X射线源20停止发生锥束、同时控制转台23停止转动，整个三维锥束计算机层析成像系统完成一次单圆轨道锥束扫描。探测器24将每个采样周期采集到的射线投影形成一个二维投影图像，并将二维投影图像传输给计算机25，则转台23转动360°后，探测器24形成一系列二维投影图像即二维投影图像序列，并将二维投影图像序列传输给计算机25。
优选的，所述物体沿着轴向转动，包括：所述物体沿着旋转轴的旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中所述物体成像区均被锥束覆盖；所述探测器的采样周期可灵活设定，优选的，采样周期为所述物体沿着轴向匀速转动1度的时间。
另外，本发明实施例不限制探测器24的采样周期。
步骤S102、对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列。
计算机25对其获取的探测器采集到的二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列，具体为依据公式(1)对所述二维投影图像序列I(i,m,n)进行对数解调获得二维线积分图像序列p(i,m,n)：
其中，i表示扫描角度，当探测器的采样周期为所述多个物体同时沿着轴向匀速转动1度的时间时，i的取值为从1到360，(m,n)表示在所述探测器的垂直面内探测通道的二位坐标，ln表示自然对数运算，mean表示二维均值运算，1∶10表示从1取到10，1∶K表示从1取到K，I(i,1∶10,1∶K)表示所述二维投影图像序列中第i个二维投影图像中宽度为10、高度为K的区域。
步骤S103、采用X射线柱面滤波反投影重建算法对所述物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述物体对应的三维CT切片图像。具体为依据公式(2)-(5)对所述物体对应的二维线积分子图像序列p进行图像重建获得所述物体对应的三维CT切片图像f：
其中，f(x,y,r)表示被重建的三维物体，(x,y,r)表示三维物体质点在柱面坐标系中的位置。其中，r代表柱面距离柱面坐标系原点的距离，x和y表示柱面展开成平面的二维直角坐标。D表示射线源到探测器的距离,D0表示射线源到探测器的距离，p(β,s,v)表示进行对数解调后获得的二维线积分图像序列，(s,v)表示某像素在二维图像坐标系中的坐标位置，对应三维物体质点映射到二维线积分图像上的投影地址，β表示旋转角度，h(s)是一维滤波器。
本发明实施例相比于现有的锥束CT技术，能够解决圆柱物体柱面三维成像问题，能根据探测器获得的投影图像序列，快速高精度直接重建出物体柱面CT图像；步骤简单，缩小了重建体积从而提高了重建效率；柱面CT图像直接重建得到，无需通过三维笛卡尔坐标系空间插值转换，没有插值误差，因而提高了重建图像质量；重建出来的切片图像是展开的物体柱面，易读性强，三维可视化精度高。
为了证明上述实施例的效果，本发明实施例进行了如下实验，实验步骤如下：
(1)设定实验条件。本实验采用的物体为一个塑料口香糖瓶。该塑料口香糖瓶为典型圆柱物体，且在该瓶身圆柱面上具有英文字母Extra等特征。X射线源具体采用X射线管，该X射线管的管电压为60KV，管电流为1.5mA，X射线源到探测器的距离为1180mm，探测器的角度采样数为360个，二维投影图像的大小为960*768。
(2)根据设定参数，计算机控制转台旋转，探测器采集投影数据，并依据投影数据生成二维投影图像序列。
(3)计算机依据上述公式(1)对二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列。
(4)计算机依据上述公式(2)-(5)对该物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得该物体对应的柱面展开切片图像。
图3为采用X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法获得的实际物体在一些扫描角度下的二维线积分图像；图4为采用新型柱面三维滤波反投影重建算法获得的实际物体重建后的CT图像。由图3和4可知，CT图像正确揭示了该口香糖瓶结构，并能准确表征瓶身上“Extra”文字特征，表明了本发明实施例方法的有效性。同时，可以观察到用本发明实施例方法重建出来的是切片图像，与物体圆柱面一致，十分直观，可读性强。
图5为采用传统重建算法重建获得的实际物体的三维CT切片图像。通过图5可以显著观察到，由于传统方法切片断层定义基于三维笛卡尔直角坐标系，因此重建出的物体断层与物体正交剖面对应，不能直接表征瓶身上“Extra”文字特征。
由图3、4和5可知，本发明实施例能解决圆柱物体柱面三维成像问题，快速高精度直接重建出物体柱面CT图像，步骤简单，效率高，没有插值误差，图像质量好，易读性强，三维可视化精度高。
图6为本发明实施例提供的X射线柱面计算机层析成像装置的结构图。本发明实施例提供的X射线柱面三维锥束计算机层析成像装置可以执行物体柱面三维锥束计算机层析成像方法实施例提供的处理流程，如图6所示，针对X射线柱面三维锥束计算机层析成像装置60包括获取模块61和计算模块62，其中，获取模块61用于获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是该物体沿着倾斜转台轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述物体的二维投影图像；计算模块62用于对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列，采用本发明实施例提出的新型柱面滤波反投影重建算法对所述物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建，获得所述物体对应的柱面CT切片图像。
本发明实施例相比于现有的锥束CT技术，能解决圆柱物体柱面三维成像问题，快速高精度直接重建出物体柱面CT图像，步骤简单，效率高，没有插值误差，图像质量好，易读性强，三维可视化精度高。
在上述实施例的基础上，所述物体沿着转台的旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中所述物体成像区均被锥束覆盖；所述探测器的采样周期可灵活设定，优选的，采样周期为所述物体沿着轴向匀速转动1度的时间。
计算模块62具体用于依据公式(1)对所述二维投影图像序列I(i,m,n)进行对数解调获得二维线积分图像序列p(i,m,n)：
其中，i表示扫描角度，(m,n)表示在所述探测器的垂直面内探测通道的二位坐标，ln表示自然对数运算，mean表示二维均值运算，1∶10表示从1取到10，1∶K表示从1取到K，I(i,1∶10,1∶K)表示所述二维投影图像序列中第i个二维投影图像中宽度为10、高度为K的区域。
计算模块62具体用于依据上述公式(2)-(5)对该物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得该物体柱面对应的CT切片图像。
本发明能够解决圆柱物体柱面三维成像问题，快速高精度直接重建出物体柱面CT图像，步骤简单，重建效率高，没有插值误差，重建图像质量好，切片图像是展开的物体柱面，易读性强，三维可视化精度高。
本发明实施例提供的X射线柱面三维锥束计算机层析成像装置可以具体用于执行上述图1所提供的方法实施例，具体功能此处不再赘述。
本发明实施例能直接快速高精度地实现物体柱面三维层析成像，直接重建出展开的物体柱面图像，不需要后续图像旋转插值的过程，重建效率和精度高，三维可视化效果好，易读性强，实现过程简单。
综上所述，本发明实施例相比于现有的锥束CT技术的优点，(1)能够解决圆柱物体柱面三维成像问题，能根据探测器获得的投影图像序列，快速高精度直接重建出物体柱面CT图像；(2)步骤简单，仅包含数据获取与图像重建模块；(3)重建效率高，重建体积减小一个数量级以上；(4)重建图像质量高，柱面CT图像可以直接重建得到，无需通过三维笛卡尔坐标系空间插值转换，没有插值误差；(5)重建出来的切片图像是展开的物体柱面，易读性强，三维可视化精度高。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是物体沿着轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述物体的二维投影图像；
步骤2、对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列；利用新型柱面三维滤波反投影重建算法对二维线积分图像序列进行图像重建，获得所述物体柱面三维CT切片图像。
2.根据权利要求1所述的X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法，其特征在于，步骤1还包括：物体放置于倾斜转台上，在扫描过程中物体随着转台转动而转动；
所述物体沿着旋转轴的旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中成像区被锥束覆盖。
3.根据权利要求2所述的X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法，其特征在于，所述对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列，包括：
依据公式(1)对所述二维投影图像序列I(i,m,n)进行对数解调获得二维线积分图像序列p(i,m,n)：
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其中，i表示扫描角度，(m,n)表示在所述探测器的垂直面内探测通道的二维坐标，ln表示自然对数运算，mean表示二维均值运算，1:10表示从1取到10，1:K表示从1取到K，I(i,1:10,1:K)表示所述二维投影图像序列中第i个二维投影图像中宽度为10、高度为K的区域。
4.根据权利要求3所述的X射线柱面三维锥束计算机层析成像方法，其特征在于，所述采用新型柱面滤波反投影重建算法对所述物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述物体柱面的三维CT切片图像，包括：
依据公式(2)-(5)对所述物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述物体柱面的三维CT切片图像f：
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其中，f(x,y,r)表示被重建的三维物体，(x,y,r)表示三维物体质点在柱面坐标系中的位置，其中，r代表柱面距离柱面坐标系原点的距离，x和y表示柱面展开成平面的二维直角坐标，D表示射线源到探测器的距离，D0表示射线源到探测器的距离，p(β,s,v)表示进行对数解调后获得的二维线积分图像序列，(s,v)表示某像素在二维图像坐标系中的坐标位置，对应三维物体质点映射到二维线积分图像上的投影地址，β表示旋转角度，h(s)是一维滤波器。
5.一种X射线柱面三维锥束计算机层析成像装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是物体沿着轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述物体的二维投影图像；
计算模块，用于对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列；利用新型柱面滤波反投影重建算法对二维线积分图像序列进行图像重建，获得所述物体柱面对应的三维CT切片图像。
6.根据权利要求5所述的X射线柱面三维锥束计算机层析成像装置，其特征在于，获取模块还包括：物体放置于倾斜转台上，在扫描过程中物体随着转台转动而转动；
所述物体沿着旋转轴的旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中成像区被锥束覆盖。
7.根据权利要求6所述的X射线柱面三维锥束计算机层析成像装置，其特征在于，所述计算模块具体用于依据公式(1)对所述二维投影图像序列I(i,m,n)进行对数解调获得二维线积分图像序列p(i,m,n)：
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8.根据权利要求7所述的X射线柱面三维锥束计算机层析成像装置，其特征在于，所述计算模块具体用于依据公式(2)-(5)对所述物体的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述物体柱面的三维CT切片图像f：
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其中，f(x,y,r)表示被重建的三维物体，(x,y,r)表示三维物体质点在柱面坐标系中的位置，其中，r代表柱面距离柱面坐标系原点的距离，x和y表示柱面展开成平面的二维直角坐标，D表示射线源到探测器的距离，D0表示射线源到探测器的距离，p(β,s,v)表示进行对数解调后获得的二维线积分图像序列，(s,v)表示某像素在二维图像坐标系中的坐标位置，对应三维物体质点映射到二维线积分图像上的投影地址，β表示旋转角度，h(s)是一维滤波器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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