CN108201447A - 一种静态ct系统几何参数校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种静态CT系统几何参数校正方法，所述静态CT系统由多个射线源和一个以上探测器构成，所述几何参数为每个射线源与对应的探测器之间的几何参数，所述方法包括如下步骤：步骤a：将校正体模放置在需要校正几何参数的静态CT系统中，所述校正体模具有标记小球；步骤b：每个射线源触发一次射线，获得多幅投影；以及步骤c：根据每幅投影中标记小球的投影中心点的坐标，结合已知的标记小球在待校正系统中的坐标，计算获得整个静态CT系统的校正后的几何参数。本发明可以同时适用于离体CT系统和活体CT系统，并可以同时校正CT系统的全部10个几何参数。另外，本发明仅需要各射线源对校正体模进行1次投影，即可得到CT重建所需的全部几何参数。

Description

一种静态CT系统几何参数校正方法
技术领域
本发明涉及医学和工业领域的计算机断层扫描(CT)系统，尤其涉及一种静态CT系统几何参数校正方法。
背景技术
计算机断层成像(CT)是通过无损方式获取物体内部结构信息的一种重要成像手段，它拥有高分辨率、高灵敏度以及多层次等众多优点，被广泛应用于各个医疗临床检查领域。相对于传统的CT系统，静态CT系统具有多个射线源，在数据的采集过程中不需要X射线源和X射线探测器等部件旋转，可以降低成本，缩短CT成像扫描时间的优势，并且由于静态CT在成像的过程中没有机械运动，就避免了运动伪影的产生。
几何参数校正是静态CT系统调试的重要组成部分，也是获得精确CT图像的前提条件。中国专利申请号201210148432.8提出了“一种X射线锥束计算机层析成像系统的几何参数校正方法”。该方法通过相机校正技术来复现锥束CT系统中的X射线源、平板探测器和转轴之间的几何位置关系，从而对锥束CT的几何参数及其误差进行直接求解，是一种系统化的测量求解方法，可以将锥束CT抽象为基本的相机系统模型，从而同时求解系统中相互关联的多个几何参数。
但是，上述技术存在如下缺点：1、不能同时适用于离体CT系统(样本旋转，射线源和探测器不动)和活体CT系统(样本不动，射线源和探测器旋转)；2、不能同时校正CT系统的全部10个几何参数；3、参数校正过程较复杂(例如，需要对校正体模进行多次投影)，难于多次重复实现。
因此，需要一种简单、有效、实用的静态CT系统快速几何参数校正方法。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种静态CT系统几何参数校正方法，可以同时提取成像系统的10个重要的系统几何参数，并设计了适用于CT系统校正的体模装置。
本发明的静态CT系统几何参数校正方法，所述静态CT系统由多个射线源和一个以上探测器构成，所述几何参数为每个射线源与对应的探测器之间的几何参数，所述方法包括如下步骤：
步骤a：将校正体模放置在需要校正几何参数的静态CT系统中，所述校正体模具有标记小球；
步骤b：每个射线源触发一次射线，获得多幅投影；以及
步骤c：根据每幅投影中标记小球的投影中心点的坐标，结合已知的标记小球在待校正系统中的坐标，计算获得整个静态CT系统的校正后的几何参数。
优选地，所述几何参数为所述静态CT系统的10个几何参数，包括：射线源S的坐标位置(Ox,Oy,Oz)、射线源S在探测器平面的投影中心点坐标(u0,v0)、探测器的扭转角θ、探测器的倾斜角φ、探测器的旋转角η、射线源到扫描物体中心的距离(SOD)，射线源到探测器的距离(SDD)。
优选地，所述校正体模由支撑体和安装于所述支撑体上的标记小球构成，所述支撑体为低吸收材料，所述标记小球为高吸收材料。
优选地，所述支撑体为碳纤维材料或者聚甲基丙烯酸甲酯，所述标记小球为钢珠。
优选地，所述标记小球的数量、大小以及位置以校正过程中在探测器上的投影不造成重叠为宜。
优选地，所述步骤c进一步包括如下步骤：
步骤c1：对于每幅投影图，在小球投影坐标(u,v)和实际校正体模中的标记小球的三维坐标(x,y,z)之间利用一个3×4投影矩阵A建立映射关系：
[Ax,Ay,Az,A]T＝[au,av,a]T (1)
其中，α为一比例参数，投影矩阵A的构成如下：
A＝K[S|t] (2)
上述(2)式中，K为一个3×3上三角矩阵,S为一个3×3旋转矩阵,t为3×1位移向量，
上述(3)式中，u0和v0为射线源在探测器平面的投影点坐标,λ为探测器像素的大小，
公式(2)中旋转矩阵S可以进一步用三角函数表达为：
θ为探测器的扭转角、φ为探测器的倾斜角、η为探测器的旋转角，
公式(2)中位移向量t为：
步骤c2：由以上公式联立求解，得到静态CT系统的校正后的几何参数，包括：
探测器平面的投影中心点坐标(u0,v0)：
u0＝K13,v0＝K23 (6)
射线源到探测器的距离(SDD):
SDD＝K11λ (7)
探测器的扭转角θ、探测器的倾斜角φ、探测器的旋转角η分别为:
θ＝Arctan 2(S32,S33)
η＝Arctan2(S12,S11) (8)
射线源的位置坐标为:
o＝[ox,oy,oz]T＝-STt(9)
得出的位移向量t＝(t1,t2,t3):
t1＝A34
t2＝(A24-K23A34)/K22
t3＝(A14-t13A34-K2A12)/K11 (10)
射线源到扫描物体中心的距离(SOD):
优选地，所述静态CT成像系统的多个射线源各单独发射一次射线，利用发射的射线穿过所述校正体模在探测器上的各幅投影成像，可以得到整个静态CT系统的校正后的几何参数。
优选地，所述方法适合离体CT系统和活体CT系统。
优选地，所述多个射线源形成一个以上射线源阵列，所述一个以上射线源阵列和所述一个以上探测器布置为四边形或者六边形或者N边形方式。
优选地，在一个实施例中，所述校正体模的形状为立方体，所述标记小球分别安装于所述立方体的两个相对表面的角部。
有益效果
本发明的一种简单、有效、实用的静态CT系统快速几何参数校正方法，可以同时适用于离体CT系统和活体CT系统，并可以同时校正CT系统的全部10个几何参数。另外，参数校正过程较简单，仅需要各射线源对校正体模进行1次投影，即可得到CT重建所需的全部系统几何参数。
附图说明
图1是本发明一实施例的静态CT系统几何结构原理示意图。
图2是本发明的静态CT系统中的几何参数示意图。
图3是本发明一实施例的校正体膜的示意图，其中(a)是校正体模的结构示意图，(b)是该校正体模在探测器上的投影图。
图4是经过本发明的几何参数校正方法校正前后的重建图像质量比较图。
图5是将图4中所有图像和理想重建图像残差图像进行比较的示意图。
图6是本发明一实施例的静态CT系统几何参数校正方法的流程图。
具体实施方式
在下列说明中，为了提供对本发明的彻底了解而提出许多具体细节。本发明可在不具有部分或所有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了不对本发明造成不必要的混淆，不详述众所周知的过程操作。虽然本发明将结合具体实施例来进行说明，但应当理解的是，这并非旨在将本发明限制于这些实施例。
下面结合图1～6来说明本发明的静态CT系统几何参数校正方法。
本发明提供了一种静态CT系统几何参数校正方法，所述静态CT系统由多个射线源和一个以上探测器构成，所述几何参数为每个射线源与对应的探测器之间的几何参数，如图6所示，该方法包括如下步骤：
步骤a：将校正体模放置在需要校正几何参数的静态CT系统中，所述校正体模具有标记小球；
步骤b：每个射线源触发一次射线，获得多幅投影；以及
步骤c：根据每幅投影中标记小球的投影中心点的坐标，结合已知的标记小球在待校正系统中的坐标，计算获得整个静态CT系统的校正后的几何参数。
图1是本发明一实施例的的静态CT系统几何结构原理示意图。如图1所示，该静态CT系统由2个射线源阵列(各射线源阵列由11个射线源排列形成)和2个探测器构成，包括第一方向射线源阵列、第二方向射线源阵列、第一方向探测器和第二方向探测器。第一方向射线源阵列于第一方向探测器对应，第二方向射线源阵列与第二方向探测器对应。2个射线源阵列和2个探测器布置为四边形的形式。在其他实施例中，射线源阵列和探测器也可以布置为六边形或者N边形的形式。
本发明中所述几何参数为所述静态CT系统的10个几何参数，包括：射线源S的坐标位置(Ox,Oy,Oz)、射线源S在探测器平面的投影中心点坐标(u0,v0)、探测器的扭转角θ、探测器的倾斜角φ、探测器的旋转角η、射线源到扫描物体中心的距离(SOD)，射线源到探测器的距离(SDD)。图2是本发明的静态CT系统中的几何参数示意图。如图2所示，S为射线源阵列(射线源阵列的坐标)，定义坐标系XYZ，Y为校正体模的中心轴，(u0,v0)表示射线源S在探测器平面的投影中心点坐标。SOD为射线源到中心轴的距离，SDD为射线源到探测器的距离，U和V为探测器上像素的排列方向，定义探测器的左下角为坐标原点。
本发明中，所述校正体膜由支撑体和安装于所述支撑体上的标记小球构成，所述支撑体为低吸收材料，例如可以是碳纤维材料或者聚甲基丙烯酸甲酯，所述标记小球为高吸收材料。一般地，标记小球可以采用钢珠。本发明中，所述标记小球的数量、大小和位置不限制，以校正过程中在探测器上的投影不造成重叠为宜。
图3是本发明一实施例的校正体膜的示意图，其中(a)是校正体模的结构示意图，(b)是该校正体模在探测器上的投影图，白色圆点为标记小球的投影，单位为mm。本实施例中，所述校正体模的支撑体31的形状为立方体，所述标记小球32分别安装于所述立方体31的两个相对表面的角部。在其他实施例中，标记小球的位置不一定是在角部，位置没有限制，在其他任意位置都可以，只需要确保在实验的过程中其在待校正系统中的坐标是已知的。
本发明的几何参数校正方法中，步骤c进一步包括如下步骤c1和c2。
步骤c1：对于每幅投影图，在小球投影坐标(u,v)和实际校正体模中的标记小球的三维坐标(x,y,z)之间利用一个3×4投影矩阵A建立映射关系(该标记小球的三维坐标是已知的)：
[Ax,Ay,Az,A]T＝[au,av,a]T (1)
其中，α为一比例参数，投影矩阵A的构成如下：
A＝K[S|t] (2)
上述(2)式中，K为一个3×3上三角矩阵,S为一个3×3旋转矩阵,t为3×1位移向量，
上述(3)式中，u0和v0为射线源在探测器平面的投影点坐标,λ为探测器像素的大小，
公式(2)中旋转矩阵S可以进一步用三角函数表达为：
θ为探测器的扭转角、φ为探测器的倾斜角、η为探测器的旋转角，
公式(2)中位移向量t为：
步骤c2：由以上公式(1)～(5)联立求解，可以得到静态CT系统的校正后的几何参数，包括：
探测器平面的投影中心点坐标(u0,v0)：
u0＝K13,v0＝K23 (6)
射线源到探测器的距离(SDD):
SDD＝K11λ (7)
探测器的扭转角θ、探测器的倾斜角φ、探测器的旋转角η分别为:
θ＝Arc tan 2(S32,S33)
η＝Arc tan2(S12,S11) (8)
射线源的位置坐标为:
o＝[ox,oy,oz]T＝-STt (9)
得出的位移向量t＝(t1,t2,t3):
t1＝A34
t2＝(A24-K23A34)/K22
t3＝(A14-t13A34-K2A12)/K11 (10)
射线源到扫描物体中心的距离(SOD):
在静态CT成像系统具有多个射线源的情况下，静态CT成像系统的多个射线源各单独发射一次射线，利用发射的射线穿过校正体模在探测器上的各幅成像，就可以得到整个静态CT系统的校正后的几何参数。获得的校正后的几何参数可用于系统机械安装误差的检测及修正，也可用于系统CT高质量成像重建。
本发明的静态CT系统几何参数校正方法适合离体CT系统和活体CT系统。离体CT系统是样本旋转，射线源和探测器不动的系统，活体CT系统是样本不动，射线源和探测器旋转的系统。另外，本发明的方法除应用于锥束CT系统，经适当变形后，也可应用于PET、SPECT系统。
图4是经过本发明的几何参数校正方法校正前后的重建图像质量比较图。(a)为理想无误差图像。(b)～(d)为不同探测器偏移情况下未经过参数校正直接重建的图像质量：其中，(b)偏移offset＝1pixel(像素)；(c)偏移offset＝2pixels；(d)偏移offset＝5pixels。(e)～(h)为不同探测器偏移情况下经过几何参数校正后再重建的图像质量：其中，(e)偏移offset＝0pixel；(f)偏移offset＝1pixel；(g)偏移offset＝2pixels；(h)偏移offset＝5pixels。从图中可以看到，经过几何参数校正后进行重建的图像成像质量较好，图像中的伪影远远小于没有经过参数校正的图像。
图5是将图4中所有图像和理想重建图像之间的残差图像进行比较的示意图。所谓残差图像即将图4中所有图像与图4(a)分别相减后的残余图像。将图4中所有图像和理想重建图像之间的残差图像进行比较，从图中可以看到，经过几何参数校正后进行重建的图像的残差远远小于没有经过几何参数校正的图像。这里的图像窗宽为[-0.13 0.07]。这也从另一方面证明，静态CT系统经过几何参数校正后进行重建的图像成像质量较好。
显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种静态CT系统几何参数校正方法，所述静态CT系统由多个射线源和一个以上探测器构成，所述几何参数为每个射线源与对应的探测器之间的几何参数，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤a：将校正体模放置在需要校正几何参数的静态CT系统中，所述校正体模具有标记小球；
步骤b：每个射线源触发一次射线，获得多幅投影；以及
步骤c：根据每幅投影中标记小球的投影中心点的坐标，结合已知的标记小球在待校正系统中的坐标，计算获得整个静态CT系统的校正后的几何参数。
2.根据权利要求1所述的静态CT系统几何参数校正方法，其特征在于，所述几何参数为所述静态CT系统的10个几何参数，包括：射线源S的坐标位置(Ox,Oy,Oz)、射线源S在探测器平面的投影中心点坐标(u0,v0)、探测器的扭转角θ、探测器的倾斜角φ、探测器的旋转角η、射线源到扫描物体中心的距离(SOD)，射线源到探测器的距离(SDD)。
3.根据权利要求1所述的静态CT系统几何参数校正方法，其特征在于，所述校正体模由支撑体和安装于所述支撑体上的标记小球构成，所述支撑体为低吸收材料，所述标记小球为高吸收材料。
4.根据权利要求3所述的静态CT系统几何参数校正方法，其特征在于，所述支撑体为碳纤维材料或者聚甲基丙烯酸甲酯，所述标记小球为钢珠。
5.根据权利要求4所述的静态CT系统几何参数校正方法，其特征在于，所述标记小球的数量、大小以及位置以校正过程中在探测器上的投影不造成重叠为宜。
6.根据权利要求5所述的静态CT系统几何参数校正方法，其特征在于，所述步骤c进一步包括如下步骤：
步骤c1：对于每幅投影图，在小球投影坐标(u,v)和实际校正体模中的标记小球的三维坐标(x,y,z)之间利用一个3×4投影矩阵A建立映射关系：
[Ax,Ay,Az,A]T＝[au,av,a]T (1)
其中，α为一比例参数，投影矩阵A的构成如下：
A＝K[S|t] (2)
上述(2)式中，K为一个3×3上三角矩阵,S为一个3×3旋转矩阵,t为3×1位移向量，
上述(3)式中，u0和v0为射线源在探测器平面的投影点坐标,λ为探测器像素的大小，
公式(2)中旋转矩阵S可以进一步用三角函数表达为：
θ为探测器的扭转角、φ为探测器的倾斜角、η为探测器的旋转角，公式(2)中位移向量t为：
步骤c2：由以上公式联立求解，得到静态CT系统的校正后的几何参数，包括：
探测器平面的投影中心点坐标(u0,v0)：
u0＝K13,v0＝K23 (6)
射线源到探测器的距离(SDD):
SDD＝K11λ (7)
探测器的扭转角θ、探测器的倾斜角φ、探测器的旋转角η分别为:
θ＝Arc tan 2(S32,S33)
η＝Arc tan 2(S12,S11) (8)
射线源的位置坐标为:
o＝[ox,oy,oz]T＝-STt (9)
得出的位移向量t＝(t1,t2,t3):
t1＝A34
t2＝(A24-K23A34)/K22
t3＝(A14-t13A34-K2A12)/K11 (10)
射线源到扫描物体中心的距离(SOD):
7.根据权利要求1所述的静态CT系统几何参数校正方法，其特征在于，所述静态CT成像系统的多个射线源各单独发射一次射线，利用发射的射线穿过所述校正体模在探测器上的各幅投影成像，可以得到整个静态CT系统的校正后的几何参数。
8.根据权利要求1所述的静态CT系统几何参数校正方法，其特征在于，所述方法适合离体CT系统和活体CT系统。
9.根据权利要求1所述的静态CT系统几何参数校正方法，其特征在于，所述多个射线源形成一个以上射线源阵列，所述一个以上射线源阵列和所述一个以上探测器布置为四边形或者六边形或者N边形方式。
10.根据权利要求3所述的静态CT系统几何参数校正方法，其特征在于，在一个实施例中，所述校正体模的形状为立方体，所述标记小球分别安装于所述立方体的两个相对表面的角部。
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