CN109717889A - 口腔锥束ct系统几何参数校正模型、方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种口腔锥束CT系统几何参数校正模型、方法及系统,模型空心圆柱,空心圆柱的表面镶嵌有若干钢珠,各钢珠等间距螺旋分布在空心圆柱的表面。本发明首先采集M个角度下的模型的投影数据,得到模型的M张投影图像,对这些图像进行二值化,并使用基于游程链的连通区域标记方法进行连通区域标记,再计算得到这些图像中的每个钢珠的质心位置,然后根据计算出的每个钢珠在不同角度的M张投影图像中的质心位置,将每个钢珠对应的M个点拟合成椭圆,并计算椭圆参数,再利用计算得到的椭圆的参数计算出口腔锥束CT系统的几何参数,最后利用这些几何参数修正投影模型并进行三维重建。本发明减少了计算量,提高了计算速度和三维重建精度。
Description
技术领域
本发明属于医学成像技术领域,具体涉及一种口腔锥束CT系统几何参数校正模型、方法及系统。
背景技术
随着人们生活水平的提高,口腔健康得到了人们的广泛关注。口腔锥束CT作为在临床医学中广泛应用的一种技术,与传统的口腔CT相比,口腔锥束CT具有放射剂量小,对牙和骨的空间分辨率高等优点。但对系统的几何参数的精确度要求非常高,因此对锥束CT系统做几何参数校正是不可或缺的。
目前存在的几何参数校正方法有相机标定、模型标定和迭代求解。相机标定方法在计算机视觉领域已经成熟,但是一旦采集数据的过程中有抖动,就可能造成很大的误差;模型标定一般采用正方形模型,四周均匀分布四条线缝,这种方法计算简便,但无法保证射线源的中心和模型中心在同一水平面上,造成不必要的误差;迭代求解利用几何关系创建几何参数的代价函数,得到几何校正参数,缺点是容易陷入局部最小点,得不到最优解,而且计算量庞大。
发明内容
本发明提供一种口腔锥束CT系统几何参数校正模型、方法及系统,旨在解决现有技术进行医学图像三维重建时精度低、计算量大的问题。本发明是通过如下技术方案实现的:
一种口腔锥束CT系统几何参数校正模型,包括空心圆柱,所述空心圆柱的表面镶嵌有若干钢珠,各钢珠等间距螺旋分布在所述空心圆柱的表面。
进一步地,所述空心圆柱为有机玻璃。
基于上述模型的口腔锥束CT系统几何参数校正方法,包括如下步骤:
步骤S1:利用平板探测器采集M个角度下的所述模型的投影数据,得到所述模型的M张投影图像;
步骤S2:采用自适应二值化算法对所述M张投影图像进行二值化,并使用基于游程链的连通区域标记方法对得到的二值化图像进行连通区域标记,得到M张经二值化并进行连通区域标记后的图像;
步骤S3:计算所述M张经二值化并进行连通区域标记后的图像中的每个钢珠的质心位置;
步骤S4:根据每个钢珠在不同角度的M张投影图像中的质心位置,将每个钢珠对应的M个点拟合成椭圆,并计算椭圆参数;
步骤S5:利用椭圆的参数计算出口腔锥束CT系统的几何参数;
步骤S6:利用所述口腔锥束CT系统的几何参数,修正投影模型并进行三维重建。
进一步地,在所述步骤S1中,在采集过程中,所述模型置于旋转台,所述平板探测器与旋转台保持垂直,射线源垂直于旋转中心并交于所述平板探测器的中心。
进一步地,所述步骤S2中,标记的方法为,通过动态链表存储相邻两行的游程信息,通过分析游程节点间连通性,将游程节点进行标记。
进一步地,所述计算所述M张经二值化并进行连通区域标记后的图像中的每个钢珠的质心位置的公式为:其中x0和y0分别是钢珠质心的横坐标和纵坐标,f(x,y)是步骤S2得到的经二值化并进行连通区域标记后的图像中点(x,y)处的像素值。
进一步地,所述口腔锥束CT系统的几何参数包括射线源到旋转中心轴的垂直距离、射线源垂直于旋转中心轴到探测器的距离、探测器投影中心的横坐标、探测器投影中心的纵坐标以及探测器平面的旋转角度。
基于上述模型的口腔锥束CT系统几何参数校正系统,包括:
平板探测器,用于采集M个角度下的所述模型的投影数据,得到所述模型的M张投影图像;
投影图像处理模块,用于采用自适应二值化算法对所述M张投影图像进行二值化,并使用基于游程链的连通区域标记方法对得到的二值化图像进行连通区域标记,得到M张经二值化并进行连通区域标记后的图像;
质心计算模块,用于计算所述M张经二值化并进行连通区域标记后的图像中的每个钢珠的质心位置;
椭圆拟合模块,用于根据每个钢珠在不同角度的M张投影图像中的质心位置,将每个钢珠对应的M个点拟合成椭圆,并计算椭圆参数;
几何参数计算模块,用于利用椭圆的参数计算出口腔锥束CT系统的几何参数;
三维重建模块,用于利用所述口腔锥束CT系统的几何参数,修正投影模型并进行三维重建。
进一步地,在采集时,所述模型置于旋转台,所述平板探测器与旋转台保持垂直,射线源垂直于旋转中心并交于所述平板探测器的中心。
进一步地,所述质心计算模块计算所述M张经二值化并进行连通区域标记后的图像中的每个钢珠的质心位置的公式为:其中x0和y0分别是钢珠质心的横坐标和纵坐标,f(x,y)是步骤S2得到的经二值化并进行连通区域标记后的图像中点(x,y)处的像素值。
与现有技术相比,本发明使用基于游程链的连通区域标记方法对得到的二值化图像进行连通区域标记,每次只处理相邻的两行图像数据,只需一次扫描图像就能完成所有连通区域的标记,从而大大提高了算法的计算速度。同时,使用本发明提供的校正方法对口腔锥束CT系统进行几何参数校正后再进行三维图像重建得到的重建图像,与未经本发明提供的校正方法进行几何参数校正就进行三维图像重建得到的重建图像相比,更加清晰,更有利于医生做出快速准确的诊断。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有点更加清晰,下面结合附图对本发明作进一步的详细描述,其中:
图1是本发明实施例提供的一种用于口腔锥束CT系统几何参数校正模型的实物图;
图2是初始位置,即旋转角度为0度时,模型的投影数据,并且钢珠已被选中;
图3a是理想情况下口腔锥束CT系统的几何结构,图3b是非理想情况下口腔锥束CT系统的几何参数示意图;
图4是采集M张图像求得钢珠质心轨迹的示意图;
图5a和图5b是计算几何参数时,几何位置关系的示意图;
图6是几何参数校正方法的流程图;
图7是基于游程链的连通区域标记算法标记连通区域的流程图;
图8是未经过几何校正轴位图;
图9是几何校正后轴位图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,本发明实施例提供的口腔锥束CT系统几何参数校正模型,包括空心圆柱,空心圆柱的表面镶嵌有若干钢珠,各钢珠等间距螺旋分布在空心圆柱的表面。具体来说,该口腔锥束CT系统几何参数校正模型是一个半径为d2(单位为毫米),材质为有机玻璃的空心圆柱,表面均匀镶嵌有若干螺旋分布的钢珠,各钢珠间的距离是d1(单位为毫米)。从上往下看(即从俯视方向看)空心圆柱体,其一圈钢珠数为n(单位为个)。在口腔锥束CT系统旋转过程中,平板探测器上可以得到各个钢珠的投影。钢珠的投影图像如图2所示,图中黑点表示钢珠投影。口腔锥束CT系统几何参数的校正过程主要就是根据这些钢珠的投影数据计算口腔锥束CT系统的几何参数,具体包括五个几何参数:射线源到旋转中心轴的垂直距离、射线源垂直于旋转中心轴到探测器的距离、探测器投影中心的横坐标、探测器投影中心的纵坐标以及探测器平面的旋转角度。
本发明提供的进行口腔锥束CT系统几何参数校正的方法,基于上述模型来实现。图3a是理想情况下口腔锥束CT系统的几何结构,但是现实中总会有偏差,因此现实中口腔锥束CT系统的几何参数示意图如图3b所示。本发明涉及的方法的主要内容就是根据上述模型的投影数据,计算得到口腔锥束CT系统的五个几何参数。利用上述模型进行口腔锥束CT系统几何参数校正的方法的主要流程如图6所示,具体包括:
步骤S1,利用平板探测器采集M个角度下的模型的投影数据,得到模型的M张投影图像。这M个角度从0至360度范围内选择。所得到的这M张投影图像将作为几何参数校正的数据。在采集过程中,尽可能使射线源、旋转中心和平板探测器在理想的位置,模型置于旋转台,平板探测器与旋转台保持垂直,射线源垂直于旋转中心并交于平板探测器的中心。
步骤S2,采用自适应二值化算法对M张投影图像进行二值化,并使用基于游程链的连通区域标记方法对得到的二值化图像进行连通区域标记,得到M张经二值化并进行连通区域标记后的图像。通过二值化可以找到模型边界部分较暗区域的钢珠位置。通过连通区域标记可得到钢珠的区域团块,进行连通区域标记的主要思想是将动态数组引入到连通区域标记算法中,通过动态链表存储相邻两行的游程信息,通过分析游程节点间连通性,将游程节点进行标记。算法每次只处理相邻的两行图像数据,只需一次扫描图像就能完成所有连通区域的标记,从而大大提高了算法的计算速度。该算法的流程如图7所示。
步骤S3,计算M张经二值化并进行连通区域标记后的图像中的每个钢珠的质心位置。利用二值化并进行连通区域标记后的图像计算图像中每个钢珠的质心的计算公式如下:
其中x0和y0是钢珠质心的横纵坐标,f(x,y)是S2过程得到的二值化后连通区域图像点(x,y)处的像素值,在本发明中f(x,y)的值为1或者0。
步骤S4,根据每个钢珠在不同角度的M张投影图像中的质心位置,将每个钢珠对应的M个点拟合成椭圆,并计算椭圆参数。可利用最小二乘法拟合椭圆,得到椭圆的一般方程,并把椭圆轨迹显示在二维平面上。如图4所示是选中的12个钢珠所成的椭圆轨迹。拟合得到的椭圆的一般方程可以表示为如下形式:
Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+1=0 (2)
根据椭圆一般方程的参数得到椭圆轨迹的几何中心的横纵坐标如下:
其中,Xc和Yc分别代表椭圆的几何中心的横坐标和纵坐标,椭圆的长短半轴计算公式分别为:
其中a和b分别代表短半轴和长半轴,长轴倾角为:
如图b5所示,Ai3Ai4为第i个钢珠点A3与点A4之间的距离,即长轴;Ai1Ai2为第i个钢珠点A1与点A2之间的距离,即短轴。
步骤S5,利用椭圆的参数计算出口腔锥束CT系统的几何参数。如图5b所示,椭圆的四个特征点为Ai2(ui2,vi2)、Ai1(ui1,vi1)、Ai3(ui3,vi3)和Ai4(ui4,vi4),有如下关系:
根据以上两式可以得到:
图5b中还存在如下明显的关系:
再将式(8)代入式(7)可得到:
从式(9)中可以看出是椭圆的几何中心的纵坐标,即Yc,为椭圆的几何中心的横坐标,即Xc。如果一共有N个钢珠,令则对N个钢珠有如下数值关系:
通过解方程组(10)可以得到参数v0(即探测器投影中心的纵坐标)和RFD(即射线源垂直于旋转中心轴到探测器的距离)。
然后根据椭圆的几何中心的坐标来计算探测器投影中心的横坐标和探测器平面的旋转角度,如果一共有N个钢珠,它们的关系如下:
通过解方程组(11),并把参数v0代入可以得到参数u0(即探测器投影中心的横坐标)和η(即探测器平面的旋转角度)。
最后,求RFI(即射线源到旋转中心轴的垂直距离),如图5a存在如下关系:
α1=θ10-θ14,α2=θ20-θ24 (12)
由三角关系得到某一时刻实际距离l,其中h为平移平面时移动的距离:
除此之外,还存在如下关系:
利用上述关系以及最远钢珠之间的距离l,l可以根据模型直径、钢珠间隔和每圈的钢珠数计算得出,因此可求得RFI:
综上,通过模型的投影数据,我们依次得到了口腔锥束CT系统几何参数:射线源到旋转中心轴的垂直距离、射线源垂直于旋转中心轴到探测器的距离、探测器投影中心的横坐标、探测器投影中心的纵坐标以及探测器平面的旋转角度。值得注意的是以旋转轴垂直方向的旋转角和以旋转轴水平方向的旋转角,在小于1度的情况下对投影模型的影响小于0.02%,而且在安装过程完全可以保证这两个角度在1度以内,因此不予计算。
步骤S6,利用口腔锥束CT系统的几何参数,修正投影模型并进行三维重建。利用步骤S5求得的口腔锥束CT系统的几何校正参数,作为三维重建的参数使用,便会得到校正之后的重建图像。以头部模型举例,我们对头部模型进行了模拟重建,如图8所示该图为未经过几何参数校正,重建后得到的图像,从图中可以看出明显的重影。如图9所示该图为经过几何参数校正后的重建图像,与未经过几何参数校正就进行重建的图像相比更加清晰,更有利于医生诊断。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种口腔锥束CT系统几何参数校正模型,其特征在于,包括空心圆柱,所述空心圆柱的表面镶嵌有若干钢珠,各钢珠等间距螺旋分布在所述空心圆柱的表面。
2.如权利要求1所述的模型,其特征在于,所述空心圆柱为有机玻璃。
3.基于如权利要求1或2所述的模型的口腔锥束CT系统几何参数校正方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1:利用平板探测器采集M个角度下的所述模型的投影数据,得到所述模型的M张投影图像;
步骤S2:采用自适应二值化算法对所述M张投影图像进行二值化,并使用基于游程链的连通区域标记方法对得到的二值化图像进行连通区域标记,得到M张经二值化并进行连通区域标记后的图像;
步骤S3:计算所述M张经二值化并进行连通区域标记后的图像中的每个钢珠的质心位置;
步骤S4:根据每个钢珠在不同角度的M张投影图像中的质心位置,将每个钢珠对应的M个点拟合成椭圆,并计算椭圆参数;
步骤S5:利用椭圆的参数计算出口腔锥束CT系统的几何参数;
步骤S6:利用所述口腔锥束CT系统的几何参数,修正投影模型并进行三维重建。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,在所述步骤S1中,在采集过程中,所述模型置于旋转台,所述平板探测器与旋转台保持垂直,射线源垂直于旋转中心并交于所述平板探测器的中心。
5.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述步骤S2中,标记的方法为,通过动态链表存储相邻两行的游程信息,通过分析游程节点间连通性,将游程节点进行标记。
6.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述计算所述M张经二值化并进行连通区域标记后的图像中的每个钢珠的质心位置的公式为:其中x0和y0分别是钢珠质心的横坐标和纵坐标,f(x,y)是步骤S2得到的经二值化并进行连通区域标记后的图像中点(x,y)处的像素值。
7.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述口腔锥束CT系统的几何参数包括射线源到旋转中心轴的垂直距离、射线源垂直于旋转中心轴到探测器的距离、探测器投影中心的横坐标、探测器投影中心的纵坐标以及探测器平面的旋转角度。
8.基于如权利要求1或2所述的模型的口腔锥束CT系统几何参数校正系统,其特征在于,包括:
平板探测器,用于采集M个角度下的所述模型的投影数据,得到所述模型的M张投影图像;
投影图像处理模块,用于采用自适应二值化算法对所述M张投影图像进行二值化,并使用基于游程链的连通区域标记方法对得到的二值化图像进行连通区域标记,得到M张经二值化并进行连通区域标记后的图像;
质心计算模块,用于计算所述M张经二值化并进行连通区域标记后的图像中的每个钢珠的质心位置;
椭圆拟合模块,用于根据每个钢珠在不同角度的M张投影图像中的质心位置,将每个钢珠对应的M个点拟合成椭圆,并计算椭圆参数;
几何参数计算模块,用于利用椭圆的参数计算出口腔锥束CT系统的几何参数;
三维重建模块,用于利用所述口腔锥束CT系统的几何参数,修正投影模型并进行三维重建。
9.如权利要求8所述的系统,其特征在于,在采集时,所述模型置于旋转台,所述平板探测器与旋转台保持垂直,射线源垂直于旋转中心并交于所述平板探测器的中心。
10.如权利要求8所述的系统,其特征在于,所述质心计算模块计算所述M张经二值化并进行连通区域标记后的图像中的每个钢珠的质心位置的公式为:其中x0和y0分别是钢珠质心的横坐标和纵坐标,f(x,y)是步骤S2得到的经二值化并进行连通区域标记后的图像中点(x,y)处的像素值。
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