CN110501360B - 一种用于显微ct系统位姿校正的标准器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于显微CT系统位姿校正的标准器，为AB双面球板，A面平行于B面，共有14个球固定于A面或B面，标准器A面球分布为九宫格结构，第一行球球心分别记为Q₁、R₁、Q₂，第二行球球心分别记为P₁、W、P₂，第三行球球心分别记为Q₃、R₂、Q₄，A面九宫格中心球为W；标准器B面球均匀分布为十字型结构，横向球球心分别记为P₃、M、P₄，纵向球球心分别记为R₃、M、R₄，球距Q₁Q₂＝Q₃Q₄＝P₁P₂＝P₃P₄＝Q₁Q₃＝Q₂Q₄＝R₁R₂＝R₃R₄＝l,球距P₁P₃＝P₂P₄＝R₁R₃＝R₂R₄＝WM＝r。本发明同时提供一种采用所述的标准球实现的显微CT系统位姿校正方法，其特征在于，所述显微CT系统为射线源、精密样品转台、探测器构成，所述位姿校正针对探测器偏转摇摆角θ、俯仰角φ、旋转角η和射线源至样品、探测器的距离d_SW、d_SO参数。

Description

一种用于显微CT系统位姿校正的标准器及实现方法

技术领域

本发明属于三维显微X射线计算机断层成像技术领域，尤其涉及计量型微焦点显微CT扫描成像系统。

背景技术

显微CT系统是继医疗CT系统、工业CT系统后发展的具有高分辨力、针对微小器件的CT系统。显微CT的工作过程：将待测样品放置在精密样品转台上，通过其上端的三维线性运动平台调节样品至转轴中心，以保证样品在后期扫描过程中始终处于成像视场之中；扫描过程中，精密样品转台在控制系统的控制下做旋转运动，X射线源发射的X射线穿透样品，探测器接收投影扫描数据，并存储到存储设备中；扫描结束后，利用重建算法根据获取的投影数据重建出样品的三维图像。

由于计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)重建算法中最具有代表性的是FDK算法，其建立在理想的系统位姿关系上，为保证图像重建质量，需要保证系统位姿关系的准确性。但是，安装CT系统的过程中，机械精度很难达到要求，导致实际的系统几何模型与重建算法要求的几何模型存在偏差，进而产生几何伪影，严重影响CT图像的质量。

目前现有方法多是假定射线源到样品、探测器距离一定且已知，再计算θ、φ、η，这种方法忽视了放大比对单向距离与双向距离测量不确定度的影响，同时参数校正过程复杂，需要多次扫描投影，重复性难以保证。

发明内容

针对上述情况，本发明提供了一种用于显微CT系统位姿校正的标准器及实现方法，以提高重建图像质量。本发明采用的技术方案如下：

一种用于显微CT系统位姿校正的标准器，其特征在于，标准器为AB双面球板，A面平行于B面，共有14个球固定于A面或B面，标准器A面球分布为九宫格结构，第一行球球心分别记为Q₁、R₁、Q₂，第二行球球心分别记为P₁、W、P₂，第三行球球心分别记为Q₃、R₂、Q₄，A面九宫格中心球为W；标准器B面球均匀分布为十字型结构，横向球球心分别记为P₃、M、P₄，纵向球球心分别记为R₃、M、R₄，球距Q₁Q₂＝Q₃Q₄＝P₁P₂＝P₃P₄＝Q₁Q₃＝Q₂Q₄＝R₁R₂＝R₃R₄＝l,球距P₁P₃＝P₂P₄＝R₁R₃＝R₂R₄＝WM＝r。

标准器在探测器的投影图中球P₁与P₃、P₂与P₄、R₁与R₃、R₂与R₄的重叠区域占比不超过四分之三。

本发明同时提供一种所述的标准球实现的显微CT系统位姿校正方法，所述显微CT系统为射线源、精密样品转台、探测器构成，所述位姿校正针对探测器偏转摇摆角θ、俯仰角φ、旋转角η和射线源至样品、探测器的距离d_SW、d_SO参数。其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将校正标准器放置在精密样品转台上，机械调整射线源、标准器中心球W在探测器上的投影位于探测器中心，中心球W所在列R₁W R₂与理想探测器像素列平行；

步骤2：利用探测器采集固定投影角度下标准器的投影数据，基于投影数据标记标准器球心坐标，利用标准器各球心位置关系及在实际探测器上的位置关系，对系统位姿校正，得到上述几何参数。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：以A面九宫格中心球W作为标准器中心，将标准器中心球W球心与射线源焦斑在探测器上的投影重合于探测器中心以校正探测器横向与纵向平移距离u、v；

步骤1-2：调整标准器A面与射线源至探测器中心的直线垂直；

步骤1-3：验证步骤1-2，将标准器旋转90°，中心球W与其横向相邻球P₁、P₂在探测器上的投影重叠于探测器中心；中心球W与B面球M的投影中心重合；R₁、R₂的球心投影坐标关于标准器A面中心行P₁P₂对称。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：对显微CT系统建立笛卡尔坐标系，以理想探测器中心点D为原点，以探测器中心到射线源S为x轴，以理想探测器水平像素列为y轴和竖直像素列为z轴，理想探测器下坐标表示为(x，y，z)，根据投影图得到实际探测器下坐标表示为(X,Y,Z)；

步骤2-2：校正探测器的旋转角η角

η＝arctan Z_C/Y_C

其中，Q₁Q₂、Q₃Q₄在实际探测器上投影点连线的交点C坐标(X_C,Y_C,Z_C)

步骤2-3：校正探测器绕中心列的摇摆角φ角，同时校正得出射线源S到探测器中心的距离d_SO，射线源到样品台中心的距离d_SW；

其中

分别为标准器球P₁、P₃在实际探测器上投影点A₁、A₃的坐标值；l为标准器上P₃P₄球距，r为标准器上WM球距；x_S为理想探测器坐标系中射线源S的横坐标；

步骤2-4：校正探测器绕中心行的俯仰角θ角

其中L为球Q₂在实际探测器上投影点E₂至实际探测器中心D的距离；x_S为理想坐标系射线源S的横坐标，理想坐标系下球Q₂坐标

附图说明

图1显微CT系统理想位姿示意图；

图2显微CT系统非理想位姿平板探测器偏转情况示意图，(a)为平板探测器绕竖直轴Z1摇摆偏转θ角到X2Y2Z2坐标系；(b)为平板探测器绕水平轴Y2俯仰偏转φ角至X3Y3Z3坐标系；(c)为平板探测器绕探测器中心点O旋转η角至X4Y4Z4坐标系；(d)为平板探测器沿Y轴与Z轴的偏移至X5Y5Z5坐标系；

图3标准器示意图；

图4标准器A面、B面简化图，(a)为A面，(b)为B面；

图5校正流程图；

图6校正η角；

图7校正φ、d_SO、d_SW；

图8校正θ角。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、优点清晰明了，下面将结合附图，对本发明作进一步的详细描述；应当理解，优选实例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为显微CT系统理想位姿示意图，射线源S在探测器上的投影点为探测器中心点O，以OS为x轴，以探测器中心像素行为y轴，以探测器中心像素列为z轴，建立笛卡尔坐标系。图2为显微CT系统非理想位姿平板探测器偏转情况示意图，(a)为平板探测器绕竖直轴Z1摇摆偏转θ角到X2Y2Z2坐标系；(b)为平板探测器绕水平轴Y2俯仰偏转φ角至X3Y3Z3坐标系；(c)为平板探测器绕探测器中心点O旋转η角至X4Y4Z4坐标系；(d)为平板探测器沿Y轴与Z轴的偏移至X5Y5Z5坐标系。图3校正用标准器示意图，射线源发出射线先经过标准器A面，再经过B面。以中心球W为校准过程中的中心球，标准器上坐标点及其在探测器上的投影点为后期校正所需。球距Q₁Q₂＝Q₃Q₄＝P₁P₂＝P₃P₄＝Q₁Q₃＝Q₂Q₄＝R₁R₂＝R₃R₄＝l,球距P₁P₃＝P₂P₄＝R₁R₃＝R₂R₄＝WM＝r。

图5校正流程图。调整射线源在探测器上的投影中心位于探测器中心点O，即校正u、v；将标准器放置在转台上，调整中心球W的投影点与射线源在探测器上的投影中心重合，同时验证标准器中心行平行于y轴，将标准器旋转90°，中心球与其左右球在探测器上的投影重叠于探测器中心，即射线源焦斑中心、W、M、P₁、P₂与探测器中心重合。R₁、R₂的投影点的存在对求取E₁E₂直线、E₃E₄直线及其交点更为准确。R₁、R₃与R₂、R₄的投影对称性可辅助调节中心球点的居中与否及上下位置。

图6校正η角.直线Q₁Q₂与射线源S点构成平面α面，直线Q₃Q₄与射线源S点构成平面β面，Q₁与Q₂的在探测器平面上的投影点为E₁、E₂,Q₃与Q₄在探测器上的投影点为E₃、E₄,连接E₁E₂、E₃E₄，在探测器平面上Y轴上相交于一点C,直线SC为α、β面的交线.

Q₁Q₂平行于Q₃Q₄,Q₃Q₄在β面内，所以Q1Q2平行于β面，这也意味着Q₁Q₂与SC不会有交点，即Q₁Q₂平行于SC.又S点在X轴上，所以点C为直线SC与Y(Y2/Y3)轴的交点。(因点C与点S距离较远，即简略画出示意图)

η＝arctan Z_C/Y_C \*MERGEFORMAT(11)

图7校正φ、d_SO、d_SW，点S坐标(x_s，0，0)，样品中心W(x_w,0,0)，做辅助线A₁B₁垂直于x轴交SP₂于点B₁，A₃B₃垂直于x轴交SP₄于点B₃。

由图6可得

在△SP₁P₂与△SA₁B₁中

在△SP₃P₄与△SA₃B₃中

联立上式(15)(17)

又由(12)得

同理在△SP₁P₂与△SA₂B₂与△SP₃P₄与△SA₄B₄中也适用，可用于辅助性实验。

将求得的φ值带入(12)中，即可得d_SO求得x_s，即射线源到探测器的距离SDD,将求得的φ值带入(16)中,即可得d_SW求得x_w,即射线源到样品的距离SOD。

图8校正θ角，探测器经摇摆角偏转后如图7所示，Q(Q₁、Q₂、Q₃、Q₄)点在实际探测器的投影点为E(E₁、E₂、E₃、E₄)，构建一个与理想探测器同xyz轴坐标系的平板探测器G，平板探测器G与实际探测器相交直线EH，即点E在实际探测器与构建探测器G的交线上。

在理想探测器的坐标下，点E坐标(x_E,y_E,z_E),点E在直线SQ上。以下校正用通用点Q、E代表，图8的校正以点Q₂为例，点Q₂在模体上坐标为

点E在直线SQ上,则

点E为点Q的投影点,则

理想坐标系下E点坐标x_E与y_E的关系，

点E在理想坐标系与实际坐标系下符合关系

由公式(1)(3)得

将公式(21)(22)(24)代入(23)得

以tanθ作为未知数解一元二次方程(26)

可得

点e为E在理想的平板探测器上的点，点e在平板探测器D上，也在直线SE上，所以可计算出其坐标。

1.若SE>Se即x_E<0,tanθ<0则

2.若SE<Se即x_E>0,tanθ>0

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人可以充分了解本发明的内容并能够顺利实施，不能以此限制本发明的保护范围。根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种显微CT系统位姿校正方法，所采用的标准器为AB双面球板，A面平行于B面，共有14个球固定于A面和B面，标准器A面球分布为九宫格结构，第一行球球心分别记为Q₁、R₁、Q₂，第二行球球心分别记为P₁、W、P₂，第三行球球心分别记为Q₃、R₂、Q₄，A面九宫格中心球为W；标准器B面球均匀分布为十字型结构，横向球球心分别记为P₃、M、P₄，纵向球球心分别记为R₃、M、R₄，球距Q₁Q₂＝Q₃Q₄＝P₁P₂＝P₃P₄＝Q₁Q₃＝Q₂Q₄＝R₁R₂＝R₃R₄＝l,球距P₁P₃＝P₂P₄＝R₁R₃＝R₂R₄＝WM＝r；标准器在探测器的投影图中球P₁与P₃、P₂与P₄、R₁与R₃、R₂与R₄的重叠区域占比不超过四分之三；所述显微CT系统为射线源、精密样品转台、探测器构成，所述位姿校正针对探测器偏转摇摆角φ、俯仰角θ、旋转角η和射线源至样品、探测器的距离d_SW、d_SO参数，显微CT系统位姿校正方法其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将校正标准器放置在精密样品转台上，机械调整射线源、标准器中心球W在探测器上的投影位于探测器中心，中心球W所在列R₁ W R₂与理想探测器像素列平行，方法如下：

步骤1-1：以A面九宫格中心球W作为标准器中心，将标准器中心球W球心与射线源焦斑在探测器上的投影重合于探测器中心以校正探测器横向与纵向平移距离u、v；

步骤1-2：调整标准器A面与射线源至探测器中心的直线垂直；

步骤1-3：验证步骤1-2，将标准器旋转90°，中心球W与其横向相邻球P₁、P₂在探测器上的投影重叠于探测器中心；中心球W与B面球M的投影中心重合；R₁、R₂的球心投影坐标关于标准器A面中心行P₁P₂对称；

步骤2：利用探测器采集固定投影角度下标准器的投影数据，基于投影数据标记标准器球心坐标，利用标准器各球心位置关系及在实际探测器上的位置关系，对系统位姿校正，得到上述参数，方法如下：

步骤2-1：对显微CT系统建立笛卡尔坐标系，以理想探测器中心点D为原点，以探测器中心到射线源S为x轴，以理想探测器水平像素列为y轴和竖直像素列为z轴，理想探测器下坐标表示为(x，y，z)，根据投影图得到实际探测器下坐标表示为(X,Y,Z)；

步骤2-2：校正探测器的旋转角η角

η＝arctan Z_C/Y_C

其中，Q₁Q₂、Q₃Q₄在实际探测器上投影点连线的交点C坐标(X_C,Y_C,Z_C)

步骤2-3：校正探测器绕中心列的摇摆角φ角，同时校正得出射线源S到探测器中心的距离d_SO，射线源到样品台中心的距离d_SW；

其中

分别为标准器球P₁、P₃在实际探测器上投影点A₁、A₃的坐标值；l为标准器上P₃P₄球距，r为标准器上WM球距；x_S为理想探测器坐标系中射线源S的横坐标；

步骤2-4：校正探测器绕中心行的俯仰角θ角

其中L为球Q₂在实际探测器上投影点E₂至实际探测器中心D的距离；x_S为理想坐标系射线源S的横坐标，理想坐标系下球Q₂坐标

2.根据权利要求1所述显微CT系统位姿校正方法，其特征在于，标准器用的球由红宝石球制成。

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