CN111166364A - 基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定方法及其系统。本发明在C臂加载的平板探测器的中央探测器行上安装摄像头，采用直径已知的长直圆柱作为参照物，参照物位于理想的旋转中心轴上并且位置已知，C臂带动旋转，摄像头拍摄各个角度下的拍摄图像，进行图像处理，并与理想的旋转中心轴进行比对，计算得到在相应角度下关于理想的旋转中心轴的横向偏离值；成本低廉，方法简易灵活，适用范围广，精度取决于摄像头精度，因此具有较高精度；本发明应用于各类C臂加载的平板探测器需要测量旋转中心轴的偏移的医学应用场景，进行旋转中心轴的校准。

Description

基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定方法及其系统

技术领域

本发明涉及医学成像和治疗领域，具体涉及一种基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定方法及其测定系统。

背景技术

在大型放疗设备，数字减影，锥束CT(X-ray computed tomography)，平板PET(Positron Emission Tomography，PET)中，经常使用可探测高能光子的平面型探测器单元阵列，这些平板探测器可绕病人进行旋转采样，从而采集到足够的投影数据进行图像重建，获得病人的断层(tomography)图像。但由于支撑平板探测器的机架多为较灵活的C臂结构，在平板探测器围绕病人转动过程中，可能有重力造成的形变误差(探头较重时)，由此可造成平板探测器的转动中心发生漂移，即不是绕一个固定轴进行转动。具体说就是在投影空间，平板探测器的中央探测器行与固定的转动轴线发生偏离，此时平板探测器的中央探测器行的投影与固定轴的投影不一致，也可叫非等中心偏差。在成像设备中，当该偏差大于1/2个探测单元尺寸时，就会给后续的图像重建带来误差，从而可能降低图像分辨率。在其他C臂结构设备中，该偏离误差会引起定位偏差。引起该非等中心偏差的一个重要来源是探头重量导致的C臂形变，这也是大C臂结构悬挂较重的(>15kg)平板探测器或其他种类部件(如放射治疗头)的常见的误差源，与加工、组装精度无关。在旋转放疗头，平板PET，DSA血管减影等设备中，都存在此类形变误差，人们采用多种方法来解决，比如牺牲灵活性而采用昂贵的“闭环”转动机构来避免重力形变误差，也有的用专用模具或专用检测仪对此形变误差进行准确测量，并且用软件方法进行校正，比如放疗中，利用等中心激光校正仪、三维水箱扫描、或半导体电离室矩阵等工具来验证激光所指示的等中心与X射线束等中心的一致性检查，通过X光胶片曝光后的显像进行对比。又比如CBCT(锥束CT)中，人们采用带有标识物(钢条、钢珠，且呈立体分布)的校准靶模具，利用自身的X光源进行照射，观察校准靶中标识物成像后的位置，与已知的实际位置进行对比，从而检测出偏差发生的角度与大小，最终用于图像校正。但此类方法也有缺点，有的为专用仪器，造价昂贵，有时需要自身带有X光源。

发明内容

针对以上现有校正技术中存在的缺点，本发明提出了一种基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定系统及其测定方法。

本发明的一个目的在于提供一种基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定系统。

本发明针对平板探测器，平板探测器安装在放射治疗和医学成像仪器的C臂的末端，在C臂的一端安装平板探测器或在C臂的两端分别安装一个平板探测器。C臂具有占用空间小、使用灵活且造价低的优点，但是容易造成旋转中心轴的偏移。能够在C臂上加载各种平板探测器，包括用C臂进行三维(3D)旋转采样的平板CT、平板PET、平板SPECT及旋转放疗头等及其他需要在转动中精确定位的C臂设备。

本发明的基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定系统包括：摄像头、图像采集器、图像处理系统、参照物和支架；其中，摄像头连接至图像采集器，图像采集器连接至图像处理系统；摄像头固定安装在平板探测器的中央探测器行上，并且摄像头位于平板探测器内侧的探测区域内，摄像头的敏感面正对探测区域；参照物水平放置在支架上；参照物为长直圆柱，参照物的表面不反光，参照物的直径已知，并且参照物相对于地面的位置已知；在C臂位于0°时，摄像头和平板探测器的敏感面均与水平面垂直，摄像头的俯仰角为水平位，即摄像头的敏感面的法线位于水平面；在C臂位于90°时，摄像头和平板探测器的敏感面均与水平面平行；在C臂位于0°和90°时，参照物在摄像头的拍摄图像中均位于正中央；C臂按照设定的步进间隔旋转到一个设定角度即理论角度，得到各个角度下的拍摄图像，根据拍摄图像得到各个角度下的中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值Δy，同时计算中央探测器行关于理想的旋转中心轴的角度偏离值Δθ，根据各个角度下的中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值和关于理想的旋转中心轴的角度偏离值作为校正系c，得到在各个角度下的校正表，从而在平板探测器实际使用时，按照校正表进行校正。

参照物垂直于中心轴的截面为中心对称图形，并且沿长度方向截面完全一致，沿长度方向笔直不能有弯曲，从而在旋转过程中不会发生轮廓的改变，并且长度超过摄像头的视野范围。在参照物的表面涂黑漆，使得表面不能有反光。

参照物的直径为5～10mm及以上，不能太小，否则易弯曲变形，参照物直径的成像宽度达到50～100个像素为佳，保证其边界提取的相对测量误差在百分之五以内；参照物长度应大于平板探测器的视野宽度，例如对人体腹部探测，其为500～1000mm。

本发明的基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定方法，针对平板探测器较重时由重力造成的形变位置误差，使得平板探测器关于理想的旋转中心轴发生的偏离值进行测定，包括以下步骤：

1)调试摄像头：

a)将摄像头固定安装在平板探测器的中央探测器行上，并且摄像头位于平板探测器内侧的探测区域内；

b)在C臂位于0°时，摄像头和平板探测器的敏感面均与水平面垂直，调试摄像头的俯仰角为水平位，即摄像头的敏感面的法线位于水平面；

2)调试参照物：

a)提供参照物，参照物为长直圆柱，参照物的表面不能有反光，测量得到参照物的直径；

b)采用支架将参照物水平放置，在C臂位于0°时，调整参照物位置，使得参照物位于摄像头的摄像图像正中央；

c)在C臂位于90°时，摄像头和平板探测器的敏感面均与水平面平行，调整参照物位置，使得参照物位于摄像头的摄像图像正中央；

d)此时，参照物所在的位置即是理想的旋转中心轴，精确测量此时参照物相对于地面的位置；

3)C臂带动平板探测器和摄像头位于一个设定角度即理论角度，摄像头拍摄采样，保存拍摄图像，并记录此时的实测角度值；

4)C臂按照设定的步进间隔旋转到下一个设定角度即理论角度，重复步骤3)，直至从0°旋转到180°，得到各个角度下的拍摄图像，拍摄图像中含有中央探测器行关于理想的旋转中心轴的偏离值或非等中心偏离的信息，参照物在拍摄图像中的位置有变化；

5)通过图像处理系统，对各个角度下的拍摄图像进行处理，计算各个角度下参照物在拍摄图像中的位置变化值，这一位置变化值即为各个角度下的中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值Δy；同时计算理论角度值与实测角度值之差，此即中央探测器行关于理想的旋转中心轴的角度偏离值Δθ；

6)校正：

a)在没有角度偏差情况下，将各个角度下的中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值作为校正系数c，得到在各个角度下的校正表，从而在平板探测器实际使用时，按照校正表进行校正，如此将由于重力形变造成的关于转轴中心轴的横向偏离值直接扣除掉，即将中央探测器行按照校正表给出的校正系数进行中央探测器行位置偏移修正，就完成了等中心校正，即c＝-Δy；

b)在同时存在角度偏差时，由于拍摄图像测量得到的横向偏离值是真实的横向偏离值与角度偏差引起的额外的角度偏离值Δy′的加和，此时校正系数为c＝-Δy+Δy＇，得到在各个角度下的校正表，从而在平板探测器实际使用时，按照校正表进行校正，将关于转轴中心轴的横向偏离值和角度偏离值直接扣除掉，就完成了等中心校正；其中Δy＇＝R×tg(Δθ)；R是中央探测器行到旋转中心轴的距离，也是旋转半径。

其中，在步骤1)中，在每一个C臂加载的平板探测器的中央探测器行上，均固定安装一个摄像头。

在步骤2)中，参照物垂直于中心轴的截面为中心对称图形，并且沿长度方向截面完全一致，沿长度方向笔直不能有弯曲，从而在旋转过程中不会发生轮廓的改变，并且长度超过摄像头的视野范围。在参照物的表面涂黑漆，使得表面不能有反光。

在步骤4)中，由于C臂的形变的误差不是频繁的变化，采样角度的步进间隔为5～20°。理论角度为无悬挂探测器或重物、无其他机械误差时的角度值。重力造成的形变位置误差，表现为悬挂的探测器或重物沿旋转坐标系下Y轴方向的偏离值，叫横向偏离值，沿旋转坐标系下X轴方向的偏离值叫径向偏离值，径向偏离值大小对图像重建影响很小，可以忽略。同时记录各个实测角度值，因为重力形变也可造成探测器和摄像头的前视角度偏离原规定角度值。

进一步，进行多次步骤2)～6)的操作，中间间隔多天，进行重复实验，模拟临床实际操作C臂移动，分别形成一组数据；取多组数据的平均值创建校正系数数据库(lookup表)，观察数据重复性，评估校正数据库的有效性；如果设备还有其他误差，则与关于理想的旋转中心轴的横向偏离值联合，从而导出断层重建时所需要的中央探测器行的校正系数。

本发明的优点：

本发明在C臂加载的平板探测器的中央探测器行上安装摄像头，采用直径已知的长直圆柱作为参照物，参照物位于理想的旋转中心轴上并且位置已知，C臂带动旋转，摄像头拍摄各个角度下的拍摄图像，进行图像处理，并与理想的旋转中心轴进行比对，计算得到在相应角度下关于理想的旋转中心轴的横向偏离值；成本低廉，方法简易灵活，适用范围广，精度取决于摄像头精度，因此具有较高精度；本发明应用于各类C臂加载的平板探测器需要测量旋转中心轴的偏移的医学应用场景，进行旋转中心轴的校准。

附图说明

图1为本发明的基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定方法的非等中心偏离的示意图；

图2为本发明的关于旋转中心的角度偏差造成的横向偏离值的示意图；

图3为本发明的基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定方法的摄像头测量关于理想的旋转中心轴的横向偏离值的示意图；

图4为本发明的基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定方法的平板PET关于理想的旋转中心轴的非等中心偏离的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，有中心偏离的平板探测器3’的中央探测器行A与无中心偏离的平板探测器3理想的旋转中心轴偏离Δy，摄像头4也随之偏移。本实施例中，平板PET安装在C臂01的末端，C臂安装在底座02上。理想的旋转中心轴位于理想坐标轴XYZ的Z轴上。图中无中心偏离的以实线表示，有中心偏离的以虚线表示。

在本实施例中，参照物采用长直的铁棒，铁棒的表面涂黑漆。铁棒的直径为10mm；长度为1000mm。参照物直径的成像宽度达100个像素为佳，保证其边界提取的相对测量误差在百分之五，对于直径10mm的参照物，测量误差<0.5mm，参照物长度应大于平板探测器的视野宽度，例如对人体腹部探测，其为500～1000mm。

如图4所示，本实施例中包括两个平板PET，分别安装在C臂的两端，二个平板PET各重20kg，各长宽为400×300mm，二个平板PET的间距为2R＝600mm。

本实施例的基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定方法，包括以下步骤：

1)调试摄像头：

c)将摄像头固定安装在平板探测器的中央探测器行上，并且摄像头位于平板探测器内侧的探测区域内；

d)在C臂位于0°时，摄像头和平板探测器的敏感面均与水平面垂直，调试摄像头的俯仰角为水平位，即摄像头的敏感面的法线位于水平面。

2)调试参照物：

e)提供参照物，参照物为长直圆柱，参照物的表面不能有反光，测量得到参照物的直径；

f)采用支架将参照物水平放置，在C臂位于0°时，调整参照物位置，使得参照物位于摄像头的摄像图像正中央；

g)在C臂位于90°时，摄像头和平板探测器的敏感面均与水平面平行，调整参照物位置，使得参照物位于摄像头的摄像图像正中央；

h)此时，参照物所在的位置即是理想的旋转中心轴，精确测量此时参照物相对于地面的位置。

3)C臂带动平板探测器和摄像头位于设定角度即理论角度，摄像头拍摄采样，保存拍摄图像，并记录此时的实测角度值，因为重力形变也可造成探测器和摄像头的前视角度偏离原设定角度值，如图2所示，理论角度与实测角度偏差之差即为中央探测器行关于理想的旋转中心轴的角度偏离值Δθ。

4)C臂按照设定的步进间隔旋转到下一个角度，重复步骤3)，直至从0°旋转到180°，角度间隔为10°，得到各个角度下的拍摄图像，拍摄图像中含有中央探测器行关于理想的旋转中心轴的偏离值或非等中心偏离的信息，参照物5在拍摄图像的拍摄区域D中的位置有变化，计算各个角度下参照物在拍摄图像中的位置变化值，这一位置变化值即为各个角度下的中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值Δy，如图3所示，其中L为无偏移时参照物5在拍摄区域D的位置，L’为有偏移时参照物5在拍摄区域D的位置。

5)通过图像处理系统，对各个角度下的拍摄图像进行处理，计算出各个角度下的参照物的位置变化值，这个变化值就是在相应角度下中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值，以中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值作为校正系数；本实施例中，最大横向偏离值达到6mm，而平板PET单元尺寸为3.75mm，所以必须做校正。本实施例中，采用图像边界提取算法，自动调节阈值参数，使任意角度下圆柱上下边界间距等于其直径，用上下边界所在的纵坐标y值之平均作为理想的旋转中心轴在图像空间y坐标系中的坐标值y(θ)，对比该y(θ)值与0度或90度(无偏差)时的坐标值y(0)，就可以得到该角度下中央探测器行关于转动轴的横向偏离值：Δy(θ)＝y(θ)-y(0)。本实施例中，角度偏差的数量级都在±0.15度以内，也是角度测量仪的测量精度范围，对应的额外横向偏离值Δy′＜1mm，在此忽略不计，于是其相应校正系数就是：c(θ)＝y(0)-y(θ)。

进行多次步骤2)～6)的操作，中间间隔3～5天，进行重复实验，模拟临床实际操作C臂移动，分别形成一组数据；取多组数据的平均值创建校正系数数据库(lookup表)，观察数据重复性，评估校正数据库的有效性；本实施例中，多次重复测量得到y1(θ)，y2(θ)，y3(θ)，…yi(θ)，i为重复测量次数，为自然数，本实施例中取i＝5，当y1(θ)，y2(θ)，y3(θ)，…yi(θ)之间最大横向偏离值的差别(涨落)<1mm时，就可以认为多组数据的平均值创建的校正系数数据库有效，即重复性好。在实际临床操作中，校正方法就是对所有采集角度下依照校正表中的c(θ)进行y方向软件校正，即图像重建中央探测器行的重新定义，即可完成关于重力形变误差的校正，保证后续图像重建时的转动中心的准确性和唯一性。在本实施例中其他误差很小，均可忽略。

每次实验记录4×19个角度，偏差的数值，发现数据的重复性非常好，误差出现的位置与幅度高度重复。

关于转动轴最大偏差达到6mm，而平板PET条尺寸为3.75mm，PET空间分辨～7mm，因此需要在重建前对关于转动轴的偏差进行校正。具体采用的校正方法是：测量一组横向偏离数据，创建校正系数数据库，去校正另外一组数据，最后得到了很好校正效果，校正后最大偏离值小于1mm。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定方法，针对平板探测器较重时由重力造成的形变位置误差，使得平板探测器关于旋转中心轴发生的偏离值进行测定，其特征在于，所述测定方法包括以下步骤：

1)调试摄像头：

a)将摄像头固定安装在平板探测器的中央探测器行上，并且摄像头位于平板探测器内侧的探测区域内；

b)在C臂位于0°时，摄像头和平板探测器的敏感面均与水平面垂直，调试摄像头的俯仰角为水平位，即摄像头的敏感面的法线位于水平面；

2)调试参照物：

a)提供参照物，参照物为长直圆柱，参照物的表面不能有反光，测量得到参照物的直径；

b)采用支架将参照物水平放置，在C臂位于0°时，调整参照物位置，使得参照物位于摄像头的摄像图像正中央；

c)在C臂位于90°时，摄像头和平板探测器的敏感面均与水平面平行，调整参照物位置，使得参照物位于摄像头的摄像图像正中央；

d)此时，参照物所在的位置即是理想的旋转中心轴，精确测量此时参照物相对于地面的位置；

3)C臂带动平板探测器和摄像头位于一个设定角度即理论角度，摄像头拍摄采样，保存拍摄图像，并记录此时的实测角度值；

4)C臂按照设定的步进间隔旋转到下一个设定角度即理论角度，重复步骤3)，直至从0°旋转到180°，得到各个角度下的拍摄图像，拍摄图像中含有中央探测器行关于理想的旋转中心轴的偏离值或非等中心偏离的信息，参照物在拍摄图像中的位置有变化；

5)通过图像处理系统，对各个角度下的拍摄图像进行处理，计算各个角度下参照物在拍摄图像中的位置变化值，这一位置变化值即为各个角度下的中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值Δy；同时计算理论角度值与实测角度值之差，此即中央探测器行关于理想的旋转中心轴的角度偏离值Δθ；

6)校正：

a)在没有角度偏差情况下，将各个角度下的中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值作为校正系数c，得到在各个角度下的校正表，从而在平板探测器实际使用时，按照校正表进行校正，如此将由于重力形变造成的关于转轴中心轴的横向偏离值直接扣除掉，即将中央探测器行按照校正表给出的校正系数进行中央探测器行位置偏移修正，就完成了等中心校正，即c＝-Δy；

b)在同时存在角度偏差时，由于拍摄图像测量得到的横向偏离值是真实的横向偏离值与角度偏差引起的额外的角度偏离值Δy′的加和，此时校正系数为c＝-Δy+Δy′，得到在各个角度下的校正表，从而在平板探测器实际使用时，按照校正表进行校正，将关于转轴中心轴的横向偏离值和角度偏离值直接扣除掉，就完成了等中心校正；

其中Δy′＝R×tg(Δθ)；R是中央探测器行到旋转中心轴的距离，也是旋转半径。

2.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在步骤1)中，在C臂的一端安装平板探测器或在C臂的两端分别安装一个平板探测器，在每一个C臂加载的平板探测器的中央探测器行上，均固定安装一个摄像头。

3.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在步骤2)中，参照物垂直于中心轴的截面为中心对称图形，并且沿长度方向截面完全一致，沿长度方向笔直不能有弯曲，从而在旋转过程中不会发生轮廓的改变，并且长度超过摄像头的视野范围。

4.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在步骤2)中，在参照物的表面涂黑漆，使得表面不能有反光。

5.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在步骤4)中，采样角度的步进间隔为5～20°。

6.一种基于光学摄影的平板探测器旋转中心的测定系统，平板探测器安装在放射治疗和医学成像仪器的C臂的末端，在C臂的一端安装平板探测器或在C臂的两端分别安装一个平板探测器，其特征在于，所述平板探测器旋转中心的测定系统包括：摄像头、图像采集器、图像处理系统、参照物和支架；其中，摄像头连接至图像采集器，图像采集器连接至图像处理系统；摄像头固定安装在平板探测器的中央探测器行上，并且摄像头位于平板探测器内侧的探测区域内，摄像头的敏感面正对探测区域；参照物水平放置在支架上；参照物为长直圆柱，参照物的表面不反光，参照物的直径已知，并且参照物相对于地面的位置已知；在C臂位于0°时，摄像头和平板探测器的敏感面均与水平面垂直，摄像头的俯仰角为水平位，即摄像头的敏感面的法线位于水平面；在C臂位于90°时，摄像头和平板探测器的敏感面均与水平面平行；在C臂位于0°和90°时，参照物在摄像头的拍摄图像中均位于正中央；C臂按照设定的步进间隔旋转到一个设定角度即理论角度，得到各个角度下的拍摄图像，根据拍摄图像得到各个角度下的中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值Δy，同时计算中央探测器行关于理想的旋转中心轴的角度偏离值Δθ，根据各个角度下的中央探测器行关于理想的旋转中心轴的横向偏离值和关于理想的旋转中心轴的角度偏离值作为校正系c，得到在各个角度下的校正表，从而在平板探测器实际使用时，按照校正表进行校正。

7.如权利要求6所述的平板探测器旋转中心的测定系统，其特征在于，所述参照物垂直于中心轴的截面为中心对称图形，并且沿长度方向截面完全一致，沿长度方向笔直不能有弯曲，从而在旋转过程中不会发生轮廓的改变，并且长度超过摄像头的视野范围。

8.如权利要求6所述的平板探测器旋转中心的测定系统，其特征在于，所述参照物的表面涂黑漆，使得表面不能有反光。

9.如权利要求6所述的平板探测器旋转中心的测定系统，其特征在于，所述参照物的直径为5～10mm及以上，参照物直径的成像宽度达到50～100个像素，保证其边界提取的相对测量误差在百分之五以内。

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