CN111449668A - 三维扫描重建中实时几何校正的标记装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于三维扫描重建中实时几何校正的标记装置、方法及系统。该标记装置包括装置本体，装置本体包括标记物和标记物固定组件，标记物固设在标记物固定组件中，且标记物对X射线的衰减幅度高于标记物固定组件对X射线的衰减幅度。该标记装置在扫描过程中可随患者同时被扫描，即在任意投影角度下均能够获得该标记装置的定位标记物信息。通过在不同角度投影下识别标记装置中标记物的位置，计算标记物在不同投影角度下的变化规律，进而可以计算出中心通道的位置并传送给三维重建算法用以进行重建。本申请为DR设备设备或其他机械结构可变的设备进行三维扫描重建提供了可行性，使得这些设备的三维扫描重建功能可用于临床诊断。

Description

三维扫描重建中实时几何校正的标记装置、方法及系统

技术领域

本申请实施例涉及三维扫描技术领域，尤其涉及一种用于三维扫描重建中实时几何校正的标记装置、方法及系统。

背景技术

三维扫描重建又可称为X射线断层扫描重建技术，该技术能够提供被扫描患者断层面的重建图像或图像组。该重建图像或图像组包含被扫描患者扫描区域三维空间内的所有图像信息，医生可以根据需要获得患者断层面、矢状面、冠状面或者三维空间中任意一点的信息用以辅助诊断。相对于传统的X射线摄影技术，三维扫描重建技术提供给医生用以辅助诊断的是没有器官混叠的高空间分辨率、高密度分辨率的图像信息，更加详细准确。

三维扫描重建技术最重要的应用就是多层螺旋CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)设备，该设备已经广泛应用于临床诊断，是目前主要的医学影像设备之一。如图1所示，多层螺旋CT实现三维扫描重建主要包含几何校正、探测器校正、患者扫描、数据重建和图像显示及诊断五个步骤，其中，后四个步骤都是医生日常的常规操作，第一个步骤“几何校正”则需要在设备安装时及设备维护时进行单独操作。

几何校正的主要作用是：采用辅助设备确定扫描设备的物理偏差，并对于该偏差进行校正以保证重建结果的正确性。几何校正可以校正扫描系统中的多个参数，其中最重要的校正参数为中心通道位置，该位置的定义如图2所示。

参照图2，中心通道的定义为：以X射线源为起点，经过设备旋转中心点形成的一条直线与X射线探测器的交点位置对应的通道索引。理论上要求X射线源焦点、旋转中心、X射线探测器的中心点位置共线。然而由于机械加工及装配偏差，中心通道实际位置往往与X射线探测器的中心存在偏移。几何校正主要是通过一些操作计算该偏移，并把偏移量提供给重建算法用来校正中心通道偏移产生的误差。

由于三维重建需要X射线源及探测器在环绕病人一圈的多个不同角度采集患者数据，采用重建算法进行三维重建，且图像空间分辨率往往都在微米级别，因此三维扫描重建对于系统几何精度要求非常高，很小的中心通道误差会引起图像伪影，因此几何校正是确保图像质量至关重要的步骤。目前通用的几何校正方法是离线几何校正，即，当设备安装后或使用一段时间后医生或者维修技师通过扫描特定的模体进行几何校正以获得中心通道位置。

上述离线几何校正的方法适用于在安装后或使用过程中机械结构往往不会发生改变的多层螺旋CT设备，但是对于采用DR(Digital Radiography，直接数字化X射线摄影系统)设备或者其他非固定结构设备进行三维扫描重建的系统来说，由于每次扫描过程中扫描结构也可能产生改变，因此导致离线几何校正失效，无法进行三维扫描重建。

发明内容

鉴于上述原因，本申请实施例的目的在于提供一种实现实时几何校正和中心通道位置计算的技术，以使DR这类机械结构不稳定的设备可以进行三维扫描重建。

为实现上述目的，第一方面，本申请实施例提供了一种用于三维扫描重建中实时几何校正的标记装置，包括装置本体，所述装置本体包括标记物和标记物固定组件；所述标记物固设在所述标记物固定组件中，且所述标记物对X射线的衰减幅度高于所述标记物固定组件对X射线的衰减幅度。

第二方面，本申请实施例提供了一种三维扫描重建中实时几何校正的方法，包括下述步骤：

在预置的角度范围内对患者进行多角度X射线投影；

在每个投影角度下，对探测到的任意一层投影图像的所有像素点进行遍历，在遍历过程中若发现有像素点的像素值小于第一阈值，且该像素点的像素值与邻域的像素点的像素值的差值均大于第二阈值时，将该像素点的位置记录为当前投影角度下的标记物所在索引位置；

根据所有投影角度下的标记物所在索引计算得到中心通道位置。

第三方面，本申请实施例提供了一种三维扫描重建中实时几何校正的系统，包括：

X射线源，用于受控在预置的角度范围内对患者进行多角度投影；

X射线探测器，用于探测患者被X射线投影的投影图像；

中心通道校正模块，用于在每个投影角度下，对探测到的任意一层投影图像的所有像素点进行遍历，在遍历过程中若发现有像素点的像素值小于阈值，且该像素点邻域的像素点的像素值均大于阈值时，将该像素点的位置记录为当前投影角度下的标记物所在索引，并根据所有投影角度下的标记物所在索引计算得到中心通道位置；

三维重建模块，用于根据计算得到的所述中心通道位置重建出患者三维图像。

本申请实施例中，用于三维扫描重建中实时几何校正的标记装置上具有能够在任意角度下在X射线投影图像上被提取的标记物，该标记装置在扫描过程中可随患者同时被扫描，即在任意投影角度下均能够获得该标记装置的定位标记物信息。通过在不同角度投影下识别标记装置中标记物的位置，计算标记物在不同投影角度下的变化规律，进而可以计算出中心通道的位置并传送给三维重建算法用以进行重建。本申请实施例克服了DR设备或其他机械结构可变的设备在进行三维扫描重建需要预先进行几何校正的问题，实时几何校正为DR设备设备或其他机械结构可变的设备进行三维扫描重建提供了可行性，使得这些设备的三维扫描重建功能可用于临床诊断。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的多层螺旋CT实现三维扫描重建的流程图；

图2是现有技术提供的中心通道的定义原理图；

图3是本申请第一实施例提供的可移动式标记装置的结构图；

图4是图3所示的可移动式标记装置中的标记物示意图；

图5是采用图3所示的移动式标记装置的三维扫描重建的流程图；

图6是本申请第一实施例提供的固定式标记装置的结构图；

图7是采用图6所示的固定式标记装置的三维扫描重建的流程图；

图8是本申请第二实施例提供的基于实时几何校正的三维扫描重建的方法的流程图；

图9是本申请第三实施例提供的三维扫描重建中实时几何校正的方法的流程图；

图10是图9所示方法流程中确定标记物像素点的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请第一实施例提供了一种标记装置，该标记装置用于三维扫描重建中的实时几何校正，具体地，该标记装置包括装置本体，装置本体包括标记物和标记物固定组件，其中，标记物固设在标记物固定组件中，使得标记物能够在标记物固定装置中保持稳定，且标记物对X射线的衰减幅度高于标记物固定组件对X射线的衰减幅度，以方便对标记物的提取。

标记物可采用多种形式，例如可采用金属丝形式作为标记物。同样的，标记物也可设计为多种形状，如球状、棒状、片状或其他形状加以标记。标记物可以是一个也可以是多个，多个标记物有助于增加标记物的特性以便于识别提取。

本实施例提供两种标记装置的实现方式，分别为可移动式标记装置和固定式标记装置，前者在使用时可以固定在人体的任何扫描部位上，后者在使用时固定在病人扫描床或者扫描架、扫描靠板等具有病人辅助固定组件的扫描设备上。分别详述如下。

第一种，可移动式标记装置的结构如图3所示，至少包括装置本体31和患者辅助固定组件32，患者辅助固定组件32与装置本体31固定连接，用于根据扫描部位将装置本体31固定于患者身上并随患者同时被扫描，并确保扫描过程中该装置与患者身体的相对稳定。作为一种示例，本实施例的患者辅助固定组件32可采用带有弹性的绑带及魔术贴扣，以便适应不同部位及不同体型的患者。

装置本体31包括标记物和标记物固定组件，标记物固设在标记物固定组件中，标记物固定组件用于使标记物能够在标记物固定装置中保持稳定，不会因为转动及运动造成相对运动。

进一步地，标记物固定组件具有一壳体，标记物固设在壳体中，且在标记物的周围具有填充物填充在壳体中，填充物的作用是填充标记物与装置外壳的空间，进一步保证标记物的稳定性，填充物的材质采用X射线低衰减物质以方便标记物的提取。

进一步地，装置本体31与患者辅助固定组件32之间设有衬垫33，具体可以采用海绵衬垫，可使装置本体31稳固的固定在患者身上并提升佩戴舒适度。

上述标记物和标记物固定组件的材质、具体形状结构不限，只要能符合上述功能特性即可。图4以采用1mm直径的铜丝作为标记物41、以采用有机玻璃作为标记物固定组件42为例示出了二者的形状，为了保证铜丝的强度在铜丝的外层包裹了有机玻璃用以加固填充。由于有机玻璃42对于X射线的衰减远小于铜丝41，因此作为外包层的有机玻璃42不会对标记物41的提取产生影响。

图5示出了采用移动式标记装置的三维扫描重建的流程，包含：可移动式几何校正装置固定、患者摆位及扫描、实时几何校正、三维重建及图像观察诊断几个步骤。医生首先要将本实施例中的可移动式标记装置固定于患者被扫描部位的位置，保证标记装置牢靠，避免出现运动。医生通过X射线辅助定位装置进行患者定位后实时扫描。再通过本申请下文中的实时几何校正算法提取标记物位置并实时计算中心通道坐标，然后传送给三维重建算法，三维重建算法重建患者图像并供医生诊断。

第二种，固定式标记装置的结构如图6所示，主要针对于具有扫描床或者扫描架、扫描靠板等病人辅助固定组件的扫描设备。具体地，包括装置本体，装置本体包括标记物61和标记物固定组件62，装置本体用于固定在具有患者辅助固定组件的扫描设备63上。

如图6所示，固定式标记装置的标记物61位于扫描结构内部，标记物61固定于扫描床或者其他病人辅助固定组件上。该标记装置在扫描过程中与患者同时转动(旋转患者方式)或者与患者保持相对静止探测器与X射线源围绕患者转动(患者固定扫描方式)，这两种方式在获取不同角度下患者的投影信息的同时获取不同角度下标记物信息。

图6中，标记物61位于标记物固定组件62的内部，标记物固定组件62采用低X射线衰减物质构成，以突出标记物61的特性。标记物固定组件62对于标记物61起到保护及支撑作用，并可将标记物61固定于扫描床板上。此处标记物固定组件62可以突出床板也可以嵌入床板内部。只要不影响到标记物61的提取，采用任何固定方式均可。扫描过程中患者被固定于扫描床上，旋转台带动患者、扫描床及标记物61同时转动以获取不同角度下的患者投影数据及标记物的投影数据。

图7示出了采用固定式标记装置的三维扫描重建的流程，相对于采用可移动式标记装置的扫描流程来说，由于固定式标记装置已经固定在扫描床或扫描系统中，因此医生无需再对几何校正标记物进行固定。扫描过程中，医生固定好病人摆位后即可进行正常扫描重建，其余流程与图5一致。

本申请第二实施例提供了一种基于实时几何校正的三维扫描重建的方法，流程如图8所示，包含：几何校正装置固定、患者摆位及扫描、实时几何校正、三维重建及图像观察及诊断五个步骤：

步骤S81，几何校正装置固定：主要目的是设置及固定用于几何校正的标记装置，使得标记物能够与被扫描患者同时被X射线扫描。如果是可移动式几何校正装置需要医生根据扫描部位对用于几何校正的标记装置加以固定，并确认标记物在任何角度下都能够被探测器覆盖。

步骤S82，患者摆位及扫描：医生将患者固定在扫描转台或者站台上，根据扫描部位调整X射线源及探测器的位置并进行扫描，获取不同角度下患者及标记物的投影数据。

步骤S83，通过提取每个角度下标记物所在的位置信息，采用实时几何校正算法计算出中心通道位置并传送给三维重建算法模块。

步骤S84，根据几何校正后获得的中心通道位置通过滤波反投影或其他三维重建算法重建出患者三维图像。

步骤S85，医生通过观察重建图像对患者扫描部位进行相应的诊断。

本申请第三实施例提供了一种三维扫描重建中实时几何校正的方法，即第二实施例中的步骤S83的详细实现方法，如图9所示，包括下述步骤：

步骤S831，在预置的角度范围内对患者进行多角度X射线投影。

对于三维重建扫描设备可以采选旋转探测器和X射线源，或者旋转被扫描对象实现不同角度的采样。一般来说旋转角度需要大于180度加上X射线的扇角。因此对于被扫描空间中的任意位置来说，其在探测器上的投影位置形成的曲线应为一周期曲线类似sin函数，曲线的周期为2π。

步骤S832，在每个投影角度下，对探测到的任意一层投影图像的所有像素点进行遍历，在遍历过程中若发现有像素点的像素值小于第一阈值，且该像素点的像素值与邻域的像素点的像素值的差值均大于第二阈值时，将该像素点的位置记录为当前投影角度下的标记物所在索引位置。

读取每个角度的投影数据，对于该投影角度下探测器中的任意一层遍历该层的所有像素点，当像素点的像素值小于阈值时，即该像素点有可能是标记物位置。但是由于被扫描物体结构的复杂性，像素值小于第一阈值的像素点点并不一定都是标记物位置，也有可能是人体器官被误识别为标记物。为了区别人体器官与标记物，防止人体器官被误识别为标记物，还需要进一步判断该像素点与前后邻域的像素点的像素值的变化情况。由于标记物为一直径或者尺寸较小的物体，一般在探测器范围内覆盖2-3个像素点。而被扫描物体往往具有较大且连续的结构，因此通过对于该像素点前后邻域投影得到的像素值的变化情况判断就能够区分出该像素点是否为标记物对应的像素点。本实施例中采用前后3邻域方式计算邻域内像素值与该点的差值，如图10所示，如果差值的绝对值满足第二阈值要求，说明该像素点位置投影值变化剧烈符合标记物特性。如果差值的绝对值不满足第二阈值要求，则代表该点为被扫描物体而非标记物。在获得该层的标记点索引后记录该像素点的索引位置。

步骤S833，根据所有投影角度下的标记物所在索引计算得到中心通道位置。

当所有投影角度下的标记物索引值都被计算后，遍历标记点索引值，找出索引最大值及最小值并计算均值进而获得该层的中心通道索引位置。实时几何校正计算出中心通道后，传送给三维重建算法用以进行三维重建并将重建结果显示供医生观察诊断。具体可以采用均值法和曲线拟合法来计算中心通道位置。

均值法的原理是：从所有投影角度下的标记物所在索引中选取最大值和最小值，并计算所述最大值与最小值的均值，将计算得到的均值作为中心通道位置。

曲线拟合法的原理是：根据所有投影角度下的标记物所在索引位置拟合出索引曲线；根据所述索引曲线计算得到中心通道位置。根据扫描结构特性，扫描一周后标记物的运动轨迹符合sin曲线，因此将标记物所在像素点的信息拟合成为sin曲线，根据sin曲线的最大值和最小值求平均就可以得到中心通道位置。

当然也可以采用其他方法计算出中心通道位置，具体不限。

本申请第四实施例提供了一种三维扫描重建中实时几何校正的系统，包括X射线源、X射线探测器、中心通道校正模块和三维重建模块，其中，中心通道校正模块和三维重建模块为内置于计算机中的软件单元。功能原理如下：

X射线源用于受控在预置的角度范围内对患者进行多角度投影。

X射线探测器，用于探测患者被X射线投影的投影图像。

中心通道校正模块，用于在每个投影角度下，对探测到的任意一层投影图像的所有像素点进行遍历，在遍历过程中若发现有像素点的像素值小于阈值，且该像素点邻域的像素点的像素值均大于阈值时，将该像素点的位置记录为当前投影角度下的标记物所在索引，并根据所有投影角度下的标记物所在索引计算得到中心通道位置。具体原理介绍参见第三实施例，不再赘述。

三维重建模块，用于根据计算得到的所述中心通道位置重建出患者三维图像。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

综上所述，本申请提出了一种用于三维扫描重建中实时几何校正的标记装置和方法，可以在扫描患者的同时实时进行几何校正，避免了由于机械结构变化及患者摆位变化所引起的单独几何校正过程。尤其适用于采用DR设备进行三维扫描重建过程，能够有效克服DR设备进行三维扫描时面临的几何精度问题，实现实时几何校正，大大降低医生工作量，提升扫描效率并避免由于病人摆位及机械结构不稳定而导致的几何偏差问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于三维扫描重建中实时几何校正的标记装置，其特征在于，包括装置本体，所述装置本体包括标记物和标记物固定组件；所述标记物固设在所述标记物固定组件中，且所述标记物对X射线的衰减幅度高于所述标记物固定组件对X射线的衰减幅度。

2.如权利要求1所述的标记装置，其特征在于，所述标记装置还包括患者辅助固定组件，其与所述装置本体固定连接，用于将所述装置本体固定在患者身上。

3.如权利要求2所述的标记装置，其特征在于，所述标记物固定组件具有一壳体，所述标记物固设在所述壳体中，且在所述标记物的周围具有填充物填充在所述壳体中。

4.如权利要求2或3所述的标记装置，其特征在于，所述装置本体与所述患者辅助固定组件之间设有衬垫。

5.如权利要求1所述的标记装置，其特征在于，所述装置本体用于固定在具有患者辅助固定组件的扫描设备上。

6.一种三维扫描重建中实时几何校正的方法，其特征在于，包括下述步骤：

在预置的角度范围内对患者进行多角度X射线投影；

在每个投影角度下，对探测到的任意一层投影图像的所有像素点进行遍历，在遍历过程中若发现有像素点的像素值小于第一阈值，且该像素点的像素值与邻域像素点的像素值的差值均大于第二阈值时，将该像素点的位置记录为当前投影角度下的标记物所在索引位置；

根据所有投影角度下的标记物所在索引计算得到中心通道位置。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预置的角度范围为180度与用于投影的X射线的扇角之和。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所有投影角度下的标记物所在索引计算得到中心通道位置，具体为：

从所有投影角度下的标记物所在索引中选取最大值和最小值，并计算所述最大值与最小值的均值，将计算得到的均值作为中心通道位置。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所有投影角度下的标记物所在索引计算得到中心通道位置，具体为：

根据所有投影角度下的标记物所在索引拟合出索引曲线；

根据所述索引曲线计算得到中心通道位置。

10.一种三维扫描重建中实时几何校正的系统，其特征在于，包括：

X射线源，用于受控在预置的角度范围内对患者进行多角度投影；

X射线探测器，用于探测患者被X射线投影的投影图像；

中心通道校正模块，用于在每个投影角度下，对探测到的任意一层投影图像的所有像素点进行遍历，在遍历过程中若发现有像素点的像素值小于阈值，且该像素点邻域的像素点的像素值均大于阈值时，将该像素点的位置记录为当前投影角度下的标记物所在索引，并根据所有投影角度下的标记物所在索引计算得到中心通道位置；

三维重建模块，用于根据计算得到的所述中心通道位置重建出患者三维图像。

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