CN112529820A - Cbct系统半扇束几何校正方法、装置、设备和介质 - Google Patents

Cbct系统半扇束几何校正方法、装置、设备和介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了CBCT系统半扇束几何校正方法、装置、设备和介质，方法包括：根据采集的第一校正模体的第一投影图像，得到初步3D‑2D序号匹配结果；构造第一目标函数，并估计CBCT系统的粗略几何参数；根据粗略几何参数对第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像；对第二校正模体重建图像进行图像分割，并进行标记物编码，得到标记图像；根据标记图像，获取标记化的前向投影；将前向投影与第二校正模体重建图像进行标记物3D‑2D序号匹配，构造第二目标函数；根据第二目标函数估计CBCT系统的精确几何参数。本发明提高了CBCT系统半扇束几何校正的鲁棒性，可广泛应用于计算机断层成像技术领域。

Description

CBCT系统半扇束几何校正方法、装置、设备和介质
技术领域
本发明涉及计算机断层成像技术领域，尤其是CBCT系统半扇束几何校正方法、装置、设备和介质。
背景技术
CBCT(Cone-beam Computed Tomography，锥形束计算机断层成像)。CBCT成像在医疗领域的研究目前还处于热门前沿阶段。CBCT系统的平板探测器大小由于制作工艺及成本等因素影响通常小于被扫描采集的物体，在经典的全扇束几何结构下成像物体的投影被“截断”，即探测器不能完整获取成像物体的信息，制约了CBCT重建图像的成像FOV(Filed-Of-View，视野)。
为了增大CBCT系统的成像范围，一些专家学者提出了探测器偏置的大FOV半扇束CBCT系统。探测器偏置策略即将CBCT系统的探测器沿水平方向进行偏移，只采集每个照射角度下物体的左半投影进行重建，从而在不增加工艺难度及设备成本的情况下增大CBCT的成像范围。
但显而易见的，探测器偏置策略增加了CBCT系统的几何结构复杂性，且每个投影角度下物体信息减少一半，容易忽略探测器倾斜角的影响，这对半扇束CBCT系统的几何校正有更严格的要求。此外，探测器偏置导致的几何校正模体投影信息丢失也大大提高了几何校正模体空间标记点与所采集的标记点投影的匹配难度。
相关技术通过未偏置状态的几何校正模体标记点信息引导偏置状态的模体标记点匹配从而达到几何校正目的。但此方法也有不足之处，对于不可切换偏置状态或仅有偏置状态的CBCT系统来说，无法获取其未偏置状态的投影导致校正无法执行。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种鲁棒性强的CBCT系统半扇束几何校正方法、装置、设备和介质。
本发明的一方面提供了CBCT系统半扇束几何校正方法，包括：
根据采集的第一校正模体的第一投影图像，确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与标记物投影的中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果；
根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数，并根据所述第一目标函数估计CBCT系统的粗略几何参数；
根据所述粗略几何参数对采集到的第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像；
对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，并对所述图像分割得到的结果进行标记物编码，得到标记图像；
根据所述标记图像，获取标记化的前向投影；
将所述前向投影与所述第二校正模体重建图像进行标记物3D-2D序号匹配，构造第二目标函数；
根据所述第二目标函数估计所述CBCT系统的精确几何参数；
其中，所述精确几何参数用于目标物体的精确重建及标记物3D-2D序号匹配。
优选地，所述根据采集的第一校正模体的第一投影图像，确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与标记物投影的中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果，包括：
采集第一校正模体的第一投影图像；其中，所述第一校正模体的表面镶嵌有多个标记物；所述标记物的空间坐标为预设坐标；所述标记物的上下端通过方向标记识别；
对所述第一投影图像进行图像分割，得到标记物投影的中心位置坐标；
确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与所述中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果。
优选地，所述根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数，并根据所述第一目标函数估计CBCT系统的粗略几何参数，包括：
根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数；
通过最优化算法优化所述第一目标函数，进而根据优化后的第一目标函数计算CBCT系统的粗略几何参数。
优选地，所述根据所述粗略几何参数对采集到的第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像，包括：
采集第二校正模体的第一投影图像；其中，所述第二校正模体的表面镶嵌有多个标记物；所述标记物的空间坐标为预设坐标；所述标记物的上下端通过方向标记识别；
通过所述粗略几何参数对第二校正模体投影进行几何校正，得到校正后的第二校正模体重建图像；
其中，所述第二校正模体上镶嵌的标记物数量大于所述第一校正模体。
优选地，所述对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，并对所述图像分割得到的结果进行标记物编码，得到标记图像，包括：
对所述第二校正模体重建图像进行图像分割；
按照空间位置关系对所述图像分割得到的标记物进行3D连通域编码，得到多个连通域区域；
为每个所述连通域区域分配与标记物序号相同的灰度值，得到所述标记图像。
优选地，所述根据所述标记图像，获取标记化的前向投影这一步骤中，所述前向投影将穿透物体路径上的编码作为投影灰度值。
优选地，所述将所述前向投影与所述第二校正模体重建图像进行标记物3D-2D序号匹配，构造第二目标函数，包括：
对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，得到标记物投影的第一中心位置坐标；
对所述前向投影进行图像分割，得到标记物投影的第二中心位置坐标；
遍历每个角度投影下每个标记物的所述第一中心位置坐标，确定该角度下距离当前标记物最近的第二中心位置坐标，确定所述第一中心位置坐标与所述第二中心位置坐标之间的第二对应关系；
根据所述第二对应关系，构造所述第二目标函数。
本发明实施例还提供了一种CBCT系统半扇束几何校正装置，包括：
第一匹配模块，用于根据采集的第一校正模体的第一投影图像，确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与标记物投影的中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果；
粗略估计模块，用于根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数，并根据所述第一目标函数估计CBCT系统的粗略几何参数；
几何校正模块，用于根据所述粗略几何参数对采集到的第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像；
图像分割模块，用于对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，并对所述图像分割得到的结果进行标记物编码，得到标记图像；
前向投影模块，用于根据所述标记图像，获取标记化的前向投影；
第二匹配模块，用于将所述前向投影与所述第二校正模体重建图像进行标记物3D-2D序号匹配，构造第二目标函数；
精确估计模块，用于根据所述第二目标函数估计所述CBCT系统的精确几何参数；
其中，所述精确几何参数用于目标物体的精确重建及标记物3D-2D序号匹配。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
本发明的实施例根据采集的第一校正模体的第一投影图像，确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与标记物投影的中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果；根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数，并根据所述第一目标函数估计CBCT系统的粗略几何参数；根据所述粗略几何参数对采集到的第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像；对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，并对所述图像分割得到的结果进行标记物编码，得到标记图像；根据所述标记图像，获取标记化的前向投影；将所述前向投影与所述第二校正模体重建图像进行标记物3D-2D序号匹配，构造第二目标函数；根据所述第二目标函数估计所述CBCT系统的精确几何参数。本发明提高了CBCT系统半扇束几何校正的鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的整体步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的半扇束工程原型机的几何结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第一校正模体标记物放置示意图；
图4为本发明实施例提供的第一校正模体标记物投影中心坐标轨迹及区域划分图；
图5为本发明实施例提供的第二校正模体3D-2D序号匹配原理图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种鲁棒性更强的CBCT系统半扇束几何校正方法、装置、计算机设备和存储介质，如图1所示，所述方法具体包括以下步骤：
根据采集的第一校正模体的第一投影图像，确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与标记物投影的中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果；
根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数，并根据所述第一目标函数估计CBCT系统的粗略几何参数；
根据所述粗略几何参数对采集到的第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像；
对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，并对所述图像分割得到的结果进行标记物编码，得到标记图像；
根据所述标记图像，获取标记化的前向投影；
将所述前向投影与所述第二校正模体重建图像进行标记物3D-2D序号匹配，构造第二目标函数；
根据所述第二目标函数估计所述CBCT系统的精确几何参数；
其中，所述精确几何参数用于目标物体的精确重建及标记物3D-2D序号匹配。
优选地，所述根据采集的第一校正模体的第一投影图像，确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与标记物投影的中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果，包括：
采集第一校正模体的第一投影图像；其中，所述第一校正模体的表面镶嵌有多个标记物；所述标记物的空间坐标为预设坐标；所述标记物的上下端通过方向标记识别；
对所述第一投影图像进行图像分割，得到标记物投影的中心位置坐标；
确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与所述中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果。
具体地，本发明实施例采集第一校正模体的投影图像P1ij，i＝1,2,3,…,Np1，j＝1,2,3,…,Nb1。Np1为投影数量，Nb1为标记物的数量且Nb1≥7。所述的第一校正模体由Nb1个标记物镶嵌在其表面组成，标记物的空间坐标(x1j,y1j,z1j)精确已知，标记物的上下端通过方向标记识别。对P1ij图像的标记物投影进行图像分割，获取标记物投影的中心位置坐标
Figure BDA0002868359930000051
除了获取标记物投影的中心位置坐标，还需要将此坐标与标记物三维空间位置对应才可以进行几何校正。根据圆轨道CBCT扫描特性，同一个标记物所有投影的中心位置所汇聚成的轨迹为椭圆，且越远离中心平面椭圆短轴越长。第一校正模体标记物空间坐标(x1j,y1j,z1j)经过特殊设定使得标记物投影所形成的轨迹不相交。通过椭圆轨迹的所处的空间区域位置可确定标记物空间坐标(x1j,y1j,z1j)与标记物投影的中心位置坐标
Figure BDA0002868359930000061
的一一对应关系，完成初步3D-2D序号匹配。
优选地，所述根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数，并根据所述第一目标函数估计CBCT系统的粗略几何参数，包括：
根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数；
通过最优化算法优化所述第一目标函数，进而根据优化后的第一目标函数计算CBCT系统的粗略几何参数。
具体地，本发明实施例在初步3D-2D序号匹配完成后，构造以下第一目标函数(1)式，估计CBCT系统的粗略几何参数：
(1)、
Figure BDA0002868359930000062
Figure BDA0002868359930000063
其中，(uij,υij)为优化过程中估计出来的标记物投影中心坐标，其计算方法为：
Figure BDA0002868359930000064
Figure BDA0002868359930000065
Figure BDA0002868359930000066
Figure BDA0002868359930000067
Figure BDA0002868359930000068
其中，s1为CBCT系统射线源到旋转中心距离；s2为旋转中心到探测器距离；θi为投影角度；Du,Dv分别为探测器在u，v方向偏离旋转中心垂线的距离；β为机架初始偏转角，η为探测器的倾斜角；θx,θy,θz分别为校正模体沿x，y，z方向偏离旋转中心的角度；Mx,My,Mz分别为校正模体沿x，y，z方向偏离旋转中心的距离。通过最优化算法优化以上第一目标函数(1)，可计算得到CBCT系统的粗略几何参数s1,s2,Du,Dv,β,θx,θy,θz,Mx,My,Mz。
优选地，所述根据所述粗略几何参数对采集到的第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像，包括：
采集第二校正模体的第一投影图像；其中，所述第二校正模体的表面镶嵌有多个标记物；所述标记物的空间坐标为预设坐标；所述标记物的上下端通过方向标记识别；
通过所述粗略几何参数对第二校正模体投影进行几何校正，得到校正后的第二校正模体重建图像；
其中，所述第二校正模体上镶嵌的标记物数量大于所述第一校正模体。
具体地，本发明实施例采集第二校正模体投影P2mn，m＝1,2,3,…,Np2，n＝1,2,3,…,Nb2。Np2为投影数量，Nb2为标记物的数量且Nb2＞＞Nb1≥7。所述的第二校正模体由Nb2个标记物镶嵌在其表面组成，标记物的空间坐标(x2n,y2n,z2n)精确已知，标记物的上下端通过方向标记识别。相比较于第一校正模体，第二校正模体不需要特殊设定使得标记物投影所形成的轨迹不相交，因此第二校正模体所镶嵌的标记物数量比第一校正模体要多得多，通过它所估计出来的几何参数也会更加准确。用粗略的几何参数对第二校正模体投影进行几何校正，并重建得到第二校正模体重建图像V2。
优选地，所述对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，并对所述图像分割得到的结果进行标记物编码，得到标记图像，包括：
对所述第二校正模体重建图像进行图像分割；
按照空间位置关系对所述图像分割得到的标记物进行3D连通域编码，得到多个连通域区域；
为每个所述连通域区域分配与标记物序号相同的灰度值，得到所述标记图像。
具体地，本发明实施例对重建图像V2进行分割，并按照空间位置关系对分割的标记物进行3D连通域编码，为每个连通域区域分配与标记物序号相同的灰度值，得到标记化的图像V2-mask。
优选地，所述根据所述标记图像，获取标记化的前向投影这一步骤中，所述前向投影将穿透物体路径上的编码作为投影灰度值。
具体地，本发明实施例对标记图像V2-mask进行前向投影，得到标记化的前向投影P2mn-mask。值得说明的是，此处的前向投影与常规前向投影不同。通常前向投影计算射线穿透物体的路径上所有体素的积分和作为投影灰度值，此处前向投影会把穿透物体路径上的编码作为投影灰度值。因此通过前向投影建立起了3D物体的标记物序号与2D投影的标记物序号对应关系。
优选地，所述将所述前向投影与所述第二校正模体重建图像进行标记物3D-2D序号匹配，构造第二目标函数，包括：
对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，得到标记物投影的第一中心位置坐标；
对所述前向投影进行图像分割，得到标记物投影的第二中心位置坐标；
遍历每个角度投影下每个标记物的所述第一中心位置坐标，确定该角度下距离当前标记物最近的第二中心位置坐标，确定所述第一中心位置坐标与所述第二中心位置坐标之间的第二对应关系；
根据所述第二对应关系，构造所述第二目标函数。
具体地，本发明实施例对P2mn图像的标记物投影进行图像分割，获取标记物投影的中心位置坐标
Figure BDA0002868359930000081
对P2mn-mask图像的标记物投影进行图像分割，获取标记物投影的中心位置坐标
Figure BDA0002868359930000082
通过遍历每个角度投影下每个标记物的投影中心坐标
Figure BDA0002868359930000083
可找到与该角度下距离该标记物最接近的
Figure BDA0002868359930000084
从而确定了P2mn图像中标记物投影与第二校正模体中标记物的序号对应关系，完成标记物3D-2D序号匹配。
第二校正模体的标记物3D-2D序号匹配完成后，构造以下第二目标函数(2)式，以用来估计CBCT系统的精确几何参数：
(2)、
Figure BDA0002868359930000085
Figure BDA0002868359930000086
其中，(umn,vmn)为优化过程中估计出来的标记物投影中心坐标，其计算方法为：
Figure BDA0002868359930000087
Figure BDA0002868359930000088
Figure BDA0002868359930000089
Figure BDA0002868359930000091
Figure BDA0002868359930000092
上述几何参数意义已前面叙述不再赘述。通过最优化算法优化以上目标函数，可计算得到CBCT系统的精确几何参数s1,s2,Du,Dv,β,θx,θy,θz,Mx,My,Mz，此时估计出的几何参数用在后续的物体精确重建及标记物3D-2D序号匹配中。
优选地，标定模体的标记物材料选择为钢珠；
优选地，标定模体的标记物排序为螺旋状排布；
优选地，标记物投影分割方法为Mask r-cnn网络；
优选地，CBCT重建算法为解析FDK(Feldkamp-Davis-Kress)；
优选地，前向投影算法为Ray Cast算法；
优选地，3D连通域计算采用26邻域连接；
优选地，所选的最优化算法为单纯形多目标优化算法。
下面结合说明书附图，以钢珠作为标记物材料为例，对本发明提供的CBCT系统半扇束几何校正方法的具体实现过程进行详细描述：
本发明实施例使用的CBCT系统为半扇束工程原型机，其几何结构如附图2所示。图2中示出的世界坐标系xyz及探测器坐标系uv定义为本申请的用于解释说明的坐标系，不限制本发明的保护范围。图2中的附图标记中，201代表射线源，202代表成像物体，203代表探测器。图2所示的字母代号(如s1)为发明内容所定义的几何参数，所代表的几何含义与发明内容所叙述的一致。此CBCT系统探测器偏置的距离为15cm，因此设计的Du＝-15cm。设计的射线源到旋转中心距离s1＝84cm，旋转中心到探测器的距离s2＝50cm。其余的几何参数设计值均为0。
本发明实施例的具体操作步骤可以分为6个步骤S101-S106，以下分别对此6个步骤进行详细解释说明：
S101：采集第一校正模体投影，对投影标记物进行分割，并进行初步3D-2D序号匹配。采集第一校正模体的投影图像P1共512张。其中第一校正模体表面按照螺旋排布的顺序镶嵌了共9个钢珠标记物，如附图3中的标记301所示。此外，第一校正模体在低端还有一个方向标记物302，本发明实施例可以通过301或者302对模体的上下端标记识别。标记物的空间坐标经过特殊设定使得标记物投影所形成的椭圆轨迹互不相交，如附图4所示，401、402、403……409即为标记物投影所形成的椭圆轨迹。首先对P1图像的标记物投影采用训练好的maskr-cnn网络进行投影图像里的标记物分割，分割出来钢珠区域标记为Ω，并采用以下公式计算标记物投影的中心位置坐标：
Figure BDA0002868359930000101
其中,p(u,v)为P1在Ω上的投影值。
可以理解的是，如果只知道钢珠在投影中的中心位置还不足以进行几何校正，还需要将此坐标与钢珠点三维空间位置对应才可以进行几何校正。由于同一个标记物所有投影的中心位置所汇聚成的轨迹为椭圆，并且已通过设定使得椭圆轨迹不相交，因此可通过椭圆轨迹的所处的空间区域来确定标记物空间坐标(x1,y1,z1)与标记物投影的中心位置坐标
Figure BDA0002868359930000102
的一一对应关系。如附图4所示，由于探测器偏置的原因，椭圆轨迹的右侧部分缺失。椭圆轨迹401～409可明显看到不相交重叠，因而可将图像沿行方向分为9个图像区域。即每个钢珠点投影的中心位置有属于它本身的运动范围。因而通过判断钢珠点投影的中心位置所处的区域，可知道钢珠点投影的中心位置与钢珠点三维空间位置对应关系，即完成3D-2D序号匹配。
S102：构造目标函数通过最优化方法对匹配好的第一校正模体投影进行粗略几何参数估计。构造公式(1)所示的目标函数，估计CBCT系统的粗略几何参数：
(1)、
Figure BDA0002868359930000103
Figure BDA0002868359930000104
上述几何参数意义已前面叙述不再赘述。通过单纯形算法优化以上目标函数，可计算得到CBCT系统的粗略几何参数s1,s2,Du,Dv,β,θx,θy,θz,Mx,My，Mz。
S103：采集第二校正模体投影，并用粗略的几何参数进行校正重建，得到第二校正模体重建图像。采集第二校正模体投影P2图像共512张。第二校正模体表面按照螺旋排布的顺序镶嵌了共37个钢珠标记物，钢珠标记物的空间坐标(x2,y2,z2)精确已知。与第一校正模体一样，第二校正模体低端也配有方向标记物以识别模体上下方向，其投影位置如附图5中的标记503所示。相比较于第一校正模体，第二校正模体不需要特殊设定使得标记物投影所形成的轨迹不相交，因此第二校正模体所镶嵌的标记物数量比第一校正模体要多得多，通过它所估计出来的几何参数也会更加准确。应当注意钢珠标记物的数量并不限制本发明。用步骤S102估计出来的粗略的几何参数对第二校正模体投影进行初步的几何校正，并重建得到第二校正模体重建图像V2。在V2中，能够大大降低几何伪影的情况，钢珠点轮廓清晰。但对于高分辨成像来说，仅仅进行粗略几何校正还不能满足要求。
S104：对第二校正模体重建图像分割及标记物编码，得到标记图像。对重建图像V2利用maskr-cnn网络对三维钢珠标记物进行分割，并按照空间排序的位置关系对分割的钢珠标记物进行3D连通域编码，为每个连通域区域分配与标记物序号相同的灰度值，得到标记化的图像V2-mask。如处于最顶端的钢珠点是序号为1的钢珠点，V2-mask对应分割区域的灰度值则设置为1。
S105：对标记图像进行前向投影，并与第二校正模体投影进行标记物3D-2D序号匹配。由于第二校正模体钢珠标记物数量比第一校正模体钢珠标记物数量多得多，这会造成标记物的投影椭圆轨迹相交，原来的3D-2D序号匹配方法不再有效，因此需要通过另一种方式进行3D-2D序号匹配。本发明的方法中，通过对标记图像V2-mask进行前向投影，得到标记化的前向投影P2-mask。如附图5所示，投影区域502即为标记化的前向投影。值得说明的是，此处的前向投影与常规前向投影不同。通常前向投影计算射线穿透物体的路径上所有体素的积分和作为投影灰度值，此处前向投影会把穿透物体路径上的编码作为投影灰度值。如附图5中的附图标记502所指向的投影区域灰度值或编码值为12，则代表此投影区域所对应的3D钢珠标记物序号为12。因此通过前向投影建立起了3D物体的标记物序号与2D投影的标记物序号对应关系。对P2图像的标记物投影进行图像分割，分割得到的区域如附图5中的附图标记501所示的区域。获取P2图像标记物投影的中心位置坐标
Figure BDA0002868359930000111
及获取P2-mask图像标记物投影的中心位置坐标
Figure BDA0002868359930000112
中心坐标计算方法与计算
Figure BDA0002868359930000113
的方法相同。通过遍历每个角度投影下每个标记物的投影中心坐标
Figure BDA0002868359930000114
可找到与该角度下距离该标记物最接近的坐标
Figure BDA0002868359930000115
如附图5所示，P2-mask的分割区域与P2的分割区域是非常接近的，因此可以通过区域间的距离(即标记物投影的中心位置)来对钢珠投影标记物序号进行确定。通过计算距离确定区域，读取坐标
Figure BDA0002868359930000116
区域下的P2-mask灰度值或编码值获取钢珠序号，从而确定了P2图像中标记物投影与第二校正模体中标记物的序号对应关系，完成第二校正模体的标记物3D-2D序号匹配。
S106：构造目标函数通过最优化方法对匹配好的第二校正模体投影重新进行精确几何参数估计并用于最终重建。构造公式(2)所示的目标函数，估计CBCT系统的精确几何参数：(2)、
Figure BDA0002868359930000121
上述几何参数意义已前面叙述不再赘述。通过最优化算法优化以上目标函数，可计算得到CBCT系统的精确几何参数s1,s2,Du,Dv,β,θx,θy,θz,Mx,My,Mz，此时估计出的几何参数用在后续的物体精确重建及标记物3D-2D序号匹配中。
综上所述，本发明实施例提供的CBCT系统半扇束几何校正方法具有以下突出优点：
(1)本发明的方法不需要采集未偏置状态的投影，提高了校正算法的鲁棒性，降低了对机械运动的要求；
(2)本发明的方法仅需做一次粗略几何参数的估计，此后的日常校正可用上一次的精确几何参数进行标记物3D-2D序号匹配；
(3)本发明的方法不仅可以应用在半扇束几何校正上，也可应用在全扇束的几何校正上，兼容性强。
(4)本发明的方法所提及的第一校正模体可由第二校正模体间隔镶嵌少量钢珠制成，完成粗略校正后再镶嵌全部钢珠，从而降低模体制作成本及数量。
本发明实施例还提供了一种CBCT系统半扇束几何校正装置，包括：
第一匹配模块，用于根据采集的第一校正模体的第一投影图像，确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与标记物投影的中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果；
粗略估计模块，用于根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数，并根据所述第一目标函数估计CBCT系统的粗略几何参数；
几何校正模块，用于根据所述粗略几何参数对采集到的第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像；
图像分割模块，用于对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，并对所述图像分割得到的结果进行标记物编码，得到标记图像；
前向投影模块，用于根据所述标记图像，获取标记化的前向投影；
第二匹配模块，用于将所述前向投影与所述第二校正模体重建图像进行标记物3D-2D序号匹配，构造第二目标函数；
精确估计模块，用于根据所述第二目标函数估计所述CBCT系统的精确几何参数；
其中，所述精确几何参数用于目标物体的精确重建及标记物3D-2D序号匹配。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.CBCT系统半扇束几何校正方法，其特征在于，包括：
根据采集的第一校正模体的第一投影图像，确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与标记物投影的中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果；
根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数，并根据所述第一目标函数估计CBCT系统的粗略几何参数；
根据所述粗略几何参数对采集到的第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像；
对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，并对所述图像分割得到的结果进行标记物编码，得到标记图像；
根据所述标记图像，获取标记化的前向投影；
将所述前向投影与所述第二校正模体重建图像进行标记物3D-2D序号匹配，构造第二目标函数；
根据所述第二目标函数估计所述CBCT系统的精确几何参数；
其中，所述精确几何参数用于目标物体的精确重建及标记物3D-2D序号匹配。
2.根据权利要求1所述的CBCT系统半扇束几何校正方法，其特征在于，所述根据采集的第一校正模体的第一投影图像，确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与标记物投影的中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果，包括：
采集第一校正模体的第一投影图像；其中，所述第一校正模体的表面镶嵌有多个标记物；所述标记物的空间坐标为预设坐标；所述标记物的上下端通过方向标记识别；
对所述第一投影图像进行图像分割，得到标记物投影的中心位置坐标；
确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与所述中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果。
3.根据权利要求1所述的CBCT系统半扇束几何校正方法，其特征在于，所述根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数，并根据所述第一目标函数估计CBCT系统的粗略几何参数，包括：
根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数；
通过最优化算法优化所述第一目标函数，进而根据优化后的第一目标函数计算CBCT系统的粗略几何参数。
4.根据权利要求1所述的CBCT系统半扇束几何校正方法，其特征在于，所述根据所述粗略几何参数对采集到的第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像，包括：
采集第二校正模体的第一投影图像；其中，所述第二校正模体的表面镶嵌有多个标记物；所述标记物的空间坐标为预设坐标；所述标记物的上下端通过方向标记识别；
通过所述粗略几何参数对第二校正模体投影进行几何校正，得到校正后的第二校正模体重建图像；
其中，所述第二校正模体上镶嵌的标记物数量大于所述第一校正模体。
5.根据权利要求1所述的CBCT系统半扇束几何校正方法，其特征在于，所述对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，并对所述图像分割得到的结果进行标记物编码，得到标记图像，包括：
对所述第二校正模体重建图像进行图像分割；
按照空间位置关系对所述图像分割得到的标记物进行3D连通域编码，得到多个连通域区域；
为每个所述连通域区域分配与标记物序号相同的灰度值，得到所述标记图像。
6.根据权利要求1所述的CBCT系统半扇束几何校正方法，其特征在于，所述根据所述标记图像，获取标记化的前向投影这一步骤中，所述前向投影将穿透物体路径上的编码作为投影灰度值。
7.根据权利要求1所述的CBCT系统半扇束几何校正方法，其特征在于，所述将所述前向投影与所述第二校正模体重建图像进行标记物3D-2D序号匹配，构造第二目标函数，包括：
对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，得到标记物投影的第一中心位置坐标；
对所述前向投影进行图像分割，得到标记物投影的第二中心位置坐标；
遍历每个角度投影下每个标记物的所述第一中心位置坐标，确定该角度下距离当前标记物最近的第二中心位置坐标，确定所述第一中心位置坐标与所述第二中心位置坐标之间的第二对应关系；
根据所述第二对应关系，构造所述第二目标函数。
8.一种CBCT系统半扇束几何校正装置，其特征在于，包括：
第一匹配模块，用于根据采集的第一校正模体的第一投影图像，确定所述第一投影图像中标记物空间坐标与标记物投影的中心位置坐标之间的第一对应关系，得到初步3D-2D序号匹配结果；
粗略估计模块，用于根据所述初步3D-2D序号匹配结果构造第一目标函数，并根据所述第一目标函数估计CBCT系统的粗略几何参数；
几何校正模块，用于根据所述粗略几何参数对采集到的第二校正模体的第二投影图像进行几何校正，得到第二校正模体重建图像；
图像分割模块，用于对所述第二校正模体重建图像进行图像分割，并对所述图像分割得到的结果进行标记物编码，得到标记图像；
前向投影模块，用于根据所述标记图像，获取标记化的前向投影；
第二匹配模块，用于将所述前向投影与所述第二校正模体重建图像进行标记物3D-2D序号匹配，构造第二目标函数；
精确估计模块，用于根据所述第二目标函数估计所述CBCT系统的精确几何参数；
其中，所述精确几何参数用于目标物体的精确重建及标记物3D-2D序号匹配。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器执行所述程序实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
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