CN113892960B - X射线自成像几何标定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种X射线自成像几何标定方法及装置，方法包括：在待成像目标物从多个角度接受X射线扫描的同时，确定至少一个标识在多个角度下的投影位置；根据至少一个标识在多个角度下的投影位置计算多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置；根据多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置进行X射线自成像几何标定。本申请的实施例通过在被成像目标物表面固定标识的方式，直接由标识上的标识参考点在所有X射线投影位置实现光源、探测器和被成像物体三者之间关系的自成像几何标定方法，不需要额外的视觉标定系统，大幅简化了标定的流程和操作复杂度，还可以同时标定光源和探测器相对位置，校正由于系统自身偏移造成的重建偏差。

Description

X射线自成像几何标定方法及装置

技术领域

本申请涉及X射线成像技术领域，特别涉及一种X射线自成像几何标定方法及装置。

背景技术

被成像物体的运动一直是成像领域的重点问题，在CT领域，尤其是在对人体进行CT扫描的过程中，由于人体难以避免的轻微晃动、抖动，重建图像往往存在运动伪影等问题。此外，在系统高速转动时，也存在光源和探测器轻微晃动的问题，使得成像结果不理想。综合考虑以上因素，为了进一步提高成像质量，可以采取有效措施标定人/物体在扫描过程中的运动并明确光源和探测器的相对运动关系。

在相关技术中，标定方法常使用可见光来进行标定，如常见的双目视觉技术，该方法通过两台摄像机在不同角度下获取被成像物体的图像，通过特征点的位置计算其三维坐标。在CT领域，双目视觉技术也被广泛应用于标定物体的轻微运动，以抑制图像重建伪影，为了提高标定精度，可以使用一些具有特定图案的标签，如黑白相间的棋盘格，贴在物体表面，实现实时准确标定。

除了可见光，直接利用X射线图像也可以实现准确标定，在放疗领域，常用方式为图像引导的放射治疗(Image Guided Radiation Therapy，IGRT)，这种治疗方式会在人体固定一些标记点，在X射线成像的过程中，这些标记点的位置被自动识别，从而帮助放疗系统标定人体器官的运动状态，并据此精准定位靶区域，及时调整照射方案，从而更精准地实施治疗。

但是，相关技术的标定方法往往要在扫描人体的同时，使用额外途径如可见光等对人体姿态进行几何标定，这样做会增加系统的成本；如果现场的亮度等信息发生变化，比如每个人贴标签的位置不同，或者在扫描过程中，系统的旋转臂挡住了灯光造成标签明暗程度不一致，则会对结果产生一定影响，增加了操作难度；而现有的基于X射线图像的标定技术一般只标定待成像物体或人的运动参数，系统的运动情况一般认为是已知的，因此这类方法难以标定系统中光源和探测器在移动过程中的相对晃动，也即无法对这部分运动造成的偏差实施校正。

发明内容

本申请提供一种X射线自成像几何标定方法及装置，可以在X射线扫描过程的同时，完成自身的几何标定，避免几何关系偏差引起的重建伪影和误差，同时校正由于系统自身偏移造成的重建偏差，实现高质量的图像重建，操作简单。

本申请第一方面实施例提供一种X射线自成像几何标定方法，目标物上设置有至少一个标识，方法包括以下步骤：在待成像目标物从多个角度接受X射线扫描的同时，确定所述至少一个标识在多个角度下的投影位置；根据所述至少一个标识在多个角度下的投影位置计算多个角度下X射线源、探测器和所述至少一个标识的位置；根据所述多个角度下X射线源、探测器和所述至少一个标识的位置进行X射线自成像几何标定。

根据本申请的实施例，所述位置信息的计算公式为：

其中，s^k为光源的空间坐标，k为扫描角度，R^k为第k个角度下，标识点坐标相对初始位置的三维转动矩阵，B^k为第k个角度下，标识点坐标相对初始位置的三维平移矩阵，为第m个标识点的初始坐标，/>为第m个标识点在第k个角度下经X射线源扫描后在探测器上的投影点的坐标，I为单位矩阵，0为零矩阵。

根据本申请的实施例，还包括：获取所述至少一个标识的标识自身几何信息，以根据所述至少一个标识的标识自身几何信息优化所述计算公式，其中，所述标识自身几何信息包括：标识的面积，标识各边长度，标识含有的角的大小。

根据本申请的实施例，所述至少一个标识的形状包括无交点的至少一条直/曲线段、具有交点的至少两条直/曲线段以及具有角点的多边形。

根据本申请的实施例，所述至少一个标识的材料与所述待成像目标物的衰减系数满足预设的识别条件。

本申请第二方面实施例提供一种X射线自成像几何标定装置，目标物上设置有至少一个标识，装置包括：投影模块，用于在待成像目标物从多个角度接受X射线扫描的同时，确定所述至少一个标识在多个角度下的投影位置；计算模块，用于根据所述至少一个标识在多个角度下的投影位置计算多个角度下X射线源、探测器和所述至少一个标识的位置；标定模块，用于根据所述多个角度下X射线源、探测器和所述至少一个标识的位置进行X射线自成像几何标定。

根据本申请的实施例，还包括：优化模块，用于获取所述至少一个标识的标识自身几何信息，以根据所述至少一个标识的标识自身几何信息优化所述计算公式，其中，所述标识自身几何信息包括：标识的面积，标识各边长度，标识含有的角的大小。

根据本申请的实施例，所述至少一个标识的材料与所述待成像目标物的衰减系数满足预设的识别条件。

本发明第三方面实施例提供一种电子设备，包括：处理器和存储器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以实现如上述实施例所述的X射线自成像几何标定方法。

本发明第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现行如上述实施例所述的X射线自成像几何标定方法。

本申请实施例的X射线自成像几何标定方法及装置，具有以下有益效果：

1)能够在待成像目标物的扫描过程中出现的移动、晃动、抖动等各种运动的情况下，在X射线扫描过程的同时，完成自身的几何标定，避免几何关系偏差引起的重建伪影和误差，实现高质量的图像重建；

2)不需要额外的视觉标定系统，简化了标定的流程和操作复杂度；

3)可以同时标定X射线源和探测器的相对位置，校正由于系统自身偏移造成的重建偏差。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请实施例提供的一种X射线自成像几何标定方法的流程图；

图2为根据本申请实施例提供的一种X射线成像系统结构示意图；

图3为根据本申请实施例的X射线自成像几何标定装置的示例图；

图4为申请实施例提供的电子设备的结构示意图。

附图标记说明：100-投影模块，200-计算模块，300-标定模块，401-存储器、402-处理器和403-通信接口。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

图1为根据本申请实施例提供的一种X射线自成像几何标定方法的流程图。

如图1所示，在X射线自成像几何标定方法中，目标物上设置有至少一个标识，方法包括以下步骤：

在步骤S101中，在待成像目标物从多个角度接受X射线扫描的同时，确定至少一个标识在多个角度下的投影位置。

本申请的实施例在待成像目标物的表面固定一些含有特征或者可标记的标识作为标签和依据(称之为“标识参考点”)，利用标识参考点实现X射线自成像几何的标定。本申请实施例的待成像目标物可以为物体或者人体等，不作具体限定。

在目标物上设置标识后，利用X射线源从多个角度对含有标识的目标物进行X射线扫描，含有标识的目标物在探测器上进行成像，采集探测器上的探测数据，并确定目标物上标识在多个角度下的投影位置。

可以理解的是，在X射线扫描过程的同时，可以完成X射线系统以及标识的几何标定，避免几何关系偏差引起的重建伪影和误差，实现高质量的图像重建。

在步骤S102中，根据至少一个标识在多个角度下的投影位置计算多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置。

在步骤S103中，根据多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置进行X射线自成像几何标定。

根据计算出的多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置，可以对X射线系统进行标定。标定过程可以同时标定光源和探测器相对位置，校正由于系统自身偏移造成的重建偏差。

本申请的实施例通过在目标物上设置标识参考点实现标定，不需要额外的视觉标定系统，大幅简化了标定的流程和操作复杂度。

根据本申请的实施例，至少一个标识的形状包括无交点的至少一条直/曲线段、具有交点的至少两条直/曲线段以及具有角点的多边形。

根据本申请的实施例，至少一个标识的材料与待成像目标物的衰减系数满足预设的识别条件。

以目标物为人体为例，标识物应采用和人体软组织衰减系数有差异的材料，具有在X射线投影下易识别的标识参考点，包括但不限于直/曲线段，三角形，四边形，五边形等形状的模体，标识参考点可以是标识物的顶点，也可以是某些可以在投影下准确定位的点，包括但不限于标识物标签的边的中点、立体特殊结构的重心等，标识参考点的数量应使得位置信息方程组可求解，可以存在一定数据冗余度。需要考虑在某些特殊角度下，标签的投影相互重叠，导致影响某些标识参考点的投影信息准确度下降。可以通过增加标识参考点的数量和相互关系约束提升方程求解结果，也即标定结果的准确度。

下面通过附图对X射线自成像几何标定方法进行详细说明。

根据本申请的实施例，位置信息的计算公式为：

其中，s^k为光源的空间坐标，k为扫描角度，R^k为第k个角度下，标识点坐标相对初始位置的三维转动矩阵，B^k为第k个角度下，标识点坐标相对初始位置的三维平移矩阵，为第m个标识点的初始坐标，/>为第m个标识点在第k个角度下经X射线源扫描后在探测器上的投影点的坐标，I为单位矩阵，0为零矩阵。

根据本申请的实施例，还包括：获取至少一个标识的标识自身几何信息，以根据至少一个标识的标识自身几何信息优化计算公式，其中，标识自身几何信息包括：标识的面积，标识各边长度，标识含有的角的大小。

如图2所示，目标物为人体，s为光源，p为标识模体上的标识参考点，x-y为探测器平面上的坐标系，q为p在探测器平面上的投影位置。以探测器中心为原点，探测器像素排列的行、列方向为x和y方向建立三维右手螺旋的笛卡尔坐标系，待成像人体位于探测器和射线源之间，在人体的待成像部位表面，固定用于自成像几何标定的标识模体N个，每个标识模体上可以有不同数目的标识参考点，记标识参考点总数为M个，总的扫描角度数为K。记初始状态下第m(m＝1,2,…,M)个标识参考点的空间坐标为：光源的空间坐标为/>第m个标识参考点经光源照射后在探测器上的投影点的坐标记为/>根据三点共线，可得：

为表述方便，记(1)、(2)为方程组：

对被成像人体做刚体近似，在X射线不同的照射角度下，被成像人体相对于初始位置的空间位置变换(x→y)可表示为：y＝Rx+B，R＝R_αR_βR_γ，其中B＝[x_B y_B z_B]^T，表示三维空间平移， 表示三维空间转动，遍历角度k，方程组(3)可以拓展为：

k＝0,1,2,…,K-1，m＝1,2,…,M。在方程组(4)中，可从探测器上测量得到，从而已知，待求解未知量为s^k，R^k(k≠0)，B^k(k≠0)，/>共计3K+6K-6+3M＝9K+3M-6个，方程组数量为2KM。可以令2KM>9K+3M-6，从而(4)可解。也可以增加额外的约束关系，比如标识参考点之间的相对位置关系(如两两参考点的空间距离等)减少所需的(4)的方程组数量，以相应地减少所需的标识参考点的数量。

上述方程组的求解可以通过领域内的线性方程组求解方法实现，例如通过极大似然法等方法求解方程组(4)得到每个角度k下的光源坐标和标记点坐标，实现X射线的自成像几何标定。

在人体头部CT的应用场景下，采用3个三角形标定模体，在人脸的两颊和额头各贴一个，每个标定模体的三个顶点作为标识参考点，也即M＝9，每次扫描360个角度，也即K＝360，此时方程组(4)的方程数最大为2KM＝6480，未知数数量为3261。此时方程组(4)有较大的冗余度充分保证可以解出所有未知量，在完成几何标定后，用360个角度下的投影通过迭代重建方法重建出感兴趣区域即可。

需要说明的是，本申请的实施例可以应用于X射线CT成像，X射线层析成像等需要通过多个视角进行X射线成像的领域。

根据本申请实施例提出的X射线自成像几何标定方法，通过在待成像目标物从多个角度接受X射线扫描的同时，确定至少一个标识在多个角度下的投影位置；根据至少一个标识在多个角度下的投影位置计算多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置；根据多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置进行X射线自成像几何标定。由此，可以在X射线扫描过程的同时，完成自身的几何标定，避免几何关系偏差引起的重建伪影和误差，同时校正由于系统自身偏移造成的重建偏差，实现高质量的图像重建，操作简单。

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的X射线自成像几何标定装置。

图3为根据本申请实施例的X射线自成像几何标定装置的示例图。

如图3所示，该X射线自成像几何标定装置10包括：投影模块100、计算模块200和标定模块300。

其中，投影模块100，用于在待成像目标物从多个角度接受X射线扫描的同时，确定至少一个标识在多个角度下的投影位置。计算模块200，用于根据至少一个标识在多个角度下的投影位置计算多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置。标定模块300，用于根据多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置进行X射线自成像几何标定。

根据本申请的实施例，X射线自成像几何标定装置10还包括：优化模块，用于获取至少一个标识的标识自身几何信息，以根据至少一个标识的标识自身几何信息优化计算公式，其中，标识自身几何信息包括：标识的面积，标识各边长度，标识含有的角的大小。

根据本申请的实施例，至少一个标识的材料与待成像目标物的衰减系数满足预设的识别条件。

根据本申请的实施例，位置信息的计算公式为：

其中，s^k为光源的空间坐标，k为扫描角度，R^k为第k个角度下，标识点坐标相对初始位置的三维转动矩阵，B^k为第k个角度下，标识点坐标相对初始位置的三维平移矩阵，为第m个标识点的初始坐标，/>为第m个标识点在第k个角度下经X射线源扫描后在探测器上的投影点的坐标，I为单位矩阵，0为零矩阵。

根据本申请的实施例，至少一个标识的形状包括无交点的至少一条直/曲线段、具有交点的至少两条直/曲线段以及具有角点的多边形。

需要说明的是，前述对X射线自成像几何标定方法实施例的解释说明也适用于该实施例的X射线自成像几何标定装置，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的X射线自成像几何标定装置，通过在待成像目标物从多个角度接受X射线扫描的同时，确定至少一个标识在多个角度下的投影位置；根据至少一个标识在多个角度下的投影位置计算多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置；根据多个角度下X射线源、探测器和至少一个标识的位置进行X射线自成像几何标定。由此，可以在X射线扫描过程的同时，完成自身的几何标定，避免几何关系偏差引起的重建伪影和误差，同时校正由于系统自身偏移造成的重建偏差，实现高质量的图像重建，操作简单。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种电子设备，包括：处理器和存储器。其中，处理器通过读取存储器中存储的可执行程序代码来运行与可执行程序代码对应的程序，以用于实现如前述实施例的自导航X射线成像方法。

图4为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括该电子设备可以包括：存储器401、处理器402及存储在存储器401上并可在处理器402上运行的计算机程序。

处理器402执行程序时实现上述实施例中提供的X射线自成像几何标定方法。

进一步地，计算机设备还包括：

通信接口403，用于存储器401和处理器402之间的通信。

存储器401，用于存放可在处理器402上运行的计算机程序。

存储器401可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

如果存储器401、处理器402和通信接口403独立实现，则通信接口403、存储器401和处理器402可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

可选的，在具体实现上，如果存储器401、处理器402及通信接口403，集成在一块芯片上实现，则存储器401、处理器402及通信接口403可以通过内部接口完成相互间的通信。

处理器402可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上的X射线自成像几何标定方法。

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申请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必须针对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一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请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，N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。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。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

Claims (9)

1.一种X射线自成像几何标定方法，其特征在于，目标物上设置有至少一个标识，其中，方法包括以下步骤：

在待成像目标物从多个角度接受X射线扫描的同时，确定所述至少一个标识在多个角度下的投影位置；

根据所述至少一个标识在多个角度下的投影位置计算多个角度下X射线源、探测器和所述至少一个标识的位置；以及

根据所述多个角度下X射线源、探测器和所述至少一个标识的位置进行X射线自成像几何标定；

位置信息的计算公式为：

其中，s^k为光源的空间坐标，k为扫描角度，R^k为第k个角度下，标识点坐标相对初始位置的三维转动矩阵，B^k为第k个角度下，标识点坐标相对初始位置的三维平移矩阵，为第m个标识点的初始坐标，/>为第m个标识点在第k个角度下经X射线源扫描后在探测器上的投影点的坐标，I为单位矩阵，0为零矩阵；

位置信息的计算公式中的待求解位置量为s^k，R^k(k≠0)，B^k(k≠0)，共计3K+6K-6+3M＝9K+3M-6个，方程组数量为2KM，令2KM>9K+3M-6，对位置信息的计算公式进行求解。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

获取所述至少一个标识的标识自身几何信息，以根据所述至少一个标识的标识自身几何信息优化所述计算公式，其中，所述标识自身几何信息包括：标识的面积，标识各边长度，标识含有的角的大小。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个标识的形状包括无交点的至少一条直/曲线段、具有交点的至少两条直/曲线段以及具有角点的多边形。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个标识的材料与所述待成像目标物的衰减系数满足预设的识别条件。

5.一种X射线自成像几何标定装置，其特征在于，目标物上设置有至少一个标识，其中，装置包括：

投影模块，用于在待成像目标物从多个角度接受X射线扫描的同时，确定所述至少一个标识在多个角度下的投影位置；

计算模块，用于根据所述至少一个标识在多个角度下的投影位置计算多个角度下X射线源、探测器和所述至少一个标识的位置；以及

标定模块，用于根据所述多个角度下X射线源、探测器和所述至少一个标识的位置进行X射线自成像几何标定；

位置信息的计算公式为：

其中，s^k为光源的空间坐标，k为扫描角度，R^k为第k个角度下，标识点坐标相对初始位置的三维转动矩阵，B^k为第k个角度下，标识点坐标相对初始位置的三维平移矩阵，为第m个标识点的初始坐标，/>为第m个标识点在第k个角度下经X射线源扫描后在探测器上的投影点的坐标，I为单位矩阵，0为零矩阵；

位置信息的计算公式中的待求解位置量为s^k，R^k(k≠0)，B^k(k≠0)，共计3K+6K-6+3M＝9K+3M-6个，方程组数量为2KM，令2KM>9K+3M-6，对位置信息的计算公式进行求解。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

优化模块，用于获取所述至少一个标识的标识自身几何信息，以根据所述至少一个标识的标识自身几何信息优化所述计算公式，其中，所述标识自身几何信息包括：标识的面积，标识各边长度，标识含有的角的大小。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少一个标识的材料与所述待成像目标物的衰减系数满足预设的识别条件。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-4所述的X射线自成像几何标定方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-4所述的X射线自成像几何标定方法。