CN114820322A - 一种高分辨率大视野的ct扫描方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高分辨率大视野的CT扫描方法及装置，该方法包括：对成像样品和标定铅球进行CT扫描；计算多角度拍摄图像中小铅球的质心并进行图像对齐；设定初始角度并对成像样品进行全局扫描；基于投射变换原理对待测图像数据进行图像拼接；旋转待测样品并重复全局扫描和图像拼接步骤，直至判断到旋转次数超出预设阈值，根据对齐后图像和拼接图像进行图像重建，得到三维模型。该装置包括：X射线管、竖直导轨、转盘、水平导轨、标定铅球、载物卡盘和平板探测器。通过使用本发明，能够实现CT高分辨率大视野的扫描成像并消除伪影。本发明可广泛应用于CT扫描领域。

Description

一种高分辨率大视野的CT扫描方法及装置
技术领域
本发明涉及CT扫描领域，尤其涉及一种高分辨率大视野的CT扫描方法及装置。
背景技术
随着制造业以及CT检测行业的发展，人们对CT扫描成像的准确度、清晰度和精度的要求越来越严格。目前的CT扫描检测精度不高，主要体现在两个方面，(1)在检测过程中，检测对象必须在扫描视野范围内，如果检测对象过大，需要将X射线管与检测对象之间的距离拉大，缩小图像，这样不得不牺牲图像的分辨率来完成扫描出整个物体图像。为了提高图像分辨率，需要适当放大图像，但存在相邻拼接图像间过度不自然的问题。(2)CT扫描仪由于存在机械振动、热膨胀、设备安装精度、样品安装精度和其他外界环境因素等问题，导致其对样品在不同的角度对样品进行拍摄所得到的图像无法完全对齐,进而导致后期在进行CT三维重建时会出现伪影的现象。尽管目前大多数的软件算法或者深度学习算法已经可以很好地消除CT重建当中的伪影，但是它们普遍不能完全彻底消除了所有的伪影，并且也会有一定的概率无法识别出伪影，并将其消除，这些方法无法在根源上实现伪影的消除。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种高分辨率大视野的CT扫描方法及装置，能够实现CT高分辨率大视野的扫描成像并消除伪影。
本发明所采用的第一技术方案是：一种高分辨率大视野的CT扫描方法，包括以下步骤：
对成像样品和标定铅球进行CT扫描，得到多角度拍摄图像；
计算多角度拍摄图像中小铅球的质心并进行图像对齐，得到对齐后图像；
设定初始角度并对成像样品进行全局扫描，得到样品图像数据；
基于投射变换原理对样品图像数据进行图像拼接，得到拼接图像；
旋转待测样品并重复全局扫描和图像拼接步骤，直至判断到旋转次数超出预设阈值；
根据对齐后图像和拼接图像进行图像重建，得到三维模型。
进一步，所述计算多角度拍摄图像中小铅球的质心并进行图像对齐，得到对齐后图像这一步骤，其具体包括：
对多角度拍摄图像中小铅球的质心进行计算，得到各图像的小铅球质心位置；
设定标准图像并以标准图像的小铅球质心位置为基准，结合各图像的小铅球质心位置，对图像进行对齐，得到对齐后图像。
进一步，小铅球质心位置的计算公式如下：
Figure BDA0003643625840000021
Figure BDA0003643625840000022
上式中，X表示质心在x方向的质心，Xi表示图像中像素点i在x方向的坐标，Pi表示对应的像素值。
进一步，所述根据对齐后图像进行CT三维重建，得到三维模型这一步骤，其具体包括：
基于余弦函数，对对齐后图像进行加权预处理，得到加权后图像数据；
对加权后图像数据进行一维斜坡滤波处理，得到滤波后图像数据；
基于加权函数对滤波后图像数据做加权反投影处理，得到反投影图像数据；
根据反投影图像数据对拼接图像进行处理，计算得到三维模型。
进一步，所述三维模型的计算公式表示如下：
Figure BDA0003643625840000023
上式中，
Figure BDA0003643625840000024
表示图像数据，
Figure BDA0003643625840000025
表示锥形束入射角余弦函数，h(l′-l)表示一维斜坡滤波器卷积核，
Figure BDA0003643625840000026
表示权函数。
进一步，所述设定初始角度并对待测样品进行全局扫描，得到待测图像数据这一步骤，其具体包括：
设定采集图像的初始角度，得到设定角度；
根据设定角度对待测样品进行全局扫描，得到待测图像数据；
所述待测图像数据中相邻图像之间存在重复区域。
进一步，投射变换原理的变换公式表示如下：
Figure BDA0003643625840000027
上式中，x0,y0,z0表示变换前坐标，x,y,z表示变换后坐标，
Figure BDA0003643625840000028
表示变换矩阵。
本发明所采用的第二技术方案是：一种高分辨率大视野的CT扫描装置，应用如上所述高分辨率大视野的CT扫描方法，包括：
X射线管，用于发射X射线照射待测样品；
竖直导轨，用于调整待测样品在竖直方向上的位置，并与水平导轨连接；
转盘，用于旋转待测样品，并与水平导轨连接；
水平导轨，用于调整待测样品在水平方向上的位置；
标定铅球，安装于转盘的轴心处；
载物卡盘，用于固定待测样品并与转盘连接；
平板探测器，用于接收图像数据。
本发明方法及装置的有益效果是：本发明通过加入的标定铅球作为基准进行图像对齐，消除由于图像位置偏差所带来的伪影，构建出高精度三维模型，另外，利用透射变换原理对进行图像拼接，解决受CT机器结构限制而无法对大物件进行扫描的问题，消除相邻拼接图像间过度不自然问题，并对多组拼接图像进行图像重建，进而实现高分辨率及大视野。
附图说明
图1是本发明一种高分辨率大视野的CT扫描方法的步骤流程图；
图2是本发明一种高分辨率大视野的CT扫描装置的结构框图；
图3是本发明具体实施例加权融合算法原理图；
附图标记：1、X射线管；2、竖直导轨；3、转盘；4、水平导轨；5、标定铅球；6、载物卡盘；7、平板探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明提供了一种高分辨率大视野的CT扫描，该方法包括以下步骤：
S1、对成像样品和标定铅球进行CT扫描，得到多角度拍摄图像；
S2、计算多角度拍摄图像中小铅球的质心并进行图像对齐，得到对齐后图像；
S2.1、对多角度拍摄图像中小铅球的质心进行计算，得到各图像的小铅球质心位置；
具体地，小铅球质心位置的计算公式如下：
Figure BDA0003643625840000031
Figure BDA0003643625840000032
上式中，X表示质心在x方向的质心，Xi表示图像中像素点i在x方向的坐标，Pi表示对应的像素值。
同理可求得小铅球在y方向的质心。
S2.2、设定标准图像并以标准图像的小铅球质心位置为基准，结合各图像的小铅球质心位置，对图像进行对齐，得到对齐后图像。
具体地，以第一幅图的小铅球的质心在图像当中所在的位置为标准，对后面其他的图像做图像对齐处理，使得之后的每幅图像中小铅球质心的位置与第一幅图像对齐。
S3、设定初始角度并对成像样品进行全局扫描，得到样品图像数据；
S3.1、设定采集图像的初始角度，得到设定角度；
S3.2、根据设定角度对待测样品进行全局扫描，得到待测图像数据；
所述待测图像数据中相邻图像之间存在重复区域。
S4、基于投射变换原理对待测图像数据进行图像拼接，得到拼接图像；
具体地，利用加权融合算法消除相邻拼接图像间过度不自然问题。加权融合算法思路：对于拼接后得到的图形，在拼接相邻两图拼接处存在一条拼接缝，如果不作处理，拼接缝处会有明显的跳跃情况。由于我们相邻的两幅图之间有重叠区域，我们可以利用重叠区进行平滑过渡处理来消除拼接缝，也即是加权融合算法。
参照图3，加权融合算法原理公式表示如下：
Figure BDA0003643625840000041
其中l表示重叠区域中某一像素点距离拼接区域最右边的边界线2距离，L表示拼接区域的宽度。P表示重合区域融合后的RGB分量取值，P1，P2分别代表图3中的图片1和图片2的RGB取值分量。
投射变换原理的变换公式表示如下：
Figure BDA0003643625840000042
上式中，x0,y0,z0表示变换前坐标，x,y,z表示变换后坐标，其中透视变换是将二维的图片投影到一个三维视平面上，然后再转换到二维坐标下。简单来说就是二维→三维→二维的一个过程。变换矩阵
Figure BDA0003643625840000043
可以分为几部分，
Figure BDA0003643625840000044
用于表示线性变换，比如缩放，旋转和剪切，[a31 a32]用于表示平移，[a13 a23]T产生透视变换。
S5、旋转待测样品并重复全局扫描和图像拼接步骤，直至判断到旋转次数超出预设阈值，根据拼接图像进行图像重建。
具体地，样品旋转一定角度，重复扫描采集与图像拼接步骤，这个角度通常以样品重复扫描度为标准，只需保证两个扫描角度间保留40-50％的重复度即可。
S6、根据对齐后图像和拼接图像进行图像重建，得到三维模型；
S6.1、基于余弦函数，对对齐后图像进行加权预处理，得到加权后图像数据；
S6.2、对加权后图像数据进行一维斜坡滤波处理，得到滤波后图像数据；
S6.3、基于加权函数对滤波后图像数据做加权反投影处理，得到反投影图像数据；
具体地，反投影中的加权函数取决于重建点到焦点的距离。
S6.4、根据反投影图像数据对拼接图像进行处理，计算得到三维模型。
所述三维模型的计算公式表示如下：
Figure BDA0003643625840000051
上式中，
Figure BDA0003643625840000052
表示图像数据，
Figure BDA0003643625840000053
表示锥形束入射角余弦函数，h(l′-l)表示一维斜坡滤波器卷积核，
Figure BDA0003643625840000054
表示权函数。
具体地，应用了Randon变换理论将拼接图像转换为三维模型的计算公式的图像数据。
如图2所示，一种高分辨率大视野的CT扫描装置，应用如上所述高分辨率大视野的CT扫描方法，包括：
X射线管，用于发射X射线照射待测样品；
竖直导轨，用于调整待测样品在竖直方向上的位置，并与水平导轨连接；
转盘，用于旋转待测样品，并与水平导轨连接；
水平导轨，用于调整待测样品在水平方向上的位置；
标定铅球，安装于转盘的轴心处；
载物卡盘，用于固定待测样品并与转盘连接；
平板探测器，用于接收图像数据。
上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
一种高分辨率大视野的CT扫描系统，包括：
拍摄模块，用于对成像样品和标定铅球进行CT扫描，得到多角度拍摄图像；
对齐模块，用于计算多角度拍摄图像中小铅球的质心并进行图像对齐，得到对齐后图像；
扫描模块，用于设定初始角度并对待测样品进行全局扫描，得到待测图像数据；
拼接模块，基于投射变换原理对待测图像数据进行图像拼接，得到拼接图像；
循环模块，用于旋转待测样品并重复全局扫描和图像拼接步骤，直至判断到旋转次数超出预设阈值，跳出循环；
模型构建模块，用于根据对齐后图像和拼接图像进行图像重建，得到三维模型；
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如上所述一种高分辨率大视野的CT扫描方法。
上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
本发明采用软硬件结合来代替只使用算法去识别物体，以此来解决CT扫描仪成像存在伪影的问题和用透射变换原理对一组图像进行图像拼接。利用透射变换原理对一组图像进行图像拼接，可以实现大视野扫描，而且相较于传统CT系统，本发明可以解决相邻拼接图像间过度不自然问题，对拼接图像进行特征点提取，对特征点进行匹配，图像的重叠区域的像素值按一定的权值相加合成新的图像。通过加入一个小铅球，并且将它安装在转台的轴心处作为参考标定物，在完成一轮对检测对象的CT扫描之后，对设备在每个角度下拍摄到的图像,提取小铅球质心在图像当中的具体位置，此后我们以第一幅图像中小铅球的质心所在的位置为基准，对后面所有的图像做图像对齐处理，使得后面的每张图像当中的小铅球的质心都与第—张图像中小铅球的质心是完全对齐的，消除由于图像位置偏差所带来的伪影，从而提高了成像精度。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造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作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 (8)

1.一种高分辨率大视野的CT扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
对成像样品和标定铅球进行CT扫描，得到多角度拍摄图像；
计算多角度拍摄图像中小铅球的质心并进行图像对齐，得到对齐后图像；
设定初始角度并对成像样品进行全局扫描，得到样品图像数据；
基于投射变换原理对样品图像数据进行图像拼接，得到拼接图像；
旋转待测样品并重复全局扫描和图像拼接步骤，直至判断到旋转次数超出预设阈值，跳出循环步骤；
根据对齐后图像和拼接图像进行图像重建，得到三维模型。
2.根据权利要求1所述一种高分辨率大视野的CT扫描方法，其特征在于，所述计算多角度拍摄图像中小铅球的质心并进行图像对齐，得到对齐后图像这一步骤，其具体包括：
对多角度拍摄图像中小铅球的质心进行计算，得到各图像的小铅球质心位置；
设定标准图像并以标准图像的小铅球质心位置为基准，结合各图像的小铅球质心位置，对图像进行对齐，得到对齐后图像。
3.根据权利要求2所述一种高分辨率大视野的CT扫描方法，其特征在于，小铅球质心位置的计算公式如下：
Figure FDA0003643625830000011
Figure FDA0003643625830000012
上式中，X表示质心在x方向的质心，Xi表示图像中像素点i在x方向的坐标，Pi表示对应的像素值。
4.根据权利要求3所述一种高分辨率大视野的CT扫描方法，其特征在于，所述根据对齐后图像和拼接图像进行图像重建，得到三维模型这一步骤，其具体包括：
基于余弦函数，对对齐后图像进行加权预处理，得到加权后图像数据；
对加权后图像数据进行一维斜坡滤波处理，得到滤波后图像数据；
基于加权函数对滤波后图像数据做加权反投影处理，得到反投影图像数据；
根据反投影图像数据对拼接图像进行处理，计算得到三维模型。
5.根据权利要求4所述一种高分辨率大视野的CT扫描方法，其特征在于，所述三维模型的计算公式表示如下：
Figure FDA0003643625830000013
上式中，
Figure FDA0003643625830000021
表示图像数据，
Figure FDA0003643625830000022
表示锥形束入射角余弦函数，h(l′-l)表示一维斜坡滤波器卷积核，
Figure FDA0003643625830000023
表示权函数。
6.根据权利要求5所述一种高分辨率大视野的CT扫描方法，其特征在于，所述设定初始角度并对待测样品进行全局扫描，得到待测图像数据这一步骤，其具体包括：
设定采集图像的初始角度，得到设定角度；
根据设定角度对待测样品进行全局扫描，得到待测图像数据；
所述待测图像数据中相邻图像之间存在重复区域。
7.根据权利要求6所述一种高分辨率大视野的CT扫描方法，其特征在于，投射变换原理的变换公式表示如下：
Figure FDA0003643625830000024
上式中，x0,y0,z0表示变换前坐标，x,y,z表示变换后坐标，
Figure FDA0003643625830000025
表示变换矩阵。
8.一种高分辨率大视野的CT扫描装置，其特征在于，应用如权利要求7所述高分辨率大视野的CT扫描方法，包括：
X射线管，用于发射X射线照射待测样品；
竖直导轨，用于调整待测样品在竖直方向上的位置，并与水平导轨连接；
转盘，用于旋转待测样品，并与水平导轨连接；
水平导轨，用于调整待测样品在水平方向上的位置；
标定铅球，安装于转盘的轴心处；
载物卡盘，用于固定待测样品并与转盘连接；
平板探测器，用于接收图像数据。
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