CN114942466B - 一种基于气隙相关性的x射线散射估计方法与系统 - Google Patents

一种基于气隙相关性的x射线散射估计方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于气隙相关性的X射线散射估计方法与系统，涉及图像处理技术领域，包括步骤：获取气隙保持一定情况下，CBCT绕试验目标扫描时当前气隙各环绕角处的主扫描图像；获取气隙波动变化情况下，CBCT绕试验目标扫描时相应气隙各环绕角处的调制扫描图像；根据射线强度与气隙距离的相关性特征构建气隙依赖性模型；通过将各相同环绕角下主扫描图像与调制扫描图像中同像素处的射线强度带入气隙依赖性模型获取不同气隙下散射射线强度变化关系曲线；根据散射射线强度变化关系曲线获取实际目标在气隙波动CBCT扫描下扫描图像在各像素处的散射射线强度。本发明在不增加硬件成本和复杂性的情况下，可获得更为可靠的散射强度估算值。

Description

一种基于气隙相关性的X射线散射估计方法与系统
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种基于气隙相关性的X射线散射估计方法与系统。
背景技术
锥束计算机断层扫描（Cone-beam computed tomography，CBCT）是由X射线发生器和平板接收器组成的一种流行医学成像设备，与典型的扇形束CT相比，它提供了更高的机动性，以及来回扫描、操作的灵活性，患者和医师之间具有更大的操作空间。如上所述的许多医学成像设备检测透射过物体的X射线，即初级射线，并以不同角度围绕物体投射到探测器上。每个投影的初级射线直接表示在每个角度观察的对象的厚度。这些以不同角度组合的投影可以转换为对象的横截面图像。然而，除了初级射线外，被照射物体中散射的部分X射线作为背景噪声进入探测器。这会导致图像上像素值的严重不准确以及对比度噪声比（Contrast to Noise Ratio，CNR）的降低。
CBCT与扇形束CT的最大区别在于平板接收器受到更严重的散射效应。在不减少散射本身及其检测剂量的情况下，所获得的信号中有一半以上为散射。结果表明，与扇形束CT相比，CBCT具有更低的像素值精度和对比度噪声比。
改善的最直接方法是通过硬件或扫描技术直接减少散射。平板接收器上的准直器可以有效地减少散射探测，但其亦会导致初级射线的减少。领结型滤光片通常在扫描物体较薄的周边区域降低X射线功率，并在一定程度上减少散射，但不如准直器有效。保持扫描对象到平板接收器距离，即气隙，在较长的范围内，在探测器上的散射射线就会处于较少水平，因为平板接收器照射对象的视角较小。然而，仅用气隙法还不足以消除散射。
第二种方法是直接测量并减去散射。光束停止阵列法通过在扫描物体和X射线管之间放置微小物体来测量散射。平板接收器上仅能接收到散射射线，没有初级射线。由于平板接收器上的散射射线只有低频分量，因此可以通过插值获得整个区域的散射。然而，仅用于测量散射的附加扫描会增加剂量。扫描过程中光束阻挡器的运动可以避免这一问题，但由于采样数据不足和插值，在高频结构中会出现不准确的情况。另一种方法是在扫描对象和X射线管之间以高频空间调制入射X射线。它使我们能够在频域中区分初级射线和低频散射，但需要精确校准。
最后，间接的方法是估算散射X射线并从原始数据中减去它。当然，通常蒙特卡罗模拟的估计是最准确的，但它对机器功率有一定要求，因为需要基于物理的光子传输模拟，使得计算时间变长。相比之下，经典卷积方法不需要增加太多的机器功率或剂量，但由于其简单性，它对扫描对象的结构、大小、扫描协议和对象的定位不可靠，需要仔细建模。
最后一种基于软件的方法通常可以在不增加硬件成本和复杂性的情况下降低散射效应，但同时又降低了精度。在所有描述的避免散射的方法中，经典卷积方法是精度和计算速度之间的最佳折中方法之一。然而，这些模型在每次投影时只能使用一个投影图像，散射射线是用一个简单的模型估计的，通常只是一个低通滤波器。因此，对于要扫描的不同对象来说其预测效果是不稳定的。本发明旨在通过直接测量散射行为来提供一种新的选择来提高散射校正的准确性和鲁棒性。
发明内容
为了实现直接通过测量散射行为来提供一种新的选择来提高散射校正的准确性和鲁棒性，本发明提出了一种基于气隙相关性的X射线散射估计方法，通过CBCT获取扫描图像，所述CBCT包括X射线发生器和平板接收器，包括步骤：
S1：获取气隙保持一定情况下，CBCT绕试验目标扫描时当前气隙各环绕角处的主扫描图像；
S2：获取气隙波动变化情况下，CBCT绕试验目标扫描时相应气隙各环绕角处的调制扫描图像；
S3：根据射线强度与气隙距离的相关性特征构建气隙依赖性模型；
S4：通过将各相同环绕角下主扫描图像与调制扫描图像中同像素处的射线强度带入气隙依赖性模型获取不同气隙下散射射线强度变化关系曲线；
S5：根据散射射线强度变化关系曲线获取实际目标在气隙波动CBCT扫描下扫描图像在各像素处的散射射线强度。
进一步地，所述S2步骤中，气隙波动的调整包括方式一和方式二，其中，
方式一：保持X射线发生器与平板接收器之间的距离不变，改变试验目标与平板接收器之间的距离；
方式二：保持X射线发生器与试验目标之间的距离不变，改变试验目标与平板接收器之间的距离。
进一步地，当气隙波动采用方式一进行调整时，所述S3步骤中气隙依赖性模型表示为如下公式：
Figure 228565DEST_PATH_IMAGE001
式中，i为视图索引，j为像素索引，
Figure 751207DEST_PATH_IMAGE002
为当前气隙
Figure 782616DEST_PATH_IMAGE003
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure 547441DEST_PATH_IMAGE004
为扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure 128333DEST_PATH_IMAGE005
为X射线发生器垂直照射实验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure 585990DEST_PATH_IMAGE006
为从X射线发生器焦点处观察平板接收器边缘中心的角度，D为X射线发生器与平板接收器之间的距离；该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度。
进一步地，当气隙波动采用方式二进行调整时，所述S3步骤中气隙依赖性模型表示为如下公式：
Figure 839117DEST_PATH_IMAGE007
式中，i为视图索引，j为像素索引，
Figure 643518DEST_PATH_IMAGE008
为当前气隙
Figure 49223DEST_PATH_IMAGE009
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure 707475DEST_PATH_IMAGE010
为气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure 464210DEST_PATH_IMAGE011
为X射线发生器垂直照射实验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure 554526DEST_PATH_IMAGE012
为从X射线发生器焦点处观察平板接收器边缘中心的角度，
Figure 593500DEST_PATH_IMAGE013
为X射线发生器与试验目标之间的距离，
Figure 392959DEST_PATH_IMAGE014
为常数，该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度。
进一步地，所述S4步骤中，散射射线强度变化关系曲线包括扫描图像中同像素处的射线强度随气隙变化的曲线，以及同像素处调制扫描图像射线强度与主扫描图像射线强度之间的比例随气隙变化的曲线。
本发明还提出了一种基于气隙相关性的X射线散射估计系统，通过CBCT获取扫描图像，所述CBCT包括X射线发生器和平板接收器，包括：
主扫描模块，用于获取气隙保持一定情况下，CBCT绕试验目标扫描时当前气隙各环绕角处的主扫描图像；
调制扫描模块，用于获取气隙波动变化情况下，CBCT绕试验目标扫描时相应气隙各环绕角处的调制扫描图像；
模型构建模块，用于根据射线强度与气隙距离的相关性特征构建气隙依赖性模型；
数据分析模块，用于通过将各相同环绕角下主扫描图像与调制扫描图像中同像素处的射线强度带入气隙依赖性模型获取不同气隙下散射射线强度变化关系曲线；
散射估计模块，用于根据散射射线强度变化关系曲线获取实际目标在气隙波动CBCT扫描下扫描图像在各像素处的散射射线强度。
进一步地，所述调制扫描模块中，气隙波动的调整包括方式一和方式二，其中，
方式一：保持X射线发生器与平板接收器之间的距离不变，改变试验目标与平板接收器之间的距离；
方式二：保持X射线发生器与试验目标之间的距离不变，改变试验目标与平板接收器之间的距离。
进一步地，当气隙波动采用方式一进行调整时，所述模型构建模块中气隙依赖性模型表示为如下公式：
Figure 886258DEST_PATH_IMAGE015
式中，i为视图索引，j为像素索引，
Figure 295111DEST_PATH_IMAGE016
为当前气隙
Figure 409829DEST_PATH_IMAGE017
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure 363878DEST_PATH_IMAGE018
为扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure 65512DEST_PATH_IMAGE019
为X射线发生器垂直照射实验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure 513942DEST_PATH_IMAGE020
为从X射线发生器焦点处观察平板接收器边缘中心的角度，D为X射线发生器与平板接收器之间的距离；该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度。
进一步地，当气隙波动采用方式二进行调整时，所述模型构建模块中气隙依赖性模型表示为如下公式：
Figure 263592DEST_PATH_IMAGE021
式中，i为视图索引，j为像素索引，
Figure 637810DEST_PATH_IMAGE022
为当前气隙
Figure 325275DEST_PATH_IMAGE023
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure 826663DEST_PATH_IMAGE024
为气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure 417438DEST_PATH_IMAGE025
为X射线发生器垂直照射实验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure 464022DEST_PATH_IMAGE026
为从X射线发生器焦点处观察平板接收器边缘中心的角度，
Figure 153630DEST_PATH_IMAGE013
为X射线发生器与试验目标之间的距离，
Figure 442397DEST_PATH_IMAGE027
为常数，该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度。
进一步地，所述数据分析模块中，散射射线强度变化关系曲线包括扫描图像中同像素处的射线强度随气隙变化的曲线，以及同像素处调制扫描图像射线强度与主扫描图像射线强度之间的比例随气隙变化的曲线。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
（1）本发明所述的一种基于气隙相关性的X射线散射估计方法与系统，通过分析气隙距离变化与散射强度变化之间的经验关系构建相应模型，从而在不增加硬件成本（如准直器、领结型滤光片）和复杂性的情况下，获得更为可靠的散射强度估算值；
（2）在CBCT扫描过程中能够实时进行散射射线的估算与滤除，相较于通过重复扫描的方式进行散射估算，大大减少了照射剂量，同时提高了扫描成像获取的实时性。
附图说明
图1为一种基于气隙相关性的X射线散射估计方法的步骤图；
图2为一种基于气隙相关性的X射线散射估计系统的结构图；
图3为设备与扫描对象的位置关系示意图；
图4为调制扫描气隙波动示意图；
图5为I vs Air gap平面示意图；
图6为
Figure 651793DEST_PATH_IMAGE028
vs Air gap平面示意图；
图7为气隙波动下缩放比例参数示意图。
附图标记说明：1-平板、2-X射线发生器、3-平板接收器。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
本发明的目的在于估计平板接收器上所检测到射线强度中的散射射线强度，而考虑到气隙变化主要改变的是每个像素处的散射强度，因此可以从具有不同气隙的多个数据点获取散射射线强度与气隙距离变化的经验关系，以此外推该关系进行散射射线强度的估算。基于上述理论，如图1所示，基于气隙与散射射线强度变化经验关系的研究，本发明提出了一种基于气隙相关性的X射线散射估计方法，通过CBCT获取扫描图像（包括X射线发生器和平板接收器），包括步骤：
S1：获取气隙保持一定情况下，CBCT绕试验目标扫描时当前气隙各环绕角处的主扫描图像；
S2：获取气隙波动变化情况下，CBCT绕试验目标扫描时相应气隙各环绕角处的调制扫描图像；
S3：根据射线强度与气隙距离的相关性特征构建气隙依赖性模型；
S4：通过将各相同环绕角下主扫描图像与调制扫描图像中同像素处的射线强度带入气隙依赖性模型获取不同气隙下散射射线强度变化关系曲线；
S5：根据散射射线强度变化关系曲线获取实际目标在气隙波动CBCT扫描下扫描图像在各像素处的散射射线强度。
如图3所示，通过图示的方式示意性的示出了本发明中设备与扫描对象的位置关系。假设对患者进行扫描，并示意患者为一块平板1，在图中显示为在X射线发生器2焦点距离L处的一条黑线，X射线发生器2的焦点到平板接收器3中心之间的距离为D。在包括平板接收器3中心和边缘中心的平面内，从X射线发生器2焦点处观察平板接收器3边缘中心的角度为
Figure 118546DEST_PATH_IMAGE029
，平板1到平板接收器3中心之间的距离为气隙间距（Air gap）。在每个像素处测量射线强度，其值表示为
Figure 16489DEST_PATH_IMAGE030
，其中i为CBCT环绕扫描下各环绕角处的视图索引，j为相应的像素索引，
Figure 859680DEST_PATH_IMAGE031
为从X射线发生器2焦点穿过平板1直接到达像素j处的初级射线强度，
Figure 923582DEST_PATH_IMAGE032
为X射线发生器2焦点和像素j之间直线路径以外检测到的散射射线强度。由此可看出，我们可以通过利用具有多个i的
Figure 810504DEST_PATH_IMAGE033
，估算视图i、像素j处的
Figure 943545DEST_PATH_IMAGE034
。
众所周知的，随着气隙间距的增大，平板接收器3检测到的散射射线会减少，这是因为随着气隙间距增大，平板1受照射部位与平板接收器3上任意像素的视角都会减小。而一般来说，改变气隙间距时，初级射线和散射射线的表现会有所不同。因此可以我们可以利用它们之间的相关性进行建模，进而估算散射射线强度。通过测量经验获得
Figure 75580DEST_PATH_IMAGE035
对气隙间距依赖性的最简单方法是使用不同的气隙间距进行多次扫描。然而，重复扫描成倍的增加了扫描时间，这显然是不现实的。而通过在扫描期间改变气隙，我们就可以将多次扫描减少为两类，也即是主扫描和调制扫描。如图4所示，在主扫描中，气隙间距
Figure 977677DEST_PATH_IMAGE036
被优选为常数
Figure 292291DEST_PATH_IMAGE037
，在调制扫描中，气隙间距在
Figure 663361DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 848354DEST_PATH_IMAGE039
（其中
Figure 119805DEST_PATH_IMAGE040
为可设定的气隙波动值）之间进行调制。在调制扫描中，气隙间距表示为视图的函数，即
Figure 115574DEST_PATH_IMAGE041
（可由CBCT扫描过程中C形臂的调节确定具体数值）。在气隙波动情况下，我们至少可以获得两组
Figure 223207DEST_PATH_IMAGE042
数据集，和一个非常数气隙间距（也即是主扫描和调制扫描），以获得
Figure 198509DEST_PATH_IMAGE042
相对于气隙间距的表现。而为了使获得的相关性分析更为精准，还可以使用与视图i相邻视图的数据来估算散射射线。
具体地，在实际应用中，因为X射线发生器2是以固定的半径绕中心轴运动的，所以无法通过移动X射线发生器2的方式改变气隙间距。因此，本发明考虑到的气隙间距改变方式主要有两种，一种是保持X射线发生器2与平板接收器3之间的距离D不变，只移动平板1（情况1）；另一种是保持X射线发生器2和平板1之间的距离L不变，只移动平板接收器3（情况2）。
在情况1下，当每个视图的旋转足够小或组合了足够多的像素时，相邻视图的X射线路径重叠并且可以近似为相同路径。因此，这种情况下，初级射线不会在相邻视图上发生变化。同时，由于初级射线强度与
Figure 91510DEST_PATH_IMAGE043
成正比，不依赖于气隙间距，而散射射线可视为点源，遵循平方反比定律。这意味着散射与从平板接收器3看到的平板1照射部分的立体角成正比。由数学计算，立体角为：
Figure 241869DEST_PATH_IMAGE044
式中，
Figure 86066DEST_PATH_IMAGE045
为从平板接收器3看到的平板1照射部分的立体角，
Figure 612862DEST_PATH_IMAGE046
为被照射部分在球坐标上与Z轴的夹角（以平板接收器3中心点为球坐标原点，平板接收器3中心点至X射线发生器2射线源的连线为Z轴），其最大值为
Figure 360369DEST_PATH_IMAGE047
；
Figure 933827DEST_PATH_IMAGE048
为导数，
Figure 16052DEST_PATH_IMAGE049
为方位角。
当立体角较小时，
Figure 97272DEST_PATH_IMAGE050
结合上述方程，射线强度
Figure 197821DEST_PATH_IMAGE051
，也即是气隙依赖性模型近似为：
Figure 689982DEST_PATH_IMAGE052
式中，
Figure 10236DEST_PATH_IMAGE053
为当前气隙
Figure 878835DEST_PATH_IMAGE054
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure 836820DEST_PATH_IMAGE055
为扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure 516194DEST_PATH_IMAGE056
为X射线发生器垂直照射实验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure 307432DEST_PATH_IMAGE057
为从X射线发生器2焦点处观察平板接收器3边缘中心的角度，D为X射线发生器与平板接收器之间的距离；该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度。
其中，假设平板1受照射部分与平板接收器3所获图像对应像素的视角较小，通过将实际运行中的数据带入公式中，从而得到各视图第i个视图中第j个像素处
Figure 228990DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 540017DEST_PATH_IMAGE059
的值。由于
Figure 639560DEST_PATH_IMAGE058
是一个常量，所以
Figure 182010DEST_PATH_IMAGE060
可被估计为：
Figure 392412DEST_PATH_IMAGE061
在情况2下，
Figure 823524DEST_PATH_IMAGE062
与
Figure 343236DEST_PATH_IMAGE063
成正比，散射射线可视为点源，与
Figure 109067DEST_PATH_IMAGE064
的比例一般在百分之几以内，其中
Figure 873892DEST_PATH_IMAGE065
为一个常数，因此射线强度
Figure 660975DEST_PATH_IMAGE066
，也即是气隙依赖性模型表示为：
Figure 102321DEST_PATH_IMAGE067
那么
Figure 106180DEST_PATH_IMAGE068
可被估计为：
Figure 658384DEST_PATH_IMAGE069
式中，
Figure 562624DEST_PATH_IMAGE070
为当前气隙
Figure 660024DEST_PATH_IMAGE071
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure 400447DEST_PATH_IMAGE072
为气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure 8539DEST_PATH_IMAGE073
为X射线发生器垂直照射实验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure 268751DEST_PATH_IMAGE074
为从X射线发生器2焦点处观察平板接收器3边缘中心的角度，
Figure 51899DEST_PATH_IMAGE075
为X射线发生器与试验目标之间的距离，该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度。
在这种情况下，通过将实际运行中的数据带入公式中，将相邻视图合并拟合到一组
Figure 263306DEST_PATH_IMAGE076
和
Figure 157313DEST_PATH_IMAGE077
中，来获得常数因子
Figure 537610DEST_PATH_IMAGE078
和
Figure 743857DEST_PATH_IMAGE079
，以及可选的L和
Figure 193292DEST_PATH_IMAGE080
。
如图5所示（I vs Air gap平面），显示了基于上述情况构建的气隙依赖性模型的
Figure 376143DEST_PATH_IMAGE081
相对于空气间隙的预期表现，其中D若为定值则对应情况1，D不为定值则对应情况2。
进一步地，对于上述两种情况下构建的气隙依赖性模型，准确地来说，由于X射线路径的不同，每个视图的
Figure 860214DEST_PATH_IMAGE082
都有可能不同，为了解决这一问题，可以通过将几个像素合并为一个进行缓解。因为合并后像素的X射线路径变宽，并且在相邻视图中重叠，所以可以减少
Figure 234433DEST_PATH_IMAGE082
对视图的依赖性。同样地，每个视图的较小旋转也可以在极大程度上减少视图依赖性。为了进一步抑制视图差异的影响，我们可以通过每个视图的主扫描强度来规范调制扫描的强度，具体可表示为
Figure 921897DEST_PATH_IMAGE083
，其中
Figure 157706DEST_PATH_IMAGE084
为调制扫描测得的射线强度，
Figure 736762DEST_PATH_IMAGE085
为主扫描测得的射线强度，其中m代表调制扫描，p代表主扫描。最后，如图6（
Figure 783347DEST_PATH_IMAGE086
vs Air gap平面）所示绘制数据，通过使用视图i的相邻视图，可以将多个空气间隙的数据进行拟合，公式为：
Figure 207375DEST_PATH_IMAGE087
利用该拟合曲线，估计视图i，像素j处的散射射线强度
Figure 496143DEST_PATH_IMAGE088
，如果在
Figure 689227DEST_PATH_IMAGE089
vsAir gap平面上进行拟合，则主扫描中的散射强度估计为：
Figure 906712DEST_PATH_IMAGE090
其中，
Figure 70234DEST_PATH_IMAGE091
为进一步抑制视图差异后的散射射线强度估计值，在情况1下，
Figure 913425DEST_PATH_IMAGE092
对应于情况1气隙依赖性模型中的前一项常数
Figure 711748DEST_PATH_IMAGE093
，在情况2下，
Figure 598670DEST_PATH_IMAGE093
对应于情况2气隙依赖性模型中的前一项
Figure 997290DEST_PATH_IMAGE094
。
需要注意的是，在绘制拟合曲线时，需要确定主扫描时的气隙间距
Figure 129326DEST_PATH_IMAGE095
，一般来说可以认定
Figure 297002DEST_PATH_IMAGE095
为D/2，这在大多数情况下是合理的，因为感兴趣区域到平板接收器3的距离是不变的，因此一般来说这是正确的。另一种，是将其参数化，通过实际数据的拟合进行获取。最后一种，是通过缩放比例来确定
Figure 357755DEST_PATH_IMAGE095
，具体通过缩放比例进行
Figure 994404DEST_PATH_IMAGE095
获取的方式如下。
与主扫描相比，调制扫描是平板接收器3上的投影图像是缩放的。因此，我们需要置换调制扫描的像素值以将其用于重建，就好像以主扫描相同的方式执行扫描一样。在情况1中，可以通过使用每个视图处的主扫描数据和调制扫描数据之间的差来计算位移。通过使用由系统几何形状确定的位移的解析表达式，可以进一步获得
Figure 913818DEST_PATH_IMAGE095
的值。
在情况1中，可以通过比较主扫描和调制扫描的投影图像来获得图像的位移。如图3所示，假设我们感兴趣的是平板1在圆柱坐标系中径向距离为r0处的结构，其中Z轴垂直于平板接收器3并穿过平板接收器3中心。在平板接收器3图像上，结构从主扫描图像到调制扫描图像的径向位移表示为：
Figure 185269DEST_PATH_IMAGE096
其中，在第二个方程式中使用了D=L+Ag和r0=L*tanθ（θ<θ0）两个已知可计算量。从中可以看出，位移与平板接收器3上的中心距离成正比（等效于r0或tanθ），如图7所示，随着气隙距离增大并接近D，总位移也随之变大。通过测量平板接收器3固定区域处的径向位移
Figure 181038DEST_PATH_IMAGE097
，可以测得气隙距离Air gap，这是因为D是给定的，tanθ和
Figure 23092DEST_PATH_IMAGE098
是根据实际需求进行定义的。仅在位移较大平板接收器边缘周围的信号（图7中的四个实线矩形，长为
Figure 263973DEST_PATH_IMAGE099
，宽为
Figure 140663DEST_PATH_IMAGE100
）可轻松的进行位移量获取。为了获得Air gap，定义如下两幅图像之间的相关函数。
Figure 307333DEST_PATH_IMAGE101
Figure 885951DEST_PATH_IMAGE102
Figure 412747DEST_PATH_IMAGE103
式中，像素索引j的总和取自上面显示的横坐标
Figure 160254DEST_PATH_IMAGE104
和纵坐标
Figure 481514DEST_PATH_IMAGE105
的范围内，
Figure 827656DEST_PATH_IMAGE106
为矩形距离对应平板接收器3边缘的距离。相关函数在两个轮廓最接近的真实位移附近给出最小值，并且该函数为二次函数。因此，可以通过找到给出最小
Figure 643296DEST_PATH_IMAGE107
的
Figure 494577DEST_PATH_IMAGE108
来估计位移。为了改进统计方式，定义如下相关函数，对应于图7中的四个矩形。
第一个矩形：
Figure 501585DEST_PATH_IMAGE109
Figure 821839DEST_PATH_IMAGE110
Figure 424859DEST_PATH_IMAGE111
；
第二个矩形：
Figure 648423DEST_PATH_IMAGE112
Figure 311486DEST_PATH_IMAGE113
Figure 119036DEST_PATH_IMAGE114
；
第三个矩形：
Figure 775014DEST_PATH_IMAGE115
Figure 600888DEST_PATH_IMAGE116
Figure 451163DEST_PATH_IMAGE117
；
第四个矩形：
Figure 464119DEST_PATH_IMAGE118
Figure 926717DEST_PATH_IMAGE119
Figure 357830DEST_PATH_IMAGE120
；
通过找到给出corr=corr1+corr2+corr3+corr4函数最小值的
Figure 628274DEST_PATH_IMAGE121
，可以估计真实位移。进一步地，这里假设位移是旋转对称的（位移在平板接收器3的中心为零）。通过找到给出最小corrn的
Figure 643372DEST_PATH_IMAGE121
（n=1、2、3、4），可以估计真实位移，而无需假设对称位移。上述估计
Figure 142618DEST_PATH_IMAGE121
的方法可以应用于所有视图。
而在情况2中，只有气隙距离随着固定的L而改变，并且像素的位移可以简单的从
Figure 943084DEST_PATH_IMAGE122
计算为：
Figure 964523DEST_PATH_IMAGE123
相反，
Figure 545546DEST_PATH_IMAGE124
不能从主扫描和调制扫描中获得，如果需要获取
Figure 363329DEST_PATH_IMAGE124
，则需要通过在主扫描和调制扫描之前，在相同
Figure 769034DEST_PATH_IMAGE124
的情况下以不同的气隙间距的多次扫描，进行
Figure 887338DEST_PATH_IMAGE124
的估算。
在一优选实施例中，为了改进数据统计、减少计算时间以及像素值降低对视图质量的影响，在平板接收器3上平滑主扫描和调制扫描的平板探测器像素值，或者将其分为更小数量的像素。同时，为了避免不合理的估计，例如散射值大于要减去的原始值或负散射值，需要对此类数据进行鉴别。辨别出的像素需要通过例如线性插值使用周围像素来填充。进一步地，为了减少计算时间，不必在所有视图上执行散射估计，而是对散射射线的分布进行差值处理。
实施例二
为了更好的对本发明的技术点进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于气隙相关性的X射线散射估计系统，通过CBCT获取扫描图像，所述CBCT包括X射线发生器和平板接收器，包括：
主扫描模块，用于获取气隙保持一定情况下，CBCT绕试验目标扫描时当前气隙各环绕角处的主扫描图像；
调制扫描模块，用于获取气隙波动变化情况下，CBCT绕试验目标扫描时相应气隙各环绕角处的调制扫描图像；
模型构建模块，用于根据射线强度与气隙距离的相关性特征构建气隙依赖性模型；
数据分析模块，用于通过将各相同环绕角下主扫描图像与调制扫描图像中同像素处的射线强度带入气隙依赖性模型获取不同气隙下散射射线强度变化关系曲线；
散射估计模块，用于根据散射射线强度变化关系曲线获取实际目标在气隙波动CBCT扫描下扫描图像在各像素处的散射射线强度。
进一步地，调制扫描模块中，气隙波动的调整包括方式一和方式二，其中，
方式一：保持X射线发生器与平板接收器之间的距离不变，改变试验目标与平板接收器之间的距离；
方式二：保持X射线发生器与试验目标之间的距离不变，改变试验目标与平板接收器之间的距离。
进一步地，当气隙波动采用方式一进行调整时，所述模型构建模块中气隙依赖性模型表示为如下公式：
Figure 644073DEST_PATH_IMAGE125
式中，i为视图索引，j为像素索引，
Figure 265547DEST_PATH_IMAGE126
为当前气隙
Figure 24293DEST_PATH_IMAGE127
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure 558174DEST_PATH_IMAGE128
为扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure 785893DEST_PATH_IMAGE129
为X射线发生器垂直照射实验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure 197676DEST_PATH_IMAGE130
为从X射线发生器焦点处观察平板接收器边缘中心的角度，D为X射线发生器与平板接收器之间的距离；该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度。
进一步地，当气隙波动采用方式二进行调整时，所述模型构建模块中气隙依赖性模型表示为如下公式：
Figure 843552DEST_PATH_IMAGE131
式中，i为视图索引，j为像素索引，
Figure 46869DEST_PATH_IMAGE132
为当前气隙
Figure 761885DEST_PATH_IMAGE133
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure 210315DEST_PATH_IMAGE134
为气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure 946583DEST_PATH_IMAGE135
为X射线发生器垂直照射实验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure 337113DEST_PATH_IMAGE136
为从X射线发生器焦点处观察平板接收器边缘中心的角度，
Figure 24577DEST_PATH_IMAGE137
为X射线发生器与试验目标之间的距离，
Figure 775233DEST_PATH_IMAGE138
为常数，该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度。
进一步地，数据分析模块中，散射射线强度变化关系曲线包括扫描图像中同像素处的射线强度随气隙变化的曲线，以及同像素处调制扫描图像射线强度与主扫描图像射线强度之间的比例随气隙变化的曲线。
综上所述，本发明所述的一种基于气隙相关性的X射线散射估计方法与系统，通过分析气隙距离变化与散射强度变化之间的经验关系构建相应模型，从而在不增加硬件成本（如准直器、领结型滤光片）和复杂性的情况下，获得更为可靠的散射强度估算值。
在CBCT扫描过程中能够实时进行散射射线的估算与滤除，相较于通过重复扫描的方式进行散射估算，大大减少了照射剂量，同时提高了扫描成像获取的实时性。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。在本发明的描述中，“多个”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于气隙相关性的X射线散射估计方法，其特征在于，通过CBCT获取扫描图像，所述CBCT包括X射线发生器和平板接收器，气隙为试验目标到平板接收器中心之间的距离，包括步骤：
S1：获取气隙保持一定情况下，CBCT绕试验目标扫描时当前气隙各环绕角处的主扫描图像；
S2：获取气隙波动变化情况下，CBCT绕试验目标扫描时相应气隙各环绕角处的调制扫描图像；
S3：根据射线强度与气隙距离的相关性特征构建气隙依赖性模型；
S4：通过将各相同环绕角下主扫描图像与调制扫描图像中同像素处的射线强度带入气隙依赖性模型获取不同气隙下散射射线强度变化关系曲线；
S5：根据散射射线强度变化关系曲线获取实际目标在气隙波动CBCT扫描下扫描图像在各像素处的散射射线强度；
所述S2步骤中，气隙波动的调整包括方式一和方式二，其中，
方式一：保持X射线发生器与平板接收器之间的距离不变，改变试验目标与平板接收器之间的距离；
方式二：保持X射线发生器与试验目标之间的距离不变，改变试验目标与平板接收器之间的距离；
当气隙波动采用方式一进行调整时，所述S3步骤中气隙依赖性模型表示为如下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，i为视图索引，j为像素索引，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为当前气隙
Figure DEST_PATH_IMAGE003
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为X射线发生器垂直照射试验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为从X射线发生器焦点处观察平板接收器边缘中心的角度，D为X射线发生器与平板接收器之间的距离；该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度；
当气隙波动采用方式二进行调整时，所述S3步骤中气隙依赖性模型表示为如下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
式中，i为视图索引，j为像素索引，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为当前气隙
Figure DEST_PATH_IMAGE009
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为X射线发生器垂直照射试验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为从X射线发生器焦点处观察平板接收器边缘中心的角度，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为X射线发生器与试验目标之间的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为常数，该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度。
2.如权利要求1所述的一种基于气隙相关性的X射线散射估计方法，其特征在于，所述S4步骤中，散射射线强度变化关系曲线包括扫描图像中同像素处的射线强度随气隙变化的曲线，以及同像素处调制扫描图像射线强度与主扫描图像射线强度之间的比例随气隙变化的曲线。
3.一种基于气隙相关性的X射线散射估计系统，其特征在于，通过CBCT获取扫描图像，所述CBCT包括X射线发生器和平板接收器，气隙为试验目标到平板接收器中心之间的距离，包括：
主扫描模块，用于获取气隙保持一定情况下，CBCT绕试验目标扫描时当前气隙各环绕角处的主扫描图像；
调制扫描模块，用于获取气隙波动变化情况下，CBCT绕试验目标扫描时相应气隙各环绕角处的调制扫描图像；
模型构建模块，用于根据射线强度与气隙距离的相关性特征构建气隙依赖性模型；
数据分析模块，用于通过将各相同环绕角下主扫描图像与调制扫描图像中同像素处的射线强度带入气隙依赖性模型获取不同气隙下散射射线强度变化关系曲线；
散射估计模块，用于根据散射射线强度变化关系曲线获取实际目标在气隙波动CBCT扫描下扫描图像在各像素处的散射射线强度；
所述调制扫描模块中，气隙波动的调整包括方式一和方式二，其中，
方式一：保持X射线发生器与平板接收器之间的距离不变，改变试验目标与平板接收器之间的距离；
方式二：保持X射线发生器与试验目标之间的距离不变，改变试验目标与平板接收器之间的距离；
当气隙波动采用方式一进行调整时，所述模型构建模块中气隙依赖性模型表示为如下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
式中，i为视图索引，j为像素索引，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为当前气隙
Figure DEST_PATH_IMAGE017
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为X射线发生器垂直照射试验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为从X射线发生器焦点处观察平板接收器边缘中心的角度，D为X射线发生器与平板接收器之间的距离；该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度；
当气隙波动采用方式二进行调整时，所述模型构建模块中气隙依赖性模型表示为如下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
式中，i为视图索引，j为像素索引，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为当前气隙
Figure DEST_PATH_IMAGE023
下扫描图像在第i个视图中第j个像素处的射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的初级射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为X射线发生器垂直照射试验目标且气隙一定时扫描图像在第i个视图中第j个像素处的散射射线强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为从X射线发生器焦点处观察平板接收器边缘中心的角度，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为X射线发生器与试验目标之间的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为常数，该公式以加号为划分，前一项为初级射线强度，后一项为散射射线强度。
4.如权利要求3所述的一种基于气隙相关性的X射线散射估计系统，其特征在于，所述数据分析模块中，散射射线强度变化关系曲线包括扫描图像中同像素处的射线强度随气隙变化的曲线，以及同像素处调制扫描图像射线强度与主扫描图像射线强度之间的比例随气隙变化的曲线。
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