CN116452690A - 一种锥束x射线荧光ct几何参数校正方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于CT成像技术领域，提供了一种锥束X射线荧光CT几何参数校正方法及系统，其中方法包括以下步骤：建立锥束X射线荧光CT仿真模型，得到X射线荧光光谱数据；对X射线荧光光谱数据分析处理得到X射线荧光CT的原始投影数据；根据蒙特卡洛模拟仿真得到的投影数据，使用重建算法对原始投影数据进行重建图像，对重建图像在偏移参数的误差域内对偏移参数密集采样并使用理想投影矩阵计算再投影数据于原始投影数据和再投影数据局部线性关系进行偏移参数校正；基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系进行几何校正。通过几何参数校正改善几何参数误差引起的图像失真，减少重建图像中的伪影，提高了成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及CT成像技术领域，具体是涉及一种锥束X射线荧光CT几何参数校正方法及系统。
背景技术
X射线荧光计算机断层成像(CT)方法是结合X射线荧光分析和X-CT的新兴技术，兼具两者的长处，XFCT（X射线荧光CT成像技术）通过荧光光谱分析样品中元素成分，并基于荧光信号实现CT成像，在能够分析物质的基础上，以非侵入式的方式定位物体内特定元素分布。高质量的CT图像能够提供更准确的信息，但实际的CT图像往往受到伪影的影响，伪影指被检测物体内部不存在，却出现在CT图像上的各种形态的影像，也就是说，目前XFCT得到的图像中几何位置不够精确。因此，需要提供一种锥束X射线荧光CT几何参数校正方法及系统，旨在解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种锥束X射线荧光CT几何参数校正方法，所述方法包括以下步骤：
建立锥束X射线荧光CT仿真模型，所述仿真模型包括锥束X射线源、圆柱形待测模体、准直孔、荧光探测器以及透射探测器，得到X射线荧光光谱数据；
对X射线荧光光谱数据分析处理得到X射线荧光CT的原始投影数据；
根据蒙特卡洛模拟仿真得到的投影数据，使用重建算法对原始投影数据进行重建图像，对重建图像在偏移参数的误差域内对偏移参数密集采样并使用理想投影矩阵计算再投影数据于原始投影数据和再投影数据局部线性关系进行偏移参数校正，校正后使用算法重建图像；
基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系进行几何校正，校正后的投影数据经过算法重建获得图像。
作为本发明进一步的方案：进行几何校正的步骤，具体包括：
在误差域内密集采样几何参数向量；
基于不同几何参数向量构造不同的投影矩阵，并使用投影矩阵对原始投影数据重建的图像再投影，得到若干个再投影数据；
基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系，计算实际的几何参数误差值，修正投影矩阵，并重建图像。
作为本发明进一步的方案：所述圆柱形待测模体中嵌入了八个金属元素的圆锥，将锥束X射线源发出的X射线光照射到圆柱形待测模体上，将圆柱形待测模体平移或者转动，锥束X射线光与圆柱形待测模体中的金属元素相互作用而产生荧光，产生的荧光通过准直孔到达荧光探测器。
作为本发明进一步的方案：所述荧光探测器垂直于锥束X射线源焦点方向，准直孔设置在圆柱形待测模体和荧光探测器之间。
作为本发明进一步的方案：利用荧光探测器对锥束X射线荧光进行探测时，所述透射探测器设置在入射X射线源方向且位于圆柱形待测模体后方，圆柱形待测模体被锥束X射线照射后，部分X射线会透过圆柱形待测模体被荧光探测器接收，得到X射线荧光光谱数据。
作为本发明进一步的方案：所述锥束X射线荧光CT仿真模型是基于Geant4建立的。
本发明的另一目的在于提供一种锥束X射线荧光CT几何参数校正系统，所述系统包括：
荧光光谱数据获取模块，用于建立锥束X射线荧光CT仿真模型，所述仿真模型包括锥束X射线源、圆柱形待测模体、准直孔、荧光探测器以及透射探测器，得到X射线荧光光谱数据；
原始投影数据确定模块，用于对X射线荧光光谱数据分析处理得到X射线荧光CT的原始投影数据；
理想投影矩阵重建模块，用于根据蒙特卡洛模拟仿真得到的投影数据，使用重建算法对原始投影数据进行重建图像，对重建图像在偏移参数的误差域内对偏移参数密集采样并使用理想投影矩阵计算再投影数据于原始投影数据和再投影数据局部线性关系进行偏移参数校正，校正后使用算法重建图像；
图像几何校正重建模块，用于基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系进行几何校正，校正后的投影数据经过算法重建获得图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过建立锥束X射线荧光CT仿真模型，得到X射线荧光光谱数据；对X射线荧光光谱数据分析处理得到X射线荧光CT的原始投影数据；根据蒙特卡洛模拟仿真得到的投影数据，使用重建算法对原始投影数据进行重建图像，对重建图像在偏移参数的误差域内对偏移参数密集采样并使用理想投影矩阵计算再投影数据于原始投影数据和再投影数据局部线性关系进行偏移参数校正；基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系进行几何校正，校正后的投影数据经过算法重建获得图像，通过几何参数校正改善几何参数误差引起的图像失真，进而减少重建图像中的伪影，从而提高成像质量，能够获得高质量的重建图像。解决了锥束X射线荧光CT成像中由于测量带来的系统参数误差造成的重建图像失真和伪影问题。
附图说明
图1为一种锥束X射线荧光CT几何参数校正方法的流程图。
图2为一种锥束X射线荧光CT几何参数校正方法中锥束X射线荧光CT仿真模型的示意图。
图3为一种锥束X射线荧光CT几何参数校正系统的结构示意图。
实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及具体实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种锥束X射线荧光CT几何参数校正方法，所述方法包括以下步骤：
S100，建立锥束X射线荧光CT仿真模型，所述仿真模型包括锥束X射线源、圆柱形待测模体、准直孔、荧光探测器以及透射探测器，得到X射线荧光光谱数据；
S200，对X射线荧光光谱数据分析处理得到X射线荧光CT的原始投影数据；
S300，根据蒙特卡洛模拟仿真得到的投影数据，使用重建算法对原始投影数据进行重建图像，对重建图像在偏移参数的误差域内对偏移参数密集采样并使用理想投影矩阵计算再投影数据于原始投影数据和再投影数据局部线性关系进行偏移参数校正，校正后使用算法重建图像；
S400，基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系进行几何校正，校正后的投影数据经过算法重建获得图像。
需要说明的是，X射线荧光计算机断层成像(CT)方法是结合X射线荧光分析和X-CT的新兴技术，兼具两者的长处，XFCT（X射线荧光CT成像技术）通过荧光光谱分析样品中元素成分，并基于荧光信号实现CT成像，在能够分析物质的基础上，以非侵入式的方式定位物体内特定元素分布，但目前XFCT得到的图像中几何位置不够精确，本发明实施例旨在解决上述问题。
本发明实施例中，首先需要建立锥束X射线荧光CT仿真模型，来获取X射线荧光光谱数据，所述仿真模型包括锥束X射线源、圆柱形待测模体、准直孔、荧光探测器以及透射探测器，所述锥束X射线荧光CT仿真模型是基于Geant4建立的，Geant4是由CERN(欧洲核子研究组织)基于C++面向对象技术开发的蒙特卡罗应用软件包，用于模拟粒子在物质中输运的物理过程，其主要优点是源代码完全开放，用户可以根据实际需要更改和扩充程序。
本发明实施例中，所述圆柱形待测模体中嵌入了八个金属元素的圆锥，将锥束X射线源发出的X射线光照射到圆柱形待测模体上，将圆柱形待测模体平移或者转动，锥束X射线光与圆柱形待测模体中的金属元素相互作用而产生荧光，产生的荧光通过准直孔到达荧光探测器。所述荧光探测器垂直于锥束X射线源焦点方向，准直孔设置在圆柱形待测模体和荧光探测器之间，使实验数据更加准确。利用荧光探测器对锥束X射线荧光进行探测时，所述透射探测器设置在入射X射线源方向且位于圆柱形待测模体后方，圆柱形待测模体被锥束X射线照射后，部分X射线会透过圆柱形待测模体被荧光探测器接收，得到X射线荧光光谱数据，接着对X射线荧光光谱数据分析处理得到X射线荧光CT的原始投影数据；然后需要根据蒙特卡洛模拟仿真得到的投影数据，使用重建算法对原始投影数据进行重建图像，对重建图像在偏移参数的误差域内对偏移参数密集采样并使用理想投影矩阵计算再投影数据于原始投影数据和再投影数据局部线性关系进行偏移参数校正，校正后使用算法重建图像；最后基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系进行几何校正，校正后的投影数据经过算法重建获得图像。另外，几何校正顺序为先对x轴偏移参数校正，再对y轴偏移参数校正。
作为本发明一个优选的实施例，X射线荧光CT几何参数校正的目的是找出几何参数具体的误差值，用于修正投影矩阵，使投影矩阵与原始投影数据匹配，以重建更清晰的图像，进行几何校正的步骤，具体包括：估计几何参数的误差范围，在误差域内密集采样几何参数向量；基于不同几何参数向量构造不同的投影矩阵，并使用投影矩阵对原始投影数据重建的图像再投影，得到若干个再投影数据；基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系，计算实际的几何参数误差值，修正投影矩阵，并重建图像。
本发明实施例中，X射线荧光CT成像技术相比于传统CT而言是利用了硬X射线穿透深度大的特性，X射线荧光CT得到的是样品内部元素三维分布的图像；简化了样品准备工作，它既不需要对样品进行切片处理也不需要进行真空准备；还可以同时测量样品中多种元素的分布，锥束CT相比于二维CT具备扫面时间短、X射线利用率高、重建图像空间分辨率高的优点。通过几何参数校正改善几何参数误差引起的图像失真，进而减少重建图像中的伪影，从而提高成像质量，能够获得高质量的重建图像。
如图3所示，本发明实施例还提供了一种锥束X射线荧光CT几何参数校正系统，所述系统包括：
荧光光谱数据获取模块100，用于建立锥束X射线荧光CT仿真模型，所述仿真模型包括锥束X射线源、圆柱形待测模体、准直孔、荧光探测器以及透射探测器，得到X射线荧光光谱数据；
原始投影数据确定模块200，用于对X射线荧光光谱数据分析处理得到X射线荧光CT的原始投影数据；
理想投影矩阵重建模块300，用于根据蒙特卡洛模拟仿真得到的投影数据，使用重建算法对原始投影数据进行重建图像，对重建图像在偏移参数的误差域内对偏移参数密集采样并使用理想投影矩阵计算再投影数据于原始投影数据和再投影数据局部线性关系进行偏移参数校正，校正后使用算法重建图像；
图像几何校正重建模块400，用于基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系进行几何校正，校正后的投影数据经过算法重建获得图像。
以上仅对本发明的较佳实施例进行了详细叙述，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
Claims (7)
1.一种锥束X射线荧光CT几何参数校正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
建立锥束X射线荧光CT仿真模型，所述仿真模型包括锥束X射线源、圆柱形待测模体、准直孔、荧光探测器以及透射探测器，得到X射线荧光光谱数据；
对X射线荧光光谱数据分析处理得到X射线荧光CT的原始投影数据；
根据蒙特卡洛模拟仿真得到的投影数据，使用重建算法对原始投影数据进行重建图像，对重建图像在偏移参数的误差域内对偏移参数密集采样并使用理想投影矩阵计算再投影数据于原始投影数据和再投影数据局部线性关系进行偏移参数校正，校正后使用算法重建图像；
基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系进行几何校正，校正后的投影数据经过算法重建获得图像。
2.根据权利要求1所述的锥束X射线荧光CT几何参数校正方法，其特征在于，进行几何校正的步骤，具体包括：
在误差域内密集采样几何参数向量；
基于不同几何参数向量构造不同的投影矩阵，并使用投影矩阵对原始投影数据重建的图像再投影，得到若干个再投影数据；
基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系，计算实际的几何参数误差值，修正投影矩阵，并重建图像。
3.根据权利要求1所述的锥束X射线荧光CT几何参数校正方法，其特征在于，所述圆柱形待测模体中嵌入了八个金属元素的圆锥，将锥束X射线源发出的X射线光照射到圆柱形待测模体上，将圆柱形待测模体平移或者转动，锥束X射线光与圆柱形待测模体中的金属元素相互作用而产生荧光，产生的荧光通过准直孔到达荧光探测器。
4.根据权利要求3所述的锥束X射线荧光CT几何参数校正方法，其特征在于，所述荧光探测器垂直于锥束X射线源焦点方向，准直孔设置在圆柱形待测模体和荧光探测器之间。
5.根据权利要求4所述的锥束X射线荧光CT几何参数校正方法，其特征在于，利用荧光探测器对锥束X射线荧光进行探测时，所述透射探测器设置在入射X射线源方向且位于圆柱形待测模体后方，圆柱形待测模体被锥束X射线照射后，部分X射线会透过圆柱形待测模体被荧光探测器接收，得到X射线荧光光谱数据。
6.根据权利要求1所述的锥束X射线荧光CT几何参数校正方法，其特征在于，所述锥束X射线荧光CT仿真模型是基于Geant4建立的。
7.一种锥束X射线荧光CT几何参数校正系统，其特征在于，所述系统包括：
荧光光谱数据获取模块，用于建立锥束X射线荧光CT仿真模型，所述仿真模型包括锥束X射线源、圆柱形待测模体、准直孔、荧光探测器以及透射探测器，得到X射线荧光光谱数据；
原始投影数据确定模块，用于对X射线荧光光谱数据分析处理得到X射线荧光CT的原始投影数据；
理想投影矩阵重建模块，用于根据蒙特卡洛模拟仿真得到的投影数据，使用重建算法对原始投影数据进行重建图像，对重建图像在偏移参数的误差域内对偏移参数密集采样并使用理想投影矩阵计算再投影数据于原始投影数据和再投影数据局部线性关系进行偏移参数校正，校正后使用算法重建图像；
图像几何校正重建模块，用于基于再投影数据与原始投影数据的局部线性关系进行几何校正，校正后的投影数据经过算法重建获得图像。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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