CN202104929U - 一种用于体ct几何校正的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于体CT几何校正的装置，包括柱形体，所述柱形体的侧壁上镶嵌有上、下两圈圆珠，每圈圆珠的个数不限，且两圈圆珠的总个数≥6；所述柱形体上还设有定位圆珠。本实用新型在现有的具有上下两圈圆珠的模型中，同时增加一颗或多颗定位圆珠，不仅可以减少计算，还可以提高计算出的几何误差参数的准确性，使模型可以达到更好的几何校正效果。

Description

一种用于体CT几何校正的装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于体CT几何校正的装置，属于辐射成像或无损检测技术领域。 

背景技术

随着探测器技术，算法，计算机硬件条件的不断改进，CT系统正在从单层CT向多层CT，体CT的方向发展。体CT系统主要由X光源，被测物体，以及像素探测阵列组成(如图1所示)。体CT成像系统中经常会遇到各种伪影的影响，这些伪影严重影响了体CT系统的重建图像质量。产生伪影的原因有多种，其中CT机械系统的几何误差是一种重要因素，对重建图像质量有很大影响。在真实体CT系统中，算法要求X光源，被测物体中心以及像素探测阵列的中心位于一条直线，但是由于机械精度等问题，X光源，探测器，被测物体的位置无法实现理想的几何关系，如果不进行校正，会在重建图像中引起环状伪影，带状伪影等，降低重建精度。因此，CT系统必须进行几何校正，提高CT图像质量。 

体CT系统的几何校正是体CT校正中重要的部分，对图像质量有很大影响。目前的体CT几何校正方法一般基于校正模型装置，模型一般在低密度材料的基础上加上钢珠等高密度材料，根据投影图像中高密度物质的位置计算系统几何误差。 

发明名称为一种锥束X射线CT系统的定标模板的中国专利200510045796.3中，提出一种基于平板上四个角上镶嵌4颗钢珠的装置，在有机玻璃板上镶嵌4个点状金属球使其分别位于正方形的四个顶点上，垂直于投影方向放置有机玻璃板，投影图像中会出现4颗钢珠的信息。校正方法是首先找到每颗钢珠的中心位置，然后根据该位置关系计算出系统的几何误差参数。这种方法校正装置比较简单，并且针对一个投影角度下(和有机玻璃板放置位置垂直的投影角度)可以得到很好的效果，但是并不适用于所有的投影角度。例如当投影角度和有机玻璃板平行时，则投影图像中会出现4个钢珠的位置在一条直线上，不再是多边形，其中的很多几何关系都不再适用，无法获得几何误差参数。 

文献Analytic method based on identification of ellipse parameters for scanner calibration in  cone-beam tomography[Frederic Noo，ect.Phys.Med.Biol.45(2000)]中提出一种基于有机玻璃板上对角线位置镶嵌两颗钢珠的装置，垂直放置该有机玻璃板，以有机玻璃的横向中心轴位置为旋转轴，在一周旋转过程中的等角度的采集12幅投影图像(投影角度间隔30度)，将这12幅投影图像叠加，则得到了一幅包含24颗钢珠影像的投影图像。这24颗钢珠位置组成了两个类似椭圆的形状，提取出每个位置上钢珠投影的中心，根据这些钢珠的中心位置关系计算出CT系统的几何误差。该方法认为在扫描过程中系统机械误差不变，基于一周的扫描图像，计算出一组几何误差，然后用这组几何误差参数对所有的投影图像进行校正。但是在实际情况下，CT机械系统在旋转过程中不可能保证机械误差不变，在每个投影角度下的系统机械误差都会不同，这种计算存在误差。文献A geometric calibration method for cone beam CT[Kai Yang，Alexander L.C.Kwan，ect.Med.Phys.33(6)，June 2006.]中采用了相似的装置，在低密度有机玻璃的对角线位置上镶嵌两颗钢珠，垂直放置该有机玻璃，以有机玻璃的纵向中心轴位置为旋转轴。仅仅采集0度，90度，180度，270度，4个方向钢珠的投影(共8个钢珠位置)，在提取出钢珠中心位置的基础上，计算CT系统机械误差。这种方法也忽略了各个投影方向系统机械几何误差的差异性，得到的结果是4个投影方向的平均误差，并不准确。 

在文献Accurate technique for complete geometric calibration of cone-beam computed tomography system[Youngbin Cho，Douglas J.Moseley，Med.Phys.32(4)，April2005]提出了一种在低密度材料上镶嵌两圈钢珠的装置用于CT几何校正，利用这种装置可以计算出在所有的投影角度下的几何误差参数。该装置的具体形状是在圆柱体的低密度材料上镶嵌平行两圈钢珠，每圈12个钢珠，12个钢珠均匀排布在360度上，上下两圈钢珠的角度分布一致，每圈钢珠的直径为10cm，两圈钢珠之间的距离为16cm。将这个几何校正装置垂直放置在X光源和探测器之间，两圈钢珠在轴向方向上平行，保证该几何校正装置完全在FOV内。这样在每个投影角度下都能得到一幅包含24个钢珠投影位置的图像，在投影图像中提取出钢珠中心点位置，根据这24颗钢珠投影中心位置，可以计算出在每个投影角度下的CT系统机械几何误差。这种方法最大的优点在于，与真实情况一致。在真实情况下，CT机械系统在每个投影角度下的几何误差都会不同，这种方法在每个投影角度下都可以单独的计算出机械误差，更加准确。在利用这种方法计算几何参数误差的过程中，很多因素都会影响最终的计算精度。这些因素包括：几何校正装置的加工精度，计算方法本身的误差等等。本实用新型主要针对上述误差问题，对用于该种几何校正的装置进行修改，利用 修改后的几何校正装置可以得到更加准确的几何误差参数。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术中所存在的上述误差问题，提供一种用于体CT几何校正的装置，以得到更加准确的几何误差参数。 

在CT成像系统中，由于几何误差的存在，在重建图像中会出现伪像。进行机械误差的校正可以提高重建图像的质量。CT系统的机械误差主要分为平移和旋转两种，平移误差参数为Δx、Δy、Δz，旋转角度误差参数为φ、θ、η(如图2所示)，利用模型装置中特征点在投影图像上的位置计算几何误差参数是目前CT几何校正的主要方法。 

本实用新型采用以下技术方案： 

一种用于体CT几何校正的装置，其特征在于：包括柱形体，所述柱形体的侧壁上镶嵌有上、下两圈圆珠；每圈圆珠的个数不限，且两圈圆珠的总个数≥6；所述柱形体上还设有定位圆珠。 

进一步的，所述定位圆珠设于所述上、下两圈圆珠所形成的平面中间且位于柱形体的中心轴上。 

本实用新型在上、下两圈圆珠的轴向以及横向中心位置增加一颗定位圆珠后，可以从投影图像上直接准确获得整个系统在横向和轴向的偏移量Δx，Δz，而以往的方法往往是从其他圆珠的投影位置计算出系统的横向和轴向偏移量。在上、下两圈圆珠的中心位置增加一颗定位圆珠后，不仅可以减少计算过程，也避免了原来方法在计算过程中的误差，同时具备了准确和简易的优点。 

进一步的，所述定位圆珠设于任意一组或多组距离最近的上圈圆珠和下圈圆珠的连线的任意位置上。所述定位圆珠可以是一颗或多颗，可位于上下两圈圆珠之间或任意一侧。 

本实用新型在上、下两圈圆珠任意一列两颗圆珠连线的任意位置增加一颗或多颗定位圆珠，可以增加对每颗圆珠位置的标识。原始的只有两圈圆珠的几何校正模型，没有对圆珠位置的标识，从投影图像中无法定位出相应模型中对应的圆珠位置，对数据处理带来不便。增加一颗定位圆珠后就可以明确投影图像和具体几何模型之间的对应关系。在加工几 何校正装置存在机械误差的情况下，通过后期的测量手段得到校正装置的加工误差，在明确投影图像中定位圆珠和实际装置中圆珠对应关系后，就可以在计算几何误差时带入测量加工误差参数，计算出的几何误差参数更加准确。 

进一步的，所述定位圆珠有两组：其中一组为一颗，设于所述上、下两圈圆珠所形成的平面中间且位于柱形体的中心轴上；另一组有一颗或多颗，设于任意一列或多列距离最近的上圈圆珠和下圈圆珠的连线的任意位置上。该一颗或多颗定位圆珠可位于上下两圈圆珠之间或任意一侧。 

本实用新型在基于上、下两圈圆珠的几何校正装置中同时增加上述两组定位圆珠，不仅可以减少计算，同时可以提高计算出的几何误差参数的准确性。 

较佳的，在上述装置中，所述上圈圆珠与下圈圆珠的个数相同，且上下两圈圆珠在轴向上对称分布。 

较佳的，在上述装置中，所述上圈圆珠与下圈圆珠的个数相同且均匀分布；上下两圈圆珠在轴向上对称分布。 

较佳的，在上述装置中，所述上圈圆珠位于同一平面上或大致位于同一平面上；所述下圈圆珠位于同一平面上或大致位于同一平面上。所述大致位于同一平面上是指，一圈圆珠中可以有若干个圆珠偏离该平面。 

较佳的，在上述装置中，所述柱形体为空心圆筒、实心圆柱、空心椭圆筒、实心椭圆柱、多边形空心筒或实心多边形柱体。当所述柱形体为空心圆筒、空心椭圆筒或多边形空心筒时，可在上下两圈圆珠之间的中间位置增加一层中间层，在中间层的中心位置处设置一颗定位圆珠。 

较佳的，所述上下两圈圆珠镶嵌于柱形体的内侧壁、外侧壁或者侧壁内。 

本实用新型所提供的上述装置中，所述圆珠由高密度材料制成，如钨珠、钢珠、钨钢珠等。所述柱形体由低密度材料制成，如有机玻璃等。 

本实用新型所提供的上述用于体CT几何校正的装置，采用具有上下两圈圆珠的模型，同时增加一颗或多颗定位圆珠，不仅可以减少计算，还可以提高计算出的几何误差参数的准确性，使模型可以达到更好的几何校正效果。 

附图说明

图1为体CT系统的主要组成部分； 

图中：1为X光源，2为旋转平台，3为像素探测阵列。 

图2a-f为几种几何误差情况； 

图中：1为X光源，2为中心射线，3为探测器行，4为理想探测器行，5为探测器列，6为理想探测器列，7为探测像素阵列，8为理想探测像素阵列。 

图3A-3C为现有的体CT几何校正装置示意图；其中，图3B为图3A的A-A向剖视图，图3C为立体图。 

图4A-4C为本实用新型一种实施方式的体CT几何校正装置示意图；其中，图4B为图4A的A-A向剖视图，图4C为立体图。 

图5A-5C为本实用新型另一种实施方式的体CT几何校正装置示意图；其中，图5B为图5A的A-A向剖视图，图5C为立体图。 

图6A-6C为本实用新型另一种实施方式的体CT几何校正装置示意图；其中，图6B为图6A的A-A向剖视图，图6C为立体图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本实用新型，应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。 

本实用新型在如图3A-3B所示的具有上下两圈圆珠31、32的模型结构中增加一颗或多颗定位圆珠，具体的模型结构描述如下： 

本实用新型所提供的一种用于体CT几何校正的装置，包括柱形体30，柱形体30的侧壁上镶嵌有上、下两圈圆珠31、32。柱形体30由低密度材料制成，可以是空心圆筒、实心圆柱、空心椭圆筒、实心椭圆柱、多边形空心筒或实心多边形柱体；上、下两圈圆珠31、32可以镶嵌于柱形体的内侧壁、外侧壁或者侧壁内，从而每圈圆珠形成圆形、椭圆形或类 似于圆形等形状排布，且其直径、大小相同。同时，这些排布成圆形、椭圆形或类似于圆形等形状的圆珠可以位于同一平面上，或大致位于同一平面上(即其中可以有若干个圆珠稍微偏离该平面)。进一步的，上圈圆珠31与下圈圆珠32所形成的平面平行。每圈圆珠的个数不限，但两圈圆珠的总个数≥6。上、下两圈圆珠31、32所具有的圆珠数目可以相同也可以不同，上、下两圈圆珠31、32所具有的圆珠可均匀分布也可不均匀分布。优选的是，上、下两圈圆珠31、32所具有的圆珠个数相同、均匀分布，且上下两圈圆珠31、32在轴向上对称分布(即上下两圈圆珠31、32在轴向上对齐)。 

本实用新型在上述装置中，增加了定位圆珠，该定位圆珠位于柱形体30上。下面详细描述本实用新型的三种优选实施方式： 

如图4A-4B所示：柱形体30为用低密度材料制作的内径为80mm，高度为100mm的空心圆筒，圆筒壁厚2-3mm，在圆筒内壁轴向不同高度上镶嵌两圈直径为1mm的圆珠，上下两圈圆珠31、32都包含12颗圆珠，并且均匀分布在360度圆周上，上下两圈圆珠31、32组成的两个圆形直径一致，并且在轴向上每一列圆珠对齐。在上下两圈圆珠31、32的中间位置(轴向位于两圈圆珠31、32的轴向中心)增加一层低密度材料制成的中间层33，同时在中间层33的中心(横向位于两圈圆珠组成圆形的中心位置)增加一颗定位圆珠25。 

该实施方式在中心位置增加一颗定位圆珠25可以带来很大的优势。中心位置增加的一颗定位圆珠25在投影图像带来了更多的系统几何误差的信息。由于这颗定位圆珠25位置的特殊性，位于两圈圆珠的横向和轴向的中心位置，是整个校正装置的中心，所以这颗定位圆珠对应的投影位置就是几何误差中平移变量Δx，Δz的值，这两个参数是对重建质量影响较大的参数。在没有中心这颗定位圆珠25的如图3所示的几何校正装置中，计算Δx，Δz的方法是基于上下两圈共24颗圆珠位置的数学运算。假设在提取每颗圆珠中心位置存在Δd的误差，在如图3所示的校正装置情况下对Δx，Δz的误差为24倍的Δd，而增加了这颗定位圆珠25后Δx，Δz的值可以直接从中心圆珠的投影位置读取，误差仅为Δd。同时直接读取不需要额外的计算，节省了计算时间。所以在中心位置增加了一颗定位圆珠25后省去了两个误差参数Δx，Δz的计算时间，并且也减小了计算误差，提高了计算精度。然后利用其他圆珠投影位置的信息，计算出其他几何误差参数。最后将计算出的几何误差参数用于校正投影图像。 

利用该装置进行几何校正过程如下： 

1.将几何校正装置垂直放置在X光源与探测器像素阵列之间，确保几何校正装置中的所有圆珠位置都在FOV内； 

2.数据采集，在每个投影角度下得到一幅包含几何校正装置投影的图像； 

3.针对每个角度下的投影图像，根据中心圆珠的投影位置得到Δx，Δz的值； 

4.针对每个角度下的投影图像，根据其他圆珠的投影位置，得到其他的几何误差参数Δy，φ、θ、η。 

5.将计算出的几何误差参数校正投影图像，得到理想的投影图像，用于重建。 

如图5A-5B所示：柱形体30为用低密度材料制作的内径为80mm，高度为100mm的空心圆筒，圆筒壁厚2-3mm，在圆筒内壁轴向不同高度上镶嵌两圈直径为1mm的圆珠，上下两圈圆珠31、32都包含12颗圆珠，并且均匀分布在360度圆周上，上下两圈圆珠31、32组成的两个圆形直径一致，并且在轴向上每一列圆珠对齐。在其中任意一列(对齐的上下两圈圆珠连线)的轴向任意位置增加一颗定位圆珠26，增加的定位圆珠26位置可以位于一列两颗圆珠的中间或者任意一侧，如图5B中的定位圆珠26’。 

由于几何装置的精度会影响运算的准确性。在任意一列圆珠的任意位置增加一颗定位圆珠26也会带来很大的优势。在任意一列圆珠的任意位置(包括两颗圆珠的中间，上段，以及下段)增加的这颗定位圆珠26破坏了如图3所示的校正模型的对称性，对如图3所示的校正模型中每颗圆珠都增加了标识。对采集到的投影图像而言，在如图3所示的装置情况下，仅仅可以观察到上下两圈共24颗圆珠，在实验结束后，装置移开后并不能再获得投影图像中的圆珠位置和真实几何校正装置中的圆珠的对应关系。但是在增加了这颗定位圆珠26之后，投影图像中的圆珠投影位置和真实校正装置中的圆珠的对应关系即使在实验结束，装置移开或者移动后，这种对应关系依然非常清楚。明确这种对应关系的好处在于可以将几何校正装置加工过程中的误差反校正到计算几何参数过程中，使得计算的几何误差参数更加准确。在加工几何校正装置的过程中多少会有些误差，可能存在圆珠没有均匀分布，上下两圈圆珠之间的距离不固定，或者某颗圆珠的位置与设计位置差异等多种情况。在无法保证加工精度的情况下，通过后期的测量手段，在计算几何误差的过程补偿可以获得更加准确的几何误差参数。但是在仅仅包含两圈圆珠的如图3所示的几何装置中，即使后期测量，由于装置形状的对称性，无法得到测量装置中圆珠数据和投影图像的对应关系，只能忽略机械加工几何校正装置过程中引入的误差，从而计算出的几何误差参数准确性受到影响。所以在任意一列圆珠的任意位置增加一颗定位圆珠后，对几何校正装置增加了标识， 可以从投影图像中比较容易的找到投影中的圆珠和几何校正模型中圆珠的对应关系。在校正方法中带入几何校正装置的加工误差，可以得到更加准确的几何误差参数。同时如果在投影图像或者计算几何参数的过程中发现异常，都可以找到对应的圆珠编号，方便查找问题和解决问题。 

从整个装置存在加工误差的角度延伸，当误差达到一定程度(不对称结构，上下两圈圆珠数目不同，甚至圆珠不均匀分布的情况等等)都可以通过后期测量的手段补偿，获得准确的几何误差参数。 

利用该装置进行几何校正过程如下： 

1.对几何校正装置中圆珠之间的距离测量并记录； 

2.将几何校正装置垂直放置在X光源与探测器像素阵列之间，确保几何校正装置中的所有圆珠位置都在FOV内； 

3.数据采集，在每个投影角度下得到一幅包含几何校正装置投影的图像； 

4.针对每个角度下的投影图像，根据圆珠的投影位置并且带入测量的几何校正装置圆珠位置参数，得到几何误差参数Δx，Δz，Δy，φ、θ、η。 

5.将计算出的几何误差参数校正投影图像，得到理想的投影图像，用于重建。 

如图6A-6B所示：柱形体30为用低密度材料制作的内径为80mm，高度为100mm的空心圆筒，圆筒壁厚2-3mm，在圆筒内壁轴向不同高度上镶嵌两圈直径为1mm的圆珠，上下两圈圆珠31、32都包含12颗圆珠，并且均匀分布在360度圆周上，上下两圈圆珠31、32组成的两个圆形直径一致，并且在轴向上每一列圆珠对齐。在上下两圈圆珠31、32的中间位置(轴向位于两圈圆珠31、32的轴向中心)增加一层低密度材料制成的中间层33，在中间层33的中心(横向位于两圈圆珠组成圆形的中心位置)增加一颗定位圆珠25。同时，在其中任意一列(对齐的上下两圈圆珠连线)的轴向任意位置增加一颗定位圆珠26，增加的定位圆珠26位置可以位于一列两颗圆珠的中间或者任意一侧，如图6B中的定位圆珠26’。 

在几何校正装置中同时增加上述两颗定位圆珠可以达到简化计算，并且可以得到更加准确的几何误差参数的目的，上述增加两颗定位圆珠的优点在新的装置中可以同时体现。 

利用新的装置进行几何校正过程如下： 

1.对几何校正装置中圆珠之间的距离测量并记录； 

2.将几何校正装置垂直放置在X光源与探测器像素阵列之间，确保几何校正装置中的所有圆珠位置都在FOV内； 

3.数据采集，在每个投影角度下得到一幅包含几何校正装置投影的图像； 

4.针对每个角度下的投影图像，根据中心圆珠的投影位置得到Δx，Δz的值； 

5.针对每个角度下的投影图像，根据其他圆珠的投影位置并且带入测量的几何校正装置圆珠位置参数，得到其他的几何误差参数Δy，φ、θ、η。 

6.将计算出的几何误差参数校正投影图像，得到理想的投影图像，用于重建。 

Claims (9)

1.一种用于体CT几何校正的装置，其特征在于：包括柱形体，所述柱形体的侧壁上镶嵌有上、下两圈圆珠，每圈圆珠的个数不限，且两圈圆珠的总个数≥6；所述柱形体上还设有定位圆珠。

2.如权利要求1所述的用于体CT几何校正的装置，其特征在于：所述定位圆珠设于所述上、下两圈圆珠所形成的平面中间且位于柱形体的中心轴上。

3.如权利要求1所述的用于体CT几何校正的装置，其特征在于：所述定位圆珠设于任意一列或多列距离最近的上圈圆珠和下圈圆珠的连线的任意位置上，该定位圆珠有一颗或多颗。

4.如权利要求1所述的用于体CT几何校正的装置，其特征在于：所述定位圆珠有两组：其中一组为一颗，设于所述上、下两圈圆珠所形成的平面中间且位于柱形体的中心轴上；另一组有一颗或多颗，设于任意一列或多列距离最近的上圈圆珠和下圈圆珠的连线的任意位置上。

5.如权利要求1-4中任一所述的用于体CT几何校正的装置，其特征在于：所述上圈圆珠与下圈圆珠的个数相同，且上下两圈圆珠在轴向上对称分布。

6.如权利要求1-4中任一所述的用于体CT几何校正的装置，其特征在于：所述上圈圆珠与下圈圆珠的个数相同且均匀分布；上下两圈圆珠在轴向上对称分布。

7.如权利要求1-4中任一所述的用于体CT几何校正的装置，其特征在于：所述上圈圆珠位于同一平面上或大致位于同一平面上；所述下圈圆珠位于同一平面上或大致位于同一平面上。

8.如权利要求1-4中任一所述的用于体CT几何校正的装置，其特征在于：所述柱形体为空心圆筒、实心圆柱、空心椭圆筒、实心椭圆柱、多边形空心筒或实心多边形柱体。

9.如权利要求8所述的用于体CT几何校正的装置，其特征在于：所述上下两圈圆珠镶嵌于柱形体的内侧壁、外侧壁或者侧壁内。

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