CN203749432U - 一种锥束ct系统几何位置校正系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种锥束CT系统几何位置校正系统。本实用新型的定位装置、准直装置和轴调节装置；其中，定位装置包括支撑体、第一和第二对准标记，第一和第二对准标记的形状和尺寸相同，平行设置在支撑体上定位装置贴放在射线源前；准直装置包括通孔板和支撑架，通孔板的中心具有通孔，通孔板通过支撑架放置在探测器前；轴调节装置包括校正杆和基座，校正杆设置在基座上，轴调节装置放置在旋转台上。本实用新型的校正系统，先确定中心射线的位置，再进行探测器的几何位置误差的调节，使中心射束在探测器上的位置和探测器的面外旋转角相对独立出来，降低了几何校正的调节难度，达到了快速调节锥束CT系统的目的。

Description

一种锥束CT系统几何位置校正系统

技术领域

本实用新型涉及生物医学成像领域，具体涉及一种用于锥束CT系统几何位置校正的校正系统。

背景技术

电子计算机X射线断层扫描技术CT（Computed Tomography）在目前核医学影像中发挥着举足轻重的作用，尤其是在多模态成像领域，CT为其他模态提供了结构信息和衰减校正信息。可以这样说，CT的重建精度在很大程度上决定了其他模态的图像重建效果和图像融合效果。目前，三维锥束CT一般采用FDK（Feldkamp）解析重建算法，但是FDK算法的三维重建效果对三维锥束CT系统的几何参数十分敏感，其要求射线源、探测器和旋转台的相对几何位置处于理想状态，即射线源中心射线垂直射入探测器中心，旋转轴与中心射线共面垂直正交。因此对三维锥束CT进行几何校正具有非常重要的意义。

传统的几何校正方法大致可分为异步校正，以及非线性最小二乘法同步校正。所谓异步校正，就是每一步只校正一个或几个参数，同步校正就是一次性校正所有的参数。

Yi Sun等人在“A Calibration Method for Misaligned Scanner Geometry in Cone-beamComputed Tomography”一文中提出了一种异步校正的方法：将四个相同的高密度圆球置于正方形有机玻璃板的四个顶点，然后就可得到四个圆球在探测器上的投影位置。通过四个投影之间的相对几何位置关系即可依次计算出探测器各种几何偏移参数。但是，这个方法在每一步都是基于其他参数理想的情况来计算的，并且有的操作要求很难实现，比如要求射线源中心射线垂直射向四个点的对称中心。而且，该方法需要测量射线源到探测器的距离，而实际上由于射线源焦点位置无法确定而难以得到该参数。

Smekal等人在“Accurate technique for complete geometric calibration of cone-beamcomputed tomography system”中提出了一种在低密度材料上镶嵌两圈钢珠的方法。在一个圆柱体上镶嵌上下两层钢珠，并且上下各12个，在圆周上均匀分布，钢珠之间的相对位置已知，通过其在探测器上的投影中心的相对位置来进行几何参数校正。然而该方法中投影与原钢珠的对应关系很容易混淆。

专利CN202104929U改进了上述方法，在两层钢珠之间又加上了一个或多个定位钢珠，使得投影和原钢珠的对应关系更加明确，同时该方法在计算上更加简便。但是这两种方法的精度受到很多因素的干扰，例如校正所用仿体的加工精度、钢珠之间的相对位置的测量精度等。

所有的异步校正方法，需要测量射线源到探测器的距离以及射线源到旋转轴或校正仿体的距离，这些距离参数不仅难以测量，而且不可避免的引入了测量误差。

北京航空航天大学在Non-linear least square estimation of geometrical parameters forCone-beam three dimensional computed tomography中提供了一种同步校正的方法。在旋转台上放置一个钢珠，经360度旋转得到该钢珠在各个角度下的投影。通过提取每个角度下的投影中心并建立投影中心与几何参数之间的函数关系，即可通过非线性最小二乘法对几何参数进行拟合估计，从而达到一次性求解所有几何参数的目的。该方法在公式推导过程中进行了过多的假设，如探测器无面内旋转，无面外旋转，旋转轴无角度误差，只有偏移误差等，因而对于实际情况并不适用。

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种锥束CT系统几何位置校正系统，可实现中心射线位置的确定，从而可以快速调节锥束CT系统几何误差。

本实用新型的目的在于提供一种锥束CT系统几何位置校正系统。

本实用新型的锥束CT系统几何位置校正系统包括：定位装置、准直装置和轴调节装置；其中，定位装置包括支撑体、第一对准标记和第二对准标记，第一对准标记和第二对准标记的形状和尺寸相同，平行设置在支撑体上，定位装置贴放在射线源前；准直装置包括通孔板和支撑架，通孔板的中心具有通孔，通孔板通过支撑架放置在探测器前，通孔的轴垂直于探测器；轴调节装置包括校正杆和基座，校正杆设置在基座上，轴调节装置放置在旋转台上。

锥束CT系统包括探测器、旋转台、射线源、探测器台、可调底座和射线源台；其中，探测器台、可调底座和射线源台位于同一直线上；射线源台和探测器台分别位于两端，射线源位于射线源台上；探测器放置在探测器台上；可调底座位于探测器台和射线源台之间，旋转台设置在可调底座上。

探测器台具有6个自由度，能够沿三个互相垂直的轴线移动，并能够绕三个互相垂直的轴线转动。射线源台具有6个自由度，能够沿三个互相垂直的轴线移动，并能够绕三个互相垂直的轴线转动。可调底座具有3个自由度，能够沿三个互相垂直的轴线移动。

定位装置贴放在射线源前，用于确定中心射线的位置，并且用于调节探测器的位移误差，使中心射线入射到探测器的成像中心。第一和第二对准标记的中心的连线平行于中心射线。定位装置的第一和第二对准标记采用衰减系数较大的材料，如钨、铜、铅和锆等；支撑体采用衰减系数较低的材料，如有机玻璃等；第一和第二对准标记采用的材料的衰减系数大于支撑体的衰减系数。

准直装置放置在探测器前，用于调节探测器的面外角度误差。通孔板需要具有一定的厚度，且采用衰减系数较大的材料，如铅、钢、铁和铜等，以满足对通孔板进行投影时能够得到通孔的投影，即在投影上能够清晰分辨出通孔的投影斑的边缘。通孔板的厚度与通孔的孔径成正比，而通孔板的线性衰减系数与通孔板的厚度成反比。

轴调节装置放置在旋转台上，根据轴调节装置在探测器上的投影，来调整旋转台的位置，从而使旋转台的旋转轴与中心射线共面。轴调节装置采用衰减系数较大的材料，如铅、钢、铁和铜等。

本实用新型的锥束CT系统几何位置校正系统的校正方法，包括以下步骤：

1）确定中心射线：

a）将定位装置贴放在射线源前，从射线源发射锥束射线，透过定位装置投影到探测器上；

b）调节定位装置在射线源前的位置，使第一和第二对准标记在探测器上的投影的中心重合，此时中心射线经过第一和第二对准标记的中心；

2）调节探测器的位移偏差：

中心射线经过第一和第二对准标记的中心，则第一和第二对准标记在探测器上的投影中心就是中心射线在探测器上的位置，根据第一和第二对准标记的投影中心在探测器上的像素点的位置，通过探测器台调整探测器的位置，将探测器的成像中心移动至第一和第二对准标记的投影的中心，中心射线入射至探测器的成像中心，此时探测器不存在位移偏差；

3）调节探测器的面外角度误差：

a）将准直装置放置在探测器前，并且通孔板紧贴探测器，通孔的轴垂直于探测器，调整通孔板的位置，使通孔的中心位于探测器的成像中心，将定位装置从射线源上拆除；

b）对准直装置进行投影，观察通孔在探测器上的投影，通过探测器台调整探测器的角度，使通孔在探测器上的投影为规则的圆形，此时探测器不存在面外角度偏差；

4）调节旋转台的旋转轴；

将准直装置拆卸下来，将轴调节装置放置在旋转台上，旋转台旋转一周，对校正杆进行投影，投影的形状为关于竖直轴对称的四边形，四边形的对称轴就是旋转轴的投影，根据校正杆在探测器上的投影，通过可调底座调整旋转台的位移，使探测器的成像中心落在校正杆的投影的对称轴上，此时旋转台的旋转轴与中心射线共面。

本实用新型的优点：

现有技术中的几何校正在校正过程中，若干个几何校正参数会同时发生改变，从而增加了校正的难度。本实用新型所采用的校正系统，使中心射束在探测器上的位置和探测器的面外旋转角相对独立出来，降低了几何校正的调节难度，达到了快速调节锥束CT系统的目的。

附图说明

图1为本实用新型的锥束CT系统的结构示意图；

图2为本实用新型的锥束CT系统的原理示意图；

图3为几种探测器的几何位置误差情况的示意图，其中，（a）和（b）为探测器在XZ平面的投影，（c）和（d）为探测器在XY平面的投影，（e）为探测器在YZ平面的投影；

图4为本实用新型的锥束CT系统几何位置校正系统的一个实施例的示意图，其中，（a）为定位装置的示意图，（b）为准直装置的示意图，（c）为轴调节装置的示意图；

图5为本实用新型的校正系统的定位装置的投影的示意图，其中，（a）为中心射线没有经过第一和第二对准标记的中心时，第一和第二对准标记的投影的原理图，（b）为中心射线经过第一和第二对准标记的中心时，第一和第二对准标记在探测器上的投影的示意图；

图6为本实用新型的锥束CT系统几何位置校正系统的校正方法的流程示意图；

图7为本实用新型的几何校正系统的轴调节装置在探测器上的投影的示意图，其中，（a）为校正杆竖直放置的情况，（b）为校正杆没有竖直放置的情况。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，本实施例的锥束CT系统包括探测器1、旋转2台、射线源3、探测器台4、可调底座5和射线源台6；其中，探测器台4、可调底座5和射线源台6位于同一直线安装在光学平台10上；射线源台6和探测器台4分别位于两端，探测器1放置在探测器台4上，射线源3位于射线源台6上；可调底座5位于探测器台4和射线源台6之间，旋转台2设置在可调底座5上。

在本实施例中，光学平台10的台面平面度为0.10mm/m²，表面均匀分布标准M6螺孔。探测器1的像素大小为74.8um，像素阵列为1944×1536。旋转台2通过可调底座5固定在光学平台10上，可调底座5安装有电机，可通过电脑控制旋转角度，可实现连续、间断旋转，最小步进值0.5度。射线源3为点源，焦斑尺寸为40um。探测器台4和射线源台6分别能够通过螺旋钮实现6个自由度的调节，包括沿X、Y和Z轴方向位移调节和绕X、Y和Z轴方向角度，调节精度为0.02mm。可调底座5用于固定和调节旋转台2，由于旋转台2的角度误差可归结至探测器1的角度误差η，故可调底座只需实现3个自由度的调节，即沿X、Y和Z轴方向的位移调节，调节精度为0.02mm。

如图2所示，S代表光源，中心射线沿X轴传播，XYZ坐标系是以中心射线和旋转轴建立的空间坐标，O为原点。UV坐标系是以实际探测器的成像中心行和中心列建立的平面坐标系，理想情况下，该平面平行于YOZ，且O₂位于X轴上，U平行于Y，V平行于Z。待调整的探测器位于VO₂U平面，O₂为待调整的探测器的成像中心。

由于人工安装精度有限，锥束CT系统基本上都存在一定的几何位置偏差，这些偏差可以分为三个部分：射线源的偏差，旋转台的偏差以及探测器的偏差。这三个部分可以归结为探测器的5个参数误差：位移误差Δv、Δu和面外角度误差β（俯仰角）、θ（侧转角）以及面内角度误差η。图3为几种探测器的几何误差情况的示意图。其中，（a）和（b）为探测器在XOZ平面的投影，如图3（a）所示，探测器绕U轴旋转θ；如图3（b）所示，探测器的成像中心O₂距沿V轴距离O相差ΔV。图（c）和（d）为探测器在XOY平面的投影，如图3（c）所示，探测器绕V轴旋转β；如图3（d）所示，探测器的成像中心O₂距沿U轴距离O相差ΔU。如图3（e）所示，探测器绕X轴旋转η，对于这种面内旋转角度的调节，可归结为旋转轴的调节。

如图4（a）所示，定位装置A包括支撑体A3、第一和第二对准标记A1和A2，在本实施例中，支撑体A3为具有两个互相平行的表面的平板，第一和第二对准标记的形状和尺寸相同，分别镶嵌在支撑体A3的互相平行的表面上，并且二者中心的连线平行于支撑体的底面并垂直于所在的表面。第一和第二对准标记A1和A2分别为细丝圆环，在细丝圆环的内部设有两个相互正交的细丝。第一和第二对准标记A1和A2的中心的连线平行于支撑体的底面并垂直于支撑体的相互平行的表面，使得第一和第二对准标记A1和A2的中心的连线平行于中心射线。本实施例中，第一和第二对准标记A1和A2的中心为细丝圆环的圆心，也就是相互正交的细丝的交叉点。

如图4（b）所示，准直装置B包括通孔板B1和支撑架B3，通孔板B1的中心具有通孔B2。如图4（c）所示，轴调节装置C包括校正杆C1和基座C2。

本实施例的锥束CT系统几何位置校正系统的校正方法，包括以下步骤：

1）确定中心射线：

a）将定位装置A贴放在射线源3前，如图6（a）所示，从射线源发射锥束射线，透过定位装置A投影到探测器1上；

b）观察在探测器上获取的图像，若两个细丝圆环的圆心重合，即正交细丝的交叉点，表明中心射线在两个圆心所确定的直线上；若两个细丝圆环的圆心不重合，则表明中心射线不经过两个圆心。

例如，在竖直方向上，若投影在两个圆心所确定直线以下，则获取的图像所具有的位置关系如图5（a）所示。11为探测器平面，A1’为射线经过第一对准标记A1（根据三角形相似原理，投影直径较大）的中心投影，A2’为射线经过第二对准标记A2（投影直径较小，两个圆的投影直径不同方便区别）的中心投影，第二对准标记A2的投影A2’在第一对准标记A1的投影A1’的下部。此时，降低定位装置A的高度可减小A1’和A2’之间的距离。反复调节，可使A1’和A2’在同一高度。同理，若投影在两个圆心所确定直线以上，降低定位装置A的高度，可使A1’和A2’在同一高度。至于左右方向上的调节同理。调节定位装置A在射线源前的位置，直至第一和第二对准标记在探测器上的投影的中心重合，如图5（b）所示。

此时，中心射线经过第一和第二对准标记的中心，并且第一和第二对准标记的中心在探测器上的投影就是中心射线在探测器上的位置。

2）调节探测器的位移偏差Δv和Δu：

中心射线经过第一和第二对准标记的中心，则第一和第二对准标记在探测器上的投影的中心就是中心射线入射到探测器上的位置，根据第一和第二对准标记的投影中心在探测器像素点的位置，通过探测器台调整探测器的位置，将探测器的成像中心移动至第一和第二对准标记的投影的中心。

例如，读出第一和第二对准标记的中心的坐标，探测器的成像中心的坐标为（像素行数/2,像素列数/2），根据两个坐标的差值，可以反复调节探测器台以调整探测器的位置，使两坐标重合。

此时，中心射线入射至探测器的成像中心，此时探测器不存在位移偏差。

3）调节探测器的面外角度误差β和θ：

a）将准直装置B放置在探测器1前，并且通孔板紧贴探测器，通孔的轴垂直于探测器，调整通孔板的位置，使通孔的中心位于探测器的成像中心，将定位装置从射线源上拆除，如图6（b）所示；

b）对准直装置进行投影，观察通孔在探测器上的投影，若不存在探测器角度误差β和θ，则投影为一个规则的圆形。若存在任意一个角度误差，则该投影区域就出呈现出一个椭圆形。

例如，调节俯仰角度误差β时，通过探测器台调整探测器的俯仰角度，投影成像，读取椭圆竖直长轴方向在探测器上所占用像素数。当像素数达到最大时，表明此时已经基本消除了俯仰角度误差β。同理，通过探测器台调整探测器的侧转角度，投影成像，读取椭圆水平长轴方向在探测器上所占用的像素数。当像素数达到最大时，表明此时已经基本消除了侧转角度误差θ。待这两个角度调节好后，投影为一个规则的圆形。此时，探测器不存在面外角度偏差。

4）调节旋转台的旋转轴；

将准直装置B拆卸下来，将轴调节装置C放置在旋转台2的水平的台面的任意位置上，如图6（c）所示，旋转台2旋转一周，对校正杆C1进行投影，投影的形状为关于竖直轴对称的四边形，四边形的对称轴就是旋转轴的投影，根据校正杆在探测器上的投影，通过可调底座调整旋转台的位移，分两种情况：

（a）校正杆C1竖直放置在旋转台的水平的台面上，通过让旋转台2旋转一周，获得校正杆C1的多角度投影，是一矩形。通过寻找投影在U方向上距离V轴最远的距离，如图7（a）所示，例如校正杆C1在U的正方向距V轴最远距离为50个像素大小，在U的负方向距V轴最远距离为30个像素，这样我们就可以得知旋转轴沿着Y轴正方向有误差，然后调节可调底座5使其沿着Y轴的反方向移动（50-30）/4*pixel_size。其中pixel_size是探测器的像素大小，如探测器像素大小74.8um.重复试验2～3次即可把旋转台调节到理想位置。

（b）若校正杆C1没有放置竖直，投影是一等腰梯形。等腰梯形的最远的两端是倾斜的直线，如图7（b）所示，但是校正方法基本一样，我们通过寻找距离V轴最远的直线，然后画出他们的对称轴，这样就可算出偏移量ΔU，然后调节旋转台可调底座系统使其沿着Y轴的反方向移动ΔU/4，重复试验2～3次即可把旋转轴调节到理想位置。

此时，旋转台的旋转轴与中心射线共面。通过轴调节装置C，旋转台的旋转轴与中心射线共面后，面内旋转角度就调节好了，即此时不存在面内旋转角度偏差。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种锥束CT系统几何位置校正系统，所述锥束CT系统包括探测器（1）、旋转台（2）、射线源（3）、探测器台（4）、可调底座（5）和射线源台（6）；其中，所述探测器台（4）、可调底座（5）和射线源台（6）位于同一直线上；所述射线源台（6）和探测器台（4）分别位于两端，所述射线源（3）位于射线源台（6）上；所述探测器（1）放置在探测器台（4）上；所述可调底座（5）位于探测器台（4）和射线源台（6）之间，旋转台（2）设置在可调底座（5）上；其特征在于，所述锥束CT系统几何位置校正系统包括：定位装置（A）、准直装置（B）和轴调节装置（C）；其中，所述定位装置（A）包括支撑体（A3）、第一对准标记和第二对准标记（A1和A2），第一对准标记和第二对准标记（A1和A2）的形状和尺寸相同，平行设置在支撑体（A3）上，定位装置（A）贴放在射线源（3）前；所述准直装置（B）包括通孔板（B1）和支撑架（B3），通孔板（B1）的中心具有通孔（B2），通孔板（B1）通过支撑架（B3）放置在探测器（1）前，通孔的轴垂直于探测器；所述轴调节装置（C）包括校正杆（C1）和基座（C2），校正杆（C1）设置在基座（C2）上，轴调节装置（C）放置在旋转台（2）上。

2.如权利要求1所述的锥束CT系统几何位置校正系统，其特征在于，所述第一和第二对准标记（A1和A2）的中心的连线平行于中心射线。

3.如权利要求1所述的锥束CT系统几何位置校正系统，其特征在于，所述第一和第二对准标记（A1和A2）采用的材料的衰减系数大于支撑体（A3）的衰减系数。

4.如权利要求1所述的锥束CT系统几何位置校正系统，其特征在于，所述通孔板（B1）的厚度与通孔的孔径成正比，所述通孔板（B1）的线性衰减系数与通孔板（B1）的厚度成反比。

5.如权利要求3所述的锥束CT系统几何位置校正系统，其特征在于，所述第一和第二对准标记的材料采用钨、铜、铅和锆中的一种。

6.如权利要求3所述的锥束CT系统几何位置校正系统，其特征在于，所述支撑体的材料采用有机玻璃。

7.如权利要求1所述的锥束CT系统几何位置校正系统，其特征在于，所述通孔板的材料采用铅、钢、铁和铜中的一种。

8.如权利要求1所述的锥束CT系统几何位置校正系统，其特征在于，所述轴调节装置的材料采用铅、钢、铁和铜中的一种。

9.如权利要求1所述的锥束CT系统几何位置校正系统，其特征在于，所述支撑体（A3）为具有两个互相平行的表面的平板，所述第一和第二对准标记（A1和A2）分别镶嵌在支撑体（A3）的互相平行的表面上，并且二者中心的连线平行于支撑体（A3）的底面并垂直于所在的表面。

10.如权利要求1所述的锥束CT系统几何位置校正系统，其特征在于，所述第一和第二对准标记（A1和A2）分别为细丝圆环，在细丝圆环的内部设有两个相互正交的细丝。