WO2021203602A1 - 校准模体自动定位方法、扫描系统和可读存储介质 - Google Patents

Abstract

一种校准模体自动定位方法、扫描系统和可读存储介质，方法包括步骤：采集扫描床的起始位置和终止位置信息，确定扫描床和模体的质心在z方向的位置（步骤A）；从x方向和y方向两个不同角度对模体进行定位像扫描，确定模体在两个扫描平面内的位置，得到模体的三维位置（步骤B）；判断模体质心实际偏离扫描机架的旋转中心的距离，结合扫描床当前位置，计算扫描床的期望位置（步骤C）；根据扫描床的期望位置，确定扫描协议中扫描床预定停止位置，调整扫描床移动方向和距离，实现模体定位（步骤D）。校准模体自动定位方法无需使用激光定位灯定位，也不需进行多次扫描，摆放好模体、两次定位像扫描即可确定当前模体的位置，实现全自动完成系统校准和性能测试。

Description

校准模体自动定位方法、扫描系统和可读存储介质 技术领域

本发明涉及医学成像技术领域，具体涉及一种校准模体自动定位方法、扫描系统和可读存储介质。

背景技术

一个完整的CT成像系统在使用之前，需要经过一系列的系统校准和性能测试，全部通过之后才能交付使用。无论是系统校准还是性能测试，经常要通过扫描各种模体来得到校准结果或者性能指标。常用的模体包括如图1所示的水模、CatPHan等。一般模体的安装位置由扫描床的结构决定，如图2所示，模体支架插入扫描床前端的槽口中，将模体置于扫描支架上，设定扫描床移动的方向为z方向，扫描床水平方向为x方向，扫描床高度方向为y方向。定位线由z方向和x方向两束激光形成“十”字组成，在定位灯定位准确的前提下，不断调整扫描床高度和z位置，使模体z轴和x轴与定位线一致，这样才能保证模体在扫描机架旋转中心，如图3所示。

目前，由于很多系统校准和性能测试不能将模体摆放在机架的旋转中心，需要将模体偏离机架旋转中心一定距离，因此就需要再次调整扫描床的高度和z方向位置，使模体达到设定的位置。另外，部分校准协议中扫描床的床高和扫描床z位置是预设的，如果扫描床和扫描架之间的水平距离或者高度差由于场地的原因与安装要求有差别，模体在扫描机架里的位置与期望的位置会不一致，导致校准失败。

就现有的技术而言，确定模体的位置可以依赖定位灯，或者通过对模体多次扫描重建来得到位置信息。校准所要求的模体位置是在程序中预先设定的。如果模体的位置与预设值不同，需要根据现有的模体位置计算出校准需要的模体位置，然后人为修改程序的预设值来使校准能顺利进行。这为CT的生产和安装带来了很多的不便。

发明内容

技术目的：为解决上述技术问题，本发明提供了一种校准模体自动定位方法、扫描系统和可读存储介质，对每台已经安装好的CT系统，通过0度和90度的两次定位像扫描，计算出模体处于扫描机架旋转中心位置时候，扫描床的绝对高度、扫描床在z方向的位置以及模体在x方向移动的距离，同时根据该位置自动修改校准协议和性能测试协议中的预设扫描床的高度和z位置，使得校准能在不需要人工干预的情况下自动进行。

技术方案：为实现这一技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种校准模体自动定位方法，其特征在于，包括步骤：

A、模体通过扫描空间时，采集扫描床的起始位置和终止位置，确定扫描床和模体的质心在z方向的位置，z方向为扫描床移动的方向；

B、从x方向和y方向两个不同角度对模体进行定位像扫描，确定模体在两个扫描平面内的位置，得到模体的三维位置；

C、根据模体三维位置，判断模体质心实际偏离扫描机架的旋转中心的距离，结合扫描床当前的位置，计算模体位于扫描空间中心时，扫描床的期望位置；

D、根据扫描床的期望位置，确定扫描协议中扫描床预定停止位置，调整扫描床移动方向和距离，实现模体定位。

优选地，所述步骤B包括：

B1、对模体进行x方向的定位像扫描，根据投影值找出模体每个投影的质心坐标，对全部投影的质心坐标取平均，得到模体在探测器上的质心；同时将投影映射到中心平面，得到模体在中心平面的质心坐标；

B2、采用步骤B1中的方法，对模体进行y方向的定位像扫描，得到模体在中心平面的质心坐标；

B3、在中心平面上建立世界坐标系，以旋转中心作为坐标原点，连接X射线管的球管焦点和对应的质心坐标，根据中心平面中模体的质心坐标与实际模体的质心位置的几何关系，及球管焦点到扫描机架的旋转中心的距离，计算模体质心实际偏离旋转中心的距离。

优选地，所述步骤C包括：

C1、根据模体质心实际偏离旋转中心的距离根据当前扫描床的高度，得到假定模体处于旋转中心时，扫描床在y方向上对应的需要移动的距离以及在x方向需要移动的距离；

C2、根据扫描床在y方向上的当前位置和步骤C1中计算得到的扫描床期望位置，计算扫描床在y方向调整位置之后，为保持同一扫描位置，扫描床在z方向需要移动的距离。

优选地，所述步骤D中，扫描床在x、y和z方向调整后，模体在z方向的中心位置根据步骤A中模体的质心在z方向的位置和步骤C2中扫描床在z方向移动的距离确定。

优选地，所述x方向和y方向分别0°和90°的扫描方向，分别对应扫描床的水平方向和高度方向。

优选地，所述模体采用在z方向上均匀的物质。

优选地，所述扫描方式为轴扫或者螺旋扫描，通过图像来计算模体中心在扫描平面内的位置坐标。

本发明还公开了一种扫描系统，其特征在于：包括X射线管、设有所述校准模体的扫描床和旋转机架，还包括：

扫描协议加载单元，用于加载扫描协议，扫描协议中包括X射线管的球管焦点位置、旋转机架的中心位置、病床起始位置、病床终止位置和模体的位置；

检测单元，用于X射线检测和生成投影数据；

控制单元，用于执行所述校准备模体自动定位方法，并向驱动单元发出对应的指令；

驱动单元，用于调节扫描床运动至预设位置。

本发明还公开了一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质存储有至少一个可被处理器执行的指令，所述至少一个指令被处理器执行时，实现所述校准备模体自动定位方法。

技术效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下技术效果：

(1)本发明的方法通过对模体进行扫描，确定模体的水平、高度和沿扫描床移动方向的三维位置，根据该位置自动修改校准协议和性能测试协议中的预设扫描床的高度和z位置，使得校准能在不需要人工干预的情况下自动进行，达到自动调整扫描扫描床位置的目的。

(2)本发明能够提高整个扫描流程的效率，模体定位不需要使用激光定位灯定位，也不需要进行多次扫描，摆放好模体、两次定位像扫描即可确定当前模体的位置，即可全自动完成系统校准和性能测试。

(3)本发明中的即使模体的摆放位置不准确，或者扫描床的位置与安装要求有偏差，模体自动定位技术能自动寻找模体位置并调整的扫描参数，来确保系统校准和性能测试能顺利进行。

附图说明

图1为水模安装在水模支架上的结构示意图；

图2为CT扫描系统中的旋转机架和扫描床的坐标关系图；

图3为CT扫描系统中的扫描床和水模的坐标关系图；

图4为本发明的校准模体自动定位方法的流程图；

图5为本发明中计算水模质心的位置关系图。

具体实施方式

屏蔽室场地的局限性，比如方舱CT、车载CT，很多时候扫描床和扫描机架的相对位置不能完全达到CT系统安装说明书中规定的要求，导致系统校准协议中对模体预设的扫描床床高和z位置不能适用。在这种情况下，需要根据现场调整校准协议。

目前确定水模位置的方法一般有两种：第一种是利用激光定位灯，在激光定位灯准确的情况下，测试人员对水模进行定位，保证模体处于机架旋转中心，同时记录下此时的扫描床床高及扫描床z位置。但是如果模体较长，由于定位灯在模体上只是一个十字线，确定模体在z方向的中心位置也只是估计值；第二种方法是在激光定位灯不能工作或者定位不准的时候，通过对模体进行多次扫描，通过重建图像，确定扫描床最终的位置。这两种方法都需要人员大量干预，效率不高。

下面结合附图说明本发明的计算机断层扫描系统中校准模体的自动定位方法。

确定z方向上扫描床位置和模体质心位置

定位像扫描，即扫描机架停留在固定的位置，扫描床在设定的扫描范围内移动，对物体进行扫描。物体被X射线穿透后会在探测器上得到物体的投影p(iv,ic,i)，iv是扫描床的位置，ic是探测器通道，i是当前通道下的信号强度。对投影数据进行增益校准和空气校准，如果扫描的物体为均匀物质，比如空气、水模、catphan中的PMMA段，在一次扫描中，同一均匀物质的投影值相差不会很大，但是不同物质之间的投影值相差明显，因此可以根据此确定不同物质在扫描床z方向的位置。假设需要扫描的物体是水模，通过不通的阈值，很容易找到水模通过扫描平面时扫描床的起始和终止位置table _start和table _stop，并计算出其中心table _{water_z}，从而确定扫描床在z方向的位置。

扫描不同角度下的定位像，计算模体三维位置

如错误！未找到引用源。所示流程，z方向的位置确定以后，在该位置计算模体投影的质心，进一步得到X射线管的焦点和模体质心连线的方向。扫描不同角度下的定位像，根据定位像中的几何关系，计算模体三维位置，进一步计算出系统校准和性能测试的扫 描协议中扫描床应该停放的位置。扫描程序自动更新系统校准和性能测试的协议配置，以使得扫描能顺利进行。

具体地，选取0°和90°两个角度扫描模体的定位像，分别对应扫描床的水平和高度方向，确定焦点和模体质心的直线，即可以计算得到模体中心在水平(x)和高度(y)方向上的位置。

如图5所示，对模体进行0°定位像扫描，根据投影值p(iv,ic,i)找出水模每个投影(iv)的质心p_cetrd(iv)，对全部投影的质心取平均，得到水模在探测器上的质心为p_cetrd(x)；

将投影映射到中心平面ISO_plane，得到水模在中心平面的质心为p_cetrd(x)′。中心平面为旋转中心所在的平面，如果是平板探测器，该平面与探测器保持平行；如果是弧形探测器，该平面与探测器的弧形面中心点的切线平行。

同理，对水模进行90度定位像扫描，得到其在中心平面的质心为p_cetrd(y)′。

根据错误！未找到引用源。中的世界坐标系，可以看到，中心平面中水模的质心p_cetrd(x)′和p_cetrd(y)′与实际水模的质心不在同一位置。根据几何关系，得到如下关系式：

上式中，cetrd_x和cetrd_y为水模质心在x方向和y方向的实际位置；sid表示球管焦点到机架旋转中心的距离。

通过公式(1)可以计算出水模实际质心偏离旋转中心的距离，并根据当前扫描床的高度table _current，从而得到当水模处于旋转中心时扫描床的高度table _height，以及水模在x方向需要移动的距离water _x：

table _height＝table _current-cetrd_y        (2)

water _x＝cetrd_x           (3)

扫描床上升或者下降时候，为了对物体同一位置进行扫描，扫描床床板有可能需要沿着z轴移动。通过对扫描床运动数据的采集和拟合，扫描床的升降和扫描床在z方向移动的距离满足一定的关系：

Δtable _z＝f(table _{h_current},table _{h_except})       (4)

table _{h_current}为当前扫描床高，table _{h_except}为期望的扫描床高，Δtable _z为扫描床升降之后，为保持同一扫描位置而移动的距离。

通过公式(4)，扫描床在升降之后，水模在z方向的中心位置变为：

water′ _z＝water _z+Δtable _z          (5)

这样，不论扫描床上升还是下降，都能再次快速找到水模在z方向的中心位置。

本发明无需定位灯，无需多次扫描水模确定扫描床的高度及扫描床z位置，只需要对水模进行两次定位像扫描即可算出水模质心所在的位置，并将位置信息存储，从而调整扫描床的位置，使水模的位置满足需求。

本发明也可以是轴扫或是螺旋扫描，通过图像来计算模体中心在扫描平面内的位置坐标。把水模位置转换到系统校准或性能测试协议中使用的病床位置；该转换关系与扫描床的升降设计相关(剪刀式、眼镜蛇式等)，可以使用拟合或者表格的形式进行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1. 一种校准模体自动定位方法，其特征在于，包括步骤：

   A、模体通过扫描空间时，采集扫描床的起始位置和终止位置信息，确定扫描床和模体的质心在z方向的位置，z方向为扫描床移动的方向；

   B、从x方向和y方向两个不同角度对模体进行定位像扫描，确定模体在两个扫描平面内的位置，得到模体的三维位置；

   C、根据模体三维位置，判断模体质心实际偏离扫描机架的旋转中心的距离，结合扫描床当前的位置，计算模体位于扫描空间中心时，扫描床的期望位置；

   D、根据扫描床的期望位置，确定扫描协议中扫描床预定停止位置，调整扫描床移动方向和距离，实现模体定位。
2. 根据权利要求1所述的校准模体自动定位方法，其特征在于，所述步骤B包括：

   B1、对模体进行x方向的定位像扫描，根据投影值找出模体每个投影的质心坐标，对全部投影的质心坐标取平均，得到模体在探测器上的质心；同时将投影映射到中心平面，得到模体在中心平面的质心坐标；

   B2、采用步骤B1中的方法，对模体进行y方向的定位像扫描，得到模体在中心平面的质心坐标；

   B3、在中心平面上建立世界坐标系，以旋转中心作为坐标原点，连接X射线管的球管焦点和对应的质心坐标，根据中心平面中模体的质心坐标与实际模体的质心位置的几何关系，及球管焦点到扫描机架的旋转中心的距离，计算模体质心实际偏离旋转中心的距离。
3. 根据权利要求2所述的校准模体自动定位方法，其特征在于，所述步骤C包括：

   C1、根据模体质心实际偏离旋转中心的距离根据当前扫描床的高度，得到假定模体处于旋转中心时，扫描床在y方向上对应的需要移动的距离以及在x方向需要移动的距离；

   C2、根据扫描床在y方向上的当前位置和步骤C1中计算得到的扫描床期望位置，计算扫描床在y方向调整位置之后，为保持同一扫描位置，扫描床在z方向需要移动的距离。
4. 根据权利要求3所述的校准模体自动定位方法，其特征在于，所述步骤D中，扫描床在x、y和z方向调整后，模体在z方向的中心位置根据步骤A中模体的质心在z方向的位置和步骤C2中扫描床在z方向移动的距离确定。
5. 根据权利要求1所述的校准模体自动定位方法，其特征在于：所述x方向和y方向分别0°和90°的扫描方向，分别对应扫描床的水平方向和高度方向。
6. 根据权利要求1所述的校准模体自动定位方法，其特征在于：所述模体采用在z方向上均匀的物质。
7. 根据权利要求1所述的校准模体自动定位方法，其特征在于：所述扫描方式为轴扫或者螺旋扫描，通过图像来计算模体中心在扫描平面内的位置坐标。
8. 一种扫描系统，其特征在于：包括X射线管、设有所述校准模体的扫描床和旋转机架，还包括：

   扫描协议加载单元，用于加载扫描协议，扫描协议中包括X射线管的球管焦点位置、旋转机架的中心位置、病床起始位置、病床终止位置和模体的位置；

   检测单元，用于X射线检测和生成投影数据；

   控制单元，用于执行所述校准备模体自动定位方法，并向驱动单元发出对应的指令；

   驱动单元，用于调节扫描床运动至预设位置。
9. 一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质存储有至少一个可被处理器执行的指令，所述至少一个指令被处理器执行时，实现权利要求1至7中任一所述的校准备模体自动定位方法。

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