專利名稱：一種x射線錐束計(jì)算機(jī)層析成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種X線錐形束計(jì)算機(jī)層析成像系統(tǒng)(Computerized Tomography,簡(jiǎn)稱錐束CT)的標(biāo)定方法，特別是指X射線源與平板探測(cè)器的相對(duì)位置固定，X射線源與平板探測(cè)器構(gòu)成的成像子系統(tǒng)繞固定的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，或者被測(cè)樣本放在一個(gè)中心轉(zhuǎn)臺(tái)上繞固定的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，而成像子系統(tǒng)固定不動(dòng)，從而通過(guò)成像子系統(tǒng)獲取各個(gè)角度的X線投影數(shù)據(jù)的小型或微型錐束CT系統(tǒng)幾何參數(shù)的標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)層析成像系統(tǒng)是利用已知的幾何條件，通過(guò)多角度投影數(shù)據(jù)重建斷層中的密度或衰減率的成像方法，在醫(yī)學(xué)臨床和工業(yè)檢測(cè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。錐束CT是指利用2維的平板探測(cè)器進(jìn)行X線的投影數(shù)據(jù)檢測(cè)，并基于平板探測(cè)器收集的多個(gè)投影數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維重建的一種新型CT，目前其重建理論和算法都還在發(fā)展之中。幾何參數(shù)和誤差的準(zhǔn)確標(biāo)定對(duì)于錐束CT的精確重建至關(guān)重要。對(duì)于錐束CT的標(biāo)定，已有學(xué)者提出了幾種方法，這些方法可以分為兩類(I)迭代求解法這類方法通過(guò)錐束CT成像的幾何關(guān)系創(chuàng)建關(guān)于待求解幾何參數(shù)的代價(jià)函數(shù)，利用迭代方法使代價(jià)函數(shù)達(dá)到最小點(diǎn)，從而得到幾何參數(shù)。這種方法的問題是容易陷入局部最小點(diǎn)，而難以得到全局最優(yōu)解，因此需要一個(gè)良好的初始值，這通常是比較難得到的。(2)解析求解法理論上繞固定轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的空間點(diǎn)在平板探測(cè)器上投影的軌跡為一個(gè)橢圓，這類方法根據(jù)橢圓的參數(shù)與錐束CT幾何參數(shù)之間的間接幾何關(guān)系來(lái)進(jìn)行求解。上述兩類方法都需要假設(shè)某些參數(shù)是理想的或其誤差是可以忽略的，從而只需要對(duì)其余的部分幾何參數(shù)進(jìn)行求解。同時(shí)，目前的標(biāo)定方法都是對(duì)各個(gè)幾何參數(shù)進(jìn)行逐次的標(biāo)定和調(diào)整，由于參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，往往需要逐個(gè)參數(shù)反復(fù)調(diào)整，使標(biāo)定過(guò)程十分復(fù)雜。本發(fā)明通過(guò)將錐束CT系統(tǒng)考慮成一個(gè)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，并利用計(jì)算機(jī)視覺理論進(jìn)行求解，從而得到一種用于錐束CT幾何參數(shù)和幾何誤差的系統(tǒng)性標(biāo)定方法。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺理論，利用相機(jī)標(biāo)定技術(shù)對(duì)錐束CT的幾何參數(shù)和誤差進(jìn)行標(biāo)定的方法。通過(guò)相機(jī)標(biāo)定技術(shù)來(lái)復(fù)現(xiàn)錐束CT系統(tǒng)中的X射線源、平板探測(cè)器和轉(zhuǎn)軸之間的幾何位置關(guān)系，從而對(duì)錐束CT的幾何參數(shù)及其誤差進(jìn)行直接求解。本發(fā)明是一種系統(tǒng)化的測(cè)量求解方法，可以將錐束CT抽象為基本的相機(jī)系統(tǒng)模型，從而同時(shí)求解系統(tǒng)中相互關(guān)聯(lián)的多個(gè)幾何參數(shù)，與現(xiàn)有標(biāo)定方法相比，不需要逐個(gè)測(cè)量幾何參數(shù)和逐個(gè)參數(shù)地反復(fù)調(diào)整，這樣就大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)定測(cè)量的復(fù)雜程度，同時(shí)也提高了錐束CT幾何標(biāo)定的穩(wěn)定性。其特征在于，是在一個(gè)由平板探測(cè)器、同軸地安置有被檢測(cè)物的轉(zhuǎn)臺(tái)、X射線源以及計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成的錐束CT系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，是一種利用相機(jī)標(biāo)定技術(shù)來(lái)確定所述錐束CT系統(tǒng)中的所述X射線源、平板探測(cè)器和轉(zhuǎn)臺(tái)中的轉(zhuǎn)軸之間的幾何位置關(guān)系，以對(duì)所述錐束CT系統(tǒng)的幾何參數(shù)及其誤差進(jìn)行直接求解的方法，步驟如下、
步驟(I )，制作用于模擬所述被檢測(cè)物的三維標(biāo)定模塊在所述三維標(biāo)定模塊上有不少于6個(gè)不全共面或不全共線的空間標(biāo)志點(diǎn)，這里使用12個(gè)空間標(biāo)志點(diǎn)，所述三維標(biāo)定模塊采用有機(jī)玻璃基體，外表面精確鉆孔并鑲嵌小鋼珠作為空間標(biāo)志點(diǎn)；步驟(2)，建立如下三個(gè)直角坐標(biāo)系成像子系統(tǒng)坐標(biāo)系，是一個(gè)所述的X射線源-平板探測(cè)器坐標(biāo)系，以下稱成像系，設(shè)在所述平板探測(cè)器上，用(X。、Y。、Zc)表示，坐標(biāo)原 點(diǎn)在所述平板探測(cè)器的左下角，表示為(xc0, yc0, zc0), xc0=yc0=zc0=0, Xc軸、Yc軸分別對(duì)應(yīng)于所述平板探測(cè)器上像素排布的方向，Zc軸是X。軸、Yc軸的叉積，并垂直于探測(cè)器平面，從所述X射線源到所述平板探測(cè)器引垂線，垂足為C。，X射線源到垂足C。的距離為Dsd，單位為_，在所述成像系中X 射線源的坐標(biāo)點(diǎn)為 Sc,坐標(biāo)為(xcs, ycs, zcs)，Zcs=Dsd, xcs=ycs 幸 0,垂足Cc 的坐標(biāo)為(xcc, ycc, Zcc)，Zcc=O, Xcc=Xcs, ycc=ycs,在所述平板探測(cè)器的各個(gè)投影圖像內(nèi)，當(dāng)把以mm為單位的坐標(biāo)UmyJ轉(zhuǎn)換為以像素為單位的坐標(biāo)(Ucd, vci)時(shí)，把以像素為單位的坐標(biāo)的原點(diǎn)設(shè)在投影圖像左上角，用
(uc0, Vc0)表示，且坐標(biāo)軸U向右為正方向，坐標(biāo)軸V向下為正方向，則
XD — V,-Uci =于,vo = ~’其中
ax i表示在所述投影圖像內(nèi)的點(diǎn)的序號(hào)，D為所述平板探測(cè)器在Yc軸上的長(zhǎng)度，dx, dy分別代表單個(gè)像素在Xc、Yc方向上的尺寸，旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)坐標(biāo)系，以下稱旋轉(zhuǎn)系，用(XK、YK、ZK)表示，主軸線為Ydll，與所述轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸線重合，Ze軸為由所述X射線源向所述轉(zhuǎn)軸所引的垂線，并且指向所述X射線源，Xe軸是Yk軸和Zk軸的叉積，標(biāo)定物坐標(biāo)系，以下稱標(biāo)定物系，用(X、Y、Z)表示，是一個(gè)同軸地設(shè)置在所述三維標(biāo)定模塊上，用于標(biāo)定錐束CT參數(shù)的輔助坐標(biāo)系，所述X射線源在所述標(biāo)定物系中的坐標(biāo)為(xs，ys，zs)，所述三維標(biāo)定模塊上的12個(gè)空間標(biāo)志點(diǎn)用Pi表示，坐標(biāo)為O^ypZi),是已知的，i = 1，2，…，I，1=12，以便通過(guò)所述成像子系統(tǒng)對(duì)所述三維標(biāo)定模塊進(jìn)行拍攝，從而在所述平板探測(cè)器上得到對(duì)應(yīng)于12個(gè)所述空間標(biāo)志點(diǎn)的投影位置，坐標(biāo)點(diǎn)用Pcd表示，坐標(biāo)用(xCi，yCi)表不；步驟(3)，把所述三維標(biāo)定模塊與所述轉(zhuǎn)臺(tái)在縱向同軸安置，在所述X射線源-平板探測(cè)器相對(duì)靜止，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，對(duì)所述三維標(biāo)定模塊成像所述計(jì)算機(jī)啟動(dòng)錐束CT采集程序，獲取所述平板探測(cè)器上不少于360個(gè)投影角度的投影圖像，用j表示所述投影圖像序號(hào)，j=l, 2，…，J，J ^ 360，在獲取到的各個(gè)所述投影圖像j中抽取12個(gè)所述空間標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)，用Pgi表示，坐標(biāo)為(Xcdi, y^),轉(zhuǎn)換為像素坐標(biāo)時(shí)用(Ucdi, vcji)表示,對(duì)應(yīng)的所述三維標(biāo)定模塊上的坐標(biāo)點(diǎn)用Pi表示，坐標(biāo)用(Xi, Yi, Zi)表示；步驟(4)，按以下步驟從所述標(biāo)定物系的空間標(biāo)志點(diǎn)PiUi, Yi, Zi)和成像系中對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)Pcui (ucJi, vcJi)中求解所述錐束CT系統(tǒng)的以下參數(shù)Dsd、Xc;s和Ycs,標(biāo)定物系到成
像系的空間轉(zhuǎn)換矩陣乃=rJ ^中的各所述投影圖像的旋轉(zhuǎn)矩陣&和位移向量其中，
01Dsd, X和ycs是所述錐束CT系統(tǒng)的內(nèi)方位參數(shù)，在所述成像子系統(tǒng)制作完成后是不變的，但又是未知的，而對(duì)于一個(gè)特定的拍攝位置，對(duì)應(yīng)于該拍攝位置的空間轉(zhuǎn)換矩陣T是不變的步驟(4. I )，按下式建立所述標(biāo)定物系內(nèi)已知空間坐標(biāo)APiO^yi, Zi)與各所述投影圖像j中的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)Pcui (Ucui, vcJi)之間的關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種X射線錐束計(jì)算機(jī)層析成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)標(biāo)定方法，其特征在于，是在一個(gè)由平板探測(cè)器、同軸地安置有被檢測(cè)物的轉(zhuǎn)臺(tái)、X射線源以及計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成的錐束CT系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，是一種利用相機(jī)標(biāo)定技術(shù)來(lái)確定所述錐束CT系統(tǒng)中的所述X射線源、平板探測(cè)器和轉(zhuǎn)臺(tái)中的轉(zhuǎn)軸之間的幾何位置關(guān)系，以對(duì)所述錐束CT系統(tǒng)的幾何參數(shù)及其誤差進(jìn)行直接求解的方法，步驟如下 步驟(I )，制作用于模擬所述被檢測(cè)物的三維標(biāo)定模塊 在所述三維標(biāo)定模塊上有不少于6個(gè)不全共面或不全共線的空間標(biāo)志點(diǎn)，這里使用12個(gè)空間標(biāo)志點(diǎn)，所述三維標(biāo)定模塊采用有機(jī)玻璃基體，外表面精確鉆孔并鑲嵌小鋼珠作為空間標(biāo)志點(diǎn)； 步驟(2)，建立如下三個(gè)直角坐標(biāo)系 成像子系統(tǒng)坐標(biāo)系，是一個(gè)所述的X射線源-平板探測(cè)器坐標(biāo)系，以下稱成像系，設(shè) 在所述平板探測(cè)器上，用(X。、Y。、Z。)表示，坐標(biāo)原點(diǎn)在所述平板探測(cè)器的左下角，表示為(xc0, yc0, zc0), xc0=yc0=zc0=0, Xc軸、Yc軸分別對(duì)應(yīng)于所述平板探測(cè)器上像素排布的方向，Zc軸是X。軸、Yc軸的叉積，并垂直于探測(cè)器平面，從所述X射線源到所述平板探測(cè)器引垂線，垂足為C。，X射線源到垂足C。的距離為Dsd，單位為_，在所述成像系中 X射線源的坐標(biāo)點(diǎn)為Sc,坐標(biāo)為(xcs, ycs, zcs)，Zcx=Dsd, Xcs=Ycs關(guān)O，垂足 Cc 的坐標(biāo)為(X。。，ycc, zcc)，Zcc-O, Xcc-Xcs, ycc-ycs 在所述平板探測(cè)器的各個(gè)投影圖像內(nèi)，當(dāng)把以mm為單位的坐標(biāo)(Xc;i，yci)轉(zhuǎn)換為以像素為單位的坐標(biāo)(Ucd, vj時(shí)，把以像素為單位的坐標(biāo)的原點(diǎn)設(shè)在投影圖像左上角，用(Uc^ Vc0)表示，且坐標(biāo)軸u向右為正方向，坐標(biāo)軸V向下為正方向，則 -V.., _ O - T1., Uci = — ,vCi — —I ，其中 dxdy i表示在所述投影圖像內(nèi)的點(diǎn)的序號(hào)， D為所述平板探測(cè)器在Yc軸上的長(zhǎng)度， dx, dy分別代表單個(gè)像素在X。、Y。方向上的尺寸， 旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)坐標(biāo)系，以下稱旋轉(zhuǎn)系，用(XK、Ye, Ze)表示，主軸線為Yk軸，與所述轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸線重合，Zk軸為由所述X射線源向所述轉(zhuǎn)軸所引的垂線，并且指向所述X射線源，Xe軸是Yk軸和Zk軸的叉積， 標(biāo)定物坐標(biāo)系，以下稱標(biāo)定物系，用(X、Y、Z)表示，是一個(gè)同軸地設(shè)置在所述三維標(biāo)定模塊上，用于標(biāo)定錐束CT參數(shù)的輔助坐標(biāo)系，所述X射線源在所述標(biāo)定物系中的坐標(biāo)為(xs, ys, zs),所述三維標(biāo)定模塊上的12個(gè)空間標(biāo)志點(diǎn)用Pi表示,坐標(biāo)為(Xi, Ji, Zi),是已知的，i = 1，2，…，I，1=12，以便通過(guò)所述成像子系統(tǒng)對(duì)所述三維標(biāo)定模塊進(jìn)行拍攝，從而在所述平板探測(cè)器上得到對(duì)應(yīng)于12個(gè)所述空間標(biāo)志點(diǎn)的投影位置，坐標(biāo)點(diǎn)用Pcd表示，坐標(biāo)用(xci, yci)表不； 步驟(3)，把所述三維標(biāo)定模塊與所述轉(zhuǎn)臺(tái)在縱向同軸安置，在所述X射線源-平板探測(cè)器相對(duì)靜止，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，對(duì)所述三維標(biāo)定模塊成像所述計(jì)算機(jī)啟動(dòng)錐束CT采集程序，獲取所述平板探測(cè)器上不少于360個(gè)投影角度的投影圖像，用j表示所述投影圖像序號(hào)，j=l, 2，-,J, J ^ 360，在獲取到的各個(gè)所述投影圖像j中抽取12個(gè)所述空間標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)，用Peji表示，坐標(biāo)為(Xcdi, ycji),轉(zhuǎn)換為像素坐標(biāo)時(shí)用(Ueji, V?！?表示,對(duì)應(yīng)的所述三維標(biāo)定模塊上的坐標(biāo)點(diǎn)用Pi表示，坐標(biāo)用(Xi, Yi, Zi)表示； 步驟(4),按以下步驟從所述標(biāo)定物系的空間標(biāo)志點(diǎn)PiUi, Yi, Zi)和成像系中對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)Pcui (ucJi,vcJi)中求解所述錐束CT系統(tǒng)的以下參數(shù)Dsd、Xc;s和Ycs,標(biāo)定物系到成像系r及，(.1的空間轉(zhuǎn)換矩陣r
全文摘要
本發(fā)明是一種X射線錐束計(jì)算機(jī)層析成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)標(biāo)定方法，屬于X射線錐形束計(jì)算機(jī)層析成像系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱錐束CT)領(lǐng)域，本發(fā)明通過(guò)相機(jī)標(biāo)定技術(shù)來(lái)復(fù)現(xiàn)錐束CT系統(tǒng)中的X射線源、平板探測(cè)器和轉(zhuǎn)軸之間的幾何位置關(guān)系，從而對(duì)錐束CT的幾何參數(shù)及其誤差進(jìn)行直接求解，是一種系統(tǒng)化的測(cè)量求解方法，可以將錐束CT抽象為基本的相機(jī)系統(tǒng)模型，從而同時(shí)求解系統(tǒng)中相互關(guān)聯(lián)的多個(gè)幾何參數(shù)，與現(xiàn)有標(biāo)定方法相比，不需要逐個(gè)測(cè)量幾何參數(shù)和逐個(gè)參數(shù)地反復(fù)調(diào)整，這樣就大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)定測(cè)量的復(fù)雜程度，同時(shí)也提高了錐束CT幾何標(biāo)定的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G03B42/02GK102743184SQ20121014843
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者丁輝, 王廣志, 王夢(mèng)蛟 申請(qǐng)人:清華大學(xué)