專利名稱：一種適用于錐束xct系統(tǒng)的探測器扭轉角的標定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種錐束XCT (x-ray Computed Tomography)系統(tǒng)，更特別地說，是指 一種錐束XCT系統(tǒng)的探測器扭轉角標定方法。
背景技術：
近些年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展和面陣探測器的出現，錐束XCT (Cone-beam X-ray Computed Tomography)NDT(Non-destructive Testing)令頁_內的石if胃fl; 點。在眾多的CT重建算法中，考慮到運算量和工程實現難度，FDK(FeIdkamp-Davis-Kress) 類型的算法最為實用，也一直是實際工程應用中的主流。錐束XCT系統(tǒng) 的掃描原理如圖1 所示，即射線源1發(fā)出的錐束射線2對多自由度載物臺3上的被測物體4進行透照，被測物 體4在多自由度載物臺3的帶動下繞軸線旋轉，面陣探測器5采集被測物體4在不同視角 下的DR投影(DR-Digital Radiography，射線數字成像)，最后PC機中的圖像重構單元利 用這些二維DR投影序列進行三維重建。如圖IA所示，FDK重建算法是在射線源和探測器構造的坐標系xyz (也稱為重建 坐標系)中進行，探測器5的成像坐標系為XdOdZd, FDK重建算法理論上要求這兩個坐標系 的關系為odzd軸平行于oz軸，OdXd軸平行于ox軸。然而在實際的錐束XCT系統(tǒng)安裝中， 不可避免地存在著機械安裝誤差，導致OdZd軸不平行于oz軸，OdXd軸不平行于ox軸，相當 于坐標系Xd0dZd繞y軸旋轉了一定的角度，該角度即為探測器的扭轉角ξ。扭轉角ξ的 存在影響了二維DR投影序列重建圖像的精度，造成偽影的產生，從而影響重建圖像的分辨 力、以及重建圖像細節(jié)的有效檢出。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種對錐束XCT掃描系統(tǒng)中探測器扭轉角ξ的標定方法， 該標定采用了球狀目標體在錐束射線場中繞ζ軸旋轉一周后，其在成像坐標系XdOdZd中 的DR投影質心軌跡為一近似橢圓，并利用最小二乘擬合法將DR投影質心的軌跡擬合為 xd2+azd2+bxdzd+cxd+ezd+f = O的橢圓方程；在DR投影質心橢圓軌跡中，其橢圓長軸與Xd軸 的夾角即為探測器扭轉角ξ ；在本發(fā)明中為了實現球狀目標體繞ζ軸旋轉，設計了偏心滑 動支撐架，并將球狀成像目標體(被測物體)安裝在該偏心滑動支撐架上，而偏心滑動支撐 架安裝在多自由度載物臺上；當多自由度載物臺繞軸線旋轉360度時，探測器將采集到球 狀目標體在不同視角下的DR投影序列。本發(fā)明的一種適用于錐束XCT系統(tǒng)的探測器扭轉角的標定方法，具體步驟如下第一步調整球狀目標體成像在探測器中的位置將多自由度載物臺3置于射線源1與面陣探測器5之間的任意位置，偏心滑動支 撐架的縱向套筒6插入多自由度載物臺3的中心孔里，將一個球狀目標體10固定在滑塊9 的立柱上，通過頂緊螺釘61調節(jié)升降桿7在軸線上的高度，并移動滑塊9在橫向導桿8上 的位置；調整球狀目標體成像在探測器中的位置是保證球狀目標體10被錐束射線2照射，以及球狀目標體成像能夠被探測器5成像面所采集；第二步調整旋轉角度啟動多自由度載物臺3，并使多自由度載物臺3繞軸線在360度范圍內旋轉，在每 間隔5度 15度的旋轉角度下，面陣探測器5采集得到球狀目標體10的DR投影圖像；第三步獲取二值圖像在圖像處理與可視化單元中對第二 步得到的每幅DR投影圖像進行閾值分割處 理，從而得到二值DR圖像；在所述二值DR圖像中，球狀目標體的投影值記為1，其余區(qū)域的 投影值記為0 ；第四步求DR投影質心坐標(Χ(Η，Ζ(Η)在圖像重構單元中對第三步中得到的每幅二值DR圖像進行DR投影質
γ M N
心坐標求取，即DR投影質心坐標(Χ(Η，Ζ(Η)中V,χ/(&，~),M表示DR投影的長度；N表示DR投影的高度；f(xd, zd)表示二值DR圖像的二維函數，其中，Xd表示成像坐標系XdOdZd下Xd軸上 的坐標變量，Zd表示成像坐標系XdOdZd下Zd軸上的坐標變量；Χ(Η表示第i幅二值DR圖像中球狀目標體投影質心在Xd軸上的坐標；Ζ(Η表示第i幅二值DR圖像中球狀目標體投影質心在Zd軸上的坐標；第五步擬合DR投影質心軌跡在圖像重構單元中對第四步中得到的每一質心坐標利用最小二乘擬合法進行軌 跡擬合，即將所有DR投影質心點坐標(Χ(Η，ZdJ擬合為Xd2+aZd2+bXdZd+CXd+eZd+f = 0的橢 圓方程，依據該橢圓方程能夠得到所有DR投影質心點坐標(Χ(Η，Ζ(Η)形成的橢圓軌跡，所
述橢圓軌跡的斜率為免=“_h^(1_fl)2+62，依據該橢圓軌跡斜率從而得到面陣探測器
b
在安裝時產生的扭轉角ξ = arctg(k)；xd表示成像坐標系XdOdZd下Xd軸上的坐標變量；zd表示成像坐標系XdOdZd下Zd軸上的坐標變量；a表示橢圓方程中變量Zd的二次項系數；b表示橢圓方程中變量XdZd的二次項系數；c表示橢圓方程中變量Xd的一次項系數；e表示橢圓方程中變量Zd的一次項系數；f表示橢圓方程的常數項。本發(fā)明標定方法的優(yōu)點1)通過將球狀目標體安裝在偏心滑動支撐架上，多自由度載物臺帶動偏心滑動支 撐架繞ζ軸旋轉一周，球狀目標體在成像坐標系XdOdZd中形成近似橢圓的投影軌跡。通過 球狀目標體在滑動支撐架上的移動，可調節(jié)近似橢圓軌跡的形狀，有利于得到最佳的橢圓 軌跡。
2)利用最小二乘法對近似橢圓軌跡進行擬合得到的橢圓方程 xd2+azd2+bxdzd+cxd+ezd+f = 0，能夠滿足誤差最小原則，從而保證了標定結果的精度。3)利用橢圓的長軸與Xd軸的夾角來表征探測器的扭轉角ξ，使得標定過程中計 算量少，不易出現假解，重復精度高。4)本發(fā)明標定方法容易實現，原理簡單，只需要將球狀目標體在射線源與探測器 之間旋轉360度即可。


圖1是錐束XCT系統(tǒng)的掃描原理圖。圖IA是安裝錐束XC T系統(tǒng)時出現的探測器扭轉角機械安裝誤差示意圖。圖2是本發(fā)明的偏心滑動支撐架的結構圖。圖2Α是本發(fā)明偏心滑動支撐架中橫向導桿的結構圖。圖2Β是本發(fā)明偏心滑動支撐架中滑塊的結構圖。圖3是將本發(fā)明的偏心滑動支撐架置于錐束XCT系統(tǒng)中的位置擺放示意圖。圖4是將球狀目標體的24幅DR圖像合成為一幅DR圖像的結果圖。圖4Α是擬合得到的橢圓示意圖。圖4Β是圖4Α的局部放大圖。圖5是未標定前的CT重建圖像。圖5Α是采用本發(fā)明方法標定后的CT重建圖像。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明提出的一種適用于錐束XCT系統(tǒng)的探測器扭轉角的標定方法，是出廠前對 錐束XCT系統(tǒng)的探測器扭轉角ξ進行標定，或者是錐束XCT系統(tǒng)經一段時間使用后，對探 測器扭轉角ξ進行校正時而采用的一種較為簡便、易操作的標定方法。一套錐束XCT系統(tǒng) 一般由硬件部分和軟件部分組成，其中，硬件部分包括射線源、多自由度載物臺、控制器、 PC機、面陣探測器；軟件部分包括CT控制單元、圖像重構單元、圖像處理與可視化單元。參見圖3所示，本發(fā)明對面陣探測器5的成像坐標系XdOdZd繞y軸產生一定的旋 轉角度ξ進行標定，采用在軸線方向上能夠升降、旋轉方向上能夠隨多自由度載物臺3轉 動的偏心滑動支撐架(如圖2、圖2Α、圖2Β所示)來安裝球狀成像目標體10 (被測物體)， 使得球狀成像目標體10在錐束射線2的照射下所成的投影被面陣探測器5采集。在本發(fā)明中，首先設計偏心滑動支撐架如圖2、圖2Α、圖2Β所示，由縱向套筒6、升 降桿7、橫向導桿8和滑塊9組成，滑塊9的底座安裝在橫向導桿8的滑道81上，滑塊9的 立柱上安裝有球狀目標體10，升降桿7通過頂緊螺釘61固緊在縱向套筒6上，并通過松、緊 頂緊螺釘61來調節(jié)升降桿7在多自由度載物臺3的軸線方向上的高度。該偏心滑動支撐 架的作用是將球狀目標體10在轉動的條件下偏離多自由度載物臺3的旋轉中心。本發(fā)明的一種適用于錐束XCT系統(tǒng)的探測器扭轉角的標定方法，具體步驟如下第一步調整球狀目標體成像在探測器中的位置將多自由度載物臺3置于射線源1與面陣探測器5之間的任意位置，將偏心滑動支撐架的縱向套筒6插入在多自由度載物臺3的中心孔里，將一個球狀目標體10固定在滑 塊9的立柱上，通過頂緊螺釘61調節(jié)升降桿7的高度，并移動滑塊9在橫向導桿8上的位 置，使得球狀目標體10成像在探測器5成像面的合適位置。如圖3所示。在本發(fā)明中，球狀目標體成像在探測器中的位置只要保證被測物(球狀目標體 10)能夠被錐束射線2照射，對于多自由度載物臺3在射線源1與面陣探測器5之間的具體 距離不作要求，這就降低了錐束XCT系統(tǒng)中對精確位置的要求，從而使得標定過程簡單，易 操作。第二步調整旋轉角度啟動多自由度載物臺3在360度范圍內旋轉，每間隔一定的角度(5度 15度) 探測器5將采集到球狀目標體的DR圖像；在本發(fā)明中，間隔一定角度進行球狀目標 體的DR圖像采集，是為了得到球狀目標 體10在多自由度載物臺3的驅動下，旋轉360度過程中的不同位置的DR圖像序列，如圖4 所示。為了能夠看清橢圓軌跡，發(fā)明人對圖4進行了在平面坐標下的放大和軌跡放大，如圖 4A和圖4B所示。第三步獲取二值圖像在圖像處理與可視化單元中對第二步得到的每幅DR圖像進行閾值分割，將其轉 換為二值圖像，在獲得的二值DR圖像中，球狀目標體的投影值為1，其余區(qū)域的投影值為0。在本發(fā)明中，閾值分割為常用的一種圖像處理算法。第四步求DR投影質心坐標(Χ(Η，Ζ(Η)在圖像重構單元中對第三步中得到的每幅二值DR圖像中球狀目標體投影的質心 坐標(X d-i，Zd-i )，如公式所示 =▲ΣΣ x/( ， )
γ M NM表示DR投影的長度；N表示DR投影的高度；f(xd, zd)表示二值DR圖像的二維函數，其中，Xd表示成像坐標系XdOdZd下Xd軸上 的坐標變量，Zd表示成像坐標系XdOdZd下Zd軸上的坐標變量。Χ(Η表示第i幅二值DR圖像中球狀目標體投影質心在Xd軸上的坐標；&表示第i幅二值DR圖像中球狀目標體投影質心在Zd軸上的坐標。第五步擬合DR投影質心軌跡在圖像重構單元中對第四步中得到的每一質心坐標利用最小二乘擬合法，將所有 投影質心點坐標(Χ(Η，Ζ(Η)擬合為一橢圓方程xd2+azd2+bxdzd+cxd+ezd+f = 0該橢圓的斜率表達式為 .
b根據橢圓長軸斜率，得到探測器的扭轉角ξ =arctg(k)。
在本發(fā)明中，在擬合橢圓時，采用非線性最小二乘擬合法。橢圓方程為xd2+azd2+bxdzd+cxd+ezd+f = 0(1)式⑴中xd表示成像坐標系XdOdZd下Xd軸上的坐標變量；zd表示成像坐標系XdOdZd下Zd軸上的坐標變量；a表示橢圓方程中變量Zd的二次項系數；b表示橢圓方程中變量XdZd的二次項系數；c表示橢圓方程中變量Xd的一次項系數；e表示橢圓方程中變量Zd的一次項系數；f表示橢圓方程的常數項。由式(1)得函數關系式
zd(xd,a,b,c,e,f) = ^- -bxd _e±J(b2 - 4a)xd2 + (2be — 4ac)xd-e2 - 4af(2)zd(xd, a, b，c，e，f)表示基于橢圓方程式(1)的變量zd關于xd、a、b、c、e、f的函 數。建立誤差函數
η
權利要求
一種適用于錐束XCT系統(tǒng)的探測器扭轉角的標定方法，其特征在于包括有下列標定步驟第一步調整球狀目標體成像在探測器中的位置將多自由度載物臺(3)置于射線源(1)與面陣探測器(5)之間的任意位置，偏心滑動支撐架的縱向套筒(6)插入多自由度載物臺(3)的中心孔里，將一個球狀目標體(10)固定在滑塊(9)的立柱上，通過頂緊螺釘(61)調節(jié)升降桿(7)在軸線上的高度，并移動滑塊(9)在橫向導桿(8)上的位置；調整球狀目標體成像在探測器中的位置是保證球狀目標體(10)被錐束射線(2)照射，以及球狀目標體成像能夠被探測器(5)成像面所采集；第二步調整旋轉角度啟動多自由度載物臺(3)，并使多自由度載物臺(3)繞軸線在360度范圍內旋轉，在每間隔5度～15度的旋轉角度下，面陣探測器(5)采集得到球狀目標體(10)的DR投影圖像；第三步獲取二值圖像在圖像處理與可視化單元中對第二步得到的每幅DR投影圖像進行閾值分割處理，從而得到二值DR圖像；在所述二值DR圖像中，球狀目標體的投影值記為1，其余區(qū)域的投影值記為0；第四步求DR投影質心坐標(xd i，zd i)在圖像重構單元中對第三步中得到的每幅二值DR圖像進行DR投影質心坐標求取，即DR投影質心坐標(xd i，zd i)中M表示DR投影的長度；N表示DR投影的高度；f(xd，zd)表示二值DR圖像的二維函數，其中，xd表示成像坐標系xdodzd下xd軸上的坐標變量，zd表示成像坐標系xdodzd下zd軸上的坐標變量；xd i表示第i幅二值DR圖像中球狀目標體投影質心在xd軸上的坐標；zd i表示第i幅二值DR圖像中球狀目標體投影質心在zd軸上的坐標；第五步擬合DR投影質心軌跡在圖像重構單元中對第四步中得到的每一質心坐標利用最小二乘擬合法進行軌跡擬合，即將所有DR投影質心點坐標(xd i，zd i)擬合為xd2+azd2+bxdzd+cxd+ezd+f＝0的橢圓方程，依據該橢圓方程能夠得到所有DR投影質心點坐標(xd i，zd i)形成的橢圓軌跡，所述橢圓軌跡的斜率為依據該橢圓軌跡斜率從而得到面陣探測器在安裝時產生的扭轉角ξ＝arctg(k)；xd表示成像坐標系xdodzd下xd軸上的坐標變量；zd表示成像坐標系xdodzd下zd軸上的坐標變量；a表示橢圓方程中變量zd的二次項系數；b表示橢圓方程中變量xdzd的二次項系數；c表示橢圓方程中變量xd的一次項系數；e表示橢圓方程中變量zd的一次項系數；f表示橢圓方程的常數項。FSA00000212390400011.tif,FSA00000212390400012.tif,FSA00000212390400021.tif
2.根據權利要求1所述的適用于錐束XCT系統(tǒng)的探測器扭轉角的標定方法，其特征在 于偏心滑動支撐架由縱向套筒(6)、升降桿(7)、橫向導桿⑶和滑塊(9)組成，滑塊(9) 的底座安裝在橫向導桿(8)的滑道(81)上，滑塊(9)的立柱上安裝有球狀目標體(10)，升 降桿(7)通過頂緊螺釘(61)固緊在縱向套筒(6)上，并通過松、緊頂緊螺釘(61)來調節(jié)升 降桿(7)在多自由度載物臺(3)的軸線方向上的高度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于錐束XCT系統(tǒng)的探測器扭轉角的標定方法，該標定采用了球狀目標體在錐束射線場中繞z軸旋轉一周，其在成像坐標系xdodzd中的投影質心軌跡為一近似橢圓，利用最小二乘擬合法將投影質心的軌跡擬合為一橢圓方程xd2+azd2+bxdzd+cxd+ezd+f＝0，橢圓的長軸與xd軸的夾角即為探測器扭轉角ξ。本發(fā)明利用橢圓的長軸與xd軸的夾角來表征探測器的扭轉角ξ，使得標定過程中計算量少，不易出現假解，重復精度高。
文檔編號G01B15/00GK101936720SQ201010241980
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權日2010年7月30日
發(fā)明者劉永瞻, 楊民, 高海東 申請人:北京航空航天大學