專利名稱：錐束3d-ct掃描系統(tǒng)重建體素尺寸的自動標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于錐束3D - CT掃描系統(tǒng)重建體素尺寸的自動標定，可用于醫(yī)學和工業(yè)領(lǐng)域射線數(shù)字成像(即DR投影)、二維、三維計算機斷層掃描(2D-CT/3D-CT)成像過程中的相關(guān)測量。
背景技術(shù)：
近些年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和面陣探測器的出現(xiàn)，錐束3D -CT (Cone-beam Three Dimensional Computed Tomography)系統(tǒng)日益成為 NDT(Non-destructive Testing)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。錐束3D — CT掃描系統(tǒng)的掃描原理如

圖1所示，錐束3D - CT掃描系統(tǒng)10的第一調(diào)節(jié)架11上安裝有射線源I，第二調(diào)節(jié)架12上安裝有面陣列探測器5，第三調(diào)節(jié)架13上安裝有轉(zhuǎn)臺3，轉(zhuǎn)臺3的轉(zhuǎn)軸31上放置有被檢測物體4，且被檢測物體4能夠在轉(zhuǎn)臺3的帶動下繞轉(zhuǎn)軸31的軸線旋轉(zhuǎn)。錐束3D - CT掃描系統(tǒng)10在工作狀態(tài)下，射線源I發(fā)出的錐束射線2對轉(zhuǎn)臺3上的被檢測物體4進行透照，同時面陣列探測器5采集被檢測物體4在不同旋轉(zhuǎn)角度下的二維DR投影圖像。該二維DR投影圖像按照序列進行排列后被稱為二維DR投影序列，利用這些二維DR投影序列進行三維圖像重建，將得到被檢測物體4內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材質(zhì)分布的信息。3D - CT重建所得到的三維圖像反映被檢測物體4內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材質(zhì)分布信息，被檢測物體4可認為是由大量的具有一定尺寸的小立方體排列堆積而成，這些小立方體被稱為體素，立方體的實際物理尺寸被稱為體素尺寸(Voxel Size)。體素尺寸是描述錐束3D —CT掃描系統(tǒng)的分辨率的重要指標，體素尺寸越小，三維圖像的空間分辨率越高。然而，三維重建是在脫離了錐束3D - CT掃 描系統(tǒng)的實際成像條件下進行的圖像重建，重建所得三維圖像的尺寸單位為像素，因此不可能從重建圖像中直接獲取到體素尺寸。而體素尺寸的準確測量，是錐束3D - CT掃描系統(tǒng)的分辨率標定的重要環(huán)節(jié)。同時，體素尺寸的精確測量，也決定著基于3D - CT三維重建結(jié)果的圖像分析與特征測量的精度。因此，在錐束3D - CT掃描和三維重建后，如何將像素單位的體素尺寸換算為實際的物理體素尺寸，是錐束3D - CT掃描系統(tǒng)標定中的重要步驟。在圖1中對于錐束3D - CT掃描系統(tǒng)而言，當被檢測物體4在射線源I與面陣列探測器5之間的不同位置(即行程距離)成像時，其對應(yīng)的體素尺寸也是不同的。因此需要動態(tài)地自動標定隨被檢測物體4的成像位置改變的體素尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種錐束3D - CT掃描系統(tǒng)重建體素尺寸自動標定的方法，該方法利用面陣列探測器5采集到的球形目標體(即被檢測物體4)在X軸方向上的不同成像位置(即行程距離)下的二維DR投影；然后基于二維DR投影的直徑信息采用最小二乘擬合法，回歸出不同成像位置下行程距離與體素尺寸之間的行程一體素尺寸關(guān)系V=b+kD ;最后將該行程一體素尺寸關(guān)系V=b+kD內(nèi)嵌在錐束3D - CT掃描系統(tǒng)的自動標定模塊中；錐束3D - CT掃描系統(tǒng)10在工作狀態(tài)下，通過帶有行程一體素尺寸關(guān)系V=b+kD的自動標定模塊，以當前的成像位置為自變量，自動計算出當前成像位置下的體素尺寸的精確值。該標定方法避開了現(xiàn)有標定方法求取投影幾何放大比難度大、精度低的難點，且無需對標準件進行CT掃描后再進行標定，具有操作簡單、精度高、自動程度高的優(yōu)點。本發(fā)明的一種錐束3D - CT掃描系統(tǒng)重建體素尺寸自動標定的方法，所述錐束3D — CT掃描系統(tǒng)至少包括有射線源(I)、轉(zhuǎn)臺(3)、被檢測物體(4)、面陣列探測器(5)，其標定方法包括有下列實施步驟:步驟一:初始行程距離下的體素尺寸標定步驟101:將一球形目標體安裝在轉(zhuǎn)臺(3)的轉(zhuǎn)軸(31)上，將轉(zhuǎn)臺(3)移動至X軸方向的起始成像位置Po，記錄下行程距離D1、計算出首次體素尺寸V1 ；步驟102:啟動錐束3D - CT掃描系統(tǒng)，獲取球形目標體的二維DR數(shù)字的投影圖像；步驟103:利 用圖像處理和輪廓追蹤方法獲取該起始成像位置Ptl下的圖像輪廓
占.
步驟104:根據(jù)記錄的在起始成像位置Ptl下的所有輪廓點坐標值，利用非線性最小二乘擬合法求取出球形目標體的投影直徑的像素單位長度V ；步驟二:最大行程距離下的體素尺寸標定步驟201:將轉(zhuǎn)臺(3)移動至X軸方向的行程最大位置點Pmax，記錄下最長行程距離Dmax、計算出最后次體素尺寸Vmax ；步驟202:啟動錐束3D — CT掃描系統(tǒng)，獲取在行程最大位置點Pmax下的球形目標體的二維DR數(shù)字的投影圖像；步驟203:利用圖像處理和輪廓追蹤方法獲取該行程最大位置點Pmax下的圖像輪廓點；步驟204:根據(jù)記錄的在行程最大位置點Pmax下的所有輪廓點坐標值，利用非線性最小二乘擬合法求取出球形目標體的投影直徑的像素單位長度Wmax'；步驟三:中間行程距離下的體素尺寸標定步驟301:將轉(zhuǎn)臺(3)移動至X軸方向上的介于Ptl和Pmax之間的中間成像位置點Pi，記錄下中間行程距離D1、計算出中間次體素尺寸Vi ；步驟302:啟動錐束3D — CT掃描系統(tǒng)，獲取在介于Ptl和Pmax之間的中間成像位置點Pi下的球形目標體的二維DR數(shù)字的投影圖像；步驟303:利用圖像處理和輪廓追蹤方法獲取該中間成像位置點Pi下的圖像輪廓
占.
步驟304:根據(jù)記錄的在中間成像位置點Pi下的所有輪廓點坐標值，利用非線性最小二乘擬合法求取出球形目標體的投影直徑的像素單位長度V ；步驟四:任意行程下的體素尺寸獲取將轉(zhuǎn)臺(3)在X軸方向上不同的成像位置計算出的體素尺寸值和對應(yīng)的行程距離值組成一方程組為:
權(quán)利要求
1.一種錐束3D-CT掃描系統(tǒng)重建體素尺寸自動標定的方法，所述錐束3D-CT掃描系統(tǒng)至少包括有射線源(I)、轉(zhuǎn)臺(3)、被檢測物體(4)、面陣列探測器(5)，其特征在于標定方法包括有下列實施步驟: 步驟一:初始行程距離下的體素尺寸標定 步驟101:將一球形目標體安裝在轉(zhuǎn)臺(3 )的轉(zhuǎn)軸(31)上，將轉(zhuǎn)臺(3 )移動至X軸方向的起始成像位置Ptl，記錄下行程距離D1、計算出首次體素尺寸V1 ； 步驟102:啟動錐束3D-CT掃描系統(tǒng)，獲取球形目標體的二維DR數(shù)字的投影圖像；步驟103:利用圖像處理和輪廓追蹤方法獲取該起始成像位置Ptl下的圖像輪廓點；步驟104:根據(jù)記錄的在起始成像位置Ptl下的所有輪廓點坐標值，利用非線性最小二乘擬合法求取出球形目標體的投影直徑的像素單位長度V ； 步驟二:最大行程距離下的體素尺寸標定 步驟201:將轉(zhuǎn)臺(3)移動至X軸方向的行程最大位置點Pmax，記錄下最長行程距離0_、計算出最后次體素 尺寸Vmax ； 步驟202:啟動錐束3D-CT掃描系統(tǒng)，獲取在行程最大位置點Pmax下的球形目標體的二維DR數(shù)字的投影圖像； 步驟203:利用圖像處理和輪廓追蹤方法獲取該行程最大位置點Pmax下的圖像輪廓點；步驟204:根據(jù)記錄的在行程最大位置點Pmax下的所有輪廓點坐標值，利用非線性最小二乘擬合法求取出球形目標體的投影直徑的像素單位長度Wmax'； 步驟三:中間行程距離下的體素尺寸標定 步驟301:將轉(zhuǎn)臺(3)移動至X軸方向上的介于P。和Pmax之間的中間成像位置點Pi，記錄下中間行程距離Dp計算出中間次體素尺寸Vi ； 步驟302:啟動錐束3D-CT掃描系統(tǒng)，獲取在介于P。和Pmax之間的中間成像位置點Pi下的球形目標體的二維DR數(shù)字的投影圖像； 步驟303:利用圖像處理和輪廓追蹤方法獲取該中間成像位置點Pi下的圖像輪廓點；步驟304:根據(jù)記錄的在中間成像位置點Pi下的所有輪廓點坐標值，利用非線性最小二乘擬合法求取出球形目標體的投影直徑的像素單位長度V ； 步驟四:任意行程下的體素尺寸獲取 將轉(zhuǎn)臺(3)在X軸方向上不同的成像位置計算出的體素尺寸值和對應(yīng)的行程距離值組成一方程組為: 'D1 I] [F1 D2 IV2■..I [kl...D1 I X _b_~ Vi ； …1...D IV _ max JL max _ 從體素尺寸值和行程距離值組成一方程組中即可得到零次項系數(shù)b、一次項系數(shù)k的值，從而得到不同成像位置下行程一體素尺寸關(guān)系V = b+kD。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐束3D-CT掃描系統(tǒng)重建體素尺寸的自動標定方法，其特征在于:所述非線性最小二乘擬合法回歸出球形目標體的投影直徑方法如下: 設(shè)圓方程為(Xj-XQ)2+(yj-yQ)2 = r2，其中:(XQ，yQ)為圓形透視圖像的圓心坐標；r為半徑；(Xyh)為圓形透視圖像的圓輪廓點坐標，也就是通過對球形目標體的投影進行圖像處理與輪廓追蹤后得到的輪廓點坐標。建立投影圖像輪廓誤差函數(shù)E，其表達式為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐束3D-CT掃描系統(tǒng)重建體素尺寸的自動標定方法，其特征在于:被檢測物體(4)為球形目標體，且球形目標體由金屬材質(zhì)制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐束3D-CT掃描系統(tǒng)重建體素尺寸的自動標定方法，其特征在于:所述的探測器為平板探測器，探測器成像面由離散的正方形探測單元整齊排列而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種錐束3D-CT掃描系統(tǒng)重建體素尺寸自動標定的方法，該方法利用球形目標體在X軸方向不同行程距離下的DR投影的直徑信息、采用最小二乘擬合法回歸出不同成像位置下行程－體素尺寸關(guān)系V=b+kD，然后將V=b+kD內(nèi)嵌在錐束3D-CT掃描系統(tǒng)的自動標定模塊中。當錐束3D-CT掃描系統(tǒng)運行時，標定模塊將自動計算出不同掃描位置對應(yīng)的精確體素尺寸值，從而保證基于3D-CT圖像的數(shù)據(jù)分析與特征測量的準確性。該標定方法避開了現(xiàn)有標定方法求取投影幾何放大比難度大、精度低的難點，且無需對標準件進行CT掃描后再進行標定，具有操作簡單、精度高、自動程度高的優(yōu)點。
文檔編號G01N23/04GK103226113SQ201310109460
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者李興東, 劉文麗, 李德紅, 郭彬, 洪寶玉, 王曉龍, 桂志國, 魏東波, 楊民 申請人:中國計量科學研究院