CN107684435A - 锥束ct系统几何校准方法及其校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锥束CT系统几何校准方法及其校准装置。具体地，本发明提供了一种用于锥束CT几何校准的方法，其特征在于，所述方法包括采用标准模体对射线源焦点、四轴位移台旋转中心和探测器成像平面中心位置进行校准，并采用标准模体对探测器偏摆角、俯仰角和扭转角进行校准，所述标准模体包括块规模体、圆柱模体和小球模体。本发明的方法采用了标准模体，校准精度高；可以直接通过实验采集到的模体投影位移量，进行简单计算便得到校准参数，计算速度快。本发明还提供了一种用于锥束CT系统几何校准的装置，所述装置具有射线源、探测器、硬件调节装置和标准模体。

Description

锥束CT系统几何校准方法及其校准装置

技术领域

本发明涉及一种锥束CT系统几何校准方法及其校准装置。

背景技术

锥束计算机断层成像(Cone Beam Computed Tomography，CBCT)具有扫描速度快、空间分辨率高、成像图像质量好等优势，具有广泛的应用价值，是CT技术发展的重要方向之一。由于锥束CT图像重建算法是建立在理想的系统几何参数基础上的，因此锥束CT系统对射线源、被扫描物体以及探测器几何参数和安装精度要求严格。现有锥束CT系统几何校准方法可分为两种：模体校准和算法校准。基于模体的校准方法采用专门设计的校准模体，在校准过程中获取系统的几何误差参数，并将这些参数用于系统的硬件调节或直接用于后期的图像重建；基于算法的几何校准方法是直接对投影数据或投影图像进行处理，计算出锥束CT系统的几何误差参数，用于重建算法中。

现有锥束CT系统几何校准方法中算法校准通常需要通过复杂运算，确定的校准参数有限。例如，比萨大学(UniversityofPisa)Pantta.D等人提出的校准算法优化求解一个利用投影数据定义的代价函数，通过获得局部最小解来确定系统几何参数，但是该算法无法确定所有的参数，而且计算量较大。另外，在模体校准中，现有技术多采用专门设计的校准模体，由于专门设计加工的模体机械精度有限，因此对于校准结果存在较大误差。例如，采用专门设计的两根正交的金属细丝模型作为校准模体方法，根据模体的一系列投影对系统结构进行调整，并通过投影的几何关系推导出重建所需的系统几何参数，并根据所得到的几何参数对成像系统几何位置校准。但是，在该方法中首先高精度金属丝难以加工，并且放置在旋转台时该模体与台面通常存在一定角度偏差。

有鉴于此，需要开发一种能够高精度、简便地对锥束CT系统进行几何校准的方法和装置。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锥束CT系统几何校准方法及其校准装置，所述校准方法和校准装置采用模体校准方式，不需要专门设计校准模体，校准精度高，并且可以直接经过简单计算得到校准参数，而不需设计算法。

为了达到上述目的，本发明采用标准模体对锥束CT系统中X射线源焦点、位移台旋转中心和探测器成像平面中心位置进行校准，并对探测器偏摆角、俯仰角和扭转角进行校准，并经过简单计算得到几何校准参数。

本发明提供了一种用于锥束CT几何校准的方法，其特征在于，所述方法包括采用标准模体对射线源焦点、四轴位移台旋转中心和探测器成像平面中心位置进行校准，并采用标准模体对探测器偏摆角、俯仰角和扭转角进行校准，所述标准模体包括块规模体、圆柱模体和小球模体。

在一些实施方式中，所述方法还包括采用小球模体通过计算获得几何校准参数SID和SOD，其中SID是射线源到探测器的距离，SOD是射线源到扫描物体的距离。

在一些实施方式中，采用所述块规模体校准所述探测器的扭转角，包括：将块规模体置于四轴位移台转轴T的台面上，旋转四轴位移台，开启射线源进行曝光，通过探测器采集曝光图像，调整探测器绕X轴方向的角度，直到块规模体边沿与探测器列之间的夹角为零，即扭转角为零。

在一些实施方式中，采用所述块规模体校准所述探测器的俯仰角，包括：

将四轴位移台沿X轴方向运行，同时调整四轴位移台沿Z轴方向的位置，开启射线源进行曝光，通过探测器采集曝光图像，直到块规模体上表面在探测器上的投影行位置保持不变；

将搭载探测器的两轴位移台沿Z轴方向运动，开启射线源进行曝光，直到将探测器中心行调整至块规上表面投影行位置，即探测器中心行与射线源焦点对准；

将四轴位移台沿Z轴正方向移动1/2块规模体高度距离，使块规模体的中心位于探测器中心行，开启射线源进行曝光，调整探测器绕Y轴方向的角度，直到曝光图像中心行上下块规的高度差相同，即俯仰角为零。

在一些实施方式中，采用所述圆柱模体校准射线源焦点、四轴位移台旋转中心和探测器成像平面中心位置，包括：

将圆柱模体插入四轴位移台中心处，使得圆柱模体中心与转轴重合；

将搭载探测器的两轴位移台沿Y轴方向运动，开启射线源进行曝光，通过探测器采集曝光图像，直到圆柱模体中心轴线在探测器上的投影与探测器中心列重合；

调整四轴位移台沿X轴方向运动，开启射线源进行曝光，通过探测器采集曝光图像，调整两轴位移台沿Y轴方向运动，直到圆柱模体在沿X轴上不同位置时圆柱模体中轴线在探测器上的投影与探测器中心列重合

在一些实施方式中，采用所述小球模体校准所述探测器的偏摆角，包括：

将小球模体放置在偏离四轴位移台中心一定距离处，转动四轴位移台的T轴，开启射线源进行曝光，通过探测器采集曝光图像，直到小球模体球心投影到探测器中心列上；

将四轴位移台顺时针、逆时针各旋转90度，开启射线源进行曝光，比较两次曝光的投影图像中小球模体球心到探测器中心列距离，直到距离相等，即偏摆角为零。

在一些实施方式中，获得几何校准参数SID和SOD的方法包括：

将小球模体放置在所述四轴位移台T轴台面中心，将四轴位移台沿Z轴正方向运动h距离，开启射线源进行曝光，得到小球模体球心在探测器上投影位置到探测器中心行的距离H₁；

将四轴位移台沿X轴正方向运动距离l，开启射线源进行曝光，得到小球球心在探测器上投影位置到探测器中心行的距离H₂，所述几何校准参数SID和SOD通过下式计算：

其中SID是射线源到探测器的距离，SOD是射线源到扫描物体的距离。

本发明提供了一种用于锥束CT系统几何校准的装置，其特征在于，所述装置具有射线源、探测器、硬件调节装置和标准模体，所述硬件调节装置包括能实现沿Y、Z轴方向的位移调节的两轴位移台和能实现沿X、Y、Z轴方向位移调节并沿T轴旋转的四轴位移台，其中所述射线源固定在机架上，所述探测器设置在所述两轴位移台上，所述标准模体包括块规模体、圆柱模体和小球模体，所述装置放置于光学平台上。

在一些实施方式中，所述块规模体可用于校准所述探测器的扭转角和俯仰角，所述圆柱模体可用于校准射线源焦点、四轴位移台旋转中心和探测器成像平面中心位置，所述小球模体可用于校准所述探测器的偏摆角。

在一些实施方式中，所述小球模体用于计算校准后几何校准参数：射线源到探测器距离SID和射线源到扫描物体距离SOD。

在一些实施方式中，所述几何校准参数SID和SOD通过下式计算：

其中h是四轴位移台沿Z轴正方向运动的距离，H₁是四轴位移台沿Z轴正方向运动距离h时小球模体球心在探测器上投影位置到探测器中心行的距离，l是四轴位移台沿X轴正方向运动的距离，H₂是四轴位移台沿X轴正方向运动距离l时小球球心在探测器上投影位置到探测器中心行的距离。

在一些实施方式中，所述四轴位移台是圆形的。

本发明的锥束CT几何校准方法及装置至少提供了以下优点：

利用标准模体，不需要专门设计校准模体，校准精度高；以及

不需要设计算法经过大量计算，可以直接通过实验采集到的模体投影位移量，进行简单计算便得到校准参数，计算速度快。

本领域技术人员在阅读整个说明书和权利要求书时将理解本发明的这些优点和其它优点。

附图说明

图1示出了本发明实施例的锥束CT几何校准示意图

图2示出了本发明实施例的模体投影几何参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。在下文所描述的本发明的具体实施例中，为了能更好地理解本发明而描述了一些很具体的技术特征，但显而易见的是，对于本领域的技术人员来说，并不是所有的这些技术特征都是实现本发明的必要技术特征。下文所描述的本发明的一些具体实施例只是本发明的一些示例性的具体实施例，其不应被视为对本发明的限制。另外，为了避免使本发明变得难以理解，对于一些公知的技术没有进行描述。

本发明实施例所述的适用于锥束CT的几何校准方法基于如下结构的系统：X射线源采用IEA C339V-XM15T型号的光机，并配备spellman VMXMAN高压发生器；X射线探测器采用数字化平板探测器，具体实施采用ASX-2430非晶硒数字平板探测器(Analogic公司)；采用标准模体：块规、圆柱、小球进行系统整体校准。

图1示出了根据本发明的一个实施例的锥束CT几何校准示意图。在该实施例中，锥束CT装置中X射线源固定在定制机架上；平板探测器搭载在两轴的位移台上，可以沿Y轴方向和Z轴方向移动，扫描模体放置在四轴位移台上，所述四轴位移台包括三个直线轴X、Y、Z和一个转轴T。扫描模体可以沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向运动，T轴可以实现360°旋转，整套装置放置于光学平台上。

理想的锥束扫描几何结构满足以下条件：①转轴与探测器列方向平行；②射线源与转轴所确定的平面垂直于探测器平面；③焦点在探测器上的投影与探测器中心重合。通常在实际应用中，由于各种原因导致系统几何结构不能满足理想系统的要求。与探测器有关的几何参数可以定义为：偏摆角ψ—探测器成像平面绕Z轴的转角；俯仰角ξ—探测器成像平面绕Y轴的转角；扭转角η—探测器成像平面绕X轴的转角。

在该实施例中，首先对系统进行粗略校准，具体过程如下：

a.调整探测器中心行与光机焦点近似同高，通过初步测量光机焦点位置相对光学平台的高度，调整搭载探测器的位移台在Z轴方向运动，使探测器中心行相对光学平台高度与光机焦点位置近似相等；

b.调整探测器中心列、光机焦点、转轴三者在Y向近似相同，通过初步测量光机焦点位置Y坐标，分别调整搭载探测器位移台和转轴位移台沿Y方向运动，使得探测器中心列位置和转轴Y坐标与光机焦点Y坐标三者近似相等。

在该实施例中，采用标准模体对系统精细校准，具体过程如下：

a.采用块规模体校准探测器的扭转角。将块规置于转轴T的台面上，旋转四轴位移台，每次旋转一定角度后开启射线源进行曝光，通过探测器采集到的曝光图像，观察在不同位置时块规边沿是否与探测器列有夹角来确定探测器列是否与转轴T的台面平行，如果不平行则调整探测器绕X轴方向的角度，重复上述过程，直到扭转角为零。

b.采用块规模体校准探测器的俯仰角。首先通过控制搭载块规的四轴位移台，沿X轴方向运行，同时调整沿Z方向的位置，每调整一次位置后开启射线源进行曝光，通过探测器采集到的曝光图像，观察块规上表面在探测器上的投影行位置，重复上述过程，直到块规上表面在探测器上的投影行位置保持不变。然后控制搭载探测器的两轴位移台沿Z轴方向运动，每调整一次位置后开启射线源进行曝光，通过观察曝光图像将探测器中心行调整至块规上表面投影行位置，此时探测器中心行与射线源焦点对准。最后控制搭载块规的四轴位移台沿Z轴正方向移动1/2块规高度距离，使块规行的中心位于探测器中心行，开启射线源进行曝光，通过观察曝光图像中心行上下块规的高度差，如果高度差不为零则调整探测器绕Y轴方向的角度，重复上述过程，直到高度差相同，即俯仰角为零。

c.采用圆柱棒模体确定探测器中心列，即校准射线源焦点、转轴中心与探测器中心列。首先将圆柱形模体插入四轴位移台中心处，使得圆柱棒与圆形位移台同心，即圆柱棒中心与转轴重合。然后控制搭载探测器的两轴位移台沿Y轴方向运动，每调整一次位置后开启射线源进行曝光，通过探测器采集到的曝光图像，观察圆柱棒中轴线在探测器上的投影是否与探测器中心列重合，重复上述过程，直到圆柱棒中心轴线在探测器上的投影与探测器中心列重合。最后调整搭载圆柱棒四轴位移台沿X轴方向运动，每调整一次位置后开启射线源进行曝光，通过探测器采集到的曝光图像，观察圆柱棒中轴线在探测器上的投影是否与探测器中心列重合，如果不重合则调整搭载探测器的两轴位移台沿Y轴方向运动，重复上述过程，使得圆柱棒在沿X轴上不同位置时圆柱棒中轴线在探测器上的投影与探测器中心列重合。

d.采用小球模体校准探测器偏摆角。首先将小球放置在偏离位移台中心一定距离处(一般为2毫米至30厘米，例如，在人体CT、工业CT中离位移台中心较远，在显微CT中离位移台中心较近)，控制四轴位移台的T轴转动，每转一次角度，开启射线源进行曝光，通过探测器采集到的曝光图像，观察小球球心是否投影到探测器中心列，重复上述过程，直到小球球心投影到探测器中心列上。然后将搭载小球模体的T轴位移台顺时针、逆时针各旋转90度，开启射线源进行曝光，记录两次小球球心到探测器中心列的距离，对比两次曝光得到的投影图像小球球心到探测器中心列距离是否相等，如果不相等，则调整探测器绕Z轴方向角度，重复上述过程，直到距离相等，即偏摆角为零。

在该实施例中，采用小球模体计算校准后X射线源到探测器距离(SID)和源到扫描物体距离(SOD)。SID和SOD是CT图像重建时定义系统的空间几何关系中的参数。图2示出了本发明实施例的模体投影几何参数示意图。如图2所示，首先将小球放置在四轴位移台T轴台面中心，控制四轴位移台沿Z轴正方向运动h距离，开启射线源进行曝光，记录小球球心在探测器上投影位置到探测器中心行的距离H₁。然后控制四轴位移台沿X轴正方向运动距离l，开启射线源进行曝光，记录小球球心在探测器上投影位置到探测器中心行的距离H₂。由图2所示的几何关系，可推导出以下方程组：

由方程组可直接求解出SID和SOD。

因此，本发明所提出的适用于锥束CT的几何校准方法及装置，其中校准过程和参数获取都简单易行。本发明所涉及的装置已经经过使用，并根据本发明所述方法进行了几何校准验证，可以达到预期效果。本发明还可以适用于类似锥束CT系统所涉及的几何校准。

尽管已经根据优选的实施方案对本发明进行了说明，但是存在落入本发明范围之内的改动、置换以及各种替代等同方案。还应当注意的是，存在多种实现本发明的方法和系统的可选方式。因此，意在将随附的权利要求书解释为包含落在本发明的主旨和范围之内的所有这些改动、置换以及各种替代等同方案。

Claims (15)

1.一种用于锥束CT几何校准的方法，其特征在于，所述方法包括采用标准模体对射线源焦点、四轴位移台旋转中心和探测器成像平面中心位置进行校准，并采用标准模体对探测器偏摆角、俯仰角和扭转角进行校准，所述标准模体包括块规模体、圆柱模体和小球模体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：采用小球模体通过计算获得几何校准参数SID和SOD，其中SID是射线源到探测器的距离，SOD是射线源到扫描物体的距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所述块规模体校准所述探测器的扭转角，包括：

将块规模体置于四轴位移台转轴T的台面上，旋转四轴位移台，开启射线源进行曝光，通过探测器采集曝光图像，调整探测器绕X轴方向的角度，直到块规模体边沿与探测器列之间的夹角为零，即扭转角为零。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所述块规模体校准所述探测器的俯仰角，包括：

将四轴位移台沿X轴方向运行，同时调整四轴位移台沿Z轴方向的位置，开启射线源进行曝光，通过探测器采集曝光图像，直到块规模体上表面在探测器上的投影行位置保持不变；

将搭载探测器的两轴位移台沿Z轴方向运动，开启射线源进行曝光，直到将探测器中心行调整至块规上表面投影行位置，即探测器中心行与射线源焦点对准；

将四轴位移台沿Z轴正方向移动1/2块规模体高度距离，使块规模体的中心位于探测器中心行，开启射线源进行曝光，调整探测器绕Y轴方向的角度，直到曝光图像中心行上下块规的高度差相同，即俯仰角为零。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所述圆柱模体校准射线源焦点、四轴位移台旋转中心和探测器成像平面中心位置，包括：

将圆柱模体插入四轴位移台中心处，使得圆柱模体中心与转轴重合；

将搭载探测器的两轴位移台沿Y轴方向运动，开启射线源进行曝光，通过探测器采集曝光图像，直到圆柱模体中心轴线在探测器上的投影与探测器中心列重合；

调整四轴位移台沿X轴方向运动，开启射线源进行曝光，通过探测器采集曝光图像，调整两轴位移台沿Y轴方向运动，直到圆柱模体在沿X轴上不同位置时圆柱模体中轴线在探测器上的投影与探测器中心列重合。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所述小球模体校准所述探测器的偏摆角，包括：

将小球模体放置在偏离四轴位移台中心一定距离处，转动四轴位移台的T轴，开启射线源进行曝光，通过探测器采集曝光图像，直到小球模体球心投影到探测器中心列上；

将四轴位移台顺时针、逆时针各旋转90度，开启射线源进行曝光，比较两次曝光的投影图像中小球模体球心到探测器中心列距离，直到距离相等，即偏摆角为零。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获得几何校准参数SID和SOD的方法包括：将小球模体放置在所述四轴位移台T轴台面中心，将四轴位移台沿Z轴正方向运动h距离，开启射线源进行曝光，得到小球模体球心在探测器上投影位置到探测器中心行的距离H₁；

将四轴位移台沿X轴正方向运动距离l，开启射线源进行曝光，得到小球球心在探测器上投影位置到探测器中心行的距离H₂，所述几何校准参数SID和SOD通过下式计算：

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其中SID是射线源到探测器的距离，SOD是射线源到扫描物体的距离。

8.一种用于锥束CT系统几何校准的装置，其特征在于，所述装置具有射线源、探测器、硬件调节装置和标准模体，所述硬件调节装置包括能实现沿Y、Z轴方向的位移调节的两轴位移台和能实现沿X、Y、Z轴方向位移调节并沿T轴旋转的四轴位移台，其中所述射线源固定在机架上，所述探测器设置在所述两轴位移台上，所述标准模体包括块规模体、圆柱模体和小球模体，所述装置放置于光学平台上。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，其中所述块规模体用于校准所述探测器的扭转角。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，其中所述块规模体用于校准所述探测器的俯仰角。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，其中所述圆柱模体用于校准射线源焦点、四轴位移台旋转中心和探测器成像平面中心位置。

12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，其中所述小球模体用于校准所述探测器的偏摆角。

13.根据权利要求8-12中任一项所述的装置，其特征在于，所述小球模体用于计算校准后几何校准参数：射线源到探测器距离SID和射线源到扫描物体距离SOD。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述几何校准参数SID和SOD通过下式计算：

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其中h是四轴位移台沿Z轴正方向运动的距离，H₁是四轴位移台沿Z轴正方向运动距离h时小球模体球心在探测器上投影位置到探测器中心行的距离，l是四轴位移台沿X轴正方向运动的距离，H₂是四轴位移台沿X轴正方向运动距离l时小球球心在探测器上投影位置到探测器中心行的距离。

15.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述四轴位移台是圆形的。