[go: up one dir, main page]

RU2816842C1 - System of automatic search and correction of object rotation axis - Google Patents

System of automatic search and correction of object rotation axis Download PDF

Info

Publication number
RU2816842C1
RU2816842C1 RU2023122440A RU2023122440A RU2816842C1 RU 2816842 C1 RU2816842 C1 RU 2816842C1 RU 2023122440 A RU2023122440 A RU 2023122440A RU 2023122440 A RU2023122440 A RU 2023122440A RU 2816842 C1 RU2816842 C1 RU 2816842C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
axis
angle
rotation axis
image
projection image
Prior art date
Application number
RU2023122440A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Владимирович Бузмаков
Данил Дмитриевич Казимиров
Анастасия Сергеевна Ингачева
Марина Валерьевна Чукалина
Дмитрий Петрович Николаев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СМАРТ ЭНДЖИНС СЕРВИС"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СМАРТ ЭНДЖИНС СЕРВИС" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СМАРТ ЭНДЖИНС СЕРВИС"
Application granted granted Critical
Publication of RU2816842C1 publication Critical patent/RU2816842C1/en

Links

Abstract

FIELD: X-ray tomography.
SUBSTANCE: for automatic search and correction of the axis of rotation of an object when performing X-ray tomography. The essence of the invention is that a system for automatically searching and correcting the axis of rotation of an object when performing X-ray tomography contains an X-ray source, a device for rotating and positioning the object, a flat panel detector and a computing device, wherein the flat panel detector is configured to generate projection data of the object, and the computing device is configured to: a) obtain projection data, b) calculate the average projection image, c) preprocess the average projection image using linear normalization and scaling, d) two-stage search for the values of the angle of inclination and shift of the rotation axis, e) clarify the position of the object's rotation axis.
EFFECT: providing the opportunity to improve the quality of reconstruction of the internal structure of the object under study.
1 cl, 13 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области рентгенотехники и может быть использовано как в медицине, так и в области технического неразрушающего контроля.The invention relates to the field of X-ray engineering and can be used both in medicine and in the field of technical non-destructive testing.

Из уровня техники известен проекционный способ позиционирования центра вращения системы компьютерной томографии, раскрытый в патентном документе CN 102539460 А, опубликованном 04.07.2012. Изобретение раскрывает проекционный способ позиционирования центра вращения системы компьютерной томографии. Способ включает этапы: получение данных проекции на 360 градусов для получения проекционной синусоидальной диаграммы; установка надлежащего порога, сегментация проекционной синусоидальной диаграммы, наложение и усреднение данных проекции всех углов проекции в соответствии с соответствующими пикселями, т.е. наложение всех линий проекционной синусоидальной диаграммы и усреднение для получения одномерного сигнала y=f(s), с использованием квадратичного многочлена y=as2+bs+c и подбора методом наименьших квадратов y=f(s); и вычисление значения горизонтальных координат s=b/(-2a) симметричного центра параболы y=as2+bs+c, где значениями горизонтальных координат являются значения координат центра вращения проекции.A projection method for positioning the center of rotation of a computed tomography system is known from the prior art, disclosed in patent document CN 102539460 A, published on 07/04/2012. The invention discloses a projection method for positioning the center of rotation of a computed tomography system. The method includes the steps of: obtaining 360 degree projection data to obtain a projection sine wave diagram; setting a proper threshold, segmenting the projection sinusoidal diagram, overlaying and averaging the projection data of all projection angles according to the corresponding pixels, i.e. overlaying all lines of the projection sinusoidal diagram and averaging to obtain a one-dimensional signal y=f(s), using the quadratic polynomial y=as2+bs+c and least squares fitting y=f(s); and calculating the value of the horizontal coordinates s=b/(-2a) of the symmetrical center of the parabola y=as2+bs+c, where the values of the horizontal coordinates are the coordinates of the center of rotation of the projection.

Недостатком прототипа является невозможность использования его для конусной модели распространения рентгеновских лучей, представляющей на текущий момент наиболее распространенную модель.The disadvantage of the prototype is the impossibility of using it for the cone model of X-ray propagation, which is currently the most common model.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.The objective of the invention is to eliminate the shortcomings of the prototype.

Технический результат изобретения заключается в повышении качества реконструкции внутренней структуры исследуемого объекта.The technical result of the invention is to improve the quality of reconstruction of the internal structure of the object under study.

Технический результат достигается за счет того, что система автоматического поиска и коррекции оси вращения объекта при выполнении рентгеновской томографии содержит источник рентгеновского излучения, устройство поворота и позиционирования объекта, плоскопанельный детектор и вычислительное устройство, характеризующаяся тем, что плоскопанельный детектор выполнен с возможностью формирования проекционных данных объекта, а вычислительное устройство выполнено с возможностью:The technical result is achieved due to the fact that the system for automatically searching and correcting the axis of rotation of an object when performing X-ray tomography contains an X-ray source, a device for rotating and positioning the object, a flat panel detector and a computing device, characterized in that the flat panel detector is configured to generate projection data of the object , and the computing device is configured to:

a) получения проекционных данных,a) obtaining projection data,

b) вычисления усредненного проекционного изображения,b) calculating the average projection image,

c) предобработки усредненного проекционного изображения с помощью линейной нормализации и масштабирования,c) preprocessing the average projection image using linear normalization and scaling,

d) двухэтапного поиска величин угла наклона и сдвига оси вращения,d) two-stage search for the values of the angle of inclination and shift of the axis of rotation,

e) уточнения положения оси вращения объекта.e) clarifying the position of the object’s rotation axis.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

На фиг. 1 представлен общий вид системы автоматического поиска и коррекции оси вращения объекта.In fig. Figure 1 shows a general view of the system for automatic search and correction of the object’s rotation axis.

На фиг. 1 обозначено: 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - изучаемый объект, 3 - устройство поворота и позиционирования изучаемого объекта (пунктирной линией обозначена ось вращения), 4 - плоскопанельный детектор, 5 - вычислительное устройство для сбора и обработки рентгеновских изображений.In fig. 1 is indicated: 1 - X-ray source, 2 - object under study, 3 - device for rotating and positioning the object under study (the dotted line indicates the axis of rotation), 4 - flat panel detector, 5 - computing device for collecting and processing X-ray images.

На фиг. 2 представлена блок-схема обработки данных.In fig. Figure 2 shows a block diagram of data processing.

На фиг. 3 представлена блок-схема двухэтапного определения угла наклона оси вращения.In fig. Figure 3 shows a block diagram of a two-stage determination of the angle of inclination of the rotation axis.

На фиг. 4 представлена блок-схема двухэтапного определения величины сдвига оси при произведенном повороте усредненного проекционного изображения.In fig. Figure 4 shows a block diagram of a two-stage determination of the amount of axis shift during rotation of the average projection image.

На фиг. 5 представлен график функции оценки несимметрии повернутого предобработанного усредненного проекционного изображения l(Δх) при различных пробных значениях сдвига положения оси Δх для усредненного проекционного изображения фантома.In fig. Figure 5 shows a graph of the function for assessing the asymmetry of the rotated preprocessed averaged projection image l(Δx) for various trial values of the shift in the position of the Δx axis for the averaged projection image of the phantom.

На фиг. 6 представлен график функции оценки несимметрии повернутого предобработанного усредненного проекционного изображения l(Δх) при различных пробных значениях сдвига положения оси Δх для усредненного проекционного изображения фантома в окрестности точки минимума.In fig. Figure 6 shows a graph of the function for assessing the asymmetry of the rotated preprocessed averaged projection image l(Δx) for various trial values of the shift in the position of the Δx axis for the averaged projection image of the phantom in the vicinity of the minimum point.

На фиг. 7 представлен график функции оценки несимметрии повернутого предобработанного усредненного проекционного изображения l(Δх) при различных пробных значениях сдвига положения оси Δх для усредненного проекционного изображения тубуса с шахматами.In fig. Figure 7 shows a graph of the function for assessing the asymmetry of the rotated preprocessed averaged projection image l(Δx) for various trial values of the shift in the position of the Δx axis for the averaged projection image of a tube with chess.

На фиг. 8 представлен график функции оценки несимметрии повернутого предобработанного усредненного проекционного изображения l(Δх) при различных пробных значениях сдвига положения оси Δх для усредненного проекционного изображения тубуса с шахматами в окрестности точки минимума.In fig. Figure 8 shows a graph of the function for assessing the asymmetry of the rotated preprocessed averaged projection image l(Δx) for various trial values of the shift in the position of the Δx axis for the averaged projection image of a tube with chess in the vicinity of the minimum point.

На фиг. 9 представлена блок схема уточнения величины сдвига оси вращения по изначальному усредненному проекционному изображению.In fig. Figure 9 shows a block diagram for refining the magnitude of the shift of the rotation axis based on the initial averaged projection image.

На фиг. 10 представлен график целевого функционала для синтетических данных, вычисленного по немасштабированному усредненному проекционному изображению.In fig. Figure 10 shows a graph of the objective functional for synthetic data, calculated from an unscaled average projection image.

На фиг. 11 представлен график целевого функционала для реальных данных, вычисленного по немасштабированному усредненному проекционному изображению.In fig. Figure 11 shows a graph of the objective functional for real data, calculated from an unscaled average projection image.

На фиг. 12 представлен реконструированный центральный слой синтетических данных (фантом с геометрическими фигурами): а.) идеальное изображение, б.) реконструкция центрального слоя без коррекции оси вращения, в.) реконструкция центрального слоя со скорректированной осью вращения.In fig. Figure 12 shows the reconstructed central layer of synthetic data (phantom with geometric figures): a.) ideal image, b.) reconstruction of the central layer without correction of the rotation axis, c.) reconstruction of the central layer with the corrected rotation axis.

На фиг. 13 представлен реконструированный центральный слой реальных данных (тубус с шахматами): а.) идеал, реконструкция центрального слоя с подобранными вручную параметрами положения оси вращения, б.) реконструкция центрального слоя без коррекции оси вращения, в.) реконструкция центрального слоя со скорректированной осью вращения.In fig. Figure 13 shows the reconstructed central layer of real data (tube with chessboard): a.) ideal, reconstruction of the central layer with manually selected parameters for the position of the rotation axis, b.) reconstruction of the central layer without correction of the rotation axis, c.) reconstruction of the central layer with the corrected rotation axis .

Схема работы заявленной системы представлена на фиг. 1.The operating diagram of the claimed system is presented in Fig. 1.

Система состоит из источника рентгеновского излучения 1, плоскопанельного детектора 4, между которыми установлено устройство поворота и позиционирования 3 изучаемого объекта 2 и вычислительного устройства 5, подключенное к детектору 4.The system consists of an X-ray source 1, a flat-panel detector 4, between which a device for rotating and positioning 3 of the object under study 2 and a computing device 5 connected to the detector 4 are installed.

Схема сканирования является круговой. Детектор - плоскопанельный. Геометрическая модель распространения излучения - параллельная, веерная или конусная, размеры детектора - от 100×100 до 5000×5000 пикселей, угловой размер объекта - до 30 градусов. Источник - синхротрон или лабораторный.The scanning pattern is circular. The detector is flat panel. The geometric model of radiation propagation is parallel, fan-shaped or conical, the detector dimensions are from 100×100 to 5000×5000 pixels, the angular size of the object is up to 30 degrees. Source - synchrotron or laboratory.

В время сканирования данные, полученные плоскопанельным детектором, передаются в вычислительное устройство, в котором осуществляются следующие этапы обработки данных:During scanning, the data obtained by the flat panel detector is transferred to a computing device, which carries out the following data processing steps:

- получение проекционных данных,- obtaining projection data,

- вычисление усредненного проекционного изображения,- calculation of the average projection image,

- предобработка усредненного проекционного изображения с помощью линейной нормализации и масштабирования,- preprocessing of the average projection image using linear normalization and scaling,

- двухэтапный поиск величин угла наклона и сдвига оси вращения,- two-stage search for the values of the angle of inclination and shift of the axis of rotation,

- уточнение положения оси вращения объекта.- clarification of the position of the object’s rotation axis.

Получение проекционных данныхReceiving Projection Data

На первом этапе вычислительное устройство получает проекционные данные от плоскопанельного детектора.In the first stage, the computing device receives projection data from the flat panel detector.

Вычисление усредненного проекционного изображения.Calculation of the average projection image.

Вычисление арифметически усредненного проекционного изображения :Calculation of the arithmetically averaged projection image :

где pϕ=pϕ(х, z) - проекционный снимок объекта (одноканальное изображение), отвечающий углу проецирования ϕ ∈ Ф, Ф - множество обозреваемых углов проецирования в количестве |Ф|.where p ϕ =p ϕ (x, z) is a projection image of an object (single-channel image) corresponding to the projection angle ϕ ∈ Ф, Ф is the set of viewed projection angles in the amount of |Ф|.

Предположим, что усредненное проекционное изображение - это осесимметричное изображение, причем ось симметрии совпадает с проекцией оси вращения объекта на плоскость окна детектора при просвечивании источником рентгеновского излучения. В случае наличия сдвигов усредненное проекционное изображение можно считать приближенно осесимметричным изображением: несимметричность усредненного проекционного изображения становится заметной при сдвигах, превышающих нескольких десятков-сотен пикселей детектора. В параллельной геометрической схеме при рассмотрении множества допустимых движений оси вращения усредненного проекционного изображения всегда строго осесимметрична.Let us assume that the averaged projection image is an axisymmetric image, and the axis of symmetry coincides with the projection of the object's rotation axis onto the plane of the detector window when illuminated by an X-ray source. In the case of shifts, the averaged projection image can be considered an approximately axisymmetric image: the asymmetry of the averaged projection image becomes noticeable at shifts exceeding several tens to hundreds of detector pixels. In a parallel geometric scheme, when considering the set of permissible movements, the axis of rotation of the averaged projection image is always strictly axisymmetric.

Усредненное проекционное изображение складывается из множества эллипсов - проекций круговых траекторий движения отдельных материальных точек исследуемого объекта при вращении вокруг оси. Последнее служит обоснованием наличия осевой симметрии усредненного проекционного изображения.The average projection image consists of a set of ellipses - projections of circular trajectories of movement of individual material points of the object under study during rotation around an axis. The latter serves as a justification for the presence of axial symmetry of the average projection image.

В предположении осесимметричности ось симметрии усредненного проекционного изображения совпадает с проекцией оси вращения объекта на плоскость окна детектора: величина угла наклона оси в плоскости, параллельной плоскости окна детектора, равна величине угла между осью симметрии усредненного проекционного изображения и вертикалью, а сдвиг оси вращения отличается от сдвига оси симметрии усредненного проекционного изображения от центра изображения в количество раз, задаваемое коэффициентом увеличения конусной геометрической схемы, или совпадает со сдвигом оси симметрии усредненного проекционного изображения в параллельной геометрической схеме. Таким образом, задача определения скалярных параметров положения оси вращения объекта -величин сдвига и наклона в плоскости, параллельной плоскости окна детектора, - сведена к задаче нахождения уравнения оси симметрии усредненного проекционного изображения, в частности, ее угла наклона и сдвига в горизонтальном направлении (от центра изображения).Under the assumption of axisymmetricity, the symmetry axis of the averaged projection image coincides with the projection of the object’s rotation axis onto the plane of the detector window: the angle of inclination of the axis in a plane parallel to the plane of the detector window is equal to the angle between the symmetry axis of the averaged projection image and the vertical, and the shift of the rotation axis differs from the shift the symmetry axis of the average projection image from the center of the image by the number of times specified by the magnification factor of the conical geometric scheme, or coincides with the shift of the symmetry axis of the average projection image in the parallel geometric scheme. Thus, the problem of determining the scalar parameters of the position of the object’s rotation axis - the magnitude of the shift and tilt in a plane parallel to the plane of the detector window - is reduced to the problem of finding the equation of the symmetry axis of the average projection image, in particular, its tilt angle and shift in the horizontal direction (from the center Images).

Предобработка усредненного проекционного изображения с помощью линейной нормализации и масштабирования.Preprocessing the average projection image using linear normalization and scaling.

После вычисления усредненного проекционного изображения производится его предобработка. Этап предобработки изображения включает линейную нормализацию и масштабирование.After calculating the average projection image it is preprocessed. The image preprocessing stage includes linear normalization and scaling.

Сначала осуществляется линейная минимаксная нормализация усредненного проекционного изображения, при которой значения интенсивности пикселей усредненного проекционного изображения приводятся к шкале [0,1].First, linear minimax normalization of the average projection image is carried out, in which the pixel intensity values of the average projection image are reduced to the [0,1] scale.

Затем усредненное проекционное изображение масштабируется в горизонтальном и вертикальном направлениях с одним и тем же коэффициентом масштабирования При масштабировании размерности усредненного проекционного изображения уменьшаются так, что их отношение остается постоянным, причем наименьшая размерность масштабированного (с усреднением) изображения составляет 128 пикселей. В рамках шага масштабирования усредненного проекционного изображения производится интерполяция.The average projection image is then scaled in the horizontal and vertical directions by the same scaling factor When scaling, the dimensions of the average projection image are reduced so that their ratio remains constant, and the smallest dimension of the scaled (with averaging) image is 128 pixels. As part of the scaling step of the average projection image, interpolation is performed.

Масштабирование применяется с целью ускорения последующих шагов обработки данных, включающих перебор различных значений сдвига оси вращения - по всей ширине изображения.Scaling is used to speed up subsequent data processing steps, which include enumerating different rotation axis shift values across the entire width of the image.

Будем различать предобработанное и непредобработанное усредненное проекционное изображение и использовать различные обозначения для этих объектов: исходное непредобработанное изображение и предобработанное (нормализованное и масштабированное) изображение We will distinguish between preprocessed and unpreprocessed averaged projection images and use different notations for these objects: original unpreprocessed image and preprocessed (normalized and scaled) image

Двухэтапный поиск величин угла наклона и сдвига оси вращенияTwo-stage search for the values of the angle of inclination and shift of the axis of rotation

После предобработки усредненного проекционного изображения выполняется двухэтапный поиск методом перебора по равномерной разреженной сетке и равномерной сетке с уменьшенным шагом значений величины угла наклона оси вращения в плоскости, параллельной плоскости окна детектора (все рассматриваемые сетки значений параметров, если не оговорено противоположное, считаются равномерными; вместо равномерных сеток могут быть использованы расчетные сетки некоторых других классов). Во время оценки величины угла наклона оси также находится приближение к искомому значению сдвига оси вращения, которое уточняется на следующем шаге.After preprocessing the averaged projection image, a two-stage search is performed using the enumeration method over a uniform sparse grid and a uniform grid with a reduced step of the values of the inclination angle of the rotation axis in a plane parallel to the plane of the detector window (all considered grids of parameter values, unless otherwise stated, are considered uniform; instead of uniform grids, computational grids of some other classes can be used). While estimating the axis tilt angle, an approximation to the desired value of the rotation axis shift is also found, which is refined in the next step.

Этап 1 заключается в поиске угла наклона оси вращения по разреженной сетке значений, в рамках этапа 2 найденная на этапе 1 величина угла наклона оси уточняется по сетке с уменьшенным шагом.Stage 1 consists of searching for the angle of inclination of the rotation axis using a sparse grid of values; within stage 2, the value of the inclination angle of the axis found at stage 1 is refined using a grid with a reduced step.

Опишем детально каждый из двух этапов текущего шага метода. Этапы визуализированы посредством блок-схемы, представленной на фиг. 3.Let us describe in detail each of the two stages of the current step of the method. The steps are visualized through the flowchart shown in FIG. 3.

Этап 1: поиск значения угла наклона оси вращения по разреженной сетке значений.Stage 1: searching for the inclination angle of the rotation axis using a sparse grid of values.

Поворот предобработанного усредненного проекционного изображения. Имеем предобработанное усредненное проекционное изображение Будем искать первое приближение к искомой величине угла наклона оси вращения в промежутке от start_angle до end_angle градусов с шагом first_step.Rotate the preprocessed average projection image. We have a preprocessed average projection image We will look for the first approximation to the desired value of the angle of inclination of the rotation axis in the interval from start_angle to end_angle degrees with a step of first_step.

Параметры first_step, start_angle и end_angle разреженной равномерной сетки рассматриваемых значений могут быть выбраны равными 1.0, -15.0 и 15.0. Для поиска первого приближения величины угла наклона оси шаг сетки выбирается не превосходящим 1 градуса.The parameters first_step, start_angle and end_angle of the sparse uniform grid of values under consideration can be chosen to be 1.0, -15.0 and 15.0. To search for a first approximation of the axis tilt angle, the grid step is chosen not to exceed 1 degree.

Для каждого значения angle из рассматриваемого промежутка производится поворот предобработанного изображения на угол angle градусов. Поворот осуществляется относительно центра изображения с использованием интерполяции.For each angle value from the considered interval, the preprocessed image is rotated by angle degrees. Rotation is carried out relative to the center of the image using interpolation.

Повернутые на angle градусов предобработанное изображение и исходное усредненное проекционное изображение будем обозначать и соответственно. В таких обозначениях, в частности, The preprocessed image and the original averaged projection image rotated by angle degrees will be denoted by And respectively. In such notation, in particular,

Заметим, что в силу симметрии относительно проекции оси вращения на плоскость окна детектора, если angle - правильно найденная величина угла наклона оси, имеет в точности вертикальную ось симметрии. Следовательно, наилучшее приближение angle истинной величины угла наклона оси соответствует той ситуации, когда определяемая далее функция оценки вертикальной несимметрии изображения минимальна.Note that due to symmetry relative to the projection of the rotation axis onto the plane of the detector window, if angle is the correctly found value of the axis inclination angle, has an exactly vertical axis of symmetry. Consequently, the best approximation angle of the true value of the axis inclination angle corresponds to the situation when the function for estimating the vertical asymmetry of the image, defined below minimal.

Целевой функционал. Функция оценки вертикальной несимметрии усредненного проекционного изображения. Для измерения функции оценки вертикальной несимметрии произвольного изображения Р определим l(Δх) - функцию оценки несимметрии усредненного проекционного изображения Р относительно вертикали, сдвинутой на Δх пикселей относительно серединной вертикали изображения в горизонтальном направлении (целевой функционал):Target functionality. Function for estimating the vertical asymmetry of the average projection image. To measure the function for assessing the vertical asymmetry of an arbitrary image P, we define l(Δx) - the function for assessing the asymmetry of the average projection image P relative to the vertical, shifted by Δx pixels relative to the middle vertical of the image in the horizontal direction (target functional):

где F - оператор зеркального отражения изображения в горизонтальном направлении, SΔx - оператор сдвига изображения на Δх в горизонтальном направлении, ° - операция композиции отображений, lq - стандартная q норма Минковского. Вместо нормы Минковского может быть вычислена иная матричная норма.where F is the operator of mirror image reflection in the horizontal direction, S Δx is the operator of shifting the image by Δx in the horizontal direction, ° is the operation of composition of images, l q is the standard q Minkowski norm. Instead of the Minkowski norm, another matrix norm can be calculated.

Вертикальная ось, сдвинутая горизонтально относительно центра изображения на Δх пикселей, является осью симметрии изображения Р, если при горизонтальном отзеркаливании Р и последующем сдвиге на 2⋅Δх пикселей также получим исходное изображение Р. Функция оценки l(Δх) несимметрии изображения относительно оси, сдвинутой от центра на Δx пикселей, есть lq - норма разности между исходным изображением Р и его зеркально отраженной и сдвинутой на 2⋅Δх пикселей копией (S2⋅Δх°F)[P]. Чем меньше значение l(Δх), тем более уверенными мы можем быть в том, что х=Δх - вертикальная ось симметрии изображения (отсчитывая от центра изображения).The vertical axis, shifted horizontally relative to the center of the image by Δx pixels, is the axis of symmetry of the image P if, with horizontal mirroring of P and a subsequent shift by 2⋅Δx pixels, we also obtain the original image P. The evaluation function l(Δx) of the image asymmetry relative to the axis shifted from center by Δx pixels, there is l q - the norm of the difference between the original image P and its mirrored copy shifted by 2⋅Δx pixels (S 2⋅Δx °F)[P]. The smaller the value of l(Δx), the more confident we can be that x=Δx is the vertical axis of symmetry of the image (counting from the center of the image).

Функция оценки вертикальной несимметрии lP изображения Р показывает, насколько вероятно наличие у изображения Р какой-либо вертикальной оси симметрии:The function for assessing vertical asymmetry l P of image P shows how likely image P is to have any vertical axis of symmetry:

где минимум берется по некоторой расчетной сетке возможных значений сдвигов от центра Р предполагаемой вертикальной оси симметрии.where the minimum is taken over some computational grid possible values of shifts from the center P of the assumed vertical axis of symmetry.

Значение lP=0 (отметим, lP≥0) функции оценки вертикальной несимметрии говорит о существовании у усредненного проекционного изображения Р вертикальной оси симметрии. Чем больше значение 1Р, тем менее симметрично изображение (в предположении - достаточно мелкая сетка).The value l P =0 (note, l P ≥0) of the function for assessing vertical asymmetry indicates the existence of a vertical axis of symmetry in the average projection image P. The greater the value of 1 P , the less symmetrical the image (assuming - a fairly fine mesh).

Вертикальной осью симметрии усредненного проекционного изображения Р мы считаем такую вертикальную сдвинутую относительно центра изображения на Δх пикселей ось, на которой функционал lP(Δх) достигает значения lP:lP(Δх)=lP - условие того, что рассматриваемая вертикальная ось является вертикальной осью симметрии усредненного проекционного изображения Р.We consider the vertical axis of symmetry of the average projection image P to be such a vertical axis shifted relative to the center of the image by Δx pixels, on which the functional l P (Δx) reaches the value l P :l P (Δx)=l P - the condition that the vertical axis in question is the vertical axis of symmetry of the averaged projection image R.

Двухэтапная минимизация целевого функционала. Искомая величина угла наклона оси вращения такова, что повернутое предобработанное усредненное проекционное изображение имеет вертикальную ось симметрии, то есть оптимальное значение angle подбирается из условия минимизации функции оценки вертикальной несимметрии усредненного проекционного изображения Two-stage minimization of the objective functional. The desired value of the angle of inclination of the rotation axis is such that the rotated preprocessed average projection image has a vertical axis of symmetry, that is, the optimal angle value is selected from the condition of minimizing the function for assessing vertical asymmetry average projection image

Для каждого значения angle разреженной сетки (от start_angle до end_angle градусов с шагом first_step) значение вычисляется в ходе двухэтапной минимизации целевого функционала (Δх) (см. фиг. 4).For each angle value of the sparse mesh (from start_angle to end_angle degrees with step first_step) the value is calculated during a two-stage minimization of the objective functional (Δx) (see Fig. 4).

Этап 1: минимизация целевого функционала по разреженной сетке значений Δх от -width до width пикселей с большим шагом first_step, где width - ширина изображения , а шаг first step может быть принят равным 5 (не менее нескольких пикселей). В конце этапа 1 получаем начальное приближение минимального значения функции оценки вертикальной несимметрии и значения Δх, задающего положение минимизирующей вертикальной оси симметрии. Графики целевого функционала (Δх) (при величине угла angle, совпадающей с истинной величиной угла наклона оси вращения) приведены на фиг. 5, 6, 7, 8.Stage 1: minimizing the target functional over a sparse grid of values Δx from -width to width pixels with a large step first_step, where width is the width of the image , and the first step can be set to 5 (at least a few pixels). At the end of stage 1, we obtain an initial approximation of the minimum value of the vertical asymmetry estimation function and the value Δх, which specifies the position of the minimizing vertical axis of symmetry. Graphs of target functionality (Δх) (at the angle value coinciding with the true value of the angle of inclination of the rotation axis) are shown in Fig. 5, 6, 7, 8.

Этап 2: минимизация целевого функционала по измельченной сетке значений сдвига Δх, в ходе которой последовательно для каждого p ∈ {1,0, -1} производится минимизация целевого функционала (Δх) в окрестности ранее найденной точки минимума Δх=best_shift радиуса 10р с шагом 10р-1 (шаг равен линейному размеру пикселя при р=1, десятой и сотой доле линейного размера пикселя при р=0 и р=-1 соответственно, минимизация прямым перебором). Примеры графиков целевого функционала в окрестности точки минимума можно увидеть на фиг. 6 и 8.Stage 2: minimization of the target functional using a refined grid of shift values Δx, during which the target functional is minimized sequentially for each p ∈ {1,0, -1} (Δх) in the vicinity of the previously found minimum point Δх=best_shift of radius 10 р with a step of 10 р-1 (the step is equal to the linear pixel size at р=1, a tenth and a hundredth of the linear pixel size at р=0 and р=-1, respectively, minimization by direct search). Examples of graphs of the objective functional in the vicinity of the minimum point can be seen in Fig. 6 and 8.

Результат этапа 2 - вычисленное значение и Δх, при котором целевой функционал (Δх) равен (при предварительно произведенном повороте предобработанного изображения на угол величины angle относительно центра усредненного проекционного изображения).The result of stage 2 is the calculated value and Δх, at which the target functional (Δх) is equal (when the preprocessed image is previously rotated by an angle relative to the center of the average projection image).

Далее предобработанное усредненное проекционное изображение поворачиваем на другой угол (см. фиг. 3), вычисляем для произведенного угла поворота angle функцию оценки вертикальной несимметрии Если найденное значение norm функции оценки вертикальной несимметрии повернутого усредненного проекционного изображения меньше функции оценки при предыдущем повороте (то есть min_norm > norm), обновляем значения угла наклона и сдвига оси angle_best=angle, shift_best=shift и min_norm=norm. Перебираются величины угла angle поворота от start_angle до end_angle градусов с шагом first_step.Next, we rotate the preprocessed averaged projection image to another angle (see Fig. 3), and calculate the function for estimating vertical asymmetry for the generated rotation angle angle If the found norm value of the vertical asymmetry estimation function of the rotated averaged projection image is less than the estimation function for the previous rotation (that is, min_norm > norm), we update the values of the tilt angle and axis shift angle_best=angle, shift_best=shift and min_norm=norm. The values of the angle of rotation are sorted from start_angle to end_angle degrees with a step of first_step.

На этом этап 1 двухэтапного поиска величин угла наклона и сдвига оси вращения завершается. В конце этапа 1 имеем начальные приближения величины угла наклона оси вращения и сдвига оси вращения, при котором достигается соответствующее оптимальное значение функции оценки вертикальной несимметрии.At this stage, stage 1 of the two-stage search for the values of the angle of inclination and shift of the rotation axis is completed. At the end of stage 1, we have initial approximations of the angle of inclination of the rotation axis and the shift of the rotation axis, at which the corresponding optimal value of the vertical asymmetry estimation function is achieved.

Этап 2: уточнение величины наклона оси вращения.Stage 2: clarifying the tilt value of the rotation axis.

В рамках этапа 2 шага вычисления значения угла наклона оси вращения рассматриваются измельченные сетки значений угла наклона в окрестности найденного во время исполнения этапа 1 оптимального значения angle_best. По измельченным сеткам производится минимизация функции оценки вертикальной несимметрии повернутого предобработанного усредненного проекционного изображения As part of stage 2 of the step of calculating the value of the angle of inclination of the rotation axis, refined grids of values of the inclination angle in the vicinity of the optimal value angle_best found during stage 1 are considered. Using refined meshes, the function of estimating the vertical asymmetry of the rotated preprocessed averaged projection image is minimized

Опишем этап 2 более подробно. Для каждого р ∈ {0, -1} рассматривается сетка значений angle от angle best -2⋅10р до angle_best +2⋅10р с шагом 10р-1 (десятая доля градуса при р=0 и сотая доля градуса при р=-1), где angle_best - ранее определенное оптимальное значение угла наклона оси. Для каждого angle производится вычисление функции оценки вертикальной несимметрии посредством уже описанной двухэтапной минимизации целевого функционала. Если новое значение функции оценки вертикальной несимметрии меньше ранее полученных при других значениях angle, обновляем значения angle_best=angle, shift_best=shift и min_norm=norm.Let's describe stage 2 in more detail. For each p ∈ {0, -1}, a grid of angle values is considered from angle best -2⋅10 p to angle_best +2⋅10 p with a step of 10 p-1 (a tenth of a degree for p=0 and a hundredth of a degree for p= -1), where angle_best is the previously determined optimal value of the axis tilt angle. For each angle, the vertical asymmetry evaluation function is calculated through the already described two-stage minimization of the target functional. If the new value of the vertical asymmetry estimation function is less than previously obtained for other angle values, we update the values of angle_best=angle, shift_best=shift and min_norm=norm.

Результат этапа 2 - уточненное по измельченным сеткам оптимальное значение угла наклона оси вращения angle_best. Для вычисленного значения angle_best также находится значение сдвига оси вращения shift_best, при котором найденное минимальное значение функции оценки несимметрии усредненного проекционного изображения достигается. Значение angle_best является ответом на вопрос о значении угла наклона оси вращения и далее не уточняется.The result of stage 2 is the optimal value of the angle of inclination of the rotation axis angle_best, refined using refined meshes. For the calculated angle_best value, the value of the shift of the rotation axis shift_best is also found, at which the found minimum value of the function for assessing the asymmetry of the average projection image is achieved. The value angle_best is the answer to the question about the value of the angle of inclination of the rotation axis and is not further specified.

Значение shift_best служит начальным приближением искомой величины сдвига оси вращения, которое далее подлежит уточнению.The shift_best value serves as an initial approximation of the desired value of the rotation axis shift, which is then subject to refinement.

Уточнение величины сдвига оси вращения с помощью усредненного проекционного изображения.Clarifying the magnitude of the shift of the rotation axis using an averaged projection image.

На предыдущем шаге были вычислены значения угла наклона оси вращения и сдвига оси вращения. На шаге уточнения величины сдвига оси вращения ранее найденное значение shift_best уточняется.In the previous step, the values of the inclination angle of the rotation axis and the shift of the rotation axis were calculated. At the step of clarifying the value of the shift of the rotation axis, the previously found shift_best value is refined.

Уточнение значения сдвига оси производится при помощи исходного непредобработанного усредненного проекционного изображения (см. фиг. 9).The axis shift value is refined using the original unpreprocessed average projection image (see Fig. 9).

В рамках шага уточнения величины сдвига оси вращения с помощью исходного усредненного проекционного изображения исполняются изложенные ниже действия.As part of the step of clarifying the value of the shift of the rotation axis using the original averaged projection image, the steps outlined below are performed.

1) Производится линейная минимаксная нормализация изображения (значения интенсивности пикселей усредненного проекционного изображения приводятся к шкале [0,1]). Для единообразия результат нормализации исходного усредненного проекционного изображения обозначим Подчеркнем, что усредненное проекционное изображение не масштабируется.1) Linear minimax normalization of the image is performed (pixel intensity values of the average projection image are scaled to [0,1]). For uniformity, we denote the result of normalization of the original averaged projection image We emphasize that the average projection image is not scaled.

2) Нормализованное усредненное проекционное изображение поворачивается вокруг центра изображения на найденную величину угла наклона оси вращения, равную angle_best. Результат поворота будем обозначать Повернутое нормализованное усредненное проекционное изображение обладает вертикальной осью симметрии, которую будем искать в окрестности положения вертикальной оси Поскольку начальное приближение значения сдвига оси было получено с помощью масштабированного усредненного проекционного изображения, shift_best делится на масштабирующий множитель scaling_factor.2) The normalized average projection image is rotated around the center of the image by the found angle of inclination of the rotation axis, equal to angle_best. We will denote the result of the rotation The rotated normalized averaged projection image has a vertical axis of symmetry, which we will look for in the vicinity of the position of the vertical axis Since the initial approximation of the axis shift value was obtained using a scaled average projection image, shift_best is divided by the scaling_factor.

3) Рассмотрим сетку возможных значений сдвига оси вращения от до пикселей с маленьким шагом, равным сотой доле линейного размера пикселя. По этой сетке прямым перебором значений сдвигов Δх минимизируется значение целевого функционала Точка минимума shift_best - итоговый ответ метода на вопрос о значении сдвига оси вращения. Примеры графиков целевого функционала, значения которого вычислены для различных значений сдвига оси вращения Δх по нормализованному немасштабированному изображению приведены на фиг. 10 и 11.3) Consider the grid of possible values of the shift of the axis of rotation from before pixels with a small pitch equal to a hundredth of the linear pixel size. Using this grid, the value of the target functional is minimized by direct enumeration of the shift values Δx The minimum point shift_best is the final answer of the method to the question about the value of the shift of the rotation axis. Examples of graphs of the target functional, the values of which are calculated for various values of the shift of the rotation axis Δx using a normalized unscaled image, are shown in Fig. 10 and 11.

После вычисления shift_best следует учесть специфику модели распространения рентгеновских лучей, а именно в конусной модели необходимо разделить shift_best на коэффициент увеличения конуса (то же касается веерной схемы). Параллельная модель распространения рентгеновских лучей не требует нормировки найденной по усредненному проекционному изображению величины сдвига оси вращения объекта.After calculating shift_best, the specifics of the X-ray propagation model should be taken into account, namely, in the cone model, it is necessary to divide shift_best by the cone magnification factor (the same applies to the fan-shaped scheme). The parallel model of X-ray propagation does not require normalization of the shift value of the object's rotation axis found from the average projection image.

Итак, значения угла наклона и сдвига оси вращения найдены.So, the values of the angle of inclination and shift of the rotation axis have been found.

Коррекция положения оси вращенияRotation axis position correction

После нахождения параметров положения оси вращения (величин угла наклона и сдвига оси вращения) каждый проекционный снимок рф, ϕ ∈ Ф, поворачивается относительно центра изображения на величину угла наклона оси вращения angle_best. Затем производится сдвиг каждого повернутого проекционного снимка на shift_best пикселей. При вычислении поворотов и сдвигов проекционных снимков используется интерполяция.After finding the parameters of the position of the rotation axis (the values of the angle of inclination and shift of the rotation axis), each projection image r f , ϕ ∈ Ф, is rotated relative to the center of the image by the angle of inclination of the rotation axis angle_best. Then each rotated projection image is shifted by shift_best pixels. When calculating rotations and shifts of projection images, interpolation is used.

Далее может быть применен алгоритм томографической реконструкции для получения изображения внутренней структуры исследуемого объекта.Next, a tomographic reconstruction algorithm can be applied to obtain an image of the internal structure of the object under study.

Пример осуществления представленного способаAn example of the presented method

Результаты работы изобретения на синтетических и реальных данных представлены на фиг. 12 и 13. На рисунках изображены реконструкции центральных томографических слоев синтетических данных (фантом с геометрическими фигурами) и реальных данных (тубус с шахматами) с коррекцией и без коррекции оси вращения предложенным автоматическим способом выравнивания оси вращения (фиг. 12б, 12в и 13б, 13в). На фиг. 12а, 13а представлены идеальные изображения центрального слоя фантома и тубуса с шахматами, с которыми производится сравнение полученных реконструированных центральных слоев. Для измерения изменения качества полученных реконструкций проведено вычисление L2 нормы разности реконструкции и идеального изображения: если реконструированное изображение представляется матрицей а идеальное изображение - матрицей то значение l2 нормы разности изображений равно Для реконструкции использовался алгоритм Feldkamp-Davis-Kress. Значение l2 нормы разности реконструкций и идеальных изображений оформлены в виде таблицы 1.The results of the invention on synthetic and real data are presented in Fig. 12 and 13. The figures show reconstructions of the central tomographic layers of synthetic data (phantom with geometric figures) and real data (tube with chessboard) with and without correction of the rotation axis by the proposed automatic method for aligning the rotation axis (Figs. 12b, 12c and 13b, 13c ). In fig. 12a, 13a show ideal images of the central layer of the phantom and the tube with chessboard, with which the resulting reconstructed central layers are compared. To measure changes in the quality of the resulting reconstructions, the L 2 norm of the difference between the reconstruction and the ideal image was calculated: if the reconstructed image is represented by a matrix and the ideal image is a matrix then the value l 2 of the image difference norm is equal to The Feldkamp-Davis-Kress algorithm was used for reconstruction. The value of l 2 norms for the difference between reconstructions and ideal images is presented in Table 1.

Синтетические проекционные снимки (пакет 1024×1024×720 вокселей) симулированы с углом наклона оси вращения величины 9.20 градуса в плоскости, параллельной плоскости окна детектора, и сдвигом величины 2.83 пикселя. Найденное предложенным методом значение угла наклона оси составляет 9.20 градуса, найденное значение сдвига оси равно 2.81 пикселя. Результат коррекции положения оси вращения - на рис. 12в. Реконструкция центрального слоя при коррекции оси вращения визуально схожа с идеальным изображением центрального слоя фантома (ср. 12а и 12в). Меньшее значение L2 нормы разности реконструкции и идеального изображения в случае использования коррекции оси вращения подтверждает улучшение качества реконструкции при использовании предложенного средства коррекции оси (таблица 1, ср. фиг. 12б и 12в).Synthetic projection images (packet of 1024 × 1024 × 720 voxels) are simulated with a rotation axis tilt angle of 9.20 degrees in a plane parallel to the plane of the detector window, and a shift of 2.83 pixels. The axis tilt angle value found by the proposed method is 9.20 degrees, the axis shift value found is 2.81 pixels. The result of correcting the position of the rotation axis is shown in Fig. 12th century The reconstruction of the central layer when correcting the rotation axis is visually similar to the ideal image of the central layer of the phantom (cf. 12a and 12c). The lower value of L 2 norm of the difference between the reconstruction and the ideal image in the case of using rotation axis correction confirms the improvement in the quality of reconstruction when using the proposed axis correction tool (Table 1, cf. Figs. 12b and 12c).

Применительно к пакету реальных данных тубуса с шахматами (пакет 2064×1548×1024 вокселей) визуально очевидно улучшение качества реконструкции (рис. 13б и 13в). Найденная величина угла наклона оси вращения равна 0.33 градуса, найденная величина сдвига оси составляет -7.09. Ручной подбор параметров положения оси вращения подтверждает точность результатов метода: оптимальное значение сдвига между -7.00 и -8.00 пикселями, в то время как оптимальный угол наклона - между 0.00 и 0.50 градусов. На фиг. 13а представлена реконструкция центрального слоя с оптимальными параметрами оси, подобранными вручную и равными -7.00 пикселей и 0.30 градусов.When applied to a package of real data of a tube with a chessboard (package of 2064 × 1548 × 1024 voxels), an improvement in the quality of reconstruction is visually obvious (Fig. 13b and 13c). The found value of the inclination angle of the rotation axis is 0.33 degrees, the found value of the axis shift is -7.09. Manual selection of the rotation axis position parameters confirms the accuracy of the method results: the optimal shift value is between -7.00 and -8.00 pixels, while the optimal tilt angle is between 0.00 and 0.50 degrees. In fig. Figure 13a shows the reconstruction of the central layer with optimal axis parameters, selected manually and equal to -7.00 pixels and 0.30 degrees.

Приведенные примеры показывают, что использование описанного средства автоматического определения положения оси вращения позволяют получать томографические реконструкции более близкие идеальному изображению как при визуальном восприятии, так и по измеренной L2 норме (см. табл. 1)., чем в случае без коррекции оси.The examples given show that the use of the described means of automatically determining the position of the rotation axis makes it possible to obtain tomographic reconstructions that are closer to the ideal image, both in visual perception and according to the measured L 2 norm (see Table 1), than in the case without axis correction.

Использование предлагаемого изобретения предваряет шаг реконструкции внутренней структуры объекта. Коррекция положения оси вращения перед последующей реконструкцией дает возможность получить реконструированное изображение более высокого качества.The use of the proposed invention precedes the step of reconstructing the internal structure of the object. Correcting the position of the rotation axis before subsequent reconstruction makes it possible to obtain a reconstructed image of higher quality.

При этом описанное изобретение может быть использовано и в качестве средства предварительной калибровки измерительного оборудования при помощи специальных фантомов. Такое применение изобретения позволяет улучшить качество результатов в последующих целевых измерениях.In this case, the described invention can also be used as a means of preliminary calibration of measuring equipment using special phantoms. This application of the invention makes it possible to improve the quality of results in subsequent target measurements.

Claims (6)

Система автоматического поиска и коррекции оси вращения объекта при выполнении рентгеновской томографии, содержащая источник рентгеновского излучения, устройство поворота и позиционирования объекта, плоскопанельный детектор и вычислительное устройство, характеризующаяся тем, что плоскопанельный детектор выполнен с возможностью формирования проекционных данных объекта, а вычислительное устройство выполнено с возможностью:A system for automatically searching and correcting the axis of rotation of an object when performing X-ray tomography, containing an X-ray source, a device for rotating and positioning the object, a flat panel detector and a computing device, characterized in that the flat panel detector is configured to generate projection data of the object, and the computing device is configured to : a) получения проекционных данных,a) obtaining projection data, b) вычисления усредненного проекционного изображения,b) calculating the average projection image, c) предобработки усредненного проекционного изображения с помощью линейной нормализации и масштабирования,c) preprocessing the average projection image using linear normalization and scaling, d) двухэтапного поиска величин угла наклона и сдвига оси вращения,d) two-stage search for the values of the angle of inclination and shift of the axis of rotation, e) уточнения положения оси вращения объекта.e) clarifying the position of the object’s rotation axis.
RU2023122440A 2023-08-29 System of automatic search and correction of object rotation axis RU2816842C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2816842C1 true RU2816842C1 (en) 2024-04-05

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090041656A (en) * 2007-10-24 2009-04-29 (주)이우테크놀로지 Physical Phantom and Compensation Method Using the Same
KR20090071790A (en) * 2007-12-28 2009-07-02 재단법인서울대학교산학협력재단 Rotation axis calibration device and method for high-resolution needle hole collimator spectroscopy
RU2736160C1 (en) * 2019-09-11 2020-11-12 Акционерное общество "Научно-исследовательская производственная компания "Электрон" (АО "НИПК "Электрон") Method of medical image forming

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090041656A (en) * 2007-10-24 2009-04-29 (주)이우테크놀로지 Physical Phantom and Compensation Method Using the Same
KR20090071790A (en) * 2007-12-28 2009-07-02 재단법인서울대학교산학협력재단 Rotation axis calibration device and method for high-resolution needle hole collimator spectroscopy
RU2736160C1 (en) * 2019-09-11 2020-11-12 Акционерное общество "Научно-исследовательская производственная компания "Электрон" (АО "НИПК "Электрон") Method of medical image forming

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8000435B2 (en) Method and system for error compensation
US4851984A (en) Method and system for localization of inter-rib spaces and automated lung texture analysis in digital chest radiographs
US7912180B2 (en) Scattered radiation correction method and scattered radiation correction apparatus
US4590558A (en) Method and apparatus for removing objects from CT images
US7869560B2 (en) X-ray CT apparatus and image processing apparatus
US20090202127A1 (en) Method And System For Error Compensation
JPH04332538A (en) Method of reducing movement artifact by projection imaging
JPH0446578B2 (en)
JP2002516000A (en) Method for reconstructing a three-dimensional image of an object
US10043293B2 (en) Image processing device, radiation detecting device, and image processing method
US6292526B1 (en) Methods and apparatus for preprocessing volumetric computed tomography data
JPH07184886A (en) Equipment and method for computer fault photographing
US20210166443A1 (en) Tomographic image generating apparatus, tomographic image generating method, and tomographic image generating program
CN111065335B (en) Medical image processing apparatus and medical image processing method
CN110533738B (en) Reconstruction data processing method, device, medical imaging system and storage medium
RU2816842C1 (en) System of automatic search and correction of object rotation axis
US6980681B1 (en) Methods and apparatus for helical reconstruction for multislice CT scan
JPH11514121A (en) Correcting ring-shaped image artifacts
CN115439353B (en) CT image ring artifact correction method, system and storage medium
US20020012417A1 (en) Method for reducing line artifacts in a CT image and device for implementing the method
US20250191200A1 (en) Motion detection for internal breast tissue in tomosynthesis
US10217248B2 (en) Method for removing streak from detector cell with performance difference
Zemek et al. Automatic marker-free estimation methods for the axis of rotation in sub-micron X-ray computed tomography
CN109813259A (en) Fusion CT imaging method, storage medium and device
US7702180B2 (en) Imaging method and device for the computer-assisted evaluation of computer-tomographic measurements by means of direct iterative reconstruction