CN102759538B - 一种锥束ct***点扩展函数的测量与建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锥束CT***点扩展函数的测量与建模方法，在锥束CT***点扩展函数测量方法中考虑了射线源焦点和平板探测器性能对针孔测量法测量点扩展函数的影响，并通过切片图像质量评价获取优化的点扩展函数，具有更好的准确性，且便于实施，可有效提高锥束CT***的成像质量。另外，本发明通过锥束CT***点扩展函数建模方法，建立了锥束CT***点扩展函数的一般模型，根据该模型可直接计算出任意扫描条件下的点扩展函数，即在锥束CT的后续使用中无需额外测量就可以直接得到点扩展函数用于投影图像恢复，极大地提高了锥束CT应用的便捷性。
Description
技术领域
本发明属于CT成像领域，涉及一种基于多孔成像的锥束CT***点扩展函数的测量与建模方法。
背景技术
锥束CT（Cone-Beam Computed Tomography，CBCT）利用锥形束射线源和平板探测器采集被测物体的投影图像，并重建出连续的序列切片图像，具有扫描速度快、切片内和切片间的空间分辨率相同、精度高等特点，在无损检测与逆向工程等领域已显示出广阔的应用前景。
在实际锥束CT扫描时，所获得的投影图像并非理想状态的投影图像，而是退化后的图像，主要表现为图像细节模糊，点扩展函数便是这种模糊的一种表征。点扩展函数不仅是光学成像***的重要指标之一，同时也是进行图像恢复的基础。获取到***的点扩展函数，就获取到了***的退化模型。因此，如何对***的点扩展函数进行准确的测量就显得尤为重要。
近年来许多学者针对点扩展函数的测量做了大量的工作形成了几种比较经典的测量方法。马卫红在其博士学位论文《基于图像分析的光学传递函数测量技术研究》中使用了正弦目标法，该方法原理简单并且精度较高，但正弦目标物的制作比较困难，且由于X射线很强的穿透力对材料有很特殊的要求，进一步限制了该方法在射线数字成像***中的应用。鉴于正弦目标物制作难的问题，人们提出了矩形光栅法，周俸才，管永红在《光子学报》（2001,30(2):218-224）的文章“闪光X射线照相***调制传递函数测量”中利用该方法对闪光X射线照相***的调制传递函数进行了测试，该方法使目标物的制备得以简化，并且计算并不复杂，但是为了取得高频部分的调制传递函数，需要在光栅上制作精细的狭缝，使测试成本大大增加。H.Fujita,D.Y.Tsai,T.Itoh,K.Doi,J.Morishita,K.Ueda,and A.Ohtsuka在《IEEE Transactions on Medical Imaging》（1992，11：34-39)的文章“A simple method for determining the modulation transferfunction in digital radiography”中提出一种利用一个与扫描方向的垂直方向有一微小夹角的狭缝，快速获取***的线扩展函数，该方法沿狭缝方向的多行叠加降低了噪声的干扰，试样制备简单，测量精度较高，但如果狭缝的放置位置不能和平板探测器的像素阵列很好的平行，多行叠加时就会产生误差，所以需要特别的修正算法，这增加了计算的难度。江孝国，王婉丽，王伟，祁双喜，吴廷烈在《强激光与粒子束》（2004，16(6)：693-696）的文章“台阶法测量辐射成像***扩展函数的误差分析”中使用台阶测量法进行点扩展函数的测量，该方法实验操作简单，台阶试件制备简单，但是其对噪声非常敏感，必须加入有效的平滑处理。宋顾周，朱宏权，韩长材，马继明，张占宏，李宏云，杨海亮在《强激光与粒子束》（2011，23(2)：531-535）的文章“杆箍缩二极管X射线焦斑的成像法测量”中使用了针孔测量法，该方法直接利用观测图像进行三维拟合确定点扩展函数。根据点扩展函数的定义，针孔测量法中的针孔应该趋于无限小，其测量结果才是准确的，但实际中不可能加工出无限小的针孔，而且想获取一个光脉冲需要一个无限小的理想点光源，这是不可能实现的。因此，针孔测量法所得的点扩展函数是一个近似值，而且针孔的大小和制造精度也会对结果产生较大影响。
发明内容
为了克服现有技术应用针孔测量法测量锥束CT***点扩展函数时存在的准确性较低、未考虑焦点尺寸影响的问题，以及无法建立锥束CT***点扩展函数模型的问题，本发明提供一种基于多孔成像的锥束CT***点扩展函数测量与建模方法，以达到快速准确测量锥束CT***点扩展函数并建立其模型的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括两个部分：首先进行锥束CT***点扩展函数测量，然后进行锥束CT***点扩展函数建模。
锥束CT***点扩展函数测量方法包括以下步骤：
（1）定制一块能完全阻止射线透射且大于平板探测器成像窗口的射束阻止平板，并沿其厚度方向制备若干具有不同直径的针孔，针孔直径覆盖所用锥束CT***平板探测器像素尺寸到射线源最大焦点尺寸之间的范围，针孔间距大于相邻针孔直径的5倍；
（2）保持锥束CT扫描参数不变，采用基于图像恢复的针孔成像点扩展函数测量方法，分别获取各个针孔直径下的三维高斯型点扩展函数；
（3）对所得的三维高斯型点扩展函数，以针孔直径φ为横坐标，分别拟合峰值a与标准差δ，得到φ-a和φ-δ的关系式；
（4）根据φ-a和φ-δ关系式，取若干等差排列的针孔直径，计算出各个针孔直径下的a和δ构成三维高斯型点扩展函数；
（5）对采用第（2）步扫描参数进行锥束CT扫描的一组测试物体投影图像，分别用上步计算所得的点扩展函数对投影图像进行恢复，并由恢复后的投影图像重建出切片图像；
（6）采用对比度噪声比RCN作为评价切片图像边缘质量的指标，拟合出φ-RCN的关系式；
（7）根据φ-RCN关系式计算RCN取最大值时的φ值，代入φ-a和φ-δ关系式计算得到一个三维高斯型点扩展函数，即为该锥束CT***所用扫描参数下的较优点扩展函数。
在所述步骤（2）中，采用基于图像恢复的针孔成像点扩展函数测量方法包括以下步骤：
1)将射束阻止平板贴***板探测器成像窗口，且使当前所测的针孔位于射线源发出的中心射束上；
2)在所用锥束CT扫描参数下，采集若干幅投影图像，并按对应像素叠加平均成一幅投影图像，设当前所测针孔在投影图像中所成的像为投影图像的行为X，列为Y；
3)确定的中心坐标(xC,yC)：以中的最大灰度值点为中点，沿行方向取对称的若干个连续点进行二维高斯拟合，拟合曲线的最高点坐标为xC，同理可得yC；
4)计算
的理想图像p(x,y)：p(x,y)的大小形状为针孔横截面，p(x,y)的像素灰度根据
计算，其中，M为
的像素灰度和，S为针孔横截面积，s(xi,yj)为像素(xi,yj)被p(x,y)所覆盖的面积；
5)根据采用图像恢复算法计算得到离散的点扩展函数PSF(x,y)；
6)对PSF(x,y)进行三维高斯拟合，得到三维高斯型点扩展函数。锥束CT***点扩展函数建模方法包括以下步骤：
（1）在射束阻止平板上制备出直径为锥束CT***点扩展函数测量方法第（7）步所确定的φ值的针孔；
（2）设计针对锥束CT扫描电压和投影图像灰度的点扩展函数交叉实验：在所用锥束CT的电压范围内选取若干等差排列的扫描电压；在所用锥束CT平板探测器的输出灰度范围内选取若干等差排列的投影图像灰度；针对每个扫描电压，获取每个投影图像灰度所需的扫描电流，获取时采用空气扫描，即无测试物体和射束阻止平板；
（3）按照锥束CT***点扩展函数测量方法步骤（2）的所述方法，获取每组扫描电压和扫描电流下的三维高斯型点扩展函数；
（4）对所得的三维高斯型点扩展函数，将扫描电压和投影图像灰度分别与峰值a和标准差δ建立三维坐标系，分别拟合出a、δ与扫描电压和投影图像灰度的关系式，这两个关系式即构成了该锥束CT***三维高斯型点扩展函数的一般模型。
本发明的有益效果是：本发明在锥束CT***点扩展函数测量方法中考虑了射线源焦点和平板探测器性能对针孔测量法测量点扩展函数的影响，并通过切片图像质量评价获取优化的点扩展函数，具有更好的准确性，且便于实施，可有效提高锥束CT***的成像质量。另外，本发明通过锥束CT***点扩展函数建模方法，建立了锥束CT***点扩展函数的一般模型，根据该模型可直接计算出任意扫描条件下的点扩展函数，即在锥束CT的后续使用中无需额外测量就可以直接得到点扩展函数用于投影图像恢复，极大地提高了锥束CT应用的便捷性。
附图说明
图1是针孔测量装置及布局示意图；
图2是两种方法获取的点扩展函数切面对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施所用锥束CT***的X射线源为YXLON的Y.TU450-D02，焦点尺寸为2.5mm，平板探测器为Varian的PaxScan2520。
应用本发明方法包括两个部分：首先进行锥束CT***点扩展函数测量，然后进行锥束CT***点扩展函数建模。
应用本发明方法进行锥束CT***点扩展函数测量，执行以下步骤：
（1）定制一块能完全阻止射线透射且大于平板探测器成像窗口的射束阻止平板，材质为铅，厚度20mm，沿其厚度方向制备5个间距20mm的针孔，直径分别为0.5、1.0、2.0、3.0和4.0mm；
（2）保持锥束CT扫描电压为180kV，扫描电流为0.59mA，采用基于图像恢复的针孔成像点扩展函数测量方法，分别获取各个针孔直径下的三维高斯型点扩展函数，执行以下步骤；
1)将射束阻止平板贴***板探测器成像窗口，且使当前所测的针孔位于射线源发出的中心射束上；
2)在所用锥束CT扫描参数下，采集20幅投影图像，并按对应像素叠加平均成一幅投影图像，设当前所测针孔在投影图像中所成的像为
投影图像的行为X，列为Y；
3)确定
的中心坐标(xC,yC)：以中的最大灰度值点为中点，沿行方向取对称的5个连续点进行二维高斯拟合，拟合曲线的最高点坐标为xC，同理可得yC；
4)计算的理想图像p(x,y)：p(x,y)的大小形状为针孔横截面，p(x,y)的像素灰度根据
计算，其中，M为
的像素灰度和，S为针孔横截面积，s(xi,yj)为像素(xi,yj)被p(x,y)所覆盖的面积；
5)根据
采用Lucy-Richardson图像恢复算法计算得到离散的点扩展函数PSF(x,y)；
6)对PSF(x,y)进行三维高斯拟合，得到三维高斯型点扩展函数。
（3）对所得的三维高斯型点扩展函数，以针孔直径φ为横坐标，分别拟合峰值a与标准差δ，得到φ-a、φ-δ的关系式；
（4）根据φ-a和φ-δ关系式，取0.5～5.0mm范围内的间距为0.5mm的针孔直径，计算出各个针孔直径下的a和δ构成三维高斯型点扩展函数；
（5）对采用第（2）步扫描参数进行锥束CT扫描的一组测试物体投影图像，分别用上步计算所得的点扩展函数对投影图像进行恢复，并由恢复后的投影图像重建出切片图像；
（6）采用对比度噪声比RCN作为评价切片图像边缘质量的指标，拟合出φ-RCN的关系式；
（7）根据φ-RCN关系式计算出RCN取最大值时的φ值为2.5mm，代入φ-a和φ-δ关系式计算得到一个三维高斯型点扩展函数，即为该锥束CT***所用扫描参数下的较优点扩展函数。
应用本发明方法进行锥束CT***点扩展函数建模，执行以下步骤：
（1）在射束阻止平板上制备出直径为2.5mm的垂直针孔；
（2）设计针对锥束CT扫描电压和投影图像灰度的点扩展函数交叉实验：在所用锥束CT的电压范围内选取5个等差排列的扫描电压，分别为200、240、280、320、360kV；在所用锥束CT平板探测器的输出灰度范围内选取3个等差排列的投影图像灰度，分别为1800、2200、2600；针对每个扫描电压，获取每个投影图像灰度所需的扫描电流，获取时采用空气扫描，即无测试物体和射束阻止平板；
（3）按照锥束CT***点扩展函数测量方法步骤（2）的所述方法，获取每组扫描电压和扫描电流下的三维高斯型点扩展函数；
（4）对所得的三维高斯型点扩展函数，将扫描电压和投影图像灰度分别与峰值a和标准差δ建立三维坐标系，分别拟合出a、δ与扫描电压和投影图像灰度的关系式，这两个关系式即构成了该锥束CT***三维高斯型点扩展函数的一般模型。
图2给出了本发明方法获取的点扩展函数与针孔测量法获取的点扩展函数的切面对比图，从图中可以看出本发明方法获取的点扩展函数的峰值更高以及标准差更小，采用该点扩展函数对投影图像进行恢复，重建出来的切片图像质量可以得到明显改善。另外，本发明方法建立的锥束CT***点扩展函数的一般模型，可用于直接计算该锥束CT***任意扫描条件下的三维高斯型点扩展函数，极大地提高了锥束CT应用的便捷性。
Claims (1)
1.一种锥束CT***点扩展函数的测量与建模方法，其特征在于：首先进行锥束CT***点扩展函数测量，然后进行锥束CT***点扩展函数建模；
锥束CT***点扩展函数测量包括以下步骤：
（1）定制一块能完全阻止射线透射且大于平板探测器成像窗口的射束阻止平板，并沿其厚度方向制备若干具有不同直径的针孔，针孔直径覆盖所用锥束CT***平板探测器像素尺寸到射线源最大焦点尺寸之间的范围，针孔间距大于相邻针孔直径的5倍；
（2）保持锥束CT扫描参数不变，采用基于图像恢复的针孔成像点扩展函数测量方法，分别获取各个针孔直径下的三维高斯型点扩展函数；
（3）对所得的三维高斯型点扩展函数，以针孔直径φ为横坐标，分别拟合峰值a与标准差δ，得到φ-a和φ-δ的关系式；
（4）根据φ-a和φ-δ关系式，取若干等差排列的针孔直径，计算出各个针孔直径下的a和δ构成三维高斯型点扩展函数；
（5）对采用第（2）步扫描参数进行锥束CT扫描的一组测试物体投影图像，分别用上步计算所得的点扩展函数对投影图像进行恢复，并由恢复后的投影图像重建出切片图像；
（6）采用对比度噪声比RCN作为评价切片图像边缘质量的指标，拟合出φ-RCN的关系式；
（7）根据φ-RCN关系式计算RCN取最大值时的φ值，代入φ-a和φ-δ关系式计算得到一个三维高斯型点扩展函数，即为该锥束CT***所用扫描参数下的较优点扩展函数；
在所述步骤（2）中，采用基于图像恢复的针孔成像点扩展函数测量方法包括以下步骤：
1)将射束阻止平板贴***板探测器成像窗口，且使当前所测的针孔位于射线源发出的中心射束上；
2)在所用锥束CT扫描参数下，采集若干幅投影图像，并按对应像素叠加平均成一幅投影图像，设当前所测针孔在投影图像中所成的像为
投影图像的行为X，列为Y；
3)确定
的中心坐标(xC,yC)：以
中的最大灰度值点为中点，沿行方向取对称的若干个连续点进行二维高斯拟合，拟合曲线的最高点坐标为xC，同理可得yC；
4)计算
的理想图像p(x,y)：p(x,y)的大小形状为针孔横截面，p(x,y)的像素灰度根据
计算，其中，M为
的像素灰度和，S为针孔横截面积，s(xi,yj)为像素(xi,yj)被p(x,y)所覆盖的面积；
5)根据
采用图像恢复算法计算得到离散的点扩展函数PSF(x,y)；
6)对PSF(x,y)进行三维高斯拟合，得到三维高斯型点扩展函数；
锥束CT***点扩展函数建模包括以下步骤：
（a）在射束阻止平板上制备出直径为锥束CT***点扩展函数测量第（7）步所确定的φ值的针孔；
（b）设计针对锥束CT扫描电压和投影图像灰度的点扩展函数交叉实验：在所用锥束CT的电压范围内选取若干等差排列的扫描电压；在所用锥束CT平板探测器的输出灰度范围内选取若干等差排列的投影图像灰度；针对每个扫描电压，获取每个投影图像灰度所需的扫描电流，获取时采用空气扫描，即无测试物体和射束阻止平板；
（c）按照锥束CT***点扩展函数测量的第（2）步，获取每组扫描电压和扫描电流下的三维高斯型点扩展函数；
（d）对所得的三维高斯型点扩展函数，将扫描电压和投影图像灰度分别与峰值a和标准差δ建立三维坐标系，分别拟合出a、δ与扫描电压和投影图像灰度的关系式，这两个关系式即构成了该锥束CT***三维高斯型点扩展函数的一般模型。
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