CN104406989A - 一种基于双丝模型的ct***结构参数测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双丝模型的CT***结构参数测量方法及装置，通过获取两条与旋转轴平行的金属丝在CT***中的特定旋转位置下在探测器上的投影位置及位置关系，计算获得CT回转中心轴线、重建坐标原点的位置、射线源至探测器的距离、射线源至旋转中心的距离、面阵探测器扭转角等多个CT***结构参数。该方法简单实用，适用于线阵和面阵两种探测器的CT***，可用于CT***结构参数的获取和CT***调校，有助于提高CT图像重建质量。

Description

一种基于双丝模型的CT***结构参数测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种CT***结构参数测量方法及装置，特别涉及一种基于双丝模型的CT***结构参数测量方法及装置，属于CT技术领域。该方法借助一种包含两根平行金属丝的装置，以使金属丝与CT转台的旋转轴平行的方式，将该装置固定在转台上，随着CT转台旋转，分别获得两根金属丝在探测器上的投影位置及位置关系，通过计算获得CT***几何结构参数。该方法简单实用，可用于CT***结构参数的获取和CT***调校，有助于提高CT图像重建质量。

背景技术

CT（Computed Tomography）是医学和工业领域常用的辐射成像无损检测技术。无论是采用线阵探测器的断层CT成像，还是采用面阵探测器的锥束CT成像，要精确重建被测物体的断层CT图像或三维CT图像，都需要获得准确的CT***几何结构参数，其中CT旋转中心位置、重建坐标原点的位置、射线源至探测器的距离、射线源至旋转中心的距离、面阵探测器扭转角等都是非常重要的参数。由于射线源焦点、旋转中心、探测器成像面的精确空间位置无法直接测量，从而无法得到这些参数的精确值，影响了重建图像质量。

现有的获得CT***结构参数的方法主要有：迭代法、最小二乘估计法、正弦图法和双（多）球法等。这些方法存在以下问题：计算量大；需要进行迭代，迭代过程对某些参数不收敛；有些方法只能得到部分参数；有些方法只适用于线阵或面阵；需要平移、升降等额外动作。因此，需要一种特殊的技术手段和方法，对上述参数进行测量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于双丝模型的CT***结构参数测量方法，该方法可通过简单的步骤和计算过程，精确获得CT***结构的几何参数，既可应用于采用线阵探测器的断层CT***，也可应用于采用面阵探测器的锥束CT***中，从而指导CT***的调校，提高CT图像重建质量。另外，本发明还提供了一种用于所述测量方法的双丝模型装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于双丝模型的CT***结构参数测量方法，所述CT***带有射线源、工作转台、面阵探测器，所述工作转台的回转中心轴线与面阵探测器的成像面平行，射线源焦点和所述回转中心轴线所在平面与面阵探测器的成像面垂直；所述方法利用双丝模型对CT***结构参数进行测量，双丝模型上设置有两根相互间隔且相互平行的金属丝；测量步骤为：

1）将双丝模型置于CT工作转台上，使双丝模型上的两根金属丝与工作转台的回转中心轴线平行，并使回转中心轴线位于所述两根金属丝所在平面之外；

2）旋转CT工作转台，根据两根金属丝、所述回转中心轴线、两根金属丝在探测器上的投影三者的几何关系，通过计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距和探测器成像面与射线源焦点的间距。

进一步，所述步骤2）具体为：旋转CT工作转台，使所述两根金属丝在360°回转范围内两次在探测器上的投影重合，记录该两次投影重合位置的回转夹角，根据所述回转夹角、两根金属丝所在平面距所述回转中心轴线的距离和两根金属丝在探测器上的投影的间距，计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距和探测器成像面与射线源焦点的间距。

进一步，所述两根金属丝与所述回转中心轴线距离相等；所述步骤2）具体为：旋转CT工作转台，得到360°回转范围内两根金属丝在探测器的成像面上投影间距最大的第一位置，再以第一位置为起点使CT转台旋转180°得到第二位置，根据两根金属丝在第一位置、第二位置时在探测器上的投影的间距和两根金属丝所在平面距所述回转中心的距离，以及两根金属丝的距离，计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距，以及探测器成像面与射线源焦点的间距。

进一步，所述面阵探测器的成像面上设置有二维坐标系，根据该成像面上所述两根金属丝的投影在所述坐标系中的斜率，计算出面阵探测器的成像面在垂直于所述射线源焦点和所述回转中心轴线所在的平面内的扭转角度。

一种基于双丝模型的CT***结构参数测量方法，所述CT***带有射线源、工作转台、线阵探测器，所述工作转台的回转中心与线阵探测器的条状成像面的长度方向垂直，射线源焦点和所述回转中心轴线所在平面与线阵探测器的条状成像面垂直；所述方法利用双丝模型对CT***结构参数进行测量，双丝模型上设置有两根相互平行的丝；测量步骤为：

1）将双丝模型置于CT工作转台上，使双丝模型上的两根金属丝与工作转台的回转中心平行，并使回转中心轴线位于所述两根金属丝所在平面之外；

2）旋转CT工作转台，根据两根金属丝、所述回转中心轴线、两根金属丝在探测器上的投影三者的几何关系，通过计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距，以及探测器成像面与射线源焦点的间距。

进一步，所述步骤2）具体为：旋转CT工作转台，使所述两根金属丝在360°回转范围内两次在探测器上的投影重合，记录该两次投影重合位置的回转夹角，根据所述回转夹角、两根金属丝所在平面距所述回转中心轴线的距离和两根金属丝在探测器上的投影的间距，计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距，以及探测器成像面与射线源焦点的间距。

进一步，所述两根金属丝与所述回转中心轴线距离相等；所述步骤2）具体为：旋转CT工作转台，得到360°回转范围内两根金属丝在探测器的成像面上投影间距最大的第一位置，再以第一位置为起点使CT转台旋转180°得到第二位置，根据两根金属丝在第一位置、第二位置时在探测器上的投影的间距和两根金属丝所在平面距所述回转中心的距离，以及两根金属丝的距离，计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距，以及探测器成像面与射线源焦点的间距。

一种用于上述测量方法的双丝模型，该双丝模型包括外壳，外壳空腔内间隔设置有两根相互平行的金属丝，外壳外表面上设置有供与CT***上的工作转台同心连接的轴头，该轴头轴线与两根金属丝平行并位于两根金属丝所在平面之外。

进一步，所述外壳由两端开口的圆筒形筒体及筒体两端的端盖组合而成，所述两根金属丝设置在两端盖之间，所述轴头设置在其中一个端盖的外表面上，并且该轴头与筒体同心。

进一步，所述筒体的两端盖上设置有安装孔，所述金属丝穿设固定在所述安装孔中。

进一步，所述筒体两端面上设置有定位槽，所述两端盖的内表面上设置有定位凸棱或定位条，通过使端盖上的定位凸棱或定位条与筒体端面上的定位槽相配合，使两端盖上的所述安装孔位置相对。

进一步，所述金属丝为金、银、钼、钨或铜材质。

进一步，所述筒体为PC或ABS材质。

本发明既适用于锥束CT的结构参数获取，也适用于线阵CT。测量过程中，仅需旋转双丝模型装置，而无需进行平移、升降等操作；仅需简单的几何计算，而无需复杂的迭代计算；可同时获得源在探测器上的投影坐标、源-旋转中心距离、源-探测器距离，以及面阵探测器的扭转角。采用本发明的方法和双丝模型装置，整个CT***结构参数的获取过程完全可以通过程序自动完成，不需要人工干预。

附图说明

图1为本发明基于双丝模型的CT***结构参数第一种测量方法的示意图；

图2为本发明基于双丝模型的CT***结构参数第二种测量方法的示意图；

图3为测量面阵探测器的成像面扭转角度的示意图；

图4为本发明中双丝模型装置的结构示意图；

图5为图4中筒体的示意图；

图6为图4中下端盖的示意图。

具体实施方式

下面参考附图对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的具体实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的具体实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等描述相对空间关系的术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

实施例1

实施例1是本发明中基于双丝模型的CT***结构参数第一种测量方法针对面阵探测器锥束CT***进行测量的情况，下面结合图1详细说明。

CT***中包含射线源、工作转台、面阵探测器，工作转台位于射线源和面阵探测器之间，工作转台的回转中心轴线O与面阵探测器的成像面d平行，射线源焦点s和回转中心轴线O所在平面与面阵探测器的成像面d垂直；双丝模型上设置有两根相互间隔且相互平行的丝A、B；测量步骤为：

1）将双丝模型安装在CT***中的工作转台上，使双丝模型上的两根金属丝A、B与工作转台的回转中心轴线O平行，并使回转中心轴线O位于两根金属丝A、B所在平面之外；

2）旋转CT***中的工作转台，使两根金属丝A、B在360°范围内围绕回转中心轴线O旋转，期间必然存在两个位置，这两个位置的两根金属丝A和B与射线源焦点s处于同一平面上，其中一个位置B在A与s之间，而另一个位置A在B与s之间。旋转到这两个位置时，A、B在探测器的投影面d上的投影重合，两根金属丝A和B在探测器的投影面d上的投影分别为P1和P2，能够从中获知P1、P2两条投影的距离P1P2；P0是P1P2的中点，记录这两次投影重合位置的回转夹角α。在安装双丝模型时，可获知两根金属丝A、B所在平面距回转中心轴线O的距离r。回转中心轴线O与射线源焦点s的间距Dso=r/cos(α/2)；探测器的成像面d与射线源焦点s的间距Dsd=P0P1/cos(α/2)。

实施例2

实施例2是本发明基于双丝模型的CT***结构参数第一种测量方法针对线阵探测器CT***进行测量的情况，与实施例1基本相同，不同之处在于，面阵探测器与线阵探测器的成像面的形状不同，线阵探测器是条状成像面，因此实施例1中工作转台的回转中心轴线O与面阵探测器的成像面d平行，而在实施例2中射线源焦点s和回转中心轴线O所在平面与线阵探测器的条状成像面d垂直。

实施例3

实施例3是本发明基于双丝模型的CT***结构参数第二种测量方法针对面阵探测器锥束CT***进行测量的情况，下面结合图2详细说明。

CT***中包含射线源、工作转台、面阵探测器，工作转台位于射线源和面阵探测器之间，工作转台的回转中心轴线O与面阵探测器的成像面d平行，射线源焦点s和回转中心轴线O所在平面与面阵探测器的成像面d垂直；双丝模型上设置有两根相互间隔且相互平行的丝A、B；测量步骤为：

1）将双丝模型安装在CT***中的工作转台上，使双丝模型上的两根金属丝A、B与工作转台的回转中心轴线O平行，并使回转中心轴线O位于两根金属丝A、B所在平面之外，两根金属丝A、B与回转中心轴线O距离相等；

2）旋转CT***的工作转台，使两根金属丝A、B在360°范围内围绕回转中心轴线O旋转，期间必然存在两个位置，先确定两根金属丝A、B在探测器的成像面d上投影间距最大的第一位置，再以第一位置为起点使CT转台旋转180°得到第二位置，在第一位置上两根金属丝A、B在探测器的投影面d上的投影为P5、P6，在第二位置上两根A、B在探测器的投影面d上的投影为P3、P4，这两个位置的两根金属丝A和B所在的平面必然垂直于射线源焦点s与回转中心轴线O所在的平面，从中能够获知投影P3、P4的距离P3P4，投影P5、P6的距离P5P6，P0是P3P4的中点，也是P5P6的中点，在安装双丝模型时，容易获知两根金属丝A、B所在平面距回转中心轴线O的距离r，以及两根金属丝A、B的距离AB。联立

公式1：

和公式2：

计算得出回转中心轴线O与射线源焦点s的间距Dso；探测器的成像面d与射线源焦点s的间距Dsd。

实施例4

实施例4是本发明基于双丝模型的CT***结构参数第二种测量方法针对线阵探测器CT***进行测量的情况，与实施例3基本相同，不同之处在于，面阵探测器与线阵探测器的成像面的形状不同，线阵探测器是条状成像面，因此实施例1中工作转台的回转中心轴线O与面阵探测器的成像面d平行，而在实施例2中射线源焦点s和回转中心轴线O所在平面与线阵探测器的条状成像面d垂直。

在实施例1和实施例3中，面阵探测器的成像面d上设置有二维坐标系，结合图3，根据该成像面上所述两根金属丝的投影A’、B’在坐标系中的斜率k，计算出面阵探测器的成像面在垂直于射线源焦点s和回转中心轴线O所在的平面内的扭转角度θ=arctan(k)。

通过用上述测量方法获取的参数对CT***进行调校，有助于提高CT图像重建质量。

下面结合附图4、图5和图6具体介绍在上述测量方法中所用到的双丝模型装置。该双丝模型装置包括外壳和金属丝，所述外壳由两端开口的筒体1及筒体1两端的端盖2和3组合而成；筒体1为圆筒形，其上下两个端面上分别安装有上端盖2和下端盖3；筒体1内腔沿轴线方向平行设置有两根金属丝A和B，且金属丝A和B与筒体1的轴线不在同一平面内。上端盖2和下端盖3上分别设置有用于固定金属丝A和B的定位孔6和7，下端盖3的下端面上设置有用于同转台安装固定的轴头8，通过轴头8插置在转台上的方式，使该装置的回转轴线与转台的旋转轴线重合，并使该装置可随转台一起旋转。筒体1的上下端面上设置有定位槽5，上端盖2和下端盖3面向筒体的端面上设置有与定位槽5相配合卡置固定的定位条4或者凸棱。优选地，金属丝A和B为金、银、钼、钨或铜等密度大、延展性好的金属材料；筒体1为PC或ABS等有机轻质材料。

Claims (10)

1.一种基于双丝模型的CT***结构参数测量方法，所述CT***带有射线源、工作转台、面阵探测器，其特征在于，所述工作转台的回转中心轴线与面阵探测器的成像面平行，射线源焦点和所述回转中心轴线所在平面与面阵探测器的成像面垂直；所述方法利用双丝模型对CT***结构参数进行测量，双丝模型上设置有两根相互间隔且相互平行的丝；测量步骤为：

1）将双丝模型置于CT工作转台上，使双丝模型上的两根金属丝与工作转台的回转中心轴线平行，并使回转中心轴线位于所述两根金属丝所在平面之外；

2）旋转CT工作转台，根据两根金属丝、所述回转中心轴线、两根金属丝在探测器上的投影三者的几何关系，通过计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距，以及探测器成像面与射线源焦点的间距。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2）具体为：旋转CT工作转台，使所述两根金属丝在360°回转范围内两次在探测器上的投影重合，记录该两次投影重合位置的回转夹角，根据所述回转夹角、两根金属丝所在平面距所述回转中心轴线的距离和两根金属丝在探测器上的投影的间距，计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距，以及探测器成像面与射线源焦点的间距。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述两根金属丝与所述回转中心轴线距离相等；所述步骤2）具体为：旋转CT工作转台，得到360°回转范围内两根金属丝在探测器的成像面上投影间距最大的第一位置，再以第一位置为起点使CT转台旋转180°得到第二位置，根据两根金属丝在第一位置、第二位置时在探测器上的投影的间距和两根金属丝所在平面距所述回转中心的距离，以及两根金属丝的距离，计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距，以及探测器成像面与射线源焦点的间距。

4.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述面阵探测器的成像面上设置有二维坐标系，根据该成像面上所述两根金属丝的投影在所述坐标系中的斜率，计算出面阵探测器的成像面在垂直于所述射线源焦点和所述回转中心轴线所在的平面内的扭转角度。

5.一种基于双丝模型的CT***结构参数测量方法，所述CT***带有射线源、工作转台、线阵探测器，其特征在于，所述工作转台的回转中心与线阵探测器的条状成像面的长度方向垂直，射线源焦点和所述回转中心轴线所在平面与线阵探测器的条状成像面垂直；所述方法利用双丝模型对CT***结构参数进行测量，双丝模型上设置有两根相互平行的丝；测量步骤为：

1）将双丝模型置于CT工作转台上，使双丝模型上的两根金属丝与工作转台的回转中心平行，并使回转中心轴线位于所述两根金属丝所在平面之外；

2）旋转CT工作转台，根据两根金属丝、所述回转中心轴线、两根金属丝在探测器上的投影三者的几何关系，通过计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距，以及探测器成像面与射线源焦点的间距。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2）具体为：旋转CT工作转台，使所述两根金属丝在360°回转范围内两次在探测器上的投影重合，记录该两次投影重合位置的回转夹角，根据所述回转夹角、两根金属丝所在平面距所述回转中心轴线的距离和两根金属丝在探测器上的投影的间距，计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距，以及探测器成像面与射线源焦点的间距。

7.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述的两根金属丝与所述回转中心轴线距离相等；所述步骤2）具体为：旋转CT工作转台，得到360°回转范围内两根金属丝在探测器的成像面上投影间距最大的第一位置，再以第一位置为起点使CT转台旋转180°得到第二位置，根据两根金属丝在第一位置、第二位置时在探测器上的投影的间距和两根金属丝所在平面距所述回转中心的距离，以及两根金属丝的距离，计算得到CT工作转台回转中心轴线与射线源焦点的间距，以及探测器成像面与射线源焦点的间距。

8.一种用于如权利要求1-7任一项所述测量方法的双丝模型装置，其特征在于，该双丝模型装置包括外壳，外壳空腔内间隔设置有两根相互平行的金属丝，外壳外表面上设置有供与CT***上的工作转台同心连接的轴头，该轴头轴线与两根金属丝平行并位于两根金属丝所在平面之外。

9.如权利要求8所述的双丝模型装置，其特征在于，所述外壳由两端开口的圆筒形筒体及筒体两端的端盖组合而成，所述两根金属丝设置在两端盖之间，所述轴头设置在其中一个端盖的外表面上，并且该轴头与筒体同心。

10.如权利要求9所述的双丝模型装置，其特征在于，所述筒体的两端盖上设置有安装孔，所述金属丝穿设固定在所述安装孔中。