CN105769233A - 一种几何校正方法 - Google Patents

Abstract

一种几何校正方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以探测器一侧中心为原点建立一个空间坐标系(x,y,z)和一个在探测器成像层上的平面坐标系(u,v)；2)设计校正模体，记录校正模体参数；3)采集该校正模体在不同角度下的X射线投影图像，并提取投影图像中的两组投影点的数据信息，并根据拟合公式将两组投影点在uv坐标系下分别拟合成两个椭圆方程；4)利用提取到的投影点的数据信息计算几何参数；5)根据几何参数对投影图像进行几何校正。本发明具有的有益效果：该校正方法不依赖于校正模体的空间位置，有效避免了模体空间位置误差而产生成像质量，大大提高了后期重建图像的质量。

Description

一种几何校正方法

技术领域

本发明属于放射医疗设备领域，具体涉及一种几何校正方法。

背景技术

电子计算机X射线断层成像技术CT(ComputedTomography)一种三维X射线成像技术，在目前核医学影像中发挥着至关重要的作用，CT为其他模态提供了结构信息和衰减校正信息。在成像过程中，X射线源安装在一个旋转架上面，它在沿一圆弧路径运动的同时产生X射线，与此同时探测器采集到多幅投影图像，通过重建算法将这些图像变为三维切片图像。在工作时，X射线源运动而探测器和对象都是静止的，它们的实际空间位置与理想的空间位置之间存在着一定的误差，如果不纠正这个误差，依然重建算法对投影图像进行重建，重建图像就会发生退化，这种退化就称为几何伪影。因而要得到好的重建图像就必须对该***进行几何校正。而该***和传统CT***的几何结构和工作原理存在区别，因此传统CT***中的几何校正方法并不完全适用于该***，因此，需要提出了一种全新的几何校正进行参数校正并重建图像。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种几何校正方法，能够在模体空间位置未知的前提下精确地计算出***的几何参数。

为解决现有技术问题，本发明采用的技术方案：一种几何校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以探测器一侧中心为原点建立一个空间坐标系(x,y,z)和一个在探测器成像层上的平面坐标系(u,v)；

2)设计校正模体，记录校正模体参数；

3)采集该校正模体在不同角度下的X射线投影图像，并提取投影图像中的两组投影点的数据信息，并根据拟合公式将两组投影点在uv坐标系下分别拟合成两个椭圆方程；

4)利用提取到的投影点的数据信息计算几何参数；

5)根据几何参数对投影图像进行几何校正。

优选的，校正模体包括基座和矩形片，基座和矩形片的厚度均为1cm，基座的长宽分别为30cm和12cm，上面有6个左右对称分布的卡槽，基座的底边与一块宽高均为12cm的矩形片连接形成一个整体，矩形片上镶嵌有12个直径为2mm的小钢珠，小钢珠形成一个直径为12cm的圆。

优选的，步骤3)中，拟合公式为：a(u－u₀)+b(v－v₀)+2c(u－u₀)(v－v₀)＝1。

优选的，步骤4)中，几何参数包括中心线束(u_s,v_s)，探测器摆角η，射线源到探测器的距离SDD，探测器成像层到碳盖板的距离DT，X射线源焦点空间坐标(FS_x,FS_y,FS_z)，探测器滚角机架旋转角ω，以及探测器投角θ。

优选的，中心线束(u_s,v_s)的计算公式为：

$P_S^0=(P_2^0\sqrt{a_1/b_1}+P_1^0\sqrt{a_2/b_2})/(\sqrt{a_1/b_1}+\sqrt{a_2/b_2});$ 其中，u_s＝0， $P_S^0=v_s.$

优选的，探测器摆角的计算方法为：根据公式 $\mathrm{\η}=\[P_2^S{\tan }^{-1}(c_1/b_1)-P_1^S{\tan }^{-1}(c_2/b_2)\]/(P_2^S-P_1^S)$ 计算得到摆角值；或者根据公式 $\mathrm{\η}={\tan }^{-1}(\[u_1^{\left(1\right)}-u_2^{\left(1\right)}\]/\[v_1^{\left(1\right)}-v_2^{\left(1\right)}\])$ 计算出多个η值，取均值得到摆角值。

优选的，1)射线源到探测器的距离的计算公式为：SDD＝2R·Lu·Ld/(H·Lu-H·Ld)；其中，Lu和Ld分别为校正模体中两个最高和两个最低的小钢珠在图像中投影点之间的距离；H为校正模体上两个圆之间的距离；R为圆的半径；2)探测器成像层到碳盖板的距离的计算公式为：DT＝SDD(Ld-2R)/Ld。

优选的，X射线源焦点空间坐标的计算公式为：

(FS_x-P_x)/(P_x-I_1x)＝[FS_y-(P_y+H/2)]/(P_y+H/2-I_1y)＝

[FS_z-(P_z+R)]/(P_z+R-I_1Z)；

(FS_x-P_x)/(P_x-I_4x)＝[FS_y-(P_y+H/2)]/(P_y+H/2-I_4y)＝

[FS_z-(P_z-R)]/(P_z-R-I_4Z)；[FS_z-(P_z+R)]/FS_z＝H/Lu；[FS_z-(P_z-R)]/FS_z＝H/Ld；其中，(P_x,P_y,P_z)是校正模体上的圆的中间点的坐标，据此得到点P₁(P_x,P_y+H/2，P_z+R)和点P₄(P_x，P_y+H/2，P_z-R)的坐标，P₁和P₄的投影点的坐标分别为I₁(I_1x，I_1y，I_1z)和I₄(I_4x，I_4y，I_4z)。

优选的，1)探测器滚角的计算公式为： ${\mathrm{\ξ}}_k=SDD\·a_k\sqrt{a_k}/\sqrt{a_k{b}_k+a_k^2{b}_k{\mathrm{SDD}}^2-c_k^2};$ 其中，k＝1、2，表示左右两个椭圆；2)机架旋转角的计算公式为：

优选的，探测器投角的计算公式为：θ＝sin^-1[(γ_θ-u_s)/(δ_θ-v_s)]；其中(γ_θ,δ_θ)为两个椭圆长轴方向上投影点之间的连线在平板探测器成像层平面的远处相交于一点的坐标。

本发明具有的有益效果：该校正方法不依赖于校正模体的空间位置，有效避免了模体空间位置误差而产生成像质量，大大提高了后期重建图像的质量。

附图说明

图1是本发明中CT***示意图；

图2是本发明中CT***坐标系示意图；

图3是本发明中校正模体示意图；

图4是本发明中椭圆参数示意图；

图5是本发明中X射线源中心线束示意图；

图6是本发明中小钢珠成像示意图；

图7是本发明中几何参数位置示意图；

图8是本发明中机架旋转角度和平板探测器滚角关系示意图。

附图标记：1基座；2矩形片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至8所示，一种几何校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以探测器一侧中心为原点建立一个空间坐标系(x,y,z)和一个在探测器成像层上的平面坐标系(u,v)。

2)设计校正模体，记录校正模体参数。校正模体包括基座1和矩形片2，基座和矩形片的厚度均为1cm，基座的长宽分别为30cm和12cm，上面有6个左右对称分布的卡槽，基座的底边与一块宽高均为12cm的矩形片连接形成一个整体，矩形片上镶嵌有12个直径为2mm的小钢珠，小钢珠形成一个直径为12cm的圆。

3)采集该校正模体在不同角度下的X射线投影图像，并提取投影图像中的两组投影点的数据信息，并根据拟合公式将两组投影点在uv坐标系下分别拟合成两个椭圆方程。拟合公式为：a(u－u₀)+b(v－v₀)+2c(u－u₀)(v－v₀)＝1。

4)利用提取到的投影点的数据信息计算几何参数。几何参数包括中心线束(u_s,v_s)，探测器摆角η，射线源到探测器的距离SDD，探测器成像层到碳盖板的距离DT，X射线源焦点空间坐标(FS_x，FS_y，FS_z)，探测器滚角机架旋转角ω，以及探测器投角θ。

中心线束(u_s,v_s)的计算公式为： $P_S^0=(P_2^0\sqrt{a_1/b_1}+P_1^0\sqrt{a_2/b_2})/(\sqrt{a_1/b_1}+\sqrt{a_2/b_2});$ 其中，u_s＝0， $P_S^0=v_s.$

探测器摆角的计算方法为：根据公式 $\mathrm{\η}=\[P_2^S{\tan }^{-1}(c_1/b_1)-P_1^S{\tan }^{-1}(c_2/b_2)\]/(P_2^S-P_1^S)$ 计算得到摆角值；或者根据公式 $\mathrm{\η}={\tan }^{-1}(\[u_1^{\left(1\right)}-u_2^{\left(1\right)}\]/\[v_1^{\left(1\right)}-v_2^{\left(1\right)}\])$ 计算出多个η值，取均值得到摆角值。

1)射线源到探测器的距离的计算公式为：SDD＝2R·Lu·Ld/(H·Lu-H·Ld)；其中，Lu和Ld分别为校正模体中两个最高和两个最低的小钢珠在图像中投影点之间的距离；H为校正模体上两个圆之间的距离；R为圆的半径。2)探测器成像层到碳盖板的距离的计算公式为：DT＝SDD(Ld-2R)/Ld。

X射线源焦点空间坐标的计算公式为：

(FS_x-P_x)/(P_x-I_1x)＝[FS_y-(P_y+H/2)]/(P_y+H/2-I_1y)＝

[FS_z-(P_z+R)]/(P_z+R-I_1Z)；

(FS₄-P_x)/(P_x-I_4x)＝[FS_y-(P_y+H/2)]/(P_y+H/2-I_4y)＝

[FS_z-(P_z-R)]/(P_z-R-I_4Z)；[FS_z-(P_z+R)]/FS_z＝H/Lu；[FS_z-(P_z-R)]/FS_z＝H/Ld；其中，(P_x,P_y,P_z)是校正模体上的圆的中间点的坐标，据此得到点P₁(P_x,P_y+H/2,P_z+R)和点P₄(P_x,P_y+H/2，P_z-R)的坐标，P₁和P₄的投影点的坐标分别为I₁(I_1x，I_1y，I_1z)和I₄(I_4x，I_4y，I_4z)。

1)探测器滚角的计算公式为： ${\mathrm{\ξ}}_k=\mathrm{SDD}\·a_k\sqrt{a_k}/\sqrt{a_k{b}_k+a_k^2{b}_k{\mathrm{SDD}}^2-c_k^2};$ 其中，k＝1、2，表示左右两个椭圆；2)机架旋转角的计算公式为：

探测器投角的计算公式为：θ＝sin^-1[(γ_θ-u_s)/(δ_θ-v_s)]；其中(γ_θ，δ_θ)为两个椭圆长轴方向上投影点之间的连线在平板探测器成像层平面的远处相交于一点的坐标。

5)根据几何参数对投影图像进行几何校正。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种几何校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以探测器一侧中心为原点建立一个空间坐标系(x，y，z)和一个在探测器成像层上的平面坐标系(u，v)；

2)设计校正模体，记录校正模体参数；

3)采集该校正模体在不同角度下的X射线投影图像，并提取投影图像中的两组投影点的数据信息，并根据拟合公式将两组投影点在uv坐标系下分别拟合成两个椭圆方程；

4)利用提取到的投影点的数据信息计算几何参数；

5)根据几何参数对投影图像进行几何校正。

2.根据权利要求1所述的一种几何校正方法，其特征在于，校正模体包括基座和矩形片，基座和矩形片的厚度均为1cm，基座的长宽分别为30cm和12cm，上面有6个左右对称分布的卡槽，基座的底边与一块宽高均为12cm的矩形片连接形成一个整体，矩形片上镶嵌有12个直径为2mm的小钢珠，小钢珠形成一个直径为12cm的圆。

3.根据权利要求1所述的一种几何校正方法，其特征在于，步骤3)中，拟合公式为：

a(u－u₀)+b(v－v₀)+2c(u－u₀)(v－v₀)＝1。

4.根据权利要求3所述的一种几何校正方法，其特征在于，步骤4)中，几何参数包括中心线束(u_s，v_s)，探测器摆角η，射线源到探测器的距离SDD，探测器成像层到碳盖板的距离DT，X射线源焦点空间坐标(FS_x，FS_y，FS_z)，探测器滚角机架旋转角ω，以及探测器投角θ。

5.根据权利要求4所述的一种几何校正方法，其特征在于，中心线束(u_s，v_s)的计算公式为： $P_S^0=(P_2^0\sqrt{a_1/b_1}+P_1^0\sqrt{a_2/b_2})/(\sqrt{a_1/b_1}+\sqrt{a_2/b_2});$ 其中，u_s＝0， $P_S^0=v_s.$

6.根据权利要求5所述的一种几何校正方法，其特征在于，探测器摆角的计算方法为：根据公式 $\mathrm{\η}=\[P_2^S{\tan }^{-1}(c_1/b_1)-P_1^S{\tan }^{-1}(c_2/b_2)\]/(P_2^S-P_1^S)$ 计算得到摆角值；或者根据公式 $\mathrm{\η}={\tan }^{-1}(\[u_1^{\left(1\right)}-u_2^{\left(1\right)}\]/\[v_1^{\left(1\right)}-v_2^{\left(1\right)}\])$ 计算出多个η值，取均值得到摆角值。

7.根据权利要求6所述的一种几何校正方法，其特征在于，1)射线源到探测器的距离的计算公式为：SDD＝2R·Lu·Ld/(H·Lu-H·Ld)；其中，Lu和Ld分别为校正模体中两个最高和两个最低的小钢珠在图像中投影点之间的距离；H为校正模体上两个圆之间的距离；R为圆的半径；2)探测器成像层到碳盖板的距离的计算公式为：DT＝SDD(Ld-2R)/Ld。

8.根据权利要求7所述的一种几何校正方法，其特征在于，X射线源焦点空间坐标的计算公式为：

(FS_x-P_x)/(P_x-I_1x)＝[FS_y-(P_y+H/2)]/(P_y+H/2-I_1y)＝

[FS_z-(P_z+R)]/(P_z+R-I_1Z)；

(FS_x-P_x)/(P_x-I_4x)＝[FS_y-(P_y+H/2)]/(P_y+H/2-I_4y)＝

[FS_z-(P_z-R)]/(P_z-R-I_4Z)；[FS_z-(P_z+R)]/FS_z＝H/Lu；[FS_z-(P_z-R)]/FS_z＝H/Ld；

其中，(P_x，P_y，P_z)是校正模体上的圆的中间点的坐标，据此得到点P₁(P_x，P_y+H/2，P_z+R)和点P₄(P_x，P_y+H/2，P_z-R)的坐标，P₁和P₄的投影点的坐标分别为I₁(I_1x，I_1y，I_1z)和I₄(I_4x，I_4y，I_4z)。

9.根据权利要求8所述的一种几何校正方法，其特征在于，1)探测器滚角的计算公式为： ${\mathrm{\ξ}}_k=SDD\·a_k\sqrt{a_k}/\sqrt{a_k{b}_k+a_k^2{b}_k{\mathrm{SDD}}^2-c_k^2};$ 其中，k＝1、2，表示左右两个椭圆；2)机架旋转角的计算公式为：

10.根据权利要求9所述的一种几何校正方法，其特征在于，探测器投角的计算公式为：

θ＝sin^-1[(γ_θ-u_s)/(δ_θ-v_s)]；其中(γ_θ，δ_θ)为两个椭圆长轴方向上投影点之间的连线在平板探测器成像层平面的远处相交于一点的坐标。