CN106650700B - 模体、测量***矩阵的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模体，包括基体；以及布设在所述基体中的标记物，其中，所述标记物的大小在至少一个维度上足够小，以使得所述标记物在该至少一个维度上的投影图像的尺寸小于探测器像素尺寸。本发明还涉及一种测量***矩阵的方法和相应的装置，该方法包括获取上述模体中体素的扩散函数；以及基于初始***矩阵和所述体素的扩散函数获得***矩阵。

Description

模体、测量***矩阵的方法及装置

技术领域

本发明涉及医学技术领域，尤其涉及模体及利用模体测量***矩阵的方法及装置。

背景技术

***矩阵建立了已知的投影图像与未知的重建体元之间的关系，可用于迭代重建算法、***仿真中的几何建模和伪影校正等。因此，迭代重建图像质量、***仿真和伪影校正结果均依赖于***矩阵的准确性。

最常见的***矩阵，将射线源焦点与探测器像素作为理想点考虑，通常采用基于射线束穿过体元形成的射线强度的线积分模型进行模拟计算。该***矩阵仅考虑了射线源的焦点、体元与探测器像素间的空间几何关系，而未考虑各种非理想几何因素的影响，诸如：

1)射线源的焦点一般具有非零有限尺寸。线积分模型将射线源的焦点作为理想点光源考虑，忽略了由于焦点具有一定尺寸和分布，从而可能引起的图像模糊；

2)探测器像素一般具有非零有限尺寸。线积分模型将探测器离散化，将探测器像素响应均视为1，忽略了由于探测器响应具有一定分布，从而引起的图像模糊；

为了将以上非理想几何因素引入***矩阵，现有技术通常采用以下方案：

1.将射线源的焦点、体素和探测器像素的几何尺寸划分为更小的单元，在焦点和探测器单元间用多条投影线模拟上述非理想几何因素。例如，图1中示出了此类现有技术方案的示例。

2.使用响应函数模拟焦点尺寸与探测器像素尺寸对***矩阵的影响。例如，图2中示出了此类现有技术方案的示例。

上述现有技术方案均需要测量射线源的焦点、体素、探测器像素尺寸和探测器响应分布等特性，并以此为基础进行后续计算。方法1和方法2相比较而言，方法1简单直接，在实际应用中用得较多，但其计算量比方法2大一到两个数量级以上，计算效率低且开销过大；而方法2虽然计算量较优，但响应函数通常难以准确模拟。

发明内容

根据本公开的一方面，一种模体包括：基体；以及布设在所述基体中的标记物，其中，标记物的大小在至少一个维度上足够小，以使得标记物在该至少一个维度上的投影图像的尺寸小于探测器像素尺寸。

根据该方面的一示例性实施例，该模体包括布设在基体不同位置处的多个标记物。

根据该方面的另一示例性实施例，标记物的布设使得它们在同一投影角度下的投影图像中的位置不重合。

根据该方面的又一示例性实施例，所述标记物为多个标记物，并且该多个标记物在所述基体中被布设为如下设计中的一种或多种：螺线型、直线型、曲线型、折线型。

根据该方面的再一示例性实施例，标记物的形状为小球形状、细丝形状、或两者的组合。

根据该方面的进一步示例性实施例，标记物的材料与基体的材料的吸收系数不同。

根据本公开的另一方面，一种测量***矩阵的方法包括：获取如上述任何示例性实施例所述的模体中体素的扩散函数；以及基于初始***矩阵和所述体素的扩散函数获得***矩阵。

根据该方面的一示例性实施例，标记物为小球，获取模体中体素的扩散函数包括：采集所述模体的投影图像，获取所述小球在所述投影图像中的投影中心点；以所述小球在所述投影图像中的投影中心点为中心选取预定邻域，以所述小球的投影中心点的灰度值为基准对该邻域的像素点的灰度值进行归一化；基于所述预定邻域中像素点到所述小球的投影中心点的距离及该像素点的归一化的灰度值生成所述小球的扩散函数；以及基于所述小球的扩散函数和插值函数生成所述模体中体素的扩散函数。

根据该方面的另一示例性实施例，基于所述小球的扩散函数和插值函数生成所述模体中体素的扩散函数包括：建立与所述小球的扩散函数对应的基函数；对与所述小球的扩散函数对应的基函数特征表示进行插值获得所述模体中体素的基函数特征表示；将所述模体中体素的基函数特征表示转换为与该体素对应的扩散函数。

根据该方面的又一示例性实施例，所述插值函数为：最近邻插值函数、三线性插值函数、B样条插值函数中的一种。

根据该方面的再一示例性实施例，所述标记物为细丝，所述获取模体中体素的扩散函数包括：采集第一投影角度下所述模体的投影图像，获取所述投影图像中细丝上每一个点在与细丝所在方向垂直的方向上的第一扩散函数；采集第二投影角度下所述模体的投影图像，获取细丝上每一个点在与细丝所在方向垂直的方向上的第二扩散函数；所述第一投影角度与所述第二投影角度垂直；将与所述细丝上每一个点对应的第一扩散函数和第二扩散函数相乘以获得细丝的扩散函数；基于所述细丝的扩散函数和插值函数生成所述模体中体素的扩散函数。

根据该方面的进一步示例性实施例，获取所述投影图像中细丝上的点在与细丝所在方向垂直的方向上的扩散函数包括：获取所述细丝上的点在所述投影图像中的投影中心点；以所述细丝上该点在所述投影图像中的投影中心点为中心选取预定邻域，以所述细丝上该点的投影中心点的灰度值为基准对该邻域的像素点的灰度值进行归一化；基于所述预定邻域中像素点到所述细丝上该点的投影中心点的距离及该像素点的归一化的灰度值生成所述细丝上该点在与细丝所在方向垂直的方向上的扩散函数。

根据该方面的另一示例性实施例，基于所述细丝的扩散函数和插值函数生成所述模体中体素的扩散函数包括：建立与所述细丝的扩散函数对应的基函数特征表示；对与所述细丝的扩散函数对应的基函数特征表示进行插值获得所述模体中体素的基函数特征表示；将所述模体中体素的基函数特征表示转换为与该体素对应的扩散函数。

根据该方面的又一示例性实施例，所述插值函数为：最近邻插值函数、三线性插值函数、B样条插值函数中的一种。

本公开的又一方面还涉及相应的设备。

附图说明

图1示出了将非理想几何因素引入***矩阵的一种现有技术方案；

图2示出了将非理想几何因素引入***矩阵的另一种现有技术方案；

图3示出了根据本发明的示例性而非限定性示例的各种带有标记物的模体；

图4示出了根据本发明的示例性而非限定性示例的获取带标记物的模体中体素的扩散函数的方法的流程图；

图5示出了根据本发明的示例性而非限定性的实施例的测量螺旋CT/工业CT的***矩阵的方法的流程图；

图6示出了根据本发明的示例性而非限定性的实施例的测量***矩阵并用于***仿真的方法的流程图。

具体实施方式

将参照附图详细描述各实施例。在可能之处，相同附图标记将贯穿附图用于指代相同或类似部分。对特定示例和附图所作的引用是用于解说性目的，而无意限定本发明或权利要求的范围。措辞“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或解说”。本文中描述为“示例性”的任何实现不必然被解释为优于或胜过其他实现。

模体一般指体素位置对象，本发明采用的模体，其基体中布设有标记物利用所述模体进行相应的测试进而获取不同***的***矩阵。

根据本发明的一示例性而非限定性的实施例，所述模体为在均匀材质的基体中的不同位置处放置若干标记物，这些标记物与均匀材质的基体材料的吸收系数不同，从而使得在投影图像中易于将所述标记物和基体进行区分。这些均匀标记物可为不同材质，以考察不同材质对***矩阵的影响。

例如，图3(a)–(d)中示出了根据本发明的示例性而非限定性示例的各种此类模体及其应用。这些示例性模体可以为一均匀材质的圆柱体或六面体模体。但本领域普通技术人员可易于理解，模体的形状不限于此。模体的基体可采用PMMA等低原子序数材料，但适宜制作模体基体的材料并不限于此。

在图3(a)–(d)的示例性实施例中，各模体中进一步包括放置在基体的不同位置处的若干标记物。所述标记物可包括物理特性相同的标记物，诸如但不限于原子序数、电子密度等物理特性相同的均匀标记物。

标记物材料可采用例如钨、铝、铁等高原子序数材料，但适宜制作标记物的材料并不限于此。

标记物的大小在至少一个维度(例如，直径)上足够小。例如，标记物在投影数据中在该至少一个维度上的大小宜小于探测器像素尺寸。在一非限定性示例中，如探测器像素大小为0.2mm，射线源与探测器距离为1.5m，射线源与物体距离为1m，则标记物的直径宜小于0.13mm。

为使得标记物的大小在至少一个维度(例如，直径)上足够小，标记物的形状可采用例如珠形、丝形等。例如，在实际应用中可使用小球形状的标记物来进行测量。为了近似脉冲响应，必须采用非常小的球。例如，为使小球在投影平面的尺寸小于探测器尺寸，故其直径须小于几分之一毫米。受加工工艺影响，小球直径较难保证。

一种更简单的方法是使用丝状标记物，例如线状或细条状标记物。可将此类标记物垂直于扫描平面放置。在扫描过程中，线或细条被投影到探测器平面。与珠/球状相比，线状或细条状标记物的加工工艺更为简单，如钨丝可加工至十分之一毫米以下，从而其在直径维度上在探测器平面上的投影可视为理想点。

标记物的布设宜使得它们各自在同一投影角度下的位置不重合。这些标记物在模体中被布设为整体上形成一定的设计，诸如可包括但不局限于螺线状设计、直线型设计、曲线/折线型号设计、结合型等等或其任何组合。

在另一示例性实施例中，标记物的分布密度(或相应地，标记物之间在每个维度上的间距)可根据精度要求、设计需要等来配置。标记物的分布密度越大(或相应地，标记物之间在每个维度上的间距越小)，则对非理想集合因素的校正越好，但计算量和存储量会有相应的增加。

在进一步的实施例中，标记物与基体材料的吸收系数不同，在投影图像中清晰区分标记物与模体材料。

例如，根据一示例性实施例，提出一种测量***矩阵的模体，所用模体为均匀材质基体中不同位置处钻出若干平行于扫描平面的空气孔，用于放置极细的线状标记物；该线状标记物与基体材料的吸收系数不同，在投影图像中易于区分；模体表面还可刻度十字叉丝，其材料与藉此材料相同。

本发明通过使用此类带标记物的模体来将非理想几何因素的影响纳入到***矩阵的测量中去。

根据本发明的一方面，此类测量***矩阵的方法包括获取带标记物的模体中体素的扩散函数。此类测量***矩阵的方法还包括基于初始***矩阵和体素的扩散函数获得***矩阵。初始***矩阵例如可通过经典法来获得，也可以通过其他方式获得。

例如，参考图4，根据本发明的一示例性而非限定性的实施例，提出一种获取带标记物的模体中体素的扩散函数的方法400，其可包括例如如下步骤中的至少一步或多步：

1)获取在模体中放置或将放置标记物的精确几何位置(401)；

2)采集放置了标记物的模体的投影图像(402)；

3)基于投影图像并且基于标记物的精确几何位置，获得每个标记物的扩散函数(403)；以及

4)基于标记物的扩散函数和插值函数来得到该模体中的体素的扩散函数(404)。

为了获得标记物的扩散函数，可例如以每一标记物在投影图像中的投影中心点为中心来选取投影图像中的预定邻域，并且以该投影中心点的灰度值为基准，对该邻域中的像素点的灰度值进行归一化。该邻域例如可以是边长为2n+1的正方形，其中n>＝0，例如该邻域可以是5x5正方形区域。如本领域普通技术人员可知，该邻域可以采用任何合适的形状和大小。

在对该邻域中的像素点的灰度值进行归一化之后，可基于该预定邻域中的像素点到该投影中心点的距离及该像素点的归一化灰度值来生成该标记物的扩散函数。但是应理解，也可以不进行归一化而直接使用标记物的扩散函数，这同样在本发明的范围之内。

模体中的体素的扩散函数可基于标记物的扩散函数并通过使用插值函数来生成。插值函数可以使用本领域经常使用的各种插值函数，例如最近邻插值函数、三线性插值函数、B样条插值函数等。

为了生成模体中的体素的扩散函数，可以建立与标记物的扩散函数对应的基函数，并对该基函数的特征表示进行插值以获得模体中的体素的基函数特征表示。随后，可将模体中的体素的基函数特征表示转换为与该体素对应的扩散函数。

基于初始矩阵并且基于如上得到的与体素对应的扩散函数，便可获得***函数。由于利用了模体来实际测量孤立点处的、精确几何位置可确定的标记物，因此比简单的解析方式生成的***矩阵更直接、准确。并且在计算过程中，几何校正被引入到***矩阵计算中，从而减少额外的几何校正流程。

在该方法的进一步的实施例中，标记物可以为小球。在此示例性而非限定性的实施例中，该方法可包括以下一个或多个步骤：

1)获取嵌入的小球的几何位置(例如，对应于图4中的步骤401)。例如，该几何位置可包括空间三维坐标。嵌入的小球的几何位置可以通过例如工业CT来获得。

2)采集嵌入了小球的模体的投影图像(例如，对应于图4中的步骤402)。

3)基于投影图像并且基于小球的精确几何位置，获得每个小球的扩散函数(例如，对应于图4中的步骤403)。例如，根据步骤1)可获得小球精确几何位置。因为X射线***的位置坐标已知，所以可根据小球几何坐标、射线源到探测器距离等计算出上述小球标记物在探测器上的坐标位置，即为小球标记物的投影中心点。以此中心点来选取一定邻域(例如但不限于，5x5正方形邻域)以根据前述方法来获得小球标记物的扩散函数。小球标记物的扩散函数可为点扩散函数，其矩阵大小可与上述邻域大小相同。对每个标记物采取相同操作即可获得所有标记物的点扩散函数。根据不同的实施例，点扩散函数可以根据中心点灰度值进行归一化，也可以不归一化而直接使用。

4)基于小球标记物的扩散函数和插值函数来得到该模体中的体素的扩散函数(例如，对应于图4中的步骤404)。例如，这可通过如前所述地建立与小球标记物的扩散函数对应的基函数，对该基函数的特征表示进行插值以获得模体中的体素的基函数特征表示，并且随后将模体中的体素的基函数特征表示转换为与该体素对应的扩散函数来进行。所建立的基函数模型可以是例如高斯函数(例如，一维、二维……)、三次样条函数、B样条函数等，这可取决于具体需要。现有技术的线积分模型只考虑体素对投影中心点的贡献，而本发明通过测量方法将非理想因素引入，同时还考虑体素对投影中心点周边区域的贡献。

在该方法的另一进一步的实施例中，标记物可以为细丝。在此示例性而非限定性的实施例中，该方法可包括：

1)不放置线状标记物，获取模体中凹槽的精确几何位置(例如，对应于图4中的步骤401)。

2)将所述模体放置于目标扫描位置，使用墙壁激光和模体表面的十字叉丝，精确摆放模体；将线状标记物***所述模体的空气孔中在至少两个投影角度下采集所述模体的投影图像(例如，对应于图4中的步骤402)。例如，这两个投影角度可相互垂直，这是为了便于得到多个角度的下的与线状标记物即细丝所在方向垂直方向上的线扩散函数。

3)从该至少两个投影角度下所采集的投影图像分别获得细丝标记物上的每一个点在垂直于细丝所在方向的相应方向上的两个扩散函数，并且将与细丝标记物上的每一个点对应的两个扩散函数相乘，以获得细丝上的每一个点的扩散函数，进而得到了该细丝标记物的线扩散函数(例如，对应于图4中的步骤403)。例如，对细丝标记物上的每一个点在一个投影角度下的扩散函数的计算可以与上文中针对小球标记物的计算方式类似。

4)基于细丝标记物的扩散函数和插值函数来得到该模体中的体素的扩散函数(例如，对应于图4中的步骤404)。例如，这可包括建立与细丝的扩散函数对应的基函数特征表示；对与细丝的扩散函数对应的基函数特征表示进行插值获得模体中体素的基函数特征表示；以及将所述模体中体素的基函数特征表示转换为与该体素对应的扩散函数。

在根据本发明的又一示例性实施例中，可将本发明的***矩阵测量方法用于***仿真。***仿真用于空间分辨率分析、算法验证及算法比较(如射束硬化校正算法验证、FDK(Feldkamp-Davis-Kress)算法和迭代算法比较，以及FDK算法的各种滤波核比较)。例如，参考图6，根据本发明的一示例性而非限定性的实施例的测量***矩阵并用于***仿真的方法600可包括例如如下步骤中的至少一步或多步：

1)获取均匀标记物的精确几何位置及尺寸(601)；

2)将所用模体放于所需扫描位置，获得所述模体的投影图像(602)；

3)由投影图像计算得到***矩阵，循环计算直至完成所有***矩阵计算并存储(603)；

4)生成***仿真所用数字模体(例如，空间分辨率分析可以使用位于不同位置处的细线，算法验证及比较通常可使用Shepp-logan、Forbild等模体或实际CT图像作为数字模体)(604)；

5)测量获得所需能谱分布(605)；以及

6)使用***矩阵、能谱分布和数字模体，如下获得所述***仿真所用数字模体的投影图像(606)

其中Φ(E)为能谱分布，μ_w(E)为线性衰减系数，I_t为穿越长度。

本发明的测量***矩阵的方法可适于包括但不限于以上所述的各种应用等。本发明适用于各种医学图像处理，例如MRI、CT、PET等。本发明的方案通过将焦点尺寸、探测器像素尺寸、连续采集模式等非理想几何因素中的至少一者或多者引入到采用测量方法获得的***矩阵中，比简单的解析方式生成的***矩阵更直接、准确。

本领域普通技术人员应理解，本发明的有益效果并非由任何单个实施例来全部实现。各种组合、修改和替换均为本领域普通技术人员在本发明的基础上所明了。

此外，术语“或”旨在表示包含性“或”而非排他性“或”。即，除非另外指明或从上下文能清楚地看出，否则短语“X采用A或B”旨在表示任何自然的可兼排列。即，短语“X采用A或B”藉由以下实例中任何实例得到满足：X采用A；X采用B；或X采用A和B两者。另外，本申请和所附权利要求书中所用的冠词“一”和“某”一般应当被理解成表示“一个或多个”，除非另外声明或者可从上下文中清楚看出是指单数形式。

各个方面或特征将以可包括数个设备、组件、模块、及类似物的***的形式来呈现。应理解和领会，各种***可包括附加设备、组件、模块等，和/或可以并不包括结合附图所讨论的全部设备、组件、模块等。也可以使用这些办法的组合。

结合本文所公开的实施例描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协同的一个或多个微处理器、或任何其它此类配置。此外，至少一个处理器可包括可作用于执行以上描述的一个或多个步骤和/或动作的一个或多个模块。

此外，结合本文中所公开的方面描述的方法或算法的步骤和/或动作可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中实施。

本发明中通篇描述的各种方面的要素为本领域普通技术人员当前或今后所知的所有结构上和功能上的等效方案通过引述被明确纳入于此，且意在被权利要求书所涵盖。此外，本文所公开的任何内容都并非旨在贡献给公众——无论这样的公开是否在权利要求书中被显式地叙述。

Claims (15)

1.一种模体，用于***矩阵的测量，其特征在于，包括：

基体；以及

布设在所述基体中的标记物，其中，所述标记物的大小在至少一个维度上小到足以使得所述标记物在该至少一个维度上的投影图像的尺寸小于探测器像素尺寸，其中所述探测器采集射线源发出的射线束穿过所述模体后的投影图像。

2.如权利要求1所述的模体，其特征在于，所述模体包括布设在所述基体不同位置处的多个所述标记物。

3.如权利要求2所述的模体，其特征在于，所述标记物的布设使得它们在同一投影角度下的投影图像中的位置不重合。

4.如权利要求3所述的模体，其特征在于，所述标记物为多个标记物，并且所述多个标记物在所述基体中被布设为如下设计中的一种或多种：螺线型、直线型、曲线型、折线型。

5.如权利要求1所述的模体，其特征在于，所述标记物的形状为小球形状、细丝形状、或两者的组合。

6.如权利要求1所述的模体，其特征在于，所述标记物的材料与所述基体的材料的吸收系数不同。

7.一种测量***矩阵的方法，其特征在于，包括：

获取如权利要求1～6任一项所述的模体中体素的扩散函数；以及

基于初始***矩阵和所述体素的扩散函数获得***矩阵。

8.如权利要求7所述的测量***矩阵的方法，其特征在于，所述标记物为小球，所述获取模体中体素的扩散函数包括：

采集所述模体的投影图像，获取所述小球在所述投影图像中的投影中心点；

以所述小球在所述投影图像中的投影中心点为中心选取预定邻域，以所述小球的投影中心点的灰度值为基准对该邻域的像素点的灰度值进行归一化；

基于所述预定邻域中像素点到所述小球的投影中心点的距离及该像素点的归一化的灰度值生成所述小球的扩散函数；以及

基于所述小球的扩散函数和插值函数生成所述模体中体素的扩散函数。

9.如权利要求8所述的测量***矩阵的方法，其特征在于，基于所述小球的扩散函数和插值函数生成所述模体中体素的扩散函数包括：

建立与所述小球的扩散函数对应的基函数；

对与所述小球的扩散函数对应的基函数特征表示进行插值获得所述模体中体素的基函数特征表示；

将所述模体中体素的基函数特征表示转换为与该体素对应的扩散函数。

10.如权利要求8所述的测量***矩阵的方法，所述插值函数为：最近邻插值函数、三线性插值函数、B样条插值函数中的一种。

11.如权利要求7所述的测量***矩阵的方法，其特征在于，所述标记物为细丝，所述获取模体中体素的扩散函数包括：

采集第一投影角度下所述模体的投影图像，获取所述投影图像中细丝上每一个点在与细丝所在方向垂直的方向上的第一扩散函数；

采集第二投影角度下所述模体的投影图像，获取细丝上每一个点在与细丝所在方向垂直的方向上的第二扩散函数；所述第一投影角度与所述第二投影角度垂直；

将与所述细丝上每一个点对应的第一扩散函数和第二扩散函数相乘以获得细丝的扩散函数；

基于所述细丝的扩散函数和插值函数生成所述模体中体素的扩散函数。

12.如权利要求11所述的测量***矩阵的方法，其特征在于，获取所述投影图像中细丝上的点在与细丝所在方向垂直的方向上的扩散函数包括：

获取所述细丝上的点在所述投影图像中的投影中心点；

以所述细丝上该点在所述投影图像中的投影中心点为中心选取预定邻域，以所述细丝上该点的投影中心点的灰度值为基准对该邻域的像素点的灰度值进行归一化；

基于所述预定邻域中像素点到所述细丝上该点的投影中心点的距离及该像素点的归一化的灰度值生成所述细丝上该点在与细丝所在方向垂直的方向上的扩散函数。

13.如权利要求11所述的测量***矩阵的方法，其特征在于，基于所述细丝的扩散函数和插值函数生成所述模体中体素的扩散函数包括：

建立与所述细丝的扩散函数对应的基函数特征表示；

对与所述细丝的扩散函数对应的基函数特征表示进行插值获得所述模体中体素的基函数特征表示；

将所述模体中体素的基函数特征表示转换为与该体素对应的扩散函数。

14.如权利要求11所述的测量***矩阵的方法，其特征在于，所述插值函数为：最近邻插值函数、三线性插值函数、B样条插值函数中的一种。

15.一种测量***矩阵的设备，其特征在于，包括：

用于获取如权利要求1～6任一项所述的模体中体素的扩散函数的装置；以及

用于基于初始***矩阵和所述体素的扩散函数获得***矩阵的装置。

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