CN112884862A - 基于质心投影轨迹拟合的锥束ct温度漂移校正方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明属于CT图像重建技术领域，特别涉及一种基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法及***，用于CT投影重建，首先依据CT原始投影图像数据，得到被投影物体质心投影轨迹曲线；然后通过局部区间长度比例及区间步长，利用该比例下的被投影物体局部区间质心投影估计未发生温度漂移时被投影物体整体投影轨迹曲线，通过做差获取温度漂移量；利用温度漂移量将原始投影图像亚像素级平移来实现CT图像偏移校正。本发明能够利用最小二乘拟合质心运动轨迹实现投影温度漂移校正，保证CT图像重建效果的同时，能够节约图像重建成本和资源，具有较好的应用前景。

Description

基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法及***

技术领域

本发明属于CT图像重建技术领域，特别涉及一种基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法及***。

背景技术

X射线计算机断层扫描技术(CT)迅速发展，在工业领域得到了广泛的应用。对于微米CT和纳米CT，由于其高精度、高分辨率的特点，对射线源和机械结构的稳定性要求很高。微纳米CT在工作过程中扫描时间长，外部环境温度在扫描期间发生变化，由此引起射线源的偏移和物体热胀冷缩，使得投影在水平和垂直方向发生漂移，导致重建物体包含严重的运动伪影，表现为边缘轮廓位置的模糊。为了观察物体的精细结构，人们提出了消除伪影的校正算法。现有的温度漂移校正算法可以分为两类：基于短时参考的迭代补偿法和基于体模的补偿法，这些方法在一定程度上可以消去伪影，但是短时参考补偿法需要对物体进行额外的扫描，浪费了时间和计算资源。基于体模的补偿法需要额外制作校正体模，增加实验成本。

发明内容

为此，本发明提供一种基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法及***，能够利用最小二乘拟合质心运动轨迹实现投影温度漂移校正，保证CT图像重建效果的同时，能够节约图像重建成本和资源。

按照本发明所提供的设计方案，提供一种基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，用于CT投影重建，包含如下内容：

依据CT原始投影图像数据，得到被投影物体质心投影轨迹曲线；

设置局部区间长度比例及区间步长，利用该比例下的被投影物体局部区间质心投影估计未发生温度漂移时被投影物体整体投影轨迹曲线；

依据估计得到的整体投影轨迹曲线和计算得到的投影轨迹曲线两者的曲线偏差获取温度漂移量；

通过温度漂移量将原始投影图像亚像素级平移来实现CT图像偏移校正。

作为本发明基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，利用CT原始投影图像，通过计算水平方向和垂直方向被投影物体原始质心来获取其投影轨迹曲线。

作为本发明基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，针对水平方向的温度漂移，利用二维投影图并通过固定纵坐标来遍历水平坐标获取一维数组，通过遍历投影角度得到水平方向的质心正弦图；针对垂直方向的温度漂移，利用二维投影图并依据设定的投影角度，遍历纵坐标对水平坐标的投影值获取一维曲线，计算一维曲线质心，通过遍历所有角度来获取垂直方向的质心正弦图。

作为本发明基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，通过设定投影间隔，使物体被扫描一周，并设定拟合曲线周期，利用先验知识的拟合曲线来估计整体投影轨迹曲线，其中，先验知识为水平方向和垂直方向投影总数拟合比例下的局部质心投影。

作为本发明基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，通过最小二乘法进行拟合来估计未发生温度漂移时被投影物体整体投影轨迹曲线，其中，拟合曲线方程表示为：r'(θ)＝a+bsin(ωθ)+ccos(ωθ)，θ为投影角度，a,b,c为待估计常数，w为已知常数。

作为本发明基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，温度漂移拟合比例设定为投影总数的后14％。

作为本发明基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，将拟合曲线和估计曲线在极值处对齐，获取对齐后的拟合曲线；通过对齐后的拟合曲线和估计曲线做差来得到温度漂移量。

作为本发明基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，将原始投影图像作为待平移图像，依据设定的图像插值倍数进行插值；针对插值后的图像，依据温度漂移量进行图像平移，通过图像采样来获取原始尺寸图像。

作为本发明基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，图像插值倍数大小设定为10。

进一步地，本发明还提供一种基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正***，用于CT投影重建，包含：数据处理模块、曲线估计模块、温漂计算模块和图像校正模块，其中，

数据处理模块，用于依据CT原始投影图像数据，得到被投影物体质心投影轨迹曲线；

曲线估计模块，用于通过设置局部区间长度比例及区间步长，利用该比例下的被投影物体局部区间质心投影估计未发生温度漂移时被投影物体整体投影轨迹曲线；

温漂计算模块，用于依据估计得到的整体投影轨迹曲线和计算得到的投影轨迹曲线两者的曲线偏差获取温度漂移量；

图像校正模块，用于通过温度漂移量将原始投影图像亚像素级平移来实现CT图像偏移校正。

本发明的有益效果：

本发明通过质心轨迹的估计曲线和实际曲线之间的差异计算水平和垂直方向的漂移，可以实现图像在亚像素级的漂移校正；并进一步为了提高抗噪声性能，对实际曲线进行拟合，并和无漂移估计曲线对齐后计算各角度下漂移偏差，通过插值-采样的亚像素级像素的平移，将漂移校正后的投影实施重建，即可获得去除温度漂移的重建物体，提升物体重建质量。通过实际数据和仿真数据的测试，本案方案能够较好地校正温度漂移，使重建切片边缘更加尖锐，实现较好的效果，具有较好的应用前景。

附图说明：

图1为实施例中基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法流程示意；

图2为实施例中锥束CT投影行质心正弦拟合温漂校正仿真效果图；

图3为束CT投影行质心正弦拟合温漂校正番茄种子伪影对比效果图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例，提供一种基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，用于CT投影重建，包含如下内容：依据CT原始投影图像数据，得到被投影物体质心投影轨迹曲线；设置局部区间长度比例及区间步长，利用该比例下的被投影物体局部区间质心投影估计未发生温度漂移时被投影物体整体投影轨迹曲线；依据估计得到的整体投影轨迹曲线和计算得到的投影轨迹曲线两者的曲线偏差获取温度漂移量；通过温度漂移量将原始投影图像亚像素级平移来实现CT图像偏移校正。

参见图1所示，首先根据原始投影图像计算被投影物体质心的投影轨迹。然后利用局部质心位置估计未发生温度漂移时整体的质心轨迹，最终根据曲线间的偏差计算温度漂移量。经次方法计算的温度漂移量可以实现图像在亚像素级的漂移校正，将图像平移亚像素距离。将漂移校正后的投影实施重建，即可获得去除温度漂移的重建物体，提升图像重建效率。

作为本发明实施例中基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，利用CT原始投影图像，通过计算水平方向和垂直方向被投影物体原始质心来获取其投影轨迹曲线。进一步地，针对水平方向的温度漂移，利用二维投影图并通过固定纵坐标来遍历水平坐标获取一维数组，通过遍历投影角度得到水平方向的质心正弦图；针对垂直方向的温度漂移，利用二维投影图并依据设定的投影角度，遍历纵坐标对水平坐标的投影值获取一维曲线，计算一维曲线质心，通过遍历所有角度来获取垂直方向的质心正弦图。

基于CT图像投影图像，可直接对原始的投影数据进行处理。对于水平方向的温漂，首先获得固定某一y方向的正弦图(通常取中间切片的y位置)，正弦图获取的方法是，投影I_θ(u,v)上固定纵坐标v₀，遍历水平坐标u得到一维数组

遍历投影角度θ，得到正弦图

通过下式计算：

其中，

是正弦图，i是正弦图的列序号。

正弦图的质心记做r_y(θ)，通过下式计算：

在垂直方向，二维投影图I_θ(u,v)针对某一投影角度，遍历纵坐标v对水平坐标u投影值求和得到一维曲线t_θ(v)，计算一维曲线t_θ(v)的质心，遍历所有角度θ，得到垂直方向的质心正弦曲线r_x(θ)。

作为本发明实施例中基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，通过设定投影间隔，使物体被扫描一周，并设定拟合曲线周期，利用先验知识的拟合曲线来估计整体投影轨迹曲线，其中，先验知识为水平方向和垂直方向投影总数拟合比例下的局部质心投影。

使用最小二乘法估计未发生温度漂移的质心轨迹曲线r'(θ)，由于正弦图的质心反映实际物体空间某一点的投影情况，可在进行实验时，使用全角度采集，也就是说通过设置投影间隔，使物体被扫描一周，在拟合曲线时可以加入先验知识，即正弦图质心的周期，根据以上分析，拟合曲线的周期应该为180，加入先验知识的拟合曲线，拟合误差更小。用于拟合的局部区间确定方法为：设置局部区间长度为投影数量的14％。以步长为1，将总投影划分为局部区间。将所有局部区间进行曲线拟合，其中包含二次谐波幅度最小的曲线对应的局部区间被认为是最优区间，使用此区间进行后续计算。可设拟合曲线方程为

r'(θ)＝a+bsin(ωθ)+ccos(ωθ)

其中a,b,c,d为待估计常数，w为已知常数。

其中

则A的计算式为

A＝(U^TU)^-1U^TR'

其中R'＝[r'(θ₁),r'(θ₂)...r'(θ_n)],n为投影图像数。最终得到水平方向无温漂的估计曲线r_x'(θ)和垂直方向估计曲线r_y'(θ)。

作为本发明实施例中基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，进一步地，将拟合曲线和估计曲线在极值处对齐，获取对齐后的拟合曲线；通过对齐后的拟合曲线和估计曲线做差来得到温度漂移量。进一步地，将原始投影图像作为待平移图像，依据设定的图像插值倍数进行插值；针对插值后的图像，依据温度漂移量进行图像平移，通过图像采样来获取原始尺寸图像。

抖动误差可由原始测量曲线和拟合曲线的差值近似计算，由于微纳米CT的噪声较大，所以对原始质心轨迹r_x(θ)和r_y(θ)进行步骤3的拟合，得到原始质心轨迹的拟合曲线R_x(θ)和R_y(θ)。由于最小二乘拟合时周期存在误差，故需要分别将R_x(θ)和r_x'(θ)、R_y(θ)和r_y'(θ)在极值处对齐，R_x(θ±φ)和R_y(θ±φ)是分别与预测曲线对齐后的拟合曲线，分别记为R_x(θ)和R_y(θ)。将水平方向上的拟合曲线R_x(θ±φ)和估计曲线r_x'(θ)做差，垂直方向上执行同样操作，得到漂移像素值，如下式所示：

Δ(θ)＝R(θ)-r'(θ)

其中Δ(θ)为计算漂移值。

为实现图像的亚像素级平移，可将图像10倍插值，再计算漂移值扩大10倍平移，再对插值后的图像采样，得到原始图像尺寸。

进一步地，基于上述的方法，本发明实施例还提供一种基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正***，用于CT投影重建，包含：数据处理模块、曲线估计模块、温漂计算模块和图像校正模块，其中，

数据处理模块，用于依据CT原始投影图像数据，得到被投影物体质心投影轨迹曲线；

曲线估计模块，用于通过设置局部区间长度比例及区间步长，利用该比例下的被投影物体局部区间质心投影估计未发生温度漂移时被投影物体整体投影轨迹曲线；

温漂计算模块，用于依据估计得到的整体投影轨迹曲线和计算得到的投影轨迹曲线两者的曲线偏差获取温度漂移量；

图像校正模块，用于通过温度漂移量将原始投影图像亚像素级平移来实现CT图像偏移校正。

为进一步验证本案方案有效性，参见图2和3所示，根据投影域局部质心位置通过最小二乘法拟合估计未产生漂移时质心轨迹曲线，通过计算预测曲线与实际曲线之间的差值，计算出投影在水平和垂直方向的温度漂移，通过图像插值和采样完成对图像的亚像素级平移。通过仿真数据和实际数据的测试完成所提出方法的验证，本案所提出的方案在保持重建切片细节的基础上，去除了切片边缘的漂移伪影，在视觉效果和定量指标均得到了满意的效果，能够快速准确的完成锥束CT温度漂移的校正。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，用于CT投影重建，其特征在于，包含如下内容：

依据CT原始投影图像数据，得到被投影物体质心投影轨迹曲线；

设置局部区间长度比例及区间步长，利用该比例下的被投影物体局部区间质心投影估计未发生温度漂移时被投影物体整体投影轨迹曲线；

依据估计得到的整体投影轨迹曲线和计算得到的投影轨迹曲线两者的曲线偏差获取温度漂移量；

通过温度漂移量将原始投影图像亚像素级平移来实现CT图像偏移校正。

2.根据权利要求1所述的基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，其特征在于，利用CT原始投影图像，通过计算水平方向和垂直方向被投影物体原始质心来获取其投影轨迹曲线。

3.根据权利要求1或2所述的基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，其特征在于，针对水平方向的温度漂移，利用二维投影图并通过固定纵坐标来遍历水平坐标获取一维数组，通过遍历投影角度得到水平方向的质心正弦图；针对垂直方向的温度漂移，利用二维投影图并依据设定的投影角度，遍历纵坐标对水平坐标的投影值获取一维曲线，计算一维曲线质心，通过遍历所有角度来获取垂直方向的质心正弦图。

4.根据权利要求1所述的基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，其特征在于，通过设定投影间隔，使物体被扫描一周，并设定拟合曲线周期，利用先验知识的拟合曲线来估计整体投影轨迹曲线，其中，先验知识为水平方向和垂直方向投影总数拟合比例下的局部质心投影。

5.根据权利要求1或4所述的基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，其特征在于，通过最小二乘法进行拟合来估计未发生温度漂移时被投影物体整体投影轨迹曲线，其中，拟合曲线方程表示为：r'(θ)＝a+b sin(ωθ)+c cos(ωθ)，θ为投影角度，a,b,c为待估计常数，w为已知常数。

6.根据权利要求1或4所述的基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，其特征在于，温度漂移拟合比例设定为投影总数的后14％。

7.根据权利要求1所述的基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，其特征在于，将拟合曲线和估计曲线在极值处对齐，获取对齐后的拟合曲线；通过对齐后的拟合曲线和估计曲线做差来得到温度漂移量。

8.根据权利要求1所述的基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，其特征在于，将原始投影图像作为待平移图像，依据设定的图像插值倍数进行插值；针对插值后的图像，依据温度漂移量进行图像平移，通过图像采样来获取原始尺寸图像。

9.根据权利要求8所述的基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正方法，其特征在于，图像插值倍数大小设定为10。

10.一种基于质心投影轨迹拟合的锥束CT温度漂移校正***，用于CT投影重建，其特征在于，包含：数据处理模块、曲线估计模块、温漂计算模块和图像校正模块，其中，

数据处理模块，用于依据CT原始投影图像数据，得到被投影物体质心投影轨迹曲线；

曲线估计模块，用于通过局部区间长度比例及区间步长，利用该比例下的被投影物体局部区间质心投影估计未发生温度漂移时被投影物体整体投影轨迹曲线；

温漂计算模块，用于依据估计得到的整体投影轨迹曲线和计算得到的投影轨迹曲线两者的曲线偏差获取温度漂移量；

图像校正模块，用于通过温度漂移量将原始投影图像亚像素级平移来实现CT图像偏移校正。

Images