专利名称：立式锥束计算机断层成像校准系统及应用该系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种立式锥束CT (Computer Tomography，计算机断层成像技术)系统校准的方法，尤其是指射线源与探测器固定，通过使样本与载物台一起随旋转轴旋转、上下前后移动获取扫描数据的锥束CT系统的校准方法，更具体的涉及了一种用FDK算法进行重建的锥束CT系统校准的方法。FDK算法是i^ldkamp，Davis, Kress在1984年提出的基于锥束投影的滤波反投影重建算法。
背景技术：
锥束CT系统具有空间分辨率高，采集时间短和射线利用率高等显著特点。锥束CT 系统中一般常用的重建算法是FDK算法。FDK算法是i^ldkamp,Davis,Kress在1984年提出的基于锥束投影的滤波反投影重建算法，其特点是理论结构简单，重建速度快，易于实际应用，尤其是在锥角较小的情况下可获得较好的重建结构。然而，FDK算法要求应用该算法的系统满足一定的成像几何结构锥束CT系统中，与探测器垂直且经过射线源的平面称为中平面，旋转轴与中平面垂直，同时与探测器像元阵列的列方向平行、行方向垂直；过锥束射线源焦点做垂直探测器的直线，该直线经过旋转轴；旋转轴的旋转保持稳定，在旋转过程中始终保持与中平面垂直；射线源到探测器的垂线的垂足是用于重建的投影图像的中心。然而由于零部件机械加工精度有限以及安装误差，锥束CT系统安装完成之后，系统成像几何结构无法精确满足FDK算法的要求，即使经过算法几何校正修正，重建图像的质量也会有所下降。本发明提出的一种立式锥束CT系统校准方法评估当前系统的成像几何结构，并给出系统机械微调的指导意见。锥束CT系统经调整后在机械上达到一个比较精确地成像几何结构，减少重建算法中几何校正的负担。锥束CT系统的成像几何结构越接近 FDK算法要求的成像几何结构，系统的重建效率越高，重建图像的质量也越高。所以，锥束 CT系统校准可以有效提高系统的重建效率和重建图像质量。
发明内容
技术问题本发明要解决的技术问题是提了供一种立式锥束CT系统校准系统及应用该系统的立式锥束CT系统校准方法，以提高系统的重建效率和重建质量
技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种立式锥束CT系统校准系统，该系统包括X射线源、与X射线源相距一定距离的探测器和设置在X射线源与探测器之间的载物台、用于固定载物台的旋转轴、固定在载物台上的金属球校准模型；其中金属球校准模型在扫描过程中与载物台一起随旋转轴旋转；X射线源与探测器的位置固定不动，通过载物台旋转获取投影数据；金属球校准模型上固定一金属球；金属球校准模型、载物台和旋转轴构成样本系统。优选的，金属球校准模型是有机玻璃制成的圆柱形杯子，杯子的上边缘固定金属球。本发明还提供了一种立式锥束CT校准方法，该方法包括以下步骤测量旋转轴在旋转过程中的旋转中心；测量旋转轴的旋转一致性；所述旋转一致性是指使样本系统固定在某个位置，使金属球校准模型位于合适的旋转采样点，金属球校准模型旋转360° M次， M为自然数，分别在每次旋转后计算金属小球的位置，金属小球位置的一致性就是旋转轴的旋转一致性；测量旋转轴在垂直移动过程中的一致性；所述旋转轴在垂直移动过程中的一致性是指在旋转轴上下移动的过程中旋转中心的一致性；测量旋转轴在水平移动过程中的一致性，所述旋转轴在水平移动过程中的一致性是指在旋转轴前后移动的过程中旋转中心的一致性；
根据上述数实现立体锥束CT校准系统的校准。优选的，所述旋转轴的旋转中心的测量方法是使样本系统固定在某个位置，金属球校准模型随旋转轴旋转，均勻地取N个旋转采样点并取其在探测器上的投影图像；根据金属球校准模型旋转一周的投影数据计算旋转轴的旋转中心，N为偶数。优选的，所述测量旋转轴的旋转一致性的测量方法是使样本系统固定在某个位置，金属球校准模型随旋转轴旋转，均勻地取N个旋转采样点并取其在探测器上的投影图像，N为偶数；比较M次旋转中，相同位置金属小球的投影位置和旋转中心投影位置的偏移， 根据偏移量即可知道旋转轴的旋转一致性，M为自然数。优选的，旋转轴在垂直移动过程中的一致性的测量方法为在垂直方向，样本系统上下移动使金属球校准模型在旋转过程中金属小球的投影轨迹完整落在探测器上，在这个垂直范围内选取V个采样点，V为偶数，其中V/2个垂直采样点位于中平面上方，V/2个垂直采样点位于中平面下方；在每个垂直采样点，金属球校准模型随旋转轴旋转，在N个均勻间隔的位置取其投影，N为偶数，计算每个旋转采样点金属小球在探测器上的投影位置，并计算旋转轴中心点在探测器上的投影位置，比较V个垂直采样点计算所得的旋转中心点的偏移，即可知道旋转轴在垂直移动过程中的一致性。优选的，旋转轴在水平移动过程中的一致性的测量方法为在水平方向，样本系统水平移动范围内取H个水平采样点，H为自然数；在每个水平采样点，分别测量该水平位置旋转轴垂直移动的一致性，根据该水平位置V个垂直采样点计算的旋转轴中心投影，V为偶数，计算该水平位置射线源焦点在探测器上的投影点；比较H个水平采样点位置计算得到的射线源焦点的投影的偏移，即可知道旋转轴在水平移动过程中的一致性。优选的，所述的立式锥束CT系统采用FDK算法进行重建；FDK算法对立式锥束CT 系统的成像几何结构的要求是旋转轴与中平面垂直，同时与探测器像元阵列的列方向平行、行方向垂直；过X射线源焦点做垂直探测器的直线，该直线经过旋转轴；旋转轴的旋转保持稳定，在旋转过程中始终保持与中平面垂直；X射线源到探测器的垂线的垂足是用于重建的投影图像的中心。优选的，金属球校准模型是一个有机玻璃制的圆柱形杯子，杯子的上边缘固定一个金属球。有益效果
本发明提出的一种立式锥束CT系统校系统及方法，在样本系统水平运动范围内取若干个样本点，每个样本位置测量载物台垂直方向移动的一致性，获取每个位置旋转中心曲线。在同一平面中显示所有水平采样位置的旋转中心曲线。需要注意的是，样本系统从靠近探测器位置向靠近射线源位置移动的过程中，系统成像的放大倍数从小变大，探测器上一个像素所表示的实际长度从大变小。所以在比较各个水平位置旋转中心偏移前，需要将旋转中心位置转换成相同的数量单位。当系统几何结构存在微小的偏差的时候，在最靠近探测器位置估算的射线源焦点在探测器上的投影位置是最接近真实值的，而在最靠近射线源位置估算的焦点投影值偏离真实值最远，比较两个极限位置的偏差就可以确定射线源偏移的方向和大小。锥束CT系统中水平位置旋转中心的偏移表明系统中射线源、探测器与载物台的水平导轨的相对几何关系不满足FDK算法要求的几何结构。根据系统成像几何结构的测量，对射线源或CCD进行相应的微调。调整后重新测量系统的成像几何结构，验证之前的调整方向是否正确。多次测量与调整至无法通过机械方法精确系统的成像几何结构。
图1 立式锥束CT系统的扫描结构；
图加立式锥束CT系统校准所用的金属球校准模型的侧面； 图2b 立式锥束CT系统校准所用的金属球校准模型的俯视图； 图3 金属球校准模型的投影示意图； 图4 立式锥束CT系统校准过程的流程具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。为了更详尽地表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来说明技术效果。需要强调的是，这些实施例是用于说明本发明而不限制本发明的范围。本发明提出了一种立式锥束CT校准系统及应用于该系统的方法，尤其是射线源与探测器固定不动、载物台随旋转轴旋转，载物台与旋转轴构成的整体可以上下左右移动的锥束CT系统的成像几何结构的校准方法。特别指出的是该锥束CT系统的重建算法采用FDK算法，该算法是由Feldkamp， Davis和Kress在1984年提出的基于锥束投影的滤波反投影重建算法，参考他们在《美国光学会志，A辑光学、图像科学与视觉》1984年6月第1卷第6期612至619页发表的文章《实用的锥束重建算法》。FDK重建算法对系统的成像几何结构有一定的要求旋转轴与锥束射线源的中平面垂直，同时与探测器像元阵列的列方向平行、行方向垂直；过锥束射线源焦点做垂直探测器的直线，该直线经过旋转轴；旋转轴的旋转保持稳定，在旋转过程中始终保持与中平面垂直；射线源到探测器的垂线的垂足是用于重建的投影图像的中心。本发明提出了一种立式锥束CT系统校准方法，尤其是射线源与探测器固定不动、 载物台随旋转轴旋转上下左右移动的锥束CT系统的成像几何结构的校准方法，特别指出的是该锥束CT系统的重建算法采用FDK算法。FDK重建算法对系统的成像几何结构有一定的要求旋转轴与锥束射线源的中平面垂直，同时与探测器像元阵列的列方向平行、行方向垂直；过锥束射线源焦点做垂直探测器的直线，该直线经过旋转轴；旋转轴的旋转保持稳定，在旋转过程中始终保持与中平面垂直；射线源到探测器的垂线的垂足是用于重建的投影图像的中心。
参见图1 一图4，本发明提供的立式锥束CT系统校准系包括X射线源100、与X射线源100相距一定距离的探测器106和设置在X射线源100与探测器106之间的载物台 102、用于固定载物台102的旋转轴315、固定在载物台102上的金属球校准模型104。本发明中所说的中平面是指立式锥束CT校准系统中与探测器106垂直且经过X 射线源100的平面称为中平面。其中金属球校准模型104在扫描过程中与载物台102—起随旋转轴315旋转；X射线源100与探测器106的位置固定不动，通过载物台102旋转获取投影数据；金属球校准模型104上固定一金属球105 ；金属球校准模型104、载物台102和旋转轴315构成样本系统 201。金属球校准模型104是有机玻璃制成的圆柱形杯子，杯子的上边缘固定金属球 105。本发明提供的立式锥束CT校准方法包括以下步骤测量旋转轴315在旋转过程中的旋转中心；测量旋转轴315的旋转一致性；所述旋转一致性是指使样本系统201固定在某个位置，使金属球校准模型104位于合适的旋转采样点，金属球校准模型104旋转 360° M次，M为自然数，分别在每次旋转后计算金属小球105的位置，金属小球105位置的一致性就是旋转轴的旋转一致性；测量315旋转轴在垂直移动过程中的一致性；所述旋转轴315在垂直移动过程中的一致性是指在旋转轴上下移动的过程中旋转中心的一致性；测量旋转轴315在水平移动过程中的一致性，所述旋转轴315在水平移动过程中的一致性是指在旋转轴前后移动的过程中旋转中心的一致性；根据上述数实现立体锥束CT校准系统的校准。所述旋转轴的旋转中心的测量方法是使样本系统201固定在某个位置，金属球校准模型104随旋转轴315旋转，均勻地取N个旋转采样点并取其在探测器106上的投影图像；根据金属球校准模型104旋转一周的投影数据计算旋转轴的旋转中心，N为偶数。所述测量旋转轴的旋转一致性的测量方法是使样本系统201固定在某个位置， 金属球校准模型104随旋转轴315旋转，均勻地取N个旋转采样点并取其在探测器106上的投影图像，N为偶数；比较M次旋转中，相同位置金属小球105的投影位置和旋转中心投影位置的偏移，根据偏移量即可知道旋转轴的旋转一致性，M为自然数。旋转轴在垂直移动过程中的一致性的测量方法为在垂直方向，样本系统201上下移动使金属球校准模型104在旋转过程中金属小球105的投影轨迹完整落在探测器106 上，在这个垂直范围内选取V个采样点，V为偶数，其中V/2个垂直采样点位于中平面上方， V/2个垂直采样点位于中平面下方；在每个垂直采样点，金属球校准模型104随旋转轴315 旋转，在N个均勻间隔的位置取其投影，N为偶数，计算每个旋转采样点金属小球105在探测器106上的投影位置，并计算旋转轴中心点在探测器上的投影位置，比较V个垂直采样点计算所得的旋转中心点的偏移，即可知道旋转轴在垂直移动过程中的一致性。旋转轴在水平移动过程中的一致性的测量方法为在水平方向，样本系统201水平移动范围内取H个水平采样点，H为自然数；在每个水平采样点，分别测量该水平位置旋转轴垂直移动的一致性，根据该水平位置V个垂直采样点计算的旋转轴中心投影，V为偶数，计算该水平位置射线源焦点在探测器上的投影点；比较H个水平采样点位置计算得到的射线源焦点的投影的偏移，即可知道旋转轴在水平移动过程中的一致性。
所述的立式锥束CT系统采用FDK算法进行重建；FDK算法对立式锥束CT系统的成像几何结构的要求是旋转轴315与中平面垂直，同时与探测器106像元阵列的列方向平行、行方向垂直；过X射线源100焦点做垂直探测器106的直线，该直线经过旋转轴315 ；旋转轴315的旋转保持稳定，在旋转过程中始终保持与中平面垂直；X射线源到探测器的垂线的垂足是用于重建的投影图像的中心。金属球校准模型104是一个有机玻璃制的圆柱形杯子，杯子的上边缘固定一个金属球105。详细如下图1是立式锥束CT系统的扫描结构，立式锥束CT系统的组成部分包括微焦斑X射线源100，载物台102，金属球校准模型104和探测器106。金属球校准模型104 固定在载物台102上，载物台102固定在旋转轴315上。该系统中金属球校准模型104和载物台102可随旋转轴315旋转。金属球校准模型104、载物台102和旋转轴315构成样本系统201。样本系统201可沿着水平导轨前后移动，沿垂直导轨上下移动。X射线源100与探测器106的位置在系统安装完成后固定不变，但可以根据需要进行微调。图加是立式锥束CT系统校准所用的金属球校准模型104的侧面；图2b是立式锥束CT系统校准所用的金属球校准模型104的俯视图。金属球校准模型104是一个有机玻璃制的圆柱形杯子，杯子的上边缘有一个金属小球105。X射线源100、样本系统201和探测器106之间的相对位置不同，系统的放大倍数不一样，即当样本系统201靠近探测器106时系统放大倍数较小，而当样本系统201靠近X射线源100时系统放大倍数较大。因此，为了让金属校准模型104的投影图像尽量填满探测器106平面，样本系统201位于不同水平位置时不同直径的金属校准模型104，越靠近X射线源100的位置，金属球校准模型104杯体的直径就越小。图3是金属球校准模型在旋转过程的小球投影示意图。金属小球105相对于金属校准模型104尺寸很小，可以视为质点。金属校准模型104与载物台102 —起随旋转轴315 旋转过程中，小球质点312的运动轨迹是一个圆。在锥束投影中，如果质点在圆形轨迹上旋转，其投影314的轨迹就是一个椭圆。圆形轨迹中心的投影一定在旋转轴的投影线上。在小球质点312旋转的过程中，相隔180°的两个位置的小球质点连线一定经过旋转中心。由于锥束投影中一条直线在探测器上的投影仍然是一条直线，所以相隔180°的两个位置的小球质点的投影在探测器上的连线必定经过圆轨迹中心在探测器上的投影。小球质点经过 360°的旋转，在N (N为偶数)个均勻间隔的位置取其投影。相隔180°的两个位置的小球质点的投影连线经过旋转轴中心的投影，通过最小二乘方法可以根据N/2条直线方程求得旋转轴的旋转中心。图4是立式锥束CT系统的校准过程的流程图。立式锥束CT系统的校准过程主要包括旋转轴的旋转中心的测量；旋转轴的旋转一致性；旋转轴在垂直移动过程中的一致性；旋转轴在水平移动过程中的一致性。旋转轴的旋转中心的测量方法如下金属球校准模型104与载物台102随旋转轴 315旋转，每隔360/N。采集一幅投影图，计算金属小球105在探测器上的投影点。计算小球在探测器上投影点的方法在投影图中，由于金属球校准模型104 的有机玻璃杯和背景的灰度较高，金属小球105的灰度较低，可以使用阈值分割法将金属球分割出来。然后将分割出来的金属球范围的数据保存，并将灰度值归一化，即使图像中所有像素的灰度值分布在0-255之间。设分割出的金属球区域的点坐标为 ⑷，⑷，对应像素的灰度值为/扛,其中…，P , P是分割出的金属球区域的像素个数。令金属小球的投影点坐标为_，)，则该坐标可以通过如下公式计算得到
权利要求
1.一种立式锥束计算机断层成像校准系统，其特征在于该系统包括X射线源(100)、 与X射线源(100)相对设置且不接触的探测器(106)和设置在X射线源(100)与探测器 (106)之间的载物台(102)、用于固定载物台(102)的旋转轴(315)、固定在载物台(102)上的金属球校准模型(104);其中金属球校准模型(104)在扫描过程中与载物台(102) 一起随旋转轴(315)旋转；X射线源(100)与探测器(106)的位置固定不动，通过载物台(102)旋转获取投影数据；金属球校准模型(104)上固定一金属球(105)；金属球校准模型(104)、载物台(102)和旋转轴(315)构成样本系统(201)。
2.根据权利要求1所述的立式锥束计算机断层成像校准系统，其特征在于金属球校准模型(104)是有机玻璃制成的圆柱形杯子，杯子的上边缘固定金属球(105)。
3.一种用于权利要求1所述的系统的立式锥束计算机断层成像校准方法，其特征在于该方法包括以下步骤测量旋转轴(315)在旋转过程中的旋转中心；测量旋转轴 (315)的旋转一致性；所述旋转一致性是指使样本系统(201)固定在某个位置，使金属球校准模型(104)位于合适的旋转采样点，金属球校准模型(104)旋转360° M次，M为自然数， 分别在每次旋转后计算金属小球(105)的位置，金属小球(105)位置的一致性就是旋转轴的旋转一致性；测量(315)旋转轴在垂直移动过程中的一致性；所述旋转轴(315)在垂直移动过程中的一致性是指在旋转轴上下移动的过程中旋转中心的一致性；测量旋转轴(315) 在水平移动过程中的一致性，所述旋转轴(315)在水平移动过程中的一致性是指在旋转轴前后移动的过程中旋转中心的一致性；根据上述数实现立体锥束CT校准系统的校准。
4.根据权利要求3所述的立式锥束计算机断层成像系统校准方法，其特征在于所述旋转轴的旋转中心的测量方法是使样本系统(201)固定在某个位置，金属球校准模型 (104)随旋转轴(315)旋转，均勻地取N个旋转采样点并取其在探测器(106)上的投影图像； 根据金属球校准模型(104)旋转一周的投影数据计算旋转轴的旋转中心，N为偶数。
5.根据权利要求3所述的立式锥束计算机断层成像系统校准方法，其特征在于所述测量旋转轴的旋转一致性的测量方法是使样本系统(201)固定在某个位置，金属球校准模型(104)随旋转轴(315)旋转，均勻地取N个旋转采样点并取其在探测器(106)上的投影图像，N为偶数；比较M次旋转中，相同位置金属小球(105)的投影位置和旋转中心投影位置的偏移，根据偏移量即可知道旋转轴的旋转一致性，M为自然数。
6.根据权利要求3所述的立式锥束计算机断层成像系统校准方法，其特征在于旋转轴在垂直移动过程中的一致性的测量方法为在垂直方向，样本系统(201)上下移动使金属球校准模型(104)在旋转过程中金属小球(105)的投影轨迹完整落在探测器(106)上，在这个垂直范围内选取V个采样点，V为偶数，其中V/2个垂直采样点位于中平面上方，V/2个垂直采样点位于中平面下方；在每个垂直采样点，金属球校准模型(104)随旋转轴(315)旋转，在N个均勻间隔的位置取其投影，N为偶数，计算每个旋转采样点金属小球(105)在探测器(106)上的投影位置，并计算旋转轴中心点在探测器上的投影位置，比较V个垂直采样点计算所得的旋转中心点的偏移，即可知道旋转轴在垂直移动过程中的一致性。
7.根据权利要求3所述的立式锥束计算机断层成像系统校准方法，其特征在于旋转轴在水平移动过程中的一致性的测量方法为在水平方向，样本系统(201)水平移动范围内取H个水平采样点，H为自然数；在每个水平采样点，分别测量该水平位置旋转轴垂直移动的一致性，根据该水平位置V个垂直采样点计算的旋转轴中心投影，V为偶数，计算该水平位置射线源焦点在探测器上的投影点；比较H个水平采样点位置计算得到的射线源焦点的投影的偏移，即可知道旋转轴在水平移动过程中的一致性。
8.根据权利要求3所述的立式锥束计算机断层成像系统校准方法，其特征在于所述的立式锥束CT系统采用FDK算法进行重建；FDK算法对立式锥束CT系统的成像几何结构的要求是旋转轴(315)与中平面垂直，同时与探测器(106)像元阵列的列方向平行、行方向垂直；过X射线源(100)焦点做垂直探测器(106)的直线，该直线经过旋转轴(315);旋转轴(315)的旋转保持稳定，在旋转过程中始终保持与中平面垂直；X射线源到探测器的垂线的垂足是用于重建的投影图像的中心。
9.根据权利要求3到8任一权利要求所述的立式锥束计算机断层成像系统校准方法， 其特征在于金属球校准模型(104)是一个有机玻璃制的圆柱形杯子，杯子的上边缘固定一个金属球(105)。
全文摘要
本发明涉及一种立式锥束CT校准系统及应用该系统的方法，该校准系统包括X射线源(100)、与X射线源(100)相距一定距离的探测器(106)和设置在X射线源(100)与探测器(106)之间的载物台(102)、用于固定载物台(102)的旋转轴(315)、固定在载物台(102)上的金属球校准模型(104)。该方法包括以下步骤测量旋转轴在旋转过程中的旋转中心；测量旋转轴的旋转一致性；测量旋转轴在垂直移动过程中的一致性；测量旋转轴在水平移动过程中的一致性。通过本发明使提高系统的重建效率和重建质量。
文档编号G01N23/04GK102253061SQ201110097958
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者张奎, 林晓珍, 罗守华, 顾宁 申请人:东南大学