锥束ct成像系统的标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及X光计算机断层成像技术领域，尤其涉及一种锥束CT成像系统的标定 方法。
【背景技术】
[0002] 锥束CT(ConeBeamComputedTomography，CBCT)技术是应用锥束X光源围绕三 维物体作各个角度的旋转，获取物体在多个角度下的投影，然后运用锥束投影图的重建算 法重建出物体三维图像的技术。其原理主要是利用物体不同成分对X光的衰减系数不同的 特点，在物体后方探测器上得到能反映物体组分特征的投影图像。
[0003] CBCT系统的几何参数是指描述系统的X光源、物体和探测器之间的角度和位置的 几何参量。这些几何参量会影响物体的投影图像，并会作为重要的信息在重建算法中使用。 因此CBCT系统的几何参数标定具有提高重建图像质量，防止出现图像伪影的重要意义。
[0004] 在实际应用的过程中，CBCT系统中X光源的扫描轨迹不一定是完整的圆周，比如 相关技术中C-armCT系统的光源被固定在C型旋转臂上，医生可以在为患者手术的同时， 及时观察成像情况。这种C-armCT系统的扫描轨迹不是一个完整的圆周，另外由于重力的 作用，轨迹的中心会出现偏离圆心的情况，造成X光源到探测器的距离发生改变，这种沿不 规则轨道扫描的CBCT系统同样需要精确标定它的几何参数。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的 一个目的在于提出一种锥束CT成像系统的标定方法，该锥束CT成像系统的标定方法可以 对任意复杂轨道的CBCT系统进行标定，具有较强的普适性。
[0006] 为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的锥束CT成像系统的标定方法，包括 以下步骤：建造模体，其中，所述模体为标定参照物，所述模体大体上是塑料圆柱体，所述模 体的上下底面各镶嵌了两组钢珠，每组包括N(N不小于5)个钢珠，所述模体底面圆的直径 记为2r，所述两组钢珠中心所决定的两个平面的间距记为21 ;以所述钢珠投影在J系的所 有像素的值为权重对每个钢珠的投影求加权平均坐标值，以获取所述2N个钢珠中心的投 影坐标，并分别拟合出每组的N个钢珠中心投影坐标所在椭圆的轨迹T1和轨迹T2;分别将 所述每组的N个钢珠中心投影坐标在相应的轨迹上定好顺序，并得到i系下的原点0和交 点D以及计算角度n和A1、B1、A2、B2四点坐标，其中，所述2N个钢珠中心投影坐标均在所 述J系下表达，所述4、B1分别为Pp(^在OD上的投影，所述A2、B2分别为P2、Q2在所述OD 上的投影，称矩形P1P2Q1Q2 (长为21，宽为2r)为探测器绕所述J系下的/旋转角度0后， 所述模体被i系下的j/平面所截得的截面，所述角度n为所述探测器在绕所述X1旋转 所述角度9和绕所述J系下的/旋转角度P后，绕所述J系下的？旋转的角度；在所述 /-Zt平面内，根据所述角度n、所述原点〇、所述交点D、Q1坐标（sti)、P2坐标（S2,t2)、 A1坐标Ovz4)、A2坐标（J7VzA)、B1坐标)、B2坐标（*?,?)构造第一目标函数 f( 0 *，Wy*,Wz*)，并以此计算所述角度0、在所述/-Z'平面内的所述原点Ow坐标（wy,Wz) 和所述光源Ps坐标（sy，sz)，其中，所述原点Ow同时也是所述模体的中心；根据所述模体两 个底面圆上任意一点的投影应分别位于所述轨迹T1和所述轨迹T2上的几何关系来构造第 二目标函数<#)并计算所述角度供；根据所述原点〇、所述角度9、所述角度n、所述角度 妒和在所述y-Zt平面内的所述原点Ow坐标（wy,wz)和所述光源Ps坐标（sy,sz)以及钢珠 投影中心坐标间的位置关系构造第三目标函数H(t)并求出角度t;以及根据所述原点0、所 述角度Q、所述角度n、所述角度P、所述角度t和在所述/-Zi平面内的所述原点Ow坐标 (Wy,Wz)和所述光源Ps坐标（Sy,Sz)计算在 > 系下的光源Ps坐标（T)1 ,兄'#)和原点0坐 标_(4，凡，I)。
[0007] 根据本发明实施例的锥束CT成像系统的标定方法，具有以下有益效果：（1)可以 对任意复杂轨道的CBCT系统进行标定，具有较强的普适性。（2)利用一次投影即可得到该 投影位置的全部几何参数，从而对于CT系统扫描角度不全的情况非常有针对性。（3)不需 要预先知道任何系统的几何信息，可以用于自身机械精度很差的几何系统。
[0008] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述Y系为相对周围环境静止的世界坐标 系，所述M系以所述模体的中心为原点Ow，所述Y系以所述模体的轴为在开始投 影前，所述&/系以垂直于所述/^的射线为Xlv，所述I系下的21根据所述、所述 和右手定则确定；所述f系为描述所述探测器理想状态的虚拟探测器坐标系，所述i系 以所述光源Ps和所述原点〇 ￥的连线与所述探测器平面的交点为所述原点〇,所述/和所述 同向，定义PsO与所述j/确定的平面为所述/ 平面，所述W过所述原点0且垂直于 所述_/，V根据所述Y、所述y和右手定则确定；以及所述J系为基于所述探测器本身的 坐标系，所述J系以所述原点〇为原点，所述X1和所述/平行于所述探测器的行列线，所述 Z1垂直于所述探测器平面，其中，定义所述Y、所述/、所述/分别与所述V、所述;/、 所述_Zt对应重合时的状态为所述探测器的初始状态。
[0009] 进一步地，在本发明的一个实施例中，从所述探测器的初始状态到所述探测器的 任一状态包括以下步骤：所述探测器从所述探测器的初始状态绕所述V旋转，与所述V形 成所述角度0，此处，所述角度0值按照以所述Y为正方向的右手定则方式定义；所述探 测器从所述探测器的初始状态绕所述/旋转，与所述/形成所述角度0，此处，所述角度 ，值按照以所述/为正方向的右手定则方式定义；以及所述探测器从所述探测器的初始 状态绕所述y旋转，与所述一形成所述角度n，此处，所述角度n值按照以所述y为正方 向的右手定则方式定义。
[0010] 进一步地，在本发明的一个实施例中，根据以下方程分别拟合出每组的N个钢珠 中心投影坐标所在椭圆的轨迹T1和轨迹T2:
[0011] CIt(u -u()i )2+bt(V- v(!| )2 + 2t,(u -Uth)(V- v(l| )-1-0
[0012] a2(w-wH'广+/)2(v-V0')_ + 2t'2(w)(v-V"')-I= 0
[0013] 其中，anbpCl、Mfli、\和a2、b2、c2、％、由每组的所述N个钢珠中心投影在 所述J系的坐标拟合得到。
[0014] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述分别将所述每组的N个钢珠中心投影 坐标在相应的轨迹上定好顺序，并得到i系下的原点0和交点D具体为：分别将所述每组的 N个钢珠中心投影坐标在相应的轨迹上定好顺序；连接E1F2和EJ1得到所述原点0,其中， 所述E1和所述E2分别为所述轨迹Ti上纵坐标最大的钢珠中心投影和纵坐标最小的钢珠中 心投影，所述F1和所述F2分别为所述轨迹T2上纵坐标最大的钢珠中心投影和纵坐标最小 的钢珠中心投影；以及连接E1F1和E2F2，所述E1F1和所述E2F2在空间中延长线的交点作为所 述交点D，其中，所述OD与所述/的夹角为所述角度n。
[0015]进一步地，在本发明的一个实施例中，根据以下步骤计算所述角度9、在所述 Y平面内的所述原点Ow坐标（wy,wz)和所述光源Ps坐标（sy,sz):在所述/平 面内，对于待定的原点Ow*坐标（wy*,Wz*)，根据所述矩形P1P2Q1Q2的长和宽得到相应的 待定矩形顶点P15KP2*、Q15KQ2*,连接所述原点〇和所述原点〇w*得到直线〇〇w* ;待定角 度Q*，过所述交点D作所述/的平行线DPs*和所述直线OOw*相交于点Ps*，连接A1P1=K B1Q1IA2P2IB2Q2*分别与所述直线OOw*相交于巧、<、<、怂；构造第一目标函数f(0*，Wy*，Wz*)用以表示所述Ps*、'、厂、<的离散程度，其中，所述第一目标 函数f(9*，wy*，wz*)越大，所述Ps*、巧、匕、<、弋的离散程度越大，当所述第一目 标函数f( 0 *，wy*，wz*) = 0时表示所述Ps*、丨、C2、尺、C4五点重合；计算 的，'，')=argmin{/(#,W/,w/)}的优化结果，以获得所述角度0和在所述/ -Zi 平面内的所述原点Ow坐标（wy，wz)，即：9 =Qci;取0d, ('。，乂丨对应求出的所述？#、 尺、夂、及、及五点的平均坐标为所述光源Ps坐标（sy，sz)。
【主权项】
1. 一种锥束CT成像系统的标定方法，其特征在于，包括以下步骤： 建造模体，其中，所述模体为标定参照物，所述模体大体上是塑料圆柱体，所述模体的 上下底面各镶嵌了两组钢珠，每组包括N(N不小于5)个钢珠，所述模体底面圆的直径记为 2r，所述两组钢珠中心所决定的两个平面的间距记为21 ; 以所述钢珠投影在J系的所有像素的值为权重对每个钢珠的投影求加权平均坐标值， 以获取所述2N个钢珠中心的投影坐标，并分别拟合出每组的N个钢珠中心投影坐标所在椭 圆的轨迹T1和轨迹T 2; 分别将所述每组的N个钢珠中心投影坐标在相应的轨迹上定好顺序，并得到i系下的 原点〇和交点D以及计算角度η和Ap 4、82四点坐标，其中，所述2N个钢珠中心投影 坐标均在所述J系下表达，所述4、B1分别为P η (^在OD上