一种小球中心锥束投影位置的精确定位方法
【技术领域】
[0001] 该发明涉及一种CT图像的重建方法，特别是涉及一种小球中心锥束投影位置的 精确定位方法。
【背景技术】
[0002] 在医疗和工业无损检测中，锥束CT成像扮演着重要角色。CT图像重建必须在已知 其系统几何参数的前提下进行，且几何参数的精度对重建图像的质量起着关键性作用。
[0003] 目前几何定标方法主要分两类：自定标方法和基于定标体模的几何定标方法。由 于自定标方法存在无法计算所有的几何参数的缺陷，基于定标体模的几何定标方法应用最 为广泛。理想的定标体模应由若干点状物体组成。但实际应用中，定标体模多采用密度均 匀的小球组成。其原因主要有：（1)点状物体不易加工；（2)探测器离散化使得点状物体的 投影位置定位精度较低（等于探测器的像素尺寸）；（3)小球具有各向同性的特点。由于实 际使用的定标体模与理想定标体模不一致，导致定标体模的投影发生变化，进而影响了几 何定标的精度。几何定标对输入误差十分敏感，尤其是在短扫描情况下。因此，研究减小由 实际体模非理想化引入的误差，这对CT成像具有重要意义。
[0004] 在使用理想定标体模和理想探测器（探测器的像素尺寸无限小）情况下，点状物 体经锥束X射线照射，在探测器上形成一个投影值小于其他像素的点。使用该点的位置信 息作为几何定标的输入是精确的。然而实际采用小球作为定标体模，需要在小球上选取一 标记点，并获取该标记点在探测器上的投影位置，作为几何定标方法的输入，从而实现与 理想定标体模等效。通常使用小球中心作为标记点，然而小球中心在探测器上的投影位置 (为描述简单，我们称其为中心投影）较难精确获得。现有几何定标方法采用小球投影的中 心或质心近似代替中心投影，存在较大误差。
【发明内容】
[0005] 本发明克服了现有技术中，现有几何定标方法采用小球投影的中心或质心近似代 替中心投影，存在较大误差的问题，提供一种精确度较高的小球中心锥束投影位置的精确 定位方法。
[0006] 本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下步骤的小球中心锥束投影位置的精 确定位方法：含有以下步骤：（1)投影数据采集；（2)阈值分割；（3)椭圆拟合；(4)椭圆参数 提取；（5)计算小球中心锥束投影位置m。
[0007] 所述投影数据采集，是在保证小球可以被X射线穿透的前提下，首先根据小球的 材质和大小以及CT成像系统参数，设置合适的扫描电压电流，确保获取清晰的边缘。
[0008] 所述阈值分割是直接针对步骤（1)中采集的原始投影数据，采用一种简单的阈值 分割方法获取投影的边缘点，首先计算投影图像的灰度直方图，对灰度直方图中的各点做 如下处理：2. 1、分别寻找该点左侧和右侧的最大值Vl和V2 ;2. 2、判断得到Vl和V2的最小 值，记为V3 ;2. 3、取该点的当前值和V3中的最小值对该点进行赋值；得到新的灰度直方图 减去原灰度直方图后，找出最大值点，取其横坐标作为分割阈值；即阈值恰小于椭圆支撑外 中的最小光子数。
[0009] 所述椭圆拟合是使用最小二乘法对步骤（2)中获得的边缘点进行椭圆拟合，得到 投影边缘的椭圆公式。
[0010] 所述椭圆参数提取是通过等式代换从步骤（3)中得到的椭圆公式中提取出椭圆 的中心位置c，椭圆长短轴的长度（Lbkuot, LmincJ。
[0011] 所述计算小球中心锥束投影位置m是将步骤（4)提取的椭圆参数带入
中计算得到小球中心锥束投影位置。
[0012] 与现有技术相比，本发明小球中心锥束投影位置的精确定位方法具有以下优点： 本发明利用定标体模（小球）的投影特点，深度挖掘投影边缘的椭圆参数与系统几何参数 之间的内在联系，经推导得到一种仅使投影边缘的椭圆参数描述中心投影的解析表达式。 相比现有方法使用投影的中心或质心近似代替中心投影，本发明可精确求解出中心投影位 置。几何定标方法对其输入（中心投影位置）的误差十分敏感，而短扫描因缺少大量投影 角度表现尤为突出。本发明提高了中心投影的定位精度，可有效提高短扫描CT系统的几何 定标精度。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明小球中心锥束投影位置的精确定位方法中小球的锥束投影模型示 意图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明小球中心锥束投影位置的精确定位方法 作进一步说明。
[0015] 本发明是通过以下技术方案实现的，含有以下步骤：（1)投影数据采集；（2)阈值 分割；（3)椭圆拟合；(4)椭圆参数提取；(5)计算小球中心锥束投影位置m。
[0016] 所述投影数据采集，是在保证小球可以被X射线穿透的前提下，首先根据小球的 材质和大小以及CT成像系统参数，设置合适的扫描电压电流，确保获取清晰的边缘。所述 阈值分割是直接针对步骤（1)中采集的原始投影数据，采用一种简单的阈值分割方法获取 投影的边缘点，首先计算投影图像的灰度直方图，对灰度直方图中的各点做如下处理：2. 1、 分别寻找该点左侧和右侧的最大值Vl和V2 ;2. 2、判断得到Vl和V2的最小值，记为V3 ; 2. 3、取该点的当前值和V3中的最小值对该点进行赋值；得到新的灰度直方图减去原灰度 直方图后，找出最大值点，取其横坐标作为分割阈值；即阈值恰小于椭圆支撑外中的最小光 子数。
[0017] 所述椭圆拟合是使用最小二乘法对步骤（2)中获得的边缘点进行椭圆拟合，得到 投影边缘的椭圆公式。所述椭圆参数提取是通过等式代换从步骤（3)中得到的椭圆公式中 提取出椭圆的中心位置c，椭圆长短轴的长度（L nia胃，LniincJ。所述计算小球中心锥束投影 位置m是将步骤（4)提取的椭圆参数带入
中计算得到小球中心锥束投影位 置。
[0018] 如附图1所示，为了描述锥束CT对小球的投影过程，建立了一个如附图1所示的 右手坐标系：以光源S的出射点为坐标原点；X轴过原点垂直指向探测器平面，并与探测器 平面相交于0点。过原点经小球中心的直线与探测器平面相交于点M。为了保证小球中心 位于xSz平面内，取过原点且平行于直线OM的直线为z轴。
[0019] 使用（X。，0, z。）表示小球中心的坐标，r表示小球的半径。光源到探测器的距离使 用Sdd表示。为了使表达简洁，我们建立了一个探测器坐标系，用（u，v)表示探测器上各探 测单元的位置，其中U轴和V轴都过0点且分别平行于y轴和Z轴。（0, m)和（0, C)分别表 示M和C的坐标，其中M为小球中心的锥束投影位置，C为投影椭圆的中心。
[0020] 小球表面可用以下公式描述：
[0021] (X-X0) 2+(y_0)2+(z-z0)2 = r 2
[0022] 连接光源和探测器上某探测单元形成的直线可用以下公式表示：
[0024] 其中k是一个比例系数，（u，v)为探测器上某探测单元的坐标。联立两个公式得 到小球表面和X射线的交点为：
[0026] 投影的边缘是由X射线和小球相切形成的，因此投影的边缘对应的X射线与小球 有且只有一个交点，即：
[0034] 由附图1可甸
再联立以上公式可推得：
【主权项】
1. 一种小球中心锥束投影位置的精确定位方法，其特征在于：含有以下步骤： (1)投影数据采集；⑵阈值分割；（3)椭圆拟合；(4)椭圆参数提取；(5)计算小球中心 锥束投影位置m。2. 根据权利要求1所述的小球中心锥束投影位置的精确定位方法，其特征在于：所述 投影数据采集，是在保证小球可以被X射线穿透的前提下，首先根据小球的材质和大小以 及CT成像系统参数，设置合适的扫描电压电流，确保获取清晰的边缘。3. 根据权利要求1所述的小球中心锥束投影位置的精确定位方法，其特征在于：所述 阈值分割是直接针对步骤（1)中采集的原始投影数据，采用一种简单的阈值分割方法获取 投影的边缘点，首先计算投影图像的灰度直方图，对灰度直方图中的各点做如下处理：2. 1、 分别寻找该点左侧和右侧的最大值VI和V2 ;2. 2、判断得到VI和V2的最小值，记为V3 ; 2. 3、取该点的当前值和V3中的最小值对该点进行赋值；得到新的灰度直方图减去原灰度 直方图后，找出最大值点，取其横坐标作为分割阈值；即阈值恰小于椭圆支撑外中的最小光 子数。4. 根据权利要求1所述的小球中心锥束投影位置的精确定位方法，其特征在于：所述 椭圆拟合是使用最小二乘法对步骤（2)中获得的边缘点进行椭圆拟合，得到投影边缘的椭 圆公式。5. 根据权利要求1所述的小球中心锥束投影位置的精确定位方法，其特征在于：所述 椭圆参数提取是通过等式代换从步骤（3)中得到的椭圆公式中提取出椭圆的中心位置c， 椭圆长短轴的长度（Lma_jOT，LminOT)。6. 根据权利要求1所述的小球中心锥束投影位置的精确定位方法，其特征在于：所述 计算小球中心锥束投影位置m是将步骤（4)提取的椭圆参数带入m 中计算得 4c 到小球中心锥束投影位置。
【专利摘要】本发明公开了一种小球中心锥束投影位置的精确定位方法，克服了现有技术中，几何定标方法采用小球投影的中心或质心近似代替中心投影，存在较大误差的问题。该发明含有以下步骤：（1）投影数据采集；（2）阈值分割；（3）椭圆拟合；（4）椭圆参数提取；（5）计算小球中心锥束投影位置m。本发明利用定标体模（小球）的投影特点，深度挖掘投影边缘的椭圆参数与系统几何参数之间的内在联系，经推导得到一种仅使投影边缘的椭圆参数描述中心投影的解析表达式。相比现有方法使用投影的中心或质心近似代替中心投影，可精确求解出中心投影位置。提高了中心投影的定位精度，可有效提高短扫描CT系统的几何定标精度。
【IPC分类】G06T7/60, G06T7/00
【公开号】CN105261048
【申请号】CN201510577321
【发明人】闫镔, 李磊, 邓林, 席晓琦, 金朝, 韩玉, 陈思宇, 王敬雨, 王提
【申请人】中国人民解放军信息工程大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年9月11日