基于投影迹线的锥束CL系统几何参数敏感度分析方法及装置

本发明属于cl系统，尤其涉及一种基于投影迹线的锥束cl系统几何参数敏感度分析方法及装置。

背景技术：

1、x射线计算机断层成像技术(computed tomography，ct)以其在非接触、无损条件下对样品内部结构进行高分辨率表征的独特优势，被广泛用于质量检测、医疗辅助诊断、安全检查、文物考古等领域。ct成像需要利用x射线对样品在360°入射角度下进行投影测量。而在实际应用中，大尺寸扁平状物体(例如印刷电路板等)在扫描过程中受成像分辨率和空间限制，难以进行全角度旋转，并且当射线与物体扁平方向平行时，由于衰减路径过长，射线难以穿透，导致成像困难。计算机层析成像(computed laminography,cl)能够克服这一问题，实现对扁平状物体的三维成像。锥束cl系统和ct系统实现的主要区别在于，ct系统中旋转轴与探测器是平行的，而cl系统旋转轴与探测器之间存在倾斜夹角。倾斜角的存在使得扁平物体旋转时不再受空间限制，且避免了沿物体扁平方向的透射线。

2、cl技术起源于1916年，最早由andre bocage提出，用以对物体的横截面进行放射成像。随后几十年，cl技术作为获取物体内部分层图像的无损新兴技术成为研究热点。20世纪70年代以后，由于只能对焦平面清晰成像及系统机械结构复杂等局限性，层析成像逐渐被快速发展并广泛应用的ct所取代。直到21世纪初，随着数字探测技术的日益成熟，cl技术重新展现出了其独特优势，在扁平状物体成像方面(比如绘画、印刷电路板、化石和航空航天工业中的复合板等)，突破了ct技术的应用瓶颈，再次成为无损检测领域的研究热点。

3、x射线三维图像重建算法对系统几何关系有着严格的要求，而在实际应用中，系统几何难免会产生偏差，因此需要预先对投影图像进行几何标定，否则重建图像中将会存在几何伪影。目前几何标定方法研究主要集中于对ct系统的研究，分为基于额外标准体模的离线几何参数标定和仅利用物体自身投影信息的参数自标定两大类方法。而对cl系统几何参数标定方法研究较少，2012年yang等人[min yang,jianhai zhang,maodan yuan,xingdong li,etal,calibration method of projection coordinate system for x-raycone-beam laminography scanning system.ndt&e international.2012,52,16-22.]提出基于六球体模的投影中心位置标定方法，2014年yang等人[min yang,jianhua zhu,qiliu,shengling duan,etal,apractical method to calibrate the slant angle ofcentral x-ray for laminography scanning system.ndt&e international.2014,64,13-20.]提出基于球形体模的旋转轴倾斜角度的标定方法，以上方法仅能标定单个参数。现代cl系统与锥束ct的成像机理相同，其主要不同点在于由成像结构差异引起的处理方法不同，因此cl系统几何参数标定可借鉴ct系统参数标定方法。2017年，wang等人[zhang f,duj p,jiang h,et al.iterative geometric calibration in circular cone-beamcomputed tomography[j].optik,2014,125(1),2509-2514.]在zhang等人[wang j y f,aniterative geometric complete calibration method for cone-beam cl[j],the2017international conference on fully three-dimensional image reconstructionin radiology and nuclear medicine,xi’an,china,2017.]提出的基于定标体模的ct系统几何参数标定方法基础上进行改进，提出了一种迭代的cl几何全参数标定方法。基于体模的标定方法需要对体模进行额外成像，这消耗了更多时间同时也降低了x射线利用率，且校正精度依赖体模的加工精度。目前，尚缺少针对cl系统的几何参数自校正方法。

4、要利用自身投影信息标定系统几何参数，首先需要对系统几何参数和投影关系进行客观全面的分析和评价。在cl系统中，由于旋转轴固有倾斜角的存在，导致其系统几何关系更加复杂。在参数标定过程中，标定的参数越多，精度要求越高，所需的软硬件成本就越高。因此，有必要对cl系统各几何参数敏感度进行分析，明确各几何参数标定要求，在此基础上对cl系统几何进行有针对性的高效、精准的标定。

技术实现思路

1、本发明针对cl系统结构的特殊性，尤其是旋转轴固有倾斜角的存在，使得对cl系统几何参数分析和标定更加困难的问题，提出一种基于投影迹线的锥束cl系统几何参数敏感度分析方法及装置，通过本发明的分析，可充分了解cl系统中各几何参数所需的校正精度，对于后续进一步研究、设计适用于cl系统的自校正算法具有重要的指导意义。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明一方面提出一种基于投影迹线的锥束cl系统几何参数敏感度分析方法，包括：

4、根据cl系统几何参数偏差与投影位置的关系，得出双向投影迹线；

5、基于双向投影迹线得到cl系统几何参数的偏差最小单元；

6、以偏差最小单元为评价指标分析各参数偏差敏感度。

7、进一步地，所述cl系统几何参数包括探测器绕x轴的倾斜角θ、探测器绕y轴的偏转角探测器面绕z轴的面内旋转角η、探测器投影中心坐标μ0，υ0、以及射线源焦点到探测器的距离d和射线源焦点到旋转中心的距离r。

8、进一步地，所述cl系统几何参数偏差与投影位置的关系包括：

9、

10、

11、式中：

12、

13、

14、其中(xl,yl,zl)表示cl系统中物体上点的坐标，(u′,v′)表示点(xl,yl,zl)投射到偏差探测器上的投影位置坐标，(u,v)表示点(xl,yl,zl)投射到理想探测器上的投影位置坐标，w表示物体旋转角度，α表示旋转轴倾斜角，r表示射线源与旋转中心的距离，d表示射线源与探测器的距离。

15、进一步地，所述双向投影迹线包括横向迹线和纵向迹线，均通过正弦图表示。

16、进一步地，所述基于双向投影迹线得到cl系统几何参数偏差最小单元包括：采用双向投影迹线中的最大偏移量作为cl系统几何参数的投影偏移量，以此来确定各参数的偏差最小单元。

17、本发明另一方面提出一种基于投影迹线的锥束cl系统几何参数敏感度分析装置，包括：

18、投影迹线得出模块，用于根据cl系统几何参数偏差与投影位置的关系，得出双向投影迹线；

19、偏差最小单元得出模块，用于基于双向投影迹线得到cl系统几何参数的偏差最小单元；

20、偏差敏感度分析模块，用于以偏差最小单元为评价指标分析各参数偏差敏感度。

21、进一步地，所述cl系统几何参数包括探测器绕x轴的倾斜角θ、探测器绕y轴的偏转角探测器面绕z轴的面内旋转角η、探测器投影中心坐标μ0，υ0、以及射线源焦点到探测器的距离d和射线源焦点到旋转中心的距离r。

22、进一步地，所述cl系统几何参数偏差与投影位置的关系包括：

23、

24、

25、式中：

26、

27、

28、其中(xl,yl,zl)表示cl系统中物体上点的坐标，(u′,v′)表示点(xl,yl,zl)投射到偏差探测器上的投影位置坐标，(u,v)表示点(xl,yl,zl)投射到理想探测器上的投影位置坐标，w表示物体旋转角度，α表示旋转轴倾斜角，r表示射线源与旋转中心的距离，d表示射线源与探测器的距离。

29、进一步地，所述双向投影迹线包括横向迹线和纵向迹线，均通过正弦图表示。

30、进一步地，所述偏差最小单元得出模块具体用于：采用双向投影迹线中的最大偏移量作为cl系统几何参数的投影偏移量，以此来确定各参数的偏差最小单元。

31、与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

32、为客观性评价cl系统各几何参数对投影的影响，本发明提出基于投影迹线的锥束cl系统几何参数敏感度分析方法及装置。首先根据cl系统几何参数偏差与投影位置的关系，得出双向投影迹线，然后基于双向投影迹线得到cl系统几何参数的偏差最小单元，最后以偏差最小单元为评价指标分析各参数偏差敏感度。本发明基于该方法仿真分析了cl系统全部七个参数对投影迹线的影响，得到了各几何参数偏差最小单元，并分析了旋转轴倾斜角度对各参数偏差最小单元的影响，结果表明，在低放大倍数下，探测器旋转角η、及探测器投影中心点坐标μ0，υ0这3个参数为高敏感参数，需要高精度校正，在高放大倍数下，所有参数都为高敏感参数，应校正全部参数。通过本发明的分析，可充分了解cl系统中各几何参数所需的校正精度，对于后续进一步研究、设计适用于cl系统的自校正算法具有重要的指导意义。