专利名称：一种x射线锥束计算机层析成像系统的几何参数标定方法
技术领域：
本发明涉及一种X线锥形束计算机层析成像系统(Computerized Tomography,简称锥束CT)的标定方法，特别是指X射线源与平板探测器的相对位置固定，X射线源与平板探测器构成的成像子系统绕固定的旋转轴旋转，或者被测样本放在一个中心转台上绕固定的转轴旋转，而成像子系统固定不动，从而通过成像子系统获取各个角度的X线投影数据的小型或微型锥束CT系统几何参数的标定方法。
背景技术：
计算机层析成像系统是利用已知的几何条件，通过多角度投影数据重建断层中的密度或衰减率的成像方法，在医学临床和工业检测中已经得到广泛应用。锥束CT是指利用2维的平板探测器进行X线的投影数据检测，并基于平板探测器收集的多个投影数据集进行三维重建的一种新型CT，目前其重建理论和算法都还在发展之中。几何参数和误差的准确标定对于锥束CT的精确重建至关重要。对于锥束CT的标定，已有学者提出了几种方法，这些方法可以分为两类(I)迭代求解法这类方法通过锥束CT成像的几何关系创建关于待求解几何参数的代价函数，利用迭代方法使代价函数达到最小点，从而得到几何参数。这种方法的问题是容易陷入局部最小点，而难以得到全局最优解，因此需要一个良好的初始值，这通常是比较难得到的。(2)解析求解法理论上绕固定转轴旋转的空间点在平板探测器上投影的轨迹为一个椭圆，这类方法根据椭圆的参数与锥束CT几何参数之间的间接几何关系来进行求解。上述两类方法都需要假设某些参数是理想的或其误差是可以忽略的，从而只需要对其余的部分几何参数进行求解。同时，目前的标定方法都是对各个几何参数进行逐次的标定和调整，由于参数之间的关联性，往往需要逐个参数反复调整，使标定过程十分复杂。本发明通过将锥束CT系统考虑成一个计算机视觉系统，并利用计算机视觉理论进行求解，从而得到一种用于锥束CT几何参数和几何误差的系统性标定方法。
发明内容
技术问题本发明要解决的技术问题是提出了一种基于计算机视觉理论，利用相机标定技术对锥束CT的几何参数和误差进行标定的方法。通过相机标定技术来复现锥束CT系统中的X射线源、平板探测器和转轴之间的几何位置关系，从而对锥束CT的几何参数及其误差进行直接求解。本发明是一种系统化的测量求解方法，可以将锥束CT抽象为基本的相机系统模型，从而同时求解系统中相互关联的多个几何参数，与现有标定方法相比，不需要逐个测量几何参数和逐个参数地反复调整，这样就大大简化了整个系统的标定测量的复杂程度，同时也提高了锥束CT几何标定的稳定性。其特征在于，是在一个由平板探测器、同轴地安置有被检测物的转台、X射线源以及计算机共同构成的锥束CT系统中实现的，是一种利用相机标定技术来确定所述锥束CT系统中的所述X射线源、平板探测器和转台中的转轴之间的几何位置关系，以对所述锥束CT系统的几何参数及其误差进行直接求解的方法，步骤如下、
步骤(I )，制作用于模拟所述被检测物的三维标定模块在所述三维标定模块上有不少于6个不全共面或不全共线的空间标志点，这里使用12个空间标志点，所述三维标定模块采用有机玻璃基体，外表面精确钻孔并镶嵌小钢珠作为空间标志点；步骤(2)，建立如下三个直角坐标系成像子系统坐标系，是一个所述的X射线源-平板探测器坐标系，以下称成像系，设在所述平板探测器上，用(X。、Y。、Zc)表示，坐标原 点在所述平板探测器的左下角，表示为(xc0, yc0, zc0), xc0=yc0=zc0=0, Xc轴、Yc轴分别对应于所述平板探测器上像素排布的方向，Zc轴是X。轴、Yc轴的叉积，并垂直于探测器平面，从所述X射线源到所述平板探测器引垂线，垂足为C。，X射线源到垂足C。的距离为Dsd，单位为_，在所述成像系中X 射线源的坐标点为 Sc,坐标为(xcs, ycs, zcs)，Zcs=Dsd, xcs=ycs 幸 0,垂足Cc 的坐标为(xcc, ycc, Zcc)，Zcc=O, Xcc=Xcs, ycc=ycs,在所述平板探测器的各个投影图像内，当把以mm为单位的坐标UmyJ转换为以像素为单位的坐标(Ucd, vci)时，把以像素为单位的坐标的原点设在投影图像左上角，用
(uc0, Vc0)表示，且坐标轴U向右为正方向，坐标轴V向下为正方向，则
XD — V,-Uci =于,vo = ~’其中
ax i表示在所述投影图像内的点的序号，D为所述平板探测器在Yc轴上的长度，dx, dy分别代表单个像素在Xc、Yc方向上的尺寸，旋转子系统坐标系，以下称旋转系，用(XK、YK、ZK)表示，主轴线为Ydll，与所述转台的旋转轴线重合，Ze轴为由所述X射线源向所述转轴所引的垂线，并且指向所述X射线源，Xe轴是Yk轴和Zk轴的叉积，标定物坐标系，以下称标定物系，用(X、Y、Z)表示，是一个同轴地设置在所述三维标定模块上，用于标定锥束CT参数的辅助坐标系，所述X射线源在所述标定物系中的坐标为(xs，ys，zs)，所述三维标定模块上的12个空间标志点用Pi表示，坐标为O^ypZi),是已知的，i = 1，2，…，I，1=12，以便通过所述成像子系统对所述三维标定模块进行拍摄，从而在所述平板探测器上得到对应于12个所述空间标志点的投影位置，坐标点用Pcd表示，坐标用(xCi，yCi)表不；步骤(3)，把所述三维标定模块与所述转台在纵向同轴安置，在所述X射线源-平板探测器相对静止，转台转动的条件下，对所述三维标定模块成像所述计算机启动锥束CT采集程序，获取所述平板探测器上不少于360个投影角度的投影图像，用j表示所述投影图像序号，j=l, 2，…，J，J ^ 360，在获取到的各个所述投影图像j中抽取12个所述空间标志点的坐标点，用Pgi表示，坐标为(Xcdi, y^),转换为像素坐标时用(Ucdi, vcji)表示,对应的所述三维标定模块上的坐标点用Pi表示，坐标用(Xi, Yi, Zi)表示；步骤(4)，按以下步骤从所述标定物系的空间标志点PiUi, Yi, Zi)和成像系中对应的像素坐标Pcui (ucJi, vcJi)中求解所述锥束CT系统的以下参数Dsd、Xc;s和Ycs,标定物系到成
像系的空间转换矩阵乃=rJ ^中的各所述投影图像的旋转矩阵&和位移向量其中，
01Dsd, X和ycs是所述锥束CT系统的内方位参数，在所述成像子系统制作完成后是不变的，但又是未知的，而对于一个特定的拍摄位置，对应于该拍摄位置的空间转换矩阵T是不变的步骤(4. I )，按下式建立所述标定物系内已知空间坐标APiO^yi, Zi)与各所述投影图像j中的对应坐标点Pcui (Ucui, vcJi)之间的关系
权利要求
1.一种X射线锥束计算机层析成像系统的几何参数标定方法，其特征在于，是在一个由平板探测器、同轴地安置有被检测物的转台、X射线源以及计算机共同构成的锥束CT系统中实现的，是一种利用相机标定技术来确定所述锥束CT系统中的所述X射线源、平板探测器和转台中的转轴之间的几何位置关系，以对所述锥束CT系统的几何参数及其误差进行直接求解的方法，步骤如下 步骤(I )，制作用于模拟所述被检测物的三维标定模块 在所述三维标定模块上有不少于6个不全共面或不全共线的空间标志点，这里使用12个空间标志点，所述三维标定模块采用有机玻璃基体，外表面精确钻孔并镶嵌小钢珠作为空间标志点； 步骤(2)，建立如下三个直角坐标系 成像子系统坐标系，是一个所述的X射线源-平板探测器坐标系，以下称成像系，设 在所述平板探测器上，用(X。、Y。、Z。)表示，坐标原点在所述平板探测器的左下角，表示为(xc0, yc0, zc0), xc0=yc0=zc0=0, Xc轴、Yc轴分别对应于所述平板探测器上像素排布的方向，Zc轴是X。轴、Yc轴的叉积，并垂直于探测器平面，从所述X射线源到所述平板探测器引垂线，垂足为C。，X射线源到垂足C。的距离为Dsd，单位为_，在所述成像系中 X射线源的坐标点为Sc,坐标为(xcs, ycs, zcs)，Zcx=Dsd, Xcs=Ycs关O，垂足 Cc 的坐标为(X。。，ycc, zcc)，Zcc-O, Xcc-Xcs, ycc-ycs 在所述平板探测器的各个投影图像内，当把以mm为单位的坐标(Xc;i，yci)转换为以像素为单位的坐标(Ucd, vj时，把以像素为单位的坐标的原点设在投影图像左上角，用(Uc^ Vc0)表示，且坐标轴u向右为正方向，坐标轴V向下为正方向，则 -V.., _ O - T1., Uci = — ,vCi — —I ，其中 dxdy i表示在所述投影图像内的点的序号， D为所述平板探测器在Yc轴上的长度， dx, dy分别代表单个像素在X。、Y。方向上的尺寸， 旋转子系统坐标系，以下称旋转系，用(XK、Ye, Ze)表示，主轴线为Yk轴，与所述转台的旋转轴线重合，Zk轴为由所述X射线源向所述转轴所引的垂线，并且指向所述X射线源，Xe轴是Yk轴和Zk轴的叉积， 标定物坐标系，以下称标定物系，用(X、Y、Z)表示，是一个同轴地设置在所述三维标定模块上，用于标定锥束CT参数的辅助坐标系，所述X射线源在所述标定物系中的坐标为(xs, ys, zs),所述三维标定模块上的12个空间标志点用Pi表示,坐标为(Xi, Ji, Zi),是已知的，i = 1，2，…，I，1=12，以便通过所述成像子系统对所述三维标定模块进行拍摄，从而在所述平板探测器上得到对应于12个所述空间标志点的投影位置，坐标点用Pcd表示，坐标用(xci, yci)表不； 步骤(3)，把所述三维标定模块与所述转台在纵向同轴安置，在所述X射线源-平板探测器相对静止，转台转动的条件下，对所述三维标定模块成像所述计算机启动锥束CT采集程序，获取所述平板探测器上不少于360个投影角度的投影图像，用j表示所述投影图像序号，j=l, 2，-,J, J ^ 360，在获取到的各个所述投影图像j中抽取12个所述空间标志点的坐标点，用Peji表示，坐标为(Xcdi, ycji),转换为像素坐标时用(Ueji, V。」)表示,对应的所述三维标定模块上的坐标点用Pi表示，坐标用(Xi, Yi, Zi)表示； 步骤(4),按以下步骤从所述标定物系的空间标志点PiUi, Yi, Zi)和成像系中对应的像素坐标Pcui (ucJi,vcJi)中求解所述锥束CT系统的以下参数Dsd、Xc;s和Ycs,标定物系到成像系r及，(.1的空间转换矩阵r
全文摘要
本发明是一种X射线锥束计算机层析成像系统的几何参数标定方法，属于X射线锥形束计算机层析成像系统(简称锥束CT)领域，本发明通过相机标定技术来复现锥束CT系统中的X射线源、平板探测器和转轴之间的几何位置关系，从而对锥束CT的几何参数及其误差进行直接求解，是一种系统化的测量求解方法，可以将锥束CT抽象为基本的相机系统模型，从而同时求解系统中相互关联的多个几何参数，与现有标定方法相比，不需要逐个测量几何参数和逐个参数地反复调整，这样就大大简化了整个系统的标定测量的复杂程度，同时也提高了锥束CT几何标定的稳定性。
文档编号G03B42/02GK102743184SQ20121014843
公开日2012年10月24日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者丁辉, 王广志, 王梦蛟 申请人:清华大学