一种X射线超分辨成像方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种X射线超分辨成像方法，利用亚像素成像运动装置的亚像素级移动能力获取亚像素偏移投影成像，多次反复直至获得所需的亚像素偏移原始分辨图像序列为止，利用亚像素偏移分辨率提升算法对原始分辨图像进行重建，获得最终的投影域超分辨图像，同时，该方法也可以运用于CT图像域，不仅大大提高了像素分辨率，还能减少CT图像域环状伪影，进一步提高图像质量。

A X-ray super-resolution imaging method and its application

The invention discloses an X-ray super-resolution imaging method, which obtains sub-pixel offset projection image by using sub-pixel moving ability of sub-pixel imaging motion device, repeatedly until the required sub-pixel offset original resolving image sequence is obtained, and reconstructs the original resolving image using sub-pixel offset resolution lifting algorithm to obtain the final super-resolution image in projection domain. At the same time, this method can also be used in CT image domain, which not only greatly improves the resolution of the pixels, but also reduces the circular artifacts in CT image domain and further improves the image quality.

【技术实现步骤摘要】
一种X射线超分辨成像方法及其应用所属领域本专利技术属于X射线成像
，具体涉及一种X射线超分辨成像方法及其应用。
技术介绍
X射线透射成像系统是无损检测物体的一大类方法，随着X射线透射成像系统在各个领域应用的日渐深入，对X射线透射成像系统的空间分辨率自然会提出更高的要求，比如对于细微结构的成像。就目前技术而言，提高X射线透射成像系统的分辨率可以通过获得更小的探测器像素大小，更薄的闪烁体，更小的X射线源焦点等这些硬件条件来实现，也可以调整系统参数，比如放大倍数。然而，优秀的微焦点X射线源造价过于昂贵、闪烁体加工困难，容易产生响应不一致的像素点，在CT图像域中引入环状伪影、而探测器硬件工艺存在极限，过小的像素大小也会使得每个像素获得的光子数量减少而牺牲探测器其它性能指标，比如信噪比；此外，放大倍数也会受到系统模糊，焦点大小的限制而不能进行无限放大。因而如何进一步提高X射线透射成像系统图像的空间分辨率，提高图像质量成为了本领域的一大技术难点。正如我们上述提到，在现有条件下得到更高的分辨率，这是本领域的一大技术难点和技术挑战。1984年，通过利用存在亚像素移动的原始分辨率图像序列，Tsai和Huang的开创性研究开启了综合利用时间、空间信息进行超分辨率研究的大门。图像的超分辨重建在数学上是一个病态逆问题，而且具有高度的计算复杂性，一直是图像处理领域中吸引人们不断深入研究的一项颇具挑战性的课题，若将其合理充分的运用，一定可以被证明是在探测器和光学系统限制下提高成像系统分辨力的有效方法。就目前X射线成像而言，探测器部分本身光路复杂，对探测器本身进行亚像素偏移非常困难，因此很难获得存在亚像素移动的原始分辨率图像序列。结合目前X射线成像领域的实际发展，如何将图像的超分辨重建合理运用于X射线成像，提高更清晰准确的X成像，已成为当前急需解决和克服的一大技术问题。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中探测器像素分辨率低的问题，提供了一种X射线超分辨成像方法，利用亚像素成像运动装置的亚像素级移动能力获取亚像素偏移投影成像，多次反复直至获得所需的亚像素偏移原始分辨图像序列为止，利用亚像素偏移分辨率提升算法对原始分辨图像进行重建，获得最终的投影域超分辨图像，同时，该方法也可以运用于CT图像域，不仅大大提高了像素分辨率，还能减少CT图像域环状伪影，进一步提高图像质量。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种X射线超分辨成像方法，包括以下步骤：步骤1：待测对象、亚像素成像运动装置、高精度旋转台、及探测器分别固定好，保证位移过程不发生相对移动；步骤2：进行模型的计算简化，忽略轻微数据损耗，准备多张投影图像；步骤3：亚像素成像运动装置校准：获得实际操作中亚像素成像运动装置坐标系A3、CT图像域重建数据块中三维坐标系B3以及探测器平面的二维坐标系C2，A3、B3、C2上面的点A、B、C之间的关系是：A＝TBC＝KBT是一个4*4的变换矩阵，将坐标系B3中的点转换到坐标系A3中；K是一个4*3的投影矩阵，将一个坐标系B3中的点转换到坐标系C2中；步骤4：确认需求的n*n张原始分辨率图像的偏移网格；步骤5：确认坐标系C2上的所需齐次坐标，求得这一点在A3上面的坐标；步骤6：超分辨重建：利用同一角度具有亚像素位移的多张原始分辨图像进行超分辨重建。作为本专利技术的一种改进，所述步骤6中X射线原始分辨率图像的亚像素位移方式可以是移动被观测物体本身，也可以是探测器本身。作为本专利技术的另一种改进，所述步骤4中偏移网格为：(0,0)，(0,1/n)，(0,2/n)……(0，(n-1)/n)；(1/n,0)，(1/n,1/n)，(1/n,2/n)……(1/n，(n-1)/n)；……((n-1)/n,0)，((n-1)/n,1/n)，((n-1)/n,2/n)……((n-1)/n，(n-1)/n)。作为本专利技术的一种改进，所述步骤4中偏移网格在二维网格内n*n张图像亚像素偏移位置可任意排列。作为本专利技术的又一种改进，所述步骤6中超分辨重建算法采用非均匀插值分辨率提升算法或者正则化分辨率提升算法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案，一种X射线超分辨成像方法在CT图像域的应用，包括以下步骤：步骤1：待测对象、亚像素成像运动装置、高精度旋转台、及探测器分别固定好，保证位移过程不发生相对移动；步骤2：进行模型的计算简化，忽略轻微数据损耗，准备多张投影图像；步骤3：亚像素成像运动装置校准：获得实际操作中亚像素成像运动装置坐标系A3、CT图像域重建数据块中三维坐标系B3，A3、B3、上面的点A、B之间的关系是：A＝TBT是一个4*4的变换矩阵，将坐标系B3中的点转换到坐标系A3中；步骤4：确认需求的n*n*n张原始分辨率图像的偏移网格；步骤5：确认坐标系B3上的所需齐次坐标，求得这一点在A3上面的坐标；步骤6：超分辨重建：利用旋转一周的具有亚像素位移的原始分辨投影图像进行超分辨重建。作为本专利技术的一种改进，所述步骤4中偏移网格为(0,0,0)，……(0,(n-1)/n,0)；……((n-1)/n,0，0)，……((n-1)/n,(n-1)/n,0)；...(0,0,(n-1)/n)，……(0,(n-1)/n,(n-1)/n)；……((n-1)/n,0，(n-1)/n)，……((n-1)/n,(n-1)/n,(n-1)/n)。作为本专利技术的一种改进，所述步骤4中偏移网格在三维网格内n*n*n张图像亚像素偏移位置可任意排列。作为本专利技术的又一种改进，所述步骤6中超分辨重建采用投影域分辨率提升算法与CT重建的简单融合法或者CT分辨率提升迭代重建算法。为了实现上述目的，本专利技术还采用了一种技术方案，一种X射线超分辨成像系统，包括X射线源、高精度旋转台、亚像素成像运动装置、探测器、整体机架结构及后处理计算机系统，所述高精度旋转台，用于拍摄投影图，对待测对象进行旋转采图；所述探测器，用来采集X射线源发出并穿过待测对象的X射线投影数据；所述亚像素成像运动装置用来对待测对象或探测器进行亚像素级移动，产生亚像素偏移成像序列，所述后处理计算机系统，用于进行亚像素偏移分辨率提升算法。作为本专利技术的又一种改进，所述X射线源是锥束的X射线源。与现有技术相比，本专利技术提出了一种X射线的成像方法及其在CT图像域的应用，解决了现有技术中探测器像素分辨率低的问题，基于探测器的亚像素移动硬件实施难，克服了现有
的一大难题；同时由于多次进行拍摄，超分辨X射线投影图像泊松噪声少，信噪比比单张原始分辨率图像更高；在CT图像域的运用中，CT重建图像时，不仅能够提高图像域分辨率，而且还能减少CT图像域环状伪影问题，进一步提高图像质量。附图说明图1是X射线超分辨成像系统示意图；图2是X射线投影到探测器上的投影示意图；图3是X射线投影到探测器上具有(dx，dy)亚像素偏移的投影示意图；图4是多幅原始分辨率图像的二维偏移网格示意图；图5是多幅原始分辨率图像的三维偏移网格示意图；图6是平移台装置的位移平面跟探测器平面完全平行的投影情况，平移台装置的位移平面不跟探测器平面完全平行的投影情况；图7是亚像素成像运动装置位移方向、距离校准流程图；图8是非均匀插值法的算法图解；图9是独立的X射线超分辨成像方法实例图像。图10是独立的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种X射线超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：待测对象、亚像素成像运动装置、高精度旋转台、及探测器分别固定好，保证位移过程不发生相对移动；步骤2：进行模型的计算简化，忽略轻微数据损耗，准备多张投影图像；步骤3：亚像素成像运动装置校准：获得实际操作中亚像素成像运动装置坐标系A3、CT图像域重建数据块中三维坐标系B3以及探测器平面的二维坐标系C2， A3、B3、C2上面的点A、B、C之间的关系是：A = TBC = KBT是一个4*4的变换矩阵，将坐标系B3中的点转换到坐标系A3中；K是一个4*3的投影矩阵，将一个坐标系B3中的点转换到坐标系C2中；步骤4：确认需求的n*n张原始分辨率图像的偏移网格；步骤5：确认坐标系C2上的所需齐次坐标，求得这一点在A3上面的坐标；步骤6：超分辨重建：利用同一角度具有亚像素位移的多张原始分辨图像进行超分辨重建。

【技术特征摘要】
1.一种X射线超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：待测对象、亚像素成像运动装置、高精度旋转台、及探测器分别固定好，保证位移过程不发生相对移动；步骤2：进行模型的计算简化，忽略轻微数据损耗，准备多张投影图像；步骤3：亚像素成像运动装置校准：获得实际操作中亚像素成像运动装置坐标系A3、CT图像域重建数据块中三维坐标系B3以及探测器平面的二维坐标系C2，A3、B3、C2上面的点A、B、C之间的关系是：A=TBC=KBT是一个4*4的变换矩阵，将坐标系B3中的点转换到坐标系A3中；K是一个4*3的投影矩阵，将一个坐标系B3中的点转换到坐标系C2中；步骤4：确认需求的n*n张原始分辨率图像的偏移网格；步骤5：确认坐标系C2上的所需齐次坐标，求得这一点在A3上面的坐标；步骤6：超分辨重建：利用同一角度具有亚像素位移的多张原始分辨图像进行超分辨重建。2.如权利要求1所述的一种X射线超分辨成像方法，其特征在于所述步骤6中X射线原始分辨率图像的亚像素位移方式可以是移动被观测物体本身，也可以是探测器本身。3.如权利要求2所述的一种X射线超分辨成像方法，其特征在于所述步骤4中偏移网格为：（0,0），（0,1/n），（0,2/n）……（0，（n-1）/n）；（1/n,0），（1/n,1/n），（1/n,2/n）……（1/n，（n-1）/n）；……（（n-1）/n,0），（（n-1）/n,1/n），（（n-1）/n,2/n）……（（n-1）/n，（n-1）/n）。4.如权利要求2所述的一种X射线超分辨成像方法，其特征在于：所述步骤4中偏移网格在二维网格内n*n张图像亚像素偏移位置可任意排列。5.如权利要求3或4所述的一种X射线超分辨成像方法，其特征在于所述步骤6中超分辨重建算法采用非均匀插值分辨率提升算法或者正则化分辨率提升算法。6.一种如权利要求1所述X射线超分辨成像方法在CT图像域的应用，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：待测对象、亚像素成像运动装置、高精度旋转台、及探测器分别固定好，保证位移...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗守华，李静，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32