基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法技术

本发明专利技术涉及一种基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法，包括以下步骤：S1：将均匀的金属圆球放置在旋转台上，射线源和探测器设置在围绕旋转中心的圆形轨道上，启动锥束CT系统，扫描得到金属圆球的投影数据；S2：根据金属圆球的投影数据，按照锥束CT系统初始的旋转中心位置，通过FDK重建算法和重建软件得到金属圆球的重建图像，并计算重建图像梯度的L0范数；S3：调整重建软件中旋转中心的偏移参数，再次重建得到更新后的重建图像并计算重建图像梯度的L0范数；S4：循环调整步骤S3中的偏移参数，直到重建图像梯度的L0范数在一定误差范围内达到最小，此时旋转中心的偏移参数就是所要标定的。该方法使用的模体制作简单，仅需要一次锥束CT扫描，能够提高锥束CT系统的成像质量。

Cone beam CT rotation center calibration method based on minimum L0 norm of reconstructed image gradient

The invention relates to a method for the calibration of L0 norm minimization gradient image reconstruction for cone beam CT based on the center of rotation, which comprises the following steps: S1: the metal sphere uniform placed on a rotating stage, X-ray source and detector is arranged in the center of rotation around the circular orbit cone beam CT system, start scanning, get the projection data of metal ball; S2: according to the projection data of the metal ball, according to the center of rotation of the cone beam CT system initial, the reconstructed image of the metal sphere by FDK reconstruction algorithm and reconstruction software, and calculate the image gradient of L0 norm; S3: offset parameter adjustment reconstruction software of the center of rotation, the reconstruction image is obtained again the updated and L0 norm reconstruction image gradient calculation; S4: offset parameter cyclically adjusted in step S3, until the reconstruction of image gradient error in L0 norm The minimum range is reached, and the offset parameter at the center of the rotation is what is to be calibrated. The method is simple in fabrication and requires only one cone beam CT scan, which can improve the imaging quality of cone beam CT system.

【技术实现步骤摘要】
基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法
本专利技术属于生物医学影像和无损检测
，涉及一种基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT(ComputedTomography)旋转中心标定方法。
技术介绍
CT技术成功应用于无损检测领域并取得很大的发展。圆周轨迹的锥束CT系统主要由X射线源，旋转台和探测器三部分组成，锥束CT系统理想的成像关系要求射线源与探测器中心的连线(中心射线)垂直于探测器所在平面，且与旋转台的旋转轴垂直相交，交点就是旋转中心。在对重建图像质量要求高的三维图像重建中，要求锥束CT系统的旋转中心在探测器上的投影位置精确。在实际的锥束CT系统工作中，旋转台和被扫描物体保持不动，射线源和探测器围绕旋转中心一起做圆周运动，由于机械系统的不稳定性，安装完成之后很难保证锥束CT系统实际的旋转中心和理想的旋转中心重合，即理想的旋转中心发生偏移，而在重建算法中默认旋转中心没有发生偏移，与实际情况不符。由于旋转中心的偏移,会导致重建过程中探测器上理想的投影地址和实际的投影地址不符，所以重建图像中会出现几何伪影，使得重建图像的质量不符合精度要求。因此，在图像重建之前需要对锥束CT系统旋转中心的偏移参数进行标定，在重建过程中对旋转中心偏移误差进行补偿，使得重建软件中的旋转中心尽可能接近实际的旋转中心，提高锥束CT系统的成像质量。为了补偿旋转中心偏移对重建图像质量的影响，Stephen等人于1990年在核科学汇刊上提出了一种利用投影正弦图修正投影中心的方法来计算旋转中心的偏移量，但是这种方法在系统噪声较大时，修正效果并不明显；傅建等人于2003年在兵工学报上提出以焦点的偏差来等效旋转中心的偏移，赋予射线源不同的偏移量，进行图像重建并以信噪比和对比度最高的重建图像对应的偏移量来计算旋转中心真实的偏移量，这种方法选定信噪比和对比度来刻画旋转中心的准确程度，虽然有一定的效果但是标定的精度有限。TongLiu等人于2006年在光学工程杂志上通过将一根细钢丝固定在旋转台上离旋转中心有一定距离的位置，利用钢丝投影图像的几何关系求出旋转中心的偏移量，该方法将钢丝在探测器上的投影图像理想化为一个点，与实际情况相差较远；李保磊等人于2009年在航空学报上提出一种基于正弦图的工业CT系统旋转中心的标定方法，利用中心投影射线旋转位置不变性，通过计算前后相隔180°的投影数据之差求最小值来确定旋转中心位置；该方法要求射线源剂量非常稳定，否则引入更大误差，使得旋转中心的位置不准确。张蔚等人于2009年在医疗卫生装备杂志上根据投影图关于旋转中心对称原理，先对投影图像进行二值化，再通过求投影图像的质心，最后将多个角度得到的质心坐标求均值得到旋转中心的位置，此方法降低了噪声对求质心位置的影响，但是二值化和求质心产生的误差会严重影响旋转中心位置的确定。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法，该方法使用的模体制作简单，不需要调整旋转台位置，仅需要一次锥束CT扫描，通过循环微调重建软件中旋转中心的偏移参数，就能够得到较精确的锥束CT系统旋转中心的偏移参数，提高锥束CT系统的成像质量。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法，该方法包括以下步骤：S1：将均匀的金属圆球放置在旋转台上，射线源和探测器设置在围绕旋转中心的圆形轨道上，启动锥束CT系统，扫描得到金属圆球的投影数据；S2：根据金属圆球的投影数据，按照锥束CT系统初始的旋转中心位置，通过FDK(Feldkamp，Davis，andKress)重建算法和重建软件得到金属圆球的重建图像，并计算重建图像梯度的L0范数；S3：调整重建软件中旋转中心的偏移参数，再次重建得到更新后的重建图像并计算重建图像梯度的L0范数；S4：循环调整步骤S3中的偏移参数，直到重建图像梯度的L0范数在一定误差范围内达到最小，此时旋转中心的偏移参数就是所要标定的。进一步，在步骤S1中，锥束CT系统启动时，以旋转中心O为原点，以射线源和旋转中心的连线为Y轴，指向旋转中心的方向为正方向，Z轴垂直于Y轴，并以竖直向上为Z轴正方向，X轴、Y轴与Z轴构成固定的右手笛卡尔坐标系O-XYZ；锥束CT系统启动之后，旋转台在整个扫描过程中保持固定，射线源和探测器一起围绕旋转中心做圆周运动；运动过程中，以旋转中心为原点，以射线源和旋转中心的连线为η轴，指向旋转中心的方向为正方向，Z轴垂直于η轴，ξ轴、η轴与Z轴构成右手笛卡尔坐标系O-ηξZ；X轴与ξ轴的夹角为旋转角θ(0≤θ＜2π)；以探测器中心OD为原点，U轴和X轴平行且方向一致，V轴和Z轴平行且方向一致，U轴和V轴构成探测器上的右手笛卡尔坐标系OD-UV；扫描完毕得到金属球的投影数据pθ(u,v)，pθ(u,v)表示旋转角度为θ(0≤θ＜2π)时OD-UV坐标系下坐标为(u,v)的探测器单元上的原始投影数据。进一步，在步骤S2中，根据金属圆球的投影数据，按照锥束CT系统初始的旋转中心位置，通过FDK重建算法和重建软件得到金属圆球的重建图像，并计算重建图像梯度的L0范数，具体包括以下步骤：S21：在重建软件中对旋转中心偏移参数进行初始化；S22：利用FDK重建算法和金属圆球的投影数据重建得到金属圆球的重建图像；S23：计算步骤S22中重建图像梯度的L0范数。进一步，在步骤S21中，在重建软件中对旋转中心偏移参数进行初始化，具体包括：锥束CT系统中，旋转中心在Y轴方向上的偏移量只影响重建图像的放大倍数，通常旋转中心距离射线源的距离SO和旋转中心距离探测器的距离SOD都远大于旋转中心在Y轴方向上的偏移量，因此旋转中心在Y轴方向上的偏移量对放大倍数的影响较小，而旋转中心在X轴和Z轴方向上的偏移量(分别记为横向偏移量Δx和纵向偏移量Δz)对重建图像的影响较大，因此可忽略旋转中心在Y轴方向上的偏移量，重点标定旋转中心的横向和纵向偏移量Δx和Δz；更进一步，旋转中心的横向和纵向偏移量可以等价地转换为探测器中心在U轴和V轴上的偏移量(分别记为横向和纵向偏移量Δu和Δv)，它们之间的关系如下：因此在利用FDK重建算法时，把初始化旋转中心偏移参数等价为初始化探测器中心的横向和纵向偏移量；定义：其中，widofDet表示探测器的实际宽度，heiofDet表示探测器的实际高度，ucenter表示横向探测器单元的中心，vcenter表示纵向探测器单元的中心；在重建软件中初始化：ucenter＝ucenter+Δu0，vcenter＝vcenter+Δv0(3)其中,Δu0和Δv0表示探测器中心的横向和纵向偏移量Δu和Δv的初始值，显然Δu0和Δv0可取正值或负值，取正值表示实际的探测器中心沿U轴和V轴正方向偏移，取负值表示实际的探测器中心沿U轴和V轴负方向偏移。进一步，在步骤S22中，利用FDK重建算法和金属圆球的投影数据重建得到金属圆球的重建图像包括以下几个步骤：S221：对金属圆球的投影数据进行余弦校正和滤波：其中，SO表示射线源到旋转中心的距离，u和v分别表示当前探测器单元在坐标系OD-UV下的横坐标和纵坐标，pθ(u,v)表示旋转角度为θ时坐标系O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：将均匀的金属圆球放置在旋转台上，射线源和探测器设置在围绕旋转中心的圆形轨道上，启动锥束CT(Computed Tomography)系统，扫描得到金属圆球的投影数据；S2：根据金属圆球的投影数据，按照锥束CT系统初始的旋转中心位置，通过FDK(Feldkamp，Davis，and Kress)重建算法和重建软件得到金属圆球的重建图像，并计算重建图像梯度的L0范数；S3：调整重建软件中旋转中心的偏移参数，再次重建得到更新后的重建图像并计算重建图像梯度的L0范数；S4：循环调整步骤S3中的偏移参数，直到重建图像梯度的L0范数在一定误差范围内达到最小，此时旋转中心的偏移参数就是所要标定的。

【技术特征摘要】
1.一种基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：将均匀的金属圆球放置在旋转台上，射线源和探测器设置在围绕旋转中心的圆形轨道上，启动锥束CT(ComputedTomography)系统，扫描得到金属圆球的投影数据；S2：根据金属圆球的投影数据，按照锥束CT系统初始的旋转中心位置，通过FDK(Feldkamp，Davis，andKress)重建算法和重建软件得到金属圆球的重建图像，并计算重建图像梯度的L0范数；S3：调整重建软件中旋转中心的偏移参数，再次重建得到更新后的重建图像并计算重建图像梯度的L0范数；S4：循环调整步骤S3中的偏移参数，直到重建图像梯度的L0范数在一定误差范围内达到最小，此时旋转中心的偏移参数就是所要标定的。2.根据权利要求1所述的一种基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法，其特征在于：在步骤S1中，锥束CT系统启动时，以旋转中心O为原点，以射线源和旋转中心的连线为Y轴，指向旋转中心的方向为正方向，Z轴垂直于Y轴，并以竖直向上为Z轴正方向，X轴、Y轴与Z轴构成固定的右手笛卡尔坐标系O-XYZ；锥束CT系统启动之后，旋转台在整个扫描过程中保持固定，射线源和探测器一起围绕旋转中心做圆周运动；运动过程中，以旋转中心为原点，以射线源和旋转中心的连线为η轴，指向旋转中心的方向为正方向，Z轴垂直于η轴，ξ轴、η轴与Z轴构成右手笛卡尔坐标系O-ηξZ；X轴与ξ轴的夹角为旋转角θ(0≤θ＜2π)；以探测器中心OD为原点，U轴和X轴平行且方向一致，V轴和Z轴平行且方向一致，U轴和V轴构成探测器上的右手笛卡尔坐标系OD-UV；扫描完毕得到金属球的投影数据pθ(u,v)，pθ(u,v)表示旋转角度为θ(0≤θ＜2π)时OD-UV坐标系下坐标为(u,v)的探测器单元上的原始投影数据。3.根据权利要求2所述的一种基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法，其特征在于：在步骤S2中，根据金属圆球的投影数据，按照锥束CT系统初始的旋转中心位置，通过FDK重建算法和重建软件得到金属圆球的重建图像，并计算重建图像梯度的L0范数，具体包括以下步骤：S21：在重建软件中对旋转中心偏移参数进行初始化；S22：利用FDK重建算法和金属圆球的投影数据重建得到金属圆球的重建图像；S23：计算步骤S22中重建图像梯度的L0范数。4.根据权利要求3所述的一种基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法，其特征在于：在步骤S21中，在重建软件中对旋转中心偏移参数进行初始化，具体包括：锥束CT系统中，旋转中心在Y轴方向上的偏移量只影响重建图像的放大倍数，通常旋转中心距离射线源的距离SO和旋转中心距离探测器的距离SOD都远大于旋转中心在Y轴方向上的偏移量，因此旋转中心在Y轴方向上的偏移量对放大倍数的影响较小，而旋转中心在X轴和Z轴方向上的偏移量(分别记为横向偏移量Δx和纵向偏移量Δz)对重建图像的影响较大，因此可忽略旋转中心在Y轴方向上的偏移量，重点标定旋转中心的横向和纵向偏移量Δx和Δz；更进一步，旋转中心的横向和纵向偏移量可以等价地转换为探测器中心在U轴和V轴上的偏移量(分别记为横向和纵向偏移量Δu和Δv)，它们之间的关系如下：因此在利用FDK重建算法时，把初始化旋转中心偏移参数等价为初始化探测器中心的横向和纵向偏移量；定义：其中，widofDet表示探测器的实际宽度，heiofDet表示探测器的实际高度，ucenter表示横向探测器单元的中心，vcenter表示纵向探测器单元的中心；在重建软件中初始化：ucenter＝ucenter+Δu0，vcenter＝vcenter+Δv0(3)其中,Δu0和Δv0表示探测器中心的横向和纵向偏移量Δu和Δv的初始值，显然Δu0和Δv0可取正值或负值，取正值表示实际的探测器中心沿U轴和V轴正方向偏移，取负值表示实际的探测器中心沿U轴和V轴负方向偏移。5.根据权利要求4所述的一种基于重建图像梯度的L0范数最小化的锥束CT旋转中心标定方法，其特征在于：在步骤S22中，利用FDK重建算法和金属圆球的投影数据重建得到金属圆球的重建图像包括以下几个步骤：S221：对金属圆球的投影数据进行余弦校正和滤波：其中，SO表示射线源到旋转中心的距离，u和v分别表示当前探测器单元在坐标系OD-UV下的横坐标和纵坐标，pθ(u,v)表示旋转角度为θ时坐标系OD-UV下坐标为(u,v)的探测器单元上的原始投影数据，表示旋转角度为θ时坐标系OD-UV下坐标为(u,v)的探测器单元上经过余弦校正和滤波后的投影数据，符号*表示卷积，g(u)表示斜坡滤波器，其在频域的定义为G(w...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾理，龚长城，蔡玉芳，王成祥，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50