适用于不规则轨迹的锥束CT几何校正方法技术

本发明专利技术公开的适用于不规则轨迹的锥束CT几何校正方法，采用新的基于反投影模型的优化约束迭代方法来求解各个投影视图下的几何参数，现有的校正方法大多都假设体模中基准点的内在几何关系是准确且已知的，很少深入研究体模精度是否适应校正模型的问题。通过本申请方案的公开，该校正方法是一种高噪声鲁棒性的校正方法，即使在待校准系统的分辨率是模体测量系统的两倍时也能实现高精度的校正。系统的两倍时也能实现高精度的校正。系统的两倍时也能实现高精度的校正。

【技术实现步骤摘要】
适用于不规则轨迹的锥束CT几何校正方法


[0001]本专利技术涉及计算机断层成像的图像处理
，具体涉及针对具有不规则扫描轨迹的高分辨锥形束CT的几何校正方法。

技术介绍

[0002]锥束CT目前被广泛运用于许多领域，如医学诊断和治疗、临床前成像和研究和材料科学结构分析等等。通常，不同的应用领域对锥束CT有不同的分辨率要求。用于临床、临床前和材料科学的锥束CT的分辨率分别为100微米、10微米和1微米。随着分辨率的提高，锥束CT系统有望变得更稳定、更精确。因此，作为获得理想CT图像的先决条件，相应的几何校正步骤就变得更具挑战性。
[0003]为了解决在种不同场景中遇到的校正问题，在过去的几十年里，文献中提出了许多校正方法。一类是在线校正，它不依赖于特定的体模，而是依赖于不同图像质量指标如图像熵，图像梯度或多种指标的组合的损失函数。这类方法适用于几何形状的采集是规则的但是不可重复的情况。这些方法通常计算量大，容易降低图像质量。大多数商用CT系统在机械上是可重复的，并采用另外一种叫做离线校正的方法。离线校正方法对规则和不规则的几何形状采集都适用。对于规则的几何采集系统，一个简单的体模，由于参数非常少，嵌入一个或几个小球，就足以获得所有几何参数。在这些校正情况下，模型并不复杂，手动操作也很容易，因此他们对应使用的方法也非常简便。对于各视图几何参数不同的不规则系统，一个对精度要求不高的简单体模无法工作。因为，除非给出一些额外的条件，例如点标记或线标记之间的空间关系，否则完整的投影矩阵是无法求解的。据检索发现，大多数文献都假定标记之间的几何关系是已知的。其中一些方法依赖于专门制作的体模，在其中，基准点被精确地以某种特定的模式组合，如一个螺旋、圆或正交线。特定图案的几何形状被视为已知条件，因此制造精度是获得精确几何参数的关键先决条件。由于制造误差不易被量化，以往的方法都没有过多地关注这一问题。事实上，如果系统对空间分辨率的要求不高，那么制造一个精度要求低的专用体模可能并不费多大力气。然而，随着分辨率的提高，这将成为一项具有挑战性的任务。许多研究人员可能会遇到这样的情况：即他们无法复现已知的校正方法或基于自制的体模实现相同的校正精度。其中一个原因是体模的精确度不符合被校正系统的要求，但不幸的是，由于没有合适的检测方法，最终也不会知道是否真是如此。测量一个粗略制作的体模似乎比制造一个高精度的体模更实用，因此，Li等人提出了一种基于投影矩阵的校正方法。但他们没有提供详细的测量方法，也没有进一步研究模型测量与校正模型的匹配程度。理论上，高精度的体模和高鲁棒性的校正方法是相互制约且相互支持的，它们对校正精度都很重要，所以应该研究在什么条件下可以使得校正模型和体模的测量相匹配，以获得不规则轨迹CBCT的最佳校正精度。此外，由于基准点不是按规则排列，基于投影矩阵的校正模型是目前最好的选择。在实际应用中，该模型的噪声鲁棒性有限，特别是在基准标记点数量较低的情况下，这就需要一种更可靠的校正方法来弥补这一不足。因此，如果有良好的体模测量方法和更可靠的校正模型，我们就可以使用手工制作的相对粗糙的体
模来校正具有不规则轨迹的高分辨率CT系统。这对于那些想要构建高分辨锥束CT系统而又缺乏尖端加工机械来制造高精度体模的研究人员来说是非常有帮助的。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于不规则轨迹的锥束CT几何校正方法，首先通过引入测量模型来获得体模中基准点的内在几何关系，测量模型是通过扩展之前的高精度几何校正模型来实现的，该模型适用于具有圆形轨迹的锥束CT；再提出了一种新的基于反投影模型的优化约束迭代方法来求解各个投影视图下的几何参数。
[0005]技术方案：本专利技术提供一种适用于不规则轨迹的锥束CT几何校正方法，包括如下
[0006]步骤：
[0007]S1：通过计算获得随机排列的小球的空间坐标后，建立迭代模型，实现单个投影视图的几何校正；
[0008]S2：在模型中有两个坐标系，分别是X
‑
Y
‑
Z和W
‑
U
‑
V；其中W
‑
U
‑
V被称为探测器坐标系，U和V分别沿探测器的水平轴和垂直轴为，W是探测器平面所特有的；X
‑
Y
‑
Z和被称为对象坐标系；
[0009]S3：假设点B在X
‑
Y
‑
Z和坐标系中的坐标是(x1，y1，x1)
T
；该点B在W
‑
U
‑
V坐标系中对应的坐标可以表示为
[0010][0011]式中：T是平移向量，
[0012]R是旋转矩阵，
[0013]R写成其中η、θ和为欧拉角；
[0014]S4：在模型中x射线源S坐标为S(w
s
，u
s
，v
s
)
T
，点B
w
的投影点Q的坐标为Q＝(0，u，v)
T
；在目标坐标系中有k个点，称为B
k
，K∈[1，K]，它们的坐标为给定b
k
＝(x
k
，y
k
，z
k
)
T
；探测器坐标系统中对应的投影点为Q
k
，其坐标为Q
k
＝(0，u
k
，v
k
)
T
；几何参数的迭代中间解为通过等式(1)将B
k
转换为探测器坐标系，得到其对应的点B
w
‑
k
，其坐标写成B
w
‑
k
＝[R/T]B
k
；
[0015]S5：设点B
k
到直线Q
k
S的垂线的脚为H
k
，通过建立由两条直线Q
k
S和B
k
H
k
组成的方程组，得到H
k
的坐标h
k
，再推导出B
k
到直线Q
k
S的距离如下：
[0016]ds
k
＝||b
w
‑
k
‑
h
k
||2＝||[R|T]b
k
‑
h
k
||2(2)
[0017]将所有K点组合起来，总距离可以表示为：
[0018][0019]当所有几何参数都得到准确时，对应的dS＝0；因此基本目标函数可以写成：
[0020][0021]进一步地，前述的适用于不规则轨迹的锥束CT几何校正方法，在前述等式(4)中引
入方差惩罚项：
[0022][0023]其中加上这一项后，目标函数变成：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于不规则轨迹的锥束CT几何校正方法，其特征在于包括如下步骤：S1：通过计算获得随机排列的小球的空间坐标后，建立迭代模型，实现单个投影视图的几何校正；S2：在模型中有两个坐标系，分别是X
‑
Y
‑
Z和W
‑
U
‑
V；其中W
‑
U
‑
V被称为探测器坐标系，U和V分别沿探测器的水平轴和垂直轴为，W是探测器平面所特有的；X
‑
Y
‑
Z和被称为对象坐标系；S3：假设点B在X
‑
Y
‑
Z和坐标系中的坐标是(x1,y1,x1)
T
；该点B在W
‑
U
‑
V坐标系中对应的坐标可以表示为式中：T是平移向量，R是旋转矩阵，R写成其中η、θ和为欧拉角，分别表示偏航、俯仰和横摇角；S4：在模型中x射线源S坐标为S(w
s
,u
s
,v
s
)
T
,点B
w
的投影点Q的坐标为Q＝(0,u,v)
T
；在目标坐标系中有k个点，称为B
k
,K∈[1,K]，它们的坐标为给定b
k
＝(x
k
,y
k
,z
k
)
T
；探测器坐标系统中对应的投影点为Q
k
，其坐标为Q
k
＝(0,u
k
,v
k
)
T
；几何参数的迭代中间解为通过等式(1)将B
k
转换为探测器坐标系，得到其对应的点B
w
‑
k
，其坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：李光，施晶晶，徐方，陈雪，董歌，罗守华，
申请(专利权)人：苏州海斯菲德信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：