本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定方法。

背景技術(shù)：

錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)，簡稱cbct(cone-beamcomputerizedtomography)系統(tǒng)，在醫(yī)學(xué)影像診斷領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。然而，由于cbct系統(tǒng)的探測器面積有限和物體尺寸較大等因素，被掃描物體在每個視角下的投影信息不能完全包含在探測器范圍內(nèi)，限制了成像范圍(如圖1所示)。而偏置探測器cbct系統(tǒng)可以在不增加探測器成本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)更大的成像范圍(如圖2所示)，圖1為不偏置探測器cbct系統(tǒng)成像俯視圖，圖2為偏置探測器cbct系統(tǒng)成像俯視圖。偏置探測器cbct系統(tǒng)具體原理為，探測器進(jìn)行水平方向的偏移(假設(shè)向左偏移)并固定后進(jìn)行掃描，每個視角下錐形x射線束只覆蓋物體的一半或者一半多一些(物體的左半信息)，利用每個視角下的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的cbct圖像重建，得到可以反映物體三維結(jié)構(gòu)的cbct圖像。偏置探測器cbct系統(tǒng)優(yōu)勢在于，第一，實現(xiàn)了更大范圍的cbct成像面積，第二，在大范圍cbct成像面積的前提下又減少了對患者的輻射劑量(減少近一半的劑量)。

精確獲取描述cbct系統(tǒng)的幾何參數(shù)是重建高質(zhì)量cbct圖像的前提條件，它影響了醫(yī)生對患者病情的精確診斷。因此，cbct系統(tǒng)的幾何校正非常必要。

幾何校正方法可以分為單角度校正以及全角度校正兩大類。所謂單角度校正是指，cbct系統(tǒng)在各個成像角度下掃描的幾何位置均需要進(jìn)行位置校正，每個角度下獲取一套校正參數(shù)來描述當(dāng)前角度下的投照幾何關(guān)系。全角度校正是指，假定cbct系統(tǒng)掃描過程是按照嚴(yán)格的圓軌道運(yùn)行，僅用一套校正參數(shù)描述圓軌道掃描的幾何位置。

傳統(tǒng)的錐束ct圓軌道半覆蓋掃描的全角度幾何校正方法中，其探測器平移后只覆蓋物體的一半信息，容易忽略傾斜角的計算，人為假定值為0，不可以避免帶來系統(tǒng)幾何校正誤差，影響圖像重建質(zhì)量。幾何校正實驗是在探測器和球管固定、載物臺旋轉(zhuǎn)的方式下進(jìn)行的，這種設(shè)計下的機(jī)械精度和穩(wěn)定性在一定程度上保證了可控性。然而，對于病人的掃描，需要探測器和球管的圓周運(yùn)動，病人保持體位不變，這就導(dǎo)致安裝了探測器和球管的機(jī)架旋轉(zhuǎn)過程中的機(jī)械抖動問題，等價于探測器和球管固定時物體的“跳動”，而傳統(tǒng)方案并未考慮這種情況，因而在適用于人體掃描的偏置探測器cbct系統(tǒng)中，容易使幾何參數(shù)校正的精度下降，影響cbct圖像重建質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對傳統(tǒng)方案容易使幾何參數(shù)校正的精度下降，影響cbct圖像重建質(zhì)量的技術(shù)問題，提供一種錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定方法。

一種錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定方法，包括如下步驟：

分別在cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)，對cbct幾何參數(shù)校正裝置中的小球標(biāo)記物進(jìn)行掃描，獲取cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)下的第一投影數(shù)據(jù)，以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)下的第二投影數(shù)據(jù)；

在第一投影數(shù)據(jù)中采樣得到投影數(shù)據(jù)集a，計算投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)，在第二投影數(shù)據(jù)中采樣得到投影數(shù)據(jù)集b，計算投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)；

根據(jù)所述投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)、投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)、以及所述投影數(shù)據(jù)集a以及投影數(shù)據(jù)集b的之間的對應(yīng)關(guān)系確定cbct幾何參數(shù)校正裝置中各個小球標(biāo)記物球心投影的估計坐標(biāo)以及cbct幾何參數(shù)校正裝置的目標(biāo)函數(shù)；

計算所述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的估計坐標(biāo)，得到優(yōu)化估計值，根據(jù)所述優(yōu)化估計值確定cbct系統(tǒng)在該次采樣過程中的幾何參數(shù)。

上述錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定方法，可以分別在cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)，對cbct幾何參數(shù)校正裝置中的小球標(biāo)記物進(jìn)行圓周掃描，采樣獲取cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)下的第一投影數(shù)據(jù)，以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)下的第二投影數(shù)據(jù)；還可以在第一投影數(shù)據(jù)中采樣得到投影數(shù)據(jù)集a，在第二投影數(shù)據(jù)中采樣得到的投影數(shù)據(jù)集b，計算所述投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)ma(uk,vk)和投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)mb(um,vm)；以便依據(jù)上述投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)ma(uk,vk)、投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)mb(um,vm)確定投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定cbct幾何參數(shù)校正裝置中各個小球標(biāo)記物球心投影的估計坐標(biāo)est(u'n,v'n)以及cbct幾何參數(shù)校正裝置的目標(biāo)函數(shù)；計算所述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的估計坐標(biāo)est(u'n,v'n)，確定優(yōu)化估計值，根據(jù)所述優(yōu)化估計值確定cbct系統(tǒng)第i次采樣過程中的幾何參數(shù)，即上述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的est(u'n,v'n)所對應(yīng)的cbct系統(tǒng)幾何參數(shù)，使所確定的幾何參數(shù)具有較高的精度，可以提高依據(jù)上述cbct系統(tǒng)幾何參數(shù)所重建的cbct圖像的質(zhì)量。

附圖說明

圖1為一個實施例的不偏置探測器cbct系統(tǒng)成像俯視圖；

圖2為一個實施例的偏置探測器cbct系統(tǒng)成像俯視圖；

圖3為一個實施例的錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定方法流程圖；

圖4為一個實施例的基于掃描相機(jī)模型的幾何關(guān)系圖；

圖5為一個實施例的cbct幾何參數(shù)校正裝置的外觀圖；

圖6為一個實施例的投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b的水平平移關(guān)系示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定方法的具體實施方式進(jìn)行詳細(xì)闡述。

參考圖3所示，圖3為一個實施例的錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定方法流程圖，包括如下步驟：

s10，分別在cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)，對cbct幾何參數(shù)校正裝置中的小球標(biāo)記物進(jìn)行掃描，獲取cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)下的第一投影數(shù)據(jù)，以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)下的第二投影數(shù)據(jù)；

參考圖1所示，上述cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)，cbct系統(tǒng)可以包括射線源1、探測器2以及全覆蓋掃描的成像區(qū)域3。參考圖2所示，上述cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)，cbct系統(tǒng)可以包括射線源1、探測器2以及偏移探測器cbct系統(tǒng)的成像區(qū)域4。一般情況下偏移探測器后的成像區(qū)域4比不偏移探測器的成像區(qū)域3大。

參考圖4所示，cbct系統(tǒng)可以通過11個幾何參數(shù)θx、θy、θz、tx、ty、tz、u0、v0、f1、f2和dt進(jìn)行描述，其對應(yīng)的系統(tǒng)定義可以為：定義右手笛卡爾世界坐標(biāo)系o-xwywzw，以被掃描物體中心(圖示立方體)為系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)，其中yw為被掃描物體的縱軸中軸線，xw為被掃描物體的橫軸中軸線，zw為分別垂直xw和yw的坐標(biāo)軸，分別為xw，yw，zw軸的單位方向向量；定義圖像坐標(biāo)系i-uivi，探測器的右下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，u，v分別為探測器上行和列方向，其中和分別是探測器的行和列的方向向量，為探測器的法向量；定義成像坐標(biāo)系s-xcyczc，坐標(biāo)原點(diǎn)為射線源，xc，yc分別與圖像坐標(biāo)系u，v平行，zc垂直于探測器。

s20，在第一投影數(shù)據(jù)中采樣得到投影數(shù)據(jù)集a，計算投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)，在第二投影數(shù)據(jù)中采樣得到投影數(shù)據(jù)集b，計算投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)；

具體地，上述步驟可以在第一投影數(shù)據(jù)中獲取第i次采樣得到的投影數(shù)據(jù)集a，計算投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)ma(um,vm)，在第二投影數(shù)據(jù)中獲取第i次采樣得到的投影數(shù)據(jù)集b，計算投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)mb(um,vm)；其中，m≤n，m為第二投影數(shù)據(jù)中第i次采樣所包括小球標(biāo)記物像的個數(shù)，n為cbct幾何參數(shù)校正裝置中的小球標(biāo)記物總數(shù)。

上述步驟s20中，可以在計算得到投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)ma(um,vm)和投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)mb(um,vm)，進(jìn)一步確定投影數(shù)據(jù)集a與投影數(shù)據(jù)集b之間各個元素之間的對應(yīng)關(guān)系。具體地，可以在獲取到第i次采樣得到的投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b后，可以利用投影數(shù)據(jù)集a或者投影數(shù)據(jù)集b的水平平移關(guān)系，ma(uk,vk)中uk行坐標(biāo)可以作為標(biāo)號索引，通過索引可以計算出數(shù)投影數(shù)據(jù)集中小球球心投影坐標(biāo)mb(um,vm)的標(biāo)號m，若um落在uk的鄰域范圍內(nèi)，則可以確定投影數(shù)據(jù)集b當(dāng)前標(biāo)號m＝k，以此確定投影數(shù)據(jù)集a與投影數(shù)據(jù)集b之間各個元素之間的對應(yīng)關(guān)系；上述標(biāo)號k的作用為找到校正裝置第k個小球?qū)?yīng)的投影信息。

s30，根據(jù)所述投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)、投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)、以及所述投影數(shù)據(jù)集a以及投影數(shù)據(jù)集b的之間的對應(yīng)關(guān)系確定cbct幾何參數(shù)校正裝置中各個小球標(biāo)記物球心投影的估計坐標(biāo)以及cbct幾何參數(shù)校正裝置的目標(biāo)函數(shù)；

s40，計算所述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的估計坐標(biāo)，得到優(yōu)化估計值，根據(jù)所述優(yōu)化估計值確定cbct系統(tǒng)在該次采樣過程中的幾何參數(shù)。

本實施例提供的錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定方法，可以分別在cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)，對cbct幾何參數(shù)校正裝置中的小球標(biāo)記物進(jìn)行圓周掃描，采樣獲取cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)下的第一投影數(shù)據(jù)，以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)下的第二投影數(shù)據(jù)；還可以在第一投影數(shù)據(jù)中采樣得到投影數(shù)據(jù)集a，在第二投影數(shù)據(jù)中采樣得到的投影數(shù)據(jù)集b，計算所述投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)ma(uk,vk)和投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)mb(um,vm)；以便依據(jù)上述投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)ma(uk,vk)、投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)mb(um,vm)、確定投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定cbct幾何參數(shù)校正裝置中各個小球標(biāo)記物球心投影的估計坐標(biāo)est(u'n,v'n)以及cbct幾何參數(shù)校正裝置的目標(biāo)函數(shù)；計算所述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的估計坐標(biāo)est(u'n,v'n)，確定優(yōu)化估計值，根據(jù)所述優(yōu)化估計值確定cbct系統(tǒng)第i次采樣過程中的幾何參數(shù)，即上述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的est(u'n,v'n)所對應(yīng)的cbct系統(tǒng)幾何參數(shù)，使所確定的幾何參數(shù)具有較高的精度，可以提高依據(jù)上述cbct系統(tǒng)幾何參數(shù)所重建的cbct圖像的質(zhì)量。

在一個實施例中，分別在cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)，可以對cbct幾何參數(shù)校正裝置中的小球標(biāo)記物進(jìn)行圓周掃描，在掃描過程中，采樣獲取cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)下的第一投影數(shù)據(jù)，以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)下的第二投影數(shù)據(jù)；

對獲取第一投影數(shù)據(jù)以及第二投影數(shù)據(jù)所采用的采樣間隔或者采樣點(diǎn)等信息完全一致。具體地，cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)，即為cbct系統(tǒng)中心射線投射至成像探測器中心位置，cbct幾何參數(shù)校正裝置放置在成像區(qū)域范圍內(nèi)，通過激光定位保證cbct幾何參數(shù)校正裝置中軸線放置于機(jī)架旋轉(zhuǎn)軸附近，并加以固定，可以利用75kv/4ma曝光條件下的射線對校正裝置進(jìn)行圓周掃描，得到不同視角下的投影圖像，采樣間隔可以為0.9度，一共有400個角度下的投影數(shù)據(jù)a(在第一投影數(shù)據(jù)中采樣得到的投影數(shù)據(jù)集)，此時每個角度下的投影數(shù)據(jù)中包含了全部的cbct幾何參數(shù)校正裝置中n個小球標(biāo)記物(如17個金屬小球)的影像信息，從上至下可以依次標(biāo)號為第1個小球，第2個小球，…，第n個小球。cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)，即將cbct系統(tǒng)中的探測器水平移動到設(shè)定好的偏置狀態(tài)，cbct幾何參數(shù)校正裝置保持不變，仍固定于之前的擺放位置，再次利用同樣曝光條件進(jìn)行圓周掃描，得到不同視角下的投影圖像，采樣間隔相應(yīng)的為0.9度，一共有400個角度下的投影數(shù)據(jù)b，此時每個角度下的投影數(shù)據(jù)中僅包含了cbct幾何參數(shù)校正裝置中部分小球的影像信息。上述設(shè)定偏置狀態(tài)可以根據(jù)cbct系統(tǒng)的成像范圍(fov)確定，通常情況下，不同的cbct系統(tǒng)有不一樣的成像要求，需要按實際情況分析。

上述所述在第二投影數(shù)據(jù)中采樣得到投影數(shù)據(jù)集b，計算投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)的過程可以包括：

在第二投影數(shù)據(jù)中獲取第i次采樣得到的投影數(shù)據(jù)集b，計算投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)mb(um,vm)；其中，m≤n，m為第二投影數(shù)據(jù)中第i次采樣所包括小球標(biāo)記物像的個數(shù)，n為cbct幾何參數(shù)校正裝置中的小球標(biāo)記物總數(shù)；

上述過程可以首先識別投影數(shù)據(jù)集b中各個像素點(diǎn)的灰度值，依據(jù)上述灰度值對投影數(shù)據(jù)集b進(jìn)行二值化處理，再對二值化處理后的投影數(shù)據(jù)集b進(jìn)行相應(yīng)計算，確定mb(um,vm)。

cbct幾何參數(shù)校正裝置中各個小球標(biāo)記物球心投影的估計坐標(biāo)為est(u'n,v'n)，可以根據(jù)上述est(u'n,v'n)以及mb(um,vm)確定cbct幾何參數(shù)校正裝置的目標(biāo)函數(shù)；

上述小球標(biāo)記物球心投影的估計坐標(biāo)est(u'n,v'n)可以根據(jù)相應(yīng)小球標(biāo)記物的球心坐標(biāo)(xn，yn，zn)以及相應(yīng)的幾何參數(shù)所確定。通常情況下，上述目標(biāo)函數(shù)可以依據(jù)各個小球標(biāo)記物對應(yīng)的est(u'n,v'n)與mb(um,vm)之差的平方和表征。

上述步驟可以根據(jù)投影數(shù)據(jù)集b中小球(小球標(biāo)記物對應(yīng)的投影)的中心點(diǎn)坐標(biāo)和標(biāo)號，以及n個小球球心位置(xn,yn,zn)，n＝1,2,…，n，再借鑒相應(yīng)掃描相機(jī)模型建立各個角度下校正裝置上小球球心空間位置與其投影圖像球心位置之間的聯(lián)系，通過這個關(guān)系獲取小球球心在投影圖像上的估計點(diǎn)(估計坐標(biāo))與實際測量點(diǎn)之間的目標(biāo)函數(shù)，并通過cma-es(covariancematrixadaptationevolutionstrategy，協(xié)方差矩陣自適應(yīng)進(jìn)化策略優(yōu)化算法)等最優(yōu)化算法求解相應(yīng)角度下的幾何校正參數(shù)。

上述計算所述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的估計坐標(biāo)，得到優(yōu)化估計值，根據(jù)所述優(yōu)化估計值確定cbct系統(tǒng)在該次采樣過程中的幾何參數(shù)的過程可以包括：

計算所述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的est(u'n,v'n)，得到優(yōu)化估計值，根據(jù)所述優(yōu)化估計值確定cbct系統(tǒng)探測器第i次采樣過程中的幾何參數(shù)。

上述n個球坐標(biāo)估計值est(u'n,v'n)均存在對應(yīng)的一組cbct系統(tǒng)幾何參數(shù)，在得到優(yōu)化估計值后，將上述得到優(yōu)化估計值對應(yīng)的一組cbct系統(tǒng)幾何參數(shù)確定為cbct系統(tǒng)探測器第i次采樣過程中的幾何參數(shù)，便可以有效提高所確定的幾何參數(shù)的精度。

本實施例提供的錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定方法，可以分別在cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)，對cbct幾何參數(shù)校正裝置中的小球標(biāo)記物進(jìn)行圓周掃描，采樣獲取cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)下的第一投影數(shù)據(jù)，以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)下的第二投影數(shù)據(jù)；還可以在第一投影數(shù)據(jù)中采樣得到投影數(shù)據(jù)集a，在第二投影數(shù)據(jù)中獲取第i次采樣得到的投影數(shù)據(jù)集b，計算投影數(shù)據(jù)集a的中心點(diǎn)坐標(biāo)ma(uk,vk)和投影數(shù)據(jù)集b的中心點(diǎn)坐標(biāo)mb(um,vm)，并確定投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b之間的對應(yīng)關(guān)系，以此確定cbct幾何參數(shù)校正裝置中各個小球標(biāo)記物球心投影的估計坐標(biāo)est(u'n,v'n)以及cbct幾何參數(shù)校正裝置的目標(biāo)函數(shù)；計算所述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的est(u'n,v'n)，確定優(yōu)化估計值，根據(jù)所述優(yōu)化估計值確定cbct系統(tǒng)探測器第i次采樣過程中的幾何參數(shù)，即上述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的est(u'n,v'n)所對應(yīng)的cbct系統(tǒng)幾何參數(shù)，使所確定的幾何參數(shù)具有較高的精度，可以提高依據(jù)上述cbct系統(tǒng)幾何參數(shù)所重建的cbct圖像的質(zhì)量。

在一個實施例中，上述分別在cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)，對cbct幾何參數(shù)校正裝置中的小球標(biāo)記物進(jìn)行掃描，獲取cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)下的第一投影數(shù)據(jù)，以及cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)下的第二投影數(shù)據(jù)的過程之前，還可以包括：

將cbct幾何參數(shù)校正裝置的圓柱軸線和cbct系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸重合，在所述cbct系統(tǒng)中設(shè)置cbct幾何參數(shù)校正裝置。

本實施例可以通過激光定位等相關(guān)技術(shù)將cbct幾何參數(shù)校正裝置的圓柱軸線和cbct系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸重合，以保證后續(xù)所獲取的第一投影數(shù)據(jù)和第二投影數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

在一個實施例中，上述cbct幾何參數(shù)校正裝置可以包括空心圓柱以及小球標(biāo)記物；所述空心圓柱的外表面上設(shè)計沿著中心軸方向螺旋軌跡的小孔，小球標(biāo)記物鑲嵌在小孔內(nèi)，小球數(shù)量大于或等于6個。

作為一個實施例，上述空心圓柱的制作材料包括有機(jī)玻璃等低密度物質(zhì)；所述小球標(biāo)記物的制作材料包括金屬等高密度物質(zhì)。

作為一個實施例，上述空心圓柱的制作材料可以為有機(jī)玻璃，所述小球標(biāo)記物的制作材料可以為鋼。

作為一個實施例，上述鑲嵌在小孔內(nèi)的小球標(biāo)記物按照中心密兩邊疏的規(guī)則進(jìn)行分布。

具體地，上述cbct幾何參數(shù)校正裝置的外觀圖可以參考圖5所示，包括：空心圓柱，金屬小球(小球標(biāo)記物)?？招膱A柱表面上設(shè)計沿著中心軸方向螺旋軌跡的小孔，小球標(biāo)記物鑲嵌在小孔內(nèi)。中空圓柱的直徑可以為50mm(毫米)，小孔和小球數(shù)量均為17個，其中16個小孔和小球的直徑為1mm，1個小孔和小球的直徑為2mm，作為坐標(biāo)參考點(diǎn)。cbct幾何參數(shù)校正裝置空心圓柱材料為有機(jī)玻璃；校正裝置小球標(biāo)記物材料為鋼。

上述cbct幾何參數(shù)校正裝置上小球分布可以按照中心密兩邊疏的規(guī)則，第7個到第11個范圍內(nèi)的小球，兩個小球之間的高度差為2.5mm；第1個到第6個范圍內(nèi)的小球，兩個小球之間的高度差為4mm；第12個到第17個范圍內(nèi)的小球，兩個小球之間的高度差為4mm。其中第6個到第7個小球之間的高度差為3mm，第11個到第12個小球之間的高度差為3mm。

在一個實施例中，上述在第一投影數(shù)據(jù)中獲取第i次采樣得到的投影數(shù)據(jù)集a，在第二投影數(shù)據(jù)中獲取第i次采樣得到的投影數(shù)據(jù)集b的過程之后，還可以包括：

在第一投影數(shù)據(jù)中獲取第i次采樣得到的投影數(shù)據(jù)集a，識別投影數(shù)據(jù)集a中各個像素點(diǎn)的灰度值，將投影數(shù)據(jù)集a中灰度值大于灰度閾值t的像素點(diǎn)灰度置1，將投影數(shù)據(jù)集a中灰度值小于或者等于灰度閾值t的像素點(diǎn)灰度置0；

識別投影數(shù)據(jù)集b中各個像素點(diǎn)的灰度值，將投影數(shù)據(jù)集b中灰度值大于灰度閾值t的像素點(diǎn)灰度置1，將投影數(shù)據(jù)集b中灰度值小于或者等于灰度閾值t的像素點(diǎn)灰度置0；

根據(jù)灰度更新后的投影數(shù)據(jù)集a計算ma(uk,vk)，根據(jù)灰度更新后的投影數(shù)據(jù)集a計算mb(um,vm)；其中，k≤n，k為第一投影數(shù)據(jù)中第i次采樣所包括小球標(biāo)記物像的個數(shù)。

本實施例對獲取第一投影數(shù)據(jù)以及第二投影數(shù)據(jù)所采用的采樣間隔或者采樣點(diǎn)等信息完全一致。具體地，cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)，可以利用75kv/4ma曝光條件下的射線對校正裝置進(jìn)行圓周掃描，得到不同視角下的投影圖像，采樣間隔可以為0.9度，一共有400個角度下的投影數(shù)據(jù)a(在第一投影數(shù)據(jù)中采樣得到的投影數(shù)據(jù)集)，此時每個角度下的投影數(shù)據(jù)中包含了全部的cbct幾何參數(shù)校正裝置中n個小球標(biāo)記物(如17個金屬小球)的影像信息，從上至下可以依次標(biāo)號為第1個小球，第2個小球，…，第17個小球。cbct系統(tǒng)探測器水平移動至設(shè)定偏置狀態(tài)，即將cbct系統(tǒng)中的探測器水平移動到設(shè)定好的偏置狀態(tài)，cbct幾何參數(shù)校正裝置保持不變，仍固定于之前的擺放位置，再次利用同樣曝光條件進(jìn)行圓周掃描，得到不同視角下的投影圖像，采樣間隔相應(yīng)的為0.9度，一共有400個角度下的投影數(shù)據(jù)b，此時每個角度下的投影數(shù)據(jù)中僅包含了cbct幾何參數(shù)校正裝置中部分小球的影像信息。

上述灰度閾值t可以依據(jù)小球標(biāo)記物在第一投影數(shù)據(jù)和第二投影數(shù)據(jù)上所成像的灰度特征，以及第一投影數(shù)據(jù)，第二投影數(shù)據(jù)中除小球標(biāo)記物像之外的背景特征所確定。若投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b圖像上在坐標(biāo)(u,v)處的灰度值分別為ga(u,v)和gb(u,v)，對于ga(u,v)≤t的像素，置ga(u,v)＝0，對于ga(u,v)＞t的像素，置ga(u,v)＝1；同樣，對于gb(u,v)≤t的像素，置gb(u,v)＝0，對于gb(u,v)>t的像素，置gb(u,v)＝1。這樣通過二值化后的圖像中小球的投影是黑色的，背景是白色的，使上述投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b得到灰度更新，便于提取出小球的投影信息。

上述ma(uk,vk)中第一坐標(biāo)參數(shù)uk、第二坐標(biāo)參數(shù)vk，mb(um,vm)中第一坐標(biāo)參數(shù)um、第二坐標(biāo)參數(shù)vm的確定過程可以包括：

式中，符號∑表示累加，u表示投影數(shù)據(jù)集a或者投影數(shù)據(jù)集b中像素點(diǎn)的行數(shù)，v表示投影數(shù)據(jù)集a或者投影數(shù)據(jù)集b中像素點(diǎn)的列數(shù)。

作為一個實施例，上述計算所述目標(biāo)函數(shù)取到最小值時的est(u'n,v'n)，得到優(yōu)化估計值，根據(jù)所述優(yōu)化估計值確定cbct系統(tǒng)探測器第i次采樣過程中的幾何參數(shù)的過程之后，還可以包括：

分別獲取各次采樣所確定的cbct系統(tǒng)的幾何參數(shù)；

根據(jù)cbct系統(tǒng)的各組幾何參數(shù)重建cbct圖像。

本實施例可以利用上述步驟s10至s40所述的錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定方法獲取各次采樣所確定的cbct系統(tǒng)的幾何參數(shù)。

本實施例在計算得到各個采樣角度下的幾何校正參數(shù)，可以準(zhǔn)確獲得重建像素點(diǎn)和對應(yīng)探測器探測元之間的映射關(guān)系，對待成像的物體在探測器偏置cbct系統(tǒng)下進(jìn)行掃描，配合cbct重建算法，重建高精度高分辨率cbct圖像。

作為一個實施例，在根據(jù)所述優(yōu)化估計值確定cbct系統(tǒng)探測器第i次采樣過程中的幾何參數(shù)的過程之前，還可以確定根據(jù)所述ma(uk,vk)和mb(um,vm)確定投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b之間的對應(yīng)關(guān)系，以便對相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計算優(yōu)化處理。

本實施例中，在得到ma(uk,vk)和mb(um,vm)后，可以依據(jù)設(shè)定偏置狀態(tài)確定如圖6所示的投影數(shù)據(jù)集a(圖示數(shù)據(jù)集a)和投影數(shù)據(jù)集b(圖示數(shù)據(jù)集b)的水平平移關(guān)系，ma(uk,vk)中uk行坐標(biāo)可以作為標(biāo)號索引，通過索引可以計算出數(shù)投影數(shù)據(jù)集中小球球心投影坐標(biāo)mb(um,vm)的標(biāo)號m，若um落在uk的鄰域范圍內(nèi)，則可以確定投影數(shù)據(jù)集b當(dāng)前標(biāo)號m＝k。標(biāo)號k的作用為找到校正裝置第k個小球?qū)?yīng)的投影信息。

在一個實施例中，上述est(u'n,v'n)根據(jù)所述估計坐標(biāo)計算公式確定；

所述估計坐標(biāo)計算公式包括：

p3×4＝k[r|t]；

式中，s表示齊次坐標(biāo)的權(quán)重因子，s通常表現(xiàn)為一個常數(shù)，可以根據(jù)相關(guān)坐標(biāo)深度所確定，xn、yn和zn分別表示第n個金屬小球在cbct幾何參數(shù)校正裝置中的三維坐標(biāo)參數(shù)，u′n和v′n分別表示第n個金屬小球?qū)?yīng)的估計坐標(biāo)的二維坐標(biāo)參數(shù)，θx、θy、θz、tx、ty、tz、u0、v0、f1、f2和dt表示第i次采樣對應(yīng)的幾何參數(shù)，其中，計算第1次采樣對應(yīng)的幾何參數(shù)的過程中，所采用的相關(guān)初始數(shù)據(jù)可以根據(jù)cbct系統(tǒng)機(jī)械裝置的配置參數(shù)所確定；θx表示世界坐標(biāo)系圍繞成像坐標(biāo)系xw軸旋轉(zhuǎn)角度、θy表示表示世界坐標(biāo)系圍繞成像坐標(biāo)系yw軸旋轉(zhuǎn)角度、θz表示表示世界坐標(biāo)系圍繞成像坐標(biāo)系zw軸旋轉(zhuǎn)角度、tx表示世界坐標(biāo)系偏移成像坐標(biāo)系x方向距離、ty表示表示世界坐標(biāo)系偏移成像坐標(biāo)系y方向距離、tz表示表示世界坐標(biāo)系偏移成像坐標(biāo)系z方向距離、u0表示表示射線源垂直入射探測器平面垂足橫坐標(biāo)、v0表示表示射線源垂直入射探測器平面垂足縱坐標(biāo)、f1表示表示射線源到探測器距離與探測器像素長度比例、f2表示射線源到探測器距離與探測器像素寬度比例，dt表示探測器像素畸變因子；上述k表示內(nèi)參數(shù)矩陣，r表示旋轉(zhuǎn)矩陣，t表示平移向量。其中，

式中，sdd為射線源到探測器的距離，du是探測器像素長度，dv是探測器像素的寬度，通常情況下，探測器像素可以為正方形，dt是探測器像素畸變因子。

本實施例可以第i-1次采樣對應(yīng)的幾何參數(shù)確定為第i次采樣幾何參數(shù)確定過程中的初始幾何參數(shù)，使第i次采樣幾何參數(shù)確定過程為依據(jù)第i-1次采樣所確定的幾何參數(shù)進(jìn)行迭代計算的結(jié)果，有利于提高第i次采樣幾何參數(shù)確定的效率。若i＝1，則i-1次目標(biāo)函數(shù)的初始幾何參數(shù)為根據(jù)cbct系統(tǒng)機(jī)械裝置的配置參數(shù)確定。

在一個實施例中，上述目標(biāo)函數(shù)可以為：

式中，f(θx,θy,θz,tx,ty,tz,u0,v0,f1,f2,dt)表示估計坐標(biāo)est(u'n,v'n)對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)；其中目標(biāo)函數(shù)的初始幾何參數(shù)由i-1次采樣對應(yīng)的幾何參數(shù)構(gòu)成，i≥1；若i＝1，則i-1次目標(biāo)函數(shù)的初始幾何參數(shù)為根據(jù)cbct系統(tǒng)機(jī)械裝置的配置參數(shù)確定。

本實施例中，使上述目標(biāo)函數(shù)f(θx,θy,θz,tx,ty,tz,u0,v0,f1,f2,dt)取到最小值的est(u'n,v'n)所對應(yīng)的幾何參數(shù)，即為相應(yīng)精度最高的幾何參數(shù)。

在一個實施例中，以包括17個小球標(biāo)記物的cbct幾何參數(shù)校正裝置為例，上述cbct幾何參數(shù)校正裝置中，中空圓柱的直徑為50mm，小孔和小球數(shù)量均為17個，其中16個小孔和小球的直徑為1mm，1個小孔和小球的直徑為2mm，作為坐標(biāo)參考點(diǎn)，小球分布按照中心密兩邊疏的規(guī)則，第7個到第11個范圍內(nèi)的小球，兩個小球之間的高度差為2.5mm；第1個到第6個范圍內(nèi)的小球，兩個小球之間的高度差為4mm；第12個到第17個范圍內(nèi)的小球，兩個小球之間的高度差為4mm。其中第6個到第7個小球之間的高度差為3mm，第11個到第12個小球之間的高度差為3mm。通過上述錐形束計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)的幾何參數(shù)確定各個采樣角度對應(yīng)的幾何參數(shù)，并根據(jù)各組幾何參數(shù)構(gòu)建高精度高分辨率cbct圖像的過程具體可以包括：

第一步，保持cbct系統(tǒng)探測器未偏置狀態(tài)，即中心射線投射至成像探測器中心位置，幾何校正裝置放置在成像區(qū)域范圍內(nèi)，通過激光定位保證校正裝置中軸線放置于機(jī)架旋轉(zhuǎn)軸附近，并加以固定，利用75kv/4ma曝光條件下的射線對校正裝置進(jìn)行圓周掃描，得到不同視角下的投影圖像，采樣間隔為0.9度，一共有400個角度下的投影數(shù)據(jù)集a，此時每個角度下的投影數(shù)據(jù)中包含了全部的幾何校正裝置中17個小球的影像信息，從上倒下依次標(biāo)號為第1個小球，第2個小球，…，第17個小球。

第二步，將cbct系統(tǒng)中的探測器水平移動到設(shè)定偏置狀態(tài)，幾何校正裝置不移動仍固定于第一步中的擺放位置，再次利用同樣曝光條件進(jìn)行圓周掃描，得到不同視角下的投影圖像，采樣間隔為0.9度，一共有400個角度下的投影數(shù)據(jù)集b，此時每個角度下的投影數(shù)據(jù)中僅包含了幾何校正裝置中部分小球的影像信息。

第三步，根據(jù)投影圖像上灰度差異，選取灰度閾值t，分別對投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b中不同視角下的圖像通過分割算法進(jìn)行二值化處理。假定投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b圖像上在坐標(biāo)(u,v)處的灰度值分別為ga(u,v)和gb(u,v)，對于ga(u,v)≤t的像素，置ga(u,v)＝0，對于ga(u,v)＞t的像素，置ga(u,v)＝1；同樣，對于gb(u,v)≤t的像素，置gb(u,v)＝0，對于gb(u,v)>t的像素，置gb(u,v)＝1。這樣通過二值化后的圖像中小球的投影是黑色的，背景是白色的，使上述投影數(shù)據(jù)集a和投影數(shù)據(jù)集b得到灰度更新。

第四步，確定更新后(二值化后)的二值化后的中心點(diǎn)坐標(biāo)分別為ma(uk,vk)、mb(um,vm)。坐標(biāo)具體計算方法如下公式所示：

第五步，利用投影數(shù)據(jù)集a或者投影數(shù)據(jù)集b的水平平移關(guān)系，ma(uk,vk)中uk行坐標(biāo)可以作為標(biāo)號索引，通過索引可以計算出數(shù)投影數(shù)據(jù)集中小球球心投影坐標(biāo)mb(um,vm)的標(biāo)號m，若um落在uk的鄰域范圍內(nèi)，則可以確定投影數(shù)據(jù)集b當(dāng)前標(biāo)號m＝k。標(biāo)號k的作用為找到校正裝置第k個小球?qū)?yīng)的投影信息。

第六步，借鑒掃描相機(jī)的幾何模型，根據(jù)投影數(shù)據(jù)集b中小球的中心點(diǎn)坐標(biāo)mb(um,vm)以及小球球心空間位置(xn，yn，zn)，按照如圖4所示的幾何模型以及幾何參數(shù)θx、θy、θz、tx、ty、tz、u0、v0、f1、f2和dt來描述cbct系統(tǒng)的幾何映射關(guān)系，通過這個關(guān)系獲取小球球心投影的估計坐標(biāo)est(u'n,v'n)與實際測量坐標(biāo)mb(um,vm)之間的目標(biāo)函數(shù)f(θx,θy,θz,tx,ty,tz,u0,v0,f1,f2,dt)，具體計算公式如下：

其中est(u'n,v'n)的確定過程包括：

p3×4＝k[r|t]；

式中，s表示齊次坐標(biāo)的權(quán)重因子，s通常表現(xiàn)為一個常數(shù)，xn、yn和zn分別表示第n個金屬小球在cbct幾何參數(shù)校正裝置中的三維坐標(biāo)參數(shù)，u′n和v′n分別表示第n個金屬小球?qū)?yīng)的估計坐標(biāo)的二維坐標(biāo)參數(shù)，θx、θy、θz、tx、ty、tz、u0、v0、f1、f2和dt表示第i次采樣對應(yīng)的幾何參數(shù)，其中，計算第1次采樣對應(yīng)的幾何參數(shù)的過程中，所采用的相關(guān)初始數(shù)據(jù)可以根據(jù)cbct系統(tǒng)機(jī)械裝置的配置參數(shù)所確定；θx表示世界坐標(biāo)系圍繞成像坐標(biāo)系xw軸旋轉(zhuǎn)角度、θy表示表示世界坐標(biāo)系圍繞成像坐標(biāo)系yw軸旋轉(zhuǎn)角度、θz表示表示世界坐標(biāo)系圍繞成像坐標(biāo)系zw軸旋轉(zhuǎn)角度、tx表示世界坐標(biāo)系偏移成像坐標(biāo)系x方向距離、ty表示表示世界坐標(biāo)系偏移成像坐標(biāo)系y方向距離、tz表示表示世界坐標(biāo)系偏移成像坐標(biāo)系z方向距離、u0表示表示射線源垂直入射探測器平面垂足橫坐標(biāo)、v0表示表示射線源垂直入射探測器平面垂足縱坐標(biāo)、f1表示表示射線源到探測器距離與探測器像素長度比例、f2表示射線源到探測器距離與探測器像素寬度比例，dt表示探測器像素畸變因子；上述k表示內(nèi)參數(shù)矩陣，r表示旋轉(zhuǎn)矩陣，t表示平移向量。其中，

sdd為射線源到探測器的距離，du是探測器像素長度，dv是探測器像素的寬度，通常情況下，探測器像素可以為正方形，dt是探測器像素畸變因子。

第七步，上述cbct系統(tǒng)探測器尺寸為1024×1024，像素尺寸為0.124mm，射線源到探測器距離約為610mm，射線源到旋轉(zhuǎn)中心距離約為380mm，探測器偏置水平移動距離約為35mm，采用(0,0,0,0,0,-230,90.0240,65.0240,610,610,0)的幾何參數(shù)作為投影數(shù)據(jù)集b中第一張圖像的初始值，并根據(jù)上述所示的目標(biāo)函數(shù)，用cma-es算法計算出目標(biāo)函數(shù)最小值所對應(yīng)的第一張圖像的最優(yōu)幾何參數(shù)為(-181.800,38.114,2.286,5.886,6.435,-408.341,106.687,67.333,646.843,645.875,2.751)，并以前一張圖像的最優(yōu)幾何參數(shù)作為下一張圖像優(yōu)化的初始值，如此類推，一直計算到最后一張圖像的幾何參數(shù)。

第八步，利用計算得到各個角度下的幾何校正參數(shù)，準(zhǔn)確獲得重建像素點(diǎn)和對應(yīng)探測器探測元之間的映射關(guān)系，對待成像的物體在探測器偏置cbct系統(tǒng)下進(jìn)行掃描，配合cbct重建算法，重建高精度高分辨率cbct圖像。

本實施例中，cbct幾何參數(shù)校正裝置可以粗糙設(shè)計，小球間的相互位置關(guān)系可以通過螺旋ct精確獲取，以降低裝置加工成本；cbct幾何參數(shù)校正裝置的小球分布按照中心密兩邊疏的規(guī)則，避免了因小球投影面積重疊而無法分割獲取小球球心投影點(diǎn)的問題，還可以克服校正裝置丟失部分小球信息后其它小球標(biāo)號的計算問題；利用最優(yōu)化算法減少解析算法當(dāng)中矩陣分解計算所帶來的誤差，可以提高校正算法精度；采用單角度校正方法并借鑒相機(jī)模型，精確描述重建體素和探測器像素之間關(guān)系。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。