校準設備和計算機斷層掃描方法

校準設備和計算機斷層掃描方法
【專利摘要】在射線攝影系統中，例如CT系統，對校準對象成像。處理影像以校準該系統，而無需對校準對象進行在先測量。改進初始估值以提高準確度。
【專利說明】
校準設備和計算機斷層掃描方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種校準方法，用于使用校準專用(但不必須校準)的對象(幻像)的X射線計算機斷層掃描(CT)系統。
【背景技術】
[0002]X射線成像作為現有技術用于分析樣品，例如，出于測量或檢驗的目的。該樣品使從射線源發出的X射線衰減并且利用測器檢檢測X射線。穿過樣品的X射線的衰減程度以及因此由檢測器檢測的X射線的強度取決于樣品特征。例如，使X射線強衰減的樣品的部分在檢測器的影像上通常顯示為暗區。
[0003 ]因此，可以獲得樣品結構的信息，包括其內部結構。
[0004]在二維X射線成像中，通常只取單個樣品影像，其僅提供關于樣品結構的有限深度?目息O
[0005]在計算機斷層掃描(CT)x射線成像中，采集樣品的多個二維投影影像，例如，通過使樣品相對于射線源與檢測器旋轉。通常情況下，樣品置于一底座上，如一個轉盤，并且底座繞一旋轉軸以連續角度增量旋轉。加工獲得的二維影像以重建出樣品的三維表象。
[0006]該重建使用CT系統的參數。因此，為了對樣品進行精確的重建，CT系統的參數的準確度是非常重要的。例如，使用CT系統測量樣品，例如飛機部件，的內部和外部時，需要可能的最高精確度。同樣，系統的參數需要有很高的精確度。
[0007]換句話說，CT系統參數的精確度越高、重建的精確性也就越高。已知通過校準確定CT系統的參數(見，例如，參考文獻[1]_[5]和[12])。更具體地，通過該系統對具有已知特性的樣品(通常稱為校準對象、偽像或幻像)成像。分析獲得的影像，使用已知的樣品特征以確定系統的參數，使其用于隨后其它物體的成像。
[0008]校準對象具有在輔助材料中排列為已知排布的多個標記。通常情況下，標記使X射線強衰減，并且輔助材料使X射線弱衰減，這樣標記在X射線影像上脫穎而出。如上文所述，校準對象在CT系統中成像。另一種計量方法測量，如使用附設光學掃描儀或觸摸探針的坐標測量機械臂(CMM arm)，也用于測量校準對象。例如，通過CT系統和替代計量法獲得的測量值，如標記之間的距離，可用于對照，和用于校準CT系統。
[0009]已知的校準對象和使用校準對象校準CT系統的方法的示例記載于參考文獻[I]至
[6]。
[0010]參考文獻[1]、[2]、[3]、[4]、[5]中的校準方法在校準前需要，尤其是關于標記的3D相對位置的精確信息，并且任何錯誤對校準方法的準確性具有直接影響。在參考文獻[6]中，可以努力減少但無法消除影響。
[0011]參考文獻[12]涉及一種利用工件的不同位置之間的已知距離確定一系統如CT系統中放大率的方法。其結果是有限的精度。
[0012]參考文獻[17]涉及一種通過添加多個投影圖像確定斷層合成設備中的旋轉軸的方法，并利用添加的投影圖像是關于旋轉軸對稱這一事實。
[0013]參考文獻[17]的方法不使用包含標記的專用幻像，并只能夠確定2項幾何參數。

【發明內容】

[0014]本發明的目的是為解決現有技術中存在的問題。
[0015]本發明的方面如權利要求所列。
[0016]根據其一個方面，本發明提供校準射線攝影系統的方法，該系統包括射線源和/或檢測器，所述方法包括提供校準對象，使校準對象相對于射線源和/或檢測器圍繞一旋轉軸旋轉，獲取校準對象的多個射線影像，分配一代表射線源與旋轉軸之間距離的標稱值，以及使用所述射線影像和所述距離的標稱值確定系統的幾何參數。
[0017]根據其另一方面，本發明提供校準射線攝影系統的方法，該系統包括射線源和/或(X射線)檢測器，所述方法包括提供校準對象，使校準對象相對于射線源和/或檢測器旋轉，獲取校準對象的多個射線影像，以及使用所述射線影像確定系統的幾何參數，至少在初始估計中無需獲取或使用校準對象的先驗信息，即由除校準后的系統以外的設備獲取的信息。
[0018]換句話說，系統的幾何參數來自標記的影像，無需使用標記位于校準對象中的位置的精確測量值。為了提供尺寸信息，則可能需要額外測量以引入長度標準(對應于上述距離的標稱值)。
[0019]根據其又一方面，本發明提供校準射線攝影系統的方法，該系統包括射線源和/或檢測器，所述方法包括提供校準對象，使校準對象相對于射線源和/或檢測器旋轉，獲取校準對象的多個射線影像，其中校準對象包括多個標記，所述方法包括在多個影像中識別標記，使用所述影像獲取針對每個標記的橢圓路徑，較優地通過對每個標記的成像軌跡擬合橢圓，并使用橢圓路徑以確定系統的幾何參數。
[0020]如下文所述，對至少兩個標記的二維成像軌跡擬合橢圓使系統的幾何參數得以確定。
[0021 ]較優地，校準對象繞旋轉軸旋轉。可將校準對象安裝于底座上，例如，一個可旋轉的底座。底座也允許校準對象平移，例如，在三個垂直方向上平移。或者，射線源和/或檢測器可以繞校準對象旋轉，并也可以相對于校準對象平移。
[0022]多個射線影像是對應于X射線不同投影方向的不同影像。換句話說，影像是在不同的相對旋轉角度獲取的。
[0023]本發明的實施例源于對系統幾何參數的初始估計，然后對該初始估計進一步完善。這提高了精確度。
[0024]本發明還提供了一個合適的校準對象。
[0025]專用幻像是通過在X射線弱衰減材料的低密度泡沫內設置X射線強衰減材料的球形標記(例如碳化鎢精密球軸承)構造而成。幻像的射線影像攝于大量的位置和方向。確定每一射線照片中的每個標記的2D影像坐標。建立非線性方程組來表示依據標記的3D相對位置的這些2D影像的坐標以及CT系統的幾何參數。使用非線性迭代求解器求出最小二乘解。凡可獲得的有關標記的3D相對位置或有關CT系統的幾何參數或有關幻像的位置和/或方向的準確信息，可用于提高該解的魯棒性。
[0026]在本發明中，對系統進行校準不需要關于標記的3D相對位置的精確的先驗信息。因此，測量標記可能引起的錯誤不引入校準中，從而可以提高精度。在此條件下，校準是自洽的并只取決于系統和幻像。校準還可更快、更高效、更簡單和更具成本效益，因為無需額外的測量設備。校準可以現場進行，而無需額外測量設備或信息。例如，系統的所有者可以校準系統，而無需依賴制造商。這種方法能夠確定6項幾何參數(或引入長度標準后的7項幾何參數)。
[0027]幻像的制造精度只需確保標記不在射線影像重疊。無需測量幻像(例如，使用接觸或光學坐標測量機)，并且無需保持其長時間在尺寸上穩定。這使得幻像的成本較低，也使其影像學屬性得以更好地優化。
[0028]用于X射線CT校準的幻像中使用的低密度塑料或泡沫陶瓷(亦沒有膠粘劑)使標記比在現有技術中成像更清楚。
[0029]如同在現有技術中，如果必須使用接觸坐標測量機測量標記，那么支撐結構必須更加開放以允許坐標測量機的測頭進入。此外，支撐結構在坐標測量機測頭的作用力下必須不能偏斜。另外，測量值必須在長時間(即，用接觸坐標測量機復測之間)保持有效。
[0030]所有這些因素都意味著一般泡沫不能提供足夠的結構穩定性，所以不適用于現有技術。
[0031]同樣，根據本發明，也不需要例如，用于固定標記的膠粘劑。在校準過程中，重要的是標記不移動。它們可被原地固定從而被壓入泡沫。膠粘劑與固體塑料有類似的衰減效果(即，強于低密度泡沫)，并因此避免膠粘劑可以獲得更高對比度的影像。
[0032]在本發明的實施例中，校準對象可通過在固體的塑料內嵌入標記，如滾珠軸承而制成。與泡沫支撐結構相比，會形成稍低的對比，但影像仍相當清楚，因為輔助材料會非常均勻。標記的2D影像坐標的改進方法比現有技術更準確。通過該方法，由于方法和改進，影像坐標能定位到亞像素級，達到約l/200th的像素。本方法在此方面的效果取決于標記能夠被非常清楚地成像。
[0033]本發明還提供了一種裝置，例如，CT系統和計算機程序或存儲計算機程序(例如，執行方法)的計算機可讀存儲介質。
[0034]較優地，射線攝影系統是X射線系統，更具體地說，是X射線CT系統。
【附圖說明】
[0035]本發明的實施例將參考下述【附圖說明】如后。
[0036]圖1是CT系統的結構框圖；
[0037]圖2是根據本發明實施例的幻像的示意圖；
[0038]圖3是圖2所示幻像的第一射線攝影圖；
[0039]圖4是圖2所示幻像的第二射線攝影圖；
[0040]圖5是圖2所示幻像的第三射線攝影圖；
[0041 ]圖6是根據本發明實施例的方法的步驟流程圖；
[0042]圖7所示的是幻像中的標記；
[0043]圖8所示的是中央掃描中幻像的兩份射線影像的組合；
[0044]圖9所示的是中央掃描中兩個標記的影像的軌跡；
[0045]圖10所示的是偏移掃描中幻像的兩份射線影像的組合；
[0046]圖11所示的是偏移掃描中兩個標記的影像的軌跡；
[0047]圖12是來自偏移掃描的橢圓、直線和點的示意圖；
[0048]圖13是來自偏移的掃描的直線和點的另一示意圖；
[0049]圖14闡明了CT系統的幾何參數；
[0050]圖15闡明了一種改進標記的影像坐標的方法；
[0051 ]圖16是CT系統的一般示意圖。
【具體實施方式】
[0052]圖16示出X射線攝影成像技術的一般原理。射線源S以具有射向檢測器D的中心線C的光束B發射X射線。目標對象T設置于射線源S和檢測器D之間，位于旋轉軸R上。
[0053]在CT成像中，目標對象T繞旋轉軸R遞增地旋轉。每個旋轉增量后，通過檢測器D獲得2維投影影像。處理多個影像(射線攝像投影)以構造目標對象的3維體積再現(體積圖)。
[0054]從2維影像構建體積圖的技術對于本領域技術人員是已知的。
[0055]為了創建體積圖，需要已知CT系統的某些幾何參數，如射線源S的位置、檢測器D的位置和旋轉軸R。精確地確定這些參數需要通過校準實現。
[0056]圖1示出CT成像系統的一個實施例。該系統具有射線源2，其發射出圓錐形光束(未示出)的X射線;和檢測器4，用于檢測射線源2發射出的X射線輻。
[0057]—樣品底座6設置于射線源2與檢測器4之間。樣品底座6包括平臺8和平臺8上的轉盤10。樣品12安裝在平臺8上。平臺8上可通過操縱器(未示出)沿光束中心線(X軸)和垂直于光束中心線(y和z軸)的平面內的垂直軸線轉化。轉盤1繞一旋轉軸(圖1中未示出，但將在下文中詳述)旋轉。
[0058]控制器以控制計算機14形式控制射線源、檢測器和樣品底座。控制器14也從檢測器4獲取影像數據并重構體積圖。如下文詳述，控制器14也執行校準，以確定CT系統的幾何參數。或者，影像數據可從CT系統轉移用于別處的后續處理。
[0059]若要執行校準，用作靶樣品的是專用的校準對象，也稱為幻像或偽像。
[0060]圖2顯示了根據本發明實施例的幻像16。
[0061]幻像被構建為在輔助材料20中設置多個標記18。為了提供高對比度的射線影像其中標記容易被識別，標記18對于X射線強衰減(不透射線，或對于X射線相對不透明)。標記為精密的球狀，這樣每個標記的2D影像坐標可以非常高的精度確定。在實施例中，標記18由碳化鎢精密球軸承形成。將18標記保留在輔助材料20而無需使用膠粘劑。標記18彼此之間排列為盡量避免在預定的射線影像中重疊。優選地，標記18排列為永遠不會在預定的射線影像中重疊。圖2示出一種合適設置的一個示例，但不排除其它設置，如參考文獻[3]中所公開。可以通過例如，模化或檢查設計合適的設置。優選地，如圖2所示，至少一個標記靠近幻像的中軸線附近以及至少另一個標記與中軸線相隔較遠。換句話說，標志包括徑向間隔的標記，較優地是至少一個標記靠近中軸線而至少一個標記靠近幻像的外周。輔助材料20是弱衰減(射線可透，或對于X射線相對半透明)，這樣使每個標記的輪廓盡可能清除地成像。輔助材料20最好是一種低密度泡沫，該低密度泡沫主要由低原子序數的材料構成。較優地，輔助材料20呈剛性、均勻，并具有低的熱膨脹系數。碳或碳化硅泡沫因此被認為是理想的。塑料泡沫，如擠塑式聚苯乙烯泡沫比較不可取，但可以產生可接受的結果。其他合適的材料包括固體塑料和陶瓷。如圖1所示，幻像16放置在的X射線CT系統中，并且在大量的位置和方向上拍攝射線影像。較優地，采集的結果包括完整旋轉一圈(以小角度增加)，同時使旋轉軸在檢測器的中心地區內成像。中央掃描是重要的，因為這是CT采集通常發生的位置。
[0062]圖3顯示了來自中央掃描的圖2的幻像16的射線影像的示例。
[0063]較優地，采集的結果還包括完整旋轉一圈，同時使旋轉軸明顯朝向檢測器的左側或右側成像(但整個幻像16仍保留在視圖中)。此偏移掃描是重要的，因為僅僅是來自中央掃描的數據并不能完全解耦CT系統所需的所有幾何參數。
[0064]優選地，檢測器相對于旋轉軸的不同心度在中央掃描時是零或接近零，并在偏移掃描時顯著大于零，并且盡可能的大。
[0065]更具體地說，為了不同心角(在檢測器的平面，相對于旋轉軸〃 z 〃和垂直軸〃x〃)〃歪斜"、(繞旋轉軸Z)"偏斜"，和(繞軸X)"傾斜"，最好是在中央掃描中偏斜名義上等于零，在偏移掃描中偏斜為非零。
[0066]歪斜、偏斜、傾斜中的誤差(即在重建過程中使用的值與真實值之間的差異)(以及其它幾何參數中的誤差)可以產生不同的影響，如部分或全部重建中的模糊，或錯誤縮放。
[0067]對于解決這類問題的現有技術具有局限性。例如，一種技術假設不同心度(尤其是在偏斜或傾斜中)接近于零，從而降低了準確性(尤其是對于傾斜)，并導致失真。另一種技術引入嚴重的偏斜從而確定傾斜，但這還需要后續在相同的傾斜度進行CT采集，從而增加額外的復雜性并使重建對誤差更敏感。
[0068]在本技術中，中央掃描的偏斜接近于零意味著幾何參數中的小誤差具有最小影響。可通過斜著翻譯旋轉軸引入偏斜，而無需更改X射線源與檢測器之間的關系。通過使偏移掃描非零偏斜，可以解決計算中的模糊。
[0069]CT采集通常是在偏斜、歪斜和傾斜幾乎為零的情況下以使對象的重建盡可能地對偏斜、歪斜和傾斜中的誤差不敏感。因此，同樣地，校準最好是涉及在類似的條件下的中央掃描。然而，沒有附加信息傾斜會徹底模糊(此時偏斜為O)或傾斜的精確度很差(此時傾斜幾乎為O)。這些含糊可通過偏移掃描解決。
[0070]為了將中央和偏移掃描的信息聯系起來，這兩種掃描之間的不變量是必需的。在本實施例中，這即是，例如，標記在幻像中的的位置和X射線源與檢測器之間的關系(尤其是主點的位置和射線源到檢測器的距離)。
[0071]圖4顯示來自偏移掃描的圖2的幻像16的射線影像的示例。
[0072]較優地，采集的結果還包括在不同放大倍數(隨著幻像16朝向和/或遠離射線源)和在不同的垂直位置拍攝的影像。這對于提供有關操縱器軸的方向相對于檢測器的像素行和列的方向的信息是重要的。較優地，整個幻像16包括于每次捕獲的影像的視圖中，但這不是必需的，只須在旋轉過程中保持至少2個標記18在視圖中。
[0073]圖5顯示在高倍放大鏡下掃描幻像16的射線影像的示例。
[0074]完整的采集可能會耗費相當長的時間(也許4小時或更多)，因此存在系統的幾何參數或標記18的3D相對位置可能發生一些變化(例如，由熱變化所引起)的可能性。由于此原因，在較短時間窗口(在采集的初始、末尾或中間階段)內重復采集射線影像的子集可能是有益的。此快速掃描允許慢速掃描的長期態勢，該慢速掃描將在隨后的分析中得到確定和補償。這可以通過比較快速和慢速掃描中標記的軌跡而實現。
[0075]然后分析射線影像以確定標記的2D影像坐標。
[0076]參照圖6，根據本發明實施例的校準方法步驟如下。該方法源于CT系統的幾何參數的第一近似值，隨后通過執行各種改進，逐步提高精度。
[0077]總體而言，根據實施例的方法包括定義未知數(未知參數)，確定冗余自由度，測量幻像16的偏移位置，提取標記的中心坐標，計算初始幾何估值，執行迭代非線性最小二乘估算，和殘差分析。下文將予以詳述。
[0078]根據一個實施例的第一階段的分析，圓檢測法，更具體地說，Canny邊緣檢測和Hough圓檢測法，用于識別大約具有正確直徑的影像中的圓形(步驟601)。這是為了識別影像中可能對應于標記18的部分。該圓檢測法標識影像中的多個圓形，每個圓形具有其相應的"分數"，強應答或分數表明相應的形狀是圓形的可能性更大。如果幻像16包含所有的N標記，然后通常地，對圓檢測法最強的N應答被選中。確定單個影像中的標記后，按次序相鄰的影像中的標記18的近似坐標可被預測。一旦在兩個或多個影像中識別了標記之后，可以提高預測的準確性。
[0079]在下一階段的分析中改進標記的2D影像坐標(標記的投影影像的坐標)(步驟
602)。這是在多個不同的角度通過提取徑向強度分布完成的。使用雙線性插值法，雖然其他插值法也可能適用。對于每個徑向強度分布，確定最大梯度的點并且將該點的坐標轉換回笛卡爾(Cartesian)坐標。使用最小二乘解根據這些點擬合圓。將最大梯度的點以及擬合圓的中心和直徑存儲備用。
[0080]基于標記18的3D相對位置的(近似的)先驗信息，標記被賦予數字標識符(步驟
603)。這可以通過例如，檢驗而無需測量簡單地完成。為避免產生歧義，幻像內標記的設置是最好是不對稱的。
[0081]然后，分析來自偏移掃描的2D影像坐標以確定CT系統和旋轉軸的方向和位置的幾何參數的初步估計，下文將予以詳細論述。總體而言，這是通過識別在校準對象的旋轉過程中每個標記追蹤檢測器上的橢圓路徑(即，在多個影像中的每個標記的影像的路徑是橢圓)而實現的。根據兩個或多個標記的2D影像坐標擬合橢圓(步驟604)。根據這些橢圓方程，可以得到檢測器4上的直線，其是中心切片(central slice)的影像(S卩，垂直于旋轉軸并包含X射線源點的平面的影像)的方程(步驟605)。也可能獲得主點(即垂直于檢測器并包括X射線源點的線的影像)的坐標和X射線源點到檢測器的垂直距離，進而獲得射線源S的位置。最后有可能獲得檢測器上的直線，其是旋轉軸的影像的方程。
[0082]根據本實施方式確定初步估計的方法將在下文中詳細闡述。
[0083]圖7示出了幻像16，其單個標記在坐標體系(X，y，z)中編號。
[0084]圖8示出中央掃描下的在檢測器平面內的兩張射線影像(投影)在坐標體系(u，v)中的示例。
[0085]圖9顯示中央掃描下的兩個具體標記18的完整軌跡。
[0086]圖10顯示偏移掃描下的兩張射線影像(投影)的示例。
[0087]圖11顯示偏移掃描下的兩個具體標記18的完整軌跡。
[0088]影像中的N個標記被識別在，如上文所述，選定2個或多個標記用于初步估算。在本實施例中，選擇兩個標記18，具體地是標記(球)5和標記(球)31。識別多個捕捉到的影像中的選定標記的軌跡(對應X射線的不同投影方向的不同影像，即校準對象旋轉的不同相對位置)。在圖11中，軌跡20對應于標記5，軌跡22對應標記31。
[0089]如圖12所示，根據兩個標記的軌跡擬合橢圓。圖12和13顯示由橢圓方程構建的線和點。圖13中軸的比例比圖12的大。
[0090]可以使用，例如，參考文獻[13]中的方法之一根據上述兩條軌跡擬合橢圓。圖12示出了代表標記31(頂部)和標記5(底部)擬合的橢圓。在此示例中，球5的橢圓24的方程是(1.70E-06u2-4.65E-06uv+6.33E-05v2-3.44E_04u+l.60E_02v+l = 0)，標記31的橢圓26的方程是(I.48E-06u2-1.56E-07uv+5.54E-05v2-2.62E-04u_l.50E_02v+l = 0)。
[0091]很容易可以從它們的方程確定橢圓的中心。在本示例中，標記5的橢圓的中心(由圖12和13中的x28表示)是(u = -75.75，ν = -129.35)，標記31橢圓的中心(由圖12和13中的χ30 表示)是(u = -81.28，V = 134.92)。
[0092]可通過，例如，參考文獻[14]，具體為第11章11.4節，所述的方法使兩橢圓24、26相交。應該注意的是，參考文獻[14]中給出的求解相關的三次方程的方法似乎是錯誤的，可以使用另一種方法，即參考文獻[15]，具體為183頁，給出的方法。橢圓24、26無真正的交點，但如參考文獻[14]所述他們有兩對復共軛交點。每個復共軛對可連接成一實線。圖12中確定的中心切片的影像是線32。在此示例中，此線具有方程(v=l.98E-02U+2.69)。另一條線是圖13中確定的消失線34。在此示例中，此線具有方程(u = 6.75E-01v+7309.63)。兩線的交點是圖13中確定的消失點36。在此示例中，消失點是(u = 7410.55，v = 149.61)。
[0093]根據中心切片32的影像的方程和橢圓24、26的方程，可以使用，例如，參考文獻
[10]所述的方法來獲取相應的圓圈的中心38、40的影像。注意這些和橢圓的中心不一樣，如圖12所示。圖12和13中的虛線42、43、44、45、46、48是其相關的橢圓在兩正交方向的切線和垂線。在所述方向之一的消失點36與圖13中確定的點相同。在另一方向的消失點是旋轉軸50的像與中心切片3 2的像的相交點。旋轉軸50本身的像的方程可以通過連接兩個圓圈中心的影像獲得，并在圖12中被識別。在此示例中，這線50具有方程(U =-2.09E-02V-76.58)。
[0094]圖12顯示通過橢圓中心28、30和標記5和31的圓圈中心38、40對應的像的直線。這些線和其他標記的類似線與中心切片的像相交于單個點52。結果表明，主點58位于一條線，該線通過點52并垂直于中心切片的像。圖12中確定該線為線54，并具有方程u = -l.98E-02V+9.90 ο
[0095]結果還表明，主點58在同一時間位于線56，該線通過消失點36并垂直于旋轉軸50的像。圖13確定了該線56。此線56與之前確定的線54的交點定位了主點58的位置。在本示例中，穿過主點58的線56具有方程v = 2.09E-02U-5.21，并且主點58位于U = 10.00，v = _5.00。
[0096]此外，參考文獻[16]指出從X射線源2到檢測器4的垂直距離(即焦距)等于產品的沿此線56的兩個距離的乘積的平方根。第一距離是從主點58到旋轉軸50的像的距離，第二距離是從主點58到消失點36的距離。主點和焦距的組合構成CT系統的幾何參數的完整描述。
[0097]可通過計算中心切片的平面內的兩向量的向量乘積而確定旋轉軸的方向(如上文所述，中心切片是垂直于旋轉軸并包含X射線源點的平面的像，并且與該平面的垂直關系是通過該平面內的向量的向量乘積發現的)。一個向量可(在檢測器的平面內)沿中心切片的像的方向。另一向量可從X射線源點到在中心切片的像上的任何點(在檢測器的平面內)。
[0098]然后，可通過選擇旋轉軸的像上的任何點確定旋轉軸的位置。[0099 ]圖14示出了沿主點5 2的兩個標記的橢圓路徑24、26的另一示例，旋轉軸50的像，和中心切片32的像。
[0100]如上文所述，以上一起獲得CT系統的幾何參數和旋轉軸的位置和方向的完整描述，但是在沒有關于標記的3D相對位置(尤其是幻像的整體大小)的準確先驗信息的情況下，不可能確定從X射線源到旋轉軸的垂直距離(即放大倍數)。如果此距離是臨時分配的一個標稱值，然后可以以替代值代替該值并可以常規地計算出對旋轉軸的位置和標記的3D相對位置的做出的適當變化。在這一階段，標記的2D影像坐標的不精確性絕大部分源自插入誤差但還應注意到只有在球體的像集中于主點的情況下，該球體的輪廓是一個圓。在所有其他情況下，球體的像經過透視畸變，它的輪廓會變成橢圓。在很多情況下，這種影響可以忽略不計，但當球體的像很大(例如在高倍放大時)并遠離主點時，影響會很大。因為主點的坐標和X射線源到檢測器的垂直距離已知(根據第一估算)，就有可能彌補透視畸變(步驟606)。將最大梯度點(之前已存儲)轉換至適當的虛擬檢測器，在那里最大梯度點形成一個圓(而不是橢圓)。再次存儲該虛擬的檢測器擬合的新圓以及其直徑和中心。
[Ο?Ο? ]使用速度較慢但更準確的算法進一步改進標記的2D影像坐標(步驟607)。該算法認為虛擬檢測器上的窄圓環為幾個像素寬并包含球體輪廓(見圖15)。該算法旨在極大化點的強度和關于中心的鏡像點的強度的乘積(在整個圓環上)的面積積分。極大值發生在鏡像點是中心時。這類似于影像配準中常用的最大互相關法。在虛擬檢測器上構建適當的取樣點，然后將其轉換于真正的檢測器上，然后(例如)使用二次b_樣條曲線插值法(quadraticb-spline interpolat1n)獲取強度。可以通過(例如)單純形法(Nelder-Mead simplexmethod)或使用基于梯度的方法進行極大化。也可以使用其他方法。
[0102]可選地，對慢掃描的2D影像坐標進行補償以匹配快速掃描的結果。必要的補償的量級可以用來評估CT系統和幻像的熱(或其他)穩定性、機械力如抖動等產生的變化、球軸承不規則度、等等。為了有效地利用所有可用的數據，應用最小二乘解，其使用了所有標記的2D影像坐標(來自偏移和中央掃描)。使用迭代非線性求解器最小化測量的和由一模型預測的2D影像坐標(步驟608)之間的差異。完整的模型包含標記的3D相對位置、CT系統的幾何參數、和幻像的位置和方向(對于每個射線影像)。使用逐漸越來越多的自由參數進行一連串的擬合。
[0103]使用來自偏移掃描的2D影像坐標和CT系統的幾何參數和旋轉軸的位置和方向的(先前獲得的)初步估值，查找用于標記的3D相對位置的最小二乘解(使用一個非迭代求解器)。然后用迭代非線性求解器為完整模型求解(只為偏移掃描)，該模型受限的條件為:幻像處于純理論旋轉(已知角度步長)。
[0104]完成中央掃描的旋轉軸的方向和位置的初步估值。這可以與中央和偏移掃描的位置的差異和/或一個或多個標記的2D影像坐標中觀察到的差異相關的(近似的)先驗信息為基礎。然后使用迭代非線性求解器改進此估值(無需試圖求解決此模型的任何其他部分)。
[0105]然后用迭代非線性求解器為完整模型求解(同時為偏移和中央掃描)，該模型受限的條件為:幻像處于兩種單獨的純理論旋轉(已知角度步長)。
[0106]可選的另一步驟是放寬純理論旋轉的約束條件。允許幻像對于每個射線影像具有單獨的位置和方向。再次使用迭代非線性求解器查找最小二乘解，其然后包含旋轉軸的跳動(run-out)和擺動(wobb I e)的測量值。
[0107]另一可選步驟(步驟609)是嘗試檢測(并量化)射線成像設備的影像失真的簡單形式。假定失真是相對于一個已知中心(常用為主點)的徑向失真，其具有r’=r+aXr2的形式，其中a是被發現的值并且是失真的方向和量級的測量值。對a的一些試驗值修正2D影像坐標，并且重新計算所有初始估值和隨后的非線性最小二乘解。2D影像坐標的測量值和模型的預測值之間的方差的總和是a的試驗值的正確性的測量值并求其最小值。換句話說，以失真補償的不同量級重復執行步驟604到608，選擇最佳結果。可以使用其他用于影像失真的模型，如非徑向或三階方程模型。
[0108]如前文所述，到目前為止介紹的方法是無法確定X射線源到旋轉軸的垂直距離。相應地，它無法確定幻像的總體大小。這是一個嚴重的限制，CT系統是一種計量CT系統并且需要準確的絕對距離測量值。這就需要引入長度標準(步驟610)。在此描述的方法容易適于納入如下所述的兩種長度標準的可能類型中的任一。
[0109]第一類長度標準是幻像中標記之間的準確已知的距離。它可以是一對標記之間的距離或是兩個或多個此距離的平均值。考慮到最小二乘解是基于X射線源到旋轉軸的垂直距離的標稱值，計算完全等效解，即模型中幻像內標記之間的距離等于已知的距離，是微不足道的。
[0110]第二類長度標準是幻像的位置之間的準確已知的距離。例如，采集過程可以包括幻像的完整旋轉(同時，旋轉軸在檢測器的中心成像)，其間從X射線源到旋轉軸的垂直距離減少了已知的距離。需要額外擬合以確定在高倍掃描下的旋轉軸的方向和位置。再次，考慮到最小二乘解，計算完全等效解，即模型中幻像的位置之間的距離等于已知的距離，是微不足道的。對于此掃描，有可能使用更大的角增量。采集過程還可包括這樣幾種掃描，即所有掃描位置之間的增量距離是已知的。
[0111]可以使用已知的方法確定上述長度標準的距離。
[0112]相機領域中有關上述方法技術的詳情記載于參考文獻[7]、[8]、[9]、[10]和[11]中。
[0113]實施本發明可以使用適當的編程的計算機，例如，具有適于執行每個函數的軟件模塊的微處理器，或使用專用的硬件模塊來執行每個函數，或軟件和硬件的結合。
[0114]可以在CT系統本身內部進行校準，或可以將數據下載并傳輸到另一個系統進行加工處理。然后在后續處理中，也即是，用于成像其他對象時，聯合使用校準數據和CT系統。
[0115]本發明的方面和特征載列如下。
[0116]本發明的一個方面提供一種校準射線攝影系統的方法，該系統包括射線源和檢測器，所述方法包括提供校準對象，使校準對象相對于射線源和/或檢測器繞軸旋轉，采集校準對象的多個射線影像，分配一個表示射線源與旋轉軸之間的距離的標稱值(標稱距離值)，以及通過使用所述射線影像和標稱距離值確定系統的幾何參數。
[0117]本發明的另一方面提供一種校準射線攝影系統的方法，該系統包括射線源和檢測器，所述方法包括提供校準對象，使校準對象相對于射線源和/或檢測器旋轉，獲取校準對象的多個射線影像，以及使用所述射線影像確定系統的幾何參數，無需有關校準對象的測量值信息(例如先驗信息，即先于確定參數)。換句話說，本方法通過掃描之前或之后的測量，使用未校準的校準對象，即，在確定系統的參數中使用或需要該對象的固有測量值未知。在校準對象包括標記的情況下，如實施例中所述，未校準的校準對象是其中標記的準備位置是未知的。
[0118]換句話說，本方法可以無需校準對象的信息而校準系統，S卩，確定系統的幾何參數。尤其是，無需通過測量校準對象獲得的校準對象的測量值來確定幾何參數，此測量可直接通過坐標測量機(CMM)，或間接通過一已校準的系統進行。這意味著校準對象有更多的選擇，因為其無需被攝設計為適合CMM測量，或具有更多的靈活性因為無需特定類型的校準對象，無需在先測量，無需特定測量設備，例如CMM或其他校準系統。
[0119]如上文所述，根據本發明，確定X射線源到旋轉軸的垂直距離或長度標準需要測量值。換句話說，無需校準對象的測量可以獲得系統的所有幾何參數，除了此距離測量值，其在校準系統不總是必需的。
[0120]優選地，校準對象包括多個標記，所述方法包括在射線影像中識別標記的位置。
[0121]優選地，該方法包括通過使用多個射線影像為每個標記推導橢圓路徑，較優地通過對每個標記的成像軌跡擬合橢圓。
[0122]本發明的另一方面提供了一種校準攝像影像系統的方法，該系統包括射線源和檢測器，所述方法包括提供配備至少一個標記的客體，使客體該相對于射線源和/或檢測器旋轉，獲取該客體的多個射線影像，所述方法包括確定至少一個標記的像在多個影像中的位置，使用所述影像推導該至少一個標記的路徑，以及使用該路徑確定系統的幾何參數。
[0123]本發明的又一方面提供了一種校準攝像影像系統的方法，該系統包括射線源和檢測器，所述方法包括提供一校準對象，使校準對象相對于射線源和/或檢測器旋轉，獲取校準對象的多個射線影像，其中校準對象包括多個標記，所述方法包括在多個影像中確定多個標記，使用所述影像為每個標記推導橢圓路徑，較優地通過對每個標記的成像軌跡擬合橢圓，以及使用橢圓路徑以確定系統的幾何參數。
[0124]優選地，該方法包括使用橢圓方程，和/或基于或包括使橢圓相交的方法來確定系統的幾何參數。
[0125]優選地，該方法包括使用所述射線影像中的上述標記從而獲得系統的初始幾何估值。
[0126]優選地，該方法包括使用圓檢測方法來識別每個影像中的多個圓形，并選擇N個或更少的圓形，其中N是校準對象中標記的數量。
[0127]優選地，幾何參數包括旋轉軸的影像、中心切片的影像和主點中一個或多個。
[0128]優選地，該方法還包括獲得從射線源到檢測器的距離、對象的偏移、旋轉軸中的一個或多個。
[0129]優選地，該方法包括補償透視失真，例如，通過將標記的影像投影到虛擬檢測器上，其中虛擬檢測器內的影像更圓。
[0130]優選地，該方法包括使用最大互相關法改進標記的影像(圓)的坐標。
[0131]優選地，所述方法包括推導校準對象的預估模型，和改進所述初始幾何估值和校準對象的預估模型，例如，使用一種迭代非線形技術。優選地，該方法包括分析和補償殘差，如影像失真。
[0132]優選地，該方法包括確定代表射線源與旋轉軸之間的距離的一個值。
[0133]優選地，通過使用校準對象的測量值或校準對象的相對位置的測量值確定該距離值。
[0134]優選地，該方法包括設置校準對象處于校準對象的旋轉軸大約與光束中線相交的中心位置，其中獲取校準對象處于所述中心位置的多個射線影像。
[0135]優選地，該方法包括設置校準對象處于校準對象的旋轉軸偏離于光束中線的偏移位置，其中獲取校準對象處于所述偏移位置的多個射線影像。
[0136]本發明的另一個方面提供用于校準射線攝影系統的校準對象，其包括在使X射線弱衰減的材料內設置多個使X射線強衰減的球形標記，由此獲得具有高對比度和高精確度的標記影像。
[0137]優選地，輔助材料是低密度泡沫，如碳或碳化硅泡沫或塑料泡沫，例如擠塑式聚苯乙烯泡沫或固體塑料或陶瓷。
[0138]優選地，標記是由碳化鎢、鋼或黃金制成的球形軸承。
[0139]優選地，標記的排布是不對稱的，這樣不會在射線影像中重疊。
[0140]優選地，標記不由膠粘劑固定。
[0141]本發明的另一個方面提供如上文或下文所述的使用上述校準對象的方法。
[0142]優選地，該方法包括以不同的速度進行掃描用于，例如，補償環境條件的變化，如溫度。優選地，該方法包括指定代表射線源和旋轉軸之間的距離的標稱值，和使用射線影像以及該距離標稱值確定系統的幾何參數。
[0143]優選地，該方法還包括使用校準對象(如上文所述)的測量值獲得距離標稱值的一數值。
[0144]本發明的另一個方面提供了一種測量方法，使用上述方法校準的射線攝影系統測量對象。
[0145]本發明的另一個方面提供一種校準射線攝影系統的方法，利用一校準對象，在缺乏通過除該射線攝影系統以外的測量設備所獲得的所述校準對象的完整再現的情況下，校準所述射線攝影系統。
[0146]本發明的另一個方面提供一種裝置，其包括執行上文所述方法的設備。
[0147]本發明的另一個方面提供計算機程序或計算機可讀存儲介質，其包括用于執行上述方法的計算機可執行指令。
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【主權項】
1.一種校準包括射線源和檢測器的射線攝像系統的方法，該方法包括: 提供一校準對象， 使所述校準對象相對于所述射線源和/或所述檢測器旋轉， 獲取所述校準對象的多個射線影像，其中，所述校準對象包括多個標記， 在多個影像中識別多個標記， 使用所述影像獲得對應于每個標記的橢圓路徑，較優地通過對每個標記的成像軌跡擬合橢圓，以及， 使用所述橢圓路徑確定所述系統的幾何參數。2.根據權利要求1所述的方法，其中確定所述系統的幾何參數的方法無需測量所述校準對象。3.—種校準包括射線源和檢測器的射線攝像系統的方法，該方法包括: 提供一校準對象， 使所述校準對象相對于所述射線源和/或所述檢測器旋轉， 獲取所述校準對象的多個射線影像，以及， 使用所述射線影像確定所述系統的幾何參數，無需所述校準對象的測量信息。4.根據權利要求3的所述的方法，其中所述校準對象包括多個標記，該方法包括:識別所述射線影像中的所述標記的位置，較優地包括:使用多個射線影像獲得對應于每個標記的橢圓路徑，較優地通過對每個標記的成像軌跡擬合橢圓。5.根據權利要求1、2或4所述的方法，其中包括使所述橢圓相交從而確定所述系統的幾何參數。6.根據前述任一權利要求所述的方法，包括使用所述射線影像中的所述標記獲得所述系統的初始幾何估值。7.根據前述任一權利要求所述的方法，包括使用圓檢測法來識別每個影像中的多個圓形，以及選擇N或少于N個所述圓形，其中N是所述校準對象中的標記的個數。8.根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述幾何參數包括旋轉軸的影像，中心切片的影像和主點中的一個或多個。9.根據權利要求7所述的方法，包括獲得從所述射線源到檢測器的距離、對象的偏移、旋轉軸中的一個或多個。10.根據權利要求3-9中任一所述的方法，包括補償透視失真，例如，通過將標記的影像投射于虛擬檢測器上，其中虛擬檢測器中的影像更圓。11.根據權利要求3-10中任一所述的方法，包括使用最大互相關法改進所述標記的影像(圓圈)的坐標。12.根據前述任一權利要求所述的方法，包括獲得所述校準對象的預估模型；以及 改進所述初始幾何估值和所述校準對象的所述預估模型，例如，通過使用迭代非線性技術。13.根據前述任一權利要求所述的方法，包括分析和補償殘差，例如影像失真。14.根據前述任一權利要求所述的方法，包括確定一個代表所述射線源與所述旋轉軸之間的距離的值。15.根據權利要求13所述的方法，其中所述距離值是通過使用校準對象的測量值或校準對象的相對位置的測量值確定的。16.根據前述任一權利要求所述的方法，包括設置所述校準對象位于所述校準對象的所述旋轉軸大約與光束中線相交的中心位置，其中當所述校準對象位于所述中心位置時獲取多個所述射線影像。17.根據前述任一權利要求所述的方法，包括設置所述校準對象位于所述校準對象的所述旋轉軸偏離于所述光束中線的偏移位置，其中當所述校準對象處于所述偏移位置時獲取多個所述射線影像。18.用于校準射線攝影系統的校準對象，包括在使X射線弱衰減的輔助材料內設置多個使X射線強衰減的球形標記，由此獲得具有高對比度和高精確度的標記影像。19.根據權利要求17所述的校準對象，其中輔助材料是低密度泡沫，如碳或碳化硅泡沫或塑料泡沫，例如擠塑式聚苯乙烯泡沫或固體塑料或陶瓷。20.根據權利要求18或19所述的校準對象，其中所述標記是由碳化鎢、鋼或黃金制成的球形軸承。21.根據權利要求18-20中任一所述的校準對象，其中所述標記的排布是不對稱的，這樣所述標記不會在射線影像中重疊。22.根據權利要求18-21中任一所述的校準對象，其中不通過膠粘劑固定所述標記。23.根據權利要求1-17中的任一所述的方法，其中使用根據權利要求18-22中的任一所述的校準對象。24.根據權利要求1-17和23中的任一所述的方法，包括以不同的速度進行掃描，例如，以補償環境條件的變化，如溫度。25.根據權利要求1-17和23-24中的任一所述的方法，包括指定代表所述射線源和所述旋轉軸之間的距離的標稱值，以及使用所述射線影像和所述距離的標稱值確定所述系統的幾何參數。26.根據權利要求25所述的方法，還包括使用所述校準對象的測量值獲得所述距離的標稱值的一數值。27.根據權利要求1-17和23-26中的任一所述的方法，包括使用一未校準的校準對象。28.—種校準包括射線源和檢測器的射線攝像系統的方法，包括: 提供一配置有標記的對象， 使所述對象相對于所述射線源和/或所述檢測器旋轉， 獲取所述對象的多個射線影像， 在多個影像中識別所述標記的影像的位置， 使用所述影像獲得對應于所述標記的路徑，以及， 使用所述路徑確定所述系統的幾何參數。29.—種測量方法，使用根據權利要求1-17和23-28中任一所述的方法校準的射線攝影系統測量一對象。30.—種校準射線攝影系統的方法，利用一校準對象，在缺乏通過除該射線攝影系統以外的測量設備所獲得的所述校準對象的完整再現的情況下，校準所述射線攝影系統。31.—種裝置，包括執行如權利要求1-17和23-29中任一所述的方法的設備。32.計算機可讀存儲介質，包括用于執行如權利要求1-17和23-29中任一所述的方法的計算機可執行指令。
【文檔編號】A61B6/00GK105849537SQ201480065411
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年11月25日
【發明人】山姆·霍克, 杰瑪·法德爾, 帕特里克·布蘭卡特
【申請人】尼康計量公眾有限公司