模體、測量系統矩陣的方法及裝置與流程

本發明涉及醫學技術領域，尤其涉及模體及利用模體測量系統矩陣的方法及裝置。

背景技術：

系統矩陣建立了已知的投影圖像與未知的重建體元之間的關系，可用于迭代重建算法、系統仿真中的幾何建模和偽影校正等。因此，迭代重建圖像質量、系統仿真和偽影校正結果均依賴于系統矩陣的準確性。

最常見的系統矩陣，將射線源焦點與探測器像素作為理想點考慮，通常采用基于射線束穿過體元形成的射線強度的線積分模型進行模擬計算。該系統矩陣僅考慮了射線源的焦點、體元與探測器像素間的空間幾何關系，而未考慮各種非理想幾何因素的影響，諸如：

1)射線源的焦點一般具有非零有限尺寸。線積分模型將射線源的焦點作為理想點光源考慮，忽略了由于焦點具有一定尺寸和分布，從而可能引起的圖像模糊；

2)探測器像素一般具有非零有限尺寸。線積分模型將探測器離散化，將探測器像素響應均視為1，忽略了由于探測器響應具有一定分布，從而引起的圖像模糊；

為了將以上非理想幾何因素引入系統矩陣，現有技術通常采用以下方案：

1.將射線源的焦點、體素和探測器像素的幾何尺寸劃分為更小的單元，在焦點和探測器單元間用多條投影線模擬上述非理想幾何因素。例如，圖1中示出了此類現有技術方案的示例。

2.使用響應函數模擬焦點尺寸與探測器像素尺寸對系統矩陣的影響。例如，圖2中示出了此類現有技術方案的示例。

上述現有技術方案均需要測量射線源的焦點、體素、探測器像素尺寸和探測器響應分布等特性，并以此為基礎進行后續計算。方法1和方法2相比較而言，方法1簡單直接，在實際應用中用得較多，但其計算量比方法2大一到兩個數量級以上，計算效率低且開銷過大；而方法2雖然計算量較優，但響應函數通常難以準確模擬。

技術實現要素：

根據本公開的一方面，一種模體包括：基體；以及布設在所述基體中的標記物，其中，標記物的大小在至少一個維度上足夠小，以使得標記物在該至少一個維度上的投影圖像的尺寸小于探測器像素尺寸。

根據該方面的一示例性實施例，該模體包括布設在基體不同位置處的多個標記物。

根據該方面的另一示例性實施例，標記物的布設使得它們在同一投影角度下的投影圖像中的位置不重合。

根據該方面的又一示例性實施例，所述標記物為多個標記物，并且該多個標記物在所述基體中被布設為如下設計中的一種或多種：螺線型、直線型、曲線型、折線型。

根據該方面的再一示例性實施例，標記物的形狀為小球形狀、細絲形狀、或兩者的組合。

根據該方面的進一步示例性實施例，標記物的材料與基體的材料的吸收系數不同。

根據本公開的另一方面，一種測量系統矩陣的方法包括：獲取如上述任何示例性實施例所述的模體中體素的擴散函數；以及基于初始系統矩陣和所述體素的擴散函數獲得系統矩陣。

根據該方面的一示例性實施例，標記物為小球，獲取模體中體素的擴散函數包括：采集所述模體的投影圖像，獲取所述小球在所述投影圖像中的投影中心點；以所述小球在所述投影圖像中的投影中心點為中心選取預定鄰域，以所述小球的投影中心點的灰度值為基準對該鄰域的像素點的灰度值進行歸一化；基于所述預定鄰域中像素點到所述小球的投影中心點的距離及該像素點的歸一化的灰度值生成所述小球的擴散函數；以及基于所述小球的擴散函數和插值函數生成所述模體中體素的擴散函數。

根據該方面的另一示例性實施例，基于所述小球的擴散函數和插值函數生成所述模體中體素的擴散函數包括：建立與所述小球的擴散函數對應的基函數；對與所述小球的擴散函數對應的基函數特征表示進行插值獲得所述模體中體素的基函數特征表示；將所述模體中體素的基函數特征表示轉換為與該體素對應的擴散函數。

根據該方面的又一示例性實施例，所述插值函數為：最近鄰插值函數、三線性插值函數、B樣條插值函數中的一種。

根據該方面的再一示例性實施例，所述標記物為細絲，所述獲取模體中體素的擴散函數包括：采集第一投影角度下所述模體的投影圖像，獲取所述投影圖像中細絲上每一個點在與細絲所在方向垂直的方向上的第一擴散函數；采集第二投影角度下所述模體的投影圖像，獲取細絲上每一個點在與細絲所在方向垂直的方向上的第二擴散函數；所述第一投影角度與所述第二投影角度垂直；將與所述細絲上每一個點對應的第一擴散函數和第二擴散函數相乘以獲得細絲的擴散函數；基于所述細絲的擴散函數和插值函數生成所述模體中體素的擴散函數。

根據該方面的進一步示例性實施例，獲取所述投影圖像中細絲上的點在與細絲所在方向垂直的方向上的擴散函數包括：獲取所述細絲上的點在所述投影圖像中的投影中心點；以所述細絲上該點在所述投影圖像中的投影中心點為中心選取預定鄰域，以所述細絲上該點的投影中心點的灰度值為基準對該鄰域的像素點的灰度值進行歸一化；基于所述預定鄰域中像素點到所述細絲上該點的投影中心點的距離及該像素點的歸一化的灰度值生成所述細絲上該點在與細絲所在方向垂直的方向上的擴散函數。

根據該方面的另一示例性實施例，基于所述細絲的擴散函數和插值函數生成所述模體中體素的擴散函數包括：建立與所述細絲的擴散函數對應的基函數特征表示；對與所述細絲的擴散函數對應的基函數特征表示進行插值獲得所述模體中體素的基函數特征表示；將所述模體中體素的基函數特征表示轉換為與該體素對應的擴散函數。

根據該方面的又一示例性實施例，所述插值函數為：最近鄰插值函數、三線性插值函數、B樣條插值函數中的一種。

本公開的又一方面還涉及相應的設備。

附圖說明

圖1示出了將非理想幾何因素引入系統矩陣的一種現有技術方案；

圖2示出了將非理想幾何因素引入系統矩陣的另一種現有技術方案；

圖3示出了根據本發明的示例性而非限定性示例的各種帶有標記物的模體；

圖4示出了根據本發明的示例性而非限定性示例的獲取帶標記物的模體中體素的擴散函數的方法的流程圖；

圖5示出了根據本發明的示例性而非限定性的實施例的測量螺旋CT/工業CT的系統矩陣的方法的流程圖；

圖6示出了根據本發明的示例性而非限定性的實施例的測量系統矩陣并用于系統仿真的方法的流程圖。

具體實施方式

將參照附圖詳細描述各實施例。在可能之處，相同附圖標記將貫穿附圖用于指代相同或類似部分。對特定示例和附圖所作的引用是用于解說性目的，而無意限定本發明或權利要求的范圍。措辭“示例性”在本文中用于表示“用作示例、實例或解說”。本文中描述為“示例性”的任何實現不必然被解釋為優于或勝過其他實現。

模體一般指體素位置對象，本發明采用的模體，其基體中布設有標記物利用所述模體進行相應的測試進而獲取不同系統的系統矩陣。

根據本發明的一示例性而非限定性的實施例，所述模體為在均勻材質的基體中的不同位置處放置若干標記物，這些標記物與均勻材質的基體材料的吸收系數不同，從而使得在投影圖像中易于將所述標記物和基體進行區分。這些均勻標記物可為不同材質，以考察不同材質對系統矩陣的影響。

例如，圖3(a)–(d)中示出了根據本發明的示例性而非限定性示例的各種此類模體及其應用。這些示例性模體可以為一均勻材質的圓柱體或六面體模體。但本領域普通技術人員可易于理解，模體的形狀不限于此。模體的基體可采用PMMA等低原子序數材料，但適宜制作模體基體的材料并不限于此。

在圖3(a)–(d)的示例性實施例中，各模體中進一步包括放置在基體的不同位置處的若干標記物。所述標記物可包括物理特性相同的標記物，諸如但不限于原子序數、電子密度等物理特性相同的均勻標記物。

標記物材料可采用例如鎢、鋁、鐵等高原子序數材料，但適宜制作標記物的材料并不限于此。

標記物的大小在至少一個維度(例如，直徑)上足夠小。例如，標記物在投影數據中在該至少一個維度上的大小宜小于探測器像素尺寸。在一非限定性示例中，如探測器像素大小為0.2mm，射線源與探測器距離為1.5m，射線源與物體距離為1m，則標記物的直徑宜小于0.13mm。

為使得標記物的大小在至少一個維度(例如，直徑)上足夠小，標記物的形狀可采用例如珠形、絲形等。例如，在實際應用中可使用小球形狀的標記物來進行測量。為了近似脈沖響應，必須采用非常小的球。例如，為使小球在投影平面的尺寸小于探測器尺寸，故其直徑須小于幾分之一毫米。受加工工藝影響，小球直徑較難保證。

一種更簡單的方法是使用絲狀標記物，例如線狀或細條狀標記物。可將此類標記物垂直于掃描平面放置。在掃描過程中，線或細條被投影到探測器平面。與珠/球狀相比，線狀或細條狀標記物的加工工藝更為簡單，如鎢絲可加工至十分之一毫米以下，從而其在直徑維度上在探測器平面上的投影可視為理想點。

標記物的布設宜使得它們各自在同一投影角度下的位置不重合。這些標記物在模體中被布設為整體上形成一定的設計，諸如可包括但不局限于螺線狀設計、直線型設計、曲線/折線型號設計、結合型等等或其任何組合。

在另一示例性實施例中，標記物的分布密度(或相應地，標記物之間在每個維度上的間距)可根據精度要求、設計需要等來配置。標記物的分布密度越大(或相應地，標記物之間在每個維度上的間距越小)，則對非理想集合因素的校正越好，但計算量和存儲量會有相應的增加。

在進一步的實施例中，標記物與基體材料的吸收系數不同，在投影圖像中清晰區分標記物與模體材料。

例如，根據一示例性實施例，提出一種測量系統矩陣的模體，所用模體為均勻材質基體中不同位置處鉆出若干平行于掃描平面的空氣孔，用于放置極細的線狀標記物；該線狀標記物與基體材料的吸收系數不同，在投影圖像中易于區分；模體表面還可刻度十字叉絲，其材料與藉此材料相同。

本發明通過使用此類帶標記物的模體來將非理想幾何因素的影響納入到系統矩陣的測量中去。

根據本發明的一方面，此類測量系統矩陣的方法包括獲取帶標記物的模體中體素的擴散函數。此類測量系統矩陣的方法還包括基于初始系統矩陣和體素的擴散函數獲得系統矩陣。初始系統矩陣例如可通過經典法來獲得，也可以通過其他方式獲得。

例如，參考圖4，根據本發明的一示例性而非限定性的實施例，提出一種獲取帶標記物的模體中體素的擴散函數的方法400，其可包括例如如下步驟中的至少一步或多步：

1)獲取在模體中放置或將放置標記物的精確幾何位置(401)；

2)采集放置了標記物的模體的投影圖像(402)；

3)基于投影圖像并且基于標記物的精確幾何位置，獲得每個標記物的擴散函數(403)；以及

4)基于標記物的擴散函數和插值函數來得到該模體中的體素的擴散函數(404)。

為了獲得標記物的擴散函數，可例如以每一標記物在投影圖像中的投影中心點為中心來選取投影圖像中的預定鄰域，并且以該投影中心點的灰度值為基準，對該鄰域中的像素點的灰度值進行歸一化。該鄰域例如可以是邊長為2n+1的正方形，其中n>＝0，例如該鄰域可以是5x5正方形區域。如本領域普通技術人員可知，該鄰域可以采用任何合適的形狀和大小。

在對該鄰域中的像素點的灰度值進行歸一化之后，可基于該預定鄰域中的像素點到該投影中心點的距離及該像素點的歸一化灰度值來生成該標記物的擴散函數。但是應理解，也可以不進行歸一化而直接使用標記物的擴散函數，這同樣在本發明的范圍之內。

模體中的體素的擴散函數可基于標記物的擴散函數并通過使用插值函數來生成。插值函數可以使用本領域經常使用的各種插值函數，例如最近鄰插值函數、三線性插值函數、B樣條插值函數等。

為了生成模體中的體素的擴散函數，可以建立與標記物的擴散函數對應的基函數，并對該基函數的特征表示進行插值以獲得模體中的體素的基函數特征表示。隨后，可將模體中的體素的基函數特征表示轉換為與該體素對應的擴散函數。

基于初始矩陣并且基于如上得到的與體素對應的擴散函數，便可獲得系統函數。由于利用了模體來實際測量孤立點處的、精確幾何位置可確定的標記物，因此比簡單的解析方式生成的系統矩陣更直接、準確。并且在計算過程中，幾何校正被引入到系統矩陣計算中，從而減少額外的幾何校正流程。

在該方法的進一步的實施例中，標記物可以為小球。在此示例性而非限定性的實施例中，該方法可包括以下一個或多個步驟：

1)獲取嵌入的小球的幾何位置(例如，對應于圖4中的步驟401)。例如，該幾何位置可包括空間三維坐標。嵌入的小球的幾何位置可以通過例如工業CT來獲得。

2)采集嵌入了小球的模體的投影圖像(例如，對應于圖4中的步驟402)。

3)基于投影圖像并且基于小球的精確幾何位置，獲得每個小球的擴散函數(例如，對應于圖4中的步驟403)。例如，根據步驟1)可獲得小球精確幾何位置。因為X射線系統的位置坐標已知，所以可根據小球幾何坐標、射線源到探測器距離等計算出上述小球標記物在探測器上的坐標位置，即為小球標記物的投影中心點。以此中心點來選取一定鄰域(例如但不限于，5x5正方形鄰域)以根據前述方法來獲得小球標記物的擴散函數。小球標記物的擴散函數可為點擴散函數，其矩陣大小可與上述鄰域大小相同。對每個標記物采取相同操作即可獲得所有標記物的點擴散函數。根據不同的實施例，點擴散函數可以根據中心點灰度值進行歸一化，也可以不歸一化而直接使用。

4)基于小球標記物的擴散函數和插值函數來得到該模體中的體素的擴散函數(例如，對應于圖4中的步驟404)。例如，這可通過如前所述地建立與小球標記物的擴散函數對應的基函數，對該基函數的特征表示進行插值以獲得模體中的體素的基函數特征表示，并且隨后將模體中的體素的基函數特征表示轉換為與該體素對應的擴散函數來進行。所建立的基函數模型可以是例如高斯函數(例如，一維、二維……)、三次樣條函數、B樣條函數等，這可取決于具體需要。現有技術的線積分模型只考慮體素對投影中心點的貢獻，而本發明通過測量方法將非理想因素引入，同時還考慮體素對投影中心點周邊區域的貢獻。

在該方法的另一進一步的實施例中，標記物可以為細絲。在此示例性而非限定性的實施例中，該方法可包括：

1)不放置線狀標記物，獲取模體中凹槽的精確幾何位置(例如，對應于圖4中的步驟401)。

2)將所述模體放置于目標掃描位置，使用墻壁激光和模體表面的十字叉絲，精確擺放模體；將線狀標記物插入所述模體的空氣孔中在至少兩個投影角度下采集所述模體的投影圖像(例如，對應于圖4中的步驟402)。例如，這兩個投影角度可相互垂直，這是為了便于得到多個角度的下的與線狀標記物即細絲所在方向垂直方向上的線擴散函數。

3)從該至少兩個投影角度下所采集的投影圖像分別獲得細絲標記物上的每一個點在垂直于細絲所在方向的相應方向上的兩個擴散函數，并且將與細絲標記物上的每一個點對應的兩個擴散函數相乘，以獲得細絲上的每一個點的擴散函數，進而得到了該細絲標記物的線擴散函數(例如，對應于圖4中的步驟403)。例如，對細絲標記物上的每一個點在一個投影角度下的擴散函數的計算可以與上文中針對小球標記物的計算方式類似。

4)基于細絲標記物的擴散函數和插值函數來得到該模體中的體素的擴散函數(例如，對應于圖4中的步驟404)。例如，這可包括建立與細絲的擴散函數對應的基函數特征表示；對與細絲的擴散函數對應的基函數特征表示進行插值獲得模體中體素的基函數特征表示；以及將所述模體中體素的基函數特征表示轉換為與該體素對應的擴散函數。

在根據本發明的又一示例性實施例中，可將本發明的系統矩陣測量方法用于系統仿真。系統仿真用于空間分辨率分析、算法驗證及算法比較(如射束硬化校正算法驗證、FDK(Feldkamp-Davis-Kress)算法和迭代算法比較，以及FDK算法的各種濾波核比較)。例如，參考圖6，根據本發明的一示例性而非限定性的實施例的測量系統矩陣并用于系統仿真的方法600可包括例如如下步驟中的至少一步或多步：

1)獲取均勻標記物的精確幾何位置及尺寸(601)；

2)將所用模體放于所需掃描位置，獲得所述模體的投影圖像(602)；

3)由投影圖像計算得到系統矩陣，循環計算直至完成所有系統矩陣計算并存儲(603)；

4)生成系統仿真所用數字模體(例如，空間分辨率分析可以使用位于不同位置處的細線，算法驗證及比較通常可使用Shepp-logan、Forbild等模體或實際CT圖像作為數字模體)(604)；

5)測量獲得所需能譜分布(605)；以及

6)使用系統矩陣、能譜分布和數字模體，如下獲得所述系統仿真所用數字模體的投影圖像(606)

其中Φ(E)為能譜分布，μ_w(E)為線性衰減系數，I_t為穿越長度。

本發明的測量系統矩陣的方法可適于包括但不限于以上所述的各種應用等。本發明適用于各種醫學圖像處理，例如MRI、CT、PET等。本發明的方案通過將焦點尺寸、探測器像素尺寸、連續采集模式等非理想幾何因素中的至少一者或多者引入到采用測量方法獲得的系統矩陣中，比簡單的解析方式生成的系統矩陣更直接、準確。

本領域普通技術人員應理解，本發明的有益效果并非由任何單個實施例來全部實現。各種組合、修改和替換均為本領域普通技術人員在本發明的基礎上所明了。

此外，術語“或”旨在表示包含性“或”而非排他性“或”。即，除非另外指明或從上下文能清楚地看出，否則短語“X采用A或B”旨在表示任何自然的可兼排列。即，短語“X采用A或B”藉由以下實例中任何實例得到滿足：X采用A；X采用B；或X采用A和B兩者。另外，本申請和所附權利要求書中所用的冠詞“一”和“某”一般應當被理解成表示“一個或多個”，除非另外聲明或者可從上下文中清楚看出是指單數形式。

各個方面或特征將以可包括數個設備、組件、模塊、及類似物的系統的形式來呈現。應理解和領會，各種系統可包括附加設備、組件、模塊等，和/或可以并不包括結合附圖所討論的全部設備、組件、模塊等。也可以使用這些辦法的組合。

結合本文所公開的實施例描述的各種說明性邏輯、邏輯塊、模塊、和電路可用通用處理器、數字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)或其它可編程邏輯器件、分立的門或晶體管邏輯、分立的硬件組件、或其設計成執行本文所描述功能的任何組合來實現或執行。通用處理器可以是微處理器，但在替換方案中，處理器可以是任何常規的處理器、控制器、微控制器、或狀態機。處理器還可以被實現為計算設備的組合，例如DSP與微處理器的組合、多個微處理器、與DSP核心協同的一個或多個微處理器、或任何其它此類配置。此外，至少一個處理器可包括可作用于執行以上描述的一個或多個步驟和/或動作的一個或多個模塊。

此外，結合本文中所公開的方面描述的方法或算法的步驟和/或動作可直接在硬件中、在由處理器執行的軟件模塊中、或在這兩者的組合中實施。

本發明中通篇描述的各種方面的要素為本領域普通技術人員當前或今后所知的所有結構上和功能上的等效方案通過引述被明確納入于此，且意在被權利要求書所涵蓋。此外，本文所公開的任何內容都并非旨在貢獻給公眾——無論這樣的公開是否在權利要求書中被顯式地敘述。