三維顯微ct掃描系統中射線源焦點的投影坐標的標定方法

2023-05-11 12:27:26 2

專利名稱：：三維顯微ct掃描系統中射線源焦點的投影坐標的標定方法
技術領域：
：本發明涉及一種適用於三維顯微CT掃描系統的射線源焦點的投影坐標的標定方法，是針對基於面陣探測器的X-射線顯微3D-CT(ThreeDimensionalMicro-computedTomography)掃描成像系統射線源焦點坐標的測量，可用於醫學和工業領域射線數字成像(DR-DigitalRadiography)、三維計算機斷層掃描(3D-CT)成像過程中的相關顯微測量。
背景技術：
：近幾年來，隨著微焦點X射線機性能的不斷提高和高解析度面陣列探測器的出現，三維顯微CT技術在複合材料、微機電產品(MEMS)、電子元器件、石油巖芯等的質量檢測和結構分析中的應用日益得到重視。該技術利用微焦點X-射線源和高投影放大比保證了微米級的信息重建，CT圖像的細節分辨力可達到25微米。顯微工業CT作為一種新型的無損檢測及產品質量評估技術，其工作原理和傳統CT技術相同，二者的主要不同之處在於顯微工業CT技術採用微焦點X射線源，焦點尺寸在幾十微米到幾個微米之間，這使得成像系統在很高的投影放大比下，仍然可以獲得幾何不清晰度很小的高解析度DR圖像，從而保證了CT圖像的高空間解析度。專利號ZL200610066252.X中公開了"一種適用於三維CT掃描系統投影坐標原點的標定方法"。在該專利中，通過在位於射線源和探測器之間的多自由度載物臺上放置一板狀目標；目標上任意安裝兩個圓形物體；當射線源射出的錐束射線照射到目標上時，通過移動多自由度載物臺，探測器釆集到兩個成像位置的兩個圓形物體的DR圖像，通過最小二乘擬合法聯立解算出投影坐標原點o的坐標(;lx,o,;lz)。專利號ZL200610066252.X中是基於二次成像的最小二乘擬合方法實現對投影坐標原點O的高精度標定，該發明方法比較適合於射線源為普通焦點的三維CT掃描系統投影坐標原點的標定。
發明內容本發明的目的是提供一種適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，該方法採用對兩個圓球進行一次成像，獲得兩個圓球的橢圓形投影，然後採用圖像、圖形處理方法提取出兩個橢圓投影輪廓上的序列點坐標，分別對序列點坐標進行最小二乘法擬合得到兩個橢圓投影長軸的直線方程(即長軸直線方程)，最後求解兩長軸直線方程的交點屍'(Uz)，該交點,即為射線源焦點P在探測器的成像平面內的投影坐標。本發明是一種適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，該方法是通過在位於射線源和面陣探測器之間的掃描臺上放置一支撐架，並在支撐架上任意安裝A圓球、B圓球；當射線源射出的錐束射線分別照射到A圓球、B圓球上時，由面陣探測器釆集到A圓球、B圓球在成像平面上的A橢圓投影、B橢圓投影；利用圖像、圖形處理方法，分別提取A橢圓投影、B橢圓投影的輪廓上的序列點坐標，基於各自的輪廓上的序列點坐標，利用最小二乘擬合法分別得到兩個橢圓投影長軸直線方程，最後求解該兩個長軸直線方程的交點,(^,4)，該交點P'即為射線源焦點屍在面陣探測器的成像平面內的投影坐標。本發明適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定，具有如下優點(1)僅通過一次成像即可測量出射線源焦點投影坐標值，有效縮短了圖像採集與數據處理時間；(2)通過求解橢圓長軸交點獲得射線源焦點投影坐標，算法簡單易行，且不會產生假解；(3)雙圓球在成像時空間位置任意，只要保證其投影在面陣探測器成像區域內即可，容易實現，且操作起來簡單；(4)以最小二乘法擬合橢圓的參數並聯立求解，求解坐標值精度達到亞像素級；(5)與本發明人已獲得的專利號ZL200610066252.X公開內容相比，省略了步驟(B)和步驟(C)，真正實現了對兩個圓球的一次成像。圖1是本發明用於進行三維顯微CT掃描系統中射線源焦點的投影坐標的標定方法的原理簡示圖。具體實施例方式下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。5參見圖1所示，本發明是一種適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，該方法是通過在位於射線源1和面陣探測器5之間的掃描臺3上放置一支撐架4，並在支撐架4上任意安裝兩個圓球(A圓球ll、B圓球12);當射線源1射出的錐束射線2照射到A圓球11、B圓球12上時，由面陣探測器5採集到A圓球ll、B圓球12在成像平面51上的兩個橢圓形投影(A橢圓投影21、B橢圓投影22);利用圖像、圖形處理方法，分別提取A橢圓投影21、B橢圓投影22的輪廓上的序列點坐標，基於輪廓上的序列點坐標，利用最小二乘擬合法得到兩個橢圓投影長軸直線方程，最後求解兩個長軸直線方程的交點,(4,4)，該交點P'即為射線源焦點戶在面陣探測器5的成像平面51內的投影坐標。在本發明中，射線源1與掃描臺3之間的距離記為"，射線源1與面陣探測器5之間的距離記為D'，則有*210。支撐架4上的A圓球11、B圓球12的直徑為38ww。對雙球體(A圓球ll、B圓球12)進行一次DR成像，且雙球體在支撐架4上的安裝位置為任意放置。在本發明中，面陣探測器5選取平面面陣探測器。在本發明中，射線源1可以為焦點戶的尺寸為幾微米到幾十微米的各種X-射線發生器。本發明是一種適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，該標定方法具體如下實施步驟步驟一調整射線源1的中心射線W與面陣探測器5的成像平面51垂直，成像平面51的坐標系記為XOZ;射線源焦點P在成像平面51上的投影點記為屍'，投影點P'在成像平面51的坐標系JT(9Z下的坐標記為(^，4)，該投影點,即為本發明所要標定的三維顯微CT掃描系統中射線源焦點的投影點；步驟二將A圓球ll、B圓球12安裝在支撐架4上，支撐架4安裝在掃描臺3上，從射線源1射出的錐束射線2照射到A圓球11、B圓球12上，用面陣探測器5釆集A圓球11、B圓球12分別在成像平面51中的投影圖像(即A橢圓投影21、B橢圓投影22);所述A橢圓投影21、B橢圓投影22均為DR圖像；步驟三對A橢圓投影21進行邊緣檢測、閾值分割、輪廓細化、輪廓追蹤的DR圖像處理，獲得A橢圓投影21的輪廓上的序列點坐標，即輪廓點序列A;用最小二乘擬合法對輪廓點序列A進行擬合得到A橢圓投影21的長軸直線方程，即長軸直線A方程Z=、X+-^.，、表示A橢圓投影21的長軸直線的斜率，^表示A橢圓投影21的中心點的Z坐標，X^表示A橢圓投影21的中心點的Z坐標，X表示在成像平面51坐標系XOZ下的I軸上的參數，Z表示在成像平面51坐標系XOZ下的Z軸上的參數；對B橢圓投影22進行邊緣檢測、閾值分割、輪廓細化、輪廓追蹤的DR圖像處理，獲得B橢圓投影22的輪廓上的序列點坐標，即輪廓點序列B;用最小二乘擬合法對輪廓點序列B進行擬合得到B橢圓投影22的長軸直線方程，即長軸直線B方程Z-^'X+Z"-A:s.;i^，^表示B橢圓投影22的長軸直線的斜率，Z。b表示B橢圓投影22的中心點的Z坐標，X"表示B橢圓投影22的中心點的義坐標，Z表示在成像平面51坐標系XOZ下的Z軸上的參數，Z表示在成像平面51坐標系XOZ下的Z軸上的參數；求解方程組r_，':+，—，'得到長軸直線A和長軸直線B的交點,|z=&J+zCa-^人(Uz)，該交點屍'即為射線源焦點戶在探測器的成像平面51內的投影坐標。在本發明中，擬合橢圓投影長軸直線方程時，採用了最小二乘擬合法。實施例本專利申請的發明人利用計算機模擬對三維顯微CT掃描系統中射線源焦點的投影坐標的標定方法的正確性和測量精度進行考核，模擬條件如下(單位像素)(1)射線源焦點投影坐標4=512，4=512;(2)射線源焦點屍到面陣探測器成像平面51的距離"'=1000;(3)A圓球11和B圓球12的直徑30;(4)投影圖像尺寸1024X1024;7(5)分別將A圓球11、B圓球12置於射線源與面陣探測器之間的任意位置進行DR成像，只要滿足A圓球ll、B圓球12投影在面陣探測器的成像區域內即可。為了驗證該標定方法的重複精度，本發明人進行了三次測量，每次測量中的A圓球11、B圓球12在射線源與面陣探測器之間的位置不同。(6)橢圓投影DR圖像中疊加1%的高斯噪聲。三次測量結果見表l。表1利用計算機模擬對射線源焦點屍的投影點,(Uz)的測量結果(單1tableseeoriginaldocumentpage8注AX、AZ為絕對誤差，e/r—X、m"—Z為相對誤差。計算結果表明，&、^的平均相對誤差分別為0.076%和0.096%。為了驗證本發明測量方法對顯微三維CT重建的有效性，將安裝有兩個圓球的支撐架置於225kVmicro-CT系統的錐束成像場中，分別進行了五次測量，每次測量中支撐架處於射線源與面陣探測器之間的不同位置。利用本發明提出的橢圓長軸擬合及聯立求解方法得到五次測量的結果見表2。225kVmicro-CT系統的主要硬體配置如下1)射線源瑞士Comet公司產XM225D型微焦點X-射線源，最小焦點尺寸為3微米。2)掃描臺由DM1100型(美國PARKER公司產)直流伺服電機驅動的多自由度掃描臺，掃描臺具有旋轉、升降、沿主射線和垂直於主射線方向運動的功能，最大承重15kg。3)面陣探測器美國Varian公司產PaxScan2520型面陣探測器，探元尺寸為0.127mm;成像平面尺寸200mmX250mm。表2對225kVmicro-CT系統射線源焦點P的投影點,(;ix,;iz)的測量結果(單位像素)義I961.81962.14962.11962.07963.33962.2924766.93766.10766.18766.29765,65五(4)=766.230計算機模擬和實驗結果表明，本發明所提測量方法具有以下優點(1)僅通過一次成像即可測量出身f線源焦點投影坐標值，有效縮短了圖像採集與數據處理時間；(2)通過求解橢圓長軸交點獲得^f線源焦點投影坐標，算法簡單易行，且不會產生假解；(3)雙圓球在成像時空間位置任意，只要保證其投影在面陣探測器成像區域內即可，容易實現，且操作起來簡單；(4)以最小二乘法擬合橢圓的參數並聯立求解，求解坐標值精度達到亞像素級。9權利要求1、一種適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，其特徵在於該方法是通過在位於射線源(1)和面陣探測器(5)之間的掃描臺(3)上放置一支撐架(4)，並在支撐架(4)上任意安裝A圓球(11)、B圓球(12)；當射線源(1)射出的錐束射線(2)分別照射到A圓球(11)、B圓球(12)上時，由面陣探測器(5)採集到A圓球(11)、B圓球(12)在成像平面(51)上的A橢圓投影(21)、B橢圓投影(22)；利用圖像、圖形處理方法，分別提取A橢圓投影(21)、B橢圓投影(22)的輪廓上的序列點坐標，基於各自的輪廓上的序列點坐標，利用最小二乘擬合法分別得到兩個橢圓投影長軸直線方程，最後求解該兩個長軸直線方程的交點P′(λX，λZ)，該交點P′即為射線源焦點P在面陣探測器(5)的成像平面(51)內的投影坐標。2、根據權利要求1所述的適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，其特徵在於該標定方法具體如下實施步驟步驟一調整射線源(1)的中心射線W與面陣探測器(5)的成像平面(51)垂直，成像平面(51)的坐標系記為XOZ;射線源焦點^在成像平面(51)上的投影點記為P'，投影點,在成像平面(51)的坐標系X6>Z下的坐標記為(4,4);步驟二將A圓球(11)、B圓球(12)安裝在支撐架(4)上，支撐架(4)安裝在掃描臺(3)上，從射線源(1)射出的錐束射線(2)照射到A圓球(11)、B圓球(12)上，用面陣探測器(5)採集A圓球(11)、B圓球(12)分別在成像平面(51)中的A橢圓投影(21)、B橢圓投影(22);所述A橢圓投影(21)、B橢圓投影(22)均為DR圖像；步驟三對A橢圓投影(21)進行邊緣檢測、閾值分割、輪廓細化、輪廓追蹤的DR圖像處理，獲得A橢圓投影(21)的輪廓上的序列點坐標，即輪廓點序列A;用最小二乘擬合法對輪廓點序列A進行擬合得到A橢圓投影(21)的長軸直線方程，即長軸直線A方程Z-^Z+、-Hj、表示A橢圓投影(21)的長軸直線的斜率，々表示A橢圓投影(21)的中心點的Z坐標，X。表示A橢圓投影(21)的中心點的I坐標，X表示在成像平面(51)坐標系JTOZ下的X軸上的參數，Z表示在成像平面(51)坐標系ZOZ下的Z軸上的參數；對B橢圓投影(22)進行邊緣檢測、閾值分割、輪廓細化、輪廓追蹤的DR圖像處理，獲得B橢圓投影(22)的輪廓上的序列點坐標，即輪廓點序列B;用最小二乘擬合法對輪廓點序列B進行擬合得到B橢圓投影(22)的長軸直線方程，即長軸直線B方程Z:Av義+ZQ-AvJ^，^表示B橢圓投影(22)的長軸直線的斜率，Z&表示B橢圓投影(22)的中心點的Z坐標，Z^表示B橢圓投影(22)的中心點的義坐標，X表示在成像平面(51)坐標系JOZ下的X軸上的參數，Z表示在成像平面(51)坐標系XOZ下的Z軸上的參數；求解方程組j::，':+〉—"得到長軸直線A和長軸直線B的交點,(&,4)，該交點,即為射線源焦點P在探測器的成像平面(51)內的投影坐標。3、根據權利要求1所述的適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，其特徵在於對雙球體進行一次DR成像，且雙球體在支撐架(4)上的安裝位置為任意。4、根據權利要求1所述的適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，其特徵在於射線源(1)與掃描臺(3)之間的距離記為"，射線源(1)與面陣探測器(5)之間的距離記為"'，則有*210。5、根據權利要求1所述的適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，其特徵在於支撐架(4)上的A圓球(11)、B圓球(12)的直徑為38附附o6、根據權利要求1所述的適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，其特徵在於射線源(1)的焦點P的尺寸為微米級。全文摘要本發明公開了一種適用於三維顯微CT掃描系統射線源焦點的投影坐標的標定方法，該方法是通過在位於射線源和面陣探測器之間的掃描臺上放置一支撐架，並在支撐架上任意安裝A圓球、B圓球；當射線源射出的錐束射線分別照射到A圓球、B圓球上時，由面陣探測器採集到A圓球、B圓球在成像平面上的A橢圓投影、B橢圓投影；利用圖像、圖形處理方法，分別提取A橢圓投影、B橢圓投影的輪廓上的序列點坐標，基於各自的輪廓上的序列點坐標，利用最小二乘擬合法分別得到兩個橢圓投影長軸直線方程，最後求解該兩個長軸直線方程的交點P′(λX，λZ)，該交點P′即為射線源焦點P在探測器的成像平面內的投影坐標。文檔編號G01N23/04GK101515370SQ20091007927公開日2009年8月26日申請日期2009年3月6日優先權日2009年3月6日發明者劉靜華,吳文晉,李保磊,民楊,鋼王,韓春梅申請人:北京航空航天大學