專利名稱：一種連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)ct角度增量確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT角度增量確定方法，屬于X射線計算機 層析成像(CT)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在X射線CT系統(tǒng)中，X射線源發(fā)出X射線，從不同角度穿過被檢測物體的某一區(qū) 域，放置于射線源對面的探測器在相應(yīng)角度接受，然后根據(jù)各角度射線不同程度的衰減，利 用一定的重建算法和計算機進行運算，重建出物體被掃描區(qū)域的射線線衰減系數(shù)分布映射 圖像，從而實現(xiàn)由投影重建圖像，無損地再現(xiàn)物體在該區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)密度、成分和結(jié)構(gòu)形態(tài) 等特征。 因為較高的成像效率，基于面陣探測器的X射線三維錐束工業(yè)CT成像技術(shù)在航 空、航天、核工業(yè)等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。通常，這類系統(tǒng)采用單圓軌道錐束掃描 方式實施CT掃描。在這種掃描方式下，X射線源和探測器是靜止的，而物體放置于轉(zhuǎn)臺，在 360°范圍內(nèi)步進旋轉(zhuǎn)；探測器在每個掃描角度下采集透過物體的X射線投影信號，形成一 組二維投影圖像；最后，基于這組二維投影圖像和FDK類型的重建算法重建物體三維CT圖 像。這類系統(tǒng)的成像速度主要由掃描速度和重建速度決定。目前，由于圖形處理單元(GPU) 及其相應(yīng)并行運算架構(gòu)CUDA的應(yīng)用，錐束CT的重建速度已顯著提高，大大高于掃描速度。 因此，為進一步提高成像效率，必須減小掃描時間。減小掃描時間的一種方法是用連續(xù)掃描 方式取代步進掃描方式。 在實際應(yīng)用中，與步進掃描方式相比，連續(xù)掃描方式存在一個突出問題由于 難以做到探測器和轉(zhuǎn)臺的工作時序完全同步，CT掃描角度增量不能準確確定。U.Kumar 等，A statistical correction method for minimization of systemic artefact in aconti皿ous—rotate X—ray based industrial CT system, Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A， Vol. 515， pp. 829-839， 2003，描述了一種用于連續(xù)掃 描二維工業(yè)CT角度增量確定方法。這種方法首先計算二維工業(yè)CT投影正弦圖第一行數(shù)據(jù) 與其他各行數(shù)據(jù)差值的標準差，然后以最小標準差對應(yīng)的掃描位置為完成360°掃描的位 置，進而確定掃描角度增量。但是，這種方法僅適用于基于線陣探測器的二維工業(yè)CT系統(tǒng)， 難以為基于面陣探測器的連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT系統(tǒng)采用。 目前，尚未發(fā)現(xiàn)有用于基于面陣探測器的連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT系統(tǒng)的角度 增量確定方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對基于面陣探測器的連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT
系統(tǒng)角度增量確定問題，提供一種基于投影圖像相關(guān)性的角度增量確定方法。該方法實現(xiàn) 過程簡單、高效，精度高，不需要特殊的硬件和額外的錐束掃描投影數(shù)據(jù)。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT角度增量確定方法，其特征在于包括下列步驟 (1)進行單圓軌道錐束CT掃描，獲得一組二維投影圖像； (2)對步驟(1)中所述二維投影圖像進行對數(shù)解調(diào)，獲得一組二維線積分圖像；
(3)計算步驟(2)中第一幅二維線積分圖像與步驟(2)中其他二維線積分圖像的 相關(guān)系數(shù)，形成一個一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組； (4)搜索步驟(3)獲得的一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組中的最大值，記錄下該最大值在該數(shù) 組中的序號； (5)將步驟(4)獲得的最大值對應(yīng)的序號減1，并除2 ，結(jié)果即為連續(xù)掃描三維工 業(yè)CT的角度增量。 本發(fā)明基于面陣探測器的連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT掃描原理如圖1 :掃描物體放 置于檢臺上勻速連續(xù)旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)過程中，由面陣探測器以固定采樣速度連續(xù)采集透射過物 體的射線投影，獲得二維投影圖像；當(dāng)檢臺旋轉(zhuǎn)380度時，探測器停止采樣，檢臺和射線源 同時停止，掃描結(jié)束；根據(jù)掃描形成的投影數(shù)據(jù)和角度增量，利用對數(shù)解調(diào)算法和CT重建 算法進行重建，即可獲得物體三維層析圖像。 在如圖1所示的連續(xù)掃描方式下，探測器獲取的二維投影圖像可用I(i， m， n)表 示，其中，i表示掃描角度，(m， n)表示某一探測通道在面陣探測器上的位置。根據(jù)這些二 維投影圖像，可以用對數(shù)解調(diào)公式(1)獲得相應(yīng)的二維線積分圖像P(i，m，n)。
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，P(i，m，n)表示第i個掃描角度對應(yīng)的二維線積分圖像；ln表示自然對數(shù)運 算；mean表示二維均值運算；1 : 10表示從1取到10，1 : K表示從1取到K， K為二維線積 分圖像的高度，(1 : IO，I : K)定義了二維圖像上的一個寬度為IO高度為K的區(qū)域。例 如，設(shè)第i個掃描角度對應(yīng)的二維投影圖像I(i，m，n)的寬度為900，高度為IOOO，則其二維
線積分圖像求取公式為<formula>formula see original document page 5</formula>
利用FDK類型的CT重建算法進行重建，除了要利用上述二維線積分圖像，還必須 計算出正確的連續(xù)角度增量。即使是輕微的角度增量錯誤，在CT圖像上也會導(dǎo)致明顯的偽 影和模糊。為說明這個問題，我們利用經(jīng)典三維Sh印p-Logan模型進行了計算機仿真研究。 圖2(a)顯示了一組沒有角度誤差的CT重建圖像，圖2(b)顯示了角度誤差為0.0028°時 的CT重建圖像，圖2(c)顯示了角度誤差為0.0056°時的CT重建圖像。圖3(a)是圖2(a) 與圖2(b)的差值圖像，圖3(b)是圖2(a)與圖2(c)的差值圖像。圖3 (c)顯示了圖2(a)、 (b)和(c)中線條對應(yīng)部分的灰度曲線。從這些結(jié)果可以看出，輕微的角度增量錯誤也會在 CT圖像上導(dǎo)致明顯的偽影和模糊。 為此，本發(fā)明提出一種基于面陣探測器的連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT系統(tǒng)角度增 量確定方法。該方法利用了 CT掃描的如下性質(zhì)根據(jù)CT掃描原理，同一物體在0°和360° 掃描角度下，其二維線積分圖像相同。它首先計算0。掃描角的二維線積分圖像與其他掃描 角度下的二維線積分圖像的相關(guān)系數(shù)，然后將具有最大相關(guān)系數(shù)的掃描角度視為360°掃 描角位置。當(dāng)掃描角度360。已知后，就可根據(jù)O。和360°下的二維線積分圖像的序號利 用公式(2)計算出360°內(nèi)探測器采集的圖像的個數(shù)。
C(i) = corr(P(l， m， n) ， P(i， m， n)) ， 1《i《Np N= i|c(i)=_(c) (2) 公式(2)中，C(i)表示第1個二維線積分圖像與第i個二維線積分圖像的相關(guān)系 數(shù)；corr表示二維相關(guān)運算；P(l， m， n)表示第1個掃描角度對應(yīng)的二維線積分圖像；P(i， m，n)表示第i個掃描角度對應(yīng)的二維線積分圖像；NP表示物體在380度內(nèi)采集的所有圖像 的個數(shù)；N表示與第1個二維線積分圖像具有最大相關(guān)性的二維線積分圖像對應(yīng)的掃描角 度序號，也表示360°內(nèi)探測器采集的圖像的個數(shù)；C表示第1個二維線積分圖像與其他二 維線積分圖像的相關(guān)系數(shù)；max表示一維數(shù)組取最大值運算。 當(dāng)360°內(nèi)探測器采集的圖像的個數(shù)N已知后，即可利用公式(3)計算出連續(xù)掃描
角度增量。這里，A表示角度增量。 A = 2ji/(N_1) (3) 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點如下 (1)本發(fā)明解決了連續(xù)掃描三維錐束CT角度增量確定問題； (2)本發(fā)明對整個二維圖像進行相關(guān)運算，可降低數(shù)據(jù)中統(tǒng)計噪聲對結(jié)果的影響， 故精度高； (3)本發(fā)明實現(xiàn)過程簡單、高效，不需要特殊的硬件和額外的錐束掃描投影數(shù)據(jù)， 易于工程實現(xiàn)。


圖1為基于面陣探測器的連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT掃描結(jié)構(gòu)圖； 圖2 (a)為一組沒有角度誤差的CT重建圖像； 圖2 (b)為角度誤差為0. 0028°時的CT重建圖像； 圖2(c)為角度誤差為0. 0056°時的CT重建圖像； 圖3 (a)是圖2 (a)與圖2 (b)的差值圖像； 圖3(b)是圖2(a)與圖2(c)的差值圖像； 圖3(c)是圖2(a) 、 (b)和(c)中線條對應(yīng)部分的灰度曲線； 圖4是相關(guān)系數(shù)曲線圖； 圖5 (a)是第1幅二維投影圖像； 圖5 (b)是第902幅二維投影圖像； 圖5 (c)是第960幅二維投影圖像； 圖5 (d)是第1幅與第902幅二維投影圖像的差值圖像； 圖5 (e)是第1幅與第960幅二維投影圖像的差值圖像； 圖6是應(yīng)用本發(fā)明發(fā)明方法前重建獲得的某一三維CT斷層圖像； 圖7是應(yīng)用本發(fā)明發(fā)明方法后重建獲得的某一三維CT斷層圖像； 圖8是人工設(shè)定360度內(nèi)二維投影圖像幅數(shù)為900重建獲得的某一三維CT斷層圖像。
具體實施例方式
(D將被掃描物體放置于三維錐束工業(yè)CT系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺，確保任一掃描角度下，物體被錐束覆蓋； (2)以錐束射線對物體實施透照，同時，檢臺勻速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，由面陣探測器以固定 采樣速度連續(xù)采集透射過物體的射線投影，獲得二維投影圖像； (3)當(dāng)檢臺旋轉(zhuǎn)380度時，探測器停止采樣，檢臺和射線源同時停止，即完成一次 單圓軌道錐束CT掃描； (4)當(dāng)掃描結(jié)束，將面陣探測器獲取的多個二維投影圖像按采集時間順序排列起 來，形成一組二維投影圖像I(i，m，n)，其中，i表示掃描角度，m和n是某一探測通道在面陣 探測器上的位置； (5)以如下公式對步驟(4)中二維投影圖像進行對數(shù)解調(diào)，獲得一組二維線積分 圖像
「 ， D,. 、 ， ,wea"(/(Z,l:10,l:尺))、
戶('，m， ") = ln(-^——f—— (6)以如下公式對步驟(5)中第一幅二維線積分圖像與步驟(5)中其他二維線積 分圖像的相關(guān)系數(shù)，形成一個一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組
C (i) = corr (P (1 ， m， n) ， P (i ， m， n)) (7)以如下公式搜索步驟(6)獲得的一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組中的最大值，記錄下該最
大值在該數(shù)組中的序號 N= i|c(i)=_(c) (8)以如下公式將步驟(4)獲得的最大值對應(yīng)的序號減1，并除2 ，結(jié)果即為連續(xù) 掃描三維工業(yè)CT的角度增量
A = 2ji/(N_1) 為驗證本發(fā)明，在實際錐束工業(yè)CT系統(tǒng)上進行了實驗。實驗的具體步驟如下
(1)設(shè)定實驗條件。本實驗采用的物體是CT空間分辨率測試卡，基體材料為有機 玻璃，線對特征為鋁；X射線管電壓120KV，管電流為1. 5mA，射線源到探測器距離1200mm， 探測器采樣幀頻為2幀/秒，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度為0. 75度/秒，采集的二維投影圖像總數(shù)1200 幅，投影圖像尺寸為500*750。 (2)根據(jù)設(shè)定參數(shù)，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，探測器采集數(shù)據(jù)，生成一組二維投影圖像序列。
(4)根據(jù)本發(fā)明對數(shù)解調(diào)公式，對二維投影圖像進行解調(diào)，生成一組二維線積分圖 像序列。 (5)根據(jù)本發(fā)明相關(guān)系數(shù)計算公式，計算第一幅二維線積分圖像與其他所有二維 線積分圖像的相關(guān)系數(shù)，形成一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組。
(6)搜索一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組中的最大值，記錄下該最大值在該數(shù)組中的序號。
(7)根據(jù)本發(fā)明角度增量計算公式，計算角度增量。
(8)將角度增量帶入FDK三維CT重建算法重建CT圖像。 按照實驗設(shè)定的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度和探測器采樣幀頻，探測器在360°內(nèi)采集的投影 圖像的總數(shù)為960幅，角度增量為0.375° ;按照本發(fā)明方法，探測器在360。內(nèi)采集的投影 圖像的總數(shù)為902幅，角度增量為0.3996° 。圖4是本發(fā)明方法計算得到的一維相關(guān)系數(shù) 數(shù)組的曲線圖。圖中左箭頭對應(yīng)角度為O。時的相關(guān)系數(shù)，圖中右箭頭對應(yīng)角度為360。時 的相關(guān)系數(shù)。這表明探測器在360。內(nèi)采集的投影圖像的總數(shù)確實為902幅。圖5(a)是第1幅二維投影圖像；圖5(b)是第902幅二維投影圖像；圖5(c)是第960幅二維投影圖像； 圖5(d)是第1幅與第902幅二維投影圖像的差值圖像；圖5(e)是第1幅與第960幅二維 投影圖像的差值圖像。與圖5(d)比較，圖5(e)存在較大的殘差。這說明探測器在360。內(nèi) 采集的投影圖像的總數(shù)確實為902幅，角度增量為0.3996° 。圖6是以0.375°為角度增 量獲得的CT重建圖像，圖7是以0.3996°為角度增量獲得的CT重建圖像。由圖7可知，應(yīng) 用本發(fā)明方法后，CT圖像偽影和模糊顯著降低。為考察結(jié)果的準確性，我們以人工設(shè)定探 測器在36(T內(nèi)采集的投影圖像的總數(shù)為901幅，角度增量為0.4。，然后進行CT重建，其 重建圖像如圖8所示。比較圖7和圖8可知，圖8出現(xiàn)了較為明顯的特征扭曲和模糊。這 說明本發(fā)明方法確定的角度增量是準確的，同時也從實驗上說明角度增量的微小誤差確實 會在CT圖像上導(dǎo)致可見的偽影和模糊。 由圖6、7、8可知，本發(fā)明方法能正確確定連續(xù)掃描三維錐束CT的角度增量，精度 高，實現(xiàn)過程簡單、高效，不需要特殊的硬件和額外的錐束掃描投影數(shù)據(jù)，易于工程實現(xiàn)。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT角度增量確定方法，其特征在于包括下列步驟(1)進行單圓軌道錐束CT掃描，獲得一組二維投影圖像；(2)對步驟(1)中所述二維投影圖像進行對數(shù)解調(diào)，獲得一組二維線積分圖像；(3)計算步驟(2)中第一幅二維線積分圖像與步驟(2)中其他二維線積分圖像的相關(guān)系數(shù)，形成一個一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組；(4)搜索步驟(3)獲得的一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組中的最大值，記錄下該最大值在該數(shù)組中的序號；(5)將步驟(4)獲得的最大值對應(yīng)的序號減1，并除2π，結(jié)果即為連續(xù)掃描三維工業(yè)CT的角度增量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT角度增量確定方法，其特征在 于所述步驟(1)中進行單圓軌道錐束CT掃描，獲得一組二維投影圖像步驟為(1. 1)將被掃描物體放置于三維錐束工業(yè)CT系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺，確保任一掃描角度下，物體被 錐束覆蓋；(1. 2)以錐束射線對物體實施透照，同時，檢臺勻速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，由面陣探測器以固定采 樣幀頻連續(xù)采集透射過物體的射線投影，獲得二維投影圖像；(1.3)當(dāng)檢臺旋轉(zhuǎn)380度時，探測器停止采樣，檢臺和射線源同時停止，即完成一次單 圓軌道錐束CT掃描；(1. 4)當(dāng)掃描結(jié)束，將面陣探測器獲取的多個二維投影圖像按采集時間順序排列起來， 形成一組二維投影圖像I (i， m， n)，其中，i表示掃描角度，m和n是某一探測通道在面陣探 測器上的位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT角度增量確定方法，其特征在 于所述的步驟(2)中對步驟(1)中所述二維投影圖像進行對數(shù)解調(diào)，獲得一組二維線積分 圖像的方法如下<formula>formula see original document page 2</formula>/(,，OT, )其中，P(i， m， n)表示第i個掃描角度對應(yīng)的二維線積分圖像；ln表示自然對數(shù)運算； mean表示二維均值運算；1:10表示從1取到10， 1 :K表示從1取到K， K為二維線積分圖像 的高度，(1:10，1:K)定義了二維圖像上的一個寬度為10高度為K的區(qū)域。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT角度增量確定方法，其特征在 于所述的步驟(3)計算步驟(2)中第一幅二維線積分圖像與步驟(2)中其他二維線積分 圖像的相關(guān)系數(shù)，形成一個一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組的方法為C(i) = corr(P(l， m， n) ， P(i， m， n))其中，C(i)表示第1個二維線積分圖像與第i個二維線積分圖像的相關(guān)系數(shù)；corr表 示二維相關(guān)運算；P(l，m，n)表示第1個掃描角度對應(yīng)的二維線積分圖像；P(i，m，n)表示第 i個掃描角度對應(yīng)的二維線積分圖像。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT角度增量確定方法，其特征在 于所述的步驟(4)中搜索步驟(3)獲得的一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組中的最大值，記錄下該最大值 在該數(shù)組中的序號的方法為N = i I C(i) =max(C)其中，N表示與第1個二維線積分圖像具有最大相關(guān)性的二維線積分圖像對應(yīng)的掃描 角度序號，也表示360。內(nèi)探測器采集的圖像的個數(shù)；C表示第l個二維線積分圖像與其他 二維線積分圖像的相關(guān)系數(shù)；max表示一維數(shù)組取最大值運算。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT角度增量確定方法，其特征在 于所述的將步驟(4)獲得的最大值對應(yīng)的序號減1，并除2 Ji ，結(jié)果即為連續(xù)掃描三維錐束 工業(yè)CT的角度增量的方法為A = 2 Ji /(N-l)其中，A表示角度增量；N表示與第l個二維線積分圖像具有最大相關(guān)性的二維線積分 圖像對應(yīng)的掃描角度序號。
全文摘要
本發(fā)明屬于X射線計算機層析成像(CT)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT角度增量確定方法，步驟為(1)進行單圓軌道錐束CT掃描，獲得一組二維投影圖像；(2)對步驟(1)中二維投影圖像進行對數(shù)解調(diào)，獲得一組二維線積分圖像；(3)計算步驟(2)中第一幅二維線積分圖像與步驟(2)中其他二維線積分圖像的相關(guān)系數(shù)，形成一個一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組；(4)搜索步驟(3)獲得的一維相關(guān)系數(shù)數(shù)組中的最大值，記錄下該最大值在該數(shù)組中的序號；(5)將步驟(4)獲得的最大值對應(yīng)的序號減1，并除2π，結(jié)果即為連續(xù)掃描三維錐束工業(yè)CT的角度增量。本發(fā)明實現(xiàn)過程簡單、高效，精度高，不需要特殊的硬件和額外的錐束掃描投影數(shù)據(jù)。
文檔編號G01N23/02GK101718719SQ20091024168
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者傅健, 江柏紅 申請人:北京航空航天大學(xué)