專利名稱：基于切片輪廓重投影的錐束ct射束硬化校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種錐束CT射束硬化校正方法，屬于CT技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景錐束CT (Cone-Beam Computed Tomography, CBCT)利用錐形束射線源和面陣探測器 采集被測物體的投影數(shù)據(jù)，是近年發(fā)展起來的一種三維CT技術(shù)。與傳統(tǒng)的二維CT相比，錐 束CT具有很高的掃描速度，重建出的切片圖像記錄了物體內(nèi)部各點的材質(zhì)、密度等物性參 數(shù)分布，具有切片序列連續(xù)、切片內(nèi)和切片間的空間分辨率相同、精度高等特點，在逆向工 程與工業(yè)內(nèi)視等領(lǐng)域已顯示出廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。在錐束CT系統(tǒng)中，射線源發(fā)出的X射線具有一定范圍的能量分布(此種射線稱為多色射 線)，當(dāng)射線與物質(zhì)相互作用時，由于低能量光子的衰減量大于高能量光子，造成穿過一定厚 度的物體后射線的平均能量增大，此時射線平均能量對應(yīng)的線性衰減系數(shù)也不再是常數(shù)而是 逐漸減小，導(dǎo)致投影值與穿越長度也不再呈線性關(guān)系。而CT重建算法是基于X射線是單能 譜假設(shè)的，重建時直接用多色投影代替單色投影，導(dǎo)致在重建的切片圖像上呈現(xiàn)杯狀偽影 (Cupping Artifacts),嚴(yán)重時圖像會產(chǎn)生變形，使得該切片內(nèi)的結(jié)構(gòu)、尺寸、密度、成分等物 理化學(xué)性質(zhì)無法準(zhǔn)確地判讀和計量，這種現(xiàn)象就稱為射束硬化(Beam Hardening)。射束硬化是錐束CT實際應(yīng)用中必須解決的一個重大問題。目前，CT的射束硬化校正方 法主要分為單能法和雙能法兩大類。由于操作上的復(fù)雜性，雙能法在工程實踐中很少被采用。 單能法易于實現(xiàn)，實際應(yīng)用效果也比較好，因此被廣泛研究。楊民、路宏年、路遠(yuǎn)等人在《光 學(xué)技術(shù)》(2003， 29(2): 177-182)的文章"CT重構(gòu)中射線硬化的校正研究"中提出的方法就 是一種典型的單能校正法，其校正思路是利用楔形模體來獲取射線貫穿物體長度與多色投 影值之間的關(guān)系曲線，再對該曲線進(jìn)行擬合，然后從坐標(biāo)原點對該曲線做切線，以該切線建 立多色數(shù)據(jù)與單色數(shù)據(jù)的函數(shù)關(guān)系，從而達(dá)到硬化校正的目的。該方法實現(xiàn)起來簡單，但要 求有與被檢試件相同材質(zhì)的模體，這就影響了該方法的應(yīng)用靈活性。另外，目前的射束硬化校正方法多數(shù)是針對二維CT的，盡管有的方法通過改造可以推 廣到錐束CT，但實際開展的研究仍然較少。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用不夠靈活、不能有效適用于錐束CT的不足，本發(fā)明提供了一種基 于切片輪廓重投影的錐束CT射束硬化校正新方法，以對錐束CT應(yīng)用于實際無損檢測中出現(xiàn)的
射束硬化問題進(jìn)行有效校正。本發(fā)明針對工業(yè)錐束CT無損檢測中的射束硬化問題提出一種切片輪廓重投影的錐束CT射束硬化校正新方法，其特征在于包括下列步驟(1) 對被檢測零件進(jìn)行圓軌跡錐束CT掃描，從平板探測器獲取一組連續(xù)的多色投影圖 像數(shù)據(jù)，這些圖像在獲取過程中已經(jīng)過必要的暗場校正、壞像素校正和增益校正，校正手段 可采用平板探測器廠方配套程序進(jìn)行，也可以自行根據(jù)公知技術(shù)開發(fā)相應(yīng)程序進(jìn)行；(2) 對多色投影進(jìn)行錐束CT重建得到一個中心切片圖像；若中心切片沒有包含射線穿 越物體的最大長度，即所有投影圖像的最大灰度值像素不位于中心切片位置，則在所有投影圖像的最大灰度值像素位置附近重建若手連i的^片圖像，并利用這些切片圖像根據(jù)剖切體數(shù)據(jù)的公知方法生成一個過最大灰度位置的斜截面圖像；(3) 對中心切片圖像采用數(shù)字圖像處理中的相關(guān)算法進(jìn)行輪廓提取，獲得若干封閉的中 心切片零件截面輪廓；若有斜截面圖像，則進(jìn)行相同處理，獲取若干封閉的零件斜截面輪廓；(4) 對中心切片零件截面輪廓按實際錐束CT掃描成像幾何關(guān)系進(jìn)行重投影，得到射線 穿越長度一多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)；若有零件斜截面輪廓，則進(jìn)行相同處理，并將得到 射線穿越長度一多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)與由中心切片輪廓得到的數(shù)據(jù)合并成一組數(shù)據(jù)；(5) 采用指數(shù)函數(shù)丄-Aexp(&(^)-^來擬合射線穿越長度一多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù) 據(jù)，其中丄是射線穿越物體長度，G是多色投影灰度值，A、 B、 C是擬合系數(shù)；(6) 將射線穿越長度一多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)靠近原點的一部分進(jìn)行線性擬合，得 到一個過原點的校正直線函數(shù)；(7) 根據(jù)指數(shù)函數(shù)和校正直線函數(shù)進(jìn)行錐束CT射束硬化校正計算對各幅多色投影圖 像的每個像素，先將其灰度代入指數(shù)函數(shù)計算得到對應(yīng)長度，然后將該長度代入校正直線函 數(shù)得到校正后的近似單色投影灰度值。上述的基于配準(zhǔn)模型仿真的錐束CT射束硬化校正方法，不僅可以應(yīng)用于錐束CT，還可 以應(yīng)用于扇束CT。在上述方法第4步中，由錐束CT系統(tǒng)成像的幾何關(guān)系可知，射線源焦點、中心切片圖像 及其投影位于同一個平面上，切片輪廓重投影計算的目的就是為了得到該平面內(nèi)探測器接收 的各投影灰度值與其對應(yīng)的射線穿越物體的長度值。由于斜截面輪廓重投影與中心切片輪廓 重投影完全相似，下面僅以中心切片為例進(jìn)行詳述中心切片輪廓重投影本質(zhì)上是射線與輪 廓線段在平面內(nèi)求交，然后由所得的若干交點計算出射線穿越物體的長度。首先選取一個投
影方位，建立如圖3所示的坐標(biāo)系，其中X々《為CT成像坐標(biāo)系，義20272為切片圖像坐標(biāo)系，r為兩坐標(biāo)系間的平移量，Z)SO為射線源焦點到旋轉(zhuǎn)中心距離，Z)OD為旋轉(zhuǎn)中心到探測器 距離；然后計算射線^(w-l，2,…，M)與輪廓線段的交點，將所得交點按離射線源焦點遠(yuǎn)近 排序，通過簡單的奇偶識別就可計算出射線穿越物體的長度，其中A為探測器中心切片投影行上第w個像素，A/為探測器行分辨率。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出的基于切片輪廓重投影的錐束CT射束硬化校正方法， 與傳統(tǒng)的多項式擬合校正方法相比，該方法不需要制造用于生成校正模型的楔形模體，也不 需要待掃描零件的CAD模型及相關(guān)設(shè)計信息，在應(yīng)用上更具有靈活性，且能將錐束CT的多色 投影近似校正為單色投影，用校正后的投影進(jìn)行錐束CT重建所得的切片圖像中的射束硬化偽 影顯著減少。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明射束硬化校正流程圖；圖2為錐束CT系統(tǒng)成像的幾何關(guān)系圖；圖3為中心切片輪廓重投影計算幾何示意圖；圖4為實際掃描圓柱零件第50層切片校正前后相同位置線性灰度比較圖。 具《本實施方式對一個材質(zhì)為鐵的被檢測圓柱零件，應(yīng)用本發(fā)明方法校正其錐束CT射束硬化偽影，執(zhí) 行以下步驟(1) 對被檢測零件進(jìn)行圓軌跡錐束CT掃描，零件連續(xù)旋轉(zhuǎn)360度，從Varian公司的 PaxScan2520平板探測器獲取一組連續(xù)的360幅多色投影圖像數(shù)據(jù)，這些圖像在獲取過程中 已采用平板探測器廠方配套程序進(jìn)行必要的暗場校正、壞像素校正和增益校正；(2) 采用FDK算法對多色投影進(jìn)行錐束CT部分切片重建，得到一個中心切片圖像；由 于中心切片沒有包含射線穿越物體的最夭長度，即所有投影圖像的最大灰度值像素不位于中 心切片位置，所以在所有投影圖像的最大灰度值像素位置附近重建20個連續(xù)的切片圖像，并 利用這些切片圖像根據(jù)剖切體數(shù)據(jù)的公知方法生成一個過最大灰度位置的斜截面圖像；(3) 分別對中心切片圖像和斜截面圖像采用數(shù)字圖像處理中的0TSU算法進(jìn)行輪廓提取， 獲得若干封閉的中心切片零件截面輪廓和零件斜截面輪廓；(4) 對中心切片零件截面輪廓按實際錐束CT掃描成像幾何關(guān)系進(jìn)行重投影，得到射線 穿越長度一多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)；對零件斜截面輪廓進(jìn)行相同處理，并將得到射線穿 越長度一多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)與由中心切片輪廓得到的數(shù)據(jù)合并成一組數(shù)據(jù)；(5) 采用指數(shù)函數(shù)丄-丄exp(5'G"-J來擬合射線穿越長度一多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)，擬合的具體方法為最小二乘法，其中Z是射線穿越物體長度，G是多色投影灰度值，A、 B、 C是擬合系數(shù)；(6) 采用最小二乘法將射線穿越長度一多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)的前1/6 (靠近原點 的一部分)進(jìn)行線性擬合，得到一個過原點的校正直線函數(shù)；(7) 根據(jù)指數(shù)函數(shù)和校正直線函數(shù)進(jìn)行錐束CT射束硬化校正計算對各幅多色投影圖 像的每個像素，先將其灰度代入指數(shù)函數(shù)計算得到對應(yīng)長度，然后將該長度代入校正直線函 數(shù)得到校正后的近似單色投影灰度值。圖4為圓柱零件第50層切片校正前后相同位置線性灰度比較，可見本發(fā)明提供的校正方 法已基本消除了由射束硬化造成的杯狀偽影，校正后的切片圖像質(zhì)量明顯改善，圖像輪廓的 清晰度大大提高，表明本發(fā)明方法是切實可行的。
權(quán)利要求
1、基于切片輪廓重投影的錐束CT射束硬化校正方法，其特征在于包括下述步驟(a)對被檢測零件進(jìn)行圓軌跡錐束CT掃描，從平板探測器獲取一組連續(xù)的多色投影圖像數(shù)據(jù)，這些圖像在獲取過程中已經(jīng)過必要的暗場校正、壞像素校正和增益校正；(b)對多色投影進(jìn)行錐束CT重建得到一個中心切片圖像；若中心切片沒有包含射線穿越物體的最大長度，即所有投影圖像的最大灰度值像素不位于中心切片位置，則在所有投影圖像的最大灰度值像素位置附近重建若干連續(xù)的切片圖像，并利用這些切片圖像根據(jù)剖切體數(shù)據(jù)的公知方法生成一個過最大灰度位置的斜截面圖像；(c)對中心切片圖像采用數(shù)字圖像處理中的相關(guān)算法進(jìn)行輪廓提取，獲得若干封閉的中心切片零件截面輪廓；若有斜截面圖像，則進(jìn)行相同處理，獲取若干封閉的零件斜截面輪廓；(d)對中心切片零件截面輪廓按實際錐束CT掃描成像幾何關(guān)系進(jìn)行重投影，得到射線穿越長度-多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)；若有零件斜截面輪廓，則進(jìn)行相同處理，并將得到射線穿越長度一多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)與由中心切片輪廓得到的數(shù)據(jù)合并成一組數(shù)據(jù)；(e)采用指數(shù)函數(shù)L＝A·exp(B·GC)-A來擬合射線穿越長度-多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)，其中L是射線穿越物體長度，G是多色投影灰度值，A、B、C是擬合系數(shù)；(f)將射線穿越長度-多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)靠近原點的一部分進(jìn)行線性擬合，得到一個過原點的校正直線函數(shù)；(g)根據(jù)指數(shù)函數(shù)和校正直線函數(shù)進(jìn)行錐束CT射束硬化校正計算對各幅多色投影圖像的每個像素，先將其灰度代入指數(shù)函數(shù)計算得到對應(yīng)長度，然后將該長度代入校正直線函數(shù)得到校正后的近似單色投影灰度值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的基于切片輪廓重投影的錐束CT射束硬化校正方法，其特征在于 本發(fā)明還可應(yīng)用于扇束CT。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的基于切片輪廓重投影的錐束CT射束硬化校正方法，其特征在于所 述的中心切片輪廓重投影包括下述步驟首先選取一個投影方位，建立坐標(biāo)系，其中 X々A為CT成像坐標(biāo)系，義2<92^為切片圖像坐標(biāo)系，r為兩坐標(biāo)系間的平移量，Z)SO為射線源焦點到旋轉(zhuǎn)中心距離，Z)OD為旋轉(zhuǎn)中心到探測器距離；然后計算射線 巧("-I，2，…,M)與輪廓線段的交點，將所得交點按離射線源焦點遠(yuǎn)近排序，通過簡 單的奇偶識別就可計算出射線穿越物體的長度，其中^為探測器中心切片投影行上第 "個像素，M為探測器行分辨率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于切片輪廓重投影的錐束CT射束硬化校正方法，對零件進(jìn)行圓軌跡錐束CT掃描獲取一組連續(xù)的多色投影圖像數(shù)據(jù)，對其重建得到一個中心切片圖像，獲得若干封閉的中心切片零件截面輪廓；對中心切片零件截面輪廓按實際錐束CT掃描成像幾何關(guān)系進(jìn)行重投影，得到射線穿越長度—多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)；并將其對應(yīng)的數(shù)據(jù)與由中心切片輪廓得到的數(shù)據(jù)合并；擬合射線穿越長度—多色投影灰度間對應(yīng)的數(shù)據(jù)，得到一個過原點的校正直線函數(shù)；根據(jù)指數(shù)函數(shù)和校正直線函數(shù)進(jìn)行錐束CT射束硬化校正計算。本發(fā)明在應(yīng)用上更具有靈活性，能將多色投影近似校正為單色投影，校正后的射束硬化偽影顯著減少。
文檔編號G06T5/00GK101126723SQ200710018780
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月30日
發(fā)明者昆 卜, 張定華, 凱 王, 黃魁東 申請人:西北工業(yè)大學(xué)