X光断层融合成像的校正方法、装置及可读存储介质与流程

x光断层融合成像的校正方法、装置及可读存储介质
技术领域
1.本发明实施例涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种x光断层融合成像的校正方法、装置及可读存储介质。


背景技术：

2.断层融合成像(dts)技术是一种三维成像技术，x光断层融合成像系统的x射线源对被拍摄物进行曝光，平板探测器接收到投影图像，根据曝光处x射线源焦点和探测器的相对位置，对投影图像进行重建。由于在生产加工、运输、使用等过程中一些不可避免的因素下，x射线源焦点与平板探测器的相对位置的实际值与设计值之间产生一定误差，这种误差会导致重建图像模糊、分辨率下降。
3.现有技术方案中，通过在特定位置对校正模体成像、分析，然后获取到当前位置系统投影矩阵p，从而实现x射线源焦点与平板探测器之间的位置几何校正，用于断层重建，但是该方法要求系统对目标物体成像时x射线源焦点相对于平板探测器的位置，与对校正模体成像时x射线源焦点相对于平板探测器的位置重合，因此在对进行校正时具有一定局限性。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种x光断层融合成像的校正方法、装置及可读存储介质，可解决x射线源焦点与平板探测器之间的位置几何校正时具有局限性的问题。
5.本发明实施例一方面提供了一种x光断层融合成像的校正方法，包括：
6.获得设置有多个标记物的校正模体的不同第一投影角度的多个第一投影图像；
7.根据各所述标记物的空间位置以及各所述标记物在所述第一投影图像中的投影位置，得到x射线源焦点的轨迹参数方程；
8.获得目标物体的不同第二投影角度的多个第二投影图像，并根据所述x射线源焦点的轨迹参数方程，得到任意所述第二投影角度的所述x射线源焦点的空间位置；
9.根据任意所述第二投影角度的x射线源焦点的空间位置，得到所述目标物体的空间位置与所述目标物体在所述第二投影图像中的投影位置的映射关系。
10.本发明实施例一方面还提供了一种x光断层融合成像的校正装置，包括：
11.获得模块，用于获得设置有多个标记物的校正模体的不同第一投影角度的多个第一投影图像；
12.计算模块，用于根据各所述标记物的空间位置以及各所述标记物在所述第一投影图像中的投影位置，得到x射线源焦点的轨迹参数方程；
13.所述获得模块，还用于获得目标物体的不同第二投影角度的多个第二投影图像；
14.所述计算模块，还用于根据所述x射线源焦点的轨迹参数方程，得到任意所述第二投影角度的所述x射线源焦点的空间位置；
15.所述计算模块，还用于根据任意所述第二投影角度的x射线源焦点的空间位置，得
到所述目标物体的空间位置与所述目标物体在所述第二投影图像中的投影位置的映射关系。
16.本发明实施例一方面还提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现上述x光断层融合成像的校正方法。
17.从上述本发明各实施例可知，获得设置有多个标记物的校正模体的不同第一投影角度的多个第一投影图像，根据各标记物的空间位置以及各标记物在第一投影图像中的投影位置，得到x射线源焦点的轨迹参数方程，获得目标物体的不同第二投影角度的多个第二投影图像，并根据x射线源焦点的轨迹参数方程，得到任意第二投影角度的x射线源焦点的空间位置，根据任意第二投影角度的x射线源焦点的空间位置，得到目标物体的空间位置与目标物体在第二投影图像中的投影位置的映射关系，利用多个投影角度下x射线源焦点的空间位置的拟合，能准确的计算出x射线源焦点平面及其轨迹参数方程，可得到目标物体的空间位置与目标物体在所述第二投影图像中的投影位置的映射关系，可以实现后准确地重建图像，即完成了成像的校正，没有局限性，并提高了校正精度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
19.图1为本发明实施例提供的x光断层融合成像的校正方法的实现流程图；
20.图2为本发明实施例提供的x光断层融合成像的校正方法中x射线源焦点空间位置的求解示意图；
21.图3为本发明实施例提供的x光断层融合成像的校正方法中x射线源焦点的轨迹参数方程求解示意图；
22.图4为本发明一实施例提供的x光断层融合成像的校正装置的结构示意图。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本发明实施例中的x光断层融合成像的校正方法，可应用于在拍摄过程中，平板探测器静止且x射线源的焦点在圆形轨道上运动的x光断层融合成像系统。例如，乳腺x光断层融合成像系统，胸部x光断层融合成像系统，四肢x光断层融合成像系统等。
25.参见图1，本发明一实施例提供的x光断层融合成像的校正方法的流程示意图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。该方法的执行主体为终端设备，例如电脑等，终端设备与x光断层融合成像系统连接，用于处理从x光断层融合成像系统发送的数据，该方法可包括如下步骤：
26.s101、获得设置有多个标记物的校正模体的不同第一投影角度的多个第一投影图像；
27.终端设备获取x光断层融合成像系统在多个不同的第一投影角度，分别对校正模体进行投影得到多个第一投影图像。投影角度不同，则投影位置也不同。
28.x光断层融合系统包括x射线源和探测器；x射线源用于发射x光线，探测器具体可以为平板探测器，用于将x射线源发射穿透被照射物体后的x射线生成的图像信号转换成可存储和处理的数字图像。
29.该校正模体包括支撑平台和该标记物。其中，该支撑平台是一个刚性结构，该标记物固定在支撑平台上。该支撑平台的形状不限定，其形状与不同的成像系统的结构外观相匹配。
30.该标记物包含2个及以上的标记点，标记物的尺寸需要和x光断层融合成像系统相匹配，在x光断层融合系统的投影角度范围内，该标记物在探测器上的投影要完整、清晰，以便提取其质心坐标。
31.该支撑平台的基底材料和该标记物的材料对x射线的吸收系数要有预设差值，以使得它们在投影图像中有较高的对比度，便于准确提取到该标记物在投影图像中的投影坐标。
32.该支撑平台优选长方体，材料为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，该标记物是预设直径的金属球，优选地，标记物为多个直径为2毫米的金属球，其按特定的规律排列在支撑平台上表面，例如按照m
×
n行排列。
33.需要说明的是，标记物的形式不局限于金属小球，可以换成一些已知长度的金属丝，或被切割成预设形状(边长已知)的金属薄片，或设置有多个孔洞(孔洞和孔洞之间的距离已知)的金属薄片，通过已知长度、预设形状和设置的孔洞，可实现通过对包含该标记物的校正模体的投影，得到该标记物在投影图像中的投影坐标，从而实现定位功能。
34.校正模体摆放于平板探测器上表面的指定位置，x光断层融合系统从多个不同角度对该校正模体进行曝光，平板探测器采集到x射线源在多个投影角度对该校正模体的投影图像，并将投影图像存储在该终端设备中。采集投影图像的同时，x光断层融合系统将x射线源的焦点的投影角度反馈给该终端设备并存储。该投影角度至少为3个，这些投影角度采样角度越密集，覆盖范围越大，对x射线源的焦点与平板探测器的相对位置的校正越准确。优选地，投影角度的范围取系统最大投影角度范围，进行等角度间隔采集。
35.该校正模体简单、可靠、适用性强。校正模体制作简单，标记物和支撑平台不限定形式，可根据具体的x光断层融合系统的成像参数、外观结构等进行变化。
36.s102、根据各标记物的空间位置以及各标记物在第一投影图像中的投影位置，得到x射线源焦点的轨迹参数方程；
37.首先，根据各标记物的空间位置以及各标记物在第一投影图像中的投影位置，得到不同第一投影角度对应的x射线源焦点的空间位置；
38.在第一投影图像中识别出标记物的投影，并计算标记物的投影的中心坐标，根据标记物的质心坐标和标记物的投影的中心坐标之间的映射关系，得到x射线源焦点的空间位置。
39.具体地，确定校正模体的各标记物在第一投影图像中的空间位置，具体地，根据各标记物在校准模体中的相对位置，以及校正模体的摆放位置，可得到各标记物的空间位置，即各标记物在三维空间中的实际物理位置。
40.先对投影图像进行二值化，将投影图像上的像素点的灰度值设置为0或255。具体地，二值化阈值可根据经典的otsu算法、k均值聚类、固定阈值等方法进行求取。在本实施例中，投影图像采集的曝光参数(kv，mas)固定，标记物和背景在投影图像中的灰度值比较稳定，优选固定阈值方法求取二值化阈值。
41.进一步地，可通过对二值化后的图像进行形态学滤波，进行一次开运算和闭运算，去除二值化后的投影图像中孤立的干扰连通域。然后对该投影图像进行4连通域检测，统计检测到的连通域的大小和位置，大小和位置在预设范围内的连通域则为标记物的第一投影图像。
42.计算标记物在第一投影图像中的投影位置的中心坐标。可通过直接计算标记物投影像素的坐标均值得到标记物投影的中心坐标；另外，由于金属球的投影中，越靠近中心的部分，灰度值越高，所以，也可在得到的标记物投影区内，通过对原投影图像中的灰度加权来计算投影中心坐标。
43.标记物在第一投影图像中的中心坐标确定方法，也可以是对第一投影图像进行边缘检测(例如canny算子，sobel算子等)，检测出标记物的投影轮廓，再对检测出的轮廓进行椭圆拟合，从而得到标记物投影位置的中心坐标。
44.利用各标记物的空间位置和在探测器平面的投影位置之间的映射关系，可求出x射线源焦点的空间位置，其中，空间位置用各标记物的质心坐标表示，投影位置用投影的中心坐标表示。
45.根据多个标记物的质心坐标和该标记物的投影的中心坐标，计算得到多个该x射线源焦点的高度，并将该多个该x射线源的焦点的高度的平均值作为该x射线源焦点的z坐标，根据该z坐标，以及多个该标记物的质心坐标和多个该标记物的投影的中心坐标，计算该x射线源焦点的多个x坐标和y坐标，并将该多个该x坐标和y坐标的平均值作为该x射线源焦点的x坐标和y坐标。
46.具体的，如图2所示，以探测器平面为xy平面建立参考坐标系，其中，探测器平面的一个侧边为y轴，y轴的中心点为原点o，竖直向上的方向为z轴，垂直y轴且位于探测器平面内的为x轴，x轴、y轴和z轴的正方向如图2所示。标记物位于校正模体上表面，与探测器平面平行，则标记物的质心平面到探测器的成像平面之间的高度差已知，即如图2中标记物a、b和c的质心所在的质心平面到探测器上的各自的投影位置a’、b’和c’所在的的成像平面之间的高度差。不同的标记物所构成线段(例如图2中的ab、ac和bc)以相同的比例在投影图像中放大(投影为a’b’、a’c’和b’c’)，计算出各个标记物之间所构成线段的放大系数，则可得出x射线源焦点s的高度，即x射线源焦点的z坐标。通过用多个标记物构成的线段的放大系数求出焦点的多个高度值，取多个高度值的平均值作为x射线源焦点的z坐标。具体地，设标记物质心平面到探测器成像平面的高度差为d，对于线段ab，放大系数k＝a
′b′
/ab，由三角形sab与三角形sa
′b′
相似关系可得到得到z
ab
＝d/(k-1)+d。设标记物所构成线段数量为n,标记物所构成线段放大系数为ki,i∈[1,n]，可得：
[0047][0048]
在求出x射线源焦点的z坐标之后，对于具体某个标记物，可根据其物理坐标与其
投影位置，以及z坐标计算出x射线源焦点的xy坐标，不同的标记物的z坐标相同，但xy坐标不同，为了减小误差，对通过不同标记物的xy坐标取均值得到平均xy坐标，从而将z坐标和平均xy坐标作为x射线源焦点的空间位置。
[0049]
按照上述流程，对不同投影角度下的模体投影进行分析计算，可求出n个投影角度下x射线源焦点的空间位置s0,s1,...,s
n-1
。
[0050]
其次，根据各该x射线源焦点的空间位置，得到各该x射线源焦点的轨迹参数方程；
[0051]
根据各.该角度的.该x射线源焦点的空间位置的坐标，拟合出.该x射线源焦点的轨迹所在的平面，计算出.该x射线源焦点轨迹的圆心、半径，并根据.该圆心和半径计算得出参考投影角度在.该平面中的两个单位正交向量，以得到.该x射线源的焦点轨迹参数方程。
[0052]
具体地，在x光断层融合成像系统投影时，x射线源焦点的轨迹在三维空间中是标准的圆，求出该圆的参数方程，可得到任意已知投影角度下的x射线源焦点的空间位置。
[0053]
x射线源焦点轨迹所在空间平面p，其方程为：ax+by+cz-1＝0，各投影角度对应的x射线源焦点的空间位置s0,s1,...,s
n-1
∈p，满足：axi+byi+cz
i-1＝0，i∈0,1,...,n-1，得到超定方程：
[0054]
qm＝l
[0055]
其中，q为x射线源的焦点位置坐标构成的矩阵：
[0056][0057]
m为空间平面p的法向量，则：
[0058]
m＝[a b c]
t
[0059]
l为一元素均为1的矩阵：
[0060]
l＝[1 1
ꢀ…ꢀ
1]
t
[0061]
基于该超定方程，利用最小二乘法可求出矩阵m：
[0062]
m＝(q
t
q)-1qt
l
[0063]
即求得空间平面p。
[0064]
将x射线源焦点的空间位置s0，s1，...，s
n-1
，投影到x射线源焦点轨迹的平面p上，得到s0’
，s1’
，...，s
n-1’，如图3所示，s0’
，s1’
，...，s
n-1’是位于平面p的一个圆心为c(xc，yc，zc)，半径为r的圆上的点，任意两个点s
k’、s
r’连线的中垂线相交于圆心c。
[0065]
p
kr
是s
k’、s
r’的连线的中点，向量垂直于向量得到：
[0066][0067]
可得：
[0068]
δx
′
rk
·
xc+δy
′
rk
·
yc+δz
′
rk
·
zc＝w
[0069]
其中，
[0070]
把上述关系推广到s
′0，s
′1，
…
，s
′
n-1
中所有两点组合。设：
[0071][0072]
c＝[xc，yc，zc]
t
[0073]
w＝[w0，w1，
…
，w
(n-1)(n-2)/2
]
t
[0074]
则可得：
[0075]
rc＝w
[0076]
根据最小二乘法即可求出x射线源焦点轨迹的圆心坐标c：
[0077]
c＝(r
t
r)-1rtw[0078]
进一步地，可求出x射线源焦点轨迹圆的半径r：
[0079][0080]
以参考投影角度θq的焦点位置sq作为参考焦点位置，sq′
为sq在x射线源焦点轨迹的平面p上的投影点，则可得到x射线源焦点轨迹所在空间平面p中两个单位正交向量α(a1，a2，a3)，β(b1，b2，b3)，如图3所示，α为sq′
与c连线平行的单位向量，β与α正相交，法向量m垂直α和β；
[0081]
其中，
[0082][0083][0084]
设θ为系统中任意一投影角度，令
[0085]
δθ＝θ-θq[0086]
则可得焦点轨迹参数方程为：
[0087]
xs(θ)＝xc+r
·
cos(δθ)
·
a1+r
·
sin(δθ)
·
b1[0088]ys
(θ)＝yc+r
·
cos(δθ)
·
a2+r
·
sin(δθ)
·
b2[0089]zs
(θ)＝zc+r
·
cos(δθ)
·
a3+r
·
sin(δθ)
·
b3[0090]
将焦点轨迹圆中心坐标c、半径r、参考投影角度θq，以及单位正交向量α和β存储于该终端设备中。
[0091]
s103、获得目标物体的不同第二投影角度的多个第二投影图像，并根据该x射线源焦点的轨迹参数方程得到任意第二投影角度的x射线源焦点的空间位置；
[0092]
x光断层融合成像系统在对目标物体进行多个第二投影角度的投影后，需要建立焦点、目标物体、平板探测器三者之间的空间几何关系，进行反投影重建出目标物体的三维图像。
[0093]
s104、根据任意第二投影角度的x射线源焦点的空间位置得到该目标物体与该目标物体在该第二投影图像中的投影位置的映射关系。
[0094]
利用前述内容得到并存储于该终端设备上的参数，可计算出对目标物体的任意投影角度下的x射线源焦点的空间位置的坐标(xs，ys，zs)；
[0095]
x射线源焦点s在任意角度θ处的空间位置坐标：
[0096]
xs(θ)＝xc+r
·
cos(δθ)
·
a1+r
·
sin(δθ)
·
b1[0097]ys
(θ)＝yc+r
·
cos(δθ)
·
a2+r
·
sin(δθ)
·
b2[0098]zs
(θ)＝zc+r
·
cos(δθ)
·
a3+r
·
sin(δθ)
·
b3[0099]
其中，δθ＝θ-θq。
[0100]
可求得目标物体某点在xyz坐标系的坐标(x，y，z)和其在投影图像中的像素坐标(u，v)之间的映射关系：
[0101][0102][0103]
其中，du、dv分别为探测器在x、y方向上的像素大小。
[0104]
需要说明的是，该方法可适用离线校正和在线校正，具体地，可用于离线校正，即对校正模体进行多个第一投影角度的投影，得到x射线源焦点的轨迹参数方程，将该轨迹参数方程存储在该终端设备中，然后对目标物体进行多个第二投影角度的投影，调用存储的轨迹参数方程和第二投影角度求出目标物体空间位置和投影位置之间的映射关系；还可适用在线校正，即不单独对校正模体进行投影，而在对目标物体进行投影的同时，将校正模体置于探测器平面上，然后对模体标记物进行分析，计算出x射线源焦点位置，再利用上述方法得到目标物体空间位置和投影位置之间的映射关系，适用性强。
[0105]
本发明实施例中，获得设置有多个标记物的校正模体的不同第一投影角度的多个第一投影图像，根据各标记物的空间位置以及各标记物在第一投影图像中的投影位置，得到x射线源焦点的轨迹参数方程，获得目标物体的不同第二投影角度的多个第二投影图像，并根据x射线源焦点的轨迹参数方程，得到任意第二投影角度的x射线源焦点的空间位置，根据任意第二投影角度的x射线源焦点的空间位置，得到目标物体的空间位置与目标物体在第二投影图像中的投影位置的映射关系，利用多个投影角度下x射线源焦点的空间位置的拟合，能准确的计算出x射线源焦点平面及其轨迹参数方程，可得到目标物体的空间位置与目标物体在所述第二投影图像中的投影位置的映射关系，可以实现后准确地重建图像，即完成了成像的校正，没有局限性，并提高了校正精度。
[0106]
参见图4，本发明一实施例提供的x光断层融合成像的校正装置的结构示意图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。该x光断层融合成像的校正装置可以内置于上述实施例中的终端设备中，可主要包括如下模块：
[0107]
获得模块401，用于获得设置有多个标记物的校正模体的不同第一投影角度的多个第一投影图像；
[0108]
计算模块402，用于根据各所述标记物的空间位置以及各所述标记物在所述第一投影图像中的投影位置，得到所述x射线源焦点的轨迹参数方程；
[0109]
获得模块401，还用于获得目标物体的不同第二投影角度的多个第二投影图像；
[0110]
计算模块402，还用于根据所述x射线源焦点的轨迹参数方程，得到任意所述第二投影角度的x射线源焦点的空间位置；
[0111]
计算模块402，还用于根据任意所述第二投影角度的x射线源焦点的空间位置，得到所述目标物体的空间位置与所述目标物体在所述第二投影图像中的投影位置的映射关系。
[0112]
进一步地，计算模块402，还用于根据各所述标记物的空间位置以及各所述标记物在所述第一投影图像中的投影位置，得到不同所述第一投影角度对应的x射线源焦点的空间位置；
[0113]
根据各所述x射线源焦点的空间位置，得到所述x射线源焦点的轨迹参数方程。
[0114]
计算模块402，还用于在所述第一投影图像中识别出标记物的投影，并计算所述标记物的投影的中心坐标；
[0115]
根据所述标记物的质心坐标和所述标记物的投影的中心坐标之间的映射关系，得到所述x射线源焦点的空间位置。
[0116]
计算模块402，还用于根据多个标记物的质心坐标和所述标记物的投影的中心坐标，计算得到多个所述x射线源焦点的高度，并将所述多个所述x射线源的焦点的高度的平均值作为所述x射线源焦点的z坐标；
[0117]
根据所述z坐标，以及多个所述标记物的质心坐标和多个所述标记物的投影的中心坐标，计算所述x射线源焦点的多个x坐标和y坐标，并将所述多个所述x坐标和y坐标的平均值作为所述x射线源焦点的x坐标和y坐标。
[0118]
计算模块402，还用于根据各所述角度的所述x射线源焦点的空间位置的坐标，拟合出所述x射线源焦点的轨迹所在的平面；
[0119]
计算出所述x射线源焦点轨迹的圆心、半径，并根据所述圆心和半径计算得出参考投影角度在所述平面中的两个单位正交向量，以得到所述x射线源的焦点轨迹参数方程。
[0120]
本实施例中各模块的功能的实现细节，参见前述图1-3所示实施例中关于x光断层融合成像的校正方法的描述。
[0121]
本发明实施例中，获得模块获得设置有多个标记物的校正模体的不同第一投影角度的多个第一投影图像，计算模块根据各标记物的空间位置以及各标记物在第一投影图像中的投影位置，得到x射线源焦点的轨迹参数方程，获得模块还获得目标物体的不同第二投影角度的多个第二投影图像，计算模块还根据x射线源焦点的轨迹参数方程，得到任意第二投影角度的x射线源焦点的空间位置，以及根据任意第二投影角度的x射线源焦点的空间位置，得到目标物体的空间位置与目标物体在第二投影图像中的投影位置的映射关系，利用多个投影角度下x射线源焦点的空间位置的拟合，能准确的计算出x射线源焦点平面及其轨迹参数方程，可得到目标物体的空间位置与目标物体在所述第二投影图像中的投影位置的映射关系，可以实现后准确地重建图像，即完成了成像的校正，没有局限性，并提高了校正精度。
[0122]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是设置于上述各实施例中的终端设备中，该计算机可读存储介质可以是终端设备中的存储器。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述图1所示实施例中描述的x光断层融合成像的校正方法。可选的，该计算机可存储介质还可以是u盘、
移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0123]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
[0124]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0125]
以上为对本发明所提供的x光断层融合成像的校正方法、装置及可读存储介质的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。