一种动物成像分布式运动监测系统及位移监测方法与流程

1.本技术涉及活体动物成像领域，尤其涉及一种动物成像分布式运动监测系统及位移监测方法。


背景技术：

2.动物spect/ct是一种分辨率极高的活体分子代谢成像技术，已广泛用于多种疾病的鉴别诊断、疗效评价、及新药开发等方面。其检测原理通过单光子发射计算机断层成像术(single-photon emission computed tomography，spect)检测生物体内的标记分子探针的信息，从而得到放射性药物在生物体内的三维分布，电子计算机断层扫描(computed tomography，ct)提供高精度的物理结构图像。近些年来随着spect/ct设备空间性能的提升(尤其是动物ct空间分辨率的提升，已经达到了um量级)，以及应用环境的日益复杂，对系统的位置稳定性提出了进一步的要求。
3.与此同时，在活体动物成像领域，随着设备的空间分辨率的提升，由于被测目标的呼吸，心跳等带来的微小位移所带来的图像伪影越来越严重，为保证采集数据的质量，需要对平台进行减震处理，以减小运动伪影的产生。因实验室场地和条件限制，往往多个实验系统需要共用设备和场地，无法做到实验人员、设备，在空间上的隔离，可能对成像结果造成干扰。因此，需要对实验平台的振动情况进行检测，使用振动信息对采集的数据进行修正与取舍以进一步提高图像质量。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中存在的技术问题,本技术的主要目的在于提供一种动物成像分布式运动监测系统及位移监测方法，实现了一种快速的多维度位移监测及校准算法，大大提高了系统抗震及微小运动检测的能力，解决了目前设计中由于生物体心跳，呼吸以及实验平台振动所带来的严重运动伪影的问题，提高了系统的空间分辨能力。
5.一种动物成像分布式运动监测系统及位移监测方法。
6.为实现上述目的，本技术提供一种动物成像分布式运动监测系统，包括：
7.运动传感器，所述运动传感器分布于x射线源、探测器以及载物台处，用于将检测的数据传输到后端的控制模块；
8.控制模块，所述控制模块用于接收并记录所述运动传感器传输的检测数据，并将记录的数据发送至上位机；
9.上位机，所述上位机用于接收所述控制模块记录的数据，根据接收的数据计算出位移值，并进行图像校正，得到校正图像。
10.此外，为实现上述目的，本技术还提供一种动物成像位移监测方法，包括以下步骤：
11.s1、系统初始化
12.进行定时器初始化、通信接口初始化、spi初始化和运动传感器初始化；
13.s2、利用重力加速度对三轴的量化系数进行传感器校准
14.s201、将所述传感器水平放置，至x方向与重力方向平行，读取三轴的数值；
15.s202、若y方向和z方向的数值满足限制条件，则记录此时xi的值；
16.s203、多次重复步骤s201和步骤s202后获得轴的平均数值，则x轴的量化系数为：
17.s204、采用上述步骤s201至步骤s203同样的方法，获取ky的值与kz的值,得到y轴的量化系数和z轴的量化系数；
18.s3、记录初始状态的信息，形成初始成像空间；
19.s4、进行采集数据，并监测各传感器加速度，实验过程中的加速度监测值为实测值与初始值之差；
20.s5、主控模块通过同步电路将各传感器加速度与探测器数据信号进行同步，将记录的数据发送至上位机，上位机计算出位移值，并进行图像校正，得到校正图像。
21.此外，为实现上述目的，本技术还提供一种动物成像位置监控的校准设备，所述动物成像位置监控的校准设备包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的动物成像位置监控的校准程序，其中所述动物成像位置监控的校准程序被所述处理器执行时，实现如上述的动物成像位移监测方法的步骤。
22.此外，为实现上述目的，本技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有动物成像位置监控的校准程序，其中所述动物成像位置监控的校准程序被处理器执行时，实现如上述的动物成像位移监测方法的步骤。
23.本技术提供一种动物成像分布式运动监测系统及位移监测方法，利用传感器具有体积小、价格低的优势，可方便集成在监测系统中，实现对多目标或多部位的振动情况监测分析，解决了在复杂应用环境下由于微小震动造成的系统空间分辨率降低的问题。通过分布式运动检测实现高精度的动物成像位移监测特别适合高精度ct系统实现；在硬件端实现了系统的位置偏差估算，从而大幅度减少了由于物理震动带来的运动偏差，为高精度的动物成像提供了硬件基础；本技术为在精密试验、安全试验、破坏分析领域具有极大的应用价值，为研发高精度成像系统提供有效的技术保证。
24.本技术的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例。在附图中：
26.图1为本技术第一实施例中动物成像位移监测方法的系统框图；
27.图2为图1中本技术动物成像分布式运动监测系统中系统连接方式示意图；
28.图3为本技术动物成像分布式运动监测系统中数据采集的流程示意图；
29.图4为本技术第二实施例中动物成像位移监测方法的流程示意图；
30.图5为图4中本技术动物成像位移监测方法中传感器校准的流程示意图；
31.图6为本技术第二实施例中动物成像位移监测方法中静态下两个实验台振动情况监测对比图；
32.图7为本技术第二实施例中动物成像位移监测方法中扰动下两个实验台振动情况监测对比图；
33.图8为本技术第三实施例中动物成像位置监控的校准设备的设备示意图。
34.本技术目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.本部分将详细描述本技术的具体实施例，本技术之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本技术的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本技术保护范围的限制。
36.在本技术的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
37.在本技术的描述中，对方法步骤的连续标号是为了方便审查和理解，结合本技术的整体技术方案以及各个步骤之间的逻辑关系，调整步骤之间的实施顺序并不会影响本技术技术方案所达到的技术效果。
38.本技术的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本技术中的具体含义。
39.在本技术的实施方式中，提供了一种动物成像分布式运动监测系统及位移监测方法，其中，动物成像分布式运动监测系统，可以应用在动物成像位置监控的校准设备上，该动物成像位置监控的校准设备可以是pc、便携计算机、移动终端等具有显示和处理功能的设备，当然也不限于此。
40.其中，参见图1所示，一种动物成像分布式运动监测系统，包括运动传感器300、控制模块200以及上位机100。在本实施例中，所述运动传感器300分布于x射线源、探测器以及载物台处，并通过等长的数据线连接到后端的控制模块200，用于将检测的数据传输到后端的控制模块。在一些实施例中参见图2所示，所述运动传感器300采用六轴运动传感器，例如：bmi160，所述运动传感器300与所述控制模块200的数字接口之间采用串行外设接口(serial peripheral interface，spi)以串行方式进行通信以交换信息。
41.参见图1所示，所述控制模块200用于接收并记录所述运动传感器传输的检测数据，并将记录的数据发送至上位机。所述控制模块200包括fpga芯片、时钟同步模块、数字接口及所述数字接口的通信协议，所述数字接口用于接收时钟同步信号、数据传输信号、触发信号、状态反馈信号以及地信号，还用于连接电源。在一些实施例中，参见图2所示，所述控制模块200内还包括型号为赛灵思zynq7000系列的fpga芯片，所述fpga芯片与所述上位机100之间采用采用rs-232标准串行通信接口或网线连接。
42.在一些实施例中，所述控制模块200的数字接口还包括串行通信与时钟同步接口，支持多机通信模式。
43.在一些实施例中，所述控制模块200内设有接口电路、同步电路以及主控制电路，所述主控制电路通过fpga芯片实现，电路进行同步采集之前，还包括分布式运动监测系统的系统初始化和传感器校准。
44.在一些实施例中，所述系统初始化包括定时器初始化、通信接口初始化、spi初始化和运动传感器初始化四部分。
45.参见图1所示，所述上位机100用于接收所述控制模块200记录的数据，根据接收的数据计算出位移值，并进行图像校正，得到校正图像。
46.在一些实施例中，参见图3所示，同步电路其采集流程如下：
47.1、系统初始化过程包括定时器初始化，通信接口初始化、spi初始化和运动传感器初始化四部分。
48.2、初始化后，考虑到传感器的差异，利用重力加速度对三轴的量化系数进行校准。具体方法是，先将传感器水平放置，保证x方向与重力方向平行，读取三轴的数值，若y，z的数值满足限制条件，则记录此时xi的值。为减小误差，多次重复后获得则x轴的量化系数为：然后，再用同样的方法，获取ky与kz。
49.3、考虑到实验台实验台会略有倾斜，因此需要记录初始状态的信息，并形成初始成像空间。
50.4、然后系统开始采集相关数据，并监测各传感器加速度，实验过程中的加速度监测值为实测值与初始值之差。
51.5、由fpga构成的主控模块通过同步电路将各传感器加速度与探测器数据信号进行同步。
52.6、将记录的数据发送至上位机100，计算出位移值，并进行图像校正，得到校正图像。
53.在一些实施例中，所述系统初始化后，进行传感器校准，所述传感器校准为利用重力加速度对三轴的量化系数进行校准，所述传感器校准的方法包括：
54.1)将所述传感器水平放置，至x方向与重力方向平行，读取三轴的数值；
55.2)若y方向和z方向的数值满足限制条件，则记录此时xi的值；
56.3)多次重复步骤1)和步骤2)后获得轴的平均数值，则x轴的量化系数为：
57.4)采用上述步骤1)至步骤3)同样的方法，获取ky的值与kz的值,得到y轴的量化系数和z轴的量化系数。
58.在一些实施例中，所述运动传感器300分布的x射线源、探测器以及载物台均设置在实验台实验台上，传感器校准之后还包括记录初始状态的信息，形成初始成像空间，同步电路后进行采集。
59.在一些实施例中，在系统同步进行采集数据时，还包括监测所述传感器加速度，其中，实验过程中的加速度监测值为实测值与初始值之差；所述主控模块还用于通过同步电路将各传感器加速度与探测器数据信号进行同步至上位机100。
60.在一些实施例中，所述上位机100还用于接收所述主控模块记录的数据，根据接收的数据计算出位移值，并进行图像校正，得到校正图像。
61.在一些实施例中，所述数字接口包含有系统同步时钟接口，所述系统同步电路主时钟位于控制模块200，并产生系统全局时钟并分发到各个运动传感器和探测器中保证探
测器数据和运动数据的同步性控制模块时钟同步电路各个运动传感器和探测器。
62.在本实施例中，同步电路包含了同步时钟接口，系统电源以及数字核心控制模块200。整个时钟系统位于控制模块，并由时钟同步电路产生系统全局时钟并分发到各个运动传感器和探测器中保证探测器数据和运动数据的同步性。
63.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
64.请参照图4，图4为本技术第二实施例的一种动物成像位移监测方法的流程示意图。本技术的实施例中，所述一种动物成像位移监测方法包括以下步骤s1～s5：
65.s1、系统初始化
66.进行定时器初始化、通信接口初始化、spi初始化和运动传感器初始化；
67.s2、利用重力加速度对三轴的量化系数进行传感器校准；
68.s3、记录初始状态的信息，形成初始成像空间；
69.s4、进行采集数据，并监测各传感器加速度，实验过程中的加速度监测值为实测值与初始值之差；
70.s5、主控模块通过同步电路将各传感器加速度与探测器数据信号进行同步，将记录的数据发送至上位机100，上位机100计算出位移值，并进行图像校正，得到校正图像。
71.在本技术的实施例中，参见图5所示，在利用重力加速度对三轴的量化系数进行传感器校准阶段，还包括步骤s201～s204：
72.s201、将所述传感器水平放置，至x方向与重力方向平行，读取三轴的数值；
73.s202、若y方向和z方向的数值满足限制条件，则记录此时xi的值；
74.s203、多次重复步骤s201和步骤s202后获得轴的平均数值，则x轴的量化系数为：
75.s204、采用上述步骤s201至步骤s203同样的方法，获取ky的值与kz的值,得到y轴的量化系数和z轴的量化系数。
76.在本技术的实施例中，在所述传感器校准阶段，校准方法，包括：
77.将x射线源，探测器以及载物台处的振动探测器分别定义为detector1、detector2和detector3，将detector1、detector2和detector3采集到的数据矩阵进行低通滤波，并分别定义为d1、d2、d3；
78.根据t0时刻的d1、d2的数值建立成像坐标系p(x,y,z)；
79.根据t时刻的d1、d2数值计算探测器的相对位置，建立修正坐标系为p(x’,y’,z’)；其中相对位置公式计算方式为：
[0080][0081]
x为d1探测器t时刻的位置，x(t)为d1探测器加速度计x方向的分量的函数，以此类推y,z位置的计算；
[0082]
根据d3的数值计算转台的实际偏差，其中，d3的方向偏差计算为：
[0083]
[0084][0085][0086]
其中，x,y,z为r为探测器到旋转中心的距离，ω为角速度。
[0087]
示例性的，以下为一个应用实例用所设计的传感器进行了实验，实验台实验台并对普通实验台和气浮实验台进行了振动误差判断，验证设计的有效性。
[0088]
参见图6和图7所示，实线为气浮平台实验结果，虚线为普通实验台结果。y轴为z方向加速度，单位是mm/s2,x轴为时间，单位是s。上半部分为静止状态下，两个实验台振动情况监测对比图，下半部分是在30秒后，启动偏心振动电机后观察外界扰动对实验台的影响。
[0089]
按静止状态，施加扰动前和施加扰动分类后，计算了加速度数据的标准差，极值和波动范围，通过统计分析，可以清晰的看出，在无扰动情况下，气浮实验台和普通实验台加速度的标准差、极值和波动范围都比较接近，气浮实验台的性能略优于普通实验台。但在施加扰动后，由于气浮平台具有较大的柔性减震阻尼，其加速的标准差、极值和波动范围均远小于普通实验台。通过该实验可以看到，检测系统可以实时检测到系统各部分的位移状态，从而进行图像运动校准，该方法也可以为系统的运动部件选型提供参考。
[0090]
其中，上述动物成像分布式运动监测系统中各个模块与上述动物成像分布式运动监测方法实施例中各步骤相对应，其功能和实现过程在此处不再一一赘述。
[0091]
参照图8，为根据本技术方式的设备图。本技术第三实施例提供了一种动物成像位置监控的校准设备包括存储器600及处理器700，其中处理器700存储有计算机程序，计算机程序用于执行上述动物成像位移监测方法实施例中各步骤：
[0092]
s1、系统初始化
[0093]
进行定时器初始化、通信接口初始化、spi初始化和运动传感器初始化；
[0094]
s2、利用重力加速度对三轴的量化系数进行传感器校准
[0095]
s201、将所述传感器水平放置，至x方向与重力方向平行，读取三轴的数值；
[0096]
s202、若y方向和z方向的数值满足限制条件，则记录此时xi的值；
[0097]
s203、多次重复步骤s201和步骤s202后获得轴的平均数值，则x轴的量化系数为：
[0098]
s204、采用上述步骤s201至步骤s203同样的方法，获取ky的值与kz的值,得到y轴的量化系数和z轴的量化系数；
[0099]
s3、记录初始状态的信息，形成初始成像空间；
[0100]
s4、进行采集数据，并监测各传感器加速度，实验过程中的加速度监测值为实测值与初始值之差；
[0101]
s5、主控模块通过同步电路将各传感器加速度与探测器数据信号进行同步，将记录的数据发送至上位机100，上位机100计算出位移值，并进行图像校正，得到校正图像。
[0102]
其中，所述传感器校准，校准方法，包括：
[0103]
将x射线源，探测器以及载物台处的振动探测器分别定义为detector1、detector2和detector3，将detector1、detector2和detector3采集到的数据矩阵进行低通滤波，并分别定义为d1、d2、d3；
[0104]
根据t0时刻的d1、d2的数值建立成像坐标系p(x,y,z)；
[0105]
根据t时刻的d1、d2数值计算探测器的相对位置，建立修正坐标系为p(x’,y’,z’)；其中相对位置公式计算方式为：
[0106][0107]
x为d1探测器t时刻的位置，x(t)为d1探测器加速度计x方向的分量的函数，以此类推y,z位置的计算；
[0108]
根据d3的数值计算转台的实际偏差，其中，d3的方向偏差计算为：
[0109][0110][0111][0112]
其中，x,y,z为r为探测器到旋转中心的距离，ω为角速度。
[0113]
其中，动物成像位置监控的校准程序被执行时所实现的方法可参照本技术动物成像分布式运动监测系统的各个实施例，此处不再赘述。
[0114]
应当理解的是，处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。其中，通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0115]
其中，所述处理器用于运行存储在存储器中的计算机程序，以实现本技术动物成像位移监测方法的各个实施例。
[0116]
应当认识到，本技术实施例中的方法步骤可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0117]
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0118]
此外，本技术第四实施例还提供一种计算机可读存储介质。
[0119]
本技术计算机可读存储介质上存储有动物成像位置监控的校准程序，其中所述动物成像位置监控的校准程序被处理器执行时，实现如上述的动物成像位移监测方法的步骤：
[0120]
s1、系统初始化
[0121]
进行定时器初始化、通信接口初始化、spi初始化和运动传感器初始化；
[0122]
s2、利用重力加速度对三轴的量化系数进行传感器校准；
[0123]
s201、将所述传感器水平放置，至x方向与重力方向平行，读取三轴的数值；
[0124]
s202、若y方向和z方向的数值满足限制条件，则记录此时xi的值；
[0125]
s203、多次重复步骤s201和步骤s202后获得轴的平均数值，则x轴的量化系数为：
[0126]
s204、采用上述步骤s201至步骤s203同样的方法，获取ky的值与kz的值,得到y轴的量化系数和z轴的量化系数；
[0127]
s3、记录初始状态的信息，形成初始成像空间；
[0128]
s4、进行采集数据，并监测各传感器加速度，实验过程中的加速度监测值为实测值与初始值之差；
[0129]
s5、主控模块通过同步电路将各传感器加速度与探测器数据信号进行同步，将记录的数据发送至上位机100，上位机100计算出位移值，并进行图像校正，得到校正图像。
[0130]
其中，所述传感器校准，校准方法，包括：
[0131]
将x射线源，探测器以及载物台处的振动探测器分别定义为detector1、detector2和detector3，将detector1、detector2和detector3采集到的数据矩阵进行低通滤波，并分别定义为d1、d2、d3；
[0132]
根据t0时刻的d1、d2的数值建立成像坐标系p(x,y,z)；
[0133]
根据t时刻的d1、d2数值计算探测器的相对位置，建立修正坐标系为p(x’,y’,z’)；其中相对位置公式计算方式为：
[0134][0135]
x为d1探测器t时刻的位置，x(t)为d1探测器加速度计x方向的分量的函数，以此类推y,z位置的计算；
[0136]
根据d3的数值计算转台的实际偏差，其中，d3的方向偏差计算为：
[0137][0138][0139][0140]
其中，x,y,z为r为探测器到旋转中心的距离，ω为角速度。
[0141]
其中，动物成像位置监控的校准程序被执行时所实现的方法可参照本技术动物成像分布式运动监测系统的各个实施例，此处不再赘述。
[0142]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0143]
上述本技术实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0144]
本技术可用于众多通用或专用的计算机装置环境或配置中。进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本技术的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的申请包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本技术所述的方法和技术编程时，本技术还包括计算机本身。
[0145]
计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本技术优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0146]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述的方法。
[0147]
本技术提供一种动物成像分布式运动监测系统及位移监测方法，利用传感器具有体积小、价格低的优势，可方便集成在监测系统中，实现对多目标或多部位的振动情况监测分析，解决了在复杂应用环境下由于微小震动造成的系统空间分辨率降低的问题。通过分布式运动检测实现高精度的动物成像位移监测特别适合高精度ct系统实现；在硬件端实现了系统的位置偏差估算，从而大幅度减少了由于物理震动带来的运动偏差，为高精度的动物成像提供了硬件基础；本技术为在精密试验、安全试验、破坏分析领域具有极大的应用价值，为研发高精度成像系统提供有效的技术保证。
[0148]
以上仅为本技术的优选实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。