一种几何参数的校正方法、装置、设备及系统

摘要

本申请提供一种几何参数的校正方法、装置、设备及系统，所述方法包括：获取校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；确定校正模体中的小球球心在二维投影图像中的物理投影位置坐标；利用物理投影位置坐标获得一组全局系统几何参数；根据全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到校正模体的三维重建图像；确定三维重建图像中小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；计算物理投影位置坐标与虚拟投影位置坐标的残差；利用残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。本申请利用小球球心的物理投影坐标与小球球心的虚拟投影坐标之间的残差对不同机架角度的系统几何参数进行补偿，修正了几何参数估计误差。

权利要求

1.一种几何参数的校正方法，其特征在于，包括：获取校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；

确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；

利用所述物理投影位置坐标获得一组全局系统几何参数；

根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；

确定所述三维重建图像中所述小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；

获得所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；

利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标包括：对所述二维投影图像进行高斯滤波得到滤波图像；

根据所述滤波图像计算出小球投影的轮廓；

利用小球周围背景的像素值填充所述轮廓，得到背景图像；

将所述滤波图像减去背景图像得到无背景图像；

对所述无背景图像进行边缘检测，得到小球投影的边缘；

将所述边缘拟合成圆，圆心为小球球心的物理投影位置坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述二维投影图像中小球球心的物理投影位置坐标包括：利用训练好的卷积神经网络对所述二维投影图像进行图像分割；

计算分割出图像中小球球心的物理投影位置坐标。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，利用所述物理投影位置坐标获得出一组全局系统几何参数包括：在机架旋转过程中，利用所述物理投影位置坐标在静态的系统几何模型下，解析计算出一组全局系统几何参数，所述全局系统几何参数包括：放射源到旋转轴的垂直距离，放射源垂直旋转轴到探测器的距离，放射源垂直旋转轴在探测器上的垂直投影点坐标和探测器绕垂直投影轴的旋转角度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定所述三维重建图像中所述小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标包括：确定三维重建图像中小球球心的三维位置坐标；

根据全局系统几何参数计算所述三维重建图像中小球球心在获取的二维投影图像中的虚拟投影位置坐标。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正包括：对所述残差进行曲线拟合，得到拟合的所述残差与机架角度的关系曲线；

利用拟合的所述关系曲线对不同机架角度下的几何参数进行补偿，修正不同机架角度下几何参数的误差。

7.一种几何参数的校正装置，其特征在于，包括：获取单元，用于获取校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；

第一确定单元，用于确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；

第一获得单元，用于利用所述物理投影位置坐标获得出一组全局系统几何参数；

重建单元，用于根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；

第二确定单元，用于确定所述三维重建图像中所述小球球心在所述获取的二维投影图像中的虚拟投影位置坐标；

第二获得单元，用于获得所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；

校正单元，用于利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一确定单元包括：滤波单元，用于对所述二维投影图像进行高斯滤波得到滤波图像；

第一计算单元，用于根据所述滤波图像计算出小球投影的轮廓；

填充单元，用于利用小球周围背景的像素值填充所述轮廓，得到背景图像；

第二计算单元，用于将所述滤波图像减去背景图像得到无背景图像；

边缘检测单元，用于对所述无背景图像进行边缘检测，得到小球投影的边缘；

第一拟合单元，用于将所述边缘拟合成圆，圆心为小球球心的物理投影位置坐标。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一确定单元包括：分割单元，用于利用训练好的卷积神经网络对所述二维投影图像进行分割；

位置坐标计算单元，用于计算分割出图像中小球球心的物理投影位置坐标。

10.根据权利要求7至9任一项所述的装置，其特征在于所述第一获得单元，具体用于在机架旋转过程中，利用所述物理投影位置坐标在静态的系统几何模型下，解析计算出一组全局系统几何参数，其中，所述全局系统几何参数包括：放射源到旋转轴的垂直距离，放射源垂直旋转轴到探测器的距离，放射源垂直旋转轴在探测器上的垂直投影点坐标和探测器绕垂直投影轴的旋转角度。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第二确定单元包括：确定子单元，用于确定三维重建图像中小球球心的三维位置坐标；

投影单元，用于根据所述三维位置坐标计算三维重建图像中小球球心在所述获取的二维投影图像中的虚拟投影位置坐标。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，第二获得单元包括：第二拟合单元，用于对所述残差进行曲线拟合，得到拟合的所述残差与机架角度的关系曲线；

补偿单元，用于利用拟合的所述关系曲线对不同机架角度下的几何参数进行补偿，修正不同机架角度下几何参数的误差。

13.一种图像处理设备，其特征在于，包括：处理器；以及用于存储所述处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为：

获取校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；

确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；

利用所述物理投影位置坐标获得一组全局系统几何参数；

根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；

确定所述三维重建图像中所述小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；

获得所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

14.一种成像系统，包括：旋转机架，附加在所述旋转机架上的放射源和探测器，其特征在于，还包括：校正模体，用于放置在所述放射源和所述探测器之间，其中，所述校正模体包括多个金属小球，所有金属小球近似组成一条直线，相邻金属小球之间的间隔近似相等；

图像处理设备，用于获取所述校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；利用所述物理投影位置坐标获得一组全局系统几何参数；根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；确定所述三维重建图像中所述小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；获得所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述校正模体与所述旋转机架的旋转轴平行且不同轴。

说明书

一种几何参数的校正方法、装置、设备及系统

技术领域

[0001] 本申请涉及医疗成像技术，特别涉及一种几何参数的校正方法、装置、设备及系统。

背景技术

[0002] 锥形束投照计算机重组断层影像(Cone Beam Computed Tomography，CBCT)成像系统一般包含一个X-ray放射源、一个探测板和一个旋转机架。其中，X-ray放射源和探测板附加到旋转机架上，随着旋转机架的旋转而旋转。CBCT成像原理是围绕三维物体旋转机架获取物体在多个角度下的投影图像，然后应用锥束投影图重建算法重建出物体三维图像。

[0003] CBCT成像系统在重建图像时，需要获得成像系统准确的几何系统参数信息，CBCT系统的几何参数是指描述系统的X-ray光源、物体和探测器之间的角度和位置的几何参量，如X-ray放射源到探测板的距离，X-ray放射源到旋转轴的距离，探测板的倾斜和旋转角度等。由于X-ray放射源和探测板的重力，这些参数随着旋转机架的旋转而变化，也就是说在不同旋转机架角度下，成像系统的几何系统参数是不同的。不准确的CBCT几何系统参数信息将导致重建图像出现几何伪影，降低重建图像质量。因此，CBCT系统的几何参数校正具有提高重建图像质量，防止出现图像伪影的重要意义。

[0004] 目前，通用的做法为：将一个带有若干标记点的校正模体放置在X-ray放射源和探测板之间，旋转机架得到该校正模体在不同角度的2D投影图，再根据2D投影图像中的标记点与成像系统的几何参数预先设定的几何关系，计算得到成像系统的几何参数。其中，具体的实现过程为：

[0005] 第一种方案是：校正模体是包含24个相同大小金属小球的圆柱形模体，这些小球形成两个与圆柱模体同轴的圆环，每个圆环由均匀分布的12个小球组成，其中，要求小球的位置误差不超过25μm。之后，将校正模体放在X-ray放射源和探测板之间，使校正模体的中心与等中心对齐，校正模体的轴方向与旋转机架的旋转轴对齐。旋转机架以1度的间隔旋转，在每个机架角度分别采集一幅校正模体的2D投影图。对于每一幅投影图做如下处理：首先，确定小球投影在投影图中的位置坐标；然后，在定义的投影坐标系和探测器坐标系下，利用模体坐标系下小球位置坐标和投影图上小球位置坐标的关系，给出直接计算系统几何参数的解析表达式，并计算出系统几何参数；最后，通过将各个角度下的X-ray放射源的坐标拟合成圆形轨迹，重新建立一个投影系统坐标系，并重新计算在此投影系统坐标系下的所有角度下的几何参数。但是，这种方案中，对校正模体中小球的相对位置精度要求比较严格，小球的相对位置偏差影响最后的系统几何参数的计算精度。

[0006] 第二种方案：通常假设CBCT的系统几何参数在不同机架角度下是一组固定的全局参数，然后利用校正模体中的标记点位置信息和其投影图像的位置信息关系，计算得到这一组全局参数。但是，这种方法的假设条件在实际中通常是不成立的，利用计算的全局参数重建三维图像会引入几何伪影，降低图像质量。

[0007] 因此，如何降低校正模体精度要求并且能精确计算出成像系统几何参数，是目前有待解决的技术问题。

发明内容

[0008] 有鉴于此，本申请提供一种几何参数的校正方法、装置、设备及系统，在降低校正模体精度要求的同时，修正了不同机架角度下的几何参数的估计误差。

[0009] 具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

[0010] 第一方面提供一种几何参数的校正方法，包括：

[0011] 获取校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；

[0012] 确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；

[0013] 利用所述物理投影位置坐标获得一组全局系统几何参数；

[0014] 根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；

[0015] 确定所述三维重建图像中所述小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；

[0016] 获得所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；

[0017] 利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

[0018] 第二方面提供一种几何参数的校正装置，包括：

[0019] 获取单元，用于获取校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；

[0020] 第一确定单元，用于确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；

[0021] 第一获得单元，用于利用所述物理投影位置坐标获得出一组全局系统几何参数；

[0022] 重建单元，用于根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；

[0023] 第二确定单元，用于确定所述三维重建图像中所述小球球心在所述获取的二维投影图像中的虚拟投影位置坐标；

[0024] 第二获得单元，用于获得所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；

[0025] 校正单元，用于利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

[0026] 第三方面提供一种图像处理设备，包括：处理器；以及用于存储所述处理器可执行指令的存储器；其中，

[0027] 所述处理器被配置为：

[0028] 获取所述校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；

[0029] 确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；

[0030] 利用所述物理投影位置坐标获得一组全局系统几何参数；

[0031] 根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；

[0032] 确定所述三维重建图像中所述小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；

[0033] 获得所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

[0034] 第四方面提供一种成像系统，包括：旋转机架，附加在所述旋转机架上的放射源和探测器，其特征在于，还包括：

[0035] 校正模体，用于放置在所述放射源和所述探测器之间，其中，所述校正模体包括多个金属小球，所有金属小球近似组成一条直线，相邻金属小球之间的间隔近似相等；

[0036] 图像处理设备，用于获取所述校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；利用所述物理投影位置坐标获得一组全局系统几何参数；根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；确定所述三维重建图像中所述小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；获得所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

[0037] 本申请实施例中，采集校正模体在不同机架角度下的二维投影图像，并确定在获取的二维投影图像中的小球球心物理投影的位置坐标，然后利用所述小球球心物理投影位置坐标与CBCT成像系统几何参数的解析关系计算出一组全局系统几何参数。然后利用这组全局几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到校正模体的三维重建图像；然后，确定三维重建图像中小球球心的位置坐标，并计算三维重建图像中的小球球心在各个采集机架角度下投影到获取的二维投影图像的虚拟投影位置坐标。最后，计算采集的小球球心的物理投影坐标与计算的小球球心的虚拟投影坐标之间的残差，并根据该残差修正各个机架角度下的几何参数估计误差。由此可见，本申请实施例中，通过对校正模体在不同机架角度下的投影图像进行解析，并计算出一组固定不变的全局系统几何参数，不需要标记校正模体中小球之间精确的相对位置，这极大的方便了算法的实现，降低了成本；同时，利用采集的小球的物理投影坐标与计算的小球虚拟投影坐标之间的残差对不同机架角度的系统几何参数进行补偿，修正了系统几何参数固定不变这一假设引起的几何参数估计误差。

[0038] 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，并不能限制本申请。

附图说明

[0039] 图1是本申请实施例提供的一种成像系统的结构示意图；

[0040] 图2是本申请实施例提供的一种校正模体的结构示意图；

[0041] 图3是本申请实施例提供的一种几何参数的校正方法的流程图；

[0042] 图4A是本申请实施例提供的CBCT系统的表示几何系统参数的示意图；

[0043] 图4B是本申请实施例提供的CBCT系统的表示几何系统参数的另一示意图；

[0044] 图5A是本申请本实施例提供的校正模体中每个小球运动的一个圆形运动轨迹的示意图；

[0045] 图5B是本申请实施例提供的校正模体中每个小球的圆形运动轨迹在平板探测器上的投影为一个椭圆形轨迹的示意图；

[0046] 图6是本申请实施例提供的相似三角关系的示意图；

[0047] 图7是本申请实施例提供的射线源到旋转轴的距离的计算原理示意图；

[0048] 图8是本申请提供的几何参数的校正装置所在设备的一种硬件结构图；

[0049] 图9是本申请实施例提供的一种几何参数的校正装置的结构示意图；

[0050] 图10是本申请实施例提供的一种几何参数的校正装置的另一结构示意图。

具体实施方式

[0051] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0052] 在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

[0053] 应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

[0054] 为了便于理解，在说明本申请实施例之前，先简单介绍下本申请涉及到的应用架构。

[0055] 请参阅图1，是本申请实施例提供的一种成像系统的结构示意图；所述成像系统，比如，锥形束投照计算机重组断层影像(CBCT，Come beam computer tomography)成像系统，该成像系统一般包括：图像处理设备10，旋转机架11，附加在所述旋转机架11上的放射源(比如X-ray放射源)12，探测器13和校正模体14，旋转机架11可以围绕着旋转轴15旋转；其中，

[0056] 校正模体14，用于放置在放射源12和探测器13之间，其中，校正模体14含有若干个金属小球，所有金属小球近似组成一条直线，相邻金属小球之间的间隔可以相等，也可以近似相等。

[0057] 需要说明的是，在放置校正模体14时，应尽量使校正模体14与旋转机架11的旋转轴平行但不同轴，以保证校正模体14中的金属小球投影全部在探测器13上。

[0058] 其中，本实施例提供的一种校正模体可以是一个长为约28cm直径为6mm的棍状物体，该校正模体中以嵌入21个金属小球为例，每个金属小球的直径为3mm金属小球、相邻金属小球之间的距可以为10mm，也可以近似等于10mm，当然，可以根据需要进行适应性调整。也就是说，相邻金属小球的间距要求不必特别精确。具体如图2所示，图2为本申请实施例提供的一种校正模体的结构示意图，图2中，相邻金属小球之间的间距以相等为例，具体应用中不限于此。

[0059] 其中，图像处理设备10，分别与探测器和校正模体连接，可以应用到各种计算机上，用于获取所述校正模体14在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体14中；利用所述物理投影位置坐标获得一组全局系统几何参数；根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；确定所述三维重建图像中所述小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；获得所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

[0060] 其中，图像处理设备10对图像处理的过程详见下述图3至图8所对应的实施例，在此不再赘述。

[0061] 请参阅图3，是本申请实施例提供的一种几何参数的校正方法的流程图，所述方法包括：

[0062] 步骤301：获取校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；

[0063] 其中，该步骤中的校正模体如图2所示，在此不再赘述。

[0064] 该步骤中，需要先将校正模体放在放射源和探测器之间，以便于成像系统能采集校正模体在不同角度下投影到探测器上的二维(即2D)投影图像。需要说明的是，在摆放校正模体时，应尽量使校正模体与旋转机架的旋转轴平行但不同轴，并且保证校正模体中的金属小球(下文统称为小球)投影全部在探测器上。

[0065] 该步骤中，成像系统旋转扫描一圈，就可以获得校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的二维投影图像，其具体过程对于本领域技术人员来说，已是熟知技术，在此不再赘述。

[0066] 步骤302：确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；

[0067] 其中，物理投影位置坐标用 表示,m＝1,2,…M,n＝1,2,…,N，其中M是获取的二维投影图像的总张数，N是小球的个数。

[0068] 该步骤中，一种确定方式为：

[0069] 首先，对二维投影图像进行高斯滤波去除随机噪声得到滤波图像；其具体的实现过程对于本领域技术人员来说，已是熟知技术，在此不再赘述。

[0070] 其次，根据所述滤波图像计算出小球投影的轮廓；

[0071] 具体实现时，可以对滤波图像采用分水岭分割算法初步计算出小球投影的轮廓，并用小球周围背景的像素值填充其轮廓，得到背景图像；

[0072] 再后，用滤波图像减去背景图像得到无背景图像；

[0073] 最后，采用Canny边缘检测算法对无背景图像进行边缘检测，得到小球投影的边缘，并将边缘拟合成圆，圆心即为小球的物理投影位置坐标。

[0074] 另一种确定方式为：先利用已训练好的卷积神经网络对所述二维投影图像进行分割，然后计算分割出图像中小球球心的物理投影位置坐标，其具体的计算过程对于本领域技术人员来说，已是熟知技术，在此不再赘述。

[0075] 步骤303：利用所述物理投影位置坐标计算出一组全局系统几何参数；

[0076] 其中，一组全局系统几何参数可以用R,D,(u0,v0),η表示，具体如图4A图4B所示，图4A和图4B分别为本实施例提供的CBCT系统的表示几何系统参数的示意图；

[0077] 如图4A所示，R为放射源到旋转轴z轴的垂直距离；D为放射源垂直旋转轴z轴到探测器的距离；(u0,v0)为放射源垂直旋转轴z轴在探测器上的垂直投影点坐标；如图4B所示，η为探测器绕垂直投影点(u0,v0)的旋转角度。

[0078] 由于运动是相互的，放射源和探测板围绕旋转轴旋转一周而校正模体静止不动，可以看作放射源和探测板静止不动而校正模体围绕旋转轴旋转一周，下文中的所有分析都是在此运动模型下进行的。此时，校正模体中的每个小球的运动为一个圆形运动轨迹，而每个小球的圆形运动轨迹在平板探测器上的投影为一个椭圆形轨迹，如图5A和5B所示。图5A为本实施例提供的校正模体中每个小球运动的一个圆形运动轨迹的示意图；图5B为本实施例提供的校正模体中每个小球的圆形运动轨迹在平板探测器上的投影为一个椭圆形轨迹的示意图。

[0079] 下面分别提供计算出了一组全局系统几何参数R,D,u0,v0,η的实现过程。

[0080] 在图5A和图5B中，小球i的圆形轨迹与x轴和y轴的交点分别为θi1、θi2、θi3和θi4，它们在探测板投影的椭圆形轨迹分别为Ai1(ui1,vi1)、Ai2(ui2,vi2)、Ai3(ui3,vi3)和Ai4(ui4,vi4)，Ai1、Ai2、Ai3和Ai4分别为椭圆轨迹的短轴极值点和长轴极值点。

[0081] 然后，再结合图6中所示的相似三角关系的示意图，可以得到如下关系式：

[0082]

[0083]

[0084] 其中，A0为放射源垂直旋转轴z轴在探测器上的投影点。

[0085] 将上述两式相加减可得：

[0086]

[0087]

[0088] 然后有：

[0089]

[0090] 此外，由图6还可以很明显地得出下式：

[0091]

[0092] 于是可得：

[0093]

[0094] 由上式可知，v0与D呈线性关系，且此直线的参数可以通过计算N个小球的极值点得到。可以得到N个下面的数值对(Yi,Xi)，

[0095]

[0096] 之后可以用一条直线X＝v0+D·Y来拟合上述数值对(Yi,Xi)，从而可以求出几何参数v0和D。

[0097] 下面来计算u0和η，首先计算投影图中每个小球形成的椭圆轨迹的中心坐标。椭圆轨迹的中心坐标可以通过上述的四个极值点的横坐标和纵坐标来得到，具体公式如下：

[0098]

[0099]

[0100] 而后可以用u＝k+tanη·v来拟合上述所求椭圆轨迹中心点(ui0,vi0)。当求出k和tanη后，可以将前面得到的v0代入u＝k+tanη·v来得到u0，而η可由tan η的值得到。

[0101] 射线源到旋转轴的距离R的计算原理示意图如图7所示。其中，下标1和2分别代表校正模体中的某两个小球，l为已知的两个小球间的距离，h为两个小球圆形轨迹的垂直距离，r1和r2分别为小球1和小球2的圆形轨迹的半径。于是有

[0102]

[0103] 其中，α1＝θ10-θ14，α2＝θ20-θ24，θ10和θ20为小球1和2的初始位置角度，θ14和θ24为小球1和2的一个极值点。

[0104] 从前面的步骤中已知如下关系式

[0105]

[0106] 利用上述比例关系及已知的两个小球间距离l可以求得R，具体公式如下：

[0107]

[0108] 至此，计算出了一组全局系统几何参数R,D,u0,v0,η。

[0109] 步骤304：根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；

[0110] 该步骤中，根据计算出的一组全局系统几何参数，利用FDK算法对所有二维投影图像进行重建，得到校正模体的3D重建图像。其中，利用FDK算法对所有二维投影图像进行重建的过程对于本领域技术人员来说已是熟知技术，在此不再赘述。

[0111] 步骤305：确定所述三维重建图像中所述小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；

[0112] 一种确定方式为：先确定三维重建图像中小球球心的三维位置坐标；具体过程为：

[0113] 首先，对三维重建图像进行阈值滤波，将像素值低于预先给定阈值的三维像素点设置为0；

[0114] 其次，对于三维重建图像中的每个像素(x0,y0,z0)，其中，x0中0表示迭代重建前的0 0 0
像素，若每个像素及其相邻的8个像素的值均不为0，则迭代计算每个像素(x ±k,y ±k,z±k)邻域内的重心，其中，k是邻域范围的大小，且大于小球的半径，，如下式所示

[0115]

[0116]

[0117]

[0118] i＝1,2,…,l

[0119] 其中，xi，yi，zi中的i表示迭代第i次的像素。I(x,y,z)是阈值滤波后三维重建图像在(x,y,z)处的像素值，l为迭代次数。并将最终计算得到三维重建图像中的某个小球球心的三维位置坐标记为(xn,yn,zn),n＝1,2,…,N，其中N是小球的个数，本实例可以以21为例。

[0120] 然后，根据全局系统几何参数R,D,u0,v0,η，应用前向投影计算三维重建图像中若干小球球心在获取的二维投影图像中的虚拟投影位置坐标。

[0121] 其中，若干小球球心用(xn,yn,zn)表示,n＝1,2,…,N；虚拟投影位置坐标用表示,m＝1,2,…M,n＝1,2,…,N，其中M是获取的二维投影图像的总张数，N是小
球的个数。

[0122] 步骤306：计算所述二维投影图像中小球球心的物理投影位置坐标与所述三维重建图像中小球球心在二维投影图像中的虚拟投影位置坐标的残差；

[0123] 其中，物理投影位置坐标用 表示，残差用表示，如下式所示

[0124]

[0125]

[0126] 残差(residuals)产生的主要原因是，在步骤303中假设系统几何模型在机架的旋转过程中是静止不动的，而在实际中系统几何模型随着机架旋转而变化，例如由于重力的原因探测器的位置会随机架旋转而发生变化。从另一个角度来看，步骤303中的CBCT成像系统几何模型是实际成像系统的简单近似模型，也就是，本实施例中的几何参数只是对系统几何模型的一个近似描述。因此，残差是一个系统性的误差，是可以通过建立模型来描述的。

[0127] 步骤307：利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

[0128] 该步骤中，先对所述残差进行曲线拟合，得到拟合的所述残差与机架角度的关系曲线；然后，利用拟合的所述关系曲线对不同机架角度下的几何参数进行补偿，修正不同机架角度下几何参数的误差。

[0129] 下面以对放射源垂直旋转轴在探测器上的垂直投影点坐标(u0,v0)进行校正为例。

[0130] 残差是一个系统性的误差，是机架角度的正弦函数。残差满足如下公式

[0131] Δu(θ)＝au cos(buθ+cu)+du

[0132] Δv(θ)＝av cos(bvθ+cv)+dv

[0133] 上述残差与机架角度的关系曲线可以通过对

[0134] n＝1,2,…,N进行曲线拟合得到。利用上述关系对垂直投影点坐标(u0,v0)进行校正，于是得到随机架角度变化的垂直投影点坐标：

[0135] u0(θ)＝u0+Δu(θ)

[0136] v0(θ)＝v0+Δv(θ)

[0137] 所述随机架角度变化的垂直投影点坐标是对步骤303中静态系统几何模型的一个修正，对机架旋转过程中系统几何参数偏离全局几何参数的补偿。

[0138] 本申请实施例中，采集校正模体在不同机架角度下的二维投影图像，并确定在采集的二维投影图像中小球球心的物理投影位置坐标，然后利用所述小球球心的物理投影位置坐标在一个静态的简单的几何模型下，直接获得一组全局系统几何参数。然后利用这组全局几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到校正模体的三维重建图像；然后，再确定三维重建图像中小球球心的位置坐标，并计算三维重建图像中的小球球心在各个机架角度下采集的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标。最后，计算采集的二维图像中小球球心的物理投影位置坐标与三维重建图像中的小球球心在各个机架角度下采集的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标的残差，并根据该残差修正各个机架角度下的几何参数。由此可见，本申请实施例中，利用校正模体在不同机架角度下的投影图像运用解析法，计算出一组固定不变的全局系统几何参数，不需要标记校正模体中小球之间精确的相对位置，这极大的方便了算法的实现，降低了成本；同时，利用采集的小球的物理投影坐标与计算的小球虚拟投影坐标之间的残差对不同机架角度的系统几何参数进行补偿，修正了系统几何参数固定不变这一假设引起的几何参数估计误差。

[0139] 与前述几何参数的校正方法的实施例相对应，本申请还提供了一种几何参数的校正装置的实施例。

[0140] 本申请提供的几何参数的校正装置的实施例可以应用在设备上。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图8所示，为本申请提供的几何参数的校正装置所在设备的一种硬件结构图，除了图8所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的设备通常根据该设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。

[0141] 请参考图9，为本申请实施例提供的一种几何参数的校正装置的结构示意图，所述装置包括：获取单元91，第一确定单元92，第一获得单元93，重建单元94，第二确定单元95，第二获得单元96和校正单元97，其中，

[0142] 获取单元91，用于获取校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；

[0143] 第一确定单元92，用于确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；

[0144] 第一获得单元93，用于利用所述物理投影位置坐标计算出一组全局系统几何参数；

[0145] 重建单元94，用于根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；

[0146] 第二确定单元95，用于确定所述三维重建图像中所述小球球心在各个机架角度下采集的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；

[0147] 第二获得单元96，用于计算所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；

[0148] 校正单元97，用于利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正补偿。

[0149] 可选的，在另一实施例中，该实施例在上述实施例的基础上，所述第一确定单元91包括：滤波单元911，第一计算单元912，填充单元913，第二计算单元914，边缘检测单元915和第一拟合单元916，其结构示意图如图10。其中，

[0150] 滤波单元911，用于对所述二维投影图像进行高斯滤波得到滤波图像；

[0151] 第一计算单元912，用于根据所述滤波图像计算出小球投影的轮廓；

[0152] 填充单元913，用于利用小球周围背景的像素值填充所述轮廓，得到背景图像；

[0153] 第二计算单元914，用于将所述滤波图像减去背景图像得到无背景图像；

[0154] 边缘检测915，用于对所述无背景图像进行边缘检测，得到小球投影的边缘；

[0155] 第一拟合单元916，用于将所述边缘拟合成圆，圆心为小球的物理投影位置坐标。

[0156] 可选的，在另一实施例中，该实施例在上述实施例的基础上，所述第一确定单元91包括：分割单元和位置坐标计算单元(图中未示)，其中，

[0157] 分割单元，用于利用训练好的卷积神经网络对所述二维投影图像进行分割，得到所述二维投影图像的小球；

[0158] 位置坐标计算单元，用于计算分割出图像中小球球心的物理投影位置坐标。

[0159] 可选的，在另一实施例中，该实施例在上述实施例的基础上，所述第一获得单元93，具体用于在机架旋转过程中，利用所述物理投影位置坐标在一个静态的系统几何模型下，解析计算出一组全局系统几何参数，其中，所述全局系统几何参数包括：放射源到旋转轴的垂直距离，放射源垂直旋转轴到探测器的距离，放射源垂直旋转轴在探测器上的垂直投影点坐标和探测器绕垂直投影轴的旋转角度。

[0160] 可选的，在另一实施例中，该实施例在上述实施例的基础上，所述第二确定单元95包括：确定子单元和投影单元(图中未示)，其中，

[0161] 确定子单元，用于确定三维重建图像中小球球心的三维位置坐标；

[0162] 投影单元，用于根据所述三维位置坐标计算三维重建图像中小球球心在各个机架角度下采集的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标。

[0163] 可选的，在另一实施例中，该实施例在上述实施例的基础上，第二获得单元96包括：第二拟合单元和补偿单元(图中未示)，其中，

[0164] 第二拟合单元，用于对所述残差和不同机架角度进行曲线拟合，得到拟合的所述残差与机架角度的关系曲线；

[0165] 补偿单元，用于利用拟合的所述关系曲线对不同机架角度下的几何参数进行补偿，修正不同机架角度下几何参数的误差。

[0166] 上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

[0167] 对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

[0168] 本申请实施例还提供一种图像处理设备，包括：处理器；以及用于存储所述处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为：

[0169] 获取所述校正模体在不同机架角度下投影到探测器上的多幅二维投影图像；

[0170] 确定小球球心在所述二维投影图像中的物理投影位置坐标，所述小球嵌在所述校正模体中；

[0171] 利用所述物理投影位置坐标获得一组全局系统几何参数；

[0172] 根据所述全局系统几何参数对所有二维投影图像进行重建，得到所述校正模体的三维重建图像；

[0173] 确定所述三维重建图像中所述小球球心在获取的二维投影图像上的虚拟投影位置坐标；

[0174] 获得所述物理投影位置坐标与所述虚拟投影位置坐标的残差；利用所述残差对不同机架角度下的几何参数进行校正。

[0175] 该实施例中，处理器所执行的各个步骤的实现过程详见上述，在此不再赘述。

[0176] 本申请实施例中，通过对校正模体在不同机架角度下的投影图像进行解析，并计算出一组固定不变的全局系统几何参数，不需要标记校正模体中小球之间精确的相对位置，这极大的方便了算法的实现，降低了成本；同时，利用采集的小球的物理投影坐标与计算的小球虚拟投影坐标之间的残差对不同机架角度的系统几何参数进行补偿，修正了系统几何参数固定不变这一假设引起的几何参数估计误差。

[0177] 本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中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，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

[0178] 以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。