一种无约束的CBCT系统硬化校正方法、装置和介质与流程

一种无约束的cbct系统硬化校正方法、装置和介质
技术领域
1.本发明涉及计算机断层成像技术领域，尤其是一种无约束的cbct系统硬化校正方法、装置和介质。


背景技术：

2.锥形束计算机断层成像(cone beam computed tomography，cbct)在口腔诊断，图像引导放射治疗等医学领域有着广泛的应用。而x射线源只能产生多能射线，在穿透成像物体时较多的低能软射线被物体吸收，射束平均能量升高，导致重建图像中出现硬化伪影。
3.常规cbct系统的硬化校正方法主要有拟合法和迭代法。拟合法一般采集均匀水模投影并重建，获取物体的三维轮廓并进行前向投影，从而得到穿透路径与原始投影的多能拟合曲线，进而校正新采集的投影数据，重建得到无硬化伪影的cbct图像。拟合法受制于前向投影的精度，其校正效果鲁棒性较差。迭代法一般设计无硬化伪影的仿真水模图像，通过最优化方法计算原始投影组合的多项式系数，使得真实重建的图像与仿真水模的图像差异最小。将优化系数用于新采集投影，得到校正的cbct重建图像。迭代法校正效果较佳，但其对目标函数的设定比较严格，容易陷入局部解。
4.此外，主流的两种硬化校正方法仅适用于小物体或大视野(filed of view,fov)cbct系统的伪影校正。当校正模体较大或者cbct的fov较小时，重建图像将被“截断”，无法获取完整的物体轮廓，导致射束的穿透路径与其真实路径产生巨大差异(或产生截断伪影影响迭代寻优)，常规的硬化校正方法约束于fov，难以在小fov的cbct系统中执行。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供一种适用性广且鲁棒性强的，无约束的cbct系统硬化校正方法、装置和介质。
6.本发明的一方面提供了一种无约束的cbct系统硬化校正方法，包括：
7.获取空气投影图像和专用校正模体的投影图像；
8.根据所述空气投影图像和所述专用校正模体的投影图像，计算模体多能线积分图像；
9.根据所述模体多能线积分图像，计算前向投影几何参数；
10.根据所述前向投影几何参数，对所述专用校正模体进行前向投影，得到目标图像和目标指标；
11.根据所述目标图像和所述模体多能线积分图像，确定多能投影到单能投影的映射关系；
12.根据所述映射关系对多能投影图像进行硬化校正。
13.可选地，所述方法还包括：
14.对所述硬化校正后的图像进行滤波反投影重建，得到无硬化伪影的cbct重建图像。
15.可选地，所述获取空气投影图像和专用校正模体的投影图像，包括：
16.确定扫描参数，所述扫描参数包括管电压、管电流、帧率和曝光时间；
17.根据所述扫描参数，对空气进行圆周扫描，得到所述空气投影图像；
18.对校正模体进行水平摆位，使得所述校正模体的顶部中心点位于设备旋转中心轴线上；
19.对所述校正模体进行扫描，获取所述专用校正模体的投影图像。
20.可选地，所述方法还包括：
21.通过所述专用校正模体的投影图像判断所述校正模体是否完成水平摆放，并判断所述校正模体的顶部中心点是否位于设备旋转中心轴线上；
22.当所述校正模体未能完成水平摆放，或者所述校正模体的顶部中心点未能位于设备旋转中心轴线上时，返回执行对校正模体进行水平摆位的步骤，使得所述校正模体完成水平摆放，并使得所述校正模体的顶部中心点位于设备旋转中心轴线上。
23.可选地，所述根据所述模体多能线积分图像，计算前向投影几何参数，包括：
24.采用非线性lm优化迭代算法，计算所述前向投影几何参数，使得根据所述前向投影几何参数得到的前向投影图像与所述多能线积分图像的轮廓互相匹配。
25.可选地，所述根据所述前向投影几何参数，对所述专用校正模体进行前向投影这一步骤之后，还包括：
26.根据所述前向投影几何参数，对所述专用校正模体的完整数字模型进行前向投影，计算射线穿透路径投影；
27.将所述射线穿透路径投影的图像作为所述目标图像，计算所述目标图像与所述多能线积分图像之间的目标指标；
28.当所述目标指标的值小于或等于预设的阈值时，返回执行采用非线性lm优化迭代算法，计算所述前向投影几何参数的步骤，直至所述目标指标的值大于预设的阈值。
29.可选地，所述根据所述目标图像和所述模体多能线积分图像，确定多能投影到单能投影的映射关系，包括：
30.当所述目标指标的值大于预设的阈值时，输出当前射线穿透路径投影得到的目标图像；
31.对所述多能线积分图像与所述目标图像之间的所有像素集合进行多项式迭代，确定所述多能投影到单能投影的映射关系。
32.本发明实施例另一方面还提供了一种无约束的cbct系统硬化校正装置，包括：
33.第一模块，用于获取空气投影图像和专用校正模体的投影图像；
34.第二模块，用于根据所述空气投影图像和所述专用校正模体的投影图像，计算模体多能线积分图像；
35.第三模块，用于根据所述模体多能线积分图像，计算前向投影几何参数；
36.第四模块，用于根据所述前向投影几何参数，对所述专用校正模体进行前向投影，得到目标图像和目标指标；
37.第五模块，用于根据所述目标图像和所述模体多能线积分图像，确定多能投影到单能投影的映射关系；
38.第六模块，用于根据所述映射关系对多能投影图像进行硬化校正。
39.本发明实施例另一方面还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
40.所述存储器用于存储程序；
41.所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
42.本发明实施例另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
43.本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
44.本发明的实施例首先获取空气投影图像和专用校正模体的投影图像；接着根据所述空气投影图像和所述专用校正模体的投影图像，计算模体多能线积分图像；根据所述模体多能线积分图像，计算前向投影几何参数；根据所述前向投影几何参数，对所述专用校正模体进行前向投影，得到目标图像和目标指标；然后根据所述目标图像和所述模体多能线积分图像，确定多能投影到单能投影的映射关系；最后根据所述映射关系对多能投影图像进行硬化校正。本发明能有效解决小fov的锥束成像系统在不能完整重建校正模体外轮廓情况下无法校正的问题，同时也能兼容大fov的硬化校正。本发明设计思路简单易执行，鲁棒性强，有很强的可移植性及实用性，有效去除硬化伪影提高重建图像的ct值准确度。
附图说明
45.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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为本发明实施例提供的一种专用校正模体示意图；
47.图2为本发明实施例提供的一种应用环境示意图；
48.图3为本发明实施例提供的校正方法的整体流程图。
具体实施方式
49.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
50.针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种无约束的cbct系统硬化校正方法，
51.包括：
52.获取空气投影图像和专用校正模体的投影图像；
53.根据所述空气投影图像和所述专用校正模体的投影图像，计算模体多能线积分图像；
54.根据所述模体多能线积分图像，计算前向投影几何参数；
55.根据所述前向投影几何参数，对所述专用校正模体进行前向投影，得到目标图像
和目标指标；
56.根据所述目标图像和所述模体多能线积分图像，确定多能投影到单能投影的映射关系；
57.根据所述映射关系对多能投影图像进行硬化校正。
58.可选地，所述方法还包括：
59.对所述硬化校正后的图像进行滤波反投影重建，得到无硬化伪影的cbct重建图像。
60.需要说明的是，本实施例对所述目标图像和所述模体多能线积分图像的所有像素集合进行多项式迭代，获取多能投影到单能投影的映射关系，得到多项式拟合系数，亦即校正系数。将校正系数应用于后续采集的其他数据，对多能投影进行校正，即可重建出无硬化伪影的cbct图像。
61.可选地，所述获取空气投影图像和专用校正模体的投影图像，包括：
62.确定扫描参数，所述扫描参数包括管电压、管电流、帧率和曝光时间；
63.根据所述扫描参数，对空气进行圆周扫描，得到所述空气投影图像；
64.对校正模体进行水平摆位，使得所述校正模体的顶部中心点位于设备旋转中心轴线上；
65.对所述校正模体进行扫描，获取所述专用校正模体的投影图像。
66.可选地，所述方法还包括：
67.通过所述专用校正模体的投影图像判断所述校正模体是否完成水平摆放，并判断所述校正模体的顶部中心点是否位于设备旋转中心轴线上；
68.当所述校正模体未能完成水平摆放，或者所述校正模体的顶部中心点未能位于设备旋转中心轴线上时，返回执行对校正模体进行水平摆位的步骤，使得所述校正模体完成水平摆放，并使得所述校正模体的顶部中心点位于设备旋转中心轴线上。
69.可选地，所述根据所述模体多能线积分图像，计算前向投影几何参数，包括：
70.采用非线性lm优化迭代算法，计算所述前向投影几何参数，使得根据所述前向投影几何参数得到的前向投影图像与所述多能线积分图像的轮廓互相匹配。
71.可选地，所述根据所述前向投影几何参数，对所述专用校正模体进行前向投影这一步骤之后，还包括：
72.根据所述前向投影几何参数，对所述专用校正模体的完整数字模型进行前向投影，计算射线穿透路径投影；
73.将所述射线穿透路径投影的图像作为所述目标图像，计算所述目标图像与所述多能线积分图像之间的目标指标；
74.当所述目标指标的值小于或等于预设的阈值时，返回执行采用非线性lm优化迭代算法，计算所述前向投影几何参数的步骤，直至所述目标指标的值大于预设的阈值。
75.需要说明的是，本实施例采用的前向投影算法选择为raycast算法。
76.本实施例的优化的几何参数包括但不限于：射线源与探测器距离sid、旋转中心与探测器距离aid、采集角度g、探测器偏置距离d、数字模型平移量(mx,my,mz)及旋转量(ax,ay,az)。
77.本实施例的最优化方法选择为非线性lm(levenberg-marquardt)算法，迭代损失
函数为结构相似性(ssim)。
78.可选地，所述根据所述目标图像和所述模体多能线积分图像，确定多能投影到单能投影的映射关系，包括：
79.当所述目标指标的值大于预设的阈值时，输出当前射线穿透路径投影得到的目标图像；
80.对所述多能线积分图像与所述目标图像之间的所有像素集合进行多项式迭代，确定所述多能投影到单能投影的映射关系。
81.需要说明的是，本实施例的多项式拟合时去除图像边缘的失真像素，拟合阶数为四次多项式。
82.本发明实施例还提供了一种无约束的cbct系统硬化校正装置，包括：
83.第一模块，用于获取空气投影图像和专用校正模体的投影图像；
84.第二模块，用于根据所述空气投影图像和所述专用校正模体的投影图像，计算模体多能线积分图像；
85.第三模块，用于根据所述模体多能线积分图像，计算前向投影几何参数；
86.第四模块，用于根据所述前向投影几何参数，对所述专用校正模体进行前向投影，得到目标图像和目标指标；
87.第五模块，用于根据所述目标图像和所述模体多能线积分图像，确定多能投影到单能投影的映射关系；
88.第六模块，用于根据所述映射关系对多能投影图像进行硬化校正。
89.本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
90.所述存储器用于存储程序；
91.所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
92.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
93.本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
94.下面结合说明书附图，对本发明的具体实现过程进行详细说明：
95.图2为本发明设计的锥束计算机断层成像系统，该系统具备小探测器、大成像物体的特征，基于传统方法成像将导致物体被“截断”较多。应用探测器偏置技术，可有效扩大fov范围，使成像物体“截断”部分减小。
96.图3为本发明提供的校正方法的流程图，以该方法应用于图2中的锥束计算机断层成像系统为例进行说明，包括以下步骤：
97.s100:对扫描设备的载物平台进行调平，数显水平仪显示角度偏差应小于0.5度。利用激光灯设备，指示扫描设备的旋转轴中心位置。本实施例采用如图1所示的专用校正模体，其外形为圆柱形，直径20mm、高度25mm，填充的材料为pmma。专用校正模体的上部嵌套一层呈圆形均匀分布的定位柱，定位柱材料为铝，高度为8cm、直径5mm。采集模体前，需将定位柱插入圆柱形模体的孔槽中，插入深度为5cm。定位柱用于后续步骤中判断前向投影与专用
模体的多能线积分图像外轮廓是否匹配。将模体放置于经调平的载物台，调整校正模体位置使其顶部中心点与竖直激光所指示的旋转中心点重合。对专用校正模体进行图像采集，移除模体后再对空气进行图像采集，获取各采集角度下的空气投影图像p1和校正模体投影图像p2。根据朗伯比尔定律，可得多能线积分图像
98.本步骤中，要求设备的激光灯能准确指示旋转中心所在位置、模体水平摆放。对模体进行360度圆周扫描，观察成像软件中模体的投影图像是否发生严重倾斜和位置偏移。如果投影图像倾斜严重、位置大幅度偏移，需进一步对扫描设备进行调平处理、检查激光灯所指示的旋转中心是否正确、模体是否摆至旋转中心附近处。
99.s110：利用ray cast算法对专用校正模体的完整数字模型进行前向投影，计算射线穿透路径前向投影的计算公式可描述如下：
[0100][0101]
其中q(r)表示物体在距离射线源r处的状态值，若r处存在物质则q取值为1，否则为0。dr为射线r在穿透方向的微分元，可用笛卡尔坐标系表示为
[0102]
为匹配前向投影图像与多能线积分图像a，采用非线性lm优化算法迭代方式实现。本实施例优化的几何参数包括：射线源与探测器距离sid、旋转中心与探测器距离aid、采集角度g、探测器偏置距离μ0、数字模型平移量(mx,my,mz)及旋转量(ax,ay,az)。待优化几何参数的初始值设定为sid＝450mm、aid＝200mm、g＝90度、μ0＝35mm、(mx,my,mz)＝(0,0,0)，(ax,ay,az)＝(0,0,0)。为实现高效寻优，本实施例中以结构相似性函数(ssim)作为lm的损失函数，匹配过程可用下述最优化公式描述：
[0103][0104]
其中，μa、分别表示多能线积分图像a、穿透路径图像的均值。表示图像a、穿透路径图像的方差。表示图像a与图像的协方差。1、c2为常数，其目的是为了避免分母接近于0时造成的不稳定，实施例中取c1＝2.5、c2＝7.5。计算公式可用下式描述：
[0105][0106][0107][0108]
[0109][0110]
当前向投影计算的穿透路径图像与多能线积分图像a的外轮廓越相似时，ssim的值越大，最优输出图像为b。可选取多个角度进行前向投影寻优，以增加匹配的准确度。
[0111]
s120：对图像a与图像b的所有像素集合进行多项式迭代，获取多能投影到单能投影的映射关系。多项式拟合时去除图像边缘的失真像素，以减小拟合偏差。拟合阶数为四次多项式，因此共有四个待优化的参数。假定待拟合参数为a1,a2,a3,a4，则迭代过程可用下式描述:
[0112][0113][0114]
s130:根据上述迭代所得的映射关系对新采集的多能投影图像进行硬化校正，并对校正后的图像进行滤波反投影重建，得到无硬化伪影的cbct重建图像。
[0115]
综上所述，本发明能有效解决小fov的锥束成像系统在不能完整重建校正模体外轮廓情况下无法校正的问题，同时也能兼容大fov的硬化校正。本发明设计思路简单易执行，鲁棒性强，有很强的可移植性及实用性，有效去除硬化伪影提高重建图像的ct值准确度。
[0116]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0117]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0118]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案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一个存储介质中，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所述方法的全部或部分步骤。
而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0119]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0120]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0121]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0122]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0123]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0124]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。