专利名称：基于切片轮廓重投影的锥束ct射束硬化校正方法
技术领域：
本发明涉及一种锥束CT射束硬化校正方法，属于CT技术领域。
技术背景锥束CT (Cone-Beam Computed Tomography, CBCT)利用锥形束射线源和面阵探测器 采集被测物体的投影数据，是近年发展起来的一种三维CT技术。与传统的二维CT相比，锥 束CT具有很高的扫描速度，重建出的切片图像记录了物体内部各点的材质、密度等物性参 数分布，具有切片序列连续、切片内和切片间的空间分辨率相同、精度高等特点，在逆向工 程与工业内视等领域已显示出广阔的应用和发展前景。在锥束CT系统中，射线源发出的X射线具有一定范围的能量分布(此种射线称为多色射 线)，当射线与物质相互作用时，由于低能量光子的衰减量大于高能量光子，造成穿过一定厚 度的物体后射线的平均能量增大，此时射线平均能量对应的线性衰减系数也不再是常数而是 逐渐减小，导致投影值与穿越长度也不再呈线性关系。而CT重建算法是基于X射线是单能 谱假设的，重建时直接用多色投影代替单色投影，导致在重建的切片图像上呈现杯状伪影 (Cupping Artifacts),严重时图像会产生变形，使得该切片内的结构、尺寸、密度、成分等物 理化学性质无法准确地判读和计量，这种现象就称为射束硬化(Beam Hardening)。射束硬化是锥束CT实际应用中必须解决的一个重大问题。目前，CT的射束硬化校正方 法主要分为单能法和双能法两大类。由于操作上的复杂性，双能法在工程实践中很少被采用。 单能法易于实现，实际应用效果也比较好，因此被广泛研究。杨民、路宏年、路远等人在《光 学技术》(2003， 29(2): 177-182)的文章"CT重构中射线硬化的校正研究"中提出的方法就 是一种典型的单能校正法，其校正思路是利用楔形模体来获取射线贯穿物体长度与多色投 影值之间的关系曲线，再对该曲线进行拟合，然后从坐标原点对该曲线做切线，以该切线建 立多色数据与单色数据的函数关系，从而达到硬化校正的目的。该方法实现起来简单，但要 求有与被检试件相同材质的模体，这就影响了该方法的应用灵活性。另外，目前的射束硬化校正方法多数是针对二维CT的，尽管有的方法通过改造可以推 广到锥束CT，但实际开展的研究仍然较少。 发明内容为了克服现有技术应用不够灵活、不能有效适用于锥束CT的不足，本发明提供了一种基 于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正新方法，以对锥束CT应用于实际无损检测中出现的
射束硬化问题进行有效校正。本发明针对工业锥束CT无损检测中的射束硬化问题提出一种切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正新方法，其特征在于包括下列步骤(1) 对被检测零件进行圆轨迹锥束CT扫描，从平板探测器获取一组连续的多色投影图 像数据，这些图像在获取过程中已经过必要的暗场校正、坏像素校正和增益校正，校正手段 可采用平板探测器厂方配套程序进行，也可以自行根据公知技术开发相应程序进行；(2) 对多色投影进行锥束CT重建得到一个中心切片图像；若中心切片没有包含射线穿 越物体的最大长度，即所有投影图像的最大灰度值像素不位于中心切片位置，则在所有投影图像的最大灰度值像素位置附近重建若手连i的^片图像，并利用这些切片图像根据剖切体数据的公知方法生成一个过最大灰度位置的斜截面图像；(3) 对中心切片图像采用数字图像处理中的相关算法进行轮廓提取，获得若干封闭的中 心切片零件截面轮廓；若有斜截面图像，则进行相同处理，获取若干封闭的零件斜截面轮廓；(4) 对中心切片零件截面轮廓按实际锥束CT扫描成像几何关系进行重投影，得到射线 穿越长度一多色投影灰度间对应的数据；若有零件斜截面轮廓，则进行相同处理，并将得到 射线穿越长度一多色投影灰度间对应的数据与由中心切片轮廓得到的数据合并成一组数据；(5) 采用指数函数丄-Aexp(&(^)-^来拟合射线穿越长度一多色投影灰度间对应的数 据，其中丄是射线穿越物体长度，G是多色投影灰度值，A、 B、 C是拟合系数；(6) 将射线穿越长度一多色投影灰度间对应的数据靠近原点的一部分进行线性拟合，得 到一个过原点的校正直线函数；(7) 根据指数函数和校正直线函数进行锥束CT射束硬化校正计算对各幅多色投影图 像的每个像素，先将其灰度代入指数函数计算得到对应长度，然后将该长度代入校正直线函 数得到校正后的近似单色投影灰度值。上述的基于配准模型仿真的锥束CT射束硬化校正方法，不仅可以应用于锥束CT，还可 以应用于扇束CT。在上述方法第4步中，由锥束CT系统成像的几何关系可知，射线源焦点、中心切片图像 及其投影位于同一个平面上，切片轮廓重投影计算的目的就是为了得到该平面内探测器接收 的各投影灰度值与其对应的射线穿越物体的长度值。由于斜截面轮廓重投影与中心切片轮廓 重投影完全相似，下面仅以中心切片为例进行详述中心切片轮廓重投影本质上是射线与轮 廓线段在平面内求交，然后由所得的若干交点计算出射线穿越物体的长度。首先选取一个投
影方位，建立如图3所示的坐标系，其中X々《为CT成像坐标系，义20272为切片图像坐标系，r为两坐标系间的平移量，Z)SO为射线源焦点到旋转中心距离，Z)OD为旋转中心到探测器 距离；然后计算射线^(w-l，2,…，M)与轮廓线段的交点，将所得交点按离射线源焦点远近 排序，通过简单的奇偶识别就可计算出射线穿越物体的长度，其中A为探测器中心切片投影行上第w个像素，A/为探测器行分辨率。本发明的有益效果是本发明提出的基于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正方法， 与传统的多项式拟合校正方法相比，该方法不需要制造用于生成校正模型的楔形模体，也不 需要待扫描零件的CAD模型及相关设计信息，在应用上更具有灵活性，且能将锥束CT的多色 投影近似校正为单色投影，用校正后的投影进行锥束CT重建所得的切片图像中的射束硬化伪 影显著减少。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明射束硬化校正流程图；图2为锥束CT系统成像的几何关系图；图3为中心切片轮廓重投影计算几何示意图；图4为实际扫描圆柱零件第50层切片校正前后相同位置线性灰度比较图。 具《本实施方式对一个材质为铁的被检测圆柱零件，应用本发明方法校正其锥束CT射束硬化伪影，执 行以下步骤(1) 对被检测零件进行圆轨迹锥束CT扫描，零件连续旋转360度，从Varian公司的 PaxScan2520平板探测器获取一组连续的360幅多色投影图像数据，这些图像在获取过程中 已采用平板探测器厂方配套程序进行必要的暗场校正、坏像素校正和增益校正；(2) 采用FDK算法对多色投影进行锥束CT部分切片重建，得到一个中心切片图像；由 于中心切片没有包含射线穿越物体的最夭长度，即所有投影图像的最大灰度值像素不位于中 心切片位置，所以在所有投影图像的最大灰度值像素位置附近重建20个连续的切片图像，并 利用这些切片图像根据剖切体数据的公知方法生成一个过最大灰度位置的斜截面图像；(3) 分别对中心切片图像和斜截面图像采用数字图像处理中的0TSU算法进行轮廓提取， 获得若干封闭的中心切片零件截面轮廓和零件斜截面轮廓；(4) 对中心切片零件截面轮廓按实际锥束CT扫描成像几何关系进行重投影，得到射线 穿越长度一多色投影灰度间对应的数据；对零件斜截面轮廓进行相同处理，并将得到射线穿 越长度一多色投影灰度间对应的数据与由中心切片轮廓得到的数据合并成一组数据；(5) 采用指数函数丄-丄exp(5'G"-J来拟合射线穿越长度一多色投影灰度间对应的数据，拟合的具体方法为最小二乘法，其中Z是射线穿越物体长度，G是多色投影灰度值，A、 B、 C是拟合系数；(6) 采用最小二乘法将射线穿越长度一多色投影灰度间对应的数据的前1/6 (靠近原点 的一部分)进行线性拟合，得到一个过原点的校正直线函数；(7) 根据指数函数和校正直线函数进行锥束CT射束硬化校正计算对各幅多色投影图 像的每个像素，先将其灰度代入指数函数计算得到对应长度，然后将该长度代入校正直线函 数得到校正后的近似单色投影灰度值。图4为圆柱零件第50层切片校正前后相同位置线性灰度比较，可见本发明提供的校正方 法已基本消除了由射束硬化造成的杯状伪影，校正后的切片图像质量明显改善，图像轮廓的 清晰度大大提高，表明本发明方法是切实可行的。
权利要求
1、基于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正方法，其特征在于包括下述步骤(a)对被检测零件进行圆轨迹锥束CT扫描，从平板探测器获取一组连续的多色投影图像数据，这些图像在获取过程中已经过必要的暗场校正、坏像素校正和增益校正；(b)对多色投影进行锥束CT重建得到一个中心切片图像；若中心切片没有包含射线穿越物体的最大长度，即所有投影图像的最大灰度值像素不位于中心切片位置，则在所有投影图像的最大灰度值像素位置附近重建若干连续的切片图像，并利用这些切片图像根据剖切体数据的公知方法生成一个过最大灰度位置的斜截面图像；(c)对中心切片图像采用数字图像处理中的相关算法进行轮廓提取，获得若干封闭的中心切片零件截面轮廓；若有斜截面图像，则进行相同处理，获取若干封闭的零件斜截面轮廓；(d)对中心切片零件截面轮廓按实际锥束CT扫描成像几何关系进行重投影，得到射线穿越长度-多色投影灰度间对应的数据；若有零件斜截面轮廓，则进行相同处理，并将得到射线穿越长度一多色投影灰度间对应的数据与由中心切片轮廓得到的数据合并成一组数据；(e)采用指数函数L＝A·exp(B·GC)-A来拟合射线穿越长度-多色投影灰度间对应的数据，其中L是射线穿越物体长度，G是多色投影灰度值，A、B、C是拟合系数；(f)将射线穿越长度-多色投影灰度间对应的数据靠近原点的一部分进行线性拟合，得到一个过原点的校正直线函数；(g)根据指数函数和校正直线函数进行锥束CT射束硬化校正计算对各幅多色投影图像的每个像素，先将其灰度代入指数函数计算得到对应长度，然后将该长度代入校正直线函数得到校正后的近似单色投影灰度值。
2、 根据权利要求l的基于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正方法，其特征在于 本发明还可应用于扇束CT。
3、 根据权利要求1的基于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正方法，其特征在于所 述的中心切片轮廓重投影包括下述步骤首先选取一个投影方位，建立坐标系，其中 X々A为CT成像坐标系，义2<92^为切片图像坐标系，r为两坐标系间的平移量，Z)SO为射线源焦点到旋转中心距离，Z)OD为旋转中心到探测器距离；然后计算射线 巧("-I，2，…,M)与轮廓线段的交点，将所得交点按离射线源焦点远近排序，通过简 单的奇偶识别就可计算出射线穿越物体的长度，其中^为探测器中心切片投影行上第 "个像素，M为探测器行分辨率。
全文摘要
本发明公开了一种基于切片轮廓重投影的锥束CT射束硬化校正方法，对零件进行圆轨迹锥束CT扫描获取一组连续的多色投影图像数据，对其重建得到一个中心切片图像，获得若干封闭的中心切片零件截面轮廓；对中心切片零件截面轮廓按实际锥束CT扫描成像几何关系进行重投影，得到射线穿越长度—多色投影灰度间对应的数据；并将其对应的数据与由中心切片轮廓得到的数据合并；拟合射线穿越长度—多色投影灰度间对应的数据，得到一个过原点的校正直线函数；根据指数函数和校正直线函数进行锥束CT射束硬化校正计算。本发明在应用上更具有灵活性，能将多色投影近似校正为单色投影，校正后的射束硬化伪影显著减少。
文档编号G06T5/00GK101126723SQ200710018780
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月30日 优先权日2007年9月30日
发明者昆 卜, 张定华, 凯 王, 黄魁东 申请人:西北工业大学