X射線成像系統(tǒng)的校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)療成像校正方法，尤其涉及一種X射線成像系統(tǒng)的校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] C型臂X射線成像系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：放射性直線治療源，X射線光源1和 一個(gè)沿機(jī)架轉(zhuǎn)盤3的圓形軌道運(yùn)動(dòng)的平板探測(cè)器2,如圖1所示。從不同機(jī)架角度收集到 的兩維投影圖像可以單獨(dú)用來(lái)窺視病床4上病人的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)，也可以一起用來(lái)重建出 一個(gè)三維的病人解剖結(jié)構(gòu)。C型臂X射線裝置的幾何校正，目的是在特定的條件下(機(jī)架角 度和平板位置)，建立三維空間（治療環(huán)境）和所獲取圖像的精確的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系。三維固 定坐標(biāo)系和二維圖像坐標(biāo)系的關(guān)系如圖2所示，X射線源的旋轉(zhuǎn)軸被定為IEC (國(guó)際電工委 員會(huì)）Yf軸。當(dāng)機(jī)架處于垂直位置時(shí)（即為〇度角位置)，通過X射線管焦點(diǎn)并且與IEC Yf 軸垂直的軸線被定義為IEC Zf軸。垂直于Y-Z平面并且通過Yf軸和Zf軸交點(diǎn)的軸線被 定義為IEC &軸。在理想情況下，光源的運(yùn)動(dòng)軌跡是位于堅(jiān)直的X-Z平面的圓軌道，軌道 中心和IEC坐標(biāo)系的中心Of是重合的，重合點(diǎn)即為機(jī)器的等中心點(diǎn)。當(dāng)機(jī)架處于0度位置 時(shí)，IEC Zf軸從等中心點(diǎn)Of指向X射線光源，而IEC Xf軸從等中心點(diǎn)Of指向右方(觀察者 面向機(jī)架時(shí))。請(qǐng)繼續(xù)參見圖1，校準(zhǔn)后的激光器5瞄準(zhǔn)機(jī)器的等中心點(diǎn)O f，圖中所示叉線 表示不同方向的軸線。請(qǐng)繼續(xù)參見圖2,二維像素化的圖像坐標(biāo)系是在探測(cè)器平面定義的， 引入了兩個(gè)坐標(biāo)軸U軸和V軸：U軸是與IEC Xf平行的同向軸，而V軸是與IEC Yf平行的 反向軸。像素坐標(biāo)（u = 0，v = 0)表示了探測(cè)器左上角的像素點(diǎn)。當(dāng)機(jī)架處于0度(垂直 放置）時(shí)，理想的探測(cè)器平面應(yīng)該是水平放置的并且IEC Zf軸穿過探測(cè)器中心（EPID中心， Electronic Portal Imaging Device)。EPID 中心點(diǎn)的像素坐標(biāo)是（W/2pu，H/2pv)，其中 H 和W是探測(cè)器2的寬度和高度，pv和Pu是像素單元的寬度和高度。中心點(diǎn)Of的IEC坐標(biāo) 是（0,0，- (f-D))，其中f和D分別是"源像距"（SID)和"源軸距"（SAD)。光源的真實(shí)運(yùn) 動(dòng)軌跡和平板探測(cè)器的真實(shí)行為會(huì)跟上文所說(shuō)的理想情況有一些差異。以下是兩種主要差 異的情況：首先，X射線源可能跟理想的垂直平面有微小偏離，并且它的運(yùn)動(dòng)軌跡也不一定 是理想的圓形，如圖3所示。需要注意的是，直線加速器頭的安裝是非常牢固的，這樣的結(jié) 果是，即使X射線源的運(yùn)動(dòng)軌跡不是嚴(yán)格的圓形，它的狀態(tài)也是非常穩(wěn)定的，并且在一個(gè)相 當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間（幾個(gè)月甚至幾年）不會(huì)改變。其次，跟直線加速器頭不同的是，平板探測(cè)器跟 機(jī)架的相對(duì)位置并不是十分的牢固；由于重力的作用，在不同的機(jī)架角位置，平板探測(cè)器的 板子相對(duì)于射束中心軸線（CAX，連接光源與圖像中心點(diǎn)）可能有不同程度的下墜，如圖4所 示。實(shí)際情況下，CAX與探測(cè)器的交點(diǎn)像素位置（ U(l，Vtl)跟（W/2pu，H/2pv)有一定的偏差。 (W/2p u，H/2pv)通常被稱為基點(diǎn)或是光學(xué)中心。如圖4所示，相對(duì)于理想探測(cè)器，真實(shí)探測(cè) 器有以下幾點(diǎn)不同：（a)繞u = Uci異面旋轉(zhuǎn)角度η ; (b)繞V = Vci,異面旋轉(zhuǎn)角度〇 ; (c) 繞點(diǎn)（u0, ν0)同面方寵轉(zhuǎn) Φ ° 從文獻(xiàn) 5 :A geometric calibration method for cone beam CT systems"，Kai Yang, Alexander L. C. Kwanj DeWitt F. Miller, and John M. Boone, Med Phys. 2006June;33(6) :1695 - 1706可知，異面旋轉(zhuǎn)角度η和〇很難以確切的精度來(lái)確定， 并且這兩個(gè)角度相比于其他參數(shù)而言，對(duì)圖像質(zhì)量的影響較小。實(shí)際應(yīng)用中，依靠高質(zhì)量的 機(jī)械設(shè)計(jì)和高精度的機(jī)械加工，這兩個(gè)角度能夠控制在很小的水平(< 1°)。綜合以上考慮， η = σ = 〇的假設(shè)是合理的。
[0003] 由上可見，平板探測(cè)器的平面平行于多頁(yè)光柵的平面并且垂直于CAX。然而，X射 線源的運(yùn)動(dòng)并不是嚴(yán)格圓軌跡，源像距f和源軸距D的值對(duì)于所有不同的機(jī)架角時(shí)也并非 同一個(gè)常數(shù)，如圖2所示。同時(shí)，由行向量（U)和列向量（V)構(gòu)成的圖像坐標(biāo)系存在著相對(duì) 于CAX的共面旋轉(zhuǎn)和平移。
[0004] 上述這些非理想情況在圖5中有所展示，請(qǐng)繼續(xù)參見圖5,在平板探測(cè)器平行于多 頁(yè)柵極并且垂直于射束中心軸線的假設(shè)下，在平板探測(cè)器上得到下面的關(guān)系：圖像接收坐 標(biāo)軸X_r和Y_r落在平板探測(cè)器上并且分別和X_bld和Y_bld保持一致。由于平板探測(cè) 器的下垂，基點(diǎn)㈨，Vtl)可能跟平板的中心產(chǎn)生偏差。同時(shí)，獲取圖像的行向量（U)和列向 量（V)相對(duì)于多頁(yè)柵極的投影坐標(biāo)存在著一定的旋轉(zhuǎn)(在零度角的情況下)。人們傾向于利 用投影矩陣來(lái)描述三維空間點(diǎn)（x f，yf，zf)與它投影在二維平板探測(cè)器上的像素點(diǎn)的精確對(duì) 應(yīng)關(guān)系（見圖 3)，如文獻(xiàn) I !Multiple View Geometry in Computer Vision, Hartley, R.~ I.and Zisserman, A. ,2004, Cambridge University Press, ISBN: 0521540518,投影矩陣對(duì) 應(yīng)于X射線源與平板探測(cè)器特定的一組相對(duì)位置。如果光源的旋轉(zhuǎn)軌跡是理想圓，投影矩 陣可以寫為：
[0005]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，包括如下步驟： a) 利用投影矩陣描述H維空間點(diǎn)與其投影在二維平板探測(cè)器上的像素點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng) 關(guān)系，并將所述投影矩陣劃分為第一投影子矩陣和第二投影子矩陣； b) 對(duì)所述第一投影子矩陣進(jìn)行快速校正； C)合并校正后的第一投影子矩陣和所述第二投影子矩陣得到完整的投影矩陣對(duì)X射 線成像進(jìn)行校正。
2. 如權(quán)利要求1所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述步驟a)中第一 投影子矩陣和第二投影子矩陣的劃分過程如下：將與探測(cè)器平板的共面旋轉(zhuǎn)角0W及基點(diǎn) 位置（U。，V。）相關(guān)的投影對(duì)應(yīng)關(guān)系劃分成第一投影子矩陣巧kwwe，將其他平移量和轉(zhuǎn)動(dòng)量 的投影對(duì)應(yīng)關(guān)系劃分成第二投影子矩陣PeKigid。
3. 如權(quán)利要求1所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述X射線成像系統(tǒng) 為C型臂X射線成像系統(tǒng)，所述步驟b)中第一投影子矩陣采用預(yù)定義頁(yè)型的多頁(yè)光柵進(jìn)行 自動(dòng)化無(wú)模體的快速校正。
4. 如權(quán)利要求2所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述第一投影子矩陣 巧kwwe計(jì)算如下；
所述第二投影子矩陣PeKigid計(jì)算如下：
所述步驟C)中所述投影矩陣為Pe按如下方式進(jìn)行合并： P白=巧lexible*巧igid,其中P,和Ph為探測(cè)器平板像素尺寸，0為機(jī)架角，[T]。為其 他平移量，[時(shí)e為其他轉(zhuǎn)動(dòng)量，f為源像距。
5. 如權(quán)利要求3所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述預(yù)定義頁(yè)型的多 頁(yè)光柵的自動(dòng)化無(wú)模體的校正過程如下：將選定頁(yè)片放置在預(yù)先定義的位置進(jìn)入視野邊緣 而改變視野，把準(zhǔn)直器放在0度的位置，根據(jù)預(yù)先定義頁(yè)片的側(cè)向邊緣確定Xf軸，根據(jù)預(yù)先 定義頁(yè)片的縱向邊緣確定Yf軸。
6. 如權(quán)利要求5所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述選定頁(yè)片邊緣關(guān) 于Xf和Yf對(duì)稱，所述選定頁(yè)片側(cè)向邊緣的對(duì)稱軸為Xf軸，所述選定頁(yè)片縱向邊緣的對(duì)稱軸 為Yf軸。
7. 如權(quán)利要求5所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述選定頁(yè)片中間留 有物理刻痕的Y向標(biāo)，所述Yf軸通過確定Y向標(biāo)上的刻痕并連成直線獲得。
8. 如權(quán)利要求6所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述選定頁(yè)片Y向 上部和下部邊緣位置中也處留出窄縫，所述Yf軸通過確認(rèn)窄縫的位置并將它們連成直線獲 得。
9. 如權(quán)利要求5所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述多頁(yè)光柵旋轉(zhuǎn) 90度后放置在預(yù)先定義的位置進(jìn)入視野邊緣，然后利用圖像中頁(yè)片的側(cè)向邊緣來(lái)確定Yf 軸。
10. 如權(quán)利要求1所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述X射線成像系 統(tǒng)為U型臂X射線成像系統(tǒng)，所述步驟b)中第一投影子矩陣采用光束準(zhǔn)直器進(jìn)行自動(dòng)化無(wú) 模體的快速校正。
11. 如權(quán)利要求1~10任一所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述步驟 C)之前還包括W下步驟： 對(duì)所述第二投影子矩陣采用基準(zhǔn)模體進(jìn)行校正，所述第二投影子矩陣的校正間隔周期 為6~12個(gè)月。
12. 如權(quán)利要求11所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，對(duì)所述第二投影子 矩陣采用基準(zhǔn)模體進(jìn)行校正前先采用驗(yàn)證模體判斷是否需要校正，所述驗(yàn)證模體固定在C 型臂X射線成像裝置中進(jìn)行成像掃描，如果觀測(cè)到的驗(yàn)證模體尺寸大小和清晰度滿足預(yù)設(shè) 標(biāo)準(zhǔn)，則不對(duì)第二投影子矩陣采用基準(zhǔn)模體進(jìn)行校正。
13. 如權(quán)利要求12所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述驗(yàn)證模體為球 形的不透明滾珠，所述不透明滾珠固定在病床上并靠近視場(chǎng)邊緣，對(duì)所述不透明滾珠進(jìn)行 H維重建并且計(jì)算它的影斑，如果計(jì)算獲得的影斑大小和不透明滾珠的實(shí)際大小的差值在 預(yù)設(shè)閥值內(nèi)，則判定驗(yàn)證模體尺寸大小和清晰度滿足預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。
14. 如權(quán)利要求13所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，從不同機(jī)架角多次 對(duì)球形的不透明滾珠進(jìn)行H維重建并且計(jì)算它的影斑，如果每次計(jì)算獲得的影斑大小和不 透明滾珠的實(shí)際大小的差值都在預(yù)設(shè)閥值內(nèi)，則判定驗(yàn)證模體尺寸大小和清晰度滿足預(yù)設(shè) 標(biāo)準(zhǔn)。
15. 如權(quán)利要求1~10任一項(xiàng)所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述第 一投影子矩陣的校正間隔周期為1個(gè)掃描周期~1周。
16. 如權(quán)利要求1~10任一項(xiàng)所述的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，其特征在于，所述X 射線成像為X射線射野成像、錐形束斷層成像或扇形束成像。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種X射線成像系統(tǒng)的校正方法，包括如下步驟：a)利用投影矩陣描述三維空間點(diǎn)與其投影在二維平板探測(cè)器上的像素點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將所述投影矩陣劃分為第一投影子矩陣和第二投影子矩陣；b)對(duì)所述第一投影子矩陣進(jìn)行快速校正；c)合并校正后的第一投影子矩陣和所述第二投影子矩陣得到完整的投影矩陣對(duì)X射線成像進(jìn)行校正。本發(fā)明提供的X射線成像系統(tǒng)的校正方法，通過將易變部分和穩(wěn)定部分分開處理，從而不需要使用校正模體也可實(shí)現(xiàn)對(duì)射野成像、錐形束斷層成像或扇形束成像等進(jìn)行在線快速的幾何矯正。
【IPC分類】A61B6-03
【公開號(hào)】CN104783824
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410024798
【發(fā)明人】倪成
【申請(qǐng)人】上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2014年1月20日
【公告號(hào)】US20150204989