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CN113884519B - 自导航x射线成像系统及成像方法 - Google Patents

自导航x射线成像系统及成像方法 Download PDF

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CN113884519B
CN113884519B CN202111153262.8A CN202111153262A CN113884519B CN 113884519 B CN113884519 B CN 113884519B CN 202111153262 A CN202111153262 A CN 202111153262A CN 113884519 B CN113884519 B CN 113884519B
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Abstract

本申请提出一种自导航X射线成像系统及成像方法，其中，成像系统包括：X射线源模块对目标物体进行扫描；X射线探测模块采集探测数据；扫描轨迹导航定位模块实时采集目标物体的深度图像和/或当前所处位置并引导X射线探测模块相对目标物体的运动；光源/探测器相对位置导航定位模块利用标定模体采集X射线源模块与X射线探测模块之间的相对位置并引导二者之间的相对运动；信号采集同步模块同步X射线探测模块和扫描轨迹导航定位模块的数据采集时间；几何轨迹数据处理模块构建成像系统的投影关系矩阵；图像重建和图像处理模块基于时间同步后采集的多个时刻的探测数据，利用投影关系矩阵进行图像处理和/或重建图像，得到目标物体的成像结果。该系统可以灵活有效地实施X射线透射成像和CT成像。

Description

自导航X射线成像系统及成像方法
技术领域
本申请涉及辐射成像技术领域，特别涉及一种自导航X射线成像系统及成像方法。
背景技术
X射线CT成像系统在医疗、安检、工业无损检测等领域中都有着广泛的应用。射线源和探测器按照一定的轨道采集一系列的投影数据，经过图像重建算法的复原和图像去噪等处理可以得到物体在的线性衰减系数的三维空间分布。对于常规的CT成像系统，一般由X射线源、机械运动装置、探测器、控制电路以及数据处理系统构成。
相关技术的X射线CT，主要有三种方式：1、X射线光源和探测器的物理位置固定，被成像物体在机械运动装置的控制下按照预先设计的固定轨迹旋转或平移；2、被成像物体固定，X射线光源和探测器在机械运动装置的控制下按照预先设计的固定轨迹旋转或平移；3、上述两种方式的结合，如螺旋CT，被成像物体和X射线光源、探测器均按照设计轨迹运动，两方的轨迹综合构成一个确定的相对运动轨迹。这几种方式的一个共同点是CT成像轨迹的确定性预设，偏离预设轨迹的实际运动将导致CT图像的伪影和误差。CT成像的这个高精度轨道要求极大程度限制了其使用的灵活性、限制了其的适用场景。然而，在很多实际场景中，存在一些特殊成像需求，比如物体的形状和尺寸导致无法实现常规的扫描轨迹，或者实现特殊轨迹的机械装置成本巨大，又如工件必须在原位检测，而且所在位置无法构建机械运动轨道装置。
随着各行各业对检测要求的提升，CT扫描成像应用的灵活性和适配性成为整个领域的一个大问题，也是其拓宽应用的一个瓶颈问题。为此，急需提出全新的系统设计和方法，开创建立高自由度和精度兼顾的新型X射线CT成像系统。
申请内容
本申请提供一种自导航X射线成像系统及成像方法，以解决相关技术中需要构建机械运动轨道装置，成本高，操作不便，不能灵活有效地实施X射线透射成像和CT成像等问题。
本申请第一方面实施例提供一种自导航X射线成像系统，包括：X射线源模块，用于按照预设或实时设轨迹运动的同时，对目标物体进行扫描；X射线探测模块，用于按照预设或实时设轨迹运动的同时，采集所述目标物体和标定模体的探测数据；扫描轨迹导航定位模块，用于在成像过程中，实时采集所述目标物体的深度图像和/或当前所处位置并引导X射线探测模块相对目标物体的运动；光源/探测器相对位置导航定位模块，包括所述标定模体，用于利用所述标定模体采集所述X射线源模块与所述X射线探测模块之间的相对位置并引导二者之间的相对运动；信号采集同步模块，用于同步所述X射线探测模块和所述扫描轨迹导航定位模块的数据采集时间；几何轨迹数据处理模块，用于根据所述深度图像和/或当前所处位置和相对位置构建所述成像系统的投影关系矩阵；图像重建和图像处理模块，用于基于时间同步后采集的多个时刻的探测数据，利用所述投影关系矩阵进行图像处理和/或重建图像，得到所述目标物体的成像结果。
根据本申请的实施例，所述扫描轨迹导航定位模块与所述光源/探测器相对位置导航定位模块分别或者均加载至所述X射线源模块或所述X射线探测模块。
根据本申请的实施例，在成像过程中，提取所述标定模体在所述X射线探测模块上的探测数据，根据所述标定模体的探测数据生成所述X射线探测模块位置的第一调整值或者所述X射线源模块的位置的第二调整值，并在根据所述第一调整值和/或所述第二调整值将所述X射线探测模块和/或所述X射线源模块变换位置后，使得所述目标物体中感兴趣区域的投影位于所述X射线探测模块的探测视野内。
根据本申请的实施例，所述图像重建和图像处理模块进一步用于对所述多个时刻的探测数据进行数据顺序排列整合或者融合噪声处理，求解得到透射图像或重建图像。
根据本申请的实施例，所述扫描轨迹导航定位模块还用于通过所述扫描轨迹导航定位模块与所述X射线源模块对一个预设模体的成像信息确定所述X射线源模块的焦斑在世界坐标系的实际坐标。
本申请第二方面实施例提供一种自导航X射线成像方法，包括以下步骤：在所述成像系统中，利用标定模体采集所述目标物体的深度图像和/或当前所处位置，根据所述深度图像和/或当前所处位置确定所述目标物体的运动轨迹；根据所述标定模体的实时探测数据计算X射线探测模块的像素在世界坐标系中的坐标，根据X射线源模块在世界坐标系中的实际坐标和所述X射线探测模块的像素在世界坐标系中的坐标确定所述成像系统的采集射线路径；根据所述目标物体的运动轨迹以及所述采集射线路径构建所述成像系统的投影关系矩阵；去除所述X射线探测模块采集的所述目标物体和所述标定模体的探测数据中所述标定模体的投影数据分量，根据去除后的探测数据以及所述投影关系矩阵得到所述目标物体的探测数据；对所述目标物体的探测数据进行图像处理和/或重建图像，得到所述目标物体的成像结果。
根据本申请的实施例，还包括：在成像过程中，提取所述标定模体在所述X射线探测模块上的探测数据，根据所述标定模体的探测数据生成所述X射线探测模块位置的第一调整值或者所述X射线源模块的位置的第二调整值，并在根据所述第一调整值和/或所述第二调整值将所述X射线探测模块和/或所述X射线源模块变换位置后，使得所述目标物体中感兴趣区域的投影位于所述X射线探测模块的探测视野内。
根据本申请的实施例，还包括：通过扫描轨迹导航定位模块与所述X射线源模块对一个预设模体的成像信息确定所述X射线源模块在世界坐标系中的实际坐标。
本发明第三方面实施例提供一种电子设备，包括：处理器和存储器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以实现如上述实施例所述的自导航X射线成像方法。
本发明第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现行如上述实施例所述的自导航X射线成像方法。
本申请实施例的自导航X射线成像系统及成像方法，具有以下有益效果：
1)通过采用引入导航模块，使CT系统无需固定的机械运动架构，大大降低了CT系统的限制条件，增加了系统的灵活性；
3)通过引入光源/探测器相对位置导航定位模块，可以在光机和探测器模块无硬连接的条件下实现相互的精确定位和适当扫描几何保持，大大拓宽了CT系统的应用场景，使CT可以在以前不可能使用的场合使用；
3)利用无固定扫描轨迹的成像方式，可以很大程度节约CT设备成本。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的自导航X射线成像系统结构示意图；
图2为根据本申请实施例提供的集成光源和双目相机的示意图；
图3为根据本申请实施例提供的通过构建CT成像系统测定X射线光源坐标的二维示意图；
图4为根据本申请实施例提供的包括标定模体的自导航X射线成像系统示意图；
图5为根据本申请实施例提供的加载了光源/探测器相对位置导航定位模块(标定模体)的X射线探测模块的示意图；
图6为根据本申请实施例提供的以四旋翼无人机为可操控运动轨迹的平台的自导航X射线成像系统的示意图；
图7为根据本申请实施例提供的自导航X射线成像系统工作流程示例框图；
图8为根据本申请实施例提供的被成像物体表面的纹理照片，不同的时刻物体运动获得不同的照片；
图9为根据本申请实施例提供的小块纹理图像定义多个标记点，两个图像上的标记点存在位置差异的示意图；
图10为根据本申请实施例提供的扫描轨迹示意图，圆点为光源位置以及其束流方向示意图；
图11为根据本申请实施例提供的X射线探测器正常位置示意图；
图12为根据本申请实施例提供的X射线探测器位置偏离正常位置；(a)为与中心射线的角度偏离90度；(b)为探测器与射线源距离偏大；
图13为根据本申请实施例提供的虚拟探测器设置示意图；
图14为根据本申请实施例提供的一种自导航X射线成像方法的流程图；
图15为申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
附图标记：X射线源模块-100、X射线探测模块-200、扫描轨迹导航定位模块-300、光源/探测器相对位置导航定位模块-400、信号采集同步模块-500、几何轨迹数据处理模块-600和图像重建和图像处理模块-700、存储器-151、处理器-152和通信接口-153。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
图1为根据本申请实施例提供的自导航X射线成像系统结构示意图。
如图1所示，该自导航X射线成像系统包括：X射线源模块100、X射线探测模块200、扫描轨迹导航定位模块300、光源/探测器相对位置导航定位模块400、信号采集同步模块500、几何轨迹数据处理模块600和图像重建和图像处理模块700。
X射线源模块100，用于按照预设或实时设轨迹运动的同时，对目标物体进行扫描。在一个具体的实施例中，X射线源模块由可操控运动轨迹的平台加载X光机构成，如一架四旋翼无人机搭载一个X光源，又如一个智能化AGV小车搭载一个X射线源。
X射线探测模块200，用于按照预设或实时设轨迹运动的同时，采集目标物体和标定模体的探测数据。在一个具体的实施例中，X射线探测模块由可操控运动轨迹的平台加载X射线探测器构成，如一架四旋翼无人机搭载一个X射线探测器，又如一个智能化AGV小车搭载一个X射线探测器。X射线探测器不限形状或者数量，可以是多排或者面阵，可以是平板或者弧形等。
扫描轨迹导航定位模块300，用于在成像过程中，实时采集目标物体的深度图像和/或当前所处位置并引导X射线探测模块相对目标物体的运动。在一个具体实施例中，扫描轨迹导航模块可以是具有三维定位或者成像功能从而可测量物体距离和位置的导航设备和系统，如深度相机或者激光雷达导航等。扫描轨迹导航定位模块可以加载在X射线源模块上或者加载在X射线探测模块，如图2和图3所示，扫描轨迹导航定位模块为双目相机，加载在X射线源模块上。其他设置方式也可以实现本申请实施例的功能，不作具体限定。
光源/探测器相对位置导航定位模块400，包括标定模体，用于利用标定模体采集X射线源模块与X射线探测模块之间的相对位置并引导二者之间的相对运动。如图4所示，图4的(a)左侧为标定模体A的示意图，图4的(b)为加载了扫描轨迹导航定位模块(双目相机)和光源/探测器相对位置导航定位模块的标定模体A的X射线光源模块示意图，光源/探测器相对位置导航定位模块主要由一个已知全部或者部分几何尺寸和形状的标定模体(可以记为模体A)，例如多个不同位置的圆球、圆柱等构成的模体，如图4的(a)。此模块可以固定在X射线源模块(如图4的(b))，或者固定在X射线探测模块，如图5所示，图5为加载了光源/探测器相对位置导航定位模块(标定模体)的X射线探测模块的示意图。在一个自导航成像系统中只需要一个光源/探测器相对位置导航定位模块(标定模体)，不作具体限定。模体的尺寸以在CT成像出束时该模体的投影在视野内部为宜。
信号采集同步模块500，用于同步X射线探测模块和扫描轨迹导航定位模块的数据采集时间。可以理解的是，为了使得X射线探测模块和扫描轨迹导航定位模块的数据采集时间一致，通过信号采集同步模块对两个模块的采集时间进行同步，从而减小数据采集的误差，提高后续成像质量。
几何轨迹数据处理模块600，用于根据深度图像和/或当前所处位置和相对位置构建成像系统的投影关系矩阵。
可以理解的是，几何轨迹数据处理模块使用扫描轨迹导航定位模块和光源/探测器相对位置导航定位模块的信号确定X射线透射成像和CT成像系统的信号采集射线路径，构建X射线成像系统的投影矩阵。具体的确定过程通过下述的具体实施例进行介绍。
图像重建和图像处理模块700，用于基于时间同步后采集的多个时刻的探测数据，利用投影关系矩阵进行图像处理和/或重建图像，得到目标物体的成像结果。图像重建和处理模块完成X射线透射成像的图像处理或者X射线CT数据的图像重建和处理，获得目标物体的最终图像。
如图6所示，以四旋翼无人机为可操控运动轨迹的平台的自导航X射线成像系统的示意图，下面通过自导航X射线成像系统的成像过程对自导航X射线成像系统的功能进行详细介绍。
由于扫描轨迹导航定位模块和光源/探测器相对位置导航定位模块均可加载在X射线源模块或者X射线探测模块，基本的工作原理类似。在申请的实施例中，以扫描轨迹导航定位模块和光源/探测器相对位置导航定位模块加载在X射线源模块为例说明自导航系统的工作原理和流程。
自导航X射线CT系统的工作原理和流程如下：
步骤1：定义扫描轨迹导航定位模块的世界坐标系：通过扫描轨迹导航定位模块和X射线同时对一个固定结构模体(记为模体B)成像，确定X射线源模块的焦斑在世界坐标系的坐标，记为PSrc＝(xSrc，ySrc，zSrc)T。此步骤可以在实际成像之前完成。
在本申请的一个实施例中，扫描轨迹导航定位模块还用于通过扫描轨迹导航定位模块与X射线源模块对一个预设模体的成像信息确定X射线源模块的焦斑在世界坐标系的实际坐标。
步骤2：在X射线源模块上集成光源/探测器相对位置导航定位模块，测定X射线探测模块相对位置标定膜体(记为模体A)的特征点在世界坐标系的位置
Figure BDA0003287858040000061
m为特征点的索引号。并在步骤1中的CT系统中获得模体A固定后的投影图gA*。此步骤同样可以在实际成像之前完成。
步骤3：在CT成像过程中，轨迹导航定位模块实时采集目标物体在世界坐标系的实时图像或位置；根据采集的图像或位置，计算被扫描的目标物体在世界坐标系下的运动轨迹q(t)，在任意时刻t的q(t)可以写成矩阵形式，即[R t]，是旋转和平移运动的组合。定义起始位置为0时刻，物体上一点在0时刻的位置[x(0),y(0),z(0)]T与此点在t时刻的位置[x(t),y(t),z(t)]T有如下关系：
Figure BDA0003287858040000062
在实际过程中，也可以通过前后时刻的运动变化级联得到最新位置，即：
Figure BDA0003287858040000063
此处，
Figure BDA0003287858040000064
表示从i-1时刻到i时刻的运动轨迹变化矩阵。
步骤4：同步扫描轨迹导航定位模块的信号采集和射线出束探测器信号采集。
在本申请的一个实施例中，在成像过程中，提取标定模体在X射线探测模块上的探测数据，根据标定模体的探测数据生成X射线探测模块位置的第一调整值或者X射线源模块的位置的第二调整值，并在根据第一调整值和/或第二调整值将X射线探测模块和/或X射线源模块变换位置后，使得目标物体中感兴趣区域的投影位于X射线探测模块的探测视野内。
步骤5：X射线源模块按照扫描需求运动(可以有线或者无线遥控模式控制运动)，从而扫描物体，用向量μ表示被扫描的目标物体的线衰减系数分布，用I(t)表示X射线探测模块在某一时刻采集到的数据。在运动的过程中持续出束成像的同时，从I(t)提取标定模体A的图像，并根据标定模体A图像特征点的位置调整X射线探测模块(作为从动模块)的位置，使物体感兴趣区域的投影位于X射线探测模块视野内。或者X射线探测模块按照扫描需求运动扫描目标物体，在运动过程中X射线源模块持续出束成像，根据X射线探测模块上标定模体A的图像调整X射线源模块(作为从动模块)的位置，使目标物体感兴趣区域的投影位于X射线探测模块视野内。例如，目标物体为一个球体，感兴趣区域为球体的部分位置，在调整时，使该感兴趣的部分位置的投影位于X射线探测模块视野内，以便更好的采集该位置的探测数据。
步骤6：根据CT成像过程中模体A在探测器模块的实时影像测量计算探测器像素在世界坐标系的位置
Figure BDA0003287858040000071
n为探测器像素的索引号。
步骤7：根据实际目标物体位置和X射线探测模块的信号采集确定CT成像过程的系统矩阵；定义扫描初始时刻物体在世界坐标系中的坐标为x(0),y(0),z(0)；对某一时刻t，光源在世界坐标系中为固定值，即步骤1中的PSrc；结合步骤6中实际探测器的每个像素坐标为
Figure BDA0003287858040000072
由此确定每条射线位置：PSrc至
Figure BDA0003287858040000073
综合物体的运动轨迹
Figure BDA0003287858040000074
或者
Figure BDA0003287858040000075
获得该时刻成像的投影关系矩阵h(t)，可以表示为：
I(t)＝I0exp(-h(t)μ-gA(t))+Inoise (1)
此处，I0为入射光子，Inoise表示可能的噪声信号，gA(t)为标定模体A的线衰减系数分布的投影(亦可称为线积分)。
步骤8：对X射线探测模块采集到的数据I(t)去除标定模体A的投影分量，即根据已知的标定模体A的结构和gA*，以及PSrc至
Figure BDA0003287858040000076
的坐标，估计gA(t)，进而根据公式(1)估计g(t)＝h(t)μ。
步骤9：利用X射线探测模块采集到的数据做透射图像处理后(如拼接、去噪、增强等)进行检测(如缺陷检测)。
在本申请的一个实施例中，图像重建和图像处理模块进一步用于对多个时刻的探测数据进行数据顺序排列整合或者融合噪声处理，求解得到透射图像或重建图像。
步骤10：综合多个时刻的采集数据，可以得到：
Figure BDA0003287858040000081
即把数据顺序排列整合。由于数据中含有噪声，上式亦可写成融合噪声的数学模型：
g＝Hμ+n (3)
其中，n为噪声向量。
根据公式(2)或者公式(3)进行图像重建，可采用多种方法重建：1)重排数据成扇束或平行束，使用解析方法重建；2)使用领域内的统计(迭代)方法求解g＝Hμ+n，其中g为根据探测器采集数据得到的投影值，μ为待求解的物体线衰减系数分布，n为噪声；3)使用神经网络方法求解。还可以使用其他方法进行重建，不做具体限制。
通过上述介绍清楚自导航X射线成像系统的成像原理后，结合附图通过一个具体的实施例介绍自导航X射线成像方法。
以深度相机的一种“双目相机”扫描轨迹定位模块作为扫描轨迹导航定位模块，多个小立方体构建的光源/探测器相对位置导航定位模块为例进行介绍。一种总体系统结构如图7所示，具体实施方案示例如下：
1)定义扫描轨迹导航定位模块的世界坐标系；并确定X射线源的焦斑在世界坐标系的坐标，记为PSrc＝(xSrc，ySrc，zSrc)T。
1-1)定义[x y z]T为某点在世界坐标系中的坐标，相机坐标系中的坐标与世界坐标系中的坐标关系可以表示如下：
Figure BDA0003287858040000082
此处[R t0]通常被称为相机的外参数矩阵，R符合旋转矩阵的形式，t0为平移矩阵，外参数矩阵反映的是相机坐标系以及人为定义的世界坐标系之间的关系。从而世界坐标系上的一点在相机上的成像位置为：
Figure BDA0003287858040000091
这里，s为尺度因子。A通常被称为相机的内参数矩阵，反映了照片坐标系和相机坐标系之间的相对关系。相机的内参数矩阵和外参数矩阵按照领域内已知的方法标定即可。对于双目相机，分别定义它们内参数矩阵为Aleft,Aright；双目相机外参数矩阵分别定义为(确定世界坐标系与相机坐标系的转换关系)：[Rlefttlcft],[Rrighttright]。
1-2)如图2所示，双目相机作为扫描轨迹导航定位模块与X射线源模块集成在一起。对X射线源模块的世界坐标系位置的确定可以利用和双目相机固定一起的X射线源模块构建一个实验CT系统，对一个固定结构模体(记为模体B)完成。将模体B置于一转台，使用X射线源模块进行CT成像，同时利用双目相机拍摄照片，按照如下式联立确定光源位置标定件关键结构点的世界坐标系坐标PCalSrc＝[xCalSrc,yCalSrc,zCalSrc]T。
Figure BDA0003287858040000092
Figure BDA0003287858040000093
这里u,v是分别在双目视觉左右两个相机的像的位置。对CT数据进行重建，确定X射线源模块位置标定件关键结构点(对此标定件可以选定角点)在实验CT系统坐标系的坐标
Figure BDA0003287858040000094
由此通过多个结构点的PCalSrc与
Figure BDA0003287858040000095
的关系：
Figure BDA0003287858040000096
确定QCT_W。在此构建的CT系统中光源在实验CT系统的坐标系的坐标
Figure BDA0003287858040000097
已知，由此可以得到
Figure BDA0003287858040000098
2)在X射线源模块上集成光源/探测器相对位置导航定位模块，如图4所示为一个标定模体A的示意图，通过双目视觉相机测定标定模体A的特征点(在此可取模体A的角点)在世界坐标系的位置
Figure BDA0003287858040000099
m为特征点的索引号。并在步骤1)中的CT系统中获得标定模体A固定后的一个投影图gA*。
3)在CT成像过程中，轨迹导航定位模块实时采集被扫描物体在世界坐标系的实时图像或位置。如图8所示，可以对被扫描目标物体表面拍照，从而获得表面的纹理图像。如果被成像物体表面是完全均匀的纹理，可以在物体表面绘或者贴上纹理图像。可以视一小块图像(如图8中的方框标识)对应的物体表面为一个“标记点”，通过配准可以获得一个标记点在双目视觉的对应坐标，从而获得该标记点的世界坐标根据采集的图像或位置。定义起始位置为0时刻此时的标记点位置记为P(0)＝[x(0),y(0),z(0)]T：在t时刻，该标记点位置记为P(t)＝[x(t),y(t),z(t)]T。按照此方式，可以获得多个标记点的运动前后位置(如图9所示意为多个标记点的情况)。被扫描物体在世界坐标系下的位置变化可以用旋转和平移运动的组合来表示，例如从0时刻的位置运动到t时刻的位置可以用公式表示为：
Figure BDA0003287858040000101
假设被成像物体为刚体，即物体表面所有点的运动都可以用此式描述。由多个标记点在两个不同时刻的位置变化可以获得多个如公式(4)的方程：
Figure BDA0003287858040000102
这里，下标j为标记点的索引号。联立这些方程即可解得矩阵q(t)。
在实际过程中，也可以通过前后时刻的运动变化级联得到最新位置，即：
Figure BDA0003287858040000103
此处，
Figure BDA0003287858040000104
表示从i-1时刻到i时刻的运动轨迹变化矩阵。
4)同步扫描轨迹导航定位模块的信号采集和射线出束探测器信号采集。
5)X射线源模块按照扫描需求运动(可以有线或者无线遥控模式)，从而扫描物体。图10简单示意了两个二维的射线源运动轨迹。用向量μ表示被扫描物体的线衰减系数分布，用I(t)表示探测器在某一时刻采集到的数据。在运动的过程中持续出束成像的同时，从I(t)提取标定模体A的图像，并根据标定模体A图像特征点的位置调整探测器(作为从动模块)的位置，使物体感兴趣区域的投影位于探测器视野内。或者探测器模块按照扫描需求运动扫描物体，在运动过程中射线源持续出束成像，根据探测器上标定模体A的图像调整光源(作为从动模块)的位置，使物体感兴趣区域的投影位于探测器视野内。图11展示了二维视角下X射线探测器的理想正常位置，图12展示了两种二维视角下X射线探测器有所偏离的位置。本方法容许X射线探测器的位置与理想正常位置有一些偏离，但要求标定模体A的像始终位于探测器内部，即图11中C1,C2,C3,C4始终位于探测器成像视野内部。
6)根据CT成像过程中模体A在探测器模块的实时影像测量计算探测器像素在世界坐标系的位置
Figure BDA0003287858040000111
n为探测器像素的索引号。可以设探测器平面为：
Figure BDA0003287858040000112
定义模体A的特征点
Figure BDA0003287858040000113
在探测器平面上的投影位置为
Figure BDA0003287858040000114
根据以下关系求解lx,ly,lz，确定世界坐标系下的
Figure BDA0003287858040000115
6-1)对于所有m，
Figure BDA0003287858040000116
在探测器平面上，即满足
Figure BDA0003287858040000117
6-2)对于所有m，PSrc,
Figure BDA0003287858040000118
Figure BDA0003287858040000119
三点在一条直线上。
6-3)任意两个特征点的投影位置
Figure BDA00032878580400001110
和
Figure BDA00032878580400001111
之间的距离等于其在实际探测器上的距离
Figure BDA00032878580400001112
Figure BDA00032878580400001113
为探测器自身坐标系下的坐标。例如探测器上行和列方向的像素尺寸大小分别用Δu，Δv表示，探测器上第一行第一列像素在其自身坐标系下可定义为
Figure BDA00032878580400001114
在此基础上根据所有的
Figure BDA00032878580400001115
和
Figure BDA00032878580400001116
确定探测器平面在世界坐标系和自身坐标系的转换关系函数Q，使
Figure BDA00032878580400001117
从而可以获得每个探测器单元(un,vn，0)T在t时刻对应的
Figure BDA00032878580400001118
7)根据实际物体位置和探测器信号采集确定CT成像过程的系统矩阵；定义扫描初始时刻物体在世界坐标系中的坐标为x(0),y(0),z(0)。对某一时刻t，光源在世界坐标系中为固定值，即1)中的PSrc。结合6)中实际探测器的每个像素坐标为
Figure BDA00032878580400001119
由此确定每条射线位置：PSrc至
Figure BDA0003287858040000121
综合物体的运动轨迹
Figure BDA0003287858040000122
或者
Figure BDA0003287858040000123
获得该时刻成像的投影关系矩阵h(t)，可以表示为：
I(t)＝I0exp(-h(t)μ-gA(t))+Inoise (5)
此处I0为入射光子，Inoise表示可能的噪声信号，gA(t)为标定模体A的线衰减系数分布的投影(亦可称为线积分)。
8)如图13所示，构建一个虚拟探测器，与步骤1中的探测器位置一致。对虚拟探测器(缩写VD)上一个像素PVD和PSrc一起定义一条射线，与步骤6中获得的实际探测器平面相交得到交点(xDet(t)，yDet(t)，zDet(t))T，进一步根据(u,v，0)T＝Q-1{(xDet(t)，yDet(t)，zDet(t))T}得到实际探测器上的射线投影像素位置，如此可以从gA*插值获得gA(t)的估计：
Figure BDA0003287858040000124
对探测器采集到的数据I(t)去除标定模体A的投影分量exp(-gA(t))，进而根据公式5估计得到g(t)＝h(t)μ。
9)利用探测器采集到的数据做图像处理后(如拼接、去噪、增强等)进行检测(如缺陷检测)。
10)综合多个时刻的采集数据，可以得到：
Figure BDA0003287858040000125
即把数据顺序排列整合。由于数据中含有噪声，上式亦可写成融合噪声的数学模型。
g＝Hμ+n (7)
根据公(6)进行ART-TV重建或者根据公式(7)进行PWLS重建。
根据本申请实施例提出自导航X射线成像系统，使用扫描轨迹导航定位模块和光源/探测器相对位置导航定位模块，通过光源和探测器的多种信号的采集同步、实时轨迹定位方法与图像处理、图像重建方法结合，该系统可以灵活有效地实施X射线透射成像和CT成像，极大的方便了实际的应用。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的自导航X射线成像方法。
图14是本申请实施例的自导航X射线成像方法的流程图。
如图14所示，该自导航X射线成像方法包括以下步骤：
步骤S101，在成像系统中，利用标定模体采集目标物体的深度图像和/或当前所处位置，根据深度图像和/或当前所处位置确定目标物体的运动轨迹。
步骤S102，根据标定模体的实时探测数据计算X射线探测模块的像素在世界坐标系中的坐标，根据X射线源模块在世界坐标系中的实际坐标和X射线探测模块的像素在世界坐标系中的坐标确定成像系统的采集射线路径。
步骤S103，根据目标物体的运动轨迹以及采集射线路径构建成像系统的投影关系矩阵。
步骤S104，去除X射线探测模块采集的目标物体和标定模体的探测数据中标定模体的投影数据，根据去除后的探测数据以及投影关系矩阵得到目标物体的探测数据分量。
步骤S105，对目标物体的探测数据进行图像处理和/或重建图像，得到目标物体的成像结果。
在本申请的一个实施例中，导航X射线成像方法还包括：在成像过程中，提取标定模体在X射线探测模块上的探测数据，根据标定模体的探测数据生成X射线探测模块位置的第一调整值或者X射线源模块的位置的第二调整值，并在根据第一调整值和/或第二调整值将X射线探测模块和/或X射线源模块变换位置后，使得目标物体中感兴趣区域的投影位于X射线探测模块的探测视野内。
在本申请的一个实施例中，导航X射线成像方法还包括：通过扫描轨迹导航定位模块与X射线源模块对一个预设模体的成像信息确定X射线源模块在世界坐标系中的实际坐标。
需要说明的是，前述对自导航X射线成像系统实施例的解释说明也适用于该实施例的自导航X射线成像方法，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的自导航X射线成像方法，使用扫描轨迹导航定位模块和光源/探测器相对位置导航定位模块对扫描物体进行辅助定位，通过光源和探测器的多种信号的采集同步、实时轨迹定位方法与图像处理、图像重建方法结合，该系统可以灵活有效地实施X射线透射成像和CT成像，极大的方便了实际的应用。
为了实现上述实施例，本发明还提出一种电子设备，包括：处理器和存储器。其中，处理器通过读取存储器中存储的可执行程序代码来运行与可执行程序代码对应的程序，以用于实现如前述实施例的自导航X射线成像方法。
图15为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括该电子设备可以包括：存储器151、处理器152及存储在存储器151上并可在处理器152上运行的计算机程序。
处理器152执行程序时实现上述实施例中提供的自导航X射线成像方法。
进一步地，计算机设备还包括：
通信接口153，用于存储器151和处理器152之间的通信。
存储器151，用于存放可在处理器152上运行的计算机程序。
存储器151可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
如果存储器151、处理器152和通信接口153独立实现，则通信接口153、存储器151和处理器152可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图15中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
可选的，在具体实现上，如果存储器151、处理器152及通信接口153，集成在一块芯片上实现，则存储器151、处理器152及通信接口153可以通过内部接口完成相互间的通信。
处理器152可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上的自导航X射线成像方法。
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申请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必须针对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一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请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，N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。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。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

Claims (10)

1.一种自导航X射线成像系统，其特征在于，包括：
X射线源模块，用于按照预设或实时设定轨迹运动的同时，对目标物体进行扫描；
X射线探测模块，用于按照预设或实时设定轨迹运动的同时，采集所述目标物体和标定模体的探测数据；
扫描轨迹导航定位模块，用于在成像过程中，实时采集所述目标物体的深度图像和/或当前所处位置并引导X射线探测模块相对目标物体的运动；
光源/探测器相对位置导航定位模块，包括所述标定模体，用于利用所述标定模体采集所述X射线源模块与所述X射线探测模块之间的相对位置并引导二者之间的相对运动；
信号采集同步模块，用于同步所述X射线探测模块和所述扫描轨迹导航定位模块的数据采集时间；
几何轨迹数据处理模块，用于根据所述深度图像和/或当前所处位置和相对位置构建所述成像系统的投影关系矩阵；以及
图像重建和图像处理模块，用于基于时间同步后采集的多个时刻的探测数据，利用所述投影关系矩阵进行图像处理和/或重建图像，得到所述目标物体的成像结果。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描轨迹导航定位模块与所述光源/探测器相对位置导航定位模块分别或者均加载至所述X射线源模块或所述X射线探测模块。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在成像过程中，提取所述标定模体在所述X射线探测模块上的探测数据，根据所述标定模体的探测数据生成所述X射线探测模块位置的第一调整值或者所述X射线源模块的位置的第二调整值，并在根据所述第一调整值和/或所述第二调整值将所述X射线探测模块和/或所述X射线源模块变换位置后，使得所述目标物体中感兴趣区域的投影位于所述X射线探测模块的探测视野内。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像重建和图像处理模块进一步用于对所述多个时刻的探测数据进行数据顺序排列整合或者融合噪声处理，求解得到透射图像或重建图像。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描轨迹导航定位模块还用于通过所述扫描轨迹导航定位模块与所述X射线源模块对一个预设模体的成像信息确定所述X射线源模块的焦斑在世界坐标系的实际坐标。
6.一种自导航X射线成像方法，用于权利要求1-5任一项所述的自导航X射线成像系统，其特征在于，包括以下步骤：
在所述成像系统中，利用标定模体采集所述目标物体的深度图像和/或当前所处位置，根据所述深度图像和/或当前所处位置确定所述目标物体的运动轨迹；
根据所述标定模体的实时探测数据计算X射线探测模块的像素在世界坐标系中的坐标，根据X射线源模块在世界坐标系中的实际坐标和所述X射线探测模块的像素在世界坐标系中的坐标确定所述成像系统的采集射线路径；
根据所述目标物体的运动轨迹以及所述采集射线路径构建所述成像系统的投影关系矩阵；
去除所述X射线探测模块采集的所述目标物体和所述标定模体的探测数据中所述标定模体的投影数据分量，根据去除后的探测数据以及所述投影关系矩阵得到所述目标物体的探测数据；
对所述目标物体的探测数据进行图像处理和/或重建图像，得到所述目标物体的成像结果。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：在成像过程中，提取所述标定模体在所述X射线探测模块上的探测数据，根据所述标定模体的探测数据生成所述X射线探测模块位置的第一调整值或者所述X射线源模块的位置的第二调整值，并在根据所述第一调整值和/或所述第二调整值将所述X射线探测模块和/或所述X射线源模块变换位置后，使得所述目标物体中感兴趣区域的投影位于所述X射线探测模块的探测视野内。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：通过扫描轨迹导航定位模块与所述X射线源模块对一个预设模体的成像信息确定所述X射线源模块在世界坐标系中的实际坐标。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求6-8任一项所述的自导航X射线成像方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求6-8任一项所述的自导航X射线成像方法。
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GR01 Patent grant
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