技术领域
本发明涉及生物医学成像领域，具体涉及一种用于锥束CT系统探测器几何位置的校正 装置及其校正方法。
背景技术
电子计算机X射线断层扫描技术CT（Computed Tomography）在目前核医学影像中发挥 着举足轻重的作用，尤其是在多模态成像领域，CT为其他模态提供了结构信息和衰减校正信 息。可以这样说，CT的重建精度在很大程度上决定了其他模态的图像重建效果和图像融合效 果。目前，三维锥束CT一般采用FDK（Feldkamp）解析重建算法，但是FDK算法的三维重 建效果对三维锥束CT系统的几何参数十分敏感，其要求射线源、探测器和旋转台的相对几 何位置处于理想状态，即射线源中心射线垂直射入探测器中心，旋转轴与中心射线共面垂直 正交。因此对三维锥束CT进行几何校正具有非常重要的意义。
传统的几何校正方法大致可分为异步校正，以及非线性最小二乘法同步校正。所谓异步 校正，就是每一步只校正一个或几个参数，同步校正就是一次性校正所有的参数。
Yi Sun等人在“A Calibration Method for Misaligned Scanner Geometry in Cone-beam Computed Tomography”一文中提出了一种异步校正的方法：将四个相同的高密度圆球置于正 方形有机玻璃板的四个顶点，然后就可得到四个圆球在探测器上的投影位置。通过四个投影 之间的相对几何位置关系即可依次计算出探测器各种几何偏移参数。但是，这个方法在每一 步都是基于其他参数理想的情况来计算的，并且有的操作要求很难实现，比如要求射线源中 心射线垂直射向四个点的对称中心。而且，该方法需要测量射线源到探测器的距离，而实际 上由于射线源焦点位置无法确定而难以得到该参数。
Smekal等人在“Accurate technique for complete geometric calibration of cone-beam computed tomography system”中提出了一种在低密度材料上镶嵌两圈钢珠的方法。在一个圆 柱体上镶嵌上下两层钢珠，并且上下各12个，在圆周上均匀分布，钢珠之间的相对位置已知， 通过其在探测器上的投影中心的相对位置来进行几何参数校正。然而该方法中投影与原钢珠 的对应关系很容易混淆。
专利CN202104929U改进了上述方法，在两层钢珠之间又加上了一个或多个定位钢珠， 使得投影和原钢珠的对应关系更加明确，同时该方法在计算上更加简便。但是这两种方法的 精度受到很多因素的干扰，例如校正所用仿体的加工精度、钢珠之间的相对位置的测量精度 等。
所有的异步校正方法，需要测量射线源到探测器的距离以及射线源到旋转轴或校正仿体 的距离，这些距离参数不仅难以测量，而且不可避免的引入了测量误差。
北京航空航天大学在Non-linear least square estimation of geometrical parameters for Cone-beam three dimensional computed tomography中提供了一种同步校正的方法。在旋转台 上放置一个钢珠，经360度旋转得到该钢珠在各个角度下的投影。通过提取每个角度下的投影 中心并建立投影中心与几何参数之间的函数关系，即可通过非线性最小二乘法对几何参数进 行拟合估计，从而达到一次性求解所有几何参数的目的。该方法在公式推导过程中进行了过 多的假设，如探测器无面内旋转，无面外旋转，旋转轴无角度误差，只有偏移误差等，因而 对于实际情况并不适用。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种快速校正锥束CT系统探测器几何位 置的阵列孔装置及方法。该装置及方法相比其他几何校正方案更加简单易行，可以非常快速 有效地实现探测器的几何校正，为后续的旋转轴校正做铺垫。
本发明的一个目的在于提供一种用于锥束CT系统探测器几何位置的校正装置。
本发明的锥束CT系统探测器几何校正装置包括：校正板、调节台、探测器、X射线源 装置和X射线源台；其中，探测器的探测面与底面垂直；校正板为平板状，正面与背面平行， 并且垂直于底面；调节台包括调节装置和安装在调节装置上的水平的台面；X射线源台和调 节台分别位于两端，X射线源装置位于X射线源台上；探测器的底面放置在调节台的水平的 台面上，校正板位于X射线源装置和探测器之间放置在调节台的台面上；校正板上设置有多 个通孔形成通孔阵列，通孔为圆形，每个通孔的尺寸相同，并且轴向平行。
调节台能够沿三个互相垂直的轴线移动，并能够绕三个互相垂直的轴线转动。X射线源 台能够沿三个互相垂直的轴线移动，并能够绕三个互相垂直的轴线转动，从而调整X射线源 装置相对于探测器的位置。
在X射线源装置中，从X射线焦点发射锥束射线，中心射线沿水平方向，照射在校正板 上，射线透过校正板的通孔投影到探测器上，通过通孔在探测器上的投影形状来判断射线在 探测器上的位置偏移和探测器自身的角度偏移，从而实现CT探测器的快速校正。
校正板的通孔阵列包括在中心的中心孔，并且包括互相垂直的且包含中心孔的主水平行 和主竖直列。中心孔所在的行为主水平行，中心孔所在的列为主竖直列，主水平行和主竖直 列互相垂直，主水平行和主竖直列的相交处为中心孔；主水平行平行于底面，主竖直列垂直 于底面。通孔阵列的分布是对称的。校正板上的其他通孔的分布方式不限，可以为圆形阵列， 也可以为方形阵列，其通孔的个数也不限，通孔的个数越多，校正精度越高。校正板的厚度 与通孔的直径成正比，而校正板的线性衰减系数与板的厚度成反比，为方便加工且能观察到 通孔投影明显的形变，一般采用大于10mm厚度的铝板，通孔直径为1mm。
本发明的进一步包括旋转台，旋转台位于调节台和X射线源台之间，旋转台包括底座和 水平的台面，旋转台的台面平行于中心射线，底座能够在水平面移动并能够绕竖直轴转动。 当X射线源装置发出的中心射线垂直于探测面入射到探测面的中心时，即完成探测器的几何 校正后，移走校正板，将校正杆放置在旋转台上，根据校正杆在探测面上的投影，来调整旋 转台的位置，从而使旋转台的旋转轴与X射线焦点和探测面的中心共面，并且X射线焦点与 探测面的中心连线与旋转轴垂直。
本发明的另一个目的在于提供一种用于锥束CT系统探测器几何位置的校正方法。
本发明的锥束CT系统探测器几何校正方法，包括以下步骤：
1）将探测器放置在调节台的台面上，将校正板紧贴探测面放置在调节台上；
2）在X射线源装置中，从X射线焦点发射锥束射线，照射在校正板上，射线透过校正 板的通孔阵列投影到探测器上，在探测器上形成投影阵列，根据投影阵列来调整校正 板与探测器的相对位置，使中心孔的投影斑位于探测面的中心，从而中心孔的中心和 探测面的中心重合；
3）校正板与探测器的相对位置保持不变，通过调整调节台，调节探测器和校正板的水平 和竖直位置，使主水平行的投影斑的长轴都沿竖直方向，而主竖直列的投影斑的长轴 都沿竖直方向，从而中心射线入射到探测面的中心；
4）调节探测器的面外角度偏差，通过调整调节台调节探测器绕水平轴和竖直轴的旋转角 度，使中心孔的投影斑为标准的圆形，且该标准圆形已达到最大，此时中心射线垂直 于探测面入射到探测面的中心。
本发明的锥束CT系统探测器几何校正方法，还可以通过包括以下步骤实现：
1）将探测器放置在调节台的台面上，将校正板放置在调节台上位于X射线源装置和探测 器之间；
2）在X射线源装置中，从X射线焦点发射锥束射线，照射在校正板上，射线透过校正 板的通孔阵列投影到探测器上，在探测器上形成投影阵列，根据投影阵列来调整校正 板与探测器的相对位置，使主水平行的投影斑位于探测器阵列的中心行，并且主竖直 列的投影斑位于探测器阵列的中心列，从而中心射线透过中心孔的中心照射在探测器 上；
3）校正板与探测器的相对位置保持不变，调整调节台，调节探测器的面外角度偏差，使 中心孔的投影斑为标准最大圆形，并通过观察主水平行或主竖直列的投影斑的长轴是 否相等来辅助判断，从而中心射线垂直于探测面；
4）得到中心射线在探测面上的投影坐标，根据投影坐标值计算出中心射线在探测面上的 偏移量，调整调节台，使中心射线的坐标位于探测面的中心，此时中心射线垂直于探 测面入射到探测面的中心。
本发明的几何校正方法进一步包括旋转台位置的调节，当X射线源装置发出的中心射线 垂直于探测面入射到探测面的中心时，即完成探测器的几何校正后，移走校正板，将校正杆 放置在旋转台上，根据校正杆在探测面上的投影，来调整旋转台的位置，从而使旋转台的旋 转轴与X射线焦点和探测面的中心共面，并且X射线焦点与探测面的中心连线与旋转轴垂直。 本发明的优点：
本发明采用设置有通孔阵列的校正板，可以快速有效地对锥束CT系统的探测器进行几 何校正，完全不需要计算，方便快速。本发明采用校正板，先对探测器的几何位置进行校正， 然后再校正旋转台的位置，操作简单快速。
附图说明
图1为本发明的锥束CT系统探测器几何校正装置的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明的锥束CT系统探测器几何校正装置的原理示意图；
图3为几种探测器的几何误差情况的示意图，其中，（a）和（b）为探测面在xz平面的投影， （c）和（d）为探测面在xy平面的投影，（e）为探测面在yz平面的投影；
图4为本发明的锥束CT系统探测器几何校正装置的校正板的结构示意图；
图5为本发明的锥束CT系统探测器几何校正装置的投影阵列的示意图；
图6为本发明的锥束CT系统探测器几何校正装置调节旋转台的结构示意图；
图7为旋转台的水平偏差的示意图，其中，（a）为校正杆竖直放置的情况，（b）为校正杆没 有竖直放置的情况。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例的锥束CT系统探测器几何校正装置包括：校正板1、探测器4、 调节台5、X射线源装置6和X射线源台7；其中，探测器4的探测面和底面垂直；调节台5 包括调节装置和安装在调节装置上的水平的台面；X射线源台7和调节台5分别位于两端， 探测器4的底面放置在调节台5的水平的台面上，校正板1位于X射线源装置6和探测器4 之间放置在调节台5的台面上。调节台5、X射线源台7和旋转台设置在光学平台10上。在 调节台5和X射线源台7之间为旋转台，旋转台包括底座81和水平的台面82。
如图2所示，S代表光源，中心射线沿X轴传播，XYZ坐标系是以中心射线和旋转轴建 立的空间坐标，O为原点。UV坐标系是以实际探测器的中心行和中心列建立的平面坐标系， 理想情况下，该平面平行于YOZ，且O2位于X轴上，U平行于Y，V平行于Z。待调整的 探测器位于VO2U平面，O2为待调整的探测器的成像中心。
在本实施例中，校正板的材料采用铝板，通孔的分布为7×7的方形阵列。
图3为几种探测器的几何误差情况的示意图。其中，（a）和（b）为探测器在XOZ平面 的投影，如图3（a）所示，探测器绕U轴旋转θ；如图3（b）所示，探测器的成像中心O2距沿V轴距离O相差ΔV。图（c）和（d）为探测器在XOY平面的投影，如图3（c）所示， 探测器绕V轴旋转β；如图3（d）所示，探测器的成像中心O2距沿U轴距离O相差ΔU。 如图3（e）所示，探测器绕X轴旋转η，对于这种几何位置的偏移，由于锥束射线对平行孔 阵列投影的影响关于中心射线投影位置对称，在投影阵列中无可观测变化，可通过其他方式 调节。
如图4所示，校正板1为平板状，正面101与背面102平行，并且垂直于底面103。校 正板1上设置有多个通孔2，形成通孔阵列，通孔2为圆形，每个通孔的尺寸相同，并且轴 向平行。通孔的分布包括在中心的中心孔201，并且通孔的分布包括互相垂直的且包含中心 孔的主水平行203和主竖直列202。中心孔201所在的行为主水平行203，中心孔201所在的 列为主竖直列202，主水平行203和主竖直列202互相垂直，主水平行203和主竖直列202 的相交处为中心孔201；主水平行203平行于底面103，主竖直列202垂直于底面103。通孔 的分布是对称的。在本实施例中，采用10mm厚度的铝板，通孔直径为1mm。
光源S发射锥束射线，照射在校正板1上，射线透过校正板1的通孔2投影到探测器上， 形成投影阵列3，如图5所示，中心孔201的投影斑301，主水平行形成投影斑303，主竖直 列形成投影斑302。图5所示的为整个系统理想情况下的投影阵列，投影斑303的长轴方向 竖直，投影斑302长轴方向水平，投影斑301为标准最大圆形，最终的目的就是使校正板1 的投影达到如图5所示的效果，那探测器的校正就完成了。在初始的情况下，投影斑302、 301、303的形状和外围的投影斑类似。
本实施例的锥束CT系统探测器几何校正方法，包括以下步骤：
1）将探测器4放置在调节台5的台面上，将校正板1放置在调节台5上，位于X射线源 装置6和探测器4之间并紧贴探测面，校正板的底面103位于调节台5的水平的台面， 校正板的正面101与探测面UO2V平行，并且中心孔201在探测面的中心O2附近。
2）X射线源装置发射锥束射线，照射在校正板1上，射线透过校正板的通孔投影到探测 器上，形成投影阵列3，根据中心孔201的投影形成投影斑301的位置，分别沿U轴、 V轴方向调节校正板，通过在调节台5上平推校正板调节校正板沿U轴的位移，并通 过在校正板1与调节台5之间设置垫片调节校正板沿V轴的位移，使投影斑301的中 心与探测面的中心O2重合。例如，当投影斑301在平面UO2V内的第一象限内时， 根据其中心与U轴、V轴距离，调节校正装置相对于探测器分别向-V、-U方向移动 相应距离，再次投影观察投影斑301位置，继续调节，直至投影斑301落在探测面的 中心O2。此时，中心孔201的中心轴过探测面的中心O2。其他情况同理调节。
3）校正板1与探测器4的相对位置保持不变，通过调整调节台5来调节探测器4和校正 板1的水平和竖直位置，使中心射线位于探测面的中心：
探测器的位移偏差分别如图3中沿U轴方向位移ΔY、探测器沿V轴方向位移ΔZ。 在投影阵列3中寻找长轴水平的投影斑行，以及长轴竖直的投影斑列，在一幅投影种， 只能找到惟一的一行和惟一的一列。根据长轴水平的一行投影斑和长轴竖直的一列投 影斑，分别沿U轴和V轴方向调节探测器，使主竖直列的投影斑302和主水平行的 投影斑的长轴分别水平和竖直。例如，当长轴水平的投影斑位于投影斑302右侧时， 根据其与投影斑302沿U轴的间距，即探测器沿U轴方向位移ΔY，调节探测器沿U 方向移动相应距离，再次投影观察投影斑302形状，继续调节，直至投影斑302的长 轴沿水平方向；同理调节探测器沿V轴方向位置，使投影斑303的长轴沿竖直方向。 此时，中心射线通过中心孔201打在探测面的中心O2。其他情况同理调节。
需说明，由于探测面外转角也会对投影阵列3产生影响，如图2中探测器绕U轴旋转 角θ会导致投影阵列3产生V轴方向压缩，而探测器绕V轴旋转角β会导致投影阵列 3产生U轴方向压缩，但以上压缩效果对各投影斑长轴方向不起决定性作用，即对探 测器的位移和面外转角的调节相互独立。
4）调节探测器的面外角度偏差，使中心孔的投影斑301为标准的最大圆形，主水平行的 投影斑303的长轴大小关于中心孔的投影斑所在列方向对称相等；同样的，主竖直列 的投影斑302的长轴大小关于中心孔的投影斑所在行方向对称相等；同时其他投影斑 的长轴方向和大小关于中心孔的投影斑所在行和列方向轴对称分布，且关于中心孔的 投影斑的中心对称分布，此时中心射线垂直于探测面，投影阵列3如图5所示。
上面的实施例在校正探测面的几何位置时，先使中心射线位于探测面的中心，后调节中 心射线与探测面垂直。探测面的几何位置校正，还可以通过先校正中心射线使其与探测面垂 直，后调节中心射线入射到探测面的中心。并且，还可以进一步的对旋转台的旋转轴进行调 节，具体的校正方法包括以下步骤：
1）将探测器4放置在调节台5的台面上，将校正板1放置在调节台5上位于X射线源 装置6和探测器4之间，校正板1位于探测器4之间可以有一定的距离，不需要紧贴 探测面，校正板的底面103位于调节台的水平的台面，校正板的正面101与探测面 UO2V平行，并且中心孔201在探测面的中心O2附近。
2）调节探测器位移，使中心射线穿过中心孔201垂直入射到探测面上：
在投影阵列3中寻找长轴水平的投影斑行，以及长轴竖直的投影斑列，在一幅投影中， 只能找到惟一的一行和惟一的一列。根据长轴水平的一行投影斑和长轴竖直的一列投 影斑分别沿U轴和V轴方向调节探测器，使主竖直列的投影斑302和主水平行的投 影斑303的长轴分别水平和竖直。例如，当长轴水平的投影斑位于投影斑302右侧时， 根据其与投影斑302沿U轴的间距，即探测器沿U轴方向位移ΔY，调节探测器沿U 方向移动相应距离，再次投影观察投影斑302形状，继续调节，直至投影斑302的长 轴沿水平方向；同理调节探测器沿V轴方向位置，使投影斑303的长轴沿竖直方向， 此时，中心射线通过中心孔201打在探测面的中心O2。其他情况同理调节。
3）调节探测器的面外角度偏差，使中心射线垂直于探测面：
探测器的面外角度偏差分别为图3中探测器绕U轴旋转角θ、探测器绕V轴旋转角 β。观察投影斑301的形状，若其长轴方向沿U轴或V轴方向，则调节探测器绕U 轴或V轴转角，使投影斑301为标准最大圆形。同时，可通过观察位于中心行或中心 列上关于投影斑301对称位置的投影斑的长轴是否相等，来辅助判断调节后探测器的 面外角度是否已调节完毕。
例如，当投影斑301的长轴方向沿U轴，表明探测器存在绕U轴旋转角θ，此时观 察中心列上关于投影斑301对称的投影斑304和305长轴是否相等，若投影斑304的 长轴大于投影斑305长轴，表明角度θ是由探测器沿逆时针方向绕U轴旋转产生，则 沿顺时针方向调节探测器绕U轴旋转适当角度，再次观察投影斑301的长轴方向及投 影斑304和305的长轴是否相等，若投影斑304的长轴小于投影斑305的长轴，则沿 逆时针方向调节探测器绕U轴旋转适当角度。如此反复，直至投影斑301为标准圆形， 且投影斑304和305的长轴相等。此时探测器绕U轴旋转角度θ调节完毕。同理调节 探测器绕V轴旋转角β。其他情况同理调节。
需说明，由于探测面外转角也会对投影阵列3产生影响，如图2中探测器绕U轴旋转 角θ会导致投影阵列3产生V轴方向压缩，而探测器绕V轴旋转角β会导致投影阵 列3产生U轴方向压缩，但以上压缩效果对各投影斑长轴方向不起决定性作用，即对 探测器的位移和面外转角的调节相互独立。
4）调节探测器，使中心射线垂直射入探测面的中心：
由步骤3可以获取中心射线在探测器4上的投影坐标，根据该投影坐标值计算出中心 射线与探测器4的中心在U，V方向上的偏移量，调整调节台以调节探测器的位置， 使中心射线垂直射入探测器中心。例如，当投影斑301在平面UOV内的第一象限内 时，根据其中心与U轴、V轴距离，调节探测器分别向V、U方向移动相应距离即可， 此时，中心射线垂直射入探测面的中心，投影阵列3如图5所示。
5）以上调整完中心射线垂直于探测面入射到探测面的中心后，去掉校正板，将校正杆9 放置在旋转台的水平的台面82的任意位置上，旋转台旋转一周，从而在探测面上获 得校正杆9旋转一周的投影，投影为关于竖直轴对称的四边形，四边形的对称轴就是 旋转轴的投影，通过旋转轴的投影与探测面的中心的距离，调整旋转台的底座81， 从而将旋转台的旋转轴调整到中心射线上。分两种情况：
（a）校正杆竖直放置在水平的台面82上，通过让旋转台旋转一周，获得校正杆9的 多角度投影，是一矩形，如图7（a）所示。通过寻找投影在U方向上距离V轴最远 的距离，例如校正杆9在U正方向最远距离为50个像素大小，在U的负方向距V 轴最远距离为30个像素，这样我们就可以得知旋转轴沿着Y轴正方向有便宜误差， 然后调节旋转台的底座81使其沿着Y轴的反方向移动（50-30）/4*pixel_size。其中 pixel_size是探测器的像素大小，如探测器像素大小74.8um.重复试验2～3次即可把 旋转台调节到理想位置。
（b）若校正杆9没有放置竖直，则其投影就如图7（b）所示，是一等腰梯形。等腰 梯形的最远的两端是倾斜的直线，但是校正方法基本一样，我们通过寻找距离V轴 最远的直线，然后画出他们的对称轴，这样就可算出偏移量ΔU，然后调节旋转台可 调底座系统使其沿着Y轴的反方向移动ΔU/4，重复试验2～3次即可把旋转轴调节到 理想位置。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技 术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是 可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求 书界定的范围为准。