锥形束CT系统在线几何标定方法研究

作     者：段晓曼 

作者单位：南方医科大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周凌宏

授予年度：2020年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 100207[医学-影像医学与核医学] 1006[医学-中西医结合] 1002[医学-临床医学] 1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 100106[医学-放射医学] 100602[医学-中西医结合临床] 10[医学] 

主      题：锥形束CT 几何伪影 几何标定 标定模体 自标定 

摘      要：锥形束CT（Cone-beam CT,CBCT）系统,被广泛应用于工业和临床成像等许多方面。一般来说,CBCT系统的重建算法对成像的几何结构有着严格的要求,我们称之为理想的几何结构,但是在实际情况中,由于安装误差和加工误差会使得实际的几何结构偏离理想的几何结构。在这种情况下,若继续使用理想的几何结构进行图像重建就会导致重建图像中产生几何伪影,影响图像质量。为抑制几何伪影,不少学者提出许多几何标定方法,主要分为两大类型:利用标定模体进行离线几何标定和利用图像信息进行在线几何标定,然而这两种类型的标定算法均有一定的缺陷。本论文提出了一种基于平面板的在线几何标定方法,算法的主要思想是结合上述两种标定类型各自的优点,让几何标定模体（内嵌若干钢珠点）和成像物体同时成像。一方面,该标定方法使用标定模体进行解析运算,算法精度较高,运算速度较快,能够适用于实际扫描成像的任务;另一方面,由于采用同步成像的策略,使得该标定算法能够获得实时有效的几何参数,而不会出现上述离线几何标定算法中预扫描和正式扫描轨迹不一致,导致几何标定得到的几何参数无效的现象。经仿真实验验证,提出的标定方法的精度与目前用于CBCT系统几何标定的金标准DLT（Direct Linear Transformation）算法大致相同,求解的几何参数中距离参数误差为± 1mm以内,角度参数误差为±0.04度以内。此外,仿真实验和实际实验均证明,相比于未进行几何标定得到的重建图像,经过几何标定得到的重建图像几何伪影明显去除,且评估图像几何伪影的定量指标如信息熵、图像锐度和对比度噪声比也有较大的改善。此外,由于该算法中使用到几何标定模体,算法精度会受到几何标定模体制作误差的影响,该误差具体表现为制作模体上钢珠点的实际位置和理论位置出现偏差。为规避该误差对提出的算法精度的影响,本文提出了一种借助于机械臂CT对几何标定模体进行自标定的方法,目的在于精确估计出制作好的标定模体上钢珠点的实际坐标。该自标定方法不仅适用于本文使用的平面板,也适用于所有的离线几何标定模体。经仿真实验验证,该自标定算法的精度较高,当选用合适的参数时,每个钢珠点定位误差可达到±0.01mm以内。经实际实验验证,经过自标定后得到的重建图像几何伪影抑制明显。同时,该自标定算法使得几何标定模体的制作不再只依赖于机床加工,使用者可自己动手制作,如此可节约标定模体制作的成本和时间周期。此外,该自标定在标定模体使用周期内只需进行一次即可,不会增加几何标定的难度和复杂度。