面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法
2023-08-11 15:19:21 1
專利名稱：面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法
技術領域：
本發明屬於射線無損檢測領域，涉及一種面陣探測器射線數字成像中的散射強度 分布獲取方法。
背景技術：
面陣探測器主要包括平板探測器和圖像增強器兩種，目前已廣泛應用於射線DR (Digital Radiography)禾卩CT (Computed Tomography)成像系統中，其中DR成像是 CT成像的基礎。
在成像過程中，由於X射線與被檢測物體的相互作用，將產生以康普頓效應為主 的各種散射，而散射是影響DR圖像質量的重要因素，主要表現為降低圖像的清晰度 和對比度。散射的強度分布與很多因素有關，包括射線能量、物體特性(大小、形狀、 材質)、掃描位置關係等。散射一直是DR成像研究的重要問題，而對於二維開放成像 的面陣探測器，散射的抑制與校正遠比一維線陣探測器複雜。
散射的抑制與校正技術總體上可分為兩類 一類為減少到達探測器的散射射線的 技術，包括準直器、空氣隙、濾線器、掃描狹縫技術、不透射線的鉛條或鉛板技術等， 另一類為數位技術(即數字圖像後處理技術)，包括高通濾波、散射巻積、散射反巻積 等。近年來很多研究人員採用蒙特卡羅方法(Monte Carlo Method, MCM)進行散射 仿真，通過專門的程序計算得到特定條件下的散射強度分布，進而分析散射的表現並 進行相應的校正。採用蒙特卡羅程序仿真散射可以得到比較準確的理論結果，但這種 方法每生成一幅投影圖像都要跟蹤數百萬甚至上億個光子，計算耗時數十甚至上百小 時，實際應用的時間難以接受，因此多限於理論研究。文獻RuolaNing, XiangyangTang， D丄.Conover, X-Ray scatter suppression algorithm for cone beam volume CT, Proc. SPIE vol. 4682, 774-781, 2002中使用Beam Stop Array (BSA)進行錐束CT散射偽影校正， 該方法要求BSA中的鉛球(或者鉛盤、鉛柱)完全擋住透射的X射線，對較低掃描 電壓的醫學CT有較好的效果，但對掃描電壓較高的工業CT，該方法所要求的"完全 擋住射線"可能導致鉛球尺寸過大而難以實施。另一方面，BSA本身也是散射源，如 何進一步降低加入BSA後的影響，仍是需要研究的問題。 發明內容為了克服現有技術的適用性與通用性的不足，本發明提供一種基於射束衰減網格
(Beam Attenuation Array, BAA)的散射強度分布獲取方法，該方法不要求網格完全擋住 透射的射線，而是利用網格引起射線的部分衰減來計算散射的強度分布，可應用於低、 中、高各能量段的射線DR/CT掃描系統。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案包括以下步驟
(1) 在射線源與工作檯之間儘量靠近工作檯的位置放置濾波板，該位置以濾波板 不與工作檯和被檢測物體發生碰撞幹涉為準，通過面陣探測器採集l幅含濾波板的投影 圖像，該投影圖像為投影圖像l，本次掃描為掃描l;
(2) 保持掃描l中的濾波板不動，將被檢測物體置於工作檯上，以掃描l的掃描參 數採集l幅含濾波板和被檢測物體的投影圖像，該投影圖像為投影圖像2，本次掃描為 掃描2;
(3) 在濾波板放置位置將濾波板替換成射束衰減網格，被檢測物體不動，以掃描 l的掃描參數採集l幅含射束衰減網格和被檢測物體的投影圖像，該投影圖像為投影圖 像3，本次掃描為掃描3;
(4) 保持掃描3中的射束衰減網格不動，移除被檢測物體，以掃描l的掃描參數採 集l幅含射束衰減網格的投影圖像，該投影圖像為投影圖像4，本次掃描為掃描4;
(5) 根據投影圖像4計算射束衰減網格中各小球投影中心的位置；
(6) 計算射束衰減網格中各小球投影中心處的散射強度值；
(7) 根據射束衰減網格中各小球投影中心處的散射強度值，採用Catmull-Clark細 分曲面逼近的方法進行散射場圖像擬合，得到散射強度分布，即散射強度分布是以散 射場圖像的形式表示。
在上述方法第1一2步中，用到的濾波板與射束衰減網格中用於固定小球的基板的 材質與尺寸完全相同。
在上述方法第3—4步中，用到的射束衰減網格由基板和在其上均勻分布的小球陣 列組成。對射束衰減網格的一般要求是在滿足小球對被檢測物體的投影灰度值有一 定影響量(投影圖像3中所有小球投影區域的最小灰度值比投影圖像2中該位置的灰度 值減小20 — 80)的前提下，基板上的小球直徑越小越好，並使小球球心的間距為小球 直徑的1.5 — 3.5倍；射束衰減網格基板材質與小球材質相同，或基板材質密度是小球材質密度的1一1.5倍；射束衰減網格基板厚度為小球直徑的0.2 — 0.8倍，基板形狀一般為 矩形且不小於面陣探測器的成像窗口；小球被粘貼於基板的一個側面上，所用粘貼劑
的密度與小球材質密度相比越小越好，該側面在掃描3中朝向射線源。對於醫學DR/CT
成像系統，典型的射束衰減網格由有機玻璃基板上粘貼均勻分布的塑料小球陣列組成；
對於工業DR/CT成像系統，典型的射束衰減網格由銅基板上粘貼均勻分布的鋼珠陣列 組成。
在上述方法第1一4步中，從降低數字圖像噪聲和提高算法精度的角度考慮，可分 別釆集多幅投影圖像，然後分別將各次掃描得到的多幅投影圖像按對應象素進行灰度 疊加並平均，得到l幅投影圖像。
在上述方法第5步中，根據投影圖像4計算射束衰減網格中各小球投影中心的位置
的步驟如下
1) 將投影圖像4複製一幅；
2) 查找複製圖像的小球陣列投影區域中的最小灰度；
3) 以該最小灰度的110%—130°/。為閾值，對複製圖像進行二值化，對小於閾值的 象素視為位於小球投影區域，將其灰度設為l，其餘象素灰度設為O，這樣就得到與小
球個數相同且灰度為l的投影區域，各小球投影中心必然位於這些投影區域之內；
4) 生成一個位置-灰度鍊表，用於存儲各小球投影中心的位置及相應灰度；
5) 對二值化圖像進行逐行逐象素掃描，若當前象素灰度為l，則進行如下處理(處
理完後從下一個象素開始繼續進行掃描)以該象素為種子象素，設置一個比較位，該 比較位初始值為種子象素對應於投影圖像4中的位置及相應灰度；從種子象素開始用O
值在二值化圖像中進行區域填充，每填充一個象素就將投影圖像4中該象素位置的灰度 與比較位的灰度進行比較，若小於比較位的灰度，則用投影圖像4中該象素的灰度與位 置替換比較位的灰度與位置；若本次區域填充結束，則將比較位的位置與灰度加入位 置-灰度鍊表尾。
在上述方法第6步中，計算射束衰減網格中各小球投影中心處的散射強度值的方法 是相同的，以計算一個小球投影中心處的散射強度值為例，進行其計算方法的分析和 推導。由於掃描1至掃描4的掃描參數完全相同，且射束衰減網格基板與濾濾板完全相 同，因此可以認為射束衰減網格基板與濾濾板對投影圖像灰度的貢獻相同，從而認為
7其是探測器增益的一部分而忽略不計；考慮到小球直徑較小，相應的散射值也較小， 而且基板材質密度大於或等於小球材質密度，因此可以認為基板全部吸收了小球陣列 所產生的散射射線。另一方面，由於小球陣列較被檢測物體更遠離面陣探測器，因此 即使有少量透過基板的由小球陣列產生的散射射線，也會由於被檢測物體對其的進一 步吸收和空氣隙效應，難以到達面陣探測器。
對掃描l，設象素G為某小球的投影中心，Z)為小球直徑，象素( 接收到的初始入 射射線強度為/。；對掃描4，象素( 接收到的透射射線強度為/2，根據Beer定律，有 w,""s, (1)
對掃描2，設初始入射射線強度為/。， /。透過被檢測物體被象素G接收到的透射射 線強度為^，象素G接收到的所有散射射線強度為S,，則象素G接收到的總射線強度 C, 以被檢測物體為研究對象，有
=廣1。(￡乂"(￡ 五
'0。(五)一￡。。 五 (2)
=,^。)/《"》、^(五)巡
一,p
一
對掃描3，設初始入射射線強度仍為/。， /。透過小球後的透射射線強度為^， /2透 過被檢測物體被象素G接收的透射強度為/3 ，象素G接收到的所有散射射線強度為S2 ， 象素0接收到的總射線強度^=/3+52。以被檢測物體為研究對象，有
=f"鵬，)f"、)丄必 w力D"f'駆A^(五)巡
J五』
^ (3)
以上各式中，i為射線在象素G位置穿越被檢測物體的長度，^(E。。)為小球在/。的 等效能量￡。。下的線性衰減係數， W。。)為被檢測物體在/。的等效能量^。下的線性衰
8減係數， (￡。2)為被檢測物體在/2的等效能量￡。2下的線性衰減係數，iV。(巧為/。光子 數量分布，^(￡)為/2光子數量分布。 式(2)除以式(3)，得
formula see original document page 9
將式(i)代入上式，有
在掃描3中，由於小球陣列的存在，使得作用於被檢測物體的總射線強度比掃描2 時略有減少，相應的散射射線強度也會略有減少，即&略小於S。另外，由於/。穿越 小球成為/2的過程存在射束硬化效應，造成A^幻的平均能量略大於iV。(五)的平均能 量，艮卩略小於A(^o) °設& =^《(0<^<1) ， 〃 = """"")') (0<〃1)，則由式(5)可得掃描2中小球投影中心處的散射強度值為
S1=^^ (6)
外
關於《，可以進一步作如下分析小球陣列在投影範圍內是近似均勻分布的，因
此可以認為小球陣列對射線強度的減弱是近似均勻的，即不管是否有小球陣列，在小
射束錐角內射線強度都是均勻分布的，只是大小略有不同。小球陣列對總射線強度的
影響可以從投影圖像1和投影圖像4的比較中得到，本發明將a近似取為
:投影圖像4總灰度 m "一投影圖像1總灰度
關於/ ，由式(l)可得
〃 =elA。)d=/2〃。 (8)
關於〃分析可知丄增大會使A(五。。)- 0^)減小，即A(^。)一A^)是丄的函數，
而Z是該位置灰度的函數，因此可以認為y是小球投影中心灰度的函數。本發明將;^近 似取為
Gm少—A^"Gra;y+c其中Gm^是投影圖像3中當前計算的小球投影中心灰度，M^O^是該幅投影所有 小球投影中心的最小灰度，c是常數， 一般取為(0.1 0.3)M&Gm少。
一般可認為面陣探測器象素的輸出灰度值與其所接收到的射線強度成正比，因此 上述各式中象素G接收到的總射線強度可直接由該象素的灰度代替。上述分析與計算 是對一個小球投影中心象素G進行的，對其餘小球投影中心象素進行完全相似的計算， 可以得到覆蓋整個成像區域的所有小球投影中心處的散射值。
在上述方法第7步中，採用Catmull-Clark細分曲面逼近的方法進行散射場圖像擬合 時，由於該細分算法進行多層細分後，控制網格頂點的數量和密度會急劇增加，很容 易就超過投影圖像本身像素點的數量和密度，此時只需要對控制網格頂點的X和Y坐標 進行四捨五入取整作為圖像像素位置，頂點的相應Z坐標值就.是該像素位置的散射值。 Catmull-Clark細分層數主要取決於投影圖像的解析度， 一般情況下細分4一7層即可。
上述的面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法，可應用於醫學和工 業DR/CT成像系統散射校正中的獲取散射強度分布步驟，得到散射場圖像後散射校正 的基本方法是原始投影圖像的各象素灰度減去與其對應的散射場圖像的各象素灰度。
本發明的有益效果是提出了一種新穎的面陣探測器射線數字成像中的散射強度 分布獲取方法，通過一定的掃描和計算可以得到比較準確的散射場圖像，不要求網格 完全擋住透射的射線，而是利用網格引起射線的部分衰減來計算散射的強度分布。該 方法可應用於醫學和工業領域的低、中、高各能量段的射線DR/CT掃描系統，具有良 好的適用性與通用性。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖l為本發明獲取面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布流程；
圖2為掃描1示意圖3為掃描2示意圖4為掃描3示意圖5為掃描4示意圖6為濾波板示意圖7為射束衰減網格示意圖；圖8為計算一個小球投影中心散射強度中掃描2示意圖； 圖9為計算一個小球投影中心散射強度中掃描3示意圖； 圖10為投影圖像2與獲取的散射場圖像的線性灰度比較。
具體實施例方式
對一個直徑為38mm，材料為鐵的圓柱零件進行DR掃描，X射線源採用德國 YXLON Y,TU 450-D02，面陣探測器採用美國Varian PaxScan2520，應用本發明方法獲 取散射強度分布，執行以下步驟
(1) 在射線源與工作檯之間儘量靠近工作檯的位置(不能與工作檯和被檢測物體 發生碰撞幹涉)放置濾波板，濾波板材質為銅，厚度lmm，掃描參數為電壓350kV、 電流0.22mA、探測器輸出3幅/秒，通過面陣探測器採集l幅含濾波板的投影圖像，該投 影圖像為投影圖像l，本次掃描為掃描l;
(2) 保持掃描1中的濾波板不動，將被檢測物體置於工作檯上，以掃描l的掃描參 數採集l幅含濾波板+被檢測物體的投影圖像，該投影圖像為投影圖像2，本次掃描為掃 描2;
(3) 在濾波板放置位置將濾波板替換成射束衰減網格，射束衰減網格的基板材質 和尺寸與濾波板完全相同，小球陣列為3mm直徑的鋼珠，間距5mm，被檢測物體不動， 以掃描l的掃描參數採集l幅含射束衰減網格+被檢測物體的投影圖像，該投影圖像為投 影圖像3，本次掃描為掃描3;
(4) 保持掃描3中的射束衰減網格不動，移除被檢測物體，以掃描l的掃描參數釆 集l幅含射束衰減網格的投影圖像，該投影圖像為投影圖像4，本次掃描為掃描4;
(5) 根據投影圖像4計算射束衰減網格中各小球投影中心的位置，具體步驟如下
1) 將投影圖像4複製一幅；
2) 查找複製圖像的小球陣列投影區域中的最小灰度；
3) 以該最小灰度的130%為閾值，對複製圖像進行二值化，對小於閾值的象素視 為位於小球投影區域，將其灰度設為l，其餘象素灰度設為O，這樣就得到與小球個數 相同且灰度為l的投影區域，各小球投影中心必然位於這些投影區域之內；
4) 生成一個位置-灰度鍊表，用於存儲各小球投影中心的位置及相應灰度；5)對二值化圖像進行逐行逐象素掃描，若當前象素灰度為l，則進行如下處理 以該象素為種子象素，設置一個比較位，該比較位初始值為種子象素對應於投影圖像4 中的位置及相應灰度；從種子象素開始用O值在二值化圖像中進行區域填充，每填充一 個象素就將投影圖像4中該象素位置的灰度與比較位的灰度進行比較，若小於比較位的 灰度，則用投影圖像4中該象素的灰度與位置替換比較位的灰度與位置；若本次區域填 充結束，則將比較位的位置與灰度加入位置-灰度鍊表尾。處理完後從下一個象素開始 繼續進行掃描。
(6) 計算射束衰減網格中各小球投影中心處的散射強度值，以步驟(5)中計算 得到的一個小球投影中心(798， 536)為例，投影圖像2中該位置的象素灰度q二1739，
投影圖像3中該位置的象素灰度q-1289，由式(7)計算得到a二0.91，由式(8)計
算得到"=0.70，由式(9)計算得到^ = 1.01，代入式(6)計算得到S-C廣外C!=
a-外
293.24;依次計算所有小球投影中心的散射強度值。
(7) 根據射束衰減網格中各小球投影中心處的散射強度值，採用Catmull-Clark細 分曲面逼近的方法進行散射場圖像擬合，細分6層後，對控制網格頂點的X和Y坐標進 行四捨五入取整作為圖像像素位置，頂點的相應Z坐標值就是該像素位置的散射值， 從而得到散射強度分布，即散射強度分布是以散射場圖像的形式表示。
從圖10給出的投影圖像2與獲取的散射場圖像的線性灰度比較可以看出，本發明獲 取的散射場圖像灰度變化平滑，且與投影圖像2的灰度存在一定的對應關係，這與理論 分析的散射強度分布情況基本相符，表明本發明方法的可行性和有效性。
權利要求
1、面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法，其特徵在於包括下述步驟(1)在射線源與工作檯之間儘量靠近工作檯的位置放置濾波板，該位置以濾波板不與工作檯和被檢測物體發生碰撞幹涉為準，通過面陣探測器採集1幅含濾波板的投影圖像，該投影圖像為投影圖像1，本次掃描為掃描1；(2)保持掃描1中的濾波板不動，將被檢測物體置於工作檯上，以掃描1的掃描參數採集1幅含濾波板和被檢測物體的投影圖像，該投影圖像為投影圖像2，本次掃描為掃描2；(3)在濾波板放置位置將濾波板替換成射束衰減網格，被檢測物體不動，以掃描1的掃描參數採集1幅含射束衰減網格和被檢測物體的投影圖像，該投影圖像為投影圖像3，本次掃描為掃描3；(4)保持掃描3中的射束衰減網格不動，移除被檢測物體，以掃描1的掃描參數採集1幅含射束衰減網格的投影圖像，該投影圖像為投影圖像4，本次掃描為掃描4；(5)根據投影圖像4計算射束衰減網格中各小球投影中心的位置；(6)計算射束衰減網格中各小球投影中心處的散射強度值；(7)根據射束衰減網格中各小球投影中心處的散射強度值，採用Catmull-Clark細分曲面逼近的方法進行散射場圖像擬合，得到散射強度分布。
2、 根據權利要求1所述的面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法，其 特徵在於所述的濾波板與射束衰減網格中用於固定小球的基板的材質與尺寸完全 相同。
3、 根據權利要求1所述的面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法，其 特徵在於所述的射束衰減網格由基板和在其上均勻分布的小球陣列組成，在滿足 投影圖像3中所有小球投影區域的最小灰度值比投影圖像2中該位置的灰度值減小 20 — 80的前提下，基板上的小球直徑越小越好，並使小球球心的間距為小球直徑 的1.5—3.5倍；射束衰減網格基板材質與小球材質相同，或基板材質密度是小球材 質密度的1 — 1.5倍；射束衰減網格基板厚度為小球直徑的0.2 — 0.8倍，基板形狀 為矩形且不小於面陣探測器的成像窗口；小球被粘貼於基板的一個側面上，所用粘 貼劑的密度與小球材質密度相比越小越好，該側面在掃描3中朝向射線源。
4、 根據權利要求1所述的面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法，其特徵在於所述的射束衰減網格在醫學DR/CT成像系統中由有機玻璃基板上粘貼 均勻分布的塑料小球陣列組成；所述的射束衰減網格在工業DR/CT成像系統中由 銅基板上粘貼均勻分布的鋼珠陣列組成。
5、 根據權利要求1所述的面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法，其 特徵在於所述的步驟(1)至步驟(4)中，分別採集多幅投影圖像，然後分別將 各次掃描得到的多幅投影圖像按對應象素進行灰度疊加並平均，得到1幅投影圖 像。
6、 根據權利要求1所述的面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法，其 特徵在於所述的步驟(5)包括以下步驟1) 將投影圖像4複製一幅；2) 査找複製圖像的小球陣列投影區域中的最小灰度；.3) 以該最小灰度的110%—130%為閾值，對複製圖像進行二值化，對小於閾值 的象素視為位於小球投影區域，將其灰度設為l，其餘象素灰度設為0，得到與小球 個數相同且灰度為l的投影區域，各小球投影中心必然位於這些投影區域內；4) 生成一個位置-灰度鍊表，用於存儲各小球投影中心的位置及相應灰度；5) 對二值化圖像進行逐行逐象素掃描，若當前象素灰度為l，則進行如下處理 以該象素為種子象素，設置一個比較位，該比較位初始值為種子象素對應於投影圖 像4中的位置及相應灰度；從種子象素開始用O值在二值化圖像中進行區域填充，每填充一個象素就將投影圖像4中該象素位置的灰度與比較位的灰度進行比較，若小於比較位的灰度，則用投影圖像4中該象素的灰度與位置替換比較位的灰度與位置； 若本次區域填充結束，則將比較位的位置與灰度加入位置-灰度鍊表尾；處理完後 從下一個象素開始繼續進行掃描。
7、 根據權利要求1所述的面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法，其特徵在於所述的步驟(6)包括以下步驟確定投影圖象1和投影圖象2中某像素的像素灰度，即該像素接收到的總射線強度q和c2，根據《 = §|||1|^§，投影圖像l總灰度P-e-'^w""-/"/^ , = 2 '計算得到該象素接收到的所有散射射線強度S,=、—，;依次計算所有小球投影中心的散射強度值。 a —外
8、根據權利要求1所述的面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法，其 特徵在於所述的步驟(7)中，Catmull-Clark細分層數為4一7層，此時對控制網 格頂點的X和Y坐標進行四捨五入取整作為圖像像素位置，頂點的相應Z坐標值 就是該像素位置的散射值。
全文摘要
本發明公開了一種面陣探測器射線數字成像中的散射強度分布獲取方法，分別採集1幅含濾波板的投影圖像、1幅含濾波板和被檢測物體的投影圖像、1幅含射束衰減網格和被檢測物體的投影圖像以及1幅含射束衰減網格的投影圖像，依次計算射束衰減網格中各小球投影中心的位置和射束衰減網格中各小球投影中心處的散射強度值，根據射束衰減網格中各小球投影中心處的散射強度值，採用Catmull-Clark細分曲面逼近的方法進行散射場圖像擬合，得到散射強度分布。本發明不要求網格完全擋住透射的射線，而是利用網格引起射線的部分衰減來計算散射的強度分布，可應用於低、中、高各能量段的射線DR/CT掃描系統，具有良好的適用性與通用性。
文檔編號G01T1/29GK101566590SQ200910022100
公開日2009年10月28日 申請日期2009年4月20日 優先權日2009年4月20日
發明者昆 卜, 張定華, 黃魁東 申請人:西北工業大學