自動檢測限束器邊界的方法與裝置的製作方法

2023-11-02 11:39:37 2

專利名稱：自動檢測限束器邊界的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種x射線影像處理方法與裝置，特別是涉及一種自 動檢測x射線影像中的限束器邊界或區域的方法與裝置。
背景技術：
在X射線影像中，限束器(Collimator,也稱為束光器，遮光器等) 區域通常稱為前景(For印round)。前景影像是無用信息，在X射線影 像的增強處理中，常常需要將這一區域的像素去除，避免無用信息對 圖像增強處理的影響，使增強效果更好，影像的質量更優。限束器裁 剪可以分為自動裁剪和手動裁剪。然而，手動裁剪有一定的弊端，一 方面手動裁剪增加了臨床放射科技師的工作量，由此降低了臨床攝片 的效率；另一方面手動裁剪必須是影像後處理後才能進行，那麼前景 的無用信息已經和有用的解剖組織信息一起被分析和處理，嚴重影響 了圖像的分析和處理，降低了影像品質，而且數據量增大使後處理速 度變慢。由於X射線散射，ROI區域(在這裡ROI區域特指影像上除 去前景區域後剩下的區域)與前景之間的過渡變得很複雜；同時可能 由於高密度組織的關係或者為了減少X射線劑量導致的曝光不足，導 致組織與前景邊界不分明，對比度太低；或者由於估計不足的大劑量 曝光導致多區域(包括限束器區域)被X射線打透，在影像上限束器 區域變得異常的不規則；另外，各類特殊的拍攝體位導致影像上表現 的限束器邊界為不規則多邊形等。這些因素常常導致利用傳統常用的 邊緣檢測方法去檢測限束器邊界是無效的，從而使限束器區域自動識 別變得困難。
目前的X射線成像系統中或早些時候的X射線成像系統中，限束器邊緣(Coilimation Edge)定位是依靠定位器(X射線球管或者限束器 的運動控制裝置)反饋的限束器位置信息，這種定位器被固定在X射 線成像設備中。臨床拍攝X射線影像時，需根據不同體位的需要，常 常可能要求探測器或者球管處於旋轉的狀態，這樣使得定位器反饋的 信息可能不能直接使用，或者成為完全沒用的信息。另外，在可移動 的床邊機(簡便式X射線成像系統)沒有這種類似的定位器。事實上， 由於機械原因或者系統原因，存在著球管和探測器的中心吻合的不是 很好，導致定位器獲取的限束器位置信息無法正確地用在影像上進行 限束器邊界的定位，加之由於X射線的散射等原因，使定位器提供的 邊界信息並不精確。甚至在一些早期的X射線成像系統中，由於定位 器和控制臺可能並不存在通訊接口，使得這些數據不能^皮傳輸，那麼 只能通過臨床技師根據具體影像情況手動定位或裁減影像上限束器 的邊界。
按照一種現有技術介紹的檢測限束器邊界的方法，首先，通過四 個屬性(幅度、跨度、背景偏差、最大斜率)和最小均方誤差方程來 選取前景和背景之間的過渡點，而通過類似的方法，弱化這些條件， 增加像素灰度值控制等方法，確定前景和組織之間的過渡點，同時將 滿足部分特徵的點，標示為其它類過渡點，將這些過渡點依次標示為 相應等級。其中前景和背景的過渡點等級最高，前景和組織之間的過 渡點次之，其他過渡點最低。然後，利用這些過渡點進行霍夫變換， 不同等級的點在霍夫空間中被賦與的權值是不同的(等級高的過渡點 獲得的霍夫權值也相應的高)，通過滿足霍夫變換閾值的限定條件將 檢測到的直線確定為候選直線。接著，基於單曝光假設，可以確定限 束器邊界不能在背景中，限束器邊界兩邊的動態範圍不能太相似，限 束器邊界的間斷點數量不能太多，限束器邊界要有持續不變的極性， 限束器邊界要相對直。通過上述準則設計一系列的特徵控制用來排除 不合適的限束器邊界候選直線。通過上述判斷的直線，也就經過了線 (line)級別的測試。然後，在這些直線中找出最滿足限束器邊界的組合，這一抉擇是區域級別的判斷，利用線對之間的幾何和區域屬性(包 括平行性，正交性，凸面性，外形，向心性、佔有性、邊界、周長、 對比度等等)來控制選取最優的組合。在確定最優限束器邊界組合後， 還需要根據放射區域(限束器邊界包含區域)不應排斥大塊的背景區， 放射區域不能基本全是背景(放射區域的90。/。是背景)以及放射區域 應該包含大的有用信息(解剖信息)區域，來進一步控制檢測到最終 的限束器邊界組合的有效性。
按照另一種現有技術中介紹的檢測限束器邊界的方法，首先，將
原始圖像利用Sobel邊緣檢測算子分別產生帶狀方向(上下左右四個方 向)的邊緣梯度圖像，每個方向產生一幅梯度圖像。然後，將原始圖 像和相應的梯度圖像縮小(可選1/4， 1/8, 1/16等)並映射至Radon變換 空間以進行峰值檢測。在Radon變換空間檢測峰值是採取限制的角度來 搜索區間，例如限束器上下的邊界顯然不能有0-45或者136-179度之間 的斜角。如得到滿足闊值的局部最大峰值，並根據其梯度特性判斷它 的有效性，最後在所有有效性的峰值中根據低區域高影響原則確定某 一峰值為假定限束器邊界的對應峰值。獲得每個方向上(對應於假定 的四邊形限束器四個邊界)的峰值，根據相應直線方程可以得到限束 器邊界。對檢測到的限束器邊界，根據整體區域特性(限束器區域內 的像素最大值要小於非限束器區域的，具體地它的值應該小於某個閾 值等)確定該邊界是否有效。
從以上的介紹不難看出，現有技術存在的問題是算法過於複雜， 運算速度慢；準確率有待於進一步提高，例如骨骼和軟組織之間的過 渡邊界可能會一支誤認為是限束器區域的邊界；需要有比較準確的背景 像素閾值信息來校驗檢測到的每個邊界直線是否有效和校驗檢測到 的整體限束器邊界是否有效；對於對比度太差的欠曝光影像，或者過 度曝光的影像可能不是很有效，同時也會出現假陽性的情況
發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術存在的缺陷，提供一種計算簡 單、檢測率高、以及能夠有效解決漏檢和假陽性問題的自動檢測限束 器邊界的方法與裝置。為了實現這一目的，本發明所採取的技術方案 如下。
按照本發明實施例的第一方面，提供一種自動檢測限束器邊界的
方法，包括讀取步驟，用於讀取通過X射線成像系統獲得的影像； 檢測步驟，用於檢測X射線影像上前景和背景、前景和組織之間的過 渡點；以及變換步驟，利用檢測到的過渡點，通過HT或RT變換，檢測 前景和背景、前景和組織之間的邊界直線。
優選的是，所述檢測步驟進一步包括對影像從左到右逐行檢測過 渡點和從右到左逐行檢測過渡點，以及對影像從上到下逐列檢測過渡 點和從下到上逐列檢測過渡點。
再優選的是，所述檢測步驟進一步包括對影像中的每行和每列像 素進行濾波，以分別生成行濾波後的影像和列濾波後的影像，對行濾 波後的影像逐行進行檢測，對列濾波後的影像逐列進行檢測。
還優選的是，所述檢測步驟進一步包括根據灰度值開始增加的 起點和灰度值不變的終點，利用終點像素值與起點像素值之差和終點 像素與起點像素之間的距離確定過渡區域，然後選取灰度增加變化最 快的點、過渡區域的中點、起點、終點、或預定像素長度內灰度值變 化最大時像素長度的中點為過渡點。
進一步優選的是，前景與背景之間的過渡點以及前景與組織之間 的過渡點在每行或每列最多只能確定一個過渡點，且前景與背景之間 過渡點的4企測和前景與組織之間過渡點的^r測是獨立的。
再進一步優選的是，將影像分為上、下、左、右四個空間來進行 所述檢測步驟和所述變換步驟；以及在進行所述變換步驟時，在左、 右方向上將角度空間限制在0e[-20,20],在上、下方向上將角度空間
限制在6 e {[70,90] U [-90, -70]}。還進一步優選的是，在進行所述變換步驟時，限定檢測到的滿足 閾值條件的局部峰值的數目。
可選的是，按照本發明實施例第一方面的自動檢測限束器邊界的 方法，還包括分析步驟，用於對X射線影像進行直方圖分析和/或累積 直方圖分析，以獲取影像上有效的像素灰度最大值和最小值。
再可選的是，按照本發明實施例第一方面的自動檢測限束器邊界 的方法，還包括預處理步驟，用於對讀取的影像進行按比例縮放和/ 或進行適當裁剪，然後再進行後續步驟的處理。
還可選的是，按照本發明實施例第一方面的自動檢測限束器邊界 的方法，還包括第一判斷步驟，用於在對影像進行檢測之前，計算影 像各側邊緣區域中整行或整列像素的灰度平均值和/或方差，如果該灰 度平均值小於預定閾值和/或該方差小於預定閾值，則初步認為所檢測 影像的該側上存在有限束器區域。
進一步可選的是，按照本發明實施例第一方面的自動檢測限束器 邊界的方法，還包括第二判斷步驟，對檢測到的每條限束器邊界直線， 先4叚定該直線為真實的限束器邊界直線，從而得到過渡區域和前景區 域，然後計算落在過渡區域上的過渡點數量與落在前景區域上的過渡 點數量的比值，如果該比值大於預定閾值，則將該邊界直線確定為有 效邊界直線。其中所述預定閾值隨限束器邊界直線距影像中心距離的 減小而增大，並且所述預定閾值可在預定範圍內分段取值或者是距離
的線性遞減函數，所述預定閾值取值範圍在0.5至1.5之間。
進一步可選的是，按照本發明實施例第一方面的自動檢測限束器 邊界的方法，還包括第三判斷步驟，對於獲得的多條限束器邊界直線 或第二判斷步驟確定的多組有效邊界直線，將最滿足軸對稱條件的邊 界直線確定為限束器邊界。
進一步可選的是，按照本發明實施例第一方面的自動檢測限束器 邊界的方法，還包括修正步驟，利用已檢測到的相向邊界的影像位置
來獲得當前邊界離影像中心的偏移量，^f〖i如該偏移量偏離已知的可能偏移量，則計算邊界直線後方位置的限束器區域中行或列像素灰度方 差，如果該方差大於預定閾值，則確定該邊界直線為錯檢的邊界直線 並予以刪除；以及利用軸對稱條件和限束器中心與探測器中心之間的 偏移量，來撿回被漏檢的邊界直線。其中利用限束器與探測器之間沒 有其他物體時獲得的X射線影像，檢測限束器邊界並確定該邊界到影
像中心的距離，該距離為所述偏移量；或者，通過計算檢測到的最接
近矩形的限束器邊界相向邊界直線到影像中心的距離，來獲得所述偏 移量。其中灰度平均值的預定閾值和灰度方差的預定閾值各為有效最 大灰度值的百分比。
進一步可選的是，按照本發明實施例第一方面的自動檢測限束器
邊界的方法，還包括輸出步驟，用於將限束器區域置1或0，將非限束 器區域置0或1，從而輸出二值圖像。
按照本發明實施例的第二方面，提供一種自動檢測限束器邊界的
裝置，其特徵在於，包括讀取才莫塊，用於讀取通過X射線成像系統 獲得的影像；檢測模塊，用於檢測X射線影像上前景和背景、前景和 組織之間的過渡點；以及變換才莫塊，利用檢測到的過渡點，通過HT或 RT變換，檢測前景和背景、前景和組織之間的邊界直線。其中所述檢 測模塊對影像中的每行和每列像素先進行濾波，以分別生成行濾波後 的影像和列濾波後的影像；然後，對行濾波後的影像從左到右逐行檢 測過渡點和從右到左逐行檢測過渡點，對列濾波後的影像從上到下逐 列檢測過渡點和從下到上逐列檢測過渡點。
可選的是，按照本發明實施例笫二方面的自動檢測限束器邊界的 裝置還包括分析;溪塊，用於對X射線影像進行直方圖分析和/或累積直 方圖分析，以獲取影像上有效的像素灰度最大值和最小值。
再可選的是，按照本發明實施例第二方面的自動檢測限束器邊界 的裝置還包括預處理模塊，用於對讀取的影像進行按比例縮放和/或進 行適當裁剪，然後再由後續^t塊進行處理。還可選的是，按照本發明實施例第二方面的自動檢測限束器邊界 的裝置還包括第一判斷衝莫塊，用於在對影像進行檢測之前，計算影像 邊緣區域中整行或整列像素的灰度平均值和/或方差，如果該灰度平均 值小於預定閾值和/或該方差小於預定閾值，則確定所檢測的影像上存 在有限束器區域。
進一步可選的是，按照本發明實施例第二方面的自動檢測限束器 邊界的裝置還包括第二判斷模塊，對檢測到的每條限束器邊界候選直 線，先假定該直線為真實的限束器邊界直線，從而得到過渡區域和前 景區域，然後計算落在過渡區域上的過渡點數量與落在前景區域上的 過渡點數量的比值，如果該比值大於預定閾值，確定該邊界直線為有 效邊界直線。
進一步可選的是，按照本發明實施例第二方面的自動檢測限束器 邊界的裝置還包括第三判斷模塊，對於獲得的多條限束器邊界直線或 第二判斷才莫塊確定的多組有效邊界直線，將最滿足軸對稱條件的邊界 直線確定為限束器邊界。
進一步可選的是，按照本發明實施例笫二方面的自動檢測限束器 邊界的裝置還包括修正模塊，利用已檢測到的相向邊界的影像位置來 獲得當前邊界離影像中心的偏移量，假如該偏移量偏離已知的可能偏 移量，則計算邊界直線後方位置的限束器區域中行或列像素灰度方 差，如果該方差大於預定閾值，則確定該邊界直線為錯檢的邊界直線 並予以刪除；以及利用軸對稱條件和限束器中心與探測器中心之間的 偏移量，來撿回糹皮漏檢的邊界直線。
進一步可選的是，按照本發明實施例第二方面的自動檢測限束器
邊界的裝置還包括輸出模塊，用於將限束器區域置1或0，將非限束器 區域置0或1，從而輸出二值圖像。
採用本發明技術方案的自動檢測限束器邊界的方法與裝置通過 快速檢測具有對比度的區域之間的過渡點，通過對這些過渡點做限定 方向、限定角度、限定每個方向區域上最多只能獲取若干預定數目的局部峰值的方法進行霍夫變換或雷登變換來檢測邊界直線，接著利用 位置、灰度、灰度變化等信息對檢測到的直線進行有效性刷選，然後 充分利用限束器對應邊軸對稱原理(或近似軸對稱原理)，以獲取最 優組合的直線組，最後對限束器對應邊之間做自動校正，以進一步確 保邊界有效性，進一步甄別，刪除假陽性，撿回漏檢邊界。因此，計 算簡單、檢測率高、能夠有效地解決漏檢和假陽性問題。
下面將結合附圖並通過具體的實施例對本發明進行進一步說明。


圖1是按照本發明實施例的自動檢測限束器邊界方法的流程圖2是限束器區域示意圖3是另一種限束器區域示意圖4是按照本發明實施例的限束器區域判斷方法流程圖5是按照本發明實施例的左、右方向區域間過渡點檢測流程圖6是按照本發明實施例的上、下方向區域間過渡點檢測流程圖7是HT/RT變換原理示意圖8是按照本發明實施例的邊界有效性判斷流程圖9是按照本發明實施例的邊界整體判斷流程圖10是按照本發明實施例的限束器邊界自動修正流程圖11是按照本發明實施例的自動檢測限束器邊界裝置的結構框圖。
具體實施例方式
如附圖1所示，按照本實施例的自動檢測限束器邊界或區域的方 法除包括讀取步驟101、檢測步驟109和變換步驟111外，還可選地包 括其他步驟。在讀取步驟101中，讀入原始影像，該影像由X射線成 像系統獲取，並且該影像可以已經通過簡單校正(如壞點壞線和無效 像素去除等校正)，而並未經過任何影像增強技術的處理(然而，增強過的影像也可適用本實施例的方法)。讀入的影像可以不進行預處 理，也可以進行預處理(步驟103),即按比例縮放和/或適當裁減。
縮放的目的是為了加快運算，提高運算速度；根據需要進行適當的裁
減，可以控制根本沒必要的檢測。
在分析步驟105中，對讀取步驟101獲取的影像進行直方圖分析 和/或累積直方圖分析，這一步僅僅是為了得到獲取影像上有效的像素 灰度最大值(PixelMaxValue，簡稱為P_Max)和最小值(PixelMinValue, 簡稱為p—Min)。該值可以直接是影像上像素灰度最值，也可以累積 直方圖上一定比例所對應的灰度值(例如99。/。像素灰度都落在其內的 值為最大像素值，那麼最小值對應地僅有1%像素灰度值小於它，具 體地這一值可以有不同的比例)。進行該步驟的目的是該項數值將在 後續步驟中使用到。
在第一判斷步驟107中，對限束器區域進行初步判斷，即首先對圖 像進行初步分析，以判斷這幅影像上是否有限束器。假設限束器邊界 分布在影像上的四個區域方向上(上、下、左、右四個方向)，並同 時基於這樣的考慮1)限束器區域像數灰度變化應該相對穩定，至少 是整行或整列上的灰度比較均勻的；2)限束器區域像素的灰度值應該 比較小，因為這是非曝光區，它的像素灰度的理想值應該是零，但是 由於存在X射線穿透和散射的原因，限束器區域的像素並非是零，但 也應該比較小。如果對影像進行灰度值反轉處理，那麼最小值也就變 成最大值了，該判斷思想方法也是適用的；3)限束器應該是密閉的， 沒有縫和洞，所 以在影像上限束器區域不應該包含直接曝光區或帶； 4)限束器區域總是從影像邊沿開始。基於以上四點假設，計算距離影 像邊緣很近的某一位置(例如距離邊緣10或20個像素距離的位置)的 整行或列(行用於對上下邊緣，列用於對左右邊緣)像素灰度值的平 均值和/或方差，並比較該灰度平均值是否小於預定閾值和/或該方差是 否小於預定闊值，如果該條件成立，則可斷定所檢測的影像上有限束 器區域。這樣的像素灰度值均值的閾值可以取影像最大灰度值的一個比例，例如0.8* _1/13《。而方差要考慮這樣的情況，該位置的行或列可 能穿過前景和背景兩個區域，特別是在限束器平面和探測器平面不是 平行而是存在角度的情況下，限束器區域投影到探測器平面上往往表 現為一個不規則四邊形而不是矩形，這時該處計算得到灰度值的方差
是很大的，如圖2和圖3所示。所以方差這個指標應該在第二判斷步驟 113中使用，實現方法構成可以參考圖4。這裡需要強調，假如限束器 相對位置信息(展開的窗口尺寸)可以從自動限束器通過通訊得到， 那麼就可以知道限束器上、下窗口或左、右窗口是否是完全打開的， 這樣就可以得到影像上的限束器區域的分布，那麼第一判斷步驟107 是不需要的。
在檢測步驟109中，進行區域間過渡點的檢測。影像上的區域主 要可以表徵為三種類型，它們分別是前景(限束器區域)、背景(直 接曝光區)和解剖組織。那麼前景和背景、前景和組織、背景和組織 之間就會存在明顯的對比度。 一般的說來，背景區域像素灰度值最高， 其次是組織區域，然後是前景。這裡需要提出，組織區域由於軟組織 和骨骼密度差異太大，所以影像上還可以出現明顯的骨骼和軟組織的 對比度較強，這也是造成分割困難的因素之一，即骨骼區域和軟組織 區域之間過渡被誤認為是限束器區域和組織區域之間過渡。檢測步驟 109進一步包含以下步驟首先，為防止噪聲的影響，也使局部灰度 變化性質一致，要對影像上的每行和每列像素進行滑動均值濾波，分 別生成兩個影像數據(行濾波後影像和列濾波後影像)；然後，對行 濾波後的影像從左到右逐行檢測過渡點和從右到左逐行檢測過渡點， 對列濾波後的影像從上到下逐列檢測過渡點和從下到上進行逐列檢 測過渡點。如何去判斷過渡屬性呢？充分利用區域之間的對比度和X 射線散射的性質，具體的參考圖5和圖6。例如，在笫一判斷步驟107 中判斷可能影像左邊存在限束器區域，見圖5中框501標註(上方區 域參考圖6中框603 )。按步驟107中假設的原則，如果存在有前景區 域(限束器區域)和別的區域相連，在兩區域的過渡區域處，像素灰度值總是從前景區域向另外一個區域從左到右不斷增大。如果另外一 個區域是背景區域，那麼增大幅度一定很大，否則增大幅度可能不是
特別大，參考圖5中框502標註(上方區域參考圖6中的框604)。所 以檢測步驟109中，有兩個屬性在這裡^皮表達，它們是從灰度值開始 增加(起點)到灰度值不變(終點)，每次灰度值增加量至少要大於 1，終點像素值和起點像素值之間的差(PixelValueVariation簡寫為 P_V_Var)和終點像素和起點像素之間的距離大小(P—Distance)。前 景和不同區域之間過渡的總的灰度值變化大小是不一致的，在這裡可 以設兩個閾值P—V—Var—TH1和P—V_Var—TH2，分別對應於前景和背景之 間過渡與前景和組織之間過渡最小的總的灰度變化值，例如可取 P—V—Var_TH1=0.4*P—Max和P—V—Var—TH2=3*P—Min。終點像素和起點像 素之間的距離主要是為了用來消除壞點、壞線以及噪聲的影響，它也 應該有個閾值P—Dist—TH ，該值不宜取太大， 一 般地，設置 10《P_Dist_TH^30。以上兩個屬性確定了區域之間的過渡區域。前景 和背景之間過渡點以及前景和組織之間過渡點在每行或每列最多只 能確定一個過渡點，而前景和背景之間過渡點的檢測與前景和組織之 間過渡點的檢測是獨立的，互不影響。如何在過渡區域中選取到最合 理的過渡點呢？這個方法可以有很多選擇，例如選取灰度增大變化最 快的點，也可以選取過渡區域的中點，或選擇起點或終點，還可以選 取例如固定像素長度(如可以取10個像素)內灰度值變化最大時候像 素長度的中點。通過大數據試驗後，最後一種選取方法^皮發現是最有 效的。所有方向上的檢測只需要檢測至圖像中心。事實上，考慮到可 以獲取限束器相對幾何尺寸位置信息(如窗口尺寸、限束器平面和探 測器之間的夾角、點源距、焦點離限束器的距離)，那麼根據投影原 理，就可以知道限束器邊緣在探測器上的分布。如果限束器窗口規則， 限束器中心和探測器中心精確吻合，那麼分布應該是準確的，從而可 以直接得到限束器區域在影像上的分布，而不需要更多的複雜算法去 支持自動分割。但是常常由於機械原因或者硬體設備要求所限，使得用投影方法獲得的限束器區域在影像上的分布變得不夠準確，從而不 能直接使用。如果能得到限束器區域在影像上的大體分布，那麼在每 個方向上就可以劃分一個有效檢測區，從而使檢測區域縮小，加快過 渡點的檢測。實際上，將影像分為四個區進行檢測，在很大程度上可 以避免在全局搜索檢測上消耗太多的時間。
在變換步驟111中，對步驟109檢測的結果進行霍夫變換或雷登
變換(簡稱HT/RT)以檢測限束器邊界。HT/RT檢測直線已經被廣泛使 用在很多領域，是一項比較成熟的方法。本實施例中，HT/RT是採用 參數方程/^"cos5 + "sin6^，圖像平面上的一個點就對應到參數p-6 平面上的一條曲線上，如圖7所示。本實施例利用HT/RT檢測限束器 邊界，也是將檢測空間如步驟109中所述那樣，分為上、下、左、右 四個空間。而角度空間(P )根據實際情況也有所限制，在左、右方
向上^e[-20,20],在上、下方向上^e([70，90]U[-90,-70]},角度能夠根 據不同的需要進行設置。限定區域和角度也就是縮小檢測空間，對於 加快檢測速度是很有幫助的。在每個方向區域，原則上可以只檢測一 條直線，作為限束器邊界的候選。但是，由於各種原因，只檢測一條 直線可能不是和邊界直線最吻合的那一條，所以可能需要檢測若干條 直線作為限束器邊界候選。這些直線可能存在著一條最適合做限束器 邊界的直線。所以，需要在上、下、左、右四個方向的影像區域上分 別檢測若干條直線，作為限束器上、下、左、右邊界的候選直線。具
體的操作和最常用的HT/RT檢測方法一樣，總在每個方向區域上做 HT/RT檢測，讓HT/RT檢測到滿足大於閾值的若干個(如2-4個)局部 峰值，每檢測一個局部峰值，須將周圍的值清零，以免使檢測的結果 筒單地重複，每個局部峰值點都確定了唯一的(p^),每一組(p，e)都通 過方程p二^cose + Zsin0唯一地確定一條直線。通過了步驟111的 HT/RT，在影像的上、下、左、右四個區域上分別得到若干條候選直線， 每個區域的上的候選直線條數可能不相同，這和該區域滿足閾值條件 的局部峰值的個數有關。這裡需要強調的是，假如檢測區域已經確定是一個限束器邊界的較小的有效檢測區(如步驟109中提及的限束器 相對幾何尺寸位置信息已知)，那麼只需在這個小區域中檢測一條直 線作為限束器邊界候選直線即可。
在第二判定步驟113中，對變換步驟111檢測到的限束器邊界候
選直線進行甄別，刪除不滿足限束器邊界條件的直線。每個方向區域 通過霍夫變換得到限束器邊界直線，其中有些直線可能不是限束器的 有效邊界直線。每個方向區域上也僅僅只有一條邊界直線是和限束器 邊界最吻合的。限束器邊界必須具備這樣的特徵，即限束器邊界應該 處於影像區域之間(前景和背景之間、前景和組織之間)的過渡區域
上，過渡區域之外應該包^^艮少的過渡點。在步驟109中檢測到的大 部分過渡點應該落在限束器邊界直線附近，而且根據步驟109中所述 的檢測原則，應該要求很多過渡點直接落在直線上，影像區域之間的 過渡區域之外不應該分布較多的過渡點。由於根據步驟109中所述的 檢測原則確保了很多過渡點直接落在直線上，所以可以用 一個屬性來 筒單的表徵這一點步驟109檢測到的這一區域的過渡點離候選限束 器邊界直線的距離小於某個值(閾值)的點認為是過渡區域內的過渡 點，而候選直線後方的限束器區域的點^皮認為是落在前景區域上的過 渡點。那麼落在過渡區域上的過渡點的數量和落在前景區域上的過渡 點的數量的比值越大，越能說明候選限束器邊界直線處於前景和其它 區域的過渡區域上，它是合理的限束器邊界直線的可能性就大。落在 過渡區域上的過渡點的數量和落在前景區域上的過渡點的數量的比 值記為ValidTmnsitionRate，有效的候選限束器邊界直線的這一比值應該 大於一個閾值ValidTransitionRate_TH (簡寫VTRJH)，這個閾值應該是 隨著該候選限束器邊界直線離影像中心的距離(LineAndCenter_Distance 筒寫LC_Dist)減小而增大的，因為越是靠近影像中心，往往假陽性的 可能性越大，所以對其限制也應該相應地加強。簡單的設置VTR一TH 這個參數，可以考慮將影像邊界到影像中心的距離分為三個範圍，候 選限束器邊界直線離影像中心的距離落在最遠的、中間的、最近的範圍時，ValidTransitionRate_TH分別取不同的數值。例如，影像邊界到影 像中心的距離為 1500 ， 則 LC_Dist<500， VTR—TH=1.5 ; 500<=LC_Dist=1000， VTR_TH =0.5。在步驟107 中提及計算影像邊緣很近的某一位置(例如距離邊緣10或20個像素 距離的位置)的整行(針對上、下邊緣)或整列(針對左、右邊緣) 像素灰度值和方差。而方差要考慮這樣的情況，該位置的行或列可能 穿過前景和背景兩個區域，特別是在限束器平面和探測器平面不是平 行而是存在角度的情況下，限束器區域投影到探測器平面上往往表現 為一個不規則四邊形而不是矩形，這時該處計算得到灰度值的方差是 很大的，參見圖3。那麼根據候選邊界直線在影像上的位置信息，可 以判斷該位置的行或列是否穿過前景和背景兩個區域。假如該位置的 行或列處於可能的前景區域，如果這一方差大於某個閾值(這個閾值 可以是最大像素值的一個比例，例如0.2+P—Max)，那麼該限束器邊界 候選直線是無效的候選直線。由於限束器區域如在步驟107討論的一 樣，該區域分布的像素的灰度值應該比較小，那麼衡量該區域的像素 的灰度值也是一個很客觀的方法。充分考慮到過度曝光情況，限束器 邊界的散射十分的嚴重，以至於限束器邊界不再像是直線而是凹曲 線，從而導致一限束器邊界直線後方的限束器區域可能包含了部分高 灰度值像素。所以限束器區域中高灰度值像素佔整個限束器區域像素 的比例應該是表徵這個候選限束器邊界直線有效性的一個很重要的 標準。所以定義大於灰度值最大像素值的一個比例的像素為高灰度值 像素，例如這個比例可以選取O^P一Max,而高灰度值像素佔整個限束 器區域像素的比例不應該大於一個閾值，這個閾值應該是與候選限束 器邊界離影像邊界有關，離影像邊界越近，閾值應該越大，因為一方 面候選限束器邊界離影像邊界越近，表明假定的限束器區域就越小， 由於過度曝光情況導致限束器區域內高像素點的數量就越多，從而這 個比例越大。另一方面，由於候選限束器邊界離影像中心越近，假陽 性的風險也就越大，具體如圖8所示。假如限束器窗口的相對幾何尺寸位置信息和SID已知，那麼限束器在探測器平板上的投影也是已知 的。同樣和步驟109中敘述的一樣，只在小區域中檢測一條直線作為
限束器邊界候選直線，那麼第二判斷步驟113是不需要的。
在第三判斷步驟115中，對檢測得到的限束器邊界候選直線或步 驟113得到的有效限束器邊界候選直線進行整體上判斷，以保留一組 最理想的限束器邊界直線。 一般來說，對於限束器組件(X射線源組 件)不可以單獨旋轉時，限束器對應邊應該具備相對於過影像中心的 垂線和水平線(垂線對應於左右邊界直線，水平線對應於上下邊界直 線)為對稱軸的軸對稱性，該對稱性可能不滿足嚴;f各的幾何學上的定 義，但是應該能夠近似滿足。假如限束器組件(X射線源組件)可以 單獨旋轉運動，那麼此時的對稱軸應該是影像中心的垂線和水平線相 應地做旋轉後的軸。根據軸對稱原理，內角應該相等，線上各點到達 對稱軸的距離應該相等。由於可能存在限束器中心和探測器中心並不 是對應的，對稱軸可能需要平移。最滿足軸對稱的邊界直線對被定義 為最優組合條件之一。另外，假如對應邊之間都處於一個平行狀態(或 近似平行狀態)，那麼相鄰邊界直線應該儘量的相互垂直。這裡要提 及，由於步驟113考慮了離中心越近的限束器邊界候選直線假陽性可 能性越大，並且在參數上作了一些限制，有理由相信相對離中心近的 限束器組合應該具有一定的優先級，以上敘述可以用圖9來表示。這 裡要指出，假如限束器窗口的相對幾何尺寸位置信息和SID已知，同 樣和步驟109中敘述的一樣，步驟115是不需要的。
在修正步驟117中，對一些可能存在的檢測失敗(如漏檢和錯檢) 進行修正。經過了步驟101-115可以獲取一個最優的限束器邊界直線 組，而且大數據試驗表明檢測成功率已經相當的高。到這裡基本上已 經檢測到有效的限束器邊界，也就實現了對限束器區域的檢測。通過 實驗可以知道，存在一些極少數檢測結果可能因為影像上的某一方向 區域(上、下、左、右四個區域中)由於前景和組織之間的對比度完 全不可見，而導致的漏檢；由於組織之間的過渡4及類似限束器和其他區域之間的過渡，而導致的錯檢。步驟117用來解決這樣一些問題。 首先，獲取限束器中心和探測器中心機械層面上是否對齊的信息，假 如有偏移應該知道上下偏移量和左右偏移量。假如已經檢測到限束器 左、右邊界的一邊(上、下也類似地處理)，那麼根據偏移量和軸對 稱信息，可以知道對應限束器邊界的位置，並同時對這一限束器邊界 進行分析。對該邊後方的限束器區域某一位置行或列的像素灰度值進 行方差分析，來判斷是否具備步驟107中所述的那樣，限束器區域像 數灰度變化應該相對穩定，至少是整行或整列上的灰度應該比較均
勻，方差應該小於一個閾值，例如這個閾值可以取0.2承P—Max。同時該 方向區域應該滿足步驟107中的判斷。 一般說來，已經檢測到的邊界 應該至少離影像邊緣比較遠，即通過偏移量計算得到的邊界在影像上 的位置應該離影像邊緣不應該太近，應該有適當的緩沖區，因為很可 能邊緣就是限束器區域和其他區域的過渡帶。反之，如果根據偏移量 得到限束器邊界直線經過上述分析，不能滿足上述要求，那麼原來已 經檢測到的那條限束器邊界直線應該作為假陽性(即錯檢)刪除。假 如影像上對應邊(上、下和左、右分別稱之為對應邊)的限束器邊界 均已經被檢測到，那麼也應該進一步根據偏移量檢測其是否滿足軸對 稱性。這一軸對稱性的要求應該是寬容的，因為常常由於過渡性的因 素，檢測到限束器對應的兩邊界在相似性上不會稍微降低，並且對每 一個邊界都做上述的方差分析。通過定期校正獲取這樣的偏移量，具 體實現方法是打開限束器(確保探測器上、下、左、右應該包含限束 器區域)，確保限束器和探測器之間的X射線照射範圍沒有任何物體， 用較低劑量給予直接曝光，獲得前景和背景對比度很好的影像(該影 像應該只有前景區域和背景區域)，利用上述方法對該影像進行分割， 校正人員確定分割結果良好，記錄相對於影像中心而言，檢測得到限 束器的上、下邊界和左、右邊界的偏移量，對不同大小的限束器窗口 多次曝光，取均值。這樣，就獲得了限束器中心和探測器中心之間的 相對偏移量。還有一種方法是，對成功檢測到的限束器邊界直線，判斷它們是否是嚴格的矩形。假如是，那麼可以計算限束器邊界每一邊 到影像中心的距離，從而得到偏移量。假設笫W次獲得的偏移量為
Q^"—"， 上 一 次偏移量為Q^"—o似，那麼新偏移量為 Q^e/ —"， = [Q^e/_oW*(" —1) + Q^"一"]/"。當"大於某個數iV (例如7V 可耳又200 )時，Q^r" —= w ，同時當前"4皮記為1。將《和
Q僑"一oW分別寫在一個文件中，每一次需要用到或更新Q訴e/時，進 行讀寫文件即可。要求"<#的目的是為了定期更新0#"，以確保任 何機械位置的校正或變化帶來O,"的更新，如圖10所示。這裡也要 指出，假如限束器窗口的相對幾何尺寸位置信息和SID已知，同樣和 步驟109敘述一樣，步驟117是不需要的。
在輸出步驟119中，將影像分為限束器區域和非限束器區域，將 限束器區域置1或0，將非限束器區域置0或1，從而輸出二值圖像。
如圖11所示，按照實施例的自動檢測限束器邊界的裝置除包括讀
取模塊1101、檢測模塊1109和變換模塊1111外，還可選地包括其他模 塊。其中讀取才莫塊1101用於讀取通過X射線成像系統獲得的影像，以供 進行檢測或分析。檢測模塊1109用於檢測X射線影像上前景、背景和組 織之間的過渡點。檢測模塊1109被配置成對影像中的每行和每列像素 進行滑動均值濾波，以分別生成行濾波後的影像和列濾波後的影像； 然後，對行濾波後的影像從左到右逐行檢測過渡點和從右到左逐行檢 測過渡點，對列濾波後的影像從上到下逐列檢測過渡點和從下到上逐 列檢測過渡點。變換模塊1111用於通過HT或RT變換將檢測的過渡點變 換為限束器邊界直線。檢測模塊1109和變換模塊1111將影像分為上、 下、左、右四個空間來進行檢測和HT或RT變換，並且變換;溪塊在左、 右方向上將角度空間限制在^e[-20,20],在上、下方向上將角度空間 限制在^ e {[70,90] U [-90, -70]}。
讀取模塊1101讀入的影像在進行後續處理之前，可以不進行預處 理，也可以由預處理才莫塊1103進行預處理，即按比例縮放和/或進行 適當裁減；縮放的目的是為了加快運算，提高運算速度；根據需要進行適當的裁減，可以控制根本沒必要的檢測。分析才莫塊1105用於對X 射線影像進行直方圖分析和/或累積直方圖分析，以獲取影像上像素灰
度最大值和最小值，然後再進行檢測。第一判斷模塊1107用於在對影
像進行-險測之前，計算影像邊緣區域中整行或整列像素的灰度平均值 和/或方差，如果該灰度平均值小於預定闞值和/或該方差小於預定閾 值，則確定所檢測的影像上存在有限束器。對於檢測到的限束器邊界
直線，第二判斷才莫塊1113關於每條限束器邊界直線計算落在過渡區域
上的過渡點數量與落在前景區域上的過渡點數量的比值，如果該比值 大於預定閾值，確定該邊界直線為有效邊界直線。對於獲得的多條限 束器邊界直線或第二判斷模塊確定的多組有效邊界直線，第三判斷模
塊1115將最滿足軸對稱條件的邊界直線確定為限束器邊界。修正模塊 1117用於對一些可能存在的檢測失敗(如漏檢和錯檢)進行修正，利 用軸對稱條件和限束器中心與探測器中心之間的偏移量，來撿回被漏 檢的邊界直線；利用已檢測到的相向邊界的影像位置獲得當前邊界離 影像中心的偏移量，假如這一偏移量和已知的可能偏移量差距過大，
則計算邊界直線後方一定位置的限束器區域中行或列像素灰度方差， 如果該方差大於預定閾值，則確定該邊界直線為鋪-檢的邊界直線並予 以刪除，同時利用軸對稱條件和限束器中心與探測器中心之間的偏移 量，來撿回被漏檢的邊界直線。輸出模塊1119用於將限束器區域置1 或O,將非限束器區域置0或1，從而輸出二值圖像。
以上通過具體的實施例對本發明進行了說明，但本發明並不限於 這些具體的實施例。本領域技術人員應該明白，還可以對本發明做各 種修改、等同替換、變化等等，例如改變步驟順序或模塊連接次序。 但是，只要未背離本發明的精神，都應在本發明的保護範圍之內。另 外，本申請說明書和權利要求書中所使用的一些術語，如"左"、"右"、 "上"、"下"等等，僅僅是為了便於描述，而不是對本發明的限制。
權利要求
1.一種自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於，包括讀取步驟，用於讀取通過X射線成像系統獲得的影像；檢測步驟，用於檢測X射線影像上前景和背景、前景和組織之間的過渡點；以及變換步驟，利用檢測到的過渡點，通過HT或RT變換，檢測前景和背景、前景和組織之間的邊界直線。
2. 如權利要求1所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於， 還包括分析步驟，用於對X射線影像進行直方圖分析和/或累積直方圖分 析，以獲取影像上有效的像素灰度最大值和最小值。
3. 如權利要求1所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於， 還包括預處理步驟，用於對讀取的影像進行按比例縮放和/或進行適當裁 剪，然後再進行後續步驟的處理。
4.如權利要求2所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於， 還包括第一判斷步驟，用於在對影像進行檢測之前，計算影像各側邊緣 區域中整行或整列像素的灰度平均值和/或方差，如果該灰度平均值小 於預定閾值和/或該方差小於預定閾值，則初步認為所檢測影像的該側 上存在有限束器區域。
5.如權利要求1所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於， 還包括第二判斷步驟，對檢測到的每條限束器邊界直線，先假定該直線 為真實的限束器邊界直線，從而得到過渡區域和前景區域，然後計算 落在過渡區域上的過渡點數量與落在前景區域上的過渡點數量的比 值，如果該比值大於預定閾值，則將該邊界直線確定為有效邊界直線。
6. 如權利要求5所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於 所述預定閾值隨限束器邊界直線距影像中心距離的減小而增大，並且所述預定閾值可在預定範圍內分段取值或者是距離的線性遞減 函數，所述預定閾值取值範圍在0.5至1.5之間。
7. 如權利要求1或5所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在 於，還包括第三判斷步驟，對於獲得的多條限束器邊界直線或第二判斷步驟 確定的多組有效邊界直線，將最滿足軸對稱條件的邊界直線確定為限 束器邊界。
8. 如權利要求1所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於， 還包括修正步驟，利用已檢測到的相向邊界的影像位置來獲得當前邊界 離影像中心的偏移量，假如該偏移量偏離已知的可能偏移量，則計算邊界直線後方位置的限束器區域中行或列像素灰度方差，如果該方差 大於預定閾值，則確定該邊界直線為錯檢的邊界直線並予以刪除；以 及利用軸對稱條件和限束器中心與探測器中心之間的偏移量，來撿回 被漏檢的邊界直線。
9. 如權利要求8所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於 利用限束器與探測器之間沒有其他物體時獲得的X射線影像，檢測限束器邊界並確定該邊界到影像中心的距離，該距離為所述偏移 量；或者，通過計算檢測到的最接近矩形的限束器邊界相向邊界直線 到影像中心的距離，來獲得所述偏移量。
10. 如權利要求4或8所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於灰度平均值的預定閾值和灰度方差的預定閾值各為有效最大灰 度值的百分比。
11. 如權利要求1所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於， 還包括輸出步驟，用於將限束器區域置1或0，將非限束器區域置0或1， 從而輸出二值圖像。
12. 如權利要求1所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於，所述檢測步驟進一步包括對影像從左到右逐行檢測過渡點和從右到左逐行檢測過渡點，以 及對影像從上到下逐列檢測過渡點和從下到上逐列檢測過渡點。
13. 如權利要求12所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在 於，所述檢測步驟進一步包括對影像中的每行和每列像素進行濾波，以分別生成行濾波後的影 像和列濾波後的影像，對行濾波後的影像逐行進行檢測，對列濾波後 的影像逐列進行檢測。
14. 如權利要求12或13所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵 在於，所述檢測步驟進一步包括根據灰度值開始增加的起點和灰度值不變的終點，利用終點像素 值與起點像素值之差和終點像素與起點像素之間的距離確定過渡區 域，然後選取灰度增加變化最快的點、過渡區域的中點、起點、終點、 或預定像素長度內灰度值變化最大時像素長度的中點為過渡點。
15. 如權利要求12或13所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵 在於前景與背景之間的過渡點以及前景與組織之間的過渡點在每行 或每列最多只能確定一個過渡點，且前景與背景之間過渡點的檢測和 前景與組織之間過渡點的檢測是獨立的。
16. 如權利要求1所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於 將影像分為上、下、左、右四個空間來進行所述檢測步驟和所述變換 步驟；以及在進行所述變換步驟時，在左、右方向上將角度空間限制 在^e[-20,20], 在上、下方向上將角度空間卩艮制在 夕e([70,90]U[—90'-70]}。
17.如權利要求1所述的自動檢測限束器邊界的方法，其特徵在於在進行所述變換步驟時，限定檢測到的滿足閾值條件的局部峰值 的數目。
18. —種自動檢測限束器邊界的裝置，其特徵在於，包括 讀取才莫塊，用於讀取通過X射線成像系統獲得的影像； 檢測模塊，用於檢測X射線影像上前景和背景、前景和組織之間的過渡點；以及變換模塊，利用檢測到的過渡點，通過HT或RT變換，檢測前景和 背景、前景和組織之間的邊界直線。
19. 如權利要求18所述的自動檢測限束器邊界的裝置，其特徵在 於，還包括分析模塊，用於對X射線影像進行直方圖分析和/或累積直方圖分 析，以獲取影像上有效的像素灰度最大值和最小值。
20. 如權利要求18所述的自動檢測限束器邊界的裝置，其特徵在 於，還包括預處理模塊，用於對讀取的影像進行按比例縮放和/或進行適當裁 剪，然後再由後續模塊進行處理。
21. 如權利要求19所述的自動檢測限束器邊界的裝置，其特徵在 於，還包括第一判斷模塊，用於在對影像進行檢測之前，計算影像邊緣區域 中整行或整列像素的灰度平均值和成方差，如果該灰度平均值小於預 定閾值和/或該方差小於預定閾值，則確定所檢測的影像上存在有限束 器區域。
22. 如權利要求18所述的自動檢測限束器邊界的裝置，其特徵在 於，還包括第二判斷才莫塊，對檢測到的每條限束器邊界候選直線，先假定該 直線為真實的限束器邊界直線，從而得到過渡區域和前景區域，然後計算落在過渡區域上的過渡點數量與落在前景區域上的過渡點數量 的比值，如果該比值大於預定閾值，確定該邊界直線為有效邊界直線。
23. 如權利要求18或22所述的自動檢測限束器邊界的裝置，其特徵 在於，還包括第三判斷才莫塊，對於獲得的多條限束器邊界直線或第二判斷^t塊 確定的多組有效邊界直線，將最滿足軸對稱條件的邊界直線確定為限 束器邊界。
24. 如權利要求18所述的自動檢測限束器邊界的裝置，其特徵在 於，還包括修正模塊，利用已檢測到的相向邊界的影像位置來獲得當前邊界 離影像中心的偏移量，假如該偏移量偏離已知的可能偏移量，則計算邊界直線後方位置的限束器區域中行或列像素灰度方差，如果該方差 大於預定闞值，則確定該邊界直線為錯檢的邊界直線並予以刪除；以 及利用軸對稱條件和限束器中心與探測器中心之間的偏移量，來撿回 -波漏檢的邊界直線。
25. 如權利要求18所述的自動檢測限束器邊界的裝置，其特徵在 於，還包括輸出模塊，用於將限束器區域置1或0，將非限束器區域置0或1， 從而輸出二值圖像。
全文摘要
本發明公開了一種自動檢測限束器邊界或區域的方法與裝置，所述方法主要包括用於讀取通過X射線成像系統獲得的影像的讀取步驟，用於檢測X射線影像上前景和背景、前景和組織之間的過渡點的檢測步驟，以及利用這些檢測到的過渡點，通過HT或RT變換，檢測前景和背景、前景和組織之間的邊界直線的變換步驟。該檢測方法與裝置計算簡單、檢測率高、能夠有效地解決漏檢和假陽性問題。
文檔編號A61B6/02GK101540040SQ20081006614
公開日2009年9月23日 申請日期2008年3月21日 優先權日2008年3月21日
發明者孫文武, 饒玉明 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司