技术领域
[0001] 本
发明涉及一种X射线探测器校正方法，尤其涉及一种在进行增益校正的同时消除射线硬化影响的X射线探测器综合校正方法，属于医学影像技术领域。
背景技术
[0002] 随着科学技术的不断进步，早先的X射线模拟成像技术已经基本被数字
化成像技术取代。相对于模拟成像技术而言，数字化成像技术以成像时间短、成像
质量佳和数字图像易于传输和存储等特点，在临床医学、工业探伤、公共安全等领域获得了广泛的应用。
[0003] X射线探测器的工作原理为入射的X射线经闪烁晶体层转换为可见光后，由非晶
硅阵列光电
二极管将光
信号转换为电荷，最后读出
电路对电荷信号逐个取出编号后转换为
数字信号，再传送至计算机处理。在此过程中，X射线的束流强度与闪烁晶体层转换的可见光强度成正比，可见光强度与
光电二极管阵列转换的电荷量成正比，因此将电荷量数字化后，经过处理可以得到X射线数字图像。
[0004] 受制造工艺和电路特性的制约，各个
像素点上的
闪烁体和非晶硅阵列光电二极管转换效率不同，在入射X射线强度相同的条件下，各像素点上得到的数值大小不同。因此X射线探测器输出的原始图像必须经过偏置、增益和剔除坏像素等一系列校正过程。目前，主流的图像校正技术是首先获得在无X射线条件下探测器阵列的响应(空采图像)，再在X射线条件下无曝光物体的平面场图像(空曝图像)；对两次数据进行处理，从而对X射线探测器所采集的数字图像进行校正。
[0005] 但是，典型的X射线球管发射的是多能谱X射线，当穿透被检测物时，低能射线被吸收得多，高能射线吸收得少。这样，到达X射线探测器的硬射线成份就相对变多，产生了所谓的“射线硬化”现象。射线硬化程度跟被检测物的
密度及厚度(两者合并考虑，使用“等价厚度”表示)成单调递增关系，等价厚度越厚，硬化程度越严重。所以仅仅通过对两次数据进行处理的增益校正无法消除射线硬化的影响。
发明内容
[0006] 针对
现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种在进行增益校正的同时消除射线硬化影响的X射线探测器综合校正方法。
[0007] 为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：
[0008] 一种同时消除射线硬化影响的X射线探测器综合校正方法，包括如下步骤：
[0009] S1，采集暗场图像，保存所得到的补偿模板图；
[0010] S2，加载X射线，通过空场采集亮场图像以及放入一片校正模体到射
线束中被检测物放置的
位置采集图像，计算设定能谱工作模式下的衰减系数；
[0011] S3，加载X射线，依次增加放入的校正模体数量i，采集图像，根据补偿模板对图像进行增益校正处理得到Li(x,y)，直至校正模体数量i大于被检测物的最大等价厚度，转向步骤S4；
[0012] S4，对Li(x,y)根据公式：Di(x,y)＝u*i－(M0－Li(x,y))做校正计算；对得到的Di(x,y)中每一个像素进行曲线拟合，得到A(x,y)、B(x,y)、C(x,y)和D(x,y)，将其组成的校正量保存；
[0013] S5，在正常拍片时，应用校正曲线对所采集的数字图像进行综合校正。
[0014] 其中较优地，在步骤S1～S3中，进行
图像采集时均采集多
帧图像，将采集到的多帧图像
叠加之后求平均得到的图像，作为最终采集的数字图像。
[0015] 其中较优地，在步骤S3中，根据补偿模板对图像进行增益校正处理得到Li(x,y)包括如下步骤：
[0016] 首先，获取保存的补偿模板；
[0017] 然后，将采集的图像减去补偿模板得到Ii(x,y)；
[0018] 最后，对Ii(x,y)进行取对数处理得到Li(x,y)。
[0019] 其中较优地，在步骤S1中，保存所得到的补偿模板图之后，进行亮点检测，并记录检测出的亮点位置。
[0020] 其中较优地，在步骤S2中，所述计算设定能谱工作模式下的衰减系数包括如下步骤：
[0021] S21，加载X射线，通过空场采集亮场图像，根据补偿模板对图像进行增益校正处理得到L0(x,y)；求L0(x,y)的平均值M0；
[0022] S22，加载X射线，放入一片校正模体到射线束中被检测物放置的位置，采集图像，根据补偿模板对图像进行增益校正处理得到L1(x,y)；求L1(x,y)的平均值M1；
[0023] S23，根据公式：u＝M0－M1计算衰减系数。
[0024] 其中较优地，在步骤S21中，通过空场采集亮场图像，减去补偿模板图得到I0(x,y)之后，进行暗点检测，并记录检测出的暗点位置。
[0025] 其中较优地，在步骤S5中，所述应用校正曲线对采集到的数字图像进行综合校正采用如下公式完成：
[0026] OutPut(x,y)＝log(I(x,y)－Offset(x,y))－Delta(x,y)；
[0027] 其中，OutPut(x,y)是最终的输出图像，Offset(x,y)是暗场补偿模板图，Delta(x,y)为校正量；
[0028] Delta(x,y)＝A(x,y)*I(x,y)*I(x,y)*I(x,y)+B(x,y)*I(x,y)*I(x,y)+C(x,y)*I(x,y)+D(x,y)。
[0029] 其中较优地，在步骤S4中，采用GPU并行
算法对Di(x,y)中的每一个像素进行曲线拟合；
[0030] 在步骤S5中，采用GPU并行算法对数字图像的每一个像素进行校正。
[0031] 其中较优地，采用GPU并行算法对数字图像进行校正的过程包括如下步骤：
[0032] S51，获取数字图像，并将其传送到CPU处理器；
[0033] S52，CPU处理器将获取的数字图像存储到图像缓存单元，并通知GPU处理器；
[0034] S53，GPU处理器为所缓存的数字图像的每个像素分配一个线程，每个线程完成一个像素的校正处理，并行处理所有线程；
[0035] S54，处理后的数字图像数据存储到图像缓存单元，并反馈给CPU处理器；
[0036] S55，CPU处理器将GPU处理器已处理好的最终的输出图像显示出来。
[0037] 其中较优地，所述校正
体模的材料是密度均匀的PMMA或者纯度大于99.8％的
铝。
[0038] 其中较优地，所述同时消除射线硬化影响的X射线探测器综合校正方法还包括如下步骤：
[0039] S6，对校正过程检测出的亮点和暗点分别进行坏点校正。
[0040] 本发明所提供的X射线探测器综合校正方法，通过在X射线探测器前放置不同厚度的校正体模，对校正计算后的图像中每一个像素进行多次曲线拟合，计算校正曲线，在正常拍片时，应用校正曲线对所采集的数字图像的每一个像素进行综合校正，得到校正后的图像，消除了X射线探测器像素点之间的检测效率不一致造成的图像不均匀现象，在进行增益校正的同时可以校正射线硬化的不利影响，大大提高X射线探测器的图像质量。本发明所提供的X射线探测器综合校正方法对于
光子计数探测器特别适用。
附图说明
[0041] 图1为本发明所提供的X射线探测器综合校正方法的
流程图；
[0042] 图2为射线硬化和理想射线衰减所对应的图像
亮度与有机玻璃厚度关系曲线的对比图；
[0043] 图3为射线硬化和理想射线衰减所对应的衰减系数积分曲线的对比图。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图和具体
实施例对本发明的技术内容作进一步的详细说明。
[0045] 在数字化的X射线成像系统中，通常需要进行X射线探测器的偏置(Offset)和增益(gain)校正。传统的校正方法是这样的：在不发出射线的情况下采集暗场图像Offset(x,y)，在空场出射线的情况下采集接近饱和的亮场图像G(x,y)，生成gain系数：g(x,y)＝Mean/(G(x,y)－Offset(x,y)),Mean是(G(x,y)－Offset(x,y))的平均值。通过OutPut(x,y)＝g(x,y)*(I(x,y)－Offset(x,y))进行校正，得到校正后的背景均匀的图像。
[0046] 这种校正方法存在的问题是：对于某些X射线探测器(例如CCD型)因为镜头原因造成的中心检测效率高四周检测效率低，或者
平板探测器、光子计数探测器像素点之间检测效率差异较大的情况，进行传统单点增益校正后会把噪声也放大很多倍，降低了图像质量。另外，在不同的射线剂量
水平下，进行传统的单点增益校正，X射线探测器入射剂量较低的情况下(射线剂量降低、SID加大或者被检测物的等价厚度变大)，图像会发生失校正现象：
噪声变大；并且因为射线硬化现象的存在，图像背景的不均匀现象依然存在。另外，射线能谱(KV)改变，因为射线硬化现象的存在，图像也会发生失校正现象。
[0047] 如图1所示，本发明提供的在进行增益校正的同时消除射线硬化影响的X射线探测器综合校正方法，主要包括如下步骤：首先，X射线探测器设置能谱工作模式，将KV、mAs和SID(Source Image Distance，源像距)固定；对于光子计数探测器，同时设置固定的
能量阈值。其次，在不发出射线的情况下采集暗场图像Offset(x,y)，在空场出射线的情况下采集亮场图像，放入一片校正模体到射线束中被检测物放置的位置，再采集一次图像，得到衰减系数；然后依次增加放入的校正模体的数量，直至校正模体的数量与被检测物的最大等价厚度相同，根据获得的图像信息计算校正曲线，最后，在正常拍片时，应用校正曲线对所采集的数字图像进行综合校正，得到校正后的图像。本发明提供的X射线探测器综合校正方法可以消除X射线探测器像素点之间的检测效率不一致造成的图像不均匀现象，同时可以校正射线硬化的不利影响，并抑制低剂量下的噪声，提高图像
信噪比，大大提高图像质量，在降低病人
辐射剂量水平的情况下，保证诊断质量。下面对这一过程做详细具体的说明。
[0048] 首先，X射线探测器设置能谱工作模式，将相关参数固定。具体地说，对于X射线探测器设置具体的能谱工作模式，将KV、mAs和SID固定；对于光子计数探测器，同时设置固定的能量阈值。通过设置不同的能谱工作模式，例如不同KV范围与不同SID的组合，在每种能谱工作模式下分别生成不同的校正曲线，实际应用时根据能谱工作模式的切换，切换使用对应的校正曲线，能有效地提高校正的效率。
[0049] S1，在X射线探测器不发出射线的情况下，采集暗场图像，得到Offset(x，y)，将其作为暗场模板图保存下来。
[0050] 在X射线探测器不发出射线的情况下，采集多帧暗场图像，将采集到的多帧暗场图像叠加之后求平均得到Offset(x,y)，将Offset(x,y)作为暗场模板图(补偿模板图)保存下来。之后检测亮点，并记录检测出的亮点位置，便于正常拍片时，对所采集的数字图像进行综合校正后，再对亮点进行校正，进一步提高了图像质量。
[0051] S2，加载X射线，通过空场采集亮场图像以及放入一片校正模体到射线束中被检测物放置的位置采集图像，计算设定能谱工作模式下的衰减系数。
[0052] 采集暗场图像后，X射线探测器发出射线，加载X射线，通过空场采集亮场图像以及放入一片校正模体到射线束中被检测物放置的位置采集图像，分别得到亮场图像I0(x,y)以及一片校正模体的图像I1(x,y)，分别对两次采集的图像进行增益校正之后取对数，进而根据校正后的图像信息计算设定能谱工作模式下的衰减系数。具体包括如下步骤：
[0053] S21，加载X射线，通过空场采集亮场图像，减去补偿模板图后得到I0(x,y)，对I0(x,y)取对数得到L0(x,y)；计算L0(x,y)的平均值M0。
[0054] 加载X射线，通过空场采集多帧亮场图像，减去补偿模板图后，将采集到的多帧亮场图像叠加之后求平均得到I0(x,y)，之后检测暗点，并记录检测出的暗点位置，便于正常拍片时，对所采集的数字图像进行综合校正后对暗点进行校正，进一步提高了图像质量。对于得到的I0(x,y)进行取对数处理，得到L0(x,y)；计算L0(x,y)的平均值M0。
[0055] S22，加载X射线，放入一片校正模体到射线束中被检测物放置的位置，采集图像，减去补偿模板图后得到I1(x,y)，对I1(x,y)取对数得到L1(x,y)；计算L1(x,y)的平均值M1。
[0056] 加载X射线，放入一片校正模体到射线束中被检测物放置的位置，采集多帧图像，减去补偿模板图后，将采集到的多帧图像叠加之后求平均得到I1(x,y)，对I1(x,y)取对数得到L1(x,y)；计算L1(x,y)的平均值M1。
[0057] S23，根据公式：u＝M0－M1计算衰减系数。
[0058] S3，加载X射线，依次增加放入到射线束中被检测物放置位置的校正模体数量i，采集图像，根据补偿模板对图像进行增益校正处理得到Li(x,y)，直至校正模体数量i大于被检测物的最大等价厚度，转向步骤S4。
[0059] 加载X射线，放入2片校正模体到射线束中被检测物放置的位置，采集图像，根据补偿模板对图像进行增益校正处理得到L2(x,y)。具体包括如下步骤：
[0060] 首先，获取保存的补偿模板；然后，将采集的图像减去补偿模板得到I2(x,y)；最后，对I2(x,y)进行取对数处理得到L2(x,y)。依次增加放入到射线束中被检测物放置位置的校正模体数量i，采集图像，据补偿模板对图像进行增益校正处理得到Li(x,y)，直至校正模体数量i大于被检测物的最大等价厚度，转向步骤S4。
[0061] 在本发明所提供的实施例中，放入到射线束中被检测物放置位置的校正模体的材料可以是密度均匀的PMMA(聚甲基
丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃)或者纯度大于99.8％的铝，在全动态范围内，通过在X射线探测器前放置不同厚度的校正体模，可以对不同厚度的数字图像进行校正。其中，校正模体厚度的取值范围
覆盖被检测物的等价厚度范围，校正模体厚度的增加通过数量的增加来实现。
[0062] S4，对步骤S3中得到的Li(x,y)系列做校正计算：Di(x,y)＝u*i－(M0－Li(x,y))；并对得到的Di(x,y)系列中每一个像素进行3次曲线拟合：y＝A*x*x*x+B*x*x+C*x+D；得到A(x,y)、B(x,y)、C(x,y)和D(x,y)，并进行保存。
[0063] 物质对X射线的吸收规律可以用朗伯－比尔定律(Lambert Beer Law)来描述，当一个单色线束通过一个密度均匀的小物体时，其能量减弱的程度与物质厚度和吸收系数的关系为：I＝I0e-μd。
[0064] 其中，I0为入射X射线强度；I为穿过均匀密度物体后投射的射线强度；μ为物质对该
波长的衰减系数；d为穿过均匀密度物体的路径长度。
[0065] 如图2，是射线硬化和理想射线衰减所对应的图像亮度与有机玻璃厚度的关系曲线。图中虚线是实际测得的X射线穿过不同厚度物体的衰减曲线，实线为理想状态下的X射线的衰减曲线，两条曲线的差异是由于射线硬化引起的。因为被检测物的密度或者厚度的变化，射线硬化程度对应到X射线探测器上的每个像素点也是不同的，而且X射线探测器每个像素点的检测效率也存在不一致的现象，射线硬化对图像质量的影响是存在的，表现为图像
对比度的降低，特别对于
软X射线成像的影响非常大。
[0066] 对于普通X射线成像系统，通常采用在球馆端设置附加滤过(例如
铝片)滤除低能射线的办法来降低射线硬化效应。这个方法的主要缺点是滤除大量软射线的同时降低了图像的信噪比，特别是对于低密度物质，而且这不能消除射线硬化的影响。
[0067] 在CT成像中，射线硬化会导致杯状硬化伪影，通常采用把厚度ln衰减曲线校正成线性关系的办法来消除。在校正过程中，通常需要使用高阶多项式来进行曲线拟合，这会造成计算数值的不稳定，而且，这是对整个X射线探测器进行全局厚度线性化的硬化校正，没有对每个像素进行检测效率的校正，像素间的硬化程度的不一致性没有得到校正。
[0068] 传统的硬化校正方法是将射线衰减公式改写成： 如果X射线穿过的是一个密度均匀的物质，则μ是常数，y＝μd应该是一条过坐标原点的直线，如图3中的实线所示。但是实际测得的 却是一条曲线，如图3中的虚线所示，造成
的原因便是射线硬化。
[0069] 在进行校正的时候，要对 进行修正，需要针对一定的厚度，Δi就是校正系数。如果针对不同的厚度，设置不同的校正系数，那么将构成一个校正曲线：Δ。由于 是非线性的，μd是线性的，所以校正曲线Δ是非线性的，用函数y＝Ax3+Bx2+Cx+D进行拟合，所以校正曲线函数为：Δ＝Ax3+Bx2+Cx+D。
[0070] 在校正的时候，令 即可得到最终的输出图像Ln Ic＝LnI－Δ。
[0071] 在本发明所提供的实施例中，对步骤S3中得到的Li(x,y)系列做校正计算：Di(x,y)＝u*i－(M0－Li(x,y))；其中，u为衰减系数，i为放入的校正模体数量。然后对得到的Di(x,y)系列中每一个像素(数字X射线探测器中的像素)进行3次曲线拟合：y＝A*x*x*x+B*x*x+C*x+D；得到A(x,y)、B(x,y)、C(x,y)和D(x,y)，并进行保存。通过A(x,y)、B(x,y)、C(x,y)和D(x,y)获取输出图像的校正量Delta(x,y)：
[0072] Delta(x,y)＝A(x,y)*I(x,y)*I(x,y)*I(x,y)+B(x,y)*I(x,y)*I(x,y)+C(x,y)*I(x,y)+D(x,y)。
[0073] 因为要对X射线探测器上的每一个像素进行校正，所以需要求得每一个像素的校正曲线。如果图像非常大，用CPU进行
图像处理非常耗时，如果采用GPU并行算法，为Di(x,y)系列中每个像素分配一个线程，所有的像素同时参与计算，获得校正曲线的效率大大提高。其中，采用GPU并行算法对Di(x,y)系列中每一个像素进行3次曲线拟合的过程与采用GPU并行算法对图像进行校正的过程相似，在步骤S5中进行详细描述。
[0074] S5，在正常拍片时，应用校正曲线对所采集的数字图像进行综合校正。
[0075] 在本发明所提供的实施例中，将增益校正和射线硬化校正结合在一起完成数字图像的综合校正，采用如下公式完成：
[0076] OutPut(x,y)＝log(I(x,y)－Offset(x,y))－Delta(x,y)；
[0077] 其中，OutPut(x,y)是最终的输出图像，Offset(x,y)是暗场
模版图，Delta(x,y)为校正量。
[0078] Delta(x,y)＝A(x,y)*I(x,y)*I(x,y)*I(x,y)+B(x,y)*I(x,y)*I(x,y)+C(x,y)*I(x,y)+D(x,y)。
[0079] 在本发明所提供的实施例中，因为要对X射线探测器上的每一个像素进行校正。如果图像非常大，全部用CPU进行计算非常耗时，如果采用GPU并行算法，为每个像素分配一个线程，所有的像素同时参与计算，综合校正的效率大大提高。其中，采用GPU并行算法对图像进行校正的过程具体包括如下步骤：
[0080] S51，获取X射线探测器所采集的数字图像，并将其传送到CPU处理器。
[0081] S52，CPU处理器将获取的数字图像存储到图像缓存单元，并通知GPU处理器。
[0082] S53，GPU处理器为缓存的数字图像的每个像素分配一个线程，每个线程完成一个像素的校正处理，并行处理所有线程。
[0083] S54，处理后的数字图像数据存储到图像缓存单元，并反馈给CPU处理器。
[0084] S55，CPU处理器将GPU处理器已处理好的最终的输出图像显示出来。
[0085] 在本发明所提供的实施例中，利用CPU处理器和移动GPU分担了现有
计算机系统的图像处理工作，通过GPU并行处理机制对所获取的
动态图像数据进行
大规模并行处理，从而实现了动态显示高
分辨率、高对比度图像的目的。
[0086] 正常拍片时，经过校正曲线对所采集的数字图像进行综合校正，可以消除X射线探测器像素点之间的检测效率不一致造成的图像不均匀现象，同时可以校正射线硬化的不利影响，并抑制低剂量下的噪声，提高图像信噪比，大大提高图像质量，在降低病人
辐射剂量水平的情况下，保证诊断质量。
[0087] S6，对校正过程检测出的亮点和暗点分别进行坏点校正。
[0088] 对于步骤S1中检测到的亮点，以及对于步骤S2中检测到的暗点分别进行校正，将坏点校正后图像作为最终的输出图像，进一步提高了图像质量。在本发明所提供的实施例中，采用坏点周围的像素值来进行差值补偿的方式进行坏点校正。
[0089] 综上所述，本发明所提供的X射线探测器综合校正方法，在全动态范围内，通过在X射线探测器前放置不同厚度的校正体模，可以实现对不同厚度的数字图像进行校正。X射线探测器入射剂量从高到低，根据Di(x,y)＝u*i－(M0－Li(x,y))校正n个剂量点，分别得到n个Di(x,y)。然后对Di(x,y)进行曲线拟合，得到A(x,y)、B(x,y)、C(x,y)和D(x,y)四个系数矩阵。校正时利用曲线拟合预测的办法，使所采集的数字图像的每一个点的每一亮度级别得到精确的校正，使在不同的剂量水平下图像背景均匀，并且数字图像亮度与其等价厚度成线性关系。由于是逐点进行曲线拟合校正，在校正掉像素点间的检测效率不一致问题的同时，有效地消除了射线硬化的影响。尤其对于光子计数探测器，可以很好地消除像素点之间的检测效率不一致造成的图像不均匀现象，同时可以校正射线硬化的不利影响，并抑制低剂量下的噪声，提高图像信噪比，大大提高图像质量。本发明所提供的X射线探测器综合校正方法对于光子计数探测器特别适用。对于光子计数探测器而言，其实现步骤与X射线探测器相同，在此不再具体赘述。
[0090] 上面对本发明所提供的X射线综合校正方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明
专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
