基于探测器响应特性的成像系统校准方法及成像校正方法与流程

文档序号:13511615阅读:225来源:国知局
基于探测器响应特性的成像系统校准方法及成像校正方法与流程

本发明涉及探测器成像领域,特别涉及一种基于探测器响应特性的成像系统校准方法及成像校正方法。



背景技术:

x射线平板探测器是一种面阵探测器。其成像原理是将x射线通过直接或间接的方式转换为电荷信号,再由电荷信号经过数模转换为数字信号,最终组成一幅数字图像。平板探测器和x射线源组成了x射线成像系统。在使用成像系统进行成像之前,由于x射线辐射野不均匀性以及平板探测器各像素自身响应的不同,需要提前进行校准,得到校准数据。这样在实际成像过程中,才能利用校准数据对原始图像进行校正以得到响应均匀的图像。但当成像系统本身或所处的环境发生较大改变时,为获取优质的图像,往往需要重新校准。

完整的校准需考虑的因素有很多,包括成像系统的几何布局、曝光参数、探测器的工作模式及工作温度等。专利号为cn201010520739.7的“平板探测器温度校准方法”提供了一种针对平板温度及曝光剂量的增益校准方法,该方法可通过实际成像时的温度和曝光参数调节增益来实现校正。通常这样完整的校准步骤繁多,耗费时间偏长,在实际使用过程中,对操作者的要求也较高。而本发明针对此方面提出使用平板使用者的一种快速校准和校正的方法。



技术实现要素:

为了解决现有技术的问题,本发明提供了一种基于探测器响应特性的成像系统校准方法及成像校正方法。为了达到本发明的目的,本发明采用三个步骤:1)提前对探测器进行较为全面的偏置校准和增益校准,提取探测器的自身响应,包括探测器的偏置、增益响应和坏像素集;2)在探测器使用者使用前,通过拍摄一张或数张曝光图像,根据已获得的探测器自身响应参数提取当前成像系统的x射线分布系数;3)根据获取到的探测器自身响应和当前系统的x射线分布曲面对正常曝光的图像进行校正。技术方案如下:

一方面,本发明提供了一种基于探测器响应特性的成像系统校准方法,包括:成像系统包括射线源和探测器,所述校准方法应用于更换新的射线源的成像系统,或者应用于几何布局发生改变的成像系统,所述系统校准方法包括:

根据预获取的探测器自身响应特性,加载探测器响应参数,所述探测器响应参数包括偏置响应参数和增益响应参数;

为当前系统设置射线质量,并选取曝光参数,采集一张或多张曝光图像,得到平均曝光图像;

根据所述偏置响应参数,对所述平均曝光图像进行偏置校正;

对偏置校正后的图像进行灰度值归一化操作;

根据所述增益响应参数,对图像进行探测器增益响应的校正;

对校正后的图像进行曲面拟合,得到当前系统的归一化射线分布系数,完成对实际成像系统的校准。

进一步地,所述偏置响应参数通过以下方法获取:

根据探测器的工作温度范围,选取多个温度点,生成温度列表;

根据探测器使用的积分时间范围,选取多个积分时间点,生成积分时间列表;

按照积分时间列表上的每个积分时间点对应各温度点进行探测器图像采集,得到该积分时间点下各温度点的若干张图像,得到平均暗场图像;

根据所述平均暗场图像,以温度为变量,对图像各像素的灰度值进行拟合,得到该积分时间点下图像各像素的灰度值拟合方程,作为偏置响应参数;

遍历所述积分时间列表,得到不同积分时间点下的偏置响应参数。

进一步地,所述偏置响应参数通过以下方法获取:

根据探测器的工作温度范围,选取多个温度点,生成温度列表;

根据探测器使用的积分时间范围,选取多个积分时间点,生成积分时间列表;

按照所述温度列表和积分时间列表进行探测器图像采集,得到各温度点下各积分时间点的若干张图像,得到平均暗场图像;

根据所述平均暗场图像,以温度和积分时间为变量,对图像各像素的灰度值进行拟合,得到图像各像素的灰度值拟合方程,作为偏置响应参数。

进一步地,所述增益响应参数通过以下方法获取:

设定用于提取探测器增益响应的成像系统的几何布局;

根据探测器所应用的射线能量范围,生成射线质量列表;

在每一种射线质量下,选取曝光参数,在所述曝光参数下采集若干张曝光图像,得到平均曝光图像,对每一平均曝光图像进行以下操作:

对所述平均曝光图像进行偏置校正,并进行灰度值归一化操作,得到增益图,所述增益图包括射线分布系数和探测器自身增益响应;

根据探测器各器件的增益响应特性,从所述增益图中提取单个器件的增益系数或多个器件的组合增益系数,得到剩余增益图;

根据剩余增益图和射线分布模型,拟合得到射线在探测器表面的射线分布系数;

根据所述射线分布系数,从所述增益图中获取探测器自身增益响应;

遍历所述射线质量列表,得到各射线质量下图像各像素的探测器自身增益响应参数。

进一步地,所述选取曝光参数包括:

在确定辐射质量的情况下,曝光参数的选取,使得该曝光参数下采集到的若干张曝光图像的灰度均值位于探测器最大线性灰度值的1/4~3/4。

进一步地,所述探测器响应参数还包括坏像素集,获取方法如下:通过从偏置响应过程生成的暗场图像和/或增益响应过程生成的曝光图像中提取与周围像素不同的点,作为坏像素点,并组成坏像素集。

进一步地,所述探测器各器件包括闪烁体、薄膜晶体管阵列及探测器的电子系统。

进一步地,所述从所述增益图中提取单个器件的增益或多个器件的组合增益包括:

列出探测器各器件的增益响应数据,比较各器件与射线分布系数的提取特征强弱;

将提取特征强于射线分布系数的一个或多个器件的增益系数从所述增益图中提取出来。

进一步地,所述对所述平均曝光图像进行偏置校正,并进行灰度值归一化操作包括:

得到进行偏置校正后的图像各像素的平均灰度值或灰度中值;

将进行偏置校正后的图像除以所述平均灰度值或者灰度中值,得到所述增益图。

另一方面,本发明提供了一种成像校正方法,包括:

采集成像系统对成像物体的曝光图像,所述成像系统利用如上所述的校准方法完成系统校准;

加载探测器偏置响应参数,根据探测器的工作温度和积分时间,对所述曝光图像进行偏置校正;

加载探测器增益响应参数,并与所述成像系统的归一化射线系数共同对完成偏置校正的图像进行增益校正。

进一步地,所述成像校正方法还包括:

对完成增益校正的图像进行坏像素校正,包括:加载探测器坏像素集,获取坏像素集中坏像素点的所在位置,对待校正图像上的相对应位置的像素进行校正。

本发明提供的基于探测器响应特性的成像系统校准方法及成像校正方法能够产生以下有益效果:通过提前提取探测器自身响应参数,使得平板使用者无需在使用前进行全面的校准,只需拍摄一至数张曝光图像,提取当前成像系统的x射线的分布系数,从而结合探测器自身响应系数即可完成对正常曝光图像的校正。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的x射线成像系统示意图;

图2是本发明实施例提供的探测器响应特性的获取方法的流程图;

图3是本发明实施例提供的第一种获取探测器偏置响应参数的方法流程图;

图4是本发明实施例提供的第二种获取探测器偏置响应参数的方法流程图;

图5是本发明实施例提供的探测器的增益响应参数的获取方法的流程图;

图6是本发明实施例提供的从增益图中提取器件增益参数的方法流程图;

图7是本发明实施例提供的x射线和探测器器件增益沿某一剖面方向的分布示意图;

图8是本发明实施例提供的成像系统的快速校准流程图;

图9是本发明实施例提供的探测器图像的校正过程流程图。

其中,附图标记包括:11-工作站,12-高压发生器,13-球管,14-探测器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以x射线成像系统为例,参见图1,所述x射线成像系统包括平板探测器14和x射线源,优选地,还包括设置在平板探测器14与x射线源之间的附加滤过(未图示),由于x射线源本身存在辐照不均匀性,而平板探测器14各像素响应的差异性以及平板探测器14各组成器件的自身特性受温度、积分时间、x射线能谱等的影响,需要对各个影响因素进行校准。本发明通过先提取探测器的自身响应特性,当成像系统发生较大改变时(系统构成发生改变或几何布局发生改变),只需校准x射线的分布特性,从而实现快速校准和校正方法。

本发明的第一目的是获取探测器的内在的自身响应;

本发明的第二目的是为平板使用者提供一种x射线成像系统的快速校准方法,并通过简单的校正方法获得良好的图像质量。需要说明的是,对于除x射线源以后的其他射线源-探测器成像系统,同样可以采用本发明提供的校准原理进行系统快速校准及实际成像时的图像校正,对于其他射线源的成像系统的校准方法在此不再赘述。

在本发明的一个实施例中,提供了一种对探测器响应特性提前提取的方法,参见图2,所述方法包括以下流程:

s1、校准探测器的偏置响应,获取偏置响应参数。

具体获取偏置响应参数有以下两种方式,方式一如下,参见图3:

s111、根据探测器的工作温度范围,选取多个温度点,生成温度列表。

首先根据探测器常用的工作温度范围,每隔一定的温度间隔(温度间隔点最大不超过3摄氏度)选取一个温度点,生成温度列表。

s112、根据探测器使用的积分时间范围,选取多个积分时间点,生成积分时间列表。

根据探测器常用的积分时间点,按每隔一定比例选取一个积分时间点,生成积分时间列表。

生成温度列表和积分时间列表后,打开探测器,预热探测器,并根据温度列表,调整探测器的环境温度且等探测器的温度传感器的指示值达到指定的温度,使探测器工作一段时间达到稳定状态;根据积分时间列表,设置探测器的积分时间,使探测器在积分时间列表中的一个积分时间下工作一段时间至稳定状态(探测器的稳定状态表现为连续取一组暗场图像,其暗场图像均值的偏差在±3%范围内),采集若干周期的暗场图像,计算平均暗场图像。

s113、按照积分时间列表上的每个积分时间点对应各温度点进行探测器图像采集,得到该积分时间点下各温度点的若干张图像,得到平均暗场图像。

s114、根据所述平均暗场图像,以温度为变量,对图像各像素的灰度值进行拟合,得到该积分时间点下图像各像素的灰度值拟合方程,作为偏置响应参数。

即在方式一中的偏置响应参数是在积分时间为某一固定值的前提下,以温度为变量拟合得到的关于图像像素灰度值的方程,拟合模型可以采用一元多次多项式,以二次多项式举例,偏置响应参数为:

积分时间为t1,z=a1*x2+b1*x+c1,其中,x为温度,z为像素灰度值,a1、b1、c1为当前状态下拟合得到的参数;

s115、遍历所述积分时间列表,得到不同积分时间点下的偏置响应参数。

比如积分时间表内有n个积分时间,则对应得到n个偏置响应参数,参见下表1:

表1

基于此,对探测器的积分时间设置分档调节,每一档分别对应积分时间列表中的积分时间点,在使用平板探测器时,根据调节好的当前的积分时间,来匹配对应的拟合方程,即偏置响应参数,并存储。

方式二如下,参见图4:

s121、根据探测器的工作温度范围,选取多个温度点,生成温度列表。

s122、根据探测器使用的积分时间范围,选取多个积分时间点,生成积分时间列表。

s121和s122与方式一相同,在此不再赘述。

s123、按照所述温度列表和积分时间列表进行探测器图像采集,得到各温度点下各积分时间点的若干张图像,得到平均暗场图像。

重复s112若干次,求得在该温度点下各积分时间的平均暗场图像,并重复步骤s111至遍历完温度列表,求得各温度点下各积分时间的平均暗场图像,即得到各温度点下各积分时间点的平均暗场图像。

s124、根据所述平均暗场图像,以温度和积分时间为变量,对图像各像素的灰度值进行拟合,求得拟合方程,作为偏置响应参数存储,得到图像各像素的灰度值拟合方程,作为偏置响应参数。

与方式一中单独以温度为变量不同的是,在方式二中,同时以温度和积分时间为变量,拟合得到的关于图像像素灰度值的方程,拟合模型可以采用二元多次多项式,以二元二次多项式举例,偏置响应参数为:

z=ax2+by2+cx+dy+e,其中,x为温度,y为积分时间,z为像素灰度值,a、b、c、d、e为当前状态下拟合得到的参数,与方式一不同的是,基于方式二,探测器的积分时间无需设置分档,可以实现无级调节,而方式一较方式二具有的优点是拟合准确性较高。

需要说明的是,在方式一和方式二中举例的一元多次多项式/二元多次多项式只是举例说明的其中一种拟合模型,本发明的发明点在于提取探测器自身响应参数,并用于系统校准和图像校正的思想,而不限定于某一固定的拟合方式。

s2、校准探测器的增益响应,获取增益响应参数。

具体地,根据x射线成像系统的常用管电压值,选取各个管电压下相应的管电流时(mas)或管电流(ma)和曝光时间(ms),生成管电压-管电流时或管电压-管电流-曝光时间曝光参数,优先地,在某个管电压下,选取的管电流时(mas)或管电流(ma)和曝光时间(ms)对应的曝光图像的灰度值达到最大线性输出值的1/4~3/4之间;

通过调整成像系统的几何布局,使探测器中心和x射线中心尽可能对准,并使x射线源靶点即球管的靶中心距离探测器表面尽可能远。优先地,球管中心垂直线和球管中心到探测器表面最远点的连线的夹角小于球管靶角的一半或以上;

开启探测器,并使探测器工作在稳定状态;

根据探测器所应用的射线能量范围,生成射线质量列表;

在每一种射线质量下,选取曝光参数(在确定辐射质量的情况下,曝光参数的选取,使得该曝光参数下采集到的若干张曝光图像的灰度均值位于探测器最大线性灰度值的1/4~3/4),在所述曝光参数下采集若干张曝光图像,得到平均曝光图像,对每一平均曝光图像进行以下操作,参见图5:

s21、对所述平均曝光图像进行偏置校正,并进行灰度值归一化操作,得到增益图,所述增益图包括射线分布系数和探测器自身增益响应,该增益图即为归一化的x射线分布系数和归一化的探测器增益响应系数的乘积。

进行偏置校正有以下两种方式,一是利用上述偏置响应参数的拟合方程,对平均曝光图像进行偏置校正,二是连续取若干周期的暗场图像,求得平均暗场图像,利用平均曝光图像减去平均暗场图像进行偏置校正。

得到进行偏置校正后的图像各像素的平均灰度值或灰度中值;

将进行偏置校正后的图像除以所述平均灰度值或者灰度中值,得到所述增益图。

假设平均曝光图像为iexp,平均暗场图像为idark,x射线归一化分布系数为gx,当前曝光参数下的探测器增益响应为gdet,gdet是各器件的增益gdev的乘积,由探测器自身增益响应和x射线分布组成的增益图g如下表示:

s22、根据探测器各器件的增益响应特性,从所述增益图中提取单个器件的增益系数或多个器件的组合增益系数,得到剩余增益图。

探测器自身的增益响应参数是引起探测器各像素响应不一致性的各组成器件的响应参数的乘积。具体地,所述探测器各器件包括闪烁体、薄膜晶体管阵列及探测器的电子系统,所述探测器的电子系统比如扫描电路、读出电路等电子系统,比如读出电路中的放大电路和模数转换电路等。

具体地,所述从所述增益图中提取单个器件的增益或多个器件的组合增益的方法参见图6,包括以下流程:

s221、列出探测器各器件的增益响应数据,比较各器件与射线分布系数的提取特征强弱;

s222、将提取特征强于射线分布系数的一个或多个器件的增益系数从所述增益图中提取出来。

可从平均曝光图像中分离出特征较明显的器件的响应参数,再通过曲面拟合的方法拟合x射线的分布,实现x射线分布和探测器自身增益响应参数的分离。

根据探测器的响应特性,从增益图g中尽可能提取并除以探测器中单个器件的增益或多个器件的组合增益,得到剩余增益图。如图7所示,为x射线和探测器器件增益沿某一剖面方向的分布示意图,从图中可以看出,探测器器件a的增益分布特征最强,x射线分布特征次强,探测器器件b的增益分布特征弱于x射线分别,以图中情况为例,则将探测器器件a的增益系数从所述增益图中提取出来得到剩余增益图,再提取x射线分布系数,最后得到探测器器件b及其他器件的组合增益。

s23、根据剩余增益图和射线分布模型,拟合得到射线在探测器表面的射线分布系数。

基于s222中将探测器器件a的增益系数从所述增益图中提取出来,得到剩余增益图,结合射线分布模型,优先地,采用图像的横坐标和纵坐标为变量,对剩余增益图进行二次多项式拟合,得到x射线分布系数。比如x射线分布拟合方程如下:

z=ax2+by2+cxy+dx+ey+f,其中,x,y分别为各像素的横坐标和纵坐标,z为像素灰度值,拟合得到系数a、b、c、d、e、f,作为射线在探测器表面的射线分布系数。

s24、根据所述射线分布系数,从所述增益图中获取探测器自身增益响应。

从剩余增益图中根据x射线分布模型,拟合出x射线在探测器表面的分布系数gx,对增益图g除以x射线分布系数gx即可以获取当前射线质量下的较准确的探测器各像素的增益响应系数gdet。

s22中提取特征较强的器件增益系数是为了更好地拟合射线在探测器表面的射线分布系数,而射线分布系数又是为了最终得到探测器自身增益响应参数,具体如下:从所述增益图中提取x射线分布,即得到探测器自身增益响应特性参数。

遍历所述射线质量列表,重复执行s21-s24,即可得到各射线质量下图像各像素的探测器自身增益响应参数。提取出探测器增益响应系数后,将其保存至探测器中。

s3、提取探测器的坏像素集。

除了提取探测器自身偏置响应和增益响应特性参数外,在一个优选的实施例中,还包括提取探测器的坏像素集,坏像素集的提取过程如下:检测s1提取偏置响应过程生成的平均暗场图像和s2提取增益响应过程的平均曝光图像中响应明显和周围像素不同的点作为坏像素集。

至此,完成探测器自身响应特性的提取过程。

在本发明的一个实施例中,提供了一种基于探测器响应特性的成像系统校准方法,图1为由平板探测器14和x射线源组成的成像系统示意图,x射线源由高压发生器12和球管13组成。高压发生器12为球管13提供偏置高压以及灯丝电流,从而产生x射线。当探测器14接收到x射线,将其转换为电信号,并形成一幅二维的灰度图像,所述探测器14与工作站11进行双向通信。所述校准方法应用于当探测器和新的x射线源组成成像系统或者当探测器和x射线源的几何布局发生较大改变时,对成像系统进行快速校准,首先,使探测器处于稳定工作状态,并设定探测器进入快速校准模式,所述系统校准方法如图8所示,包括以下流程:

m1、根据预获取的探测器自身响应特性,加载探测器响应参数,所述探测器响应参数包括偏置响应参数和增益响应参数。

其中,获取探测器自身偏置响应参数的方法参见上述s1,获取探测器自身增益响应参数的方法参见上述s2。

m2、为当前系统设置射线质量,并选取曝光参数,并设置给设定x射线源,对探测器进行曝光并采集一张或多张曝光图像,得到平均曝光图像。

选取曝光参数的方法如上:在确定辐射质量的情况下,曝光参数的选取,使得该曝光参数下采集到的若干张曝光图像的灰度均值位于探测器最大线性灰度值的1/4~3/4。

m3、根据所述偏置响应参数,根据探测器的工作温度和积分时间对所述平均曝光图像进行偏置校正。

偏置校正的方法即为利用上述提取探测器偏置响应参数过程中拟合得到的方程,并结合当前探测器工作温度和积分时间状况,对所述平均曝光图像的各像素求取灰度值。

假设iavg(x,y)是进行偏置校正后的平均曝光图像,其灰度平均值为:

sum(i(x,y))/(width*height);

也就是对图像的所有像素灰度值求和后除以长和宽,即得到整张图像的平均值。

m4、对偏置校正后的图像进行灰度值归一化操作。

所述灰度值归一化操作包括:

得到进行偏置校正后的图像各像素的平均灰度值或灰度中值;

将进行偏置校正后的图像除以所述平均灰度值或者灰度中值,得到所述增益图g。

m5、根据所述增益响应参数,对图像进行探测器增益响应的校正。

即预先执行s2,得到的探测器增益响应参数gdet,这是探测器各器件的增益参数之积,与探测器的性能相关,因此,即使更换了新的对应的射线源或者成像系统的几何布局发生了较大变化,也不会改变探测器的增益响应参数。

m6、对校正后的图像进行曲面拟合,得到当前系统的归一化射线分布系数,完成对实际成像系统的校准。

根据g与gdet,结合公式g=gdet*gx,得到gx,即x射线分布系数,进一步根据x射线分布模型(同上,不再赘述),得到当前系统的归一化射线分布系数,此时完成对实际成像系统的校准。

上述所述的探测器和x射线源的几何布局是指x射线中心投射在探测器表面的位置和探测器中心的相对距离以及球管到探测器表面的距离。

在本发明的一个实施例中,提供了一种利用上述实施例记载的完成系统校准的成像系统的成像校准和校正的方法,如图9所示,包括以下流程:

j1、采集成像系统对成像物体的正常曝光图像,所述成像系统利用如上所述的校准方法完成系统校准;

j2、加载探测器偏置响应参数,根据探测器的工作温度和积分时间,对所述曝光图像进行偏置校正;

j3、加载探测器增益响应参数,结合当前的辐射质量,并与所述成像系统的归一化射线系数共同对完成偏置校正的图像进行增益校正。

优选地,在j3中采用与探测器和x射线源的几何布局最接近的x射线分布系数,用于j3中的增益校正。

在本发明的一个优选实施例中,所述图像校正方法优选还包括:

j4、对完成增益校正的图像进行坏像素校正。

提前提取的探测器响应参数还包括坏像素集,获取方法如下:通过从偏置响应过程生成的暗场图像和/或增益响应过程生成的曝光图像中提取与周围像素不同的点,作为坏像素点,并组成坏像素集。

进行坏像素校正时,加载探测器坏像素集,获取坏像素集中坏像素点的所在位置,对待校正图像上的相对应位置的像素进行校正,坏像素校正的目的是缩小坏像素点与周围像素的明显区别。

本发明通过提前提取探测器自身响应参数,使得平板使用者无需在使用前进行全面的校准,只需拍摄一至数张曝光图像,提取当前成像系统的x射线的分布系数,从而结合探测器自身响应系数即可完成对正常曝光图像的校正。

以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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