专利名称：医用ccd摄像机及相应的x光机曝光控制方法
技术领域：
本发明属于医学X光成像领域，涉及在X光成像中一种自动曝光控制方法和装置，特别涉及不需要传统光学信号反馈，基于曝光量预测计算的X光机自动曝光控制技术及相应的摄像机。
背景技术：
在X射线成像中，一般的说，射线剂量越大，图像的质量越好。但是，在另一个方面，剂量越大对患者的伤害也就越大。所以，自动曝光控制技术在X射线成像中占有极其重要的作用。
患者所受的X射线剂量主要由X光机的球管电压(kVp)，球管电流与设置时间的乘积(mAs)，球管与患者之间的距离，以及可能在球管与对象之间通路的任何衰减来决定。其中，在自动曝光控制中，主要调节mAs。
X光成像主要分三种模式，透视成像，点片成像，造影成像。本发明中主要关注点片成像与造影成像；在点片成像或者造影成像时，有两种传统的控制方法，一种是在曝光开始后，通过电离室(Ionization chamber)，探测X射线的强度，此强度被转化为一电流值，通过积分器积分后，与预先设定的一个电压值比较，如果大于此电压值，则发曝光结束给X线控制器，终止X光机曝光，这种方法一般为胶片成像所用。第二种方法是在影像增强器后端，用光电倍增管(photodetector)来探测光强，其后的方法和上述方法相同。这方法一般为摄像机成像所采用。曝光控制方法有几个的缺点首先，电离室和光电倍增管的加入增加了整个X光机的复杂度。其次，电离室和光电倍增管的成本都比较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种医用CCD摄像机及相应的X光机曝光控制方法，直接控制X线控制器，完成了曝光控制功能，简化了X光机的连接，能够有效的降低X光机复杂度和成本。
本发明的技术方案是这样实现的一种控制X光机曝光的摄像机，包括CCD芯片、读出电路、模数转换电路、时序控制模块、计算模块；摄像机镜头将X光机的影像成像器输出光学聚焦在CCD芯片，CCD芯片的模拟信号输出连接到模数转换电路上，读出电路由电平转换芯片构成，输出连在CCD芯片上；模数转换电路，由可变增益放大器和模数转换器组成，此模块一路输出接在计算模块上，一路输出作为摄像机的输出；计算模块由软件编程在数字信号处理芯片上实现，此模块输出接到时序控制模块；时序控制模块接收X光机控制面板的输入，时序控制模块的输出接到X线控制器，读出电路和模数转换电路；X线控制器连接到X线发生器；X线发生器发出X线，影像成像器将X光线转为可见光线。
所述的时序控制模块包括控制器、计数器、时钟发生器、快速转移时序发生模块、正常转移时序发生模块、读出信号发生模块、衬底信号发生模块、多路选择器；X光机控制面板输入到控制器，控制器分别输出到计数器、多路选择器、X线控制器、模数转换电路；时钟发生器输出到模数转换电路和计数器；计算模块输入到计数器，计数器分别输出到控制器、快速转移时序发生模块、正常转移时序发生模块、读出信号发生模块、衬底信号发生模块；快速转移时序发生模块和正常转移时序发生模块都输出到多路选择器；多路选择器、读出信号发生模块和衬底信号发生模块都输出到读出电路。快速转移时序发生模块根据计数器的计数值，产生CCD的水平转移与垂直转移时序，并且产生CCD芯片在垂直方向并列vertical combining的转移时序，此模块的垂直转移时序中的垂直转移时钟的有效电平持续时间比正常的垂直转移数据到下一行中的时间要短100到1000倍之间，称此模块发出的时序称为快速转移时序；正常转移时序发生模块根据计数器的计数值，产生CCD芯片的水平转移与垂直转移时序，此模块的垂直转移方向不进行并列，此垂直转移时序中的转移时钟的转移有效电平持续时间为1-10微秒；称此模块发出的时序为正常转移时序；读出信号发生模块根据计数器的计数值，产生读出信号连接到读出电路，读出信号可以在计数器的控制下改变读出信号有效电平的持续时间；衬底信号发生模块，根据计数器的计数值，产生衬底信号；多路选择器连接快速转移时序发生模块，正常转移时序发生模块，根据控制器的选择，将其中的一路信号作为输出信号发出；利用上述摄像机控制X光机曝光的方法分四种方法一包括X光机的两次曝光中，CCD在相应的时间内曝光两次，其中X光机的第一次曝光时间小于1毫秒，称为预曝光，第二次曝光称为正式曝光，此方法的CCD芯片可以使用行间转移CCD和帧转移CCD，称此方法为预曝光方法，步骤如下1)操作控制面板设定X线控制器，根据和照射部位给出球管电流mA，球管电压kVp产生X射线；同时，摄像机时序控制模块发衬底信号开始CCD的曝光，此次X光机的曝光和CCD的曝光称为预曝光；2)经过小于1毫秒的时间后，时序控制模块发曝光停止信号到X线控制器，控制X光机停止产生X射线，同时，时序控制模块[4]发读出信号，结束CCD曝光；预曝光结束；3)时序控制模块发出快速转移时序到读出电路，读出电路产生驱动CCD芯片的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路，模数转换电路将CCD的模拟电平输出转为数字图像信号，产生预曝光图像；4)摄像机计算模块通过预曝光图像，计算出X光机正式曝光所需的曝光时间反馈给时序控制模块；5)时序控制模块发曝光开始信号到X线控制器，X光机开始正式曝光，同时，时序控制模块发衬底信号，CCD芯片开始正式曝光；6)时序控制模块当设定的曝光时间到达时，发曝光结束信号到X线控制器，结束X光机曝光；同时，时序控制模块发读出信号，结束CCD此次曝光；7)时序控制模块发出正常转移时序到读出电路，读出电路产生驱动CCD芯片的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路，模数转换电路将CCD的模拟电平输出转为数字图像信号，产生输出图像。
所述的X光机曝光控制方法的计算模块通过预曝光图像计算出X光机正式曝光所需的曝光时间包括以下步骤1)从预曝光图像，取得图像的特征灰度；特征灰度的计算有如下方法i.计算整幅图像的平均灰度值；ii.在图像上设定1到10个感兴趣区域，计算感兴趣区域的平均图像灰度值；iii.设定感兴趣区域和其周围图像灰度的加权系数，计算感兴趣区域和其周围图像的加权平均；2)通过公式(1)，计算出X光机的正式曝光时间Ttotal=EmEpre*Tpre---(1)]]>其中，Em代表CCD达到最大动态范围时输出图像的平均灰度，Epre代表预曝光图像的特征灰度，Tpre代表X光机预曝光的时间；Ttotal表示X光机正式曝光的时间。
方法二包括X光机的一次曝光和CCD的两次曝光，此方法的CCD芯片可以使用行间转移CCD和帧转移CCD，称此方法为短曝光方法，包括以下步骤1)操作X光机控制面板设定X线控制器，根据照射部位给出mA，kVp产生X射线；同时，时序控制模块发衬底信号开始CCD的本次曝光；此次CCD的曝光称为短曝光；2)经过小于1毫秒的时间后，时序控制模块发读出信号，结束CCD芯片此次积分时间，结束CCD曝光；短曝光结束；3)时序控制模块针对CCD芯片的种类，输出不同的信号；对于行间转移CCD，时序控制模块产生读出信号到读出电路，读出电路产生读出电平，驱动行间转移CCD的电荷从像素转移到垂直转移寄存器；对于帧转移CCD，时序控制模块产生快速转移时序到读出电路，读出电路产生垂直转移时钟，驱动CCD电荷从成像区转移到存储去；4)时序控制模块发衬底信号开始CCD正式曝光的积分；5)时序控制模块发出快速转移时序到读出电路，读出电路产生驱动CCD芯片的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路，模数转换电路将CCD的模拟电平输出转为数字图像信号，产生短曝光图像；6)计算模块通过短曝光图像，计算出此次X光机曝光所需的曝光时间反馈给时序控制模块；7)时序控制模块当曝光时间到达时，发曝光结束信号到X线控制器，结束X光机曝光，同时，时序控制模块发读出信号，结束CCD曝光；8)时序控制模块发出正常转移时序到读出电路，读出电路产生驱动CCD芯片的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路，模数转换电路将CCD的模拟电平输出转为数字图像信号，产生输出图像。
在此X光机曝光控制方法中，计算模块通过短曝光图像计算X光机曝光时间的计算方法，包括以下几个步骤1)从短曝光图像，取得图像的特征灰度；特征灰度的计算方法如下i.计算整幅图像的平均灰度值；ii.在图像上设定1到10个感兴趣区域，计算感兴趣区域的平均图像灰度值；iii.设定感兴趣区域和其周围图像灰度的加权系数，计算感兴趣区域和其周围图像的加权平均；2)通过公式(2)，计算出X光机此次曝光总的曝光时间Ttotal=EmEshort*Tshort---(2)]]>
其中，Em代表CCD达到最大动态范围时输出图像的平均灰度，Eshort代表短曝光图像的特征灰度，Tshort代表取得短曝光图像时，X光机已经曝光的时间；Ttotal表示X光机总的曝光需要进行的时间；方法三包括CCD的两次读出过程，其中第一次读出中的读出信号的有效持续时间在0.1微秒以下，称此次读出为弱读出，后一次读出信号的有效电平持续时间在5到100微秒之间，称这次读出为正常读出；此方法的CCD芯片只能使用行间转移CCD；称这种方法为一次弱读出方法，步骤如下1)操作X光机控制面板设定X线控制器，根据照射部位给出mA，kVp，产生X射线；同时，时序控制模块发衬底信号开始CCD的本次曝光；2)经过1-5毫秒的时间后，时序控制模块发一个有效电平持续0.1微秒以下的读出信号，驱动CCD像素中电荷1％以下的一部分转移到垂直转移寄存器中；此次读出称为弱读出；3)时序控制模块发出快速转移时序到读出电路，读出电路产生驱动CCD芯片的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路，模数转换电路将CCD的模拟电平转为数字图像信号，产生弱读出图像；4)计算模块通过弱读出图像，计算出此次X光机曝光所需的曝光时间反馈给时序控制模块；5)时序控制模块的曝光时间到达时，发曝光结束信号到X线控制器，结束X光机曝光，同时，时序控制模块发正常的读出信号，结束CCD曝光；6)时序控制模块发出正常转移时序到读出电路，读出电路产生驱动CCD芯片的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路，模数转换电路将CCD的模拟电平转为数字图像信号，产生输出图像。
摄像机计算模块通过弱读出图像，计算出X光机曝光时间的计算方法，包括以下步骤1)从弱读出图像，取得图像的特征灰度；特征灰度的计算有如下方法
i.计算整幅图像的平均灰度值；ii.在图像上设定1到10个感兴趣区域，计算感兴趣区域的平均图像灰度值；iii.设定感兴趣区域和其周围图像灰度的加权系数，计算感兴趣区域和其周围图像的加权平均；2)通过公式(3)，(4)计算出本次X光机曝光所需时间Epre=τt*Er---(3)]]>Ttotal=EmEpre*Tpre---(4)]]>其中，Epre代表取得弱读出图像时刻，CCD像素的特征灰度；τ代表正常读出中读出信号有效电平持续时间；t代表弱读出中读出信号有效电平持续时间；Er代表弱读出图像的特征灰度；Em代表CCD达到最大动态范围时输出图像的平均灰度，Tpre代表取得弱读出图像时，X光机已经曝光的时间；Ttotal表示X光机总的曝光时间；方法四包括X光机的一次曝光，CCD的三次读出，其中前两次读出为弱读出，后一次为正常读出；此方法的CCD芯片只能使用行间转移CCD，称这种方法为二次弱读出方法，步骤如下1)操作X光机控制面板设定X线控制器，根据照射部位给出mA，kVp，产生X射线。同时，摄像机时序控制模块发衬底信号开始CCD的本次曝光；2)经过1-5毫秒的时间，时序控制模块发一个有效电平持续时间0.1微秒以下的读出信号，将此时CCD像素中积累的电荷1％以下的一部分转移到垂直转移寄存器中，称此次读出为第一次弱读出；3)时序控制模块发出快速转移时序到读出电路，读出电路产生驱动CCD芯片的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路，模数转换电路将CCD的模拟电平转为数字图像信号，产生第一次弱读出图像；4)再经过1-5毫秒时间，时序控制模块发一个持续时间为0.1微秒以下的读出信号，将此时CCD像素中积累的电荷1％以下的一部分转移到垂直转移寄存器中，此次读出称为第二次弱读出；5)时序控制模块发出快速转移时序到读出电路，读出电路产生驱动CCD芯片的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路，模数转换电路将CCD的模拟电平输出转为数字图像信号，产生第二次弱读出图像；6)计算模块通过两次弱读出图像，计算出X光机总的曝光时间反馈给时序控制模块；7)时序控制模块当设定的曝光时间到达时，发曝光结束信号到X线控制器，结束X光机曝光，同时，时序控制模块发正常的读出信号，结束CCD曝光；8)时序控制模块发出正常转移时序到读出电路，读出电路产生驱动CCD芯片的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路，模数转换电路[3]将CCD的模拟电平转为数字图像信号，产生输出图像。
所述的计算模块通过两幅弱读出图像，计算X光机曝光时间的方法，步骤如下1)从弱读出图像，取得图像的特征灰度；特征灰度的计算有如下方法i.计算整幅图像的平均灰度值；ii.在图像上设定1到10个感兴趣区域，计算感兴趣区域的平均图像灰度值；iii.设定感兴趣区域和其周围图像灰度的加权系数，计算感兴趣区域和其周围图像的加权平均；2)通过公式(5)，(6)，(7)计算出本次X光机曝光所需时间E0=τt0*Er0---(5)]]>
E1=τt1*Er1---(6)]]>Ttotal=(Em-E1)*(T1-T0)E1-E0+T1---(7)]]>其中，E0，E1分别代表第一次，第二次弱读出时刻，CCD像素的特征灰度；t0，t1分别代表第一次，第二次弱读出中读出信号有效电平持续时间；τ代表正常读出中读出信号有效电平持续时间；Er0，Er1分别代表第一次，第二次弱读出图像的特征灰度；T0，T1分别代表第一次，第二次弱读出时刻X光机的曝光时间；Em代表CCD达到最大动态范围时输出图像的平均灰度；Ttotal表示X光机总的曝光时间。
本发明利用短曝光、预曝光、一次弱读出，二次弱读出方法，可以计算本次X光机曝光的曝光结束时间。本发明X光机曝光控制方法中和X线控制器的接口和传统X光机曝光控制控制接口基本一致。CCD快速读出方法可以使得预曝光，短曝光，弱读出等过程可以在1到几个毫秒时间内完成。现有的各种嵌入式计算芯片，包括DSP，ARM，FPGA，使计算模块，时序控制模块等电路有广泛的选择余地，并且有强大的计算能力，能够在亚毫秒级的时间内根据计算出X光机的曝光时间。
本发明利用CCD摄像机控制X光机曝光的控制方法，对于降低X光机的复杂度，提高X光机成像质量，降低患者所受的辐射量有着重大的作用。
图1本发明的系统功能框图。
图2时序控制模块框图。
图3预曝光方法时序图。
图4短曝光方法时序图。
图5一次弱读出方法时序图。
图6二次弱读出方法时序图。
图7行间转移CCD的结构图。
图8帧转移CCD的结构图。
图9行间转移CCD快速转移时序图。
图10帧转移CCD快速转移时序图。
附图为本发明的具体实施例；下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施例方式
如图1所示，虚线框内部为CCD摄像机，该摄像机由以下模块构成1)CCD芯片1CCD芯片1用于将影像成像器的光学信号转变为模拟电信号；摄像机镜头将X光机影像成像器输出光学聚焦在CCD芯片1，CCD芯片1的模拟信号输出到模数转换模块3上，CCD芯片1的转移电平输入来自读出电路2；在本发明的摄像机中，采用的CCD芯片是柯达公司的行间转移CCD，型号名称KAI-1020M，分辨率为1004×1004；行间转移CCD适用于本发明的所有控制方法，帧转移CCD适用于本发明的预曝光方法和短曝光方法。
2)读出电路2读出电路2由电平转换芯片构成，电平转换芯片连接在时序控制模4上，将时序控制模块4的发出的时序电平，这些电平包括垂直转移时钟，水平转移时钟，读出信号电平，衬底信号电平，转换到符合CCD芯片1驱动的电平信号，输出到CCD芯片1；本发明的摄像机中，读出电路由德州仪器(TI)公司的电平转换芯片SN74ALVC164245构成，此芯片将时序控制模块发出的3.3V电平，转为5V电平；3)模数转换电路3模数转换电路3由可变增益放大器和模数转换器组成，可变增益放大器连接在CCD芯片1的输出端，CCD芯片1输出通过可变增益放大器后输入到模数转换器中；模数转换器一路输出连接到计算模块5，此路输出的是预曝光，短曝光，一次弱读出，二次弱读出图像；另一路输出是最后曝光的图像输出，此路输出作为摄像机输出；本发明的摄像机中，模数转换器采用的是TI公司的ADS807芯片，可将模拟输入转为12位精度的数字信号；可变增益放大器用的是模拟仪器公司(ANALOG DEVICE)的AD8330芯片；4)时序控制模块4时序模块由软件编程数字信号处理芯片上实现。时序控制模块4和X光机的X光机控制面板20连接，操作员可以通过X光机控制面板20设置时序控制模块4的参数，在预曝光方法，短曝光方法，一次弱读出方法，二次弱读出方法中选择一种曝光控制方式，并且能够控制整个摄像机的开启/关闭；时序控制模块4和X线控制器21连接，发送曝光开始/结束信号，控制X光机曝光的开始和结束；时序控制模块4的输出连接到读出电路2，发送的信号包括垂直转移信号，水平转移信号，读出信号，衬底信号；时序控制模块4发送可变增益放大器的增益控制信号和模数转换器的转换时钟到模数转换电路3；计算模块5的输出连接到此模块，用于控制X光机的曝光控制时间；本发明的摄像机中时序控制模块4是由VHDL编程，在FPGA芯片上实现。
5)计算模块5计算模块5由软件编程在数字信号处理芯片上实现，此模块实现公式(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)的计算方法；此模块的输入连接在模数转换电路[3]的一路输出上，接受预曝光，短曝光，一次弱读出，二次弱读出图像，输出连接在时序控制模块4，用于控制X光机曝光时间。本发明的摄像机中，此模块由VHDL编程，在FPGA芯片上实现。
如图2所示，时序控制模块4由大实线框内模块构成，包括以下功能模块1)控制器6控制器6接受X光机控制面板的参数设置，操作员可以通过控制面板设置时序控制模块的参数，在预曝光方法，短曝光方法，一次弱读出方法，二次弱读出方法中选择一种曝光控制方式，并且能够控制整个摄像机的开启/关闭；控制器6根据计数器7的计数值和从计算模块5返回的曝光时间信号，输出曝光开始/结束信号到X线控制器；控制器6输出放大器增益控制信号到模数转换电路3的可变增益放大器；控制器输出复位、清零、置位、计数开始\停止信号到计数器7；输出选择信号到多路选择器13，选择输出为快速时序发生模块9或正常时序发生模块10；本发明的摄像机中，控制器6发往模数转换电路的转换时钟可在20MHZ-40MHZ之间变化，可变增益放大器的增益范围在0-30DB之间变化。
2)计数器7计数器7的分别计数值输出到控制器6、快速转移时序发生模块9、正常时续发生模块10、读出信号发生模块11、衬底信号发生模块12；计数器7的计数时钟来自时钟发生器8；计算模块5的计算结果输入到计数器，设置计数器的计数值；计数器有同步\异步复位、置位、时钟使能、计数使能等功能，这些功能都受控制器6控制；3)时钟发生器8此模块发出时钟到计数器7和模数转换电路3，此模块是整个摄像机中最基本的时钟模块，所有的时序信号都由这个时钟发生器所控制；本发明的摄像机中，此模块由FPGA中的锁相环实现；4)快速转移时序发生模块9此模块根据计数周期信息，产生CCD的水平转移与垂直转移时序，并且产生CCD在垂直方向并列(vertical combining)的转移时序；此模块的垂直转移时序中的垂直转移时钟的有效电平持续时间比正常的垂直转移数据到下一行中的时间要短一定的比例；这个比例可设定在100到1000之间；称此模块发出的时序称为快速转移时序；在本发明的摄像机中，快速转移时序发生器9发快速转移时序，其垂直方向为每62行并一行，最后不足62的行丢弃，最后将整幅图像并列为16行；本发明的摄像机正常转移时的垂直转移时钟的有效电平持续时间的为3.6微秒，在快速转移中，此时间为72纳秒；5)正常转移时序发生模块10此模块根据计数器7的计数值，产生CCD芯片1的水平转移与垂直转移时序；此模块的垂直转移方向不进行并列，而是将图像一行一行的转移到CCD芯片1水平转移寄存器17中；此垂直转移时序中的转移时钟的转移有效电平持续时间较长；这个时间的范围为几个微秒；称此模块发出的时序为正常转移时序；6)读出信号发生模块11此模块根据计数器7的计数值，产生读出信号到读出电路2；读出信号可以在计数器的控制下改变读出信号有效电平的持续时间；本发明的摄像机中，正常读出的读出信号有效电平持续时间为8到15微秒，弱读出方法中，此读出信号有效电平持续时间为50纳秒；7)衬底信号发生模块12此模块根据计数器7的计数值，产生CCD芯片1的衬底信号，输出到读出电路2；8)多路选择器13多路选择器13连接快速转移时序发生模块9，正常转移时序发生模块10，根据控制器6的选择，将其中的一路信号作为输出信号发出到读出电路2；如图3所示，预曝光方法中X光机曝光两次，CCD芯片1在相应的时间内曝光两次。预曝光方法的具体过程如下1)操作员操作X光机控制面板20设定X线控制器22，根据病人体态和照射部位给出球管电流mA，球管电压kVp产生X射线；同时，时序控制模块4发衬底信号给CCD芯片1，开始CCD芯片1曝光。此次X光机的曝光和CCD芯片1的曝光称为预曝光；2)经过T0时间，T0取值在1毫秒以下，时序控制模块4发曝光停止信号，控制X光机停止产生X射线，同时，该模块发读出信号，结束CCD芯片1曝光。预曝光结束。
3)时序控制模块4发出快速转移时序到读出电路2，读出电路2产生驱动CCD芯片1的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片1中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路3，模数转换电路3将CCD芯片1的模拟电平输出转为数字图像信号，产生预曝光图像；
4)计算模块5通过预曝光图像，利用公式(1)计算出X光机正式曝光所需的曝光时间T2，计算模块5将T2发给时序控制模块4；(3)，(4)两步骤必须在T1时刻，也就是X光机停止曝光的时刻内完成；T1是预曝光图像转移所花费的时间和计算模块计算过程所花费时间的和；5)时序控制模块4发曝光开始信号到X线控制器21，X线发生器22开始以mA，kVp产生射线，同时，时序控制模块4发衬底信号，开始正式曝光；6)时序控制模块4当T2时间结束，发曝光结束信号到X线控制器21，结束X光机曝光；同时，时序控制模块4发读出信号，结束CCD芯片1此次曝光；7)时序控制模块4发出正常转移时序到读出电路2，读出电路2产生驱动CCD芯片1的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片1中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路3，模数转换电路3将CCD的模拟电平转为数字图像信号，产生输出图像；如图4所示，短曝光方法中X光机曝光一次，CCD曝光两次，具体过程如下1)操作X光机控制面板20设定X线控制器21，根据照射部位给出mA，kVp产生X射线；同时，时序控制模块4发衬底信号开始CCD芯片1的本次曝光；此次CCD芯片1的曝光称为短曝光；2)经过T0时间，T0取值在1毫秒以下，时序控制模块4发读出信号，结束CCD芯片1此次积分时间，结束CCD芯片1曝光；短曝光结束；此时，X线发生器22不停止工作；3)时序控制模块4针对CCD芯片1的种类，输出不同的信号；对于行间转移CCD，时序控制模块4产生读出信号到读出电路2，读出电路2产生读出电平，驱动行间转移CCD的电荷从像素15到垂直转移寄存器14；对于帧转移CCD，时序控制模块4产生快速转移时序到读出电路2，读出电路2产生垂直转移时钟，驱动CCD电荷从成像区18转移到存储区19；T1为完成上述过程所需的时间；4)时序控制模块4发衬底信号开始CCD芯片1正式曝光的积分；5)时序控制模块4发出快速转移时序到读出电路2，读出电路2产生驱动CCD芯片1的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片1中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路3，模数转换电路3将CCD的模拟电平输出转为数字图像信号，产生短曝光图像；6)计算模块5通过短曝光图像，利用公式(2)可计算出整个X光机曝光所需时间，此时间减去T0，T1，既可以得到X光机还需曝光的时间T2，计算模块5将T2发送到时序控制模块4；7)时序控制模块4在T2结束时，发曝光结束信号到X线控制器21，结束X光机曝光。同时，时序控制模块4发读出信号，结束CCD芯片1曝光；8)时序控制模块4发出正常转移时序到读出电路2，读出电路2产生驱动CCD芯片1的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片1中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路3，模数转换电路3将CCD芯片1的模拟电平输出转为数字图像信号，产生输出图像。
如图5所示，一次弱读出控制方法中，X光机曝光一次，CCD曝光一次但是有两次读出过程，步骤如下1)操作X光机控制面板20设定X线控制器21，根据照射部位给出mA，kVp，产生X射线；同时时序控制模块4发衬底信号开始CCD芯片1的本次曝光；2)经过T0时间，T0取值为1-5毫秒，时序控制模块4发一个有效电平持续t的读出信号，驱动CCD芯片1像素15积累电荷1％以下的一部分转移到垂直转移寄存器中；t取值在0.1微秒以下；此次读出称为弱读出；3)时序控制模块4发出快速转移时序到读出电路2，读出电路2产生驱动CCD芯片1的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片1中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路3，模数转换电路3将CCD芯片1的模拟电平输出转为数字图像信号，产生弱读出图像；4)摄像机计算模块5通过弱读出图像，利用公式(3)，(4)计算出此次X光机曝光所需的曝光时间，此时间减去T0既是X光机还需曝光时间T1，计算模块5将T1发送到时序控制模块4；5)时序控制模块4当T1结束时，发曝光结束信号到X线控制器21，结束X光机曝光。同时，时序控制模块4发有效电平持续时间为τ的读出信号，结束CCD曝光；τ取值5到100微秒；6)时序控制模块4发出正常转移时序到读出电路2，读出电路2产生驱动CCD芯片1的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片1中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路3，模数转换电路3将CCD芯片1的模拟电平输出转为数字图像信号，产生输出图像。
如图6所示，二次弱读出方法中，X光机曝光一次，CCD芯片1曝光一次但是有三次读出1)操作X光机控制面板20设定X线控制器21，根据照射部位给出mA，kVp，产生X射线。同时，摄像机时序控制模块4发衬底信号开始CCD芯片1的本次曝光；2)经过T0时间，T0取值1-5毫秒，时序控制模块4发一个有效电平持续时间t0的读出信号，将此时CCD芯片1像素15中积累的电荷1％以下的一部分转移到垂直转移寄存器14中；t0取值0.1微秒以下；称此次读出为第一次弱读出；3)时序控制模块4发出快速转移时序到读出电路2，读出电路2产生驱动CCD芯片1的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路3，模数转换电路3将CCD芯片1的模拟电平输出转为数字图像信号，产生第一次弱读出图像；
4)经过T1时间，摄像机读出时序模块发一个有效电平持续时间t1的读出信号，将此时CCD芯片1像素15中积累电荷1％以下的一部分转移到垂直转移寄存器14中；t1取值0.1微秒以下；此次读出称为第二次弱读出；5)时序控制模块4发出快速转移时序到读出电路2，读出电路2产生驱动CCD芯片1的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片1中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路3，模数转换电路3将CCD芯片1的模拟电平输出转为数字图像信号，产生第二次弱读出图像。
6)摄像机计算模块5通过两次弱读出图像，利用公式(5)，(6)，(7)计算出X光机总的曝光时间，此时间减去T0，T1既为X光机还需曝光的时间T2，计算模块5将T2发送到时序控制模块4；7)时序控制模块4当T2结束时，发曝光结束信号到X线控制器21，结束X光机曝光。同时，时序控制模块4发有效电平持续时间为τ的正常读出信号，结束CCD曝光；τ取值5-100微秒；8)时序控制模块4发出正常转移时序到读出电路2，读出电路2产生驱动CCD芯片1的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片1中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路3，模数转换电路3将CCD芯片1的模拟电平输出转为数字图像信号，产生输出图像。
如图7，图8所示，行间转移CCD的结构和帧转移CCD的结构的不同之处在于行间转移CCD不具备一个专门的存储区19，而是在像素15之间，存在垂直寄存器14，在垂直寄存器14内，输入光线被屏蔽。而帧转移CCD存在一个存储区19，在存储区内，输入光线被屏蔽。因为这两种CCD的结构不同，所以这两种CCD的快速转移时序有所不同。并且由于一次弱读出方法和二次弱读出方法需要垂直寄存器14，所以弱读出方法只适用于行间转移CCD。预曝光方法和短曝光方法中，这两种CCD都适用。
CCD快速转移的方法根据CCD芯片1的结构特点，分为行间转移CCD的快速转移方法和帧转移CCD的快速转移方法。对于行间转移CCD，摄像机时序控制模块4发读出信号将CCD像素15中的电荷转移到垂直转移寄存器14中之后，时序控制模块4发垂直转移时序和水平转移时序，将电荷转移出来。对于帧转移CCD，时序控制模块4发读出信号控制只是标志成像区18电荷转移到存储区19开始，接着时序控制模块4发垂直转移时序，将电荷从成像区18转移到存储区19，然后再转移出来。
行间转移CCD的快速转移方法包括以下步骤1)读出信号将CCD电荷从像素15转移到垂直转移寄存器中14。
2)垂直转移寄存器14以行为单位，在快速垂直转移时钟的作用下，将多行转移到水平转移寄存器17中。
3)水平转移寄存器17在水平转移时钟的作用下，通过放大器16将像素点输出。
帧转移CCD的快速转移方法包括以下步骤1)读出信号出现后，垂直转移时钟在快速垂直转移时钟的作用，以行为单位，将电荷从成像区18转移到存储区19。
2)在存储区，快速垂直转移时钟将存储区的多行转移到水平移位寄存器中。
3)水平转移寄存器在水平转移时钟的作用下，通过放大器16将像素点输出。
如图9所示，行间转移CCD快速转移方法应用于一个分辨率为M×N行间转移CCD记此图像为M*N，记垂直移动一次的时间Tv，水平转移一次时间记Th，则读出全部像素转移时间Ttotal可以用(8)式表示。
Ttotal＝M*Tv+M*N*Th(8)
为了减少像素转移时间，在本发明中，预曝光、短曝光、一次弱读出、二次弱读出图像的读出并不是一个一个像素点分别输出，而是将多行合并为一行读出，即将CCD的多行电荷都移到水平转移寄存器17中后，再读出。假设我们将A行合并后再读出，M/A＝X。这样，我们就得到一个X*N的图像，根据式(8)，我们可以看到第二项M*N*Th减少了A倍。CCD的转移时间主要由第二项决定。
在快速转移时序中，其垂直转移时钟的有效电平持续时间可以比正常转移中的垂直转移时钟的有效电平Tv小100到1000倍，记此时间为Tfast。这样，最后的预曝光读出时间Tpre_totalTpre_total＝M*Tfast+X*N*Th(9)如图10所示，帧转移行CCD快速转移方法应用于一个分辨率为M×N的帧转移CCD。
此处和行间转移CCD唯一的区别是帧转移CCD需要先将成像区的电荷快速转移到存储区，与图9的分析相同。最后的快速读出时间Tpre_totalTpre_total＝2*M*Tfast+X*N*Th(10)
权利要求
1.一种控制X光机曝光的摄像机，包括CCD芯片[1]、读出电路[2]、模数转换电路[3]、时序控制模块[4]、计算模块[5]；其特征在于，摄像机镜头将X光机的影像成像器[23]的输出光学聚焦在CCD芯片[1]，CCD芯片[1]的模拟信号输出连接到模数转换电路[3]上，读出电路[2]由电平转换芯片构成，输出连在CCD芯片[1]上；模数转换电路[3]，由可变增益放大器和模数转换器组成，此模块一路输出接在计算模块[5]上，一路输出作为摄像机的输出；计算模块[5]由软件编程在数字信号处理芯片上实现，此模块输出接到时序控制模块[4]；时序控制模块[4]和X光机的X线控制器[21]和X光机控制面板[20]连接；时序控制模块[4]输出到读出电路[2]和模数转换电路[3]；X线控制器[21]连接到X线发生器[22]；X线发生器[22]发出X线，影像成像器[23]将X光线转为可见光线。
2.根据权利1所述的控制X光机曝光的摄像机，其特征在于，所述的时序控制模块[4]包括控制器[6]、计数器[7]、时钟发生器[8]、快速转移时序发生模块[9]、正常转移时序发生模块[10]、读出信号发生模块[11]、衬底信号发生模块[12]、多路选择器[13]；X光机控制面板[20]输入到控制器[6]，控制器[6]分别输出到计数器[7]、多路选择器[13]、X线控制器[21]、模数转换电路[3]；时钟发生器[8]输出到模数转换电路[3]和计数器[7]；计算模块[5]输入到计数器[7]，计数器[7]分别输出到控制器[6]、快速转移时序发生模块[9]、正常转移时序发生模块[10]、读出信号发生模块[11]、衬底信号发生模块[12]；快速转移时序发生模块[9]和正常转移时序发生模块[10]都输出到多路选择器[13]；多路选择器[13]、读出信号发生模块[11]和衬底信号发生模块[12]都输出到读出电路[2]。
3.一种使用权利要求1的摄像机控制X光机曝光的方法，其特征在于，包括X光机的两次曝光中，CCD芯片[1]在相应的时间内曝光两次，其中X光机的第一次曝光为预曝光时间小于1毫秒，第二次曝光称为正式曝光，此方法的CCD芯片[1]可以使用行间转移CCD和帧转移CCD，步骤如下1)操作X光机控制面板[20]设定X线控制器[21]，根据照射部位给出球管电流mA，球管电压kVp产生X射线；同时，时序控制模块[4]发衬底信号开始CCD的曝光，此次X光机的曝光和CCD芯片[1]的曝光称为预曝光；2)经过小于1毫秒的时间后，时序控制模块[4]发曝光停止信号到X线控制器[21]，控制X光机停止产生X射线，同时，时序控制模块[4]发读出信号，结束CCD芯片[1]曝光；预曝光结束；3)时序控制模块[4]发出快速转移时序到读出电路[2]，读出电路[2]产生驱动CCD芯片[1]的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路[3]，模数转换电路[3]将CCD芯片[1]输出的模拟电平转为数字图像信号，产生预曝光图像；4)计算模块[5]通过预曝光图像，计算出X光机正式曝光所需的曝光时间反馈给时序控制模块[4]；5)时序控制模块[4]发曝光开始信号到X线控制器[21]，X光机开始正式曝光，同时，时序控制模块[4]发衬底信号，CCD芯片[1]开始正式曝光；6)时序控制模块[4]当设定的曝光时间到达时，发曝光结束信号到X线控制器[21]，结束X光机曝光；同时，时序控制模块[4]发读出信号，结束CCD芯片[1]此次曝光；7)时序控制模块[4]发出正常转移时序到读出电路[2]，读出电路[2]产生驱动CCD芯片[1]的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片[1]中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路[3]，模数转换电路[3]将CCD芯片[1]的模拟电平输出转为数字图像信号，产生输出图像。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的计算模块[5]通过预曝光图像计算出X光机正式曝光所需的曝光时间包括以下步骤1)从预曝光图像，取得图像的特征灰度；特征灰度的计算有如下方法i.计算整幅图像的平均灰度值；ii.在图像上设定1到10个感兴趣区域，计算感兴趣区域的平均图像灰度值；iii.设定感兴趣区域和其周围图像灰度的加权系数，计算感兴趣区域和其周围图像的加权平均；2)通过公式(1)，计算出X光机的正式曝光时间Ttotal=EmEpre*Tpre---(1)]]>其中，Em代表CCD芯片[1]达到最大动态范围时输出图像的平均灰度，Epre代表预曝光图像的特征灰度，Tpre代表X光机预曝光的时间；Ttotal表示X光机正式曝光的时间。
5.一种使用权利要求1的摄像机控制X光机曝光的方法，其特征在于，包括X光机的一次曝光，CCD芯片[1]的两次曝光，此方法的CCD芯片[1]可以使用行间转移CCD和帧转移CCD，包括以下步骤1)操作X光机控制面板[20]设定X线控制器[21]，根据和照射部位给出mA，kVp产生X射线；同时，时序控制模块[4]发衬底信号开始CCD芯片[1]的本次曝光；此次CCD芯片[1]的曝光称为短曝光；2)经过小于1毫秒的时间后，时序控制模块[4]发读出信号，结束CCD此次积分时间，结束CCD曝光；短曝光结束；3)时序控制模块[4]针对CCD芯片[1]的种类，输出不同的信号；对于行间转移CCD，时序控制模块[4]产生读出信号到读出电路[2]，读出电路[2]产生读出电平，驱动行间转移CCD的电荷从像素[15]到垂直转移寄存器[14]；对于帧转移CCD，时序控制模块[4]产生快速转移时序到读出电路[2]，读出电路[2]产生垂直转移时钟，驱动CCD电荷从成像区[19]转移到存储区[20]；4)时序控制模块[4]发衬底信号开始CCD芯片[1]正式曝光的积分；5)时序控制模块[4]发出快速转移时序到读出电路[2]，读出电路[2]产生驱动CCD芯片的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片[1]中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路[3]，模数转换电路[3]将CCD芯片[1]的模拟电平输出转为数字图像信号，产生短曝光图像；6)计算模块[5]通过短曝光图像，计算出此次X光机曝光所需的曝光时间反馈给时序控制模块[4]；7)时序控制模块[4]当设定的曝光时间到达时，发曝光结束信号到X线控制器[21]，结束X光机曝光，同时，时序控制模块[4]发读出信号，结束CCD芯片[1]曝光；8)时序控制模块[4]发出正常转移时序到读出电路[2]，读出电路[2]产生驱动CCD芯片[1]的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片[1]中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路[3]，模数转换电路[3]将CCD芯片[1]的模拟电平输出转为数字图像信号，产生输出图像。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算模块[5]通过短曝光图像计算X光机曝光时间的计算方法，包括以下几个步骤1)从短曝光图像，取得图像的特征灰度；特征灰度的计算方法如下i.计算整幅图像的平均灰度值；ii.在图像上设定1到10个感兴趣区域，计算感兴趣区域的平均图像灰度值；iii.设定感兴趣区域和其周围图像灰度的加权系数，计算感兴趣区域和其周围图像的加权平均；2)通过公式(2)，计算出X光机此次曝光总的曝光时间Ttotal=EmEshort*Tshort---(2)]]>其中，Em代表CCD芯片[1]达到最大动态范围时输出图像的平均灰度，Eshort代表短曝光图像的特征灰度，Tshort代表取得短曝光图像时，X光机已经曝光的时间；Ttotal表示X光机总的曝光需要进行的时间。
7.一种使用权利要求1的摄像机控制X光机曝光的方法，其特征在于，包括CCD芯片[1]的两次读出，其中第一次读出中的读出信号的有效持续时间在0.1微秒以下，称此次读出为弱读出，后一次读出信号的有效电平持续时间在5到100微秒之间，称这次读出为正常读出；称这种方法为一次弱读出方法，此方法的CCD芯片[1]可使用行间转移CCD，步骤如下1)操作X光机控制面板[20]设定X线控制器[21]，根据照射部位给出mA，kVp，产生X射线；同时，时序控制模块[4]发衬底信号开始CCD芯片[1]的本次曝光；2)经过1-5毫秒的时间后，读出时序模块[4]发一个有效电平持续0.1微秒以下的读出信号，驱动CCD芯片[1]像素[15]中电荷1％以下的一部分转移到垂直转移寄存器[14]中；此次读出称为弱读出；3)时序控制模块[4]发出快速转移时序到读出电路[2]，读出电路[2]产生驱动CCD芯片[1]的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片[1]中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路[3]，模数转换电路[3]将CCD芯片[1]的模拟电平输出转为数字图像信号，产生弱读出图像；4)计算模块[5]通过弱读出图像，计算出此次X光机曝光所需的曝光时间反馈给时序控制模块[4]；5)时序控制模块[4]当设定的曝光时间到达时，发曝光结束信号到X线控制器[21]，结束X光机曝光，同时，时序控制模块[4]发正常的读出信号，结束CCD芯片[1]曝光；6)时序控制模块[4]发出正常转移时序到读出电路[2]，读出电路[2]产生驱动CCD芯片[1]的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路[3]，模数转换电路[3]将CCD的模拟电平输出转为数字图像信号，产生输出图像。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，计算模块[5]通过弱读出图像，计算出X光机曝光时间的计算方法，包括以下步骤1)从弱读出图像，取得图像的特征灰度；特征灰度的计算有如下方法I.计算整幅图像的平均灰度值；II.在图像上设定1到10个感兴趣区域，计算感兴趣区域的平均图像灰度值；III.设定感兴趣区域和其周围图像灰度的加权系数，计算感兴趣区域和其周围图像的加权平均；2)通过公式(3)，(4)计算出本次X光机曝光所需时间Epre=τt*Er---(3)]]>Ttotal=EmEpre*Tpre---(4)]]>其中，Epre代表取得弱读出图像时刻，CCD像素[14]的特征灰度；τ代表正常读出中读出信号有效电平持续时间；t代表弱读出中读出信号有效电平持续时间；Er代表弱读出图像的特征灰度；Em代表CCD达到最大动态范围时输出图像的平均灰度，Tpre代表取得弱读出图像时，X光机已经曝光的时间；Ttotal表示X光机总的曝光时间。
9.一种使用权利要求1的摄像机控制X光机曝光的方法，其特征在于，包括CCD芯片[1]的三次读出，其中前两次读出为弱读出，后一次为正常读出；称这种方法为二次弱读出方法，此方法的CCD芯片[1]可使用行间转移CCD，步骤如下1)操作X光机控制面板[20]设定X线控制器[21]，根据照射部位给出mA，kVp，产生X射线，同时，摄像机时序控制模块[4]发衬底信号开始CCD芯片[1]的本次曝光；2)经过1-5毫秒的时间，时序控制模块[4]发一个有效电平持续时间0.1微秒以下的读出信号，将此时CCD芯片[1]像素[15]中积累的电荷1％以下的一部分转移到垂直转移寄存器[14]中，称此次读出为第一次弱读出；3)时序控制模块[4]发出快速转移时序到读出电路[2]，读出电路[2]产生驱动CCD芯片[1]的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片[1]中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路[3]，模数转换电路[3]将CCD芯片[1]的模拟电平输出转为数字图像信号，产生第一次弱读出图像；4)再经过1-5毫秒时间，读出时序模块发一个持续时间为0.1微秒以下的读出信号，将此时CCD芯片[1]像素[15]中积累的电荷1％以下的一部分转移到垂直转移寄存器[14]中，此次读出称为第二次弱读出；5)时序控制模块[4]发出快速转移时序到读出电路[2]，读出电路[2]产生驱动CCD芯片[1]的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片[1]中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路[3]，模数转换电路[3]将CCD芯片[1]的模拟电平输出转为数字图像信号，产生第二次弱读出图像；6)摄像机计算模块[5]通过两次弱读出图像，计算出X光机总的曝光时间反馈给时序控制模块[4]；7)时序控制模块[4]当设定的曝光时间到达时，发曝光结束信号到X线控制器[21]，结束X光机曝光，同时，时序控制模块[4]发正常的读出信号，结束CCD芯片[1]曝光；8)时序控制模块[4]发出正常转移时序到读出电路[2]，读出电路[2]产生驱动CCD芯片[1]的垂直转移时钟和水平转移时钟，CCD芯片[1]中电荷在转移时钟的驱动下，输出到模数转换电路[3]，模数转换电路[3]将CCD芯片[1]的模拟电平输出转为数字图像信号，产生输出图像。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，计算模块[5]通过两幅弱读出图像，计算X光机曝光时间的方法，步骤如下1)从弱读出图像，取得图像的特征灰度；特征灰度的计算有如下方法i.计算整幅图像的平均灰度值；ii.在图像上设定1到10个感兴趣区域，计算感兴趣区域的平均图像灰度值；iii.设定感兴趣区域和其周围图像灰度的加权系数，计算感兴趣区域和其周围图像的加权平均；2)通过公式(5)，(6)，(7)计算出本次X光机曝光所需时间E0=τt0*Er0---(5)]]>E1=τt1*Er1---(6)]]>Ttotal=(Em-E1)*(T1-T0)E1-E0+T1---(7)]]>其中，E0，E1分别代表第一次，第二次弱读出时刻，CCD芯片[1]像素[15]的特征灰度；t0，t1分别代表第一次，第二次弱读出中读出信号有效电平持续时间；τ代表正常读出中读出信号有效电平持续时间；Er0，Er1分别代表第一次，第二次弱读出图像的特征灰度；T0，T1分别代表第一次，第二次弱读出时刻X光机的曝光时间；Em代表CCD芯片[1]达到最大动态范围时输出图像的平均灰度；Ttotal表示X光机总的曝光时间。
全文摘要
本发明公开了一种医用CCD摄像机及相应的X光机曝光控制方法，利用短曝光、预曝光、一次弱读出，二次弱读出方法，可以计算本次X光机曝光的曝光结束时间。X光机曝光控制方法中和X线控制器的接口和传统X光机曝光控制控制接口基本一致。CCD快速读出方法可以使得预曝光，短曝光，弱读出等过程可以在1到几个毫秒时间内完成。现有的各种嵌入式计算芯片，包括DSP，ARM，FPGA，使计算模块，时序控制模块等电路有广泛的选择余地，并且有强大的计算能力，能够在亚毫秒级的时间内根据计算出X光机的曝光时间。本发明降低X光机的复杂度，提高X光机成像质量，降低患者所受的辐射量有着重大的作用。
文档编号H04N5/232GK1811591SQ200610041869
公开日2006年8月2日 申请日期2006年3月2日 优先权日2006年3月2日
发明者牟轩沁, 邹屹洋 申请人:西安交通大学