专利名称：降低在像素化图像传感器中由吸收x射线光子导致的噪点的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及X射线成像，更具体地涉及组合使用闪烁器和像素化图像传感器来捕捉X射线图像的情况。
背景技术：
通常的做法是将闪烁器与图像传感器组合使用来捕捉X射线图像。在这种设置中，图像传感器置于闪烁器之后。然而，根据自然规律，闪烁器只能吸收所有进入闪烁器表面的X射线光子中的一部分。因此，大量未被吸收的X射线光子穿过闪烁器进而进入图像传感器。一些X射线光子在图像传感器中被吸收，这通常导致高噪点，其影响在吸收X射线光子的位置附近的一个或多个像素。为了达到尽可能最好的图像质量，在X射线成像中通常的要求可被理解为高分辨率(锐度)和低噪点之间的平衡。上述两个图像要求通常是对立的，以至于高分辨率通常伴随着高噪点，反之亦然。在不降低图像分辨率(锐度)的情况下，先前段落中阐明的由于在图像传感器中吸收X射线光子所产生的噪点不易被滤除。有时，由吸收X射线的玻璃制成的光学纤维板(FOP)置于闪烁器与图像传感器之间，以吸收穿过闪烁器的X射线光子，进而降低噪点。然而，此方案成本高昂，且增加该系统的厚度及重量，该方案大多数时候不是所期望的。
发明内容
本发明克服了现有技术的上述缺点及其他缺点。总体目标是通过降低在图像传感器中吸收X射线光子所产生的噪点，从而提供改进的图像质量。特别地，期望在保持图像分辨率(锐度)的同时，降低在图像传感器吸收X射线光子所产生的噪点。在第一方面，提供了一种用于降低在具有多个像素的图像传感器中由于吸收X射线光子所产生的噪点的方法。该方法基于识别受到吸收X射线影响的、所谓的热像素(hotpixel，黏附像素)；针对每个热像素，计算在热像素的像素邻域中不同方向上的方向梯度。该方法进一步涉及针对每个热像素，在具有最低梯度的多个方向中选择至少一个方向；以及针对每个热像素，基于在选定方向上邻域像素值来确定替换值。针对每个热像素，利用确定的替换值来替换热像素的值。这样，可以降低在图像传感器中吸收X射线光子所产生的噪点，而同时基本上保持图像的分辨率(锐度)。在第二方面，提供了一种用于降低在具有多个像素的图像传感器中吸收X射线光子所产生的噪点的装置。该装置被配置为识别受到吸收X射线影响的、所谓的热像素；并且被配置为针对每个热像素，计算在热像素的像素邻域中不同方向上的方向梯度。此外，该装置被进一步配置为针对每个热像素，选择除了具有最高梯度的方向之外的至少一个方向；并且被配置为针对每个热像素，基于在选定方向上邻域像素值来确定替换值。该装置也被配置为针对每个热像素，利用确定的替换值来替换热像素的值。也提供了 X射线传感器系统，其包括用于降噪的这种装置；以及X射线成像系统，其包括与图像传感器组合配置的闪烁器及用于降噪的装置。本发明大致上提供了以下优点能够利用小型轻质X射线传感器系统捕捉高分辨率、低噪点的X射线图像。本发明特别适合于以下技术应用牙科X射线、工业X射线应用及科学X射线应用。通过阅读以下详细描述，将理解本发明的其他优点。
通过参考结合了附图的以下描述，将充分理解本发明及其进一步的目的和优点，其中图IA至图IB示出了闪烁器和具有像素的图像传感器的截面，显示了希望的操作(图1A)及产生噪点的不希望过程(图1B)。图2是示出了用于降低在具有多个像素点的图像传感器中由于吸收X射线光子所产生的噪点的示例性方法的示意流程图。图3是示出了降噪装置的实施例的示意框图。图4是示出了整体X射线成像系统的实施例的示意框图。图5是典型设置的示例性框图，该典型设置包括闪烁器、图像传感器(A)、读出和控制电路(B)、图像处理电路(C)以及计算机(D)。右侧示出了可能的装置配置，其中连字符(“_”)表示装置间的分离。图6是显示了定义邻域尺寸、定义“热”像素标准、识别“热”像素、计算方向梯度、确定具有低或最低梯度的方向、确定“热”像素替换值的处理的示例性流程图。图7为像素邻域的俯视图，其中分析中心像素并将其与其邻近(最近以及距离一步)像素比较。图8为像素邻域的俯视图。在邻域中像素的不同图案/灰度示出了由于统计波动导致像素间信号水平变化的典型情况。图9是同一像素邻域的俯视图。具有部分吸收X射线的尖锐物体(例如，牙齿)覆盖最右边的两个像素列。基于邻域中像素值，计算针对每个方向的梯度。在该实施例中，指示了多个罗盘方向。图10是同一像素邻域的俯视图。基于在低或最低梯度的方向上的邻域值计算用于中心像素的替换值。
具体实施例方式在整个附图中，相同参考标号用于类似或对应的元件。将参考一些示例性且非限制的实施例描述本发明。图IA至图IB示出了 X射线成像的典型配置中的闪烁器及图像传感器。图IA示出了该配置的希望操作，其中在闪烁器10中吸收X射线并发光，在图像传感器20中吸收可见光。图IB示出了该配置的不希望的处理，其中X射线光子穿透闪烁器10并在图像传感器20中被吸收。该设置的期望操作如图IA所示闪烁器吸收X射线光子，并针对每个这种X射线光子在可见范围内发射光子暴(burst of photon，光子脉冲)，从而产生可被诸如电荷耦合装置(CCD)或CMOS成像传感器(CIQ的光敏图像传感器捕获的光图像。然而，闪烁器可能仅吸收进入闪烁器表面的一部分X射线光子。因此，如图IB所示，大量未被吸收的X射线光子穿过闪烁器并且持续至图像传感器。这些X射线光子的一部分被吸收于图像传感器，这通常导致对吸收X射线光子的位置附近的一个或多个像素产生影响的高噪点。基本思想是运用新型降噪滤波器或算法来降低在图像传感器中由于吸收X射线光子所产生的噪点，同时基本上保持图像的分辨率(锐度)。本发明的多个方面包含了用于降噪的方法和装置这两者。图2是示出了用于降低在具有多个像素的图像传感器中由于吸收X射线光子所产生的噪点的示例性方法的示意流程图。步骤Si包括识别受到吸收X射线影响的、所谓的热像素。步骤S2包括针对每个热像素计算在热像素的像素邻域中多个不同方向上的方向梯度。步骤S3包括针对每个热像素，在具有最低梯度的那些方向中选择至少一个方向。步骤S4包括针对每个热像素，基于在选定方向上邻域像素值来确定替换值。步骤S5包括针对每个热像素，利用确定的替换值来替换热像素的值。这样，可以降低在图像传感器中由于吸收X射线光子所产生的噪点，同时可基本上保持图像的分辨率(锐度)。例如，步骤Sl可包括如果像素的值与由邻域像素得到的代表总值偏离了预定程度，则将该像素识别为热像素。在特定实施例中，如果像素的值超出其邻域平均值达到预期统计波动确定的极限值以上，则将该像素识别为热像素。例如，步骤S2可包括针对每个方向，基于所考虑方向上的邻域像素值计算梯度。例如，步骤S3可包括选择具有最低梯度的方向，并且步骤S4则包括基于在具有最低梯度的方向上的邻域像素值确定替换值。图3是示出了降噪装置的实施例的示意框图。降噪装置30适于降低在图像传感器中由于吸收χ射线光子所产生的噪点。降噪装置30主要包括热像素识别单元31、梯度计算单元32、选择单元33、替换值确定单元；34及替换单元35。装置30被配置为识别受到吸收X射线影响的、所谓的热像素；并且被配置为针对每个热像素，计算在热像素的像素邻域中多个不同方向上的方向梯度。装置30被进一步配置为针对每个热像素选择除了具有最高梯度的方向之外的至少一个方向；并且被配置为针对每个热像素，基于在选定方向上邻域像素值来确定替换值。装置30也被配置为针对每个热像素，利用所确定的替换值替换热像素的值。因此，有利于至少排除具有最高梯度的方向，并且处理一个或多个剩余方向上的像素值，从而确定用于热像素的合适的替换值。换言之，可能期望在具有最低梯度的那些方向中选择至少一个方向，并基于在选定方向上邻域像素来确定替换值。 例如，装置30可以被配置为针对每个方向，基于所考虑方向上的邻域像素值计算梯度。
举例来说，装置30可以被配置为如果像素的值偏离由邻域像素得到的代表性总值达到一预定程度，则将该像素被识别为热像素。在特定实施例中，如果像素的值超过其邻域平均值达到由预期统计波动确定的极限值以上，则装置30将该像素识别为热像素。例如，装置30可以被配置为选择具有最低梯度的方向，并且被配置为基于具有最低梯度的方向上的邻域像素值确定替换值。优选地，降噪装置30被实现为降噪滤波器。例如，滤波器可实现为由合适的处理装置执行的降噪软件算法，或可替换地以硬件实现的降噪算法。本发明产生了与利用光学纤维板(FOP)所达到结果相类似的结果，因此在实现为用于被处理硬件执行的软件的情况下，可被看作“软-F0P”。图4是示出了整体X射线成像系统100的实施例的示意框图，该系统100包括闪烁器10、具有多个像素的图像传感器20、以及降噪装置30。典型地，整体X射线成像系统100也包括用于产生有用X射线图像的图像处理单元40。图像传感器20及降噪装置30可看作X射线传感器系统80。可替换地，降噪装置30可实现为图像处理单元40的一部分。因此，本发明还提供了 X射线传感器系统以及基于闪烁器、图像传感器及新型降噪滤波器/装置的X射线成像系统。换言之，本发明至少部分地涉及用于降低在图像传感器中由于吸收X射线光子所产生的噪点的滤波器或算法，同时基本上保持了图像的分辨率(锐度)。因此，由后处理滤波器代替传统的光学纤维板是可能的。如上所述，例如，滤波器可被实现为由诸如以下各项的合适的处理装置执行的降噪软件算法计算机或数字信号处理器(DSP)，和/或诸如现场可编程门阵列(FPGA)及可编程逻辑控制器(PLC)器件的任意可编程逻辑器件。可替换地，滤波算法可以硬件实现，例如通过使用特定用途集成电路(ASIC)技术。优选地，如上所述，滤波器实现了所谓的基于梯度的热像素过滤。分辨率(锐度)可被理解为调制传递函数(MTF)，因此，后处理降噪滤波器可看作MTF保留滤波器。图5是典型设置的示例性框图，包括闪烁器10、图像传感器20 (A)、读出和控制电路25 (B)、图像处理电路40 (C)以及计算机50(D)。右侧示出了可能的装置配置，其中连字符(“_”)表示装置间的分离。如此处所述，存在多种不同可能的装置配置。优选地，图像传感器20是具有多个像素的像素化图像传感器。例如，本发明的降噪装置30可以任意电路25、40、50(B、C和D)来实现，或是作为由诸如计算机50 (D)的处理装置执行的软件模块或是作为硬件电路。也应当理解，电路20和25 (A和B)可被集成。可替换地，电路25和40 (B和C)可被集成，或所有电路20、25和40 (A、B和C)可被集成。也可在计算机50⑶中集成电路25和/或40 (B和/或C)。电路25(B)及电路50(D)之间的直接链接“L”为可选的。在图5中，双向剪头表示双向或单向通
fn °图6是示出了定义邻域尺寸、定义“热”像素标准、识别“热”像素、计算方向梯度、确定具有低或最低梯度的方向、确定“热”像素的替换值的示例性流程图。在图6的特定实施例中，步骤Sll包括捕捉X射线图像。步骤S12包括定义期望的邻域尺寸(例如，5X5)。步骤S13包括定义用于识别“热”像素的标准。步骤S14包括仔细检查图像中的每个像素。在步骤S15中，研究像素是否为热像素。若不是(否)，则检查下一像素。如果像素是热像素(是)，该方法继续步骤S16至S19。步骤S16包括计算“热”像素的邻域的方向梯度。步骤S17包括确定具有低或最低梯度的方向。步骤S18包括基于在如此确定的方向上的像素值来确定“热”像素的替换值。步骤S19包括用如此确定的替换值来替换“热”像素的值。针对最接近于图像边缘的像素，可以使用减少的邻域尺寸。图7到图10示出了具有尺寸为5X5像素的邻域的实施例及覆盖了最右侧两列的尖锐物体。图7是像素邻域的俯视图，其中，中心像素被分析并将其与其邻近(最近的以及距离一步的)像素比较。图8是像素邻域的俯视图。在邻域中像素的不同图案/灰度示出了由于统计波动导致的像素间信号变化的典型情况。如果中心像素的值超出其邻域达到预期统计波动确定的极限值以上，则该像素被确定为“热”，表明在此像素(或附近)吸收了 X射线光子。若通过该处理，中心像素被确定为“热”，其值将由基于邻域中像素值的计算结果来替代。在下文中，假设该实施例中的中心像素为“热”。图9是同一像素邻域的俯视图。部分吸收X射线的尖锐物体(例如，牙齿)覆盖了最右边的两个像素列。基于邻域中像素值来计算每个方向上的梯度。在该实施例中，示出了基本罗盘方向(N、S、W、E)。自然地，如(SW-NE.SE-NW)所示，也可考虑对角方向。可基于除了最高梯度的方向之外的方向上的邻域值来计算用于中心像素的替换值。通过这样，可避免尖锐边缘及精细物体的模糊，从而可在降低噪点的同时保持图像的分辨率(锐度)。图10是同一像素邻域的俯视图。在该实施例中，基于在低或最低梯度的方向上的邻域值计算针对中心像素的替换值。图10的实施例示出了在替换像素值之前(左)、之后(右)的中心像素。在该实施例中，由S-N方向(最低梯度的方向)上的邻域像素值确定该替换值。典型地，针对图像中的每个像素重复上述步骤。自然地，所考虑的邻域尺寸可能不同于所示的5X5邻域；可以考虑较小以及较大的邻域面积。同样地，对于最接近图像边缘的像素，可以使用减少的邻域尺寸。上述实施方式可理解为本发明的几个示例性实施例。本领域技术人员应理解在未偏离本发明的范围的情况下可以进行各种修改、组合及变化。特别是，在技术上可行的情况下，不同实施方式中的不同部分方案可在其他配置中组合。
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权利要求
1.一种用于降低在具有多个像素的图像传感器中由于吸收X射线光子所产生的噪点的方法，所述方法包括以下步骤识别(Si ；S15)受到吸收X射线影响的、所谓的热像素；针对每个热像素，计算(S2;S16)在所述热像素的像素邻域中多个不同方向上的方向梯度；针对每个热像素，在具有最低梯度的那些方向中选择(S3 ；S17)至少一个方向；针对每个热像素，基于在所选择的方向上的邻域像素值确定(S4 ；S18)替换值；以及针对每个热像素，利用确定的所述替换值替换(S5 ；S19)所述热像素的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述针对每个热像素计算方向梯度的步骤(S2;S16)包括以下步骤针对每个方向，计算基于在所考虑的方向上的邻域像素值的梯度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述识别热像素的步骤(Si；S15)包括以下步骤如果像素的值与由邻域像素得到的代表总值偏离预定程度则将该像素识别为热像素。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述识别热像素的步骤(Si；S15)包括以下步骤如果像素的值超出该像素的邻域达到预期统计波动确定的极限值以上，则将该像素识别为热像素。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述选择至少一个方向的步骤(S3；S17)包括以下步骤选择具有最低梯度的方向；以及所述确定替换值的步骤包括以下步骤基于在具有最低梯度的所述方向上的邻域像素值确定替换值。
6.一种用于降低在具有多个像素的图像传感器中由于吸收X射线光子所产生的噪点的装置(30)，其中，所述装置(30)被配置为识别受到吸收X射线影响的、所谓的热像素；被配置为针对每个热像素计算在所述热像素的像素邻域中多个不同方向上的方向梯度；被配置为针对每个热像素选择除了具有最高梯度的方向之外的至少一个方向；被配置为针对每个热像素，基于在所选择的方向上的邻域像素值确定替换值；以及被配置为针对每个热像素，利用确定的所述替换值替换所述热像素的值。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述装置(30)被配置为针对每个方向，计算基于在所考虑的方向上的邻域像素值的梯度。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述装置(30)被配置为如果像素的值与由邻域像素得到的代表总值偏离预定程度，则将该像素识别为热像素。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置(30)被配置为如果像素的值超出该像素的邻域达到预期统计波动确定的极限值以上，则将该像素被识别为热像素。
10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述装置(30)被配置为选择具有最低梯度的方向；并且被配置为基于在具有最低梯度的所述方向上的邻域像素值确定替换值。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的装置，其中，所述装置(30)被配置为降噪滤波器。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述降噪滤波器被实现为用于由处理装置执行的降噪软件算法。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述降噪滤波器以硬件实现。
14.一种X射线传感器系统(80)，包括权利要求6至13中任一项所述的装置(30)。
15.一种X射线成像系统(100)，包括被布置为与图像传感器00)组合的闪烁器(10)，以及权利要求6至13中任一项所述的装置(30)。
全文摘要
本发明提供了一种用于降低在具有多个像素的图像传感器中由于吸收X射线光子所产生的噪点的方法及相应装置。该方法基于识别(S1)受到吸收X射线影响的、所谓的热像素；以及针对热像素计算(S2)在热像素的像素邻域中多个不同方向上的方向梯度。该方法进一步涉及针对每个热像素选择(S3)具有最低梯度的那些方向中的至少一个方向；以及针对每个热像素，基于在选定方向上邻域像素值确定(S4)替换值。针对每个热像素，利用确定的替换值替换(S5)该热像素的值。这样，可以降低在图像传感器中由于吸收X射线光子所产生的噪点，同时基本上保持图像的分辨率(锐度)。
文档编号H04N5/325GK102576455SQ201080029378
公开日2012年7月11日 申请日期2010年6月8日 优先权日2009年7月2日
发明者奥洛夫·斯韦诺纽斯 申请人:斯基恩特-X公司