一种x射线成像装置和方法

专利名称：一种x射线成像装置和方法
技术领域：
本发明涉及x射线成像技术，特别涉及一种变剂量x射线成像装置和 方法。
背景技术：
在数字x射线成像系统中，动态范围是指扫描得到的透射图像的最大
灰度与最小灰度的比值，由数字成像器件的动态范围决定。而数字成像器件
的动态范围由其自身的数字/模拟转换(A/D)位数决定，比如，对于采用 12位A/D的数字成像器件，其动态范围最大不会超过4094/1。
当利用上述数字X射线成像系统进行X射线检测时，如果在X射线透 射方向上待检测物体有效厚度变化较大，那么则很可能会得到质量很差的透 射图像。这是因为当待检测物体在X射线的透射方向上有效厚度变化较 大时，会相应地导致X射线的衰减程度差异较大，进而导致到达数字成像 器件的光子数也存在较大差异，从而造成某些探元接收到的光子数超过其容 限，使得透射图像的灰度信息在某些区域由于吸收光子数过饱和而产生"开 花"现象，相反，某些探元可能会由于吸收光子数太少而使得透射图像的灰 度信息在某些区域上无可用信息。也就是说，将无法获取整个待检测物体的 全部结构信息，/人而无法完成4企测。
针对这一问题，现有技术中通常采用以下处理方式
(1)采用高动态范围的数字成像器件
这种方式虽然对提升透射图像的质量有一定的帮助，但是，高动态范围的 数字成像器件的价格十分昂贵，所以增加了实验成本，同时也限制了数字X射 线成像系统的应用范围。
(2) 加准直局部透照 获取待检测物体不同区域对应的透射图像，得到一透射图像序列，然后对
该透射图像序列进行综合分析，以得到待检测物体的全部结构信息。但是该方 式需要反复实验，即反复改变准直位置，造成检测耗时过长，而且具有较大的 实验难度，且效果一般，局限性大。
(3) 双能或多能透照
即利用多个X射线源分别从不同的角度获取关于待检测物体的透射图像， 然后对得到的多帧透射图像进行综合分析，以得到待;险测物体的全部结构信息。 该方式虽然能够较好地解决待检测物体有效厚度变化较大的问题，但由于需要 几个射线源同时工作，所以增加了实验i殳备负担和实验成本。

发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种X射线成像方法，该方法 适用于任意复杂结构的待检测物体，不受X射线透射方向上待检测物体有 效厚度变化的影响。
本发明的另一目的在于提供一种X射线成像装置，该装置适用于任意 复杂结构的待检测物体，不受X射线透射方向上待检测物体有效厚度变化 的影响。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的 一种X射线成像装置，该装置包括
变剂量成像模块，用于根据扫描过程中X射线透射方向上待检测物体 有效厚度的变化，实时调整X射线源管电压，并按照调整后的X射线源管 电压对所述待检测物体进行扫描，将扫描得到的透射图像发送给图像处理模
块；
所述图像处理模块，用于对接收到的各透射图像进行动态范围提升以及 图像融合，得到最终所需透射图像。
一种X射线成像方法，该方法包括
A、 根据扫描过程中X射线透射方向上待检测物体有效厚度的变化，实 时调整X射线源管电压，并按照调整后的X射线源管电压对所述待检测物 体进行扫描；
B、 对扫描得到的各透射图像进行动态范围提升以及图像融合，得到最 终所需透射图像。
可见，采用本发明的技术方案，根据X射线的性质，即X射线的穿透 能力取决于X射线源管电压，X射线源管电压越大，X射线的穿透能力越强， 相应地它所穿过的有效厚度越大；对于在X射线的透射方向上有效厚度变 化率较大的待检测物体，根据扫描过程中待检测物体有效厚度的变化，实时 调整X射线源管电压，并按照调整后的X射线源管电压对待检测物体进行 扫描，并且，对扫描得到的各透射图像进行动态范围提升以及图像融合等处 理，从而得到最终所需的质量较好的透射图像。与现有技术相比，本发明所 述方案适用于任意复杂结构的待检测物体，且不受X射线透射方向上待检 测物体有效厚度变化的影响。


图1为本发明装置实施例的组成结构示意图。 图2为本发明装置较佳实施例的组成结构示意图。 图3为本发明实施例中的灰度加权方式示意图。 图4为本发明方法实施例的流程图。
图5为本发明实施例中的透射图像数据子集提取方式示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实 施例，对本发明作进一步地详细说明。
针对现有技术中存在的问题，本发明中提出一种新的X射线成像方案。 根据X射线的性质，即X射线的穿透能力取决于X射线源管电压，X射线
源管电压越大，x射线的穿透能力越强，相应地它所穿过的有效厚度越大。
那么，对于在X射线的透射方向上有效厚度变化率较大的待检测物体，则 可通过改变X射线源管电压，即利用变剂量(本发明中可将剂量等同理解
为x射线源管电压)成像技术来完成对待检测物体的x射线检测。
图1为本发明装置实施例的组成结构示意图。如图l所示，该装置包括 变剂量成像模块和图像处理模块。
其中，变剂量成像模块，用于根据扫描过程中X射线透射方向上待检 测物体有效厚度的变化，实时调整X射线源管电压，并按照调整后的X射 线源管电压对待检测物体进行扫描，将扫描得到的各透射图像发送给图像处 理模块；图像处理模块，用于对接收到的各透射图像进行动态范围提升以及 图像融合，得到最终所需透射图像。
在实际应用中，变剂量成像模块实时调整X射线源管电压的方式可以 是根据人为设置调整，因为扫描得到的透射图像是可以实时显示出来的，那 么，装置操作人员可以通过观察所显示出来的透射图像质量，判断出是否需 要改变X射线源管电压，以及是需要增大还是减小。或者，也可以釆用自 动控制的方式来调整X射线源管电压。对于这种情况，图1所示装置中还 需要进一步包括以下模块
变剂量预成像模块，用于在预先设定的角度上，按照X射线源管电压 由小到大的预定顺序，扫描得到预定数量的透射图像，并输出给电压模型构 建模块和预测模块；
电压模型构建模块，用于接收来自变剂量预扫描模块的各透射图像，获 取各透射图像中的有效区域灰度均值，并根据各透射图像有效区域灰度均值 以及各透射图像对应的X射线源管电压，构建有效区域灰度均值与X射线 源管电压之间的数学模型；
预测模块，用于提取接收到的各透射图像的有效区域位置和计算有效区 域灰度均值，并根据各透射图像的有效区域位置以及有效区域灰度均值信 息，预测下一帧透射图像的有效区域位置及有效区域灰度均值，并将预测结
果输出给电压调节模块；
电压调节模块，用于接收预测模块预测出的下一帧透射图像的有效区域 位置信息及有效区域灰度均值，通过与电压模型构建模块进行交互，依据电 压模型构建模块构建出的有效区域灰度均值与X射线源管电压之间的数学 模型，计算与预测出的有效区域灰度均值相对应的X射线源管电压，并输 出给变剂量成像模块。
另外，变剂量成像模块还可进一步用于，提取根据计算出的X射线源 管电压扫描得到的透射图像的有效区域位置，并将提取出的有效区域位置输 出给电压调节模块；电压调节模块进一步用于，将接收自变剂量成像模块的 有效区域位置与接收自预测模块的有效区域位置进行比较，确定两者是否一 致，如果不一致，则根据具体差别情况对X射线源管电压进行微调，并输 出给变剂量成像模块；变剂量成像模块按照微调后的X射线管电压重新进 行扫描。
本发明所述方案中，变剂量成像模块可扫描得到多帧透射图像(具体为 多少帧可根据实际需要而定)，从而得到一透射图像序列，而针对同一待检 测物体，最终所需的透射图像通常仅为一帧，所以，需要由图像处理模块对 这多帧透射图像进行灰度加权以及图像融合等处理，以得到最终所需的透射 图像。具体实现包括提取扫描得到的各透射图像的数据子集，并记录各透 射图像的有效区域位置及边缘信息；对各透射图像的数据子集进行灰度加 权；根据各透射图像的有效区域位置及边缘信息，对进行灰度加权处理后的 各透射图像的数据子集进行图像融合，得到最终所需的信息完全且动态范围 较大的透射图像。
下面通过较佳实施例对本发明所迷方案作进 一 步地详细说明 图2为本发明装置较佳实施例的组成结构示意图。如图2所示，该装置 包括变剂量预成像模块、电压模型构建模块、预测模块、电压调节模块、 变剂量成像模块，以及图像处理模块；其中，图像处理模块中可具体包括 数据子集提取子模块、灰度加权子模块以及图像融合子模块。各模块/子模
块的功能详细介绍如下
(1) 变剂量预成像模块
该模块是本发明所述方案的实现基础，通过预成像，得到不同X射线 源管电压下对应的透射图像，从而为后面的电压模型构建模块以及预测模块 提供所需的先验信息，并可得到待检测物体所需最低和最高X射线源管电 压，从而为后面的变剂量成像提供合理的电压范围。
本实施例中，利用变剂量预成像模块，在预先设定的角度上，根据X 射线源管电压由小到大的顺序，按照现有扫描方式得到一定数量的透射图 像；透射图像的具体数量以及每次扫描时所对应的X射线源管电压大小可 根据实际需要进行设置；比如，可以按照X射线源管电压分别为5V、 IOV、 15V，......递增的方式，扫描得到20幅透射图像。
(2) 电压模型构建模块
由于不同的X射线源管电压对应着不同能量的X射线，而不同能量的 X射线能够穿过的待检测物体的有效厚度又不同，在透射图像中表现为图像 灰度不同，所以可利用数学的方法建立X射线源管电压与透射图像的灰度 之间的数学模型；并通过所建立的数学模型来实现X射线源管电压的控制。
连续X射线谱的强度分布与X射线源的激发条件的关系可用下式表示
其中，c为常数，z为x射线源的把原子序数，；i为x射线的波长， Amin=l^， r为X射线源管电压，i为X射线源管电流。从公式(l)可以看
出，当X射线源管电流i不变时，改变X射线源管电压V， X射线的强度I也 会相应地发生变化；X射线源管电压V越大，X射线的强度I也越大。
令￡ = te/;i，代入公式(l)，可得到X射线强度I关于射线能量的函数:
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，A为普朗克常数，c为光子速度，S为某一X射线管电压下连续X射
线的能量。
在不同X射线管电压下的连续X射线语中，某种材料的衰减系数不再是一 个常数，而是随着电压和相应电压下的射线能量的不同而不同，即材料的衰减 系数是一个关于材料的原子序数、电压以及相应电压下的射线能量的函数 P(Z，五，r)。这样，可得到不同X射线源管电压下的连续X射线的衰减规律如下
<formula>formula see original document page 12</formula>(3)
其中，/。为初始强度，/为衰减后的强度，通常等效为探测器采集到的透射 图像灰度y (单点像素灰度)，/为X射线在待检测物体中所穿过的长度，
为某一X射线源管电压V下X射线的最大能量。由公式(2)和(3)可得 <formula>formula see original document page 12</formula>从公式(4)可以看出，X射线源的把原子序数、X射线源管电压V和透射 图像灰度y之间存在一定的函数关系，即
<formula>formula see original document page 12</formula>(5)
所以，可根据预成像得到的透射图像，即前面所述的20幅透射图像的有效 区域灰度均值以及各自对应的X射线源管电压之间的关系，利用最小二乘逼近 等方法构建有效区域灰度均值与X射线源管电压之间的数学模型。当然，也可 以不采用全部20幅透射图像，而是只选取其中的部分图像对应的数据进行数学 模型构建。最小二乘逼近方法的具体实现为本领域公知，不再赘述。
(3) 预测模块
依据之前介绍的X射线的衰减规律可知，X射线衰减后的强度函数是一个 连续函数，在透射图像中表现为 一方面，随着X射线剂量的变化，透射图像 灰度的变化是一个连续变化的过程；另一方面，X射线剂量不同，所穿过的待 检测物体有效厚度不同，即随着X射线剂量从小到大的变化，对应得到的透射 图像的有效区域位置也不同。这样，就可以根据已知的前几帧透射图像的有效 区域位置以及有效区域灰度均值信息对下一帧透射图像的灰度变化以及有效区 域位置变化做出合理的预测，进而自动控制X射线源管电压的变化。该模块可 以减少改变X射线源管电压的次数，提高运算效率，在一定程度上可以降低技 术成本。
卡尔曼预测是一个对动态系统的状态序列进行线性最小方差估计的算法， 通过以动态的状态方程和观测方程来描述系统。它可以以任意一点作为起点开 始观测，采用递归估计的方法计算，对目标进行预测，具有计算量小以及可实 时计算的特点。因此，可以采用卡尔曼预测方式对下一帧透射图像的有效区域 位置及有效区域灰度均值进行预测。具体到本实施例中，由于预扫描得到的20 幅透射图像的有效区域位置以及对应的灰度均值信息都是可知的，所以可以将 这些信息作为预测;漠型的输入，来预测下一帧透射图像的有效区域位置及有效 区域灰度均值。卡尔曼预测的具体实现为本领域公知，不再赘述。
(4) 电压调节模块和变剂量成像模块
预测模块将预测出的下 一帧透射图像的有效区域位置及该有效区域的 灰度均值提供给电压调节模块；电压调节模块根据接收到的有效区域灰度均 值信息，利用电压模型构建模块构建出的有效区域灰度均值与X射线源管 电压之间的数学模型，计算出与该预测出的有效区域灰度均值相对应的X 射线源管电压，然后，将计算结果输出给变剂量成像模块。变剂量成像模块 根据接收到的X射线源管电压对待检测物体进行扫描，并将扫描得到的透 射图像输出给图像处理模块。另外，变剂量成像模块还可以提取出扫描得到 的透射图像的有效区域位置，并发送给电压调节模块；电压调节模块将接收 自变剂量成像模块的有效区域位置与接收自预测模块的预测出的有效区域 位置进行比较，确定两者是否一致，即比较实际效果与预测效果是否一致，
如果不一致，则可根据实际情况对X射线源管电压的大小进行微调，具体 微调多少可通过人为干预实现，并将微调后X射线源电压输出给变剂量成 像模块，由变剂量成像模块按照微调后的X射线管电压重新进行扫描，以
便得到更加准确的透射图像。需要说明的是，本发明实施例中，无论是计算
出的x射线源管电压，还是进行微调后的x射线源管电压，其电压值都需 要处于前述在预成像时所确定的最低和最高x射线源管电压的范围之内。
(5)图像处理模块 该模块又可具体包括以下三个子模块，即数据子集提取子模块、灰度加权 子模块以及图像融合子模块。其中 A、数据子集提取子模块
对于通过变剂量成像模块扫描得到的透射图像序列中的每一帧透射图像， 待检测物体的有效信息会聚集成一个一个的数据子集，而依据之前的介绍可知， 透射图像的某些区域可能会出现"开花"现象，"开花"现象会吞噬该区域周 边的有用数据，所以，如果直接对每一帧透射图像分别进行数据子集提取，则 很可能会造成误提取。为了避免这种误提取，本实施例中采用数据子集递进提 取方式，以保证待检测物体的全部有用信息均能够被正确提取，不误提，不漏 提
首先，按照所对应的X射线源管电压由小到大的顺序，对扫描得到的各透 射图像进行排序。
然后，进行递进分割模板的初始化。这里所提到的递进分割模块是指与透 射图像大小相同，但内容为空的图像。比如，可将该模板中的各像素点的取值 均设置为0或255，即图像全黑或全白。这里所提到的255也可以是1，取决于 采用哪种灰度表示方式。
之后，提取排序后处于第一位置的透射图像的数据子集，即有效区域。在 数字X射线成像系统中，度量图像质量的因素主要有两个对比度(contrast)
和不清晰度(unsharpness)。其中，对比度取决于X射线源的性能和能量和成 像条件，不清晰度则依赖于成像设备的几何条件和系统的调制传递函数 (Modulation Transfer Function,简称MTF)。本发明中，由于只改变了 X射 线源的管电压，其它参数没有改变，所以，不清晰度是不变的，那么，影响图 像质量的主要因素就是对比度。对比度是待检测测物体有效厚度变化所引起的 胶片密度或亮度(屏图像)变化的度量。在其它因素相同的条件下，对比度越 大，图像质量越好，而高对比度图像将产生高的检测灵敏度。
设X射线入射强度为I，物体厚度变化为&,物体对X射线的线衰减系数 为p， X射线的散射比为n， X射线透过厚度变化为Ax的物体所产生的射线强度 差为
<formula>formula see original document page 15</formula>
对于数字x射线成像系统，假设x射线转换屏(位于数字成像器件中)的
亮度为B， X射线转换效率为m， X射线转换屏亮度B和X射线入射强度I成 正比，则有
<formula>formula see original document page 15</formula>
相应;也，图像的对比度为
(8)<formula>formula see original document page 15</formula>
从以上分析可知，影响图像对比度的主要因素为X射线散射比n， n的取 值越小，图像的对比度越大，相应地，图像质量越好。而对于某种材料而言， 影响X射线散射比的主要因素是X射线能量(X射线源管电压)，而X射线 能量决定了 X射线的穿透能力，进而直接反映在透射图像上的灰度的变化。所 以本实施例中，可通过实验方法找到透射图像最佳对比度对应的一个最佳灰度 带，并以此作为数据子集提取的分割依据(如果找到透射图像的最佳对比度为 现有技术；另外，可以只找出排序后处于第一位置的透射图像的最佳对比度对 应的最佳灰度带，后续各透视图像都按照该最佳灰度带进行数据子集提取即 可)。具体如何进行数据子集的提取为本领域公知，不再赘述。
在提取出排序后处于第一位置的透射图像的数据子集后，记录该透射图像 的有效区域位置以及边缘信息，这主要是为了后边将要进行的图像融合提供依
据
之后，对递进分割模板进行更新，具体更新方式为将递进分割模板中与 提取出的透射图像中的有效区域对应的区域标记为全黑或全白，如果模板初始 化时为全黑，则将与提取出的透射图像中的有效区域对应的区域标记为全白； 如果模板初始化时为全白，则将与提取出的透射图像中的有效区域对应的区域 标记为全黑。
然后，对于排序后处于第二位置的透射图像进行处理，即对该透射图像进 行模板分割以及数据子集提取。其中，模板分割是指，按照递进分割模块中所 标记的区域，对排序后处于第二位置的透射图像中的对应区域进行标记，比如 标记为全黑，然后对未进行标记的区域进行数据子集提取；之后，重复上述记 录有效区域位置及边缘信息以及模板更新等过程。
按照上述方式处理完所有透射图像后，将保存有所有透射图像的数据子集 的序列Gi输出给灰度加权子模块，将保存有所有透射图像的有效区域位置及边 缘信息的序列Ii输出给图像融合子模块。
B、灰度加权子模块
该模块用于对数据子集提取子模块输出的序列Gi中各透射图像的数据子 集进行灰度加权，并将进行灰度加权处理后的各透射图像的数据子集输出给图 像融合子模块，从而使提取出的各数据子集在进行融合后能够正确地表现出待 检测物体的全部结构信息，同时提高最终融合后的透射图像的动态范围。 本实施例中，可采用等效厚度拼接的灰度加权方式，其原理说明如下 假设变剂量成傳J漠块共扫描得到M (M为大于1的整数)幅透射图像，那 么，如果要采用等效厚度拼接的方式对这M幅透射图像的数据子集进行灰度加 权，则需要首先建立待检测物体有效厚度、透视图像的有效区域灰度均值(以 下简称灰度)以及X射线源管电压之间的关系模型。具体建立方式为利用与 待检测物体由相同材料构成且有效厚度可变的模具，分别获取不同X射线源管
电压下，对应不同的有效厚度时，扫描得到的透视图像的灰度。假设本实施例
中的M取值为4，则有在X射线源管电压分别为Ul、 U2、 U3和U4这四种 情况下(U1〉U2>U3>U4 )，分别获取10组关于有效厚度与灰度之间的对应数据， 然后，利用最小二乘逼近等方法构建有效厚度与灰度之间的关系模型。
图3为本发明实施例中的灰度加权方式示意图。如图(a)所示，当X射 线源管电压加到Ul时，能够使待检测物体的最厚部分达到最佳灰度带，即能 够使最厚区域的信息完全，因此，可以将Ul对应的灰度-有效厚度关系模型 曲线作为灰度加权的基础曲线。其中，当X射线源管电压为U4时，最佳灰度 带ab对应的有效厚度范围为^;当X射线源管电压为U3时，最佳灰度带cd 对应的有效厚度范围为^;当X射线源管电压为U2时，最佳灰度带ef对应 的有效厚度范围为^;当X射线源管电压为Ul时，最佳灰度带gh对应的有 效厚度范围为丽；而^, S^， ^，丽加和后得到的连续厚度变化区域为^。 因此，可以将当X射线源管电压分别为Ul、 U2、 U3和U4时最佳灰度带所对 应的有效厚度依次平移拼加在Ul对应的灰度-有效厚度关系模型曲线上，得 到如图(b)所示的ah曲线^a,对应有效厚度Z^。可以看出，图(a)中所能 达到的最大灰度^l为maxl,而图(b)中所能达到的最大灰度则为max2, max2 明显大于maxl，也就是说，提高了透射图像的动态范围。
而依据之前的介绍可知，数据子集提取子模块输出的序列Gi中各透射图像 的数据子集是按照所对应的X射线源管电压由小到大的顺序进行排序的，即分 别对应X射线源管电压U4、 U3、 U2和U1。需要说明的是，各数据子集所对 应的灰度范围是可知的，本实施例中为便于描述，将各数据子集所对应的灰度 范围分别简称为Gl、 G2、 G3和G4。那么，基于上述原理，可通过图3所示 U4对应的灰度-有效厚度关系模型曲线，估算出Gl对应的有效厚度Hl;同 理，通过图3所示U3对应的灰度-有效厚度关系模型曲线，估算出G2对应的 有效厚度H2，同时，可根据图3所示U3对应的灰度-有效厚度关系模型曲线， 估算出有效厚度为Hl对应的灰度Gu3—H1;然后，计算Gu3-H,与Gl的差值，
即得出U4管电压下的G1相对U3管电压下的加权系数。依次类推，可以计算 出每个数据子集对应的加权系数，进而根据计算出的加权系数对每个数据子集 进行灰度加权。
当然，上述仅为举例说明，并不用于限制本发明的技术方案，如果采用其 它现有的灰度加权方式，同样能够达到提高透射图像动态范围的目的，也是可 以的。
C、图像融合子模块
该模块用于冲艮据接收到的各透射图像的有效区域位置及边缘信息(即序列
n)，对进行灰度加权处理后的各透射图像的数据子集进行图像融合(即灰度加
权处理后的序列Gi),得到最终所需透射图像。
由于本实施例中的透射图像在成像过程中，几何成像条件和待检测物体内 部结构成像位置都是不变的，而且每帧透射图像的大小也都一样，因此，在提 取出各帧透射图像的数据子集并进行灰度加权后，只需进行简单的相加即可实 现图像融合的效果。但是，由于数据子集的区域边界不定，所以，为了消除图 像融合时可能出现的明显接缝，使图像平滑过渡，采用基于距离变换的图像融
合方法
假设/i和厶分别代表待融合的两幅图像，,代表融合后的图像，则有<formula>formula see original document page 18</formula>
公式(9)所表达的含义如下对于图像,和图像厶进行融合时的非重合区 域，直接将图像,或图像力上的像素值赋值给图像,上的对应像素点，即有
<formula>formula see original document page 18</formula>而对于重合区域(图像,'和图像,2的有效区
域相重合的区域),则有<formula>formula see original document page 18</formula>。 其中，"2("')的计算方式均为
G'。，人)表示距(/，力最近的取值非255 (或非i,取决于所采用的图像灰度表
示方式)的像素点的坐标。
基于距离变换的图像融合方法的具体实现为本领域公知，不再赘述。 通过上迷处理，即可得到待检测物体结构信息完全、图像质量好，且动态
范围大的透射图像。
图4为本发明方法实施例的流程图。如图4所示，包括以下步骤 步骤401:根据扫描过程中X射线透射方向上待检测物体有效厚度的变
化，实时调整X射线源管电压，并按照调整后的X射线源管电压对待检测
物体进行扫描。
该步骤的具体实现包括在预先设定的角度上，按照X射线源管电压由小 到大的预定顺序，扫描得到预定数量的透射图像；获取各透射图像中有效区域 的灰度均值，并根据各透射图像的有效区域灰度均值以及各透射图像对应的X 射线源管电压，构建有效区域灰度均值与X射线源管电压之间的数学模型；提 取各透射图像中的有效区域位置并计算各有效区域的灰度均值，并根据各透射 图像中的有效区域位置及各有效区域的灰度均值，预测下一帧透射图像的有效 区域位置及有效区域灰度均值；根据预测出的下一帧透射图像的有效区域灰度 均值，依据构建出的有效区域灰度均值与X射线源管电压之间的数学模型，计 算与预测出的下一帧透射图像的有效区域灰度均值相对应的X射线源管电压， 并根据计算结果对当前的X射线源管电压进行调整。
其中，按照调整后的X射线源管电压对待检测物体进行扫描之后，可进一 步包括提取扫描得到的透射图像中的有效区域位置，并将其与预测出的有效 区域位置进行比较，确定两者是否一致，如果不一致，则根据具体差别情况对 X射线源管电压进行微调，并按照微调后的X射线管电压重新进行扫描。
步骤402:对扫描得到的各透射图像进行动态范围提升以及图像融合， 得到最终所需透射图像。
该步骤的具体实现包括提取扫描得到的各透射图像的数据子集，并记
录各透射图像的有效区域位置及边缘信息；对各透射图像的数据子集进行灰 度加权；根据各透射图像的有效区域位置及边缘信息，对进行灰度加权处理 后的各透射图像的数据子集进行图像融合，得到最终所需透射图像。
其中，提取扫描得到的各透射图像的数据子集，并记录各透射图像的有 效区域位置及边缘信息的过程的具体实现可如图5所示
步骤501:将扫描得到的各透射图像按照所对应的X射线源管电压由小 到大的顺序进行排序，分别编号为1到N。
N为大于1的整数。
步骤502:对递进分割模板进行初始化。
这里所提到的递进分割模块是指与透射图像大小相同，但内容为空的图像。
步骤503:读取编号为1，即i-l的透射图像。
步骤504:提取该透射图像的数据子集，同时记录该透射图像的有效区 域位置及边缘信息。
步骤505:根据提取出的数据子集对递进分割模板进行更新。
具体更新方式为将递进分割模板中与提取出的透射图像中的有效区域对 应的区域标记为全黑或全白，如果模板初始化时为全黑，则将与提取出的透射 图像中的有效区域对应的区域标记为全白；如果模板初始化时为全白，则将与 提取出的透射图像中的有效区域对应的区域标记为全黑。
步骤506:将当前进行完数据子集提取的透射图像的编号加1,即有 i=i+l。
步骤507:判断i是否大于N,如果是，则执行步骤509;否则，执行 步骤508。
步骤508:进行模板分割，然后返回执行步骤504。
本步骤中，按照递进分割模块中所标记的区域，对编号为i=i+l的透射 图像中的对应区域进行标记，比如标记为全黑，然后对未进行标记的区域进 行数据子集提取以及记录该透射图像的有效区域位置及边缘信息等处理。
步骤509:输出各透视图像的数据子集以及有效区域位置及边缘信息， 结束流程。
对各透射图像的数据子集进行灰度加权包括
在各透射图像所对应的X射线源管电压下，分别利用与待检测物体由 相同材料构成且有效厚度可变的模具，获取预定数量组有效厚度与透射图像 有效区域灰度均值之间的对应数据；根据获取到的数据信息，构建不同X 射线源管电压下有效厚度与透射图像有效区域灰度均值之间的关系模型。然 后，对于编号为l的透射图像的数据子集，获取其灰度范围，并利用与该数 据子集相对应的关系模型，估算出该灰度范围对应的有效厚度；之后，利用 与编号为2的透射图像相对应的关系模型，估算出在与编号为2的透射图像 相对应的X射线源管电压下，与所述编号为1的透射图像的数据子集相对 应的有效厚度所对应的灰度范围；最后，计算所述估算出的灰度范围与所述 获取到的灰度范围的差值，得到编号为1的透射图像的数据子集的加权系 数。按照同样的方式得到每个数据子集的加权系数，并据此对各数据子集进 行灰度加权。
图4所示方法实施例的具体实现请参照图2所示装置较佳实施例中的相 应说明，此处不再赘述。
综上，本发明针对现有技术中由于待检测物体在X射线透射方向上有效厚 度变化较大而造成的透射图像质量较差的问题，提出了一种较好的解决方案。 与现有^a术相比，本发明所述方案具有以下优点
(1) 通用性强适合各种复杂结构的待检测物体的X射线检测，不受待检 测物体内部结构和厚度突变的影响。
(2) 实施简单无需在检测前做额外的工作(如加准直)，从预成像开始， 直至获取到最终的透射图像，均可通过控制实现，便于实现智能化成像。
(3 )技术成本低本发明所述方案对应的实验系统不需要使用高动态范围 的数字成像器件，同时也可避免采用双能或多能透照带来的成本增加。
(4)透射图像分辨率高通过对透射图像序列进行分析和处理，得到高动
态范围的透射图像，增强了图像对比度，并且由于选取了递进的数据子集提取 方式，有效地抑制了量子噪声和散射对透射图像质量的影响。
总之，本发明所述方案采用变剂量x射线数字成像技术，结合现代图像处 理方法，克服了传统x射线检测方式的诸多缺点，对传统的x射线检测方法进 行了革命性的改进，有利于x射线检测水平及制造工艺水平的提高。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的 保护范围。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。
权利要求
1、一种X射线成像装置，其特征在于，该装置包括:变剂量成像模块，用于根据扫描过程中X射线透射方向上待检测物体有效厚度的变化，实时调整X射线源管电压，并按照调整后的X射线源管电压对所述待检测物体进行扫描，将扫描得到的透射图像发送给图像处理模块；所述图像处理模块，用于对接收到的各透射图像进行动态范围提升以及图像融合，得到最终所需透射图像。
2、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括 变剂量预成像模块，用于在预先设定的角度上，按照X射线源管电压由小到大的预定顺序，扫描得到预定数量的透射图像，并输出给电压模型构 建模块和预测模块；所述电压模型构建模块，用于接收来自所述变剂量预成像模块的各透射 图像，获取所述各透射图像中的有效区域灰度均值，并根据各透射图像的有 效区域灰度均值以及各透射图像对应的X射线源管电压，构建有效区域灰 度均值与X射线源管电压之间的数学模型；所述预测模块，用于提取接收到的各透射图像的有效区域位置和计算有 效区域灰度均值，并根据所述各透射图像的有效区域位置以及有效区域灰度 均值信息，预测下一帧透射图像的有效区域位置及有效区域灰度均值，并将 预测结果输出给电压调节模块；所述电压调节模块，用于接收所述预测模块预测出的下 一 帧透射图像的 有效区域灰度均值，通过与所述电压模型构建模块进行交互，依据所述电压 模型构建模块构建出的有效区域灰度均值与X射线源管电压之间的数学模 型，计算与所述预测出的有效区域灰度均值相对应的X射线源管电压，并 输出给所述变剂量成像模块。
3、 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述变剂量成像模块进一步用于，提取扫描得到的透射图像的有效区域位置，并将提取出的有效区域位置输出给所述电压调节模块；所述电压调节模块进一步用于，将接收自所述变剂量成像模块的有效区 域位置与接收自所述预测模块的有效区域位置进行比较，确定两者是否一 致，如果不一致，则根据具体差别情况对所述X射线源管电压进行微调， 并输出给所述变剂量成像模块；所述变剂量成像模块按照所述微调后的X 射线管电压重新进行扫描。
4、 根据权利要求1~3中任一项所述的装置，其特征在于，所述图像处理 模块包括数据子集提取子模块，用于提取扫描得到的各透射图像的数据子集，并记 录各透射图像的有效区域位置及边缘信息，将各透视图像的数据子集信息输出 给灰度加权子模块，将各透射图像的有效区域位置及边缘信息输出给图像融合 子模块；所述灰度加权子模块，用于对接收到的各透射图像的数据子集分别进行灰 度加权，并将进行灰度加权处理后的各透射图像的数据子集输出给所述图像融 合子模块；所述图像融合子模块，用于根据接收到的各透射图像的有效区域位置及边 缘信息，对所述进行灰度加权处理后的各透射图像的数据子集进行图像融合， 得到最终所需透射图像。
5、 一种X射线成像方法，其特征在于，该方法包括A、根据扫描过程中X射线透射方向上待检测物体有效厚度的变化，实 时调整X射线源管电压，并按照调整后的X射线源管电压对所述待检测物 体进行扫描；B、对扫描得到的各透射图像进行动态范围提升以及图像融合，得到最终 所需透射图像。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所迷根据扫描过程中X射 线透射方向上待检测物体有效厚度的变化，实时调整X射线源管电压包括在预先设定的角度上，按照X射线源管电压由小到大的预定顺序，扫 描得到预定数量的透射图像；获取所述各透射图像中有效区域的灰度均值，并根据各透射图像的有效 区域灰度均值以及各透射图像对应的X射线源管电压，构建有效区域灰度 均值与X射线源管电压之间的数学模型；提取所述各透射图像中的有效区域位置并计算各有效区域的灰度均值， 并根据所述各透射图像中的有效区域位置及各有效区域的灰度均值，预测下 一帧透射图像的有效区域位置及有效区域灰度均值；根据所述预测出的下一帧透射图像的有效区域灰度均值，依据所述构建出 的有效区域灰度均值与X射线源管电压之间的数学模型，计算与所述预测出的 下一帧透射图像的有效区域灰度均值相对应的X射线源管电压，并根据计算结 果对当前的X射线源管电压进行调整。
7、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述按照调整后的X射线 源管电压对所述待检测物体进行扫描之后，进一步包括提取扫描得到的透射图像中的有效区域位置，并将其与预测出的有效区 域位置进行比较，确定两者是否一致，如果不一致，则根据具体差别情况对 X射线源管电压进行微调，并按照微调后的X射线管电压重新进行扫描。
8、 根据权利要求5~7中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤B 包括Bl、提取扫描得到的各透射图像的数据子集，并记录各透射图像的有效 区域位置及边缘信息；B2、对所述各透射图像的数据子集进行灰度加权；B3、根据所述各透射图像的有效区域位置及边缘信息，对所述进行灰度 加权处理后的各透射图像的数据子集进行图像融合，得到最终所需透射图 像。
9、 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤B1包括 Bll、将扫描得到的各透射图像按照所对应的X射线源管电压由小到大 的顺序进行排序，分别编号为1到N，所述N为大于1的整数；B12、进行递进分割模板的初始化，并提取编号为1的透射图像的数据子集，同时记录所述编号为1的透射图像的有效区域位置及边缘信息；B13、根据提取出的数据子集对所述递进分割模板进行更新，并将当前进行完数据子集提取的透射图像的编号加1，按照更新后的递进分割模板对所述编号加1后的透射图像进行数据子集提取，同时记录所述编号加1后的透射图像的有效区域位置及边缘信息；B14、重复步骤B13所述过程，直至处理完所有透射图像。
10、 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤B2包括 在所述各透射图像对应的X射线源管电压下，分别利用与待检测物体由相同材料构成且有效厚度可变的模具，获取预定数量组有效厚度与透射图 像有效区域灰度均值之间的对应数据；根据所述获取到的数据信息，构建不同X射线源管电压下有效厚度与 透射图像有效区域灰度均值之间的关系模型；对于编号为1的透射图像的数据子集，获取其灰度范围，并利用与该数 据子集相对应的关系模型，估算出该灰度范围对应的有效厚度；利用与编号为2的透射图像相对应的关系模型，估算出在与编号为2的 透射图像相对应的X射线源管电压下，与所述编号为1的透射图像的数据 子集所对应的有效厚度相对应的灰度范围；计算所述估算出的灰度范围与所述获取到的灰度范围的差值，得到所述 编号为1的透射图像的数据子集的加权系数；按照同样的方式得到每个数据子集的加权系数，并利用所述加权系数对 各数据子集进行灰度加权。
11、 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对进行灰度加权处 理后的各透射图像的数据子集进行图像融合包括按照基于距离变换的图像融合方式，对所述进行灰度加权处理后的各透 射图像的数据子集进行图像融合。
全文摘要
本发明公开了一种X射线成像装置，包括变剂量成像模块，用于根据扫描过程中X射线透射方向上待检测物体有效厚度的变化，实时调整X射线源管电压，并按照调整后的X射线源管电压对所述待检测物体进行X射线扫描，将扫描得到的各透射图像发送给图像处理模块；所述图像处理模块，用于对接收到的各透射图像进行动态范围提升以及图像融合，得到最终所需透射图像。本发明同时公开了一种X射线成像方法。本发明所述的装置和方法适用于任意复杂结构的待检测物体，并且不受X射线透射方向上待检测物体有效厚度变化的影响。
文档编号G01N23/02GK101382505SQ200810161410
公开日2009年3月11日 申请日期2008年9月25日 优先权日2008年9月25日
发明者潘晋孝, 鉴 王, 王黎明, 平 陈, 陈方林, 焱 韩 申请人:中北大学