CN101237741B - 锥束ct扫描中的曝光参数快速获取与优化方法 - Google Patents
锥束ct扫描中的曝光参数快速获取与优化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种锥束CT扫描中的曝光参数快速获取与优化方法，将零件放置于旋转工作台，并使零件在该投影方位时X射线需要穿越零件的厚度最大；选择当前零件所属的零件类型、选择探测器采集投影图像的速度、设置射线穿越零件的预期最低灰度值、选择曝光优化方式；根据以上设置进行曝光参数搜索，若得到满足曝光要求的一组电流电压组合参数则结束，否则表示当前使用的锥束CT系统无法对该零件进行所要求的曝光，立即中止整个扫描。本发明可显著减少获取锥束CT系统曝光参数所需的时间，并使获取的曝光参数达到一定的优化效果，可有效降低甚至消除锥束CT扫描对操作人员专业技术经验的依赖性。
Description
技术领域
本发明属于图像采集领域，涉及锥束CT系统的曝光参数获取与优化方法。
背景技术
锥束CT(Cone-Beam Computed Tomography，CBCT)利用锥形束射线源和面阵探测器采集被测物体的投影数据，并重建出连续的切片图像序列，具有扫描速度快、切片内和切片间的空间分辨率相同、精度高等特点，在无损检测与逆向工程等领域已显示出广阔的应用前景。锥束CT的一个关键点就是远比二维CT高的射线利用率和图像采集重建速度。合理的曝光参数不仅可以提高投影图像的成像质量，改善重建切片图像的效果，还可以达到延长射线源和探测器的使用寿命的目的。
实际应用中，由于被扫描零件的材质和结构的不同，一般不可能直接得到较满意的对其进行锥束CT扫描的曝光参数，主要包括射线源电压、射线源电流和探测器采集速度，这三者共同决定了投影图像的曝光剂量，曝光剂量影响零件投影区域的透射程度和无零件投影的空白区域的曝光程度。通常对CT投影图像的基本要求是：在所有投影图像中，X射线均可有效穿透零件，并在无零件投影的空白区域不达到曝光饱和。
在满足CT投影图像基本要求的基础上，一般认为投影图像的质量与曝光参数存在以下关系：
(1)电压越低，对比度越好；
(2)电压越高，射束硬化现象越弱；
(3)当电压(kV)为定值时，图像质量与电流和曝光时间的乘积(mAs)存在线性相关；
当mAs为定值时，图像质量与kV存在线性相关。
为了达到锥束CT扫描对投影图像的基本要求，并有针对性地做出某些优化，即使是专业的操作人员也需要多次调整曝光参数并试采集投影图像，直到得到满足期望的投影图像，才能根据所得的曝光与扫描参数进行正式的锥束CT扫描。这个过程很大程序上依赖于操作人员的经验与熟练程度，而且花费的时间往往差别较大，从十几分钟到几十分钟不等。
现有的相关研究大多集中在曝光参数对投影图像质量的影响方面，对于如何在实际应用中快速选取合理的曝光参数还未见文献报道。
发明内容
为了克服现有技术获取曝光参数需要很多的人工交互和相关的专业技术经验，本发明提出了一种锥束CT扫描中的曝光优化方法，能够有效减少用于锥束CT扫描的时间，并降低甚至消除锥束CT扫描对操作人员专业经验的依赖性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)将零件放置于旋转工作台，并使零件在该投影方位时X射线需要穿越零件的厚度最大，以保证在正式扫描时，采用所获取的曝光参数可使射线在各投影方位对零件良好穿透；
(2)选择当前零件所属的零件类型：易穿透型、普通穿透型或难穿透型；
(3)选择探测器采集投影图像的速度，该速度与正式采集时一致；
(4)设置射线穿越零件的预期最低灰度值；
(5)选择曝光优化方式：对比度曝光优化或射束硬化曝光优化；
(6)根据以上设置进行曝光参数搜索，若得到满足曝光要求的一组电流电压组合参数则结束，否则表示当前使用的锥束CT系统无法对该零件进行所要求的曝光，立即中止整个扫描。
在所述的步骤(2)中，零件类型的分类主要依据零件的材质，但无须进行非常严格的限定。零件材质对于曝光参数中的电压有很大的影响，通过简单的分类，可在后面的搜索步骤中显著减少曝光参数获取时的搜索次数。三种零件类型的分类如下：
易穿透型：零件材质的密度与水的密度相近，如有机玻璃、复合材料等；
普通穿透型：零件材质的密度与钛的密度相近，如铝、钛合金等；
难穿透型：零件材质的密度与铁的密度相近，如锌、铜等。
在所述的步骤(4)中，预期最低灰度值是射线是否有效穿透零件的判断依据，受到零件类型、散射、探测器成像时的灰度波动等因素的影响，一般取为无零件投影的空白区域灰度值的1/5～1/4左右。考虑到探测器输出图像的灰度波动性，即在完全相同的扫描曝光参数下，多次获取的投影图像的同一位置的灰度一般不会相等，而是在某一小范围内波动，因此，取相对于预期最低灰度值的某一比例作为允许的波动量，这样预期最低灰度值就变成了以预期最低灰度值为中心，可上下浮动一个波动量的预期最低灰度范围。波动量一般取为预期最低灰度值的1/30左右。通过对最低灰度值的上述限制，可确保本发明方法得到的曝光参数用于正式扫描时，射线可有效穿透零件，避免了人工反复尝试中可能出现的对最低灰度值估计不足造成的正式扫描数据报废的情况。
在所述的步骤(5)中，选取曝光优化方式的目的在于，从满足锥束CT扫描对投影图像的基本要求的多组曝光参数中，选定一组用于正式扫描，该组曝光参数可对CT重建切片的质量起到特定的影响。对比度曝光优化可使CT扫描重建的切片图像具有较好的对比度，而射束硬化曝光优化可减少CT扫描重建的切片图像中由于射束硬化造成的杯状伪影。切片图像的对比度和射束硬化伪影都主要受到扫描电压的影响。两种曝光优化方式的优化方法如下：
对比度曝光优化：在满足投影图像基本要求的该类型零件各组电流电压组合参数中，选择电压最低的一组参数；
射束硬化曝光优化：在满足投影图像基本要求的该类型零件各组电流电压组合参数中，选择电压最高的一组参数。但由于射线源在高电压时的负荷增加和稳定性下降，在实际中一般不选择电压最高的一组参数，而是选取满足要求的该类型零件各组参数中由最低电压到最高电压之间最接近2/3位置处的一组电流电压组合参数。
在所述的步骤(6)中，曝光优化搜索是在曝光参数组合表中进行的。曝光参数组合表根据当前使用的锥束CT系统预先采集获取，且只需进行一次，所得的曝光参数组合表数据作为曝光优化的依据可长期反复使用。同类型零件的投影图像空白区域灰度值相同，一般设为易穿透型零件空白投影区域灰度值为探测器响应范围的2/5，普通穿透型零件空白投影区域灰度值为探测器响应范围的1/2，难穿透型零件空白投影区域灰度值为探测器响应范围的3/5。曝光参数组合表有两种，其建立方式如下：
基于mAs递增的曝光参数组合表：将探测器设为某一采集速度，使mA值按一定幅度递增，mAs值也因此按一定幅度递增，通过调节kV值使同类型零件的投影图像空白区域的灰度值保持相同，记录每一mAs值对应的kV值。
基于kV递增的曝光参数组合表：将探测器设为某一采集速度，使kV值按一定幅度递增，通过调节mA值间接调节mAs值，使同类型零件的投影图像空白区域的灰度值保持相同，记录每一kV值对应的mAs值。
上述两种曝光参数组合表中，针对易穿透型零件的曝光参数组合表中的kV值一般覆盖射线源能量范围中较低的1/3，针对普通穿透型零件的曝光参数组合表中的kV值一般覆盖射线源能量范围的中间1/3，针对难穿透型零件的曝光参数组合表中的kV值一般覆盖射线源能量范围中较高的1/3，这样可减少曝光参数组合表的数据量，同时也更为实用。
在所述的步骤(6)中，满足曝光要求是指按照某电流、电压和探测器采集速度进行曝光，所得投影图像中的关注区域灰度最低值大于或等于设置的预期最低灰度值，且投影图像空白区域曝光不过度。由于基于mAs递增的曝光参数组合表和基于kV递增的曝光参数组合表中的参数均没有达到探测器响应范围，即按这两种表中的参数进行扫描必定不会造成曝光过度，因此曝光参数搜索主要在于满足预期最低灰度值。曝光参数搜索可任意选择在基于mAs递增的曝光参数组合表或基于kV递增的曝光参数组合表中进行，其搜索的基本方法是一致的。曝光参数搜索的步骤为：
①工作台静止，曝光参数搜索的初始电压值取为与该类型零件曝光参数组合表中kV覆盖范围中值最接近的电压值，初始电流值为该kV值对应的mAs值乘以选择的探测器采集速度；
②在选择的电流、电压和探测器采集速度下，采集一幅零件投影图像；若是曝光的第一幅投影图像，可以在图像中指定一个矩形区域作为关注区域，该关注区域可包含零件的整体或者某一部分，是用于确定曝光参数的目标区域，若不指定关注区域，则以整幅投影图像作为关注区域；
③在投影图像的关注区域内找到灰度最低值，并取其邻域内的灰度平均值作为实际的灰度最低值，邻域大小一般取为5×5或7×7；
④将实际最低灰度值与预期最低灰度范围比较，若实际值在预期范围内，则搜索成功，取当前电流电压值并结束；若实际值小于预期范围下限，则转第⑤步；实际值大于预期范围上限，则转第⑥步；
⑤在曝光参数组合表中选择电压增大方向的下一组参数，并根据该组参数的mAs值和设定的探测器采集速度计算出电流值，转第②步；若当前电压已是该类型零件曝光参数组合表中电压的最大值，则将当前设定的零件类型升高一级，即由易穿透型变为普通穿透型，或由普通穿透型变为难穿透型，转第①步；若当前电压已是该类型零件曝光参数组合表中电压的最大值且当前零件类型已是难穿透型，则搜索失败，结束；
⑥在曝光参数组合表中选择电压减小方向的下一组参数，并根据该组参数的mAs值和设定的探测器采集速度计算出电流值，转第②步；若当前电压已是该类型零件曝光参数组合表中电压的最小值，则将当前设定的零件类型降低一级，即由难穿透型变为普通穿透型，或由普通穿透型变为易穿透型，转第①步；若当前电压已是该类型零件曝光参数组合表中电压的最小值且当前零件类型已是易穿透型，则搜索失败，结束。
上述曝光参数搜索所得的电流电压组合参数其实是满足投影图像基本要求的电压最低的一组参数，曝光参数组合表中比该电压高的各组合参数都是可用的扫描参数，这时需要根据设定的曝光优化方式进行选择。如果搜索失败，即没有搜索到满足需求的电流电压组合参数，则当前使用的锥束CT系统无法对该零件进行所要求的曝光，这种情况是允许的，实际中也不能事先完全判断所使用的锥束CT系统是否能对某一零件进行良好的扫描。
本发明的有益效果是：采用本发明提出的锥束CT扫描中的曝光参数快速获取与优化方法，只需一次性给定若干简单的参数即可快速得到满足要求的电流电压组合，与通常采用的人工反复尝试法相比，可显著减少获取锥束CT系统曝光参数所需的时间，并使获取的曝光参数达到一定的优化效果。应用该方法可有效降低甚至消除锥束CT扫描对操作人员专业技术经验的依赖性。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为探测器在3幅/秒的采集速度下获取的曝光参数组合表。
具体实施方式
方法实施例：用于实施的锥束CT系统主要由Varian公司的PaxScan2520平板探测器和YXLON公司的Y.TU 450-D02射线源构成，射线源最高电压450kV，在该锥束CT系统中应用本发明的曝光参数快速获取与优化方法，对一个圆柱铝件执行以下步骤：
(1)将零件放置于旋转工作台，并使零件在该投影方位时X射线需要穿越零件的厚度最大，以保证在正式扫描时，采用所获取的曝光参数可使射线在各投影方位对零件良好穿透；
(2)由于零件的材质为铝，因此选择该零件所属的零件类型为普通穿透型；
(3)选择探测器采集投影图像的速度为3幅/秒，该速度与正式采集时一致；
(4)根据图2，普通穿透型零件的无零件投影的空白区域灰度值为2200，预期的最低灰度值取为无零件投影的空白区域灰度值的1/5～1/4左右，因此设置射线穿越该零件的预期最低灰度值为540，波动量为540/30＝18，则预期最低灰度范围为522～558；
(5)选择曝光优化方式为对比度曝光优化；
(6)根据以上设置进行曝光参数搜索，搜索所用的是图2所示的预先建立的基于mAs递增的曝光参数组合表，由于零件是普通穿透型，搜索的初始电压值为与该类型零件曝光参数组合表中kV覆盖范围150kV～301kV的中值225.5kV最接近的电压值，即为224kV，初始电流值为0.19×3＝0.57mA，以整幅投影图像作为关注区域，曝光参数搜索得到的结果是电压184kV，电流0.33×3＝0.99mA，此时关注区域的最低灰度值为551，空白投影区域最大灰度值为2218，这是一组满足投影图像基本要求的电压最低的电流电压组合参数，根据对比度曝光优化的要求，就选择这组曝光参数组合作为满足要求的曝光参数。
上述实施步骤，除去放置零件花费的时间，获取曝光优化参数费时约30秒。由于所用的曝光参数组合表是根据使用的锥束CT系统预先采集建立的，且只需进行一次，所得的曝光参数组合表数据可作为曝光优化的依据长期反复使用，因此建立曝光参数组合表所需的时间可以忽略不计。如果由一个经验不丰富的操作人员采用常规的反复尝试的方法取得所需的曝光参数，通常需要20分钟以上的时间。
该实施实例表明，本发明提出的锥束CT扫描中的曝光参数快速获取与优化方法可显著减少获取锥束CT系统曝光参数所需的时间，并使获取的曝光参数达到一定的优化效果。该方法几乎不要求进行锥束CT扫描的操作人员具有专业技术经验，在实际应用中是有效和可行的。
Claims (5)
1.锥束CT扫描中的曝光参数快速获取与优化方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)将零件放置于旋转工作台，并使零件在该投影方位时X射线需要穿越零件的厚度最大，以保证在正式扫描时，采用所获取的曝光参数可使射线在各投影方位对零件良好穿透；
(b)选择当前零件所属的零件类型：易穿透型、普通穿透型或难穿透型；所述的易穿透型为零件材质的密度与水的密度相近，普通穿透型为零件材质的密度与钛的密度相近，难穿透型为零件材质的密度与铁的密度相近；
(c)选择探测器采集投影图像的速度，该速度与正式采集时一致；
(d)设置射线穿越零件的预期最低灰度值，所述的预期最低灰度值取为无零件投影的空白区域灰度值的1/5～1/4，并允许以预期最低灰度值为中心上下浮动一个波动量，波动量取为预期最低灰度值的1/30；
(e)选择曝光优化方式：对比度曝光优化或射束硬化曝光优化；
(f)根据以上设置进行曝光参数搜索，若得到满足曝光要求的一组电流电压组合参数则结束，否则表示当前使用的锥束CT系统无法对该零件进行所要求的曝光，立即中止整个扫描，具体包括以下步骤：
①工作台静止，曝光参数搜索的初始电压值取为与该类型零件曝光参数组合表中电压覆盖范围中值最接近的电压值，初始电流值为该电压值对应的电流和曝光时间的乘积值乘以选择的探测器采集速度；
②在选择的电流、电压和探测器采集速度下，采集一幅零件投影图像并指定关注区域；
③在投影图像的关注区域内找到灰度最低值，并取其邻域内的灰度平均值作为实际的灰度最低值，邻域大小取为5×5或7×7；
④将实际最低灰度值与预期最低灰度范围比较，若实际值在预期范围内，则搜索成功，取当前电流电压值并结束；若实际值小于预期范围下限，则转第⑤步；若实际值大于预期范围上限，则转第⑥步；
⑤在曝光参数组合表中选择电压增大方向的下一组参数，并根据该组参数的电流和曝光时间的乘积值和设定的探测器采集速度计算出电流值，转第②步；若当前电压已是该类型零件曝光参数组合表中电压的最大值，则将当前设定的零件 类型升高一级，即由易穿透型变为普通穿透型，或由普通穿透型变为难穿透型，转第①步；若当前电压已是该类型零件曝光参数组合表中电压的最大值且当前零件类型已是难穿透型，则搜索失败，结束；
⑥在曝光参数组合表中选择电压减小方向的下一组参数，并根据该组参数的电流和曝光时间的乘积值和设定的探测器采集速度计算出电流值，转第②步；若当前电压已是该类型零件曝光参数组合表中电压的最小值，则将当前设定的零件类型降低一级，即由难穿透型变为普通穿透型，或由普通穿透型变为易穿透型，转第①步；若当前电压已是该类型零件曝光参数组合表中电压的最小值且当前零件类型已是易穿透型，则搜索失败，结束。
2.根据权利要求1的锥束CT扫描中的曝光参数快速获取与优化方法，其特征在于：所述的投影图像空白区域灰度值对于同类型零件相同，设易穿透型零件空白投影区域灰度值为探测器响应范围的2/5，普通穿透型零件空白投影区域灰度值为探测器响应范围的1/2，难穿透型零件空白投影区域灰度值为探测器响应范围的3/5。
3.根据权利要求1的锥束CT扫描中的曝光参数快速获取与优化方法，其特征在于：所述的对比度曝光优化是在满足投影图像基本要求的该类型零件各组电流电压组合参数中，选择电压最低的一组参数；射束硬化曝光优化是在满足投影图像基本要求的该类型零件各组电流电压组合参数中，选择满足要求的该类型零件各组参数中由最低电压到最高电压之间最接近2/3位置处的一组电流电压组合参数。
4.根据权利要求1的锥束CT扫描中的曝光参数快速获取与优化方法，其特征在于：所述的曝光参数组合表包括基于电流和曝光时间的乘积递增的曝光参数组合表和基于电压递增的曝光参数组合表；基于电流和曝光时间的乘积递增的曝光参数组合表的建立方式为将探测器设为某一采集速度，使电流值按一定幅度递增，电流和曝光时间的乘积值也因此按一定幅度递增，通过调节电压值使同类型零件的投影图像空白区域的灰度值保持相同，记录每一电流和曝光时间的乘积值对应的电压值；基于电压递增的曝光参数组合表：将探测器设为某一采集速度，使电压值按一定幅度递增，通过调节电流值间接调节电流和曝光时间的乘积值，使同类型零件的投影图像空白区域的灰度值保持相同，记录每一电压值对应的电流和曝光时间的乘积值。
5.根据权利要求4的锥束CT扫描中的曝光参数快速获取与优化方法，其特征在于：所述的两种曝光参数组合表中，针对易穿透型零件的曝光参数组合表中的电压值覆 盖射线源能量范围中较低的1/3，针对普通穿透型零件的曝光参数组合表中的电压值覆盖射线源能量范围的中间1/3，针对难穿透型零件的曝光参数组合表中的电压值覆盖射线源能量范围中较高的1/3。
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