CN101893586B - 一种简化的锥束ct散射检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简化的锥束CT散射检测方法，设锥束CT为圆周扫描方式，采集空气投影图像G1、射束衰减网格投影图像G2和被测物体投影图像G3；用大津法对G3中的各幅投影图像进行分割；计算上一步所得各幅投影图像中所有象素灰度之和，在灰度和中查找4个局部极值点；确定采集射束衰减网格+被测物体投影图像G4的投影角度，采集G4；与G4每幅投影图像对应的散射图像G5；进行投影角度间的散射图像插值，得到散射图像G6；将G3与G6的对应图像象素灰度相减，即完成锥束CT扫描的散射校正。本发明显著减少了用于散射检测的机时消耗，提高了散射检测效率。

Description

一种简化的锥束CT散射检测方法

技术领域

本发明属于CT无损检测领域，涉及一种简化的锥束CT散射检测方法。

背景技术

锥束CT(Cone Beam Computed Tomography，CBCT)利用锥形束射线源和平板探测器采集被测物体的投影数据，并重建出连续的序列切片图像，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，在医疗诊断与工业检测等领域已显示出广阔的应用前景。

射线散射是降低锥束CT成像质量的重要因素之一，主要体现为降低图像对比度，模糊图像细节。事实上，自CT诞生以来，散射的抑制与校正一直是该领域研究的重点和难点。散射的抑制与校正技术总体上可分为两类：一类为减少到达探测器的散射射线的技术，包括准直器、空气隙、滤线器、扫描狭缝技术、不透射线的铅条或铅板技术等，另一类为数字技术(即数字图像后处理技术)，包括高通滤波、散射卷积、散射反卷积等。近年来很多研究人员采用蒙特卡罗方法(Monte Carlo Method，MCM)进行锥束CT的散射仿真，通过专门的程序计算得到特定条件下的散射强度分布，进而分析散射的表现并进行相应的校正。采用蒙特卡罗程序仿真散射可以得到比较准确的理论结果，但这种方法每生成一幅投影图像都要跟踪数百万甚至上亿个光子，计算耗时数十甚至上百小时，而要进行精度较高的锥束CT重建必须仿真数百幅甚至上千幅投影图像，实际应用时总的时间难以接受，因此多限于理论研究。

张定华、胡栋材、黄魁东等人在《中国机械工程》(2009，20(6)：639-643)的文章“基于射束衰减网格的锥束CT散射校正方法”中提出采用射束衰减网格(Beam Attenuation Grid，BAG)检测锥束CT扫描时的散射情况，是一种较好的可用于面阵探测器开放成像的散射检测方法，克服了Beam Stop Array方法(Ruola Ning，Xiangyang Tang，D.L.Conover，X-Ray scatter suppression algorithm for cone beam volume CT，Proc.SPIE vol.4682，774-781，2002)在较高扫描电压的工业CT应用中铅球尺寸过大的缺点。

利用射束衰减网格检测锥束CT扫描时的散射情况(以散射图像表示)的基本思路是：根据设定的4次扫描获取4组投影图像(即：空气投影图像g1、射束衰减网格投影图像g2、被测物体投影图像g3、射束衰减网格+被测物体投影图像g4，其中g3和g4的投影数量和投影角度完全一致)，推导出射束衰减网格钢珠中心投影位置上的散射值计算方法，然后针对每个投影角度钢珠中心投影位置上的散射值采用双三次样条插值得到相应角度上的散射图像，最后从g3中对应减去其散射图像来完成散射校正。显然，为了获得散射图像，基于射束衰减网格的方法在一般的CT扫描之外，还需增加一倍以上的特定扫描(g1+g2+g4)，在加大机时消耗的同时，也降低了扫描检测效率。

发明内容

为了克服现有技术扫描量较大的不足，本发明提供一种简化的锥束CT散射检测方法，利用少量扫描角度下的散射图像插值出完整的圆周扫描散射图像，并将误差控制在可接受的范围之内，从而大大减少了采用射束衰减网格检测锥束CT散射分布的机时消耗，增强方法的实用性。

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)设锥束CT为圆周扫描方式，根据基于射束衰减网格的锥束CT散射校正方法采集3组投影图像：空气投影图像G1、射束衰减网格投影图像G2和被测物体投影图像G3；

(2)采用大津法对被测物体投影图像G3中的各幅投影图像进行图像分割，并将分割后的投影图像中的背景区域象素灰度全部置为0；

(3)按投影图像采集顺序依次计算上一步所得各幅投影图像中所有象素灰度之和，得到一组与被测物体投影图像G3中投影图像一一对应的数据H；

(4)在数据H中查找4个局部极值点；

(5)确定采集射束衰减网格+被测物体投影图像G4的投影角度：以上一步获得的4个局部极值点所对应的投影角度为基准投影角度，在扫描圆周上将相邻2个基准投影角度之间作相同的3～9等分(被测物体越复杂则等分数量取值越大)，若等分所得的投影角度不是采集G3时所用的投影角度，则将其取为与G3中所用的投影角度最相近的投影角度，基准投影角度与等分所得投影角度共同构成G4的投影角度；

(6)分别在上一步所得的每个G4投影角度采集一幅射束衰减网格+被测物体投影图像，得到射束衰减网格+被测物体投影图像G4；

(7)根据基于射束衰减网格的锥束CT散射校正方法计算与G4每幅投影图像对应的散射图像G5；

(8)以散射图像G5为插值节点进行投影角度间的散射图像插值，得到与被测物体投影图像G3一一对应的散射图像G6；(举个例子：G3有360幅，G4只有36幅，则直接计算出的散射图像G5也是36幅，现在需要与G3中各个投影角度的投影图像一一对应的360幅散射图像，所以是以G5的36幅散射图像为插值节点插值计算出360幅散射图像。)

(9)将G3与G6的对应图像象素灰度相减，即完成锥束CT扫描的散射校正。

在上述步骤(4)中，在H中查找4个局部极值点的具体步骤为：

1)将H中的数据首尾相连组成一个闭环链表；

2)对该闭环链表的数据进行一维多点(3～5点)均值滤波；

3)遍历该闭环链表，若某个数据大于或等于其左右相邻的各3～5个数据，则该数据为局部极大值，若某个数据小于或等于其左右相邻的各3～5个数据，则该数据为局部极小值。(由圆周扫描的近似对称性可知存在4个局部极值点。)

在上述步骤(8)中，对于G6中任一幅需要插值生成的某投影角度的散射图像，其具体计算步骤为：

1)查找G5中位于该投影角度左右两侧的各2幅散射图像，从左至右依次为S1、S2、S4、S5；

2)设该投影角度待生成的散射图像S3中(x，y)位置的象素灰度为P3，分别获取S1、S2、S4和S5中(x，y)位置的象素灰度为P1、P2、P4和P5；

3)根据P1、P2、P4和P5，采用三次拉格朗日插值或三次样条插值计算得到P3；

4)对S3中每一个象素重复执行上述步骤2)和步骤3)，则可得到该投影角度的插值散射图像S3。

本发明的有益效果是：本发明只需在正常的锥束CT扫描之外增加少量扫描即可完成锥束CT的散射检测，并将误差控制在可接受的范围之内，增加的扫描量仅相当于基于射束衰减网格的锥束CT散射校正方法的1/10～1/30，显著减少了用于散射检测的机时消耗，提高了散射检测效率。

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为本发明实现锥束CT简化散射检测的流程图；

图2为实验铝件散射校正前后第512层切片中相同位置的线性灰度比较图。

具体实施方式

对一铝件进行锥束CT扫描，X射线源为YXLON的Y.TU450-D02，平板探测器为Varian的PaxScan2520，应用本发明方法进行散射检测，执行以下步骤：

(1)设锥束CT为圆周扫描方式，根据基于射束衰减网格的锥束CT散射校正方法采集3组投影图像：6幅空气投影图像G1、6幅射束衰减网格投影图像G2和360幅被测物体投影图像G3；

(2)采用大津法对G3中的各幅投影图像进行图像分割，并将分割后的投影图像中的背景区域象素灰度全部置为0；

(3)按投影图像采集顺序依次计算上一步所得各幅投影图像中所有象素灰度之和，得到一组与G3中投影图像一一对应的数据H；

(4)在H中查找4个局部极值点，具体步骤如下：

1)将H中的数据首尾相连组成一个闭环链表；

2)对该闭环链表的数据进行一维3点均值滤波；

3)遍历该闭环链表，若某个数据大于或等于其左右相邻的各3个数据，则该数据为局部极大值，若某个数据小于或等于其左右相邻的各3个数据，则该数据为局部极小值。

(5)确定采集射束衰减网格+被测物体投影图像G4的投影角度：以上一步获得的4个局部极值点所对应的投影角度为基准投影角度，在扫描圆周上将相邻2个基准投影角度之间作相同的6等分，若等分所得的投影角度不是采集G3时所用的投影角度，则将其取为与G3中最相近的投影角度，基准投影角度与等分所得投影角度共同构成G4的投影角度，共24个；

(6)分别在上一步所得的每个G4投影角度采集一幅射束衰减网格+被测物体投影图像，得到G4；

(7)根据基于射束衰减网格的锥束CT散射校正方法计算与G4每幅投影图像对应的散射图像G5；

(8)以G5为插值节点进行投影角度间的散射图像插值，得到与G3一一对应的散射图像G6，对于G6中任一幅需要插值生成的某投影角度的散射图像，其具体计算步骤为：

1)查找G5中位于该投影角度左右两侧的各2幅散射图像，从左至右依次为S1、S2、S4、S5；

2)设该投影角度待生成的散射图像S3中(x，y)位置的象素灰度为P3，分别获取S1、S2、S4和S5中(x，y)位置的象素灰度为P1、P2、P4和P5；

3)根据P1、P2、P4和P5，采用三次样条插值计算得到P3；

4)对S3中每一个象素重复执行上述步骤2)和步骤3)，则可得到该投影角度的插值散射图像S3。

(9)将G3与G6的对应图像象素灰度相减，即完成锥束CT扫描的散射校正。

从图2给出的实验铝件散射校正前后第512层切片中相同位置的线性灰度比较可以看出，本发明可通过少量投影角度散射图像插值获取完整的散射图像并进行散射校正，重建所得切片图像的线性灰度与基于射束衰减网格的锥束CT散射校正方法所得几乎完全重合，且相对于未散射校正的切片图像有明显的质量改善，表明了本发明方法的可行性和有效性。

Claims (3)

1.一种简化的锥束CT散射检测方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)设锥束CT为圆周扫描方式，根据基于射束衰减网格的锥束CT散射校正方法采集3组投影图像：空气投影图像G1、射束衰减网格投影图像G2和被测物体投影图像G3；

(2)采用大津法对被测物体投影图像G3中的各幅投影图像进行图像分割，并将分割后的投影图像中的背景区域象素灰度全部置为0；

(3)按投影图像采集顺序依次计算上一步所得各幅投影图像中所有象素灰度之和，得到一组与被测物体投影图像G3中投影图像一一对应的数据H；

(4)在数据H中查找4个局部极值点；

(5)确定采集射束衰减网格+被测物体投影图像G4的投影角度：以上一步获得的4个局部极值点所对应的投影角度为基准投影角度，在扫描圆周上将相邻2个基准投影角度之间作相同的3～9等分，若等分所得的投影角度不是采集G3时所用的投影角度，则将其取为与G3中所用的投影角度最相近的投影角度，基准投影角度与等分所得投影角度共同构成G4的投影角度；

(6)分别在上一步所得的每个G4投影角度采集一幅射束衰减网格+被测物体投影图像，得到射束衰减网格+被测物体投影图像G4；

(7)根据基于射束衰减网格的锥束CT散射校正方法计算与G4每幅投影图像对应的散射图像G5；

(8)以散射图像G5为插值节点进行投影角度间的散射图像插值，得到与被测物体投影图像G3一一对应的散射图像G6；

(9)将G3与G6的对应图像象素灰度相减，即完成锥束CT扫描的散射校正。

2.根据权利要求1所述的一种简化的锥束CT散射检测方法，其特征在于：

所述的步骤(4)中，在数据H中查找4个局部极值点的具体步骤为：

1)将H中的数据首尾相连组成一个闭环链表；

2)对该闭环链表的数据进行一维多点均值滤波；

3)遍历该闭环链表，若某个数据大于或等于其左右相邻的各3～5个数据，则该数据为局部极大值，若某个数据小于或等于其左右相邻的各3～5个数据，则该数据为局部极小值。

3.根据权利要求1所述的一种简化的锥束CT散射检测方法，其特征在于：

所述的步骤(8)中，对于G6中任一幅需要插值生成的某投影角度的散射图像，

其具体计算步骤为：

1)查找G5中位于该投影角度左右两侧的各2幅散射图像，从左至右依次为S1、S2、S4、S5；

2)设该投影角度待生成的散射图像S3中(x，y)位置的象素灰度为P3，分别获取S1、S2、S4和S5中(x，y)位置的象素灰度为P1、P2、P4和P5；

3)根据P1、P2、P4和P5，采用三次拉格朗日插值或三次样条插值计算得到P3；

4)对S3中每一个象素重复执行上述步骤2)和步骤3)，则可得到该投影角度的插值散射图像S3。

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