CN103445798A - 确定平板x射线图像探测器中传感器的几何偏移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用测试装置来确定平板X射线图像探测器中传感器的几何偏移的方法。所述测试装置包括在所述探测器的工作表面上放置的至少两个边缘测试装置。将测试装置在X射线下曝光，以获得所述测试装置的X射线图像。在获得的所述X射线图像中，识别具有与每个所述边缘测试装置的边缘相对应的像素坐标的ROI。利用所述像素坐标，通过目标函数的最小值来确定所述传感器的几何偏移。本发明的技术效果是对特定用途的技术手段的扩展，能够以足够的精度来测量传感器的几何偏移。

Description

确定平板X射线图像探测器中传感器的几何偏移的方法

技术领域

本发明涉及数字X射线图像处理领域，具体涉及一种使用测试装置来测量平板X射线图像传感器中的几何偏移的方法。

背景技术

目前，各医疗设备生产商都在开发视野尺寸高达数十厘米的平板X射线图像探测器。这种探测器中有些含有多个不可移动地固定在公用基板上的传感器。例如，在2005年5月17日公告的第6895007号美国专利中描述了一种X射线装置，该装置包括可以由四个（2×2）或九个（3×3）CCD组成的传感器。在2010年2月16日公告的第7663115号美国专利中描述了一种探测器，该探测器由六个具有20×30厘米视野的CMOS组成。在由这种复合探测器获得的X射线图像中，在探测器元件之间对接的区域，可能会有各种伪影（artifact），这些伪影可能是由下列原因导致的：（1）传感器的感光特性彼此不同；（2）在理想的探测器中，传感器之间必须没有任何间隙，而且每个传感器的列（行）必须与相邻传感器的对应列（行）对齐。显然，在实际的探测器中，传感器总是相对于其理想位置有几何偏移。这一事实还对图像质量造成负面影响。

这些因素导致在图像中出现明显的伪影，需要对其进行校正。为了进行准确的校正，了解这些伪影的本质以及进行一些表征这些伪影的额外测量是很重要的。

在各种图像校正技术中，例如，有一种以使用多元假设隐马尔可夫模型（multiple hypothesis hidden Markov model）为基础来校正X射线图像中的对接伪影的方法（2011年12月6日公告的第8073191号美国专利）。在该技术方案的描述中，伪影区域的宽度可能达到几个像素，但是一般只关注这样的伪影的校正。

平板探测器是不能直接测量传感器之间偏移的一体式装置（all-of-a-piece device）。所以，有两种方法可能用于测量几何偏移。第一种方法在探测器组装阶段使用测量仪器来直接测量传感器偏移。例如，光学显微镜Galileo AV350（Galileo AV350Multi-Sensor Vision System,L.S.Starrett Company）能够测量几个微米的距离。第二种方法是在测试装置的X射线图像中对传感器偏移进行测量。

直接测量传感器偏移的缺点包括：（1）由于机械压力，传感器在组装好的探测器中的位置与在拆开的探测器中的位置之间有差异；（2）如果需要对组装好的探测器进行测量，则需要在特定的场所进行拆卸。上述两个原因实际上排除了在生产现场以外的地方例如在医院测量传感器偏移的可能性。

在类似无法拆卸的情况下，采用间接方法。例如，已知一种在作为测试图（test chart）的X射线图像中扫描测量传感器偏移的方法（2003年7月29日公告的第6600568号美国专利）。这种方法扫描测试装置，该测试装置具有呈特定图案的图像，在扫描中，选择与不同传感器相对应的区域，利用它们的偏移来计算传感器的偏移。

在本发明的技术方案中，采用一种利用测试装置来测量平板X射线图像传感器中的传感器几何偏移的方法。实验显示，利用具有能被X射线穿透的基板和尖锐边缘（以下称为边缘）测试装置的测试装置，能够确定传感器的几何偏移。在测试装置的图像内的感兴趣区域（region of interest，ROI）中，识别与边缘测试装置的每个边缘相对应的像素，生成用于计算的数据，然后基于目标函数的最小值来确定传感器几何偏移。

本发明的发明人从现有技术中未发现与本发明要求保护的测量传感器偏移的方法类似的方法。

发明内容

本发明的技术方案是对确定传感器几何偏移的技术手段的扩展，更具体地，涉及一种利用测试装置来确定传感器几何偏移的新方法，能够以足够的精度来测量平板X射线探测器中的传感器偏移。

本发明的技术效果包括对确定平板X射线探测器中传感器几何偏移的技术手段的扩展，以及能够以足够的精度来测量传感器的几何偏移。

上述技术效果通过一种利用测试装置来确定平板X射线图像探测器中传感器几何偏移的方法来实现，所述测试装置包括边缘测试装置，所述探测器具有至少两个固定在安装板上的传感器，所述方法包括：在所述探测器的工作表面上与所述传感器之间的间隙相对应地放置至少两个所述边缘测试装置；将所述测试装置在X射线下曝光，以获得所述测试装置的X射线图像；在获得的所述X射线图像中，识别与每个所述边缘测试装置的边缘相对应的像素，利用所述像素，通过目标函数的最小值来确定所述传感器的几何偏移。

为了识别与所述边缘相对应的所述像素，计算图像梯度大小；识别所述图像梯度大小高于给定阈值的像素；生成权重因子和像素坐标数据，将像素梯度大小用作所述权重因子。

使用对所述几何偏移有附加约束的最小二乘法作为所述目标函数。

所述测试装置是能被X射线穿透的基板，所述测试装置的表面标记有与所述传感器的对接处相对应的直线，所述直线根据所述传感器的数量而有一个或多个线段；在每个所述线段上，以相邻的所述边缘测试装置的边缘彼此垂直的方式放置至少两个所述边缘测试装置，每个所述边缘测试装置的所述边缘与相应所述线段之间的角度为45度，所述边缘将所述线段分成相互相等的部分。

所述测试装置的基板可以由有机玻璃制成。

上述特征的一部分或全部能够实现以足够的精度来确定传感器几何偏移的技术效果。

附图说明

结合以下附图对用于确定平板探测器中传感器几何偏移的方法的实施方式进行说明。

图1示出实施所述方法的装置，其中，附图标记1是X射线管，附图标记2是X射线，附图标记3是X射线图像探测器，附图标记4是测试装置。

图2示出固定在公用基板上的传感器，可以看出，传感器彼此间没有紧密贴近，在它们之间有间隙。

图3示出测试装置图像（解析目标（resolution target））在传感器对接处的放大局部，椭圆形是对接区域中伪影最明显的点。

图4示出测试装置4的示意图，其中，附图标记I、II是与传感器相对应的图像区域，附图标记5是基板，附图标记6是与传感器对接处相对应的直线，附图标记7、8是边缘测试装置和各ROI。该测试装置用于确定由两个传感器组成的探测器的传感器偏移。

图5示出测试装置4的示意图，其中，附图标记I～IV是与传感器相对应的图像区域，附图标记5是基板，附图标记6、15是与传感器对接处相对应的直线，附图标记7～14是边缘测试装置和各ROI。该测试装置用于确定由四个（2×2）传感器组成的探测器的传感器偏移。

图6示出边缘测试装置图像梯度的大小。

图7示出测试装置图像在相邻传感器对接处的部分，图中的点是用于计算传感器偏移的像素，沿横轴和纵轴对像素编号。

图8用来说明基于一组点来识别直线。这些点代表一组数据(x,y)，该数据用于建立具有参数(p,θ)的上述直线。

图9示出探测器MTF（调制传递函数（modulation transferfunction）），横轴表示空间频率，单位是mm-1，纵轴表示MTF值。

图10示出x轴偏移绝对误差值的直方图，横轴是以像素为单位的绝对误差，纵轴是以百分比表示的相应概率值。

图11示出y轴偏移绝对误差值的直方图，纵轴是以百分比表示的相应概率值。

具体实施方式

X射线图像由图1所示的装置来获得。该装置包括X射线管1。X射线2入射到探测器3的视野，探测器3上放置有测试装置4。探测器3包括闪烁屏（未图示），闪烁屏与探测器的工作表面（activesurface）光学连接。闪烁屏将X射线2转换成可见光，探测器3的传感器将它们转换成数字图像。根据本发明的方法，探测器3包括至少两个固定在安装板上的传感器，在传感器之间的对接处具有间隙，在该探测器3的视野中，放置测试装置4（图4）。X射线2入射到探测器3的视野，获得测试装置4的X射线图像。

下面说明使用测试装置的X射线图像来确定平板探测器中的传感器几何偏移的方法。

由直线近似的边缘图像应该具有足够的精度。该方法基本包括以下步骤：

（1）对于每个ROI，生成由与边缘图像相对应的像素坐标和权重因子组成的一组数据。各像素的梯度模（modulus of gradient）用作权重因子。

（2）残差的加权平方和用作误差或目标函数。

接下来说明用于为每个ROI（图4，位置7～8）生成数据的方法。为了计算图像梯度的大小（Gonzalez et al.,Digital imageprocessing using MATLAB,p.384,Prentice Hall,2004），采用半径为r的一维滤波器，

$f=x\×\exp (-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})x=[-r,...,r]$

每一像素(x_i,y_i)都有权重ω_i，该ω_i等于梯度模。然后，仅使用权重高于给定阈值k×ω_max的那些像素，该阈值k×ω_max与相应ROI中最大像素值ω_max有关。常数k和线性滤波器参数(r,σ)依据数值实验来选择。图6示出图像局部的梯度大小。图7示出一些点，这些点标出了权重高于给定阈值的像素。

下面说明利用数据(x_i,y_i,ω_i)来确定直线的方法，其中(x_i,y_i)是坐标，ω_i是像素权重。线段（segment）(p,θ)的参数方程如下：

p+x×cosθ+y×sinθ=0

直线参数（line parameters）(θ,p)由以下函数的最小值确定：

$E(\mathrm{\θ},p)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i\×{(p+x_i\×\cos \mathrm{\θ}+y_i\×\sin \mathrm{\θ})}^2$

上述函数是每个像素到直线(θ,p)的距离的平方的加权平均值。该函数也可以表示为矩阵形式：

$E(\mathrm{\θ},p)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i\×{(p+\mathrm{\τ}\×X_i)}^2$

其中τ=(cosθ,sinθ)，X_i=(x_i,y_i)^T。使函数E(θ,p)的值最小的参数值θ和p按下列方式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\tan 2\mathrm{\θ}=-\frac{2\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i\×(x_i-\stackrel{\‾}{x})\×(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i\×({(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2-{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2)}\\ p=-\frac{\cos \mathrm{\θ}\×(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i\×x_i)+\sin \mathrm{\θ}\×(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i\×y_i)}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i}\end{array}\right.$

其中，

它们由E(θ,p)的一阶导数等于零的条件来确定。图8给出了利用给定的点集来识别直线的说明。

下面说明确定传感器偏移的下一步骤。将

和

作为ROI(R)和传感器（S）的像素坐标和权重。引入以传感器I（传感器一）的左上角为原点的整体坐标系，在该坐标系内进行全部计算。假设笛卡尔坐标转换为：

$\tilde{X}=O\×X+D$

这里，矩阵O和向量D确定坐标的线性转换：

$D=\left(\begin{array}{c}{d}_x\\ d_y\end{array}\right)$

目标函数为：

$E_{I,\mathrm{II}}=\underset{R}{\mathrm{\Σ}}(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i^{R,I}{(p_R+{\mathrm{\τ}}_R\×X_i^{R,I})}^2+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i^{R,\mathrm{II}}{(p_R+{\mathrm{\τ}}_R\×(O_{\mathrm{II}}\×X_i^{R,\mathrm{II}}+D_{\mathrm{II}}))}^2)$ 这里，τ_R=(cosθ_R,sinθ_R)，

S=I,II是传感器的下标，R=7,8是ROI的下标。通过目标函数E_I,II的最小化来确定与目标边缘7、8相对应的参数(p₇,θ₇)和(p₈,θ₈)、第二传感器相对于第一传感器的旋转矩阵O_II和向量D_II。为了排除传感器重叠值的解，O_II和D_II可以有附加约束条件。由于传感器旋转的角度相对小，假设它们等于零，这样约束条件变得特别简单：

E_I,II→min

D_II,x≥0

实施方式

为了确定包括四个（2×2）传感器的平板探测器中的传感器偏移，将测试装置4（图5）放置在探测器3的视野中。图5示出测试装置的示意图，其中，I～IV是与传感器相对应的图像区域，位置7～14是“边缘”。用于计算传感器偏移的ROI用方框标出。测试装置5是能被X射线穿透的基板，例如有机玻璃，大小与具体的探测器3的大小相应。在基板5上标出与传感器连接处相对应的直线6和直线15。在上述直线上，“边缘”7～14根据技术差距位置（technologicalgap position）来固定。“边缘”是具有线性尖锐边缘的钨板，它的尺寸为20×10×1mm，其中，像素尺寸为50μm。将这种板例如在X射线探测器的MTF估计方法中使用（IEC（国际电工委员会）62220-1，第一版，2003年10月）。钨板固定在基板5的直线6和直线15上。板的最佳位置是使相邻板的边缘彼此垂直，板的边缘与相应线段之间的角度优选为45度，边缘将上述线段分成相互相等的部分。

为了确定整个探测器的几何结构，使目标函数最小化：

E=E_I,II+E_I,III+E_III,IV+E_II,IV

E_I,II确定第二传感器相对于第一传感器的位置（ROI7和ROI8），E_I,III确定第三传感器相对于第一传感器的位置（ROI11和ROI12），E_III,IV确定第四传感器相对于第三传感器的位置（ROI9和ROI10），E_II,IV确定第四传感器相对于第二传感器的位置（ROI13和ROI14）。图5示出ROI7～14的编号和传感器I～IV的编号。因此，得到下列关于约束条件的问题：

E→min

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{II},x}\≥0\\ D_{\mathrm{III},y}\≥0\\ D_{\mathrm{IV},y}\≥D_{\mathrm{II},y}\\ D_{\mathrm{IV},x}\≥D_{\mathrm{III},x}\\ D_{\mathrm{IV},x}\≥0\mathrm{or}{D}_{\mathrm{IV},y}\≥0\\ D_{\mathrm{II},x}\≥D_{\mathrm{III},x}\mathrm{or}{D}_{\mathrm{III},y}\≥D_{\mathrm{II},y}\end{array}\right.$

条件（1）是第二传感器相对于第一传感器偏移的约束条件，条件（2）是第三传感器相对于第一传感器偏移的约束条件，条件（3）是第四传感器相对于第二传感器偏移的约束条件，条件（4）是第四传感器相对于第三传感器偏移的约束条件，条件（5）是第四传感器相对于第一传感器偏移的约束条件，条件（6）是第三传感器相对于第二传感器偏移的约束条件。为了解决这个问题，采用针对有约束条件的非线性任务的数值最小化的标准梯度法。

如上所述，平板探测器是不能直接测量传感器之间的偏移的一体式装置。所以，利用模拟图像来测试本发明的方法的功能。有模拟已知传感器偏移的16字节测试装置图像，该图像的特征如下：

（1）气体图像（air image）中的信号/噪声水平分别是30000单位和50单位。

（2）钨板图像中的信号/噪声水平分别是650单位和15单位。

（3）模拟图像的MTF与在实际图像测得的一致，如图9所示。MTF测量方法与IEC62220-1（第一版，2003年10月）一致。

将模拟图像和与具有正态分布的白噪声相对应的噪声叠加。指示值与测试装置的真实X射线图像相对应。通过随机数生成器生成传感器偏移

该随机数生成器具有±2像素范围的均匀分布。之后，利用模拟图像，通过本发明的方法得到计算出的传感器偏移(D_S,x,D_S,y)，与原始偏移值

进行比较。数值试验显示本发明的方法可以在绝对误差为±2像素的范围内确定平板探测器中的传感器偏移。图10和图11代表绝对误差

沿x轴、

沿y轴的直方图。

本发明的使用测试装置确定X射线平板探测器中传感器几何偏移的方法，可以提供简单、有效、高准确性的传感器几何偏移的估计，而不必拆卸探测器。

本发明的方法是对现有技术的技术扩展。

产业实用性

上述对本发明的说明通过使用说明书提到的和已知的工具和技术来实现。因此，本发明的方法符合产业实用性的标准。

本发明的技术方案通过说明书并结合可实现该技术方案的可能的实施方式进行了公开，这些实施方式是示例性的，而不是对本发明的限制。在说明书基础上，本领域技术人员能够在权利要求书内范围内对本发明进行变形。

Claims (4)

1.一种利用测试装置来确定平板X射线图像探测器中传感器几何偏移的方法，所述测试装置包括边缘测试装置，所述探测器具有至少两个固定在安装板上的传感器，所述方法包括：

在所述探测器的工作表面上与所述传感器之间的间隙相对应地放置至少两个所述边缘测试装置；

将所述测试装置在X射线下曝光，以获得所述测试装置的X射线图像；

在获得的所述X射线图像中，识别与每个所述边缘测试装置的边缘相对应的像素，

利用所述像素，通过目标函数的最小值来确定所述传感器的几何偏移。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

为了识别与所述边缘相对应的所述像素，计算图像梯度大小；

识别所述图像梯度大小高于给定阈值的像素；

生成权重因子和像素坐标数据，将像素梯度大小用作所述权重因子。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用对所述几何偏移有附加约束的最小二乘法作为所述目标函数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述测试装置是能被X射线穿透的基板，所述测试装置的表面标记有与所述传感器的对接处相对应的直线，所述直线根据所述传感器的数量而有一个或多个线段；

在每个所述线段上，以相邻的所述边缘测试装置的边缘彼此垂直的方式放置至少两个所述边缘测试装置，每个所述边缘测试装置的所述边缘与相应所述线段之间的角度为45度，所述边缘将所述线段分成相互相等的部分。

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