CN104146724B - 一种数字x光机自动曝光控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字X光机自动曝光控制方法及装置，属于数字放射成像技术领域。主要包括二次曝光中预曝光图像的处理以及自适应优化曝光参数方法及装置、曝光控制方法及装置。本发明通过预曝光图像灰度拉伸，以位置对应找到最优阈值，将图像分割为不同区域，提取不同成分的感兴趣区域，分别计算平均灰度、信噪比、对比度，以此来自适应优化主曝光参数(mA、s、KV)；通过同步控制单元为曝光过程及数据采集提供精准时序，防止延时或提前反应影响成像效果。本发明采用多种成分，多目标区域，多种图像标准，通过自适应算法来调整曝光参数，在同步控制下曝光，可以使用较少的曝光剂量获得最优质的图像。

Description

一种数字X光机自动曝光控制方法及装置

技术领域

本发明属于数字放射成像(Digital Radiography，简称DR)技术领域，涉及一种数字X光机自动曝光控制方法及装置。

背景技术

在医学上，X射线摄影本就是一把双刃剑，通过拍片帮助医生诊断的同时也会对病人造成不同程度的辐射伤害。在传统人工操作曝光过程中对操作人员要求很高，医生要根据病人的体型和体位来确定曝光参数(KV、mA、s，其中KV确定成像对比度范围，曝光剂量(mA)确定图像的信噪比；曝光时间(s)确定图像的清晰度)，拍出来的片子质量好坏受人为影响因素很大，图像质量不稳定。自动曝光控制(Automatic Exposure Control，简称AEC)技术能够在拍摄的过程中自适应调整曝光参数，以较小的剂量得到优质并且稳定的图像。

现有X光机自动曝光控制大致可分为传感器(电离室)剂量检测法及二次曝光法。传感器剂量检测通过在探测器或胶片前放置一个或多个电离室，检测到辐射剂量达到设定值就自动停止，这样不但需要新的硬件设备，而且由于电离室吸收射线需要加大曝光剂量，并且不能自适应调整曝光参数。二次曝光是通过一次短暂的预曝光，通过预曝光图像效果来调整曝光参数，然后以调整后的曝光参数进行曝光，能够以较小的曝光剂量获得较高质量图像，部分专利也公开了二次曝光法的一些重要技术。

目前，有些技术通过二次曝光，简单提取图像感兴趣区域，以此区域信噪比来调整主曝光参数mAs,相对于电离室自动曝光控制方法，其根据预曝光情况，可以自适应的调整曝光参数，提高了成像质量及剂量控制的精准度，但是，采用基于解剖学结构大小、形状和灰度统计的方法分割预曝光图像，在灰度集中的预曝光图像中，并不能很好的提取出感兴趣区域；提取感兴趣区域成分单一，不能很好的反应预曝光情况；仅以感兴趣区域特征参数信噪比调整曝光参数mAs，没有采用预曝光图像对比度、清晰度来优化曝光参数，成像效果不佳，曝光剂量控制不够精准。

也有技术通过对图像感兴趣区域进行灰度统计，以平均灰度来调整曝光参参数mA或曝光时间，通过对预曝光图像进行降噪处理，提取边缘轮廓，来提取感兴趣区域，由于预曝光图像经过降噪处理，并不能很好的反应预曝光情况，同时，仅仅提取单一成分感兴趣区域，不能很好的反应预曝光情况；仅以感兴趣区平均灰度调整曝光参数mA或s，没有采用预曝光图像对比度、清晰度来优化曝光参数，影响自动曝光效果；

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种数字X光机自动曝光控制方法及装置，能够使得在曝光过程中使用更加精确的剂量，提高图像整体效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种数字X光机自动曝光控制方法，包括以下步骤：步骤一：设定预曝光参数、KV、mA、s，控制系统以该参数进行预曝光；步骤二：通过预曝光图像灰度拉伸，找到最优阈值，将图像分割为不同区域，提取不同成分的感兴趣区域；步骤三：对各个区域进行灰度统计，计算平均灰度、图像对比度、信噪比；步骤四：以各区域的平均灰度、对比度、信噪比优化主曝光参数，包括KV、mA、s；步骤五：采用优化后的曝光参数进行主曝光，获取本次曝光图像。

进一步，所述的设定预曝光参数具体包括：系统根据病人体位、身高和体重生成预曝光参数表，保存于存储器中，操作人员输入病人体位、身高和体重就设定了预曝光参数；在曝光完成后，根据曝光效果对预曝光参数表进行优化更新，其方法如下：

其中，X为预曝光参数表中参数(KV或mA)；Y为优化后参数，分别为标准图像、第i次曝光图像特征参数(对比度优化KV，信噪比优化mA)；ΔX为优化刻度；f为预曝光参数优化系数，n为曝光次数。

进一步，在步骤二中，所述的图像分割，采用图像灰度拉伸及阈值分割相结合，将预曝光图像分割为不同感兴趣区域，分别为背景区域、目标区域、软组织区域、骨骼区域，图像分割过程如下：

1)对预曝光图像进行灰度统计，获取灰度直方图；

2)根据灰度直方图，以及X线图像特征和分割目标，采用以下公式进行灰度拉伸，突出图像灰度轮廓：

其中：X(i,j)为输入灰度，Y(i,j)为拉伸输出，P[X(i,j)]为X(i,j)所在灰度直方图对应概率，P_D为由灰度直方图得到概率系数，t₁t₂t₃t₄。分别为P_D对应的四个灰度点；

3)进行灰度统计，获得进行灰度拉伸后图像的灰度直方图，确定阈值T₁ ¹、T₂ ¹，对应到预曝光原图位置，获得分割阈值T₁、T₂；

4)采用阈值T₁将图像分割为区域背景区域Ⅰ和目标区域Ⅱ，采用阈值T₂将区域Ⅱ进一步分割为区域软组织区域Ⅲ和骨骼区域Ⅳ；进行面积求取，提取相应面积的连通区域作为感兴趣区域，分割公式如下：

其中，X(i,j)为预曝光图像，E(i,j)、F(i,j)、G(i,j)、H(i,j)分别为区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

所述的计算预曝光图像特征参数，计算区域Ⅱ对比度C_mea、信噪比SNR_mea，分别对区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ进行灰度统计，计算三个区域的平均灰度G_mea1、G_mea2、G_mea3。

进一步，在步骤四中，所述的优化主曝光参数，包括KV、aA、s，采用以下公式进行优化：

曝光剂量率KV：

曝光剂量mA：

曝光时间s：

其中，KV_pre、mA_pre、s_pre为预曝光参数，C_sta、SNR_sta、G_sta1、G_sta2、G_sta3分别为标准图像对应区域对比度、信噪比、平均灰度。

进一步，所述曝光时间s计算为提高整体目标区域效果，还可以根据需要提高组织、骨骼图像效果，将换为

本发明还提供了一种数字X光机曝光同步方法，为曝光过程提供精准的时序，采用主从闭环控制曝光控制单元、高压发生器、探测器、图像采集卡同步，以曝光控制单元输出预曝光信号为启动触发信号，同步控制单元按照时序逻辑关系控制从设备；具体包括以下步骤：

S1：从曝光控制单元接收曝光控制信号后，向高压发生器及探测器发送曝光准备信号，对高压发生器和探测器进行同步；

S2：通过定时延迟，读取高压发生器及探测器状态信号，即准备反馈信号；

S3：开始曝光，以曝光参数中时间s定时等待完成；

S4：通知曝光控制单元采集预曝光图像，并等待主曝光控制信号；

S5：重复步骤S1—S3；

S6：通知图像采集卡采集图像。

此外，本发明还提供了一种数字X光机自动曝光控制装置，该装置包括曝光控制单元和同步控制单元；所诉曝光控制单元包括数据采集部、控制I/O部、控制MCU、存储模块及图像处理MCU，曝光控制单元主要作用为采集预曝光图像、处理预曝光图像、优化曝光参数；所述同步控制单元包括定时器部、时序产生部、I/O部及逻辑控制部，同步控制单元用于实现曝光控制单元、高压发生器、探测器、图像采集卡的同步，提高曝光稳定性。

进一步，曝光控制单元的曝光控制过程如下：控制MCU接收到病人信息，根据其存储器中的预曝光参数表，得到本次曝光的预曝光参数；控制MCU通过控制I/O部发送预曝光参数到高压发生器，发送曝光时间s及曝光控制信号到同步控制单元；预曝光完成后，控制MCU通过数据采集部采集预曝光图像，并且存储在存储器中；图像处理MCU处理预曝光图像，自适应优化主曝光参数；控制MCU通过控制I/O部发送主曝光参数到高压发生器，发送曝光时间s及曝光控制信号到同步控制单元，进行主曝光；曝光完成后，根据本次曝光效果，对预曝光参数表进行优化更新，并以成像效果、曝光剂量、整体曝光时间对本次曝光进行评价。

进一步，所述探测器可以是CCD探测器，也可以是平板探测器，在采预曝光图像据前，控制MCU读取探测器参数，然后自适应采集图像；所述存储模块对预曝光图像进行临时保存，待图像处理完成后清除。

进一步，所述同步控制单元的时序产生部提供精准时序；I/O部输入输出控制信号及反馈信号；定时器部对曝光过程中部分过程进行定时，系统等待完成反应；逻辑控制部以时序为基准，以曝光控制单元输出预曝光信号为启动触发信号，自动完成预定的逻辑顺序工作。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明采用多种成分目标区域多种图像标准来调整曝光参数，能够有效提高整体图像效果，对曝光剂量控制更急精确；在同步控制下曝光，提高曝光稳定性，减少曝光过程中空闲周期，提高曝光效率，可以使用较少的剂量获得最优质的图像。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明数字X光机自动曝光控制方法流程示意图；

图2为本发明胸部正位示例预曝光参数表；

图3为本发明数字X光机自动曝光控制方法预曝光图像处理及曝光参数优化流程示意图；

图4为本发明预曝光图像灰度拉伸前后灰度直方图效果示意图；

图5为本发明数字X光机曝光同步过程示意图；

图6为本发明数字X光机自动曝光控制系统框图；

图7为本发明实施例中曝光控制单元功能结构示意图；

图8为本发明实施例中同步控制单元功能结构示意图。

具体实施方式

本发明通过对预曝光图像进行灰度拉伸，突出灰度轮廓，确定阈值，然后以位置对应到原图，确定分割阈值，将预曝光图像分割为骨骼、软组织、背景三个区域，提取不同成分的感兴趣区域，进行灰度统计，计算平均灰度、信噪比、对比度，来自适应优化主曝光参数(mA、s、KV)；通过同步控制单元为曝光过程及数据采集提供精准时序，防止延时或提前反应影响成像效果。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1所示了本发明数字X光机自动曝光控制方法流程示意图，包括：

步骤101，根据病人拍摄的体位、身高、体重，操作人员从预曝光参数表中选择合适的预曝光参数；

所述操作人员选择合适的预曝光参数，操作人员可以选择直接输入预曝光参数(KV、mA、s)；也可以选择相关预曝光信息(包括拍摄体位、身高、体重)，由曝光控制单元根据预曝光信息，在预曝光参数表中选择合适的预曝光参数。

所述预曝光参数表，需要根据解剖学结构及拍摄经验，以体位、身高及体重为标准制作预曝光参数表。共分为两级选择，一级选择为体位，二级选择为身高和体重。在本实施例中把体位大致分为：胸部正位、胸部侧位、腹部正位、腹部侧位、上肢、下肢等，拍摄其他体位可按相似度来选择。

以胸部正位为例，如图2所示，表格横向以体重段每5kg递增，纵向以身高段每5cm递增，体重与身高交叉处表格表示体重和身高在该段病人进行预曝光参数(KV、mA、s)，如：(70、25、0.02)表示，体重在30-35kg，身高在145-150cm病人预曝光参数，70KV、25mA、0.02s，随着病人体重增加，预曝光剂量有不同程度的增加，随身高增加而减小。

图中预曝光参数，仅作为例子来说本发明。本发明的预曝光参数，也是为了方便操作人员而设定，将会根据曝光结果评价进行优化更新。

步骤102，进行预曝光，采集预曝光图像，并且保存到曝光控制单元存储器模块中；

所述预曝光，在同步控制单元进行同步下完成，其过程如下：

曝光控制单元发送预曝光参数到高压发生器，并发送预曝光控制信号到同步控制单元启动预曝光；

同步控制单元对高压发生器和探测器进行同步，分别对高压发生器和探测器发送曝光准备信号，通过定时等待准备好，读取高压发生器和探测器状态信号；

同步控制单元启动预曝光，通过定时(时间为预曝光时间s)待曝光完成，向曝光控制单元发送预曝光图像采集信号；

曝光控制单元采集预曝光图像，并将其存放在曝光控制单元中存储器模块；

步骤103，对预曝光图像进行处理，根据处理结果，自适应优化主曝光参数(包括KV、mA、s)；

所述的预曝光图像处理，包括图像分割，提取感兴趣区域，提取反应曝光水平的图像特征参数。

图像分割，采用阈值分割法将预曝光图像分割并提取三个感兴趣区域，分别为背景区域、骨骼区域、软组织区域。由于预曝光采用低剂量，使得预曝光图像灰度集中，不利于分割，本发明先对预曝光图像进行灰度拉伸，确定分割阈值，然后以位置对应到原图，以此来完成预曝光图像的分割。使得分割更加准确，提高自动曝光的准确性。

提取图像特征参数，本发明采用不同感兴趣区域的不同特征参数来优化主曝光参数，以骨骼区域及软组织区域对比度计算KV，信噪比计算mA，以背景区域、骨骼区域、软组织区域平均灰度计算曝光时间s。

所述自适应调整主曝光参数，将标准X线图像特征参数(对比度、信噪比、平均灰度)存储在曝光控制单元，以此来与预曝光图像特征参数进行对比，从而计算出主曝光参数。

步骤104，采用优化后的参数进行主曝光，图像采集卡采集图像；

所述主曝光，在同步控制单元进行同步下完成，其过程如下：

曝光控制单元发送自适应优化后的主曝光参数到高压发生器，并发送主曝光控制信号到同步控制单元启动主曝光；

同步控制单元对高压发生器和探测器进行同步，分别对高压发生器和探测器发送曝光准备信号，通过定时等待准备好，读取高压发生器和探测器状态信号；

同步控制单元启动主曝光，通过定时(时间为主曝光时间s)待曝光完成，向图像采集卡发送本次曝光图像采集信号；

图像采集卡采集本次曝光图像；

步骤105，曝光完成后，根据本次曝光效果(成像效果)，对预曝光参数表进行优化更新，并以成像效果、曝光剂量、整体曝光时间对本次曝光进行评价；

通过对预曝光参数表的优化，可以使X光机预曝光更加准确，从而更加精确确定主曝光参数，提高自动曝光的准确性。其优化更新过程如下：

首先要对本次曝光进行评价，评价标准为成像效果(对比度及信噪比)、曝光剂量、曝光时间，其中成像效果、曝光剂量的评价用于优化更新预曝光参数；

然后通过与标准评价进行对比，如果对比落在标准评价左边，为负，表示曝光不足；落在标准右边，为正，表示曝光剂量过高；

最后，优化更新，我们对KV、mA参数设置优化刻度ΔX，比如，分别为1KV、1mA，按照以下公式，对预曝光参数进行微调，使得预曝光参数更加准确：

该优化方案中，在对同一个部位拍摄累积到n次以后进行优化，其中，X为预曝光参数表中参数(KV或mA)；Y为优化后参数，对预曝光参数表进行更新；分别为标准图像、第i次曝光图像特征参数(对比度优化KV，信噪比优化mA)；ΔX为优化刻度；f为预曝光参数优化系数。

优选地，累积到n次以后才进行优化，可以有效的避免个例对优化的影响，提高预曝光参数优化的准确性，一般20次以上进行优化。

优选地，可以通过优化系数f，来调节优化程度，f的大小要适中，过大会使预曝光参数严重偏离，过小又起不到优化效果。对KV和mA的优化，选取不同f值，对KV的优化程度可以比较大，f值一般在120到150之间，而mA值确定了辐射剂量，需要进行细微的优化，f值一般在70到100之间；不同体位预曝光参数表，采用不同的f值，如胸部侧位，厚度及密度都较大，应该优化较大，KV优化f值可以选取150，mA优化f值可以选取100。

图3所示了数字X光机自动曝光控制方法中预曝光图像处理及参数优化流程，具体流程如下：

步骤301，对预曝光图像进行灰度统计，获取灰度直方图；

为了得到预曝光图像的灰度分布情况，对预曝光图像进行灰度直方图统计，获得其灰度直方图，该灰度直方图作为后续图像处理的依据，也可以从中看出本次预曝光效果。

步骤302，根据灰度直方图进行灰度拉伸，突出灰度轮廓；

根据步骤301获取的灰度直方图，其效果如图4(a)所示，由于预曝光剂量远小于实际曝光剂量，获得预曝光图像质量差，特别是灰度较集中，而且灰度直方图峰值与谷底不明显，不易找到最有阈值，不利于图像分割。

本发明先对预曝光图像进行增强，根据灰度直方图，来突出灰度轮廓及灰度范围，利于找到分割阈值，这里，我们根据预曝光图像灰度直方图，采用灰度拉伸对预曝光图像进行增强。

本发明分割目标是，采用阈值分割的方法，将预曝光图像分割为背景、软组织、骨骼三个区域，需要找到两个阈值来进行分割。结合预曝光图像特点与分割目标，根据灰度直方图，对预曝光图像进行灰度拉伸，其步骤如下：

第一步，确定预曝光图像直方图两个最低谷底大致范围，来确定一个拉伸系数PD，如图4(a)所示，找到灰度直方图中最低的两个点(这个两个点必须相隔一定灰度级，中间存在一个最大峰值)，以两点中较高点，向一个方向延伸3-5个灰度级，对应的灰度概率为PD；

第二步，采用PD，所对应两个谷底两侧灰度t₁、t₂、t₃、t₄，将预曝光图像灰度直方图分为五段，分别采用不同拉伸程度进行拉伸，如图4(a)所示；

第三步，采用如下公式对预曝光图像进行拉伸：

其中，x(i,j)输入预曝光图像，y(i,j)输出拉伸后图像，P[x(i,j)]为x(i,j)所在灰度出现的概率或点数，P[x(i,j)-1]为x(i,j)所在前一灰度出现的概率或点数。公式中对五段灰度采用不同的拉伸程度及拉伸方向，具体如下：

x(i,j)≤t₁段，采用拉伸程度，向低灰度拉伸；

t₁＜x(i,j)≤t₂段，以斜率分为两段，P[x(i,j)-1]≥P[x(i,j)，采用拉伸程度，向低灰度拉伸，P[x(i,j)-1]≤P[x(i,j)，采用拉伸程度，向高灰度拉伸；

t₂＜x(i,j)≤t₃段，不进行拉伸；

t₃＜x(i,j)≤t₄段，与t₁＜x(i,j)≤t₂段采用同样拉伸；

t₄＜x(i,j)段，采用拉伸程度，向高灰度拉伸。

采用图像灰度拉伸方法，可以很好的将背景区域和骨骼区域分别向低灰度和高灰度拉伸，软组织区域不进行拉伸，而且三个区域分隔出灰度向两边拉伸，可以很好的突出灰度轮廓，及增加灰度范围，利于图像分割，拉伸后图像灰度直方图效果如图4(b)所示。

步骤303，对拉伸后的图像进行灰度统计，获取灰度直方图，确定分割阈值T₁ ¹、T₂ ¹；

进行拉伸后图像灰度直方图如图4(b)所示效果，相比预曝光图像，灰度主要技术在三个区域，分别为背景、软组织、骨骼区域，而且具有明显的谷底，这里，可以采用两个谷底对应的灰度值T₁ ¹、T₂ ¹作为分割阈值。

步骤304，将T₁ ¹、T₂ ¹以位置对应到原预曝光图像位置，确定原图分割阈值T₁、T₂；

由于T₁ ¹、T₂ ¹是拉伸后图像确定的分割阈值，该灰度值已经变化，并不能作为预曝光图像的分割阈值，但阈值所在位置没有变化，这里可以采用位置对应来找到预曝光图像分割阈值T₁、T₂。

优选地，由于经过灰度拉伸，在拉伸图像中灰度为T₁ ¹、T₂ ¹的点经过位置对应到原图，其灰度值并不一定相等。本发明在拉伸图像中，分别找到灰度值为T₁ ¹、T₂ ¹的20-30个点，分别为n、m在20到30间，也可以选取更多的点；以位置(i_n,j_n)对应到预曝光原图，确定n个点x₁(i_n,j_n)，以位置(i_m,j_m)确定x₂(i_m,j_m)；在x₁(i_n,j_n)和x₂(i_m,j_m)中，选取出现相同灰度点最多的灰度作为分割阈值T₁、T₂，也可以采用所有点的平均灰度最为分割阈值T₁、T₂。

优选地，在选取拉伸图像中位置对应点时，所有点不能太集中，需要隔一定范围选取。

步骤305，采用阈值T₁将图像分割为区域Ⅰ、Ⅱ，然后采用阈值T₂将区域Ⅱ分割为区域Ⅲ、Ⅳ；

优选地，采用阈值T₁、T₂将预曝光图像分为四个区域，分别为背景区域(区域Ⅰ)、软组织区域(区域Ⅲ)、骨骼区域(区域Ⅳ)，区域Ⅱ为区域Ⅲ、Ⅳ相加，为目标区域。

采用如下公式进行分割：

其中，X(i,j)为预曝光图像，E(i,j)为区域Ⅰ，F(i,j)为区域Ⅱ，G(i,j)为区域Ⅲ，H(i,j)为区域Ⅳ。

经过上述分割后，四个区域并不是连通区域，这里根据需要对从四个区域选取连通区域来作为感兴趣区域。

优选地，结合区域Ⅰ、Ⅱ，找到区域Ⅱ中的空洞，以位置对应到区域Ⅰ，采用这些灰度将区域Ⅱ空洞补全，为感兴趣区域Ⅱ。

优选地，对区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ进行面积求取，分别选取最大连通区域，对三个连通区域进行切割，选取三个固定大小区域作为感兴趣区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ，区域大小可以是200*200，也可以三个连通区域最小一个面积作为固定大小。

步骤306，对感兴趣区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ进行灰度统计，计算平均灰度，计算感兴趣区域Ⅱ图像对比度及信噪比；

经过上述分割，感兴趣区域提取，这里提取这些感兴趣区域的特征参数，包括：计算感兴趣区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ平均灰度、感兴趣区域Ⅱ图像对比度及信噪比。采用如下公式计算平均灰度G_mea1、G_mea2、G_mea3：

采用如下公式计算感兴趣区域Ⅱ对比度C_mea：

其中，δ(i,j)＝|i-j|，为相邻像素间的灰度差；Pδ(i,j)为相邻像素间的灰度差为δ的像素分布概率。

感兴趣区域Ⅱ信噪比SNR_mea，可以采用区域所有像素的局部方差之比来计算，最大值比最小值，这里也可以采用峰值信噪比。

步骤307，采用预曝光图像特征参数优化主曝光系数(KV、mA、s)；

所述优化主曝光参数，其包括：采用标准图像对比度，与感兴趣区域Ⅱ对比度比值计算主曝光参数KV，其公式如下：

其中，C_sta为标准图像对比度，C_mea为预曝光图像感兴趣区域Ⅱ对比度，KV_pre为预曝光参数KV，k为优化常数；

采用标准图像信噪比，与感兴趣区域Ⅱ信噪比比值计算主曝光参数mA，其公式如下：

其中，SNR_sta为标准图像信噪比，SNR_mea为预曝光图像感兴趣区域Ⅱ信噪比，mA_pre为预曝光参数mA，h为优化常数；

采用标准图像平均灰度，与感兴趣区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ平均灰度比值计算主曝光参数s，其公式如下：

其中，G_sta1、G_sta2、G_sta3为标准图像对应区域平均灰度，G_mea1、G_mea2、G_mea3为预曝光图像感兴趣区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ平均灰度，s_pre为预曝光参数s，j为优化常数；

所述曝光时间s计算为提高整体目标区域效果，还可以根据需要提高组织、骨骼图像效果，将换为

图5所示了本发明数字X光机曝光同步方法及过程，同步控制单元提供精准的时序，采用主从闭环控制曝光控制单元、高压发生器、探测器、图像采集卡同步。以自动曝光控制单元输出预曝光信号为启动触发信号，同步控制单元自动完成预定的顺序工作。

曝光同步控制过程如下：

S1：曝光控制单元发送预曝光参数到高压发生器，发送曝光控制信号及曝光时间s到同步控制单元；

S2：同步控制单元接收曝光控制信号后，向高压发生器及探测器发送曝光准备信号，对高压发生器和探测器进行同步；

S3：通过定时延迟，读取高压发生器及探测器状态信号，即准备反馈信号；

S4：开始曝光，以曝光参数中时间s定时等待完成；

S5：通知曝光控制单元采集预曝光图像，等待主曝光控制信号；

S6：曝光控制单元发送主曝光参数到高压发生器，发送曝光控制信号及曝光时间s到同步控制单元；

S7：重复步骤S2―S4；

S8：通知图像采集卡采集图像。

优选地，所诉同步控制单元提供精准的时序，主设备按照精准规定的时序发送控制信号到从设备，以及接收从设备的反馈信号。

优选地，所述同步控制方法，同步控制单元在接收到触发信号及反馈信号后，在下一时钟周期触发后续控制，减少空闲周期，缩短曝光时间。

优选地，所述同步控制方法，对整个曝光过程进行定时，并对本次曝光过程通过时间进行评价。

图6所示了本发明数字X光机自动曝光控制系统框图，主要包括：曝光控制单元(604)和同步控制单元(607)，X线发生器(601)、图像采集卡(602)、探测器(603)、高压发生器(605)及曝光控制输入(606)为控制或受控单元。

本发明自动曝光主要过程如下：

B1：操作人员通过曝光控制输入单元输入病人信息，开启本次曝光；

所述病人信息，可以直接输入预曝光参数，也可以输入病人拍摄体位、身高、体重。

所述曝光控制输入单元，可以采用按键或触摸屏的方式，在输入病人信息时，比如身高、体重，可以输入精确值，曝光控制单元自动匹配到所在段，也可以直接选择所在段。

B2：曝光控制单元将病人信息转换为预曝光参数，并发送到高压发生器，同时发送曝光时间s及曝光控制信号到同步控制单元；

曝光控制单元根据病人信息，以体位、身高、体重对应到预曝光参数表，确定本次预曝光参数，该预曝光参数表存储在曝光控制单元存储器。

所述发送曝光时间s及曝光控制信号到同步控制单元，曝光时间s用于对预曝光进行定时，曝光控制单元用于触发本次曝光同步。

B3：同步控制单元发送曝光准备信号到高压发生器和探测器，通过定时延迟，读取其状态信号；

同步控制单元产生精准的时序，按照时序发送曝光准备信号到高压发生器和探测器，进行同步，通过定时等待、读取状态信号，确定高压发生器和探测器同步情况。

B4：同步控制单元发送曝光信号到高压发生器，开始曝光，探测器出成像，通过定时s等待曝光完成；

B5：曝光控制单元采集预曝光图像，对预曝光图像进行处理，优化主曝光参数；

所述预曝光图像采集，在同步控制单元进行同步情况下进行采集。对预曝光图像处理包括灰度拉伸、位置对应、图像分割、特征参数提取，然后自适应优化主曝光参数。

B6：曝光控制单元主曝光参数发送到高压发生器，同时发送曝光时间s及曝光控制信号到同步控制单元；

发送主曝光参数、曝光时间s、曝光控制信号，与预曝光一致。

B7：重复B4、B5；

B8：图像采集卡采集本次曝光图像。

同步控制单元通过定时等待曝光完成，通知图像采集卡采集图像，可以防止过早采集图像，影响成像效果，也可以减少时间浪费，提高拍摄效率。

图7、图8所示了本发明数字X光机自动曝光控制装置功能结构示意图，分别为图6所示数字X光机自动曝光控制系统框图中曝光控制单元和同步控制单元。

如图7所示，曝光控制单元包括：控制MCU(701)、图像处理MCU(702)、存储器(703)、数据采集部(704)、控制I/O部(705)，曝光控制单元控制过程如下：

控制MCU接收到病人信息，根据其存储器中的预曝光参数表，得到本次曝光的预曝光参数；

控制MCU通过控制I/O部发送预曝光参数到高压发生器，发送曝光时间s及曝光控制信号到同步控制单元；

预曝光完成后，控制MCU通过数据采集部采集预曝光图像，并且存储于存储器模块中，根据探测器不同，采用不同采集模式，CCD探测器要经过A/D转换，平板探测器可以直接采集；

图像处理MCU处理预曝光图像，自适应优化主曝光参数；

控制MCU通过控制I/O部发送主曝光参数到高压发生器，发送曝光时间s及曝光控制信号到同步控制单元，进行主曝光；

曝光完成后，根据本次曝光效果(成像效果)，对预曝光参数表进行优化更新，并以成像效果、曝光剂量、整体曝光时间对本次曝光进行评价；

所述图像处理MCU，本发明开发相应算法，并且以硬件形式实现，运行于图像处理MCU，主要算法如下：

灰度拉伸算法：

采用该图像灰度拉伸算法，可以很好的将预曝光图像背景区域和骨骼区域分别向低灰度和高灰度拉伸，软组织区域不进行拉伸，可以很好的突出灰度轮廓，并且增加灰度范围，可以较容易的找到分割谷底，利于图像分割。

图像分割算法：

采用该图像分割算法，以阈值T₁、T₂将预曝光图像分为三个区域，分别为背景区域(区域Ⅰ)、软组织区域(区域Ⅲ)、骨骼区域(区域Ⅳ)，区域Ⅱ为区域Ⅲ、Ⅳ相加，为目标区域。

提取相应区域图像特征参数算法，包括对比度、信噪比、平均灰度。

自适应优化主曝光参数算法：

曝光剂量率KV计算：

曝光剂量mA计算：

曝光时间s计算：

通过以上自适应优化主曝光参数算法，可以得到最优的主曝光参数，使得曝光剂量更加准确，提高成像效果。

所述对预曝光参数表的优化，可以使X光机预曝光更加准确，从而更加精确优化主曝光参数，提高自动曝光的准确性。其优化更新过程如下：

首先要对本次曝光进行评价，评价标准有成像效果(对比度及信噪比)、曝光剂量、曝光时间，其中成像效果、曝光剂量的评价用于优化更新预曝光参数；

然后，控制MCU将本次曝光与标准评价进行对比，优化预曝光参数表，优化方法如下：

该优化方案中，在对同一个部位拍摄累积到n次以后进行优化，其中，X为预曝光参数表中参数(KV或mA)；Y为优化后参数，用于更新预曝光参数表；分别为标准图像和第i次曝光图像的特征参数(对比度或信噪比，优化K采用对比度，优化mA采用信噪比)；ΔX为优化刻度；f为预曝光参数优化系数，通过该优化方案，使得预曝光参数表更加准确。

优选地，控制MCU对自动曝光控制系统起到主要控制作用，这里可以采用嵌入式控制器，如ARM处理器，不仅体积小、功耗低、可靠性高，而且外设资源丰富，适合于控制；图像处理MCU主要运行图像处理相应的算法，算法相对复杂，要求具有高速处理速度，这里可以采用DSP或AFPG处理器，具有高速处理能力；存储器模块用于存储预曝光图像及分割的目标图像，数据量较大，而且要求存取速度快，这里可以采用DDR，在每次曝光完成后，需要对存储数据进行清除。

如图8所示，同步控制单元包括定时器部(801)、逻辑控制部(802)、时序产生部(803)、I/O部(804)，时序产生部提供精准时序，I/O部输入输出控制信号及反馈信号，定时器部对曝光过程中部分过程进行定时，等待系统完成反应，逻辑控制部以时序为基准，按照规定的逻辑控制从设备同步。

自动曝光同步过程如下：

S1：逻辑控制部通过I/O部接收曝光控制信号及曝光时间s；

S2：逻辑控制部接收曝光控制信号后，按照时序产生部提供的精准时序，向高压发生器及探测器发送曝光准备信号；

S3：通过定时器部定时，读取高压发生器及探测器状态信号，即准备反馈信号，对高压发生器和探测器进行同步；

S4：逻辑控制部发送曝光信号到高压发生器，开始曝光，以曝光参数时间s定时等待完成；

S5：通过控制信号通知曝光控制单元采集预曝光图像，等待主曝光参数优化，接收主曝光控制信号及曝光时间s；

S6：重复步骤S2—S4；

S7：以控制信号通知图像采集卡采集图像。

优选地，同步控制单元在接收到触发信号及反馈信号后，在下一时钟周期触发后续控制，减少空闲周期，缩短曝光时间；在整个曝光过程中，对整个曝光过程进行定时，并对本次曝光过程通过时间进行评价；同步控制单元可以采用可编程逻辑控制器(PLC)完成,其可以执行逻辑运算、顺序控制、定时、时序产生等操作，并且控制过程稳定、精准。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种数字X光机自动曝光控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：设定预曝光参数：KV、mA、s，控制系统以该参数进行预曝光；KV：X线摄影管电压，主要决定X射线的穿透能力，mA：X线摄影管电流，主要影响图形的信噪比，s：X线摄影的曝光时间，主要影响成像清晰度；

步骤二：通过预曝光图像灰度拉伸，找到最优阈值，将图像分割为不同区域，提取不同成分的感兴趣区域；

步骤三：对各个区域进行灰度统计，计算平均灰度、图像对比度、信噪比；

步骤四：以各区域的平均灰度、图像对比度、信噪比优化主曝光参数，包括KV、mA、s；

步骤五：采用优化后的曝光参数进行主曝光，获取本次曝光图像；

所述的设定预曝光参数具体包括：系统根据病人体位、身高和体重生成预曝光参数表，保存于存储器中，操作人员输入病人体位、身高和体重就设定了预曝光参数；在曝光完成后，根据曝光效果对预曝光参数表进行优化更新，其方法如下：

$Y=X+f*\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(W^{sta}-W_i^{\exp })}{n*W^{sta}}*\mathrm{\Δ}X$

其中，X为预曝光参数表中参数；Y为优化后参数，W^sta、分别为标准图像、第i次曝光图像特征参数；ΔX为优化刻度；f为预曝光参数优化系数，n为曝光次数。

2.根据权利要求1所述的一种数字X光机自动曝光控制方法，其特征在于：在步骤二中，所述的图像分割，采用图像灰度拉伸及阈值分割相结合，将预曝光图像分割为不同感兴趣区域，分别为背景区域、目标区域、软组织区域、骨骼区域，图像分割过程如下：

1)对预曝光图像进行灰度统计，获取灰度直方图；

2)根据灰度直方图，以及X线图像特征和分割目标，采用以下公式进行灰度拉伸，突出图像灰度轮廓：

$y(i,j)=\left\{\begin{array}{ccc}\frac{P_D}{P\&lsqb;x(i,j)\&rsqb;}*x(i,j)& & x(i,j)\&le;t_1\\ \left\{\begin{array}{c}\frac{P\&lsqb;x(i,j)\&rsqb;}{P_D}*x(i,j)\\ \frac{P_D}{P\&lsqb;x(i,j)\&rsqb;}*x(i,j)\end{array}\right.& \left.\begin{array}{c}(P\&lsqb;x(i,j)-1\&rsqb;\&GreaterEqual;P\&lsqb;x(i,j)\&rsqb;)\\ (P\&lsqb;x(i,j)-1\&rsqb;\&le;P\&lsqb;x(i,j)\&rsqb;)\end{array}\right\}& t_1<x(i,j)\&le;t_2\\ x(i,j)& & t_2<x(i,j)\&le;t_3\\ \left\{\begin{array}{c}\frac{P\&lsqb;x(i,j)\&rsqb;}{P_D}*x(i,j)\\ \frac{P_D}{P\&lsqb;x(i,j)\&rsqb;}*x(i,j)\end{array}\right.& \left.\begin{array}{c}(P\&lsqb;x(i,j)-1\&rsqb;\&GreaterEqual;P\&lsqb;x(i,j)\&rsqb;)\\ (P\&lsqb;x(i,j)-1\&rsqb;\&le;P\&lsqb;x(i,j)\&rsqb;)\end{array}\right\}& t_3<x(i,j)\&le;t_4\\ \frac{P\&lsqb;x(i,j)\&rsqb;}{P_D}*x(i,j)& & t_4<x(i,j)\end{array}\right.$

其中：x(i,j)为输入灰度，y(i,j)为拉伸输出，P[x(i,j)]为x(i,j)所在灰度直方图对应概率，P_D为由灰度直方图得到概率系数，t₁、t₂、t₃、t₄分别为P_D对应的四个灰度点；

3)进行灰度统计，获得进行灰度拉伸后图像的灰度直方图，确定阈值T₁ ¹、T₂ ¹，对应到预曝光原图位置，获得分割阈值T₁、T₂；

4)采用阈值T₁将图像分割为区域背景区域Ⅰ和目标区域Ⅱ，采用阈值T₂将区域Ⅱ进一步分割为区域软组织区域Ⅲ和骨骼区域Ⅳ；进行面积求取，提取相应面积的连通区域作为感兴趣区域，分割公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}E(i,j)=X(i,j)\mathrm{..............}X(i,j)<T_1\\ F(i,j)=X(i,j)\mathrm{..............}X(i,j)\&GreaterEqual;T_1\\ G(i,j)=X(i,j)\mathrm{......}{T}_1\&le;X(i,j)<T_2\\ H(i,j)=X(i,j)\mathrm{.............}X(i,j)\&GreaterEqual;T_2\end{array}\right.$

其中，X(i,j)为预曝光图像，E(i,j)、F(i,j)、G(i,j)、H(i,j)分别为区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

3.根据权利要求1所述的一种数字X光机自动曝光控制方法，其特征在于：在步骤四中，所述的优化主曝光参数，包括KV、mA、s，采用以下公式进行优化：

曝光剂量率KV：

曝光剂量mA：

曝光时间s：

其中，KV_pre、mA_pre、s_pre为预曝光参数，C_sta、SNR_sta、G_sta1、G_sta2、G_sta3分别为标准图像对应区域图像对比度、信噪比、平均灰度；C_mea：预曝光图像感兴趣区域Ⅱ对比度；SNR_mea：预曝光图像感兴趣区域Ⅱ信噪比；G_mea1、G_mea2、G_mea3：分别为预曝光图像感兴趣区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ平均灰度。

4.根据权利要求3所述的一种数字X光机自动曝光控制方法，其特征在于：所述曝光时间s计算为提高整体目标区域效果，还可以根据需要提高组织、骨骼图像效果，

将换为。

5.一种数字X光机曝光同步方法，其特征在于：为曝光过程提供精准的时序，采用主从闭环控制曝光控制单元、高压发生器、探测器、图像采集卡同步，以曝光控制单元输出预曝光信号为启动触发信号，同步控制单元按照时序逻辑关系控制从设备；具体包括以下步骤：

S1：从曝光控制单元接收曝光控制信号后，向高压发生器及探测器发送曝光准备信号，对高压发生器和探测器进行同步；

S2：通过定时延迟，读取高压发生器及探测器状态信号，即准备反馈信号；

S3：开始曝光，以曝光参数中时间s定时等待完成；

S4：通知曝光控制单元采集预曝光图像，并等待主曝光控制信号；

预曝光参数具体包括：系统根据病人体位、身高和体重生成预曝光参数表，保存于存储器中，操作人员输入病人体位、身高和体重就设定了预曝光参数；在曝光完成后，根据曝光效果对预曝光参数表进行优化更新，其方法如下：

$Y=X+f*\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(W^{sta}-W_i^{\exp })}{n*W^{sta}}*\mathrm{\&Delta;}X$

其中，X为预曝光参数表中参数；Y为优化后参数，W^sta、分别为标准图像、第i次曝光图像特征参数；ΔX为优化刻度；f为预曝光参数优化系数，n为曝光次数；

S5：重复步骤S1—S3；

S6：通知图像采集卡采集图像。

6.一种数字X光机自动曝光控制装置，其特征在于：包括曝光控制单元和同步控制单元；所述曝光控制单元包括数据采集部、控制I/O部、控制MCU、存储模块及图像处理MCU，曝光控制单元主要作用为采集预曝光图像、处理预曝光图像、优化曝光参数；所述同步控制单元包括定时器部、时序产生部、I/O部及逻辑控制部，同步控制单元用于实现曝光控制单元、高压发生器、探测器、图像采集卡的同步，提高曝光稳定性；曝光控制单元的曝光控制过程如下：控制MCU接收到病人信息，根据其存储器中的预曝光参数表，得到本次曝光的预曝光参数；控制MCU通过控制I/O部发送预曝光参数到高压发生器，发送曝光时间s及曝光控制信号到同步控制单元；预曝光完成后，控制MCU通过数据采集部采集预曝光图像，并且存储在存储器中；图像处理MCU处理预曝光图像，自适应优化主曝光参数；控制MCU通过控制I/O部发送主曝光参数到高压发生器，发送曝光时间s及曝光控制信号到同步控制单元，进行主曝光；曝光完成后，根据本次曝光效果，对预曝光参数表进行优化更新，并以成像效果、曝光剂量、整体曝光时间对本次曝光进行评价；

预曝光参数具体包括：系统根据病人体位、身高和体重生成预曝光参数表，保存于存储器中，操作人员输入病人体位、身高和体重就设定了预曝光参数；在曝光完成后，根据曝光效果对预曝光参数表进行优化更新，其方法如下：

$Y=X+f*\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(W^{sta}-W_i^{\exp })}{n*W^{sta}}*\mathrm{\&Delta;}X$

其中，X为预曝光参数表中参数；Y为优化后参数，W^sta、分别为标准图像、第i次曝光图像特征参数；ΔX为优化刻度；f为预曝光参数优化系数，n为曝光次数。

7.根据权利要求6所述的一种数字X光机自动曝光控制装置，其特征在于：所述探测器可以是CCD探测器，也可以是平板探测器，在采预曝光图像据前，控制MCU读取探测器参数，然后自适应采集图像；所述存储模块对预曝光图像进行临时保存，待图像处理完成后清除。

8.根据权利要求7所述的一种数字X光机自动曝光控制装置，其特征在于：所述同步控制单元的时序产生部提供精准时序；I/O部输入输出控制信号及反馈信号；定时器部对曝光过程中部分过程进行定时，系统等待完成反应；逻辑控制部以时序为基准，以曝光控制单元输出预曝光信号为启动触发信号，自动完成预定的逻辑顺序工作。