CN104434150B - 数字x线成像系统的二维调制传递函数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医学工程技术领域，尤其涉及一种数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法和系统。本发明数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法，包括获取不同倾斜角度的刃边图像，计算其相对应位置的调制传递函数，然后通过插值拟合获得数字X线成像系统二维调制传递函数的曲面图。本发明的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法和系统摆脱了现有技术过度依赖探测器对称性的缺点；通过引入角度测量仪获得刃边的位置，与通过线性拟合和霍夫变换等通过图像处理算法得到的刃边位置相比，本发明所用的方法具有更高的精度，从而降低了由于刃边位置的不精确性带来的噪声。
Description
技术领域
本发明属于医学工程技术领域，尤其涉及数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法。
背景技术
随着X线成像系统的发展，成像质量的评价也在逐渐发展，数字X线成像系统的调制传递函数(modulation transfer function,MTF)不仅是反映其空间分辨力的一个重要参数，而且是获得系统的量子检出效率(detective quantum efficiency,DQE)的必要条件。调制传递函数是用空间频率表示输出调制和输入调制之比的函数，可对成像系统的分辨力参数进行定量描述，并可以精确地描述成像系统和其组成部分的信息再现率。MTF是衡量成像系统性能的重要指标参数，作为空间频率因素，调制传递函数用来测量分辨率在整个成像系统中的传递情况。
现有测量MTF的方法中主要有测试卡法、狭缝法和刃边法，但是这些方法只能获得系统在某一个方向上的MTF，即只能获得水平或垂直方向的一维MTF，无法对成像系统在整个平面的分辨力传递特性进行描述，具有很大的局限性。因此若要获得系统的完整描述，必须计算成像系统的二维调制传递函数。
现有的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法包括：
现有技术一：在文献<A.Kuhls-Gilcrist,A.Jain,D.R.Bednarek,K.R.Hoffmann,and S.Rudin,“AccurateMTF measurement in digital radiography using noiseresponse,”Med.Phys.37,724-735(2010).>中根据噪声功率谱和调制传递函数之间的关系NPS(u,v)＝ηMTFdet(u,v)+NPSelectronic(u,v)，通过测量成像系统的噪声功率谱，和特定空间频率下的调制传递函数值计算两者之间的相关系数，然后获得系统的调制传递函数，但是现有技术一的缺点在于：要获得二维MTF的函数形式，必须进行深入的线性级联系统分析；
现有技术二：在文献<K.A.Fetterly,N.J.Hangiandreou,B.A.Schueler,andE.R.Ritenour,“Measurement of the presampled two-dimensional modulationtransfer function of digital imaging systems,”Med.Phys.29,913-921(2002)>中，利用精加工的针孔设备来产生X线的近似点光源，获得成像系统的二维点扩散函数，然后通过傅里叶变换得到系统的二维MTF；但是现有技术二的缺点在于：若要获取高精度的MTF，需要处理大量的图像数据，另外，测量装置精度要求太高，不适合大面积推广应用
现有技术三：在文献<M.Bath，P.Sund，L.G.Mansson.“Method for determiningthe two-dimensional pre-sampling modulation transfer function in digitalradiography,”Proc.SPIE VOL.4320>中通过对上面构造有N×N个圆孔的不透光圆盘进行成像，得到圆盘扩散函数，然后经过重新采样，傅里叶变换及校正等计算步骤得到成像系统的二维MTF；但是现有技术三的缺点在于：由于高频混叠现象使整体的测量精度尤其是高频精度大大降低。
发明内容
本发明提供了一种数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法，旨在解决现有的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法对探测器对称性依赖高，且测量精度尤其是高频精度低的技术问题。
本发明提供的技术方案为：一种数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法，包括：
步骤a：将刃边装置放置在探测器表面，调整刃边与探测器采样方向成初始角度θ0，设置曝光参数，在一定辐射质量下对对刃边装置进行多次曝光；
步骤b：旋转刃边装置，调整刃边装置使刃边与探测器的角度均匀变化，对刃边装置进行曝光，每个位置曝光多次，获取多幅图像；
步骤c：对图像进行线性化处理，将二维调制传递函数的分析区域内的图像数据沿着刃边的方向进行投影得到亚像素数组，通过投影变换得到该方向的边缘响应函数；
步骤d：对得到的边缘响应函数ERF降噪处理，对ERF曲线进行拟合，处理后的ERF进行差分运算得到线扩散函数LSF(xi)；
步骤e：对LSF(xi)进行傅里叶变换并取模，利用零频率处MTF值进行归一化处理，得到刃边位置为θi时系统的归一化调制传递函数MTFi(u,v)；
步骤f：对得到的所有方向的一维调制传递函数MTFk(x)通过双线性差值进行曲面拟合得到系统的二维调制传递函数MTF(u,v)。
本发明的技术方案还包括：所述步骤a前进一步包括：构建刃边装置，所述刃边装置包括环形导轨、角度测量仪、铅板和钨板，且钨板的边缘经过抛光处理，所述铅板固定在环形导轨上，所述钨板固定在铅板中央切割出的矩形区域。
本发明的技术方案还包括：在所述步骤b中，调整刃边装置使刃边与探测器的角度在0和180之间均匀变化，刃边与探测器采样方向的夹角为θk，且满足(θkmod45)≠0对刃边装置进行曝光。
本发明的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述对图像进行线性化处理步骤后还包括：通过线性拟合得到刃边与探测器采样方向的夹角θk'，比较θk和θk'的大小关系。
本发明的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述通过投影变换得到该方向的边缘响应函数步骤包括：将二维调制传递函数的分析区域中的所有像素点(i,j)投影到s轴为：s(i,j)＝ipcosθk-jpsinθk，设采样间隔为Δs＝0.1p，采样公式为：
其中：p为像素大小，i、j分别表示ROI区域的第i行和第j列，s(i,j)为像素(i,j)到刃边的距离，nm为到刃边的距离在(m-0.5)Δs和(m+0.5)Δs之间的像素个数；对落在同一间隔内的所有数据点的几何平均作为该间距的数据，得到系统的过采样边缘响应函数ERF。
本发明的技术方案还包括：在所述步骤d中，所述对ERF曲线进行拟合步骤具体为：通过改进的费米函数对ERF曲线进行拟合，拟合公式为：
本发明的技术方案还包括：所述步骤e包括：方向θk的边缘响应函数经过差分计算得到该方向的线扩散函数：
对其做傅里叶变换得到方向θk的光学传递函数，对其取模得到调制传递函数MTFk'(x)；根据零频率处的MTF值进行归一化，得到归一化的调制传递函数MTFk(x)。
本发明的技术方案还包括：所述步骤f包括：将得到的所有方向的一维调制传递函数MTFk(x)公式
转换为二维平面中的MTF值：通过双线性差值，经过曲面拟合得到数字X线成像系统的曲面图。
本发明的技术方案具有如下优点或有益效果：本发明数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法获取不同倾斜角度的刃边图像，计算其相对应位置的调制传递函数，然后通过插值拟合获得数字X线成像系统二维调制传递函数的曲面图，本发明可以准确地获得数字X线成像系统的二维调制传递函数，不仅解决了传统测量方法中只能获得一维调制传递函数的局限性，而且在与现有二维MTF测量方法相比具有较高高频精度，为更好地分析数字X线成像系统的分辨力特性提供了充分依据，本发明为有效评估数字X线成像系统性能、开展放射影像学临床实践和研究提供有力支持。
附图说明
附图1是本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法的流程图；
附图2是本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量系统的刃边装置结构示意图；
附图3是本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法的刃边图像投影变换示意图；
附图4是本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法的线扩散函数曲线对比示意图；
附图5本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法的归一化MTF值对比示意图；
附图6为本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法的二维MTF曲面图；
附图7为本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，为本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法的流程图。本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法包括：
步骤100：构建刃边装置；
请一并参阅图2，为本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量系统的刃边装置结构示意图。本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量系统的刃边装置包括环形导轨、角度测量仪、铅板和钨板，且钨板的边缘经过抛光处理。在本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量系统中，铅板为半圆形，铅板通过螺栓固定在环形导轨上，且铅板中央部分被切割出一个矩形区域，该矩形区域的三条边经过处理带有凹槽用以固定钨板，钨板截面为矩形，刃边为钨板未被铅板包围且经过抛光处理的边即位于半圆形铅板的直径上的那条边，区域1为为感兴趣区域ROI即二维调制传递函数的分析区域；区域2为曝光区域，角度测量仪固定在曝光区域以外，刃边装置的刃边可以360度旋转，可以构造任意角度的刃边，且角度可以直接从角度测量仪上读取，角度的精度达到0.1度。在本发明实施方式中，通过三个M20螺栓将铅板固定在圆形导轨上，通过螺栓可以任意调节刃边与探测器采样方向的夹角。
步骤200：将刃边装置放置在探测器表面，刃边装置另一侧依次设置限束器和X线管，调整刃边与探测器采样方向成初始角度θ0，设置曝光参数，在一定辐射质量下对对刃边装置进行多次曝光；
在步骤200中，探测器为平板探测器，其与计算机相连，X线管是X光机的主要组成部分之一，限束器是安装于X线管输出窗前方的机电型光学装置，作用是控制X线管输出射线的照射野，在满足X线成像和诊断前提下，减少投射范围，并吸收散乱射线，提高影像清晰。在本实施方式中，限束器的使用使散射线对测量结果的影响降到极低的程度，刃边装置的刃边中心与X线束的中心轴重合，使用辐射质量RQA5对刃边装置进行多次曝光，应保证足够的曝光间隔，以确保测量结果不受探测器余辉效应的影响，也可以使用其它辐射质量对刃边装置进行多次曝光，例如RQA2至RQA10中的一种。
步骤300：旋转刃边装置，调整刃边装置使刃边与探测器的角度在0和180之间均匀变化，刃边与探测器采样方向的夹角为θk，且满足(θkmod45)≠0对刃边装置进行曝光，每个位置曝光多次，获取多幅图像；
在步骤300中，旋转刃边装置，使刃边与探测器的角度每次的旋转增量在10度左右，曝光参数与步骤200中的相同，每个位置曝光3次，获取3幅图像，测量二维调制传递函数所需的图像全部获取完毕。
步骤400：对图像进行线性化处理，然后通过线性拟合得到刃边与探测器采样方向的夹角θk'，比较θk和θk'的大小关系。
在步骤400中，对图像进行线性化处理，通过线性拟合得到刃边与探测器采样方向的夹角θk'包括：首先根据探测器的转换函数对图像做线性化处理，然后确定感兴趣区域ROI，计算所选刃边区域中每行的重心位置，作为每行ERF的边缘位置，并对所有边缘位置做线性拟合，然后得到刃边与探测器的角度θk'作为θk的参考值。
步骤500：将ROI区域内的图像数据沿着刃边的方向进行投影得到亚像素数组，通过投影变换对数据重组；
在步骤500中，在获得刃边边缘与探测器采样方向的夹角θk(该夹角为与图像x方向的夹角)后，通过投影变换即可得到该方向的边缘响应函数ERF(s)，其中s为到刃边的垂直距离，如图3所示。将ROI区域中的所有像素点(i,j)投影到s轴为：s(i,j)＝ipcosθk-jpsinθk，这些像素点在s轴上的投影不是均匀分布的，为了达到均匀过采样的目的，设采样间隔为Δs＝0.1p，采样公式如下：
其中：p为像素大小，i、j分别表示ROI区域的第i行和第j列，s(i,j)为像素(i,j)到刃边的距离。nm为到刃边的距离在(m-0.5)Δs和(m+0.5)Δs之间的像素个数，对落在同一间隔内的所有数据点的几何平均作为该间距的数据，得到系统的过采样边缘响应函数ERF。
步骤600：对得到的边缘响应函数ERF降噪处理，然后通过改进的费米函数对ERF曲线进行拟合；
在步骤600中，拟合公式如下：
对于每个角度获取的所有刃边图像通过上式拟合，然后通过该角度的所有ERF函数的线性组合来作为该刃边角度的ERF函数从而使最终得到的ERF具有更高的精度。
步骤700：对处理后的ERF进行差分运算得到线扩散函数LSF(xi)，对LSF(xi)进行傅里叶变换并取模，之后利用零频率处MTF值进行归一化处理，得到刃边位置为θi时系统的归一化调制传递函数MTFi(u,v)；
在步骤700中，方向θk的边缘响应函数经过差分计算得到该方向的线扩散函数：
然后对其做傅里叶变换得到方向θk的光学传递函数，对其取模即可得到调制传递函数MTFk'(x)，然后根据零频率处的MTF值进行归一化，得到归一化的调制传递函数MTFk(x)，如图4所示，此处x为与刃边垂直方向的空间频率，在图4中，右图为本发明经过对边缘响应降噪和拟合处理后，最后进行差分得到的线扩散函数曲线，通过和现有技术的对比能够发现，本发明能够很好地控制高频噪声。
步骤800：对得到的所有方向的一维调制传递函数MTFk(x)通过双线性差值进行曲面拟合得到系统的二维调制传递函数MTF(u,v)。
在步骤800中，将得到的所有方向的一维调制传递函数MTFk(x)按下式转换为二维平面中的MTF值：
然后通过双线性差值，经过曲面拟合即可得到数字X线成像系统的曲面图，如图5和图6所示，图5给出了本发明得到的不同角度的归一化MTF值对比，该图中仅显示了部分角度的归一化MTF曲线，图6出了通过双线性插值最终得到的二维调制传递函数MTF曲面图。
请参阅图7，为本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量系统的结构示意图。本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量系统包括X线管、附加滤过装置、限束器、刃边装置、探测器和计算机。
刃边装置设置在探测器表面，刃边装置另一侧设置限束器、附加滤过装置和X线管。探测器为平板探测器，其与计算机相连，X线管是X光机的主要组成部分之一，限束器是安装于X线管输出窗前方的机电型光学装置，作用是控制X线管输出射线的照射野，在满足X线成像和诊断前提下，减少投射范围，并吸收散乱射线，提高影像清晰。在本实施方式中，限束器可以为一个，也可以为多个，限束器的作用是使散射线对测量结果的影响降到极低的程度，刃边装置的刃边中心与X线束的中心轴重合，使用辐射质量RQA5对刃边装置进行多次曝光，应保证足够的曝光间隔，以确保测量结果不受探测器余辉效应的影响，也可以使用其它辐射质量对刃边装置进行多次曝光，例如RQA2至RQA10中的一种。刃边装置包括环形导轨、角度测量仪、铅板和钨板，且钨板的边缘经过抛光处理。在本发明实施例的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量系统中，铅板为半圆形，铅板通过螺栓固定在圆形导轨上，且铅板中央部分被切割出一个矩形区域，该矩形区域的三条边经过处理带有凹槽用以固定钨板，钨板截面为矩形，刃边为钨板未被铅板包围且经过抛光处理的边即位于半圆形铅板的直径上的那条边，分析区域为感兴趣区域ROI即二维调制传递函数的分析区域；角度测量仪固定在曝光区域以外，刃边装置的刃边可以360度旋转，可以构造任意角度的刃边，且角度可以直接从角度测量仪上读取，角度的精度达到0.1度。在本发明实施方式中，通过三个M20螺栓将铅板固定在圆形导轨上，通过螺栓可以任意调节刃边与探测器采样方向的夹角。
本发明数字X线成像系统的二维调制传递函数测量系统及方法获取不同倾斜角度的刃边图像，计算其相对应位置的调制传递函数，然后通过插值拟合获得数字X线成像系统二维调制传递函数的曲面图，本发明可以准确地获得数字X线成像系统的二维调制传递函数，不仅解决了传统测量方法中只能获得一维调制传递函数的局限性，而且在与现有二维MTF测量方法相比具有较高高频精度，通过使用本发明中的刃边装置使得到的二维MTF摆脱了现有技术过度依赖探测器对称性的缺点；通过引入角度测量仪获得刃边的位置，与通过线性拟合和霍夫变换等通过图像处理算法得到的刃边位置相比，本发明所用的方法具有更高的精度，从而降低了由于刃边位置的不精确性带来的噪声；由于噪声在微分计算LSF时被放大，本发明通过使用改进的费米函数对ERF曲线进行拟合，通过实验发现对ERF曲线进行拟合能够在很大程度上提高MTF在高频的精度；本发明通过使用双线性差值得到二维MTF点云，然后通过曲面拟合得到二维MTF的曲面图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法，包括：
步骤a：将刃边装置放置在探测器表面，调整刃边与探测器采样方向成初始角度θ0，设置曝光参数，在一定辐射质量下对刃边装置进行多次曝光；
步骤b：旋转刃边装置，调整刃边装置使刃边与探测器的角度均匀变化，对刃边装置进行曝光，每个位置曝光多次，获取多幅图像；
步骤c：对图像进行线性化处理，将二维调制传递函数的分析区域内的图像数据沿着刃边的方向进行投影得到亚像素数组，通过投影变换得到该方向的边缘响应函数；
步骤d：对得到的边缘响应函数ERF降噪处理，对ERF曲线进行拟合，处理后的ERF进行差分运算得到线扩散函数；
步骤e：对所述线扩散函数进行傅里叶变换并取模，利用零频率处MTF值进行归一化处理，得到刃边与探测器采样方向的夹角为θi时系统的归一化调制传递函数；
步骤f：对得到的所有方向的一维调制传递函数通过双线性差值进行曲面拟合得到系统的二维调制传递函数。
2.根据权利要求1所述的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法，其特征在于，所述步骤a前进一步包括：构建刃边装置，所述刃边装置包括环形导轨、角度测量仪、铅板和钨板，且钨板的边缘经过抛光处理，所述铅板固定在环形导轨上，所述钨板固定在铅板中央切割出的矩形区域。
3.根据权利要求1或2所述的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法，其特征在于，在所述步骤b中，调整刃边装置使刃边与探测器的角度在0和180之间均匀变化，刃边与探测器采样方向的夹角为θk，且满足(θkmod45)≠0对刃边装置进行曝光。
4.根据权利要求3所述的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述对图像进行线性化处理步骤后还包括：通过线性拟合得到刃边与探测器采样方向的夹角θk'，比较θk和θk'的大小关系。
5.根据权利要求3所述的数字X线成像系统的二维调制传递函数测量方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述通过投影变换得到该方向的边缘响应函数步骤包括：将二维调制传递函数的分析区域中的所有像素点(i,j)投影到s轴为：s(i,j)＝ipcosθk-jpsinθk，设采样间隔为Δs＝0.1p，采样公式为：
其中：p为像素大小，i、j分别表示ROI区域的第i行和第j列，s(i,j)为像素(i,j)到刃边的距离，nm为到刃边的距离在(m-0.5)Δs和(m+0.5)Δs之间的像素个数；对落在同一间隔内的所有数据点的几何平均作为该间隔的数据，得到系统的过采样边缘响应函数ERF。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |