CN106404809A - 一种用于x射线光栅相衬成像装置的图像校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，该方法首先在X射线管关闭的状态下，采集探测器输出的图像，作为暗电流校正图像I_offset，然后将源光栅、分束光栅和分析光栅放回光路中，调整好光路后，并将样品放置于源光栅和分束光栅或者分束光栅和分析光栅之间的光路上，采集探测器输出的图像，作为数据图像I_acquire，最后只利用暗电流校正图像I_offset对需校正数据图像I_acquire进行暗电流校正，得到校正后的数据图像I。

Description

一种用于X射线光栅相衬成像装置的图像校正方法

技术领域

本发明属于辐射成像领域，尤其涉及一种用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法。

背景技术

X射线相位衬度成像方法，因其对于人体软组织等低原子序数物质的成像衬度相对于传统成像方法有明显优势，自提出以来引起了各方面的广泛关注。从上世纪90年代开始，X射线相衬成像技术主要发展了晶体干涉仪方法、衍射增强方法、同轴方法以及光栅干涉仪方法。由于X射线相移探测要求X射线光源有比较高的相干性，所以刚开始X射线相衬成像技术都是在同步辐射上或者微焦点光源上完成的。在2006年，Pfeiffer等人从可见光的相位测量方法中得到启发，在原有的基于两块光栅的Talbot干涉仪基础上增加了一块源光栅提出了可以利用普通光源的Talbot-Lau干涉仪。由于该方法摆脱了庞大而昂贵的同步辐射光源以及低功率的微焦点光源，真正使得X射线相衬成像应用于医学成像、无损检测领域等成为了可能。Talbot-Lau干涉仪是利用相干光照明产生的Talbot自成像和Lau效应，而同样的在可见光领域有一套利用非相干光照明下光栅投影产生的莫尔条纹进行相位测量的方法。清华大学工程物理系的王振天等人基于上述的几何投影方法，也提出了一套基于非相干光照明的三块光栅组成的相衬成像装置。与Talbot-Lau干涉仪相比，该装置进一步降低了对光源相干性以及光栅的要求，成为了另外一种应用潜力巨大的相衬成像方法。光栅相衬成像方法，其最大特点就是可以同时获取物体的吸收，折射以及暗场图像，三种图像可以反映物质的不同信息，相互补充。

使用常规光源的光栅相衬成像装置和普通的X射线吸收衬度成像装置相比，除了增加了三块X射线透射光栅以外，其也是由普通的X光源、平板探测器以及样品台等组成。对于平板探测器，由于X射线源的不同、 接收器内电子线路的不一致性及其正常变化，都会引起不同像素在同样X射线剂量辐射的情况下具有不同的输出信号。这方面的原因主要包括随机噪声、偏置误差、像素响应不一致以及瑕疵像素。因此，为了得到正确和准确的结果，光栅相衬成像得到的数据也需要进行探测器图像校正。在光栅相衬成像实验中最常用的是相位步进方法进行数据采集，即分别把样品移出和移入视场等步长各采集一套背景和样品投影数据。目前普遍的光栅相衬成像的探测器图像校正方法，是利用事前采集得到的暗电流校正文件和增益校正文件分别对这些投影数据进行暗电流和增益校正得到校正后的背景和样品投影数据，最后根据信息提取算法对这些校正后的数据进行运算即可得到正确的吸收、折射和暗场像。增益校正文件采集时要求光源和探测器中间的光路没有任何东西，并且与光源和探测器的位置以及探测器设定的电压参数一一对应。因此这个校正方法的一个缺点是每次采集增益校正文件时都要求移除光路中的三块光栅，大幅度的调整了光路，导致每次后续实验都需要重新调整光路，操作复杂。而且，每设置一套采集参数(比如切换电压)都需要去采集增益矫正文件，过程纷繁复杂，浪费时间。同时这个方法的另外一个缺点是需要对每一个原始投影数据进行暗电流和增益校正，运算复杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，能有效地简化现有的图像校正方法，同时得到正确的结果。

(二)技术方案

本发明提供一种用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，X射线光栅相衬成像装置包括X射线管、源光栅、分束光栅、分析光栅和探测器，X射线管产生的X射线依次经过源光栅、分束光栅和分析光栅后，在探测器上形成探测器图像，探测器图像校正方法包括：

S1，采集暗电流校正图像I_offset：将源光栅、分束光栅和分析光栅从光路中移除，在X射线管关闭的状态下，采集探测器输出的图像，作为暗电流校正图像I_offset；

S2，采集数据图像I_acquire：将源光栅、分束光栅和分析光栅放回光路中，并将样品放置于源光栅和分束光栅之间或者分束光栅和分析光栅之间的光路上，采集探测器输出的图像，作为数据图像I_acquire；

S3，校正数据图像I_acquire：利用暗电流校正图像I_offset对数据图像I_acquire进行暗电流校正，得到校正后的数据图像I。

进一步，在步骤S4中，采用如下公式进行暗电流校正：

I＝I_acquire-I_offset

其中I是校正完毕后的图像。

进一步，采集暗电流校正图像I_offset时，设定探测器的曝光时间，关闭X光管条件下，连续采集多张探测器输出的图像，并对该多张图像进行平均处理后作为暗电流校正图像I_offset。

进一步，采集数据图像I_acquire时，设定探测器的曝光时间、X射线管的电压、电流及焦点，连续采集多张探测器输出的图像，并对该多张图像进行平均处理后作为数据图像I_acquire。

(三)有益效果

本发明提供的用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，由于只需要采集暗电流图像I_offset进行暗电流校正，从而避免了采集增益校正图像和进行增益校正，取得了简化实验操作和数据运算的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的X射线光栅相衬成像装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的实验样品实物图；

图4A为本发明实施例提供的本发明得到的样品吸收、折射和暗场图像。

图4B为本发明实施例提供的本发明得到的样品吸收、折射和暗场图像的横断面对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，先进行理论计算，然后对本发明进一步详细说明。

平板探测器的校正包含四种校正：随机噪声消除、暗电流(偏置误差)修正(offset校正，0矫正)、增益(像素响应不一致性)校正(gain校正，1校正)以及瑕疵像素(异常响应像素)校正。随机噪声影响结果的信噪比，可以通过积分平均多张图像来减小随机噪声；瑕疵像素直接影响图像的正确性，一般通过预先确定瑕疵像素的位置再对结果进行校正。本发明只考虑暗电流和增益校正对光栅相衬成像结果的影响。

在进行相位步进采集时为了进行探测器的暗电流和增益校正，需要事前采集对应的暗电流文件I_offset和增益校正文件I_gain，用如下公式进行暗电流和增益校正：

其中I_corr01是校正完毕后的图像，I_raw表示未校正的探测器输出图像，K表示增益因子，mean表示求对图像内所有像素求平均值，下标corr表示校正，其中0表示暗电流校正，1表示增益校正。

同理如果只进行暗电流校正，得到的结果为

I_corr0＝I_raw-I_offset (2)

如果只进行增益校正，得到的结果为

I_corr1＝I_raw*K (3)

根据相位步进算法，未校正的探测器输出图像得到的结果为：

其中raw表示探测器未校正的原始输出。

利用以上公式，逐个分析探测器校正对吸收、折射和暗场像的影响。

1.对吸收像的影响：

把公式(1)代入公式(4)，把未校正的输出图像换成校正后的图像，经过暗电流和增益校正之后得到的吸收结果为：

与未经过暗电流和增益校正的吸收结果(公式(4))相比，经过校正后的吸收像与增益因子K无关，即与增益校正无关；只是在一个步进内所有未校正样品和背景的投影图之和再减去步进的暗电流之和，即与暗电流校正有关。根据简单的代数知识，当分数小于1时，分子分母同时减去一个相同的小于分子分母的数，分数值变小；当分数等于1时，分子分母同时减去一个相同的小于分子分母的数，分数值不变，还是等于1。因此光栅相衬成像为了得到正确的吸收像，不需要对得到的每步对应的投影图做增益校正，只需要做暗电流校正即可。同时，经过校正得到的正确吸收图像在样品区域的值比为经过校正的原始吸收像要小，在无样品的背景区域两者不变，理论上都是1。

同理，把公式(2)代入公式(4)，经过暗电流校正之后得到的吸收结果为

把公式(3)代入公式(4)，经过暗电流校正之后得到的吸收结果为

以上只做暗电流校正得到公式(8)与经过暗电流和增益校正之后公式(7)一致，而只做增益校正得到的公式(9)与经过暗电流和增益校正之后公式(7)不一致，而与未经过校正的公式(4)一致，这证明了以上正确的吸收结果与增益校正无关，只需要做暗电流校正即可的结论。

2.对折射像的影响：

把公式(1)代入公式(5)，经过暗电流和增益校正之后得到的折射结果为：

以上推导利用了如下如下结论：

证明如下：

与未经过暗电流和增益校正的折射结果(公式(5))一致，则经过校正后的吸收像与增益校正和暗场矫正均无关。因此，光栅相衬成像为了得 到正确的折射像，不需要对得到的每步对应的投影图做暗电流和增益校正，直接利用未经校正的原始投影即可得到正确的折射结果。

把公式(2)代入公式(5)，经过暗电流校正之后得到的折射结果为

把公式(3)代入公式(5)，经过增益校正之后得到的折射结果为

以上只做暗电流校正得到公式(13)以及只做增益校正得到的公式(14)与经过暗电流和增益校正之后公式(12)一致，即与未经过暗电流和增益校正的折射结果(公式(5)亦一致，这证明了以上正确的折射结果与暗电流校正和增益校正均无关，直接利用未经校正的原始投影即可得到正确的折射结果的结论。

3.对暗场像的影响

把公式(1)代入公式(6)，经过暗电流和增益校正之后得到的暗场结果为：

从公示(15)的结果可以看出，第一项大于1且只于暗电流有关，第二项与暗电流和增益校正均无关，即探测器的暗电流和增益校正对暗场像的影响与对吸收像的影响一致。与未经过暗电流和增益校正的暗场结果(公式(6))相比，经过校正后的暗场像与增益因子K无关，即与增益校正无关；只是在一个步进内所有未校正样品和背景的投影图之和再减去步进的暗电流之和，即与暗电流校正有关。同理，根据简单的代数知识，当分数大于1时，分子分母同时减去一个相同的小于分子分母的数，分数值变大；当分数等于1时，分子分母同时减去一个相同的小于分子分母的数，分数值不变，还是等于1。因此光栅相衬成像为了得到正确的暗场像，不需要对得到的每步对应的投影图做增益校正，只需要做暗电流校正即可。同时，经过暗电流校正得到的正确暗场图像在样品区域的值比未经过校正的原始暗场像要大，在无样品的背景区域两者不变，理论上都是1。

把公式(2)代入公式(6)，经过暗电流校正之后得到的暗场结果为：

把公式(3)代入公式(6)，经过增益校正之后得到的暗场结果为：

以上只做暗电流校正得到公式(16)与经过暗电流和增益校正之后公式(15)一致，而只做增益校正得到的公式(17)与经过暗电流和增益校正之后公式(15)不一致，而与未经过校正的公式(6)一致，这证明了以上正确的暗场结果与增益校正无关，只需要做暗电流校正即可的结论。

利用理论计算的方式验证了本发明提出的方法可行性之后，便可以在本发明提出的实验仪器上进行实验验证。图1为本发明实施例提供的X射线光栅相衬成像装置的示意图，如图1所示，装置包括X射线管11，源光栅12，光阑13，分束光栅14，样品15，分析光栅16，探测器17、光 学精密位移台、光学平台以及控制计算机等零部件。三块光栅12，14，16均通过光学精密位移台固定于光学平台之上，其中分析光栅16与光学精密位移台之间安装有压电陶瓷精密位移电机，用以完成分析光栅16的步进运动。X射线管11参数设置为：焦点s＝1.0mm，电压55KV，电流22.5mA，曝光时间2s。三块光栅12，14，16参数：源光栅12周期p0＝120um，占空比1∶2；分束光栅14周期p1＝60um，占空比1∶2；分析光栅16周期p2＝120um，占空比1∶1。探测器17像素大小200um，总共1024×1024像素，动态范围14bit。源光栅12距离光源铍窗z0＝6cm，与分束光栅14距离z1＝55cm，分束光栅16和分析光栅14距离z2＝55cm，样品15在分束光栅14后面10cm，分析光栅16紧贴探测器17(实际距离闪烁体10cm左右，前面有保护平板探测器的玻璃板)。

图2为本发明实施例提供的用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法的流程图，方法包括：

S100，采集暗电流校正图像I_offset，打开探测器17预热30分钟之后在X射线管11关闭时，打开数据采集程序设置单张图像曝光时间为2s，连续采集50张图像进行平均后保存为一张图像作为暗电流校正图像。

S200，采集数据图像I_acquire：关闭X射线管11，将光学元件移回光路，校准光路之后，即可以进行数据图像I_acquire采集，将样品15竖直固定于样品台上，关闭实验铅房防护门，打开X射线管11，管电压设置为55KV，初始化并设置探测器17参数后，移动样品台至视野中央，控制分析光栅16进行相位步进，垂直于分析光栅16栅线方向分10步均匀移动分析光栅16一个周期，由之前的参数描述可知，即每步步进12um，对于每一步，均采集20张图做平均后保存，记为k＝1，2，...，10。样品图像采集完成后，控制样品台电机，将样品15移出视野，并将分析光栅17移回原位置，按照同样的操作流程，获取背景图像，记为k＝1，2，...，10。

S300，校正数据图像I_acquire：根据暗电流校正图像I_offset对校正数据图像I_acquire进行暗电流校正，得到校正后的数据图像I：

I＝I_acquire-I_offset

其中I是校正完毕后的图像。

S400，计算样品吸收图像、折射图像和暗场图像：按照如下公式获取 样品吸收图像：

按如下公式获取折射图像：

按如下公式获取暗场图像：

其中，m，n表示探测器像素的行列位置，In表示求以自然常数e为底的对数，arg表示求复数的幅角，abs表示求复数的膜。

本发明实施例采用的样品15如图3所示，由六个有机玻璃的圆柱体组成，从左到右分别是直径2cm的PMMA圆柱棒、直径1cm的PMMA圆柱棒、直径5mm的POM圆柱棒、直径5mm的PMMA圆柱棒、直径1cm的POM圆柱棒和直径20mm的PMMA圆柱棒。

图4A是本发明实施例得到的样品吸收、折射和暗场图像。为了验证本发明的准确性和以上的理论计算，分别计算了只进行暗电流校正(corr0)、只进行增益校正(corr1)以及暗电流与增益校正均进行之后提取得到的结果(corr01)，并与原始输出(未做任何校正)得到的结果(raw)进行比较。计算结果如图4B所示，从上到下分别是图4A中虚线矩形标注区域内的原始输出(raw)、只进行暗电流校正(corr0)、只进行增益校正(corr1)以及暗电流与增益校正均进行之后(corr01)得到的吸收、折射和暗场断面比较图。从图4B的比较结果可知，在吸收和暗场的结果中，原始输出和只进行增益校正的结果相符，暗电流与增益校正均进行和只进行暗电流校正的结果相符。区别在于，在有样品区域，吸收的结果中原始输出值比只进行暗电流校正之后的值要小，而同样在此有样品区域暗场的结果中原始输出值比只进行暗电流校正之后的值要大，其他的背景区域两者都是在1左右。同时在折射的结果中，四个结果曲线都相符。以上实验结果很好的验证了上述针对本发明的理论计算得到的结论，即在光栅相衬成像中只需要做暗电流校正 即可得到正确的吸收、折射和暗场像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，所述X射线光栅相衬成像装置包括X射线管、源光栅、分束光栅、分析光栅和探测器，X射线管产生的X射线依次经过源光栅、分束光栅、和分析光栅后，在探测器上形成探测器图像，其特征在于，探测器图像校正方法包括：

S1，采集暗电流校正图像I_offset：在X射线管关闭的状态下，采集探测器输出的图像，作为暗电流校正图像I_offset；

S2，采集数据图像I_acquire：将源光栅、分束光栅和分析光栅放回光路中，调整好光路后，并将样品放置于源光栅和分束光栅之间或者分束光栅和分析光栅之间的光路上，采集探测器输出的图像，作为数据图像I_acquire；

S3，校正数据图像I_acquire：根据暗电流校正图像I_offset和对校正数据图像I_acquire进行暗电流校正，得到校正后的数据图像I。

2.根据权利要求1所述的用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用如下公式进行暗电流校正和增益校正：

I＝I_acquire-I_offset

其中I是校正完毕后的图像。

3.根据权利要求1所述的用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，其特征在于，采集暗电流校正图像I_offset时，设定探测器的曝光时间，连续采集多张探测器输出的图像，并对该多张图像进行平均处理后作为暗电流校正图像I_offset。

4.根据权利要求1所述的用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，其特征在于，采集数据图像I_acquire时，设定探测器的曝光时间、X射线管的电压、电流及焦点，连续采集多张探测器输出的图像，并对该多张图像进行平均处理后作为数据图像I_acquire。