CN106556612A - 一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法，采用了一种新的X射线成像模态，并充分考虑了实际成像系统的恶化效应，满足当初工程技术条件的可行性和先进性，本发明可以进一步应用于其他工业零件中微小缺陷的在线检测。

Description

一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法

技术领域

本发明属于影像学检测领域，涉及一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法。

背景技术

随着经济的发展、人口的增长、社会老龄化程度的提高，以及人们保健意识的不断增强，全球医疗器械市场持续快速扩大。心肺复苏仪作为医疗器械中的重要品类，在现代医学诊疗上扮演越来越重要的角色，应用范围不断扩大。全球心肺复苏仪的销售额的年复合增长率约为6.8％，预计到2020年全球心肺复苏仪器的全球销售规模将达到157亿美元。我国心肺复苏仪器进出口贸易近年来发展迅速，在各类医疗器械市场中，其增长幅度迅速，逐渐成为我国医疗器械出口市场的主要驱动力。

在心肺复苏仪中，除颤连接器的质量对心肺复苏仪的最终医疗效果起着重要作用。为了提高连接器产品的质量，对其进行快速有效的检测已经成为产品生产过程中的一个重要的环节。由于除颤连接器通过复杂的塑料本体结构实现金属连线、引脚的封装，内部结构的检测很困难，目前一般通过将成品剖开后进行缺陷检测来分析当前批次的连接器质量，但该方法属于离线检测方法，且不能实现连接器整体检测，漏检率高。

实践表明，目前常见的连接器缺陷包括塑料本体部分的气泡，裂缝以及金属部分的虚焊等，其中微小气泡及裂缝通过离线检测实现困难。为了实现连接器内部结构检测，利用具有穿透性能的X射线实现透射成像为可行方法，该方法可以实现连接器内部的金属部分结构的清晰成像。但是这种传统的X射线成像方法，是基于物体中不同部分的吸收差异实现成像，由于连接器塑料本体部分的气泡和裂纹部分与其周围部分的吸收差异小，导致成像结果中对比度低，无法显示出缺陷部分。

直到上世纪末，X射线相位衬度成像理论(X-ray Phase Contrast Imaging，XPCI)的提出，打破了传统的X射线成像理念，为实现物体内部微小结构的检测带来了新的曙光。研究表明，在相同辐射剂量下，通过相衬成像获取的相位图像的对比度较之传统X线吸收成像提高10倍左右，显著提高了微缺陷结构成像的图像可见度。

近年来，国内外围绕X射线相衬成像开展了大量研究工作，实现了工业产品及材料的内部的微小结构成像。但是目前这些研究，主要通过同步辐射源提供的理想高相干X射线源来实现，然而同步辐射源耗资巨大，占地面积巨大，不利于实际应用和推广。基于微焦点X射线源实现同轴相衬成像克服了上述困难，但同时降低了成像质量，即当前制约同轴相衬成像质量的关键问题主要体现在像系统方面，图像系统自身存在着缺陷，比如X光源并非理想点源，探测器性能受到自身分辨率及点扩散函数等因素的限制，系统存在各类有害噪声等。

由于微焦点同轴相衬成像是更适合实现除颤连接器内部缺陷(气泡、裂缝)检测的成像技术，因此，针对该成像技术实现相衬成像质量的提高具有更为显著的研究价值和意义。同时，探索一种更有效的相衬质量提高的新方法，最终实现除颤连接器内部缺陷的在线检测，推广应用在工业质量控制领域，具有巨大的社会意义和市场价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法，可以实现连接器塑料本体内部如气泡裂纹等缺陷的准确检测。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法，其包括如下步骤：

(1).X射线同轴相衬成像参数设置：设置光源到物体的距离为200cm，与此对应的物体到探测器的距离为100cm；

(2).设置数字放射成像系统的曝光参数，放置刀口器具在物体平面位置，连续采集15幅图像，从每幅图像获取不同位置的刀口截面曲线50条，而后将15*50条刀口截面曲线进行平均，再对平均曲线求导数，获得对应的系统传递函数曲线；

(3).放置待成像物体，在成像参数设置下对物体成像，获得成像结果I_N(x,y)；

(4).根据物体相衬成像结果I_N(x,y)，以及系统传递函数H(u,v)，同时根据实际图像的信噪比，利用对恶化图像结果进行维纳滤波，得到理想成像的估计

(5).根据实际物体的组成成份，估计松弛因子α，而后计算相位抽取滤波函数

(6).根据相位抽取公式计算得到物体的相位信息图像。

本发明一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法，可以实现连接器塑料本体内部如气泡裂纹等缺陷的准确检测。由于本发明采用了一种新的X射线成像模态，并充分考虑了实际成像系统的恶化效应，满足当初工程技术条件的可行性和先进性，本发明也可以进一步应用于其他工业零件中微小缺陷的在线检测。该发明的应用，为包括连接器在内的工业零件的内部结构在线检测提供了一种新的技术，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明通过刀口法测量获得的系统传递函数。

图2为本发明曝光时间2秒条件下的仿体相衬成像结果。

图3为本发明曝光时间2秒条件下的仿体相衬图像的相位抽取结果。

图4为本发明曝光时间4秒条件下的仿体相衬成像结果。

图5为本发明曝光时间4秒条件下的仿体相衬图像的相位抽取结果。

具体实施方式

本发明采用了一种新的X射线成像模态，并充分考虑了实际成像系统的恶化效应，满足当初工程技术条件的可行性和先进性，因此本发明可以进一步应用于其他工业零件中微小缺陷的在线检测。

系统及标准仿体构建：

构建基于微焦点源的X射线相衬成像原型系统，该系统的探测器为1024×1024的CCD阵列，像素大小为50μm×50μm，14级灰度。横向及纵向的空间分辨率均为每毫米20像素。X射线管的焦斑尺寸为50μm。通过系统标定，测量得到探测器点扩散函数的半高宽为110μm。实验中，X射线源的工作电压为33kVp，工作电流为0.5mA。

为了评估所设计系统对连接器塑料本体部分的微小裂纹和气泡的相位成像的质量，并实现系统优化，设计了标准评估仿体，包括直径为50μm、100μm、250μm、500μm的圆柱空腔，以及直径为50μm、100μm、250μm、500μm的气泡。整体仿体为立方体，材质为聚乙烯。

实际成像时，设置X射线源到物体的距离为200cm，对应的物体到探测器的距离为100cm。由于成像系统的点扩散函数是探测器点扩散函数和光源点扩散函数的卷积，在上述实验设置情况下，需要兼顾光源焦斑点扩散函数以及探测器点扩散函数对同轴相衬成像结果的恶化效应以及系统噪声问题，最终针对探测器的非理想性和系统噪声，实现对应的相衬图像恢复，从而提高最终抽取的相位图像的质量。

基于微焦点源的相衬成像技术：

传统的X射线成像只考虑物体的吸收，本发明为了得到物体的相位信息，需要考虑物体具有复折射率n(x,y,z)＝1-δ(x,y,z)+iβ(x,y,z)，这里的δ(x,y,z)和β(x,y,z)分别对应物体的相位和吸收因子，(x,y,z)是物体的空间坐标。当X射线经过物体后，根据波动方程理论，有如下传递函数：

T(x,y)＝exp(-a(x,y)+iφ(x,y)) (1)

这里的a和φ分别为X射线通过物体之后的吸收和相移，对应于复折射率的关系为：

a(x,y)＝k∫β(x,y,z)dz (2)

φ(x,y)＝-k∫δ(x,y,z)dz (3)

X射线经过物体前，具有如下的传播方程：

U₀(x,y,z)＝exp(ikz) (4)

经过物体后，X射线传播方程可以表示为U₁(x,y,z)＝T(x,y)U₀(x,y,z)，再经过一段自由空间传播后，携带有物体相位和吸收信息的X射线发生菲涅尔衍射效应，即

这里代表物平面上的点到探测器平面像素点的距离，(x₁,y₁)为探测器平面的坐标，θ为衍射角。而考虑到X射线波长短，衍射角小，则cosθ≈1，这样可以得到最终的X射线在探测器平面上的幅度表达式：

U₂(x,y)＝∫∫U₁(x₁,y₁)H_z(x-x₁,y-y₁)dx₁dy₁ (6)

其中上式中的传播核为：

最终在探测器平面上得到的是包含物体相位和吸收信息的能量信号，具体可以表示为：

这里I_d(x,y)为探测器接受的光强信号，I₀(x,y)为经过物体前的X射线能量信号，λ为X射线波长，为物体平面的梯度算子。

本发明的目的为从探测器平面中的光强信息I_d(x,y)中抽取出相位信息φ(x,y)，定义归一化光强信号函数g(I)：

并定义相位抽取的频域滤波函数：

这里u,v分别是横轴和纵轴方向的空间频率，α为松弛因子，受物体组成成份及采用X射线的能量决定。

由此，我们可以得到相位图像为：

这里符号和分别代表傅立叶正变换和逆变换。

面向同轴相衬成像的维纳解卷积技术：

实际的微焦点X射线同轴相衬成像系统，需要考虑光源和探测器对成像结果的恶化效应，我们实际获得的同轴相衬成像结果I_N(x,y)可以用下面的公式表示：

I_N(x,y)＝I(x,y)*h(x,y)+n(x,y) (12)

其中，*为卷积运算符，x,y是空间位置坐标，I(x,y)是理想情况下的同轴相衬成像结果，h(x,y)是反映具有恶化效应的系统性能传递函数，n(x,y)为系统噪声。实际对物体成像获得的图像I_N(x,y)是理想结果被系统传递函数恶化，并且包含了噪声项n(x,y)的结果。

逆卷积方法可以去除探测器分辨率有限造成的成像结果恶化效应，从而接近理想的同轴相衬成像结果。但是逆卷积方法要求没有系统噪声项。当存在系统噪声时，逆卷积方法将会将系统噪声的高频部分放大，导致图像细节被模糊，无法得到所需的图像恢复结果。

因此，当存在系统噪声的情况下，我们的目的是找到理想成像结果I(x,y)的一个有效估计，即：

这里是在最小均方误差准则下对I(x,y)的有效估计结果。

维纳解卷积结束提供了公式(13)所需要的滤波器η(x,y)。在数学上，维纳解卷积方法是针对存在噪声项的解卷积问题的维纳滤波应用。

维纳解卷积在频率域的表达公式如下：

其中η(u,v)，I(u,v)，H(u,v)和N(u,v)分别是η(x,y)，I(x,y)，h(x,y)和n(x,y)的傅里叶变换。由于I(u,v)和N(u,v)在实际系统中一般是未知的且无法测定，所以经常把维纳解卷积的公式进行简化，将系统特性相关项|N(u,v)|/|I(u,v)|用一个常量C来替代：

最佳C值的选择取决于采集图像的噪声：大的C值能够更好地抑制噪声但是会导致信号失真。而小的C值虽然能得到更准确地信号，但是其代价是引入了更多噪声。

基于相位信息的连接器缺陷检测方法应用流程：

本发明提供一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法，其包括如下步骤：

(1).X射线同轴相衬成像参数设置：本发明中，设置光源到物体的距离为200cm，与此对应的物体到探测器的距离为100cm；

(2).设置数字放射成像系统的曝光参数，放置刀口器具在物体平面位置，连续采集15幅图像，从每幅图像获取不同位置的刀口截面曲线50条，而后将15*50条刀口截面曲线进行平均，再对平均曲线求导数，获得对应的系统传递函数曲线；

(3).放置成像物体，本发明中采用气泡裂纹仿体。在成像参数设置下(光源到物体距离/物体到探测器距离＝200cm/100cm)，对物体成像，获得成像结果I_N(x,y)；

(4).根据物体相衬成像结果I_N(x,y)，以及系统传递函数H(u,v)，同时根据实际图像的信噪比，利用对恶化图像结果进行维纳滤波，得到理想成像的估计

(5).根据实际物体的组成成份，估计松弛因子α，而后计算相位抽取滤波函数

(6).根据相位抽取公式计算得到物体的相位信息图像。

本发明有益效果如下：

本发明采用数字放射成像装置构建同轴相衬成像系统，首先通过刀口装置获取系统探测器的传递函数。

图1给出了通过刀口法测量获得的系统传递函数，由此测量获得的系统传递函数曲线的半高宽是110微米。

我们测量在不同曝光时间下的气泡裂纹仿体的相衬成像结果及对应的相位抽取结果，所有的相位抽取均是在图1的系统性能函数维纳解卷积前提下实现的。

图2和图3分别为采用曝光时间2秒情况下，得到的气泡裂纹仿体的相衬成像结果及对应的相位信息抽取结果。从图中可以看到，通过相衬效应，气泡和裂纹的边界部分的对比度有了显著提高，虽然该结果噪声大，但是通过我们的方法实现了相位信息的准确提取。

当采用曝光时间4秒时，获得的仿体的相衬结果如图4所示，对应的相位抽取结果如图5所示。可以看出，当采用更多的曝光时间时，由于X射线光子数的增加，相衬结果的信噪比增加，最终得到的物体相位信息图像也更为清晰。本发明采用的X射线光源为0.5mA的管电流，实际应用推广，可以选择更大管电流的X射线光源，从而实现在更少曝光时间下实现高质量的物体相衬成像和相位信息抽取。

最终结果表明，针对当前工程技术条件下，除颤连接器内部缺陷检测面临的关键问题，采用本发明的一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法，可以实现连接器塑料本体内部如气泡裂纹等缺陷的准确检测。由于本发明采用了一种新的X射线成像模态，并充分考虑了实际成像系统的恶化效应，满足当初工程技术条件的可行性和先进性，因此本发明可以进一步应用于其他工业零件中微小缺陷的在线检测。该发明的应用，为包括连接器在内的工业零件的内部结构在线检测提供了一种新的技术，具有广阔的应用前景。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (1)

1.一种基于相位信息的连接器缺陷检测方法，其包括如下步骤：

(1).X射线同轴相衬成像参数设置：设置光源到物体的距离为200cm，与此对应的物体到探测器的距离为100cm；

(2).设置数字放射成像系统的曝光参数，放置刀口器具在物体平面位置，连续采集15幅图像，从每幅图像获取不同位置的刀口截面曲线50条，而后将15*50条刀口截面曲线进行平均，再对平均曲线求导数，获得对应的系统传递函数曲线；

(3).放置待成像物体，在成像参数设置下对物体成像，获得成像结果I_N(x,y)；

(4).根据物体相衬成像结果I_N(x,y)，以及系统传递函数H(u,v)，同时根据实际图像的信噪比，利用对恶化图像结果进行维纳滤波，得到理想成像的估计

(5).根据实际物体的组成成份，估计松弛因子α，而后计算相位抽取滤波函数

(6).根据相位抽取公式计算得到物体的相位信息图像。