CN108139495B - 用于重塑直接射线照相系统的特性曝光响应和放射量测定的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于通过根据响应传递模型以像素的级别转换图像数据来将直接射线照相系统的特性曝光响应和放射量测定重塑成指定曝光响应廓线的方法，所述响应传递模型是从与在系统校准期间在各种曝光水平处获得的图像信号相关联的X射线发生器的后曝光参数数据以及从在参考曝光条件下也在系统校准期间收集的几个额外的剂量测量及其对应的后曝光数据来导出的。

Description

用于重塑直接射线照相系统的特性曝光响应和放射量测定的 方法

技术领域

本发明涉及直接射线照相学。本发明更具体地涉及用于基于来自X射线发生器的后曝光参数反馈以及基于在系统校准期间在参考条件下执行的几个附加剂量测量来重塑平板探测器系统的特性曝光响应的方法。

背景技术

系统校准在其中使用固态阵列传感器探测器来捕获数字图像以用于各种临床、兽医或工业应用中的诊断或检查目的的直接射线照相学中极其重要。

这些图像捕获设备由复杂、密集集成且高度相互作用的电光和电子系统组成，其各自具有其典型的公差、物理属性可变性和不可避免的局部缺陷。

射线照相系统的整体图像质量表现还可以取决于环境温度、湿度、大气压力以及取决于与系统使用程度和系统实际年龄有关的X射线曝光历史。

此外，由于系统组件与被射线照相的病人、动物、对象、操作人员的外部接触或由纤维和尘埃颗粒污染引起的逐渐增加的系统致污水平可以取决于装备的特定应用使用模式和环境气候条件，并且可以影响系统的各个组件和过程的属性和行为，从而导致更频繁的、除了定期安排的之外的清洁和重新校准活动。

考虑到紧挨着像素单独的（pixel-individual）光捕捉或直接X射线探测阵列电路，还有大量高度微型化的像素、行和列特定的电流互连与几个以块的方式布置的读出电子电路应当调和地合作，可以理解的是，校正后的面板图像的信号质量和X射线曝光响应可能随着使用时间而降级。

因此，需要定期地对直接射线照相图像捕获系统进行清理和重新校准。

这些必要的活动通常不仅在装运和安装装备之后作为执行初始验收测试的先决条件来执行，而且也在每个安排的周期性质量控制测试之前执行。

在移动装备之后、在系统修改之后以及在对关键系统组件进行预防性维护或维修干预之后，经常还需要附加的系统重新校准，以确保系统在预定的总体图像质量范围内安全且有效地运行。

该校准过程不仅交付了射线照相装备的更好地调整了的且更清洁的状态，而且除用于原始诊断图像的基于软件或硬件的像素级别的灵敏度校正的一个或多个增益图之外，还生成一个或多个以像素分辨率的全图像（image-wide）图，用以重建不稳定和/或有缺陷的像素、行和列。

除了以像素级的这些相对灵敏度校正以确保在任何均匀曝光水平处的平滑图像之外，还有系统对X射线的绝对灵敏度以及其校正图像数据对曝光的响应的特性形状也是极其重要的。

对于用于图像质量控制目的的对信号和对噪声功率谱的图像度量，面板的校正图像数据应当符合指定的放射量测定要求。通过将吸收的剂量限值和相关联的公差赋值为系统操作范围的上极限（upper extremity），这些将图像数据范围以绝对的方式与X射线曝光水平相关联。

用于改善的可视化的图像处理软件强加系统的特性曝光响应的期望廓线（profile），以确保在对于X射线投影阴影意象而言典型的经常大范围的图像级别的分布式局部曝光水平上正确地表示对比度增强的图像。

本发明的一个方面是要设想一种用于基于来自X射线发生器的后曝光参数数据将直接射线照相系统的测量出的特性曝光响应和放射量测定重塑成指定的曝光响应廓线的方法。

另一方面是要优化该方法，使得需要最小量的附加剂量测量及相关的后曝光发生器数据（二者都在系统校准期间在参考曝光条件下获得）来最小化系统的停机时间。

另外的方面涉及藉其来减少根据指定的特性曝光响应将新捕获的图像转换成校正图像所需的时间的这样的方法。

仍另外的方面将从下文中给出的描述中变得显而易见。

发明内容

上述方面通过具有在权利要求1中阐述的具体步骤的方法而得以避免。

在从属权利要求中阐述了本发明的优选实施例的具体特征。

本发明的另外的优点和实施例将从下面的描述和附图中变得显而易见。

附图说明

图1表示在系统校准期间直接射线照相系统的各种互连组件。

图2示出在固定管电压条件下作为X射线管的电流时间积的函数的曝光水平廓线。

图3示出在固定电流时间积条件下作为X射线系统的管电压的函数的曝光水平廓线。

图4解释了如何根据各种输入数据和模型导出参数来计算图像的后曝光参数剂量。

图5描绘出射线照相系统的特性曝光响应的提取。

图6图示出如何对校正了偏移、增益和缺陷的图像的特性曝光响应进行重塑以符合规格。

具体实施方式

在安装之后的初始校准时或者在执行平板探测器直接射线照相系统的周期性或附加重新校准时，暂时中止使用该装备用于诊断或检查成像目的。

空出时间和人员以执行测量并捕获新的校准专用图像集，其由未曝光以及均质曝光的原始平板探测器图像组成，以便根据强加的放射量测定和曝光响应廓线规格来更新用以校正成千上万的原始诊断图像所需的各种有缺陷的像素图、增益图和特性曝光响应传递函数。

下面解释了用于将直接射线照相系统的测量出的特性曝光响应重塑成指定的响应廓线的方法的具体实施例。

所述实施例使用与每个新捕获的图像相关联的X射线发生器的后曝光参数数据，结合从附加剂量测量中提取的背景知识以及在系统校准期间在参考曝光条件下获得的其相关后曝光参数数据。

图1示出如在系统校准期间配置的各种直接射线照相系统组件之间的互连的方框示意图。

在初始验收测试之前的准备阶段中或在周期性质量控制之前的重新校准期间，平板的阵列传感器必须在其整个入口表面上受到均匀分布量的撞击X射线辐射。

不仅固态探测器所曝光于的这个X射线场的均质性或均匀性是重要的。

还有必须设定辐射场的绝对时间积分强度，使得可以通过修改系统的预曝光参数来实现大范围的指定曝光水平。

X射线发生器将其从自动校准支持系统或从手动控制台控件接收的各种预曝光参数（包括X射线管电压和电流时间积）转译成正确的电信号和时序以驱动X射线管组装件。

X射线管将其从发生器接收到的电能量包中的一小部分转换成朝平板探测器发射的X射线辐射。

这些X射线在穿过管的选定焦点与捕获投影阴影图像的阵列传感器的位置之间的源到图像的距离的同时被控制射束的能谱的射束滤波器部分地吸收并且在空间上发散。

几个系统参数对平板探测器的表面处最终得到的曝光水平有影响。

被探测器吸收并转换成捕获图像的经时间积分的X射线能量包随着朝向X射线发生器的管电压和电流时间积参数设定的增加而增长。

降低射束滤波器吸收率并减小源到图像的距离导致平板探测器处的较高的曝光水平。

使用中心位于面板的输入面上的放射量测定器来测量被表示为一定量的吸收X射线剂量的最终得到的曝光水平。

可以通过在进行实际曝光之前在X射线发生器上选择用于该几何形状和系统配置的规定的预曝光参数来快速地进行剂量计在预定校准参考目标范围内的第一曝光。

在曝光之后，放射量测定器显示其针对该拍摄特定的曝光水平所吸收的剂量，并输入该值以用于系统校准的目的。

发生器还输出其拍摄特定的后曝光数据，包括准确测量的管电压和准确测量的电流时间积，从而驱动X射线管生成该特定曝光。

该后曝光发生器数据被自动地馈送到校准支持系统中。

由于发生器内部的高压和电流生成电路的公差和可变性，这些后曝光参数数据比曝光前由控制台或校准系统设定的经常粗糙得多的预曝光参数更接近地表示X射线管的实际驱动状态。

因此，对于拍摄特定的测量剂量而言，后曝光参数也比显示出与吸收剂量读数较弱的相关性的预曝光参数更具代表性。

以相同的方式，进行具有相同的预曝光电流时间积设定但具有增加了1kV的管电压的第二参考曝光来确定曝光水平对管电压的灵敏度，如将在图3中解释的。

为了系统校准的目的，手动输入在升高的管电压处的该第二曝光的测量剂量以及来自发生器的其自动关联的拍摄特定的后曝光参数数据。

接下来将放射量测定器从平板探测器中移除，并开始常规的校准活动序列。

这个过程包括在各种曝光水平处捕获多组均匀曝光的（平场）图像以及其时间相关的未曝光的（偏移）图像。

每次进行曝光并捕获对应的平场图像时，都将发生器的拍摄特定的后曝光参数自动输入到校准支持系统中。

在各种曝光水平处的这些平场图像集是在与第一放射量测定器曝光期间使用的相同的校准参考管电压处捕获的。

将会由于高压发生电路中的拍摄到拍摄的（shot-to-shot）公差而发生如由发生器的后曝光参数指示并准确测量的实际管电压的轻微差异，并将这些差异都考虑在内。

图2示出在固定管电压条件下作为X射线管的电流时间积的函数的曝光水平廓线。

如果不改变X射线系统的配置和投影几何形状——这意味着使用相同的发生器、管和焦点、射束滤波器、源到图像的距离和管电压——则在平板探测器入口表面处的曝光水平将与在曝光期间以其来驱动X射线管的电流时间积成线性比例。

位于平板探测器上的放射量测定器测量拍摄特定的吸收校准参考剂量D_CAL，并且在第一曝光之后输入该剂量读数。将发生器的相关后曝光参数数据（包括拍摄特定的校准参考电流时间积ctp_CAL）自动馈送到校准支持系统中。

图3示出在固定电流时间积条件下作为X射线系统的管电压的函数的曝光水平廓线。

对发生器的预曝光电流时间积设定是相同的，但是管电压设定增加1kV以用于放射量测定器的第二校准曝光。

在升高的管电压处的这一曝光之后，输入放射量测定器读数D_CAL+1kVp以及其对应的被准确测量且由发生器自动输入的后曝光管电压参数tv_CAL+1kVp。

由于在曝光期间恒定电流调节电路中的不可避免的拍摄到拍摄的公差，如从图中看到的，对于相同的预曝光电流时间积设定，由发生器本身在内部准确地测量的后曝光电流时间积参数值的各值之间的轻微差异将总是存在。

可以基于由发生器测量的第一和第二剂量测量及其对应的后曝光参数来提取曝光对校准参考管电压tv_CAL附近的管电压改变的灵敏度的局部模型。该模型的廓线在校准电压处的局部梯度被计算为：

该公式通过使用校正因子来补偿第一和第二放射量测定器曝光之间的后曝光电流时间积参数中不可避免的轻微差异，所述校正因子是通过依赖于曝光水平与电流时间积的比例性以及依赖于两个准相同的ctp值的知识而确定的。

图4解释了如何通过将校准剂量读数D_CAL及其拍摄特定的后曝光参数ctp_CAL和tv_CAL与均与该新图像相关联的后曝光参数数据tcp_PE和tv_PE进行组合来计算在tv_CAL附近的管电压tv_PE处刚刚捕获的图像的基于发生器的后曝光参数的剂量D_GPEP。

该计算取针对校准参考曝光获得的第一放射量测定器读数D_CAL作为基值，并对其应用两个校正因子。

第一校正因子将该剂量值与电流时间积后曝光参数ctp_PE和ctp_CAL的比率相乘，从而实现曝光 = f（CTV）模型的比例性。

第二剂量校正因子将管电压后曝光参数tvPE和tvCAL的小的差异纳入考虑，并使用根据测量出的曝光 = f（管电压）模型计算出的局部梯度G_tvCAL。

针对每个新图像，使用发生器的后曝光参数结合所提取的校准参考数据按照以下公式计算出基于发生器反馈的剂量D_GPEP：

D_GPEP = D_CAL·( ctp_PE / ctp_CAL )·( 1 + G_tvCAL·( tv_PE – tv_CAL ) )。

图5描绘出射线照相系统的特性曝光响应的提取。

在系统校准期间，在各种曝光水平处，捕获由均匀曝光的平场图像和时间相关的未曝光偏移图像组成的多个图像集以及来自发生器的其对应的后曝光参数数据。

针对这些图像集中的每一个，首先通过从其对应的平场曝光图像中减去偏移图像来计算减去了偏移的OSFF图像。

将在相同曝光水平处捕获的OSFF图像进行分组，并针对每个曝光水平计算用于像素级别的相对灵敏度校正的增益图。

除了该常规系统校准流程之外，如图4中所解释的，使用X射线发生器反馈数据以及校准数据和模型来执行基于后曝光参数的、与这些减去了偏移的平场图像中的每一个相关联的曝光水平代表剂量D_GPEP的计算。

针对一曝光水平群组中的所有OSFF图像，对这样获得的D_GPEP值应用平均数或中位数统计，其结果是在图表的水平剂量GPEP轴线上创建了一个点。

通过这种方式，可以针对在各种曝光水平处捕获的多个OSFF图像集计算出多个特性曝光水平点。

每个OSFF图像的有效区域内的所有像素的全图像数据也经历平均数或中位数信号确定过程，从而得到总体信号S。

对这些曝光水平群组相关的S值应用平均数或中位数统计，其结果是在图表的竖直图像信号轴线上的一系统特性点。

通过将这样测量的、图像数据相关的S点与其对应的、曝光水平相关的dose_GPEP点进行关联，确定了平板探测器的特性曝光响应，如通过互连所获得的各个点所示的那样。

该系统特性响应将探测器图像信号的绝对水平表示为入口表面处的撞击曝光水平的函数，并可以偏离由放射量测定和图像处理要求强加的射线照相系统的指定特性曝光响应。

图6解释了如何重塑校正了偏移、增益和缺陷的图像的特性曝光响应以符合强加的要求。

示例性表示的指定特性曝光响应是指其中图像数据与平板探测器的入口表面处的曝光水平的平方根成比例的信号水平编码模型。

图像数据对吸收剂量的对数、线性或甚至自定义的响应也可以被指定为期望的特性曝光响应。

在系统校准期间，构成或计算传递函数以将根据测量出的特性曝光响应的图像信号转换成满足期望的指定的特性曝光响应的校正图像信号。

该CER → SCER传递函数确定如中央的图表中所示的所需信号转换过程的模型。该转换本身可以借助于多项式方程或作为输入→输出查找表数据结构来实现。

在正常操作模式下，射线照相系统捕获原始诊断或检查图像以及其时间相关的未曝光偏移图像。

两幅图像都经过实时执行的一长串连贯的图像校正。

首先计算出减去了偏移的图像，并且然后根据各种增益图中可用的数据来应用像素级别的相对灵敏度校正。

有缺陷的像素校正重建丢失或受干扰的图像像素、簇或行。

最后，在该图像校正链结束时，偏移、增益和缺陷图像可用。

图像信号和曝光水平之间的关系仍然受系统的特性曝光响应控制，尽管这可能偏离期望的指定响应。

需要特性曝光响应（CER）塑形或重塑操作来将该预校正图像转换成根据指定特性曝光响应和期望的放射量测定进行信号编码的图像。

通过计算传递函数的值或通过使用快速查找表，对面板的有效区域中的每个图像像素执行该曝光响应校正。这两种方法都依赖于在校准期间基于几个剂量测量及来自发生器的其相关的后曝光参数数据而预先确定的传递模型：

SCER图像数据 = LUT_CER→_SCER ( CER图像数据)。

Claims (10)

1.用于通过执行以下步骤将直接射线照相系统的实际特性曝光响应重塑成指定的曝光响应廓线的方法：

- 评估指定的特性曝光响应，

- 使用来自所述直接射线照相系统的X射线发生器的后曝光参数数据确定实际特性曝光响应，其中，来自所述X射线发生器的所述后曝光参数数据包括在一个或多个曝光之后所述X射线发生器的管电压和电流时间积，

- 确定传递模型，其用以将根据所述实际特性曝光响应的图像数据转换成根据所述指定曝光响应的校正图像数据，

- 借助于所述传递模型来转换所述图像数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传递模型以像素级别应用于图像数据，以便获得校正图像数据。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中来自所述X射线发生器的所述后曝光参数数据的一部分涉及在参考曝光条件下在所述直接射线照相系统的平板探测器部分的入口表面处执行的剂量测量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述参考曝光条件包括针对第一曝光在校准参考管电压处的固定电流时间积设定和针对第二曝光在较高或较低管电压处的相同的电流时间积设定。

5.根据权利要求4所述的方法，其中来自所述X射线发生器的所述后曝光参数数据的部分涉及在所述校准参考管电压处在各种曝光水平处捕获的、均匀X射线曝光的、减去了偏移的图像。

6.根据权利要求5所述的方法，其中使用以下内容针对所述均匀X射线曝光的、减去了偏移的图像计算所述基于发生器的后曝光参数的剂量：

- 图像的管电压和电流时间积后曝光参数，

- 在校准参考条件处执行的剂量测量及其相关联的后曝光参数，

- 曝光对管电压模型的灵敏度在校准电压处的局部梯度数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述局部梯度是基于在所述第一和第二曝光条件下执行的剂量测量以及基于其相关联的管电压和电流时间积后曝光参数数据而确定的。

8.根据权利要求7所述的方法，其中通过对多个基于计算出的后曝光参数的剂量值使用平均数或中位数统计来确定特性曝光水平点、以及通过对各个图像信号使用平均数或中位数统计来确定图像信号的对应特性点来在各种曝光水平处评估所述实际特性曝光响应，所述各个图像信号是通过对所述减去了偏移的、均匀曝光的图像中的所有像素的图像数据取平均获得的。

9.一种计算机程序产品，其被适配成当在计算机上运行时执行前述权利要求中的任一项所述的方法。

10.一种计算机可读介质，其包括被适配成执行权利要求1-8中的任一项所述的步骤的计算机可执行程序代码。

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