CN109813739B - 基于螺线模体的x射线硬化伪影归一化校正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及两种具有同样发明构思的模体，并基于模体给出X射线CT射束硬化校准方法。其中的一种X射线CT射束硬化校准模体，包括上下部分，上部分为测量结构，主体为柱体，柱体底面外边缘为阿基米德螺线，中心有台阶状圆孔，相邻层圆孔直径等于或略大于螺线最大半径与最小半径之差，外螺线参数以及内层层数根据实际测量需求进行修改；下部分为辅助结构，从上到下分为持握区、对中区和夹持区，持握区表面粗糙便于操作；对中区为光滑圆柱，用于进行探测器对中操作；在操作过程中，根据所需穿透距离选择对应的内层半径，先将辅助结构中的对中区置于视场中央进行对中，之后下移模体将测量结构中的所选半径对应的内层台阶置于视场中央做360度扫描。

Description

基于螺线模体的X射线硬化伪影归一化校正的方法

技术领域

本发明涉及一种对多能X射线CT射束硬化校准的方法及其模体

背景技术

计算机断层成像技术(ComputedTomography,简称为CT)，其主要利用多角度的X射线扫描以及计算机重建算法获得被测物体的三维结构，在工业无损检测中具有重要的作用。其成像原理利用的是朗伯比尔定律，即单能X射线穿透单一均质物体时，出射光强与入射光强比值的负对数与射线在物体中的穿透距离成正比，由此CT检测可以得到物质的内部结构和成分信息。

目前CT领域使用的重建算法原理上基于单能射线成像，但是实际检测中使用的X射线为多能射线，因而会出现衰减率与穿透距离的关系发生改变，重建后产生伪影，这种现象称为射束硬化效应。通过测量衰减率的方法可以有效地降低射束硬化对CT检测的影响，提高CT检测对孔隙以及边缘的识别能力。

2007年西北工业大学的黄魁东提出了一种基于样品CAD模型配准的校正方法，利用已知样品的CAD模型和配准软件求取X射线的穿透距离。这一方法需要预先得到扫描样品的加工参数，无法解决结构未知或者与设计图偏差较大的样品的校准问题。

2016年英国南安普顿大学的J.J.Lifton提出一种基于台阶状圆柱模体的校正方法，这一方法使用的模体为多个不同直径的圆柱叠加生成的圆柱台阶，对各个圆柱进行扫描后得到对应的穿透距离，从而进行校正。这一方法的一个不足在于需要移动样品进行多次测量，不但耗时，而且在位移过程中容易引入误差。另一个不足之处在于校正结果对于不同的射线源电压的适应性差，在电压改变的情况下需要重新测量。

发明内容

本发明的目的是提供两种X射线硬化伪影归一化校正的模体，并给出快速准确的校正方法。技术方案如下：

一种X射线CT射束硬化校准模体，包括上下部分，上部分为测量结构，主体为柱体，柱体底面外边缘为阿基米德螺线，中心有台阶状圆孔，相邻层圆孔直径等于或略大于螺线最大半径与最小半径之差，外螺线参数以及内层层数根据实际测量需求进行修改；下部分为辅助结构，从上到下分为持握区、对中区和夹持区，持握区表面粗糙便于操作；对中区为光滑圆柱，用于进行探测器对中操作；在操作过程中，根据所需穿透距离选择对应的内层半径，先将辅助结构中的对中区置于视场中央进行对中，之后下移模体将测量结构中的所选半径对应的内层台阶置于视场中央做360度扫描。

另一种X射线CT射束硬化校准模体，包括上下部分，上部分为测量结构，主体为柱体，柱体底面为半环，内外边缘均为阿基米德螺线或一侧为螺线另一侧为半圆，内外侧半径差根据所需校正范围进行选取与制备；下部分为辅助结构，从上到下分为持握区、对中区和夹持区，持握区表面粗糙；对中区为光滑圆柱，用于进行探测器对中操作；在操作过程中，先将辅助结构中的对中区置于视场中央进行对中，之后下移模体将测量结构置于视场中央做360度扫描。

实现的X射线CT射束硬化校准方法，包括下列步骤：

(1)先将样品夹持稳妥放置于载物台上，调整扫描仪参数使对模体中区位于视场中央完成对中；

(2)调整载物台，使测量区位于视场中央，对于模体一，需在扫描前选取所需的测量范围，调整至对应测量层；

(3)保持其他参数不变，调整射线源电压，扫描DR图像并记录对应电压，取图像中心灰度值I₁；

(4)从(3)中所选电压值中任取一值U₀，对模体进行360度扫描，所得扫描图像取中心灰度值I₂；

(5)移除样品，调整射线源电压至(3)中各对应电压，拍摄DR图像获得空背景图像I₀；

(6)利用如下公式得到射线源电压U0下的中心投影值

其中μ_p(l)为U₀下的中心投影值，l为射线穿透距离，I₂为U₀下不同穿透距离对应的投影中心灰度值，I₀为I₂对应的空背景投影值；

记载物台旋转角θ，射线穿透距离l，利用拉格朗日插值法建立μ_p-θ曲线，将其中跳变部分的中点作为模体螺线跳变部分对应的投影值，结合模体设计参数得到l-θ的对应关系，从而建立μ_p(l)-l曲线c1；

(1)根据如下公式得到等距离下不同电压的中心投影值

其中μU(l)为特定穿透距离不同电压下的中心投影值，U为射线源电压，I₁为不同射线源电压对应的投影中心灰度值，I₀为I₁对应的空背景投影值；

根据l-θ的对应关系得到μ_U(U)对应的穿透距离l₀，并利用幂函数或指数函数模型拟合μ_U与电压U的曲线b，任意电压在曲线c₂上的值称为电压特征值；

(2)在曲线c₂上选取U₀对应的特征值μ_U(U₀)，取校正曲线c₃：μ_c＝μ_U(U₀)*l/l₀，将曲线c₁上各点除以c₃上对应点得到归一化系数曲线c₄；

(3)在校正时根据曲线c₂获取对应电压的特征值，求得对应的校正曲线c₃，将其对应元素与归一化系数曲线c₄相乘得到多能投影值与穿透距离的曲线c₁，从而完成校正。

附图说明

图1a为模体一三维图

图1b为模体一三视图

图2a为模体二三维图

图2b为模体二三视图

图中注释分别代表

A1 阿基米德螺线外表面

A2 多层圆孔结构

a1 螺线外表面

a2 螺线内表面

B1 持握区

B2 对中区

B3 夹持区

具体实施方式

本发明结合工业生产的特点，快速准确地测量材料在X射线下的投影信息。

一、模体设计

模体一：

1)模体上部为测量结构，下部为辅助结构，二者直接相连；

2)测量结构外边缘为一阿基米德螺线拉伸形成的柱体，内圈为圆形，孔的圆心与螺线中心重合，以其圆心为原点建立笛卡尔坐标系，螺线在坐标系内的参数方程为

其中，L，S为螺线加工中的长度参数，d为内圆孔直径，这三个参数共同决定模体的测量范围，θ为螺线旋转角弧度，范围为[0，2π]。

在对测量结构进行360度扫描时，角度θ所对应的穿透距离x即为

x＝2(L-d)+s*(2θ+π)

即在扫描结果中，x与θ一一对应；

内圈为多层结构，每层等高且对应不同直径d₁d₂d₃...d_n，进行多次检测可得到不同区间的衰减数据；

3)辅助结构从上到下分为持握区、对中区和夹持区，持握区为操作人员安装拆卸过程中持握模体的区域，表面粗糙便于操作；对中区为光滑圆柱，用于进行探测器对中操作；夹持区为长方体结构。

模体二：

相比于模体一的区别在于模体的测量部分为两段阿基米德螺线(或一侧为阿基米德螺线另一侧为圆)围成的半环拉伸形成的柱体，其外边缘参数方程为：

内边缘参数方程为：

其中，L，S为外螺线参数，1，s为外螺线参数，这四个参数共同决定模体的测量范围，θ为螺线旋转角弧度，范围为[0，π]。

在测量部分探测器进行180度扫描时，角度θ所对应的穿透距离x即为

x＝(L-l)+(S-s)*θ

即在扫描结果中，x与θ一一对应；

二、操作过程：

1.先将样品夹持稳妥放置于载物台上，调整扫描仪参数使对模体中区位于视场中央完成对中；

2.调整载物台，使测量区位于视场中央，对于模体一，需在扫描前选取所需的测量范围，调整至对应测量层；

3.保持其他参数不变，调整射线源电压，扫描DR图像并记录对应电压，取图像中心灰度值I₁；

4.从3.中所选电压值中任取一值U₀，对模体进行360度扫描，所得扫描图像取中心灰度值I₂；

5.移除样品，调整射线源电压至3.中各对应电压，拍摄DR图像获得空背景图像I0。

三、算法处理

1.利用如下公式得到上述射线源电压U₀下的中心投影值

其中μ_p(l)为U₀下的中心投影值，l为射线穿透距离，I₂为U₀下不同穿透距离对应的投影中心灰度值，I₀为I₂对应的空背景投影值。

记载物台旋转角θ，射线穿透距离l，利用拉格朗日插值法建立μ_p-θ曲线，将其中跳变部分的中点作为模体螺线跳变部分对应的投影值，结合模体设计参数得到l-θ的对应关系，从而建立μ_p(l)-l曲线c1；

2.根据如下公式得到等距离下不同电压的中心投影值

其中μ_U(l)为特定穿透距离不同电压下的中心投影值，U为射线源电压，I₁为不同射线源电压对应的投影中心灰度值，I₀为I₁对应的空背景投影值。由于I₂I₁对应的扫描环境相同，I₀可共用。

根据1中的l-θ映射得到μ_U(U)对应的穿透距离l₀，并利用幂函数或指数函数模型拟合μ_U与电压U的曲线b，任意电压在曲线c₂上的值称为电压特征值；

3.在曲线c₂上选取U₀对应的特征值μ_U(U₀)，取校正曲线c₃：μ_c＝μ_U(U₀)*l/l₀，将曲线c₁上各点除以c₃上对应点得到归一化系数曲线c₄；

4.在校正时根据曲线c₂获取对应电压的特征值，求得对应的校正曲线c₃，将其对应元素与归一化系数曲线c₄相乘得到多能投影值与穿透距离的曲线c₁，从而完成校正。

相比于以往的测量方法，本发明具有以下优点：

1.在检测速度上，由于螺线边缘的数学特性，射线穿透的距离与扫描角度线性相关，因此只需要进行一次360度(或180度)扫描即可得到一定区间内的连续测量值，相比于原有的测量方法更加快速；

2.在检测范围上，对于穿透距离，可以通过实际需要调整两种模体的加工参数，满足不同情况的需求；对于射线源电压，可以通过选取不同电压来控制测量范围；

3.在检测精度的控制上，对于穿透距离，可通过调节扫描仪旋转步长来提高测量精度；对于电压，可以进行多次测量，灵活选择拟合函数来提高检测精度；

4.本方法得到的测量数据间隔小，插值得到的数据相比于传统的拟合结果更为准确。

Claims (2)

1.一种X射线CT射束硬化校准模体，包括上下部分，上部分为测量结构，主体为柱体，柱体底面外边缘为阿基米德螺线，中心有台阶状圆孔，相邻层圆孔直径等于或略大于螺线最大半径与最小半径之差，外螺线参数以及内层层数根据实际测量需求进行修改；下部分为辅助结构，从上到下分为持握区、对中区和夹持区，持握区表面粗糙便于操作；对中区为光滑圆柱，用于进行探测器对中操作；在操作过程中，根据所需穿透距离选择对应的内层半径，先将辅助结构中的对中区置于视场中央进行对中，之后下移模体将测量结构中的所选半径对应的内层台阶置于视场中央做360度扫描。

2.利用权利要求1模体实现的X射线CT射束硬化校准方法，包括下列步骤：

(1)先将样品夹持稳妥放置于载物台上，调整扫描仪参数使对模体中区位于视场中央完成对中；

(2)调整载物台，使测量区位于视场中央，对于模体一，需在扫描前选取所需的测量范围，调整至对应测量层；

(3)保持其他参数不变，调整射线源电压，扫描DR图像并记录对应电压，取图像中心灰度值I₁；

(4)从(3)中所选电压值中任取一值U₀，对模体进行360度扫描，所得扫描图像取中心灰度值I₂；

(5)移除样品，调整射线源电压至(3)中各对应电压，拍摄DR图像获得空背景图像I₀；

(6)利用如下公式得到射线源电压下的中心投影值

其中μ_p(l)为U₀下的中心投影值，l为射线穿透距离，I₂为U₀下不同穿透距离对应的投影中心灰度值，I₀为I₂对应的空背景投影值；

(7)记载物台旋转角θ，射线穿透距离l，利用拉格朗日插值法建立μ_p-θ曲线，将其中跳变部分的中点作为模体螺线跳变部分对应的投影值，结合模体设计参数得到l-θ的对应关系，从而建立μ_p(l)-l曲线c₁；

(8)根据如下公式得到等距离下不同电压的中心投影值：

其中，μ_U(l)为特定穿透距离不同电压下的中心投影值，U为射线源电压，I₁为不同射线源电压对应的投影中心灰度值，I₀为I₁对应的空背景投影值；

根据1中的l-θ映射得到μ_U(U)对应的穿透距离l₀，并利用幂函数或指数函数模型拟合μ_U与电压U的曲线b，任意电压在曲线c₂上的值称为电压特征值；

(9)在曲线c₂上选取U₀对应的特征值μ_U(U₀)，取校正曲线c₃：μ_c＝μ_U(U₀)*l/l₀，将曲线c₁上各点除以c₃上对应点得到归一化系数曲线c₄；

(10)在校正时根据曲线c₂获取对应电压的特征值，求得对应的校正曲线c₃，将其对应元素与归一化系数曲线c₄相乘得到多能投影值与穿透距离的曲线c₁，从而完成校正。

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