CN110811654A - 一种x射线曝光控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种X射线曝光控制系统及其控制方法，所述X射线曝光控制系统至少包括：深度相机，用于采集深度图像；X光发生器，基于曝光剂量参数产生X射线并执行曝光；限束器，对X射线执行束光功能；工作站，分别与所述深度相机、X光发生器以及限束器连接，基于所述深度图像控制所述X光发生器的曝光剂量及所述限束器的光束大小。本发明的X射线曝光控制系统，通过将深度相机集成到X射线曝光控制系统上，从而实现曝光范围和曝光剂量的自动调节，大大提升工作效率。

Description

一种X射线曝光控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种X射线曝光控制系统及其控制方法。

背景技术

X射线检查作为一种常见的医学诊断手段在临床上得到广泛的应用，是基于X射线的穿透性和感光效应，能使人体组织在探测器或胶片上形成影像。又因为人体组织之间有密度和厚度的差别，当X射线透过人体不同组织结构时，被吸收的程度不同，所以到达探测器或胶片上的X射线量就会有差异。这样，在探测器或胶片上就形成灰度不同的影像。

但是，不同人的胖瘦和不同的身体部位形态是不一样的，那么所需的X射线剂量也是不一样的。如果曝光剂量过小，那么图像就会变得不清晰；如果曝光剂量过大，就会对人体健康造成伤害。目前常规做法是，操作人员通过观察病人的体貌以及需要曝光的部位来进行判断，从而修改X射线曝光剂量，并通过调节限束器来约束X射线的照射范围，那么对剂量的判断具有一定的主观性和离散性，也但有很多人为了方便操作是不进行修改的，这就存在很大的不易操作性和潜在安全隐患。

因此，如何提高X射线曝光控制系统的自动化和智能化是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种X射线曝光控制系统，有助于提高X射线曝光控制系统的工作效率。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种X射线曝光控制系统，至少包括：

深度相机，用于采集深度图像；

X光发生器，基于曝光剂量参数产生X射线并执行曝光；

限束器，对X射线执行束光功能；

工作站，分别与所述深度相机、X光发生器以及限束器连接，基于所述深度图像控制所述X光发生器的曝光剂量及所述限束器的光束大小。

可选地，所述深度相机包括结构光相机、双目视觉相机和TOF相机中的一种或多种组合。

可选地，所述X射线曝光控制系统包括若干个通信接口，所述通信接口包括：串口、CAN总线接口以及USB接口。

可选地，所述X光发生器至少包括X射线球管和高压发生器。

本发明还提供了一种X射线曝光控制方法，所述X射线曝光控制方法包括：

采集人体深度图像；

解析所述深度图像信息，建立局部人体模型；

结合所述局部人体模型及预先录入的病人信息，计算出曝光范围和曝光剂量；

基于所述曝光范围及所述曝光剂量完成曝光。

可选地，采集人体深度图像的方法包括结构光法、飞行时间法或双目立体视觉法。

可选地，解析所述深度图像信息，建立局部人体模型的步骤包括通过前景提取将人物提取出来，通过图像识别分割出待测部位，然后根据识别出的病人待测部位，将其深度坐标换算到世界坐标。

可选地，前景提取方法满足如下关系式：

B＝A₀-A (1)

其中，B矩阵为前景部分，A₀矩阵为无人拍摄的深度图像，A矩阵为含病人的深度图像，选取矩阵B的非零值区域(B≠0)即可快速计算出前景部分。

可选地，图像识别利用深度图像与高斯核的卷积来建立尺度空间，并在高斯差分空间金字塔上提取尺度不变性的特征点，其中，尺度空间满足如下关系式：

L(x，y，σ)＝G(x，y，σ)×I(x，y) (2)

其中I(x,y)表示深度图像的坐标，G(x,y,σ)表示高斯滤波器，σ表示高斯核。

可选地，坐标变换满足如下关系式：

Z_w＝Z_c (6)

其中，X_w Y_w Z_w为世界坐标系，μv为深度图像坐标，μ₀v₀为深度图像中心坐标，Zc表示相机坐标的Z轴值，即目标到深度相机的距离，f为深度相机焦距。

可选地，计算曝光范围采用如下关系式：

其中，k_x、k_y表示为所述遮线铅板在X轴、Y轴方向上的缩放系数，X_{w_max}、Y_{w_max}表示为病人待测部位坐标值，X_{0_max}、Y_{0_max}表示为遮线铅板开口最大时的坐标。

可选地，计算曝光剂量首先采用如下关系式：

d＝s1-h_min (8)

计算待测部位体厚d，其中，h_min为深度数据最小值，s1为平板探测器到X射线源的距离；然后根据待测部位体厚d，调用待测部位预先存储的标准厚度对应剂量参数，计算待测部位所需曝光剂量I₀，采用如下关系式：

I＝I₀*exp(-μ*d) (9)

其中，μ为衰减系数，I为根据经验得到的呈现最佳成像状态所需的出射能量。

如上所述，本发明提供的X射线曝光控制系统及其控制方法，具有以下有效效果：

安装简单，深度相机集成到X射线曝光控制系统中，除通讯线以外用户无需安装额外的部件；

使用方便，用户无需手动设定曝光剂量参数和曝光范围参数，避免了曝光过度或不足的现象；

曝光剂量设置准确，曝光剂量和曝光范围根据病人的身体特征按照一定的算法计算得出，相比人为设定的值更加准确。

附图说明

图1显示为本发明的X射线曝光控制系统的结构示意图。

图2显示为本发明的X射线限束器的结构示意图。

图3显示为现有的X射线限束器的工作原理图。

图4显示为本发明的X射线曝光控制方法的流程图。

图5显示为本发明的X射线曝光控制方法的算法执行流程图。

元件标号说明

1’ X射线源焦点

2’ 遮线铅板

3’ 床面板

4’ 患者

5’ 平板探测器

m 遮线铅板到平板探测器之

间的距离

n X射线源的焦点到遮线铅

板之间的距离

a 遮线铅板的开合程度

b X射线照射野的大小

11 工作站

12 高压发生器

13 球管

14 限束器

141 限束器主体

1411 底板

142 遮线铅板

15 深度相机

16 床面板

17 平板探测器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种X射线曝光控制系统，该X射线曝光控制系统包括：限束器14，限束器14设置有用于改变X射线曝光范围的遮线铅板142；2)X光发生器，主要包括高压发生器12和球管13，用于接收工作站11发送的曝光参数并精准执行曝光；3)深度相机15，用于深度图像采集；4)工作站11，用于收发数据及进行运算与判断，控制所述X射线曝光控制系统的运行。在本实施例中，还包括床板16以及用于成像的平板探测器17。

如图1所示，工作站11设置于限束器14的外部，是整个系统的控制器，用于收发数据和进行一系列复杂的运算和判断。工作站11内置有预设的算法。工作站11会根据深度相机15传送的图像信息，通过图像识别技术，建立一个当前视野之内的人体模型，识别并划分人体各个部位，计算人体信息包括体厚等，结合预先录入的人体信息(病人年龄、需要检测区域)得到适合的曝光剂量及合适的遮线铅板开口大小，并将调节工作指令发送至X光发生器和遮线铅板驱动装置，实现曝光剂量和曝光范围的自动调节。在其他实施例中，可以设置于X射线曝光系统的其他位置，在此不做限制。

如图2所示，限束器14包括限束器主体141、用于遮光的遮线铅板142以及驱动遮线铅板142移动的驱动装置(未绘出)，限束器主体包括底板1411。

限束器主体141可以是任何合适的形状，可以选择呈长方体或者正方体的形状。

遮线铅板142设置在限束器主体的底板1411位置，通过调节开合程度或间隙的从而控制曝光范围。遮线铅板142具有X射线吸收效果，以尽可能阻挡泄露射线或者减少产生二次射线的区域，以提高透视和X射线摄片的清晰度，保证X射线只能从铅板的间隙射出。通过调节遮线铅板142的开口大小，从而实现改变X射线照射野的大小的功能。遮线铅板142的结构具体可以是任何合适的铅板组合结构，例如多层式、基本的单层式或者是单瓣式等现有常见的遮线铅板结构。

图3为限束器改变X射线照射野的工作原理示意图。其中，如图3所示，距离m为遮线铅板2＇到平板探测器5＇之间的距离，距离n为X射线源焦点1＇到遮线铅板2＇之间的距离。距离a表示铅板2＇的开合程度，b为x射线照射野的大小。根据相似几何关系，可以通过控制距离a来调整b的大小，即通过调整遮线铅板的开合程度来改变X射线照射野。

限束器14还包括驱动装置。驱动装置设置于限束器主体141的内部或外部，与工作站11和遮线铅板142相连。根据工作站11发出的工作指令，驱动装置自动调整遮线铅板142的开口大小，实现X射线照射野的自动调整，从而实现曝光范围和曝光区域的调节。驱动装置可以包括：步进电机、传动组件、旋电机编码器等。

X射线曝光控制系统包括若干个通信接口(未绘出)，包括：串口、CAN总线接口以及USB接口等，X射线曝光控制系统中的各部件通过通信线路连接。

如图2所示，深度相机15设置在限束器主体1411的底板1411上，用于采集病人的深度图像。其具体可以设置在X射线曝光系统的任意位置，例如如图2所示的，设置在遮线铅板142的上方。本发明采用的能够对物体深度进行辨识的深度相机，是结构光相机、双目视觉相机和TOF相机的一种或多种集成。

本发明还提供了一种X射线曝光控制方法，如图4所示，该方法包括；

采集人体深度图像；

解析所述深度图像信息，建立局部人体模型；

结合所述局部人体模型及预先录入的病人信息，计算出曝光范围和曝光剂量；

基于所述曝光范围及所述曝光剂量完成曝光。

图5所示为X射线曝光控制方法中所执行的算法，结合图4与图5，详细介绍X射线曝光控制方法的具体过程：

1)采集人体深度图像。

深度相机15采集到深度图像，并将深度图像信息发送至工作站11，深度图像信息包括深度坐标及深度值。其中，深度图像的获取主要通过主动式的深度传感和被动式的测距传感两种方式进行获取。被动式的深度传感包括但不限于双目立体视觉法，其主要通过两个具有一定空间间隔的相机同时获取位于同一场景下的两幅图像，使用立体匹配算法计算对应点间的位置偏差，获取物体在实际场景中的深度信息。主动式的深度传感包括结构光法、飞行时间法等，结构光法通过近红外激光器将具有一定结构特征的光线投射到被拍物体上采用其不同的相位信息，获得深度信息。光飞行时间法是通过给目标物体持续发射激光脉冲，用传感器接收反射光线，以脉冲飞行时间计算的确切距离，得到深度信息。在本实施例中，主要采用双目视觉法进行深度图像的采集。

2)解析所述深度图像信息，建立局部人体模型。

工作站会根据深度相机传送的图像信息，通过图像识别技术，建立一个当前视野之内的人体模型，识别并划分人体各个部位，其过程执行如图5所示的前景提取、图像识别以及坐标变换。

前景提取：所拍摄深度图像中，人体只占整个场景的一部分，而病人到达曝光室之前所拍摄的无人体深度图像即为含人体深度图像的背景图像，前景部分为矩阵B，设无人拍摄的深度图像为矩阵A₀，含病人的深度图像为矩阵A，则

B＝A₀-A (1)

选取矩阵B的非零值区域(B≠0)即可快速计算出前景部分，将人物提取出来，降低周围无关物体带来的干扰，减少运算量。

图形识别：深度图像人体部分获得之后，可进行图像识别，分割出待测部位。其中识别可通过预先录入的常用人体模板深度图像，并根据用户输入的病人拍摄部位，提取特征点与预先录入的深度图像进行匹配度计算。其中，特征描述可选用SIFT定位算法，利用原始图像与高斯核的卷积来建立尺度空间，并在高斯差分空间金字塔上提取尺度不变性的特征点，尺度空间公式

L(x，y，σ)＝G(x，y，σ)×I(x，y) (2)

其中I(x,y)表示原图像，G(x,y,σ)表示高斯滤波器，

其中，高斯核σ＝1.4，大小为5*5。

坐标变换：根据识别出的病人待测部位，对其深度坐标换算到世界坐标，

Z_w＝Z_c (6)

其中，X_w Y_w Z_w为世界坐标系，u v为深度图像坐标，u₀ v₀为深度图像中心坐标，Z_c表示相机坐标的Z轴值，即目标到深度相机的距离，f为深度相机焦距。

3)结合所述局部人体模型及预先录入的病人信息，计算出曝光范围和曝光剂量。

工作站执行如图5所示计算曝光范围与曝光范围算法，结合预先录入的病人信息，例如病人年龄，需要拍摄的部位等，得到适于该病人的曝光范围与曝光剂量。

计算曝光范围：根据病人待测部位坐标值(X_{w_max}、Y_{w_max})与遮线铅板拍摄的最大坐标(X_{0_max}、Y_{0_max})二者比值，计算遮线铅板142横向、纵向的缩放系数

通过精确计算，以减少病人非拍摄体位所受辐射剂量。

计算曝光剂量：首先根据步骤2)识别出的待测部位，根据深度数据最小值h_min与探测器到光源的距离s1差值，可计算待测部位的厚度d

d＝sl-h_min (8)

然后根据待测部位厚度d，调用对应体位预先存储的标准厚度对应剂量参数，计算待测部位的所需曝光剂量I₀。其中，待测部位厚度与出射能量的关系为：

I＝I₀*exp(-μ*d) (9)

μ为衰减系数，I为出射能量，由探测器经验值可知μ的数值范围以及探测器最佳成像状态所需的出射能量I值，在固定I的情况下，调整曝光剂量即改变I₀值可使不同厚度的测试部位显示出最佳成像状态。其中，I₀剂量可通过调整电压与电流时间积进行调整：

其dose为曝光剂量I₀，单位为uGy，kV表示电压，mAs表示电流时间乘积，S₀表示射线源到出光口的距离，取21cm或根据实际情况进行取值；S₁表示射线源到平板探测器的距离，取120cm或根据实际情况进行取值，常数量G＝1.001301，a＝1.0590E-04，b＝4.3777E-03，c＝-1.7221E-01。

3)基于所述曝光范围及所述曝光剂量完成曝光。

工作站11根据计算所得的曝光范围(k_x，k_y)下发指令控制遮线铅板142打开相应的大小；工作站11根据计算所得的曝光剂量I₀下发指令指令控制X光发生器进行精准曝光。

本发明通过将深度相机集成到X射线曝光控制系统中，从而实现用户无需安装除通讯线以外的额外的部件，并且使用方便，用户无需手动设定曝光剂量参数和曝光范围参数，避免了曝光过度或不足的现象，而且曝光剂量和曝光范围根据病人的身体特征按照一定的算法计算得出，相比人为设定的值更加准确。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种X射线曝光控制系统，其特征在于，至少包括：

深度相机，用于采集深度图像；

X光发生器，基于曝光剂量参数产生X射线并执行曝光；

限束器，对X射线执行束光功能；

工作站，分别与所述深度相机、X光发生器以及限束器连接，基于所述深度图像控制所述X光发生器的曝光剂量及所述限束器的光束大小。

2.根据权利要求1所述的X射线曝光控制系统，其特征在于，所述深度相机包括结构光相机、双目视觉相机和TOF相机中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的X射线曝光控制系统，其特征在于，所述X射线曝光控制系统包括若干个通信接口，所述通信接口包括：串口、CAN总线接口以及USB接口中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的X射线曝光控制系统，其特征在于，所述X光发生器至少包括X射线球管和高压发生器。

5.一种X射线曝光控制方法，其特征在于，所述X射线曝光控制方法包括：

采集人体深度图像；

解析所述深度图像信息，建立局部人体模型；

结合所述局部人体模型及预先录入的病人信息，计算出曝光范围和曝光剂量；

基于所述曝光范围及所述曝光剂量完成曝光。

6.根据权利要求5所述的X射线曝光控制方法，其特征在于，采集人体深度图像的方法包括结构光法、飞行时间法或双目立体视觉法。

7.根据权利要求6所述的X射线曝光控制方法，其特征在于，解析所述深度图像信息，建立局部人体模型的步骤包括通过前景提取将人物提取出来，通过图像识别分割出待测部位，然后根据识别出的病人待测部位，将其深度坐标换算到世界坐标。

8.根据权利要求6所述的X射线曝光控制方法，其特征在于，前景提取方法满足如下关系式：

B＝A₀-A(1)

其中，B矩阵为前景部分，A₀矩阵为无人拍摄的深度图像，A矩阵为含病人的深度图像，选取矩阵B的非零值区域(B≠0)即可计算出前景部分。

9.根据权利要求6所述的X射线曝光控制方法，其特征在于，图像识别利用深度图像与高斯核的卷积来建立尺度空间，并在高斯差分空间金字塔上提取尺度不变性的特征点，其中，尺度空间满足如下关系式：

L(x，y，σ)＝G(x，y，σ)×I(x，y) (2)

其中，I(x，y)表示深度图像的坐标，G(x，y，σ)表示高斯滤波器，σ表示高斯核。

10.根据权利要求6所述的X射线曝光控制方法，其特征在于，坐标变换满足如下关系式：

Z_w＝Z_c (6)

其中，X_w Y_w Z_w为世界坐标系，μv为深度图像坐标，μ₀ v₀为深度图像中心坐标，Zc表示相机坐标的Z轴值，即目标到深度相机的距离，f为深度相机焦距。

11.根据权利要求5所述的X射线曝光控制方法，其特征在于，计算曝光范围采用关系式：

其中，k_x、k_y表示为遮线铅板在X轴、Y轴方向上的缩放系数，X_{w_max}、Y_{w_max}表示为病人待测部位坐标值，X_{0_max}、Y_{0_max}表示为遮线铅板开口最大时的坐标。

12.根据权利要求5所述的X射线曝光控制方法，其特征在于，计算曝光剂量首先采用如下关系式：

d＝s1-h_min (8)

计算待测部位体厚d，其中，h_min为深度数据最小值，s1为平板探测器到X射线源的距离；

然后根据待测部位体厚d，调用待测部位预先存储的标准厚度对应剂量参数，计算待测部位所需曝光剂量I₀，采用如下关系式：

I＝I₀*exp(-μ*d) (9)

其中，μ为衰减系数，I为根据经验得到的呈现最佳成像状态所需的出射能量。

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