CN117562562A - 一种基于x射线光场去除散射线的方法及x光成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于X射线光场去除散射线的方法及X光成像系统，通过X光成像系统向拍摄目标进行X光拍摄，发生器产生的X光依次经过拍摄目标、针孔阵列后被探测器所接收，得到包含散射线的图像，以及图像各点的像素值。基于图像的各点像素的像素值和位置、以及形成该像素点的X光所穿过的针孔阵列的针孔位置，得到光场信息。根据光场信息进行光场积分运算，得到去除散射线后的每一点的像素值，进而得到去除散射线后的图像。本发明通过X射线的光场获得射线的方向信息，可以在低剂量的情况下消除散射线的影响，保证病人的辐射安全。同时，可以在物理上取消滤线栅的装置，使系统更简单，实施方便、效率高。

Description

一种基于X射线光场去除散射线的方法及X光成像系统

技术领域

本发明属于X射线医学影像领域，尤其涉及一种基于X射线光场去除散射线的方法及X光成像系统。

背景技术

X光与物体的作用一般分为透射与散射，前者是X光成像的原理，后者则是影响X光图像质量的主要因素。现有的X射线成像系统中，为了避免X射线散射的影响，一般都会在探测器前放置滤线栅，滤线栅主要用来滤除X线透过人体后散射线对成像的影响，放置于人体和探测器之间，可将大部分的散射线滤去。

滤线栅从外表看是一块较薄的板状物。内部由多个铅条排列而成，铅条之间由可透过X光的物质填补，可以用铝片等，只允许方向一致的射线透过，因此可以滤出绝大部分不属于该方向的X射线即散射线。

然而使用滤线栅解决散射线的问题，虽然可以消除大部分散射线的影响，但是存在以下问题：

(1)由于滤出了大部分的散射线导致剂量减少，需要增加剂量，从而使病人吃到更多的X射线；

(2)物理滤线栅的存在增加了成像系统的复杂度。

因此，本发明提出一种能在不增加剂量，且不使用物理滤线栅的情况下也能消除散射线对图像质量的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于X射线光场去除散射线的方法及X光成像系统，以解决X影像中的散射线问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种基于X射线光场去除散射线的方法，包括如下步骤：

通过X光成像系统向拍摄目标进行X光拍摄，X光成像系统的发生器产生X光，X光依次经过拍摄目标、针孔阵列后被X光成像系统的探测器所接收，得到包含散射线的图像，以及图像各点的像素值；

基于图像的各点像素的像素值和位置，以及形成该像素点的X光所穿过的针孔阵列的针孔位置，得到光场信息；

根据光场信息进行光场积分运算，得到去除散射线后的每一点的像素值，进而得到去除散射线后的图像。

进一步优选地，在执行X光拍摄之前，还需构建光场坐标系，光场坐标系以探测器上的一点为原点，X轴、原点和Y轴所构成的平面为探测器所在的平面，Z轴垂直于探测器所在的平面。

其中，光场信息为探测器接收到的每条X光线的位置信息和强度信息，表达式为其中，L为光线强度，x,y为光线穿过针孔后在光场坐标系的XY平面的投影坐标，θ为光线与光场坐标系的XZ平面的夹角，/>为光线与光场坐标系的YZ平面的夹角。

具体地，X光线经过每个针孔后在探测器上形成一个相对应的微图像，微图像的数量与针孔阵列的针孔数量一致，所有微图像构成探测器得到的图像，每个微图像的像素数与针孔数量呈反相关关系；

每个微图像均由对应针孔采集到的所有光线在该方向的分量所形成，微图像的亮度为相应像素的亮度之和。

其中，通过光场积分运算，计算去除散射线后的图像中各点(x,y)的像素值，满足如下公式：

其中，计算时去除偏差较大的散射线，在积分时忽略掉角度超过θ₀、的光线，θ₀和φ₀为预设阈值。

一种基于X射线光场去除散射线的X光成像系统，包括：发生器、针孔阵列、探测器和计算单元；

发生器用于产生X光，以对拍摄目标进行X光拍摄；

探测器用于对穿过拍摄目标的光线进行接收，得到包含散射线的图像，以及图像各点的像素值；

针孔阵列设于拍摄目标与探测器之间，开设有若干针孔，穿过拍摄目标的光线经过针孔后被探测器接收，形成数量与针孔一致的微图像，所有微图像构成包含散射线的图像；

计算单元根据探测器上图像的各点像素的像素值和位置，以及形成该像素点的X光所穿过的针孔阵列的针孔位置，得到光场信息；并根据光场信息进行光场积分运算，得到去除散射线后的每一点的像素值，进而得到去除散射线后的图像。

其中，光场信息为探测器接收到的每条光线的位置信息和强度信息，表达式为其中，L为光线强度，x,y为光线穿过针孔后在光场坐标系的XY平面的投影坐标，θ为光线与光场坐标系的XZ平面的夹角，/>为光线与光场坐标系的YZ平面的夹角；

其中，光场坐标系以探测器上的一点为原点，X轴、原点和Y轴所构成的平面为探测器所在的平面，Z轴垂直于探测器所在的平面。

具体地，计算单元通过光场积分运算，计算去除散射线后的图像中各点(x,y)的像素值，满足如下公式：

其中，计算时去除偏差较大的散射线，在积分时忽略掉角度超过θ₀、的光线，θ₀和φ₀为预设阈值。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明通过X射线的光场获得射线的方向信息，可以在低剂量的情况下消除散射线的影响，保证病人的辐射安全。同时，可以在物理上取消滤线栅的装置，使系统更简单，实施方便、效率高。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明一个实施例中的基于X射线光场去除散射线的方法流程图；

图2为本发明一个实施例中的基于X射线光场去除散射线的X光成像系统结构图；

图3为本发明一个实施例中的光场示意图；

图4为本发明一个实施例中的去除散射光线后的光线示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于X射线光场去除散射线的方法及X光成像系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例

常态下，X光视为平行光照射，因此在成像系统中并没有方向之分，因而也没有光场的概念。但是在实际应用中，由于X射线球管和平板探测器等的限制，打出来的X光往往呈锥形束状扩散，并且在经过患者后，X光除了吸收和透射之外更是会发生严重影响图像质量的散射。因此，现有技术中在患者后、探测器之前摆放滤线栅，滤除散射线，然而放置滤线栅尽管解决了散射线问题，却也引申出了其它问题。

因此，参看图1至图4，本实施例提供了一种基于X射线光场去除散射线的方法及X光成像系统，由于在本实施例中方法与系统是相辅相成的，因此将装置与方法进行共同描述。

参看图2，在本实施例的X光成像系统中包括：具有球管的发生器、针孔阵列、探测器和计算单元。发生器用于产生X光，以向拍摄目标进行X光拍摄。探测器用于对穿过拍摄目标的光线进行接收，得到包含散射线的图像，以及图像各点的像素值。

针孔阵列设于拍摄目标与探测器之间，开设有若干针孔，穿过拍摄目标的光线经过针孔后被探测器接收，形成数量与针孔一致的微图像，所有微图像构成包含散射线的图像。计算单元则根据探测器上图像的各点像素的像素值和位置，以及形成该像素点的X光所穿过针孔阵列的针孔位置，得到光场信息，并根据光场信息进行光场积分运算，得到去除散射线后的每一点的像素值，进而得到去除散射线后的图像。

如图2所示的X光成像系统，在执行X光拍摄之前，还需构建光场坐标系。光场坐标系探测器上的一点为原点，较为优选地以探测器的中心点为原点，X轴、原点和Y轴所构成的平面为探测器所在的平面，Z轴从左向右垂直于探测器穿过原点。照射到探测器上的每一条光线都会先经过针孔阵列的一个针孔，与传统的七维光函数相比，每条光线可通过四维函数表示，其中，L为光线强度，x,y为该光线穿过针孔后在光场坐标系的XY平面的投影坐标，θ为光线与光场坐标系的XZ平面的夹角，/>为光线与光场坐标系的YZ平面的夹角。即我们所需的光场信息则为探测器接收到的每条光线的位置信息和强度信息。

参看图2，具体地，在探测器前加上m*n针孔排布的针孔阵列，每一条透过拍摄目标，如患者的X射线由于散射都会向四面八方传播，在到达探测器之前都会经过任意一个针孔，而每一个针孔后方探测器上会相应形成一个微图像，共有m*n个微图像。这些微图像都是由穿过患者的主射线和散射线共同形成的。每一个微图像都是由对应针孔采集了所有光线在该方向的分量而形成，因此通过微图像和针孔阵列可以记录光场中光线的所有信息。具体地，每一个微图像由k*k个像素组成，该微图像的亮度体现为这k*k个像素的亮度之和，这些微图像也是成为目标图像的基础。显然，针孔个数m*n与每一个针孔对应的像素个数k*k是一个反相关的关系，一者增大另一者就要相应减小。而针孔个数代表了光场积分所成图像的分辨率，每一个针孔对应的像素个数则代表了最终成像每一个像素值的准确度。因此，如果一味追求图像分辨率而提高针孔个数，就会导致每一个针孔所对应的像素点太少，这样在积分的时候光线太少，由于边缘效应等影响会较大降低图像的可靠性与准确性，因此，两者需要做一个平衡。

具体地，针孔阵列形成的微图像记录了光线的位置信息与强度信息，微图像中的像素与针孔的相对位置则记录了光线的方向信息，故可以根据以上两点重建出整个光场。现对光场进行举例说明，以图3为例，图中共展示了3个针孔，每个针孔后方探测器上形成的图像包含3个像素(本示例为便于表述展示二维空间情况，三维空间可以此类推)。由于有足够多的针孔，因此可以视为每个像素都是由一条光线形成。如图3最上面的一条光线，该光线经过针孔后在光场坐标系的XY平面内的坐标(x，y)，其光线强度由探测器采集而得。进一步地，由该像素的位置以及针孔的位置可知该光线分别与XZ平面和YZ平面的夹角为θ和故这条光线可以表示为/>同理，可以依次表示出最上面一个针孔所对应的3个像素点的光线。而根据前文提到的，在实际情况下，一个针孔对应了k*k条光线，故积分可得该针孔所形成微图像的总亮度，进而同理可以得到m*n个微图像的亮度，从而形成目标图像。

最后，在重建出光场之后，可以根据需要去除散射光线，如图4所示的锥形光束。由于X光的特性，在锥形束中的非散射光线与XZ平面的夹角最大为θ₀，同理与YZ平面的夹角最大为θ₀和/>为预设阈值。故计算单元计算去除散射线后的图像中各点(x,y)的像素值，满足如下公式：

其中，计算时需要去除偏差较大的散射线，在积分时忽略掉角度超过θ₀、的光线(这些光线视为散射线)，即原来某个针孔所成微图像的亮度是经过该针孔的所有射线的亮度之和，现在则变成了所有主射线之和，如此可以得到去除散射线后的图像每一点的像素值，进而可得到去除散射线的图像。

综上，本实施例利用将光场成像理论应用到X射线成像中，使得原来只能获取X射线二维信息的成像系统(探测器)可以通过光场重现出光线的方向信息，并且通过计算成像理论取代物理上的滤线栅，对现有的X射线成像系统有一定的简化，同时以最小的射线剂量达到最好的成像效果，既提高了图像质量，又能保证病人的安全。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种基于X射线光场去除散射线的方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过X光成像系统向拍摄目标进行X光拍摄，所述X光成像系统的发生器产生X光，X光依次经过所述拍摄目标、针孔阵列后被所述X光成像系统的探测器所接收，得到包含散射线的图像，以及图像各点的像素值；

基于图像的各点像素的像素值和位置，以及形成该像素点的X光所穿过的所述针孔阵列的针孔位置，得到光场信息；

根据所述光场信息进行光场积分运算，得到去除散射线后的每一点的像素值，进而得到去除散射线后的图像。

2.根据权利要求1所述的基于X射线光场去除散射线的方法，其特征在于，在执行X光拍摄之前，还需构建光场坐标系，所述光场坐标系以所述探测器上的一点为原点，X轴、原点和Y轴所构成的平面为所述探测器所在的平面，Z轴垂直于所述探测器所在的平面。

3.根据权利要求2所述的基于X射线光场去除散射线的方法，其特征在于，所述光场信息为所述探测器接收到的每条X光线的位置信息和强度信息，表达式为其中，L为光线强度，x,y为光线穿过针孔后在所述光场坐标系的XY平面的投影坐标，θ为光线与所述光场坐标系的XZ平面的夹角，/>为光线与所述光场坐标系的YZ平面的夹角。

4.根据权利要求3所述的基于X射线光场去除散射线的方法，其特征在于，X光线经过每个针孔后在所述探测器上形成一个相对应的微图像，微图像的数量与针孔阵列的针孔数量一致，所有微图像构成所述探测器得到的图像，每个微图像的像素数与针孔数量呈反相关关系；

每个微图像均由对应针孔采集到的所有光线在该方向的分量所形成，微图像的亮度为相应像素的亮度之和。

5.根据权利要求3或4所述的基于X射线光场去除散射线的方法，其特征在于，通过光场积分运算，计算去除散射线后的图像中各点(x,y)的像素值，满足如下公式：

其中，计算时去除偏差较大的散射线，在积分时忽略掉角度超过θ₀、的光线，θ₀和φ₀为预设阈值。

6.一种基于X射线光场去除散射线的X光成像系统，其特征在于，包括：发生器、针孔阵列、探测器和计算单元；

所述发生器用于产生X光，以对拍摄目标进行X光拍摄；

所述探测器用于对穿过所述拍摄目标的光线进行接收，得到包含散射线的图像，以及图像各点的像素值；

所述针孔阵列设于所述拍摄目标与所述探测器之间，开设有若干针孔，穿过所述拍摄目标的光线经过针孔后被所述探测器接收，形成数量与针孔一致的微图像，所有微图像构成包含散射线的图像；

所述计算单元根据所述探测器上图像的各点像素的像素值和位置，以及形成该像素点的X光所穿过的所述针孔阵列的针孔位置，得到光场信息；并根据所述光场信息进行光场积分运算，得到去除散射线后的每一点的像素值，进而得到去除散射线后的图像。

7.根据权利要求6所述的基于X射线光场去除散射线的X光成像系统，其特征在于，所述光场信息为所述探测器接收到的每条光线的位置信息和强度信息，表达式为其中，L为光线强度，x,y为光线穿过针孔后在光场坐标系的XY平面的投影坐标，θ为光线与所述光场坐标系的XZ平面的夹角，/>为光线与所述光场坐标系的YZ平面的夹角；

其中，所述光场坐标系以所述探测器上的一点为原点，X轴、原点和Y轴所构成的平面为所述探测器所在的平面，Z轴垂直于所述探测器所在的平面。

8.根据权利要求7所述的基于X射线光场去除散射线的X光成像系统，其特征在于，所述计算单元通过光场积分运算，计算去除散射线后的图像中各点(x,y)的像素值，满足如下公式：

其中，计算时去除偏差较大的散射线，在积分时忽略掉角度超过θ₀、的光线，θ₀和φ₀为预设阈值。