CN1685705A

CN1685705A - 用于生成子图像的方法和设备

Info

Publication number: CN1685705A
Application number: CNA038234475A
Authority: CN
Inventors: H·-I·马亚克
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: JP2006501008A; AU2003263492A1; WO2004032484A1; CN100484192C; EP1552683A1; US7831109B2; EP1552683B1; DE10245715A1; US20070098236A1

Abstract

本发明涉及通过二维场图像传感器的图像的生成，特别地，是通过平面动态X射线探测器FDXD。为了维持评价装置(1)的最大数据率G_max，需要在读出的图像传感器的子区域的宽度x和高度y、成像速率f和面元因子b之间满足关系x·y·f/b≤G_max。按照该方法，定义子区域的尺寸、位置和/或形状的参数可以根据需要预置，不等式的其它变量被调整。如果需要，以保持满足不等式的这样的方式。在该方法的上下文中，也进行了马赛克校准，其中完整图像传感器的校准图像从子区域的校准图像构成。

Description

用于生成子图像的方法和设备

本发明涉及操作一种具有二维场图像传感器的成像设备的方法和能够以不大于G_max的最大速率读出并处理像素信号的评价装置，该像素信号表示通过面元操作组合而成的图像传感器的输出信号。本发明也涉及适于实施该方法的这样一种成像设备。

包含二维场单个图像传感器的成像设备有数字相机、摄像机或X射线装置。下文中将以平面动态X射线探测器(FDXD)为例进行介绍，但是本发明绝不应限于此。

已知结构的平面动态X射线探测器包含非常多数量的单个图像传感器，通常为2000×2000数量级。进一步地，图像可以以通常30Hz或更大的较高图像或成像速率从图像传感器场中读出。目前，到电子评价电路的像素传输和在其中的处理仍限于最大速率G_max这样的范围，从而不能以最大成像速率读出整个图像传感器场。为了符合硬件施加的这些限制，在现有的X射线探测器中，单独或联合应用了三种不同方法：

1.该图像以小于最大可能成像速率的成像速率读出；

2.进行所谓面元操作，其中来自一小组相邻图像传感器(通常2×2，3×3等)的信号被合并，从而形成空间分辨率下降的像素信号。于是，面元因子b描述合并的图像传感器的个数。

3.该场的边缘没有读出，从而仅有处于该场的中心并且具有正方形的形状的一个子区域被读出。

然而在实际应用中，通过这些方法通常仅能取得不适当的结果。例如，可用于临床应用的图像格式通常不是最优，从而感兴趣的身体区域不能被完全成像。

考虑到前述问题，本发明的一个目的是提供一种成像设备和操作这样一种设备的方法，该成像设备能够使成像参数按照实际需求进行改进自适应。

这一目的是通过权利要求1的特征部分中所公开的一种方法和权利要求9的特征部分中所公开的一种成像设备来实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。

根据本发明，该方法用于操作一种成像设备，该成像设备包含一个图像传感器的二维场和一个能够以不大于G_max(每单位时间读取的像素信号的个数)的最大速率读出并处理该像素信号的评价装置。该图像传感器生成与有关图像传感器所探测到的辐射量对应的各自输出信号(优选地是电信号)。这些输出信号通过面元操作被合并从而形成所述像素信号；从方案上说，在这一方面，也应该包含具有面元因子b＝1的面元，此处该像素信号等于该图像传感器的输出信号。按照该方法执行下述步骤：

-至少存在一个参数用于定义该场的一个子区域。例如，可以预置矩形子区域的顶点(＝三个参数)的宽度和位置。

-用于定义该子区域的任何剩余的参数(在此示例中是其高度)和该面元因子(在一个像素信号中合并的图像传感器的个数)以及该成像速率f(每单位时间完全读出的图像个数)以这样的方式定义，即从该场的子区域中读出所有像素信号的过程中，不超过该评价装置的最大速率G_max。如果n为该子区域中的子传感器的个数，上述条件可以用如下公式表示：

nf/b≤G_max (1)

所述方法能够灵活预置与图像传感器场的子区域有关的其位置、形状、尺寸等，随后其它成像参数以这样的方式自动进行调整，即一方面符合该成像设备的限制另一方面最优应用了其容量。

优选地，该图像传感器以周期模式布置，例如，在矩形场中带有矩形或六边形单元的格栅，并且该子区域的形状被选定为矩形，该矩形的各个边平行于该场的边缘。由于对应图像传感器场的评价通常以基于行和列的方式发生，这样形状的子区域从处理的角度来看是有利的。因此，一个子区域完全可以由两个顶点(即四个参数)描述，并以非常简单的方式被读出。

进一步地，该图像传感器优选地是生成依赖于所吸收的X射线量的电信号的X射线传感器。当应用X射线装置时，例如用于医学诊断和治疗的平面动态X射线探测器(FDXD)，由于成像可以调整到感兴趣的身体区域而不必改变X射线设备的位置，被成像的该子区域的灵活选择能力就特别有利。而且，对于许多介入治疗来说，例如有关静脉或食管延长，矩形图像格式是最优的；可以按照该方法简单地选定这样的格式。由于该区域的选择十分灵活，因此被成像区域的尺寸和因此而为患者施加的辐射量必然可以被限于最小。

按照该方法的一种特殊方案，在服务模式中预置该子区域，由于该服务模式需要由用户进行特别授权，因此该服务模式不同于该成像设备运行的正常模式。通常，该服务模式中可能的设置可以仅由该成像设备(例如X射线装置)的专门服务人员来实现。随后这样的人员可以按照用户的要求分别预置所应用的成像设备的单个场和该子区域，从而在随后的正常模式中可以从该预置子区域中作出选择。

根据该方法的一种优选方案，为了保证符合该最大速率G_max，按照哪些变量可以相对其电流值被改变施加规则。例如，在预选整个子区域后，用户首先可以通过改变成像速率f试图满足不等式(1)，随后仅当该成像速率超过给定界限时该面元因子的当前值才被用于进一步调整。

按照该方法的一种进一步的方案，通过与相关子区域有关的校准图像完成评价装置中该像素信号的评价。并且，该校准图像在传统形式上也可能与其它成像参数有关，例如成像速率。特别地在X射线装置的情况下，为了获得最优成像质量，需要校准读出的图像信号。这就需要用到再现施加了给定二次条件的同样(子)区域的校准图像。例如，偏差的校正需要以此种形式的黑图像为校准图像，即该黑图像是在无需图像传感器的照射的情况下利用同样值的成像速率和面元因子而获得的。

由于该子区域的位置是任意的，因此通常没有可用的完美形式的前述校准图像。因此校准图像的获取优选地以如下步骤实现：

1.图像传感器的整个阵列被分解成子区域。该子区域一起应覆盖了该阵列的整个表面，但是允许该子区域的重叠。

2.对于每个子区域，形成与相关子区域有关并可能与进一步所需成像参数(例如面元或成像速率)有关的校准图像。该子区域将在步骤1中以这种方式选定，即可能生成这样的校准图像。特别地，与相关面元和所用成像速率有关的子像素的尺寸在步骤1中应被选择得如此之小，以至于在生成该校准图像的过程中不会超过该评价装置的最大速率G_max。

3.从所获取的该子区域的校准图像形成与图像传感器的整个场有关并包含了任意进一步的成像参数的总体校准图像。例如，通过片状成分从偏差子图像形成该场的总体偏差图像(在偏差子图像的重叠区域中允许为给定偏差子图像优先配置或求平均)。

4.最后，在该成像设备的操作中与任意新子区域有关的校准图像可以被获取，因为该校准图像仅仅是作为所存储的整个校准图像的对应部分被选定的。

所描述的校准方法提供了这样的优点，即形成校准图像所需工作的主要部分预先仅被进行一次(步骤1到3)，并且在该探作(步骤4)中对于任意子区域，可以从得到的结果简单生成有关的校准图像。

特别地，预定子区域的黑图像可以被生成并用作校准图像。黑图像的特征在于图像传感器在其形成过程中没有受到任何辐射的照射，从而该黑图像反映了由图像传感器生成的输出信号的偏差。在校准过程中从测量图像中减去该偏差。如果需要的话，在该成像设备的运行中也可以获取黑图像。例如，在X射线装置的情况下，通过在一半该频率下操作X射线源可以交替获得黑图像和正常图像。这就保证了该黑图像在很大程度上是最新的，从而该装置的漂移现象不会具有严重影响。

本发明也涉及一种成像设备，该成像设备包含一个图像传感器的二维阵列和一种能够以不大于G_max的最大速率读取并处理像素信号的评价装置，该像素信号表示通过面元操作被合并的图像传感器的输出信号。

该成像装置被设置

-来预置至少一个参数以定义该场的一个子区域，

-以这样的方式定义任何剩余的参数用于定义该子区域和面元因子b以及该成像速率，即从该子区域中读取所有图像点信号的过程中不超过该评价装置的最大速率G_max。

所述方法可以通过该成像设备以这样的方式进行，即实现了该方法的优点。该成像设备也可以用这种方式扩展，即它可以实现所述方法的不同方案。

该成像设备优选地是一种X射线装置，为该X射线装置在射束路线中提供一种可调节光阑装置，该光阑装置的至少一个调节参数被预置而该光阑装置的任何剩余调节参数被自动设定。当该光阑装置定义了(例如)一个矩形、居中区域时，这一区域的宽度可以优选地被手工预置，而该区域的高度被计算出并被自动调节。

下面将根据附图详细描述本发明。其中：

图1示出表示根据本发明的方法的流程图，

图2示出了任意子区域的校准图像的形成。

图1示出了根据本发明的平面动态X射线探测器(FDXD)13的操作，FDXD13包含按行和列布置的图像传感器阵列。通过评价装置1(工作站)可以将指令和信息u应用于该探测器，并且图像的像素信号被从那里读出。典型地，这样一个FDXD13的图像传感器的个数非常大(≥2000×2000)，并且通常可以利用典型的30Hz的高成像或图像速率从探测器13读出完整图像。然而，根据现有技术不可能以这样高的成像速率读出整个探测器13并处理评价装置1中的图像。因此，在常规探测器中或者对一些由该结构永久定义的子区域施加限制，这些子区域在探测器场中居中并近似具有正方形的形状以及包含较少数量的图像传感器，或者在损失空间分辨率的情况下，进行面元操作从而将2×2、3×3或通常N×X组的图像传感器信号合并成一个像素。

在通过FDXD13获取图像的过程中，该条件以所谓包含下述参数的方式被组合：子图像或完整图像；面元操作的范围(其中一种非主动面元形式上对应于利用1×1的图像传感器进行面元)；该探测器内的模拟增益设置；单个图像的最大照射时间；成像速率。

进一步地，对于X射线探测器必须考虑这种情况，即为了获得可接受的图像质量，必须对每个形式单独校准所获取的图像。特别地，那么就考虑了该偏差(没有辐射输入的图像信号)、该增益(辐射量转换成电信号的pixel-wise不同特性)和缺陷(错误像素等)。

对于许多应用来说，在常规X射线探测器中永久定义的近似正方形和居中的子区域是次优的。例如，对于食管的医学图像或腿部的静脉来说，矩形格式可能更合适，例如，具有纵横比为1∶2的格式。为了达到这一目的，根据本发明，从图像传感器的阵列可以任意配置被成像的子区域的位置、尺寸和/或形状。下面将根据图1详细描述实现这一概念的例子。此处，假设所选的子区域应具有矩形的形状，因此其尺寸可由宽Δx和高Δy描述。

被调节的成像速率(例如7.5；15；30或60Hz)在下文中用字母f表示并且评价装置1的最大速率和评价装置1与FDXD13之间的传输链路的最大速率用G_max表示(例如，每秒4千万个像素信号)。超过G_max值的数据不被发射或不被校正和再次出现。进一步地，假设面元因子b描述了单个图像传感器的输出信号的个数，这些图像传感器被合并以形成一个像素信号(例如，平均输出信号)。通常当N×X图像传感器被合并以形成一个像素信号(虚拟像素)时，因此该面元因子等于(n.m)。从形式上来说，失效的面元可通过面元因子b＝1描述。

基于上述定义，对于成像速率f和面元因子b的给定值，被选定的子区域仍可以由评价装置1处理，这样的条件可以用下面的不等式描述：

Δx·Δy·f/b≤G_max (2)

这一不等式表示对于矩形子区域，不等式(1)的特殊情况。对于下文中提出的方法，这一不等式左面的参数被部分预置，并且剩余的参数随后以(仍)满足该不等式这样的方式被调整。

例1：服务模式中的配置

在最简单的情况下，任意子区域的调节可以由技术人员仅在服务模式中完成。按照用户指定的要求和期望，至少配置一个子区域。优选地，这一子区域随后被校准。从而可以为预配置和校准的子区域分配给定的模式号(M1，M2，...)，该子区域可以通过这些模式号在临床手术中被调用。可选地，对于模式的每次改变也可以为该探测器提供参数，基于这些参数可以识别出该模式，例如，对于该子区域的尺寸和位置是四个参数。对于手术而言，临床手术本身没有背离常规系统，其中该子区域被配置从而在X射线装置中是不变的。

例2：不必读出黑图像的校准限制

该方法的第二种方案是基于这一假设，即无需偏差校正或者在检查序列开始之前已经通过马赛克校准(下文中介绍)生成了整个场的黑图像。这一方案的特征在于，为了遵照符合不等式(2)的最大数据率G_max，该子区域的宽度Δy被调整，而其它变量被预置。这意味着分辨率(b，f保持固定)优先。在一系列图像获取过程中，可以由医生任意改变实际现有的插值(Δx_a，Δy_a)。这以下述步骤进行：

1.在准直器12中医生在一个方向上改变该校准，例如X方向：Δx_a→Δx_n。

2.评价装置1探测在模块2中探测准直器12的被调节位置Δx_n并从中计算出当前被调节子区域的位置和尺寸。进一步地，已知成像速率f和面元因子b的当前数据。

在模块3中为当前设置计算出数据率G^*并检查是否仍小于最大数据率G_max。

3.如果G^*大于G_max，在模块4中为准直器12的y方向调节计算出一个值Δy_n，从而保证了满足不等式(2)。随后该新值Δy_n被应用于准直器12并在其中完成相应的调节。

4.在模块5中，为该子区域确定的位置和尺寸被传输给探测器13。

5.探测器13及其读取系统使自身适应于所传输的数据，从而该探测器准备接收下一图像。

6.随后，下一X射线脉冲在该X射线源中被触发(未示出)，并且探测器13按照调节好的参数将预置子区域的合成图像i传送给评价装置1的缓冲区7。

7.由马赛克校准14(随后说明)为探测器13的整个场生成的校准图像被存储在内存15中。特别地，这些校准图像包含一个偏差图像、增益基准和带有缺陷的图。在评价装置的模块6中，考虑了内存15的这一数据的同时为偏差、增益和缺陷计算出子区域校准图像。这些图像在模块9中被用于来自模块7的当前图像的校准和校正从而生成校正图像10。随后后者可以在(例如)监视器11上被再现。对于该方法的这一方案不需要图1中也示出的模块8。

因此按照该方法的所述方案，X射线装置的临床操作在校准操作中也连续进行。数据传输、数据校正和数据再现被限于探测器13的被照射区域。在一个轴(x)被调节的从而其过大的情况下，其它轴(y)将被自动减少。

例3：带有读出黑图像的校准限制

如果马赛克校准14不能被用于偏差图像，按照读方法的第三种方案，偏差图像在校准过程中被读出。进一步地，正如在第二种方案中一样，在这一方案中该子区域的宽度Δy再次被调整以满足不等式(2)，其它变量被预置。于是该获取过程按下述步骤完成：

1.-5.步骤1到5与第二种方案一样。然而，在步骤5之后，由于首先需要获取被调节子区域的偏差图像，因此不能立即获取X射线图像，因为按照该假设这样的偏差图像不能从内存15中得到。

6.该X射线源(未示出)的X射线在下一获取之前被切断。

7.为下一图像的偏差校正读取黑图像D1并将其存储在模块8中。

8.随后，该X射线被再次接通并且同一子区域的图像被读出。随后这一图像可以在模块9中利用来自模块8的黑图像D1被处理，以形成可在监视器11上再现的校正图像10。

9.同时准直器12上的校准应相对前一获取变化，即，如果校准过程已经继续，那么重复步骤1到8。依赖于平均存储的黑图像的个数(大约30)和成像速率(大约30Hz)，于是校准的变化大约耗时一秒。在这一过程中探测器13以预选成像速率f持续运行。然而，由于X射线源的切断和接通，X射线的照射仅以该频率的一半发生。

10.该校准操作一结束，为该偏差校正读出足够数量的黑图像(大约30)并按照已知现有技术的一种方法求平均。在黑图像的获取过程中没有生成X射线。

11.随后，X射线被再次接通并且为所有随后照射的新调节的子区域继续进行临床手术。

实施例4：自动面元

根据第四种方案，被调节子区域的尺寸优先，并且该探测器的分辨率通过面元操作调整，即合并多个图像传感器以形成一个虚拟像素。因此，为了满足不等式(2)，参数b被改变。该偏差图像的处理可以通过和第二种方案和第三种方案相同的方法完成，并且因此而不再描述。在第四种方案的情况下，临床获取以下述步骤进行：

1.医生在X方向上改变该校准：Δx_a→Δx_n。

2.评价装置1在模块4中计算出与被调节成像速率f相一致的最大y校准Δy_n并触发其调节。

3.随后，在模块5中检查当前参数Δx_n、Δy_n、f和b是否满足不等式(2)。如果不满足，尝试分步增加的面元因子b＝4，9，...直到找到满足不等式(2)的最小面元因子b_min。然后这一因子连同其它变量被传输给探测器13。

4.ff步骤4到7或4到11分别以和所述第二方案和第三方案相同的方式完成。

因此，根据第四种方案，由于面元可根据需要调整，因此任何尺寸的子区域都可以被调节。

实施例5：成像速率的自动调整

按照第五种方案成像速率f被调整以满足不等式(2)。偏差图像的处理以与第二和第三种方案中相同的方式完成。临床获取的执行按照如下步骤进行：

1.医生在X方向上改变该校准：Δx_a→Δx_n。

2.该评价装置在模块4中计算出与被调节图像速率f相一致的最大y校准Δy_n并触发其调节。

3.在模块5中检查当前数据Δx_n、Δy_n、f和b是否满足不等式(2)。如果不满足，按照可能步骤尝试连续的较小成像速率f，例如，60Hz，30Hz，20Hz，15Hz，10Hz，7.5Hz...直到找到仍满足不等式(2)的最高成像速率f_max。然后这一成像速率连同其它参数被传输给探测器13。

4.ff步骤4到7和4到11分别以和所述第二方案和第三方案相同的方式实现。

因此，按照第五种方式，由于成像速率f可以根据需要调整，因此任何尺寸的子子区域都可以被调节。为了便于在这一模式操作，成像速率应在尽可能多的步骤中可被调节。

实施例6：马赛克校准

参见图2，将在下文中详细介绍图1的模块14中实现的马赛克校准。这一校准用于为探测器13的整个场的面元因子b和成像速率f的预定数据获取校准图像(例如，黑图像，缺陷图等)，从而在X射线装置随后的操作中尽可能简单地调用这些校准图像。由于按照不等式(2)的数据率限制，通常不可能直接获取这样的校准图像。

按照该马赛克校准，该探测器的整个场20首先(在逻辑上)被细分为覆盖整个表面的子区域。优选地，这些子区域具有片或条状。该子区域也可以重叠。这些子区域的尺寸被这样选定，即可以为有关的子区域得到图像同时满足不等式(2)。因此，可以为每个子区域获取所需校准图像21(例如，黑图像)。在校准图像的获取过程中，X射线探测器要受到X射线的照射，整个探测器表面20都受到这样的照射。因此，对每个图像传感器来说周围环境是相同的。

校准图像21在下一步骤中被合并从而为整个探测器场形成虚拟总体校准图像。特别地，可以在这一方法中获取虚拟总体黑图像、虚拟总体增益图像和虚拟总体缺陷图像。对于所述方法，该假设与探测器的常规校准的假设相同，这意味着对于有效时间段校准结果必须是稳定和可再现的。因为只要探测器的模拟寄生属性是可再现的，那么它们就是不重要的。对于所有子图像来说，图像信息的模拟部分是绝对相同的。整个探测器被照射并且所有模拟信道被电子地读出。唯一的区别在于不属于一个子区域的信息不被电子地传输。

如果在校准过程中不能排除轻微的短时漂移，在一个混合短时序列中可以获取所需的n个子区域的m个图像。从而短时漂移的影响被消除。这意味着，与简单序列(K₁₁，...，K_1m，...，K_n1，...，K_nm)相反，一个混合序列(K₁₁，K₁₂，...，K_n1，K₁₂，...，K_nm)被选定，其中K_nm是带有子区域n的个数m的图像。

由于对于一个完整图像来说通常需要最多四个或十六个子区域，该马赛克校准的附加花费是可接受的，子区域越多越是如此，因为它可以自动完成。

对于当前临床图像(图1中的模块9)的校准，从总体校准图像22中取出子图像23，所述子图像的尺寸和位置与该单个临床图像精确对应。这可以非常简单地完成，从而该设备的临床应用不会有校准图像获取的负担。

必须为所有有关的成像速率f和面元因子b完成该马赛克校准。在低成像速率的情况下，整个探测器仅需要一个子区域，这意味着按照现有技术，该马赛克校准变成了一种常规校准。

Claims

1.操作一种具有二维场图像传感器和评价装置的成像设备的方法，该评价装置能够以不大于G_max的最大速率读出并处理像素信号，该像素信号表示通过面元操作被合并的图像传感器的输出信号，在该方法中

-至少预置一个参数以定义该场的一个子区域，

-用于定义该子区域的任何剩余参数和面元因子b以及成像速率f以这样的方式被定义，使得在从该子区域读出所有像素信号的过程中不超过该评价装置的最大速率G_max。

2.如权利要求1中所述方法，其特征在于该图像传感器在矩形场中以周期模式布置，该子区域具有矩形的形状并且矩形的边平行于该场的边缘延伸。

3.如权利要求1中所述的方法，其特征在于该图像传感器是X射线传感器。

4.如权利要求1中所述的方法，其特征在于在该成像设备的服务模式中预置该子区域。

5.如权利要求1中所述的方法，其特征在于为了确保符合最大速率G_max，变量相对其当前值按照指定的规则被改变。

6.如权利要求1中所述的方法，其特征在于通过与该子区域有关的校准图像完成该像素信号的评价。

7.如权利要求6中所述的方法，其特征在于

-覆盖了该图像传感器的整个场的子区域被选定；

-利用预定的成像参数为每个子区域生成有关的校准图像；

-从该子区域的校准图像为与图像传感器的整个场有关的成像参数生成总体校准图像；

-从该总体校准图像为任意新子区域获取校准图像。

8.如权利要求6中所述方法，其特征在于生成该子区域的黑图像并将其用作校准图像。

9.一种包含二维场图像传感器的成像设备和一种能够以不大于G_max的最大速率读出并处理该像素信号的评价装置，该像素信号表示通过面元操作被合并的图像传感器的输出信号，该成像设备被布置

-来预置至少一个参数以定义该场的一个子区域，

-来定义任何剩余参数以通过这样的方式定义该子区域和面元因子以及成像速率f，即在从该子区域读出所有像素信号的过程中不超过该评价装置的最大速率G_max。

10.如权利要求9中所述的一种成像设备，其特征在于它包含一种带有在射束路径上布置的可调节光阑的X射线装置，该光阑设备的至少一个可调节参数被预置而任何剩余调节参数被自动设定。