基于變劑量掃描的X射線圖像增強(qiáng)技術(shù)

段彥杰,楊 明,劉 賓,陳方林

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

工業(yè)X射線檢測(cè)領(lǐng)域中,大型復(fù)雜構(gòu)件和材料的厚度變化往往從幾毫米到幾百毫米,且一些大型封裝組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部由不同材料的零部件組成。因此射線透射方向上厚度差異較大,導(dǎo)致射線衰減程度的差異較大,到達(dá)成像器件探測(cè)器的光子數(shù)也差異較大,造成某些探元接收到的光子數(shù)超過其容限。在檢測(cè)中如果僅保證較厚或衰減系數(shù)大的部位有足夠能量的射線穿透,那么勢(shì)必導(dǎo)致貫穿厚度較薄或衰減系數(shù)較小部位到達(dá)膠片或探測(cè)器的光子能量過高,表現(xiàn)為該區(qū)域圖像灰度飽和,影響微細(xì)缺陷的有效檢出[1-2]。目前實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于厚度差異較大物體的X射線檢測(cè)技術(shù)主要有采用高動(dòng)態(tài)范圍的成像器件、加準(zhǔn)直局部透照以及雙能或多能透照等。然而高動(dòng)態(tài)范圍的成像器件價(jià)格十分昂貴,同時(shí)也限制了數(shù)字射線成像系統(tǒng)的應(yīng)用范圍;加準(zhǔn)直局部透照方法需要反復(fù)改變準(zhǔn)直位置,反復(fù)試驗(yàn),檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng),具有較大的試驗(yàn)難度,而且效果一般,局限性大;雙能或多能透照,在一定程度上解決了厚度差異較大的影響,卻需要幾個(gè)射線源同時(shí)工作,增加了試驗(yàn)設(shè)備負(fù)擔(dān)和試驗(yàn)成本。西安交通大學(xué)提出采用尺度空間分解的X射線圖像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法,此方法可對(duì)兩幅圖像進(jìn)行尺度分解并重建,但只能得到工件大致的結(jié)構(gòu)信息,無法清晰地看出透射方向厚度差異較大的物體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)信息[3-4]。

筆者針對(duì)上述問題,對(duì)基于變劑量掃描的X射線圖像增強(qiáng)技術(shù)作了研究。

1 變劑量透照方法

動(dòng)態(tài)范圍小的X射線圖像所攜帶的有效信息量不足,無法有效獲取所需整體細(xì)節(jié)信息。變劑量透照方法借助X射線劑量的遞增變化,對(duì)工件透照生成序列圖像并將序列圖像拼接融合成一幅動(dòng)態(tài)范圍大的圖像,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字X射線系統(tǒng)透視圖像動(dòng)態(tài)范圍的增強(qiáng),簡(jiǎn)要步驟如圖1。

圖1 變劑量透照方法簡(jiǎn)要步驟

首先進(jìn)行預(yù)透照,分析在不同電壓下,圖像中透照區(qū)域的變化以及所對(duì)應(yīng)的灰度信息變化,建立材料的灰度-電壓-厚度關(guān)系模型,為后面射線管電壓變化范圍及間隔值提供先驗(yàn)信息,大概估計(jì)出被測(cè)物體所需最低和最高電壓。不同管電壓對(duì)應(yīng)不同能量的X射線,穿透物體后在射線圖像中表現(xiàn)為圖像灰度不同,所以合理地改變管電壓對(duì)工件進(jìn)行多次透照,使獲得的X射線圖像序列中完全包含了工件不同厚度位置的所有相關(guān)細(xì)節(jié)信息。

其次對(duì)序列圖像進(jìn)行分析,由于序列中每幅圖像有效的信息及位置不同,所以需要對(duì)每幅圖像分析得出可用的有效信息,從而提取出有效數(shù)據(jù)子圖。

最后對(duì)所提取的有效數(shù)據(jù)子圖進(jìn)行拼接融合獲取一幅高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字射線圖像,從而有效地?cái)U(kuò)大數(shù)字射線系統(tǒng)透視圖像的動(dòng)態(tài)范圍。

其中透照方式、子圖提取和拼接融合這三個(gè)方面是重點(diǎn)。

1.1 透照方式

不同管電壓對(duì)應(yīng)不同能量的X射線,穿透同一厚度物體后在射線圖像中的圖像灰度也不同,但隨著射線劑量的漸變,圖像灰度的變化是一個(gè)連續(xù)變化的過程。另外,由于X射線的能量不同,所穿過的有效厚度不同,則隨著射線能量從低到高的變化,在射線圖像序列上依次顯示物體等效厚度從小到大的有效透照區(qū)域。這樣就可以根據(jù)前幾幀的灰度信息對(duì)當(dāng)前圖像的灰度變化以及有結(jié)構(gòu)信息的透照區(qū)域變化作合理的預(yù)測(cè)。利用數(shù)學(xué)方法建立預(yù)測(cè)模型,即可實(shí)現(xiàn)劑量預(yù)測(cè)。根據(jù)灰度-電壓-厚度關(guān)系模型,預(yù)測(cè)下一幀的有結(jié)構(gòu)信息的透照區(qū)域,以及該區(qū)域中的灰度信息,同時(shí)設(shè)置X射線的管電壓,對(duì)物體進(jìn)行透照成像。再對(duì)透射圖像進(jìn)行灰度統(tǒng)計(jì)分析,來自動(dòng)調(diào)節(jié)射線源的管電壓。

1.2 子圖提取

在數(shù)字X射線成像系統(tǒng)中,度量圖像質(zhì)量的因素主要有兩個(gè)：對(duì)比度和不清晰度。圖像的對(duì)比度取決于X射線源的性能和能量及成像條件,清晰度則依賴于成像設(shè)備的幾何條件和系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF。本方法中,由于只改變射線的管電壓,系統(tǒng)的其它參數(shù)沒有改變,所以對(duì)于射線成像質(zhì)量中的不清晰度是不變的,所以影響圖像質(zhì)量的主要因素是對(duì)比度。對(duì)比度是被檢物體厚度微小變化引起膠片密度或亮度(屏圖像)變化的度量。顯然,在其它因素相同的條件下,對(duì)比度越大,則成像的質(zhì)量越好。因此高對(duì)比度圖像將產(chǎn)生高的檢測(cè)靈敏度。

設(shè)射線入射強(qiáng)度為I,物體厚度變化為Δx,物體對(duì)射線的線衰減系數(shù)為μ,射線的散射比為n,射線轉(zhuǎn)換屏的亮度為B,相應(yīng)的圖像對(duì)比度為：

可見,影響圖像對(duì)比度的主要因素是射線散射比,散射比越小,圖像的對(duì)比度越大,成像質(zhì)量越好。對(duì)于某種材料而言,影響散射比的主要因素是射線能量(電壓),而能量決定射線穿透能力,然而電壓變化直接反映在射線圖像上是灰度的變化,所以本方法通過試驗(yàn)方法找到透視圖像最佳對(duì)比度對(duì)應(yīng)的一個(gè)最佳灰度帶,并以此作為序列圖像中數(shù)據(jù)子集的提取分割依據(jù)。

1.3 拼接融合

根據(jù)灰度-電壓-厚度的關(guān)系模型,對(duì)在不同電壓下提取的物體透視圖像數(shù)據(jù)子集進(jìn)行灰度加權(quán),使提取的有效區(qū)域在拼合后能夠正確地表現(xiàn)出物體整體的結(jié)構(gòu)變化,同時(shí)提高數(shù)字射線圖像的動(dòng)態(tài)范圍。

圖2為拼接融合方法原理圖,圖中左側(cè)U1,U2,U3和U4為不同電壓下的灰度-電壓模型曲線。

(1)當(dāng)電壓加到U1時(shí),能夠使被測(cè)物體的最厚部分達(dá)到最佳灰度帶,即能夠使最厚區(qū)域的信息完全,因此方法的第一步：以U1灰度-電壓-厚度模型曲線為灰度增強(qiáng)的基礎(chǔ)曲線。

圖2 拼接融合方法原理圖

(2)方法的第二步：將U1,U2,U3和U4對(duì)應(yīng)的有效厚度依次平移拼加在U1曲線上,得到如圖2右側(cè)所示的ah曲線段,對(duì)應(yīng)厚度變化AH。圖中max1為探測(cè)器所能到達(dá)的最大灰度值(12位A/D即為4094),max2為圖像灰度增強(qiáng)后能夠達(dá)到的最大灰度值。

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)采用中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所配置的X射線CT/DR系統(tǒng),其中450 kV的GE射線機(jī),12位A/D的Paxscan 2520探測(cè)器,以及實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的圖像采集程序進(jìn)行序列圖像的采集。

2.1 階梯試塊變劑量透照

試驗(yàn)對(duì)象：鋼質(zhì)階梯試塊

成像條件：電壓由低到高進(jìn)行透照,電壓范圍為80～190 kV,步進(jìn)為10 kV,電流為1.5 mA 。

階梯試塊的厚度分別為 1,1.5,2,4,6,8和10 mm,為了能測(cè)試其拼接效果,在階梯試塊底部粘有直徑分別為0.4,0.6和0.8mm的細(xì)絲,并做適當(dāng)?shù)膹澢?圖3)。由于圖像數(shù)目較多,因此選取80,130,160和190 kV進(jìn)行分析(圖4)。

圖3 階梯塊結(jié)構(gòu)示意圖

其中圖4(a)前三個(gè)階梯比較清晰,而后三塊缺乏相關(guān)信息;圖4(b)第四個(gè)階梯塊比較清晰,但第一個(gè)階梯已經(jīng)無任何相關(guān)信息;圖4(c)同圖4(b);圖4(d)最后兩個(gè)階梯塊比較清晰;圖4(e)所有的階梯都比較比較清晰,很好地將三根細(xì)絲信息完整地表現(xiàn)出來,達(dá)到了動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展的目的。

2.2 缸蓋變劑量透照

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：鋼質(zhì)缸蓋

成像條件：電壓由低到高進(jìn)行透照,電壓范圍為60～150 kV,步進(jìn)為5 kV,電流為1.5mA。由于圖像數(shù)目較多,因此選取60,100和150 kV進(jìn)行分析(圖5)。

如圖5(a)缸蓋薄的空洞比較清晰,而較厚的部位缺乏相關(guān)信息;圖5(b)孔洞與周圍相連區(qū)域比較清晰,但較薄位置的空洞已經(jīng)無任何相關(guān)信息;圖5(c)缸蓋較厚部位的孔洞比較清晰,而其余部分相關(guān)信息很少;圖5(d)拼接融合后的圖像很好地將缸蓋各個(gè)部位的信息顯示得很清晰,同樣達(dá)到了動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展的目的。

3 結(jié)論

提出了一種X射線圖像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法,它可通過成像工件在多個(gè)電壓下透照生成的小動(dòng)態(tài)范圍序列圖像重建出一幅寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像。結(jié)果表明,該方法從視覺上可顯著擴(kuò)展圖像的灰度動(dòng)態(tài)范圍,有利于對(duì)工件的內(nèi)部特征進(jìn)行進(jìn)一步的研究,且具有實(shí)施簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、檢測(cè)快速、成本低等特點(diǎn),尤其適用于透射方向厚度差異較大物體的X射線檢測(cè),解決了某些廉價(jià)數(shù)字X射線成像設(shè)備成像動(dòng)態(tài)范圍小的弊端,有利于推動(dòng)數(shù)字成像設(shè)備的普及。

[1]杜昱平,張永順.平板探測(cè)器DR與CCD探測(cè)器DR的基本結(jié)構(gòu)與比較[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2006,8(27)：60-62.

[2]楊瑩,牟軒沁.一種醫(yī)學(xué)X射線圖像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,12(42)：1468-1471.

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