基于PaxScan2520D平板探測器的錐束CT成像軟件開發(fā)

孔凡亮 ,李光，羅守華 ,陳功

1.東南大學(xué) 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.江蘇省中醫(yī)院 醫(yī)學(xué)信息工程部，江蘇 南京210096

基于PaxScan2520D平板探測器的錐束CT成像軟件開發(fā)

孔凡亮1,李光1，羅守華1,陳功2

1.東南大學(xué) 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.江蘇省中醫(yī)院 醫(yī)學(xué)信息工程部，江蘇 南京210096

本文介紹了PaxScan2520D平板探測器的工作原理和工作模式，根據(jù)項目的需求，對Varian公司提供的開發(fā)包進(jìn)行了封裝，利用多線程技術(shù)，實現(xiàn)了基于PaxScan2520D平板探測器的實時成像，并對探測器的噪聲進(jìn)行了分析，提高了探測器圖像的成像質(zhì)量。

平板探測器；API封裝；多線程；成像軟件

0 前言

錐束CT（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）采用低能射線，射線呈錐束狀發(fā)出，射線與傳感器同步圍繞病人旋轉(zhuǎn)一周或不足一周即可成像，掃描過程只需幾十秒。CBCT硬件系統(tǒng)中最重要的組成部分是平板探測器和射線源，其中射線源負(fù)責(zé)發(fā)出X射線，穿透人體組織結(jié)構(gòu)；平板探測器用于接收X射線，并按一定的方式處理為數(shù)字信號，經(jīng)校正、消噪等，將數(shù)字信號通過千兆以太接口發(fā)送到計算機(jī)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到重建服務(wù)器進(jìn)行重建，最后將重建以后的斷層圖像提供給醫(yī)生使用。

目前,國外己有多家公司制造和銷售平板探測器，例如Canon、Varian、Trixell、GE、AnRad和Hologic公司等等。這些公司的探測器在結(jié)構(gòu)組成上各有不同，其中Canon、Varian、Trixell和GE公司的平板是由閃爍體或熒光體層加具有光電二極管作用的非晶硅層(a-Si)再加TFT陣列構(gòu)成，而AnRad和Hologic公司的平板主要是由非晶硒層(a-Se)加薄膜半導(dǎo)體陣列(TFT)構(gòu)成的平板探測器。以非晶硒作為光電導(dǎo)體可以直接將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，避免散射的發(fā)生，但是對X線吸收率較低，在低劑量條件下圖像質(zhì)量不能很好地保證。而非晶硅對于X線接收器來說是最理想的材料，因為非晶硅對放射線的傷害是免疫的。GE、Canon的平板使用的是碘化銫（CsI）或Gd2O2S:Tb涂層，因不是柱狀晶體結(jié)構(gòu)，所以能量損失較嚴(yán)重。Trixell公司的平板的閃爍體是CsI，由于工藝復(fù)雜難以生成大面積平板，所以采用幾塊小板拼接成大塊平板，拼接處圖像需要由軟件彌補[1]。

綜合各方面因素考慮，本文采用的是Varian公司的PaxScan2520D平板探測器，其非晶硅面陣尺寸為25cm×20cm，像元尺寸為127μm，圖像灰度深度為14bit。該探測器具有以下幾個方面的優(yōu)點：① 寬動態(tài)范圍，數(shù)字圖像的灰度深度為14bit；② 低散射損耗，平板探測器的成像機(jī)理決定了散射損耗??；③ 快速圖像采集，能夠到達(dá)30幀/s；④ 沒有圖像的幾何畸變和失真[2]。本文通過研究PaxScan2520D平板探測器的工作原理和工作模式，利用Varian公司提供的開發(fā)包，根據(jù)項目的需求，對其提供的API進(jìn)行了封裝，利用多線程技術(shù)，實現(xiàn)了基于PaxScan2520D平板探測器的實時成像軟件的開發(fā)。

1 PaxScan2520D平板探測器工作原理與模式

1.1 平板探測器的工作原理

平板探測器的結(jié)構(gòu)，見圖1。在間接轉(zhuǎn)換型平板探測器中，X射線光子在閃爍體層轉(zhuǎn)換成可見光，再通過光敏二極管將可見光轉(zhuǎn)換成電信號，由TFT陣列讀出。直接轉(zhuǎn)換型平板探測器使用一層無定型硒將X射線光子直接轉(zhuǎn)換成存儲在電容中的電荷，再由TFT陣列讀出。PaxScan2520D平板探測器屬于間接轉(zhuǎn)換型[3]。

平板探測器和要成的圖像有同樣大小的尺寸，因而探測器系統(tǒng)不會造成幾何失真。另外探測器的厚度都很小，這也正是它被稱為“平板”探測器的原因。平板探測器的讀數(shù)裝置是和探測器結(jié)合在一起的，本身就具有提高空間分辨率的優(yōu)勢。

1.2 平板探測器的工作模式

1.2.1 讀觸發(fā)模式

平板探測器的讀出操作由讀觸發(fā)信號來啟動。PaxScan2520D讀觸發(fā)模式分為兩種：內(nèi)觸發(fā)模式和外觸發(fā)模式。內(nèi)觸發(fā)模式的讀觸發(fā)信號由探測器自己產(chǎn)生，外觸發(fā)模式的讀觸發(fā)信號需要由外部電路來提供。無論是內(nèi)觸發(fā)模式還是外觸發(fā)模式，讀觸發(fā)信號都將啟動一次探測器讀出操作[4]。

1.2.2 圖像采集模式

PaxScan2520D平板探測器共有兩種圖像采集模式：① 熒光透視法(Fluoroscopy) 采集模式，② 射線照相法（Radiography）采集模式。定義見表1。

熒光透視法與射線照相法的主要區(qū)別在于：首先，兩種采集模式采集數(shù)據(jù)的頻率有所不同，一般熒光透視法的采集頻率最高能達(dá)到30Hz，而射線照相法的采集頻率最高能達(dá)到10Hz；其次，兩種采集模式下采集圖像的方法有所不同，熒光透視法是將每一幀作為一張圖像輸出，而射線照相法則是將多幀圖像疊加然后歸一化作為一張圖像輸出。因此，熒光透視法一般用于實時成像系統(tǒng)中，而射線照相法一般用于手動采集圖像的系統(tǒng)中。在本文中，根據(jù)實際情況的需要，我們采用的是熒光透視法，以達(dá)到實時成像的目的。

2 PaxScan2520D平板探測器實時成像的實現(xiàn)

在CBCT系統(tǒng)軟件中，主要包括三個模塊：檔案管理、圖像采集和可視化，見圖2。其中圖像采集模塊利用PaxScan2520D平板探測器完成投影圖像的采集、去噪、保存和顯示等，然后將保存后的投影圖像發(fā)送到重建服務(wù)器進(jìn)行重建，進(jìn)而得到斷層序列，可視化模塊可以載入斷層序列進(jìn)行可視化處理。

圖2 CBCT系統(tǒng)軟件

Varian公司為PaxScan2520D平板探測器系統(tǒng)提供了一套開發(fā)包，開發(fā)包中包括一些探測器的采集和校正的接口函數(shù)，如連接探測器、斷開連接、開始采集、停止采集、偏移校正、設(shè)置校正參數(shù)等。雖然PaxScan2520D的開發(fā)包可以實現(xiàn)圖像采集任務(wù)，但整個采集過程中每一步都會涉及到眾多函數(shù)的調(diào)用以及眾多參數(shù)的設(shè)置，因此，不能直接使用API完成采集過程，還需要對開發(fā)包進(jìn)行進(jìn)一步的封裝。

另外在CBCT系統(tǒng)軟件中，檔案管理、圖像采集和可視化3個模塊分別以動態(tài)庫的形式提供給CBCT主程序，它們在整個系統(tǒng)軟件中是相互聯(lián)系的，例如在新建1個病人檔案后需要進(jìn)入圖像采集模塊，進(jìn)行圖像采集存儲和顯示，采集結(jié)束后需要將圖像數(shù)據(jù)提供給可視化模塊進(jìn)行處理，因此，每個模塊都需要為其他模塊及主程序提供全局可見的接口，圖像采集模塊的接口為IHDImageCapture。

表1 PaxScan2520D平板探測器的采集模式[5]

2.1 圖像采集

2.1.1 采集流程

采集流程圖，見圖3。

2.1.2 采集類的實現(xiàn)

本文采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒▽⒉杉^程抽象為一個類：CImageCapture，該類派生于接口類IHDImageCapture。IHDImageCapture為純虛類，沒有任何的實現(xiàn)只是作為應(yīng)用層的接口提供給其他模塊使用，它對于程序的所有模塊是全局可見的。CImageCapture對平板探測器的API進(jìn)行了封裝，簡化了API的調(diào)用，方便應(yīng)用層的調(diào)用，并實現(xiàn)了采集過程中的錯誤檢查，以便于在調(diào)試過程中或用戶操作過程中發(fā)現(xiàn)平板探測器運行的一些錯誤信息。該類主要實現(xiàn)了下面幾個函數(shù)[6]：

這幾個函數(shù)的作用分別為初始化探測器設(shè)備、開始采集、結(jié)束采集、得到數(shù)據(jù)、釋放探測器設(shè)備和得到運行過程中的錯誤信息等。

2.1.3 多線程實現(xiàn)圖像的采集、存儲和顯示

首先，平板探測器在熒光透視法模式下的采集頻率最大可以達(dá)到30幀/s，所以采集1幀圖像時間是很短的；其次，采集到的圖像是14位的裸數(shù)據(jù)，分布在16位的低14位上，但是計算機(jī)不能顯示16位數(shù)據(jù)的全部信息，只能顯示8位數(shù)據(jù)，所以還要將采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；再次，PaxScan2520D平板探測器輸出圖像的尺寸為1536×1920，像元深度為12bit，所以1張圖像大小有5M左右，數(shù)據(jù)量比較大?；谏厦嫠岬降?個考慮，為了達(dá)到實時采集實時顯示的要求，不可能在1個線程中完成這些操作。這就需要將這幾項工作分在不同的線程中，多個任務(wù)并行工作。工作線程2和工作線程3在工作線程1采集到每1幀數(shù)據(jù)后啟動，分別進(jìn)行存儲和處理，見圖4。

圖4 多線程工作示意圖

工作線程1是從平板探測器讀出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)內(nèi)；工作線程2是將采集到的裸數(shù)據(jù)存入文件；工作線程3是將采集到的裸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)；主線程是顯示轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)據(jù)。

2.2 投影圖像的噪聲分析和處理

前面提到的PaxScan2520D平板探測器有很多優(yōu)點，但是由于各方面的因素，所采集到的圖像還是有很多噪聲，而這些噪聲會影響圖像的質(zhì)量，所以去除這些噪聲是很有必要的。這些噪聲主要分為兩大類：設(shè)備的固有噪聲和系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲。噪聲的來源，見圖5。

固有噪聲又分為偏移、像元響應(yīng)不一致和壞點。偏移噪聲主要是在未加射線照射的情況下，光電二極管和薄膜晶體管的漏電流以及數(shù)據(jù)采集電路中使用的電荷放大器零點漂移所造成的。像元響應(yīng)不一致是在均勻射線強度照射下，探測器像元響應(yīng)的不均勻程度所產(chǎn)生的。壞點是那些不能根據(jù)射線強度的變化而做出正常變化響應(yīng)的像元。

隨機(jī)噪聲主要源于數(shù)據(jù)采集過程中探測器相鄰行之間的干擾，因為像素數(shù)據(jù)是逐行讀出的，對指定行的瞬間采樣不可避免地要受到鄰近行的影響。另外，從射線到可見光的轉(zhuǎn)換、以及后續(xù)的光電轉(zhuǎn)換等都伴有隨機(jī)噪聲[7]。

Varian公司針對這些噪聲，為每個平板探測器提供了3個校正文件：defect_map.dat、ofts_img.viv和gain_img.viv。其中defect_map.dat文件中的數(shù)據(jù)包括平板探測器的壞點信息；ofts_img.viv文件的數(shù)據(jù)為一系列（通常為8幀）暗場（不加X射線）圖像疊加求平均后的數(shù)據(jù)；gain_img.viv文件為一系列經(jīng)過偏移校正后的亮場（加X射線但不放置物體）圖像的數(shù)據(jù)。這3個校正文件分別可以校正壞點、偏差、像元響應(yīng)不一致所產(chǎn)生的噪聲，在平板初始化時可以設(shè)置采集過程中是否將這3個校正文件與采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

3 結(jié)果分析

經(jīng)過驗證，該系統(tǒng)在熒光透視法模式下能夠?qū)崟r采集圖像，并利用多線程能夠?qū)崿F(xiàn)同步采集顯示和存儲。并且采集到的圖像是經(jīng)過增益校正、偏移校正和壞點校正的圖像，很好地去除了一些設(shè)備的固有噪聲和隨機(jī)噪聲，圖像質(zhì)量較好。圖6拍攝的是電壓表，射線源的電壓為60kV，電流為3mA，其中圖（a）為沒有執(zhí)行校正所采集到的圖像，圖（b）為執(zhí)行校正后采集到的圖像。很明顯，可以看到圖（a）的背景中有很多噪聲，其中包括設(shè)備的一些固有噪聲，如黑色細(xì)線，還有一些隨機(jī)噪聲，如一些白點；而圖（b）中可以看出，這些噪聲都被很好地去除掉了。

4 結(jié)束語

隨著微電子技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展 ,數(shù)字平板探測器已成為近年來的一種新興的X射線成像器件。由于它具有很高的空間分辨率和動態(tài)范圍 ,而且又能提供快速的數(shù)字圖像獲取手段 ,所以,數(shù)字平板探測器在醫(yī)學(xué)影像診斷中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文將PaxScan2520D平板探測器用于CBCT成像系統(tǒng)中，采集幀率可以達(dá)到30幀/s，能夠達(dá)到實時成像的目的，并且可以在采集圖像的過程中對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，去除一些平板探測器的固有噪聲，從而輸出高質(zhì)量的圖像，符合CBCT的要求。

圖6 電壓表投影圖像

[1] 李金霞,楊旭,趙宏波.DR不同類型平板探測器性能的比較研究[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2011,8(8):25-27.

[2] 劉林棟,蔣紅兵.基于平板探測器校準(zhǔn)的DR質(zhì)量控制管理[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(10):111-113.

[3] 唐杰,張麗,高文煥.基于平板探測器的錐束CT系統(tǒng)綜述[J].中國體視學(xué)與圖像分析,2004,9(2):65-70.

[4] 郭棟,王明泉.基于Paxscan1313的實時成像系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2010(4):135-137.

[5] 郭彥斌.基于PaxScan2520平板探測器的X射線成像處理系統(tǒng)研究[D].北京:機(jī)械科學(xué)研究院,2005.

Development of the CBCT Imaging System Based on PaxScan2520D Flat-panel Detector

KONG Fan-liang1, LI Guang1,LUO Shou-hua1, CHEN Gong2
1.School of Biological Science & Medical Engineering, Southeast University,Nanjing 210096, China; 2. Medical Information Engineering Department,Jiangsu Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Nanjing Jiangsu 210096, China

This paper introduces the working principle and mode of PaxScan2520D fl at-panel detector.According to the project demands, we encapsulated the API provided by Varian, and implemented the real-time imaging system based on PaxScan2520D flat-panel detector by using the multithread programming technology. At last we analyze the source of noise and improve the image quality of the image detector.

fl at-panel detector; API encapsulation; multithread; imaging software

1674-1633(2012)05-0090-04

2012-02-24

蘇州市2009年科技計劃工業(yè)專項資助（ZXG0918）。

作者郵箱：cracracra@126.com

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.05.031