一種用于x射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法，方法首先將源光柵、分束光柵和分析光柵從光路中移除，在X射線管關(guān)閉的狀態(tài)下，采集探測器輸出的圖像，作為暗電流校正圖像Ioffset，然后將源光柵放置于X射線管和探測器之間，打開X射線管，采集探測器輸出的圖像，作為采集增益校正圖像Igain，接著將源光柵、分束光柵和分析光柵放回光路中，并將樣品放置于源光柵和分束光柵或者分束光柵和分析光柵之間的光路上，采集探測器輸出的圖像，作為數(shù)據(jù)圖像Iacquire，最后根據(jù)暗電流校正圖像Ioffset和增益校正圖像Igain對需校正數(shù)據(jù)圖像Iacquire進(jìn)行暗電流校正和增益校正，得到校正后的數(shù)據(jù)圖像I。
【專利說明】
-種用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于福射成像領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器 圖像校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自從1895年倫琴教授發(fā)現(xiàn)X射線W來，X射線成像技術(shù)作為一個最重要的檢測手 段，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、工業(yè)檢測W及國±安全等眾多領(lǐng)域得到了令人矚目的應(yīng) 用。傳統(tǒng)的X射線成像方法是基于X射線對不同物質(zhì)的吸收差異而實現(xiàn)的，對于如金屬、骨骼 等由重元素或高密度材料組成的物質(zhì)，傳統(tǒng)的X射線吸收襯度成像技術(shù)具有很好的效果。但 是對于由碳、氨、氧等輕元素或低密度材料組成的物質(zhì)，比如醫(yī)學(xué)成像中的乳腺、血管、脂肪 W及軟骨等人體軟組織，傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)得到的圖像襯度極低，分辨能力有限。在用 于X射線成像的能力范圍內(nèi)（IO-IOOkeV)，對于碳、氨、氧等輕元素，X射線的相移系數(shù)是各自 吸收系數(shù)的1000倍W上。因此，利用X射線穿透那些由輕元素組成的物體產(chǎn)生的相位變化 (即相移)來進(jìn)行的X射線相位成像技術(shù)能夠得到遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)吸收方法的圖像襯度和測量靈 敏度。
[0003] X射線相位襯度成像方法，因其對于人體軟組織等低原子序數(shù)物質(zhì)相對于傳統(tǒng)成 像方法有明顯優(yōu)勢，自提出W來引起了各方面的廣泛關(guān)注。從上世紀(jì)90年代開始，X射線相 襯成像技術(shù)主要發(fā)展了晶體干設(shè)儀方法、衍射增強方法、同軸方法W及光柵干設(shè)儀方法。由 于X射線相移探測要求X射線光源有比較高的相干性，所W剛開始X射線相襯成像技術(shù)都是 在同步福射上或者微焦點光源上完成的。在2006年，Pfeiffer等人從可見光的相位測量方 法中得到啟發(fā)，在原有的基于兩塊光柵的化化Ot干設(shè)儀基礎(chǔ)上增加了一塊源光柵提出了可 W利用普通光源的化化Ot-Lau干設(shè)儀。由于該方法擺脫了龐大而昂貴的同步福射光源W及 低功率的微焦點光源，真正使得X射線相襯成像應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、無損檢測領(lǐng)域等成為了可 能。Ta化Ot-Lau干設(shè)儀是利用相干光照明產(chǎn)生的化化Ot自成像和Lau效應(yīng)，而同樣的在可見 光領(lǐng)域有一套利用非相干光照明下光柵投影產(chǎn)生的莫爾條紋進(jìn)行相位測量的方法。清華大 學(xué)工程物理系的王振天等人基于上述的幾何投影方法，也提出了一套基于非相干光照明的 S塊光柵組成的相襯成像裝置。與化Ibot-Lau干設(shè)儀相比，該裝置進(jìn)一步降低了對光源相 干性W及光柵的要求，成為了另外一種應(yīng)用潛力巨大的相襯成像方法。光柵相襯成像方法， 其最大特點就是可W同時獲取物體的吸收，折射W及暗場圖像，=種信息可W反應(yīng)物質(zhì)的 不同信息，相互補充。
[0004] 使用常規(guī)光源的光柵相襯成像裝置和普通的X射線吸收襯度成像裝置相比，除了 增加了 =塊X射線透射光柵W外，其也是由普通的X光源、平板探測器W及樣品臺等組成。對 于平板探測器，由于X射線源的不同、接收器內(nèi)電子線路的不一致性及其正常變化，都會引 起不同像素在同樣X射線劑量福射的情況下具有不同的輸出信號。運方面的原因主要包括 隨機噪聲、偏置誤差、像素響應(yīng)不一致W及瑕疵像素。因此，為了得到正確和準(zhǔn)確的圖像，光 柵相襯成像得到的數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行探測器圖像校正。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] (一)要解決的技術(shù)問題
[0006] 本發(fā)明提供一種用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法，能有效地 進(jìn)行隨機噪聲校正、暗電流校正、增益校正和瑕疵像素校正。
[0007] (二)技術(shù)方案
[0008] 本發(fā)明提供一種用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法，X射線光柵 相襯成像裝置包括X射線管、源光柵、分束光柵、分析光柵和探測器，X射線管產(chǎn)生X射線依次 經(jīng)過源光柵、分束光柵和分析光柵后，在探測器上形成探測器圖像，探測器圖像校正方法包 括：
[0009] SI,采集暗電流校正圖像lDffset:將源光柵、分束光柵和分析光柵從光路中移除，在 X射線管關(guān)閉的狀態(tài)下，采集探測器輸出的圖像，作為暗電流校正圖像lDffset;
[0010] S2,采集增益校正圖像Igain:將源光柵放置于X射線管和探測器之間，打開X射線 管，采集探測器輸出的圖像，作為采集增益校正圖像Igain ;
[0011] S3,采集數(shù)據(jù)圖像Iawuire:將源光柵、分束光柵和分析光柵放回光路中，并將樣品 放置于源光柵和分束光柵之間或者分束光柵和分析光柵之間的光路上，采集探測器輸出的 圖像，作為數(shù)據(jù)圖像Iasquire;
[001^ S4,校正數(shù)據(jù)圖像Iacquire:根據(jù)暗電流校正圖像Ioffset和增益校正圖像Igain對校正 數(shù)據(jù)圖像Iacquire進(jìn)行暗電流校正和增益校正，得到校正后的數(shù)據(jù)圖像I。
[0013] 進(jìn)一步，在步驟S4中，采用如下公式進(jìn)行暗電流校正和增益校正：
[0014]
[0015] 其中I是校正完畢后的圖像，mean表示對圖像內(nèi)所有像素值求平均值。
[0016] 進(jìn)一步，方法還包括:S5，校正瑕疵像素:根據(jù)亮場圖像Ilf設(shè)定一個灰度區(qū)間，若一 像素的像素值與一闊值的差值在所述灰度區(qū)間外，則判定該像素為瑕疵像素，并將該瑕疵 像素的像素值取其鄰域中正常像素的灰度平均值，其中，亮場圖像Ilf = Igain-IDf f set。
[0017] 進(jìn)一步，采集暗電流校正圖像lDffset時，設(shè)定探測器的曝光時間，連續(xù)采集多張?zhí)?測器輸出的圖像，并對該多張圖像進(jìn)行平均處理后作為暗電流校正圖像lDffset。
[0018] 進(jìn)一步，采集增益校正圖像Igain時，設(shè)定探測器的曝光時間、X射線管的電壓、電流 及焦點，使得探測器輸出像素值在探測器最大動態(tài)范圍的70%，連續(xù)采集多張?zhí)綔y器輸出 的圖像，并對該多張圖像進(jìn)行平均處理后作為增益校正圖像Igain。
[0019] 進(jìn)一步，采集數(shù)據(jù)圖像Iacquire時，設(shè)定探測器的曝光時間、X射線管的電壓、電流及 焦點，連續(xù)采集多張?zhí)綔y器輸出的圖像，并對該多張圖像進(jìn)行平均處理后作為數(shù)據(jù)圖像 !acquire O
[0020] (S巧益效果
[0021] 本發(fā)明提供的用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法，由于將源光 柵放入光源和探測器直接參與了增益校正圖像Igain的采集，取得了簡化實驗操作、消除源 光柵對成像光場的影響、提高探測器動態(tài)的利用范圍的效果。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明實施例提供的X射線光柵相襯成像裝置的示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明實施例提供的用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法 的流程圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明實施例提供的探測器圖像校正方法中增益校正圖像采集的示意圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明實施例提供的亮場圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明實施例提供的實驗樣品實物圖；
[0027] 圖6為本發(fā)明實施例提供的本發(fā)明得到的樣品吸收、折射和暗場圖像。
【具體實施方式】
[0028] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029] 圖1為本發(fā)明實施例提供的X射線光柵相襯成像裝置的示意圖，如圖1所示，裝置包 括X射線管，源光柵G0,光闊，分束光柵Gl，分析光柵G2,探測器、光學(xué)精密位移臺、光學(xué)平臺 W及控制計算機等零部件。=塊光柵均通過光學(xué)精密位移臺固定于光學(xué)平臺之上，其中分 析光柵與光學(xué)精密位移臺之間安裝有壓電陶瓷精密位移電機，用W完成分析光柵的步進(jìn)運 動。X射線源參數(shù)設(shè)置為：焦點S = 1.0mm，電壓60KV，電流22.5mA，曝光時間23。^塊光柵參 數(shù):源光柵周期P〇=120um，占空比1:2;分束光柵周期pl = 60um，占空比1:2;分析光柵周期 p2 = 120um，占空比1:1。探測器像素大小200皿，總共1024X1024像素，動態(tài)范圍16bit。源光 柵距罔光源被窗z0 = 0.5cm,與分束光柵距罔zl = 55cm,分束光柵和分析光柵距罔z2 = 55cm，樣品在分束光柵后面10cm，分析光柵緊貼探測器(實際距離閃爍體IOcm左右，前面有 保護(hù)平板探測器的玻璃板）。
[0030] 圖2為本發(fā)明實施例提供的用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法 的流程圖，如圖2所示，方法包括：
[0031] S100,采集暗電流校正圖像Ioffset,打開探測器預(yù)熱10分鐘之后在X光源關(guān)閉時，打 開數(shù)據(jù)采集程序設(shè)置單張圖像曝光時間為2s，連續(xù)采集50張圖像進(jìn)行平均后保存為一張圖 像作為暗電流校正圖像。
[0032] S200,采集增益校正圖像Igain:如圖3所示，將源光柵GO放置在X光源被窗后0.5cm 處，打開X光源設(shè)置電壓60kV、電流22.5mA、焦點1.0mm，通過對輸出圖像的觀察不斷調(diào)整電 流在12mA，使得探測器輸出不出現(xiàn)65556的過曝區(qū)域，此時探測器的平均輸出為14000左右， 然后調(diào)整電流至11.2mA使得探測器平均輸出在12000左右，然后調(diào)整光闊使得探測器上的 有效視場為12 X 12cm左右W能夠包含最后的分析光柵，穩(wěn)定10分鐘之后連續(xù)采集50張圖像 進(jìn)行平均后保存作為增益校正圖像。
[0033] S300,采集數(shù)據(jù)圖像Iasquire:關(guān)閉X射線管，將光學(xué)元件移回光路，校準(zhǔn)光路之后， 即可W進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像Iacquire采集，將樣品豎直固定于樣品臺上，關(guān)閉實驗鉛房防護(hù)口，打開 X射線管，管電壓設(shè)置為60KV，初始化并設(shè)置探測器參數(shù)后，移動樣品臺至視野中央，控制分 析光柵進(jìn)行相位步進(jìn)，垂直于分析光柵柵線方向分10步均勻移動分析光柵一個周期，由之 前的參數(shù)描述可知，即每步步進(jìn)12um，對于每一步，均采集20張圖做平均后保存，記為巧擊二 I，2,. . .，10。樣品圖像采集完成后，控制樣品臺電機，將樣品移出視野，并將分析光柵移回 原位置，按照同樣的操作流程，獲取背景圖像，記為1]；擊=1，2，...，10。
[0034] S400,校正數(shù)據(jù)圖像Iacquire:根據(jù)暗電流校正圖像Ioffset和增益校正圖像Igain對校 正數(shù)據(jù)圖像Iacquire進(jìn)行暗電流校正和增益校正，得到校正后的數(shù)據(jù)圖像I:
[0035]
[0036] 其中I是校正完畢后的圖像，mean表示對圖像內(nèi)所有像素值求平均值。
[0037] S500,校正瑕疵像素:根據(jù)亮場圖像設(shè)定一個灰度區(qū)間，若一像素的像素值與一闊 值的差值在所述灰度區(qū)間外，則判定該像素為瑕疵像素，并將該瑕疵像素的像素值取其領(lǐng) 域中正常像素的灰度平均值，其中，增益校正圖像Igain減去暗電流校正圖像Inffset得到的就 是亮場圖像Ilf,如圖4所示，亮場圖像Ilf是個均勻的光場，根據(jù)亮場圖像可W確定瑕疵像素 的位置。
[0038] S600,計算樣品吸收圖像、折射圖像和暗場圖像：按照如下公式獲取樣品吸收圖 像：
[0039]
[0040] 按如下公式獲取折射圖像：
[OOW 個像：
[0042]
[0043] 其中，m，n表示探測器像素的斤列位葺，In表示求W自然帯數(shù)e為底的對數(shù)，arg表 示求復(fù)數(shù)的幅角，abs表示求復(fù)數(shù)的膜。
[0044] 本發(fā)明實施例采用的樣品如圖5所示，由=個有機玻璃的圓柱體組成，從左到右分 別是直徑2cm的PMMA圓柱棒、直徑Icm的POM圓柱棒和直徑5mm的PMMA圓柱棒。圖6A和圖6B是 本發(fā)明實施例得到的樣品吸收、折射和暗場圖像，其中圖6A是校正前的探測器圖像，圖6B是 校正后的探測器圖像，對比圖6A和圖6B可W看出，在同樣灰度范圍內(nèi)，經(jīng)過校正的吸收、折 射和暗場圖像比未校正的結(jié)果顯示出更多細(xì)節(jié)，正確的反映樣品的特征和信息。特別是暗 場圖像，未校正圖像完全看不出樣品的特征，不能得到樣品正確的信息。
[0045] W上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，W上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法，所述X射線光柵相襯成像 裝置包括X射線管、源光柵、分束光柵、分析光柵和探測器，X射線管產(chǎn)生X射線依次經(jīng)過源光 柵、分束光柵、和分析光柵后，在探測器上形成探測器圖像，其特征在于，探測器圖像校正方 法包括： Sl，采集暗電流校正圖像Iclffse3t:將源光柵、分束光柵和分析光柵從光路中移除，在X射 線管關(guān)閉的狀態(tài)下，采集探測器輸出的圖像，作為暗電流校正圖像Iclffset; S2，采集增益校正圖像Igain:將源光柵放置于X射線管和探測器之間，打開X射線管，采集 探測器輸出的圖像，作為采集增益校正圖像Igain; 53, 采集數(shù)據(jù)圖像Iacquire3:將源光柵、分束光柵和分析光柵放回光路中，并將樣品放置于 源光柵和分束光柵之間或者分束光柵和分析光柵之間的光路上，采集探測器輸出的圖像， 作為數(shù)據(jù)圖像; 54, 校正數(shù)據(jù)圖像Iacquire:根據(jù)暗電流校正圖像Iciffset和增益校正圖像Igain對校正數(shù)據(jù) 圖像I acquire進(jìn)行暗電流校正和增益校正，得到校正后的數(shù)據(jù)圖像I。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法，其特征 在于，在所述步驟S4中，采用如下公式進(jìn)行暗電流校正和增益校正：其中I是校正元半/5的囹1冢，mean衣不對囹1冢円所有1冢系但豕f功但。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法，其特征 在于，還包括： 55, 校正瑕疵像素:根據(jù)亮場圖像Iw設(shè)定一個灰度區(qū)間，若一像素的像素值與一閾值的 差值在所述灰度區(qū)間外，則判定該像素為瑕疵像素，并將該瑕疵像素的像素值取其鄰域中 正常像素的灰度平均值，其中，亮場圖像lLF=I gain-Irffset。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法，其特征 在于，采集暗電流校正圖像Ioffset時，設(shè)定探測器的曝光時間，連續(xù)采集多張?zhí)綔y器輸出的 圖像，并對該多張圖像進(jìn)行平均處理后作為暗電流校正圖像Ioffset。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法，其特征 在于，采集增益校正圖像Igain時，設(shè)定探測器的曝光時間、X射線管的電壓、電流及焦點，使 得探測器輸出像素值在探測器最大動態(tài)范圍的70%，連續(xù)采集多張?zhí)綔y器輸出的圖像，并 對該多張圖像進(jìn)行平均處理后作為增益校正圖像I g_。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于X射線光柵相襯成像裝置的探測器圖像校正方法，其特征 在于，采集數(shù)據(jù)圖像Iacquire時，設(shè)定探測器的曝光時間、X射線管的電壓、電流及焦點，連續(xù) 采集多張?zhí)綔y器輸出的圖像，并對該多張圖像進(jìn)行平均處理后作為數(shù)據(jù)圖像I a_ire。
【文檔編號】G06T1/00GK106023107SQ201610331299
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】劉剛, 胡仁芳, 昝貴彬, 韓華杰, 高昆, 陸亞林
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)