直接数字化X线摄影系统图像处理方法研究

摘要

随着人们日常生活水平的提高，越来越多的人开始注重医疗保健，国家也投入了大量的人力物力来推进医疗水平的提高。医学影像诊断是一种常规的医疗检查方式，在疾病诊治及企事业单位和个人的体检中得到广泛应用，其中，又尤以X射线成像的检查居多。在材料科学和计算机技术发展的带动下，X射线成像已经从原来的胶片成像走进了直接数字化X射线成像(Direct Digital Radiography，DR)时代。在更快更好成像的同时，数字化X射线成像也带来了一些问题：曝光系统的自动化控制，X射线到电子信号的转化，成像系统的校正，以及X射线数字图像的处理。对DR系统成像方法进行研究，不仅能改善数字化X射线图像质量，提高医院影像科的疾病诊治水平，还可为其它医学成像模式的研究提供借鉴，更可为进一步的计算机辅助诊断打下基础。由此可见，DR系统成像方法研究具有重要的理论意义和应用价值。 本论文从DR系统的图像形成过程出发，研究了相关环节中的关键问题，即高压发生器控制、图像采集和校正、图像后处理，目标是实现DR系统的优化控制，并获取更好的X射线数字图像。高压发生器是X射线球管的电力供给装置，在成像过程中需要和计算机系统有良好的配合，以控制曝光流程并配合曝光参数交换；X射线透射过人体后到达接收装置，根据成像原理和材料特性，图像采集和图像校正主要解决从X射线到计算机数字存储中的能量转换问题：图像后处理是在X射线数字图像的基础上，运用多种图像处理算法，进一步提高图像质量，以满足实际应用的需求。本文对DR系统成像进行了深入的研究，取得了以下成果： (1)通过对原有DR系统控制台接口龟路的改造，用PC机串口和相应的软件实现了计算机与高压发生器之间的通信，操作者只需坐在PC机前就可以方便地控制高压发生器，不需要在多个控制台之间进行较为繁复的操作，既加快了摄片的流程，还节省了DR系统的硬件成本，并且为实现DR系统的参数自动化控制打开了新思路。 (2)在研究了DR系统图像采集中的信号控制问题后，设计了平板探测器状态控制和数据处理流程；提出了原始图像的隔行扫描及其区域交换算法，解决了如何将原始图像调整为正常的X射线图像的问题，并在此基础上设计了DR图像的采集、显示和存储程序。分别对水模和人体部位进行了X射线成像测试，实验结果表明了该方法的准确性和可靠性，解决了DR图像采集过程中的信号控制和图像处理的问题。获取的X射线数字图像真实有效，并已经被应用于医院的DR系统。 (3)结合DR系统成像原理及图像采集过程，从X射线到计算机数字图像过程中的能量转换角度，详细研究了由X射线光场不均匀性和平板探测器的像元响应不一致性带来的图像噪声，并针对各种影响因素，采取了相应的校正方法。最后，针对现场系统的X射线场不可测性，提出了一种新的整体校正理论，设计并实现了一种行之有效的现场操作算法。 (4)研究了多幅DR图像的拼接问题，提出了基于特征点的图像配准算法，并使用加权平均法对图像进行了融合，解决了DR图像拼接中亮度相差较大、相似特征点较多和位移较大以及处理时间较长等问题，并在此基础上设计了DR图像的拼接算法程序。分别对物体和动物鱼以及人体进行了X射线摄影，做了图像拼接实验，取得了较好的拼接效果。 (5)研究了X射线图像中的曝光区域特性，提出了X射线图像曝光区域自动检测出算法，并进一步对图像进行自动裁剪，减少了图像的存储空间，方便于医生的操作和诊断。在此基础上，提出了一种可伸缩性图像增强算法，使得图像整体和细节都有较好的改善，进一步提高图像质量；最后，采用优化的窗宽窗位算法来显示图像。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 X线摄影技术的发展

1.2 DR图像处理方法研究的意义

1.3国内外研究概况

1.4 DR图像处理中的关键问题

1.5本文的主要工作

1.6本文的结构安排

第2章数字化X线摄影原理

2.1传统摄影方式

2.2数字化摄影方式

2.2.1 CR成像系统

2.2.2 DR成像系统

2.3平板探测器的工作原理

2.4本章小结

第3章高压发生器控制

3.1高压发生器

3.1.1照射计时

3.1.2质量保证措施

3.2 DR系统曝光控制

3.3系统结构和控制

3.3.1直接数字化X线系统

3.3.2高压发生器控制

3.4硬件接口设计

3.5软件设计

3.6实验结果

3.7本章小结

第4章图像采集

4.1 DR成像简介

4.2DR成像系统信号控制

4.2.1 DR系统组成

4.2.2Matrox图像采集卡

4.2.3信号控制

4.3图像采集算法

4.3.1软件系统设计

4.3.2图像规整算法

4.4实验结果

4.5本章小结

第5章图像校正

5.1 DR系统成像过程分析

5.1.1 X射线能量转换

5.1.2影响DR图像质量的主要因素

5.1.3 X射线场分布的不均匀性

5.1.4平板探测器响应的不一致性

5.2 DR系统图像校正

5.2.1静态误差校正

5.2.2动态误差校正

5.2.3现场校正算法

5.3实验结果

5.4本章小结

第6章图像拼接

6.1医学图像拼接

6.1.1图像配准

6.1.2图像融合

6.2 DR图像摄影建模

6.3基于特征点的图像配准

6.3.1特征点的提取

6.3.2两幅图中的特征点配对

6.3.3消除误匹配对

6.3.4求解模型变换参数

6.3.5变换模型的初始化

6.3.6特征匹配

6.4 DR图像融合

6.4.1逆向warping操作

6.4.2重叠区域的无缝处理

6.5实验结果

6.6本章小结

第7章图像增强

7.1曝光区域的自动识别

7.1.1图像的二值化

7.1.2前景区域的提取

7.2非线性变换图像增强

7.2.1图像目标提取

7.2.2非线性变换曲线

7.3自适应钝化蒙片法增强

7.3.1边缘增强滤波器

7.3.2增强后的期望图像

7.3.3自适应算法

7.4可伸缩性图像自动增强

7.4.1算法原理

7.4.2算法流程

7.5实验结果

7.6本章小结

第8章结论

8.1本文总结

8.2研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的研究成果