锥束CT系统中平板探测器图像的抗干扰校正方法

摘要

本发明公开了一种锥束CT系统中平板探测器图像的抗干扰校正方法，设置采集参数，对平板探测器进行部分屏蔽，采集暗场图像、空白曝光图像和实物投影图像；计算平均暗场图像、增益校正图像和坏像素模板图像；对实物投影图像进行暗场校正、暗场波动校正、增益校正、坏像素修正以及增益条纹校正；对实物投影图像进行滤波降噪处理，由实物投影图像重建出实物切片图像。将空白曝光图像重建出空白切片图像，计算切片校正图像；对实物切片图像进行切片校正；对实物切片图像进行滤波降噪处理。本发明的校正结果明显优于现有校正算法的结果。可以有效去除现有校正方法无法消除的线状和环状伪影，并使图像信噪比保持或略高于原有水平。

说明书

技术领域

本发明属于计算机图像处理领域，涉及对应用于CT系统的平板探测器输出图像的一整套校正解决方案。

背景技术

高分辨率锥束CT是当今国际上解决无损检测问题最有发展前途的一种高新技术，涉及放射学、图形图像学、数学、物理学、机械学和计算机等众多学科领域。与传统CT相比，锥束CT能够一次获取数百乃至上千个截面的投影，扫描速度很高，切片厚度小，空间分辨率各向同性，精度较高。采用平板探测器(Flat Panel Detector)作为投影图像的获取部件，是锥束CT与传统CT的主要区别之一。

平板探测器是一种以大规模非晶硅集成电路为基础的，新一代数字X射线面阵成像设备，具有体积小，探测效率高，空间分辨率高以及动态范围宽等优势。但是平板探测器由于自身结构和制造工艺的原因，不可避免地存在缺陷像元并受到各种噪声源的影响。因此，平板探测器初始输出图像中存在大量的噪声和伪影，不能直接应用于CT切片重建。对平板探测器输出图像中的伪影和噪声进行有效处理，是重建切片图像质量及其后续应用的重要保证。

目前，常用的平板探测器输出图像校正方案主要包括暗场校正、增益校正和坏像素校正三部分，这些方案已被平板探测器厂商广泛采用，固化到平板探测器硬件设备中，但实际应用中仍有很大的局限性：

一、现有技术认为采集过程中的暗场图像不变，而实际上当平板探测器工作温度变化，周边电路不稳定(特别是长期受到高剂量射线照射，而又没有加装足够的屏蔽保护，其周边电路工作稳定性迅速恶化)以及像元器件老化等情况下，平板探测器的暗场图像将不再稳定，其结果产生穿越整个重建切片的线状伪影。

二、现有技术认为采集过程中的像元增益不变，而实际上由于行列控制器件的老化，通常会引起局部行输出的剧烈变化，产生横向穿越投影图像的条纹，同时还会引起投影图像之间灰度水平的不一致。

三、现有技术认为坏像素分布不变，而实际上存在随平板探测器老化所增加的坏像素和不稳定出现的坏像素两方面的影响，其结果是在重建切片中产生严重的环形伪影。

四、由于现有技术投影校正的不完全，可能导致经过校正的投影图像重建出的切片中仍然存在一些伪影，特别是环状伪影。

五、平板探测器采集图像中包含大量随机噪声，会降低重建切片的细节表现力，放射状或鳞状伪影将湮灭切片的细微结构。现有技术对随机噪声通常依靠多幅平均加以消除。但为了提高采集速度，对平均幅数有限制，甚至不做平均，这时需要加入滤波模块进行消噪处理。

此外，目前科研人员对影响锥束CT重建切片图像质量的因素有了比较系统的了解，对平板探测器图像中各种伪影的成因、特征和校正方法均有相关文献论述。但现有成果大多侧重于仿真研究，或者针对某一种伪影的处理，而面向工程应用的系统化，特别是针对工作状态不稳定的平板探测器校正的完整解决方案尚未有提及，关于暗场波动和切片校正开展的研究也未见文献报道。

发明内容

为了克服现有技术不能完全有效的去处伪影的不足，本发明提供一种锥束CT系统中平板探测器图像的抗干扰校正方法，能够获得高质量的投影图像和重建切片图像。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在对平板探测器输出图像进行常规校正的基础上，可特别针对平板探测器处于不稳定工作状态时的输出图像进行有效地校正处理，其具体实施步骤如下：

(1)设置采集参数，对平板探测器进行部分屏蔽，在不放置被检测实物的情况下，采集一组暗场图像和一组空白曝光图像，放置被检测实物，采集实物投影图像；

(2)由暗场图像和空白曝光图像，按照常规校正方法计算校正过程所需的平均暗场图像、增益校正图像和坏像素模板图像；

(3)利用平均暗场图像，对实物投影图像进行暗场校正；

(4)由实物投影图像计算暗场波动数据，对实物投影图像进行暗场波动校正；

(5)利用增益校正图像，对实物投影图像进行增益校正；

(6)利用坏像素模板图像，对实物投影图像进行坏像素修正；

(7)由实物投影图像计算增益条纹校正参数，对实物投影图像进行增益条纹校正；

(8)对实物投影图像进行滤波降噪处理，滤波方法根据需要在非局部均值滤波(NoneLocal Mean)、自适应中值滤波和模糊理论滤波三种方式中选择；

(9)由实物投影图像重建出实物切片图像。将空白曝光图像按上述(3)～(8)步的方法处理，并重建出空白切片图像；

(10)由空白切片图像计算切片校正图像；

(11)利用切片校正图像，对实物切片图像进行切片校正；

(12)对实物切片图像进行滤波降噪处理。

在所述步骤一中，对平板探测器实施了部分屏蔽。在平板探测器射线接收区域一侧安装一块矩形屏蔽板，使之屏蔽探测器像元的若干列。为了保证屏蔽效果，以使用对射线阻隔效果好的材料为宜，比如铅板。屏蔽板厚度可以根据射线强度选择，使透射剂量越小越好。

在所述步骤四中，对平板探探测器暗场波动数据进行计算，并实施暗场波动校正。(1)式表示常规暗场校正，从实物投影图像I(r)中减去平均暗场图像B(r)。当暗场发生波动时，暗场波动校正如(2)式所示，在进行常规暗场校正的基础上，再减去暗场波动数据ΔB(r)。

S_B(r)＝I(r)-B(r)           (1)

S(r)＝S_B(r)-ΔB(r)        (2)

设P(r)是屏蔽部分的输出数据，则由P(r)计算各幅实物投影图像的暗场波动ΔB(r)的方法如(3)式所示。先将各幅实物投影图像的屏蔽列按对应像素平均得到P_avg(r)。由于暗场波动是随机的，在经过平均处理所得的数据列P_avg(r)中，可近似认为暗场波动被抵消。用各幅实物投影图像的P(r)分别与该平均数据比较，即得到相应的暗场波动：

ΔB(r)＝P(r)-P_avg(r)      (3)

由屏蔽处得到列数据，故暗场波动应按行校正，即每行按照同一修正系数进行修正。实验表明，这种方案可以反映实际暗场波动的特点，使暗场波动得到有效抑制。

在所述步骤七中，对每幅实物投影图像按行进行增益条纹校正。首先选择各幅实物投影图像中均未被实物遮挡的若干列，将每幅实物投影图像对应的空白列数据的各行平均，得到一列平均数据。再计算所有实物投影图像空白列的均值。最后将前述每幅实物投影图像的平均列数据规范化到其均值，从而得到每幅实物投影图像的一列增益条纹校正参数G_L(r)，并按(4)式进行增益校正，按(5)式进行增益条纹校正，其中G(r)是增益校正图像，·^×表示逐点相乘，_||×表示按行相乘。

T_G(r)＝S(r).×G(r)        (4)

T(r)＝T_G(r)_||×G_L(r)      (5)

在所述步骤九至十一中，，为了消除实物切片图像中的残余伪影，先将空白曝光图像进行与实物投影图像相同的投影校正后，重建成空白切片图像。对每一幅空白切片图像，计算其平均值，并将空白切片图像规范化到该均值，得到切片校正图像R_G(r)。则对实物切片图像R(r)的校正可以定义为：

Slice(r)＝R(r).×R_G(r)    (6)

本发明的有益效果是：克服了现有平板探测器校正算法的缺陷，对于探测器工作状态不稳定，工作环境恶化等不利情况，能够获得比现有校正方法更为优质的投影图像和切片图像。实验验证表明，在平板探测器工作状态良好的情况下，本发明的校正结果不差于现有校正算法的结果。当平板探测器老化或工作条件恶化，采集的投影图像质量不稳定或噪声较大时，本发明的校正结果明显优于现有校正算法的结果。可以有效去除现有校正方法无法消除的线状和环状伪影，并使图像信噪比保持或略高于原有水平。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明校正流程图。

图2是实施例所述圆柱铝件第180幅投影图像的第400行数据曲线。作为对比，图中记录了三组统计曲线，从上至下依次代表没做校正、采用现有方法校正和采用本发明方法校正的统计结果。以下图3和图4与此相同。

图3是实施例所述圆柱铝件第180幅投影图像的第840列数据曲线。

图4是实施例所述圆柱铝件投影图像中随机选取的未被物体遮挡的一个像素在投影图像序列的输出变化曲线。

具体实施方式

如图1所示，本实例选取圆柱铝件进行校正效果的验证，其操作流程如下：

1.参数调整和数据采集工作，可以细分为如下三个主要步骤：

(1)根据被测物体调整采集参数(如射线源电压、电流、平板探测器曝光时间等)，使平板探测器输出保持在线性度较好的区域内。安装矩形屏蔽板(矩形长边方向为列方向)，使之遮蔽100列像素输出。

(2)在该采集参数下，采集一定数量的暗场图像和空白曝光图像。暗场图像数量视暗场稳定性而定，稳定性越差，采集数量越大，本实例采集360幅暗场图像。空白曝光图像的数量应与实物投影图像数量一致。

(3)放置待测物体，以相同的采集参数，采集一组实物投影图像。实物投影图像数量视重建精度要求而定，精度要求越高，采集数量越大，本实例中采集360幅实物投影图像。

2.计算投影校正所需的平均暗场图像、增益校正图像和坏像素模板图像，可以按下面三个步骤实施：

(1)将暗场图像按对应像素逐点平均，得到平均暗场图像；

(2)将空白曝光图像逐点平均，减去平均暗场图像，并作规范化处理(通常规范化到均值)，得到增益校正图像

(3)由暗场图像和空白曝光图像分析平板探测器坏像素的分布，得到坏像素图像，统计每一像素周边坏像素的分布状况，得到坏像素模板图像；

3.利用平均暗场图像，对各幅实物投影图像依次进行暗场校正，逐点减去其对应像素的平均暗场值。

4.由实物投影图像，计算暗场波动数据，对各幅实物投影图像依次进行暗场波动校正。

5.利用增益校正图像，对各幅实物投影图像依次进行增益校正，将增益校正图像和实物投影图像的对应像素逐点相乘。

6.利用坏像素模板图像，对各幅实物投影图像逐点修正坏像素。以坏像素周围的正常像素均值替换该坏像素值，如果周围没有正常像素，择取距离最近的正常像素替换。

7.由实物投影图像，计算增益条纹校正参数。对各幅实物投影图像，按行进行增益条纹校正。

8.对各幅经过投影校正的实物投影图像进行滤波降噪处理。

9.由投影图像重建切片图像，是实物切片图像校正前的重要准备工作，可以细分为下面两步进行：

(1)由经过投影校正的实物投影图像重建出实物切片图像。

(2)将空白曝光图像视作没有放置被测物体的投影图像，按上述第3至8步对空白曝光图像进行投影校正，并重建出空白切片图像。

10.将空白切片图像规范化到均值，即得到切片校正图像。每一幅切片校正图像与相同层号的实物切片图像对应，只需计算感兴趣层所对应的切片校正图像即可。

11.利用切片校正图像，对相应层号的实物切片图像进行切片校正，将切片校正图像与实物切片图像按对应像素逐点相乘。

12.对经过切片校正的实物切片图像进行滤波降噪处理。

本发明的具体实施方式是基于Varian公司的PaxScan2520平板探测器的特征进行描述的，但本发明的基本算法不限于该型号平板探测器。在具体实施中，根据平板探测器的特性，对本发明的上述基本校正算法的相关参数作适当修正即可。本发明的技术背景是锥束CT的投影图像和切片图像处理，但同样也可以应用于DR成像，此时则只涉及本发明的投影校正部分。

图2至图4是对圆柱铝件进行校正处理后的部分统计分析曲线。图2是圆柱铝件第180幅投影图像的第400行数据提取结果，体现了没有物体遮挡的区域的校正效果，原来输出不一致的现象得到很好地改善。图3是第840列数据提取结果，表明经过校正后的数据更符合圆柱铝件的厚度特征。图4是对圆柱铝件360幅投影图像中一个像素输出值的追踪结果。在不经校正的情况下，该像素输出很不稳定，经过现有校正方法处理只能消除部分数据突跳，并且会引起新的数据突跳。而经过本发明提出的校正方法处理后输出值趋于稳定，表明本发明提出的暗场波动校正和增益条纹校正的必要和有效。该实例说明本发明提出的方法可以比现有校正方法获得更好的校正效果，在实用中是有效和可行的。