一种用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法

摘要

本发明提供了用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，方法首先将源光栅、分束光栅和分析光栅从光路中移除，在X射线管关闭的状态下，采集探测器输出的图像，作为暗电流校正图像Ioffset，然后将源光栅放置于X射线管和探测器之间，打开X射线管，采集探测器输出的图像，作为采集增益校正图像Igain，接着将源光栅、分束光栅和分析光栅放回光路中，并将样品放置于源光栅和分束光栅或者分束光栅和分析光栅之间的光路上，采集探测器输出的图像，作为数据图像Iacquire，最后根据暗电流校正图像Ioffset和增益校正图像Igain对需校正数据图像Iacquire进行暗电流校正和增益校正，得到校正后的数据图像I。

说明书

技术领域

本发明属于辐射成像领域，尤其涉及一种用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法。

背景技术

自从1895年伦琴教授发现X射线以来，X射线成像技术作为一个最重要的检测手段，已经在生物医学、材料科学、工业检测以及国土安全等众多领域得到了令人瞩目的应用。传统的X射线成像方法是基于X射线对不同物质的吸收差异而实现的，对于如金属、骨骼等由重元素或高密度材料组成的物质，传统的X射线吸收衬度成像技术具有很好的效果。但是对于由碳、氢、氧等轻元素或低密度材料组成的物质，比如医学成像中的乳腺、血管、脂肪以及软骨等人体软组织，传统的X射线成像技术得到的图像衬度极低，分辨能力有限。在用于X射线成像的能力范围内(10-100keV)，对于碳、氢、氧等轻元素，X射线的相移系数是各自吸收系数的1000倍以上。因此，利用X射线穿透那些由轻元素组成的物体产生的相位变化(即相移)来进行的X射线相位成像技术能够得到远高于传统吸收方法的图像衬度和测量灵敏度。

X射线相位衬度成像方法，因其对于人体软组织等低原子序数物质相对于传统成像方法有明显优势，自提出以来引起了各方面的广泛关注。从上世纪90年代开始，X射线相衬成像技术主要发展了晶体干涉仪方法、衍射增强方法、同轴方法以及光栅干涉仪方法。由于X射线相移探测要求X射线光源有比较高的相干性，所以刚开始X射线相衬成像技术都是在同步辐射上或者微焦点光源上完成的。在2006年，Pfeiffer等人从可见光的相位测量方法中得到启发，在原有的基于两块光栅的Talbot干涉仪基础上增加了一块源光栅提出了可以利用普通光源的Talbot-Lau干涉仪。由于该方法摆脱了庞大而昂贵的同步辐射光源以及低功率的微焦点光源，真正使得X射线相衬成像应用于医学成像、无损检测领域等成为了可能。Talbot-Lau干涉仪是利用相干光照明产生的Talbot自成像和Lau效应，而同样的在可见光领域有一套利用非相干光照明下光栅投影产生的莫尔条纹进行相位测量的方法。清华大学工程物理系的王振天等人基于上述的几何投影方法，也提出了一套基于非相干光照明的三块光栅组成的相衬成像装置。与Talbot-Lau干涉仪相比，该装置进一步降低了对光源相干性以及光栅的要求，成为了另外一种应用潜力巨大的相衬成像方法。光栅相衬成像方法，其最大特点就是可以同时获取物体的吸收，折射以及暗场图像，三种信息可以反应物质的不同信息，相互补充。

使用常规光源的光栅相衬成像装置和普通的X射线吸收衬度成像装置相比，除了增加了三块X射线透射光栅以外，其也是由普通的X光源、平板探测器以及样品台等组成。对于平板探测器，由于X射线源的不同、接收器内电子线路的不一致性及其正常变化，都会引起不同像素在同样X射线剂量辐射的情况下具有不同的输出信号。这方面的原因主要包括随机噪声、偏置误差、像素响应不一致以及瑕疵像素。因此，为了得到正确和准确的图像，光栅相衬成像得到的数据也需要进行探测器图像校正。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，能有效地进行随机噪声校正、暗电流校正、增益校正和瑕疵像素校正。

(二)技术方案

本发明提供一种用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，X射线光栅相衬成像装置包括X射线管、源光栅、分束光栅、分析光栅和探测器，X射线管产生X射线依次经过源光栅、分束光栅和分析光栅后，在探测器上形成探测器图像，探测器图像校正方法包括：

S1，采集暗电流校正图像I_offset：将源光栅、分束光栅和分析光栅从光路中移除，在X射线管关闭的状态下，采集探测器输出的图像，作为暗电流校正图像I_offset；

S2，采集增益校正图像I_gain：将源光栅放置于X射线管和探测器之间，打开X射线管，采集探测器输出的图像，作为采集增益校正图像I_gain；

S3，采集数据图像I_acquire：将源光栅、分束光栅和分析光栅放回光路中，并将样品放置于源光栅和分束光栅之间或者分束光栅和分析光栅之间的光路上，采集探测器输出的图像，作为数据图像I_acquire；

S4，校正数据图像I_acquire：根据暗电流校正图像I_offset和增益校正图像I_gain对校正数据图像I_acquire进行暗电流校正和增益校正，得到校正后的数据图像I。

进一步，在步骤S4中，采用如下公式进行暗电流校正和增益校正：

$>I=(I_{acquire}-I_{offset})\times \frac{mean(I_{gain}-I_{offset})}{I_{gain}-I_{offset}}$>

其中I是校正完毕后的图像，mean表示对图像内所有像素值求平均值。

进一步，方法还包括：S5，校正瑕疵像素：根据亮场图像I_LF设定一个灰度区间，若一像素的像素值与一阈值的差值在所述灰度区间外，则判定该像素为瑕疵像素，并将该瑕疵像素的像素值取其邻域中正常像素的灰度平均值，其中，亮场图像I_LF＝I_gain-I_offset。

进一步，采集暗电流校正图像I_offset时，设定探测器的曝光时间，连续采集多张探测器输出的图像，并对该多张图像进行平均处理后作为暗电流校正图像I_offset。

进一步，采集增益校正图像I_gain时，设定探测器的曝光时间、X射线管的电压、电流及焦点，使得探测器输出像素值在探测器最大动态范围的70％，连续采集多张探测器输出的图像，并对该多张图像进行平均处理后作为增益校正图像I_gain。

进一步，采集数据图像I_acquire时，设定探测器的曝光时间、X射线管的电压、电流及焦点，连续采集多张探测器输出的图像，并对该多张图像进行平均处理后作为数据图像I_acquire。

(三)有益效果

本发明提供的用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法，由于将源光栅放入光源和探测器直接参与了增益校正图像I_gain的采集，取得了简化实验操作、消除源光栅对成像光场的影响、提高探测器动态的利用范围的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的X射线光栅相衬成像装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的探测器图像校正方法中增益校正图像采集的示意图；

图4为本发明实施例提供的亮场图；

图5为本发明实施例提供的实验样品实物图；

图6为本发明实施例提供的本发明得到的样品吸收、折射和暗场图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例提供的X射线光栅相衬成像装置的示意图，如图1所示，装置包括X射线管，源光栅G0，光阑，分束光栅G1，分析光栅G2，探测器、光学精密位移台、光学平台以及控制计算机等零部件。三块光栅均通过光学精密位移台固定于光学平台之上，其中分析光栅与光学精密位移台之间安装有压电陶瓷精密位移电机，用以完成分析光栅的步进运动。X射线源参数设置为：焦点s＝1.0mm，电压60KV，电流22.5mA，曝光时间2s。三块光栅参数：源光栅周期p0＝120um，占空比1∶2；分束光栅周期p1＝60um，占空比1∶2；分析光栅周期p2＝120um，占空比1∶1。探测器像素大小200um，总共1024×1024像素，动态范围16bit。源光栅距离光源铍窗z0＝0.5cm，与分束光栅距离z1＝55cm，分束光栅和分析光栅距离z2＝55cm，样品在分束光栅后面10cm，分析光栅紧贴探测器(实际距离闪烁体10cm左右，前面有保护平板探测器的玻璃板)。

图2为本发明实施例提供的用于X射线光栅相衬成像装置的探测器图像校正方法的流程图，如图2所示，方法包括：

S100，采集暗电流校正图像I_offset，打开探测器预热10分钟之后在X光源关闭时，打开数据采集程序设置单张图像曝光时间为2s，连续采集50张图像进行平均后保存为一张图像作为暗电流校正图像。

S200，采集增益校正图像I_gain：如图3所示，将源光栅G0放置在X光源铍窗后0.5cm处，打开X光源设置电压60kV、电流22.5mA、焦点1.0mm，通过对输出图像的观察不断调整电流在12mA，使得探测器输出不出现65556的过曝区域，此时探测器的平均输出为14000左右，然后调整电流至11.2mA使得探测器平均输出在12000左右，然后调整光阑使得探测器上的有效视场为12×12cm左右以能够包含最后的分析光栅，稳定10分钟之后连续采集50张图像进行平均后保存作为增益校正图像。

S300，采集数据图像I_acquire：关闭X射线管，将光学元件移回光路，校准光路之后，即可以进行数据图像I_acquire采集，将样品竖直固定于样品台上，关闭实验铅房防护门，打开X射线管，管电压设置为60KV，初始化并设置探测器参数后，移动样品台至视野中央，控制分析光栅进行相位步进，垂直于分析光栅栅线方向分10步均匀移动分析光栅一个周期，由之前的参数描述可知，即每步步进12um，对于每一步，均采集20张图做平均后保存，记为k＝1，2，...，10。样品图像采集完成后，控制样品台电机，将样品移出视野，并将分析光栅移回原位置，按照同样的操作流程，获取背景图像，记为k＝1，2，...，10。

S400，校正数据图像I_acquire：根据暗电流校正图像I_offset和增益校正图像I_gain对校正数据图像I_acquire进行暗电流校正和增益校正，得到校正后的数据图像I：

$>I=(I_{acquire}-I_{offset})\times \frac{mean(I_{gain}-I_{offset})}{I_{gain}-I_{offset}}$>

其中I是校正完毕后的图像，mean表示对图像内所有像素值求平均值。

S500，校正瑕疵像素：根据亮场图像设定一个灰度区间，若一像素的像素值与一阈值的差值在所述灰度区间外，则判定该像素为瑕疵像素，并将该瑕疵像素的像素值取其领域中正常像素的灰度平均值，其中，增益校正图像I_gain减去暗电流校正图像I_offset得到的就是亮场图像I_LF，如图4所示，亮场图像I_LF是个均匀的光场，根据亮场图像可以确定瑕疵像素的位置。

S600，计算样品吸收图像、折射图像和暗场图像：按照如下公式获取样品吸收图像：

$>A(m,n)=In\left[\frac{{\Sigma }_{k=1}^N{I}_k^s(m,n)}{{\Sigma }_{k=1}^N{I}_k^r(m,n)}\right];$>

按如下公式获取折射图像：

按如下公式获取暗场图像：

$>V(m,n)=\frac{{\Sigma }_{k=1}^N{I}_k^r(m,n)}{{\Sigma }_{k=1}^N{I}_k^s(m,n)}\times \frac{abs[{\Sigma }_{k=1}^N{I}_k^s(m,n)\times e^{(-\frac{i2\pi k}{N})}]}{abs[{\Sigma }_{k=1}^N{I}_k^r(m,n)\times e^{(-\frac{i2\pi k}{N})}]}$>

其中，m，n表示探测器像素的行列位置，In表示求以自然常数e为底的对数，arg表示求复数的幅角，abs表示求复数的膜。

本发明实施例采用的样品如图5所示，由三个有机玻璃的圆柱体组成，从左到右分别是直径2cm的PMMA圆柱棒、直径1cm的POM圆柱棒和直径5mm的PMMA圆柱棒。图6A和图6B是本发明实施例得到的样品吸收、折射和暗场图像，其中图6A是校正前的探测器图像，图6B是校正后的探测器图像，对比图6A和图6B可以看出，在同样灰度范围内，经过校正的吸收、折射和暗场图像比未校正的结果显示出更多细节，正确的反映样品的特征和信息。特别是暗场图像，未校正图像完全看不出样品的特征，不能得到样品正确的信息。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。