專利名稱：一種錐束ct系統的散射測定和校正方法
技術領域：
本發明屬于無損檢測領域，涉及錐束CT系統散射測定和校正方法。
技術背景高分辨率錐束CT (Cone Beam Computed Tomography, CBCT)由X射線源產生錐形束射 線，利用面陣探測器采集被檢測物體的投影圖像，是近年來國際上解決無損檢測問題最有發 展前途的一種高新技術。與傳統的二維CT相比，CBCT具有很高的掃描速度，在一個掃描周 期內，可完成大量斷層圖像的掃描，獲得XYZ三向同性的高精度空間分辨率圖像，并且重建 出的切片圖像具有切片序列連續、切片內和切片間的空間分辨率相同、精度高等特點。目前，制約錐束CT系統廣泛應用的技術瓶頸是重建切片的圖像質量，散射(Scatter) 是影響圖像質量的一個重要因素。 一般而言，被檢測零件的密度越大，X射線穿透物體所需 的掃描電壓越高，由散射引起的偽影越嚴重。對于散射問題，許多學者做了大量的研究。影 響散射的因素主要有X射線的能量、零件的材料及幾何形狀、零件的厚度等。目前較為實用 的散射校正方法有以下幾種(1) 基于三能量窗(TEW)的散射校正方法通過主能量窗獲取總光子數量，并采用主 能量窗兩邊的兩個子能量窗估計散射光子數量，由總光子數量減去散射光子數量得到透射光 子數量。基于三能量窗的散射校正大量工作放在了主能量窗和兩個子能量窗的位置和寬度上。 兩個子能量窗盡可能窄和近的靠近主能量窗，以便精確估計當前主能量窗的散射部分。然而， 子窗口寬度越小，探測器探測到的光子數量越小，噪聲的估計準確性越差。(2) 基于多分辨分析的散射校正方法該方法首先獲取原始掃描圖像/;然后對投影圖像/采用小波多分辨分析，每次只對低頻分量逐級進行小波分解，得到第n級逼近4/;只對n級進行重構得到的圖像/'，作為散射的估計；然后對投影圖像做散射校正/ = /-最 后對校正后的投影圖像進行濾波反投影重建。這種方法的典型處理見于公開文獻李永利，劉貴忠，潘德恒，X射線成像中圖像的綜合校正方法研究，兵工學報，2002， 23 (2) : 196 一200。但是基于多分辨分析的散射校正方法對小波類型和小波分解級數要求較高，選擇不當 難以實現，而且方法本身具有較大的誤差。(3) 基于Beam St叩的散射校正方法這種方法見于公開文獻RuolaNing, Xiangyang Tang, D丄.Conover, X-Ray scatter suppression algorithm for cone beam volume CT. Proc. SPIE vol. 4682, 1605-7422,2002。該方法采用反散射網格(Beam Stop)鉛球吸收X射線，阻止X射線 透過物體被探測器接受，這樣在探測器鉛球中心投影位置上得到該位置的散射值，利用這些
散射值擬合散射場，進行散射校正。反散射網格置于X射線源和檢測物體之間，由許多小鉛 球組成的陣列，該裝置要求合理選擇鉛球的尺寸，在能保證X射線能被鉛球完全吸收的同時 使得其投影圖像的陰影越小越好。實驗中需要采集一組帶反散射網格的投影圖像I和另一組 不帶反散射網格的投影圖像II。圖像I中探測器探測到的鉛球陰影位置上的光子數假定為是 X射線的散射光子，然后采用三次樣條曲面插值估計散射場分布，將圖像n減去對應的散射 圖像得到散射校正后的投影圖像，最后進行濾波反投影重建得到切片圖像。該方法要求反散 射網格完全擋住X射線光子透過物體，對醫學上較低掃描電壓時有較好的效果，但在工業CT檢測中，通常需較高的掃描電壓，該方法難以保證實驗中鉛球尺寸的需求。 發明內容為了克服現有技術不能有效應用于工業無損檢測中的不足，本發明提供了一套錐束CT系 統的散射測定方案及其校正算法，以解決中高能錐束CT系統在工業應用中的散射校正問題，從而獲得高質量高精度的重建切片圖像。本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟1. 根據被檢測物體確定對其進行錐束CT掃描的投影放大比、平板探測器的數據采集方式、 X射線源的電壓與電流等掃描參數，這些參數在以下涉及投影圖像數據采集的步驟中保 持不變；2. 不放置任何物體，通過平板探測器采集若干幅空氣投影圖像，取其平均值作為待用的 空氣投影圖像；3. 將射束衰減網格(Beam Attenuation Grid, BAG)置于X射線源和旋轉工作臺之間， 通過平板探測器采集若干幅射束衰減網格的投影圖像，取其平均值作為待用的射束衰 減網格投影圖像；4. 將被檢測物體置于旋轉工作臺上，進行圓周掃描，掃描過程中旋轉工作臺可采用步進 旋轉或連續旋轉，通過平板探測器采集帶射束衰減網格和被檢測物體的投影圖像集I ;5. 移除射束衰減網格，僅對被檢測物體進行與步驟4完全相同的圓周掃描，其中需要特 別注意的是被檢測物體的起始掃描投影位置與步驟4的起始掃描投影位置相同，通過 平板探測器采集被檢測物體的投影圖像集II，投影圖像集II與投影圖像集I的投影幅 數相同，且零件各個投影位置對應相同；6. 通過歩驟3得到的射束衰減網格投影圖像計算射束衰減網格中每個金屬小球中心的投 影位置；7. 通過金屬小球中心的投影位置和步驟2、 4、 5得到的投影圖像，采用射束衰減網格校 正方法，計算與投影圖像集I中的投影圖像一一對應的散射場分布圖像；
8. 將投影圖像集I中的各幅投影圖像象素灰度減去與其一一對應的散射場分布圖像象素灰度，得到散射校正后的投影圖像集m;9. 由投影圖像集III通過濾波反投影重建算法重建出散射校正后的序列切片圖像。 上述各步驟采集的投影圖像在獲取過程中己經過必要的暗場校正、壞像素校正和增益校正，校正手段可采用平板探測器廠方配套程序進行，也可以自行根據公知技術開發相應程序 進行。上述方法第3步中采用的射束衰減網格需添加在X射線源和被檢測物體之間，如圖3所 示。射束衰減網格的構成方法是在低吸收系數的薄板上嵌入均勻分布的余屬小球陣列。對射 束衰減網格的一般要求是在滿足X射線能穿透金屬小球和被檢測物體的前提下，金屬小球 直徑越小越好，并使金屬小球之間具有適當的間距， 一般為金屬小球直徑的1 2倍。顯然，該網格比Beam St叩網格易于實現，且能滿足在中高能電壓下掃描的需求。實際中比較容易 制作的射束衰減網格的構成方法是在低吸收系數的有機玻璃板上嵌入均勻分布的鋼珠陣列。射束衰減網格的放置，有如下兩種可供選擇 一種是放在被檢測物體的前方(位置l); 另一種是放在被檢測物體的后方(位置2)。對于位置l， X射線先透過射束衰減網格的金 屬小球，被小球吸收后的X射線再透過被檢測物體。對于位置2， X射線先透過被檢測物體， 被檢測物體吸收后的X射線再透過射束衰減網格金屬小球。無論哪種位置，射束衰減網格本 身也產生散射，本發明提出的散射校正方法假設在相同的掃描條件下，射束衰減網格加上 被檢測物體的掃描和僅有被檢測物體的掃描到達探測器的散射光子數不變。對于位置1射束 衰減網格離探測器較遠，且產生的散射部分被物體吸收，對本發明提出的校正方法影響較小， 因此，本發明選擇射束衰減網格置于被檢測物體的前方。上述方法第6歩中射束衰減網格金屬小球中心投影位置的計算方法為對射束衰減網格 投影圖像經過二值化、輪廓提取、輪廓跟蹤得到每個小球的投影輪廓，對這些輪廓采用圓擬合可計算出小球投影的近似圓形區域的圓心位置和直徑。由于采用錐束CT，小球投影輪廓不是準確的圓形區域，因此，再以該圓心為中心、直徑為邊長的正方形區域內尋找投影圖像灰 度最小的位置作為小球中心的投影位置。上述方法第7步中散射場分布圖像的計算方法為首先定義第4步中的掃描為掃描1 (圖4 (a))，定義第5歩中的掃描為掃描2 (圖4 (b))，并假設射線源發出的X射線經預過 濾后近似為單能射線，然后由掃描1和掃描2采用以下方法計算射束衰減網格中一個金屬小 球中心投影位置處(通常是平板探測器中一個接收象元，設該象元為G)的散射值。對掃描1，設初始入射X射線強度為I。， Io透過小球后的透射強度為I,， 1。透過小球并 透過物體被象元G接收的透射強度為12，象元G接收到的所有散射射線強度為S，象元G接
收到的總射線強度為C2，顯然C^l2+S。根據Beer定理，以小球為研究對象，有<formula>formula see original document page 7</formula> (1)以被檢測物體為研究對象，有<formula>formula see original document page 7</formula>(2) 對掃描2，設初始入射X射線強度仍為I。，象元G接收到的所有散射射線強度仍為S， I。 透過被檢測物體后的透射強度為I"象元G接收到的總射線強度為d，顯然CpI,+S。以被 檢測物體為研究對象，有<formula>formula see original document page 7</formula> (3) 以上各式中，d為小球直徑，/為射線在象元G位置穿越被檢測物體的厚度，//,為小球的線 性衰減系數，^為被檢測物體的線性衰減系數。 式(2)除以式(3)，得<formula>formula see original document page 7</formula>一般可認為平板探測器象元的輸出灰度值與其所接收到的X射線強度成正比，因此可用 掃描1時象元G的灰度代替C2，用掃描2時象元G的灰度代替C,。根據上式可計算出一個小 球中心投影位置上象元G處的散射值S，對其余小球中心投影位置象元進行完全相似的計算， 可以得到覆蓋整個成像區域的很多象元處的散射值，然后采用雙三次樣條對其進行插值擬合 得到整幅投影圖像的散射場分布。本發明的有益效果是提出了一種新穎的錐束CT散射校正方法，該方法克服了基于Beam Stop網格的散射校正方法在工業CT應用中難以滿足較高掃描電壓下鉛球尺寸需求的缺點，實 用于從低能到中、高能的錐束CT系統散射校正。對經散射校正后的投影圖像進行錐束CT重建， 所得切片中的杯狀偽影相對于原切片明顯減少，并可提高重建切片圖像的對比度，改善圖像 質量，是錐束CT系統的一種簡單、有效的散射校正方法。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是錐束CT掃描成像示意圖2是基于射束衰減網格的散射校正.方法流程圖； 圖3是射束吸收網格校正方法實驗裝置圖； 圖4是透射散射X射線照射路徑示意圖；圖5是圓柱檢測零件探測器輸出原始投影、校正投影和散射強度之間的線性灰度關系圖； 圖6是圓柱檢測零件未散射校正重建切片和散射校正后重建切片相同位置的線性灰度比較圖。
具體實施方式
對一個直徑為40mm，材料為鋁質的圓柱檢測零件進行錐束CT掃描，X射線源采用德國 YXLON Y.TU 450-D02,平板探測器采用美國Varian PaxScan2520,應用本發明方法對其進行 散射校正，如圖2所示，執行以下步驟1. 根據被檢測物體確定對其進行錐束CT掃描的投影放大比為1. 18，平板探測器全分辨率采集速度3幅/秒，掃描電壓280KV，掃描電流0.25mA，這些參數在以下涉及投影圖像 數據采集的步驟中保持不變；2. 不放置任何物體，通過平板探測器采集6幅空氣投影圖像，取其平均值作為待用的空 氣投影圖像；3. 將射束衰減網格置于X射線源和旋轉工作臺之間，通過平板探測器采集6幅射束衰減 網格的投影圖像，取其平均值作為待用的射束衰減網格投影圖像，射束衰減網格由低 吸收系數的有機玻璃板填上均勻分布的鋼珠陣列組成，鋼珠直徑為3mm，相鄰的兩個小 球中心間隔為5mm;4. 將被檢測物體置于旋轉工作臺上，進行圓周掃描，掃描過程中旋轉工作臺連續旋轉， 通過平板探測器采集帶射束衰減網格和被檢測物體的投影圖像集I ，共360幅；5. 移除射束衰減網格，僅對被檢測物體進行與歩驟4完全相同的圓周掃描，其中需要特 別注意的是被檢測物體的起始掃描投影位置與步驟4的起始掃描投影位置相同，通過 平板探測器采集被檢測物體的投影圖像集II ，投影圖像集II與投影圖像集I的投影幅 數相同，且零件各個投影位置對應相同；6. 通過步驟3得到的射束衰減網格投影圖像計算射束衰減網格中每個金屬小球中心的投 影位置，以其中一個小球為例，計算得到的中心位置為(918， 1023);7. 通過金屬小球中心的投影位置和步驟2、 4、 5得到的投影圖像，采用射束衰減網格校 正方法，計算與投影圖像集I中的投影圖像一一對應的散射場分布圖像。以歩驟(6) 中計算得到的(918， 1023)位置為例，其上空氣投影圖像值為2361. 2417，射束衰減網格投影圖像上的圖像值為1397. 1904，由式(1)計算得到小球的透射系數^0.5917。在起始投影方位，即進行第一幅投影時，投影圖像集II中第一幅投影(918，
1023)位置的灰度值為C1二642.9714,投影圖像集I中第一幅投影(918， 1023)位置的灰度值為C2^509.4459，則該位置上的散射值為S = ^ —C'，/ =315. 9368。然后采1 一e 1用雙三次樣條對所有金屬小球中心的投影位置上的散射值進行插值擬合得到該投影方 位上整幅投影圖像的散射場分布，如點(895， 1049)上的散射值為335. 2801;8. 將投影圖像集I中的各幅投影圖像象素灰度減去與其一一對應的散射場分布圖像象素 灰度，得到散射校正后的投影圖像集m,如(918， 1023)位置上散射校正后的圖像值 為642. 9714 — 315. 9368 = 327. 0346;9. 由投影圖像集m通過濾波反投影重建算法重建出散射校正后的序列切片圖像。對被檢測零件進行圓軌跡錐束CT掃描時，從Varian公司的PaxScan2520平板探測器獲 取的投影圖像數據己采用平板探測器廠方配套程序進行必要的暗場校正、壞像素校正和增益 校正。圖5顯示了圓柱檢測零件探測器輸出原始投影圖像(P+S)、散射校正后投影圖像(P) 和散射場圖像(S)在相同位置上的線性灰度分布關系，從圖中可明顯看出，經散射校正后的 投影圖像灰度值得到一定程度的降低。圖6顯示了圓柱檢測零件未校正的重建切片圖像和散射校正后的重建切片圖像在位置上 的線性灰度分布情況比較。很明顯，通過本發明的散射校正方法，圓柱檢測零件的杯狀偽影 得到了較好的改進，同時圖像的對比度也得到了一定提高。
權利要求
1、一種錐束CT系統的散射測定和校正方法，其特征在于包括下述步驟(a)根據被檢測物體確定對其進行錐束CT掃描的投影放大比、平板探測器的數據采集方式、X射線源的電壓與電流等掃描參數，這些參數在以下涉及投影圖像數據采集的步驟中保持不變；(b)不放置任何物體，通過平板探測器采集若干幅空氣投影圖像，取其平均值作為待用的空氣投影圖像；(c)將射束衰減網格置于X射線源和旋轉工作臺之間，通過平板探測器采集若干幅射束衰減網格的投影圖像，取其平均值作為待用的射束衰減網格投影圖像；(d)將被檢測物體置于旋轉工作臺上，進行圓周掃描，掃描過程中旋轉工作臺采用步進旋轉或連續旋轉，通過平板探測器采集帶射束衰減網格和被檢測物體的投影圖像集I；(e)移除射束衰減網格，僅對被檢測物體進行與步驟d完全相同的圓周掃描，被檢測物體的起始掃描投影位置與步驟d的起始掃描投影位置相同，通過平板探測器采集被檢測物體的投影圖像集II，投影圖像集II與投影圖像集I的投影幅數相同，且零件各個投影位置對應相同；(f)通過步驟c得到的射束衰減網格投影圖像計算射束衰減網格中每個金屬小球中心的投影位置；(g)通過金屬小球中心的投影位置和步驟b、d、e得到的投影圖像，采用射束衰減網格校正方法，計算與投影圖像集I中的投影圖像一一對應的散射場分布圖像；(h)將投影圖像集I中的各幅投影圖像象素灰度減去與其一一對應的散射場分布圖像象素灰度，得到散射校正后的投影圖像集III；(i)由投影圖像集III通過濾波反投影重建算法重建出散射校正后的序列切片圖像。
2、 根據權利要求l的一種錐束CT系統的散射測定和校正方法，其特征在于上述各步 驟采集的投影圖像在獲取過程中已經過暗場校正、壞像素校正和增益校正。
3、 根據權利要求1的一種錐束CT系統的散射測定和校正方法，其特征在于上述步驟c中采用的射束衰減網格需添加在X射線源和被檢測物體之間，射束衰減網格的構成方法是在低吸收系數的薄板中填上均勻分布的金屬小球陣列。
4、 根據權利要求l的一種錐束CT系統的散射測定和校正方法，其特征在于上述步驟f中對射束衰減網格投影圖像經過二值化、輪廓提取、輪廓跟蹤得到每個小球的投影輪廓，對這些輪廓采用圓擬合可計算出小球投影的近似圓形區域的圓心位置和直徑；.再以該圓心為中心、直徑為邊長的正方形區域內尋找投影圖像灰度最小的位置作為小 球中心的投影位置。
5、根據權利要求1的一種錐束CT系統的散射測定和校正方法，其特征在于上述步驟g 中散射場分布圖像的計算方法為定義步驟d中的掃描為掃描l，定義步驟e中的掃描為掃描2，假設射線源發出的X射線 經預過濾后近似為單能射線；對掃描1，設初始入射X射線強度為I。， I,)透過小球后的透射強度為L， 1。透過小球并 透過物體被象元G接收的透射強度為12，象元G接收到的所有散射射線強度為S，象元G接 收到的總射線強度為G， C2=L+S，根據Beer定理，以小球為研究對象，有= V-— (1)以被檢測物體為研究對象，有/2 =C2-S = W (2)對掃描2，設初始入射X射線強度仍為I。，象元G接收到的所有散射射線強度仍為S， Io 透過被檢測物體后的透射強度為13，象元G接收到的總射線強度為C^， C產I:,+S，以被檢測物 體為研究對象，有/3 =d-5 = V (3)以上各式中，J為小球直徑，/為射線在象元G位置穿越被檢測物體的厚度，/i為小球的線性衰減系數，^為被檢測物體的線性衰減系數； 式(2)除以式(3)，得LW ' (4)將式(1)代入式(4)，有C， — 5*則=/e,=/^_^ (5)C'-S根據上式計算出一個小球中心投影位置上象元G處的散射值S，對其余小球中心投影位 置象元進行完全相似的計算，可以得到覆蓋整個成像區域的很多象元處的散射值，然后采用 雙三次樣條對其進行插值擬合得到整幅投影圖像的散射場分布。
全文摘要
本發明公開了一種錐束CT系統的散射測定和校正方法，設定參數后采集空氣投影圖像和射束衰減網格投影圖像，對被檢測物體進行圓周掃描，采集帶射束衰減網格和被檢測物體的投影圖像集I和被檢測物體的投影圖像集II，計算射束衰減網格中每個金屬小球中心的投影位置，采用射束衰減網格校正方法計算與投影圖像集I中的投影圖像一一對應的散射場分布圖像，將投影圖像集I減去對應的散射場分布圖像得到散射校正后的投影圖像集III；由此通過濾波反投影重建算法重建出散射校正后的序列切片圖像。本發明能實用于從低能到中、高能的錐束CT系統散射校正，是錐束CT系統的一種簡單、有效的散射校正方法。
文檔編號G01N23/04GK101158653SQ20071001908
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月16日 優先權日2007年11月16日
發明者昆 卜, 張定華, 胡棟材, 黃魁東 申請人:西北工業大學