專利名稱：數字x射線成像系統調制傳遞函數的刀口法測量方法
技術領域：
本發明屬于生物醫學工程及計算機領域，涉及一種數字X射線成像系統的調制傳遞函數精確測量方法。
背景技術：
調制傳遞函數(Modulation Transfer Function, MTF)是調制度的傳遞函數，是對線性影像系統空間頻率傳輸特性的定量描述，是影像評價方法中的重要進展。此前普遍使用定性描述指標，例如影像密度、對比度、清晰度、分辨率及失真度等來評價成像系統的影像質量，但其結果受個人主觀因素影響大。近年來隨數字化X射線成像技術迅速發展，MTF作為客觀指標已成為放射成像工作者和研究者所關注的重要影像評價手段。同時，MTF也
是獲得成像系統探測量子效率的必須參數。要定量地評價數字X射線成像系統的固有成像質量，只需計算不受個人主觀因素影響的系統固有預采樣MTF。實際中系統MTF常由以下三種擴散函數來計算點擴散函數、線擴散函數和邊緣響應函數，它們分別描述經成像系統后點、線和邊緣彌散程度，能夠間接地反映系統成像能力。目前測量MTF的方法中，線對卡方法可以獲得高精度的MTF值，但是線對卡方法只能提供有限幾個整數空間頻率位置的MTF值，無法實現系統傳遞函數的全面評估。為了獲取成像系統空間頻率范圍下的MTF變化曲線，一般常用的測量方法包括狹縫法和刀口法，狹縫法(Slit Camera)和刀口法(Edge)已被國際放射學會公認為是獲得MTF的較好方法，日本將狹縫法定義成測量MTF的標準方法，刀口法也已被國際電氣技術委員會(IEC)指定為測量系統MTF的標準方法。將通過狹縫法和刀口法所獲得的同一系統下不同MTF曲線進行比較時，可知前者在高頻域有較高信噪比，而后者在低頻域有較高信噪比。通過狹縫法獲得的系統MTF精確，且操作簡便、方法成熟。但因其加工難度高(狹縫寬度小于等于IO微米，誤差在I微米內)，導致在實際應用中此法較難被推廣。由于刀口法測量儀器自加工相對容易，在科研實驗和常規檢測中使用較為廣泛。采用刀口法可以獲得金屬模塊刀口的邊緣響應函數(Edge ResponseFunction，ERF)，它反映了經成像系統后邊緣彌散程度，ERF的導數為線擴展函數(LineSpread Function, LSF)，再經過傅立葉變換即可獲得系統MTF，目前大部分關于MTF的研究都是基于刀口法技術展開的。為了獲得高分辨率的MTF曲線，目前一般采用改進的MTF刀口測量方法，即將刀口方向與圖像采樣方向成一定角度，以此獲得過采樣的邊緣響應函數ERF，而后通過傅里葉變換得到高分辨MTF曲線。過采樣過程可以通過插值法實現，插值點數由刀口傾斜角度決定，但是由于實際像素點數只能是整數值，而通過刀口傾斜角度計算得到的插值數一般都是非整數。如果希望擺放合適的刀口傾斜角度，以此獲取整數插值數，必須要采用極其嚴苛的精確定位工作，操作極其困難。因此，針對刀口傾斜角度造成的插值數誤差問題，探索一種有效的MTF測量方法，提高刀口法MTF測量精度，準確實現數字X射線成像系統的調制傳遞函數特性評估，已經成為成像系統性能評估的研究重點，這對于成像系統的發展應用具有十分重要的意義。
發明內容
針對傳統刀口法重構過采樣ERF曲線時非均勻采樣的插值位置誤差的問題，本發明提出一種數字X射線成像系統的調制傳遞函數精確測量新方法。本發明基于重心拉格朗日插值的刀口法MTF測量方法，通過重心拉格朗日插值獲取均勻采樣位置的真實像素值，以此構建準確的過采樣ERF曲線，最終可以獲得較傳統刀口測量方法更為準確的MTF曲線。本發明的技術方案如下一種數字X射線成像系統調制傳遞函數的刀口法測量方法，包括下列步驟I)置數字放射成像系統的曝光參數，放置刀口儀器，并使刀口與探測器采樣方向有一傾斜角度，采集多幅刀口圖像； 2)對刀口圖像疊加平均，對平均后的刀口圖像進行刀口邊界檢測，并且利用直線擬合獲得刀口邊界直線；3)設定橫坐標X以j表示，代表列數，縱坐標y以i表示，代表行數，像素間隔以P表示，刀口傾斜角度與探測器采樣方向的夾角為α，對刀口邊界直線圖進行Hough變換，獲得刀口傾斜角度，依據公式Adi, j=jp cos a -ip sin α計算刀口邊界附近各點與刀口直線的距離，按照距離從小到大排序，構成非均勻采樣的ERF曲線序列；4)采取基于重心拉格朗日插值方法，獲得均勻采樣插值位置的ERF新序列；5)對ERF新序列進行差分運算得到線擴散函數LSF(X)；6)線擴散函數LSF(X)進行傅里葉變換再取模MTF ’ (f) = | FT (LSF(χ)) |，得到其調制傳遞函數MTF^ (f)，而后對MTF^ (f)采用O頻率位置MTF值進行歸一化，SPMTF (f) =MTF丨(f) /MTF丨(f) | f=0,最終得到歸一化調制傳遞函數MTF (f)。其中，第4)步中，可依據公式計算一系列
X-Xj /X-Xj
均勻釆樣位置X的像素值LU)，獲得均勻釆樣插值位置的ERF新序列，COj是重心權重，
I
CO j —-7-
IIl-=O3J^ZxJ — Xi本發明針對傳統刀口法重構過采樣ERF曲線時非均勻采樣的插值位置誤差，采用基于重心拉格朗日插值，獲得均勻采樣位置的真實像素值，從而可以獲得較傳統刀口測量方法更為準確的MTF曲線。該發明為正確獲取系統調制傳遞函數特性，有效評估放射成像系統性能，深入開展放射影像學臨床實踐和研究提供有力支持。
圖I. 8條插值重構過采樣ERF曲線。圖2.傳統刀口測量方法采用的誤差插值位置與實際插值位置示意圖。圖3.刀口圖像中刀口附近像素與刀口邊界相對位置示意圖。圖4.刀口法測試儀器的X光成像結果平均圖。
圖5.刀口法測試儀器的刀口邊界直線擬合結果。圖6.傳統刀口法與本發明方法獲得的ERF曲線對比。圖7.傳統刀口法與本發明方法獲得的LSF曲線對比。
圖8.傳統刀口法、本發明方法與線對卡方法獲得的MTF結果對比。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例從幾個方面對本發明進行詳細說明。I MTF過采樣刀口測量方法利用過采樣技術重構ERF，需將刀口與探測器矩陣成一定傾角擺放，通常將儀器邊緣和數字化探測器陣列方向之間傾角α保持為I. 5° 7.1° (對應插值數為8 38條)，α越小(插值數越高)所獲MTF曲線的分辨率就越高。采用過采樣刀口測量方法獲得的刀口示意圖如圖I所示。圖中灰色部分均表示黃銅板覆蓋區域，粗黑線表示經同軸準直和理想切割后的刀口邊緣。圖I中的刀口傾斜角度為7. 1° ,針對該傾角，要想得到精確的邊緣響應函數ERF必須對刀口附近圖像進行8條插值。插值數與傾斜角度的關系由下面的公式確定Nave=I/tan a(I)采用8條插值來重構過采樣ERF曲線可以參照圖I中數字順序，對應插值順序從I到8，然后從9到16，依此類推完成整條ERF曲線的重構，即得到ERF (χ)。想從邊緣響應函數ERF (χ)運算得到線擴散函數LSF (χ)，對ERF (χ)進行差分運算或使用卷積濾波器[-0. 5,0,0. 5]均可，即LSF (χ) =dERF (x) /dx(2)LSF (χ)函數經過傅里葉變換后再取模，就能得到其調制傳遞函數MTF ; (f) = I FT (LSF (χ)) |(3)式中FT為傅里葉變換，通常在描述系統調制傳遞函數時使用歸一化處理的結果，其公式為
權利要求
1.一種數字X射線成像系統調制傳遞函數的刀口法測量方法，包括下列步驟 1)置數字放射成像系統的曝光參數，放置刀口儀器，并使刀口與探測器采樣方向有一傾斜角度，采集多幅刀口圖像； 2)對刀口圖像疊加平均，對平均后的刀口圖像進行刀口邊界檢測，并且利用直線擬合獲得刀口邊界直線； 3)設定橫坐標X以j表示，代表列數，縱坐標y以i表示，代表行數，像素間隔以P表示，刀口傾斜角度與探測器采樣方向的夾角為α，對刀口邊界直線圖進行Hough變換，獲得刀口傾斜角度，依據公式AdyZjp cos a -ip sina計算刀口邊界附近各點與刀口直線的距離，按照距離從小到大排序，構成非均勻采樣的ERF曲線序列； 4)采取基于重心拉格朗日插值方法，獲得均勻采樣插值位置的ERF新序列； 5)對ERF新序列進行差分運算得到線擴散函數LSF(X)； 6)線擴散函數LSF(X)進行傅里葉變換再取模MTF丨(f)= | FT (LSF(x)) |，得到其調制傳遞函數MTF丨(f)，而后對MTF丨(f)采用O頻率位置MTF值進行歸一化，即MTF (f) =MTF丨(f) /MTF丨(f) I f=0,最終得到歸一化調制傳遞函數MTF (f)。
2.根據權利要求I所述的數字X射線成像系統調制傳遞函數的刀口法測量方法，第4)步中，依據公式Ζ(Λ·)=Σ =0^^ i; /Σ =0,計算一系列均勻采樣位置X的像素值 L(x),獲得均勻采樣插值位置的ERF新序列，是重心權重， i Ii=OMjxj _ γ
全文摘要
本發明屬于生物醫學工程及計算機領域，涉及一種數字X射線成像系統調制傳遞函數的刀口法測量方法，包括采集多幅刀口圖像；進行刀口邊界檢測，獲得刀口邊界直線；對刀口邊界直線圖進行Hough變換，獲得刀口傾斜角度，計算刀口邊界附近各點與刀口直線的距離，按照距離從小到大排序，構成非均勻采樣的ERF曲線序列；采取基于重心拉格朗日插值方法，獲得均勻采樣插值位置的ERF新序列；得到線擴散函數；得到歸一化調制傳遞函數。本發明構建準確的過采樣ERF曲線，最終可以獲得較傳統刀口測量方法更為準確的MTF曲線。
文檔編號G01M99/00GK102809494SQ20121023752
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月10日 優先權日2012年7月10日
發明者周仲興, 高峰, 趙會娟, 張力新, 王廣印 申請人:天津大學