一種x射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 該發(fā)明涉及X射線成像技術(shù)，特別是涉及一種X射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融 合方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層成像（ComputedTomography,CT)利用X射線的透射能力對物體 成像，通過采集物體在不同角度下的投影數(shù)據(jù)，基于一定的重建算法獲取物體內(nèi)部的二維 或三維CT圖像。為了獲得優(yōu)質(zhì)的成像效果，CT數(shù)據(jù)采集需要根據(jù)物體設(shè)置合適的掃描參 數(shù)。然而，對于一些衰減系數(shù)差異明顯的多材料物體，傳統(tǒng)單一掃描參數(shù)的成像模式容易造 成探測器曝光不足或曝光過度的現(xiàn)象，由此帶來的CT圖像偽影或信息缺失極大地影響了 CT圖像質(zhì)量，變掃描參數(shù)成像方法是解決這類問題的常用方法。
[0003] 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，變掃描參數(shù)成像方法可以分為變電壓和變電流 兩類。變電壓成像方法根據(jù)掃描電壓決定X射線穿透物體厚度的原理，2009年，楊瑩等人 在《光子學(xué)報(bào)》上發(fā)表文章"基于小波變換的X射線圖像超動(dòng)態(tài)范圍重建"，提出了利用小 波變換對不同電壓下采集的投影進(jìn)行融合的方法，該方法首先對投影進(jìn)行多分辨率分解， 然后基于不同策略分別計(jì)算高、低頻系數(shù)，最后經(jīng)過小波逆變換融合出高動(dòng)態(tài)范圍的投影。 基于小波變換的投影融合方法在求解重構(gòu)系數(shù)時(shí)易受偽邊緣的影響，融合后的投影可能出 現(xiàn)灰階混亂。為了避免該問題，2013年，Chen等人在《Optik》上發(fā)表文章"Multi-voltage imagestackreconstructioninX-raydigitalimaging'，，提出了一種灰度加權(quán)模型，對 不同電壓下采集的投影序列，首先選擇對比度最好的區(qū)域作為最佳灰度帶，提取待融合的 子圖像，再通過設(shè)置合適的加權(quán)系數(shù)完成子圖像的融合。這種方法沒有考慮不同電壓的能 譜變化，加權(quán)系數(shù)的求解精度有待提高。2014年，Liu等人在《JournalofX-rayscience andtechnology〉〉上發(fā)表文章"Multi-energyimagesequencefusionbasedonvariable energyX-rayimaging"，文章所提方法在計(jì)算加權(quán)系數(shù)前，首先通過射束硬化校正保證投 影灰度值和物體厚度之間服從線性關(guān)系，但是硬化校正要求階梯狀工件和被掃描物體是 同一材料的，多材料物體的投影融合問題有待進(jìn)一步研究。
[0004] 變電流成像方法基于改變電流只會使光子數(shù)量發(fā)生變化，不會影響X射線能譜特 性的原理，研究該類方法對多材料物體成像具有較高的實(shí)用價(jià)值。2010年，Kramer等人在 ((MeasurementScienceandTechnology〉〉上發(fā)表文章"Multi-energyimagestackfusion incomputedtomography"，利用人工設(shè)置的融合閾值判斷未超出探測器動(dòng)態(tài)范圍的投影 區(qū)域，并計(jì)算縮放因子完成投影融合，在對鋁和有機(jī)玻璃組成的楔形工件成像中獲得了更 加準(zhǔn)確的幾何測量結(jié)果，但是人工選擇投影融合閾值存在主觀性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明克服了已有變電流投影融合技術(shù)中，人工選擇融合閾值的缺陷，提供了一 種X射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融合方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，提供一種具有以下步驟的X射線成像系統(tǒng)中的變電流 投影融合方法：一種X射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融合方法，具體步驟如下：（1)采集成 像物體在各投影角度下不同電流的投影數(shù)據(jù)；（2)構(gòu)造不同電流投影的灰度值-有效邊緣 梯度序列；（3)使用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲（DynamicTimeWraping，DTW)方法求解最佳融合閾值； (4)計(jì)算縮放因子；（5)投影圖像融合；（6)CT圖像重建。
[0007] 所述步驟（1)包括設(shè)置合適的掃描電壓和電流，采集不同角度下的變電流投影圖 像，在探測器沒有校正的情況下，大、小電流對應(yīng)的投影分別處于曝光過度和未曝光過度的 狀態(tài)，并且不同電流的投影圖像之間存在均未曝光過度的重疊區(qū)域，該重疊區(qū)域至少為物 體投影區(qū)域的10%。
[0008] 所述步驟（2)根據(jù)當(dāng)前投影的灰度值，分別在相同角度下大、小電流的投影中首 先確定有效邊緣點(diǎn)的位置，然后計(jì)算其梯度，每一個(gè)灰度值Val都對應(yīng)了一個(gè)有效邊緣梯 度grff，因此可以構(gòu)成兩組灰度值-有效邊緣梯度序列。
[0009] 所述步驟（3)首先將步驟（2)中構(gòu)造的不同電流序列進(jìn)行預(yù)處理，并構(gòu)造具有梯 度方向的新序列X'和Y'，然后以DTW距離最短為目標(biāo)計(jì)算新序列X'和Y'間的最佳相似匹 配路徑Q%最后根據(jù)匹配中疑似突變點(diǎn)附近的子序列Xsub和Ysub計(jì)算相關(guān)系數(shù)P，相關(guān)系數(shù) 最小的點(diǎn)記為最佳融合閾值Th所在的點(diǎn)。
[0010] 所述步驟（4)根據(jù)步驟（3)確定的最佳融合閾值判斷大電流投影中未超出探測器 動(dòng)態(tài)范圍的區(qū)域，并計(jì)算不同電流投影在相同位置區(qū)域的灰度值比例關(guān)系，以此作為縮放 因吁
[0011] 所述步驟（5)以小電流投影圖像為基底，使用步驟⑷計(jì)算縮放因子S，將 大電流投影中未超出探測器動(dòng)態(tài)范圍的區(qū)域經(jīng)過比例縮放后加以替換，融合后的投影
[0012] 所述步驟（6)針對步驟（5)中融合的投影，使用同一種解析類或迭代類圖像重建 算法重建CT圖像，并以信噪比（SignaltoNoiseRatio,SNR)評價(jià)融合效果。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明X射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融合方法具有以下優(yōu) 點(diǎn)：該發(fā)明方法能夠避免人工選擇融合閾值的主觀性，有效擴(kuò)展探測器的動(dòng)態(tài)范圍。探測器 動(dòng)態(tài)范圍得到擴(kuò)展后，實(shí)驗(yàn)對于探測器的成像需求得到降低，從而減少硬件成本。基于融合 后投影的CT圖像SNR優(yōu)于傳統(tǒng)人工選擇固定閾值的融合方法。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明X射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融合方法實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)際工業(yè)零件 位置關(guān)系示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明X射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融合方法的流程圖；
[0016]圖3是本發(fā)明X射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融合方法在大電流下的實(shí)際CT圖 像；
[0017]圖4是本發(fā)明X射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融合方法在不同閾值下融合投影實(shí) 際CT圖像比較：（a)小電流；(b)最小融合閾值；（c)平均融合閾值；（d)本專利方法；
[0018]圖5是本發(fā)明X射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融合方法中實(shí)際變電流投影融合CT 圖像的SNR比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明X射線成像系統(tǒng)中的變電流投影融合方 法作進(jìn)一步說明：本發(fā)明設(shè)計(jì)一套易于操作且精度較高的變電流投影融合方法。本發(fā)明是 通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，具體步驟如下：
[0020] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，提供一種具有以下步驟的X射線成像系統(tǒng)中的變電流 投影融合方法：具體步驟如下：（1)采集成像物體在各投影角度下不同電流的投影數(shù)據(jù)； (2)構(gòu)造不同電流投影的灰度值-有效邊緣梯度序列；（3)使用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲（Dynamic TimeWraping，DTW)方法求解最佳融合閾值；（4)計(jì)算縮放因子；（5)投影圖像融合；（6)CT 圖像重建。
[0021] 所述步驟（1)包括設(shè)置合適的掃描電壓和電流，采集不同角度下的變電流投影圖 像，在探測器沒有校正的情況下，大、小電流對應(yīng)的投影分別處于曝光過度和未曝光過度的 狀態(tài)，并且不同電流投影的圖像之間存在均未曝光過度的重疊區(qū)域，該重疊區(qū)域至少為物 體投影區(qū)域的10%。
[0022] 所述步驟（2)根據(jù)當(dāng)前投影的灰度值，分別在相同角度下大、小電流的投影中首 先確定有效邊緣點(diǎn)的位置，然后計(jì)算其梯度，每一個(gè)灰度值Val都對應(yīng)了一個(gè)有效邊緣梯 度grff，因此可以構(gòu)成兩組灰度值-有效邊緣梯度序列。
[0023] 所述步驟（3)首先將步驟（2)中構(gòu)造的不同電流序列進(jìn)行預(yù)處理，并構(gòu)造具有梯 度方向的新序列X'和Y'，然后以DTW距離最短為目標(biāo)計(jì)算新序列X'和Y'間的最佳相似匹 配路徑Q%最后根據(jù)匹配中疑似突變點(diǎn)附近的子序列Xsub和Ysub計(jì)算相關(guān)系數(shù)P，相關(guān)系數(shù) 最小的點(diǎn)記為最佳融合閾值Th所在的點(diǎn)。
[0024] 所述步驟（4)根據(jù)步驟（3)確定的最佳融合閾值判斷大電流投影中未超出探測器 動(dòng)態(tài)范圍的區(qū)域，并計(jì)算不同電流投影在相同位置區(qū)域的灰度值比例關(guān)系，以此作為縮放 因i
u,v
[0025] 所述步驟（5)以小電流投影圖像為基底，使用步驟⑷計(jì)算縮放因子s，將 大電流投影中未超出探測器動(dòng)態(tài)范圍的區(qū)域經(jīng)過比例縮放后加以替換，融合后的投影
[0026] 所述步驟（6)
針對步驟（5)中融合的投影，使用同一種解析類或迭代類圖像重建 算法重建CT圖像，并以信噪比SNR評價(jià)融合效果。
[0027] 步驟（1)采集實(shí)際變電流投影數(shù)據(jù)的具體方法為，首先確定一個(gè)可以穿透被成像 物體的掃描電壓，然后分別在大電流和小電流下采集不同角度下的投影數(shù)據(jù)。小電流投影 應(yīng)保證未曝光過度的狀態(tài)，具體判斷方法為，在未做校正的情況下，探測器實(shí)際最大輸出值 應(yīng)小于最大輸出的理論值；大電流投影已經(jīng)達(dá)到曝光過度的狀態(tài)，具體判斷方法為，在未做 校正的情況下，探測器實(shí)際最大輸出值等于或接近最大輸出的理論值，部分物體區(qū)域的投 影灰度值等于背景的灰度值。此外，大電流投影和小電流投影之間應(yīng)該保證一定的均未曝 光過度的重疊區(qū)域，該重疊區(qū)域至少為物體投影區(qū)域的10% ;
[0028] 步驟（2)構(gòu)造不同電流投影的灰度值-有效邊緣梯度序列的具體方法為，如果探 測器上相鄰兩個(gè)像素的灰度值分別大于和小于Val(Val介于0和當(dāng)前投影的最大灰度值之 間），那么就將這組點(diǎn)對記為灰度值Val下的有效邊緣。假設(shè)投影中坐標(biāo)（u，v)的灰度值為 p (U，V)，其梯度向量gedge(U，V)可表示為gedge(U，V) =(gup(U，V)，gd_(U，V)，gleft(U，V)，grigh t(u，v))T，公式⑴用于計(jì)算上下左右4個(gè)方向的梯度
[0029]
[0030] 全部像素點(diǎn)的梯度矩陣記為G= (gedge (1，1)，gedge (1，2)，? ? ?，gedge (U，V))，其中U和 V分別表示投影的高度和寬度，整幅投影的有效邊緣梯度grff定義為
[0031]
[0032] 對某個(gè)角度下兩幅不