直接数字化X线摄影系统图像处理方法研究

1、中国科学技术大学博士学位论文直接数字化X线摄影系统图像处理方法研究 姓名:谌家喜申请学位级别:博士专业:模式识别与智能系统指导教师:周荷琴20080401摘要摘要随着人们日常生活水平的提高,越来越多的人开始注重医疗保健,国家也 投入了大量的人力物力来推进医疗水平的提高。医学影像诊断是种常规的医 疗检查方式,在疾病诊治及企事业单位和个人的体检中得到广泛应用,其中, 又尤以X射线成像的检查居多。在材料科学和计算机技术发展的带动下,X射线 成像已经从原来的胶片成像走进了直接数字化X射线成像(Direct Digital Radiography,DR时代。在更快更好成像的同时,数字化X射线成像也带来了

2、 一些问题:曝光系统的自动化控制,X射线到电子信号的转化,成像系统的校正, 以及X射线数字图像的处理。对DR系统成像方法进行研究,不仅能改善数字化 X射线图像质量,提高医院影像科的疾病诊治水平,还可为其它医学成像模式的 研究提供借鉴,更可为进一步的计算机辅助诊断打下基础。由此可见,DR系统 成像方法研究具有重要的理论意义和应用价值。本论文从DR系统的图像形成过程出发,研究了相关环节中的关键问题,即 高压发生器控制、图像采集和校正、图像后处理,目标是实现DR系统的优化控 制,并获取更好的X射线数字图像。高压发生器是X射线球管的电力供给装置, 在成像过程中需要和计算机系统有良好的配合,以控制曝光流

3、程并配合曝光参 数交换;X射线透射过人体后到达接收装置,根据成像原理和材料特性,图像采 集和图像校正主要解决从X射线到计算机数字存储中的能量转换问题:图像后 处理是在X射线数字图像的基础上,运用多种图像处理算法,进一步提高图像 质量,以满足实际应用的需求。本文对DR系统成像进行了深入的研究,取得了 以下成果:(1通过对原有DR系统控制台接口龟路的改造,用PC机串口和相应的软件实 现了计算机与高压发生器之间的通信,操作者只需坐在PC机前就可以方便 地控制高压发生器,不需要在多个控制台之间进行较为繁复的操作,既加 快了摄片的流程,还节省了DR系统的硬件成本,并且为实现DR系统的参 数自动化控制打开

4、了新思路。(2在研究了DR系统图像采集中的信号控制问题后,设计了平板探测器状态控 制和数据处理流程;提出了原始图像的隔行扫描及其区域交换算法,解决摘要了如何将原始图像调整为正常的X射线图像的问题,并在此基础上设计了 DR图像的采集、显示和存储程序。分别对水模和人体部位进行了X射线成 像测试,实验结果表明了该方法的准确性和可靠性,解决了DR图像采集过 程中的信号控制和图像处理的问题。获取的X射线数字图像真实有效,并 已经被应用于医院的DR系统。(3结合DR系统成像原理及图像采集过程,从X射线到计算机数字图像过程中 的能量转换角度,详细研究了由X射线光场不均匀性和平板探测器的像元 响应不一致性带来

5、的图像噪声,并针对各种影响因素,采取了相应的校正 方法。最后,针对现场系统的X射线场不可测性,提出了一种新的整体校 正理论,设计并实现了一种行之有效的现场操作算法。(4研究了多幅DR图像的拼接问题,提出了基于特征点的图像配准算法,并使 用加权平均法对图像进行了融合,解决了DR图像拼接中亮度相差较大、相 似特征点较多和位移较大以及处理时间较长等问题,并在此基础上设计了 DR图像的拼接算法程序。分别对物体和动物鱼以及人体进行了X射线摄影, 做了图像拼接实验,取得了较好的拼接效果。(5研究了X射线图像中的曝光区域特性,提出了X射线图像曝光区域自动检 测出算法,并进一步对图像进行自动裁剪,减少了图像的

6、存储空间,方便 于医生的操作和诊断。在此基础上,提出了一种可伸缩性图像增强算法, 使得图像整体和细节都有较好的改善,进一步提高图像质量;最后,采用 优化的窗宽窗位算法来显示图像。;关键词:高压发生器平板探测器曝光控制X射线光场 图像配准区域检测可伸缩性图像增强UAbstractABSTRACTWim tlle r印id improvement of tlledaily life,more aIld more people begiIl t0pay attention t0tlle healtll care.The sta:te has also inVested a lot of maI】【p

7、ower觚d mateIlial resources to promote tlle heal也care standards.Medical iIllage diagnosis is a kind of routine Inedical ex撇inatiollS.It has been widely used iIl tlle diagnosis aIld 仃eatrnem of disease and body checkup of the ente印rises aIld iIlsti衄ions or the 砌iViduaJs.ESpecially,nle Xray iIIlaging e

8、Xamination is仔equently llsed.Witll me deVelopmem of t11e materi以s science a11d也e computer tecllIlology,t:he Xray imagiI培tecllIlolog,haS enteredle direct digital raIdiography。(DRem舶m也e original film.It takesf瓠er imaging speed and better iIIlage quali够,and also tlledigitaI Xray imaging haS brought out

9、 some new probleIns.For example,how t0 c蛳l the exposure夥Stem automatically?W11ats the converSion丘om the Xray t0也e elec们nic signals?111e inlag堍system muSt be calibrated.And the digital Xray iIIlages rleed to be post processed.By studyiI塔the imaging memod of tlle DR system, me qum毋ofle digital X-聪可ima

10、ge c趾be inlproVed,aIld me diagnosis and 讹atInent of diseaSes in the hospital will be b00Sted.It is also a ref.erence for me study of other medical imaging models.More oVer,it is ahe foulldation for nle computer-aided diagnosis i11t11e觚urc.Eviderltly,it is Ve巧important t0study tlle iIIlagingme恤d for

11、the DR System. BaSed on恤inlaging process of也e DR system,SeVeral key proble脚of龇 relevant part Ilar旧been studied i11this tllesis.SuCh aS the control of the 11igh-voltage generator,image acquisition and calibration,irrlage post-processiI培.Our goal is t0 achieVe 0ptiIllal con臼l of the DR systcm aIld get

12、 better qualit,X-ray inlages.TIle high.VoItage geIlerator is也e power-suIply deVice for tlle X-ray,which needs t0haVe good cooperation晰tll me computer system so as t0control t王le exposure process aIld exchaIlge exposure p蹦吼eters for t11e X_ray iInaging.The Xray arriVes at mereceiVing deViceaRer魄1sIIl

13、ission inVolVing tlle hlm】an body.Based on the imaging principle a11dmaterial properties,廿le image aoquisition and iIllage correction nlaillly IAbStractsoIVe the energy conVersion problems fIrom the Xray to the computer.ARer haVingacbjeVed me Xray images,we utiIize a Varie够of image processing algori

14、tms t0如nher improVe也e image quaIi够,so aS to satis母the appIications.We haVe ca而edout in-dept量l research on也e DR imaging system,and seVemi pro血Ictions have been achieved aS foIlowing:(1A proposalis presented t0improVe the original complicated control of the expoSure par锄eters on血e DR system.We redesig

15、ned me interf孔e circui仃y of 龇hi曲-Vol协ge generator by uSing RS一232serial COM port.T11e data andsignals are仃anSminedbe嘶eenpersonal computer alldhighvoltage generatorwitll serial mode.A progr锄package is designed to realize the con_trol of the exposure parameters for hi曲-Volt generator of DR on the PC m

16、achine.1jkperilnent results sho、n that the proposed console operates steadily and“is possible to proVide a more corlVenient operation console for the directradiography system.(2The signal con仃ol strateg,in a Ma仃ox Meteor II/Camera Link card.based DR image acquisition system has been studied.Wb desig

17、ned ttle processing flow for St曲峪control and data process of me nat panel.A 1ine interval scaIl a11d areaexchange algorithm is presented to process the original image data acquired from me detector array.The problem on the adjustrIlent of t11e abnomal original image has been s01Ved successf-ully,and

18、 a program is deVeIoped for DR imageacquisition,display aIld storage.Experimental results on water models aIld human bodies show mat me Inethods described here,ere correct and credible,and血e digital x-ray images were Valid.It has been applied in tlle clinical practices of nle DR svstem.(3Based on th

19、e principle of DR imaging and the image acquisition process,we take our point of View on me energy conVersion perspectiVe from the Xray to tllecomputer.A detailed study haS been c秭ed out on theimage noise produced bytlle inhomogenei锣of me Xray fieId and me flat panel detector pixelresponse. Accordin

20、g t0me Various factors,correspor通ing correc缸on methods haVe been introduced.Finally,for the mlcertain够of the X-ray system at use,we extract a IVAbStract耻w meo巧for me oVerall correction,wllich haS been designed a11d implemented 嬲aIl effective field operation 2Llgorith】n.(4The problem of seVeral DR im

21、ages stitchiIlg haS bcen如ldied.An iIllage registration algorithm baSedon feature poims is presen:ted.And a、veighted aVerage algoritllm is tlsed to solve也e iIIlage msion process.There are many e血barrassments iIl t:he stitching process,suCh硒light di商:rence,too many sidlar feature poi鹏,big displacement

22、,and long time for process.In our印proach,ttlese problems are well_halldled.The progra珊me has been complied to car巧out tlle algorit胁s.W.e haVe taken the X-ray images for objectS,fish锄d me humaIl body. Experimental rcsults show tllat the methods dcscribed here were correct and credible,孤d吐le composed

23、digital x-ray iInage、V弱Valid.It can be applied in me designof a direct digital.radiography夥stem.(5The exposure regionc胁cteriStics of t11e X-ray妇age haVe been gtudied.An autom撕c algoritllrn haLs been in们duced for detecting alld c眦iI坞me eXposure region of the iInage,、_Ilich redIlced也e inlage storage s

24、pace aIldfkilitate the doctors operation and diagnosis.On“s b撕s,a scalable iInage eIlllancement algorimm、私imponed,which mal(es bencr呻rovement in tlle 0VeraU and details in me image.1he image haS beeIl舢ner eIlll觚ced.F妇lly,We optimized the so.caLlled window研dth aIld、indow level algori也m t0display me h

25、ages.Key Words:high.volt gener缸or,nat panel detector,exposure control,x-ray field, image regis把a_tioIl,region detection,scal a_ble iIIlage enhallcementV中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。本人授权中国科学技术大学拥有学位

26、论文的部分使用权,即:学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入有关数据库进行检 索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。作者签名:落毒乏 h吖年甲月喈日第1章绪论第1章绪论本章首先介绍医学X射线图像的产生、发展和存在的问题,并由此引出直 接数字化x线摄影(Direct Digi tal Radiography,DR图像处理的研究意义及 其中存在的关键问题,然后介绍本文的主要工作和贡献,最后给出全文的结构 安排。1.1X线摄影技术的发展1895年11月8日,德国物理学家伦琴

27、,在调试一组阴极射线仪器时,惊奇 地发现该仪器能使远处的乳胶片感光。阴极射线(电子束在空气中不能穿透 这么长的距离,因此伦琴把这种位置的射线称作“X”射线,并用“X”射线给 他夫人的手拍了人类史上第一张医学图像,如图1.1所示。图1.1伦琴夫人手的X光片100年来,X光照相技术在临床医学上得到广泛的应用,成像技术也得到了 不断的发展,几乎应用在所有的医院和诊所之中。X射线成像是基于待成像物体 各组成部分的密度不同,对X射线的吸收不同,透射X射线强度不同,从而在乳 胶片上成像的,如图1.2(a,X光图片是X射线通路上物体对射线吸收的积分效 果。一个大小和密度相同的肿瘤或者病灶,无论在体内前、中或

28、后部,它在X光 片上表现的图像是一样的,如图1.2(b,也就是说,X光图片不能反映组织或 者病灶的三维空间位置(罗述谦,周果宏,2003卜2。第1章绪论鍪三同鍪三昏 物体 像 (aX线成像的积分效果 物体 像(bX线成像的空间表现图1.2X射线成像原理20世纪80年代以前,X线摄影一直停留在普通胶片的水平。作为一种传统的 X线摄影技术,X线胶片摄影有着其自身的缺点(谭长生,屈平等,2006:(1常规的X线摄影成像后由胶片来记录,需要暗室冲洗。为了提高胶片的利用价值,影像科必须建立相应的库房来存放数量庞大的摄影胶片,即胶片的 存档管理。X线胶片在管理中的错误和丢失情况时有发生,管理的数量与难 度

29、同步增长,耗费的人力、物力、财力和空间都非常大。(2病历资料的查询速度慢,图像传送需要大量的时间,效率低,不能满足临床需要,如遇急诊情况问题就更加严重。(3传统X线摄影采用模拟合成技术,图像分辨率低,很难应用计算机来进行处理,也不便于储存和传输,更谈不上异地医生同时观察一幅图像(如远程 诊断或电话会诊,要实现多人共享更不可能。(4传统X线摄影需要的曝光剂量相对较大,且X线摄影一旦完成,影像质量就不能改变,当影像的质量不符合要求时往往需要重拍,给操作者和患者带 来了许多的麻烦。(5胶片的破损、丢失和变质所引起的信息缺失也是一个非常难解决的问题。有关资料表明,即使一个管理制度十分完善的医院,由于胶

30、片的借入、借 出及会诊等因素,造成X线胶片的丢失率非常大。随着医学影像技术的不断发展,对传统X线成像技术革新的要求也越来越 迫切。在材料科学与计算机技术发展的带动下,计算机X线摄影(Computer 2第1章绪论Radiography,CR便应运而生了。在CR系统中,X射线透过人体后,剩余能量 信息由具有刚性的影像板(Image Plate,IP记录,用激光光束对IP板的影 像信息进行扫描读取,得到IP板上的能量分布信息后转化为数字矩阵,存储到 计算机中。数字化的x线图像可以进行各种计算机处理(改善影像细节、图像 降噪、灰阶与对比度的调整、影像放大、数字减影等,将很多隐藏信息显示到 荧屏上,图

31、像处理系统可以用便捷的窗宽窗位来调整、设置,便于按诊断要求 作适于视觉的调整。在此基础上,借助人工智能和神经网络等方法对影像作定 量分析或特征提取,使计算机辅助诊断(Computer.Aid Diagnosis,CAD工作得以 实施。CR系统的X线摄影剂量比较低,是传统X线摄影的l/22/3,摄影条件 的范围宽(王骏,2004。其数字化图像可存储于计算机硬盘或光盘中,为医 学影像存档与通讯系统(Picture Archiving and Co咖unication System,PACS 的应用创造了条件,也为远程医学的发展打下了基础。CR系统使用的是数字化成像技术,可以将所得到的信息按诊断的要

32、求进行 视觉上的再处理,并可在计算机中长期保存,这种技术一经开发便得到人们的 重视,现已经广泛应用于临床诊断。然而CR是一种间接转换型的X线数字成像技 术,在由IP板转换到计算机数字矩阵的过程中,会发生能量转换,因而并不是X 线能量信息的直接反映。90年代末期,一种新型的X线数字成像方式出现了,这种技术被称作直接数 字化x线摄影(DR。DR系统成像没有中间的能量转换过程,X射线到达接收装置 后直接转换成数字信号供计算机采集,因而大大减少了中间环节带来的不利影 响,图1.3显示了两种不同的X射线转换方式。X射线 X射线图1.3CR与DR的x射线转换方式由于提高了X光的转换效率,DR系统可以在较低

33、X光条件下得到较好的数字 图像,病人接受的X光剂量更小。同时,DR系统成像速度快,图像具有更高的分 辨率和对比度。DR系统的诸多优点,也使得它成为了数字化X线成像技术未来的 发展方向。1.2DR图像处理方法研究的意义Frost&Suillvan公司于2004年完成了一份“全球DR市场”的市场调查报 告,这份报告称2003年全球DR市场3.765亿美元,到2010年将增加到8.287亿美元。该公司分析师Antonlo Garcla认为,一些潜在的用户决定推迟购买DR 系统,是因为他们在等待目前的DR系统升级换代以具有更好的诊断和治疗性能。 DR系统的优越性能和其拥有的强大后处理功能是用户花大价钱

34、买DR系统的 真正价值所在,这也是与常规X射线成像设备相比的优势。另外,仅仅有高质 量的图像可能还不足以让用户下决心选择购买DR,如果既有优秀的图像质量, 又能实现X射线低剂量辐射检查,用户才会真正乐意选择DR。在DR技术达到一 个更高水平和价格稳定之前,医院放射科大多会同时使用CR和DR系统。与传统的X线摄影相比,直接数字化X线成像有着强大的的优势(郭长运, 2002,简要地概括在以下几个方面:(1优异的图像质量和强大的后处理功能。图像后处理技术是数字化影像提高图像质量的精髓。通过边缘增强或平滑 处理,调整窗宽窗位观察,利用放大缩小等软件功能,对不同部位,不同被检 组织进行不同的后处理,从而

35、使图像更为清晰。从理论上说,数字化图像是由 像素来组成图像,它的空间分辨率不如传统胶片模拟图像的高,但是由于人体 肉眼对空间分辨率的感知有一定的限度,超过这个限度即不可分辨。以X线CT 为例,它的高密度分辨率是胶片无法比拟的,从图像的对比度、宽容度和所具 备的灰阶指数都优于胶片,因此,图像质量和所得到的信息远远超过胶片的模 拟图像。4 (2降低X射线剂量。图像的质量取决于它的信噪比,而这又与X射线的有效利用率有直接关系。在数字化X射线技术的评价上,X光的量子检测效率(Detective Quantum Efficiency,DQE常常被用到,DQE有机结合了图像的对比度,噪声,空间分 辨率和X

36、射线的剂量等因素,是一有效的评价指标。DQE的数值高,说明X射线 的有效转换率高,图像的信息利用率就高。由于数字化成像板感光介质的感光 曲线与普通X光胶片不同,在对比度和宽容度上有较大的动态范围,再加上特 别是DR检测器的高灵敏度,使得数字化成像的DQE可以从传统胶片的2030%提高到60一70%。从而使X射线剂量可以大大降低,DR与CR相比更为明显,可 以降低2/3以上的剂量。(3高效率存储。随着计算机和信息技术的发展,数字存储的方法越来越多,其容量也越来 越大,这极大地促进了数字化图像的存储(王中锋,徐明,2001。目前中短期 的存储可用磁盘或磁盘阵列,这种图像在线技术使得图像调阅非常方便

37、;长期 存储可用光盘或数字磁带,一张光盘可存储数千张无压缩图像,而数字磁带的 容量更大。数字存储的方式将以往用胶片存储的死信息变成了活信息,随时可 以再次调出并进行图像的后处理或调整窗宽窗位观察,也使得过去由于借阅胶 片而丢失的信息资料得以保存。(4提高工作效率。由于数字化X线摄相可以在检查当时从显示屏上观察图像,减少了冲洗胶 片的过程,因而提高了工作效率,缩短了病人等候时间。特别对于急诊、重症 病人,尤为适用。(5图像传输,资料共享。数字格式的图像可以通过网络传输,使临床科室特别是手术间、监护室及 时看到病人的图像,极大地提高了影像信息的利用率,做到资料共享,方便了 临床治疗。这种传输也为远

38、程医疗会诊奠定了基础。(6节约资源。包括三个方面,一是通过后处理提高了图像质量,尤其是对于照相难度大 的部位、特殊条件(如太胖或太瘦的病人、以及重症病人的床旁照相等,原 来这些拍照中差片和废片率极高,现在经过图像处理可以大大降低了废片率, 并且减少患者重拍:二是数字化存储节省下了大量胶片,同时也节约了大量用第1章绪论于存储胶片的空间;三是减少了显影、定影液的消耗,节省了国家对环保治理 的投资。表1.1显示了数字化X线摄影与传统胶片摄影的对比(高磊,李建国等, 2000。表1.1数字化X线摄影的特点随着电子信息时代的发展,X线检查数字化已经成为一种必然趋势,但在我 国由于地广人多,经济实力与发达

39、国家相比还有很大差距,各个地区的经济发 展水平也不平衡,因此X线检查数字化的道路可能要走相当长的一段时间。 综上所述,一方面,DR系统不仅具有诸多性能上的优点,还有着广阔的发 展和应用前景,产品在未来的需求量呈上升趋势;另一方面,由于DR成像技术 是在近几年才刚刚发展起来的,还有很多不成熟的地方,在系统控制和图像处 理方面存在着很多技术难题有待研究和解决。DR图像含有丰富的人体组织分布 信息,有待于图像处理算法的深入挖掘,以便更加有利于医生对疾病的诊治。 因此,数字化X线成像方法的分析和的研究已经成为医学影像领域的一个研究热 点。对直接数字化X线摄影系统成像方法进行研究,不仅能够提高X线数字图

40、 像的质量,减少病人拍摄时的X光剂量,更能充分探索图像中的人体组织信息, 从而更好的了解人体健康状况。同时,对这一课题的研究还能推动医学影像领 域其它相关研究的发展,如病灶的自动检出、计算机辅助诊断等。由此可见, 6第l章绪论直接数字化X线摄影系统成像方法研究具有重要的理论意义和应用价值。1.3国内外研究概况数字化的X线图像富含大量的人体信息,在临床应用中,通常会采用数字 图像处理的方法对采集到的X线图像进行处理,在获得最佳的可视效果的同时, 还可以了解到更多的病理细节。图1.4显示了由平板探测器出发的DR系统各研 究分支,主要包括:非晶硒材料、TFT设计、读出电路以及图像处理。SE址tIUM

41、 BEP05ITOH电坩昏旧p阱列蛄on tedl耐ogyH劬produc嘶辞and托口h qu蠢.姆一瞻妇|摹a喇曲i竹韶vingTH】K-F11.H T;LRSIsTOR DES王6一一pl_opr;etaq df蝴一li曲!ye魄h劬peffom脚1ce gtrudureU5Patentfledm 2l(a瞄s cou“h酷】|“图1.4DR系统成像研究方向 REoDlrr ELC玎【嘲ICS Kgb pf喇如n elec打。嵋cs A叫o%d弼taJditde5i卿一Lo孵i糖dlaf辨榭j脚藕efC5IMAC丢PRoCES5INGMorton et al(1994介绍了一个基于平板矩

42、阵的数据采集系统,并提出 了平板矩阵的非零响应。Aach et a1(1999首先提出了数字化X线图像的采集 和图像处理过程,他在实验中使用的是CCD探测器,其研究重点于动态的数字 化X线成像(Digital F1uoroscopy,DF,并分析了系统噪声和量子噪声对图 像带来的影响。Kasap et a1(2002在介绍CCD平板探测器后,引入了直接转 换方式的平板探测器,其矩阵大小为24803072。在分析了电路系统工作原理 的基础上,他提出了暗电流(Dark current的存在,暗电流的不均匀性分布 会影响到最终的图像数据。他指出了平板探测器在胸片摄影、动态X光透视、第1章绪论乳腺摄影

43、以及工业检测等方面都有着广泛的应用。平板探测器的工艺限制,以及X射线能量转换过程中带来的噪声,都会造成 对x线衰减信息的非完全真实性反映。wischmann et al(2002提出了平板探测 器的校正问题,包括系统的非零响应,像元响应的非线性,以及坏像素的处理 等。而Denny et al(2001介绍的是一种均值滤波的方法,来消除系统的随机 噪声。2004年,周正干等对射线检测中的平板探测器进行了分析研究,并针对 其中的影响因素提出了校准方法,在X线无损检测方面取得了很好的效果。 在X射线图像拼接方面,Fuji公司为了解决脊柱侧弯的手术测量需要,开 发了用两个装有IP板暗盒同时曝光,然后进

44、行图像拼接的技术解决了脊柱全长 摄影。GuoQin Wei et al(2003在他的研究中介绍了这种方法,不过由于操作 难度较大,实用性不强,因而很少被采用。在DR系统,只需要调整病人床架的 位置,就可以快速多部位成像。能量减影是数字化X线图像的一大亮点。Fuji公司在CR能量减影时采用了 在两片IP之间加一片O.3咖Cu的滤过板,装入暗盒,一次曝光可以得到三幅 图像,一是普通标准胸片,一幅高能量胸片图像(主要是骨骼结构,另一幅减 影后的肺组织图像。由于是一次曝光,所以它的减影效果比较好。时间减影则 是将不同时间的两幅数字化胸片相减以尽早发现病变或可以进行病灶的随访比 较。由于两幅不同时间的

45、照片位置难免有错位,在处理时会发生定位错误(Miss Registration,Fuji公司采用的是在一张照片上采用周边4个点和中央一点的 参考点校正方法,与别的公司有所不同。DR系统的能量减影涉及到复杂的X线 曝光系统的控制配合,现在只有GE公司采用。从CR到DR的发展过程中,医疗器械生产厂家和各研究机构就在数字化X线 图像的后处理上着力研究,力图不断提高图像质量。图像组织均衡方面的软件, 女口AGFA公司的MUSICA(Multi Scale Image Contrast Amplification,KODAK 公司的EVP(Enhanced Visualization Inlage Pr

46、ocessing,FUJI公司的 MFP(MultiFrequency Processing,PHILIPS公司的NIQUB(uni fied image quality enhancement。它们的共同特点是:根据不同部位自动地使每幅图像 最优化,确保始终如一的高质量图像,也就是消除原曝光图像中过亮及过黑的 区域,降低细节损失,从而提供高细节对比度,显示更佳解剖结构和协调的图8第1章绪论像。Peter et al(1983最早提出了拉普拉斯金字塔(Laplacian P”amid图像 编码方法,用于对图像进行多层次小波分解。Pieter Vuylsteke于1999年将其 应用于CR图像增

47、强,发展成为了MUSICA算法。胸部摄影是DR图像的主要应用之一,管卫(2007研究了胸部数字化X线影 像(DR中肺部小结节的自动检测技术及临床应用。此外,X线图像在乳腺图像 中微钙化检测,以及乳腺癌的检测分析(刘伟,2005中也有一定的应用,特 殊构造的X线机还可用于牙周病的检查(刘晓峰,2001。以上介绍的是数字化X线图像在不同方面的应用和研究进展,由于DR系统 是在最近10年才发展起来的,对于数字化X线图像的更多的研究重点于CR,以 及其它各种应用方面的研究,如乳腺摄影、牙齿X光检测、工业无损检测等。 为此,有必要对DR成像方法及其在影像诊断方面的应用进行系统研究,以促进 DR成像系统的

48、性能提高和应用普及。1.4DR图像处理中的关键问题由于上节介绍的DR系统具有诸多特性,DR技术涉及到多个学科,对DR系 统成像的研究具有很大的自由度。具体来说,根据数字化X线图像的形成过程, DR系统图像处理的研究方向主要包括:(1平板探测器材料的研究。平板探测器是X光转换为电子信号的关键部件, 平板数字探测器研制成功并应用于临床诊断在成像技术上是一个飞跃。数字探 测器代替了传统X线设备由影像增强器、光学系统和模数转换器构成的影像链。 由直接数字化代替传统的模数转换。因而避免了影像链上诸多环节对影像产生 的影响,减少了图像的噪音和失真,提高了影像的对比度和分辨率,通过调节 窗宽窗位,扩展了影像

49、的动态范围。在进一步提高探测器的量子检测效率(DQE 的同时,需要保持大面积平板象元响应的可靠性,这方面的研究涉及到材料科 学和电子电路,并且和产品的加工工艺水平密切相关。(2控制系统的优化。DR系统的一个显着特点就是成像速度快,能加快医院 影像科的图像采集和处理流程,包括动力装置和成像环节,DR系统有很多参数9第l章绪论需要控制。高压发生器控制着X射线球管发射的X线剂量,通常情况下,这部 分的参数调节是手动操作的,操作技师需要在输入病人信息后,根据拍摄部位 来调节电流、电压参数,工作较为繁复。信息的自动录入是医院PACS的发展趋 势,DR系统作为医院影像科的主要检查设备之一,也有进一步完善自

50、身操作流 程的需求。(3图像采集。DR系统图像采集需要和X射线发射系统有很好的配合,而且 还要根据平板探测器的结构和性能对得到的数据作相应的分析和处理,整个过 程涉及到复杂的时序控制。同时,由于平板探测器中的数据并非完整的图像块, 而是由多个采集电路拼接而成的隔行交错信息,图像采集程序的设计难度很大, 所以国产DR设备中的相应软件几乎都依赖进口。对DR图像采集过程进行研究, 是理解DR图像的重要一步,也是必须经历的一步。(4图像校正。平板探测器在DR系统成像过程中发挥了重要作用,但是对 于一个大规模的阵面探测器来说,要使每个像元的噪声、增益及其线性等参数 严格不变是十分困难的,因此必然存在不一

51、致性,阵列像元之间的这种不一致 性将导致像元输出即象素值的不一致性。在一幅图像中,这种像元幅值不一致 性是以噪声的形式存在的,表现为各个像元亮度的非均匀性,它不但影响人眼 的可视性和对缺陷的分辨率,而且还直接关系到成像的信噪比(SNR。因此我 们需要控制并消除像元的不一致性,提高DR系统的成像质量。同时,从X射线 球管发出的X射线束在空间中的分布并非完全均匀的,这也会造成我们对X线 图像信息的误读,因此,必须对DR数字图像进行校正处理,以还原更多的真实 人体组织信息。(5图像后处理。DR图像具有丰富的信息,但同时也造成了图像的数据量较 大,需要更多的存储空间。同时,对于医学诊断上的某些应用来说

52、,如人体躯 干的摄影,由于DR系统平板探测器的面积有限,只能通过多次检查获取整体图 像。DR图像有很大的动态范围,人体不同组织(骨骼、肌肉、软组织的信息 都会在图像中得到反映,通常得到的图像都只对人体骨骼部分有很好的显示, 更多细节信息则藏在图像阴影部或者相对变换平缓的区域。对图像进行各种后 处理操作,不仅能提高图像的视觉效果,更能突出医生诊治疾病所需要的细节 信息,同时也为进一步的计算机参与疾病检测打下了基础。10第1章绪论(6病灶的自动检测。医学图像中疾病的自动检出是一个很有意义的研究课 题,通过计算机参与图像中病灶的自动、半自动识别,可以在减轻医师工作量 的同时,大大降低病患的误诊和漏诊

53、率。这方面的研究需要和医学上的专业知 识相结合,同时还需要大量的临床医学图像进行统计判断,以检验算法和系统 的可靠性。1.5本文的主要工作针对上节提到的DR系统成像的研究方向和关键问题,本文对成像的相关环 节进行了分析和研究。DR系统的成像过程,就是X射线能量从产生到转换化为 数字信号的过程。高压发生器的控制是X线产生的基础,从X射线的参数控制 开始,到X射线转换为电子信号、数字信号的获取,以及对数字矩阵信息的还 原真实处理,并根据实际应用的需要进行图像后处理,这些研究工作构成了DR 系统成像方法研究的一条相对完整的链条。图1.5给出了本文的基本框架。图1.5DR系统成像方法研究框架本文的主要

54、工作包括:(1对DR系统的成像过程进行及X线曝光控制流程进行了分析研究。高压发生 器控制着X射线的曝光剂量,DR系统通过控制台和高压发生器进行数据交 换.:在对接口电路进行分析的基础上,我们设计了新的接口电路,用PC机第1苹绪论串口和相应的软件实现了计算机与高压发生器之间的通信,使得操作者只 需坐在PC机前就可以方便地控制高压发生器。(2详细分析了传统X线成像方式和数字化X线摄影。重点于DR系统及其探测 器结构的分析,并对影像平板探测器性能的诸多因素进行了介绍。在此基 础上,重点研究了DR系统图像采集中的信号控制问题后,设计了平板探测 器状态控制和数据处理流程;提出了原始图像的隔行扫描及其区域

55、交换算 法,解决了如何将原始图像调整为正常的X射线图像的问题,并在此基础 上设计了DR图像的采集、显示和存储程序。分别对水模和人体部位进行了 X射线成像测试实验,解决了DR图像采集过程中的信号控制和图像处理的 问题。(3结合DR系统成像原理及图像采集过程,从X射线到计算机数字图像过程中 的能量转换角度,详细分析了X线能量变化过程中的噪声来源,着重讨论 了由X射线光场不均匀性和平板探测器的像元响应不一致性带来的图像噪 声,并针对各种影响因素,采取了相应的校正方法。最后,针对现场系统 的X射线场不可测性,提出了一种新的整体校正理论,设计并实现了一种 行之有效的现场操作算法,在常规X线剂量和较大X线

56、剂量下,对不同照 射距离的拍摄的图像进行了校正。(4对多幅DR图像的拍摄过程进行建模,提出了基于特征点的图像配准算法, 并使用加权平均法对图像进行了融合,解决了DR图像拼接中亮度相差较大、 相似特征点较多和位移较大以及处理时间较长等问题,并在此基础上设计 了DR图像的拼接算法程序。分别对物体和动物鱼以及人体进行了X射线摄 影,做了图像拼接实验,检验了算法的有效性。(5研究了X射线图像中的曝光区域特性,提出了X射线图像曝光区域自动检 测出算法,并进一步对图像进行自动裁剪,减少了图像的存储空间,方便 于医生的操作和诊断。在此基础上,提出了一种可伸缩性图像增强算法, 使得图像整体和细节都有较好的改善

57、,进一步提高图像质量;最后,采用 优化的窗宽窗位算法来显示图像。1.6本文的结构安排12第1章绪论本文主要研究DR系统成像中的几个关键问题:高压发生器控制、图像采集 和校正、图像后处理。本文的其余各章内容安排如下:第2章介绍两种数字化X线成像方式CR和DR,重点于直接数字化X线摄影方 式,详细分析DR系统平板探测器的工作原理,并讨论了平板探测器性 能对DR系统图像质量的影像。第3章首先讲述DR系统结构和高压发生器参数控制,然后根据控制台的数据 交换机制,重点讨论接口电路改造和相应的软件设计,并给出实际应用 结果。第4章在讲述平板探测器结构的基础上,引出DR系统的X射线曝光控制中的 信号控制问题

58、及其详细流程,接着介绍图像采集算法,并给出实验结果。 第5章本章着重分析DR系统成像过程中的X。射线能量转换,对各种X射线图 像噪声进行研究,重点分析了X射线光场分布的不均匀性和平板探测器 像元响应的不一致性。随后,对各种影响图像质量的因素作了校正处理, 并根据实际应用中的曝光条件不同,提出并实现了一种现场校正算法。 第6章讨论多幅图像的拼接问题,提出了基于特征点的图像配准算法,重点解 决DR图像拼接中亮度相差较大、相似特征点较多和付移较大以及处理 时间较长等问题。第7章介绍DR图像中的曝光区域自动检出算法,提出一种可伸缩性图像增强 算法,使得图像的整体和细节效果都得到改善。第8章对全文做出总结,并展望将来的一些研究方向。第2章数字化X线摄影原理第2章数字化X线摄影原理一直以来,X线放射成像都是医院影像科临床诊断的主要手段之一(王骏, 2003。20世纪50年代,X射线机的结构比较简单,图像的分辨率也比较低。之 后的几十年中,X射线成像技术发展很快,尤其是使用了影像增强管系统后,病 人的照射强度下降了,图像的分辨率与清晰度都得到极大