基于PaxScan2520D平板探测器的锥束CT成像软件开发

孔凡亮 ,李光，罗守华 ,陈功

1.东南大学 生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096；2.江苏省中医院 医学信息工程部，江苏 南京210096

基于PaxScan2520D平板探测器的锥束CT成像软件开发

孔凡亮1,李光1，罗守华1,陈功2

1.东南大学 生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096；2.江苏省中医院 医学信息工程部，江苏 南京210096

本文介绍了PaxScan2520D平板探测器的工作原理和工作模式，根据项目的需求，对Varian公司提供的开发包进行了封装，利用多线程技术，实现了基于PaxScan2520D平板探测器的实时成像，并对探测器的噪声进行了分析，提高了探测器图像的成像质量。

平板探测器；API封装；多线程；成像软件

0 前言

锥束CT（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）采用低能射线，射线呈锥束状发出，射线与传感器同步围绕病人旋转一周或不足一周即可成像，扫描过程只需几十秒。CBCT硬件系统中最重要的组成部分是平板探测器和射线源，其中射线源负责发出X射线，穿透人体组织结构；平板探测器用于接收X射线，并按一定的方式处理为数字信号，经校正、消噪等，将数字信号通过千兆以太接口发送到计算机，再将数据发送到重建服务器进行重建，最后将重建以后的断层图像提供给医生使用。

目前,国外己有多家公司制造和销售平板探测器，例如Canon、Varian、Trixell、GE、AnRad和Hologic公司等等。这些公司的探测器在结构组成上各有不同，其中Canon、Varian、Trixell和GE公司的平板是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非晶硅层(a-Si)再加TFT阵列构成，而AnRad和Hologic公司的平板主要是由非晶硒层(a-Se)加薄膜半导体阵列(TFT)构成的平板探测器。以非晶硒作为光电导体可以直接将光信号转换为电信号，避免散射的发生，但是对X线吸收率较低，在低剂量条件下图像质量不能很好地保证。而非晶硅对于X线接收器来说是最理想的材料，因为非晶硅对放射线的伤害是免疫的。GE、Canon的平板使用的是碘化铯（CsI）或Gd2O2S:Tb涂层，因不是柱状晶体结构，所以能量损失较严重。Trixell公司的平板的闪烁体是CsI，由于工艺复杂难以生成大面积平板，所以采用几块小板拼接成大块平板，拼接处图像需要由软件弥补[1]。

综合各方面因素考虑，本文采用的是Varian公司的PaxScan2520D平板探测器，其非晶硅面阵尺寸为25cm×20cm，像元尺寸为127μm，图像灰度深度为14bit。该探测器具有以下几个方面的优点：① 宽动态范围，数字图像的灰度深度为14bit；② 低散射损耗，平板探测器的成像机理决定了散射损耗小；③ 快速图像采集，能够到达30帧/s；④ 没有图像的几何畸变和失真[2]。本文通过研究PaxScan2520D平板探测器的工作原理和工作模式，利用Varian公司提供的开发包，根据项目的需求，对其提供的API进行了封装，利用多线程技术，实现了基于PaxScan2520D平板探测器的实时成像软件的开发。

1 PaxScan2520D平板探测器工作原理与模式

1.1 平板探测器的工作原理

平板探测器的结构，见图1。在间接转换型平板探测器中，X射线光子在闪烁体层转换成可见光，再通过光敏二极管将可见光转换成电信号，由TFT阵列读出。直接转换型平板探测器使用一层无定型硒将X射线光子直接转换成存储在电容中的电荷，再由TFT阵列读出。PaxScan2520D平板探测器属于间接转换型[3]。

平板探测器和要成的图像有同样大小的尺寸，因而探测器系统不会造成几何失真。另外探测器的厚度都很小，这也正是它被称为“平板”探测器的原因。平板探测器的读数装置是和探测器结合在一起的，本身就具有提高空间分辨率的优势。

1.2 平板探测器的工作模式

1.2.1 读触发模式

平板探测器的读出操作由读触发信号来启动。PaxScan2520D读触发模式分为两种：内触发模式和外触发模式。内触发模式的读触发信号由探测器自己产生，外触发模式的读触发信号需要由外部电路来提供。无论是内触发模式还是外触发模式，读触发信号都将启动一次探测器读出操作[4]。

1.2.2 图像采集模式

PaxScan2520D平板探测器共有两种图像采集模式：① 荧光透视法(Fluoroscopy) 采集模式，② 射线照相法（Radiography）采集模式。定义见表1。

荧光透视法与射线照相法的主要区别在于：首先，两种采集模式采集数据的频率有所不同，一般荧光透视法的采集频率最高能达到30Hz，而射线照相法的采集频率最高能达到10Hz；其次，两种采集模式下采集图像的方法有所不同，荧光透视法是将每一帧作为一张图像输出，而射线照相法则是将多帧图像叠加然后归一化作为一张图像输出。因此，荧光透视法一般用于实时成像系统中，而射线照相法一般用于手动采集图像的系统中。在本文中，根据实际情况的需要，我们采用的是荧光透视法，以达到实时成像的目的。

2 PaxScan2520D平板探测器实时成像的实现

在CBCT系统软件中，主要包括三个模块：档案管理、图像采集和可视化，见图2。其中图像采集模块利用PaxScan2520D平板探测器完成投影图像的采集、去噪、保存和显示等，然后将保存后的投影图像发送到重建服务器进行重建，进而得到断层序列，可视化模块可以载入断层序列进行可视化处理。

图2 CBCT系统软件

Varian公司为PaxScan2520D平板探测器系统提供了一套开发包，开发包中包括一些探测器的采集和校正的接口函数，如连接探测器、断开连接、开始采集、停止采集、偏移校正、设置校正参数等。虽然PaxScan2520D的开发包可以实现图像采集任务，但整个采集过程中每一步都会涉及到众多函数的调用以及众多参数的设置，因此，不能直接使用API完成采集过程，还需要对开发包进行进一步的封装。

另外在CBCT系统软件中，档案管理、图像采集和可视化3个模块分别以动态库的形式提供给CBCT主程序，它们在整个系统软件中是相互联系的，例如在新建1个病人档案后需要进入图像采集模块，进行图像采集存储和显示，采集结束后需要将图像数据提供给可视化模块进行处理，因此，每个模块都需要为其他模块及主程序提供全局可见的接口，图像采集模块的接口为IHDImageCapture。

表1 PaxScan2520D平板探测器的采集模式[5]

2.1 图像采集

2.1.1 采集流程

采集流程图，见图3。

2.1.2 采集类的实现

本文采用面向对象的编程方法将采集过程抽象为一个类：CImageCapture，该类派生于接口类IHDImageCapture。IHDImageCapture为纯虚类，没有任何的实现只是作为应用层的接口提供给其他模块使用，它对于程序的所有模块是全局可见的。CImageCapture对平板探测器的API进行了封装，简化了API的调用，方便应用层的调用，并实现了采集过程中的错误检查，以便于在调试过程中或用户操作过程中发现平板探测器运行的一些错误信息。该类主要实现了下面几个函数[6]：

这几个函数的作用分别为初始化探测器设备、开始采集、结束采集、得到数据、释放探测器设备和得到运行过程中的错误信息等。

2.1.3 多线程实现图像的采集、存储和显示

首先，平板探测器在荧光透视法模式下的采集频率最大可以达到30帧/s，所以采集1帧图像时间是很短的；其次，采集到的图像是14位的裸数据，分布在16位的低14位上，但是计算机不能显示16位数据的全部信息，只能显示8位数据，所以还要将采集到的图像数据进行处理；再次，PaxScan2520D平板探测器输出图像的尺寸为1536×1920，像元深度为12bit，所以1张图像大小有5M左右，数据量比较大。基于上面所提到的3个考虑，为了达到实时采集实时显示的要求，不可能在1个线程中完成这些操作。这就需要将这几项工作分在不同的线程中，多个任务并行工作。工作线程2和工作线程3在工作线程1采集到每1帧数据后启动，分别进行存储和处理，见图4。

图4 多线程工作示意图

工作线程1是从平板探测器读出数据，并将数据存储到全局数据区内；工作线程2是将采集到的裸数据存入文件；工作线程3是将采集到的裸数据转换为8位数据；主线程是显示转换后的8位数据。

2.2 投影图像的噪声分析和处理

前面提到的PaxScan2520D平板探测器有很多优点，但是由于各方面的因素，所采集到的图像还是有很多噪声，而这些噪声会影响图像的质量，所以去除这些噪声是很有必要的。这些噪声主要分为两大类：设备的固有噪声和系统的随机噪声。噪声的来源，见图5。

固有噪声又分为偏移、像元响应不一致和坏点。偏移噪声主要是在未加射线照射的情况下，光电二极管和薄膜晶体管的漏电流以及数据采集电路中使用的电荷放大器零点漂移所造成的。像元响应不一致是在均匀射线强度照射下，探测器像元响应的不均匀程度所产生的。坏点是那些不能根据射线强度的变化而做出正常变化响应的像元。

随机噪声主要源于数据采集过程中探测器相邻行之间的干扰，因为像素数据是逐行读出的，对指定行的瞬间采样不可避免地要受到邻近行的影响。另外，从射线到可见光的转换、以及后续的光电转换等都伴有随机噪声[7]。

Varian公司针对这些噪声，为每个平板探测器提供了3个校正文件：defect_map.dat、ofts_img.viv和gain_img.viv。其中defect_map.dat文件中的数据包括平板探测器的坏点信息；ofts_img.viv文件的数据为一系列（通常为8帧）暗场（不加X射线）图像叠加求平均后的数据；gain_img.viv文件为一系列经过偏移校正后的亮场（加X射线但不放置物体）图像的数据。这3个校正文件分别可以校正坏点、偏差、像元响应不一致所产生的噪声，在平板初始化时可以设置采集过程中是否将这3个校正文件与采集到的数据进行计算。

3 结果分析

经过验证，该系统在荧光透视法模式下能够实时采集图像，并利用多线程能够实现同步采集显示和存储。并且采集到的图像是经过增益校正、偏移校正和坏点校正的图像，很好地去除了一些设备的固有噪声和随机噪声，图像质量较好。图6拍摄的是电压表，射线源的电压为60kV，电流为3mA，其中图（a）为没有执行校正所采集到的图像，图（b）为执行校正后采集到的图像。很明显，可以看到图（a）的背景中有很多噪声，其中包括设备的一些固有噪声，如黑色细线，还有一些随机噪声，如一些白点；而图（b）中可以看出，这些噪声都被很好地去除掉了。

4 结束语

随着微电子技术和材料科学的发展 ,数字平板探测器已成为近年来的一种新兴的X射线成像器件。由于它具有很高的空间分辨率和动态范围 ,而且又能提供快速的数字图像获取手段 ,所以,数字平板探测器在医学影像诊断中获得了广泛的应用。本文将PaxScan2520D平板探测器用于CBCT成像系统中，采集帧率可以达到30帧/s，能够达到实时成像的目的，并且可以在采集图像的过程中对原始数据进行校正，去除一些平板探测器的固有噪声，从而输出高质量的图像，符合CBCT的要求。

图6 电压表投影图像

[1] 李金霞,杨旭,赵宏波.DR不同类型平板探测器性能的比较研究[J].中国医学装备,2011,8(8):25-27.

[2] 刘林栋,蒋红兵.基于平板探测器校准的DR质量控制管理[J].中国医疗设备,2011,26(10):111-113.

[3] 唐杰,张丽,高文焕.基于平板探测器的锥束CT系统综述[J].中国体视学与图像分析,2004,9(2):65-70.

[4] 郭栋,王明泉.基于Paxscan1313的实时成像系统开发与应用[J].电子技术应用,2010(4):135-137.

[5] 郭彦斌.基于PaxScan2520平板探测器的X射线成像处理系统研究[D].北京:机械科学研究院,2005.

Development of the CBCT Imaging System Based on PaxScan2520D Flat-panel Detector

KONG Fan-liang1, LI Guang1,LUO Shou-hua1, CHEN Gong2
1.School of Biological Science & Medical Engineering, Southeast University,Nanjing 210096, China; 2. Medical Information Engineering Department,Jiangsu Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Nanjing Jiangsu 210096, China

This paper introduces the working principle and mode of PaxScan2520D fl at-panel detector.According to the project demands, we encapsulated the API provided by Varian, and implemented the real-time imaging system based on PaxScan2520D flat-panel detector by using the multithread programming technology. At last we analyze the source of noise and improve the image quality of the image detector.

fl at-panel detector; API encapsulation; multithread; imaging software

1674-1633(2012)05-0090-04

2012-02-24

苏州市2009年科技计划工业专项资助（ZXG0918）。

作者邮箱：cracracra@126.com

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.05.031