X射线成像系统非均匀校正方法研究

2022-01-04乔运伟刘英杰李子文

河北省科学院学报 2021年4期

乔运伟，刘英杰，李子文

(河北省激光研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

X射线自1899年被发现以来得到了广泛的应用，如医疗、安检、工业探伤等领域。目前用于X射线透照数字成像的器件主要有平板探测器(FPD)、线阵探测器(LDA)、X射线CCD(Charge Coupled Device，即电荷耦合器件)相机等。影响X射线成像质量的因素有多种，本文主要分析组成系统的X射线向增强器、CCD相机和镜头对成像质量的影响，根据噪声的特点，得出校正方法。

1 像增强器对成像质量的影响分析

本研究的X射线成像系统由X射线像增强器、CCD相机和光学镜头组成，如图1所示。X射线透过被测物照射到像增强器上，像增强器将透过被测物的不可见X射线转换成可见光，再经CCD相机采集后传输到计算机，得到X射线数字图像。基于微通道板的像增强器由光电阴极输入端、微通道板、荧光屏输出端三部分组成。X射线入射到像增强器输入端后激发光电阴极产生光电子，光电子进入微通道板并在微通道内进行倍增，在加速电场的作用下，倍增的电子轰击输出端的荧光屏，使荧光屏发出可见光[1]。

图1 X射线数字成像系统工作原理

像增强器对成像质量的影响可以概括为微通道板内的电子倍增随机噪声影响和光电阴极、微通道板、荧光屏的固定不均匀性影响[2]。

光电阴极一般是用具有高X射线接受率和高可见光子产量的碘化铯[3]做成的。本研究的X射线像增强器是直接将碘化铯镀到微通道板的输入端面，受镀膜工艺的限制，很难保证镀膜厚度的均匀性。碘化铯光电阴极的薄厚差异导致在相同的X射线强度的照射下光电子分布的不均匀。

微通道板是一种由成千上万个结构紧凑的电子倍增通道构成的面阵。对单独的微通道来讲，由于电子数目、能量、速度等不确定性因素的存在，电子倍增是一个随机的过程，而每次倍增又会影响二次电子的发射[4]。对于整个面阵微通道板来讲，存在微通道管壁厚度和开口方向的差异性，这种差异性是固定不变的。

受制作工艺的影响，荧光屏上荧光粉厚度和密度空间位置上分布不一致，当电子轰击荧光粉发光时，荧光屏就表现出亮度不均匀的现象，严重的还会出现斑点缺陷。荧光屏的这种不均匀性也是有规律的。

2 CCD对成像质量的影响分析

CCD对成像质量的影响可从有光照的像元响应不一致性和无光照的暗电流两方面分析[5]。光照下的像元响应不一致性是指在均匀光照射下，各个像元响应灵敏度和有效感光面积的不一致性，主要是与制作CCD芯片时所用材料的均匀性和工艺过程有关。这种不一致性是固有存在的。但在光信号照射下，每个像元产生的电荷数目不是一成不变的，而是在一个平均值的小范围内波动，这种微小的波动是随机的。

CCD暗电流是指在无光照条件下输出的电流，主要由两个部分构成[6-8]：(1)热激发产生的暗电流噪声，属于随机噪声；(2)少子复合产生的暗电流噪声，与像元位置有关，集中在像元缺陷处，当像元上的缺陷分布集中时就会形成尖峰脉冲且幅值远大于热激发噪声。

3 镜头对成像质量的影响分析

镜头对成像质量的影响主要表现为渐晕现象。表面亮度均匀的物体，位于光轴上的点进入光阑成像的光束比远离光轴的点进入光阑成像的光束大，这就造成了成像面的光照度从中心向边缘逐渐减低，图像中出现从中心到边缘亮度逐渐变暗的现象[9]。这种由于光学系统通光量不同造成的光学现象称为渐晕。镜头渐晕与镜头本身的参数有关[10]，与光照强度和光照时间无关。

4 系统校正

X射线像增强器、CCD相机以及光学镜头对成像质量的影响主要表现为图像亮度均匀性差且噪声大，对比度低。通过以上分析，系统噪声可以分成随机噪声和固有不均匀噪声，因此本研究从这两方面进行系统的非均匀校正。

4.1 随机噪声校正

X射线图像中的噪声很大一部分是随机噪声，在实际应用中，这种噪声叠加到信号上，属于加性噪声，可通过帧平均的方法来减小影响[11]。假设各图像中的随机噪声是相互独立的，则图像可看做是理想的有用信号和噪声信号的叠加。

g(x,y)=f(x,y)+n(x,y)

(1)

其中，f(x,y)表示图像中的有用信号，n(x,y)表示图像中的随机噪声信号。K帧图像叠加平均后的结果如式(2)。

(2)

用图像的信噪比来衡量图像帧平均前后的质量变化，信噪比定义如下：

(3)

(4)

(5)

μ表示图像的各像素平均值，σ表示图像的标准差，g(x,y)表示图像g中坐标为(x,y)的像素点，M和N代表图像行数和列数。

在X射线管电压70kV，管电流80μA，焦屏距离330mm的透照条件下，对铝铸件采集透照图像，进行帧平均校正。

图2 帧平均效果对比

帧平均后的图像变得光滑，噪声颗粒度明显减小，且随着平均帧数的增加，图像的噪声越小，如图2所示。在图像中选取指定位置、指定面积的区域(100×100像素)计算标准差，对比平均前后的计算结果进一步证明图像噪声得到了有效抑制。对比分析如表1所示。

表1 帧平均对比分析

根据实验得出，当帧数超过一定值时，帧平均图像质量改善程度下降。以图像的信噪比变化为依据，当相邻两次帧平均图像的信噪比差别不大时，就停止图像帧平均操作，不再进行帧累加。

4.2 固有不均匀噪声的校正

X射线成像系统的结构一经确定，CCD与像增强器的位置关系及光路系统也就确定了，系统的固有不均匀性随即确定，为了简单和具有通用性，将三者引入的不均匀因素作为整体考虑。

首先，对多张X射线曝光图像进行帧平均处理，减小系统随机噪声的影响；然后，计算平均后图像的空间像素均值(参见式(4))，将此值作为校正标准值，用平均后图像中的各坐标点的像素值除以校正标准值，得到系统固有噪声校正矩阵。

在得到校正矩阵时，成像系统前不能放置任何被测物，调节X射线机的管电压、管电流、CCD积分时间、焦屏距离等参数，确保输出图像的均值在预设的范围内，不能过曝或欠曝。校正矩阵可以用式(6)表示：

(6)

透照图像与校正矩阵相乘即得到校正图像：

g′(x,y)=g(x,y)×H(x,y)

(7)

4.3 系统校正过程

在对透照系统进行校正时，先连续采集K帧图像，进行图像的帧平均操作，滤除系统随机噪声的影响，然后再对平均后图像进行非均匀校正。X射线成像系统校正过程见下式：

(8)

其中，g′(x,y)表示校正后图像，H(x,y)表示校正矩阵。

本研究设定管电压60kV，管电流80μA，积分时间500ms，焦屏距离330mm，设定均值范围7500～8500(16bit灰度图像)，连续采集曝光图像32张，得到不均匀校正矩阵H。然后在成像系统前放置被测物，采集透照图像。边采集边进行帧平均，计算平均后图像的信噪比，当相邻两次帧平均图像信噪比的差值在5%以内时，停止图像采集和帧叠加操作。分别采集铝铸件透照图像16幅，像质计透照图像10幅，进行校正前后的对比分析。