基于变剂量扫描的X射线图像增强技术

段彦杰,杨 明,刘 宾,陈方林

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)

工业X射线检测领域中,大型复杂构件和材料的厚度变化往往从几毫米到几百毫米,且一些大型封装组合结构的内部由不同材料的零部件组成。因此射线透射方向上厚度差异较大,导致射线衰减程度的差异较大,到达成像器件探测器的光子数也差异较大,造成某些探元接收到的光子数超过其容限。在检测中如果仅保证较厚或衰减系数大的部位有足够能量的射线穿透,那么势必导致贯穿厚度较薄或衰减系数较小部位到达胶片或探测器的光子能量过高,表现为该区域图像灰度饱和,影响微细缺陷的有效检出[1-2]。目前实际应用中,对于厚度差异较大物体的X射线检测技术主要有采用高动态范围的成像器件、加准直局部透照以及双能或多能透照等。然而高动态范围的成像器件价格十分昂贵,同时也限制了数字射线成像系统的应用范围;加准直局部透照方法需要反复改变准直位置,反复试验,检测耗时长,具有较大的试验难度,而且效果一般,局限性大;双能或多能透照,在一定程度上解决了厚度差异较大的影响,却需要几个射线源同时工作,增加了试验设备负担和试验成本。西安交通大学提出采用尺度空间分解的X射线图像动态范围扩展方法,此方法可对两幅图像进行尺度分解并重建,但只能得到工件大致的结构信息,无法清晰地看出透射方向厚度差异较大的物体结构细节信息[3-4]。

笔者针对上述问题,对基于变剂量扫描的X射线图像增强技术作了研究。

1 变剂量透照方法

动态范围小的X射线图像所携带的有效信息量不足,无法有效获取所需整体细节信息。变剂量透照方法借助X射线剂量的递增变化,对工件透照生成序列图像并将序列图像拼接融合成一幅动态范围大的图像,从而实现数字X射线系统透视图像动态范围的增强,简要步骤如图1。

图1 变剂量透照方法简要步骤

首先进行预透照,分析在不同电压下,图像中透照区域的变化以及所对应的灰度信息变化,建立材料的灰度-电压-厚度关系模型,为后面射线管电压变化范围及间隔值提供先验信息,大概估计出被测物体所需最低和最高电压。不同管电压对应不同能量的X射线,穿透物体后在射线图像中表现为图像灰度不同,所以合理地改变管电压对工件进行多次透照,使获得的X射线图像序列中完全包含了工件不同厚度位置的所有相关细节信息。

其次对序列图像进行分析,由于序列中每幅图像有效的信息及位置不同,所以需要对每幅图像分析得出可用的有效信息,从而提取出有效数据子图。

最后对所提取的有效数据子图进行拼接融合获取一幅高动态范围的数字射线图像,从而有效地扩大数字射线系统透视图像的动态范围。

其中透照方式、子图提取和拼接融合这三个方面是重点。

1.1 透照方式

不同管电压对应不同能量的X射线,穿透同一厚度物体后在射线图像中的图像灰度也不同,但随着射线剂量的渐变,图像灰度的变化是一个连续变化的过程。另外,由于X射线的能量不同,所穿过的有效厚度不同,则随着射线能量从低到高的变化,在射线图像序列上依次显示物体等效厚度从小到大的有效透照区域。这样就可以根据前几帧的灰度信息对当前图像的灰度变化以及有结构信息的透照区域变化作合理的预测。利用数学方法建立预测模型,即可实现剂量预测。根据灰度-电压-厚度关系模型,预测下一帧的有结构信息的透照区域,以及该区域中的灰度信息,同时设置X射线的管电压,对物体进行透照成像。再对透射图像进行灰度统计分析,来自动调节射线源的管电压。

1.2 子图提取

在数字X射线成像系统中,度量图像质量的因素主要有两个：对比度和不清晰度。图像的对比度取决于X射线源的性能和能量及成像条件,清晰度则依赖于成像设备的几何条件和系统的调制传递函数MTF。本方法中,由于只改变射线的管电压,系统的其它参数没有改变,所以对于射线成像质量中的不清晰度是不变的,所以影响图像质量的主要因素是对比度。对比度是被检物体厚度微小变化引起胶片密度或亮度(屏图像)变化的度量。显然,在其它因素相同的条件下,对比度越大,则成像的质量越好。因此高对比度图像将产生高的检测灵敏度。

设射线入射强度为I,物体厚度变化为Δx,物体对射线的线衰减系数为μ,射线的散射比为n,射线转换屏的亮度为B,相应的图像对比度为：

可见,影响图像对比度的主要因素是射线散射比,散射比越小,图像的对比度越大,成像质量越好。对于某种材料而言,影响散射比的主要因素是射线能量(电压),而能量决定射线穿透能力,然而电压变化直接反映在射线图像上是灰度的变化,所以本方法通过试验方法找到透视图像最佳对比度对应的一个最佳灰度带,并以此作为序列图像中数据子集的提取分割依据。

1.3 拼接融合

根据灰度-电压-厚度的关系模型,对在不同电压下提取的物体透视图像数据子集进行灰度加权,使提取的有效区域在拼合后能够正确地表现出物体整体的结构变化,同时提高数字射线图像的动态范围。

图2为拼接融合方法原理图,图中左侧U1,U2,U3和U4为不同电压下的灰度-电压模型曲线。

(1)当电压加到U1时,能够使被测物体的最厚部分达到最佳灰度带,即能够使最厚区域的信息完全,因此方法的第一步：以U1灰度-电压-厚度模型曲线为灰度增强的基础曲线。

图2 拼接融合方法原理图

(2)方法的第二步：将U1,U2,U3和U4对应的有效厚度依次平移拼加在U1曲线上,得到如图2右侧所示的ah曲线段,对应厚度变化AH。图中max1为探测器所能到达的最大灰度值(12位A/D即为4094),max2为图像灰度增强后能够达到的最大灰度值。

2 试验

试验采用中北大学电子测试技术国家重点实验室所配置的X射线CT/DR系统,其中450 kV的GE射线机,12位A/D的Paxscan 2520探测器,以及实验室自主开发的图像采集程序进行序列图像的采集。

2.1 阶梯试块变剂量透照

试验对象：钢质阶梯试块

成像条件：电压由低到高进行透照,电压范围为80～190 kV,步进为10 kV,电流为1.5 mA 。

阶梯试块的厚度分别为 1,1.5,2,4,6,8和10 mm,为了能测试其拼接效果,在阶梯试块底部粘有直径分别为0.4,0.6和0.8mm的细丝,并做适当的弯曲(图3)。由于图像数目较多,因此选取80,130,160和190 kV进行分析(图4)。

图3 阶梯块结构示意图

其中图4(a)前三个阶梯比较清晰,而后三块缺乏相关信息;图4(b)第四个阶梯块比较清晰,但第一个阶梯已经无任何相关信息;图4(c)同图4(b);图4(d)最后两个阶梯块比较清晰;图4(e)所有的阶梯都比较比较清晰,很好地将三根细丝信息完整地表现出来,达到了动态范围扩展的目的。

2.2 缸盖变剂量透照

实验对象：钢质缸盖

成像条件：电压由低到高进行透照,电压范围为60～150 kV,步进为5 kV,电流为1.5mA。由于图像数目较多,因此选取60,100和150 kV进行分析(图5)。

如图5(a)缸盖薄的空洞比较清晰,而较厚的部位缺乏相关信息;图5(b)孔洞与周围相连区域比较清晰,但较薄位置的空洞已经无任何相关信息;图5(c)缸盖较厚部位的孔洞比较清晰,而其余部分相关信息很少;图5(d)拼接融合后的图像很好地将缸盖各个部位的信息显示得很清晰,同样达到了动态范围扩展的目的。

3 结论

提出了一种X射线图像动态范围扩展方法,它可通过成像工件在多个电压下透照生成的小动态范围序列图像重建出一幅宽动态范围的图像。结果表明,该方法从视觉上可显著扩展图像的灰度动态范围,有利于对工件的内部特征进行进一步的研究,且具有实施简单、重复性好、检测快速、成本低等特点,尤其适用于透射方向厚度差异较大物体的X射线检测,解决了某些廉价数字X射线成像设备成像动态范围小的弊端,有利于推动数字成像设备的普及。

[1]杜昱平,张永顺.平板探测器DR与CCD探测器DR的基本结构与比较[J].医疗卫生装备,2006,8(27)：60-62.

[2]杨莹,牟轩沁.一种医学X射线图像动态范围扩展方法[J].西安交通大学学报,2008,12(42)：1468-1471.

[3]杨霈,董秋影,杨民.基于小波变换的双能DR图像融合[J].无损检测,2008,30(7)：430-433.

[4]陈方林,王黎明,韩焱,等.轴对称件DR检测过程中趋势项的消除方法[J].无损检测,2009,31(1)：50-52.