CN115266779A - 一种ct扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法，步骤为：对CT扫描所有投影图像进行图像预处理；将探测器像元在CT扫描中所有投影的灰度值组成向量集，并按灰度值大小划分为m组；计算每组向量的灰度均值，并建立m‑1个实际线性响应方程组；对探测器每组向量的灰度均值图像进行平滑滤波，得到的平滑后均值图像，并建立m‑1个理想线性响应方程组；通过实际线性响应方程组与理想线性响应方程组求解校正系数矩阵；根据投影图像各像元的灰度值所处分组范围，选择校正系数矩阵，实现像元的响应非线性校正。本申请利用对投影图像的数据处理，得到了CT扫描探测器像元非线性校正系数，不需要额外的扫描步骤，提高了CT扫描效率。

Description

一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法

技术领域

本发明涉及CT扫描成像领域，特别是一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法。

背景技术

探测像元。平板探测器的像元尺寸小、分布密度大，部分像元的响应线性度较差，造成像元响应的不一致，导致重建CT图像中会出现环状伪影，对图像的观测及结果评定造成影响。

通过对探测器像元响应进行分段线性拟合，是校正像元响应非线性、抑制CT图像环状伪影的有效方法之一。要实现探测器像元响应的分段线性拟合校正，需要获得分段线性拟合校正系数。目前，探测器像元非线性校正的校正系数主要通过进行额外扫描标定获得，该类方法存在三个问题：1)使用额外的扫描步骤标定校正系数，会降低CT扫描检测效率；2)标定系数通常在无被测物体情况下，给定X射线功率获得标定数据，X射线功率输出功率的波动会带来误差。同时，实际检测时射线穿透被测物体后会出现射线硬化，导致标定数值与实测数值存在偏差；3)对于不同能量X射线探测，探测器能量沉积率变化，探测器响应曲线随之变化，因此，针对不能能量的X射线扫描应用，可能需要分别标定探测器响应校正系数，操作繁琐。

发明内容

本发明的目的就是提供一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下：

1)对被检测件进行CT扫描，对CT扫描所有投影图像进行图像预处理；

2)将探测器像元在CT扫描中所有投影的灰度值组成向量集，并将灰度值向量集按灰度值大小划分为m组，并计算每组向量的灰度均值；

3)以X射线的输入剂量为输入，以灰度均值图像为输出，建立m-1个实际线性响应方程组；

4)对探测器每组向量的灰度均值图像进行平滑滤波，得到相邻像元灰度值缓慢变化的平滑后均值图像，并以X射线的输入剂量为输入，以平滑后均值图像的灰度值作为理想输出值，建立m-1个理想线性响应方程组；

5)通过实际线性响应方程组与理想线性响应方程组求解校正系数矩阵；

6)根据投影图像各像元的灰度值所处分组范围，选择校正系数矩阵，实现像元的响应非线性校正。

进一步，步骤1)中将对CT扫描所有投影图像进行图像预处理包括平板探测器数据的暗场校正、亮场校正和坏像素校正。

进一步，步骤2)中将向量按灰度值大小划分为m组的具体步骤为：

2-1)将探测器像元在CT扫描中所有投影的灰度值组合成向量{y(i,j)₁、y(i,j)₂、…y(i,j)_k}，其中(i,j)为像元在平板探测器上的坐标，k为CT扫描投影图像数量，对该向量按灰度值大小进行排序得到向量{y(i,j)′₁、y(i,j)′₂、…y(i,j)′_k}；

2-2)将排序完成后向量按灰度值大小划分为m组，每组n个灰度值；

其中，分组数m由各像元灰度值向量集的极差均值R_y确定：

R_y＝max(y(i,j)′_k-y(i,j)′₁)

式中，R为灰度值向量集极差的预设阈值，[·]为取整函数。

进一步，步骤2)中计算每组灰度向量的均值的具体方法为：

计算每组灰度向量的均值，得到m个灰度均值：

将所有像元对应分组的灰度均值进行组合，获得m幅灰度均值图像Y₁、Y₂、…Y_m。

进一步，步骤3)中建立m-1个实际线性响应方程组的具体方法为：

以X射线的输入剂量为输入，以m幅灰度均值图像为输出，建立m-1个实际线性响应方程组：

式中，K₁、K₂、…K_m-1为各像元线性拟合的增益矩阵，由各像元线性拟合线段的斜率组成；"

"为矩阵的哈达马积；X₁、X₂、…X_m为对应于各像元灰度值Y₁、Y₂、…Y_m的X射线输入剂量，B₁、B₂、…B_m-1为各像元线性拟合的偏移校正系数矩阵，由各像元线性拟合线段的零输入灰度偏差组成。

进一步，步骤4)中建立m-1个理想线性响应方程组的具体步骤为：

4-1)对探测器各灰度均值图像进行平滑滤波，得到相邻像元灰度值缓慢变化的平滑后均值图像Y₁′、Y₂′、…Y_m′；

4-2)以X射线输入剂量为输入，以平滑后均值图像的灰度值Y₁′、Y₂′、…Y_m′作为理想输出值，建立m-1个理想线性响应方程组：

式中，A₁、A₂、…A_m-1为各像元拟合线段的增益校正系数矩阵。

进一步，步骤5)中求解校正系数矩阵的具体方法为：

通过实际线性响应方程组与理想线性响应方程组求解偏移校正系数矩阵B₁、B₂、…B_m-1与增益校正系数矩阵A₁、A₂、…A_m-1：

式中，1./(Y₂′-Y₁′)、…1./(Y_m′-Y_m-1′)为两组平滑均值图像中各元素灰度值相减并求倒数后获得的矩阵,1./(Y₁-B₁)、…1./(Y_m-1-B_m-1)为平滑均值图像灰度值与偏移校正系数相减并求倒数后获得的矩阵。

进一步，步骤6)中实现像元的响应非线性校正的具体方法为：

根据投影图像各像元的灰度值大小，将其匹配到步骤2)中对应的分组中，并选择相应的增益校正系数矩阵A₁、A₂、…A_m-1与偏移校正系数矩阵B₁、B₂、…B_m-1，实现像元的响应非线性校正。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、本申请利用对投影图像的数据处理，得到了CT扫描探测器像元非线性校正系数，不需要额外的扫描步骤，提高了CT扫描效率。

2、本申请对各能量X射线CT扫描具有通用性，具有很好的鲁棒性。

3、本申请通过数据集的极差对数据组数进行调整，即保证了数据处理过程的精度，又有效降低了数据处理过程的计算量。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明像元局域响应拟合校正原理图。

图中，1-CT扫描探测器像元响应灰度值范围；2-像元响应第一分组灰度均值；3-像元响应第二分组灰度均值；4-像元响应第m-1分组灰度均值；5-像元响应第m分组灰度均值；6-像元理想响应曲线；7-像元实际响应曲线；8-由像元响应第一、二分组灰度均值拟合的实际线性响应直线；9-由像元响应第m-1、m分组灰度均值拟合的实际线性响应直线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示的一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法,具体步骤如下：

1)对被检测件进行CT扫描，对CT扫描所有投影图像进行图像预处理；所述预处理包括对平板探测器数据进行暗场校正、亮场校正以及坏像素校正。

2)将探测器像元在CT扫描中所有投影的灰度值组成向量集，并将灰度值向量集按灰度值大小划分为m组，并计算每组向量的灰度均值，具体步骤为：

2-1)将探测器像元在CT扫描中所有投影的灰度值组合成向量{y(i,j)₁、y(i,j)₂、…y(i,j)_k}，其中(i,j)为像元在平板探测器上的坐标，k为CT扫描投影图像数量，对该向量按灰度值大小进行排序得到向量{y(i,j)′₁、y(i,j)′₂、…y(i,j)′_k}，如图2所示，区间1为CT扫描探测器像元响应灰度值范围；

2-2)将排序完成后向量按灰度值大小划分为m组，每组n个灰度值；

其中，分组数m由各像元灰度值向量集的极差均值R_y确定：

R_y＝max(y(i,j)′_k-y(i,j)′₁)

式中，R均为灰度值向量集极差的预设阈值，[·]为取整函数。

在本发明实施例中，通过计算灰度值向量集的最大极差R_y与预设阈值R确定单个分组中分度值的数量，即确定分组的密度。在最大极差值较大时，则说明灰度值向量集的数据离散度大，通过计算得到较大的m数值，保证了矫正过程的精度；在极差较小时，则说明灰度值向量集的数据离散度小，通过计算得到较小的m数值，减少了矫正过程的计算量。在本发明实施例中阈值R不宜设置过小，以保证每个分组具有足够的灰度值个数。

2-3)计算每组灰度向量的均值，得到m个灰度均值：

将所有像元对应分组的灰度均值进行组合，获得m幅灰度均值图像Y₁、Y₂、…Y_m；如图2所示，图中2为像元响应第一分组灰度均值；3为像元响应第二分组灰度均值；4为像元响应第m-1分组灰度均值；5为像元响应第m分组灰度均值。

3)以X射线的输入剂量为输入，以灰度均值图像为输出，建立m-1个实际线性响应方程组，具体方法为：

以X射线的输入剂量为输入，以m幅灰度均值图像为输出，建立m-1个实际线性响应方程组：

式中，K₁、K₂、…K_m-1为各像元线性拟合的增益矩阵，由各像元线性拟合线段的斜率组成；"

"为矩阵的哈达马积；X₁、X₂、…X_m为对应于各像元灰度值Y₁、Y₂、…Y_m的X射线输入剂量，B₁、B₂、…B_m-1为各像元线性拟合的偏移校正系数矩阵，由各像元线性拟合线段的零输入灰度偏差组成；如图2所示，图中7为像元实际响应曲线；8为由像元响应第一、二分组灰度均值拟合的实际线性响应直线；9为由像元响应第m-1、m分组灰度均值拟合的实际线性响应直线。

4)对探测器每组向量的灰度均值图像进行平滑滤波，得到相邻像元灰度值缓慢变化的平滑后均值图像，并以X射线的输入剂量为输入，以平滑后均值图像的灰度值作为理想输出值，建立m-1个理想线性响应方程组；具体步骤为：

4-1)对探测器各灰度均值图像进行平滑滤波，得到相邻像元灰度值缓慢变化的平滑后均值图像Y₁′、Y₂′、…Y_m′；

4-2)以X射线输入剂量为输入，以平滑后均值图像的灰度值Y₁′、Y₂′、…Y_m′作为理想输出值，建立m-1个理想线性响应方程组：

式中，A₁、A₂、…A_m-1为各像元拟合线段的增益校正系数矩阵；如图2所示，图中6为像元理想响应曲线。

5)通过实际线性响应方程组与理想线性响应方程组求解偏移校正系数矩阵B₁、B₂、…B_m-1与增益校正系数矩阵A₁、A₂、…A_m-1：

式中，1./(Y₂′-Y₁′)、…1./(Y_m′-Y_m-1′)为两组平滑均值图像中各元素灰度值相减并求倒数后获得的矩阵,1./(Y₁-B₁)、…1./(Y_m-1-B_m-1)为平滑均值图像灰度值与偏移校正系数相减并求倒数后获得的矩阵。

6)根据投影图像各像元的灰度值大小，将其匹配到步骤2)中对应的分组中，并选择相应的增益校正系数矩阵A₁、A₂、…A_m-1与偏移校正系数矩阵B₁、B₂、…B_m-1，实现像元的响应非线性校正。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法,其特征在于，具体步骤如下：

1)对被检测件进行CT扫描，对CT扫描所有投影图像进行图像预处理；

2)将探测器像元在CT扫描中所有投影的灰度值组成向量集，并将灰度值向量集按灰度值大小划分为m组，并计算每组向量的灰度均值；

3)以X射线的输入剂量为输入，以灰度均值图像为输出，建立m-1个实际线性响应方程组；

4)对探测器每组向量的灰度均值图像进行平滑滤波，得到相邻像元灰度值缓慢变化的平滑后均值图像，并以X射线的输入剂量为输入，以平滑后均值图像的灰度值作为理想输出值，建立m-1个理想线性响应方程组；

5)通过实际线性响应方程组与理想线性响应方程组求解校正系数矩阵；

6)根据投影图像各像元的灰度值所处分组范围，选择校正系数矩阵，实现像元的响应非线性校正。

2.如权利要求1所述的一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法,其特征在于，步骤1)中将对CT扫描所有投影图像进行图像预处理包括平板探测器数据的暗场校正、亮场校正和坏像素校正。

3.如权利要求1所述的一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法,其特征在于，步骤2)中将向量按灰度值大小划分为m组的具体步骤为：

2-1)将探测器像元在CT扫描中所有投影的灰度值组合成向量{y(i,j)₁、y(i,j)₂、…y(i,j)_k}，其中(i,j)为像元在平板探测器上的坐标，k为CT扫描投影图像数量，对该向量按灰度值大小进行排序得到向量{y(i,j)′₁、y(i,j)′₂、…y(i,j)′_k}；

2-2)将排序完成后向量按灰度值大小划分为m组，每组n个灰度值；

其中，分组数m由各像元灰度值向量集的极差均值R_y确定：

R_y＝max(y(i,j)′_k-y(i,j)′₁)

式中，R为灰度值向量集极差的预设阈值，[·]为取整函数。

4.如权利要求1所述的一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法,其特征在于，步骤2)中计算每组灰度向量的均值的具体方法为：

计算每组灰度向量的均值，得到m个灰度均值：

将所有像元对应分组的灰度均值进行组合，获得m幅灰度均值图像Y₁、Y₂、…Y_m。

5.如权利要求4所述的一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法,其特征在于，步骤3)中建立m-1个实际线性响应方程组的具体方法为：

以X射线的输入剂量为输入，以m幅灰度均值图像为输出，建立m-1个实际线性响应方程组：

式中，K₁、K₂、…K_m-1为各像元线性拟合的增益矩阵，由各像元线性拟合线段的斜率组成；

为矩阵的哈达马积；X₁、X₂、…X_m为对应于各像元灰度值Y₁、Y₂、…Y_m的X射线输入剂量，B₁、B₂、…B_m-1为各像元线性拟合的偏移校正系数矩阵，由各像元线性拟合线段的零输入灰度偏差组成。

6.如权利要求4所述的一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法,其特征在于，步骤4)中建立m-1个理想线性响应方程组的具体步骤为：

4-1)对探测器各灰度均值图像进行平滑滤波，得到相邻像元灰度值缓慢变化的平滑后均值图像Y₁′、Y₂′、…Y_m′；

4-2)以X射线输入剂量为输入，以平滑后均值图像的灰度值Y₁′、Y₂′、…Y_m′作为理想输出值，建立m-1个理想线性响应方程组：

式中，A₁、A₂、…A_m-1为各像元拟合线段的增益校正系数矩阵。

7.如权利要求5或6所述的一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法,其特征在于，步骤5)中求解校正系数矩阵的具体方法为：

通过实际线性响应方程组与理想线性响应方程组求解偏移校正系数矩阵B₁、B₂、…B_m-1与增益校正系数矩阵A₁、A₂、…A_m-1：

式中，1./(Y₂′-Y₁′)、…1./(Y_m′-Y_m-1′)为两组平滑均值图像中各元素灰度值相减并求倒数后获得的矩阵,1./(Y₁-B₁)、…1./(Y_m-1-B_m-1)为平滑均值图像灰度值与偏移校正系数相减并求倒数后获得的矩阵。

8.如权利要求6所述的一种CT扫描用平板探测器像元响应非线性校正方法,其特征在于，步骤6)中实现像元的响应非线性校正的具体方法为：

根据投影图像各像元的灰度值大小，将其匹配到步骤2)中对应的分组中，并选择相应的增益校正系数矩阵A₁、A₂、…A_m-1与偏移校正系数矩阵B₁、B₂、…B_m-1，实现像元的响应非线性校正。

Images