變能量x射線成像中管電壓-厚度-器件響應曲線的研究

1x-ct融合x-ms/ms轉換x-ms分析在x射線檢測系統中，隨著管電壓的增加，輻射輸出的統計能量增加，物體的有效透射度也增加。當物體有效厚度變化超出系統的透照寬容度時,常規固定管電壓參數透照情況下,僅能夠對一定厚度范圍內的信息進行有效獲取但是,X射線具有連續能譜特性,導致其在與物質作用過程中表現出衰減系數的不確定性,同時,目前常用的X射線間接測量系統中,透射X射線束作用到熒光材料,其可見光的量子效率也存在不確定性,導致物體隨管電壓變化過程中透照圖像的灰度變化呈現較強的非線性,而且隨著物體材料、系統設備、物理參數的變化表現出較大的差異。因此,利用實驗數據統計獲取管電壓-透照厚度-圖像灰度的函數表征,并且利用其對子圖進行加權的方法不具有通用性,當系統參數和被檢測工件材料發生改變時,上述關系函數需要通過實驗重新獲取因此,本文針對變能量成像過程中圖像灰度的非線性規律進行分析,尋求一種能夠對物體材質和系統參數不敏感的子圖加權系數求解算法,克服現有變能量X射線成像技術在適用性方面的局限性。2電子動能轉換的連續能譜特征X射線在穿透物體的過程中遵循比爾衰減定律式中I但是,由于射線管供電電壓脈動特性、電子動能損失、靶面對電子阻止情況等方面的差異,造成電子動能轉換的光能的成分不同,導致能譜分布呈現連續能譜特征。此時,必須考慮物質衰減系數的能譜相關性,則X射線穿透物質過程中的衰減可以表示為式中I3管電壓參數的約束X射線成像檢測系統受探測器動態范圍、物理條件、工件厚度范圍等因素的約束,固定某一管電壓參數對物體進行透照時,物體厚度超出透照寬容度上限值的部分無法有效穿透,而厚度小于寬容度下限值的部分會出現過曝光,無法獲取物體完整的內部信息4相鄰管電壓對應點利益的影響由上述分析可知,在X射線成像檢測系統中,影響圖像灰度的因素包括系統物理參數、曝光參數、物質材料、厚度參數等,多種因素的影響導致利用一通用函數表征灰度-管電壓-厚度關系存在很大難度。變能量成像是管電壓遞變過程下的子圖序列融合成像,而子圖序列融合過程可以認為是一定厚度范圍內的區域在管電壓序列中最高電壓曝光情況下的灰度估計過程。考慮整個變能量成像過程,本文摒棄灰度-管電壓厚度的復雜關系的研究,而是將整個厚度范圍進行分段,并且在合理設置管電壓遞變步長的情況下,相鄰管電壓覆蓋的厚度區域內所有點在相鄰管電壓曝光情況下的灰度呈現較好的線性比例關系從圖中可以看出,在一定的管電壓設置情況下,圖像灰度隨厚度呈現類指數規律衰減,隨著管電壓的遞變,該曲線表現出不同的彎曲程度,即當物體厚度區域固定時相鄰管電壓對應子圖灰度間的比例關系隨管電壓取值和管電壓遞變步長而不同。因此,基于遞變管電壓獲取的厚度-灰度數據,針對不同管電壓取值區域分析管電壓遞變步長設置對相鄰管電壓覆蓋有效厚度區域內的灰度比例關系的影響。在此過程中將有效信息對應灰度范圍設置為1200~3000,考查相鄰管電壓下灰度增益,即在厚度重疊區域內各點在相鄰管電壓下的灰度比值,結果如表1所示。由表1可以看出,在管電壓設置區間偏低時,有效灰度取值對應物體中厚度較小區域,管電壓遞變步長取值較小時,相鄰管電壓對應有效透照區域存在較小的重疊區域,而且隨著遞變間隔的增加對應點灰度比值的一致性偏差變大,甚至出現無重疊區域的現象。相反,在管電壓設置區間較高時,即使在管電壓遞變步長偏大的情況下,也能夠保證有一定的厚度重疊,而且對應點灰度比值的一致性較好。因此,只要設置相鄰管電壓對應有效透照厚度的重疊率,便可以有效約束管電壓遞變步長,從而保證該區域的相鄰管電壓對應灰度比值具有較好的一致性。在此種情況下,可以認為相鄰管電壓對應有效透照區域灰度比值滿足線性比例關系。5管電壓遞變步長設置合理為方便分析相鄰管電壓對應灰度之間的比例關系并求解比例系數,提出灰度比例直方圖的概念,如圖3所示,圖中橫軸為曝光電壓為U可以看出,當管電壓遞變步長設置合理時,灰度比例直方圖分布接近線性比例關系,此時擬合直線并求其斜率即可以獲得子圖的加權系數。為求解此灰度比例系數,認為相鄰管電壓對應的圖像灰度滿足變換f,設管電壓U式中P式中a對(5)式關于a化簡(6)式并令其等于0,得:對(7)式進行化簡,得:式中N由(8)式和(9)式可以得由(10)式可以解出兩個a6工件組合問題的提出設計實驗對具有多種材質的工件分別進行常規固定管電壓透照成像和變能量掃描成像并對其成像結果進行對比。實驗用工件拆解圖如圖4所示,該工件由尼龍、鋼、塑料3種材料組成,這3種材料的密度和原子序數具有很大的差異。實驗系統射線源為GE公司的ISOVOLT-450,實驗過程中固定管電流為2mA,管電壓為40~450kV可調。探測器為Varian公司的paxscan-2520平板成像器件,動態范圍為60dB。將工件進行組裝,并設置不同的管電壓進行曝光,獲取圖像如圖5所示。由于組成物體的3種材料對X射線衰減程度不同,在管電壓設置較低時,工件中的塑料和尼龍材料部位能夠有效成像,但是鋼質材料部位無可用信息,如圖5(a)所示。當設置更高的管電壓參數,塑料和尼龍材料對應的部位信息被完全淹沒,鋼質材料對應部位信息開始顯現,但是中心部位較厚的區域仍然沒有有效穿透,如圖5(b)所示。繼續提高管電壓,鋼質部位較厚的區域中的信息開始顯現,但是其較薄的區域開始出現飽和,如圖5(c)、圖5(d)所示。若采用管電壓-厚度-灰度關系對變能量掃描成像過程中子圖的權系數進行求解,需要設計標準試塊進行透照實驗,但是該工件由3種材料組成,并且在結構上不同材料存在一定的交疊,因此試塊制作非常困難。鑒于上述問題,采用本文設計的子圖權系數求解算法獲取子圖加權系數,并進行融合獲取最終高動態范圍圖像。實驗中設定有效信息對應灰度范圍為1000~3000,相鄰管電壓對應有效透照厚度的重疊率設置為85%~90%,從而對不同管電壓取值區域的遞變步長進行約束。遞變管電壓序列及對應子圖的加權系數數值如表2所示。按照表2獲取的權系數對獲取的子圖序列進行加權融合,得到最終融合結果如圖6所示。可以看出,按照本文方法對工件進行變能量成像,并通過相鄰管電壓對應有效透照厚度重疊率約束管電壓遞變步長,獲取子圖序列加權系數后融合圖像能夠完整地反應內部結構信息7基于基于序列系數的權系數求解算法針對變能量成像過程中子圖加權系數求解方法和管電壓遞變步長控制的問題,研究遞變管電壓情況下透照圖像灰度的變化規律及關聯關系,得出相鄰管電壓對應有效透照區域具有一定重疊率的情況下,其對應子圖灰度之間比值滿足較好的線性比例。在此基礎上,將整個透照區間的非線性轉換為分段區間上的線性比例關系,并且提出基