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基于线阵探测器的射线数字图像质量提高方法

范文

刘莹

摘? 要：射线检测是特种设备检测的一种重要方法，利用数字探测器取代胶片照相的射线检测系统的一个关键问题是成像质量。该文从探测器的响应不一致性校正、散射抑制、硬化校正3个方面阐述提高射线图像的途径，并给出了相关算法。

关键词：射线检测;不一致性;散射;硬化

中图分类号：TG115.28? ? ? ? ? 文獻标志码：A

0 前言

锅炉、压力容器、管道、电梯、起重机械、索道、大型游乐设施等设备遍布于电力、热能、石油、化工、化肥、冶金、农药、食品、医药等各个行业，与经济建设和人民日常生活紧密相关。锅炉、压力容器和管道类设备在使用过程中承受着超低温、易燃、易爆或腐蚀介质的高压力，一旦发生爆炸或泄漏往往并发火灾、中毒和环境污染等灾害性事故。电梯、起重机械、索道和大型游乐设施等机电类设备在运行时一旦发生事故，极易造成大量的人员伤亡，社会影响恶劣。因此，确保该类设备的安全意义重大。

目前，针对这些设备，常用的无损检测方法有超声检测、涡流检测、射线检测、微波检测、激光全息检测、磁粉检测、渗透检测、热和红外检测等[1]。其中射线法特别适合内部缺陷的检出，其结果形象直观，定性、定量、定位准确，可长期保存，并且检测灵敏度高、效率高。传统的射线检测需要冲洗胶片，操作周期长、污染环境、成本高。近年来，随着各种数字探测器的出现，进一步推动了射线法的发展，极大地提高了效率，减轻了工人的劳动强度，节约了成本。

数字探测器的基本工作原理是利用某种晶体将吸收的射线转换成可见光，再经过光电耦合器件将光信号转换成电信号，再经过A/D采样成数字信号。常用的晶体有基于磷屏的钆，基于陶瓷晶体的钆，CdWO4，CsI，GOS（Gd2O2S）和Y2O3-Gd2O3（YGO），还有玻璃晶体。该文阐述了利用线阵探测器进行数字射线检测的方法。

利用数字探测器进行射线检测包括两个方面，即直接数字成像——DR（Digital Radiography）和工业计算机断层成像——ICT（Industrial Computerized Tomography）。其结构示意图如图1所示。

在DR和ICT成像过程中均存在图像质量优化的问题，下面分别对其进行分析。

1 线阵探测器的响应不一致性校正

射线源的光子起伏噪声、探测器单元对射线能量响应的非线性、读出电路的不一性、暗电流噪声等都将影响射线图像的非均匀性，因此必须进行校正校正前后的图像如图2所示。

下面以三点校正（即3次曝光）为例来说明校正过程。设P为曝光量，Q为探元响应。该过程共分为8步。1）分别在P1=0，P2=Pmax/2，P3=Pmax的情况下进行曝光，并记录每次曝光下各探元的响应值Q。例如，对1号探元可记录其3次曝光值为Q1，Q2，Q3。2）计算每次曝光下所有探元响应的平均值，分别记录为Φ1，Φ2，Φ3。3）计算每次曝光下各探元响应值和该次曝光下的平均值的差Δ。例如，对1号探元，可计算其3个差值：Δ1=Q1-Φ1，Δ2=Q2-Φ2，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Δ3=Q3-Φ3。4）根据第3步的计算结果，在曝光量为P1～P3时，已经可以对各探元进行校正。然而，当曝光量为P1～P3的任意值时，也应该能对各探元进行校正，此时需要进行内插操作。定义一个拟合函数y=K（x），y表示x函数，K表示系数，x表示变量，则每个探元都提供了该拟合曲线上的3个节点，例如对1号探元来说，这3个节点可表示为K1（Q1，Δ1），K2（Q2，Δ2），K3（Q3，Δ3），K1表示曝光量P1对应的拟合函数系数，K2表示曝光量P2对应的拟合函数系数，K3表示曝光量P3对应的拟合函数系数。根据这些节点，计算出拟合函数中的待定系数。5）进行拟合，得到校正后的探元响应值Qk，Qk=Q-K（Q），K（Q）是待修正探元响应值。6）在以上处理的基础上，采集探测器的暗场值Qdark。7）进行暗场校正，得到最终探元响应值Qfinal，Qfinal=Qk-Qdark。8）探测器成组读出电路会影响图像上某些特定位置的灰度值，其影响程度视具体检测条件而定。因此，可根据实际情况选择是否对这些特定位置进行插值操作。

2 散射抑制

X射线与物体相互作用时会产生康普顿散射，影响成像质量，降低成像的空间分辨率和对比度。常用的抑制散射的方法分为硬件方法和图像处理方法2种。光栅消除散射法是一种最常见的抑制散射线的方法，但是该方法只能部分消除散射的影响，并且会衰减射线能量。该文从图像处理的角度给出一种散射抑制方法。

文献[2]的实验研究表明，可以将散射看作是一个叠加在图像上的背景场，通过加权低通滤波来提取这个场，然后将其从原始图像中剔除。其理论公式和实施步骤如下[3]。

式中：w（1，n）表示一维卷积核，n表示卷积次数，A表示一个常数，I（i，j）表示原始第i行第j个探测器的值，Is（i，j）表示校正后的第i行第j个探测器的值。

原始投影做3×1窗口的加权平滑，削弱系统噪声对后续散射提取的影响。该过程包括3步。1）对平滑后投影使用3×1均值窗口进行散射背景场的提取。2）设定<1的一个与物体密度相关的散射系数，对散射背景场进行加权。散射严重的物体，可选择较大的散射系数。3）用步骤（1）获得的平滑后投影减去步骤（3）获得的散射场，得到校正后的投影值。

3 硬化校正

射线检测中的X射线为多色能谱，当其与物体相互作用时，较低能量的X射线优先被吸收，较高能量的光子衰减较少，随着透照厚度的增加，射束向高能量方向移动，变“硬”，其会导致CT重建图像产生杯状伪影。校正方法有滤波片预硬化法、线性化校正法、双能校正法和迭代校正法4种。这些方法各有其优缺点。该文给出了一种基于CT投影值的射束硬化校正方法。其理论公式和实施步骤如下。

式中：I0（i，j）表示无硬化情况下，第i个投影角度无衰减射线强度。I1（i，j）表示无硬化情况下，第i个投影角度第j个探元的投影值。I20（i）表示实际情况下，第i个投影角度无衰减射线强度。I2（i，j）表示实际情况下，第i个投影角度第j个探元的投影值。ki表示一个常数，min（）表示对一维投影序列取最小值。

具体实施步骤有4个。1）通过探测器获得每个投影角度下的I20（i），I2（i，j）。2）搜索每个投影角度下投影序列的最大值、最小值。3）根据最大值与最小值的比例，判断射束硬化的程度，确定一个权重因子。硬化严重时，可取较大的权重因子。4）按公式（2）修正投影。

4 结语

用数字探测器成像取代传统的胶片成像是射线检测的发展方向，数字探测器的成像质量能否达到或优于胶片成像质量，直接影响着其在工业检测领域中的应用和推广。该文从探测器的响应不一致性、散射抑制和硬化校正3个方面进行分析，并给出了相应算法，提高了射线数字成像的图像质量。

参考文献

[1]沈功田，张万领.特种设备无损检测综述[J].无损检测，2006，28（1）：34-39.

[2]邵军明.X射线成像降质及其恢复研究[D].北京：北京航空航天大学，2005.

[3]傅健.X射线三代工业CT工程基础技术研究与应用[D].北京：北京航空航天大学，2003.

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