基于線陣探測器的射線數(shù)字圖像質(zhì)量提高方法

劉瑩

摘? 要：射線檢測是特種設(shè)備檢測的一種重要方法，利用數(shù)字探測器取代膠片照相的射線檢測系統(tǒng)的一個關(guān)鍵問題是成像質(zhì)量。該文從探測器的響應(yīng)不一致性校正、散射抑制、硬化校正3個方面闡述提高射線圖像的途徑，并給出了相關(guān)算法。

關(guān)鍵詞：射線檢測;不一致性;散射;硬化

中圖分類號：TG115.28? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

鍋爐、壓力容器、管道、電梯、起重機(jī)械、索道、大型游樂設(shè)施等設(shè)備遍布于電力、熱能、石油、化工、化肥、冶金、農(nóng)藥、食品、醫(yī)藥等各個行業(yè)，與經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民日常生活緊密相關(guān)。鍋爐、壓力容器和管道類設(shè)備在使用過程中承受著超低溫、易燃、易爆或腐蝕介質(zhì)的高壓力，一旦發(fā)生爆炸或泄漏往往并發(fā)火災(zāi)、中毒和環(huán)境污染等災(zāi)害性事故。電梯、起重機(jī)械、索道和大型游樂設(shè)施等機(jī)電類設(shè)備在運行時一旦發(fā)生事故，極易造成大量的人員傷亡，社會影響惡劣。因此，確保該類設(shè)備的安全意義重大。

目前，針對這些設(shè)備，常用的無損檢測方法有超聲檢測、渦流檢測、射線檢測、微波檢測、激光全息檢測、磁粉檢測、滲透檢測、熱和紅外檢測等[1]。其中射線法特別適合內(nèi)部缺陷的檢出，其結(jié)果形象直觀，定性、定量、定位準(zhǔn)確，可長期保存，并且檢測靈敏度高、效率高。傳統(tǒng)的射線檢測需要沖洗膠片，操作周期長、污染環(huán)境、成本高。近年來，隨著各種數(shù)字探測器的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動了射線法的發(fā)展，極大地提高了效率，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)約了成本。

數(shù)字探測器的基本工作原理是利用某種晶體將吸收的射線轉(zhuǎn)換成可見光，再經(jīng)過光電耦合器件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過A/D采樣成數(shù)字信號。常用的晶體有基于磷屏的釓，基于陶瓷晶體的釓，CdWO4，CsI，GOS（Gd2O2S）和Y2O3-Gd2O3（YGO），還有玻璃晶體。該文闡述了利用線陣探測器進(jìn)行數(shù)字射線檢測的方法。

利用數(shù)字探測器進(jìn)行射線檢測包括兩個方面，即直接數(shù)字成像——DR（Digital Radiography）和工業(yè)計算機(jī)斷層成像——ICT（Industrial Computerized Tomography）。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在DR和ICT成像過程中均存在圖像質(zhì)量優(yōu)化的問題，下面分別對其進(jìn)行分析。

1 線陣探測器的響應(yīng)不一致性校正

射線源的光子起伏噪聲、探測器單元對射線能量響應(yīng)的非線性、讀出電路的不一性、暗電流噪聲等都將影響射線圖像的非均勻性，因此必須進(jìn)行校正校正前后的圖像如圖2所示。

下面以三點校正（即3次曝光）為例來說明校正過程。設(shè)P為曝光量，Q為探元響應(yīng)。該過程共分為8步。1）分別在P1=0，P2=Pmax/2，P3=Pmax的情況下進(jìn)行曝光，并記錄每次曝光下各探元的響應(yīng)值Q。例如，對1號探元可記錄其3次曝光值為Q1，Q2，Q3。2）計算每次曝光下所有探元響應(yīng)的平均值，分別記錄為Φ1，Φ2，Φ3。3）計算每次曝光下各探元響應(yīng)值和該次曝光下的平均值的差Δ。例如，對1號探元，可計算其3個差值：Δ1=Q1-Φ1，Δ2=Q2-Φ2，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Δ3=Q3-Φ3。4）根據(jù)第3步的計算結(jié)果，在曝光量為P1～P3時，已經(jīng)可以對各探元進(jìn)行校正。然而，當(dāng)曝光量為P1～P3的任意值時，也應(yīng)該能對各探元進(jìn)行校正，此時需要進(jìn)行內(nèi)插操作。定義一個擬合函數(shù)y=K（x），y表示x函數(shù)，K表示系數(shù)，x表示變量，則每個探元都提供了該擬合曲線上的3個節(jié)點，例如對1號探元來說，這3個節(jié)點可表示為K1（Q1，Δ1），K2（Q2，Δ2），K3（Q3，Δ3），K1表示曝光量P1對應(yīng)的擬合函數(shù)系數(shù)，K2表示曝光量P2對應(yīng)的擬合函數(shù)系數(shù)，K3表示曝光量P3對應(yīng)的擬合函數(shù)系數(shù)。根據(jù)這些節(jié)點，計算出擬合函數(shù)中的待定系數(shù)。5）進(jìn)行擬合，得到校正后的探元響應(yīng)值Qk，Qk=Q-K（Q），K（Q）是待修正探元響應(yīng)值。6）在以上處理的基礎(chǔ)上，采集探測器的暗場值Qdark。7）進(jìn)行暗場校正，得到最終探元響應(yīng)值Qfinal，Qfinal=Qk-Qdark。8）探測器成組讀出電路會影響圖像上某些特定位置的灰度值，其影響程度視具體檢測條件而定。因此，可根據(jù)實際情況選擇是否對這些特定位置進(jìn)行插值操作。

2 散射抑制

X射線與物體相互作用時會產(chǎn)生康普頓散射，影響成像質(zhì)量，降低成像的空間分辨率和對比度。常用的抑制散射的方法分為硬件方法和圖像處理方法2種。光柵消除散射法是一種最常見的抑制散射線的方法，但是該方法只能部分消除散射的影響，并且會衰減射線能量。該文從圖像處理的角度給出一種散射抑制方法。

文獻(xiàn)[2]的實驗研究表明，可以將散射看作是一個疊加在圖像上的背景場，通過加權(quán)低通濾波來提取這個場，然后將其從原始圖像中剔除。其理論公式和實施步驟如下[3]。

式中：w（1，n）表示一維卷積核，n表示卷積次數(shù)，A表示一個常數(shù)，I（i，j）表示原始第i行第j個探測器的值，Is（i，j）表示校正后的第i行第j個探測器的值。

原始投影做3×1窗口的加權(quán)平滑，削弱系統(tǒng)噪聲對后續(xù)散射提取的影響。該過程包括3步。1）對平滑后投影使用3×1均值窗口進(jìn)行散射背景場的提取。2）設(shè)定<1的一個與物體密度相關(guān)的散射系數(shù)，對散射背景場進(jìn)行加權(quán)。散射嚴(yán)重的物體，可選擇較大的散射系數(shù)。3）用步驟（1）獲得的平滑后投影減去步驟（3）獲得的散射場，得到校正后的投影值。

3 硬化校正

射線檢測中的X射線為多色能譜，當(dāng)其與物體相互作用時，較低能量的X射線優(yōu)先被吸收，較高能量的光子衰減較少，隨著透照厚度的增加，射束向高能量方向移動，變“硬”，其會導(dǎo)致CT重建圖像產(chǎn)生杯狀偽影。校正方法有濾波片預(yù)硬化法、線性化校正法、雙能校正法和迭代校正法4種。這些方法各有其優(yōu)缺點。該文給出了一種基于CT投影值的射束硬化校正方法。其理論公式和實施步驟如下。

式中：I0（i，j）表示無硬化情況下，第i個投影角度無衰減射線強(qiáng)度。I1（i，j）表示無硬化情況下，第i個投影角度第j個探元的投影值。I20（i）表示實際情況下，第i個投影角度無衰減射線強(qiáng)度。I2（i，j）表示實際情況下，第i個投影角度第j個探元的投影值。ki表示一個常數(shù)，min（）表示對一維投影序列取最小值。

具體實施步驟有4個。1）通過探測器獲得每個投影角度下的I20（i），I2（i，j）。2）搜索每個投影角度下投影序列的最大值、最小值。3）根據(jù)最大值與最小值的比例，判斷射束硬化的程度，確定一個權(quán)重因子。硬化嚴(yán)重時，可取較大的權(quán)重因子。4）按公式（2）修正投影。

4 結(jié)語

用數(shù)字探測器成像取代傳統(tǒng)的膠片成像是射線檢測的發(fā)展方向，數(shù)字探測器的成像質(zhì)量能否達(dá)到或優(yōu)于膠片成像質(zhì)量，直接影響著其在工業(yè)檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用和推廣。該文從探測器的響應(yīng)不一致性、散射抑制和硬化校正3個方面進(jìn)行分析，并給出了相應(yīng)算法，提高了射線數(shù)字成像的圖像質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]沈功田，張萬領(lǐng).特種設(shè)備無損檢測綜述[J].無損檢測，2006，28（1）：34-39.

[2]邵軍明.X射線成像降質(zhì)及其恢復(fù)研究[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2005.

[3]傅健.X射線三代工業(yè)CT工程基礎(chǔ)技術(shù)研究與應(yīng)用[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2003.