工业x-c散射校正方法综述

工业x-c散射校正方法综述

自ct出生以来，ct扫描方法发生了重大变化，从笔形束、扇形束到锥形束的扫描经历了一个发展过程。工业CT是在医用CT的基础上发展而来,用于对工业样品进行无损检测。CT系统中普遍存在着X射线散射的现象目前对于如何降低或消除工业CT散射的影响,国内外已经有许多研究。对散射影响的研究主要围绕两个问题:如何评估X射线探测器接收到的散射射线的量,即散射评估;如何在重建的图像中尽量减少散射射线的影响,即散射校正1ct重建中的能量散射X射线与物质相互作用的过程有相干散射、光电效应、康普顿效应、电子对效应和光核反应当入射光子与物质原子的外层电子相碰撞,一部分能量传输给电子使之脱离原子形成“反冲电子”,同时光子损失一部分能量并改变方向面成为“散射光子”理想的CT重建过程假设探测器单元接收到的光子没有散射成分,但实际上散射效应难以避免。因此,在工业CT的扫描重建过程中,散射效应使得重建图像质量下降2挡透射x射线量的评估方法针对平板探测器,2001年Endo式中I铅盘法如图3所示,在待测模型与射线源之间放置铅盘,用来阻挡透射X射线。该评估方法可以归纳为以下3步:①加铅盘扫描,探测器上铅盘对应的区域测量的值为散射射线计量I铅盘法方便易行,对于评估特定位置(如中心投影点)的散射百分比较好。但是如果需要测量多个点甚至是整个探测面的散射量,使用该方法就比较复杂。目前国内外对散射量评估的模型有了许多新的研究。比如,陈树越等3x-ct散射校正目前已有人对医用锥束CT的散射校正方法做了总结,将医用CT系统的散射校正方法分为硬件校正和软件校正两大类在国外文献中有学者将CT散射校正方法分为预处理和后处理两大类3.1散射角及能量的影响工业CT通常在X射线源出束口添加弧形滤波片。弧形滤波片的作用是对X射线进行预硬化,减少能谱的低能部分,使尽量多的高能射线通过,来减小散射。图4是极坐标表示的散射概率与散射角及能量的关系。从图中可以看出,入射光子的能量越高,大角度散射的概率越小,散射光子越具有前向性。因此,尽量减少低能射线,能够有效减少散射发生的概率。在笔形束和扇形束工业CT中,最方便有效的一种散射抑制方法是加放准直工具。在探测器阵列前放置准直器或防散射滤线栅等,能够减轻散射的影响经典的空气隙(Airgap)方法是增加被照物体与探测器的距离,进而减少散射成分的散射校正方法3.2分散软件的修正方法3.2.1实验条件与散射校正1987年Shaw等提出了卷积算法卷积法计算过程中,散射加权函数是本方法实现散射校正的关键。因此必须建立起各个实验条件(曝光率、射线能量、管电流等)与图像灰度及散射系数三者之间的关系。近年来在卷积法的基础上做了一些研究,提出一些修正的卷积法3.2.2迭代反卷积原则与卷积法相反,反卷积法是把散射估计成原始图像与一个核函数反卷积的结果。该方法首先选择合适的散射点扩展函数,再用一个与该散射点扩展函数特性相反的频域滤波器对频域内的图像滤波,然后反变化到空间域重现散射图像在锥束工业CT系统中,被照物体截面大,采集的数据量大,因此单纯的迭代反卷积难以满足速度要求。卷积法和反卷积法提出较早,在笔形束和扇形束工业CT系统中应用较多,尚未见锥束CT中应用且有效提高重建质量的报道。3.2.3分散模型的决定单元法针对滤波反投影法的重建图像,提出了结合散射模型的有序子集凸面法(OrderedSubsetsConvex,OSC)3.2.4mc散射校正法的过程蒙特卡罗(MonteCarlo,MC)模拟方法采用计算机模拟来得到图像的散射分布,进而扣除散射影响MC模拟的基本思想是:为了求解数学、物理、工程技术或生产管理等问题,首先建立一个与求解有关的概率模型或随机过程,使它的参数等于所求问题的解,然后通过对模型或过程的观察或抽样实验来计算所求参数的统计特征,得到最后给出所求解的近似值。MC散射校正法基本过程可总结为如下4步骤:1)采集n幅投影图像,重建。对重建图像的每个体素,根据强度值分配相应的密度材料,转换为一个可用于MC计算的体模;2)编写MC代码,模拟光子在MC体模内的传输过程,获取n幅投影图像的散射粒子分布;3)在最初采集到的投影减去MC模拟获取的散射投影,得到所需要的散射校正投影;4)用重建算法对扣除过散射的投影进行重建,最终的校正结果。常用的MC软件有EGS、Geant4和FLUKA等3.2.5模型评价方法在软件类的散射校正方法中,还有一种模型估计法,从理想的模型出发,近似推导出散射的理论公式3.3混合色散校正方法3.3.1维插值散射校正散射校正板(BeamStopArray,BSA)方法为了检测到散射射线的强度分布,需要定制一块“散射校正板”。该校正板是由一个有机玻璃板构成,有机玻璃板上均匀排布着同等间隔同等尺寸的气孔,气孔由铅滴填充。将这样的一块散射校正板平行放置于探测器前,探测器上铅块对应的位置上探测到的光强都是由散射射线产生的。由于散射射线强度空间频率较低,可以通过对相应铅块点的像素值进行二维插值,扩展到整个平面,得到散射强度分布图,从而应用于进一步的散射校正中。散射校正板在锥束CT系统中有4种不同的放置位置:①放于光源出束口后,紧贴出束口;②放于被照物体前,紧贴物体;③放于被照物体后,紧贴物体;④放于探测器前,紧贴探测器。对于①和②,散射校正板放在物体前,此时射线首先穿过校正板,散射分布还未形成,铅块部分的射线被吸收,其他方向的X射线穿过物体后产生的散射分布,与不加校正板时穿透物体产生的散射分布不同;③射线穿过物体后,散射分布已经形成,此时再穿过校正板,铅块主要吸收初始射线,即未改变方向的射线,由此在探测器上相应位置得到的就是散射射线的强度;④由于校正板紧贴探测器,铅块会吸收初始射线和散射射线,因而会改变散射的强度分布对不加散射校正板时获取的投影图像,减去测量到散射分布图,结果就是没有散射的投影数据,作为三维重建的图像输入。上述基于BSA的散射校正方法对于锥束CT系统是一种新型有效的校正方法。但是上述方法会使扫描时间加倍,数据处理量也加倍,且对于工业高能锥束CT系统的检测,铅球尺寸往往难以保证3.3.2检测钢珠大小最近,在BSA散射校正方法的基础上,胡栋材等与BSA方法相似,基于射束衰减网格的方法需要定制一块“射束衰减装置”,不同的是网格内布满了间隔相同的钢珠小球,射束要求能够完全穿透小球和被检测物体。在实验时,除了要对被检测物体做圆周扫描外,还需要对加射束衰减网格的被检测物体一并圆周扫描一次。通过两次重建算法计算,叠加消除散射因素。以上方法适用于锥束工业CT系统,克服了基于散射校正板的校正算法局限性。但钢珠小球能够透射,容易造成附加的散射;另外散射校正过程中需要两次圆周扫描、两次重建,大大增加了校正的时间和资源消耗。3.3.3波校正方法提高散射校正的准确度近年,国外提出了一种基于锥束CT的频率调制与滤波校正方法此方法具有散射校正器材简单的优点,但是对于不同的被照物体和不同的成像精度,需要调整合适的网格间距,适用于被照物性质变化不大的CT系统。3.3.4频率调制方法+模拟对于锥束CT,美国斯坦福大学Zhu等提出一种基于初级射线调制的校正方法(Primarymodulation)初级调制方法的基本过程可分为以下几步:由射线源发出的初级射线被校正片“调制编码”,再穿过被照物;在频域上,被探测器接收的透射射线带有编码信息,散射射线为低频噪声;用高通滤波器对投影滤波,扣除散射。加校正板前后的散射情况如图6所示。此方法基于一个假设:相对初级射线,散射射线主要由低频成分构成。实际CT系统都满足这一假设,因而可在傅立叶频域内将初级射线和散射射线成分分离,实现散射校正。初级调制方法与频率调制方法相似,都利用了散射的低频特性,在频域内扣除散射。它们之间不同在于:频率调制法将校正板置于被照物与探测器之间,且使用非线性滤波器滤除散射;而初级调制法将校正板置于X射线源与被照物之间,滤除过程为线性运算,剂量利用效率也比频率调制法高。4x-ct散射校正目前,对工业X-CT散射问题的研究主要是散射射线量的评估理论和散射校正方法。在散射校正方法的研究中,硬件校正方法比较成熟。但是随着工业CT技术的发展,尤其是锥束CT的发展,原先基于平行束、扇形束CT的散射硬件校正方法有的已经难以满足要求。基于锥束CT系统的散射硬件校正将是散射校正研究的重要内容。软件校正方法是近年来研究的热点。各种校正方法都取得了较好的散射抑制效果,然而每一种校正方法存在着局限性,