工業(yè)x-c散射校正方法綜述

工業(yè)x-c散射校正方法綜述

自ct出生以來(lái)，ct掃描方法發(fā)生了重大變化，從筆形束、扇形束到錐形束的掃描經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展過(guò)程。工業(yè)CT是在醫(yī)用CT的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),用于對(duì)工業(yè)樣品進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。CT系統(tǒng)中普遍存在著X射線(xiàn)散射的現(xiàn)象目前對(duì)于如何降低或消除工業(yè)CT散射的影響,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多研究。對(duì)散射影響的研究主要圍繞兩個(gè)問(wèn)題:如何評(píng)估X射線(xiàn)探測(cè)器接收到的散射射線(xiàn)的量,即散射評(píng)估;如何在重建的圖像中盡量減少散射射線(xiàn)的影響,即散射校正1ct重建中的能量散射X射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用的過(guò)程有相干散射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)和光核反應(yīng)當(dāng)入射光子與物質(zhì)原子的外層電子相碰撞,一部分能量傳輸給電子使之脫離原子形成“反沖電子”,同時(shí)光子損失一部分能量并改變方向面成為“散射光子”理想的CT重建過(guò)程假設(shè)探測(cè)器單元接收到的光子沒(méi)有散射成分,但實(shí)際上散射效應(yīng)難以避免。因此,在工業(yè)CT的掃描重建過(guò)程中,散射效應(yīng)使得重建圖像質(zhì)量下降2擋透射x射線(xiàn)量的評(píng)估方法針對(duì)平板探測(cè)器,2001年Endo式中I鉛盤(pán)法如圖3所示,在待測(cè)模型與射線(xiàn)源之間放置鉛盤(pán),用來(lái)阻擋透射X射線(xiàn)。該評(píng)估方法可以歸納為以下3步:①加鉛盤(pán)掃描,探測(cè)器上鉛盤(pán)對(duì)應(yīng)的區(qū)域測(cè)量的值為散射射線(xiàn)計(jì)量I鉛盤(pán)法方便易行,對(duì)于評(píng)估特定位置(如中心投影點(diǎn))的散射百分比較好。但是如果需要測(cè)量多個(gè)點(diǎn)甚至是整個(gè)探測(cè)面的散射量,使用該方法就比較復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)散射量評(píng)估的模型有了許多新的研究。比如,陳樹(shù)越等3x-ct散射校正目前已有人對(duì)醫(yī)用錐束CT的散射校正方法做了總結(jié),將醫(yī)用CT系統(tǒng)的散射校正方法分為硬件校正和軟件校正兩大類(lèi)在國(guó)外文獻(xiàn)中有學(xué)者將CT散射校正方法分為預(yù)處理和后處理兩大類(lèi)3.1散射角及能量的影響工業(yè)CT通常在X射線(xiàn)源出束口添加弧形濾波片?；⌒螢V波片的作用是對(duì)X射線(xiàn)進(jìn)行預(yù)硬化,減少能譜的低能部分,使盡量多的高能射線(xiàn)通過(guò),來(lái)減小散射。圖4是極坐標(biāo)表示的散射概率與散射角及能量的關(guān)系。從圖中可以看出,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,盡量減少低能射線(xiàn),能夠有效減少散射發(fā)生的概率。在筆形束和扇形束工業(yè)CT中,最方便有效的一種散射抑制方法是加放準(zhǔn)直工具。在探測(cè)器陣列前放置準(zhǔn)直器或防散射濾線(xiàn)柵等,能夠減輕散射的影響經(jīng)典的空氣隙(Airgap)方法是增加被照物體與探測(cè)器的距離,進(jìn)而減少散射成分的散射校正方法3.2分散軟件的修正方法3.2.1實(shí)驗(yàn)條件與散射校正1987年Shaw等提出了卷積算法卷積法計(jì)算過(guò)程中,散射加權(quán)函數(shù)是本方法實(shí)現(xiàn)散射校正的關(guān)鍵。因此必須建立起各個(gè)實(shí)驗(yàn)條件(曝光率、射線(xiàn)能量、管電流等)與圖像灰度及散射系數(shù)三者之間的關(guān)系。近年來(lái)在卷積法的基礎(chǔ)上做了一些研究,提出一些修正的卷積法3.2.2迭代反卷積原則與卷積法相反,反卷積法是把散射估計(jì)成原始圖像與一個(gè)核函數(shù)反卷積的結(jié)果。該方法首先選擇合適的散射點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù),再用一個(gè)與該散射點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)特性相反的頻域?yàn)V波器對(duì)頻域內(nèi)的圖像濾波,然后反變化到空間域重現(xiàn)散射圖像在錐束工業(yè)CT系統(tǒng)中,被照物體截面大,采集的數(shù)據(jù)量大,因此單純的迭代反卷積難以滿(mǎn)足速度要求。卷積法和反卷積法提出較早,在筆形束和扇形束工業(yè)CT系統(tǒng)中應(yīng)用較多,尚未見(jiàn)錐束CT中應(yīng)用且有效提高重建質(zhì)量的報(bào)道。3.2.3分散模型的決定單元法針對(duì)濾波反投影法的重建圖像,提出了結(jié)合散射模型的有序子集凸面法(OrderedSubsetsConvex,OSC)3.2.4mc散射校正法的過(guò)程蒙特卡羅(MonteCarlo,MC)模擬方法采用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)得到圖像的散射分布,進(jìn)而扣除散射影響MC模擬的基本思想是:為了求解數(shù)學(xué)、物理、工程技術(shù)或生產(chǎn)管理等問(wèn)題,首先建立一個(gè)與求解有關(guān)的概率模型或隨機(jī)過(guò)程,使它的參數(shù)等于所求問(wèn)題的解,然后通過(guò)對(duì)模型或過(guò)程的觀察或抽樣實(shí)驗(yàn)來(lái)計(jì)算所求參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征,得到最后給出所求解的近似值。MC散射校正法基本過(guò)程可總結(jié)為如下4步驟:1)采集n幅投影圖像,重建。對(duì)重建圖像的每個(gè)體素,根據(jù)強(qiáng)度值分配相應(yīng)的密度材料,轉(zhuǎn)換為一個(gè)可用于MC計(jì)算的體模;2)編寫(xiě)MC代碼,模擬光子在MC體模內(nèi)的傳輸過(guò)程,獲取n幅投影圖像的散射粒子分布;3)在最初采集到的投影減去MC模擬獲取的散射投影,得到所需要的散射校正投影;4)用重建算法對(duì)扣除過(guò)散射的投影進(jìn)行重建,最終的校正結(jié)果。常用的MC軟件有EGS、Geant4和FLUKA等3.2.5模型評(píng)價(jià)方法在軟件類(lèi)的散射校正方法中,還有一種模型估計(jì)法,從理想的模型出發(fā),近似推導(dǎo)出散射的理論公式3.3混合色散校正方法3.3.1維插值散射校正散射校正板(BeamStopArray,BSA)方法為了檢測(cè)到散射射線(xiàn)的強(qiáng)度分布,需要定制一塊“散射校正板”。該校正板是由一個(gè)有機(jī)玻璃板構(gòu)成,有機(jī)玻璃板上均勻排布著同等間隔同等尺寸的氣孔,氣孔由鉛滴填充。將這樣的一塊散射校正板平行放置于探測(cè)器前,探測(cè)器上鉛塊對(duì)應(yīng)的位置上探測(cè)到的光強(qiáng)都是由散射射線(xiàn)產(chǎn)生的。由于散射射線(xiàn)強(qiáng)度空間頻率較低,可以通過(guò)對(duì)相應(yīng)鉛塊點(diǎn)的像素值進(jìn)行二維插值,擴(kuò)展到整個(gè)平面,得到散射強(qiáng)度分布圖,從而應(yīng)用于進(jìn)一步的散射校正中。散射校正板在錐束CT系統(tǒng)中有4種不同的放置位置:①放于光源出束口后,緊貼出束口;②放于被照物體前,緊貼物體;③放于被照物體后,緊貼物體;④放于探測(cè)器前,緊貼探測(cè)器。對(duì)于①和②,散射校正板放在物體前,此時(shí)射線(xiàn)首先穿過(guò)校正板,散射分布還未形成,鉛塊部分的射線(xiàn)被吸收,其他方向的X射線(xiàn)穿過(guò)物體后產(chǎn)生的散射分布,與不加校正板時(shí)穿透物體產(chǎn)生的散射分布不同;③射線(xiàn)穿過(guò)物體后,散射分布已經(jīng)形成,此時(shí)再穿過(guò)校正板,鉛塊主要吸收初始射線(xiàn),即未改變方向的射線(xiàn),由此在探測(cè)器上相應(yīng)位置得到的就是散射射線(xiàn)的強(qiáng)度;④由于校正板緊貼探測(cè)器,鉛塊會(huì)吸收初始射線(xiàn)和散射射線(xiàn),因而會(huì)改變散射的強(qiáng)度分布對(duì)不加散射校正板時(shí)獲取的投影圖像,減去測(cè)量到散射分布圖,結(jié)果就是沒(méi)有散射的投影數(shù)據(jù),作為三維重建的圖像輸入。上述基于BSA的散射校正方法對(duì)于錐束CT系統(tǒng)是一種新型有效的校正方法。但是上述方法會(huì)使掃描時(shí)間加倍,數(shù)據(jù)處理量也加倍,且對(duì)于工業(yè)高能錐束CT系統(tǒng)的檢測(cè),鉛球尺寸往往難以保證3.3.2檢測(cè)鋼珠大小最近,在BSA散射校正方法的基礎(chǔ)上,胡棟材等與BSA方法相似,基于射束衰減網(wǎng)格的方法需要定制一塊“射束衰減裝置”,不同的是網(wǎng)格內(nèi)布滿(mǎn)了間隔相同的鋼珠小球,射束要求能夠完全穿透小球和被檢測(cè)物體。在實(shí)驗(yàn)時(shí),除了要對(duì)被檢測(cè)物體做圓周掃描外,還需要對(duì)加射束衰減網(wǎng)格的被檢測(cè)物體一并圓周掃描一次。通過(guò)兩次重建算法計(jì)算,疊加消除散射因素。以上方法適用于錐束工業(yè)CT系統(tǒng),克服了基于散射校正板的校正算法局限性。但鋼珠小球能夠透射,容易造成附加的散射;另外散射校正過(guò)程中需要兩次圓周掃描、兩次重建,大大增加了校正的時(shí)間和資源消耗。3.3.3波校正方法提高散射校正的準(zhǔn)確度近年,國(guó)外提出了一種基于錐束CT的頻率調(diào)制與濾波校正方法此方法具有散射校正器材簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但是對(duì)于不同的被照物體和不同的成像精度,需要調(diào)整合適的網(wǎng)格間距,適用于被照物性質(zhì)變化不大的CT系統(tǒng)。3.3.4頻率調(diào)制方法+模擬對(duì)于錐束CT,美國(guó)斯坦福大學(xué)Zhu等提出一種基于初級(jí)射線(xiàn)調(diào)制的校正方法(Primarymodulation)初級(jí)調(diào)制方法的基本過(guò)程可分為以下幾步:由射線(xiàn)源發(fā)出的初級(jí)射線(xiàn)被校正片“調(diào)制編碼”,再穿過(guò)被照物;在頻域上,被探測(cè)器接收的透射射線(xiàn)帶有編碼信息,散射射線(xiàn)為低頻噪聲;用高通濾波器對(duì)投影濾波,扣除散射。加校正板前后的散射情況如圖6所示。此方法基于一個(gè)假設(shè):相對(duì)初級(jí)射線(xiàn),散射射線(xiàn)主要由低頻成分構(gòu)成。實(shí)際CT系統(tǒng)都滿(mǎn)足這一假設(shè),因而可在傅立葉頻域內(nèi)將初級(jí)射線(xiàn)和散射射線(xiàn)成分分離,實(shí)現(xiàn)散射校正。初級(jí)調(diào)制方法與頻率調(diào)制方法相似,都利用了散射的低頻特性,在頻域內(nèi)扣除散射。它們之間不同在于:頻率調(diào)制法將校正板置于被照物與探測(cè)器之間,且使用非線(xiàn)性濾波器濾除散射;而初級(jí)調(diào)制法將校正板置于X射線(xiàn)源與被照物之間,濾除過(guò)程為線(xiàn)性運(yùn)算,劑量利用效率也比頻率調(diào)制法高。4x-ct散射校正目前,對(duì)工業(yè)X-CT散射問(wèn)題的研究主要是散射射線(xiàn)量的評(píng)估理論和散射校正方法。在散射校正方法的研究中,硬件校正方法比較成熟。但是隨著工業(yè)CT技術(shù)的發(fā)展,尤其是錐束CT的發(fā)展,原先基于平行束、扇形束CT的散射硬件校正方法有的已經(jīng)難以滿(mǎn)足要求?；阱F束CT系統(tǒng)的散射硬件校正將是散射校正研究的重要內(nèi)容。軟件校正方法是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。各種校正方法都取得了較好的散射抑制效果,然而每一種校正方法存在著局限性,