专利名称：一种x射线成像系统中的射线能量控制装置和方法
技术领域：
本发明涉及X射线成像技术，特别涉及一种X射线成像系统中的射线能量控制装置和方法。
背景技术：
X射线成像技术是一种由放射学和计算机科学结合而成的成像技术。其旨在不损 伤检测对象内部结构的前提下，通过某种射线源，如X射线源，从外部用检测设备获取投影信息，并运用一定的数学模型和重建成像技术，使用计算机生成检测对象内部的二维或三维图像，从而重现检测对象内部的特征。随着X射线成像技术的发展，数字成像技术逐渐取代了传统的胶片成像技术，极大地提闻了射线检测效率和质量等。但是，相比于胶片成像技术所采用的累计剂量成像模式，数字成像技术由于受到射线转换效率以及光电转换效率的限制，即成像器件动态范围的限制，对于有效厚度差异较大的检测对象，在处理时会存在一定的问题。这里所提到的有效厚度差异较大通常表现为长宽比较大、结构复杂、材料多组元化等。具体来说，X射线发生器作为X射线成像系统的关键组成部分，能够为系统提供成像媒介，经检测对象衰减后，以灰度形式表征于射线图像中。通常来说，X射线发生器发出的射线能量是固定的，这样，就无法实现对于有效厚度差异较大的检测对象的结构信息的完整再现，容易出现过曝光和欠曝光等现象，投影信息缺失严重，从而影响后续处理。针对上述问题，现有技术中提出了一种变能量X射线成像方式，即通过人工不断调节射线能量的方式，分别获取到检测对象的不同有效厚度分别对应的质量符合要求的射线图像，后续，通过对获取到的一系列射线图像进行图像处理，扩展图像的动态范围，实现对于有效厚度差异较大的检测对象的射线检测。但是，上述方式主要借助于人工操作，智能性不够强，实现起来不够简单方便。

发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种X射线成像系统中的射线能量控制装置和方法，能够适用于任意结构的检测对象，且实现起来简单方便。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种X射线成像系统中的射线能量控制装置，包括模型建立模块，用于建立表征射线能量与检测对象的有效厚度之间的对应关系的能量适定性模型；预测控制模块，用于当需要对任一检测对象Y进行X射线成像时，分别进行以下处理根据所述能量适定性模型为所述检测对象Y建立有效厚度预测模型；根据所述有效厚度预测模型对所述检测对象Y的有效厚度变化进行预测，并在当每得到一个有效厚度预测值Z后，分别根据所述能量适定性模型确定出所述有效厚度预测值Z对应的射线能量，并按照确定结果对X射线发生器发出的射线能量进行调节及进行射线图像采集。一种X射线成像系统中的射线能量控制方法，包括建立表征射线能量与检测对象的有效厚度之间的对应关系的能量适定性模型；当需要对任一检测对象Y进行X射线成像时，分别进行以下处理根据所述能量适定性模型为所述检测对象Y建立有效厚度预测模型；根据所述有效厚度预测模型对所述检测对象Y的有效厚度变化进行预测，并在当每得到一个有效厚度预测值Z后，分别根据所述能量适定性模型确定出所述有效厚度预测 值Z对应的射线能量，并按照确定结果对X射线发生器发出的射线能量进行调节及进行射 线图像采集。可见，采用本发明所述方案，可根据检测对象的有效厚度的变化，自适应地调节X射线发生器发出的射线能量，从而使得二者之间达到较好的匹配，进而提高了成像质量；本发明所述方案可适用于任意结构的检测对象，具有广泛的适用性，且实现起来简单方便，便于普及和推广。


图I为本发明X射线成像系统中的射线能量控制装置实施例的组成结构示意图。图2为本发明所述管电压的递变波形示意图。图3为本发明X射线成像系统中的射线能量控制方法实施例的流程图。
具体实施例方式针对现有技术中存在的问题，本发明中提出一种改进后的X射线成像系统中的射线能量控制方案。为使本发明的技术方案更加清楚、明白，以下参照附图并举实施例，对本发明所述方案作进一步地详细说明。图I为本发明X射线成像系统中的射线能量控制装置实施例的组成结构示意图。如图I所示，包括模型建立模块，用于建立表征射线能量与检测对象的有效厚度之间的对应关系的能量适定性模型；预测控制模块，用于当需要对任一检测对象Y进行X射线成像时，分别进行以下处理根据能量适定性模型为检测对象Y建立有效厚度预测模型；根据有效厚度预测模型对检测对象Y的有效厚度变化进行预测，并在当每得到一个有效厚度预测值Z后，分别根据能量适定性模型确定出有效厚度预测值Z对应的射线能量，并按照确定结果对X射线发生器发出的射线能量进行调节及进行射线图像采集。根据X射线的性质，X射线的穿透能力取决于X射线发生器的管电压大小，管电压越大，X射线的穿透能力越强，相应地，穿过的有效厚度也越大，本发明所述方案中提到的对X射线发生器发出的射线能量进行调节即指对X射线发生器的管电压进行调节。
上述两个模块的具体功能分别介绍如下。I)模型建立模块如图I所示，模型建立模块中又可具体包括射线预扫描单元， 用于针对至少两个作为样本的检测对象，分别确定为使其对应的射线图像的质量符合要求(质量较好，达到要求)，需要使用的X射线发生器的管电压；其中，每个作为样本的检测对象均具有均匀的有效厚度，且每两个作为样本的检测对象均具有不同的有效厚度；模型建立单元，用于根据每个作为样本的检测对象的有效厚度及对应的管电压，建立能量适定性模型。在实际应用中，作为样本的检测对象可为均匀钢板。建模过程可举例说明如下假设共存在20个不同有效厚度的均匀钢板，按照有效厚度由小到大的顺序分别编号为均匀钢板I、均匀钢板2、均匀钢板3，依次类推；首先，针对均匀钢板1，确定为使其对应的射线图像的质量符合要求，需要使用的管电压，在实际应用中，可不断地调节管电压，并在不同的管电压下分别进行射线图像采集，当采集到的射线图像的质量符合要求时对应的管电压即为需要使用的管电压；之后，针对均匀钢板2，确定为使其对应的射线图像的质量符合要求，需要使用的管电压；依次类推；如何确定射线图像的质量是否符合要求为现有技术，另外，为提高图像质量，便于后续处理，对于采集到的射线图像，可首先对其进行单色恢复，如何进行单色恢复同样为现有技术；当确定出所有20个均匀钢板分别对应的管电压后，可按照统计建模的方法，生成随能量变化的样本数据，并通过参数估计和误差分析等，建立能量适定性的线性回归模型。2)预测控制模块如图I所示，预测控制模块中又可具体包括预测单元，用于当需要对检测对象Y进行X射线成像时，按照直线递变的方式从O开始逐渐增大X射线发生器的管电压；针对检测对象Y，至少得到三幅质量符合要求且分别对应于不同的管电压的射线图像，根据能量适定性模型，分别确定出得到的每幅射线图像对应的有效厚度，根据确定出的有效厚度建立有效厚度预测模型；根据有效厚度预测模型对检测对象Y的有效厚度变化进行预测，并在当每得到一个有效厚度预测值Z后，分别通知控制单元执行自身功能；控制单元，用于根据能量适定性模型确定出有效厚度预测值Z对应的管电压，并按照确定结果对X射线发生器发出的管电压进行调节及进行射线图像采集。在实际应用中，当需要对检测对象Y进行X射线成像时，可按照直线递变的方式从O开始逐渐增大X射线发生器的管电压，即每个单位时间内的增大量均相同。并且，可在管电压逐渐增大的过程中，针对检测对象Y，每间隔预定时长即进行一次射线图像采集，并在当每采集到一幅射线图像后，分别确定其质量是否符合要求，如果是，则通过某种方式对该射线图像进行标记，当所标记的射线图像的数量至少达到三个时，即可根据能量适定性模型，分别确定出所标记的每幅射线图像对应的有效厚度。由于所标记的每幅射线图像对应的管电压均是可知的，那么结合能量适定性模型，即可得到对应的有效厚度。举例说明假设当管电压的取值分别为10千伏、12千伏、15千伏时，采集到的射线图像的质量符合要求，那么则可根据能量适定性模型，分别得到这三个管电压对应的有效厚度。在得到至少三个有效厚度之后，即可基于这至少三个有效厚度建立有效厚度预测模型，该有效厚度预测模型通常基于非线性的无迹卡尔曼预测方式，如何建立为现有技术。之后，可根据所建立的有效厚度预测模型对检测对象Y的有效厚度变化进行预测，并在当每得到一个有效厚度预测值Z后，分别根据能量适定性模型确定出其对应的管 电压，并按照确定结果对X射线发生器发出的管电压进行调节及进行射线图像采集。具体来说，当控制单元根据能量适定性模型确定出有效厚度预测值Z对应的管电压后，可加快管电压的递变速率，并在当管电压的取值处于[A_a，A+a]的范围内时，每间隔预定时长则进行一次射线图像采集，其中，A表示确定出的有效厚度预测值Z对应的管电压，a表示预定阈值，a的具体取值可根据实际需要而定。当管电压超过A+a后，可减缓管电压的递变速率，并从当管电压的取值处于[A_a，A+a]的范围内时采集到的各幅射线图像中选出一幅质量最好的，作为有效厚度预测值Z对应的射线图像，并进行下一次有效厚度变化的预测。在实际应用中，管电压存在一定的容忍度，在一定的容忍度范围内，成像质量基本一致，本发明所述方案中，当管电压的取值处于[A-a，A+a]的范围内时，每间隔预定时长则进行一次射线图像采集，并从采集到的各幅射线图像中选出质量最好的作为有效厚度预测值Z对应的射线图像。上面所提到的加快管电压的递变速率，具体加快多少可根据实际需要而定，通常来说，对于单位时间内的管电压调节量会设置一个上限，加快后的递变速率需要能够保证单位时间内的管电压调节量不超过所述上限。同样，上面所提到的减缓管电压的的递变速率，具体减缓多少也可根据实际需要而定，比如可恢复为加快之前的递变速率。另外，如果选出的射线图像的质量不符合要求，则控制单元还可从管电压超过A+a开始，每间隔预定时长则进行一次射线图像采集，并在当每采集到一幅射线图像后，分别确定其质量是否符合要求，如果是，则将该射线图像作为有效厚度预测值Z对应的射线图像，即对之前的结果进行微调，并在之后进行下一次有效厚度变化的预测。再有，控制单元还可根据能量适定性模型确定出有效厚度预测值Z对应的射线图像对应的有效厚度，并发送给预测单元，相应地，预测单元根据该确定出的有效厚度更新有效厚度预测模型。由于有效厚度预测值Z对应的射线图像对应的管电压是可知的，那么根据能量适定性模型，即可得到有效厚度预测值Z对应的射线图像对应的有效厚度，并可根据其更新有效厚度预测模型，比如，原来是基于三个有效厚度建立的有效厚度预测模型，现在可根据四个有效厚度重新建立有效厚度预测模型，以提高有效厚度预测模型的预测精度和预测效率。举例说明假设有效厚度预测值Z为5毫米，那么，可在当管电压处于[35，45](假设单位为千伏)的范围内时，采集得到10幅射线图像，并从中选出一幅质量最好的作为有效厚度预测值Z对应的射线图像，假设选出的射线图像对应的管电压为38千伏；或者，如果选出的射线图像的质量不符合要求，可从管电压大于45千伏开始，每间隔预定时长采集一次射线图像，假设当管电压为47千伏时，采集到的射线图像的质量符合要求，则将该射线图像作为有效厚度预测值Z对应的射线图像；之后，可根据有效厚度预测值Z对应的射线图像对应的管电压(38千伏或47千伏)以及能量适定性模型，得到有效厚度预测值Z对应的射线图像对应的有效厚度。可以看出，采用本发明所述处理方式后，管电压将呈现出变斜率的直线上升趋势，如图2所示，图2为本发明所述管电压的递变波形示意图，整个过程中，管电压一直在增大，只是递变速率时快时慢。在得到有效厚度预测值Z对应的管电压后，之所以要加快管电压的递变速率，是为了使管电压尽快递变至所需的值，而之后之所以要减缓管电压的递变速率，是为了避免递变过快，错过下一次有效厚度预测值对应的管电压以及微调时对应的管 电压。当达到检测对象Y的最大有效厚度后，即可结束本发明所述处理，后续，可根据采集到的各有效厚度预测值分别对应的射线图像，通过图像融合和图像重建等技术，得到最终所需的射线图像。如何确定是否达到检测对象Y的最大有效厚度以及如何得到最终所需的射线图像均为现有技术。至此，即完成了关于本发明方法实施例的介绍。基于上述介绍，图3为本发明X射线成像系统中的射线能量控制方法实施例的流程图。如图3所不,包括步骤31 :建立表征射线能量与检测对象的有效厚度之间的对应关系的能量适定性模型。本步骤的具体实现可为针对至少两个作为样本的检测对象，分别确定为使其对应的射线图像的质量符合要求，需要使用的X射线发生器的管电压；其中，每个作为样本的检测对象均具有均匀的有效厚度，且每两个作为样本的检测对象均具有不同的有效厚度；根据每个作为样本的检测对象的有效厚度及对应的管电压，建立能量适定性模型。步骤32 :当需要对任一检测对象Y进行X射线成像时，分别进行以下处理根据能量适定性模型为检测对象Y建立有效厚度预测模型；根据有效厚度预测模型对检测对象Y的有效厚度变化进行预测，并在当每得到一个有效厚度预测值Z后，分别根据能量适定性模型确定出其对应的射线能量，并按照确定结果对X射线发生器发出的射线能量进行调节及进行射线图像采集。其中，所述根据能量适定性模型为检测对象Y建立有效厚度预测模型的具体实现可为当需要对检测对象Y进行X射线成像时，按照直线递变的方式从O开始逐渐增大X射线发生器的管电压；针对检测对象Y，至少得到三幅质量符合要求且分别对应于不同的管电压的射线图像，根据能量适定性模型，分别确定出得到的每幅射线图像对应的有效厚度，根据确定出的有效厚度建立有效厚度预测模型。所述按照确定结果对X射线发生器发出的射线能量进行调节及进行射线图像采集的具体实现可为当根据能量适定性模型确定出有效厚度预测值Z对应的管电压后，加快管电压的递变速率，并在当管电压的取值处于[A_a，A+a]的范围内时，每间隔预定时长则进行一次射线图像采集，其中，A表示确定出的有效厚度预测值Z对应的管电压，a表示预定阈值；当管电压超过A+a后，减缓管电压的递变速率，并从当管电压的取值处于[A-a，A+a]的范围内时采集到的各幅射线图像中选出一幅质量最好的，作为有效厚度预测值Z对应的射线图像，并进行下一次有效厚度变化的预测。另外，如果选出的射线图像的质量不符合要求，则从当管电压超过A+a开始，每间隔预定时长则进行一次射线图像采集，并在当每采集到一幅射线图像后，分别确定其质量 是否符合要求，如果是，则将该射线图像作为有效厚度预测值Z对应的射线图像，并进行下一次有效厚度变化的预测。再有，还可根据能量适定性模型确定出有效厚度预测值Z对应的射线图像对应的有效厚度，并根据确定出的有效厚度更新有效厚度预测模型。图3所示方法实施例的具体工作流程请参照前述装置实施例中的相应说明，此处不再赘述。总之，采用本发明所述方案，可根据检测对象的有效厚度的变化，自适应地调节X射线发生器发出的射线能量，从而使得二者之间达到较好的匹配，进而提高了成像质量；本发明所述方案可适用于任意结构的检测对象，具有广泛的适用性，且具有较强的智能性，实现起来简单方便，便于普及和推广；另外，管电压采用变斜率直线递变的方式进行控制，相比于现有管电压的频繁调节方式，一方面可以避免吉普斯振荡效应带来的不稳定因素，另一方面又可有效地提高图像采集效率。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种X射线成像系统中的射线能量控制装置，其特征在于，包括 模型建立模块，用于建立表征射线能量与检测对象的有效厚度之间的对应关系的能量适定性模型； 预测控制模块，用于当需要对任一检测对象Y进行X射线成像时，分别进行以下处理 根据所述能量适定性模型为所述检测对象Y建立有效厚度预测模型； 根据所述有效厚度预测模型对所述检测对象Y的有效厚度变化进行预测，并在当每得到一个有效厚度预测值Z后，分别根据所述能量适定性模型确定出所述有效厚度预测值Z对应的射线能量，并按照确定结果对X射线发生器发出的射线能量进行调节及进行射线图像米集。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述模型建立模块中包括 射线预扫描单元，用于针对至少两个作为样本的检测对象，分别确定为使其对应的射线图像的质量符合要求，需要使用的X射线发生器的管电压；其中，每个作为样本的检测对象均具有均匀的有效厚度，且每两个作为样本的检测对象均具有不同的有效厚度； 模型建立单元，用于根据每个作为样本的检测对象的有效厚度及对应的管电压，建立所述能量适定性模型。
3.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述预测控制模块中包括 预测单元，用于当需要对所述检测对象Y进行X射线成像时，按照直线递变的方式从O开始逐渐增大所述X射线发生器的管电压； 针对所述检测对象Y，至少得到三幅质量符合要求且分别对应于不同的管电压的射线图像，根据所述能量适定性模型，分别确定出得到的每幅射线图像对应的有效厚度，根据确定出的有效厚度建立有效厚度预测模型； 根据所述有效厚度预测模型对所述检测对象Y的有效厚度变化进行预测，并在当每得到一个有效厚度预测值Z后，分别通知控制单元执行自身功能； 所述控制单元，用于根据所述能量适定性模型确定出所述有效厚度预测值Z对应的管电压，并按照确定结果对X射线发生器发出的管电压进行调节及进行射线图像采集。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于， 所述控制单元根据所述能量适定性模型确定出所述有效厚度预测值Z对应的管电压后，加快管电压的递变速率，并在当管电压的取值处于[A_a，A+a]的范围内时，每间隔预定时长则进行一次射线图像采集，其中，A表示确定出的所述有效厚度预测值Z对应的管电压，a表示预定阈值； 当管电压超过A+a后，减缓管电压的递变速率，并从当管电压的取值处于[A_a，A+a]的范围内时采集到的各幅射线图像中选出一幅质量最好的，作为所述有效厚度预测值Z对应的射线图像，并进行下一次有效厚度变化的预测。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于， 所述控制单元进一步用于，如果选出的射线图像的质量不符合要求，则从当管电压超过A+a开始，每间隔预定时长则进行一次射线图像采集，并在当每采集到一幅射线图像后，分别确定其质量是否符合要求，如果是，则将该射线图像作为所述有效厚度预测值Z对应的射线图像，并进行下一次有效厚度变化的预测。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述控制单元进一步用于，根据所述能量适定性模型确定出所述有效厚度预测值Z对应的射线图像对应的有效厚度，并发送给所述预测单元； 所述预测单元根据接收到的有效厚度更新所述有效厚度预测模型。
7.—种X射线成像系统中的射线能量控制方法，其特征在于，包括 建立表征射线能量与检测对象的有效厚度之间的对应关系的能量适定性模型； 当需要对任一检测对象Y进行X射线成像时，分别进行以下处理 根据所述能量适定性模型为所述检测对象Y建立有效厚度预测模型； 根据所述有效厚度预测模型对所述检测对象Y的有效厚度变化进行预测，并在当每得到一个有效厚度预测值Z后，分别根据所述能量适定性模型确定出所述有效厚度预测值Z对应的射线能量，并按照确定结果对X射线发生器发出的射线能量进行调节及进行射线图像米集。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述建立能量适定性模型包括 针对至少两个作为样本的检测对象，分别确定为使其对应的射线图像的质量符合要求，需要使用的X射线发生器的管电压；其中，每个作为样本的检测对象均具有均匀的有效厚度，且每两个作为样本的检测对象均具有不同的有效厚度； 根据每个作为样本的检测对象的有效厚度及对应的管电压，建立所述能量适定性模型。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述能量适定性模型为所述检测对象Y建立有效厚度预测模型包括 当需要对所述检测对象Y进行X射线成像时，按照直线递变的方式从O开始逐渐增大所述X射线发生器的管电压； 针对所述检测对象Y，至少得到三幅质量符合要求且分别对应于不同的管电压的射线图像，根据所述能量适定性模型，分别确定出得到的每幅射线图像对应的有效厚度，根据确定出的有效厚度建立有效厚度预测模型。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述按照确定结果对X射线发生器发出的射线能量进行调节及进行射线图像采集包括 当根据所述能量适定性模型确定出所述有效厚度预测值Z对应的管电压后，加快管电压的递变速率，并在当管电压的取值处于[A-a，A+a]的范围内时，每间隔预定时长则进行一次射线图像采集，其中，A表示确定出的所述有效厚度预测值Z对应的管电压，a表示预定阈值； 当管电压超过A+a后，减缓管电压的递变速率，并从当管电压的取值处于[A_a，A+a]的范围内时采集到的各幅射线图像中选出一幅质量最好的，作为所述有效厚度预测值Z对应的射线图像，并进行下一次有效厚度变化的预测。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括 如果选出的射线图像的质量不符合要求，则从当管电压超过A+a开始，每间隔预定时长则进行一次射线图像采集，并在当每采集到一幅射线图像后，分别确定其质量是否符合要求，如果是，则将该射线图像作为所述有效厚度预测值Z对应的射线图像，并进行下一次有效厚度变化的预测。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括根据所述能量适定性模型确定出所述有效厚度预测值Z对应的射线图像对应的有效厚度，并根据确定出的有效厚度更新所述有效厚度预测模型。
全文摘要
本发明公开了X射线成像系统中的射线能量控制装置，包括模型建立模块，用于建立表征射线能量与检测对象的有效厚度之间的对应关系的能量适定性模型；预测控制模块，用于当需要对任一检测对象Y进行X射线成像时，分别进行以下处理根据能量适定性模型为检测对象Y建立有效厚度预测模型；根据有效厚度预测模型对检测对象Y的有效厚度变化进行预测，并在当每得到一个有效厚度预测值Z后，分别根据能量适定性模型确定出其对应的射线能量，并按照确定结果对X射线发生器发出的射线能量进行调节及进行射线图像采集。本发明同时公开了X射线成像系统中的射线能量控制方法。本发明所述方案可适用于任意结构的检测对象，且实现起来简单方便。
文档编号G01N23/04GK102645441SQ20121010426
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者刘宾, 潘晋孝, 王黎明, 陈平, 陈方林, 韩焱 申请人:中北大学