DR／CT成像系统的曝光参数建模及快速优化方法

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近年来，射线数字成像(digital radiography，DR)和计算机断层成像(computed tomography，CT)在工业无损检测领域得到加速发展，成为某些关键零部件不可或缺的检测手段，其中DR成像是 CT成像的基础 。

曝光参数的选择是 DR/CT成像系统的基本问题之-，不仅直接影响图像质量，还是控制辐射剂量的主要手段 。如何快速获取优化的 DR/CT成像系统曝光参数，减少人工依赖 ，提高图像质量，已成为射线无损检测界所关注的问题。

收稿日期：2012-07 Received Date：2012-07基金项目：国家科技重大专项(2O12zx040o7021)、国家 自然科学基金(511O5315)、西北工业大学基础研究基金(JC20110253，JC20120226)、西安市技术转移促进工程计划(CX1248-2)资助项 目982 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷在 DR/CT无损检测时，要快速有效地找出合适的曝光参数，-般都是根据曝光曲线进行查找，曝光曲线 是在-定条件下绘制的透照参数与透照厚度之间的关系曲线，但根据曝光曲线查找曝光参数的方法受人工和经验干预性较强。文献[7]通过实验的方法，分析不同曝光参数组合对图像质量的影响，得出了扫描电压和曝光量与图像质量的相关性；文献[8-9]指出，x射线摄影时通过增大照射剂量可以提高影像质量，但是当曝光剂量达到足够大时，再增大曝光剂量并不能显著改善图像质量，影像质量与曝光剂量间存在-个优化剂量；近年来又有学者提出了CT扫描自动曝光控制技术，旨在保证图像质量的同时减少CT辐射剂量，可以根据特定位置被照物体的厚度自动调节曝光量的大小使图像噪声保持-定水平，但对厚度未知的工业异形零件难以实施 ” 。文献[14]对比了自动曝光条件与手动条件之间的差异，由于自动曝光控制需给定参考值，如果设置不当就可能影响图像质量或增加辐射剂量。

本文针对工业 DR/CT成像系统中的曝光参数难以快速优化确定的问题，通过建立曝光参数模型并分析优化准则，提出了-种简便的曝光参数优化方法，并进行了实验验证2 曝光参数模型及快速优化方法2.1 曝光参数模型设 DR/CT扫描时被探测器接收到 的射线能谱为S(E)，对应的射线源电压为 kVp，电流为 mA，曝光强度为，，曝光时间为s，单位时间的光子数为Ⅳ，则辐射量R 为：， RdIsN'Js(E) ·s (1)kVp由于N。c mA，1 s(E)dE kVp ，则式(1)可改川 写成 ：RdmAsF (azkVp 0"1kVpⅡ0) (2)式中：mAs是电流mA与曝光时间s的乘积，用于表示曝光量， 是与 s(E)相关的系数(主要涉及射线的过滤方式)。

对于实际DR/CT成像系统，在探测器的线性输出响应范围[G G ]内，探测器的输出图像灰度g与探测器接收到的辐射量 成正比，g 和 g 分别为实际扫描图像的最大、最幸度，如图1所示。但是，由于暗电流的存在，当R 0时，探测器仍然会有-定量的输出/1 。

令 q代表探测器对R 的转换效率 ，则g与R 之间的关系可描述为：gqRdnd (3)图 1 探测器输出曲线Fig.1 The detector output curve因此，在 [G i ，G]范围内，DR/CT成像系统的曝光参数模型可表示为：gg(kVp，mAs，F；)qmAsF ·(0，2kVp 。lkVp0o)17，d (4)在实际应用中，探测器通过暗场校正可以消除 ，q和F 可以进行系数合并，因此式(4)可以改写为：gmAs(。Jj 6 C) (5)中 ：0qF 02，bqF 血1，cqF r上0。

曝光模型-经建立，只要 DR/CT成像系统的硬件性能和环境条件不发生改变，则基于该模型的分析和计算就-直有效，因此建立曝光模型所花费的工作量基本可以忽略不计。

2.2 曝光参数分析及优化DR/CT成像的图像质量与曝光参数密切相关。图像质量的描述指标有多种，本文选择实际中应用较多的对比度和信噪比来进行表征。

对比度用于描述 DR或 CT图像中感兴趣区域均值与背景区域均值 的差异程度，对 比度高则图像清晰度、细节表现和灰度层次好：l IC0n打。st：I 二 1 (6) l信噪比反映了图像感兴趣区域均值 删 与方差 s之比，信噪比高代表噪声影响校射线图像中随机噪声的主要成分是量子噪声，服从 Poisson分布。根据 Poisson分布的性质，可得：SNR 啪I/Slo N/ N N 1DR/CT成像是射线衰减成像，其基本要求是：在投影图像的物体区域有明显输出值，且在无物体的背景区域不出现曝光饱和。在这个前提下，kVp越高，则不同材质间的衰减系数差异越小，对比度越低；mAs越大，则光子数 Ⅳ越大，信噪比越大。另外，射线过滤主要用于减少低能光子并缩小射线能谱分布，射线能谱越窄则 CT的射束硬化伪影越弱，-般kVp越高需要附加的过滤越多，但此时额外滤除的光子数也越多，因此若要保持曝光量则需增大 mAs。

第 5期 黄魁东 等：DR/CT成像系统的曝光参数建模及快速优化方法 983根据上述分析，可将曝光参数优化的 目标函数定义为：max，(g)，g g( Vp，mAs， ) (8)s.t.[g ，g]∈[G j ，G]式中：包含性约束[g ，g]E[G ，G ]可分解为：1)穿透性条件(g ≥G i )；2)饱和性条件(g ≤G )。

因此，在成像设备的能力范围以内，得到曝光优化准则：1)选择满足窄能谱条件的最少射线过滤；2)选择满足饱和性条件的最大 mAs；3)选择满足穿透性条件的最小 kVp。

3 实验与分析考虑到 DR成像是 CT成像的基础，本文主要从 CT的角度进行实验和分析。所用 CT系统的射线源为 YX-LON Y.TU450.D02，平 板 探 测 器 为 VIRIANPAXSCAN 2520。

首先需要确定探测器的 [G，G ]。在暗场校正后，考虑到各种噪声(量子噪声、系统噪声)和伪影(余晖、散射等)对成像灰度值的影响 ，以及对物体穿透性成像的要求，本文设定探测器输出的最大线性响应区间为G 200，G 2 600。

对于扫描电压，本文以200kVp为界分为2种不同的射线过滤方式 ：当 kve<200时，射线源内部 自带的2.3 mm铁和 1 mm铜的过滤板视为满足使用要求；当kVp≥200时，在此基础上额外增加 0.5 mm钨合金板过滤射线。为了获取该 CT系统具体的曝光参数模型，需要先建立曝光参数表如表 1、表 2所示，然后用本文给出的模型分别进行拟合〖虑到常用电压及射线源的安全性，这里将最小 kVp设为 100，最大 kVp设为 360。

表 1 未增加滤波板时关于mAs的曝光参数表Table 1 The exposure parameter table of mAswithout using filter board表 2 增加滤波板时关于 mAs的曝光参数表Table 2 The exposure parameter table of mAsusing the rlter board采用式(5)分别对表 1、表 2进行拟合，得到相应的曝光参数方程：g mAs(0.596 9kVp -18.5kVp-2 920)(mAs>0，100≤kVp<200) (9)g2mAs(0.136kVp -3.35kVp-2 467)(mAs>0，200≤kVp≤360) (10)接下来就可结合曝光准则快速获取优化的曝光参数，具体步骤如下：1)由准则1，根据物体的材质和大小，选择曝光参数方程；2)由准则 2，设定 gG 2 600；3)由准则 3，设定g 200；4)将 kVp以小步长递增，代入曝光参数方程计算得到相应的 mAs，使物体投影区域的g ≥200的第-组kVp与 mAs组合即为优化的曝光参数。

这里需要注意的是，由于 CT是圆周扫描，对于-般的异形零件 ，各个投影角度的g 是不-样的。因此，在实施上述步骤前，应将零件的最大厚度放置于射线照射方向，这样就可保证所有投影角度的穿透性。

对-个铝质月牙零件，分别采用人工和本文方法进行 CT扫描的曝光参数获取，结果如表3所示。需要说明的是 ，由于可用的曝光参数组合有很多，不同经验水平的人获取的结果及所耗费的时间(平均约 6 min)往往有较大差异，而本文方法在建立曝光模型后就可以全 自动地获取唯-优化的曝光参数，时间-般在 1 min以内。

表3 两组 CT扫描参数的比较Table 3 The comparison of two sets of CTscanning param eters垦人工 本文方法第 5期 黄魁东 等：DIL/CT成像系统的曝光参数建模及快速优化方法 985[2][3][4][5][6][7][8][9][10][11]于清超，黄魁东，张定华，等.-种锥束 CT散射踌测优化方法[J].仪器仪表学报 ，2011，32(4)：781-786。

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作者简介l 黄魁东，分别于203、06和209年 在西北工业大学获得学士硕博士学位，现为副教授，主要研究方向锥束CT理论和应用计算机图形像处理。 E-mail：kdhuang###wpu.ednHuang Kuidong received B.Sc..M.Sc.and Ph.D.allfrom Northwestern Polytechnical University in 2003.2006 and2009，respectively.Now he is a associate professor in North-western Polytechnical University.His main research fields areCBCT theory and application，computer graphics and imageprocessing。

仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷 张定华，分别于198、4和198年 在西北工业大学获得学士硕博士学位，现为教授博生导师，主要研究方向计算机集成制造锥束CT、计算机图形像处理。 E.mail：dhzang###wpu.ednZhang Dinghua received B.Sc.，M.Sc.and Ph.D.all fromNorthwestern Polytechnical University in 1981，1984 and 1989，respectively.He iS a professor and Ph.D.supervisor in Northwest-ern Polytechnical University nOW.His research interests includecomputer integrated manufacturing systems(CIMS)，CBCT，COB-puter graphics and image processing。

张华，2002于沈 阳航空工业学院获得学士学位 ，2007年于西北工业大学获得硕士学位，现为西北工业大学工程师，主要研究方向为数字化无损检测及工程应用。

E-mail：zhhuang### nwpu.edu.enZhang Hua received B.Sc.from ShenyangInstitute of Aviation Industry in 2002，and received M.Sc.fromNorthwestern Polyteehnieal University in 2007.Now she is an en-gineer in Northwestern Polyteehnieal University.Her main re-search fields are digitized non-destructive testing and engineeringapplications。