Изобретение относится к области рентгенотехники, а именно к цифровым детекторам рентгеновского изображения, и предназначено для сведения и линеаризации амплитудных характеристик отдельных сенсоров мультисенсорных детекторов. Технический результат - создание методики сведения и линеаризации амплитудных характеристик мультисенсорных детекторов в условиях неравномерной энергетической освещённости (не требует использования источника излучения с плоским рентгеновским (световым) полем). Способ основан на вычислении табличных функций преобразования интенсивности выходного сигнала сенсоров детектора. В результате применения данных табличных функций преобразования получают амплитудные характеристики сенсоров, которые в пределах точности измерений являются одинаковыми и линейными. Основная идея, используемая для вычисления табличных функций сведения, состоит в использовании того факта, что при наличии медленно изменяющегося по площади детектора неоднородного рентгеновского (светового) поля отклики любых двух смежных сенсоров, обладающих одинаковыми амплитудными характеристиками, должны возле стыка данных сенсоров иметь близкие значения.

[0001] Способ сведения амплитудных характеристик мультисенсорных детекторов, заключающийся в том, что получают при возрастающих значениях интенсивности излучения серию из N калибровочных снимков с равномерным распределением интенсивности излучения по полю детектора, измеряют отклики сенсоров в виде табличных функций, описывающих зависимость выходного сигнала от значений входного, линеаризуют измеренные отклики сенсоров и сводят их к одному отклику, произвольно выбранному из этих линеаризованных откликов, отличающийся тем, что накапливают вдоль стыков смежных сенсоров М значений их откликов на полученных калибровочных снимках детектора методом вычисления скользящего среднего, получая для каждой смежной пары сенсоров ансамбль из M ×N табличных функций преобразования, осуществляющих прямой перевод граничных значений сигнала смежных сенсоров; полученные табличные функции преобразования интерполируют на весь динамический диапазон интенсивностей выходного сигнала детектора, получая ансамбль из М табличных функций сведения смежных сенсоров, который затем усредняют, получая для каждого сенсора табличную функцию сведения его отклика к отклику смежного сенсора; выбирают отклик любого из сенсоров в качестве опорного и последовательно модифицируют табличные функции сведения смежных сенсоров, получая табличные функции сведения откликов сенсоров к отклику опорного сенсора, при этом каждую табличную функцию сведения для текущего сенсора строят с учётом табличной функции сведения предыдущего сенсора; вычисляют табличную функцию линеаризации, осуществляющую линеаризацию отклика опорного сенсора, и последовательно модифицируют табличные функции сведения с помощью найденной функции линеаризации, получая итоговые табличные функции сведения откликов сенсоров детектора к линеаризованному отклику выбранного опорного сенсора.

[0002] Способ по п.1, отличающийся тем, что после получения серии калибровочных снимков М значений сигнала оценивают скользящей локальной линейной аппроксимацией сигнала плоскостью с экстраполяцией его М значений за пределы сенсора.

[0003] Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют сведение и линеаризацию амплитудных характеристик сенсоров детектора, засвеченного входным световым полем с неравномерной интенсивностью.

[0004] Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере один сенсор разбивают на части и выполняют внутрисенсорное сведение его характеристик с последующим междусенсорным сведением характеристик.

Область техники

Изобретение относится к области рентгенотехники, а именно к цифровым детекторам рентгеновского изображения, и предназначено для коррекции рентгеновского изображения. Более конкретно, данное изобретение предназначено для сведения и линеаризации амплитудных характеристик отдельных сенсоров мультисенсорных детекторов.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время применение цифровых мультисенсорных детекторов в медицине, астрономии и других областях непрерывно расширяется [Howell S.B. Handbook of CCD Astronomy. Cambridge University Press, 2000; Gino M. Noise, Noise, Noise; Мирошниченко С.И., Невгасимый А.А. Теория и техника многосенсорных цифровых рентгеновских приёмников. Биотехносфера, № 4/10/2010; Яне Б. Цифровая обработка изображений, М., Техносфера, 2007].

В мультисенсорных детекторах изображение может быть сформировано несколькими ПЗС (CCD) или КМОП (CMOS) сенсорами. Каждый сенсор мультисенсорного детектора, в свою очередь, может состоять из более мелких сенсоров со своим собственным трактом преобразования сигнала. Амплитудные характеристики каждого сенсора такого детектора, определяющие выходные значения интенсивности сигнала формируемого изображения, в силу технологических и др. причин неизбежно будут различаться. Различия в амплитудных характеристиках приводят к общей неоднородности в отклике (неоднородности в выходном изображении) детектора, появляются разрывы непрерывности (т.н. швы) на стыках сенсоров в результирующем цифровом изображении. Поэтому на практике при использовании мультисенсорных детекторов возникает задача сведения амплитудных характеристик сенсоров, составляющих единый детектор. Для получения изображения, однородного по отклику и не содержащего швов на стыках сенсоров, необходимо применить процедуру калибровки, которая сводила бы все характеристики сенсоров к заданной. Кроме сведения для выполнения операции калибровки плоского поля должна быть решена задача линеаризации амлитудных характеристик.

Существуют несколько подходов к решению задачи сведения характеристик. В случае линейных откликов сенсоров стандартным подходом является т.н. двухточечная калибровка. Известны способы сведения и линеаризации их характеристик при существенно нелинейных характеристиках CMOS-сенсоров. Так, в источнике [Rad-icon Imaging Corp. AN08: Polynomial Gain Correction for RadEye Sensors, (www.rad-icon.com/pdf/Radicon AN08.pdf)] описан способ попиксельного сведения и линеаризации характеристик CMOS-сенсоров, при котором

используя источник светового поля с равномерным распределением интенсивности по полю детектора, получают два калибровочных снимка на двух уровнях входного сигнала, причём первый уровень входного сигнала выбирают в два раза меньше следующего;

находят параметры квадратичной зависимости, моделирующей отклик сенсора, и, используя полученные калибровочные снимки, строят корректирующую функцию, линеаризующую и сводящую характеристики пикселей CMOS-сенсора.

В источнике [Liji С., Jorg P. A Practical Non-linear Gain Correction Method for High-resolution CMOS Imaging Detectors] описан другой способ сведения и линеаризации характеристик пикселей CMOS-сенсоров, при котором

используя световое поле с равномерным распределением интенсивности по полю детектора, получают три калибровочных снимка на трёх различных уровнях входного сигнала;

моделируют отклики пикселей сенсора кусочно-квадратичной гладкой зависимостью из трёх сегментов;

находят параметры модельной зависимости и, используя полученные калибровочные снимки, строят корректирующую функцию, линеаризующую и сводящую характеристики пикселей CMOS-сенсора.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ, описанный в источнике [Kodak. Multiple Output Sensors Seams Correction. Application Note, 2009], в котором осуществляют посенсорную линеаризацию и сведение характеристик детектора.

В этом методе

получают при возрастающих значениях интенсивности излучения с использованием источника светового поля с равномерным распределением интенсивности по полю детектора серию из N калибровочных снимков;

измеряют отклики сенсоров в виде табличных функций, описывающих зависимость выходного сигнала от значений входного,

линеаризуют измеренные отклики сенсоров и сводят их к одному отклику, произвольно выбранному из этих линеаризованных откликов. Во всех перечисленных выше методах сведения и линеаризации амплитудных характеристик, включая метод [Kodak. Multiple Output Sensors Seams Correction. Application Note, 2009], используют источник светового поля с равномерным распределением интенсивности по полю детектора. Однако в ряде случаев применение такого источника может быть неудобным либо невозможным в принципе. Неудобство связано с трудностью его создания. Невозможность использования источника светового поля с равномерным распределением интенсивности по полю детектора может быть обусловлена, например, наличием у разработчика детектора с уже интегрированным сцинтилляционным экраном, преобразующим рентгеновское излучение в свет. В последнем случае для сведения и линеаризации амплитудных характеристик сенсоров мультисенсорного детектора оказывается доступным только неплоское рентгеновское поле, приводящее к неравномерному распределению интенсивности по полю детектора (неравномерной энергетической (световой) освещённости).

Задачей настоящего изобретения является разработка способа сведения и линеаризации амплитудных характеристик детектора в условиях неравномерной энергетической освещённости.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание способа сведения и линеаризации амплитудных характеристик мультисенсорных детекторов в условиях неравномерной энергетической освещённости (не требует использования источника излучения с равномерным распределением интенсивности по полю детектора).

Технический результат в способе сведения и линеаризации амплитудных характеристик мультисенсорных детекторов, заключающемся в том, что получают при возрастающих значениях интенсивности излучения серию из N калибровочных снимков с равномерным распределением интенсивности излучения по полю детектора, измеряют отклики сенсоров в виде табличных функций, описывающих зависимость выходного сигнала от значений входного, линеаризуют измеренные отклики сенсоров и сводят их к одному отклику, произвольно выбранному из этих линеаризованных откликов, достигается тем, что накапливают вдоль стыков смежных сенсоров М значений их откликов на полученных калибровочных снимках детектора методом вычисления скользящего среднего, получая для каждой пары смежных сенсоров ансамбль из M ×N табличных функций преобразования, осуществляющих прямой перевод граничных значений сигнала смежных сенсоров; полученные табличные функции преобразования интерполируют на весь динамический диапазон интенсивностей выходного сигнала детектора, получая ансамбль из М табличных функций сведения смежных сенсоров; который затем усредняют, получая для каждого сенсора табличную функцию сведения его отклика к отклику смежного сенсора; выбирают отклик любого из сенсоров в качестве опорного и последовательно модифицируют табличные функции сведения смежных сенсоров, получая табличные функции сведения откликов сенсоров к отклику опорного сенсора, при этом каждую табличную функцию сведения для текущего сенсора строят с учётом табличной функции сведения предыдущего сенсора; вычисляют табличную функцию линеаризации, осуществляющую линеаризацию отклика опорного сенсора, и последовательно модифицируют табличные функции сведения с помощью найденной функции линеаризации, получая итоговые табличные функции сведения откликов сенсоров детектора к линеаризованному отклику выбранного опорного сенсора.

Возможен вариант осуществления изобретения, при котором вместо накопления М значений откликов сенсоров методом вычисления скользящего среднего вдоль стыков сенсоров применяют скользящую локальную линейную аппроксимацию сигнала плоскостью с экстраполяцией его М значений за пределы сенсора, что позволяет уменьшить влияние градиента входного рентгеновского (светового) поля на стыках сменных сенсоров.

Также возможен вариант, согласно которому осуществляют сведение и линеаризацию амплитудных характеристик сенсоров детектора, засвеченного входным световым полем с неравномерной интенсивностью.

Возможно разбиение по меньшей мере одного сенсора на части и выполнение вначале внутри-сенсорного сведения с последующим междусенсорным сведением характеристик.

Главная отличительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что сведение и линеаризация характеристик мультисенсорных детекторов не требует использования источника излучения с равномерным распределением интенсивности по полю детектора.

Подробное описание изобретения

Заявляемое техническое решение, возможность его технической реализации и достижение указанного технического результата поясняется фиг. 1-6.

На фиг. 1 показано устройство для получения рентгенограмм;

на фиг. 2 изображена общая схема оценки откликов сенсоров, используемая в настоящем изобретении для их сведения;

на фиг. 3 показан график, схематически изображающий сведение и линеаризацию характеристик сенсоров детектора, состоящего всего из двух смежных сенсоров;

на фиг. 4 приведены графики табличных функций преобразования сведения и линеаризации амплитудных характеристик;

на фиг. 5 показан исходный рентгеновский снимок размером 5000 ×4000 пикселей, полученный с использованием детектора, состоящего из 24 сенсоров;

на фиг. 6 продемонстрирована эффективность предлагаемой в данном изобретении методики сведения и линеаризации амплитудных характеристик для детектора, состоящего из 24 сенсоров.

Получение рентгенограмм осуществляют, например, с помощью устройства, показанного на фиг. 1. Оно содержит рентгеновскую трубку 1, которая испускает пучок рентгеновского излучения 2. Пучок рентгеновского излучения 2 поступает на детектор 3. Детектор 3 содержит сцинтилляционный экран (на чертеже не показан) и матрицу фоточувствительных элементов (на чертеже не показаны). Сцинтилляционный экран оптически связан с поверхностью активной области матрицы фоточувствительных элементов. Матрица фоточувствительных элементов (на чертеже не показана) состоит по меньшей мере из одного сенсора. Она может состоять из любого конечного числа сенсоров, например из двух.

Пучок рентгеновского излучения 2 попадает на детектор 3, сцинтилляционный экран преобразует его в видимый свет, который преобразуется сенсорами детектора в цифровую форму. Данная форма представляет собой цифровое изображение, состоящее из нескольких частей, количество которых соответствует числу сенсоров в детекторе. На фиг. 2 схематически показано цифровое изображение 4, сформированное детектором 3, состоящим из двух смежных сенсоров 5 и 6.

Согласно заявляемому способу сначала делают серию из N калибровочных снимков. Калибровочные снимки выполняют с равномерным распределением интенсивности излучения по полю детектора, без поглощающих объектов. Снимки генерируют при возрастающих значениях интенсивности излучения, с произвольным шагом по интенсивности от нулевой экспозиции (снимок считывания) до наступления сигнала насыщения с сенсоров детектора. В силу того что поле излучения в общем случае является неплоским, сенсоры детектора 3 уходят в насыщение неравномерно. Для уменьшения влияния шума в последующем этапе оценки откликов сенсоров для каждого значения интенсивности получают несколько снимков, которые затем усредняют. Одновременно с получением серии снимков замеряют с помощью дозиметра (на чертеже не показан) значения интенсивности излучения в произвольно выбранном месте детектора 3, располагая его, например, сверху над детектором 3 или рядом с ним.

Затем накапливают М значений откликов сенсоров методом вычисления скользящего среднего с помощью блока оценки сигнала 7 небольшого размера, например 30 ×30 пикселей, вдоль стыков смежных сенсоров. Блок оценки сигнала 7 в положении 8 соответствует отклику сенсора 5 под номером 1, положение 9 (фиг. 2) блока оценки сигнала 7 соответствует отклику сенсора 5 под номером М. Аналогично для сенсора 6 положение 10 блока оценки сигнала 7 соответствует первому отклику сенсора 6, а положение 11 блока оценки сигнала 7 соответствует отклику сенсора 6 под номером М. Для оценки сигнала применяют выборочное среднее или с целью повышения устойчивости к шуму медиану. На фиг. 3 приведены графики функций, где 12 - отклик сенсора 5 в одном из М положений блока оценки сигнала 7 на стыке смежных сенсоров 5 и 6, 13 - отклики сенсора 6 в одном из М положений блока оценки сигнала 7, 14 - желаемый общий линейный отклик соседних сенсоров 5 и 6. По горизонтальной оси графика (фиг. 3) показаны измеренные значения интенсивности (в относительных единицах, например дозах (D), нормированных на максимальное значение интенсивности), по вертикальной оси - вычисленное значение интенсивности (I) сигнала в выбранной области оценки сигнала.

Главная идея сбора значений откликов сенсоров вдоль их границ заключается в использовании того факта, что вблизи границы сенсоров интенсивности излучения практически одинаковы при плавно изменяющемся по площади детектора 3 входном рентгеновском (световом) поле, поэтому значения откликов откорректированных сенсоров 5 и 6 на стыках имеют близкие значения. Для реализации данной идеи на основе полученных М значений откликов сигналов сенсоров для N калибровочных снимков получают ансамбль из M ×N табличных функций преобразования, осуществляющих прямой перевод граничных значений сигнала одного из смежных сенсоров в граничные значения сигнала другого сенсора. Например, каждой выходной интенсивности сигнала сенсора 6, вычисленной на его границе в калибровочном изображении, ставят в соответствие значение граничной интенсивности сенсора 5.

Данные табличные функции преобразования интерполируют на весь динамический диапазон интенсивностей выходного сигнала детектора, получая ансамбль из М табличных функций сведения.

Ансамбль из М табличных функций сведения усредняют с целью дальнейшего уменьшения ошибки в оценке сигнала, вызванной наличием шума на калибровочных снимках.

Таким образом получают для каждого сенсора табличную функцию сведения его отклика к отклику смежного сенсора. Для этого выбирают отклик любого из сенсоров детектора (например, отклик сенсора 5 на фиг. 2), который далее будем называть опорным, и последовательно, от опорного к остальным сенсорам, модифицируют табличные функции сведения так, чтобы осуществить сведение амплитудных характеристик сенсоров к амплитудной характеристике выбранного опорного сенсора 5.

В результате получают по калибровочным снимкам такие табличные функции сведения, которые обеспечивают сведение амплитудных характеристик сенсоров мультисенсорного детектора.

Помимо сведения амплитудных характеристик сенсоров 5 и 6 выполняют операцию калибровки плоского поля, амплитудную характеристику опорного сенсора 5 линеаризуют и преобразуют амплитудную характеристику сенсора 6 к линеаризованной амплитудной характеристике опорного сенсора 5. А именно, вычисляют табличную функцию линеаризации, осуществляющую линеаризацию отклика опорного сенсора. Затем последовательно модифицируют табличные функции сведения с помощью найденной функции линеаризации, получая итоговые табличные функции сведения откликов сенсора 6 детектора к линеаризованному отклику выбранного опорного сенсора 5.

На фиг. 4 показан график табличных функций сведения 15 отклика сенсора 5 в линейный отклик 14 фиг. 3, 16 - график табличной функции сведения отклика сенсора 6 в линейный отклик 14 фиг. 3, по горизонтальной оси (фиг. 4) отложена входная интенсивность сигнала (I), по вертикальной изображена выходная интенсивность T(I).

Описанная схема сведения и линеаризации амплитудных характеристик предполагает, что отклик каждого отдельного сенсора определяется, главным образом, одной характеристикой. Возможны различные комбинации сведения и линеаризации амплитудных характеристик мультисенсорных детекторов. Если характеристика сенсора обладает различной нелинейностью внутри отдельного сенсора, излагаемая здесь схема сведения и линеаризации допускает возможность разбиения сенсора на части и выполнение вначале внутрисенсорного сведения, с последующим междусенсорным сведением характеристик. С целью уменьшения влияния градиента, в особенности при использовании входного поля с большим градиентом, на стыках сенсоров вместо накопления М значений откликов сенсоров методом вычисления скользящего среднего вдоль стыков сенсоров на полученных калибровочных снимках применяют метод скользящей локальной линейной аппроксимации сигнала плоскостью с экстраполяцией его М значений за пределы сенсора.

Результат применения заявляемого в изобретении способа показан на фиг. 5-6. На фиг. 5 приведён снимок размером 5000 ×4000 пикселей, состоящий из 24 сенсоров, где 17 - изображение дозиметра, 18 и 19 - изображения, полученные с двух соседних сенсоров детектора 3. На фиг. 5 хорошо видны различия в отклике сенсоров, выражающиеся, в частности, в наличии стыков между изображениями 18 и 19, полученными со смежных сенсоров. На фиг. 6 приведён пример применения заявляемой в настоящем изобретении способа сведения и линеаризации амплитудных характеристик сенсоров: отклики сенсоров стали одинаковыми и линейными, границы между сенсорами незаметны.

Лучший вариант осуществления изобретения

Возможен следующий вариант реализации заявляемого способа.

Сначала получают серию из N калибровочных снимков с равномерным распределением интенсивности излучения по полю детектора (фиг. 2). Снимки генерируют при возрастающих значениях интенсивности излучения D _j

с произвольным шагом по интенсивности излучения, от нулевой экспозиции (снимок считывания) до насыщения сигналов с сенсоров детектора. Интенсивность излучения измеряется дозиметром, расположенным в произвольном месте на поверхности детектора. Для уменьшения влияния шума для каждого значения интенсивности получают и усредняют несколько снимков. Затем с помощью блока оценки сигнала 7 накапливают вдоль стыков смежных сенсоров М значений их откликов на полученных калибровочных снимках детектора методом вычисления скользящего среднего. Рассмотрим для простоты ситуацию, при которой детектор состоит всего из двух сенсоров (фиг. 2). Оценку сигнала в данном случае осуществляют по следующим формулам:

где - массив оценок сигнала первого сенсора - массив оценок сигнала второго сенсора - радиус блока оценки сигнала, количество оценок сигнала на стыке сенсоров, - общее количество калибровочных снимков, (х, у) - координаты центра блока оценки сигнала. Вблизи стыка при использовании гладкого рентгеновского поля интенсивность излучения практически одинакова, поэтому при использовании сенсоров с одинаковыми амплитудными характеристиками должно выполняться приближённое равенство

В предлагаемом изобретении осуществляют построение табличных функций преобразования на основе использования приближённого равенства (1).

Для этого

1) для смежной пары сенсоров получают ансамбль из M ×N табличных функций преобразования вида

2) интерполируют табличные функции преобразования T _i на всём динамическом диапазоне I (например, детектора, получают табличные функции сведения сенсоров

3) усредняют табличные функции сведения, т.е. получают одну табличную функцию сведения Т отклика сенсора 6 в сенсор 5

При усреднении в формуле (2) используют усреднение по ансамблю функций, заданных на одной и той же сетке значений зависимого аргумента (входной яркости ). Данная табличная функция сведения Т представляет собой искомую табличную функцию (LUT, look-up table), которая сводит различающиеся амплитудные характеристики сенсоров 5 и 6 к одной (к характеристике опорного сенсора 5) (фиг. 2).

Затем для выполнения процедуры линеаризации амплитудных характеристик сенсоров выбирают отклик любого из сенсоров, например, пусть это будет отклик R ² _m,j сенсора 6, и применяют к нему найденную табличную функцию преобразования

1) рассматривая отклик как функцию измеренной интенсивности излучения (дозы), находят параметр наклона α желаемой линейной характеристики сенсоров детектора из следующей формулы [Kodak. Multiple Output Sensors Seams Correction. Application Note, 2009]:

2) строят табличную функцию линеаризации, линеаризующую сенсор 6 с интерполяцией её на весь динамический диапазон детектора

3) итоговые табличные функции сведения откликов сенсоров 5 и 6 находят соответственно формулам

(сенсор 5 не изменялся).

Изложенная здесь схема последовательного сведения и линеаризации амплитудных характеристик сенсоров легко распространяется на случай более двух сенсоров в детекторе.

Литература

1. Howell S.B. Handbook of CCD Astronomy. Cambridge University Press, 2000.

2. Kodak. Multiple Output Sensors Seams Correction. Application Note, 2009. (www.kodak.com/qlobal/plugins/acrobat/en/business/ISS/supportdocs/Multiple OutputSensorsSeamsCorrection.pdf).

3. Rad-icon Imaging Corp. AN08: Polynomial Gain Correction for RadEye Sensors (www.rad-icon.com/pdf/Radicon AN08.pdf).

4. Liji C., Jorg P. A Practical Non-linear Gain Correction Method for High-resolution CMOS Imaging Detectors. (https://www.hoertech.hausdeshoerens-oldenburg.de/dgmp2008/abstract/Cao.pdf &rct=i &q=Liji Practical Non-linear Gain Correction Method for High-resolution pdf).

5. Gino M. Noise, Noise, Noise (http://www.astrophys-assist.com/educate/noise/noise.htm).

6. Мирошниченко С.И., Невгасимый А.А. Теория и техника многосенсорных цифровых рентгеновских приёмников. Биотехносфера, № 4/10/2010.

7. Яне Б. Цифровая обработка изображений. М., Техносфера, 2007, 583 с.