工业X射线CT初级辐射调制：束硬化效果，并校正散射校正

工业X射线CT初级辐射调制：束硬化效果，并校正散射校正

介绍

近年来，工业X射线锥形束CT（CBCT）已成为一个主要的技术实现精确的可视化和检查的一部分的内部结构在非破坏性检测。虽然CBCT工业评估和检查任务已经成为一个越来越重要的工具，它已经发现了许多在不同工业领域的应用范围从非常小的部件，如芯片或其它微小的电子元器件的印刷电路板，相当大的样品，例如重型燃气轮机零件，包括陶瓷隔热结构[1]或涡轮叶片[2]。在CBCT扫描仪完整的2D数据采集现代平板探测器用于在同一时间。的体积扩大的覆盖范围和由此显着减少扫描时间，这也导致增加的散射辐射的总检测信号。

图1。标准锥束CT设置主要辐射部分散落样品的示意图。部分散射辐射到达检测器，它产生二次信号，导致散射文物重建CT卷，例如条纹，拔罐神器和对比度损失。

散射的射线提出CBCT系统中，典型的分散的工件，如拔罐在均质区域的材料[3重建的CT卷，对比度损失，以及高对比度的区域之间的条纹图像退化的一个主要来源[4]。此外，图像中的噪声增加，如果散射辐射照射在检测器上的[5]之前不会被删除。另外，尺寸测量由分散的负面影响，因为它模糊锋利的边缘，并呈现平坦面弯曲表面检测步骤[6]。因此，对于大型样品tomographed小放大，即分别位于靠近探测器，这些文物变得更加严峻。图1示意性地示出这样的情况，在一个标准的CBCT设置初级部分散射辐射（绿色）（红色），由采样。一小部分的散射辐射到达探测器平面上升（二级）散射信号。在医用CT领域，许多散布抑制以及散射校正方法的方法已经开发出来。散射抑制的目的是减少散射的光子到达探测器的数量，例如[5]通过使用一个防散射格栅或增加空气间隙[7]。虽然这可以检测到的散射量减少，但并不能消除它完全。相比之下，散射校正方法可应用于后验减去总检测信号的散射贡献。这需要在每个凸起的散射分布的精确知识。计算分析散射模型，蒙特卡罗模拟和混合方法可以分为几个软件为基础的分散的估计方法存在。除了从基于软件的方法，我们想指出两个不同的实验方法，旨在测量散射信号在采样点数目。第一组包括束停止为基础的技术，如光束停止阵列（BSA）和互补的方法，使用我们称之为束孔阵列茴香醚（BHA）[1,8,9]的孔。在这两种技术中，高吸收元件（钨或铅），用于完全阻止主信号（BSA）或消除散射信号茴香醚（BHA），一些小的采样点。在这两种情况下，不含BSA / BHA的第二扫描，以获得完整的投影数据为整个字段的视图。虽然这些技术导致图像质量的显着改善，BSA和BHA的方法有必要额外的扫描时间，测量工作，以及额外的剂量。除了上述的实验方法，近日，巴尼哈希米等。朱等人。提出了一种新的用于医疗应用的基础上的初级辐射的空间调制散射校正方法[10,11]。空间初级调制（SPM）的概念可以完全整合分散数据采集，进入正常的CT扫描使额外的扫描时间和精力都是过时。这构成了很大的优势，所提出的方法。在这项工作中，我们要讨论如何SPM可以实现在工业CBCT扫描仪。具体来说，我们认为，束硬化效果所造成的初次调制光束路径插入不正确的散射估计。最后，我们提出了初步的CT检查结果说明这种方法来纠正一个有前途的能力SPM，而不是延长扫描时间和精力分散文物。

1。理论

1.1概念空间初级调制

由空间的一次调制（SPM）的散射校正从理论上讨论了在[10]和[11]中实验测试。在这里，我们想给一个简短的说明，其基本概念。 SPM的根本目的是取得主图像的估计值，并随后，减去这个估计的总投影，以获得每个CT投影散点图预算。这是通过插入到X射线锥形束之间的样品和X射线管，一个普通的空间衰减图案压印到初级辐射通过样品之前的一个所谓的主调制器。让我们考虑与透明（亮）和半透明的（暗）的平方衰减为棋盘图案的形式。虽然这个空间格局保存一次X射线，光子分散样品（主要是由于康普顿散射过程）将有新的传播方向，从而将涂抹出的模式，从而导致一个低的漫散射信号S在检测器上的空间频率。作出相应，这种散射的贡献S被假定为未调制和低频。它被叠加的低频部分的初级辐射P的图。图2示出，在傅立叶空间中，位于这些重叠的贡献P + S的中心附近（空间频率是零），从而表现出低频率的字符。另一方面，调制的初级辐射产生调制的主信号P在检测器上。由于一次X射线探测器平面不与样品发生任何相互作用，因此，没有被偏转，他们仍然会显示的调制印记。事实上，这些信号代表与空间调制函数的对象的空间衰减函数相乘的结果。在频率空间中，这对应于对象衰减函数的具有调制功能的频率的频率的卷积。后者具有占主导地位的频率，即调制频率FMOD（）附加的调制图案的空间周期的倒数给出它的倍数。因此，专门的主信号P的光谱副本被发现在二维傅立叶空间中周围的调制频率，如图所示。 2右下角。因此，分离基色信号的调制和未调制的初级加散射信号的频率空间中通过适当的过滤算法的主要图像可方便地估计位于心脏SPM的概念。

图2。空间初级调制的概念例证。上：在一个正常的CT投影，没有主调制器，总信号给出小学和散射信号，P + S的总和傅立叶变换的投影产生的二维功率谱右侧小学和散射信号，特别是在低频区域中心附近重叠。底部：初级调制器插在前面的对象相同的CT投影。的规则间隔的模式的主调制器的衰减图案压印到初级辐射导致只有主信号的FMOD调制频率和高次谐波的频谱副本。

1.2束硬化校正半透明广场

如上所述，空间的一次调制（SPM）的主调制器被插入到在前面的样品的X射线锥形束。印记到初级辐射透过半透明的（暗）的平方衰减的过程中的间隔规则的强度图案。出于这个原因，初级调制器制作作为蚀刻印刷电路板（PCB）的铜和环氧树脂预浸料坯，第一具有高，后者的低衰减的明亮的平方与黑暗的平方。虽然效果束硬化（BHD）是微不足道的光明广场，它是不适合黑暗的广场如硬化事件谱额外的铜0.7毫米。我们认为这将如何影响散射计算过程通过SPM。由于后面黑暗的平方的频谱具有更大的平均能量，因为它会如果BHD未发生，X射线穿过暗平方其后有更大的渗透能力比没有BHD。 ，并使硬化一次X射线照射样品引起大于他们应该是初级信号。在解调过程中，这会导致低估真正的主信号的主图像的估计值。因此，分散估计将导致过大，在分散信号。在文献中，这种效果

图3。一）衰减曲线在两种不同的光谱入射铝楔模拟：对于初级调制器的明亮的平方，我们假设一个预过滤的管为2.0mm的预过滤器（黑色），而对于暗的正方形的预过滤器是有效地放大到频谱2.7毫米（红色）。 b）从在两个衰减曲线之间的差异），我们构建了一个查找表，每个原先测量的灰度值x映射到一个的修正值fBHC（x）的。

Gao等人已经确认，但是没有被考虑，直到最近提出的主要调制器的黑暗的广场选择的最佳材料，以减少对BHD的效​​果[12]。这似乎是在120kVp铒的医疗应用。另外，专注于工业应用的工作​​在更大的电压，我们要为大家介绍一个简单的，基于模拟的束硬化更正暗广场应用一个类似的方式对整个工业CT中的CT投影。所谓线性化方法由Hammersberg提出的一个限制等[13]的是，它理论上是正确的，只对单一材料的样品。因此，在这里，我们认为只有单一材料样品，演示的目的，例如由纯铝制成的样品。对于这种情况，一个给定的多色X射线谱，例如200 kVp的，例如预滤器和管2毫米的铜样品的频谱事件是2毫米的铜预过滤，另一个用于输入频谱，我们可以模拟两个衰减曲线的X射线照射铝楔样品：一组明亮的广场组暗广场实现，例如由0.7毫米厚的铜，相应的频谱有效的预过滤得到2.7毫米的铜。图3a示出在对数刻度的两个衰减曲线I/I0。由于渗透长度增加两个衰减曲线的差异也增加。从模拟衰减曲线，我们构造一个查找表，如图。 3B，地区阴影暗广场的一个的修正值fBHC（x）的映射每个可能测量，原来的灰度值x。预测前处理空间小学解调，我们执行的所有像素（X，Y）的一个BHD校正由暗广场阴影。这涉及到以下步骤：
鉴于总信号T（X，Y）的像素（X，Y），减去一个散布的估计SEST（X，Y），例如由
使用计算出的散射图像从CT投影前
T'（X，Y）= T（X，Y）SEST（X，Y）。
使用T'（X，Y）作为查找值查找表fBHC中，这会产生一个（负）
被添加到T'（X，Y）的修正值产生T'corr（X，Y），
T'corr（X，Y）= T'（X，Y）+ fBHC [T'（X，Y）]。
撤消分散减去估计产生的八位校正灰度值
TCORR像素（X，Y），（X，Y）= T'corr（X，Y）+ SEST（X，Y）。

2。实验装置

对于空间一次调制（SPM）的束硬化（BHD）我们使用一个工业CBCT扫描仪配备有一个225KV的X射线管和平板探测器的暗平方校正结合散射校正初步论证。该示例是总尺寸为18×8×4立方厘米，包括在一个平面上，这是低倍率tomographed钻孔的铝试验幽灵，即旋转轴线，位于探测器15厘米。 CT扫描参数：管电压200 KVP，阳极电流375μA2mm的铜，预过滤器，1080 CT投影。按照1.2节中，我们使用一个主调制器在PCB上的棋盘图案制作成99 X 99平方，暗铜制成的正方形，厚度
0.7毫米，导致约20％的衰减。首先，我们进行了CT扫描的示范BHD的校正深色平方有和没有一个单一的投影分别与初​​级调制器的地方和供比较的散射校正。其次，一个正常的CT扫描无主调制器进行比较，与分散校正的CT扫描，以显示散射校正的综合能力。

3。实验结果

3.1影响束硬化校正为半透明的广场散布图片

图4示出了计算出的散射图像上的左手侧和与BHD校正在中间没有BHD校正。通讯线的档案上的右手边，这两种情况下，作为参考，也为一个的Monte-Carlo模拟的散射图像的X射线参数被相应地选择。正如我们可以看到黑暗的平方结果在较小的计算散射信号相比没有BHD校正的情况BHD校正。这是在协议第1.2节中讨论的预期行为。定量，线轮廓表示在中心和25％的约40％，在外部区域中的散射信号降低。

图4。计算散射图像无束硬化（BHD）校正（左），与BHD校正（中）和相应的剖面线。作为参考，相应的剖面线从蒙特卡洛模拟散射图像。 BHD校正散射计算导致较小的分散的灰度值，按照蒙特卡罗模拟散射灰度值的中心，即后面的对象。

此外，我们注意到好的协议BHD-校正散射信号与相应的蒙特卡罗模拟散射信号对应样品的影子在中部地区。然而，在外部区域这两个强烈的幅度不同。事实上，我们看到了一个测线剖面下很难发现在原来的CT投影过渡地区（主要是由于样品的边缘）的急剧增加。这样的分散功能的行为已被确定，源于强劲贡献探测器内部散射[1,9]。

3.2实验CT结果显示使用空间初级调制散射校正

为了进行比较，图。 5显示CT片从分散纠正CT容积空间初级调制结合BHD校正中所描述的第1.2节（图5a）和裸CT容积（图5b）。显着改善图像质量相比，裸CT片显示典型的散射文物，例如分散纠正CT观察条纹，拔罐，和对比度损失。该生产线的剖面图。分散5C定量表示强势盘整分散拔罐神器和恢复中心钻孔优化对比度校正的CT片（黑色）和裸CT片（红色）。

一）CT片，从分散更正的CT容积几乎没有散射文物的。 b）同普通CT扫描CT片无散射校正。典型的分散的文物，例如条纹由箭头指示。三）通讯线剖面显示拔罐神器和裸CT对比，而亏损纠正CT出现显着改善在这些点分散。

结论

基于空间的一次调制，通过插入到的光束路径的初级调制器的一种新的散射校正方法的组最近提出了巴尼 - ，哈希米[10]和诸[11]。他们提出的方法的一大优点在于它可以被纳入一个正常的CT扫描使额外的扫描时间和精力都是过时的事实。我们实行这种形式的散射校正我们的工业CBCT扫描仪检查射束硬化的影响发生在黑暗的广场。长此下去，束硬化会扰乱分散估计过程渲染估计散射信号过大。为了纠正这种效果，我们采用了基于线性化方法通常适用于CT重建进程束硬化校正。对于单一材料的样品，这种方法理论上是正确的，完整的。我们在分散信号表现出了显着的变化，当我们把我们的束硬化校正，从而导致降低散射信号在25-40％的范围示范投影。最后，我们展示了显着的改善，在CT图像的质量进行散射校正时使用的空间的一次调制结合建议的束硬化校正。这包括典型的拔罐神器强还原性，增强了对比度，以及消除CT片的条纹。

致谢

我们要感谢BONI慕尼黑工业大学和马尔兹博士西门子医疗解决方案（美国）博士教授的有益讨论和支持。

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