《电子技术应用》

基于非晶硒平板探测器的乳腺CT图像采集软件设计

2016年微型机与应用第22期 作者:张玲1,2,胡战利2,余成波1,刘磊1,2,石伟2,洪序达2,项里伟2
2017/1/10 14:33:00

  张玲1,2,胡战利2,余成波1,刘磊1,2,石伟2,洪序达2,项里伟2

  (1.重庆理工大学 电子信息与自动化学院,重庆 400054;2.中国科学院深圳先进技术研究院,广东 深圳 518055)

       摘要:针对非晶硒数字平板探测器设计了一个用于乳腺CT成像的图像采集软件,该软件可以实现对CT图像的采集、存储和实时显示。根据非晶硒平板探测器的工作原理和乳腺CT的成像原理,在VS 2010开发环境下,基于MFC和OpenCV完成了乳腺CT图像采集软件的设计与测试,该软件实现了图像的快速采集,达到了实时成像的目的。针对设计的图像采集软件,利用碳纳米管X射线源进行了亮暗场及乳腺模体成像实验,结果表明,设计的软件达到了设计需求和目的。

  关键词:平板探测器;图像采集;乳腺CT;Microsoft Foundation Classes (MFC)

  中图分类号:TP319文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.22.007

  引用格式:张玲,胡战利,余成波,等. 基于非晶硒平板探测器的乳腺CT图像采集软件设计[J].微型机与应用,2016,35(22):26-28,32.

0引言

  乳腺 CT(breast computed tomography)是一种专用于乳腺疾病检查的医学成像设备[1]。平板探测器和X射线源是乳腺 CT成像系统中的核心组件,其中X射线源用于发出X射线,穿透乳腺组织结构;平板探测器用于接收透过乳腺组织的X射线,并经过内部转化变成数字图像矩阵,经内部校正、噪声消除等处理,利用千兆以太网将数字信号传输到计算机进行保存并在计算机终端实时显示[2]。

  根据材料的不同,平板探测器分为两种:非晶硅平板探测器[3]和非晶硒平板探测器[4]。前者由闪烁晶体、薄膜非晶硅光电二极管阵列和非晶硅晶体管阵列构成;后者由光电导材料非晶硒和非晶硅晶体管阵列构成。相比于非晶硅平板,非晶硒平板直接将X射线转化成可见光光子,避免散射的发生,因此其空间分辨率优于非晶硅平板,能够满足乳腺摄影的临床需要。同时,非晶硒平板具有极低的成像剂量、更好的图像对比度和空间分辨率,可以真正满足乳腺X光摄影对细节的极高要求,成为数字乳腺机的主流和发展方向。

  综合考虑,本文采用Analogic公司的AXS2430非晶硒平板探测器作为成像媒介,探测面积是24 cm×30 cm,成像矩阵为2 816×3 584,像元尺寸为85 μm×85 μm,图像灰度深度为 16 bit,该数字平板探测器具有以下优点:(1)动态范围宽,数字图像的灰度深度为16 bit;(2)散射损耗非常低;(3)图像采集速度快,可以达到900 ms每帧;(4)可选连续快速采集多幅图像。

  本文通过Visual Studio 2010(VS 2010)开发平台,基于MFC和OpenCV设计乳腺CT系统的图像采集软件,并结合X射线源进行了图像采集实验。

1探测器工作原理

  基于非晶硒平板探测器的乳腺CT系统主要由工作站、乳腺机架、X射线源和非晶硒平板探测器构成,其结构示意图如图1所示。X射线源采用自主研发的分布式碳纳米管X射线源阵列[5],通过编程控制顺序发射,实现静态多角度成像,从而避免运动造成的伪影。乳腺机架用来支撑X射线源和平板探测器,中间的载物台用来放置检测模体。工作站与探测器和X射线源通过千兆以太网连接。

图像 001.png

  由于该探测器只能工作在外触发模式下,在正常工作时,需要按照一定的时序进行图像采集。图2为探测器手动采集模式下的工作时序图。如图2所示,探测器初始化完成以后,发出一个准备好(READY)的信号,该信号输出给外部触发电路,触发一个准备信号(PERP)给探测器,此时,探测器进入曝光前的准备状态,经过T1(约2.7 ms),完成准备,进入曝光状态,开启曝光窗口(EXP_WIN),此时开启X射线源(XRAY_ON),探测器开始曝光,T5为曝光窗口(约200 ms),T8为采集一帧图像的曝光周期(约900 ms)。完成一次连续采集后,READY信号拉高,等待T6(约8 s)后,准备进入下一次采集。

2图像采集软件设计

  2.1软件需求分析

  基于非晶硒平板探测器的乳腺CT系统主要包括硬件和软件两大部分[6]。硬件主要包括X射线源(阵列式碳纳米管阴极射线源)和平板探测器。软件部分主要包括图像采集、存储和实时显示三部分。本文介绍的是基于平板探测器的图像采集软件设计,主要配合X射线源按照探测器的工作时序完成乳腺CT图像的采集和实时显示。

  2.2采集软件设计

  本文在VS 2010软件开发平台下,基于MFC和OpenCV设计探测器的图像采集软件。该图像采集软件实现的主要功能包括:初始化、模式选择、状态监测、存储路径选择、图像存储与显示、终止采集和退出等。初始化是对探测器的基本工作参数及模式进行设置及为探测器采集做准备,通过调用系统的INITIALIZATION_EVENT()事件完成;探测器具有Contact、Mag、Stereo和Tomo四种可选模式,其成像分辨率相同均为2 816×3 584,其中Contact、Mag、Stereo这三种模式只能单次采集一幅图像,曝光周期分别为5 s、7 s和3 s,Tomo模式可一次连续采集25帧图像,每帧的曝光周期为900 ms,软件启动时,默认选中Contact模式,初始化完成后,将界面中的模式选择控件禁用,避免误操作;状态监测用于实时显示探测器的工作状态,监测其运行情况;图像存储路径可以通过“scan…”按钮的消息响应函数进行更改和选择,便于将数据存储到目标文件夹;图像存储格式为医学图像常用的.raw无损格式,在进行显示时,通过OpenCV对图像数据进行读取后在Picture控件中显示,图像的实时显示可以让工作人员实时观察采集到的图像,有助于及时发现问题并进行校正。图像终止采集在X射线源关闭后进行,系统将停止发送和处理探测器采集的相关时序,同时使能探测器模式选择按钮,下次进行采集时,需要再次进行初始化操作;退出操作用于关闭软件对话框,并释放相关内存空间,结束进程,安全退出,避免出现内存泄露。

图像 002.png

  软件采集流程如图3所示。

图像 003.png

  探测器进行数据采集时,主要通过设计CmainManage类来实现,该类封装了实现探测器功能的API(应用程序接口)及用户程序,主要包括以下接口功能函数:

  Initialize();//完全初始化

  QuickInitialize();//快速初始化

  StartContAcqProp();//开始采集

  RecoverImage();//恢复图像

  MonitorPegasus();//状态监视

  Shutdown();//停止采集

  上述函数分别实现了探测器的初始化/快速初始化、数据采集、恢复图像、监视当前状态、停止采集等功能。初始化分为完全初始化和快速初始化两种不同的过程,快速初始化默认跳过电子偏移校正,即消除背景噪声,而完全初始化过程需要对探测器的所有参数进行校对,耗时较长。实际应用时,当背景稳定后,可选择快速初始化,以缩短探测器的升温时间,快速达到工作温度。

  设计的探测器采集软件利用MFC中的文件对话框类实现了对图像保存路径选择及数据存储,探测器采集到的图像数据保存为.raw格式,通过OpenCV库函数对采集到的图像数据进行读取并在采集界面中实时显示,便于用户实时观察采集到的图像。

  完成设计后的图像采集软件界面如图4所示,左边放置的是探测器一些操作按钮和状态信息,右边矩形框是用于图像实时显示的区域。

图像 004.png

3实验结果及讨论

  该采集软件设计完成以后,结合乳腺CT实验平台的硬件系统进行实验,主要进行了基于单个碳纳米管X射线源的亮、暗场成像实验和乳腺模体成像实验。

  3.1亮暗场成像实验

  实验利用自主研发的碳纳米管X射线源作为光源,通过非晶硒平板探测器和外触发电路板来测试探测器对X射线的成像效果。分别采集了暗场图像(如图5所示)和低阴极电流条件下的碳纳米管亮场图像(如图6所示)。图像采集完成以后,图像文件将以不同的名称自动保存到指定的文件夹中。

图像 005.png

图像 006.png

  3.2乳腺模体成像实验

  乳腺模体成像实验选用的模体为美国CIRS公司的编号11A的乳腺模体,采用碳纳米管X射线源对模体进行曝光,然后通过探测器采集软件进行图像采集、存储及显示,实验结果如图7所示。

图像 007.png

  3.3结果分析与讨论

  基于碳纳米管X射线源的探测器亮、暗场及乳腺模体成像实验结果表明,本文设计的乳腺CT图像采集软件可以实现探测器在有、无X射线源条件下进行图像采集、存储与实时显示,初步达到了设计目标和要求。由于目前所研发的X射线源性能还不是很好,发射电流较低,导致乳腺模体成像图像不清晰,但所设计的图像采集软件实现了探测器的图像采集功能,且可以用于后期的乳腺CT实验并可进一步完善和优化。

4结论

  本文在VS 2010软件开发环境下,基于MFC和OpenCV完成了针对非晶硒平板探测器的乳腺CT系统图像采集软件的设计。该软件可以根据用户需求选择不同的探测器采集模式进行图像采集,同时可以实时存储和显示图像数据,并且可以实时监控探测器的工作状态。碳纳米管X射线源的成像实验结果表明,该探测器图像采集软件可以达到预期的要求,验证了软件的可行性。基于MFC及OpenCV设计的乳腺CT图像采集软件实现了与硬件系统的兼容性,简化了系统的应用。

  参考文献

  [1] BOONE J M, KWAN A L C, Yang Kai, et al. Computed tomography for imaging the breast[J]. Journal of Mammary Gland Biology & Neoplasia, 2006, 11(2): 103-111.

  [2] 孔凡亮, 李光, 罗守华, 等. 基于PaxScan2520D平板探测器的锥束CT成像软件开发[J]. 中国医疗设备, 2012, 27(5): 90-93.

  [3] 邝忠华, 李兰君, 桂建保, 等. X射线探测器MTF的狭缝法测量研究[J]. 核电子学与探测技术, 2015, 35(8): 783-787.

  [4] 郭长运. 平板式探测器和常规X射线数字化成像未来[J]. 中国医疗设备, 2002, 17(2): 1-8.

  [5] EMILY G, Gao Bo, Shan Jing, et al. Carbon nanotube electron field emitters for x ray imaging of human breast cancer[J]. Nanotechnology, 2014, 25(25): 235-255.

  [6] 张海静, 黄华. 基于LabVIEW显微CT图像采集控制系统软件的设计[J]. 中国组织工程研究与临床康复, 2011, 15(17): 3160-3162.


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