張 玲,胡戰(zhàn)利,余成波,劉 磊,石 偉,洪序達,項里偉
(1.重慶理工大學 電子信息與自動化學院,重慶 400054;2.中國科學院深圳先進技術研究院,廣東 深圳 518055)
基于非晶硒平板探測器的乳腺CT圖像采集軟件設計*
張 玲1,2,胡戰(zhàn)利2,余成波1,劉 磊1,2,石 偉2,洪序達2,項里偉2
(1.重慶理工大學 電子信息與自動化學院,重慶 400054;2.中國科學院深圳先進技術研究院,廣東 深圳 518055)
針對非晶硒數(shù)字平板探測器設計了一個用于乳腺CT成像的圖像采集軟件,該軟件可以實現(xiàn)對CT圖像的采集、存儲和實時顯示。根據(jù)非晶硒平板探測器的工作原理和乳腺CT的成像原理,在VS2010開發(fā)環(huán)境下,基于MFC和OpenCV完成了乳腺CT圖像采集軟件的設計與測試,該軟件實現(xiàn)了圖像的快速采集,達到了實時成像的目的。針對設計的圖像采集軟件,利用碳納米管X射線源進行了亮暗場及乳腺模體成像實驗,結(jié)果表明,設計的軟件達到了設計需求和目的。
平板探測器;圖像采集;乳腺CT;MicrosoftFoundationClasses(MFC)
乳腺CT(breastcomputedtomography)是一種專用于乳腺疾病檢查的醫(yī)學成像設備[1]。平板探測器和X射線源是乳腺CT成像系統(tǒng)中的核心組件,其中X射線源用于發(fā)出X射線,穿透乳腺組織結(jié)構(gòu);平板探測器用于接收透過乳腺組織的X射線,并經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)化變成數(shù)字圖像矩陣,經(jīng)內(nèi)部校正、噪聲消除等處理,利用千兆以太網(wǎng)將數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C進行保存并在計算機終端實時顯示[2]。
根據(jù)材料的不同,平板探測器分為兩種:非晶硅平板探測器[3]和非晶硒平板探測器[4]。前者由閃爍晶體、薄膜非晶硅光電二極管陣列和非晶硅晶體管陣列構(gòu)成;后者由光電導材料非晶硒和非晶硅晶體管陣列構(gòu)成。相比于非晶硅平板,非晶硒平板直接將X射線轉(zhuǎn)化成可見光光子,避免散射的發(fā)生,因此其空間分辨率優(yōu)于非晶硅平板,能夠滿足乳腺攝影的臨床需要。同時,非晶硒平板具有極低的成像劑量、更好的圖像對比度和空間分辨率,可以真正滿足乳腺X光攝影對細節(jié)的極高要求,成為數(shù)字乳腺機的主流和發(fā)展方向。
綜合考慮,本文采用Analogic公司的AXS-2430非晶硒平板探測器作為成像媒介,探測面積是24cm×30cm,成像矩陣為2 816×3 584,像元尺寸為85μm×85μm,圖像灰度深度為 16bit,該數(shù)字平板探測器具有以下優(yōu)點:(1)動態(tài)范圍寬,數(shù)字圖像的灰度深度為16bit;(2)散射損耗非常低;(3)圖像采集速度快,可以達到900ms每幀;(4)可選連續(xù)快速采集多幅圖像。
本文通過VisualStudio2010(VS2010)開發(fā)平臺,基于MFC和OpenCV設計乳腺CT系統(tǒng)的圖像采集軟件,并結(jié)合X射線源進行了圖像采集實驗。
基于非晶硒平板探測器的乳腺CT系統(tǒng)主要由工作站、乳腺機架、X射線源和非晶硒平板探測器構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。X射線源采用自主研發(fā)的分布式碳納米管X射線源陣列[5],通過編程控制順序發(fā)射,實現(xiàn)靜態(tài)多角度成像,從而避免運動造成的偽影。乳腺機架用來支撐X射線源和平板探測器,中間的載物臺用來放置檢測模體。工作站與探測器和X射線源通過千兆以太網(wǎng)連接。
圖1 乳腺CT成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
由于該探測器只能工作在外觸發(fā)模式下,在正常工作時,需要按照一定的時序進行圖像采集。圖2為探測器手動采集模式下的工作時序圖。如圖2所示,探測器初始化完成以后,發(fā)出一個準備好(READY)的信號,該信號輸出給外部觸發(fā)電路,觸發(fā)一個準備信號(PERP)給探測器,此時,探測器進入曝光前的準備狀態(tài),經(jīng)過T1(約2.7ms),完成準備,進入曝光狀態(tài),開啟曝光窗口(EXP_WIN),此時開啟X射線源(X-RAY_ON),探測器開始曝光,T5為曝光窗口(約200ms),T 8為采集一幀圖像的曝光周期(約900ms)。完成一次連續(xù)采集后,READY信號拉高,等待T6(約8s)后,準備進入下一次采集。
圖2 探測器采集的時序圖
2.1 軟件需求分析
基于非晶硒平板探測器的乳腺CT系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩大部分[6]。硬件主要包括X射線源(陣列式碳納米管陰極射線源)和平板探測器。軟件部分主要包括圖像采集、存儲和實時顯示三部分。本文介紹的是基于平板探測器的圖像采集軟件設計,主要配合X射線源按照探測器的工作時序完成乳腺CT圖像的采集和實時顯示。
2.2 采集軟件設計
本文在VS2010軟件開發(fā)平臺下,基于MFC和OpenCV設計探測器的圖像采集軟件。該圖像采集軟件實現(xiàn)的主要功能包括:初始化、模式選擇、狀態(tài)監(jiān)測、存儲路徑選擇、圖像存儲與顯示、終止采集和退出等。初始化是對探測器的基本工作參數(shù)及模式進行設置及為探測器采集做準備,通過調(diào)用系統(tǒng)的INITIALIZATION_EVENT()事件完成;探測器具有Contact、Mag、Stereo和Tomo四種可選模式,其成像分辨率相同均為2 816×3 584,其中Contact、Mag、Stereo這三種模式只能單次采集一幅圖像,曝光周期分別為5s、7s和3s,Tomo模式可一次連續(xù)采集25幀圖像,每幀的曝光周期為900ms,軟件啟動時,默認選中Contact模式,初始化完成后,將界面中的模式選擇控件禁用,避免誤操作;狀態(tài)監(jiān)測用于實時顯示探測器的工作狀態(tài),監(jiān)測其運行情況;圖像存儲路徑可以通過“scan…”按鈕的消息響應函數(shù)進行更改和選擇,便于將數(shù)據(jù)存儲到目標文件夾;圖像存儲格式為醫(yī)學圖像常用的.raw無損格式,在進行顯示時,通過OpenCV對圖像數(shù)據(jù)進行讀取后在Picture控件中顯示,圖像的實時顯示可以讓工作人員實時觀察采集到的圖像,有助于及時發(fā)現(xiàn)問題并進行校正。圖像終止采集在X射線源關閉后進行,系統(tǒng)將停止發(fā)送和處理探測器采集的相關時序,同時使能探測器模式選擇按鈕,下次進行采集時,需要再次進行初始化操作;退出操作用于關閉軟件對話框,并釋放相關內(nèi)存空間,結(jié)束進程,安全退出,避免出現(xiàn)內(nèi)存泄露。
軟件采集流程如圖3所示。
圖3 探測器采集流程圖
探測器進行數(shù)據(jù)采集時,主要通過設計CmainManage類來實現(xiàn),該類封裝了實現(xiàn)探測器功能的API(應用程序接口)及用戶程序,主要包括以下接口功能函數(shù):
Initialize();//完全初始化
QuickInitialize();//快速初始化
StartContAcqProp();//開始采集
RecoverImage();//恢復圖像
MonitorPegasus();//狀態(tài)監(jiān)視
Shutdown();//停止采集
上述函數(shù)分別實現(xiàn)了探測器的初始化/快速初始化、數(shù)據(jù)采集、恢復圖像、監(jiān)視當前狀態(tài)、停止采集等功能。初始化分為完全初始化和快速初始化兩種不同的過程,快速初始化默認跳過電子偏移校正,即消除背景噪聲,而完全初始化過程需要對探測器的所有參數(shù)進行校對,耗時較長。實際應用時,當背景穩(wěn)定后,可選擇快速初始化,以縮短探測器的升溫時間,快速達到工作溫度。
設計的探測器采集軟件利用MFC中的文件對話框類實現(xiàn)了對圖像保存路徑選擇及數(shù)據(jù)存儲,探測器采集到的圖像數(shù)據(jù)保存為.raw格式,通過OpenCV庫函數(shù)對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行讀取并在采集界面中實時顯示,便于用戶實時觀察采集到的圖像。
完成設計后的圖像采集軟件界面如圖4所示,左邊放置的是探測器一些操作按鈕和狀態(tài)信息,右邊矩形框是用于圖像實時顯示的區(qū)域。
圖4 探測器圖像采集軟件界面
該采集軟件設計完成以后,結(jié)合乳腺CT實驗平臺的硬件系統(tǒng)進行實驗,主要進行了基于單個碳納米管X射線源的亮、暗場成像實驗和乳腺模體成像實驗。
3.1 亮暗場成像實驗
實驗利用自主研發(fā)的碳納米管X射線源作為光源,通過非晶硒平板探測器和外觸發(fā)電路板來測試探測器對X射線的成像效果。分別采集了暗場圖像(如圖5所示)和低陰極電流條件下的碳納米管亮場圖像(如圖6所示)。圖像采集完成以后,圖像文件將以不同的名稱自動保存到指定的文件夾中。
圖5 探測器暗場成像圖
圖6 弱X射線碳納米管亮場成像圖
3.2 乳腺模體成像實驗
乳腺模體成像實驗選用的模體為美國CIRS公司的編號11A的乳腺模體,采用碳納米管X射線源對模體進行曝光,然后通過探測器采集軟件進行圖像采集、存儲及顯示,實驗結(jié)果如圖7所示。
圖7 乳腺模體成像圖
3.3 結(jié)果分析與討論
基于碳納米管X射線源的探測器亮、暗場及乳腺模體成像實驗結(jié)果表明,本文設計的乳腺CT圖像采集軟件可以實現(xiàn)探測器在有、無X射線源條件下進行圖像采集、存儲與實時顯示,初步達到了設計目標和要求。由于目前所研發(fā)的X射線源性能還不是很好,發(fā)射電流較低,導致乳腺模體成像圖像不清晰,但所設計的圖像采集軟件實現(xiàn)了探測器的圖像采集功能,且可以用于后期的乳腺CT實驗并可進一步完善和優(yōu)化。
本文在VS2010軟件開發(fā)環(huán)境下,基于MFC和OpenCV完成了針對非晶硒平板探測器的乳腺CT系統(tǒng)圖像采集軟件的設計。該軟件可以根據(jù)用戶需求選擇不同的探測器采集模式進行圖像采集,同時可以實時存儲和顯示圖像數(shù)據(jù),并且可以實時監(jiān)控探測器的工作狀態(tài)。碳納米管X射線源的成像實驗結(jié)果表明,該探測器圖像采集軟件可以達到預期的要求,驗證了軟件的可行性?;贛FC及OpenCV設計的乳腺CT圖像采集軟件實現(xiàn)了與硬件系統(tǒng)的兼容性,簡化了系統(tǒng)的應用。
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Design of image acquisition software for breast CT based on amorphous selenium flat panel detector
ZhangLing1,2,HuZhanli2,YuChengbo1,LiuLei1,2,ShiWei2,HongXuda2,XiangLiwei2
(CollegeofElectronicInformationandAutomation,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing, 400054,China;2.ShenzhenInstitutesofAdvancedTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shenzhen518055,China)
AspecialimageacquisitionsoftwarewasdesignedforthededicatedbreastCTbasedondigitalamorphousseleniumflatpaneldetector.Thesoftwarecanachievethepurposeofimageacquisition,imagestorageandreal-timedisplayinthebreastCTsystem.AccordingtotheworkingprincipleofamorphousseleniumflatpaneldetectorandtheimagingprincipleofbreastCT,theimageacquisitionsoftwarewasdevelopedusingVS2010asasoftwareplatform,thedesignandtestofimageacquisitionsoftwareforbreastCTwerecompletedbasedonMFCandOpenCV.Thesoftwarecanachievetheaimoffast-imagingacquisitionandreal-timeimaging.Atlast,thesoftwarehasbeentestedcombinedwithX-raysourcebasedoncarbonnanotubeindark,brightandbreastphontomconditions.Theresultsshowthatthesoftwaremeetstherequirementsandpurposeofthesoftwaredesign.
flatpaneldetector;imageacquisition;breastcomputedtomography(CT);MicrosoftFoundationClasses(MFC)
國家自然科學基金項目(61501446, 61402063);廣東省科技計劃項目(2015B020233014);重慶市科技人才培養(yǎng)計劃(新產(chǎn)品研發(fā)團隊)項目(CSJC2013KJRC-TDJS40012);重慶市高校優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化項目(KJZH14213);深圳市基礎研究項目(JCYJ20140417113430558);深圳市技術開發(fā)項目(CXZZ20140505091419405)
TP
ADOI: 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.007
張玲,胡戰(zhàn)利,余成波,等. 基于非晶硒平板探測器的乳腺CT圖像采集軟件設計[J].微型機與應用,2016,35(22):26-28,32.
2016-06-24)
張玲(1989-),女,碩士研究生,主要研究方向:儀器儀表技術、信號與信息處理。
余成波(1965-),通信作者,男,博士,教授,主要研究方向:遠程測試與控制技術、信號與信息處理。E-mail:yuchengbo@cqut.edu.cn。