張玲1,2，胡戰(zhàn)利2，余成波1，劉磊1,2，石偉2，洪序達(dá)2，項(xiàng)里偉2

　?。?.重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400054；2.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055）

       摘要：針對(duì)非晶硒數(shù)字平板探測器設(shè)計(jì)了一個(gè)用于乳腺CT成像的圖像采集軟件，該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CT圖像的采集、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)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VS 2010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(shè)計(jì)與測試，該軟件實(shí)現(xiàn)了圖像的快速采集，達(dá)到了實(shí)時(shí)成像的目的。針對(duì)設(shè)計(jì)的圖像采集軟件，利用碳納米管X射線源進(jìn)行了亮暗場及乳腺模體成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的軟件達(dá)到了設(shè)計(jì)需求和目的。

　　關(guān)鍵詞：平板探測器；圖像采集；乳腺CT；Microsoft Foundation Classes (MFC)

　　中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.22.007

　　引用格式：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(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（22）：26-28,32.

0引言

　　乳腺 CT（breast computed tomography）是一種專用于乳腺疾病檢查的醫(yī)學(xué)成像設(shè)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(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行保存并在計(jì)算機(jī)終端實(shí)時(shí)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(dǎo)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(shí)，非晶硒平板具有極低的成像劑量、更好的圖像對(duì)比度和空間分辨率，可以真正滿足乳腺X光攝影對(duì)細(xì)節(jié)的極高要求，成為數(shù)字乳腺機(jī)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24 cm×30 cm，成像矩陣為2 816×3 584，像元尺寸為85 μm×85 μm，圖像灰度深度為 16 bit，該數(shù)字平板探測器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）動(dòng)態(tài)范圍寬，數(shù)字圖像的灰度深度為16 bit；（2）散射損耗非常低；（3）圖像采集速度快，可以達(dá)到900 ms每幀；（4）可選連續(xù)快速采集多幅圖像。

　　本文通過Visual Studio 2010(VS 2010)開發(fā)平臺(tái)，基于MFC和OpenCV設(shè)計(jì)乳腺CT系統(tǒng)的圖像采集軟件，并結(jié)合X射線源進(jìn)行了圖像采集實(shí)驗(yàn)。

1探測器工作原理

　　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(jī)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(shí)現(xiàn)靜態(tài)多角度成像，從而避免運(yùn)動(dòng)造成的偽影。乳腺機(jī)架用來支撐X射線源和平板探測器，中間的載物臺(tái)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。

　　由于該探測器只能工作在外觸發(fā)模式下，在正常工作時(shí)，需要按照一定的時(shí)序進(jìn)行圖像采集。圖2為探測器手動(dòng)采集模式下的工作時(shí)序圖。如圖2所示，探測器初始化完成以后，發(fā)出一個(gè)準(zhǔn)備好（READY）的信號(hào)，該信號(hào)輸出給外部觸發(fā)電路，觸發(fā)一個(gè)準(zhǔn)備信號(hào)（PERP）給探測器，此時(shí)，探測器進(jìn)入曝光前的準(zhǔn)備狀態(tài)，經(jīng)過T1（約2.7 ms），完成準(zhǔn)備，進(jìn)入曝光狀態(tài)，開啟曝光窗口（EXP_WIN），此時(shí)開啟X射線源（XRAY_ON），探測器開始曝光，T5為曝光窗口（約200 ms），T8為采集一幀圖像的曝光周期（約900 ms）。完成一次連續(xù)采集后，READY信號(hào)拉高，等待T6（約8 s）后，準(zhǔn)備進(jìn)入下一次采集。

2圖像采集軟件設(shè)計(jì)

　　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(chǔ)和實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)，主要配合X射線源按照探測器的工作時(shí)序完成乳腺CT圖像的采集和實(shí)時(shí)顯示。

　　2.2采集軟件設(shè)計(jì)

　　本文在VS 2010軟件開發(fā)平臺(tái)下，基于MFC和OpenCV設(shè)計(jì)探測器的圖像采集軟件。該圖像采集軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：初始化、模式選擇、狀態(tài)監(jiān)測、存儲(chǔ)路徑選擇、圖像存儲(chǔ)與顯示、終止采集和退出等。初始化是對(duì)探測器的基本工作參數(shù)及模式進(jìn)行設(shè)置及為探測器采集做準(zhǔn)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5 s、7 s和3 s，Tomo模式可一次連續(xù)采集25幀圖像，每幀的曝光周期為900 ms，軟件啟動(dòng)時(shí)，默認(rèn)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(shí)時(shí)顯示探測器的工作狀態(tài)，監(jiān)測其運(yùn)行情況；圖像存儲(chǔ)路徑可以通過“scan…”按鈕的消息響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行更改和選擇，便于將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到目標(biāo)文件夾；圖像存儲(chǔ)格式為醫(yī)學(xué)圖像常用的.raw無損格式，在進(jìn)行顯示時(shí)，通過OpenCV對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取后在Picture控件中顯示，圖像的實(shí)時(shí)顯示可以讓工作人員實(shí)時(shí)觀察采集到的圖像，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行校正。圖像終止采集在X射線源關(guān)閉后進(jìn)行，系統(tǒng)將停止發(fā)送和處理探測器采集的相關(guān)時(shí)序，同時(shí)使能探測器模式選擇按鈕，下次進(jìn)行采集時(shí)，需要再次進(jìn)行初始化操作；退出操作用于關(guān)閉軟件對(duì)話框，并釋放相關(guān)內(nèi)存空間，結(jié)束進(jìn)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。

　　探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，主要通過設(shè)計(jì)CmainManage類來實(shí)現(xiàn)，該類封裝了實(shí)現(xiàn)探測器功能的API（應(yīng)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(fù)圖像

　　MonitorPegasus();//狀態(tài)監(jiān)視

　　Shutdown();//停止采集

　　上述函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)了探測器的初始化/快速初始化、數(shù)據(jù)采集、恢復(fù)圖像、監(jiān)視當(dāng)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(rèn)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(duì)探測器的所有參數(shù)進(jìn)行校對(duì)，耗時(shí)較長。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)背景穩(wěn)定后，可選擇快速初始化，以縮短探測器的升溫時(shí)間，快速達(dá)到工作溫度。

　　設(shè)計(jì)的探測器采集軟件利用MFC中的文件對(duì)話框類實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像保存路徑選擇及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并在采集界面中實(shí)時(shí)顯示，便于用戶實(shí)時(shí)觀察采集到的圖像。

　　完成設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)顯示的區(qū)域。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

　　該采集軟件設(shè)計(jì)完成以后，結(jié)合乳腺CT實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要進(jìn)行了基于單個(gè)碳納米管X射線源的亮、暗場成像實(shí)驗(yàn)和乳腺模體成像實(shí)驗(yàn)。

　　3.1亮暗場成像實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)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(duì)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(dòng)保存到指定的文件夾中。

　　3.2乳腺模體成像實(shí)驗(yàn)

　　乳腺模體成像實(shí)驗(yàn)選用的模體為美國CIRS公司的編號(hào)11A的乳腺模體，采用碳納米管X射線源對(duì)模體進(jìn)行曝光，然后通過探測器采集軟件進(jìn)行圖像采集、存儲(chǔ)及顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

　　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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的乳腺CT圖像采集軟件可以實(shí)現(xiàn)探測器在有、無X射線源條件下進(jìn)行圖像采集、存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)顯示，初步達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)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(dǎo)致乳腺模體成像圖像不清晰，但所設(shè)計(jì)的圖像采集軟件實(shí)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(shí)驗(yàn)并可進(jìn)一步完善和優(yōu)化。

4結(jié)論

　　本文在VS 2010軟件開發(fā)環(huán)境下，基于MFC和OpenCV完成了針對(duì)非晶硒平板探測器的乳腺CT系統(tǒng)圖像采集軟件的設(shè)計(jì)。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(jìn)行圖像采集，同時(shí)可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和顯示圖像數(shù)據(jù)，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控探測器的工作狀態(tài)。碳納米管X射線源的成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該探測器圖像采集軟件可以達(dá)到預(yù)期的要求，驗(yàn)證了軟件的可行性。基于MFC及OpenCV設(shè)計(jì)的乳腺CT圖像采集軟件實(shí)現(xiàn)了與硬件系統(tǒng)的兼容性，簡化了系統(tǒng)的應(yīng)用。

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