一种基于图像反馈的X射线成像能量选择装置和选择方法

摘要

本发明属于安全检查技术领域，具体涉及一种基于图像反馈的X射线成像能量选择装置和选择方法。该装置包括X射线源、电控能量过滤窗口、平板探测器、计算机和电控能量过滤窗口。本发明采用一个X射线源，一个平板探测器，保留双能量图像优势的同时解决了能量过滤材料材质和厚度固定的问题，只采用一套X射线源和一组探测器降低了成本，并且通过电控过滤窗口输出菱锥形X射线束，比圆锥形X射线束辐射剂量小，安全性高。

说明书

技术领域：

本发明属于安全检查技术领域，具体涉及一种基于图像反馈的X射线成像能量选择装置和选择方法。

背景技术：

X射线安检设备是海关、机场、火车站、地铁、快递网点等交通运输和公共设施行李安全检查的重要设备，也是公检法单位的重要技侦装备，是海关、空港、火车客运、汽车客运、轨道交通、公共安全领域安全防护的第一道屏障，为保障国家安全、保护人身财产安全和打击走私活动提供科学手段。

现有的安全检查设备按照射线能量范围可以分为单能量X射线安检设备和双能量X射线安检设备。单能量X射线安检设备探测穿透物体的全部能量X射线，可以得到被检查物体内部的信息，原子序数比较低的、厚度比较小的区域吸收X射线较少，图像较亮，原子序数比较高的、厚度比较大的区域吸收X射线较多，图像较暗。但不能区分暗区域到底是原子序数高的薄区域，还是原子序数低的后区域。为解决上述问题，出现了双能量X射线安检设备，该设备将穿透物体的全部能量X射线分成两个区间，根据实现方式可以分为伪双能设备和真双能设备。伪双能设备采用一个X射线源，两组探测器，一般在两组探测器之间加入能量过滤材料(如铜片、镍片)来实现，通过一次扫描完成，分别获得低能量图像和高能量图像；真双能设备采用两个不同能量范围的X射线源，两组探测器，扫描两次，分别获得低能量图像和高能量图像。

利用低能量图像和高能量图像，通过物质分类算法，可以获得区域的有效原子序数范围，并将不同范围的区域显示成不同颜色，一般将有效原子序数小于10的区域划分为有机物，用橙黄色表示；将有效原子序数大于18的区域划分为无机物，用蓝色表示；其余区域划分为混合物，用绿色表示。

目前双能量X射线安检设备存在以下技术问题：

(1)伪双能X射线安检设备能量过滤材料的材质和厚度是固定的，对于有效原子序数较大的物体，对X射线吸收比较强，透射X射线较弱，采用标准的能量过滤材料会导致高能量图像信号非常弱，会丢失一些细节信息，同样对有效原子序数较小的物体，对X射线吸收比较弱，透射X射线较强，采用标准的能量过滤材料会导致高能量图像信号非常强，会丢失一些细节信息，而这些细节信息往往是检查人员甄别的关键信息；

(2)伪双能X射线安检设备能量过滤材料安装在两组探测器之间的，实际上低能量探测器接收的是全部能量范围的，物质分类不佳；

(3)采用圆锥形X射线束，而平板探测器输入窗口为矩形或长方形，多余的射线超出平板探测器范围，对周围人员和环境影响较大；

(4)伪双能设备需要两组探测器，成本较高，真双能设备需要两套X射线源和两组探测器，成本更高。

发明内容：

发明目的：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于图像反馈的X射线成像能量选择装置和选择方法，保留双能量图像优势的同时，解决了能量过滤材料材质和厚度固定的问题，只采用一套X射线源和一组探测器降低了成本。

技术方案：

一种基于图像反馈的X射线成像能量选择装置，该装置包括X射线源、平板探测器和计算机，该装置还包括电控能量过滤窗口，电控能量过滤窗口安装在X射线源下方，通过计算机中运行基于图像反馈的X射线成像能量选择算法控制电控能量过滤窗口的运转；

电控能量过滤窗口由一组不同材质和厚度的能量过滤片、过滤片总成、快门、电机、框架和外罩构成；过滤片安装在过滤片总成中，完全遮挡X射线的快门安装在最靠近X射线源一侧，通过电机控制快门，快门另一侧是过滤片总成，过滤片总成和电机固定在框架上，快门和框架固定在外罩内。

过滤片总成由过滤片齿条和过滤窗口组成，过滤片安装在过滤窗口中，过滤窗口的侧面与过滤片齿条固定，过滤片齿条带动过滤窗口转动，过滤片随之转动。

所述的一组不同材质和厚度的能量过滤片包括厚度0.1mm的铝过滤片、厚度0.2mm的铝过滤片、厚度0.3mm的铝过滤片、厚度0.1mm镍过滤片、厚度0.2mm镍过滤片、厚度0.3mm镍过滤片、厚度0.1mm铜过滤片、厚度0.2mm铜过滤片、厚度0.3mm铜过滤片和厚度3.0mm铅窗口；

过滤片总成包括11个过滤窗口，分别为空白窗口、0.1mm铝窗口、0.2mm铝窗口、0.3mm铝窗口、0.1mm镍窗口、0.2mm镍窗口、0.3mm镍窗口、0.1mm铜窗口、0.2mm铜窗口、0.3mm铜窗口和3.0mm铅窗口。

X射线源通过电控能量过滤窗口输出菱锥形X射线束。

该X射线成像能量选择装置采用一个X射线源和一个平板探测器。

平板探测器含有二维X射线敏感单元，能够获得穿透过物体的X射线图像，并传输到计算机中。

一种基于图像反馈的X射线成像能量选择方法，该方法的的具体步骤是：

步骤一：对整个X射线成像能量选择装置进行自检，自检通过进行下一步，不通过则结束并在计算机中进行提示；

步骤二：自检通过后，确认X射线源不发出X射线，采集一帧图像作为基准图像；确认没有被检查物体放入，确认检查电控能量过滤窗口处于无过滤片状态，采集一帧图像作为满值图像；

步骤三：依次切换各个过滤片到X射线发射窗口，采集图像作为对应过滤片标准图像，如果采集标准图像不完整则重复采集，直至采集完整标准图像；

步骤四：采集完整标准图像后，放入被检查物体，预估物体厚度和材质参数，得到过滤窗口编号，切换到该过滤窗口后，采集高能图像，如果存在不能穿透区域，降低过滤窗口编号，直到无穿不透区域或者过滤窗口编号降低到最小为止；

步骤五：降低过滤窗口编号，采集低能图像，由计算机算法评估，高能图像和低能图像是否满足物质分辨要求，如满足进入下一步，如不满足，降低过滤窗口编号，重复本步操作，直到满足要求或者过滤窗口编号降低到最小为止；

步骤六：对高能图像和低能图像进行图像处理，物质分类后，着色，显示到屏幕上。

步骤四中判断存在不能穿透区域的方法是：高能图像与基准图像相比，如果灰度值小于或等于基准图像像素比例超过％，则认为存在不能穿透区域。

步骤五中图像是否满足物质分类要求的判断方法是：用每个像素的高能值除以相应的低能值，对商求和，结果大于像素个数之和的3倍即满足要求。

优点及效果：

本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明在检查不同材质不同厚度的物体时，可以通过图像反馈，选择最合适的X射线源工作参数(高压、电流)，避免过度曝光和曝光不足的情况，使得探测器获取的图像包含最大达信息量，有利于检查人员的判别图像。

2、本发明能量选择装置通过电控能量过滤窗口调整能量过滤材料的材质和厚度，在最佳物质分辨能力条件下，采集低能量图像和高能量图像，在此基础上，生成物质分辨力最优的彩色图像。

3、本发明能量选择装置通过电控能量过滤窗口输出菱锥形X射线束，比圆锥形X射线束辐射剂量小，安全性高。

4、本发明能量选择装置仅采用一套X射线源和一组探测器，在获取图像更充分的基础上，同时降低了成本。

附图说明：

图1为设备整体结构示意图；

图2为过滤片总成示意图；

图3为基于图像反馈的X射线成像能量选择算法的步骤流程图；

图中，1—X射线源；2—电控能量过滤窗口；3—平板探测器；4—被检查物体；5—X射线束；6—过滤片总成；7—过滤片齿条；8—过滤窗口。

具体实施方式：

如图1所示，一种基于图像反馈的X射线成像能量选择装置，该装置包括X射线源1、平板探测器3和计算机，计算机中带有运行基于图像反馈的X射线成像能量选择算法的软件，X射线源设置在平板探测器垂直方向的上方，计算机控制X射线源、平板探测器和电控能量过滤窗口；该装置还包括电控能量过滤窗口2，电控能量过滤窗口2安装在X射线源1下方，通过计算机中运行基于图像反馈的X射线成像能量选择算法控制电控能量过滤窗口2的运转；

电控能量过滤窗口2由一组不同材质和厚度的能量过滤片、过滤片总成6、快门、电机、框架和外罩构成；过滤片安装在过滤片总成6中，完全遮挡X射线的快门安装在最靠近X射线源1一侧，通过电机控制快门，快门另一侧是过滤片总成6，过滤片总成6和电机固定在框架上，快门和框架固定在外罩内。通过电控能量过滤窗口2调整能量过滤材料的材质和厚度，在最佳物质分辨能力条件下，采集低能量图像和高能量图像，在此基础上，生成物质分辨力最优的彩色图像。

如图2所示，过滤片总成6由过滤片齿条7和过滤窗口8组成，过滤片安装在过滤窗口8中，过滤窗口8的侧面与过滤片齿条7固定，过滤片齿条7带动过滤窗口8转动，过滤片随之转动。

所述的一组过滤片包括厚度0.1mm的铝过滤片、厚度0.2mm的铝过滤片、厚度0.3mm的铝过滤片、厚度0.1mm镍过滤片、厚度0.2mm镍过滤片、厚度0.3mm镍过滤片、厚度0.1mm铜过滤片、厚度0.2mm铜过滤片、厚度0.3mm铜过滤片、厚度3.0mm铅窗口；

过滤片总成6包括11个过滤窗口8，分别为空白窗口、0.1mm铝窗口、0.2mm铝窗口、0.3mm铝窗口、0.1mm镍窗口、0.2mm镍窗口、0.3mm镍窗口、0.1mm铜窗口、0.2mm铜窗口、0.3mm铜窗口和3.0mm铅窗口；编号为1到11号窗口。每个窗口与对应过滤片相匹配，即过滤片安装在对应窗口上。

与现有技术相比，本发明采用多个过滤窗口，解决了被检物体材质和厚度不同导致的监测图像不清晰、无法给予生成较清晰的检测图像的问题。本发明适用于检查不同材质和厚度的物体，并且能够得到清晰地探测图像，使检查人员更快速、准确的判别被检物体。

X射线源1通过电控能量过滤窗口2输出菱锥形X射线束5。输出的菱锥形X射线比圆锥形X射线束辐射剂量小，安全性高，降低了操作人员的辐射危险。现有技术没有矩形窗口，射线源发射出来的圆锥形X射线束，但现有技术的探测器是矩形的，必然会浪费一部分，本装置采用了矩形窗口，输出X射线变成菱锥形，直接照射到矩形探测器上，不会产生浪费。

该X射线成像能量选择装置采用一个X射线源1和一个平板探测器3。

平板探测器3含有二维X射线敏感单元，能够获得穿透过物体的X射线图像，并传输到计算机中。

计算机运行基于图像反馈的X射线成像能量选择算法通过采集不同条件的图像，利用图像反馈信息，判断X射线源1工作参数和能量过滤材料是否合适，并通过控制二者的参数，调整到最佳状态。选择最合适的X射线源工作参数(高压、电流)，避免过度曝光和曝光不足的情况，使得探测器获取的图像包含最大达信息量，有利于检查人员的判别图像。

如图3所示，一种基于图像反馈的X射线成像能量选择方法，该方法的的具体步骤是：

步骤一：对整个X射线成像能量选择装置进行自检，自检通过进行下一步，不通过则结束并在计算机中进行提示；

步骤二：自检通过后，确认X射线源1不发出X射线，采集一帧图像作为基准图像；确认没有被检查物体4放入，确认检查电控能量过滤窗口2处于无过滤片状态，采集一帧图像作为满值图像；

步骤三：依次切换各个过滤片到X射线发射窗口，采集图像作为对应过滤片标准图像；采集标准图像不完整则重复采集直至采集完整标准图像；

步骤四：采集完整标准图像后，放入被检查物体4，预估物体厚度和材质参数，得到过滤窗口编号，切换到该过滤窗口后，采集高能图像，如果存在不能穿透区域，降低过滤窗口编号，直到无穿不透区域或者过滤窗口编号降低到最小为止；

步骤五：降低过滤窗口编号，采集低能图像，由计算机算法评估，高能图像和低能图像是否满足物质分辨要求，如满足进入下一步，如不满足，降低过滤窗口编号，重复本步操作，直到满足要求或者过滤窗口编号降低到最小为止；

步骤六：对高能图像和低能图像进行图像处理，物质分类后，着色，显示到屏幕上。

步骤四中判断存在不能穿透区域的方法是：高能图像与基准图像相比，如果灰度值小于或等于基准图像像素比例超过1％，则认为存在不能穿透区域。

步骤五中图像是否满足物质分类要求的判断方法是：用每个像素的高能值除以相应的低能值，对商求和，结果大于像素个数之和的3倍即满足要求。

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，X射线源1在计算机控制下，发射出一定能量范围和强度的X射线，电控能量过滤窗口2根据计算机指令，切换到最佳过滤窗口8，X射线通过过滤窗口8后，能量范围发生变化，变化后的范围对被检查物体4最敏感，X射线入射物体，一部分被物体吸收，剩余部分穿透物体后，进入平板探测器3，首先被平板探测器3顶部的闪烁材料(如碘化铯、硫氧化钆)转换成可见光，可见光入射到非晶硅层，被转换光电流，经积分放大后，转换成数字信号，传送到计算机中，计算机经图像处理和着色后，显示到屏幕上。

下面结合说明书附图1～3和具体实施方式对本发明做详细说明。

设备开机后，运行专用计算机软件，首先进入自检状态，检查软件运行环境是否正常，检查X射线源1是否正常，检查平板探测器3是否正常，检查电控能量过滤窗口2是否正常。如全部正常，转入下一步。如果不正常则在计算机显示器上进行提示，以便操作人员进行检查。

确认X射线源1不发出X射线，采集一帧图像作为基准图像。

确认没有被检查物体4放入，确认检查电控能量过滤窗口2处于无过滤片状态，将过滤片总成7设置在空白窗口，采集一帧图像作为满值图像。

依次切换各过滤片到X射线发射窗口，每片过滤片采集一帧图像作为各过滤片标准图像。

放入被检查物体4，预估物体厚度和材质参数，得到过滤窗口8编号，切换到该窗口后，采集高能图像，如果存在不能穿透区域，降低过滤窗口8编号，直到无穿不透区域或者窗口编号降低到最小为止。判断存在不能穿透区域的方法为：高能图像与基准图像相比，如果灰度值小于或等于基准图像像素比例超过1％，则认为存在不能穿透区域。

降低过滤窗口8编号，采集低能图像，由计算机算法评估，高能图像和低能图像是否满足物质分类要求，如满足进入下一步，如不满足，降低过滤窗口8编号，重复本步操作，直到满足要求或者窗口编号降低到最小为止。图像是否满足要求的判断方法为：用每个像素的高能值除以相应的低能值，对商求和，结果大于像素个数之和的3倍即可，该评估方法用公式描述如下：

其中，i，j分别代表图像的横坐标和纵坐标，范围分别是0～m-1和0～n-1,He(i,j)为(i,j)点的高能灰度值，Le(i,j)为(i,j)点的低能灰度值，如果Etotal大于m×n×3,则认为满足物质分类要求。

对高能图像和低能图像利用基准图像和满值图像校正后，进行图像处理，物质分类后，着色，显示到屏幕上。

检查结束。