基于非晶硒平板探測器的乳腺CT圖像采集軟件設(shè)計*

張 玲，胡戰(zhàn)利，余成波，劉 磊，石 偉，洪序達(dá)，項(xiàng)里偉

(1.重慶理工大學(xué) 電子信息與自動化學(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)

基于非晶硒平板探測器的乳腺CT圖像采集軟件設(shè)計*

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

(1.重慶理工大學(xué) 電子信息與自動化學(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)

針對非晶硒數(shù)字平板探測器設(shè)計了一個用于乳腺CT成像的圖像采集軟件，該軟件可以實(shí)現(xiàn)對CT圖像的采集、存儲和實(shí)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(shè)計與測試，該軟件實(shí)現(xiàn)了圖像的快速采集，達(dá)到了實(shí)時成像的目的。針對設(shè)計的圖像采集軟件，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)計的軟件達(dá)到了設(shè)計需求和目的。

平板探測器；圖像采集；乳腺CT；MicrosoftFoundationClasses(MFC)

0 引言

乳腺CT(breastcomputedtomography)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)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行保存并在計算機(jī)終端實(shí)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(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，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(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(diǎn)：(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(dá)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(shè)計乳腺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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)備信號(PERP)給探測器，此時，探測器進(jìn)入曝光前的準(zhǔn)備狀態(tài)，經(jīng)過T1(約2.7ms)，完成準(zhǔn)備，進(jìn)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(zhǔn)備進(jìn)入下一次采集。

圖2 探測器采集的時序圖

2 圖像采集軟件設(shè)計

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(shí)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(shè)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(shí)時顯示。

2.2 采集軟件設(shè)計

本文在VS2010軟件開發(fā)平臺下，基于MFC和OpenCV設(shè)計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(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(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)時顯示探測器的工作狀態(tài)，監(jiān)測其運(yùn)行情況；圖像存儲路徑可以通過“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)存儲到目標(biāo)文件夾；圖像存儲格式為醫(yī)學(xué)圖像常用的.raw無損格式，在進(jìn)行顯示時，通過OpenCV對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取后在Picture控件中顯示，圖像的實(shí)時顯示可以讓工作人員實(shí)時觀察采集到的圖像，有助于及時發(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)時序，同時使能探測器模式選擇按鈕，下次進(jìn)行采集時，需要再次進(jìn)行初始化操作；退出操作用于關(guān)閉軟件對話框，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。

圖3 探測器采集流程圖

探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，主要通過設(shè)計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探測器的所有參數(shù)進(jìn)行校對，耗時較長。實(shí)際應(yīng)用時，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間，快速達(dá)到工作溫度。

設(shè)計的探測器采集軟件利用MFC中的文件對話框類實(shí)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(jìn)行讀取并在采集界面中實(shí)時顯示，便于用戶實(shí)時觀察采集到的圖像。

完成設(shè)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(shí)時顯示的區(qū)域。

圖4 探測器圖像采集軟件界面

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

該采集軟件設(shè)計完成以后，結(jié)合乳腺CT實(shí)驗(yàn)平臺的硬件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要進(jìn)行了基于單個碳納米管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(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11A的乳腺模體，采用碳納米管X射線源對模體進(jìn)行曝光，然后通過探測器采集軟件進(jìn)行圖像采集、存儲及顯示，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計的乳腺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、存儲與實(shí)時顯示，初步達(dá)到了設(shè)計目標(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(shè)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(jìn)行圖像采集，同時可以實(shí)時存儲和顯示圖像數(shù)據(jù)，并且可以實(shí)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(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?；贛FC及OpenCV設(shè)計的乳腺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。

[1]BOONEJM,KWANALC,YangKai,etal.Computedtomographyforimagingthebreast[J].JournalofMammaryGlandBiology&Neoplasia, 2006, 11(2): 103-111.

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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(xué)基金項(xiàng)目(61501446, 61402063)；廣東省科技計劃項(xiàng)目(2015B020233014)；重慶市科技人才培養(yǎng)計劃(新產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì))項(xiàng)目(CSJC2013KJRC-TDJS40012)；重慶市高校優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(KJZH14213)；深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(JCYJ20140417113430558)；深圳市技術(shù)開發(fā)項(xiàng)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(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)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(shù)、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(yuǎn)程測試與控制技術(shù)、信號與信息處理。E-mail:yuchengbo@cqut.edu.cn。