表征和监测数字成像系统的锐度的方法和系统

技术领域

本发明一般涉及一种自动计算数字成像系统的锐度并随着时间的推移监测该锐度的系统和方法。本发明可以应用在医学X光成像领域中，也可以应用在任何其它成像领域（诸如摄影）中，并且可以应用于其中应用数字成像检测器或数字成像系统的技术领域。本发明的方法依赖于基于包括传送函数调制的量子噪声的测量来计算数字图像检测器的点扩散函数（PSF）而不需要专门设计的测试对象或图像体模（phantom）的专用图像采集的方法。

该方法提供了对合适图像的自动选择和预处理。所述合适图像包括应用所述计算方法的必要量的传送函数调制的量子噪声。从数字成像系统在日常操作期间获取的可用图像池选择用于该方法的合适图像。

背景技术

数字图像采集系统通常配备有由平面方式布置的光敏像素集合组成的阵列检测器，以及组成数字图像的读出电子电路。这些系统的示例是在从摄影到平板检测器直接射线照相成像的广泛应用中使用的不同类型的静态和动态摄像机。并入线传感器以时间顺序记录图像的图像采集系统通常配备有运动控制系统，以扫描方式将数字图像捕获为相邻记录的图像线集合。如在计算射线照相应用中使用的其它图像采集系统借助于中间的模拟图像存储处理步骤、继之以通过单个光电倍增器或线传感器进行线方式或飞点方式的受激再发射和采样的数字捕获来捕获它们的数字图像。

数字X光成像设备越来越多地在医学诊断中使用，并广泛取代常规（模拟）成像设备，诸如屏幕胶片系统或模拟X光图像增强器电视系统。因此，有必要定义描述这些数字X光成像设备的特定成像属性的参数，并使所采用的测量程序归一化。

点扩散函数（PSF）描述成像系统对点源或点对象的响应。PSF的更通用的术语是系统的脉冲响应，PSF是聚焦光学系统的脉冲响应。PSF是成像系统光学传送函数的空间域版本。它是傅立叶光学器件、天文成像、医学成像、电子显微镜和其它成像技术（诸如3D显微镜（比如共焦激光扫描显微镜）和荧光显微镜）中的一个有用概念。点对象的扩散（模糊）程度是成像系统质量的度量。然后，复杂对象的图像可以被视为真实对象和PSF的卷积。然而，当检测到的光是相干的时，图像形成在复杂场中是线性的。然后，记录强度图像可能导致消除或其它非线性效应。

空间分辨率是成像系统分辨对象中存在的细微细节的能力。它也指的是图像的锐度。对于数字成像系统，空间分辨率取决于矩阵中像素的大小。与较大的像素相比，较小的像素将产生具有更好空间分辨率的图像。在本领域中，测量空间分辨率是一个复杂的过程，其至少涉及三种方法。这些包括对条形测试图案、锐边对象或狭缝进行成像。虽然条形测试图案的图像容易针对线的锐度在视觉上进行解释，但是后两者更加复杂。对于边对象和狭缝，必须分别获得边扩散函数（ESF）和线扩散函数（LSF）。LSF越窄，空间分辨率越好。LSF可以理解为狭缝（或线）上点扩散函数（PSF）的卷积。上面列出的三种方法可以用来产生称为调制传送函数（MTF）的又另一种函数。

MTF（调制传送函数）测量是用于对成像系统成像性能客观评测的重要工具。此外，MTF甚至可以从透镜设计数据计算出来，从而给予光学系统的设计者可靠地预测系统性能的能力。然后，制造商可以将真实透镜的图像质量与来自设计阶段的预期进行比较。描述成像系统的分辨率和性能的MTF是相对图像对比度除以相对对象对比度的比率。

当用成像系统观察对象（诸如曝光的目标）时，由于不可避免的像差和衍射现象，所得到的图像将稍微退化。在光学成像系统中，光学器件中的制造误差、组装和对准误差将使系统的总体成像性能退化。在X光成像系统中，X光散射计及该不可避免的退化。结果，在图像中，亮高光将不像它们在对象中那样看起来那么亮，并且暗或阴影区域将不像在原始图案中观察到的那些区域那么黑。一般来说，照明（或X光曝光）目标可以通过其空间频率（每毫米亮和暗区域的数量）和对比度（图像的亮区域和暗区域之间的亮度的明显差异）来定义。

按照惯例，调制传送函数在零空间频率下归一化为一个单位。对于低空间频率，调制传送函数接近1（或100%），并且一般随着空间频率的增加而下降，直到它达到零为止。对于较高的空间频率，对比度值较低。随着空间频率的增加，MTF曲线下降，直到它达到零为止。这是对于给定成像系统的分辨率极限或所谓的截止频率。当对比度值达到零时，图像变成均匀的灰色阴影。

传统上，确定数字成像系统的MTF的测量是基于特定的图像采集，其涉及特殊的体模，诸如放置在检测器上的倾斜边。

然而，最近已经描述了一种允许计算数字成像系统的PSF（点扩散函数）的新方法，该方法不再需要使用这样的特殊的测量采集。如标题为“Method and system tocalculate the point spread function of a digital image detector system basedon a Transfer function modulated quantum-noise measurement”的来自Agfa NV的欧洲申请EP19150965.2中所描述的，该方法允许基于在日常使用期间生成的并且可能部分包含来自患者或对象的临床信息的一般临床图像来计算检测器系统的PSF。该方法必须被认为是以其整体并入到本申请中的，因为本申请的新提出的发明完全依赖于参考申请中描述的方法。

参考申请的目的是要描述一种基于包括量子噪声（本质上）的数字图像来获得锐度参数（PSF）的计算方法，并且因此不依赖于对尤其设计的体模图像的采集。

本发明的目的是要利用如下可能性：即基于在日常实践期间进行的标准采集的使用，以可靠的方式确定锐度，而不需要特殊的程序或技术设置。该方法将允许可靠地确定锐度参数，该锐度参数可以用于与其它成像系统的绝对比较，或者用于与过去获得的锐度参数进行比较。本发明将允许获得该锐度测量，而不需要在用户的日常工作中干扰他，或者不需要为此目的施行专门的测量。本发明也将停止专门的（并且通常是昂贵的）测量体模的使用。

本发明将进一步提供如下优点：即图像显示系统的锐度可以随着时间的推移被连续地（并且自动地）监测，而没有用户或技术人员的干预。也可以一超过锐度阈值就触发警告或其它事件，从而允许用户采取必要的动作来恢复意图的锐度或图像质量。

发明内容

本发明提供了一种通过输入和使用已经从数字成像系统获取的图像作为计算图像检测器系统的点扩散函数PSF的方法的输入来自动确定锐度参数的系统和方法，如权利要求1中所阐述的。

在本发明的上下文中，图像检测器系统可以是包括（诸如在数字相片摄像机中使用的）光学器件的可见光检测器系统，但是本发明的方法不限于供光谱的可见部分中使用。它也可以应用于红外或紫外检测器系统。图像检测器系统也可以是由数字X光图像检测器组成的数字X光成像系统。本发明还可以应用在天文成像、电子显微镜、其它成像技术（诸如3D显微镜（比如共焦激光扫描显微镜）和荧光显微镜）中。

虽然本发明将在数字X光成像的上下文中更详细地描述，但是它因此也可以应用于其它类型的成像检测器系统，因为在输入信号（即包括可检测量的量子噪声的图像）必须被获取的方式中不存在差异。

本发明中提到的数字图像

数字图像

所述数字图像

样本区域

对于数字X光成像检测器系统，样本区域将优选地是图像中被X光源大体上同质曝光的区域。为此目的，平场曝光可以被认为是实现该目的的最合适的方式。平场曝光——通常被称为白场或增益场——是在具有X光照明但没有成像对象存在的情况下获取的。因此，平场曝光在其整个表面上提供同质曝光的样本区域。甚至当在成像对象本身将具有大体上恒定的厚度的条件下，对象将存在于X光束中，样本区域也将被认为是被X光源大体上同质地曝光。

一个不太明显的选择将是尝试在包括患者身体部位的临床X光图像中标识合适的样本区域。然而，大多数这样的临床图像确实提供了标识这样的区域的机会，因为对于成功施行该方法所需的图像区域相对有限。当应用21×21的

在本发明的上下文中，外围感测内核

因此，内核

在n=m的情况下，内核

在椭圆（其中

局部像素

在该方法中，外围感测内核

本发明的优点在于，用于计算点扩散函数（PSF）的测量信号是不涉及特殊测量图案（数字摄影）或体模（X光数字成像）的应用或使用的曝光。因此，本发明允许基于标准图像采集的使用来计算PFS，在该意义上，不需要特殊的测量体模来获得这样的合适的输入图像。

本发明的另一个优点在于，通过使用本领域中已知的数学方法，所获得的PSF可以用于计算或从中导出图像系统的锐度（MTF）。

本发明可以实现为计算机程序产品，其适于实行如说明书中阐述的步骤。适于实行说明书中阐述的步骤的计算机可执行程序代码可以存储在计算机可读介质上。

由于本发明的方法可以被实现为被指示从可用的输入图像集合（其例如在放射科服务的正常操作期间被创建）选择合适的输入图像（其在大体上同质的曝光条件下被获取）的计算机程序，所以它可以进一步被实现为锐度监测服务，其连续计算和监测数字成像系统的锐度。这样的计算机程序可以被配置为响应于锐度测量的改变，或者当超过某些阈值时进行响应。该计算机程序可以例如触发要在数字成像系统上执行的维护操作。该方法的最大优点在于不必须以系统操作时间为代价来以定期间隔施行所安排的和侵入性的图像质量测量，并且所有的测量可以在后台运行，而不会（由于操作者的所安排干预）对用户有任何干扰。

从以下描述和附图中，本发明的进一步优点和实施例将变得明显。

附图说明

图1：示出了由数字图像采集系统捕获的数字图像

附图右侧的分解视图描绘了局部像素L、近邻像素N

图2a：示出了大小为21×21的圆形外围感测内核的空间布置，其中具有相同偏心率的像素组被示出为字符符号。用相同字符符号标记的所有像素是位于相同距离

图2b：示出了图2a的大小为21×21的外围感测内核的频率分布（即共享距中心像素相同距离d的像素组中的成员数量），并且这是它们相应偏心率（即它们距中心像素L的距离）的函数。

图3a示出了外围感测内核的空间布置，其中具有相同偏心率但不同方向的像素组被分组，并且用相同的大写字母标记。位于距中心像素（用“A”标记）相同距离d处的相邻像素组位于矩形的角处。外围感测内核的这样的配置用于各向异性锐度的分析。

图3b示出了图3a的外围感测内核的角度分布，并且这是它们相应偏心率（即它们距中心像素L的距离）的函数。

图4a：示出了表示水平轴上的所选取的局部像素L的背景偏差和垂直轴上的所选择的近邻像素N

图4b：示出了点扩散函数条形图，其表示相对于位于数字图像中的所选择的感兴趣区（样本区域）之内的所有局部像素的自相关峰值归一化相关积分的计算的个体、正和负空间相关系数结果。

图5：示出了在数字图像的两个主要方向上计算的点扩散函数分量及其计算的对应线扩散函数的空间和平面表示，连同它们的中心与总部分比率。

图6：图示了与成像模态（上部）集成的锐度监测系统（下部）的可能实施例。图像的上部图示了射线照相师与患者的交互，所述交互使用CR或DR系统来获取图像或研究。这些获取的图像存储在档案中，所述档案可以（在标准工作流程中）被处理以供可视化和由放射技师在放射工作站上进行查阅。图的下部示出了总体系统锐度（OSS）监测系统，该系统查阅档案以检索在临床实践中获取的患者图像。这些图像在它们可用于锐度计算算法的情况下被选择，并经受图像分析，其中在所述数字图像检测器系统的点扩散函数PSF

图7：示出了双向分析的总体系统锐度结果，其表达为调制传送函数图；MTFx和MTFy，其通过离散傅立叶变换它们对应的峰值归一化线扩散函数图来计算；图5中呈现的LSFx和LSFy。这些锐度曲线——它们针对两个垂直的主图像方向（X和Y）被计算——与像素大小受限且正弦函数成形的MTF性能的虚线图一起呈现，该MTF性能是由展现理想总体系统锐度的成像系统获取的数字图像的特性。这里添加以供参考的该理想锐度MTF轮廓（由粗虚线曲线表示）是单脉冲点扩散函数和线扩散函数轮廓的典型。对于输入到数字成像系统中的零空间频率X光信号，所有MTF曲线在单位处开始。在等于像素采样频率的空间频率下的X光输入信号生成零MTF。

图8：在奈奎斯特空间频率下，为0.64的虚线理想锐度MTF值表示在成像系统链输出处的数字图像中获得的接近64%的像素采样信号摆幅，该摆幅是由成像系统输入处注入的正弦X光100%信号摆幅产生的。奈奎斯特空间频率下的MTF值是在单个图中捕获系统锐度的理想参数。

图9：该附图表示由正方形成形的数字图像检测器获取的灰度射线照相图像的示意性表示。将正方形成形的图像区域分成较小正方形的小正方形表示候选的感兴趣区（ROI）。该附图指示了典型射线照相图像的哪些区域优选地适合供锐度算法使用（指示为“所选择的ROI”）。这些本质上是图像中X光直接击中图像检测器的区域，并且其中信噪比最大。在图像中，对象或患者是可见的（由椭圆形形状表示）。沿着图像四个边的较暗的矩形形状表示图像的准直部分，以减少曝光区域。整个图像被划分成更小的正方形成形的ROI，以供由锐度算法用作空间样本区域[100]。附图的右侧表示数字图像不同曝光区域的图例。

具体实施方式

在以下详细描述中，充分详细地参考了上面参考的附图，从而允许本领域技术人员实践下面解释的实施例。

为了从它们确定数字成像系统的锐度的目的，本发明的方法意图自动选择和处理一系列获取的图像。该方法和系统意图对由该数字成像系统在最近的过去时段内已经获取的图像池中的可用图像施行选择。图像采集的日期必须与从该时段的图像导出的锐度结果相关联，以便能够得出关于作为使用时间的函数的总体系统锐度（OSS）的结论。

作为第一步骤，本发明的系统将确定何时以及多少图像被传送到锐度监测系统。原则上，对于系统分析多少图像不存在真正的限制；将每个单独的图像呈现给锐度监测系统原则上将是可能的。一种可能的方法可以是每天向锐度监测系统呈现几个合适的图像以供分析（假设成像系统正在每日基础上使用）。优选地，这些每日图像将在白天期间被获取（并且不是作为一天的第一图像，此时组件将还未实现它们的操作温度）。因此，可以记录每日锐度测量，然后可以对其进行分析，以便标识系统锐度的任何显著趋势。上面提及的功能由该系统的输入模块来施行。

在图像被呈现以供分析之后，图像选择模块对其进行分析，以评估是否满足将图像用于锐度测量的最小准则。这些最小准则聚焦于图像中的如下最小大小区域的存在或不存在，所述区域示出足够同质的曝光、足够的图像信号幅度，并且显然还包括光学传送函数调制的量子噪声（在任何情况下都应该避免该量子噪声将被预处理步骤过滤掉）。“足够同质”在该上下文中意味着应该避免图像中的解剖或对象结构可能干扰分析算法；本领域技术人员将认识到，该要求实际上将意味着图像在这些区域中应该足够“平坦”（即，优选地，变化不应该超过1%，或者至少不应该超过5-10%），或者可以校正图像，使得图像变得足够平坦（但是同时，量子噪声不受滤波的影响）。“足够的图像信号幅度”导致检测器的直接曝光区域优于被任何材料（对象、患者、准直器……）衰减的图像区域。

因此，在一个优选实施例中，图像选择模块被配置为标识图像检测器的直接曝光区域的存在。这些特定的直接曝光区域的检测可以基于已知的图像处理技术（诸如阈值处理、分割技术等），或者可以基于图像头部的标签中提供的信息。在图像选择模块肯定地标识具有这样的图像区域的图像的情况下，图像被传递到ROI选择模块上。

在另一个实施例中，图像选择模块可以被配置为也接受图像，其中其它足够同质的区域（其不一定被X光检测器直接曝光）可以被接受为合适的。在该情况下，图像处理步骤将需要仅基于某些区域的同质性或者例如基于关于人体的某些曝光区域的知识来标识所述区域，所述知识可以允许这样的同质曝光区域。

作为下一个步骤，并且在图像选择模块已经接受图像的情况下，接受的图像被传送到ROI（感兴趣区）选择模块。该ROI选择模块将本质上重复使用上面提及的图像处理和分割技术，以标识所述所选择的数字图像

对于锐度计算的准确度而言，可以对相同图像（但在图像的不同区域中）施行多次卷积计算是有利的，因为这将改进所获得结果的准确度。

下一个且最终步骤是然后将所选择的ROI传递给计算算法，该计算算法将根据该至少一个ROI计算成像检测器系统的PSF。下面描述了返回PSF值（以及因此对其锐度的度量）的数学方法。

本发明的计算方法意图基于由数字检测器系统获取的足够大量的样本数据来计算所述数字检测器系统的PSF（点扩散函数）。照此，可以考虑收集这样足够大量的数据的两种非常不同的方式；第一是要标识空间域中的大量样本（意味着在图像中的不同位置处收集数据），第二是要标识时间域（时域）中的样本（意味着在不同时刻处创建的图像中收集不同的样本数据）。在以下解释中，将向其中对空间域进行采样以获得所需数据的实施例给出进一步强调。

在优选实施例中，该方法将需要可以从由所讨论的数字检测器系统获取的图像获得所谓的样本区域，该样本区域可以在形状上优选为正方形或矩形，并且其表面区域优选（但不一定）连续。样本区域

因为本发明的方法基于对由数字成像系统的传送函数调制的量子噪声的分析，所以前提是可以从样本区域及其周围（进一步参见）提取该量子噪声。因此，优选的是在曝光期间没有对象将遮挡样本区域，使得可能干扰量子噪声的测量。因此，优选的是，选择数字图像中的样本区域，使得样本区域的像素在大体上同质的曝光条件下曝光，这意味着它们相应的测量值将受到量子噪声引发的变化的影响，而不是对成像对象表面的干扰（对于可见光）或曝光期间遮挡数字X光检测器的异质性引发的干扰（对于射线照相图像）。对于可见光图像检测器系统，这将意味着样本区域中的所有检测器像素捕获对象的同质照明区域，该区域在图像中作为同质亮区域显现。对于数字X光成像检测器系统，样本区域将优选是图像中被X光源大体上同质曝光的区域。

作为下一个步骤，在本发明的优选实施例中，作为未处理数据获取的样本数据可以随后以关于尽可能多地从图像信号去除DC分量这样的方式进行预处理。这可以通过例如去条带（去掉某些成像设备中可能出现的已知的列或行伪影）和/或例如通过归一化——这意味着样本区域

下一个步骤是外围感测内核

因此，外围感测内核定义将评估哪些相邻像素

感测内核

当预期数字图像检测器系统示出各向同性行为时，外围感测内核的形状可以选取为圆形或正方形。这意味着预期像素的锐度被预期为独立于方向像素；锐度在X和Y方向二者上是同等的。在数字图像检测器系统预期在X和Y方向上表现不同的情况下，或者在它示出各向异性行为的情况下，外围感测内核的形状可以选取为椭圆形或矩形。在圆形内核或正方形内核之间的选择对于计算结果的准确度不是非常重要，但是当用计算机系统施行计算时，正方形成形的内核可能更实用。

在本发明方法的下一个步骤中，针对从如上面所定义的样本区域R选择的一个局部像素

对于一个像素

随后，但是仍然对于相同的像素

因此，对于共享距像素

或者，

其中

作为下一个步骤，我们通过针对空间相移(0,0)像素（即没有空间相移）使样本区域中所有局部像素

该自相关峰值是针对整个样本区域计算的单个值，并且稍后将用于对

随后，对于样本区域

因此，针对不同的距离（或偏心率）

该组相邻像素

每个计算值

获得的结果是二维矩阵PSF

也可以使用现有技术中描述的方法从上面的PSF数据计算其它锐度相关质量参数。参考图7和图8的注释，其中进一步图示了例如奈奎斯特空间频率下的MTF值的计算（这是数字成像系统的行业公认的锐度参数）：调制传送函数图；MTFx和MTFy通过离散傅立叶变换它们对应的峰值归一化线扩散函数图来计算；LSF

总之，必须注意的是，感测内核的大小的选择因此也定义了围绕将要被研究的局部点

因此，替代地，倘若局部像素

当实现锐度监测系统时，要求这样的系统能够计算数字成像系统的锐度数据，而且还要求它可以存储这些数据用于将来的比较。这样的系统因此附加地至少需要处理器和存储器来首先计算锐度数据，并且然后将它们与图像采集的日期和时间信息一起存储。锐度监测系统可以被配置为简单地记录数据，并且例如创建关于系统在过去时段内的锐度演变的报告，或者可以被配置为例如在其中锐度参数超过某个阈值的情况下警告管理员或用户。在其中观察到系统的锐度突然下降或衰退的情况下，然后可以采取适当的动作来重新调整或修复成像系统。

该锐度监测系统的优点在于，它可以以无监督方式运行和活动；上面所描述的计算方法允许在不需要任何用户干预的情况下在定期的基础上计算锐度。因此，归因于该数学实施方式，锐度监测系统可以在不需要例如进行特定技术图像采集或中断正常系统使用的任何情况下操作。