基于非晶硒平板探測器的乳腺CT圖像采集軟件設計*

張 玲，胡戰利，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，該軟件可以實現對CT圖像的采集、存儲和實時顯示。根據非晶硒平板探測器的工作原理和乳腺CT的成像原理，在VS2010開發環境下，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)

0 引言

乳腺CT(breastcomputedtomography)是一種專用于乳腺疾病檢查的醫學成像設備[1]。平板探測器和X射線源是乳腺CT成像系統中的核心組件，其中X射線源用于發出X射線，穿透乳腺組織結構；平板探測器用于接收透過乳腺組織的X射線，并經過內部轉化變成數字圖像矩陣，經內部校正、噪聲消除等處理，利用千兆以太網將數字信號傳輸到計算機進行保存并在計算機終端實時顯示[2]。

根據材料的不同，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成；后者由光電導材料非晶硒和非晶硅晶體管陣列構成。相比于非晶硅平板，非晶硒平板直接將X射線轉化成可見光光子，避免散射的發生，因此其空間分辨率優于非晶硅平板，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光攝影對細節的極高要求，成為數字乳腺機的主流和發展方向。

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，該數字平板探測器具有以下優點：(1)動態范圍寬，數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)可選連續快速采集多幅圖像。

本文通過VisualStudio2010(VS2010)開發平臺，基于MFC和OpenCV設計乳腺CT系統的圖像采集軟件，并結合X射線源進行了圖像采集實驗。

1 探測器工作原理

基于非晶硒平板探測器的乳腺CT系統主要由工作站、乳腺機架、X射線源和非晶硒平板探測器構成，其結構示意圖如圖1所示。X射線源采用自主研發的分布式碳納米管X射線源陣列[5]，通過編程控制順序發射，實現靜態多角度成像，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連接。

圖1 乳腺CT成像系統結構示意圖

由于該探測器只能工作在外觸發模式下，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，發出一個準備好(READY)的信號，該信號輸出給外部觸發電路，觸發一個準備信號(PERP)給探測器，此時，探測器進入曝光前的準備狀態，經過T1(約2.7ms)，完成準備，進入曝光狀態，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 圖像采集軟件設計

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的主要功能包括：初始化、模式選擇、狀態監測、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及模式進行設置及為探測器采集做準備，通過調用系統的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；狀態監測用于實時顯示探測器的工作狀態，監測其運行情況；圖像存儲路徑可以通過“scan…”按鈕的消息響應函數進行更改和選擇，便于將數據存儲到目標文件夾；圖像存儲格式為醫學圖像常用的.raw無損格式，在進行顯示時，通過OpenCV對圖像數據進行讀取后在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，有助于及時發現問題并進行校正。圖像終止采集在X射線源關閉后進行，系統將停止發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，并釋放相關內存空間，結束進程，安全退出，避免出現內存泄露。

軟件采集流程如圖3所示。

圖3 探測器采集流程圖

探測器進行數據采集時，主要通過設計CmainManage類來實現，該類封裝了實現探測器功能的API(應用程序接口)及用戶程序，主要包括以下接口功能函數：

Initialize();//完全初始化

QuickInitialize();//快速初始化

StartContAcqProp();//開始采集

RecoverImage();//恢復圖像

MonitorPegasus();//狀態監視

Shutdown();//停止采集

上述函數分別實現了探測器的初始化/快速初始化、數據采集、恢復圖像、監視當前狀態、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進行校對，耗時較長。實際應用時，當背景穩定后，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了對圖像保存路徑選擇及數據存儲，探測器采集到的圖像數據保存為.raw格式，通過OpenCV庫函數對采集到的圖像數據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信息，右邊矩形框是用于圖像實時顯示的區域。

圖4 探測器圖像采集軟件界面

3 實驗結果及討論

該采集軟件設計完成以后，結合乳腺CT實驗平臺的硬件系統進行實驗，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，實驗結果如圖7所示。

圖7 乳腺模體成像圖

3.3 結果分析與討論

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果表明，本文設計的乳腺CT圖像采集軟件可以實現探測器在有、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。由于目前所研發的X射線源性能還不是很好，發射電流較低，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化。

4 結論

本文在VS2010軟件開發環境下，基于MFC和OpenCV完成了針對非晶硒平板探測器的乳腺CT系統圖像采集軟件的設計。該軟件可以根據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據，并且可以實時監控探測器的工作狀態。碳納米管X射線源的成像實驗結果表明，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。基于MFC及OpenCV設計的乳腺CT圖像采集軟件實現了與硬件系統的兼容性，簡化了系統的應用。

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

[2] 孔凡亮, 李光, 羅守華, 等. 基于PaxScan2520D平板探測器的錐束CT成像軟件開發[J]. 中國醫療設備, 2012, 27(5): 90-93.

[3] 鄺忠華, 李蘭君, 桂建保, 等.X射線探測器MTF的狹縫法測量研究[J]. 核電子學與探測技術, 2015, 35(8): 783-787.

[4] 郭長運. 平板式探測器和常規X射線數字化成像未來[J]. 中國醫療設備, 2002, 17(2): 1-8.

[5]EMILYG,GaoBo,ShanJing,etal.Carbonnanotubeelectronfieldemittersforx-rayimagingofhumanbreastcancer[J].Nanotechnology, 2014, 25(25): 235-255.

[6] 張海靜, 黃華. 基于LabVIEW顯微CT圖像采集控制系統軟件的設計[J]. 中國組織工程研究與臨床康復, 2011, 15(17): 3160-3162.

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計劃(新產品研發團隊)項目(CSJC2013KJRC-TDJS40012)；重慶市高校優秀成果轉化項目(KJZH14213)；深圳市基礎研究項目(JCYJ20140417113430558)；深圳市技術開發項目(CXZZ20140505091419405)

TP

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.007

張玲，胡戰利，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。