医学X线透视图像的噪声分析

论文总字数：21729字

摘 要

X光透视成像目前是最常用的一种医学检查手段，然而因为X射线透视成像的同时会对患者本身造成一定的损伤，因此低剂量的X射线已经成为医学X射线的发展趋势。为了得到更清晰的低剂量X射线透视图像，X射线透视图像的噪声分析已经成为了医学X线研究的重点。

本文首先介绍了X线透视成像原理，医学X线透视成像系统的工作原理以及X线透视成像的噪声特性。然后对医学X线透视图像的噪声特性进行了分析，并初步构建噪声模型。之后通过照射不同厚度的均匀玻璃获得灰度域的X射线透视图像的采样值，然后通过探究其Poisson分布特性以噪声特性，验证并改善之前提出的噪声模型。

为了方便噪声处理算法的研究工作，本文将噪声分析进一步拓展到对数域，将乘性噪声转化为加性噪声。使用JB检验的方法验证X射线透视图像的噪声信号在对数域服从Gaussian分布，并探究分布参数与X射线剂量之间的关系最终完善噪声模型。

关键词：X射线，噪声分析，Poisson分布，JB检验，Gaussian分布，噪声模型

Ⅰ

Abstract

Nowadays, X-ray photography is the most commonly used medical examination method. However, low-dose X-ray has become the development trend of medical X-ray, because of the damage that X-ray fluoroscopy caused. In order to obtain clearer low-dose X-ray fluoroscopic images, the noise analysis of X-ray fluoroscopic images has become the focus of medical X-ray research.

At first, this thesis introduces the principle of X-ray fluoroscopy imaging, the working principle of medical X-ray fluoroscopy imaging system and the noise characteristics of X-ray fluoroscopic imaging. Then the noise characteristics of medical X-ray fluoroscopic images are analyzed, and the noise model is initially constructed. The sampled values of the gray-scale X-ray fluoroscopic image are then obtained by irradiating uniform glass of different thicknesses, and then the noise model is verified and improved by exploring its Poisson distribution characteristics with noise characteristics.

In order to facilitate the research work of noise processing algorithms, this paper further extends the noise analysis to the logarithmic domain and converts the multiplicative noise into additive noise. The JB test method was used to verify that the noise signal of the X-ray fluoroscopic image obeys the Gaussian distribution in the logarithmic domain, and explores the relationship between the distribution parameters and the X-ray dose to finally perfect the noise model.

KEY WORDS: X-ray, Noise analysis, Poisson distribution, JB test, Gaussian distribution，Noise model

Ⅱ

目 录

摘要 I

Abstract II

1. 绪论 1

1.1医学X线研究背景 1

1.2医学X线透视图像噪声研究的意义 2

1.3论文的主要工作及结构安排 3

1. 医学X线透视图像 5

2.1 X射线及其成像特性 5

2.2医学X线成像系统及成像特点 6

2.2.1 CR成像系统 6

2.2.2 DR成像系 6

2.3医学X线透视图像的噪声分析及处理 8

1. 医学X线透视图像灰度域噪声研究 10

3.1实验设计及流程 10

3.2实验结果与分析 13

1. 医学X线透视图像对数域噪声研究 19

4.1实验设计及流程 19

4.2实验结果及分析 20

1. 总结与展望 24

参考文献（References） 26

致谢 27

第一章 绪论

1.1医学X线研究背景

19世纪末20世纪初，现代物理学开始飞速发展。而X射线的发现则是现代物理学能够飞速发展的必要前提，甚至可以说X射线的发现和研究对20世纪以来的物理学一直整个科学技术的发展都有着深远的影响。X射线透视成像作为一种非常有效的研究手段，在诸多科学领域的研究中都能够起到举足轻重的作用。而最早发现X射线的是德国实验物理学家伦琴，他意外发现X射线具有强大的穿透力，并用这种射线拍摄了他夫人的手部，最终得到了人类历史上第一张X射线摄影图像。这张图像可以说是医学X射线的起源，揭开了医学X射线发展的序幕。

在20世纪60年代以前，X射线摄影系统是胶片式的。胶片式X射线成像系统的成像原理主要分三步，而这三步也引导了之后X射线成像系统的发展。首先我们需要将X射线穿透患者的受测部位，然后我们需要一个荧光屏来接受穿透人体的X射线并产生可见光，最后产生的可见光使胶片感光从而保存影像信息。胶片式的X射线透视成像系统有着诸多缺点，包括图像分辨率低，成像速度慢以及X射线剂量大等。随着计算机技术的发展进步，X射线摄影技术也开始从模拟信号向数字信号发展。于是CR（Computer Radiography）技术应运而生，CR技术使用影像板替代了胶片成像系统的增感屏也就是胶片。而影像板的作用是将透射过人体的X射线信号转换成相应的电信号，是胶片的替代物。转换为电信号的X射线透视信号再通过A/D转换器将电信号（模拟信号）转换为数字信号，从而输出成像。相较于胶片成像系统，CR成像系统对X射线剂量的要求更低，所生成的图像也更为清晰，转换成的数字信号可以利用PACS(Picture Archiving and Communication System)系统保存图像信息，使得图像信息的传递和显示更为方便。到了上世纪90年代，X射线数字成像系统得到了进一步的发展，数字化X射线摄影DR（Digital Radiography）进入人们的视野。DR技术可以在不需要人工直接帮助下，利用X射线探测器来接受穿过患者身体的X射线信号，并将其直接转化为数字信号传送给PACS系统。DR技术相较于CR技术，成像环节更少，成像质量更高，由于提高了X射线的光子转化效率DQE(Detective Quantum Efficient)使得成像所需射线剂量也更低。以上种种优点使得DR成像系统成为X射线透视成像技术发展的主要方向，也是当前医学X射线研究的主流。

X射线成像系统作为一种医学辅助系统，可以为医生提供患者身体内部的细节信息，在骨科内科的病因分析上均起到很大的作用。在使用医学X射线成像系统进行诊断时，医生往往是将拍摄的图像与自己的临床经验相结合分析病因。这种分析是由医生根据自己的临床经验主观判断与X射线图像客观现实结合起来的，因此在医生本身的临床经验固定时，对于成像的准确以及成像的高质量成了医学诊断正确性的重要保证。随着图像处理技术的发展，我们看到了除发展成像系统之外的另一条路。在成像系统固定的情况下，我们可以通过图像变换获得更为清晰准确的图像。因此医学X射线研究发展出了两条路来改进图像质量，一条路是研究更为高效的成像系统，而另一条路则是对已有的X射线透视图像进行分析处理，使用图像处理的方法得到更高质量的X射线透视图像。

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