一種X射線能譜成像方法與流程

2023-07-12 05:10:26

本發明涉及X射線成像技術，特別涉及一種X射線能譜成像方法。

背景技術：

在傳統的X射線成像檢測系統中，射線源由高能電子轟擊靶面產生韌致輻射，該輻射線具有連續且能譜分布帶寬較寬的特點；X射線的探測器一般採用間接測量模式，是將不同能量的X射線光子激發螢光材料得到的可見光光子進行積分測量，反映X射線的統計衰減特性。採用這種測量模式，X射線的成像過程中能譜的相關信息大量損失，不利於對被檢測物體材料的物理性質進行精確判斷。在醫療和工業檢測領域，傳統的X射線成像檢測系統檢測靈敏度偏低，對於較小對比度差異的物質難以區分，更無法利用X射線能譜的信息對材料物理性質進行後續分析。

從物理學角度分析，不同能量的X射線在穿透不同的物質過程中表現出不同的衰減特性，在一定程度上反映被檢物體材料的物體性質。因此，如果在成像過程中能夠有效的對X射線束的能量進行區分，則X射線透照圖像中將攜帶更加豐富的譜信息，大大提升X射線成像檢測系統的檢測性能。經過多年的研究積累，出現了一些分辨不同能量的X射線成像檢測技術。

其中，可以採用雙能電子計算機斷層掃描(CT)技術實現X射線成像檢測，過程為：利用兩個X射線源，即採用具有不同的能譜分布的兩個X射線對物體進行掃描重建，獲得被掃描物體等效原子序數和電子密度的分布，從而使X射線程序檢測系統具有了物質識別能力。在此基礎上，為了避免複雜的掃描和計算，在犧牲掉一定的物質識別精度的前提下，提出了雙能X射線透視程序技術。另外，利用大型同步輻射裝置可以有效地產生單色X射線，利用探測器與同步輻射裝置相結合，可以分析不同能量X射線光子與物質的相互作用規律，提升了CT圖像的能量解析度。近年來隨著半導體技術和光電探測技術的發展，出現了一種能夠分別X射線能量的光子探測器技術-X射線光子計數探測器，該種探測器依靠能量選通閾值選擇性的記錄X射線光子，從而達到分辨不同能量X射線光子的目的。

綜上，X射線能譜成像的實現方法主要有兩種：X射線源為基的方法及以探測器為基的方法。X射線源為基的方法就是改善X射線的單色性，克服X射線源發射能譜較寬而損失能譜信息的問題；以探測器為基的方法是提升探測器的能譜分辨能力，提高其對X射線源發生能譜的精確分辨。無論採用上述哪種方法，都存在缺陷：以探測器為基的方法對設備的工藝要求較高且大多處於研製階段，無法進行推廣應用；以X射線源為基的方法通常採用工藝性要求高的同步輻射裝置獲取，只能在實驗室完成，且由於X射線源有很大的輻射危害，無法進行推廣應用。因此，研發出採用濾波方式或反射膜濾鏡的方式實現X射線源為基的方法，但是由於採用濾波方式受到濾波材料自身性質的限制，X射線能譜形態的調製能力有限，導致經濾波後的能譜仍然具有較寬的能譜分布，信噪比比較差，從而影響能譜成像的效果；而反射膜濾鏡的方式則設備工藝製備複雜，應用推廣受到很大限制。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明實施例提供一種X射線能譜成像的實現方法，該方法能夠簡便實現多個能量區域具有窄帶能譜的X射線用於成像。

根據上述目的，本發明是這樣實現的：

(等到權利要求確定後複製權利要求)

由上述方案可以看出，本發明實施例以X射線能譜合成技術為基礎，實現多個能量區域具有窄帶能譜的X射線，對檢測物體進行透照，得到不同能量區域對應的透照圖像，完成X射線能譜成像。由於本發明實施例在以X射線能譜合成技術時，X射線出束設備只是通過不同的濾波參數及不同的出束管電壓實現，從而對設備的工藝要求不高，實現簡單，易於應用推廣。且由於得到的X射線都是不同能量區域的且具有窄帶能譜，在後續成像時效果很好。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的X射線能譜成像方法流程圖；

圖2為本發明實施例得到不同能量區域具有窄帶能譜的X射線的結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的多能量區域能譜合成過程的示意圖，結合圖3。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明作進一步詳細說明。

由常規的X射線出束設備機理可知：一定出束管電壓對應的X射線能譜呈連續分布特性，並且分布帶寬較大，不利於透照圖像中能譜信息的有效利用。在X射線成像系統中，當採用多個X射線源設置不同出束管電壓參數並行激勵或單個源變管電壓參數串行激勵程序時，綜合成像的效果相當於多個X射線束能譜合成譜對應的X射線束作用於X射線探測器的結果。本發明實施例就應用上述原理，以X射線能譜合成技術為基礎，實現多個能量區域具有窄帶能譜的X射線，對檢測物體進行透照，得到不同能量區域對應的透照圖像，完成X射線能譜成像。

具體地說，首選，對X射線能量區域進行分割，X射線出束設備通過不同的濾波參數及不同的出束管電壓，得到不同能量區域的具有能譜分布特性的子射線束序列；其次，對得到的子射線束序列對應的激勵時長進行組合，得到組合的X射線束，所述組合的X射線束對應能譜具有所設置的能量區域的窄帶分布特性；最後，對組合的X射線束進行對應能量區域的線束強度均衡及對應能譜的重疊，得到多個能量區域具有窄帶能譜的X射線。後續就可以採用所述的X射線對檢測物體進行透照後成像。

這樣，就可以大大提升X射線能譜的利用效率，通過不同能量區域具有窄帶能譜的X射線對應的透照圖像可以對檢測物體進行有效識別。採用本發明實施例提供的方法對物體進行CT掃描，可以獲取不同能量區域對應的檢測物體的CT切片圖像，可以達到採集CT重建的效果。

圖1為本發明實施例提供的X射線能譜成像方法流程圖，其具體步驟為：

步驟101、劃分X射線能量區域，產生不同能量區域的X子射線序列；

在本步驟中，可以採用X射線出束設備通過調整不同的濾波參數、X射線束的加載時長及不同的出束管電壓，產生不同能量區域的X子射線序列；

步驟102、對於每個能量區域的X子射線序列對應的激勵時長進行組合，得到每個能量區域具有窄帶分布特徵的X射線；

在本步驟中，採用子譜的分布函數加權求和得到每個能量區域具有窄帶分布特徵的X射線；

步驟103、將每個能量區域具有窄帶分布特徵的X射線進行對應能量區域的線束強度均衡及能譜的重疊，得到每個能量區域具有窄帶能譜的X射線；

步驟104、採用設定能量區域具有窄帶能譜的X射線對檢測物體進行透照，得到檢測物體的X射線成像。

圖2為本發明實施例得到不同能量區域具有窄帶能譜的X射線的結構示意圖。按照本發明實施例提供的方法，能量區域I～N中對應的窄帶能譜是由該能量區域內具有能譜分布特徵的若干子譜的能譜分布函數進行加權求和得到，為了使得子譜分布函數通過一定的運算獲取與目標窄帶能譜相匹配的合成能譜，需要對子譜分布特徵參數進行優化設置。為此，在圖2中，設置了子譜參數優化模塊，該模塊按照一定的規則，對不同能量區域的子譜的能譜分布參數進行預設。

在這裡，子譜就是X子射線序列的能量譜，簡稱子譜。

在特定能量區域內子譜分布參數預設後，需要利用子譜合成該能量區域的窄帶能譜。由於目標窄帶能譜的分布函數由子譜的分布函數加權求和得到，各子譜的權值如何選取是決定合成能譜與目標能譜匹配度的關鍵，圖2中的窄譜能譜優化合成模塊用於合成過程中子譜函數權係數的優化求解，並通過反饋模塊對字譜參數優化模塊中的子譜分布函數進行微調，使得合成能譜分布函數與目標能譜達到一定的相關程度。

在能量區域I～N中目標窄帶能譜合成過程中，還需要對不同能量區域合稱能譜的能譜交疊率和各能量區域窄帶能譜的強度均衡性進行綜合考慮。圖2中設置了能量均衡及能譜重疊優化處理模塊，該模塊在多能量區域能譜合成過程中對合成譜的交疊率和能量均衡度進行約束，以保證實施過程中各能量區域合成譜對應射線束均具有較好的檢測能力，同時保證合成譜間的重疊率儘量小，以保證能譜信息的充分利用。

通過上述各模塊的配合，最終獲取對應不同能量區域具有窄帶能譜的X射線，在實際檢測過程中合成能譜對應X射線束作用於物體與子譜序列對應射束作用於物體的效果一致。從而可以獲取具有較強能譜分辨的成像數據，進而實現能譜成像。

圖3為本發明實施例提供的多能量區域能譜合成過程的示意圖，結合圖3，對本發明實施例提供的方法進行詳細說明。

本發明實施例旨在利用傳統的X射線成像檢測系統，通過X射線出束設備的變電壓串行激勵透照檢測物體的方法達到不同能量區域中等效窄譜X射線束透照的效果。基於X射線的產生機理可知：出束管電壓決定了射線束的能譜分布狀態及射線光子的短波限，出束管電流和透照時長決定了射線束的統計強度，濾波器的參數決定了射線束的長波限及能譜調製狀態。

因此，該實施例中，將設定能量區域具有窄帶能譜分布特徵的射線束合成過程表示如下：

λ∈(λmin,λmax)

其中，f(λ)為合成窄譜的譜密度分布函數，其分布特徵由實際檢測需求決定；gi(λ)為指定能量區域λmin～λmax中用於譜合成的原始子譜的譜密度分布函數，原始子譜的分布函數由出束管電壓參數決定；hi(λ)為子譜gi(λ)的調製函數，實際操作過程中通過濾波材料及厚度等參數決定；Ni為調製後子譜對應射線束的加載權重，通過調節子譜對應射線束的加載時長對其進行調節。

為保證合成過程的可實施性和控制運算過程的複雜度，本發明實施例首先對合成能譜的分布能量區域、帶寬參數進行限定。基於限定的合成譜能區及帶寬參數，並對預定合成能譜進行表徵，記為f(λ)。其次，對子譜數量及譜分布狀態進行限定。在實際操作過程中調節出束管電壓可以對原始X射線束的譜分布特徵進行調節，調節濾波材料及厚度可以對原始子譜的長波限和強度進行調製。為簡化實施過程的環節，保證方法的可實施性，本發明實施例針對特定能量區域的窄譜合成目標，通過出束管電壓參數和濾波參數的預先設定，實現原始子譜的數量及分布形態的限制。在子譜的預設環節，需要保證目標窄譜的分布函數和子譜分布函數間的關係滿足如下要求：

(3)目標窄譜的主要分量要被子譜集合中任一子譜所包含；

(4)目標窄譜主要分量與子譜交集外的分量要具有快衰減特性；

(5)子譜與目標窄譜相交區域的平均強度與子譜最大強度的比值要達到一定數值。

以上述要求為基礎，確定特定能量區域中出束管電壓參數集合{U1,U2,...,Um}與濾波參數集合{L1,L2,...,Ln}，這樣共確定了m×n種基礎子譜，基礎子譜的分布形態和相對強度被不同的出束管電壓和濾波參數組合確定，隨之對各基礎子譜的分布函數進行表徵，記為gi(λ)。本發明實施例的子譜優化選擇模塊利用優化算法從m×n種基礎子譜中選擇數量最少的可能的組合，優化選取結果通過評價函數進行評價，評價函數主要對合成譜的帶寬及合成譜在帶寬範圍內的強度進行綜合評價，並實時反饋給圖2中的子譜優化選擇模塊，最終確定一組用於實施的子譜射束生成所需的出束管電壓、濾波參數、及子譜權重參數集合。按照優化獲取的參數集合，通過變電壓、變濾波參數及激勵時長可以獲取與合成能譜對應射束等效的激勵效果。上述指定能量區域窄譜合成的實施過程能夠在指定能量區域實現與目標窄譜分布對應射線束等效的透照效果，獲取的圖像信息能夠反映目標窄帶能譜射束透照的信息。在合成的過程中目標窄帶能譜的帶寬及強度數值是實施過程中的重點考核指標。

首先定義λbottom和λtop為截斷合成譜強度與合成能譜強度比例為α時對應的短波和長波方向的界限，λmin和λmax為用於合成窄譜的子譜集合的短波和長波方向界限，則定義如下指標函數對合成譜進行考核：

Δλ＝λtop-λbottom

其中，Δλ為合成譜的有效帶寬，此數值根據待檢測物體的材料屬性進行具體的設置；α為合成譜有效帶寬內的X射線束強度與合成譜總強度間的比值，該數值越接近1表明有效帶寬外X射線束的強度衰減越快，合成譜有效帶寬內對應的X射線束越具有較好的檢測能力。合成能譜過程中通過對上述評價參數的定義及實施考核，可以對優化過程提供有力的反饋。

實現能譜成像是本發明實施例的一個重點，即利用多個能量區域中具有窄帶分布特徵的射線束透照物體後的圖像信息進行獲取、融合以獲取較好的譜分辨能力。因此，本發明將傳統X射線源出束對應的有效能量區域劃分為若干個能量區域，在每個能量區域分別實施窄譜合成過程，從而獲取不同能量區域的多個合成窄帶能譜對應射束激勵圖像。

實施過程中為了更好的利用X射線的能譜信息，一方面要求合成能譜的能譜分布帶寬及合成X射線束的強度要達到設計目標，X射線強度目標是保證合成射束對物體能夠有效透照，能譜分布帶寬的窄帶特徵是保證合成射束儘可能的接近單能透照。另一方面對不同能量區域的合成譜之間的要求是合成能譜之間的交疊儘可能小並且射線束能量儘量均衡，合成能譜間交疊區域小能夠保證探測信息的譜分辨能力，合成X射線束能量均衡能夠保證多能透照信息融合後的灰度變化規律，同時降低探測器信號放大係數調整的難度。

上述不同能量區域合成譜的評價可以定義如下兩個函數：

其中，H(fi(λ),fi+1(λ))表徵相鄰能量區域合成譜fi(λ)和fi+1(λ)之間的交疊程度，該函數取值越接近零表示兩個合成譜之間的交疊區域越小；L(fi(λ),fi+1(λ))表徵相鄰能量區域合成譜對應射線束強度的均衡程度，該函數取值越接近零表示其射線束強度的均衡性越好。多能區能譜合成環節，可以通過上述函數對合成譜間的關係參數進行考核，並對反饋給合成過程。

綜上所述，本發明通過能區及基礎子譜的規劃和窄帶能譜優化合成過程的實施，可以獲取多個能量窗口對應的透照圖像，大大提升了X射線檢測過程的譜分辨能力。

以上舉較佳實施例，對本發明的目的、技術方案和優點進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。