CN101647706A - 高能双能ct系统的图象重建方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种在高能双能CT系统中的图像重建方法，包括步骤：利用高能双能射线扫描物体，以获得高能双能投影值；根据预先创建的查找表或者通过解析求解方程组的方法，计算双能投影值对应的基材料系数投影值；基于基材料的投影值，得到基材料系数的分布图像。解决了高能下双能重建的问题，提供了更为有效的物质识别和违禁品检查手段，大大提高了安全检查的精度和效率。

Description

高能双能CT系统的图象重建方法

技术领域

本发明涉及辐射成像，具体涉及一种高能X射线双能CT图像重建方法。

背景技术

计算机断层成像技术(CT)在医疗诊断和工业无损检测领域应用广泛。随着社会的发展，它在公共安全和社会保障的需求也逐渐增加，其中包括了大量以X射线成像为基础的CT成像系统，简称XCT。这些XCT系统按使用的成像技术可以分为单能和双能CT。虽然多能X射线成像技术已经有了一定的发展，但是在实际的应用中还是以单、双能XCT为主，而且技术相对成熟。单能XCT通过重建物体断层的衰减系数图像，得到物质内部的结构和物理信息，但是无法准确分辨是何种物质。双能XCT不仅能够得到物质内部衰减系数的信息，也可以通过重建得到物质组成的信息，一种典型的结果就是物质的有效原子序数和等效特征密度。这样就可以进行准确的物质识别，为公共安全领域提供一种高效的检查手段。

双能XCT技术已经在医学成像和小型物件的安全检查领域得到了大量的应用，其技术已经相对比较成熟。但是我们看到，在大部分的双能系统中，都采用的低能X射线进行成像，一般在200KeV以下。选择这样的能量，其原因有以下几条：低能X射线能较为容易通过X光管产生，其辐射防护也相对较为简便，而且物质在这个能段的衰减系数差异较大，所以物质的图像区分性也比较好；另外由于扫描的物体往往体积较小，物体对X射线的衰减较少，所以低能X射线双能技术在这些领域广泛应用。

但是在大型货物的安全检查领域，这样能量范围的X射线的穿透力是远远不够，无法得到清晰有效的投影数据用于图像重建。对于大型货物的X射线透视成像，一般需要MeV量级的X射线，能量范围一般是1～10MeV。在这个能量范围内，用于传统低能双能重建方法不再适用，其根本原因在于这些方法都是基于一个事实，即X射线与物质的作用只有两种效应：光电效应和康普顿散射，而不包含电子对效应。但是在高能双能领域，由于X射线的能量往往大于电子对效应发生的最低能量1.02MeV，所以在两种效应基础上提出的原有方法都无法继续使用，而必须开发新的技术来满足这样的要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于高能X射线(大于1MeV)的双能CT重建方法，以便解决大型货物双能XCT检查的问题。根据本发明实施例的方法，能够准确有效地得到原子序数和特征密度断层图像从而进行材料识别，为大型货物的安全检查提供了一种高效的手段。

本发明的CT双能系统使用可以获取双能信息的射线源和探测器，可以采用标准的CT圆轨道或者其他数据采集方式得到投影数据，并利用这些数据重建断层图像。

在本发明的一个方面，提供了一种在高能双能CT系统中的图像重建方法，包括步骤：利用高能双能射线扫描物体，以获得高能双能投影值；根据预先创建的查找表或者通过解析求解方程组的方法，计算双能投影值对应的基材料系数投影值；基于基材料的投影值，得到基材料系数的分布图像。

优选地，所述高能双能射线的能量大于1MeV。

优选地，所述查找表是通过以下方法创建的：选定两种基材料；计算双能射线通过这两种材料不同厚度组合下的投影值，按照高低能投影值和不同厚度组合的关系，得到查找表。

优选地，解析方程组的方法包括：利用实际得到的高能双能投影值，通过求解基材料分解下的高低能投影方程组，得到相应的厚度组合。

优选地，对于物体包含混合物或化合物的情况，所述原子序数和特征密度是等效物理量。

优选地，所述的图像重建方法还包括步骤：基于基材料系数分布图像计算被检物体的原子序数图像。

优选地，所述的图像重建方法还包括步骤：基于基材料系数分布图像计算被检物体的特征密度图像。

优选地，所述的图像重建方法还包括步骤：基于基材料系数分布图像计算被检物体的衰减系数图像。

根据上述方法，解决了高能双能情况下重建的问题，提供了更为有效的物质识别和违禁品检查手段，大大提高了安全检查的精度和效率。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更明显，其中：

图1可应用本发明的CT扫描系统结构示意图，图中系统采用扇束圆轨道扫描方式。

图2本发明重建方法的计算流程图。其中连接线上的数据表示从上一步得到的结果，其作为下一步流程的输入数据。

3A和3B示出了模拟重建得到的原子序数图和特征密度图，采用单一的石墨模型；以及

图3C和3D示出了重建的原子序数图和特征密度图与理论值的比较。

具体实施方式

下面，参考附图详细说明本发明的优选实施方式。在附图中，虽然示于不同的附图中，但相同的附图标记用于表示相同的或相似的组件。为了清楚和简明，包含在这里的已知的功能和结构的详细描述将被省略，以防止它们使本发明的主题不清楚。

●CT数学原理

将二维分布u(x，y)沿着某个方向θ求线积分，便得到一维的函数p_θ(t)，该函数称为u(x，y)在θ角度的投影。如果能够得到各个方向的投影p_θ(t)，那么可以根据Radon变换精确计算得到二维分布u(x，y)。从投影得到二维分布的过程称为重建。这便是CT的数学原理。

实际应用中，X光机和探测器围绕物体旋转一圈，便测量得到物体的某个切片的线衰减系数分布在各个方向的投影，从而可以根据CT原理重建得到物体切片的衰减系数二维分布。

●基材料分解模型

物质对X射线的线衰减系数，可以通过三种基本效应的线衰减系数的和来表示：

μ＝μ_p+μ_c+μ_e＝a₁f_p(E)+a₂f_KN(E)+a₃f_e(E)

其中μ表示物质对X射线的线性衰减系数，μ_p，μ_c，μ_e分别表示光电、康普顿、电子对效应所对应的线性衰减系数，而每一项又可以近似的表示成为两项的乘积，其中系数a与物质的原子序数和密度相关，而f(E)则与X射线的能量相关。

由物质衰减系数的理论分析和实验结果可以得到，在高能情况下，光电效应的贡献μ_p相比其他两项非常小，在计算时是可以忽略的。由此得到：

μ＝μ_c+μ_e＝a₂f_KN(E)+a₃f_e(E)

由于每种材料的线衰减系数都可以被两个系数a1和a2唯一确定，因此可以选取两种基材料，比如碳和铝，用基材料的线衰减系数的线性组合表示其它所有材料的线性衰减系数，也就是：

μ＝μ_c+μ_e＝b₁μ₁+b₂μ₂(1)

其中μ为任意一种材料的线衰减系数，μ₁，μ₂为基材料的线性衰减系数，而b₁，b₂是基材料系数。这也就是基材料分解方法的核心表达式。按照下式定义a₂，a₃：

$a_2=2\mathrm{\ρ}\frac{Z}{A},a_3=2\mathrm{\ρ}\frac{Z^2}{A}$

其中ρ为物质的密度，Z为物质的原子序数，A为物质的原子质量数。则可以得到通过基材料分解方法计算有效原子序数和特征密度的公式：

$Z_{\mathrm{eff}}=\frac{b_1{\mathrm{\ρ}}_{e1}{Z}_1+b_2{\mathrm{\ρ}}_{e2}{Z}_2}{b_1{\mathrm{\ρ}}_{e1}+b_2{\mathrm{\ρ}}_{e2}}$

ρ_e＝b₁ρ_e1+b₂ρ_e2(2)

●基材料投影模型

从X光管或者加速器中产生的X射线都是连续谱的，在X射线投影过程中，可以将射线源能谱和探测器能谱合并为D(E)，便于计算，其满足归一化条件：

${\∫}_0^{E_m}D\left(E\right)\mathrm{dE}=1$

那么由此，对于投影方程，也可以改写成连续谱的形式：

$p=-\ln \frac{I}{I_0}=-\ln {\∫}_0^{E_m}D\left(E\right)\exp (-\underset{l}{\∫}\mathrm{\μ}(E,x,y)\mathrm{dl})\mathrm{dE}$

将基材料分解模型带入上式，则双能的投影也可以表示成

p₁(B₁，B₂)＝-ln ∫D₁(E)exp[-B₁μ₁(E)-B₂μ₂(E)]dE  (3)

p₂(B₁，B₂)＝-ln∫D₂(E)exp[-B₁μ₁(E)-B₂μ₂(E)]dE

其中p₁，p₂为高能和低能两个能量下的投影，D₁，D₂为高能和低能下的X射线系统能谱，而B₁，B₂为基材料厚度，定义为：

$B_1={\∫b}_1\left(\stackrel{\→}{r}\right)\mathrm{dl}$

$B_2={\∫b}_2\left(\stackrel{\→}{r}\right)\mathrm{dl}$

利用查找表的方式，或者直接求解方程组(3)的方法，得到基材料投影系数B₁，B₂，采用通用的滤波反投影重建算法得到b₁，b₂：

$M_1\left(t\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{B}_1(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})\left|\mathrm{\ρ}\right|e^{2\mathrm{\πj\ρt}}\mathrm{d\ρ}$

$M_2\left(t\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{B}_2(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})\left|\mathrm{\ρ}\right|e^{2\mathrm{\πj\ρt}}\mathrm{d\ρ}$

$b_1=\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\mathrm{d\θ}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{M}_1\left(t\right)\mathrm{\δ}(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ}-t)\mathrm{dt}$

$b_2=\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\mathrm{d\θ}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{M}_2\left(t\right)\mathrm{\δ}(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ}-t)\mathrm{dt}$

其中(ρ，θ)表示为投影值的径向和角向坐标。

利用公式(2)得到原子序数Z_eff和特征密度ρ_e，利用公式(1)可以得到任意能量下的线衰减系数图像。

图1是根据本发明实施例的双能CT系统的示意图。如图1所示，射线源100在控制器的控制下按照预定的时序产生能量连续分布的双能X射线。被检物体200放在承载机构300上。承载机构300在控制器500的控制下可以匀速旋转，也可以上升和下降。探测器阵列400设置在与射线源100相对的位置，在控制器的控制下接收透射过被检物体200的透射射线，得到针对第一能量的探测信号和针对第二能量的探测信号。由探测器阵列400检测的信号被转换成数字信号，存储在计算机中，用于后续的重建操作。

如图1所示，根据本发明的实施例：

(1)X射线源100采用高能双能加速器射线源，其可以快速交替产生两种高压下的X射线。由于大型货物的体积较大，使用加速器射线源以产生高功率的射线，以获得更清晰重建图像。

(2)承载机构例如是转动平稳的载物平台。

(3)线阵探测器400阵列垂直于X射线源100和承载机构300中心的轴线，水平放置。

(4)整个CT系统的机电控制、数据传输、图像重建都由计算机工作站完成。工作站进行断层图像的重建，在显示器上以二维或三维的方式显示。

(5)为了能够精确的重建图像，CT系统精确地测量或标定以下系统参数：X射线源点到探测器的距离D，X射线源到转台旋转轴的距离R，X射线源在探测器上映射位置c，探测器的像素尺寸d，以及所有探测器单元的准确几何位置x_i，转台旋转角度θ。

(6)系统的扫描方式，采用标准的扇束圆轨道扫描方式，即射线源和探测器固定在某一高度，物体随载物台旋转一周，得到双能的CT投影数据。

(7)图像重建过程采用上述的方法，从双能的CT投影数据中，通过计算机实现，得到扫描断层物质的原子序数和特征密度图像，从而可以为后续的物质识别和判定提供依据。

下面结合附图2描述本发明实施例的图像重建方法的详细过程。

在步骤S11，利用双能射线扫描物体，以获得双能投影值；

在步骤S12，根据预先创建的查找表或者通过解析求解方程组的方法，计算双能投影值对应的基材料系数投影值。创建查找表的方法是，选定两种基材料，计算双能射线通过这两种材料不同厚度组合下的投影值，按照高低能投影值和不同厚度组合的关系，得到查找表。而解析求解方法组的方法，则利用实际得到的高低能投影值，通过求解基材料分解下的高低能投影方程组，得到相应的厚度组合，这种方法精度高，但是计算速度慢，在实际应用中优先使用查找表的方法。

在步骤S13由基材料的投影值，就可以得到基材料系数的分布图像。

在步骤S14，从基材料的系数分布图得到被检物体的原子序数、特征密度图像，和任意能量下被检物体衰减系数图像。这一步骤在硬件系统得以实施。本发明建立了高能X射线下的基材料分解双能CT重建方法，可以较为准确的从双能投影中，得到断层的原子序数和特征密度图像。对于物质中包含化合物和混合物的情况，得到的原子序数和特征密度都是等效物理量。

图3A到3D示出了部分实验结果，它是利用单一物质石墨模型进行的模拟实验结果，其中图3C和3D分别表示原子序数图像和特征密度图像的水平方向的剖线图，虚线表示重建值，实线表示理论值。

本发明作为一种通用的高能双能图像重建方法，在一般的以高能X射线为射线源的双能CT系统中，都有其适用性，具有广泛的应用前景。

上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1、一种在高能双能CT系统中的图像重建方法，包括步骤：

利用高能双能射线扫描物体，以获得高能双能投影值；

根据预先创建的查找表或者通过解析求解方程组的方法，计算双能投影值对应的基材料系数投影值；

基于基材料的投影值，得到基材料系数的分布图像。

2、如权利要求1所述的图像重建方法，其中所述高能双能射线的能量大于1MeV。

3、如权利要求1所述的图像重建方法，其中所述查找表是通过以下方法创建的：

选定两种基材料；

计算双能射线通过这两种材料不同厚度组合下的投影值，按照高低能投影值和不同厚度组合的关系，得到查找表。

4、如权利要求1所述的图像重建方法，其中求解方程组的方法包括：

利用实际得到的高能双能投影值，通过求解基材料分解下的高低能投影方程组，得到相应的厚度组合。

5、如权利要求1所述的图像重建方法，其中对于物体包含混合物或化合物的情况，所述原子序数和特征密度是等效物理量。

6、如权利要求1所述的图像重建方法，还包括步骤：

基于基材料系数分布图像计算被检物体的原子序数图像。

7、如权利要求1所述的图像重建方法，还包括步骤：

基于基材料系数分布图像计算被检物体的特征密度图像。

8、如权利要求1所述的图像重建方法，还包括步骤：

基于基材料系数分布图像计算被检物体的线衰减系数图像。

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