CN101900696A - 双能欠采样物质识别方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种双能欠采样物质识别方法和系统。利用CT图像重建方法获得被检测物体的CT图像，同时获得少量的双能欠采样投影，并根据此双能投影数据查表求出光电系数积分和康普顿系数积分。利用图像处理技术对已获得的被检测物体CT图像进行区域分割并将分割后的区域进行标记，再计算已获得的少量双能投影射线穿过各个标记区域的长度。利用双能前处理双效应分解重建方法建立方程组以便计算康普顿系数和光电系数，进而求出各分块区域物质原子序数和电子密度。利用物质原子序数可以识别出被检查物体中的物质类型。

Description

双能欠采样物质识别方法和系统

技术领域

本发明涉及辐射成像技术领域，具体涉及一种双能欠采样物质识别方法和系统，能够降低辐射剂量和系统成本，并且提高扫描速度。

背景技术

近年来，由于双能CT成像技术能够获得最佳的检测精度，有效的对被检测物体重建并进行物质识别，使其在安全检查，无损检测，医疗诊断等领域中有着十分重要的意义。

目前，双能CT成像技术主要有两种实现方式：一种是利用专门设计的双层探测器实现双能成像的伪双能系统，如图1所示。按照图1所示的方法，扫描时，射线穿过物体之后先到达第一层的低能探测器，接着穿过滤波片，最后再到达第二层的高能探测器，此时两个透射图像上的像素自动对应相同的射线路径。

另一种是利用不同能量的射线源对物体进行两次圆周扫描的真双能系统，如图2A和2B所示。如图2A所示，在第一周扫描过程中，使用第一能量的射线对物体进行扫描。然后将射线能量从第一能量切换到第二能量。如图2B所示，在第二周扫描过程中，使用第二能量的射线对物体进行扫描。按照图2A和2B所示的方法，辐射剂量和扫描时间大概相当于单次扫描的两倍。而且需要对低能和高能透射图像进行配准，确保两个图像上相同坐标的象素对应相同的射线路径。

但从工程实现的角度看，由于第一种系统需要两层探测器同时进行采集，所以成本较高，不易普及。第二种系统除了需要对低能和高能透射图像的配准要求严格，而且耗时长，扫描速度慢，并且由于多扫描的一周增加了对被检测物体的扫描剂量。这些问题都对双能CT成像技术的推广造成不良的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种双能欠采样物质识别方法和系统，解决目前两类利用双能CT成像技术对被检测物体重建并进行物质识别的系统中无法实现低成本，低剂量，快速度检测的难题。本发明实施例的方法和系统可以应用于安全检查，无损检测，医疗诊断等诸多检测领域。

在本发明的一个方面，提出了一种双能欠采样物质识别方法，包括：利用第一能量的射线束对被检查物体进行CT扫描，获得第一能量下各个角度的投影数据并且重建被检测物体的CT图像；利用第二能量的射线束对被检查物体进行扫描，获得第二能量下部分角度的投影数据；组合第一能量下的投影数据和第二能量下的投影数据，以获得部分角度的双能欠采样数据；根据双能欠采样数据采用查表的方法获得光电系数积分值和康普顿系数积分值；对被检测物体的CT图像进行区域分割，得到分割后的多个区域并且计算双能射线穿过各个区域的长度；根据双能射线穿过各个区域的长度，光电系数积分值和康普顿系数积分值，利用双能前处理双效应分解重建方法求解康普顿系数和光电系数；基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数；至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别。

在本发明的另一方面，提出了一种双能欠采样物质识别系统，包括：射线发生装置，产生要穿透被检查物体的第一能量的射线束和第二能量的射线束；机械转动控制部分，包括转动装置和控制系统，用于实现对被检查物体的旋转扫描；数据采集分系统，包括阵列探测器，用于获取穿透被检查物体的射线束的透射投影数据；主控制及数据处理计算机，控制上述射线发生装置，机械转动控制部分和数据采集分系统，利用第一能量的射线束对被检查物体进行CT扫描，获得第一能量下的投影数据并且重建被检测物体的CT图像，以及利用第二能量的射线束对被检查物体进行扫描，获得第二能量下部分角度的投影数据；其中所述主控制及数据处理计算机包括：组合第一能量下的投影数据和第二能量下的投影数据，以获得部分角度的双能欠采样数据的装置；根据双能欠采样数据采用查表的方法获得光电系数积分值和康普顿系数积分值的装置；对被检测物体的CT图像进行区域分割，得到分割后的多个区域并且计算双能射线穿过各个区域的长度的装置；根据双能射线穿过各个区域的长度，光电系数积分值和康普顿系数积分值，利用双能前处理双效应分解重建方法求解康普顿系数和光电系数的装置；基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数的装置；至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别的装置。

根据本发明实施例的基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方法和系统对于传统的两层探测器伪双能系统，可以减少探测器的数目，有效的降低成本，使得双能物质识别成像系统能够大批量的应用到安全检查中成为可能；对于真双能系统，可以减少旋转次数，即可实现快速，低剂量的双能物质识别成像，对于安检领域中快速检查和医疗诊断中降低病人接收的辐射剂量是十分有意义的。

因此，本发明实施例的方法和系统以CT图像的先验知识为基础有效的解决双能物质识别成像问题中的几个关键难点，实现低成本，快速度，低剂量的快速扫描，具有很大的市场应用潜力。

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是伪双能CT成像系统圆轨迹扫描平面示意图；

图2A和2B是真双能CT成像系统圆轨迹扫描平面示意图；

图3A是根据本发明实施例的改进的真双能物质识别成像检测系统的结构示意图；

图3B是如图3A所示的主控制及数据处理计算机的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方法流程示意图；

图5A和5B是根据本发明实施例的改进的真双能物质识别成像检测圆轨迹扫描平面示意图；

图6示出了光电系数积分和康普顿系数积分的查找表；以及

图7是描述计算穿过分割区域的射线长度示意图。

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，否则它们将使本发明的主题不清楚。

根据本发明实施例的系统是一种利用基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方法实现改进的真双能圆轨迹物质识别成像检测系统。如图3A所示，该系统采用一个射线源和一层探测器组成的扇束圆轨迹扫描。如图5A和5B所示，利用第一周圆轨迹扫描重建的CT图像获得物体的形状信息，再利用第二周一个或几个角度的投影信息获得少量的双能投影采样，即可实现快速，低剂量的双能物质识别成像。如图5A所示，在第一周，例如利用低能射线进行完整的360度扫描，来重建CT图像。在第二周，利用高能射线进行选择性的扫描，来获得部分的高能投影数据。

如图3A所示，根据本发明实施例的系统具备以下几个组成部分。

射线发生装置11，它包括X射线加速器、X光机或者放射性同位素，以及相应的辅助设备。

机械转动控制部分12，它包括一个旋转被检查物体(或者源和探测器)的转动装置和控制系统，物体运动与源和探测器运动属于相对运动，是等价的。在医疗领域中，由于病人不易转动，可以同时转动源和探测器实现，在本实施例中，采用旋转被检查物体的方式实现。

数据采集分系统13，它主要包括阵列探测器(一般是等距排列，也可以是等角排列)，用于获取射线的透射投影数据。该分系统13还包括探测器上投影数据的读出电路和逻辑控制单元等。探测器可以是固体探测器，也可以是气体探测器，还可以是半导体探测器。

数据采集采用时，要求采样间隔在时间轴上是均匀的，被检查物体也要是匀速运动，并要求所有阵列探测器同步采集。

主控制及数据处理计算机14，它通过控制信号及数据传输线15发送和接收信号，负责CT系统运行过程的主控制，包括机械转动，电气控制，安全连锁控制等，并对由数据采集分系统13获得的投影数据进行处理，通过第一周采集的投影数据重建出物体断层图像并进行图像区域分割标记，再利用第二周扫描得到的少量采样组成少量双能投影采样重建出各分块区域物质的原子序数和电子密度图像进行物质识别，并通过显示器显示出来。该计算机14可以是高性能的单个PC，也可以是工作站或机群。

图3B示出了如图3A所示的主控制及数据处理计算机14的结构框图。如图3B所示，数据采集分系统13所采集的数据存储在存储器141中。只读存储器(ROM)142中存储有计算机数据处理器的配置信息和程序。随机存取存储器(RAM)143用于在处理器146工作过程中暂存各种数据。另外，存储器141中还存储有用于进行数据处理的计算机程序和预先编制的数据库，该数据库存储有各种已知物体的相关信息，光电系数积分和康普顿系数积分查找表，原子序数查找表或者原子序数分类曲线，以及物质的电子密度等信息，用于与处理器146所计算出的被检查物体中各个区域的诸如原子序数和电子密度之类的属性进行比较。内部总线144连接上述的存储器141、只读存储器142、随机存取存储器143、输入装置145、处理器146和显示装置147。

在用户通过诸如键盘和鼠标之类的输入装置145输入的操作命令后，该计算机程序中的处理器146执行预定的数据处理算法，在得到数据处理结果之后，将其显示在诸如LCD显示器之类的显示装置147上，或者直接以硬拷贝的形式输出处理结果。

下面参照附图4详细描述本发明实施例的方法的执行过程。图4是根据本发明实施例的基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方法流程示意图。

在步骤S11，主控制及数据处理计算机14控制射线发生装置11、机械转动控制部分12、和数据采集分系统13，利用圆轨迹扇束重建方法将在第一周能量-1情况下扫描获得的投影数据采样进行CT重建，获得被检测物体的CT图像。在步骤S21，利用此投影数据和在第二周能量-2几个角度甚至一个角度下的投影信息组成少量的双能欠采样投影数据，即在第二周扫描视角下对被测物体进行双能欠采样扫描。

根据本发明的实施例，第二周的扫描视角可以是一个或者多个。在多个视角的情况下，该多个视角下的投影数据的相关度最好比较小，例如小于预定的阈值。

进而在步骤S22，可从存储在计算机14的存储器141中的查找表中查表求出每对高低能投影对应的光电系数积分和康普顿系数积分值A。

如图6所示，横纵坐标P1，P2分别表示高低能情况下得到的投影，在表中的每一个坐标点处都存有与此时高低能投影数据对应的光电系数积分和康普顿系数积分A的取值。即当已知高低能投影数据时，就可通过查找此表得到与之对应的光电系数积分和康普顿系数积分A的取值。在现有文献(“A Volumetric Object Detection Framework with Dual-Energy CT”IEEE NSS/MIC 2008)中公开了上述的查找表。

在步骤S12，主控制及数据处理计算机14采用基于区域分割的方法将CT重建图像根据灰度的差异分割成不同几个区域并进行标记。例如，上述基于区域分割的方法是改进的单程分裂合并分割方法。

如图7所示，l_j(i)表示第i条射线穿过第j割区域的长度；T(i)表示投影数据。这样，在步骤S13，根据步骤S21中获得的双能投影采样信息计算出第i组投影数据所对应的射束经过第j块区域的长度l_j(i)。

在步骤S14，主控制及数据处理计算机14利用双能前处理双效应分解重建方法建立方程组A＝∑a·l，其中a表示康普顿系数和光电系数。令在第二周扫描视角下共获得了M组DR双能透射数据，将CT图像共分割成N块标记区域并用T_H(i)和T_L(i)表示第i组高、低能投影数据。通过公式(1)对线性衰减系数进行双效应分解：

μ(E)＝a₁f_ph(E)+a₂f_KN(E)    ……(1)

进而，可以将高、低能透明度用下面的公式(2)和(3)来表示：

$T_H=\underset{E_H}{\∫}{D}_H\left(E\right)\exp (-\∫\mathrm{\μ}\left(E\right)\mathrm{dl})\mathrm{dE}=\underset{E_H}{\∫}{D}_H\left(E\right)\exp (-A_1{f}_{\mathrm{ph}}\left(E\right)-A_2{f}_{\mathrm{KN}}\left(E\right))\mathrm{dE}......\left(2\right)$

$T_L=\underset{E_L}{\∫}{D}_L\left(E\right)\exp (-\∫\mathrm{\μ}\left(E\right)\mathrm{dl})\mathrm{dE}=\underset{E_L}{\∫}{D}_L\left(E\right)\exp (-A_1{f}_{\mathrm{ph}}\left(E\right)-A_2{f}_{\mathrm{KN}}\left(E\right))\mathrm{dE}......\left(3\right)$

其中f_ph(E)表示光电截面对射线能量E的依赖关系；f_KN(E)刻画康普顿截面和光子能量的关系；D_H(E)表示高能探测器测量到的X光机射线能谱；D_L(E)表示低能探测器测量到的X光机射线能谱；a₁表示光电系数；a₂表示康普顿系数；A₁表示光电系数积分；A₂表示康普顿系数积分，即如下公式(4)所示：

A＝∫adl                    ……(4)

从而构建线性方程组：

A＝∑a·l                   ……(5)

具体而言，用下面的方程组(6)和(7)对a₁，a₂进行求解：

在步骤S15利用最小二乘的方法求解步骤S14中构建的方程组，计算得到a，即光电系数a₁和康普顿系数a₂。然后，在步骤S16，通过公式(8)和(9)求出原子序数和电子密度：

$a_1\≈K_1\frac{N_A}{2}\mathrm{\ρ}{Z}^n(n\≈3)......\left(8\right)$

$a_2\≈K_2\frac{N_A}{2}\mathrm{\ρ}......\left(9\right)$

其中Z表示原子序数，ρ表示电子密度，N_A表示阿伏加德罗常数，K₁为常数即包含其它所有与射线能量和物质参数无关的系数，K₂为常数即包含其它所有与射线能量和物质参数无关的系数。这样即可求出分块区域物质的原子序数和电子密度，从而有效的对物质进行识别。例如，基于查找表方法或者分类曲线的方法利用原子序数来对被检查物体的各个区域中的物质进行识别。根据另一实施方式，可以同时使用计算的原子序数和电子密度来对物质进行识别。

如上所述，根据本发明实施例的方法和系统在基于CT图像基础上仅利用少量的几个双能投影采样即可实现低成本，低剂量，快速度的双能物质识别成像。具有应用于安全检查，无损检测，医疗诊断等领域的潜力。

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 (14)

1.一种双能欠采样物质识别方法，包括：

利用第一能量的射线束对被检查物体进行CT扫描，获得第一能量下各个角度的投影数据并且重建被检测物体的CT图像；

利用第二能量的射线束对被检查物体进行扫描，获得第二能量下部分角度的投影数据；

组合第一能量下的投影数据和第二能量下的投影数据，以获得部分角度的双能欠采样数据；

根据双能欠采样数据采用查表的方法获得光电系数积分值和康普顿系数积分值；

对被检测物体的CT图像进行区域分割，得到分割后的多个区域并且计算双能射线穿过各个区域的长度；

根据双能射线穿过各个区域的长度，光电系数积分值和康普顿系数积分值，利用双能前处理双效应分解重建方法求解康普顿系数和光电系数；

基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数；

至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别。

2.如权利要求1所述的方法，所述基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数的步骤包括计算各分割区域中物质的原子序数和电子密度，以及所述至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别的步骤包括基于原子序数和计算的电子密度对被检查物体的物质进行识别。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中对被检查物体的物质进行识别的步骤包括：利用查找表来确定被检查物体的各个分割区域中的物质。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中对被检查物体的物质进行识别的步骤包括：利用事先创建的分类曲线来确定被检查物体的各个分割区域中的物质。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述第二能量下部分投影角度的投影数据是单个投影角度下的投影数据。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述第二能量下部分投影角度的投影数据是多个投影角度下的投影数据，并且所述多个投影角度下的投影数据之间的相关度小于预定的阈值。

7.如权利要求1所述的方法，还包括对分割的区域进行标记的步骤。

8.一种双能欠采样物质识别系统，包括：

射线发生装置，产生要穿透被检查物体的第一能量的射线束和第二能量的射线束；

机械转动控制部分，包括转动装置和控制系统，用于实现对被检查物体的旋转扫描；

数据采集分系统，包括阵列探测器，用于获取穿透被检查物体的射线束的透射投影数据；

主控制及数据处理计算机，控制上述射线发生装置，机械转动控制部分和数据采集分系统，利用第一能量的射线束对被检查物体进行CT扫描，获得第一能量下的投影数据并且重建被检测物体的CT图像，以及利用第二能量的射线束对被检查物体进行扫描，获得第二能量下部分角度的投影数据；

其中所述主控制及数据处理计算机包括：

组合第一能量下的投影数据和第二能量下的投影数据，以获得部分角度的双能欠采样数据的装置；

根据双能欠采样数据采用查表的方法获得光电系数积分值和康普顿系数积分值的装置；

对被检测物体的CT图像进行区域分割，得到分割后的多个区域并且计算双能射线穿过各个区域的长度的装置；

根据双能射线穿过各个区域的长度，光电系数积分值和康普顿系数积分值，利用双能前处理双效应分解重建方法求解康普顿系数和光电系数的装置；

基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数的装置；

至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别的装置。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述基于康普顿系数和光电系数至少计算各分割的区域中物质的原子序数的装置包括计算各分割区域中物质的原子序数和电子密度的装置，以及所述至少基于原子序数对被检查物体的物质进行识别的装置包括基于原子序数和计算的电子密度对被检查物体的物质进行识别的装置。

10.如权利要求8或9所述的系统，其中对被检查物体的物质进行识别的装置包括：利用查找表来确定被检查物体的各个分割区域中的物质的装置。

11.如权利要求8或9所述的系统，其中对被检查物体的物质进行识别的装置包括：利用事先创建的分类曲线来确定被检查物体的各个分割区域中的物质的装置。

12.如权利要求8所述的系统，其中所述第二能量下部分投影角度的投影数据是单个投影角度下的投影数据。

13.如权利要求8所述的系统，其中所述第二能量下部分投影角度的投影数据是多个投影角度下的投影数据，并且所述多个投影角度下的投影数据之间的相关度小于预定的阈值。

14.如权利要求8所述的系统，还包括对分割的区域进行标记的装置。

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