CN101960297A - X射线计算机断层成像装置和采用x射线计算机断层成像检测对象的方法 - Google Patents

Abstract

在X射线计算机断层成像装置(1)和采用X射线计算机断层成像检测对象(2)的方法中，为改善图像质量，通过第一强度测量装置(13)测量X射线源(3)和对象(2)之间的X射线辐射(6)的第一强度，通过第二强度测量装置(15)测量在对象(2)和X射线检测器(4)之间位于对象(2)的投影区域(10)之外的X射线辐射(6)的第二强度。可通过所测量强度计算散射辐射校正因子以减小散射辐射。

Description

X射线计算机断层成像装置和采用X射线计算机断层成像检测对象的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的通过X射线计算机断层成像检测对象的X射线计算机断层成像装置。本发明还涉及一种根据权利要求10的前序部分的通过X射线计算机断层成像检测对象的方法。

背景技术

X射线计算机断层成像装置(CT)可无损以及不接触地检测对象的内部结构。其既用于医疗领域检测人体又用于工业领域质量检查。X射线计算机断层成像中的重要步骤在于标准化通过X射线检测器在待检测对象的后面测量的X射线辐射的强度。其通常以在检测器中决定灰度值的方式进行，该灰度值被解释为未衰减的初级X射线辐射的基准值。采用该基准值标准化由对象衰减的X射线辐射产生的灰度值。

当如工业领域无损检查对象所常用地采用集成、无能耗X射线检测器时，不可能决定撞击X射线检测器的光子是分配给初级X射线辐射还是次级X射线辐射。初级X射线辐射的光子在待检测对象中不与所述对象相互作用地从X射线源到达X射线检测器，但是次级X射线辐射的光子在对象内的散射过程中产生。通过X射线检测器测量对象所衰减的强度因此还包括——除了对象中所引发的荧光辐射以外——随机散射的光子的作用，换言之次级X射线辐射的作用。次级X射线辐射还为指定的散射辐射。所述散射辐射使得对衰减初级X射线辐射的测量错误，因此损害了再现对象图像的图像质量。

发明内容

因此，本发明基于提供X射线计算机断层成像的目标，其能够以高图像质量记录待检测的对象的图像。

根据本发明通过具有权利要求1特征的X射线计算机断层成像装置实现所述目标。根据本发明，认为采用两次强度测量可计算散射辐射校正因子，借助该因子可校正散射辐射的影响。采用设置在X射线源和配置待检测对象的对象载体之间的第一强度测量装置可测量未衰减的初级X射线辐射的强度。采用设置在对象载体和待检测对象的X射线检测器之间的投影区域之外的第二强度测量装置可测量基本上由未衰减的初级X射线辐射强度和散射辐射强度即次级X射线辐射的强度组成的强度。可从所测量强度计算表征对象所产生的散射辐射的散射辐射校正因子。散射辐射校正因子为校正值，所述校正值作为严格数学意义或者其它数学形式的因子可输入散射辐射校正中。采用该散射辐射校正因子，假设散射辐射分布为零或者更高值，可对每个单独像素校正X射线检测器所测量的强度。因此可基本消除散射辐射的影响，这一点改进了X射线计算机断层成像的图像质量。而且，未衰减的初级X射线辐射的强度测量提供了用于标准化X射线检测器所测量的强度的可靠标准化变量。其也改进了图像质量。

根据权利要求2的发展改进了未衰减初级X射线辐射强度的测量精度。第一强度测量装置设置得距离X射线源越近，测量精度越高。

通过根据权利要求3的第一强度测量装置设置，可防止在待检测对象的投影中看到第一强度测量装置。

通过根据权利要求4的发展改进了第二强度的测量精度。第二强度测量装置被设置得距离X射线检测器越近，则散射辐射的影响可测量和计算得越精确。

根据权利要求5的强度测量装置的配置是经济的。

根据权利要求6的发展简化了对至少一个散射辐射校正因子的计算。由于结构上相同的配置，强度测量装置的信号可直接进一步处理，而不必将信号标准化为统一的基准尺寸。因此不必校准结构上相同的强度测量装置。

根据权利要求7的发展可实现高图像质量。

根据权利要求8的发展可通过第一强度测量装置精确测量未衰减的初级X射线辐射的强度以及通过第二强度测量装置精确测量由未衰减的初级X射线辐射强度和次级X射线辐射强度组成的强度。

根据权利要求9的发展可对X射线检测器的每个像素计算校正的衰减值，通过其可借助已知的再现算法在评估单元中产生X射线图像。借助零次散射辐射校正，产生作为第二强度和第一强度的商的散射辐射校正因子。借助较高次的散射辐射校正，产生作为该商和相关蒙特卡罗散射辐射分布的乘积的散射辐射校正因子。

本发明目标还在于提供一种通过X射线计算机断层成像检测对象的方法，其可提供高图像质量。

根据本发明通过具有权利要求10的特征的方法实现所述目标。根据本发明的方法的优势对应已经描述的根据本发明的X射线计算机断层成像装置的优势。

根据权利要求11的发展保证了所测量值的时间分配并因此保证可靠而准确地校正散射辐射。

根据权利要求12的测量防止了在待检测的对象的投影中看到第一强度测量装置。

根据权利要求13的计算至少一个散射辐射校正因子可改进图像质量，这是因为考虑了所散射的辐射的空间分布。

根据权利要求14的发展可改进图像质量，这是因为考虑了散射辐射对相应投影方向的相关性。由于待检测的对象的几何形状，还对不同的投影方向产生不同的散射辐射校正因子。

根据权利要求15的发展可提供高图像质量。

附图说明

从借助附图对实施例的描述可得到本发明的进一步特征和优势，其中：

图1示出了X射线计算机断层成像装置的透视示意图；

图2示出了图1中X射线计算机断层成像装置的俯视图；

图3示出了散射辐射零次方减小的示意图；以及

图4示出了散射辐射通过蒙特卡罗分布更高次方减小的示意图。

具体实施方式

用于检测对象2的X射线计算机断层成像装置1具有X射线源3和相关的X射线检测器4。设置在X射线源3和X射线检测器4之间的为其上可设置对象2的对象载体5。

X射线源3用于产生在束方向7上成圆锥形发射的X射线辐射6。束方向7基本上与X射线计算机断层成像装置1的中心纵轴8平行。X射线源3例如配置为X射线管，其结构已知。

X射线检测器4基本上在x-y平面上延伸，所述平面由垂直延伸的x方向和y方向限定。中心纵轴8限定了z-方向，其基本上与x-y平面垂直。处于x-和y-方向上的X射线检测器4具有大量分别被称为P(x，y)的像素，其中x＝1至n_x而y＝1至n_y。所述X射线检测器4例如配置为集成、无能耗平平板图像检测器，其结构已知。

根据待检测的对象2的几何形状，锥形发射的X射线辐射6可被划分为不同的区域。在一个位于X射线源3和对象2之间的辐射区域9中，初级X射线辐射6a未衰减地撞击对象2。在位于对象2和X射线检测器4之间的投影区域10中，被对象2衰减的初级X射线辐射6b和次级X射线辐射6c即散射辐射一起撞击X射线检测器4。投影区域10还称为投射影子的区域。辐射区域9和投影区域10被测量区域11环绕，在测量区域11中不撞击对象2的未衰减初级X射线辐射6a从X射线源3到达X射线检测器4处。

第一强度检测装置13设置在X射线源3和对象2之间的辐射区域9外的第一测量部分区域12中。可通过第一强度测量装置13测量未衰减初级X射线辐射6a的第一强度I₀。第一强度测量装置13具有相对于X射线源3的第一间隔A₁和相对于对象载体5的第二间隔A₂。间隔A₁、A₂在每种情形都被定义为第一强度测量装置13沿z方向和X射线源3或者对象载体5之间的最短轴向距离。第一间隔A₁和第二间隔A₂的比率小于1/2、特别是小于1/4、以及特别是小于1/8。

第二强度检测装置15设置在位于对象2和X射线检测器4之间的投影区域10之外的第二测量部分区域14中。可通过第二强度测量装置15测量未被对象2衰减的初级X射线辐射6a和次级X射线辐射6c即散射辐射的第二强度I₁。第二强度测量装置15具有相对于X射线检测器4的第三间隔A₃和相对于对象载体5的第四间隔A₄。间隔A₃、A₄在每种情形都被定义为沿z方向和X射线检测器4或者对象载体5之间的最短轴向距离。第三间隔A₃和第四间隔A₄的比率小于1/2、特别是小于1/4、以及特别是小于1/8。位于第一测量部分区域12和第二测量部分区域14之间的第三测量部分区域16为过渡区域。

强度测量装置13、15在结构上被设置为和电子剂量计相同并提供作为测量值且和强度I₀、I₁成比例的剂量输出。

X射线源3、X射线检测器4以及强度测量装置13、15通过信号线17连接至评估单元18。评估单元18被配置为使得至少一个散射辐射校正因子F可根据测量的强度I₀、I₁计算

辐照对象2时，在X射线检测器4上产生对象2的投影S。对象2的内部结构19出现于投影S中，因此可无损检测对象2。为产生不同的投影S，对象载体5可围绕平行于x-y-平面延伸的旋转轴20旋转。对象载体5以及因此对象2的旋转位置以旋转角

表征。不同的投影被标明为

其中n＝1至N。旋转角度

因此为投影方向的度量。

下面将描述根据本发明的用于通过X射线计算机断层成像检测对象2的第一方法。

对象2设置在对象载体5上并设置在相对于X射线源3第一旋转角度

处。通过X射线源3以X射线辐射6a辐照对象2。X射线检测器4检测撞击在其上的X射线辐射6。对每个像素P(x，y)，所检测的X射线辐射6被转换为相应的灰度值g(x，y)并传送至评估单元18以进行评估。

同时，以第一强度测量装置13测量第一强度I₀的测量值并以第二强度测量装置15测量第二强度I₁的测量值，并将其传送至评估单元18以进行评估。

根据本发明的第一方法假设标明为散射辐射的次级X射线辐射6c以任意方向散射并作为X射线检测器4上的恒定且均匀的背景。在该假设下下面的方程适用于每个像素P(x，y)：

g(x，y)＝k·[I(x，y)+I_S]＝k·[I₀·e^-A(x，y)+I_S]     (1)方程(1)给出衰减的初级X射线辐射6b的强度I(x，y)、未衰减的初级X射线辐射6a的强度I₀、散射辐射6c的强度I_s和X射线检测器4对每个像素P(x，y)测量的灰度值g(x，y)之间的关系。k为X射线辐射6的物理强度和数字灰度值g(x，y)之间的比例因子。比例因子k恒定并且为X射线检测器4的属性。A(x，y)为每个像素P(x，y)的衰减值，其描述了未衰减的初级X射线辐射6a的强度I₀沿着从X射线源3经对象2至X射线检测器4上相应像素P(x，y)的路径的衰减。通过评估单元18再现X射线图象时对每个像素P(x，y)要求衰减值A(x，y)。

可通过对强度I₀、I₁的剂量测量不转换测量值地定义和确定独立、无量纲的超高因子f。超高因子f被定义为：

$f=\frac{I_1}{I_0}---\left(2\right)$

从强度I₀、I₁的测量值确定超高因子f。因为强度I₁基本上由未衰减的初级X射线辐射6a的强度I₀以及散射辐射6c的强度I_S组成，获得下面的方程：

$f=\frac{I_1}{I_0}\≈\frac{I_0+I_S}{I_0}=1+\frac{I_s}{I_0}---\left(3\right)$

从方程(3)得出散射辐射6c的强度I_s：

I_S＝I₀(f-1)                        (4)

如果将方程(4)代入方程(1)，则可消除散射辐射6c的强度I_s：

g(x，y)＝k·I₀·[e^-A(x，y)+f-1]    (5)

超高因子f和衰减值A(x，y)在每种情形下都为无量纲因子，其中f≥1且A(x，y)＞0。超高因子f描述了X射线检测器4接触的散射辐射6c的比例。当对象2和X射线检测器4之间的间隔减小时超高因子f增大。

在方程(5)中，可通过没有对象2的预备步骤确定比例因子k和强度I₀的乘积。在没有对象2的预备步骤中，超高因子为f＝1而所有像素P(x，y)的衰减值A(x，y)＝0。在这种情形方程(5)被简化为：

g(x，y)＝K·I₀＝常数         (6)

预备步骤中所测量的灰度值g(x，y)因此代表比例因子k和强度I₀的乘积。

通过求解方程(5)，对每个像素P(x，y)获得衰减值A(x，y)如下：

$A(x,y)=-\ln [\frac{g(x,y)}{k\·I_0}+1-f]---\left(7\right)$

对每个像素P(x，y)，方程(7)提供了校正的衰减值A(x，y)，其中基本消除了散射辐射6c的影响。通过衰减值A(x，y)可通过已知的再现算法在评估单元18中产生X射线图像。

在假设散射辐射6c以X射线检测器4上恒定而均匀的背景出现下，超高因子f同时为散射辐射校正因子F。因此：

F＝f                  (8)

通过方程(7)，因而可执行零次方的散射辐射减小。图3示出了采用以y方向恒定位置在x方向测量的灰度值g(x，y为常数)实例的零次方散射辐射减小。

图3中的虚线示出灰度值g(x，y为常数)的测量轮廓。实线为对象2后的衰减初级X-射线辐射6b的强度I(x，y为常数)的轮廓。散射辐射6c的强度I_s为两条线之间的恒定偏移量。

对N个不同的旋转角度重复所描述的方法，因此产生n＝1至N的不同投影

对每个投影

计算散射辐射校正因子F_n＝f_n和校正的衰减值A_n(x，y)。可通过评估单元18从所校正衰减值A_n(x，y)计算对象2的三维图像。

在根据本发明的第二方法中，执行更高次方的散射辐射减小。假设散射辐射分布不均匀，但是根据待检测对象2的几何形状局部不均匀分布。可通过所谓的蒙特卡罗计算确定作为待检测对象2的几何形状函数的更高次方相对散射辐射分布。此种类型的相对散射辐射分布称为蒙特卡罗散射辐射分布。基于更高次方的散射辐射分布，散射辐射校正因子F(x，y)对每个像素P(x，y)产生：

F_n(x，y)＝f_n·M_n(x，y)          (9)

Mn(x，y)为0和1之间的无量纲因子并且描述了像素P(x，y)中n＝1至N的投影

的相对散射辐射分布。图4通过蒙特卡罗分布M(x，y为常数)描述了更高次方的散射辐射减小。根据蒙特卡罗分布M(x，y为常数)散射辐射6c的强度I_s(x，y为常数)沿x方向不均匀分布。

根据本发明的用于通过X射线计算机断层成像检测对象的X射线计算机断层成像装置和方法例如在无损材料测试中改进了图像质量，这是因为进行了对散射辐射背景的独立剂量测定评估。在该评估中，零次方散射辐射分布和更高次方散射辐射分布可看作是起点。

根据未衰减初级X射线辐射6a的测量第一强度和由未衰减初级X射线辐射6a的强度和次级X射线辐射6c的强度组成的第二强度，计算散射辐射校正因子F，借助其可对每个像素P(x，y)计算校正衰减值A(x，y)，其中基本消除了散射辐射6c的影响。根据下面的方程对对应方程(7)、(8)和(9)的每个单独投影S计算校正的衰减值A(x，y)：

$A(x,y)=-\ln [\frac{g(x,y)}{k\·I_0}+1-F]---\left(10\right)$

如果假设零次方的散射辐射分布，则方程(10)中的散射辐射校正因子F对应测量的超高因子f，其从第二强度I₁和第一强度I₀的商获得。

$F=f=\frac{I_1}{I_0}---\left(11\right)$

因为假设散射辐射6c作为X射线检测器4上的恒定而均匀的背景出现，所以散射辐射校正因子F对所有的像素P(x，y)都恒定。

如果假设较高次方的散射辐射分布，则方程(10)中的散射辐射校正因子F(x，y)作为所测量的超高因子f和所假设的蒙特卡罗散射辐射分布M(x，y)的乘积而获得：

$F(x,y)=f\·M(x,y)=\frac{I_1}{I_0}\·M(x,y)---\left(12\right)$

因为所述假设，散射辐射校正因子F(x，y)不恒定且根据蒙特卡罗散射辐射分布M(x，y)在像素P(x，y)上不均匀分布。

通过所校正的衰减值A(x，y)可借助已知的再现算法获得图像质量改进的X射线图像。

散射辐射校正因子F或者超高因子f为进行散射辐射校正的值，这些值不一定为严格数学意义上的因子。

Claims (15)

1.一种用于通过X射线计算机断层成像检测对象的X射线计算机断层成像装置，包括

-X射线源(3)，用于产生X射线辐射(6)，

-X射线检测器(4)，用于检测X射线辐射(6)，

-对象载体(5)，用于将待检测对象(2)设置在所述X射线源(3)和所述X射线检测器(4)之间，以及

-评估单元(18)，用于评估所检测的X射线辐射(6)，

其特征在于

-第一强度测量装置(13)，其用于测量所述X射线辐射(6)的第一强度(I₀)，并被设置在所述X射线源(3)和所述对象载体(5)之间，

-第二强度测量装置(15)，其用于测量所述X射线辐射(6)的第二强度(I₁)，并在所述对象载体(5)和所述X射线检测器(4)之间被设置所述对象(2)的投影区域(10)之外，

-所述强度测量装置(13，15)连至所述评估单元(18)以传送所测量的强度(I₀，I₁)，以及

-所述评估单元(18)被配置为使得根据所测量强度(I₀，I₁)能够计算至少一个散射辐射校正因子(F)。

2.根据权利要求1的X射线计算机断层成像装置，其特征在于，第一间隔(A₁)与第二间隔(A₂)的比率小于1/2、特别是小于1/4以及特别是小于1/8，其中，所述第一间隔(A₁)被定义为所述第一强度测量装置(13)和X射线源(3)之间的最短轴向距离，所述第二间隔(A₂)被定义为所述第一强度测量装置(13)和所述对象载体(5)之间的最短轴向距离。

3.根据权利要求1或2的X射线计算机断层成像装置，其特征在于，所述第一强度测量装置(13)被设置在所述对象(2)的辐射区域(9)之外。

4.根据权利要求1至3中任一项的X射线计算机断层成像装置，其特征在于，第三间隔(A₃)与第四间隔(A₄)的比率小于1/2、特别是小于1/4以及特别是小于1/8，其中，所述第三间隔(A₃)被定义为所述第二强度测量装置(15)和所述X射线检测器(4)之间的最短轴向距离，所述第四间隔(A₄)被定义为所述第二强度测量装置(15)和所述对象载体(5)之间的最短轴向距离。

5.根据权利要求1至4中任一项的X射线计算机断层成像装置，其特征在于，所述强度测量装置(13，15)被配置为电子剂量计。

6.根据权利要求1至5中任一项的X射线计算机断层成像装置，其特征在于，所述强度测量装置(13，15)构造相同。

7.根据权利要求1至6中任一项的X射线计算机断层成像装置，其特征在于，所述第一强度测量装置(13)被设置为将未衰减初级X射线辐射(6a)的强度测量为第一强度(I₀)，而所述第二强度测量装置(15)被设置为使得将由未衰减初级X射线辐射(6a)的强度和次级X射线辐射(6c)的强度组成的强度测量为第二强度(I₁)。

8.根据权利要求1至7中任一项的X射线计算机断层成像装置，其特征在于，所述强度测量装置(13，15)被设置在测量区域(11)内，其中所述初级未衰减X射线辐射(6a)从所述X射线源(3)到达所述X射线检测器(4)上，而不撞击所述待检测的对象(2)。

9.根据权利要求1至8中任一项的X射线计算机断层成像装置，其特征在于，所述评估单元(18)被设置为使得对于X射线检测器(4)的每个像素P(x，y)能够根据下面的方程计算校正的衰减值

$A(x,y)=-\ln [\frac{g(x,y)}{k\·I_0}+1-F]$

其中

A(x，y)为像素P(x，y)的校正衰减值，

g(x，y)为像素P(x，y)的测量灰度值，

k·I₀为能够在预备步骤中确定的常数，以及

F为散射辐射校正因子。

10.一种通过X射线计算机断层成像检测对象的方法，包括如下步骤：

-将待检测对象(2)设置在X射线源(3)和X射线检测器(4)之间，

-以X射线辐射(6)辐照所述对象(2)，

-检测所述X射线辐射(6)，以及

-通过评估单元(18)评估所检测的X射线辐射(6)，

其特征在于

-在辐照对象(2)期间，测量在所述X射线源(3)和所述对象(2)之间的X射线辐射(6)的第一强度(I₀)，

-在辐照对象(2)期间，测量在所述对象(2)和所述X射线检测器(4)之间位于所述对象(2)的投影区域(10)之外的X射线辐射(6)的第二强度(I₁)，以及

-在评估期间，根据所测量的强度(I₀，I₁)计算至少一个散射辐射校正因子(F)，以及以所述至少一个散射辐射校正因子(F)校正所检测的X射线辐射(6)。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于同时测量强度(I₀，I₁)。

12.根据权利要求10或11的方法，其特征在于在所述对象(2)的辐射区域(9)之外测量所述第一强度(I₀)。

13.根据权利要求10至12中任一项的方法，其特征在于，将所述对象(2)的至少一个蒙特卡罗散射辐射分布(M)存储在所述评估单元(18)中，并根据其计算所述至少一个散射辐射校正因子(F)。

14.根据权利要求10至13中任一项的方法，其特征在于，从多个投影方向

辐照所述对象(2)，以及对每个投影方向

计算至少一个散射辐射校正因子(F)。

15.根据权利要求10至14中任一项的方法，其特征在于，将未衰减初级X射线辐射(6a)的强度测量为第一强度(I₀)，而将由未衰减初级X射线辐射(6a)的强度和次级X射线辐射(6c)的强度组成的强度测量为第二强度(I₁)。

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