CN103767726A - 一种快速超分辨率x射线荧光ct成像及重构系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统及方法，其采用源模块、成像模块、处理模块以及移动控制平台组成的成像系统探测样本内部所含高原子序数纳米粒子的浓度及分布；成像模块中后准直器阵列与X射线平板探测器相结合，每个微准直器与样本中特定区域内的纳米粒子相对应，一次成像即可获得样本内部纳米粒子的浓度及分布情况；并基于平板探测器与微准直器在位置以及分辨率方面的关系，进一步微调微准直器阵列的位置后再次成像，多次重复，通过方程求解以实现类似图像插值的结果，提高图像重构质量。

Description

一种快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统及方法

技术领域

本发明属于X射线荧光CT成像领域，具体涉及一种利用X射线源激发样本内部特定的纳米粒子，对激发后所产生的特征X射线荧光进行快速采集以及利用简便方法对纳米粒子的浓度及分布情况进行超分辨率重建的方法。

背景技术

X射线荧光CT(X-rayFluorescenceComputedTomography:XFCT)是X射线荧光分析法与CT的有机结合，它利用入射X射线激发样本内部待测高原子序数元素发出荧光，通过对出射荧光的探测，结合特定的重建方法，不仅能够辨别所测元素种类，同时准确重构待测元素的空间分布和浓度。然而，限于普通X射线源的焦点尺寸、射线通量、能谱特性以及与物质作用时Compton散射所造成的影响，同时采取平移——旋转的一代扫描方式，为获得较高质量的成像效果，XFCT的扫描时间通常达到数小时量级，射线剂量率约为3.4mGy/min，导致活体成像不可行。进而，现有探测器对出射荧光、干扰射线及散射X射线一并接受，并未从能谱上加以区分，亦降低了信噪比，导致空间分辨率与浓度分辨率较低，无法达到精确定量分析。即传统方法存在的问题是：为测量样本内纳米粒子的分布与浓度，传统X射线荧光CT需通过多次平移和旋转的方法采集不同角度，不同位置条件下所激发的特征荧光X射线，从而实现对样本的完备重构。此类方法虽精度较高，但采集时间长，样本受X射线照射时间久，辐射剂量大。

因此，如何设计一种X射线荧光CT的快速成像方法，在降低成像时间的同时保持或提高成像分辨率，成为本发明关注的问题。

发明内容

本发明的目的在于设计一种X射线荧光CT的快速成像及重构系统及方法，通过多次低分辨率成像，达到间接实现CT图像的超分辨率重建。

本发明的目的通过以下手段实现：

一种快速X射线荧光CT成像及重构系统，它包括源模块、成像模块、处理模块以及移动控制平台。其中X射线源，滤波器，前准直器构成源模块；后准直器与平板探测器构成成像模块；高性能计算机构成处理模块；含纳米粒子的待测样本放于放置于源模块与成像模块之间。X射线源所产生的X射线经滤波器滤波，前准直器准之后入射待测样本，与待测样本中的纳米粒子发生作用，激发后者释放特征荧光X射线，荧光X射线经后准直器准之后被平板探测器探测后形成数据流，传输至高性能计算机进行处理和重构。

所述源模块中，X射线源所产生X射线能谱主要位于20keV～120keV之间。

所述滤波器是由不同厚度的铅片、锡箔、铜片组合而成，负责将X射线中的低能部分滤除；基于不同的纳米粒子，需选择不同的组合，以避免高于特征激发能的X射线被滤除。具体地，滤波器是一片厚度为1.35mm的锡箔，用于滤除能量低于50keV的X射线，抑制Compton散射效应。

所述前准直器紧贴滤波器放置，是一铅制矩形框，用于限制X射线的范围，使其成为较薄的扇形射线束。

所述成像模块中，后准直器由若干微准直器拼接而成，形成阵列，每个微准直器是一个铅制正方形框，拼接后的后准直器同样是一个正方形区域。后准直镜与平板探测器的法向面相接。透过每一个微准直器的特征荧光X射线被其后对应区域内的平板探测器所探测，并依据荧光X射线的光子数和能量进行区分。

所述X射线平板探测器能够区分所探测X射线的能量，并能依据入射X射线能谱范围调节能量敏感窗口大小，以保证特征荧光X射线与Compton散射X射线、背景噪声等尽可能区分，提高所采集信号的信噪比。

所述移动控制平台是一套通过计算机、运动控制机构实现对样品和后准直器阵列、平板探测器精密移动进行控制的平台，其与样品台（放置样品的平台）以及后准直器阵列、平板探测器相连。

快速X射线荧光CT成像系统各部分之间的相对位置关系如图1所示。其中，为避免透射X射线与Compton散射的影响，平板探测器位于待测样本的正上方，其法向面垂直于扇束X射线面。

快速成像系统工作时，X射线源释放出X射线，经低通滤波器滤波，前准直器准之后，形成一扇束X射线，照射于待测样本上。待测样本内部所含纳米粒子受到X射线照射后，释放出特征荧光X射线，该射线以受激发点为球心向四周均匀传播，向样本正上方传播的荧光X射线经后准直器阵列准之后被平板探测器所探测。由于平板探测器与后准直器阵列相连，因此平板探测器被分成若干个小区域，每个小区域对应输出图像中的一个像素；譬如平板探测器有效探测面积为S×Smm²，后准直器阵列为N×N个，则每个准直器所对应的探测面积为(S/N)²mm，探测器的输出为N×N的图像。

所述快速成像关键在于：与传统基于扫描——平移方式进行采集的X射线荧光CT所不同的是，传统CT需对样本进行360°旋转扫描，每个角度X射线源必需平移以覆盖整个样本，如此方能获取完备重建所需要的数据。虽成像质量有所提高，但整体成像时间却大幅增加。本设计无需进行平移旋转：X射线源出射X射线经过准直后形成扇束，该扇束穿过整个样本平面，与该平面内所有的纳米粒子发生作用并激发产生特征荧光X射线。沿样本正上方传播的特征荧光X射线在穿过样本后被平板探测器所探测。由于平板探测器前方有微型准直器阵列，且探测器、后准直器均与样本垂直，位于其正上方，因此进入每个微准直器的特征荧光X射线恰好与样本内部纳米粒子的分布相对应，即穿过某个微型准直器的特征荧光X射线，其来自于对应于该方向上的纳米粒子。换言之，每一个微型准直器都于样本内特定平面的相应区域对应，而穿过该微型准直器的特征荧光X射线的强度则与该区域内纳米粒子的浓度直接相关。因此，利用平板探测器对特征荧光X射线探测后，记录所形成的图像就恰好反应了样本内特定平面内纳米粒子的分布，而每个像素则对应于该区域内纳米粒子的平均浓度。所以，通过本设计，只需一次成像便能够得到样本内某个断面的纳米粒子的分布与浓度情况，无需再进行平移—旋转操作，从而大大节省成像时间，实现快速成像。

所述超分辨率成像，其关键在于：由于平板探测器前端安装了微型准直器阵列，受制作工艺的限制，微型准直器阵列尺寸无法做到很小，导致平板探测器实际分辨率降低。为弥补这一缺陷，本设计利用探测器与后准直器相对位置之间的关系，通过微调平板探测器的位置，改变平板探测器与准直器阵列之间的相对位置关系，基于多次成像的方法，虽然每次成像的分辨率相同，但各次成像之间的位置关系确定，信息相互补充，借助特定算法有效改善成像图像质量，提升系统分辨率，实现高质量的重构。超分辨率成像工作流程如图3所示。

利用上述系统进行快速X射线荧光CT成像及重构的方法步骤如下：

1)将样本放置于源模块与成像模块之间，将成像模块与处理模块连接，将控制平台与样品以及成像模块的后准直器阵列、平板探测器相连；其中源模块内部部件保持中心线重合，样本与成像模块保持中心线重合，且样本位于成像模块的正下方。

2)启动源模块，使X射线源所发出的X射线经滤波器滤波、前准直器准直后形成扇形束，该扇形束面与样本的中心线垂直，并直接穿过整个样品，与样本内部的纳米粒子相互作用，释放出特征荧光X射线。

3)沿样本正上方传播的特征荧光X射线在穿过样本后，被后准直器阵列所准直，并与被X射线平板探测器所探测，探测器每个探测单元的输出与进入该单元的X射线数目成正比。

4)探测器依据入射X射线能量的不同，按所属能量区域分别进行记录，设探测器所能探测的X射线能谱范围为E₁～E₂(keV)，有P×P个探测单元，能谱细分为K段，每段能谱间隔为相应会产生K幅P×P大小的图像数据I_k(m,n);

设所探测的特征荧光X射线能量为E_F(keV)，位于第Q个能量段，即(Q-1)ΔE≤E_F≤E_F+QΔE，平板探测器以第Q幅图像数据I_Q(m,n)作为最终输出图像。

5）超分辨率重构：基于平板探测器与微准直器在位置以及分辨率方面的关系，利用移动控制平台微调平板探测器的位置，后再次成像，多次重复，然后通过方程组求解，具体地：设微准直器的尺寸为L_s(mm)×L_s(mm),平板探测器探测单元尺寸为R(mm)×R(mm)，单元个数为P×P，L_s≤R，则微型准直器阵列沿先行后列方向移动T²-1次，移动的步长恰好为像元的边长，每移动一次后成一次像，设每次成像后输出图像为：

其中T=floor(R/L_s)

重构高分辨率图像为：

通过下式可进行重构：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\mathrm{Rec}}(m+i,n+j)=I^1(m,n)\\ \underset{i=1}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{j=0}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\mathrm{Rec}}(m+i,n+j)=I^2(m,n)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ \underset{i=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\mathrm{Rec}}(m+i,n+j)=I^T(m,n)\end{array}\right.$

对上述方程组进行求解，所得I^Rec(m,n)，1≤m,n≤P即为高分辨率重构图像。

本发明的有益效果如下：

本发明采用平板X射线探测器，配合微准直器阵列，利用单次成像即可实现对纳米粒子分布及浓度的重构，成像时间大幅降低。进而，借助精密移动平台调整平板探测器与微型准直器阵列之间的相对位置，进行多次成像后利用特定算法改善系统成像分辨率。从而实现在缩短成像时间，降低辐射剂量的同时，达到保持或提升系统成像分辨率的效果。

附图说明

图1为快速X射线荧光CT成像结构框图；

图2为超分辨成像后准直镜移动路线图；

图3为超分辨率成像工作流程；

图4为纳米金粒子分布重构结果图。

具体实施方式

下面通过实例进一步阐述本发明，但并不因此将本发明限制在所描述的实施范例之内。

实施例1：本发明以包含纳米金粒子(Gold Nanoparticles)的样本为例进行说明。其中X射线源采用GE公司生产的ISOVOLT Titan E系列射线源，其工作电压及电流为160kVp and19mA，焦点尺寸为10×10mm。滤波器采用1.35mm厚的锡箔；前准直器是一个1mm×20mm的铅制矩形框；所用样本是一个利用PNNA制成的直径为64mm、高度为100mm的透明柱状物，在柱状物内部放置40根大小不一的微型试管，将包含不同浓度纳米金粒子的造影剂分别注射入不同的试管内。样本内部纳米金粒子的浓度及分布如图3所示。

平板探测器采用长宽为32mm×32mm、像素大小为0.25mm²、像素个数为64×64=4096的能量细分平板探测器。后准直镜阵列由32×32=1024个微准直器构成，每个微准直器的尺寸为1mm×1mm。显然，平板探测器上4个像素对应于一个微准直器，其所探测的也就是该准直器方向上的特征荧光X射线。由于准直器的尺寸限制了实际的分辨率，因此，平板探测器的实际分辨率为1mm×1mm，输出的图像大小为32×32。

各部件之间的位置关系如图1所示，X射线源1位于最左边，前准直器3紧贴滤波2放置，它们位于X射线源1的出射光路上，样本6位于源模块与成像模块之间，样本6中心距离X射线源1的距离20cm，样本6位于平板探测器5的正下方，顶端距离平板探测器10cm。样本放置于一个可上下移动的样本台（未画出）上，由移动控制平台控制样本台其升降的距离，实现对样本多断面的成像。

各部件准备工作就绪后，即可开始测量。此时，X射线源1发出X射线，经滤波器2滤除低能区射线后，经前准直器3准直后成为厚度为1mm的扇形束输出。该扇形束X射线与样本6成垂直关系，其与样本内部该扇形束X射线所在平面上的纳米金粒子直接发生作用，并产生特征荧光X射线。该荧光X射线经后准直器阵列4准直后被平板探测器5探测得到，输出纳米粒子浓度及分布图R₁，如图4所示。

由于后准直器阵列的微型准直器尺寸是平板探测器像元的4倍，为进一步提高成像分辨率，可利用移动控制平台微调平板探测器的位置，移动的步长恰好为像元的边长(0.5mm)，尔后再次成像。位置微调的顺序如图2所示，即按先完成一行，再转入下一行的顺序进行。如此3次微调后可得到3幅不同位置的重构图像(R₂，R₃，R₄)，利用R₁～R₄这4幅图像便可实现超分辨率的重建。

具体实现流程为：

1.调整平板探测器位置，直至平板探测器中心与待测样本中心在一条直线上，设此时为位置1；

2.启动成像系统，对样本进行1分钟时间的照射，平板探测器感光后成像输出图像；

3.对平板探测器沿Y轴正方向移动0.5mm，Z方向位置不变，设此时为位置2；重复步骤2，输出图像；

4.对平板探测器沿Z轴正方向移动0.5mm，Y方向位置不变，设此时为位置3；重复步骤2，输出图像；

5.对平板探测器沿Y轴负方向移动0.5mm，Z方向位置不变，设此时为位置4；重复步骤2，输出图像；

6.设待重建的高分辨率图像为，其中M＝64，N＝64，可通过(1)式对I中各元素进行求解；对于边界情况，利用(2)式进行处理。重构图如图4所示。

$\left\{\begin{array}{c}I(m,n)+I(m,n+1)+I(m+1,n)+I(m+1,n+1)=R_1(m,n),1\≤m\≤M-\mathrm{1,1}\≤n\≤N-1\\ I(m,n)+I(m,n+1)+I(m+1,n)+I(m+1,n+1)=R_2(m,n),1\≤m\≤M-\mathrm{1,2}\≤n\≤N\\ I(m,n)+I(m,n+1)+I(m+1,n)+I(m+1,n+1)=R_3(m,n),2\≤m\≤M,1\≤n\≤N-1\\ I(m,n)+I(m,n+1)+I(m+1,n)+I(m+1,n+1)=R_4(m,n),2\≤m\≤M,2\≤n\≤N\end{array}\right.---\left(1\right)$

I(M+1,n)＝0;I(m,N+1)＝0;m＝1,2,…,M+1,n＝1,2,…,N+1   (2)。

另外，本系统在多次成像时，源模块、样本、平板探测器位置均不变，仅通过移动控制平台对微准直器阵列的位置进行移动，且每次移动距离小于单个微准直器的尺寸，总移动距离亦小于微准直器的尺寸。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (7)

1.一种快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于：所述系统包括源模块、成像模块、处理模块以及移动控制平台；源模块与成像模块之间为放置待测样本的位置；

所述源模块由X射线源、滤波器和前准直器组成，X射线源产生的X射线经滤波器滤波、前准直器准直后入射到待测样本，与待测样本中的纳米粒子发生作用，激发后者释放特征荧光X射线；

所述成像模块由后准直器与X射线平板探测器构成，荧光X射线经后准直器准直之后被平板探测器探测后形成数据流，传输至高性能计算机进行处理和超分辨率重构；所述后准直器由多个微准直器组成阵列，并与平板探测器级联在一起；所述平板探测器、后准直器均与样本垂直，位于样本正上方，进入每个微准直器的特征荧光X射线恰好与样本内部纳米粒子的分布相对应；

所述处理模块采用高性能计算机，对所述数据流进行处理和超分辨率重构；

所述移动控制平台是一套通过计算机、运动控制机构实现对样品和后准直器、平板探测器精密移动进行控制的平台，其与样品台以及后准直器、平板探测器相连。

2.根据权利要求1所述的快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于：所述源模块的X射线源为普通X射线源，其发出的X射线能谱范围在20～140keV，电源电压可调。

3.根据权利要求1所述的快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于：所述滤波器是一片厚度为1.35mm的锡箔，用于滤除能量低于50keV的X射线，抑制Compton散射效应。

4.根据权利要求1所述的快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于：所述前准直器是宽为L(mm)、高为H(mm)的铅制矩形框，前准直器紧贴滤波器放置，将X射线约束成为宽L、高H的平行束或扇束，通常L＞H。

5.根据权利要求1所述的快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于：每个微准直器尺寸为L_s(mm)×L_s(mm),则

个微准直器拼接在一起对应平板探测器的R²(mm²)区域，此时，平板探测器的实际分辨率是每个微准直器的尺寸，即

6.利用根据权利要求1-5所述的系统进行快速X射线荧光CT成像及重构的方法，其步骤如下：

1)将样本放置于源模块与成像模块之间，将成像模块与处理模块连接，将控制平台与样品以及成像模块的后准直器阵列、平板探测器相连；其中源模块内部部件保持中心线重合，样本与成像模块保持中心线重合，且样本位于成像模块的正下方；

2)启动源模块，使X射线源所发出的X射线经滤波器滤波、前准直器准直后形成扇形束，该扇形束面与样本的中心线垂直，并直接穿过整个样品，与样本内部的纳米粒子相互作用，释放出特征荧光X射线；

3)沿样本正上方传播的特征荧光X射线在穿过样本后，被后准直器阵列所准直，并与被X射线平板探测器所探测，探测器每个探测单元的输出与进入该单元的X射线数目成正比；

4)探测器依据入射X射线能量的不同，按所属能量区域分别进行记录，设探测器所能探测的X射线能谱范围为E₁～E₂(keV),有P×P个探测单元，能谱细分为K段，每段能谱间隔为

相应会产生K幅P×P大小的图像数据I_k(m，n)：

设所探测的特征荧光X射线能量为E_F(keV)，位于第Q个能量段，即(Q-1)ΔE≤E_F≤E_F+QΔE，平板探测器以第Q幅图像数据I_Q(m,n)作为最终输出图像；

5）超分辨率重构：基于平板探测器与微准直器在位置以及分辨率方面的关系，利用移动控制平台微调平板探测器的位置，后再次成像，多次重复，然后通过方程组求解，具体地：设微准直器的尺寸为L_s(mm)×L_s(mm)，平板探测器探测单元尺寸为R(mm)×R(mm)，单元个数为P×P，L_s＜R，则微型准直器阵列沿先行后列方向移动T²-1次，移动的步长恰好为像元的边长，每移动一次后成一次像，设每次成像后输出图像为：

其中T=floor(R/L_s)

重构高分辨率图像为：

通过下式可进行重构：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\mathrm{Rec}}(m+i,n+j)=I^1(m,n)\\ \underset{i=1}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{j=0}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\mathrm{Rec}}(m+i,n+j)=I^2(m,n)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ \underset{i=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\mathrm{Rec}}(m+i,n+j)=I^T(m,n)\end{array}\right.$

对上述方程组进行求解，所得I^Rec(m，n)，1≤m,n≤P即为高分辨率重构图像。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：多次成像时，源模块、样本、平板探测器位置均不变，仅通过移动控制平台对微准直器阵列的位置进行移动，且每次移动距离小于单个微准直器的尺寸，总移动距离亦小于微准直器的尺寸。

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