CN104237278A - 基于同步辐射的快速三维荧光ct系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，包括承载样品的样品台、光谱采集装置以及数据处理器，光谱采集装置包括一用于调制入射同步辐射单色光的光斑尺寸的狭缝组合装置，调制后的单色光照射到样品上以使样品受激发射X射线荧光信号；若干平行于同步辐射单色光的光路、并等间距地环绕样品设置的具有多个针孔的钨板准直器；以及若干与钨板准直器一一位置对应地设置在钨板准直器外围的XIS采集器，以用于采集穿过对应的钨板准直器的X射线荧光信号，并得到X射线荧光谱以供数据处理器重构出样品的元素三维分布图像。本发明提高了三维X射线荧光CT数据的采集速度，从而实现样品元素空间分布的快速三维重建。

Description

基于同步辐射的快速三维荧光CT系统及方法

技术领域

本发明涉及X射线荧光成像技术，尤其涉及一种基于同步辐射的快速三维荧光CT系统及方法。

背景技术

X射线荧光计算机断层成像(X-Ray Fluorescence Computed Tomography，XFCT)方法的思想是由Biosseau于1986年首次提出的，是X射线荧光分析与计算机断层层析技术相结合的技术，其通过对穿透路径样品内的元素受激发射的特征X射线进行采集，并借助计算机重建技术获得元素的空间分布。该方法具有多元素同时分析、无损检测等优势，被广泛应用于生物医学、环境科学、考古、材料科学等领域。

传统的X射线荧光CT系统如图1所示，主要包括单色器2’、微束聚焦装置3’、两个电离室4’、样品台5’、CCD(电荷耦合电路)探测器6’、荧光探测器9’和数据处理系统10’、11’。

上述系统的工作原理如下：首先，同步辐射光1经双晶单色器2’单色化形成同步辐射单色光13’，再经过微束聚焦装置3’形成为单色微束光14’，单色微束光14’照射到样品5’上，使得样品5’中的元素的K层电子被激发，各向同性地发射特征X射线(即X射线荧光)，X射线在垂直光路方向上被荧光探测器9’收集；然后，通过使样品台重复平移(平移方向如图1中的箭头8’所示，即垂直于光路的方向)和转动(转动方向如图1中的箭头7’所示，即，垂直于光路方向和平移方向的轴转动的方向)得到一系列荧光能谱10’，其中，每转动一个角度进行一次完整的平移，直至完成180度扫描；最后，对荧光能谱进行解析，并将解析得到的投影数据输入计算机11’进行软件重构，得到样品断面的二维元素分布图12’。其中，CCD探测器6’用来调整样品5’在视野中的位置，以选择感兴趣的区域。

由于传统的X射线荧光CT系统采用单色微束光14’照射样品5’，采用平动—转动的点扫描光谱采集模式，因而获得一套二维实验数据需要花费很长时间，如果需要获得三维数据则需花更长的时间。为了提高X射线荧光数据的采集速度，本领域已经采用了如薄束光源、阵列荧光探测器等使得采集速度有了一定的提高，但是，获得一套三维荧光CT数据仍需要很长时间。NaokiSunaguchi等人提出了一种具有单针孔准直器的三维荧光CT成像系统，详细说明参考文献Sunaguchi N,Yuasa T,Hyodo K,et al.Fluorescent x-raycomputed tomography using the pinhole effect for biomedical applications[J].Optics Communications,2013,297:210-214，在该系统中，样品无需平动，但是仍需完成180度的转动而获取完整的投影数据，由于单针孔约束了荧光信号到达探测器平面的通量，使得单幅荧光能谱获取时间较长，因而限制了该方法的应用。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明一方面提供一种基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，以提高三维X射线荧光CT数据的采集速度，从而实现样品内元素空间分布的快速三维重建。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，包括一承载样品的样品台、一光谱采集装置以及一数据处理器，所述光谱采集装置包括：

一用于调制入射的同步辐射单色光的光斑尺寸的狭缝组合装置，其中，经过调制的所述单色光的光斑尺寸大于所述样品的尺寸，调制后的所述单色光照射到所述样品上以使所述样品受激发射X射线荧光信号；

若干平行于所述同步辐射单色光的光路、并等间距地环绕所述样品设置的具有多个针孔的钨板准直器；以及

若干分别与所述钨板准直器一一位置对应地设置在所述钨板准直器外围的XIS采集器，以用于采集穿过对应的所述钨板准直器的X射线荧光信号，并得到X射线荧光谱以供所述数据处理器重构出所述样品的元素三维分布图像。

进一步地，所述数据处理器包括：

一信号连接至所述XIS采集器并用于解析所述X射线荧光谱以得到X射线荧光投影数据的解析模块；以及

一信号连接至所述解析模块并根据所述X射线荧光投影数据重构出所述样品的所述元素三维分布图像的图像重构模块。

优选地，该系统包括一垂直于所述同步辐射单色光的光路设置的CCD探测器。

前述一种基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，所述钨板准直器上的多个所述针孔呈阵列形式布置。

优选地，所述针孔的孔径范围为100～500um。

优选地，相邻两个所述针孔之间的间距为6mm～10mm。

优选地，所述样品台采用有机玻璃制成。

本发明另一方面提供一种基于同步辐射的快速三维荧光CT方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，提供根据权利要求1所述的基于同步辐射的快速三维荧光CT系统；

步骤S2，利用所述狭缝组合装置调制入射的同步辐射单色光的光斑尺寸，调制后的所述单色光照射样品，以使所述样品受激发射X射线荧光信号；以及

步骤S3，利用所述XIS探测器采集穿过对应的钨板准直器的X射线荧光信号，并得到X射线荧光谱以供所述数据处理器重构出所述样品的元素三维分布图像。

进一步地，该方法还包括：

步骤S4，利用所述数据处理器对所述X射线荧光谱进行解析以得到X射线荧光投影数据；以及

步骤S5，根据所述X射线荧光投影数据重构出所述样品的所述元素三维分布图像。

通过采用上述技术方案，本发明具有如下优点：采用大光斑照射样品，无需对光斑进行聚焦约束，减少了实验设备；样品无需平移和转动，降低了对样品台精确度的要求，而且消除了样品在旋转过程中旋转中心偏移的影响；最重要的是，在荧光探测光路上设置了含有多个针孔的钨板准直器，样品激发的X射线荧光信号只有通过钨板准直器上的针孔才能到达XIS探测器，与现有技术中采用的荧光探测器相比，本发明采用的XIS探测器不仅具有能量分辨能力而且具有位置分辨能力，类似于小针孔成像原理，其作为成像平面，得到的是样品某一个角度方向上全部荧光信息的总和；同时，在其它角度方向安装有同样的XIS探测器用来采集不同方向的荧光投影数据，以保证360度方向内都可以采集荧光信号。可见，本发明的多路XIS探测器同时工作，只需进行一次光谱采集而无需平动、转动样品便可获得不同方向的投影数据，相比于传统的荧光CT采集模式，采集时间可以减少数十倍以上，从而大大提高了光谱采集速度。另外，重构获得的元素的三维分布图像的空间分辨率由针孔的孔径所决定，对入射光斑没有要求。

附图说明

结合附图对本发明进行详细的描述，使本发明的特征和优点更容易被理解，其中，

图1是传统X射线荧光CT系统的结构示意图；

图2是本发明的基于同步辐射的快速三维荧光CT系统的立体结构示意图，其中，未示出样品台；

图3是本发明中的样品台的结构示意图；

图4是图2中的光谱采集装置的侧视图；

图5是本发明的快速三维荧光CT系统的电路连接框图；

图6是本发明中的钨板准直器的一个实施例的结构示意图；以及

图7是本发明的具有单针孔的荧光CT成像原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

结合图2-6，本发明的基于同步辐射的快速三维荧光CT系统包括一承载样品20的样品台2、一光谱采集装置、一数据处理器和一CCD探测器5。其中，样品台2如图3所示，由有机玻璃制成并与一步进电机8相连；光谱采集装置如图4所示，包括六个具有多个针孔31的钨板准直器3和六个X射线成像谱仪(X-ray Imaging Spectrometer，XIS)探测器4；数据处理器如图5所示，包括相连的一解析模块6和一图像重构模块7。

下面对各个部件进行详细说明：

狭缝组合装置1用于调制入射的同步辐射单色光10的光斑尺寸，调制后的单色光10照射到样品20上以使样品20受激发射X射线荧光信号，其中，单色光10的光斑尺寸大于样品20的尺寸；样品台2由采用有机玻璃制成以防止对单色光10的吸收，步进电机8可以带动样品台2完成x、y和z三个方向的平动和一个方向的转动；六个钨板准直器3平行于同步辐射单色光10的光路方向、并等间距地环绕样品20设置；同时具有能量分辨和位置分辨能力的六个XIS探测器4同样平行于同步辐射单色光10的光路方向、并等间距地环绕样品20设置，其中，XIS采集器4一一位置对应地设置在钨板准直器3外围，以用于采集穿过对应的钨板准直器3的X射线荧光信号，并得到X射线荧光谱；解析模块6用于解析X射线荧光谱以得到X射线荧光投影数据；图像重构模块7用于根据X射线荧光投影数据重构出样品20的元素三维分布图像；CCD探测器5垂直于同步辐射单色光10的光路设置，用于对样品20直接透射成像，因此通过CCD探测器5可以直接读取到样品20在光斑中的位置，从而可以选择对样品20感兴趣的扫描区域。

优选地，钨板准直器3上的针孔31呈阵列形式排布，其中，相邻两个针孔31之间的间距为6～10mm，且各针孔31的孔径范围为100～500um，需要注意的是孔径越小，探测灵敏度越差；此外，样品20的中心位置与钨板准直器3之间的垂直距离优选约为50mm；钨板准直器3与XIS探测器4之间的垂直距离同样优选约为50mm。图6示出了钨板准直器3的一个实施例，在该实施例中，钨板准直器3的尺寸约为20×20cm，厚度约为500um，其上开设有9个孔径为100um的针孔31，这些针孔31的排列方式为3×3的矩阵，相邻两个针孔31之间的间距为6mm。针孔31在此起到的作用是控制X射线荧光信号的穿过路径和穿过方向，实现小孔成像。重构出的元素三维分布图的分辨率即由针孔31的孔径决定。

上述系统实现快速三维荧光CT成像的方法如下：首先，利用狭缝组合装置1调制入射的同步辐射单色光10的光斑尺寸，调制后的单色光10照射样品20，以使样品20被激发射X射线荧光信号；其次，利用XIS探测器4采集穿过相应的钨板准直器3的X射线荧光信号，并得到不同方向的X射线荧光谱，其中，X射线荧光谱是指样品20受激发射的X射线荧光信号在某一方向的积分值；然后，利用解析模块6解析X射线荧光谱以得到不同方向的X射线荧光投影数据，其中，X射线荧光投影数据是指各路XIS探测器4采集的对应不同方向的某种元素的荧光信号强度；最后，利用图像重构模块7根据X射线荧光投影数据重构出样品20的某种元素三维分布图像，其中，重建过程可采用现有的有序子集-期望最大化算法(OSEM)实现，OSEM算法重建公式为：

$C^{l+1}\left(i\right)=\frac{C^l\left(i\right)}{\underset{j\∈S_l}{\mathrm{\Σ}}K(i,j)}\underset{j\∈S_l}{\mathrm{\Σ}}K(i,j)\frac{I\left(j\right)}{p^l\left(j\right)}---\left(1\right)$

$P^l\left(j\right)=\underset{i,j\∈S_l}{\mathrm{\Σ}}K(i,j)C^l\left(i\right)---\left(2\right)$

在式(1)和(2)中，S₁,S₂,...,S_L代表L个有序子集，C^l(i)和C^l+1(i)分别为第l个子集迭代前后的第i个像素的像素值，K(i,j)表示第i个像素的浓度C(i)对第j个投影值I(j)的贡献，P^l(j)表示一次迭代中子集S_l对应的投影值期望。

上述算法的具体重建步骤如下：

(1)初始化欲重建图像C^l(i)，令迭代次数k＝0，k＝k+1。

(2)重复以下步骤直到迭代结束：

(a)C⁰(i)＝C^k(i)；

(b)将测量得到的投影值划分为多个子集按照上述公式进行迭代计算；

(c)C^k(i)＝C^L+1(i)。

更加详细地OSEM重构过程参考文献Yang Qun,Deng Biao,Lv W,et al.Fast and accurate X-ray fluorescence computed tomography imaging with theordered subsets expectation maximization algorithm.Journal of synchrotronradiation,2012,19(2):210-215。

本发明与图1的传统X射线荧光CT系统的区别在于：利用针孔效应，得到的单幅X射线荧光谱就是样品20整体在某个方向受激发出的X射线荧光信号的积分值；摒弃了平移、旋转的点扫描模式，通过在不同方向装有XIS探测器4使得样品20无需平移或转动，即可同时获取不同方向的投影数据，输入重构程序可以快速原位重建样品20内部元素的空间分布图像，从而有效的缩减数据的采集时间。

本发明的技术方案基于图7所示的原理实现，如图7所示，首先，当同步辐射单色光10照射到样品20上时，其中一条光线从样品20的R点到Q点，到达点Q处的光强公式写为：

$I_1\left(Q\right)=I_0\exp (-\underset{\mathrm{RQ}}{\∫}{\mathrm{\μ}}_I\mathrm{dl})---\left(3\right)$

在式(3)中，I₀和μ_I分别表示入射光强和入射光能量下样品20的衰减吸收系数。

当样品20的点Q处某元素被激发时，各向同性的发射X射线荧光，发射的荧光强度为：

I_F(Q)＝μ_phωI₁(Q)d(Q) (4)

在式(4)中，d(Q)表示点Q处某元素浓度，Δ_Q表示样品20的一个体积元，μ_ph、ω分别表示样品20材料的光电线性衰减系数和荧光产额。

由于钨板准直器3设置在XIS探测器4与样品20之间，Q点发射的荧光信号只有通过针孔31才能被XIS探测器4采集到，X射线荧光信号传播到XIS探测器4的探测平面过程中被样品20吸收，到达XIS探测器4的荧光强度为：

$I_2\left(Q\right)=(\mathrm{\Ω}/4\mathrm{\π})I_F\left(Q\right)\exp (-\underset{\mathrm{QS}}{\∫}{\mathrm{\μ}}_F\mathrm{dl})---\left(5\right)$

在式(5)中，Ω表示Q点到针孔的立体角，μ_F为荧光能量下样品20的衰减系数。因此，I₂(Q)＝C(Q)d(Q)。

其中, $C\left(Q\right)=(\mathrm{\Ω}/4\mathrm{\π}){\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ph}}\mathrm{\ω}{I}_0\exp (-\underset{\mathrm{RQ}}{\∫}{\mathrm{\μ}}_I\mathrm{dl})\exp (-\underset{\mathrm{QS}}{\∫}{\mathrm{\μ}}_F\mathrm{dl}){\mathrm{\Δ}}_Q,$ 如果样品20的μ_I和μ_F是已知的，C(Q)便可计算得到，从而可计算出样品20某处某种元素的浓度d(Q)。

由于按照图7所示的方案，样品20需要每次旋转一定的角度，直至完成180度范围的扫描才能重构出样品20的元素三维分布图；而且，钨板准直器3上只有一个针孔31，成像光子通量较少且探测效率较低。因此，本发明在该方案的基础上进一步改进，采用了具有多个针孔31的钨板准直器3，不仅可以增加通过针孔31的光通量，而且可以覆盖更多方向的X射线荧光信号；此外，通过在不同方向装有XIS探测器4，又可使得样品20无需平移或转动即可同时获取不同方向的投影数据，因而只需一次采集数据。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，包括一承载样品的样品台、一光谱采集装置以及一数据处理器，其特征在于，所述光谱采集装置包括：

一用于调制入射同步辐射单色光的光斑尺寸的狭缝组合装置，其中，经过调制的所述单色光的光斑尺寸大于所述样品的尺寸，调制后的所述单色光照射到所述样品上以使所述样品受激发射X射线荧光信号；

若干平行于所述同步辐射单色光的光路、并等间距地环绕所述样品设置的具有多个针孔的钨板准直器；以及

若干分别与所述钨板准直器一一位置对应地设置在所述钨板准直器外围的XIS采集器，以用于采集穿过对应的所述钨板准直器的X射线荧光信号，并得到X射线荧光谱以供所述数据处理器重构出所述样品的元素三维分布图像。

2.根据权利要求1所述的基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，其特征在于，所述数据处理器包括：

一信号连接至所述XIS采集器并用于解析所述X射线荧光谱以得到X射线荧光投影数据的解析模块；以及

一信号连接至所述解析模块并根据所述X射线荧光投影数据重构出所述样品的所述元素三维分布图像的图像重构模块。

3.根据权利要求1所述的基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，其特征在于，该系统包括一垂直于所述同步辐射单色光的光路设置的CCD探测器。

4.根据权利要求1的基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，其特征在于，所述钨板准直器上的多个所述针孔呈阵列形式排布。

5.根据权利要求4所述的基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，其特征在于，所述针孔的孔径范围为100～500um。

6.根据权利要求4所述的基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，其特征在于，相邻两个所述针孔之间的间距为6～10mm。

7.根据权利要求1的基于同步辐射的快速三维荧光CT系统，其特征在于，所述样品台采用有机玻璃制成。

8.一种基于同步辐射的快速三维荧光CT方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1，提供根据权利要求1所述的基于同步辐射的快速三维荧光CT系统；

步骤S2，利用所述狭缝组合装置调制入射的同步辐射单色光的光斑尺寸，调制后的所述单色光照射样品，以使所述样品受激发射X射线荧光信号；以及

步骤S3，利用所述XIS探测器采集穿过对应的钨板准直器的X射线荧光信号，并得到X射线荧光谱以供所述数据处理器重构出所述样品的元素三维分布图像。

9.根据权利要求8所述的基于同步辐射的快速三维荧光CT方法，其特征在于，该方法还包括：

步骤S4，利用所述数据处理器对所述X射线荧光谱进行解析以得到X射线荧光投影数据；以及

步骤S5，根据所述X射线荧光投影数据重构出所述样品的所述元素三维分布图像。