CN105310705A - 一种采用分时分区方式的除散射辐射成像系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用分时分区方式的除散射辐射成像系统及其成像方法。该系统包括：X射线源，用于产生X射线；X射线准直器，用于约束和调整X射线束的宽度和方向；扫描探测器，用于采集X射线穿透物体时产生的射线信号；时序位置控制器，用于按照预定时序同步控制X射线的照射方向并激活相对应的扫描探测器的分区；X射线源产生X射线，经过X射线准直器调整后指向扫描探测器已激活的分区。本发明可以获得理想的除散射X射线图像。在二维图像和三维图像重建时的X射线成像过程中，利用本发明所提供的方法去除散射，可以使散射射线对图像的影响降低，提升图像信号品质，间接地可以降低辐射剂量。

Description

一种采用分时分区方式的除散射辐射成像系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种辐射成像系统，尤其涉及一种分时间分区域除散射的辐射成像系统，同时还涉及基于该系统实现的除散射辐射成像方法，属于辐射成像技术领域。

背景技术

当X射线之类的高能射线穿过被检测对象的时候，X光子与被穿过的物质之间发生康普顿效应，直射的X射线将发生方向偏转。这种现象被称为散射。当被检测对象的内部结构较为复杂，X射线穿过的路径较长时，相应的散射程度也越严重。

如图1中A部分所示，利用X射线辐照待检测物体时，在X射线透过待检测物体后，不仅有初级辐射产生(参见图1中B部分所示)，而且有散射辐射产生(参见图1中C部分所示)。散射辐射会产生额外的曝光，如同“散射雾”一般叠加在X射线的图像上，从而降低了图像的对比度和清晰度，同时也降低了图像细微处的信噪比。具体的降低程度将取决于散射辐射的强度。

目前，普遍使用的抗散射方法是采用铅条(或其它原子序数较高的材料)排列成焦点汇聚形状，形成滤线栅。由于指向焦点的X射线可以通过滤线栅，而散射射线并非指向焦点，有可能被铅条阻挡或吸收，从而降低散射辐射的影响。该滤线栅通常采用具有小体积和高吸收率的铅制成。吸收体之间的通道介质是纸、纤维、铝，或者一种非弹性的高电阻泡沫材料(foam)。

现有的滤线栅存在以下不足：一方面，由于滤线栅的焦点固定，不能满足对不同部分的成像要求，严重影响成像质量；另一方面，滤线栅本身也阻挡了部分应该射向扫描探测器的X射线。为了消除这种不利影响，必须加大X射线的辐射剂量，使被检测对象特别是患者和医务人员所受的辐射伤害更大，而且也加大了扫描探测器的制造成本，同时给医院的环境防护工作带来困难。

在专利号为ZL200610114533.8的中国发明专利中，公开了一种能够消除散射辐射影响的虚拟滤线栅成像方法及成像系统。该方法主要用在高能射线成像中,首先对到达探测器感光平面的散射射线不做滤过,全部采样散射射线和直射射线数据,然后对采样后的数据进行散射射线分量的分离和抑制,达到消除所成影像中散射射线分量的目的。但是，虚拟滤线栅技术对到达扫描探测器的感光平面(为描述简便，在本发明中也用扫描探测器指代该感光平面)的散射射线不做滤过，全部采样散射射线和直射射线数据。对于厚体位摄影这种散射射线比重很大的情况，直射射线的微小细节在到达扫描探测器时已经被大量的散射射线“淹没”，通过软件处理就无法复原出这些微小细节，不能满足厚体位应用的医学诊断要求。

在申请号为201210281731.9和201210468861.3的中国专利申请中，也公开了相应的散射校正方法。在这些散射校正方法中，首先采用散射校正器或衰减网格的方法生成散射强度分布图，通过投影图像与散射强度分布图之差得到校正后的投影图像。但是这些散射校正方法会使扫描时间加倍，数据处理量也加倍，存在效率低下和适应性差等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种采用分时分区方式的除散射辐射成像系统(简称为辐射成像系统)。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供用于一种基于上述系统实现的除散射辐射成像方法。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种采用分时分区方式的除散射辐射成像系统，包括：

X射线源，用于产生X射线，

X射线准直器，用于约束和调整X射线束的宽度和方向，

扫描探测器，用于采集X射线穿透物体时产生的射线信号；

时序位置控制器，用于按照预定时序同步控制X射线的照射方向并激活相对应的所述扫描探测器的分区；

所述X射线源产生X射线，经过所述X射线准直器调整后指向所述扫描探测器已激活的分区。

其中较优地，采用机械控制方式时，还包括机械运动装置；

所述时序位置控制器激活所述扫描探测器的一个分区，所述机械运动装置根据所述时序位置控制器的命令调整所述X射线准直器的指向，所述X射线源产生X射线由所述X射线准直器进行调整形成窄束X射线束，使所述窄束X射线束指向所述扫描探测器已激活的分区。

其中较优地，所述X射线准直器为笔形细管X射线约束器。

其中较优地，采用电子控制方式时，还包括偏转机构和电子束减速靶；

所述时序位置控制器激活所述扫描探测器的一个分区；所述偏转机构调整电子束的飞行方向，所述电子束减速靶使所述电子束突然减速并产生X射线；在X射线准直器的约束下，使所述X射线指向所述扫描探测器已激活的分区。

其中较优地，所述X射线源由电子枪替代。

其中较优地，所述X射线准直器为微孔准直器，设置在所述电子束减速靶的后面。

其中较优地，所述时序位置控制器在激活所述扫描探测器的一个分区时，屏蔽其他分区。

一种采用分时分区方式的除散射辐射成像方法，基于上述除散射辐射成像系统实现，包括以下步骤：

(1)对扫描探测器进行分区；

(2)时序位置控制器激活所述扫描探测器的一个分区，同时屏蔽其他分区；

(3)X射线源产生X射线，经过X射线准直器调整后指向所述扫描探测器已激活的分区；

(4)所述扫描探测器采集记录所述分区的数据；

(5)切换到所述扫描探测器的另一个分区，重复第(2)～(4)步，直至完成所述扫描探测器的全部分区的数据采集工作，获得散射射线被抑制的图像。

其中较优地，所述扫描探测器的分区越小，所述散射射线的贡献率越低。

本发明可以在扫描探测器采集X射线信号时就消除散射射线的影响，有效提升图像的信噪比，从而提供更多的有效图像信息，获得理想的除散射X射线图像。利用本发明，消除了滤线栅技术在X射线成像中使用存在的诸多问题，同时大大降低了患者照射剂量，并可以适当降低X射线源的功率，节约成本。

附图说明

图1是直射射线与散射射线成像的示意图；

图2是散射射线的分布示意图

图3是扫描探测器的分区示意图；

图4是本发明中，采用机械控制方式的辐射成像系统示意图；

图5是本发明中，采用电子控制方式的辐射成像系统示意图；

图6是本发明中，电子控制X射线源的示意图；

图7是本发明中，图像采集过程的示意图；

图8是现有技术中，辐射成像系统所采集图像的效果示意图；

图9是本发明所提供的辐射成像系统所采集图像的效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容作进一步的详细说明。

根据一些已有的研究成果(具体可以参见专利号为ZL200910022100.3的中国发明专利)，散射射线的分布可以近似认为服从正态分布。对于一维的情况，一条窄束X射线穿过被检测物体后，在x方向各位置上的射线(包括直射射线和散射射线)强度分布可用如式(1)所示：

$f\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})---\left(1\right)$

其中，σ表示被检测物体的特性，大小由其密度及厚度决定，u表示窄束射线在x方向的位置。

来自焦点的直射射线传输到扫描探测器的感光平面(优选为闪烁体涂层和薄膜晶体管阵列)时，在行进过程中会形成散射射线，从而形成图2所示的散射射线分布图。其中，中心位置的黑色块为中心射线投影区，它作为信号采集区用来采集来自焦点的直射射线。中心位置周围圆形所代表的区域为散射射线分布区域，这些散射射线主要分布在该区域。在本发明中，为了保证采集图像的质量，需要对散射射线进行一定的处理。具体说明如下：

本发明采用按照一定时序扫描的X射线源和可以控制采集位置的扫描探测器，通过控制X射线源和扫描探测器的工作时序，确保在某一个瞬间只有一个足够小的区域得到X射线的曝光，并且只有扫描探测器的这个区域的像素处于采集状态，而扫描探测器的其它像素区域处于不响应状态。这样，散射射线对有效采集区域的贡献将大大减小。理论上，当直射射线仅仅指向单一像素，而仅有这个单一像素处于采集状态时，散射射线的贡献将趋近于零。还是以一维为例，散射射线的贡献率与采集区域大小的关系可以用以式(2)表示：

$P\left(D\right)=\underset{\mathrm{\μ}-D/2}{\overset{\mathrm{\μ}+D/2}{\∫}}{e}^{-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}}\mathrm{dx}/\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{e}^{-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}}\mathrm{dx}---\left(2\right)$

其中，m表示窄束射线在x方向的位置；D表示采集宽度，以m为中心；P表示散射射线的贡献率。

通过式(2)可知，采集宽度越小，散射射线的贡献率也越小。在满足在每一个时刻只有单一像素或者很小的区域对指向性X射线进行采集，而其它区域并不进行X射线的采集，其它方向上的X射线发生的散射影响到有效采集像素的散射成分几乎为零的情况下，有效采集区域中的像素(即有效采集像素)或单一有效像素所采集到的信号将完全来自直射射线。

如图3所示，单束的X射线射向扫描探测器上的不同区域(像素或像素块)。其中，扫描探测器上面的白色方格代表工作的像素，阴影的方格代表已关闭未工作的像素。在采集的图像D1～D3中，黑色方格代表采集到直射射线信号的像素，具有阴影的方格代表采集到散射射线信号的像素。图像D1所示的情况是所有的像素都处于工作状态时所采集的图像。当一束X射线射向扫描探测器时，部分射线会改变方向形成散射射线。该X射线到达扫描探测器的感光平面时，其影响的各像素的情况如图中D1所示。扫描探测器的像素除了采集到直射射线之外，该像素周围的像素(即图3中有阴影的像素)还会采集到散射射线的信号。图像D2所示的情况代表当只有一行的像素激活，同时关闭其他像素时，扫描探测器所采集到的直射射线信号与散射射线信号情况。图像D2与图像D1相比较，采集到的散射射线明显减少。图像D3所示的情况是只有一个像素激活时，扫描探测器没有采集到散射信号。在本发明中，除了有效采集像素(即图3中黑色方格所示的像素)以外的像素都不需要采集，即周围的有效像素即使接收到散射射线也不会采集或传输。从理论上的推导可以知道，当射线束限制到只对单一像素曝光时，其它像素只能接收到散射射线，而射线束正对的像素只有来自初级射线的信号，而不存在散射射线信号。

在此基础上，本发明提供了一种采用分时分区方式的除散射辐射成像系统，其包括X射线源、X射线准直器、扫描探测器、时序位置控制器等组成部分。其中，

(1)X射线准直器用于约束和调整X射线束的宽度和方向。X射线源经过X射线准直器处理后，可以仅向扫描探测器中处于对X射线响应状态的像素区域(行、点或小块)，发射具有指向性的X射线，这部分X射线的直射射线部分将到达扫描探测器中处于响应状态的像素，而散射射线将到达处于对X线不响应状态的像素区域。

(2)扫描探测器可以逐行、逐点或逐块分时扫描采集，在每一个时间段只有一个像素或一个小的区域(n*m像素块，n、m均为正整数)处于对X射线响应状态，其它像素或区域对X射线均处于不响应状态。

(3)时序位置控制器可以控制扫描探测器的每一个区域(行、点或小块)处于采集状态，控制其他分区处于非采集状态(屏蔽状态)，同时控制X射线源所发出的X射线指向扫描探测器的有效采集区域，并保证其他方向上无射线发出。

本发明还提供了一种采用分时分区方式的除散射辐射成像方法，基于上述的除散射辐射成像系统实现，包括以下步骤：

(1)对扫描探测器的感光平面进行分区；

(2)时序位置控制器激活扫描探测器上的一个分区，同时屏蔽其他分区；

(3)控制X射线源发出X射线，经X射线准直器约束后指向该激活的分区；

(4)扫描探测器采集记录该分区的数据；

(5)切换到扫描探测器的另一个分区，重复第(2)～(4)步，直至完成扫描探测器的全部分区的数据采集工作。如此可以获得一幅完整的除散射图像。

在本发明中，时序位置控制器根据用户所选定的控制模式，对扫描探测器的感光平面进行分区，并根据分区结果同步控制X射线的照射方向并激活相对应的扫描探测器的分区。在本发明的一个实施例中，该时序位置控制器由点频发生电路、点计数电路、行计数电路、帧频控制电路以及探测器时序控制输出电路和X射线位置控制输出电路等组成。这些电路可以由现有CRT显示器中的时序控制器或者时序控制电路稍加改造而成。作为本领域技术人员都能掌握的常规技术，在此就不具体说明了。

上述的辐射成像系统可以采用两种控制方式：机械控制方式和电子控制方式。下面分别对这两种控制方式的具体技术内容展开详细具体的说明。

如图4所示，本发明所提供的辐射成像系统采用机械控制方式时，进一步包括相应的机械运动装置。其中，扫描探测器可以分时分区使用，即扫描探测器以像素为最小单元，可以使用单一像素、也可以使用单行像素或者多行像素、也可以使用相邻的几个像素形成的像素块；机械运动装置，包括分布在X方向、Y方向(或X方向、Y方向、Z方向)上的驱动电机，从而在控制命令的指引下，可以在X方向、Y方向(或X方向、Y方向、Z方向)进行移动；X射线准直器，在本实施例中具体为笔型细管X射线约束器，用来约束X射线使之形成X射线窄束。它可以在机械运动装置的控制下进行移动；时序位置控制器，用于按照一定的时序，对扫描探测器进行分区激活。

在采用机械控制方式时，本辐射成像系统的工作原理如下：X射线源通过一个笔形细管X射线约束器来获得一个足够小的窄束X射线束，指向扫描探测器的激活区域，并且在单位时间内仅对一个特定位置进行曝光。这个单位时间内通过位置信号通知扫描探测器中相对应的像素进行激活，并采集这个区域的信号。如图5所示，笔形细管X射线约束器在机械运动装置的控制下，通过X方向的驱动电机沿X正方向移动，与扫描探测器的激活区域同步移动，直到将X正方向的像素全部曝光完成。接下来，将驱动Y方向的驱动电机沿Y方向移动一个区域的高度，继续进行X反方向的扫描曝光。当Y方向全部行程走完后，扫描探测器的每个区域都被完全曝光。这个曝光过程中保证了在每次机械运动的指向下，仅所指向的像素是激活的，并保证了只有激活的像素可以采集和传输直射的X射线信号，而其余的像素都处于关闭或者未激活的状态，不会采集或传输周围所接受到的散射射线。

本发明所提供的辐射成像系统采用电子控制方式时，如图6所示，进一步包括电子枪、电子束减速靶和偏转机构。其中，扫描探测器可以分时分区使用，即扫描探测器以像素为最小单元，可以使用单一像素、单行像素或者多行像素、也可以使用相邻的几个像素形成的像素块；X射线源在本实施例中由电子枪替代。该电子枪用于发射电子束。电子束受电磁场控制，运动方向可以调整。偏转机构，用来调整电子束的方向，使其指向对应的分区；电子束减速靶(例如钨靶或者钼靶)，设置在真空环境中，用于使电子束突然减速，并且在电子束减速的过程中产生X射线束；X射线准直器，在本实施例中具体为微孔准直器(也称为分区准直器)，设置在电子束减速靶的后面，用于使X射线束得到准直；时序位置控制器，用于按照一定的时序，对扫描探测器进行分区激活。

如图7所示，本辐射成像系统采用电子控制方式时，工作原理如下：通过时序位置控制器的命令，电子枪发出的电子形成电子束，经过偏转机构的作用偏离原来的运动方向，轰击相应区域的钨靶并产生X射线，X射线经过微孔准直器指向扫描探测器上第一行的第一个区域，时序控制器同时激活扫描探测器上第一行的第一个区域的像素，获取第一行第一个区域的无散射图像。此时，与激活区域相邻的像素会受到散射射线的辐射，由于这些像素并没有被激活，这些散射射线的信息并没有被采集和传输。按照时序位置控制器的时序命令，扫描探测器将逐一完成第一行的剩余区域的逐块采集。当第一行像素采集完成后，再反方向进行第二行像素的采集，如此反复，直到完成全部行像素的采集，从而获得一幅散射射线被抑制的干净图像。这个过程与机械控制方式时采集图像的线路相同，在此就不赘述了。

如图8和图9所示，传统面阵采集方式的扫描探测器由于其固有缺陷，会同时采集到直射射线和散射射线，使扫描探测器所采集的图像受到污染，例如图8中标号1所代表的区域所示。而本发明所提供的辐射成像系统所采集的图像如图9中标号2所代表的区域所示.由此可以看出，与传统面阵采集方式的扫描探测器相比，本发明所实现的图像采集大幅度抑制了散射射线，显著提高了图像对比度和信噪比。

在实际使用中，采集宽度很难控制到一个像素大小，需要在采集宽度和散射射线贡献率之间做出平衡。当需要更好的除散射效果，而对采集速度要求不高的情况下，可以尽可能选择更窄的X射线束，同时激活更小的像素区域，此时像素区域可以为一行像素、多行像素、几个相邻像素组成的像素块、最少时甚至可以为一个像素；反之亦然。激活像素的顺序可以按照先沿X方向再沿Y方向的方式进行，也可按照预先设定的其它方式进行。

当以单个像素为照射区域进行逐点采集图像时，此时每一个时刻只允许一个区域(最小到一个像素)处于激活状态，所以对周围散射射线的抑制能力是最强的，采集到的图像质量很高，但是采集速度较慢，可以应用于采集速度要求不是很高的场合。当进行逐行扫描时，由于逐行扫描方式是同一时刻该行内所有像素同时被激活的状态，所以行曝光和数据采集时仍然有少量的散射射线被同一行内的相邻像素采集到。由于逐行扫描方式具有更快的采集速度，在某些要求快速采集，且对图像质量要求不是太高的情况下，采用逐行扫描方式是有意义的。这样，本发明可以满足不同情况下对图像采集速度的需要，从而获得符合实际需求的图像，甚至采集到精度更高的除散射图像。

本发明在不需要增加辐射剂量的情况下，可以适应不同部位的探测工作要求。同时，在相同扫描时间的情况下，数据处理量大大减少，图像效果明显提高，可以复原出微小细节，适应医学诊断的要求。在二维图像和三维图像重建时的X射线成像过程中，利用本发明所提供的方法可以使散射射线对图像的影响降低，提升图像信号品质，间接地可以降低辐射剂量。

上面对本发明所提供的采用分时分区方式的除散射辐射成像系统及其方法进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种采用分时分区方式的除散射辐射成像系统，其特征在于包括：

X射线源，用于产生X射线，

X射线准直器，用于约束和调整X射线束的宽度和方向，

扫描探测器，用于采集X射线穿透物体时产生的射线信号，

时序位置控制器，用于按照预定时序同步控制X射线的照射方向并激活相对应的所述扫描探测器的分区；

所述X射线源产生X射线，经过所述X射线准直器调整后指向所述扫描探测器已激活的分区。

2.如权利要求1所述的除散射辐射成像系统，其特征在于采用机械控制方式时，还包括机械运动装置；

所述时序位置控制器激活所述扫描探测器的一个分区，所述机械运动装置根据所述时序位置控制器的命令调整所述X射线准直器的指向，所述X射线源产生X射线由所述X射线准直器进行调整形成窄束X射线束，使所述窄束X射线束指向所述扫描探测器已激活的分区。

3.如权利要求2所述的除散射辐射成像系统，其特征在于：

所述X射线准直器为笔形细管X射线约束器。

4.如权利要求1所述的除散射辐射成像系统，其特征在于采用电子控制方式时，还包括偏转机构和电子束减速靶；

所述时序位置控制器激活所述扫描探测器的一个分区；所述偏转机构调整电子束的飞行方向，所述电子束减速靶使所述电子束突然减速并产生X射线；在X射线准直器的约束下，使所述X射线指向所述扫描探测器已激活的分区。

5.如权利要求4所述的除散射辐射成像系统，其特征在于，

所述X射线源由电子枪替代。

6.如权利要求4所述的除散射辐射成像系统，其特征在于，

所述X射线准直器为微孔准直器，设置在所述电子束减速靶的后面。

7.如权利要求1～6中任意一项所述的除散射辐射成像系统，其特征在于：

所述时序位置控制器在激活所述扫描探测器的一个分区时，屏蔽其他分区。

8.一种采用分时分区方式的除散射辐射成像方法，基于权利要求1～6中任意一项所述的除散射辐射成像系统实现，其特征在于包括以下步骤：

(1)对扫描探测器进行分区；

(2)时序位置控制器激活所述扫描探测器的一个分区，同时屏蔽其他分区；

(3)X射线源产生X射线，经过X射线准直器调整后指向所述扫描探测器已激活的分区；

(4)所述扫描探测器采集记录所述分区的数据；

(5)切换到所述扫描探测器的另一个分区，重复第(2)～(4)步，直至完成所述扫描探测器的全部分区的数据采集工作，获得散射射线被抑制的图像。

9.如权利要求8的除散射辐射成像方法，其特征在于，

所述扫描探测器的分区越小，所述散射射线的贡献率越低。