CN105575455B - 一种x射线衰减器设计方法和应用以及利用该方法设计的带有衰减器的ct装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种X射线衰减器设计方法，步骤如下：根据被测物体属性，选择与被测物体X射线吸收系数接近的等效材料；根据被测物体等效材料属性、X射线属性、滤波片属性以及CT设备参数，建立被测物体等效材料厚度与衰减器厚度的映射关系；根据建立的映射关系和X射线沿不同方向穿过被测物体等效材料的厚度分布，得到衰减器的厚度分布；根据得到的衰减器厚度分布加工制作衰减器。本发明方法设计的衰减器能有效降低探测器动态计数范围，充分利用X射线的流强，提高重建图像信噪比；将扫描物体的非线性多色投影数据校正为单色投影数据，能减轻CT图像中的硬化伪影，提高CT图像的密度分辨率和空间分辨率。
Description
技术领域
本发明属于检测仪器设备技术领域，尤其是一种用于CT成像的X射线衰减器设计方法与应用，该方法设计的衰减器可应用于类旋转体工件的X射线CT成像检测中或DR检测中。
背景技术
岩心是油气田勘探开采中最重要的基础地质资料之一。在油气田勘探开采的研究领域中，利用X射线CT成像技术可获取高空间分辨率的全岩心三维宏观结构图像和岩心局部的显微结构图像，并结合钻井、测井、地质分析化验等多方面的地质资料，综合进行数字岩心建模和分析，对油气田勘探开发具有重要意义。
采集岩心CT数据时，X射线流强足够大时才能有效穿透岩心物体中心部分，但由于探测器单元计数动态范围的限制，当穿透岩心中心部分射线有较高信噪比的计数时，探测器未被岩心遮挡的探测器单元或相应于岩心边缘的探测器单元将会出现计数过载现象。为避免探测器计数过载，需要一种X射线衰减器放置在射线源前端或探测器前端，其作用是调节到达探测器各单元的射线流强，使其在探测器单元计数动态范围之内，即既使透过岩心中心部分的射线有有效计数，又使各个探测器单元不出现计数过载。然而，各探测器单元相应的衰减器厚度不同时，会导致各探测器单元相应的等效X射线谱发生改变，进而引起CT图像的CT值发生畸变。
如何设计衰减器，使其既能调节到达各探测器单元的射线在其计数动态范围之内，又不会引起明显的图像CT值畸变，是X射线CT成像设备中面临的主要问题之一。
通过检索，尚未发现基于X射线光子多能属性相关的专利公开文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于被测物体属性、X射线属性、滤波片属性以及CT设备参数的衰减器设计方法，既能调节到达各探测器单元射线在其计数动态范围之内，又不会引起明显的CT值畸变，降低对CT探测器的动态范围的要求。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种X射线衰减器设计方法，步骤如下：
⑴根据被测物体属性，选择与被测物体X射线吸收系数接近的等效材料；
⑵根据被测物体等效材料属性、X射线属性、滤波片属性以及CT设备参数，建立被测物体等效材料厚度与衰减器厚度的映射关系；
⑶根据步骤⑵建立的映射关系和X射线沿不同方向穿过被测物体等效材料的厚度分布，得到衰减器的厚度分布；
⑷根据步骤⑶得到的衰减器厚度分布加工制作衰减器。
而且，具体步骤如下：
⑴忽略散射影响，CT成像数学模型如下：
其中，x表示固定坐标系中的点，μs(E)表示被测物体等效材料对能量为E的光子的线性衰减系数分布，μa(E)表示衰减器单位长度对能量E的光子的线性衰减系数，r为射线到达探测器单元所透过的衰减器的厚度，S(E)代表归一化的能谱，其中Emin和Emax分别表示光子能量的最小值和最大值，I(t,r)代表射线穿过等效材料厚度t和衰减器厚度r时的投影数据；
如上所述，在相同条件下，X射线穿过被测物体厚度t0时的投影数据I0与穿过某种均匀材料厚度t0时的投影数据相等或接近，则该材料可视为被测物体的等效材料，具体接近程度视具体情况而定；
⑵射线穿过被测物体等效材料的厚度为t1时，选取的单色能量为E0，假设射线穿过厚度为r％的衰减器时，满足多色投影值与单色投影值相等，即:
求解该积分方程得到衰减器厚度关于被测物体等效材料厚度的函数映射关系r％(t)；其中衰减器的作用使等效能谱S(E)exp(-μa(E)r)发生变化，r越大，相同厚度被测物体对应的多能投影数据越小；通常E0越大，μs(E0)的取值越小；若使方程(B)成立，需要的衰减器厚度就越大，从而E0能够调节衰减器的厚度范围；而衰减器的厚度范围影响着探测器计数的动态范围；
⑶针对不同的探测器单元，射线穿过岩心的厚度不同，其对应的衰减器厚度也不一样，从而根据上述函数关系得到不同射线对应的衰减器厚度分布；
⑷根据该厚度分布得到衰减器的三维结构模型，然后进行加工制作。
而且，所述步骤⑵中衰减器的材料选择不依赖于被测物体的材料属性。
而且，所述步骤⑵中单色投影的能量选取满足条件：被测物体等效材料的最大厚度对应的多色投影值不小于相同厚度对应的单色投影值。
而且，所述步骤⑶的具体步骤为：
根据被测物体等效材料的尺寸，在视野中的放置位置以及CT设备参数，计算X射线沿不同方向穿过被测物体等效材料的厚度分布；
如果被测物体等效材料模型的形状为规则的几何形状，利用解析方法求得等效材料模型的厚度分布；如果为不规则模型，利用光线投射等数值方法求解；
求得等效材料模型厚度分布之后，根据函数映射关系r％(t)，得到衰减器厚度分布。
而且，所述步骤⑷的具体步骤为：
根据衰减器与射线源之间的距离以及设备安装条件设计衰减器的长度和宽度，从而生成衰减器的数字模型；
衰减器离射线源越近，X射线穿过平行于探测器平面的截面越小，设计的衰减器长宽尺寸越小，相反越大；
衰减器与射线源之间的距离决定了衰减器的放置位置是靠近射线源还是靠近探测器。
如上所述的X射线衰减器设计方法在类旋转体工件的X射线CT成像检测中或DR检测中的应用。
而且，所述X射线CT成像检测为全岩心三维CT成像或类柱状、锥状、球状、椭球状、圆台、棱台、球冠、椭球冠物体三维CT成像。
一种利用如上所述的X射线衰减器设计方法设计的衰减器的CT装置，所述装置包括射线源、探测器、机械旋转系统、衰减器、控制器和计算机，所述射线源和探测器设置于待检测的岩心的两端，该机械旋转系统用于旋转待检测的岩心，所述衰减器设置于待检测的岩心和探测器之间，所述控制器分别与射线源、探测器、机械旋转系统、衰减器和计算机相连接设置；
所述衰减器的设计方法如下：
⑴根据岩心属性，选择衰减器的材料；
⑵根据X射线能谱和与岩心衰减系数接近的等效材料，建立X射线沿不同方向穿过的岩心等效材料厚度与衰减器厚度的函数关系，使其满足相同厚度的扫描物体对应的多色投影值与单色投影值相同；
⑶求解该函数关系，得到沿不同方向X射线对应的衰减器的厚度分布；
⑷根据该厚度分布加工制作衰减器。
而且，具体步骤如下：
⑴忽略散射影响，CT成像数学模型如下：
其中，x表示固定坐标系中的点，μs(E)表示被测物体等效材料对能量为E的光子的线性衰减系数分布，μa(E)表示衰减器单位长度对能量E的光子的线性衰减系数，r为射线到达探测器单元所透过的衰减器的厚度，S(E)代表归一化的能谱，其中Emin和Emax分别表示光子能量的最小值和最大值，I(t,r)代表射线穿过等效材料厚度t和衰减器厚度r时的投影数据；
如上所述，在相同条件下，X射线穿过被测物体厚度t0时的投影数据I0与穿过某种均匀材料厚度t0时的投影数据相等或接近，则该材料可视为被测物体的等效材料，具体接近程度视具体情况而定；
⑵射线穿过被测物体等效材料的厚度为t1时，选取的单色能量为E0，假设射线穿过厚度为r％的衰减器时，满足多色投影值与单色投影值相等，即:
求解该积分方程得到衰减器厚度关于被测物体等效材料厚度的函数映射关系r％(t)；其中衰减器的作用使等效能谱S(E)exp(-μa(E)r)发生变化，r越大，相同厚度被测物体对应的多能投影数据越小；通常E0越大，μs(E0)的取值越小；若使方程(B)成立，需要的衰减器厚度就越大，从而E0能够调节衰减器的厚度范围；而衰减器的厚度范围影响着探测器计数的动态范围；
⑶针对不同的探测器单元，射线穿过岩心的厚度不同，其对应的衰减器厚度也不一样，从而根据上述函数关系得到不同射线对应的衰减器厚度分布；
⑷根据该厚度分布得到衰减器的三维结构模型，然后进行加工制作。
本发明取得的优点和积极效果是：
1、本发明方法设计的衰减器有效降低了探测器动态计数范围，充分利用X射线的流强，提高重建图像信噪比；将扫描物体的非线性多色投影数据校正为单色投影数据，减轻了CT图像中的硬化伪影，提高了CT图像的密度分辨率和空间分辨率。
2、本方法针对一种特定扫描物体可以设计不同厚度和不同安装位置的衰减器，方便实际应用中不同方面的需求；设计靠近探测器端的衰减器，方便机械安装，减少机械位置造成的误差。设计靠近射线源端的衰减器，能够减少扫描物体的X射线照射剂量，应用于生物医学等领域。
3、本发明方法中衰减器的材料选择不依赖于被测物体的材料。针对一种特殊的应用，可以选择不同的材料制作衰减器，降低了材料的选取难度；该方法适用于多种不同的CT扫描模式，例如，平行束扫描、扇形束扫描、锥形束扫描、螺旋扫描等。
4、本发明方法可以应用于类旋转体物体的三维CT成像，如工业构件CT成像、乳腺CT成像；加装位置移动调节器后还可以用于口腔CT成像。
附图说明
图1为本发明的岩心CT扫描示意图；其中，图1-1为衰减器靠近探测器一端，图1-2为衰减器靠近射线源一端；
图2为本方法模拟数据使用的能谱图；
图3为本方法得到不同射线穿过圆柱的厚度图；
图4为本发明方法得到的衰减器厚度与岩心厚度的函数关系图；
图5为本发明方法设计的衰减器形状图；其中，图5-1为87keV，图5-2为88keV；
图6为本发明方法设计的衰减器对探测器计数动态范围影响图；
图7为本发明方法设计的衰减器对重建CT图像结果对比影响图；其中，图7-1为不带衰减器重建结果图，图7-2为带衰减器重建结果(88keV能量得到的衰减器图，7-3为重建结果剖线图；
图8为本发明方法设计的三维岩心CT衰减器模型图；其中，11为衰减器主体，12为衰减器装配法兰；
图9为本发明方法应用于实际岩心CT模型图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明中所使用的设备，如无特殊规定，均为本领域内常用的设备；本发明中所使用的方法，如无特殊规定，均为本领域内常用的方法。
本发明衰减器的设计方法适用于多种CT扫描模式，例如，平行束扫描、扇形束扫描、锥形束扫描、螺旋扫描等。
实施例1
一种X射线衰减器设计方法，步骤如下：
⑴根据被测物体属性，选择与被测物体X射线吸收系数接近的等效材料；
⑵根据被测物体等效材料属性、X射线属性、滤波片属性以及CT设备参数，建立被测 物体等效材料厚度与衰减器厚度的映射关系；
⑶根据步骤⑵建立的映射关系和X射线沿不同方向穿过被测物体等效材料的厚度分布，得到衰减器的厚度分布；
⑷根据步骤⑶得到的衰减器厚度分布加工制作衰减器。
具体地，步骤可以如下：
⑴忽略散射影响，CT成像数学模型如下：
其中，x表示固定坐标系中的点，μs(E)表示被测物体等效材料对能量为E的光子的线性衰减系数分布，μa(E)表示衰减器单位长度对能量E的光子的线性衰减系数，r为射线到达探测器单元所透过的衰减器的厚度，S(E)代表归一化的能谱，其中Emin和Emax分别表示光子能量的最小值和最大值，I(t,r)代表射线穿过等效材料厚度t和衰减器厚度r时的投影数据；
如上所述，在相同条件下，X射线穿过被测物体厚度t0时的投影数据I0与穿过某种均匀材料厚度t0时的投影数据相等或接近，则该材料可视为被测物体的等效材料，具体接近程度视具体情况而定；
⑵射线穿过被测物体等效材料的厚度为t1时，选取的单色能量为E0，假设射线穿过厚度为r％的衰减器时，满足多色投影值与单色投影值相等，即:
求解该积分方程得到衰减器厚度关于被测物体等效材料的厚度的函数映射关系r％(t)；其中衰减器的作用使等效能谱S(E)exp(-μa(E)r)发生变化，r越大，相同厚度被测物体对应的多能投影数据越小；通常E0越大，μs(E0)的取值越小；若使方程(B)成立，需要的衰减器厚度就越大，从而E0能够调节衰减器的厚度范围；而衰减器的厚度范围影响着探测器计数的动态范围；当探测器计数范围较低的探测器可以通过选取较大的能量E0设计相应的衰减器以满足实际应用的要求；
⑶针对不同的探测器单元，射线穿过岩心的厚度不同，其对应的衰减器厚度也不一样，从而根据上述函数关系得到不同射线对应的衰减器厚度分布；
⑷根据该厚度分布得到衰减器的三维结构模型，然后进行加工制作。
较优地，所述步骤⑵中衰减器的材料选择不依赖于被测物体的材料属性。二者的X射线吸收系数可以相同或接近，也可以有较大差异。
较优地，所述步骤⑵中单色投影的能量选取应该满足：被测物体等效材料的最大厚度对应的多色投影值不小于相同厚度对应的单色投影值。
较优地，所述步骤⑶的具体步骤为：
根据被测物体等效材料的尺寸，在视野中的放置位置以及CT设备参数，计算X射线沿不同方向穿过被测物体等效材料的厚度分布；
如果被测物体等效材料模型的形状为规则的几何形状，利用初等几何解析方法求得等效材料模型的厚度分布；如果为不规则模型，利用光线投射的方法数值求解；
求得等效材料模型厚度分布之后，根据函数映射关系r％(t)，得到衰减器厚度分布。
较优地，所述步骤⑷的具体步骤为：
根据衰减器与射线源之间的距离以及设备安装条件设计衰减器的长度和宽度，从而生成衰减器的数字模型；
衰减器离射线源越近，X射线穿过平行于探测器平面的截面越小，设计的衰减器长宽尺寸越小，相反越大；
衰减器与射线源之间的距离决定了衰减器的放置位置是靠近射线源还是靠近探测器。
如上所述的X射线衰减器设计方法在旋转体类工件的X射线CT成像检测中或DR检测中的应用。
较优地，所述X射线CT成像检测为全岩心三维CT成像或柱状物体三维CT成像。
一种利用如上所述的X射线衰减器设计方法设计的衰减器的CT装置，如图1所示，所述装置包括射线源2、探测器4、机械旋转系统(图中未示出)、衰减器1、控制器和计算机(图中未示出)，所述射线源和探测器设置于待检测的岩心3的两端，该机械旋转系统用于旋转待检测的岩心，所述衰减器设置于待检测的岩心和探测器之间，所述控制器分别与射线源、探测器、机械旋转系统、衰减器和计算机相连接设置；所述衰减器的设计方法如上所述。
如上所述的X射线衰减器设计方法在旋转体类工件的X射线CT成像检测中或DR检测中的应用，例如，所述X射线CT成像检测为全岩心三维CT成像或柱状物体三维CT成像。
较优地，本发明方法适用于设计衰减器，使其放置于射线源系统与载物台之间的靠近射 线源一端，例如，减小衰减器与射线源之间的距离，使衰减器放置于射线源系统与载物台之间的靠近射线源一端，该放置位置能够降低施加给被测物体的X射线剂量，适用于乳腺CT等医学CT设备；或者，使衰减器放置于载物台与探测器系统之间的靠近探测器一端，该放置位置方便机械安装，适用于岩心CT等工业CT设备。
本发明中衰减器厚度对能谱的影响是指增加或减少衰减器的厚度能够改变射束中不同能量光子的分布；创建扫描物体厚度与衰减器材料厚度之间的映射关系是通过以下方法创建的：给定扫描物体的不同厚度值，求解关于衰减器厚度的积分方程。
实施例2
一种X射线衰减器设计方法，步骤如下：
岩心CT扫描系统如图1所示，由射线源2、探测器4、机械旋转系统(图中未示出)、衰减器1以及控制和计算机(图中未示出)构成。忽略散射影响，岩心CT的数学模型如下：
其中，x表示固定坐标系中的点，μs(E)表示岩心3等效材料对能量为E的光子的线性衰减系数分布，μa(E)表示衰减器单位长度对能量E的光子的线性衰减系数，r为射线到达探测器单元所透过的衰减器的厚度，S(E)代表归一化的能谱，其中Emin和Emax分别表示光子能量的最小值和最大值，I(t,r)代表射线穿过岩心厚度t和衰减器厚度r时的投影数据。如上所述，衰减器的作用使等效能谱S(E)exp(-μa(E)r)发生变化，从而影响了多色投影数据。r越大，相同厚度岩心对应的多色投影数据越小。
射线穿过岩心厚度为t1时，选取的单色能量为E0，假设射线穿过厚度为r％的衰减器时，满足多色投影值与单色投影值相等，即:
求解该积分方程得到衰减器厚度关于岩心厚度的函数关系r％(t)。
针对不同的探测器单元，射线穿过岩心的厚度不同，其对应的衰减器厚度也不一样。从而根据上述函数关系得到不同射线对应的衰减器厚度分布。根据该厚度分布得到衰减器的三维结构模型，即可进行加工制作出衰减器。
本发明方法的相关实验结果：
首先用模拟数据验证本文方法设计的衰减器的有效性，然后针对岩心CT设备，给出一种衰减器的设计。
一、模拟数据
模拟数据的几何参数为：射线源焦点到转台中心的距离为340mm，射线源焦点到探测器的距离为501mm，线探测器单元的个数为1536，探测器单元的尺寸为0.127mm。用开源软件SpectrumGUI模拟了Oxford Series6000射线管，管电压为140kV的能谱(see http://spectrumgui.sourceforge.net)。能谱的分布如图2所示，铝的质量衰减系数来源于NIST表。
在上述扫描条件下，求解衰减器厚度与岩心厚度的函数关系。不同方向射线穿过岩心的厚度如图3所示。由于单色投影能量的不同，其映射关系也不同，本实验分别给出了87keV和88keV单能对应的函数关系，如图4所示。两种单能对应的衰减器设计结果如图5所示。以88keV为例，给出了的加载衰减器对探测器计数的影响。模拟射线源产生的光子个数为106。图6给出了不同探测器单元对应的光子计数，其中加载衰减器使探测器计数动态范围的相对值由93.86变为4.24。分别用不加载衰减器和加载衰减器的多色投影数据重建CT图像，其结果如图7所示，本发明方法设计的衰减器能够有效校正CT图像的硬化伪影。
由此可以看出，本发明方法设计的衰减器在有效降低探测器动态计数范围的同时校正了重建图像中的硬化伪影。
二、实际数据
以本申请人的岩心CT系统为例，给出具体的岩心衰减器设计。
采集数据的X射线源的管电压为140kV，所用的面阵列探测器含有1536x1920个探测器单元，每个探测器单元的尺寸为0.127mm。射线源焦点到转台中心的距离为357mm，射线源焦点到探测器的距离为500mm。探测器沿轴向方向偏置242个探元。岩心的直径为120mm。岩心的X射线吸收系数与铝近似，因此选等效材料为铝。
根据上述扫描条件得到的衰减器如图5所示，射线穿过岩心截面的射线随着扇形张角的增大，穿过岩心的厚度越小，对应的衰减器就越厚，而沿岩心轴向的射线，随着锥角的增大，射线穿过岩心的厚度越大，对应的衰减器厚度就越小。从而得到的衰减器上表面曲面类似于一个马鞍面。
如图1所示，探测器表面用一个护具遮挡用，该护具到探测器表面距离为27.9mm。根据该距离，设计的衰减器如图8所示，将该衰减器安装在护具上面，即容易安装又减少了衰减器与探测器不对应造成的误差。
由此可见，本发明可以应用于三维CT成像装置中圆柱状物体三维CT成像、旋转体物体三维CT成像方面中，如图9所示。
以上述依据本发明的理想实施案例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.一种X射线衰减器设计方法，其特征在于：步骤如下：
⑴根据被测物体属性，选择与被测物体X射线吸收系数接近的等效材料；
⑵根据被测物体等效材料属性、X射线属性、滤波片属性以及CT设备参数，建立被测物体等效材料厚度与衰减器厚度的映射关系；
⑶根据步骤⑵建立的映射关系和X射线沿不同方向穿过被测物体等效材料的厚度分布，得到衰减器的厚度分布；
⑷根据步骤⑶得到的衰减器厚度分布加工制作衰减器。
2.根据权利要求1所述的X射线衰减器设计方法，其特征在于：具体步骤如下：
⑴忽略散射影响，CT成像数学模型如下：
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其中，μs(E)表示被测物体等效材料对能量为E的光子的线性衰减系数分布，μa(E)表示衰减器单位长度对能量E的光子的线性衰减系数，r为射线到达探测器单元所透过的衰减器的厚度，S(E)代表归一化的能谱，其中Emin和Emax分别表示光子能量的最小值和最大值，I(t,r)代表射线穿过等效材料厚度t和衰减器厚度r时的投影数据；
如上所述，在相同条件下，X射线穿过被测物体厚度t0时的投影数据I0与穿过某种均匀材料厚度t0时的投影数据I′0相等或接近，则该材料可视为被测物体的等效材料，具体接近程度视具体情况而定；
⑵射线穿过被测物体等效材料的厚度为t1时，选取的单色能量为E0，假设射线穿过厚度为的衰减器时，满足多色投影值与单色投影值相等，即:
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求解该积分方程得到衰减器厚度关于被测物体等效材料厚度的函数映射关系其中衰减器的作用使等效能谱S(E)exp(-μa(E)r)发生变化，r越大，相同厚度被测物体对应的多色投影值越小；通常E0越大，μs(E0)的取值越小；若使方程(B)成立，需要的衰减器厚度就越大，从而E0能够调节衰减器的厚度范围；而衰减器的厚度范围影响着探测器计数的动态范围；
⑶针对不同的探测器单元，射线穿过被测物体的厚度不同，其对应的衰减器厚度也不一样，从而根据函数关系得到不同射线对应的衰减器厚度分布；
⑷根据该厚度分布得到衰减器的三维结构模型，然后进行加工制作。
3.根据权利要求1或2所述的X射线衰减器设计方法，其特征在于：所述步骤⑵中衰减器的材料选择不依赖于被测物体的材料属性。
4.根据权利要求2所述的X射线衰减器设计方法，其特征在于：所述步骤⑵中单色投影的能量选取满足条件：被测物体等效材料的最大厚度对应的多色投影值不小于相同厚度对应的单色投影值。
5.根据权利要求2所述的X射线衰减器设计方法，其特征在于：所述步骤⑶的具体步骤为：
根据被测物体等效材料的尺寸，在视野中的放置位置以及CT设备参数，计算X射线沿不同方向穿过被测物体等效材料的厚度分布；
如果被测物体等效材料模型的形状为规则的几何形状，利用解析方法求得等效材料模型的厚度分布；如果为不规则模型，利用光线投射等数值方法求解；
求得等效材料模型厚度分布之后，根据函数映射关系得到衰减器厚度分布。
6.根据权利要求1或2所述的X射线衰减器设计方法，其特征在于：所述步骤⑷的具体步骤为：
根据衰减器与射线源之间的距离以及设备安装条件设计衰减器的长度和宽度，从而生成衰减器的数字模型；
衰减器离射线源越近，X射线穿过平行于探测器平面的截面越小，设计的衰减器长宽尺寸越小，相反越大；
衰减器与射线源之间的距离决定了衰减器的放置位置是靠近射线源还是靠近探测器。
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