CN105806860A - 一种全场x射线成像系统及成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全场X射线成像系统及成像方法，其中所述系统包括：X射线光源；铅准直器，其对所述X射线光源输出的X射线进行限束以输出X射线锥束；设置在所述铅准直器输出侧的用于放置样品的样品台；X射线成像探测器，其探测从所述样品透射出的X射线，并获得一组X射线显微CT投影数据；X射线成像光谱仪，其探测所述样品激发出的特征X射线荧光，并获得一组X射线荧光CT投影数据；以及与所述X射线成像探测器和所述X射线成像光谱仪连接的数据处理装置。采用本发明可以同时实现X射线荧光CT与显微CT全场成像，获得样品中元素三维分布及内部结构信息。

Description

一种全场X射线成像系统及成像方法
技术领域
本发明涉及X射线成像，尤其涉及一种集X射线荧光CT与显微CT于一体的全场X射线成像系统及成像方法。
背景技术
X射线成像是利用X射线在介质中被吸收性质的差异(密度和厚度)来判断样品内部结构，X射线CT由样品的0～360度内大量X射线二维投影图重构得到，可以实现样品结构三维信息的精确重构。
如图1所示，传统的实验室显微CT系统包括：实验室X射线源11、探测器14以及设置在实验室X射线源11和探测器14之间的用于放置样品的样品台13，其中，实验室X射线源11向样品台13上的样品发出锥束X射线12，通过样品与实验室X射线源11以及探测器14之间的相对旋转，获取样品不同角度的投影图像15，然后将投影图像15输入计算机16，通过图像重建算法计算出断层切片17，即重建图像。然而，在这种传统的实验室显微CT系统中实验测量中只能得到样品的内部结构信息，而无法得到样品中元素分布的信息。
X射线荧光CT方法是X射线CT和X射线荧光分析两种技术有机结合的产物，可同时测量样品中多种元素的三维空间分布而不需要对样品进行破坏性的切片处理。如图2所示，传统的X射线荧光CT系统包括：同步辐射光源21、单色器22、微束装置23、样品台24(可转动可平动)、X射线荧光探测器25以及数据处理计算机26，其中，同步辐射光源21在实验时发出的同步辐射光经单色器22和微束装置23单色和限束后得到单色的X射线微束，该单色的X射线微束照射到样品台24上放置的样品上后，微束照射过程中样品被激发出的X射线荧光为荧光探测器25所记录，然后样品台24沿图中箭头A所示方向平移扫描，一次扫描过程结束后，样品沿图中箭头B所示方向转动一个角度(如每次旋转1°)，然后再重复平移扫描过程，直至完成180°范围的扫描，获取样品不同角度的投影数据，然后将投影数据输入数据处理计算机26，通过图像重建算法计算出断层切片27，即元素分布图像。
由此可见，在传统的X射线荧光CT系统中，激发光源采用同步辐射光源，采用X射线荧光探测器采集X射线荧光信号，数据采集时采用点扫描加旋转样品的方法。然而，由于采用大科学装置的同步辐射作为光源，无法在常规实验中广泛应用；同时由于数据采集时采用点扫描的方式，要获得一套二维或三维的实验数据要花费很长的时间，因此限制了该方法的广泛应用。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种全场X射线成像系统及成像方法，以在一次实验中同时获得样品中元素三维分布信息及样品内部结构信息。
本发明之一所述的一种全场X射线成像系统，其包括：
X射线光源；
设置在所述X射线光源输出侧的铅准直器，其对所述X射线光源输出的X射线进行限束以输出X射线锥束；
设置在所述铅准直器输出侧的用于放置样品的样品台，以使所述样品接受从所述铅准直器输出的X射线锥束照射，并激发出特征X射线荧光；
设置在所述样品台一侧的X射线成像探测器，其探测从所述样品透射出的X射线，并获得一组X射线显微CT投影数据；
设置在所述样品台一侧的X射线成像光谱仪，其探测所述样品激发出的特征X射线荧光，并获得一组X射线荧光CT投影数据；以及
与所述X射线成像探测器和所述X射线成像光谱仪连接的数据处理装置，其根据所述X射线显微CT投影数据重构获得样品内部结构图像，根据所述X射线荧光CT投影数据重构获得样品元素分布图像，并将所述样品内部结构图像与所述样品元素分布图像融合以获得样品结构及元素分布信息。
在上述的全场X射线成像系统中，所述数据处理装置包括：
与所述X射线成像探测器连接的第一数据重构模块，其根据所述X射线显微CT投影数据重构获得样品内部结构图像；
与所述X射线成像光谱仪连接的第二数据重构模块，其根据所述X射线荧光CT投影数据重构获得样品元素分布图像；以及
与所述第一数据重构模块以及第二数据重构模块连接的图像融合模块，其将所述样品内部结构图像与所述样品元素分布图像融合，并获得样品结构及元素分布信息。
在上述的全场X射线成像系统中，所述X射线光源为实验室X光机。
在上述的全场X射线成像系统中，所述铅准直器包括一铅板，且该铅板上开设有供所述X射线光源输出的X射线穿过的通孔。
在上述的全场X射线成像系统中，所述铅板的厚度为5-10mm。
在上述的全场X射线成像系统中，所述通孔的直径为1-5mm。
在上述的全场X射线成像系统中，所述样品台为六维调节样品台，其包括三维平动调节机构以及三维转动调节机构。
本发明之二所述的一种全场X射线成像方法，其包括以下步骤：
步骤S1，利用X射线光源发出X射线，通过铅准直器将所述X射线光源发出的X射线进行限束以形成X射线锥束，并使该X射线锥束照射在放置在样品台上的样品上；
步骤S2，通过X射线成像探测器探测所述样品被所述X射线锥束照射后所透射出的X射线，并获得一组X射线显微CT投影数据，通过X射线成像光谱仪探测所述样品被所述X射线锥束照射后所激发出的特征X射线荧光，并获得一组X射线荧光CT投影数据；
步骤S3，通过数据处理装置接收所述X射线显微CT投影数据以及X射线荧光CT投影数据，并根据所述X射线显微CT投影数据重构获得样品内部结构图像，根据所述X射线荧光CT投影数据重构获得样品元素分布图像，然后将所述样品内部结构图像与所述样品元素分布图像融合以获得样品结构及元素分布信息。
在上述的全场X射线成像方法中，所述步骤S2包括：
步骤S21，通过所述X射线成像探测器和所述X射线成像光谱仪分别探测所述样品在当前位置上被所述X射线锥束照射后所透射出的X射线以及所激发出的特征X射线荧光，并分别获得一个所述X射线显微CT投影数据以及一个所述X射线荧光CT投影数据；
步骤S22，通过所述样品台使所述样品转动一个预设角度；
步骤S23，返回执行所述步骤S21，直至所述样品转动过360°，以获得一组所述X射线显微CT投影数据和一组所述X射线荧光CT投影数据。
在上述的全场X射线成像方法中，所述预设角度为1°。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过采用X射线成像探测器和X射线成像光谱仪分别对样品被X射线锥束照射后所透射出的X射线以及所激发出的特征X射线荧光进行探测，从而获得相应的投影数据，并通过采用数据处理装置对这些投影数据进行重构以及图像融合，从而同时实现了X射线荧光CT与显微CT全场成像，并获得样品中元素三维分布及内部结构信息。由此节约了实验时间，并且有效地扩大了应用范围。
附图说明
图1是传统的实验室显微CT系统的结构示意图；
图2是传统的X射线荧光CT系统的结构示意图；
图3是本发明一种全场X射线成像系统的结构示意图；
图4是本发明一种全场X射线成像系统中数据处理装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图3所示，本发明，即一种全场X射线成像系统，包括：
X射线光源1；
设置在X射线光源1输出侧的铅准直器2，其对X射线光源1输出的X射线进行限束以输出X射线锥束；
设置在铅准直器2输出侧的用于放置样品(图中未示)的样品台3，以使样品接受从铅准直器2输出的X射线锥束照射(X射线锥束的宽度大于样品直径)，并激发出特征X射线荧光；
设置在样品台3一侧的X射线成像探测器4，其探测从样品透射出的X射线，并获得一组X射线显微CT投影数据；
设置在样品台3一侧的X射线成像光谱仪5，其探测样品激发出的特征X射线荧光，并获得一组X射线荧光CT投影数据；以及
与X射线成像探测器4和X射线成像光谱仪5连接的数据处理装置6，其根据X射线显微CT投影数据重构获得样品内部结构图像，根据X射线荧光CT投影数据重构获得样品元素分布图像，并将样品内部结构图像与样品元素分布图像融合(包括图像配准和相加)以获得样品结构及元素分布信息。
在本实施例中，X射线光源1为常规的实验室X光机，其电源高压可调范围为：20kV-300kV。
在本实施例中，铅准直器2包括一厚度为5-10mm的铅板201，且该铅板201上开设有供X射线光源1输出的X射线穿过的通孔202，该通孔202的直径为1-5mm。
在本实施例中，样品台3为常规的六维调节样品台，其包括三维平动调节机构以及三维转动调节机构，从而具有三维平动调节功能以及三维转动调节功能。
在本实施例中，X射线成像探测器4为常规的能对X射线成像的探测器。
在本实施例中，X射线成像光谱仪5为即具有位置分辨能力又具有能量分辨能力的探测器。目前现有的X射线成像光谱仪5的参数为：品牌：SLCam；厂家：IFGInstituteforScientificInstrumentsGmbH.Berlin,Germany；能量分辨率：133eV5.9keV，空间分辨率：130μm40mm×40mm视场；30μm2.5mm×2.5mm视场。
如图4所示，在本实施例中，数据处理装置6具体包括：
与X射线成像探测器4连接的第一数据重构模块601，其根据X射线显微CT投影数据重构获得样品内部结构图像；
与X射线成像光谱仪5连接的第二数据重构模块602，其根据X射线荧光CT投影数据重构获得样品元素分布图像；以及
与第一数据重构模块601以及第二数据重构模块602连接的图像融合模块603，其将样品内部结构图像与样品元素分布图像融合，并获得样品结构及元素分布信息。
基于上述结构，本发明之二，即一种全场X射线成像方法，其包括以下步骤：
步骤S1，利用X射线光源1发出X射线，通过铅准直器2将X射线光源1发出的X射线进行限束以形成X射线锥束，并使该X射线锥束照射在放置在样品台3上的样品上；
步骤S2，通过X射线成像探测器4探测样品被X射线锥束照射后透射出的X射线，并获得一组X射线显微CT投影数据，通过X射线成像光谱仪5探测样品被X射线锥束照射后所激发出的特征X射线荧光，并获得一组X射线荧光CT投影数据；
步骤S3，通过数据处理装置6接收X射线显微CT投影数据以及X射线荧光CT投影数据，并根据X射线显微CT投影数据重构获得样品内部结构图像，根据X射线荧光CT投影数据重构获得样品元素分布图像，然后将样品内部结构图像与样品元素分布图像融合以获得样品结构及元素分布信息。
在本实施例中，上述步骤S2具体包括：
步骤S21，通过X射线成像探测器4和X射线成像光谱仪5分别探测样品在当前位置上被X射线锥束照射后所透射出的X射线以及所激发出的特征X射线荧光，并分别获得一个X射线显微CT投影数据以及一个X射线荧光CT投影数据；
步骤S22，通过样品台3使样品转动一个预设角度(例如1°)；
步骤S23，返回执行步骤S21，直至样品转动过360°，以获得一组X射线显微CT投影数据和一组X射线荧光CT投影数据。
综上所述，本发明实现了集X射线荧光CT与显微CT一体的全场X射线成像。
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。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种全场X射线成像系统，其特征在于，所述系统包括：
X射线光源；
设置在所述X射线光源输出侧的铅准直器，其对所述X射线光源输出的X射线进行限束以输出X射线锥束；
设置在所述铅准直器输出侧的用于放置样品的样品台，以使所述样品接受从所述铅准直器输出的X射线锥束照射，并激发出特征X射线荧光；
设置在所述样品台一侧的X射线成像探测器，其探测从所述样品透射出的X射线，并获得一组X射线显微CT投影数据；
设置在所述样品台一侧的X射线成像光谱仪，其探测所述样品激发出的特征X射线荧光，并获得一组X射线荧光CT投影数据；以及
与所述X射线成像探测器和所述X射线成像光谱仪连接的数据处理装置，其根据所述X射线显微CT投影数据重构获得样品内部结构图像，根据所述X射线荧光CT投影数据重构获得样品元素分布图像，并将所述样品内部结构图像与所述样品元素分布图像融合以获得样品结构及元素分布信息。
2.根据权利要求1所述的全场X射线成像系统，其特征在于，所述数据处理装置包括：
与所述X射线成像探测器连接的第一数据重构模块，其根据所述X射线显微CT投影数据重构获得样品内部结构图像；
与所述X射线成像光谱仪连接的第二数据重构模块，其根据所述X射线荧光CT投影数据重构获得样品元素分布图像；以及
与所述第一数据重构模块以及第二数据重构模块连接的图像融合模块，其将所述样品内部结构图像与所述样品元素分布图像融合，并获得样品结构及元素分布信息。
3.根据权利要求1所述的全场X射线成像系统，其特征在于，所述X射线光源为实验室X光机。
4.根据权利要求1所述的全场X射线成像系统，其特征在于，所述铅准直器包括一铅板，且该铅板上开设有供所述X射线光源输出的X射线穿过的通孔。
5.根据权利要求4所述的全场X射线成像系统，其特征在于，所述铅板的厚度为5-10mm。
6.根据权利要求4所述的全场X射线成像系统，其特征在于，所述通孔的直径为1-5mm。
7.根据权利要求1所述的全场X射线成像系统，其特征在于，所述样品台为六维调节样品台，其包括三维平动调节机构以及三维转动调节机构。
8.一种全场X射线成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，利用X射线光源发出X射线，通过铅准直器将所述X射线光源发出的X射线进行限束以形成X射线锥束，并使该X射线锥束照射在放置在样品台上的样品上；
步骤S2，通过X射线成像探测器探测所述样品被所述X射线锥束照射后所透射出的X射线，并获得一组X射线显微CT投影数据，通过X射线成像光谱仪探测所述样品被所述X射线锥束照射后所激发出的特征X射线荧光，并获得一组X射线荧光CT投影数据；
步骤S3，通过数据处理装置接收所述X射线显微CT投影数据以及X射线荧光CT投影数据，并根据所述X射线显微CT投影数据重构获得样品内部结构图像，根据所述X射线荧光CT投影数据重构获得样品元素分布图像，然后将所述样品内部结构图像与所述样品元素分布图像融合以获得样品结构及元素分布信息。
9.根据权利要求8所述的全场X射线成像方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21，通过所述X射线成像探测器和所述X射线成像光谱仪分别探测所述样品在当前位置上被所述X射线锥束照射后所透射出的X射线以及所激发出的特征X射线荧光，并分别获得一个所述X射线显微CT投影数据以及一个所述X射线荧光CT投影数据；
步骤S22，通过所述样品台使所述样品转动一个预设角度；
步骤S23，返回执行所述步骤S21，直至所述样品转动过360°，以获得一组所述X射线显微CT投影数据和一组所述X射线荧光CT投影数据。
10.根据权利要求8所述的全场X射线成像方法，其特征在于，所述预设角度为1°。
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