CN106248705A - 一种混合x射线荧光ct与x射线声波ct的成像方法及系统 - Google Patents

一种混合x射线荧光ct与x射线声波ct的成像方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种混合X射线荧光CT与X射线声波CT的成像方法及系统，包括X射线源、准直器、X射线超声探测器、两个X射线荧光探测器、数据处理系统。X射线源发出的光经过准直器照射到被检测样品，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光和声波；X射线超声探测器包裹住整个被检测样品，其球心在被检测样品最左端的垂线与准直器正右方中线的交点处，两个荧光探测器分别在被检测样品的左上方和左下方，二者延长线夹角范围为90°～150°，数据处理系统对X射线荧光探测器和X射线声波探测器探测的X射线荧光信息和声波信息进行处理并对样品进行重建。本发明能提高医学CT图像不同软组织分辨率及对比度，降低基于X‑CT技术成像生物组织样品所受剂量。

Description

一种混合X射线荧光CT与X射线声波CT的成像方法及系统
技术领域
本发明涉及两种X射线成像技术，特别涉及非同步辐射微束X射线荧光CT方法及X射线声波CT方法。
背景技术
X射线计算机断层成像技术(X-ray Computed Tomography，X-CT)是当今生物医学影像领域的研究热点之一，对一些医学疾病的诊断发挥着举足轻重的作用。近年来，X射线成像领域出现了一种新型的X射线技术——X射线荧光计算机断层成像(X-rayFluorescence Computed Tomography,XFCT)方法，该技术是X射线CT和X射线荧光分析两种技术有机结合的产物，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。X射线荧光CT技术在测量待测元素的空间分布和浓度有其独特的优势，可以推动X-CT技术在分子功能成像中的应用。尤其是，结合分子靶向治疗技术，通过探测标靶分布及富集程度，有助于对分子发病机理的研究。
图1为传统X射线荧光CT成像系统的结构框图，包括一个X射线源1、一个准直器2，一个X射线荧光探测器5、一个数据处理系统6。在准直器右方和X射线荧光探测器上方放置被检测样品3，X射线荧光探测器垂直于入射X射线方向。X射线源发出的X射线光经过准直器照射到被检测样品，通过控制被检测样品转动，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光，利用荧光探测器对所述X射线荧光进行探测；荧光探测器与数据处理系统信号连接，数据处理系统将荧光探测器测得的X射线荧光光谱经分析处理得到X射线荧光CT的投影数据，再通过X射线荧光CT图像重建算法对所述样品中元素分布和含量进行重建。传统的X射线荧光CT方法中，需要较多的X射线投影数据进行荧光CT成像，投影数据的增加会导致样品所受辐射剂量增加，在生物医学上会增加人体患癌症的风险。而且荧光CT成像的分辨率对比度也需得到进一步的提高。
与此同时，人们开始研究X射线声波信息以提高成像的分辨率和对比度，由此，一种新型的X-CT技术——X射线声波计算机断层成像(X-ray-Induced AcousticTomography，XACT)应运而生。XACT方法是将光学成像和超声成像结合起来,它通过测量样品被X射线所激发的声波信号而实现对组织体较大深度的高分辨率、高对比度的功能成像，该方法仅用单个投影X射线即能够产生声波信号，进行成像处理，能有效降低样品所受剂量。
图2为传统X射线声波CT成像系统的结构框图，包括一个X射线源1、一个准直器2，一个X射线超声探测器4、一个数据处理系统6。超声探测器是半球体探测器，包裹住整个被检测样品3，其球心在样品最左端的垂线与准直器正右方中线的交点处。样品放置在准直器正右方和X射线超声探测器内部。X射线源发出的X射线光经过准直器照射到被检测样品，通过控制被检测样品转动，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生声波，利用声波探测器对所述X射线声波进行探测；声波探测器与数据处理系统信号连接，数据处理系统将声波探测器测得的X射线声波信息经分析处理得到X射线声波CT的投影数据，再通过X射线声波CT图像重建算法对所述样品进行重建。X射线声波CT成像能够有效降低X射线辐射剂量，提到成像分辨率及对比度。
X射线荧光CT和X射线声波CT的问世，无疑，对X-CT成像技术的发展具有革命性意义。基于此，设计一种基于X射线荧光CT和X射线声波CT结合成像方法，为解决医学CT图像不同软组织对比度较差等问题提供一种可行的方案，降低了基于X-CT技术成像样品所受剂量，成为了本发明所关注的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种混合X射线荧光CT与X射线声波CT的成像方法及系统，以提高医学CT图像不同软组织分辨率及对比度，降低基于X-CT技术成像生物组织样品所受剂量。
本发明所采用的技术方案如下：
一种混合X射线荧光CT与X射线声波CT的成像方法及系统，包括一个X射线源、一个准直器、两个X射线荧光探测器、一个X射线超声探测器、数据处理系统。所述准直器设置在X射线源发出的X射线光路上，X射线源发出的X射线光经过准直器照射到被检测样品，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光和声波；所述X射线超声探测器是半球体探测器，包裹住整个被检测样品，其球心在被检测样品最左端的垂线与准直器正右方中线的交点处，两个荧光探测器分别在被检测样品的左上方和左下方，二者延长线夹角范围为90°～150°，X射线荧光探测器和X射线声波探测器分别对所述X射线荧光和声波进行探测；所述X射线荧光探测器及X射线声波探测器均与数据处理系统信号连接，由数据处理系统对X射线荧光信息和声波信息进行处理并对所述样品进行重建。
作为优选，该成像系统的X射线源采用短脉冲光源，可同时为X射线荧光CT和X射线声波CT成像提供X射线束，从而使得该系统具有X射线荧光CT成像功能和X射线声波CT成像功能。
作为优选，在所述成像系统中，X射线荧光CT探测器采用高精度单像素X荧光探测器，有助于测定样本内部元素的空间分布及浓度；采用两个X射线荧光CT探测器有助于获得更多的荧光信息；两个X射线荧光CT探测器延长线夹角范围为90°～150°，在该范围内探测器能获得满足要求的荧光信息。
作为优选，重建方法采用基于先验信息的X射线压缩感知CT图像重建方法，获得的声波CT投影数据作为先验信息采用X射线声波CT图像重建方法获得重建图像，该图像作为先验图像结合荧光CT投影数据采用X射线荧光CT图像重建方法获得重建图像，该方法能充分结合声波和荧光信息，在低剂量的情况下重建高质量的CT图像。
本发明采取的重建方法可参考文献【1】Liangzhong X.,et al.(2016).“HighResolution X-ray-InducedAcoustic Tomography.”Scientific Reports.【2】Hogan,J.P.,et al.(1991)."Fluorescent Computer Tomography:A Model for Correction ofX-ray Absorption."Nuclear Science,IEEE Transactions on 38(6):1721-1727.【3】Luzhen,D.,et al.(2016).“An Improved Total Variation Minimization Method UsingPrior Images and Split-Bregman Method in CT Reconstruction.”BioMed ResearchInternational.
本发明的优点如下：
本发明提供的基于X射线荧光CT和X射线声波CT技术的结合成像系统，不仅改善了X-CT结构成像效果，而且有助于推动X-CT在功能成像方面的应用。利用X射线荧光CT进行功能成像，分析金纳米粒子对组织、细胞的靶向特异性，结合分子靶向治疗技术，探测标靶分布及富集程度，有助于医学疾病的诊断和治疗。利用X射线声波CT进行结构成像，实现对组织体较大深度的高分辨率、高对比度的功能成像，且仅用单个投影X射线即能够产生声波信号，进行成像处理，能有效降低样品所受剂量，
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为传统X射线荧光CT成像系统的结构框图；
图2为传统X射线声波CT成像系统的结构框图；
图3为本发明的结构框图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面将结合附图，对本发明的成像系统及方法进行详细的描述。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
图3为本发明的结构框图，本发明具有两种功能成像：X射线荧光CT成像功能和X射线声波CT成像功能。系统包括一个X射线源1、一个准直器2，一个X射线超声探测器4、两个X射线荧光探测器5，数据处理系统6。
X射线超声探测器4是半球体探测器，包裹住整个被检测样品3，其球心在样品最左端的垂线与准直器正右方中线的交点处。
被检测样品3放置在准直器2正右方，并位于X射线超声探测器4内部。两个荧光探测器5分别在样品3的左上方和左下方，二者延长线夹角范围为90°～150°，X射线荧光探测器5采用高精度单像素X荧光探测器。
X射线源1采用短脉冲光源，发出的X射线光经过准直器2照射到被检测样品3，通过控制被检测样品转动，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光和声波，利用荧光探测器4和声波探测器5分别对所述X射线荧光和声波进行探测；荧光探测器4及声波探测器5均与数据处理系统6信号连接，数据处理系统6将荧光探测器及声波探测器测得的X射线荧光信息和声波信息经分析处理得到X射线荧光CT投影数据和声波CT的投影数据，将声波CT投影数据作为先验信息结合荧光CT投影数据通过X射线压缩感知CT图像重建算法对所述样品进行重建。
本发明进一步提出采用以上系统进行荧光CT和声波CT结合成像方法，包括以下步骤：
(1)将X射线源发出的X射线光经过准直器，照射到被检测样品，将被检测样品转动，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光和声波；
(2)利用荧光探测器和声波探测器分别对所述X射线荧光和声波进行探测，两个荧光探测器分别在样品的左上方和左下方，二者延长线夹角范围为90°～150°，超声探测器是半球体探测器，包裹住整个被检测样品，其球心在样品最左端的垂线与准直器正右方中线的交点处。荧光探测器能对某两个区域内的所有荧光进行探测，得到X射线荧光光谱数据；声波探测器能对样品发射到各个方向上的声波进行探测，得到X射线声波数据。
(3)对所述的X射线荧光光谱进行分析处理得到X射线荧光CT的投影数据，对所述的X射线声波数据进行分析处理得到X射线声波CT的投影数据；
(4)根据所述的声波CT投影数据以及X射线荧光CT投影数据对所述被检测样品进行重建。
以上所述的仅仅是本发明的一些实施方式，本领域的技术人员在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进，但这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种混合X射线荧光CT与X射线声波CT的成像系统，其特征在于，包括一个X射线源、一个准直器、一个X射线超声探测器、两个X射线荧光探测器、数据处理系统；所述准直器设置在X射线源发出的X射线光路上，X射线源发出的X射线光经过准直器照射到被检测样品，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光和声波；所述X射线超声探测器是半球体探测器，包裹住整个被检测样品，其球心在被检测样品最左端的垂线与准直器正右方中线的交点处，两个荧光探测器分别在被检测样品的左上方和左下方，二者延长线夹角范围为90°～150°，X射线荧光探测器和X射线声波探测器分别对所述X射线荧光和声波进行探测；所述X射线荧光探测器及X射线声波探测器均与数据处理系统信号连接，由数据处理系统对X射线荧光信息和声波信息进行处理并对所述样品进行重建。
2.根据权利要求1所述的混合X射线荧光CT与X射线声波CT的成像系统，其特征在于，所述X射线源采用短脉冲光源。
3.根据权利要求1所述的混合X射线荧光CT与X射线声波CT的成像系统，其特征在于，所述X射线荧光探测器采用高精度单像素X荧光探测器。
4.一种采用权利要求1、2或3所述的系统进行混合X射线荧光CT与X射线声波CT成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将X射线源发出的X射线光经过准直器，照射到被检测样品，转动被检测样品，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光和声波；
(2)利用X射线荧光探测器对某两个区域内的所有荧光进行探测，得到X射线荧光光谱数据；利用X射线声波探测器对样品发射到各个方向上的声波进行探测，得到X射线声波数据；
(3)数据处理系统对获得的X射线荧光光谱数据进行分析处理得到X射线荧光CT的投影数据，对获得的X射线声波数据进行分析处理得到X射线声波CT的投影数据；
(4)数据处理系统将声波CT投影数据作为先验信息结合X射线荧光CT投影数据通过X射线压缩感知CT图像重建方法对所述样品进行重建。
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