CN106483152B - 一种x射线能谱成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X射线能谱成像方法，以X射线能谱合成技术为基础，实现多个能量区域具有窄带能谱的X射线，对检测物体进行透照，得到不同能量区域对应的透照图像，完成X射线能谱成像。由于本发明实施例在以X射线能谱合成技术时，X射线出束设备只是通过不同的滤波参数及不同的出束管电压实现，从而对设备的工艺要求不高，实现简单，易于应用推广。且由于得到的X射线都是不同能量区域的且具有窄带能谱，在后续成像时效果很好。
Description
技术领域
本发明涉及X射线成像技术，特别涉及一种X射线能谱成像方法。
背景技术
在传统的X射线成像检测系统中，射线源由高能电子轰击靶面产生韧致辐射，该辐射线具有连续且能谱分布带宽较宽的特点；X射线的探测器一般采用间接测量模式，是将不同能量的X射线光子激发荧光材料得到的可见光光子进行积分测量，反映X射线的统计衰减特性。采用这种测量模式，X射线的成像过程中能谱的相关信息大量损失，不利于对被检测物体材料的物理性质进行精确判断。在医疗和工业检测领域，传统的X射线成像检测系统检测灵敏度偏低，对于较小对比度差异的物质难以区分，更无法利用X射线能谱的信息对材料物理性质进行后续分析。
从物理学角度分析，不同能量的X射线在穿透不同的物质过程中表现出不同的衰减特性，在一定程度上反映被检物体材料的物体性质。因此，如果在成像过程中能够有效的对X射线束的能量进行区分，则X射线透照图像中将携带更加丰富的谱信息，大大提升X射线成像检测系统的检测性能。经过多年的研究积累，出现了一些分辨不同能量的X射线成像检测技术。
其中，可以采用双能电子计算机断层扫描(CT)技术实现X射线成像检测，过程为：利用两个X射线源，即采用具有不同的能谱分布的两个X射线对物体进行扫描重建，获得被扫描物体等效原子序数和电子密度的分布，从而使X射线程序检测系统具有了物质识别能力。在此基础上，为了避免复杂的扫描和计算，在牺牲掉一定的物质识别精度的前提下，提出了双能X射线透视程序技术。另外，利用大型同步辐射装置可以有效地产生单色X射线，利用探测器与同步辐射装置相结合，可以分析不同能量X射线光子与物质的相互作用规律，提升了CT图像的能量分辨率。近年来随着半导体技术和光电探测技术的发展，出现了一种能够分别X射线能量的光子探测器技术-X射线光子计数探测器，该种探测器依靠能量选通阈值选择性的记录X射线光子，从而达到分辨不同能量X射线光子的目的。
综上，X射线能谱成像的实现方法主要有两种：X射线源为基的方法及以探测器为基的方法。X射线源为基的方法就是改善X射线的单色性，克服X射线源发射能谱较宽而损失能谱信息的问题；以探测器为基的方法是提升探测器的能谱分辨能力，提高其对X射线源发生能谱的精确分辨。无论采用上述哪种方法，都存在缺陷：以探测器为基的方法对设备的工艺要求较高且大多处于研制阶段，无法进行推广应用；以X射线源为基的方法通常采用工艺性要求高的同步辐射装置获取，只能在实验室完成，且由于X射线源有很大的辐射危害，无法进行推广应用。因此，研发出采用滤波方式或反射膜滤镜的方式实现X射线源为基的方法，但是由于采用滤波方式受到滤波材料自身性质的限制，X射线能谱形态的调制能力有限，导致经滤波后的能谱仍然具有较宽的能谱分布，信噪比比较差，从而影响能谱成像的效果；而反射膜滤镜的方式则设备工艺制备复杂，应用推广受到很大限制。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种X射线能谱成像的实现方法，该方法能够简便实现多个能量区域具有窄带能谱的X射线用于成像。
根据上述目的，本发明是这样实现的：
一种X射线能谱成像的方法，包括：
划分X射线能量区域，产生不同能量区域的X子射线序列；
对于每个能量区域的X子射线序列对应的激励时长进行组合，得到每个能量区域具有窄带分布特征的X射线；
将每个能量区域具有窄带分布特征的X射线进行线束强度均衡及能谱的重叠，得到每个能量区域具有窄带能谱的X射线；
采用设定能量区域具有窄带能谱的X射线对检测物体进行透照，得到检测物体的X射线成像。
所述产生不同能量区域的X子射线序列为：
X射线出束设备通过调整不同的滤波参数、X射线束的加载时长及不同的出束管电压，产生不同能量区域的X子射线序列。
所述X子射线序列的子谱的分布函数与设置的目标子谱的分布函数满足的要求为：
(1)目标子谱的主要分量要被所述子谱中任一子谱所包含；
(2)目标子谱主要分量与所述子谱交集外的分量具有快衰减特性；
(3)所述子谱与目标窄谱相交区域的平均强度与所述子谱最大强度的比值要达到设定数值。
所述得到每个能量区域具有窄带分布特征的X射线为：
采用所述X子射线序列的子谱的分布函数加权求和得到每个能量区域具有窄带分布特征的X射线。
该方法还包括：将得到的每个能量区域具有窄带分布特征的X射线反馈给产生不同能量区域的X子射线序列的单元，在产生不同能量区域的X子射线序列时进行调整。
由上述方案可以看出，本发明实施例以X射线能谱合成技术为基础，实现多个能量区域具有窄带能谱的X射线，对检测物体进行透照，得到不同能量区域对应的透照图像，完成X射线能谱成像。由于本发明实施例在以X射线能谱合成技术时，X射线出束设备只是通过不同的滤波参数及不同的出束管电压实现，从而对设备的工艺要求不高，实现简单，易于应用推广。且由于得到的X射线都是不同能量区域的且具有窄带能谱，在后续成像时效果很好。
附图说明
图1为本发明实施例提供的X射线能谱成像方法流程图；
图2为本发明实施例得到不同能量区域具有窄带能谱的X射线的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的多能量区域能谱合成过程的示意图，结合图3。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
由常规的X射线出束设备机理可知：一定出束管电压对应的X射线能谱呈连续分布特性，并且分布带宽较大，不利于透照图像中能谱信息的有效利用。在X射线成像系统中，当采用多个X射线源设置不同出束管电压参数并行激励或单个源变管电压参数串行激励程序时，综合成像的效果相当于多个X射线束能谱合成谱对应的X射线束作用于X射线探测器的结果。本发明实施例就应用上述原理，以X射线能谱合成技术为基础，实现多个能量区域具有窄带能谱的X射线，对检测物体进行透照，得到不同能量区域对应的透照图像，完成X射线能谱成像。
具体地说，首选，对X射线能量区域进行分割，X射线出束设备通过不同的滤波参数及不同的出束管电压，得到不同能量区域的具有能谱分布特性的子射线束序列；其次，对得到的子射线束序列对应的激励时长进行组合，得到组合的X射线束，所述组合的X射线束对应能谱具有所设置的能量区域的窄带分布特性；最后，对组合的X射线束进行对应能量区域的线束强度均衡及对应能谱的重叠，得到多个能量区域具有窄带能谱的X射线。后续就可以采用所述的X射线对检测物体进行透照后成像。
这样，就可以大大提升X射线能谱的利用效率，通过不同能量区域具有窄带能谱的X射线对应的透照图像可以对检测物体进行有效识别。采用本发明实施例提供的方法对物体进行CT扫描，可以获取不同能量区域对应的检测物体的CT切片图像，可以达到采集CT重建的效果。
图1为本发明实施例提供的X射线能谱成像方法流程图，其具体步骤为：
步骤101、划分X射线能量区域，产生不同能量区域的X子射线序列；
在本步骤中，可以采用X射线出束设备通过调整不同的滤波参数、X射线束的加载时长及不同的出束管电压，产生不同能量区域的X子射线序列；
步骤102、对于每个能量区域的X子射线序列对应的激励时长进行组合，得到每个能量区域具有窄带分布特征的X射线；
在本步骤中，采用子谱的分布函数加权求和得到每个能量区域具有窄带分布特征的X射线；
步骤103、将每个能量区域具有窄带分布特征的X射线进行对应能量区域的线束强度均衡及能谱的重叠，得到每个能量区域具有窄带能谱的X射线；
步骤104、采用设定能量区域具有窄带能谱的X射线对检测物体进行透照，得到检测物体的X射线成像。
图2为本发明实施例得到不同能量区域具有窄带能谱的X射线的结构示意图。按照本发明实施例提供的方法，能量区域I～N中对应的窄带能谱是由该能量区域内具有能谱分布特征的若干子谱的能谱分布函数进行加权求和得到，为了使得子谱分布函数通过一定的运算获取与目标窄带能谱相匹配的合成能谱，需要对子谱分布特征参数进行优化设置。为此，在图2中，设置了子谱参数优化模块，该模块按照一定的规则，对不同能量区域的子谱的能谱分布参数进行预设。
在这里，子谱就是X子射线序列的能量谱，简称子谱。
在特定能量区域内子谱分布参数预设后，需要利用子谱合成该能量区域的窄带能谱。由于目标窄带能谱的分布函数由子谱的分布函数加权求和得到，各子谱的权值如何选取是决定合成能谱与目标能谱匹配度的关键，图2中的窄谱能谱优化合成模块用于合成过程中子谱函数权系数的优化求解，并通过反馈模块对字谱参数优化模块中的子谱分布函数进行微调，使得合成能谱分布函数与目标能谱达到一定的相关程度。
在能量区域I～N中目标窄带能谱合成过程中，还需要对不同能量区域合称能谱的能谱交叠率和各能量区域窄带能谱的强度均衡性进行综合考虑。图2中设置了能量均衡及能谱重叠优化处理模块，该模块在多能量区域能谱合成过程中对合成谱的交叠率和能量均衡度进行约束，以保证实施过程中各能量区域合成谱对应射线束均具有较好的检测能力，同时保证合成谱间的重叠率尽量小，以保证能谱信息的充分利用。
通过上述各模块的配合，最终获取对应不同能量区域具有窄带能谱的X射线，在实际检测过程中合成能谱对应X射线束作用于物体与子谱序列对应射束作用于物体的效果一致。从而可以获取具有较强能谱分辨的成像数据，进而实现能谱成像。
图3为本发明实施例提供的多能量区域能谱合成过程的示意图，结合图3，对本发明实施例提供的方法进行详细说明。
本发明实施例旨在利用传统的X射线成像检测系统，通过X射线出束设备的变电压串行激励透照检测物体的方法达到不同能量区域中等效窄谱X射线束透照的效果。基于X射线的产生机理可知：出束管电压决定了射线束的能谱分布状态及射线光子的短波限，出束管电流和透照时长决定了射线束的统计强度，滤波器的参数决定了射线束的长波限及能谱调制状态。
因此，该实施例中，将设定能量区域具有窄带能谱分布特征的射线束合成过程表示如下：
其中，f(λ)为合成窄谱的谱密度分布函数，其分布特征由实际检测需求决定；gi(λ)为指定能量区域λmin～λmax中用于谱合成的原始子谱的谱密度分布函数，原始子谱的分布函数由出束管电压参数决定；hi(λ)为子谱gi(λ)的调制函数，实际操作过程中通过滤波材料及厚度等参数决定；Ni为调制后子谱对应射线束的加载权重，通过调节子谱对应射线束的加载时长对其进行调节。
为保证合成过程的可实施性和控制运算过程的复杂度，本发明实施例首先对合成能谱的分布能量区域、带宽参数进行限定。基于限定的合成谱能区及带宽参数，并对预定合成能谱进行表征，记为f(λ)。其次，对子谱数量及谱分布状态进行限定。在实际操作过程中调节出束管电压可以对原始X射线束的谱分布特征进行调节，调节滤波材料及厚度可以对原始子谱的长波限和强度进行调制。为简化实施过程的环节，保证方法的可实施性，本发明实施例针对特定能量区域的窄谱合成目标，通过出束管电压参数和滤波参数的预先设定，实现原始子谱的数量及分布形态的限制。在子谱的预设环节，需要保证目标窄谱的分布函数和子谱分布函数间的关系满足如下要求：
(3)目标窄谱的主要分量要被子谱集合中任一子谱所包含；
(4)目标窄谱主要分量与子谱交集外的分量要具有快衰减特性；
(5)子谱与目标窄谱相交区域的平均强度与子谱最大强度的比值要达到一定数值。
以上述要求为基础，确定特定能量区域中出束管电压参数集合{U1,U2,...,Um}与滤波参数集合{L1,L2,...,Ln}，这样共确定了m×n种基础子谱，基础子谱的分布形态和相对强度被不同的出束管电压和滤波参数组合确定，随之对各基础子谱的分布函数进行表征，记为gi(λ)。本发明实施例的子谱优化选择模块利用优化算法从m×n种基础子谱中选择数量最少的可能的组合，优化选取结果通过评价函数进行评价，评价函数主要对合成谱的带宽及合成谱在带宽范围内的强度进行综合评价，并实时反馈给图2中的子谱优化选择模块，最终确定一组用于实施的子谱射束生成所需的出束管电压、滤波参数、及子谱权重参数集合。按照优化获取的参数集合，通过变电压、变滤波参数及激励时长可以获取与合成能谱对应射束等效的激励效果。上述指定能量区域窄谱合成的实施过程能够在指定能量区域实现与目标窄谱分布对应射线束等效的透照效果，获取的图像信息能够反映目标窄带能谱射束透照的信息。在合成的过程中目标窄带能谱的带宽及强度数值是实施过程中的重点考核指标。
首先定义λbottom和λtop为截断合成谱强度与合成能谱强度比例为α时对应的短波和长波方向的界限，λmin和λmax为用于合成窄谱的子谱集合的短波和长波方向界限，则定义如下指标函数对合成谱进行考核：
Δλ＝λtop-λbottom
其中，Δλ为合成谱的有效带宽，此数值根据待检测物体的材料属性进行具体的设置；α为合成谱有效带宽内的X射线束强度与合成谱总强度间的比值，该数值越接近1表明有效带宽外X射线束的强度衰减越快，合成谱有效带宽内对应的X射线束越具有较好的检测能力。合成能谱过程中通过对上述评价参数的定义及实施考核，可以对优化过程提供有力的反馈。
实现能谱成像是本发明实施例的一个重点，即利用多个能量区域中具有窄带分布特征的射线束透照物体后的图像信息进行获取、融合以获取较好的谱分辨能力。因此，本发明将传统X射线源出束对应的有效能量区域划分为若干个能量区域，在每个能量区域分别实施窄谱合成过程，从而获取不同能量区域的多个合成窄带能谱对应射束激励图像。
实施过程中为了更好的利用X射线的能谱信息，一方面要求合成能谱的能谱分布带宽及合成X射线束的强度要达到设计目标，X射线强度目标是保证合成射束对物体能够有效透照，能谱分布带宽的窄带特征是保证合成射束尽可能的接近单能透照。另一方面对不同能量区域的合成谱之间的要求是合成能谱之间的交叠尽可能小并且射线束能量尽量均衡，合成能谱间交叠区域小能够保证探测信息的谱分辨能力，合成X射线束能量均衡能够保证多能透照信息融合后的灰度变化规律，同时降低探测器信号放大系数调整的难度。
上述不同能量区域合成谱的评价可以定义如下两个函数：
其中，H(fi(λ),fi+1(λ))表征相邻能量区域合成谱fi(λ)和fi+1(λ)之间的交叠程度，该函数取值越接近零表示两个合成谱之间的交叠区域越小；L(fi(λ),fi+1(λ))表征相邻能量区域合成谱对应射线束强度的均衡程度，该函数取值越接近零表示其射线束强度的均衡性越好。多能区能谱合成环节，可以通过上述函数对合成谱间的关系参数进行考核，并对反馈给合成过程。
综上所述，本发明通过能区及基础子谱的规划和窄带能谱优化合成过程的实施，可以获取多个能量窗口对应的透照图像，大大提升了X射线检测过程的谱分辨能力。
以上举较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种X射线能谱成像的方法，其特征在于，包括：
划分X射线能量区域，产生不同能量区域的X子射线序列；
对于每个能量区域的X子射线序列对应的激励时长进行组合，得到每个能量区域具有窄带分布特征的X射线；
将每个能量区域具有窄带分布特征的X射线进行线束强度均衡及能谱的重叠，得到每个能量区域具有窄带能谱的X射线；
采用设定能量区域具有窄带能谱的X射线对检测物体进行透照，得到检测物体的X射线成像；
所述得到每个能量区域具有窄带分布特征的X射线为：
采用所述X子射线序列的子谱的分布函数加权求和得到每个能量区域具有窄带分布特征的X射线。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产生不同能量区域的X子射线序列为：
X射线出束设备通过调整不同的滤波参数、X射线束的加载时长及不同的出束管电压，产生不同能量区域的X子射线序列。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述X子射线序列的子谱的分布函数与设置的目标子谱的分布函数满足的要求为：
(1)目标子谱的主要分量要被所述子谱中任一子谱所包含；
(2)目标子谱主要分量与所述子谱交集外的分量具有快衰减特性；
(3)所述子谱与目标子谱相交区域的平均强度与所述子谱最大强度的比值要达到设定数值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：将得到的每个能量区域具有窄带分布特征的X射线反馈给产生不同能量区域的X子射线序列的单元，在产生不同能量区域的X子射线序列时进行调整。
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