CN107003420B - 关于x射线装置中散射的改进及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种X射线装置，包括X射线源和X射线检测器，两个部件之间设有干扰入射在其上的X射线光子的元件。所述装置进一步包括代表材料类型和材料厚度值的第一数据库、指示材料类型和/或材料厚度的散射辐射值的第二数据库、可执行将X射线检测器的输出信号与第一数据库中的数值进行比较的算法并且可输出来自第一数据库最可能的材料和/或厚度的处理器；从第二数据库中选择与材料类型和/或材料厚度相关联的散射辐射；将散射辐射从X射线检测器的输出信号中去除。

Description

关于X射线装置中散射的改进及其使用方法
技术领域
本发明涉及通常利用防散射栅格的X射线设备，尤其是涉及一种提供用于分析X射线图像的散射X射线的装置。
背景技术
物体受到X射线辐射时，一些X射线光子被吸收，一些穿过物体、非散射地撞击到X射线探测器上。这称为“直接辐射”。一些X射线被吸收，而其他的X射线散射。所产生的散射强度可能超过由检测器检测到的直接辐射的大小。散射辐射由于对比度降低和噪声增加而导致图像质量很差。吸收的X射线可提供X射线图像中的对比度。因为无法识别散射的X射线光子来自哪里，若散射X射线光子撞击检测器，将增加图像中的随机噪声。
解决散射问题最广泛采用的技术是在X射线检测器和待测对象之间放置防散射栅格。所述防散射栅格包括由X射线吸收材料形成的一系列间隔开的平行薄片。大部散射X射线与其中一个薄片接合并吸收。因此，主要是当存在防散射栅格时由X射线检测器检测到的直接辐射。
在US1164987(Bucky)中说明了原始的防散射栅格。
防散射栅格的其中一个问题是，除了可减少检测图像中散射的影响之外，吸收薄片的X射线可吸收一些直接辐射，即那些在薄片的路径中行进的光子。
为了补偿反散射栅格中损失的光子，并因此补偿图像质量的降低，通常的做法是增加X射线流量。然而，当X射线成像是X射线敏感材料时是不利的。这在医学成像中是最受关注的，其中必须增加患者的X射线辐射剂量以补偿存在的抗散射栅格。
人们已进行了一些尝试以减少X射线成像中使用的X射线功率。
US7551716使用数学方法代替了防散射栅格以大致确定散射X射线光子。人们认为通过使用数学方法以大概确定散射X射线光子，与使用防散射栅格的X射线装置相比，可减小X射线剂量或增加信噪比。
申请人提交的编号为GB2498615的专利申请中说明了一种包括多吸收板的X射线装置。在此类X射线装置中，X射线能谱以许多不同的方式干扰。该装置和方法提供了可识别材料性质的信息。编号为GB2498615的专利申请案通过引用并入本文。
现有技术解决了由散射辐射引起的问题，即通过使用防散射栅格来明显减少散射辐射，或者通过使用数学校正来消除对来自X射线图像的散射辐射的估值。
本发明利用涉及测量直射和散射辐射的新方法解决了散射问题。这是通过对直射和散射辐射产生影响的装置进行改变来实现的。
以前，人们认为散射辐射会对X射线图像产生负面影响。之前针对散射问题的尝试重点在于进一步去除散射辐射，使图像尽可能通过直接X射线辐射撞击在X射线检测器上形成。
除了测量散射辐射之外，本发明提供了用于识别材料和材料厚度以及改善对比度噪声比的散射辐射。
通过将来自X射线检测器的测量输出信号与散射辐射的独立测量进行比较，则可识别包含直接辐射和散射辐射的图像内的散射辐射，并从图像中去除散射辐射。由此可提高对比度噪声比。在医疗应用和使用X射线来分析可受到X射线伤害的材料的其它应用情况下，本发明既允许减少剂量以产生相似的图像标准，也允许使用相同的X-ray剂量产生更好的图像。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种X射线装置，该装置包括X射线源和多像素X射线检测器，两个部件之间设有可干扰入射在其上的X射线光子的元件，其中该元件可改造，从而根据此类X射线光子的入射角度，可以不同方式干扰入射到其上的X射线光子，所述元件包括由对X射线光子表现出至少部分半透明的材料形成的多个元件，该装置还包括
表明材料类型和/或材料厚度值的第一数据库、
表明材料类型和/或材料厚度的散射辐射值的第二数据库、
可进行以下算法的处理器：
i)将X射线检测器每个像素的输出信号与第一数据库中的值进行比较，并从第一数据库输出最可能的材料和/或厚度；
ii)从第二数据库中选择与步骤(i)中的材料类型和/或材料厚度相关联的散射辐射；
iii)从X射线检测器的输出信号中去除散射辐射。
有利的是，该算法包括以下步骤：通过将去除的散射辐射与检测器空间位置处的输出信号相加，来改变X射线检测器的输出信号，使去除的散射辐射的X射线光子受到干涉，如未受到散射一样。
无散射的情况下，例如通过利用防散射栅格可基本创建代表材料类型和/或厚度的第一数值数据库。
可针对每个像素进行X射线输出信号的算法。
优选地，该算法包括步骤iii中输出上进行材料和/或厚度识别步骤的步骤，利用算法步骤ii和iii中至少一个的进一步迭代来识别材料和/或厚度。
有利的是，该算法还包括确定改变的X射线输出信号是否优化的进一步步骤。
确定改变的X射线输出信号是否优化的步骤可包括：将表示当前迭代图像中的材料类型和厚度值与表示先前迭代图像中的材料类型和/或厚度值、或表示先前迭代次数中材料类型和/或厚度值的平均值进行比较，并且确定指示当前迭代图像中材料类型和/或厚度值是否在阈值内、前一次迭代的材料类型和/或厚度的指示值、或多次先前迭代的材料类型和/或厚度值的平均值。若比较值在阈值内，则可停止算法步骤(i)至(iii)的重新迭代。
该算法进一步包括：通过将去除的散射辐射与检测器空间位置处的输出信号相加，来改变X射线检测器的输出信号，使去除的散射辐射的X射线光子受到干涉，如未受到散射一样。
优选地，指示材料类型和/或厚度的散射辐射值的第二数据库中的散射值是散射核。
散射核可定义为通过材料从单个轨道X射线光子散射的典型。
数据库可填有表示期望材料范围中一些材料的识别和/或厚度的散射核。
去除来自X射线检测器输出信号的散射辐射的步骤可包括：对于检测器的每个像素，内插从步骤ii数据库中选择的多个散射核中的一个的步骤，且进一步包括生成来自与每个像素相关联的内插散射核的整个X射线检测器输出信号的散射估值的步骤。
有利的是，元件是多吸收板(MAP)，所述MAP是包括多个不同区域的板，不同区域入射X射线能量的透明度不同。多个不同区域可形成重复图案，其中相邻区域入射X射线能量的透明度不同。
优选地，图像拍摄时，所述元件保持在静止位置。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括X射线源和多像素X射线检测器的X射线装置，并且其间设有可干扰入射在其上的X射线光子的元件，其中所述元件适于使装置具有至少两种不同的构造，并且其中所述元件区别地干扰不同构造中的X射线光子。
优选地，所述元件是可移动的，以使装置具有至少两种不同的构造。
一个实施例中，元件是多吸收板(MAP)，所述MAP是包括多个不同区域的板，每个区域入射X射线能量的透明度不同。此类MAP在一个轴、两个轴或三个轴上可移动，并且轴可彼此正交。
通过移动所述元件，每个不同的构造中任意一个X射线光子可能遇到的元件部分不同，因此该装置的每个不同构造的散射图案不同。
直接辐射的情况下，已知不同构造之间移动的效果始终是相同的。将元件从构造(a)移动到构造(b)始终对直接辐射具有相同的效果。将元件从构造(b)移动到构造(c)始终对直接辐射具有相同的效果，尽管该效果可能与从构造(a)移到构造(b)的效果不同。利用该知识，可识别直接辐射，进而识别散射辐射，因为散射辐射是非直接辐射的辐射。
另一实施例中，元件非常类似于防散射栅格(除了各薄片可旋转地安装在框架内)。旋转框架内的薄片可改变装置的构造，因为薄片与轴线平行的散射图案不同于薄片与所述轴线平行的位置大约呈5度角的图案，其中，所述轴线从x射线源延伸到x射线检测器。
另一实施例中，当应用信号(例如电流)时，所述元件可由在平面构造和弯曲构造之间变化的记忆金属形成，而无需移动MAP或安装防散射栅格薄片以便旋转。
另一实施例中，所述元件由压电材料形成，可在施加电流时改变尺寸。
所述元件包括可旋转地安装在框架内的单独薄片。
所述元件可由记忆金属形成，施加信号时所述记忆金属的形状改变进而使构造改变。所述元件可由记忆金属形成，收到信号时所述记忆金属在平面和弯曲构造之间改变。
所述元件可由压电材料形成，施加电流时所述压电材料的尺寸和/或形状改变。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括X射线源和多像素X射线检测器的X射线装置，两个部件之间设有可干扰入射在其上的X射线光子的元件，其中该元件可改造，从而根据此类X射线光子的入射角度，可以不同方式干扰入射到其上的X射线光子，所述元件包括由对X射线光子表现出至少部分半透明的材料形成的多个元件。
优选地，元件在轴线方向而非垂直于其的方向上进一步延伸，所述轴线从X射线源延伸到X射线检测器。
当散射X射线光子撞击其中一个元件时，散射X射线光子是否可穿过所述元件或由其吸收、以及其穿过元件的能量应取决于所述元件上X射线光子的入射角。这是因为X射线光子的入射角决定了入射X射线光子必须通过的材料厚度，当然，入射角相同条件下，入射到靠近角落的元件上的X射线光子的材料厚度比入射到远离角落的元件小。
根据本发明的另一方面，提供了一种从X射线图像去除散射辐射的方法，包括以下步骤：将待测材料暴露于根据本发明第一方面所述的装置中，并改变测试期间元件的构造；分析X射线图像并识别X射线图像中的直接辐射和散射辐射，并从X射线图像中去除所识别的散射辐射。
从X射线图像去除散射辐射的方法进一步包括识别材料类型和/或材料厚度的步骤。
材料类型和/或厚度可通过去除的散射辐射识别。可根据所识别的材料类型和/或厚度来改变X射线图像。
根据本发明的另一方面，提供了一种从原始X射线图像中的散射辐射识别材料和/或材料厚度的方法，包括散射和直接X射线辐射。
使用本发明的装置测试未知材料和/或厚度时，将得到的散射图案与数据库中的散射图案进行比较，可识别大多数材料和/或厚度，从而可确定材料和/或厚度。
为了识别材料和/或厚度，已知厚度的已知材料可暴露于根据本发明第二方面所述装置中的X射线光子，测试期间该元件的构造改变。这使不同的散射图案与已知材料和/或厚度的元件的不同构造一致。可存储在数据库中。可在每个像素的基础上完成，即每个像素的多像素检测器的输出。
已知材料类型和/或厚度的散射图案也可记录并存储在数据库中。
附图说明
附图中，以示例方式示出了本发明的优选实施例：
图1是根据本发明的装置的示意图；
图2是本发明的元件的示例示意图；
图3是本发明的替代元件的示例示意图；
图4是本发明另一替代元件的示例示意图；
图5是本发明另一替代元件的示例示意图；
图6是本发明另一替代元件的示例示意图；
图7是本发明另一替代元件的示例示意图；
图8a和8b是本发明的替代实施例示意图；和
图9是图8a和8b所示本发明实施例的操作方法流程图；
图10是图8a和8b所示本发明实施例的操作方法的另一流程图；
图10a是图8a和8b所示本发明实施例的替代操作方法的流程图。
图11a是根据本发明实施例(如图8a至10所示)、处理之前所测样本图像；图11b是根据本发明实施例(如图8a至10所示)、处理之后所测样本的图像；图12a是图11a所示图像的计数v强度的直方图；
图12b是图11b所示图像的计数v强度的直方图；
图12c是散射重新分配之前和之后的多个预期区域的对比度噪声比的曲线图；和
图13是多吸收板的顶视图，其中所述板的定向如图8a和8b所示。
具体附图说明
图1是根据本发明的装置1总体布置的示意图。将X射线源2与检测器3、元件4对准，此时多吸收板或防散射栅格位于其源极侧的检测器3附近。待测样本5位于源2和多吸收板(MAP)或防散射栅格4之间。
图2至7是元件的多种不同替代布置示意图。
图2中，元件4是包括一系列对称步骤4a、4b、4c的MAP，从而当与MAP的最外面部分相比时，MAP的中心部分4c是材料厚度的三倍。所述MAP可侧向移动(如图2左所示)、或向上和向下移动(如图2右所示)。现左图展示了设备的六种不同构造。最上面的各图展示了实体阴影中MAP4的新位置，以及阴影中最顶图MAP的位置。当然，除了作为替代方案，MAP 4非侧向移动，而是来回移动。
右图展示了MAP的五种不同构造。中图展示了其移动之前的MAP。中图上方的图展示了垂直方向上向上运动的两个步骤，而中图下方的图展示了垂直方向上向下移动的两个步骤。
如图2所示，随着MAP水平或垂直移动，在特定路径上行进的X射线光子必须通过的材料厚度将随MAP的位置而变化。
图3中，元件4由彼此叠置的多个板6a、6b组成。每个板6a、6b由材料栅格构成。本实施例中，上板6a比下板6b薄。最顶层图中，栅格6a、6b对齐。最上方图的正下方，上栅格6a已向左移动，从而上栅格6a材料可部分地覆盖下栅格的空间。上栅格进一步移动时，上栅格6a移动，从而可覆盖在下栅格6b的空间之间，并且随着进一步移动，如最下方两张图所示，上栅格6a移动，从而上栅格6a三个部分的材料与下栅格的材料对齐，下栅格的最右边部分不由上栅格覆盖。当然，这个实施例中重要的是所述板6a、6b之间的相对移动。该移动可以是上板和/或下板6a、6b。
同样，本领域技术人员应理解，由待测材料散射X射线光子将根据上下栅格相对于彼此的位置而受到不同的影响。
图4中，元件4包括可安装在框架(未示出)中的上下组7、8薄片7a、8a，从而可实现相对于该框架的相对旋转。随着薄片7a、8a旋转，特定路径上行进的X射线光子，即散射X射线光子或直接X射线光子，必须通过的材料厚度将改变。如图4中的四个图示所示，薄片7a、8a可从其与从X射线源延伸到检测器的轴线基本上处于同一平面的位置，移动到其垂直于该轴线的位置。
形成薄片7a、8a的材料可对X射线光子不透明，或可半透明。下文参照图5更详细地说明了薄片的半透明效应。
图5展示了具有在两个正交方向上延伸的薄片9a、10a的防散射栅格形式的元件4。从左到右延伸的薄片9a对于X射线光子是半透明的，而垂直于其延伸的薄片10a对于X射线光子是不透明的。与轴线呈极小的角度撞击到半透明薄片上的散射x射线光子势必穿过明显较厚的材料(其中，所述轴线从源延伸到x射线检测器)，而散射x射线光子并非以明显较大角度(例如趋向于与上述轴线垂直)撞击到半透明薄片上。该X射线光子通过薄片时衰减很小。因此，应理解，散射X射线光子根据半透明薄片上的入射角而衰减。
图5所示的元件4使用时可呈静态或动态布置。
动态布置中，安装元件4使其可移动，可以类似于图2和图3所示的方式移动。如图所示，直接X射线光子以某种方式(如图5所示)移动元件4的作用总是相同的，并且该预期变化可用于识别直接X射线光子进而识别散射X射线光子。
静态布置中，元件无不同的构造，因此对直接X射线光子的作用不变。但可识别散射X射线光子。
人们知道对于不同的材料类型和厚度，散射X射线光子的图案可作为材料和厚度的特征。通过测试不同已知厚度的不同已知材料，可建立X射线探测器输出数据库。该X射线检测器输出包括记录在每个像素处的信号。在装置1中测试未知材料的样本时，可通过将在相邻像素处接收的信号形式的数据或在相邻像素处接收的信号之间的差异，与信号数据库或与不同已知材料类型和/或厚度有关的信号之间的差异进行比较，来识别样本的材料类型和/或厚度，并基于来自最对应于待测信号或信号之间差异的数据库的信息，来确定样本的材料类型和/或厚度。
图6和图7的构造类似于通过影响元件形成材料的物理变化来改变所述元件1的构造。图6展示了由四个薄片11a形成的元件1，根据施加到其上的电荷，每种压电材料的形状可改变。在一种构造(最上方的图示)中，薄片11a是深而窄的，平行薄片之间的空间明显大于单个薄片11a的宽度。施加电荷并改变压电材料形状，单个薄片变得越来越浅而宽。如图6最下方的图示所示，施加的电荷改变时，材料形状也进一步改变，直到薄片11a均呈现连续的平坦表面。
图7的实施例中，元件1由记忆金属形成，如最上方图示所示，所述记忆金属在平面构造和具有弯曲区域12a、12b的波纹构型之间移动。所述元件1的形状根据施加到其上的电流在两种构造(如图所示)之间改变。
图2、图3、图6和图7中，示出了相同的箭头a、b、c和d。所述箭头表示X射线光子的路径以及根据元件构造所述光子遇到的元件1的材料。本领域技术人员容易了解到，改变元件的构造对X射线光子的作用很明显。
图8a展示了本发明另一实施例的装置1。将X射线源2与检测器3对准，其中多吸收板(MAP)4位于邻近检测器3的源极侧。MAP 4可以是如图2所述的类型，或者如图13所述的MAP 16。图2所示的本发明实施例与图8a和8b所示实施例之间的关键区别在于MAP 4的移动。图2所示实施例中，MAP 4相对于源2和检测器3移动，而图8a和8b所示实施例中，MAP 4是静止的。
图13所示MAP 16包括不同的区域16a-16i。所述板的不同区域具有不同的X射线吸收能力。其厚度可以不同，或者例如可由不同的材料形成。
图8a展示了入射到待测材料5上的X射线光子的情况。如上所述，从X射线源2发射的X射线光子m中，一些X射线光子m'直接穿过待测材料5撞击在检测器3上，这些X射线光子代表“直接辐射”，一些被吸收、一些X射线光子n被散射。
散射x射线光子n不可取。本发明的该实施例可使图8a中所示的散射X射线光子n从图像中去除，并作为伪直接辐射n'重新分配到与其相关的直接辐射m'。结果是图8b中，导致X射线光子入射到其上的任何一个像素的检测器3的输出包括直接辐射m'和重新分配的伪直接辐射n'。这增加了检测器3产生的图像中的对比度，从而增加了图像的对比度噪声比，并且还提供了更理想的图像，这是因为散射X射线光子n不像在防散射栅格中那样去除，但若X射线光子未散射，X射线光子将在检测器的空间位置处添加到输出信号。因此，结果是提高了图像对比度。
为了从检测到的图像中去除散射光子n并将其重新分配为伪直接辐射n'，检测器3检测的信号如下处理：
创建不同材料和不同厚度的散射图案的数据库。这是利用图10所示的模拟模型完成的，其模拟当X射线光子的笔形光束入射在其上时，不同的材料和不同的厚度如何散射。代替了使用模拟模型，数据库的数据可使用实际装置和样本来收集，样本具有不同的材料类型和/或厚度。
通过使用与多像素检测器的一个像素对准的笔形线束，可确定到达对准源的像素的X射线光子大部分代表“直接辐射”或散射辐射，其已以极小的角度从直接辐射的路径散射，并且由其他像素检测的所有X射线光子是来自入射笔形光束的散射X射线光子。因此，可创建给定厚度的任何材料的特有散射图案。通过对不同厚度的相同材料重复该过程，可创建不同厚度相同材料的特有图案。类似地，对于不同材料和/或不同厚度的那些材料重复该过程，可创建特有散射图案的数据库。
使用名为GEANT4的软件包创建了X射线系统和X射线物理学的Monte Carlo模型，该软件包模拟了粒子通过物质的通道。该模型用于模拟入射到不同材料和厚度上的X射线光子的笔形光束的结果。记录不同材料和不同厚度的结果。
每个散射图案的形状与图1中所示的形状相似。关于散射，也称为散射核。对于任何一个散射核，可识别由入射到未与笔形光束对准的检测器2像素上的所有X射线光子所表示的散射光子，并从图像中去除。为了进一步改善图像，去除的散射辐射可加回到记录在直接与笔形光束对准作为直接辐射的一个或多个像素处的光子强度。因此，所述一个或多个像素处所得的输出强度是直接辐射输出信号与检测器空间位置处的输出信号之和，即若其未散射，则去除的散射辐射的X射线光子会相互作用。
然而，为所有预期材料及其厚度创建并使用特有散射核数据库将需要大量的数据存储容量和非常强大的处理能力，或者在此类数据库中使用所存储的数据会非常缓慢。
因此，本发明的该实施例的模型使用内插技术，从而为材料及其厚度的组合派生出未特别模拟的散射核。内插技术以及本实施例中的模拟在本质上并非新技术。
图9展示了通过本发明的方法如何从X射线检测器2记录的数据中去除散射X射线光子并且将散射光子重新分配为伪直接辐射的流程图。
图10中所示的流程图更详细地展示了图9所示的过程，特别展示了产生无散射图像的子步骤。
步骤20中，能量强度形式的数据由检测器2针对其每个像素进行记录。
步骤21中，使用例如英国专利申请案GB2498615中所述的技术来进行材料类型和厚度识别子过程，其中将像素化检测器的输出强度与数值的数据库30进行比较，所述数据库30将所述输出强度与材料识别和厚度相关联。因此，该步骤的输出是来自材料识别数据库30的材料和厚度，所述材料识别数据库与检测器2的每个像素相关联。术语“材料”包括材料的组合。例如，该步骤的输出可以是：检测器2特定像素处识别的材料是肌肉和骨骼。事实上，该步骤21的输出是材料识别和/或厚度的第一估值。
步骤22中，所识别材料的散射核在步骤22a(即来自散射核31的数据库)中模拟；对于检测器2的每个像素，所识别材料的散射核在步骤21中模拟(派生)。步骤22b中将各散射核卷积在一起。如图10中图2所示，散射核的卷积形成了已知的图像散射估值。如图2所述，散射估值中存在与检测器的每个像素相关联的散射值。步骤22c中，通过从检测器的每个像素的输出值中减去散射强度值来去除表示图像的所检测到的X射线强度中的散射。如图所示，步骤22c的输出为无散射图像22d，其可以是图像或者可以是表示为图像的强度值。
X射线图像的改善可能会在此过程中停止。但材料识别和厚度的第一估值可能不正确，因此优选地，不仅仅通过基于材料识别和/或厚度的第一估值从图像去除散射辐射来改善图像。
步骤22中，进行初始校准，以校准材料和材料厚度数据库的检测器输出。
步骤23中，材料识别步骤在步骤22(该输出强度形成图像)所得检测器的每个像素的输出强度上进行。该材料识别步骤中，将步骤22所得检测器的每个像素的输出强度与为先前识别的材料和/或厚度创建的检测器输出强度的数据库进行比较。
步骤24中，确定步骤23中的材料和/或厚度的识别是否优化。首先通过将步骤23中典型材料和/或厚度(或与其相关的参数)的值与典型步骤21中材料和/或厚度识别的值进行比较，并确定步骤23的结果是否在步骤21中的数值阈值内。若可能出现答案为“否”的情况，进行迭代步骤22和23，直到当前步骤22和步骤23迭代中材料和/或厚度的典型数值已交叉，即其在先前迭代中材料和/或厚度的典型数值阈值内或先前迭代次数的平均值。若答案为“是”，则该过程进行到步骤25，其中散射通过重新分配以产生具有重新分配的散射图像，或不重新分配且产生无散射图像。
对于每次迭代，散射去除步骤22在步骤20所得的散射X射线图像上进行，但每次迭代时，材料和/或厚度识别均来自先前迭代的步骤23，可用于第一迭代后的所有迭代。通过利用步骤23中所得材料和/或厚度识别，在散射去除步骤之后，在随后的散射去除步骤22中，通常经过多次迭代，步骤23的输出可改善，每次迭代的改进随着迭代次数的增加而减少。第二次和随后的迭代中，材料识别可在用于步骤21中材料和/或厚度识别的第一数据库中或在材料类型和/或厚度典型数值的进一步数据库中进行。进一步数据库或第一数据库本身可使用基本不存在散射的情况下收集的数据来填充。所述MAP仅对步骤21中材料识别和/或厚度的第一估值具有必需性。
材料识别和/或厚度的典型数值可包括对比度、散射核、散射估值。
利用减小的散射效应，步骤23中的材料识别可产生由后会聚无散射图像24'所表示的更精确结果。
重复步骤21至24，直到材料类型和厚度识别交叉。当然，该比较可以是先前数量的材料数值的平均值。但操作原则是明确的。重复步骤21至24，直到所识别的材料类型和厚度(或与其相关联的参数)无实质性变化。
若所识别的材料和/或厚度无实质变化，则该过程进行到步骤25，其中输出是通过将去除的散射辐射添加到检测器空间位置的输出信号来重新分配散射的图像，使去除的散射辐射的X射线光子受到干涉，如未受到散射一样。重新分配步骤25的结果由步骤25'中重新分配的图像表示。
图10a展示了替代过程，步骤较少，但需较强的处理能力和较大的散射核数据库31'。所述散射核数据库31'由大量的材料和/或厚度来填充，而并非创建和使用某些材料和/或厚度的散射核数据库，从而数据库31'可包含所有预期材料和/或厚度的散射核。因此，本实施例中无需通过模拟的内插步骤22a，并且在步骤22b中散射估值直接通过数据库31'中的散射核值来创建。步骤22c和22d如图10所示，其中该过程的输出是步骤22d中的无散射图像。
尽管所需的步骤较少，但所需数据采样、数据存储和处理能力意味着目前如图9和图10所示的过程是优选的。
图11a至12b是进行图8a至10中本发明过程的效果示意图。
使用GEANT4中蒙特卡罗X射线模拟的模拟实验中，使用了会产生相当大散射辐射、重叠的铝和塑料(PMMA)件的模拟样本来说明该技术的有效性。模拟所使用的三个样本，其定义了图像中的三个区域：R1、R2和R3。R1是一种被称为PMMA的材料，样本厚度为18.5mm。R2使用厚度为18.5mm的PMMA和厚度为12.7mm的铝。R3使用厚度为18.5mm的PMMA和厚度为6.35mm的铝。
去除散射之前产生的图像在相邻区域之间的对比度较低，与R1和R2之间的对比度噪声比(CNR)为16.1。
如图9和10所示的过程用于将散射辐射重新分配到像素位置(在该位置若X射线光子未散射则相互作用)，再创建校正图像。图11a所示图像与图11b所示图像之间对比度的视觉改善是很明显的，特别是在R1和R2之间。信噪比为58.7(几乎是未校正图像的4倍)。图12b中的直方图也说明了改进。与R1、R2和R3相关的峰值现适当地间隔开。
图12c还展示了根据本发明、处理X射线信号所产生的对比度噪声比的改善。该图展示了R1和R2与R1和R3之间的对比度噪声比。这是一个标准测量，通过将两个区域的标准偏差除以一个区域的标准偏差来计算。
本发明可更好地识别散射辐射，并因此更易从包括直接辐射和散射辐射的图像中去除散射辐射。
此外，本发明可通过去除散射辐射或通过去除散射辐射并将其添加到检测器的空间位置处的输出信号来改善对比度噪声比，若其未散射，则去除的散射辐射的X射线光子会互相作用。
通过改善对比度噪声比，X射线剂量可能会降低或对比度噪声比会增加，而无需增加样本或患者的X射线剂量。众所周知，医学背景下，减少剂量可减少对患者造成伤害的可能性，因此这种做法非常可取。
因此，本发明所述装置和方法可减少医学成像中使用的X射线剂量。
不同实施例的特征与其相关的所述实施例并不排斥，可与本文所述的其他实施例共同使用。

Claims (18)

1.一种包括X射线源和多像素X射线检测器的X射线装置，该装置还包括
表明材料类型和材料厚度值的第一数据库、
与材料类型和材料厚度相关的散射辐射值的第二数据库、
可进行以下算法的处理器：
(i)将X射线检测器的输出信号与第一数据库中的值进行比较，并从第一数据库输出最可能的材料和厚度；
(ii)从第二数据库中获取步骤(i)输出的或者在从先前迭代算法中所识别的材料类型和材料厚度相关联的散射辐射；
(iii)从X射线检测器的输出信号中去除散射辐射；
(iv)根据步骤(iii)的输出结果进行材料类型和厚度识别的步骤；和
(v)利用算法步骤(ii)、(iii)和(iv)进行至少一次进一步迭代来识别材料类型和厚度；
其中，当确定改变的X射线输出信号最优化后，停止算法迭代，其中，确定改变的X射线输出信号是否最优化的步骤包括：
将从当前迭代识别出的材料类型和厚度值与在先前迭代算法中识别出的材料类型和厚度值进行比较，或与在多次先前迭代算法中识别出的材料类型和厚度值的平均值进行比较，并且
确定当前迭代识别的材料类型和厚度值是否在先前迭代算法中识别出的材料类型和厚度的指示阈值内、或是否在多次先前迭代算法中识别出的材料类型和厚度值的平均阈值内；
若比较值在阈值内，则可停止算法的步骤(ii)至(iv)的重新迭代。
2.根据权利要求1所述的X射线装置，其中，该算法进一步包括：通过将去除的散射辐射与检测器空间位置处的输出信号相加，来改变X射线检测器的输出信号，使去除的散射辐射的X射线光子受到干涉，如未受到散射一样。
3.根据权利要求1或2所述的X射线装置，其中，X射线输出信号是X 射线检测器的每个像素的X射线输出信号。
4.根据权利要求3所述的X射线装置，其中，可针对每个像素进行X射线输出信号的算法。
5.根据权利要求1或2所述的X射线装置，其中，与材料类型和厚度相关的散射辐射值的第二数据库中的散射值是散射核。
6.根据权利要求3所述的X射线装置，其中，与材料类型和厚度相关的散射辐射值的第二数据库中的散射值是散射核。
7.根据权利要求4所述的X射线装置，其中，与材料类型和厚度相关的散射辐射值的第二数据库中的散射值是散射核。
8.根据权利要求5所述的X射线装置，其中，数据库可填有表示期望材料范围中一些材料的类型和厚度的散射核。
9.根据权利要求8所述的X射线装置，其中，去除来自X射线检测器的输出信号散射辐射的步骤可包括：对于检测器的每个像素，内插从步骤(ii)数据库中选择的多个散射核中的一个的步骤。
10.根据权利要求9所述的X射线装置，进一步包括生成来自与每个像素相关联的内插散射核的整个X射线检测器输出信号的散射估值的步骤。
11.一种用于改善X射线图像中对比度噪声比的方法，包括以下步骤：
(i)将X射线检测器的输出信号与第一数据库中的代表材料类型和材料厚度的值进行比较，并从第一数据库输出最可能的材料和厚度；
(ii)从第二数据库中获取步骤(i)输出的或者在从先前迭代算法中所识别的材料类型和材料厚度相关联的散射辐射；和
(iii)从X射线检测器的输出信号中去除散射辐射；
(iv)根据步骤(iii)的输出结果进行材料类型和厚度识别的步骤；和
(v)利用算法步骤(ii)、(iii)和(iv)进行至少一次进一步迭代来识别材料类型和厚度；
其中，当确定改变的X射线输出信号最优化后，停止算法迭代，其中，确定改变的X射线输出信号是否最优化的步骤包括：
将从当前迭代识别出的材料类型和厚度值与在先前迭代算法中识别出的材料类型和厚度值进行比较，或与在多次先前迭代算法中识别出的材料类型和厚度值的平均值进行比较，并且
确定当前迭代识别的材料类型和厚度值是否在先前迭代算法中识别出的材料类型和厚度的指示阈值内、或是否在多次先前迭代算法中识别出的材料类型和厚度值的平均阈值内；
若比较值在阈值内，则可停止算法的步骤(ii)至(iv)的重新迭代。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：通过将去除的散射辐射与检测器空间位置处的输出信号相加，来改变X射线检测器的输出信号，使去除的散射辐射的X射线光子受到干涉，如未受到散射一样。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述X射线检测器的 输出信号是来自所述X射线检测器的像素的输出信号，并且针对每个像素的输出进行如权利要求11或12所述的方法步骤。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，与材料类型和厚度相关的散射辐射值的第二数据库中的散射值是散射核。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，与材料类型和厚度相关的散射辐射值的第二数据库中的散射值是散射核。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，数据库可填有表示期望材料范围中一些材料的类型和厚度的散射核。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，去除来自X射线检测器的输出信号散射辐射的步骤可包括：对于检测器的每个像素，内插从步骤(ii)数据库中选择的多个散射核中的一个的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括生成来自与每个像素相关联的内插散射核的整个X射线检测器输出信号的散射估值的步骤。
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