CN107543835A - 多能成像方法、装置及其系统 - Google Patents

Abstract

一种多能成像方法、装置及其系统，通过在射线源和被测物体之间设置能够垂直于射线发射方向运动的多重复合材料，使得射线从射线源至被测物体的光路过滤系数依据所述运动实现可调；本发明通过控制，在短时间内改变射线滤过材料和厚度，再配合X射线源的高、低电压的X射线发射，以达到对不同能量或者同种能量的X射线的不同滤过的效果。除此，该发明还可以应用于普通的单电压值得X射线源，将传统的单能成像升级为双能成像、甚至多能成像，通过可调的能量输出实现对物体的三维透射。

Description

多能成像方法、装置及其系统

技术领域

本发明涉及的是一种医疗检测领域的技术，具体是一种多能成像方法、装置及其系统。

背景技术

双能成像技术是目前医疗CT的发展趋势，现有的CT装置分别使用不同的方案来实现双能X射线成像的目的，例如射线源电压切换技术、多套成像系统、双能探测器结构等，其中如果达到较好的双能成像效果，可以通过配置不同的X射线球管电压和不同的滤片来尽量使他们的能谱区分度更大。Siemens使用两套成像系统，可以实现较好的能谱区分度，但存在系统成本高、两组扫描数据时间间隔大存在运动误差等问题。

发明内容

本发明针对现有技术对射线过滤只能实现导通或截止两种简单状态的缺陷，提出一种多能成像方法、装置及其系统，通过控制，在10ms以内改变X射线滤过材料和厚度，再配合X射线源的高、低电压的X射线发射，以达到对不同能量或者同种能量的X射线的不同滤过的效果。除此，该发明还可以应用于普通的单电压值得X射线源，将传统的单能成像升级为双能成像、甚至多能成像，通过可调的能谱输出实现对物体的投射成像。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种多能成像的强度调整方法，通过在射线源和被测物体之间设置能够垂直于射线发射方向运动的多重复合材料，从而改变穿过该装置的X射线能谱的分布。

所述的多重复合材料采用但不限于至少两种不同材质的射线过滤材料，进一步优选为：空气或铜、铝、钛、锡等在X射线成像中常用的材料和一些具有X射线K边效应的材料，如碘、钆等。

所述的多重复合材料与射线源之间或多重复合材料与被测物体之间优选设有阻挡材料。

所述的阻挡材料采用但不限于金、铅等对X射线具有较强吸收能力的材料。

所述的垂直于射线发射方向运动，优选为一维往复运动、二维循环路径运动。

所述的一维往复运动是指：将多重复合材料设置于辐射源和被测物体之间，沿垂直于辐射轴线的方向来回移动，使得被测物体上同一点所受到的辐射强度(X射线能谱改变)与移动的速度和时间相关联。

所述的二维循环路径运动是指：将多重复合材料设置于辐射源和被测物体之间，沿垂直于辐射轴线的二维平面内按预设路径移动。

所述的二维旋转运动是指：将辐射源、多重复合材料和被测物体设置于同一轴线上，多重复合材料以该轴线为中心旋转。

所述的阻挡材料与所述间隔条栅结构、圆盘结构或矩阵结构不同时运动，以进一步提高可调范围。

所述的射线源一侧优选设有磁场或者电场，通过磁场或者电场的方向和强度的控制实现射线源焦点位置的变化，从而进一步提高调整的范围。

本发明涉及一种多能成像的强度调整装置，包括：带有运动控制装置的过滤模块，该过滤模块设置于射线源和被测物体之间且运动控制装置的控制端能够接收数字或模拟控制信号。

所述的过滤模块包括：与运动控制装置相连的过滤层。

所述的过滤层为间隔条栅结构、圆盘结构或矩阵结构，其中：间隔条栅结构是指不同材质的两种或多种射线过滤材料交错布置，圆盘结构是指不同材质的两种或多种射线过滤材料向心布置，矩阵结构是指不同材质的两种或多种射线过滤材料以网格方式布置。

所述的过滤模块中进一步包括：设置于过滤层和被测物体之间的用于阻挡辐射的吸收层，该吸收层优选为带有水平光栅条的弧形结构。

所述的运动控制装置包括驱动机构和控制机构，其中：驱动机构为压电材料制成，控制机构能够将接收到的控制信号处理为控制电平，使得驱动机构按所需方式带动过滤模块位移。当所述的控制信号与过滤层的不同材质相对应设置时，能够实现不同的时隙内产生不同的辐射能谱形状。

所述的强度调整装置优选设有与运动控制装置相连的外置磁场(或者电场)，该外置磁场(或者电场)位于辐射光路上并能够根据运动控制装置的控制电平实现磁场(或者电场)强度大小的调整，从而使得经过的光路偏转，达到调整辐射源所形成焦点位置的效果。

技术效果

与现有技术相比，本发明能够通过调整的辐射能谱，使得高、低X射线具有更好的谱区分度和将传统的单能射线源升级至具有多能成像的效果。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为实施例中过滤模块示意图；

图中：a为间隔条栅结构的过滤层，b为对应的吸收层，c为圆盘结构的的过滤层，d为矩阵结构的过滤层；

图3为实施例中吸收层示意图；

图中：a为吸收层立体示意图；b为俯视图；

图4为运动控制装置示意图；

图中：a为控制信号示意图，b为第一种过滤模块实现方式示意图，c为第二种过滤模块实现方式示意图，d为第三种过滤模块实现方式示意图；

图5为实施例中过滤模块示意图；

图中：a为俯视图；b为垂直视图；

图6为实施例效果示意图；

图中：a为实施例所得正弦曲线图；b为图a中箭头所指区域的放大图；

图7为实施例成像过程示意图；

图8为实施例光谱分布图；

图中：a中r为70％，b中r为50％，c中r为30％，r为吸收层的空气部分的占空比；图中虚线为平均功率值；1为电子束、2为阳极靶、3为吸收层、4为第一过滤层、5为第二过滤层、6磁场、7第一焦点、8第二焦点、9为运动控制装置、10为待测物体、11图像采集屏。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例涉及一种多能成像的强度调整装置，包括：带有运动控制装置9的过滤模块，该过滤模块设置于射线源和被测物体10之间且运动控制装置9的控制端能够接收数字或模拟控制信号。

所述的过滤模块包括：与运动控制装置9相连的过滤层。

所述的运动控制装置9包括驱动机构和控制机构，其中：驱动机构可以采用压电材料制成，控制机构能够将接收到的控制信号处理为控制电平，使得驱动机构按所需方式带动过滤模块位移。

所述的控制信号可以采用脉冲、方波、正弦波等模拟信号，也可以采用数字信号实现更高频率的控制。

如图2c和图3所示，所述的过滤模块中进一步包括：设置于过滤层4、5和被测物体10之间的用于阻挡辐射的吸收层3，如图3a所示，该吸收层3为带有水平光栅条的弧形结构，该弧度与射线源发射出的X射线的锥形束发散角对应，通过增加该吸收层3，能够实现能谱吸收度的最大化。

本实施例中选择两种不同材质4、5组成间隔条栅结构的过滤层，其中：间隔条栅结构是指不同材质的两种或多种射线过滤材料交错布置，所述的交错布置可以是如图2a和图4b中所示的单层交错布置，也可以是如图4c中所示的双层或多层交错布置，间隔条栅的宽度可以采用0.05毫米～0.2毫米，等间距分布，厚度为0.1毫米～1毫米。采用这种结构的优点在于能够尽可能减少过滤模块的位移，使得整体辐射装置能够小型化和低能耗。同时这样的结构也能够避免现有技术中某些过滤装置只能实现完全透过或完全阻挡两种极端情况，使得辐射能谱能够根据需要动态可调。

上述结构的过滤模块优选以一维往复方式进行运动，如图4a所示，为吸收层3的一维往复运动位移示意图，其中吸收层3的位移距离为p为吸收层中栅格的周期，Δt为图像采集屏11的曝光窗口，即吸收层3不产生阻挡效果的占空比期间。下文中的图8给出了不同占空比所得到的双能功率谱效果。

当位于待测物体10一侧的图像采集屏11与上述过滤模块同步同向或相向运动时，能够采集到对应叠加或独立的多个功率谱下的不同影响。

所述的同步同向或相向运动，通过在图像采集屏11上设置与所述驱动机构相同功能的装置得以实现。

当如图4a所示的控制信号与过滤层4、5的不同材质相对应时，能够实现不同的时隙内产生不同的辐射功率。

在如需要多重功率谱组合的场合下，也可以采用如图2c中的四种材质组成的圆盘结构的过滤层，该圆盘的直径为10‐20mm，采用中心对称方式分布不同的材料。在此情形下，所述的驱动机构可以采用旋转电机或其他扭矩生成装置实现。

当所述的图像采集屏11与过滤层同向转动时，可以得到与过滤层上不同材质分布相同的对应功率谱下的辐射图像；当所述的图像采集屏11与过滤层相向转动时，可以得到过滤层上不同材质叠加的功率谱下的辐射图像。

在如需要检测结构复杂物体或自动化零部件探伤的场合下，也可以采用如图2d中的矩阵结构的过滤层或图4d中纵横条栅组成的过滤层，该矩阵结构中的单元格的长宽为0.05毫米～0.2毫米。采用这种结构的优点在于通过预先设置过滤模块的位移路径，能够完成短时间内不同X射线能谱下的重复性的图像采集，适用于工业检测领域。在此情形下，所述的驱动机构可以PLC控制的二维电机或压电机构实现。

如图7所示，为上述装置的成像方法过程，当阳极靶2、第一过滤层4、被测物体10位于同一轴向上时，对应高能辐射输出的成像结果；当阳极靶2、第二过滤层5、被测物体10位于同一轴向上时，对应低能辐射输出的成像结果。

如图6所示，为上述两种材质组成的间隔条栅结构的过滤层的成像结果，图6a的左侧为高能输出的成像结果，右侧为低能辐射的输出结果，这样的好处在于：在一个投影图像中即存在高能图像，又存在低能图像，即高能图像和低能图像可以认为是“同步”采集，进而基于上述图像采集屏11的运动，能够实现同一位置的不同能级的图像，通过本领域技术人员基于现有的图像处理方法，即可组合并重构出待测物体的三维立体结构。

如图6b，即图6a中箭头所示区域的放大图所示，由于第一过滤层4和第二过滤层5的过渡区域存在高、低能混叠的现象，为了进一步提高所得图像采集屏11所得到的图像的质量，可以通过引入阳极靶2位置的适时变化、辐射源焦点的位置变化或第一、第二过滤层4、5接触位置的变化来改变混叠现象在图像中出现的位置。

本实施例中通过在强度调整装置中设置与运动控制装置9相连的外置磁场或者电场6解决上述问题，该外置磁场或者电场6位于辐射光路上并能够根据运动控制装置9的控制电平实现磁场或者电场6强度大小的调整，从而使得经过的光路偏转，达到调整辐射源所形成焦点位置，从而解决图6b中的混叠现象。

所述的磁场或者电场6强度大小的调整，优选与所述过滤模块的位移频率相同。

如图8所示，则为不同的r值，即吸收层的空气部分的占空比下的两个过滤层能够实现的可调辐射能谱输出示意图，当r越小，高、低能X射线的谱的分离度越大；当r越大，高、低能X射线的谱的分离度越小。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (14)

1.一种多能成像的强度调整方法，其特征在于，通过在射线源和被测物体之间设置能够垂直于射线发射方向运动的多重复合材料，使得射线从射线源至被测物体的光路过滤系数依据所述运动实现可调；多重复合材料采用至少两种不同材质的射线过滤材料。

2.根据权利要求1所述的多能成像的强度调整方法，其特征是，所述的多重复合材料与射线源之间或多重复合材料与被测物体之间设有阻挡材料。

3.根据权利要求1所述的多能成像的强度调整方法，其特征是，所述的垂直于射线发射方向运动包括：一维往复运动、二维循环路径运动或二维旋转运动。

4.根据权利要求3所述的多能成像的强度调整方法，其特征是，所述的一维往复运动是指：将多重复合材料设置于辐射源和被测物体之间，沿垂直于辐射轴线的方向来回移动，使得被测物体上同一点所受到的辐射强度与移动的速度和时间相关联；

所述的二维循环路径运动是指：将多重复合材料设置于辐射源和被测物体之间，沿垂直于辐射轴线的二维平面内按预设路径移动；

所述的二维旋转运动是指：将辐射源、多重复合材料和被测物体设置于同一轴线上，多重复合材料以该轴线为中心旋转。

5.根据权利要求2所述的多能成像的强度调整方法，其特征是，所述的阻挡材料与所述间隔条栅结构、圆盘结构或矩阵结构不同时运动，以进一步提高可调范围。

6.根据权利要求1所述的多能成像的强度调整方法，其特征是，所述的射线源一侧设有磁场或者电场，通过磁场或者电场的方向和强度的控制实现射线源焦点位置的变化，从而进一步提高调整的范围。

7.一种多能成像的强度调整装置，其特征在于，包括：带有运动控制装置的过滤模块，该过滤模块设置于射线源和被测物体之间且运动控制装置的控制端能够接收数字或模拟控制信号，所述的过滤模块包括：与运动控制装置相连的过滤层。

8.根据权利要求7所述的多能成像的强度调整装置，其特征是，所述的过滤层为间隔条栅结构、圆盘结构或矩阵结构，其中：间隔条栅结构是指不同材质的两种或多种射线过滤材料交错布置，圆盘结构是指不同材质的两种或多种射线过滤材料向心布置，矩阵结构是指不同材质的两种或多种射线过滤材料以网格方式布置。

9.根据权利要求7所述的多能成像的强度调整装置，其特征是，所述的过滤模块中进一步包括：设置于过滤层和被测物体之间或辐射源和过滤层之间的用于阻挡辐射的吸收层。

10.根据权利要求9所述的多能成像的强度调整装置，其特征是，所述的吸收层为带有水平光栅条的弧形结构。

11.根据权利要求7所述的多能成像的强度调整装置，其特征是，所述的运动控制装置包括驱动机构和控制机构，其中：驱动机构为压电材料制成，控制机构能够将接收到的控制信号处理为控制电平，使得驱动机构按所需方式带动过滤模块位移。

12.根据权利要求7所述的多能成像的强度调整装置，其特征是，所述的强度调整装置设有与运动控制装置相连的外置磁场，该外置磁场位于辐射光路上并能够根据运动控制装置的控制电平实现磁场强度大小的调整，从而使得经过的光路偏转，达到调整辐射源所形成焦点位置的效果。

13.根据权利要求12所述的多能成像的强度调整装置，其特征是，所述的磁场强度大小的调整与所述过滤模块的位移的频率相同。

14.根据权利要求7所述的多能成像的强度调整装置，其特征是，所述的过滤模块中进一步包括：设置于被测物体一侧的图像采集屏，该图像采集屏与过滤模块同步同向或相向运动。