CN109540930B - 一种多能谱x射线成像散射估计与校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法，该方法运用特殊的射线过滤板和能谱探测器进行X射线投影测量，得到投影矩阵P 1；根据投影矩阵P 1和射线过滤板的几何结构计算校正投影矩阵P 2，将投影矩阵P 2减去投影矩阵P 1得到投影差值矩阵ΔP；根据射线过滤板的几何结构计算射线衰减差异矩阵D F；利用能谱探测器的能量响应矩阵R E以及射线衰减差异矩阵D F计算散射转换矩阵T；根据投影矩阵P 1、投影差值矩阵ΔP以及射线衰减差异矩阵D F来估计散射矩阵S；最后根据散射估计矩阵S对投影矩阵进行校正得到散射校正后的投影矩阵P。
Description
技术领域
本发明涉及X射线成像技术领域，尤其涉及一种多能谱X射线成像的散射估计与校正方法。
背景技术
X射线成像具有成像速度快、空间分辨率高等优势在医学诊断、工业检测等领域具有广泛应用。但是，X射线成像时会受到康普顿效应的影响，导致图像中存在散射伪影，特别是在探测器面积较大时，散射伪影将严重影响图像质量，导致图像失真，对比度下降，掩盖图像细节，不利于医学精确诊断及工业高精度检测等应用，因此有必要对散射伪影进行估计和校正。
现有技术一般采用，主要可以分为三类方法：硬件校正法、软件校正法、软硬件混合校正法。其中硬件校正法通常是在成像系统中添加额外的硬件，通过减少X射线来达到减少散射的目的，例如准直器、抗散射光栅等，该方法对于散射的削弱均有一定的效果，但是存在散射校正不完全、与成像需求不匹配等问题；软件法是在获得全部的投影数据后，利用数字图像处理算法估计散射光子的分布，并在投影数据中将其去除。常见的有卷积法、反卷积法和蒙特卡洛模拟法等。软件法不需要添加额外的硬件，实现简单，但是校正精度与卷积核的类型和参数有很大关系，难以发现普适性的卷积核。混合法是硬件法与软件法的结合，在向CT系统中添加一些特制的硬件如BSA、调制板等后经过一定的处理达到散射校正的目的。混合法效果一般较好，但是需要特制的硬件和扫描次数。
针对常规X射线成像，中国专利申请号201710855234.8提出“计算机断层成像中基于正弦图的散射射线校正”，该方法包括用于记录、定位、标识和校正的多个步骤。在记录步骤中，从多个投影角度记录投影测量数据，并且将该投影测量数据获取在一个正弦图中；在定位步骤中，在关于一个投影角度的一个预定义角度范围中，定位该正弦图的投影测量数据中的多个特征；在标识步骤中，通过一种经训练的标识算法，从所定位的多个特征中标识针对该投影角度的一个散射分布；在校正步骤中，基于该散射分布，校正该投影角度的投影测量数据。
针对多能谱X射线成像，中国专利申请号201580081248.8提出“X射线成像的散射估计和/或校正”，它利用不少于两层的探测器进行散射校正。在该专利中，提供了在多级光子计数X射线探测器中估计和/或补偿目标散射和/或内部散射的方法和装置，以及用于目标的X射线断层成像同时校正目标散射和/或内部散射的方法和装置。该X射线探测器具有安装在几何形的边缘上的至少两层探测器二极管，例如被设计用于：1)在目标散射具有缓慢变化的空间分布的假设下，基于在顶层和底层之间计数的差异来估计对所述至少两层的顶层中的计数的目标散射贡献；和/或2)基于通过将高衰光束截止置停留于探测器元件的顶部而选择性地遮蔽来自首次辐射的一些探测器元件来在底层中或在顶层和底层中估计具有在所述探测器内部的康普顿散射的光子的再吸收的计数，以及测量在那些探测器元件中的计数。
近年来，随着探测器技术的发展，基于能谱探测器的X射线成像技术逐步获得应用。多能谱X射线成像系统通过能量选通阈值对不同能窗的X射线光子进行数据采集和图像生成，可有效改善图像的质量，并具有独特的材料分解与识别能力，可为散射估计和校正带来新的途径。
针对多能谱X射线成像中存在散射问题，运用能谱探测器的能量响应特性、特殊几何结构的射线过滤板和软件方法实现多能谱X射线成像的散射估计和校正，可以获得更好的散射校正效果，有利于临床诊断及工业无损检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所述涉及到的缺陷，提供一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法，可有效对散射进行估计，克服散射伪影，提高X射线图像质量，有利于临床诊断及工业无损检测。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法，包含以下具体步骤：
步骤1)，通过模拟仿真计算或实验测量能谱探测器对不同能量入射X射线的响应，得到探测器能量响应矩阵RE；
步骤2)，采用射线过滤板F对测量目标进行投影测量，得到投影矩阵P1；所述射线过滤板F包含平板型X射线过滤板以及若干突起，其中，所述若干突起均匀设置在所述平板型X射线过滤板上，且所述若干突起占据的面积除以平板型X射线过滤板的面积小于预设的阈值；
步骤3)，根据射线过滤板F的几何形状对投影P1进行校正，得到校正投影矩阵P2；
步骤4)，根据射线过滤板F与平板型射线过滤板的几何形状差异，计算不同能量下射线衰减变化值，得到射线衰减差异矩阵DF；
步骤5)，将投影矩阵P2减去投影矩阵P1得到投影差值矩阵ΔP；
步骤6)，根据探测器能量响应矩阵RE和射线衰减差异矩阵DF，计算散射变换矩阵T；
步骤7)，计算散射初始估计矩阵S1，对S1进行插值处理得到校正散射估计矩阵S；
步骤8)，将投影矩阵P2减去散射估计矩阵S得到散射校正后的投影矩阵P。
作为本发明一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法进一步的优化方案，所述突起的形状为圆柱或圆台。
作为本发明一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法进一步的优化方案，步骤3)中根据射线过滤板F的几何形状对投影P1进行校正的方法如下：
令射线过滤板上突起的衰减系数为μ，射线到达投影矩阵P1上任意一点p穿过突起的长度为L(p)，则校正投影P2(p)＝P1(p)eμL(p)。
作为本发明一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法进一步的优化方案，步骤6)中根据以下公式计算散射变换矩阵：
T＝RE*DF*RE -1。
作为本发明一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法进一步的优化方案，步骤7)中根据以下公式计算散射初始估计矩阵：
S1＝P1-T*ΔP*e-μL(p)。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明根据多能谱X射线成像的原理和散射产生的机理，运用能谱探测器的能量响应特性、特殊几何结构的射线过滤板和软件方法实现多能谱X射线成像的散射估计和校正，可以获得更好的散射校正效果，有利于临床诊断及工业无损检测。
附图说明
图1为一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法的步骤流程图；
图2为60KeV单能X射线作用下探测器的能量响应曲线示意图；
图3为特殊几何结构的射线过滤板示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
请参照图1、图2和图3，图1为本发明提供一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法的流程示意图，图2为60KeV单能X射线作用下探测器的能量响应曲线示意图，图3为特殊几何结构的射线过滤板示意图。
下面通过一个实施例介绍一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法。
实施例1：多能谱X射线数字摄影散射估计和校正的步骤如下：
步骤1)，通过模拟仿真计算或实验测量能谱探测器对不同能量入射X射线的响应，得到探测器能量响应矩阵RE；
步骤2)，采用射线过滤板F对测量目标进行投影测量，得到投影矩阵P1；所述射线过滤板F包含平板型X射线过滤板以及若干突起，其中，所述若干突起均匀设置在所述平板型X射线过滤板上，且所述若干突起占据的面积除以平板型X射线过滤板的面积小于预设的阈值；
步骤3)，根据射线过滤板F的几何形状对投影P1进行校正，得到校正投影矩阵P2；
对投影P1进行校正的方法是，令射线过滤板上突起的衰减系数为μ，射线到达投影矩阵P1上任意一点p穿过突起的长度为L(p)，则校正投影P2(p)＝P1(p)eμL(p)；
步骤4)，根据射线过滤板F与平板型射线过滤板的几何形状差异，计算不同能量下射线衰减变化值，得到射线衰减差异矩阵DF；
步骤5)，将投影矩阵P2减去投影矩阵P1得到投影差值矩阵ΔP；
步骤6)，根据探测器能量响应矩阵RE和射线衰减差异矩阵DF，计算散射变换矩阵T，T＝RE*DF*RE -1；
步骤7)，计算散射初始估计矩阵S1，S1＝P1-T*ΔP*e-μL(p)，对S1进行插值处理得到校正散射估计矩阵S；
步骤8)，将投影矩阵P2减去散射估计矩阵S得到散射校正后的投影矩阵P。
投影测量采用的射线过滤板F与常规的平板型X射线成像过滤板不同，该过滤板在平板型X射线过滤板上附加了若干稀疏的突起，如附图3所示，突起形状可以为圆柱、圆台等，突起在水平和垂直方向上规则排列，所有突起占据的面积和远小于射线过滤板F的面积。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果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具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种多能谱X射线成像散射估计与校正方法，其特征在于，包含以下具体步骤：
步骤1)，通过模拟仿真计算或实验测量能谱探测器对不同能量入射X射线的响应，得到探测器能量响应矩阵RE；
步骤2)，采用射线过滤板F对测量目标进行投影测量，得到投影矩阵P1；所述射线过滤板F包含平板型X射线过滤板以及若干突起，其中，所述若干突起均匀设置在所述平板型X射线过滤板上，所述若干突起在水平和垂直方向上规则排列，且所述若干突起占据的面积除以平板型X射线过滤板的面积小于预设的阈值；
步骤3)，根据射线过滤板F的几何形状对投影P1进行校正，得到校正投影矩阵P2，根据射线过滤板F的几何形状对投影P1进行校正的方法如下：
令射线过滤板上突起的衰减系数为μ，射线到达投影矩阵P1上任意一点p穿过突起的长度为L(p)，则校正投影P2(p)＝P1(p)eμL(p)；
步骤4)，根据射线过滤板F与平板型射线过滤板的几何形状差异，计算不同能量下射线衰减变化值，得到射线衰减差异矩阵DF；
步骤5)，将投影矩阵P2减去投影矩阵P1得到投影差值矩阵ΔP；
步骤6)，根据探测器能量响应矩阵RE和射线衰减差异矩阵DF，计算散射变换矩阵T；
步骤7)，计算散射初始估计矩阵S1，对S1进行插值处理得到校正散射估计矩阵S；
步骤8)，将投影矩阵P2减去散射估计矩阵S得到散射校正后的投影矩阵P。
2.根据权利要求1所述的多能谱X射线成像散射估计与校正方法，其特征在于，所述突起的形状为圆柱或圆台。
3.根据权利要求1所述的多能谱X射线成像散射估计与校正方法，其特征在于，步骤6)中根据以下公式计算散射变换矩阵：
T＝RE*DF*RE -1。
4.根据权利要求1所述的多能谱X射线成像散射估计与校正方法，其特征在于，步骤7)中根据以下公式计算散射初始估计矩阵：
S1＝P1-T*ΔP*eμL(p)。
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