CN109709127A - 低散射x射线荧光ct成像方法 - Google Patents

Abstract

一种低散射X射线荧光CT成像系统及方法，系统包括光源、X射线荧光探测器、数据处理系统。光源为扇形束X射线源，探测器为8个小型荧光探测器，分成两组，每组四个，探测器前加针孔准直器，对称放置在入射X射线光束两侧，且与入射X射线成90^o‑180^o夹角的位置。荧光穿过针孔准直器被荧光探测器接收到，再由数据处理系统处理转换为投影数据，最后重建出样品的元素分布结构图。本发明能提高医学CT图像不同软组织分辨率及对比度，降低康普顿散射对光子的干扰。

Description

低散射X射线荧光CT成像方法

技术领域

本发明涉及一种X射线成像方法，特别涉及非同步辐射微束X射线荧光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)作为非入侵式成像技术在临床医学诊断中取得了广泛的应用，成为临床疾病诊断的重要手段之一。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，利用入射X射线激发样本内部待测高原子序数元素使之产生荧光,能够高效的获得成像目标内部特定元素分布的定量信息，同时，结合透射CT技术，还原样品内部结构信息。由于X射线荧光CT可对样品中元素的分布和含量进行无损分析，使其成为一种新颖的预临床乃至临床成像技术。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。

传统的X射线荧光CT的主要设备如图1所示，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4、一个数据处理系统5。在样品台上放置被检测样品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X射线照射到被检测样品上，X射线与样品中的高Z物质相互作用产生荧光并被荧光探测器所记录，得到一组荧光能谱，按图1中箭头6所示方向以某一固定角度旋转样品，然后重复扫描过程，直至整个360°圆周上扫描一遍。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。实际情况中，X射线在与物质的相互作用中，会发生康普顿散射，到达探测器的信号可能部分来源于散射，这些散射的光子使探测到的数据偏离真实结果，并导致重建图像出现伪影，对荧光CT成像造成一定的干扰。因此必须消除康普顿散射的干扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种低散射X射线荧光CT成像系统，样品台之间，以提高医学CT图像不同软组织分辨率及对比度。

康普顿相互作用是指入射X射线光子与原子内层电子碰撞后，入射光子能量散射光子的出射角发生改变并产生反冲电子的现象。设入射光子能量为E₀,散射光子的出射角为θ，光速为c,电子的静止能量为m,则散射光子的能量可以表示为：

当θ＝180°时，出射光子能量取最小值，方向与入射方向相反，被称为反散射。由于康普顿散射的X射线的能量随着散射角的增加而减小，因此我们可以通过改变荧光探测器的位置将康普顿背景与荧光信号分开。

本发明基于以上分析，设计了两种实现方案：

方案一：一种低散射X射线荧光CT成像系统，包括X射线源、X射线荧光探测器和数据处理系统。所述X射线源为扇形束X射线源，X射线荧光探测器设置在X射线源与样品台之间，X射线荧光探测器由多个小型荧光探测器，分成数量相同的两组，对称放置在入射X射线光束两侧，且与入射X射线成90°-180°夹角的位置，X射线荧光探测器与样品台之间设置针孔准直器，所述X射线荧光探测器与数据处理系统信号连接。X射线源发出的X射线光照射到被检测样品上，X射线光与被检测样品中的物质相互作用产生荧光，荧光穿过针孔准直器被荧光探测器接收到，再由数据处理系统处理转换为投影数据，最后重建出样品的元素分布结构图。

方案二：一种低散射X射线荧光CT成像系统，包括X射线源、X射线荧光探测器和数据处理系统。所述X射线源为笔形束X射线源；所述荧光探测器中间留有一小孔，设置在X射线源与样品台之间，且与入射X射线成180°夹角的位置，探测面朝向样品台；所述X射线荧光探测器与数据处理系统信号连接。X射线源发出的X射线光穿过小孔照射到被检测样品上，X射线光与被检测样品中的物质相互作用产生荧光，X射线荧光探测器对所述X射线荧光进行探测；由数据处理系统对X射线荧光信息进行处理并对所述样品进行重建。

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。

作为优选，X射线源，探测器中心，被检测样品中心处于同一水平高度。

本发明提供的低散射X射线荧光CT成像系统，通过对荧光探测器的位置进行了特殊设置，荧光探测器相对于入射的光束以高散射角(或“后向散射”角度)检测荧光X射线，此时，康普顿光子较少，易于将康普顿背景与荧光信号区分开来，能提高医学CT图像不同软组织分辨率及对比度，降低康普顿散射对光子的干扰。

本发明在方案二中的X射线源选择笔形束X射线源，可自带准直的作用，可避免当探测器放置在与入射方向成180°夹角时，X射线打到探测器上，减少实验误差。

本发明在方案一中的X射线源选择扇形束X射线源，探测器加针孔准直器，采用两组探测器，对称放置在入射X射线两侧，通过单次投射，即可获得该方向上所有投影角度，在一次扫描下，探测器可分别获得两个角度下的X荧光投影数据，使样品的旋转角度缩短了一半，避免样品台水平方向的平移，极大的缩短了扫描成像时间，提高扫描速度。

本发明提供的低散射X射线荧光CT成像系统利用X射线荧光CT进行功能成像，分析高Z元素(如金纳米粒子)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。

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是传统X射线荧光CT成像系统的结构框图；

图2是本发明方案一的结构框图。

图3是图2中X射线荧光探测器4的示意图。

图4是本发明方案二的结构框图。

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。

实施例1：

图2为本发明方案一的结构框图，包括扇形束X射线源1、X射线荧光探测器4、针孔准直器2和数据处理系统5。被检测样品3放置在样品台上，可随样品台平移或转动。

X射线荧光探测器4设置在X射线源与样品台之间，探测器前设置针孔准直器2。X射线荧光探测器采用8个面探测器，荧光探测器分为两组，一组4个(参见图3)，对称放置在与入射光线成90°-180°夹角的位置，这样，在一次扫描下可获得两个旋转角度下的荧光数据。使样品台的转动次数减少一半，提高扫描速度。被检测样品与入射X射线相互作用产生荧光，部分荧光穿过针孔准直器6被探测器4接收到。被检测样品转动，重复扫描。数据处理系统5将X射线荧光信息分析处理得到投影数据。利用X射线荧光CT图像重建算法对所述样品进行重建。探测器中心及被检测样品中心处于同一水平线。

实施例2：

图4本发明方案二的结构框图，系统包括一个X射线源1，一个X射线荧光探测器4，数据处理系统5。被检测样品3放置在样品台上，可随样品台平移或转动。

X射线荧光探测器4采用面探测器，设置在与入射X射线成180°夹角的位置，并在射线源1与被检测样品3之间，此时康普顿散射光子能量最小，易于将康普顿背景与荧光信号区分开。X射线源1为笔形束X射线源，探测器中心留有一小孔，笔形束X射线穿过小孔并照射在被测样品3上，X射线源1、小孔中心及被检测样品3中心处于同一水平线。

X射线源1发出的X射线光通过探测器上的小孔照射到被检测样品3，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4对所述X射线荧光进行探测。被检测样品平移和转动，重复扫描。荧光探测器4与数据处理系统5连接，数据处理系统5将荧光探测器测得的X射线荧光信息经分析处理得到X射线荧光CT投影数据，利用X射线荧光CT图像重建算法对所述样品进行重建。

实施例3：

采用以上系统进行荧光CT成像方法，包括以下步骤：

(1)将X射线源发出的X射线光，照射到被检测样品上，X射线与被检测样品中的高Z物质发生相互作用，产生荧光；

(2)利用荧光探测器对所述X射线荧光进行探测，方案二荧光探测器放置在X射线源与样品台之间；以某一固定步长按图3中箭头7方向平移样品，重复扫描过程，使探测器能对区域内的所有荧光进行探测，得到一组X射线荧光光谱数据；方案一荧光探测器放置在与入射X射线光成90°-180°之间。仅接收到穿过针孔的荧光数据。

(3)对所述的X射线荧光光谱进行分析处理得到一组X射线荧光CT的投影数据；

(4)以某一固定角度按图3中箭头6方向旋转样品台，重复扫描过程，直至整个360°圆周上扫描一遍；得到全部X射线荧光CT投影数据。

(5)根据所述投影数据利用MLEM重建算法重建得到所述样品的元素分布结构图像。

本发明采取的重建方法可参考文献[1]Hogan,J.P.,et al.(1991)."FluorescentComputer Tomography:A Model for Correction of X-ray Absorption."NuclearScience,IEEE Transactions on 38(6):1721-1727.[2]Vernekohl,Don；Ahmad,Moiz；Chinn,Garry；et al."Feasibility study of Compton cameras for x-rayfluorescence computed tmography withhumans."Phys Med Biol.2016December 21；61(24):8521-8540。

本发明中，平移指沿垂直于入射光方向以某一固定的步长平移样品台，直至被检测样品全部被扫描。转动指以某一固定角度旋转样品台，重复上述扫描过程直至样品台旋转一周。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 (5)

1.低散射X射线荧光CT成像系统，包括X射线源、X射线荧光探测器和数据处理系统；其特征在于，所述X射线源为扇形束X射线源，X射线荧光探测器设置在X射线源与样品台之间，X射线荧光探测器由多个小型荧光探测器，分成数量相同的两组，对称设置在入射X射线光束两侧，且与入射X射线成90^o-180^o夹角的位置，X射线荧光探测器与样品台之间设置针孔准直器，所述X射线荧光探测器与数据处理系统信号连接；X射线源发出的X射线光照射到被检测样品上，X射线光与被检测样品中的物质相互作用产生荧光，荧光穿过针孔准直器被荧光探测器接收到，再由数据处理系统处理转换为投影数据，最后重建出样品的元素分布结构图。

2.低散射X射线荧光CT成像系统，包括X射线源、X射线荧光探测器和数据处理系统；其特征在于，所述X射线源为笔形束X射线源；所述荧光探测器设置在X射线源与样品台之间，且与入射X射线成180^o夹角的位置，所述荧光探测器中间留有一小孔；所述X射线荧光探测器与数据处理系统信号连接；X射线源发出的X射线光穿过小孔照射到被检测样品上，X射线光与被检测样品中的物质相互作用产生荧光，X射线荧光探测器对所述X射线荧光进行探测；由数据处理系统对X射线荧光信息进行处理并对所述样品进行重建。

3.根据权利要求1或2所述的低散射X射线荧光CT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.根据权利要求1或2所述的低散射X射线荧光CT成像系统，其特征在于，所述X射线源、探测器中心和被检测样品中心处于同一水平高度。

5.所述采用权利要求1、2、3或4所述的系统进行荧光CT的方法，其特征在于：

（1）将X射线源发出的X射线光照射到被检测样品，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光；

（2）利用X射线荧光探测器对区域内的所有荧光进行探测，得到X射线荧光光谱数据；

（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；

（4）利用重建算法对荧光投影数据重建得到所述样品的元素分布结构。