CN113542629A - 单光子级x射线空时成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种单光子级X射线空时成像方法，通过空时高分辨的面阵成像采集设备获取单光子X射线的到达位置信息和到达时间信息，经过对单个光子激发像素产生时间走离效应的校准实现对单个X射线光子的识别，再利用光子的泊松过程特性，从光子的到达时间信息反推目标物的强度信息，利用采集到稀疏光子满足的空时变量关联特性，通过基于泊松分布的图像重构算法，实现在若干光子的超弱X射线光源对目标物体的超分辨图像重构。本发明利用时间飞行探测强度重构技术实现单光子级超弱光空时成像，进而减少X射线对人体辐射剂量。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种医疗成像领域的技术，具体是一种单光子级X射线空时成像方法。
背景技术
根据X射线理论原理，病人在X射线检查时，安全照射量应在100伦琴以内，按这个照射量再制定出容许的照射次数和时间。如胸部透视在几天以内总的积累不应超过12分钟，胃肠检查不应超过10分钟。病人在一年当中只能做2～3次检查来防止X射线对人体产生健康危害。
现有单光子级X射线空时成像的特点和不足在于弱光情况下无法实现图像采集及重构，只能增大辐射量，但是又对人身体造成损伤。
发明内容
本发明针对现有的X射线成像技术无法实现超弱光的图像数据采集及重构的不足，提出一种单光子级X射线空时成像方法，利用时间飞行探测强度重构技术实现单光子级超弱光空时成像，进而减少X射线对人体辐射剂量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种单光子级X射线空时成像方法，通过空时高分辨的面阵成像采集设备获取单光子X射线的到达位置信息和到达时间信息，经过对单个光子激发像素产生时间走离效应的校准实现对单个X射线光子的识别，再利用光子的泊松过程特性，从光子的到达时间信息反推目标物的强度信息，利用采集到稀疏光子满足的空时变量关联特性，通过基于泊松分布的图像重构算法，实现在若干光子的超弱X射线光源对目标物体的超分辨图像重构。
所述的空时高分辨的面阵成像采集设备包括：滤波模块、飞行时间记录模块和数据处理模块，其中：滤波模块根据来自X射线源的信号光子与噪声光子的具有不同能量信息，从中以特定波长范围的光子通过原则选出反映靶材特征谱的光子，飞行时间记录模块根据探测器记录光子的到达时间，比较同一时刻不同位置的光子计数得到目标物强度信息，数据处理模块根据来自探测器的稀疏光子信息，进行泊松分布的图像重构处理，得到目标物体的重构图像。
所述的信号光子与噪声光子的具有不同能量信息是指：X射线管发出的是连续波长的光子，选取能量谱在靶材特征峰处光子作为信号，其余的作为噪声滤掉。
所述的目标物强度信息是指：同一时刻，不同位置的光子计数多，说明该位置透过的光子多，目标物对应的该位置吸收的光子少，该处组织薄或者软信息。
所述的目标物强度信息是指：不同的生物体结构对X射线光子衰减程度不一样，导致在图像里面呈现出不同的灰度。
所述的稀疏光子是指：由于X射线光子的超低剂量，在图像上透过率高的地方有十几个光子，在透过率低的地方只有几个光子，这样形成的图像在空间上是不连续的，每个像素上光子的个数是有限的。这样的图像可以在某个坐标系中实现数据压缩，进而可以用来去除噪声。
所述的X射线单光子成像装置包括：以接近100％的效率探测X射线单光子，而且具有纳秒级的时间分辨率，能精确的记录光子的飞行时间以及分析光子的泊松过程的面阵像素直接探测器以及将X射线高能粒子通过闪烁体转换为很多个可见光光子，再被量子效率很高的相机采集这些光子的间接探测器件。
所述的X射线单光子成像装置优选采用面阵像素直接探测器。
所述的空时变量是指：待测X射线穿透目标物体后在不同位置上到达探测设备所有单光子所经历的飞行时间。
所述的目标物体是指：用于X射线成像的生物体标本，其中包含骨骼、肌肉组织密度不同的部位。
所述的透过率是指：从源处发射的X射线受到物体各部位密度以及厚度的影响，经过目标物体的不同位置时，透过的X射线量会有所改变，根据X射线成像系统接收到光子的量，计算其透过率，从而获得物体各部位密度及厚度信息。
所述的时间走离效应是指：由于成像系统的原因，X射线光子会以2*2或者更大的像素簇以二维高斯强度分布的形式出现，由于每个像素对光子的响应强度不同，导致激发像素的响应时间的不同，因此产生时间走离效应。
所述的泊松过程特性是指：X射线单光子在低亮度的情况下，光子的随机发生满足某个平均发生率的泊松过程，即X射线光子在飞行过程中，前一个光子的产生和后一个光子的产生是随机事件，相互之间没有关联的过程。由于受到目标物体对X射线光子的强度衰减，导致穿透物体前后光子所反映的泊松过程发生了变化。
所述的空时关联特性是指：现实中一幅图像素之间具有空时连续性，即相邻的像素之间具有相近的泊松过程，所以会有相近的平均强度。
所述的闪烁体是指：能够与高能射线或者高能粒子相互作用，一个高能X射线光子可以发出几千个紫外或者可见荧光光子，在辐射探测领域发挥十分重要的作用。
所述的量子效率是指：器件对光灵敏感性的精确测量，表示在某一特定波长下单位时间内产生的平均光子数与入射光子数的比例。
所述的基于泊松分布的图像重构算法是指：利用稀疏光子的飞行到达时间联合分布概率满足泊松分布凸函数的特性，经过对整张图凸优化图像重构后，获得对应像素的强度信息优化值，即对应的灰度值，具体为：求凸函数φ(I(i，j))≡F(I(i，j))+τ||I(i，j)||TV的最小值，
为泊松分布统计，n(i，j)为光子统计的数量，I(i，j)为每个像素接收到的辐射强度，β为估计的暗计数率，
i,j表示像素的横纵坐标，τ是用来平衡采取的数据和稀疏条件限制的因子。
所述的到达时间联合分布概率是指：每个像素对应的光子发生的时间序列可以用泊松过程描述，这个过程发生的所有光子的时间可以用一个联合条件发生概率表示。
技术效果
本发明整体解决了现有技术只能通过积累时间增加辐射量来获得清晰的图像的缺陷；与现有技术相比，本发明利用少量的光子到达时间重构出清晰的图像，通过对单光子识别处理技术手段，对每个光子进行高斯拟合与优化，进而可以超分辨呈现目标生物体内部骨骼、组织细节；这一技术有效地改变了目前病人在一年当中只能做2～3次X射线检查的限制，为多次借助X射线进行医疗筛查提供了新方案。
附图说明
图1为面阵成像采集设备示意图；
图2为离散X射线光子在透射物体前后在时间上的变化示意图；
图3a为时间走离效应示意图；
图3b为高斯拟合质心化过程示意图；
图4为稀疏光子算法重构结果示意图。
具体实施方式
本实施例涉及一种单光子级X射线空时成像方法，包括以下步骤：
步骤1、如图1所示，将X射线源出射的连续光谱的光子经过面阵成像采集设备的滤波模块进行x射线滤波，选取反应x射线靶材特征谱的的光子，保持X射线波长的一致性，方便后续随X射线光子数量上衰减的测量，同时避免其他高能光子对机体产生辐射损伤。
步骤2、将X射线强度按单光子级程度衰减，实现在空间上出现如图2所示离散的光子，通过光子计数方式记录光子的泊松过程变化，进而实现对透过率的估计。针对X射线被动成像的特点，选取直接探测的方式，选用纳秒级时间分辨率的面阵成像采集设备，探测器本身记录光子到达的时间。
步骤3、如图3a，图3b所示，校准单个光子的时间走离效应，所谓的时间走离效应是指当一束光信号入射到探测器芯片时，会一次性的点亮数个像素点，由于光斑打入的位置有任意性，会像图中一样可能会造成光强分布不均。四个像素点在给出探测器芯片设定阈值(TOT)的时候会有不同的斜率，与阈值的交点也会有不同的到达时间(TOA)，同一时刻到达的信号，被芯片给出了不同的时间标签；通过对信号划出不同的信号簇，对单个光子簇包含的像素点的相对于最强信号的到达时间差做统计，对所有的光子簇做这样的统计，获得一条反映每个像素强度与时间走离时间差的反比例函数形式曲线
ΔT表示单个光子簇包含的像素点的相对于最强信号的到达时间差，E表示单个像素的能量，E0表示最强信号像素的能量强度。
所述的探测器芯片设定阈值是指：光强超过阈值开始计时，直到光强衰减到阈值以下的时间，该时间可以代表信号的强度。
所述的到达时间是指：当信号的强度超过阈值时的时间。
所述的探测器芯片每一个像素点都可以独立记录信号的强度与时间，拥有强大的信息记录和后处理能力。
对校准后的光斑信号信息进行高斯拟合，定位质心，找到光斑强度中心，将质心为该信号的像素位置。经过步骤3处理后，统计获得一幅超分辨率的光子稀疏图像。
步骤4、如图4所示，对步骤3得到的光子稀疏图像进行凸优化后，获得对应像素的强度信息优化值，即对应的灰度值，实现数据图像超分辨率重构，具体为：如图4所示，a图先获取传统光子累积，b图再将第一个光子信息标记，c图再将前两个光子信息标记，d图为凸优化结果图，优化程序基本步骤为先初始化赋值，再循环迭代，选取最优结果
如图4所示，经过具体的模拟，在单光子级别弱光的条件下，曝光时间0.1ms，能够得到的实验数据是:图a，为原始的数据累积，经过光斑信号信息划分，拟合，定位质心，凸优化后重构得到d图，明显看到重构出的图像比原始图像清楚。
与现有技术相比，本装置可以实现每个像素平均一个X射线光子的全局成像，由于无信号的区域受到散射X射线噪声的影响，会出现光子计数率非常低的信号点。因此，一般情况下，对每个像素采集若干光子，可以有效的避免散射光子对信号区域的影响。同时，利用这些光子的飞行到达时间信息，可以还原目标物体的透射率，进而可以优化出物体的图像，由于光子的离散记录，可以有效的优化每一个X射线光子，实现超分辨超弱光成像，比普通强度累计成像方案辐射剂量降低7-8个数量级。
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 (6)
1.一种单光子级X射线空时成像方法，其特征在于，通过空时高分辨的面阵成像采集设备获取单光子X射线的到达位置信息和到达时间信息，经过对单个光子激发像素产生时间走离效应的校准实现对单个X射线光子的识别，再利用光子的泊松过程特性，从光子的到达时间信息反推目标物的强度信息，利用采集到稀疏光子满足的空时变量关联特性，通过基于泊松分布的图像重构算法，实现在若干光子的超弱X射线光源对目标物体的超分辨图像重构；
所述的空时高分辨的面阵成像采集设备包括：滤波模块、飞行时间记录模块和数据处理模块，其中：滤波模块根据来自X射线源的信号光子与噪声光子中筛选反映靶材特征谱的光子，飞行时间记录模块根据探测器记录光子的到达时间，比较同一时刻不同位置的光子计数得到目标物强度信息，数据处理模块根据来自探测器的稀疏光子信息，进行泊松分布的图像重构处理，得到目标物体的重构图像。
2.根据权利要求1所述的单光子级X射线空时成像方法，其特征是，所述的筛选是指：X射线管发出的是连续波长的光子，选取能量谱在靶材特征峰处光子作为信号，其余的作为噪声滤掉。
3.根据权利要求1所述的单光子级X射线空时成像方法，其特征是，所述的X射线单光子成像装置中进一步包括：面阵像素直接探测器或间接探测器件。
4.根据权利要求1所述的单光子级X射线空时成像方法，其特征是，所述的透过率是指：从源处发射的X射线受到物体各部位密度以及厚度的影响，经过目标物体的不同位置时，透过的X射线量会有所改变，根据X射线成像系统接收到光子的量，计算其透过率，从而获得物体各部位密度及厚度信息。
5.根据权利要求1所述的单光子级X射线空时成像方法，其特征是，所述的基于泊松分布的图像重构算法是指：利用稀疏光子的飞行到达时间联合分布概率满足泊松分布凸函数的特性，经过对整张图凸优化图像重构后，获得对应像素的强度信息优化值，即对应的灰度值，具体为：求凸函数φ(I(i，j))≡F(I(i，j))+τ||I(i，j)||TV的最小值，
为泊松分布统计，n(i，j)为光子统计的数量，I(i，j)为每个像素接收到的辐射强度，β为估计的暗计数率，
6.根据权利要求5所述的单光子级X射线空时成像方法，其特征是，所述的到达时间联合分布概率是指：每个像素对应的光子发生的时间序列用泊松过程描述，这个过程发生的所有光子的时间用一个联合条件发生概率表示。
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