CN113960086A

CN113960086A - 一种补偿式背散射探测器栅格准直成像系统及方法

Info

Publication number: CN113960086A
Application number: CN202111112076.XA
Authority: CN
Inventors: 刘鹏浩; 秦秀波; 赵宏鸣; 胡海帆; 李志垚; 马喆; 毛磊
Original assignee: Second Research Institute Of Casic
Current assignee: Second Research Institute Of Casic
Priority date: 2021-09-18
Filing date: 2021-09-18
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2041-09-18
Also published as: CN113960086B

Abstract

本发明公开一种补偿式背散射探测器栅格准直成像系统及方法，涉及射线成像技术领域，以解决现有背散射成像系统扫描待测体无法获得三维图的问题。其中：线束X射线生成器生成线束X射线，对运动的待测体进行扫描；栅格准直器对待测体反射的反射X射线进行部分屏蔽，允许准直器轴线两侧的反射X射线以对称补偿的形式穿过；探测器将反射X射线中包含的断层图像数据模拟信号按照时间序列进行存储输出；数据处理装置将模拟信号转换为数字信号，提取数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对断层图像数据进行图像重构，得到三维图像。上述系统及方法采用补偿式栅格准直器，减少了相邻射线扫描待测体成像的串扰信号，实现了三维成像，具有很高的实用性。

Description

一种补偿式背散射探测器栅格准直成像系统及方法

技术领域

本申请涉及射线成像技术领域，具体涉及一种补偿式背散射探测器栅格准直成像系统及方法。

背景技术

在射线成像技术领域，透射式射线成像方法是最为有效的成像方法之一，其优点在于根据扫描的多幅图像，通过数据重建，图像处理等操作，可以给出被扫物体的三维图像信息，但是，透射式射线成像系统及方法并不能满足各种不同的应用场景。如果在特殊情况下需要在物体的一侧进行X射线照射及成像操作，一般采用背散射成像的方法。

现有背散射成像系统大多采用飞点扫描的方式，根据射线的能量和穿透力，这种扫描方式能够实现对物体一定深度范围的扫描，但是在扫描的深度范围内，所得到的图像是整个扫描厚度所有信息叠加在一起的二维图，只能显示扫描面内图像的密度变化情况，无法给出待测体的深度信息及扫描范围内的三维结构，同时扫描效率低，多幅图像叠加过程中，像素叠加、伪影及失真情况严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种补偿式背散射探测器栅格准直成像系统及方法，用于解决现有背散射成像系统扫描待测体只能得到扫描厚度所有信息叠加的二维图，无法获得三维图，且扫描效率低，像素叠加、伪影及失真情况严重的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

提供一种补偿式背散射探测器栅格准直成像系统，包括：线束X射线生成器、栅格准直器、探测器以及数据处理装置；

所述线束X射线生成器，用于生成线束X射线，对运动的待测体进行扫描；

所述栅格准直器，放置在所述待测体和所述线束X射线生成装置之间，用于对所述待测体反射的反射X射线进行部分屏蔽，允许准直器轴线两侧的反射X射线以对称补偿的形式穿过；

所述探测器，放置在所述栅格准直器和所述线束X射线生成装置之间，用于接收反射的X射线，同时将反射X射线中包含的断层图像数据的模拟信号按照时间序列进行存储输出；

所述数据处理装置，用于将所述模拟信号转换为数字信号，提取所述数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对所述断层图像数据进行图像重构，得到待测体的三维图像。

与现有技术相比，本发明提供的补偿式背散射探测器栅格准直成像系统中的线束X射线生成器能够生成线束X射线，线束X射线可以对运动的待测体的每一层进行扫描成像，栅格准直器的准直栅孔采用的是对称补偿的形式，由于准直栅孔在栅格准直器上是间隔排布，在与准直栅孔共线的入射光能够进入准直栅孔，与准直栅孔平行但不在准直栅孔接收范围内的其他射线，被栅格准直器阻挡，导致在这些X射线对应深度的图像信息丢失，而栅格准直器对称轴另一侧的准直栅孔，刚好接收了对称一侧准直栅孔丢失的X射线图像信息。相邻的准直栅孔之间由高密度材料间隔开的结构，极大的改善了信号串扰的情况。上述成像系统实现简单，通过采用在背散射探测系统中应用补偿式栅格准直器的结构及方法，实现了常用背散射系统无法实现的三维成像，减少了相邻射线扫描待测体成像的串扰信号，通过无损检测方法，可以得到待测体在不同确定深度方向上的图像信息，具有很高的实用性。

本发明还提供了一种补偿式背散射探测器栅格准直成像方法，包括以下步骤：

S10：生成线束X射线，对运动的待测体进行扫描；

S20：对待测体反射的反射X射线进行部分屏蔽，允许所述准直器两侧的反射X射线以对称补偿的形式穿过；

S30：将反射X射线中包含的断层图像数据的模拟信号按照时间序列进行存储输出；

S40：将所述模拟信号转换为数字信号，提取所述数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对所述断层图像数据进行图像重构，得到待测体的三维图像。

与现有技术相比，本发明提供的补偿式背散射探测器栅格准直成像方法的有益效果与上述技术方案所述补偿式背散射探测器栅格准直成像系统的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的补偿式背散射探测器栅格准直成像系统的示意性结构图；

图2为图1中补偿式背散射探测器栅格准直截面示意图；

图3为本发明实施例提供的补偿式背散射探测器栅格准直成像方法的示意性流程图。

附图标记：

1-X光机，2-光机准直器，3-探测器，4-栅格准直器，5-被测物，6-信号处理系统，7-上位机，8-反射X射线，9-线束X射线。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

本发明的补偿式背散射探测器3栅格准直成像系统，包括：线束X射线生成器、栅格准直器4、探测器3以及数据处理装置；

线束X射线生成器，用于生成线束X射线9，对运动的待测体5进行扫描；

栅格准直器4，放置在待测体5和线束X射线生成装置之间，用于对待测体5反射的反射X射线8进行部分屏蔽，允许准直器轴线两侧的反射X射线8以对称补偿的形式穿过；

探测器3，放置在栅格准直器4和线束X射线生成装置之间，用于接收反射的X射线，同时将反射X射线中包含的断层图像数据的模拟信号按照时间序列进行存储输出；

数据处理装置，用于将模拟信号转换为数字信号，提取数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对断层图像数据进行图像重构，得到待测体5的三维图像。

具体实施时：

光机准直器2上开有线缝准直孔，X光机1发射的锥束X射线通过光机准直器2后变成线束X射线9，光机准直器2由钨铜或铅等高密度材料组成。线束X射线9通过两个探测器3中间的缝隙后，照射到待测体5上，待测体5反射的反射X射线8，经过安装在探测器3前端的栅格准直器4，被探测器3接收。每扫描一条线代表扫描了物体的一个截面，随着物体5在与探测器3平行方向的移动，所有扫描的截面结果按顺序排布就组成了整个物体。栅格准直器4安装在探测器3前面，其材料为钨铜或铅等高密度材料，用于阻挡无法通过准直栅孔4的X射线，如图2所示，是一种补偿式背散射探测器3栅格准直截面的示意图。栅格准直器4在准直器轴线两侧排布着以对称轴为对称中心两侧互相补偿的准直栅孔，两侧的准直栅孔与准直器轴线的夹角相同，均朝向待测体5。准直器轴线同一侧的准直栅孔各自互相平行，与准直栅孔角度相同并共线的反射X射线8，通过准直栅孔由探测器3接收。由于准直栅孔在栅格准直器4上是间隔排布，在与准直栅孔共线的入射光能够进入准直栅孔，与准直栅孔平行但不在准直栅孔接收范围内的其他射线，被栅格准直器4阻挡，无法被探测器3接收，因此在准直器3对称轴一侧的部分X射线由于无法被探测器3接收，导致在这些X射线对应深度的图像信息丢失。为了补偿这一部分损失的信息，在栅格准直器4对称轴另一侧的准直栅孔，由于其排布正好与对称一侧的准直栅孔互相补偿，因此这一侧的准直栅孔刚好接收了对称一侧准直栅孔丢失的反射X射线8的图像信息，通过这一侧准直栅孔的反射X射线8进入对应的探测器3内。每个准直栅孔与待测体5某一段深度的反射光8一一对应，每段深度的反射光8反射回到对应的准直栅孔中。每对物体的一个剖面进行成像，即得到这一层的图像信息，随着物体的移动，X光机1从初始位置开始对待测体5的每一层进行扫描成像，探测器3将每组X射线照射产生的图像的模拟信号按时序信息进行存储后，传输到信号处理系统6，信号处理系统6将模拟量信号转换为数字信号输出到信号处理系统6的中央处理器，进行数据处理后，将处理后的图像数据传输给上位机7。上位机7接收信号处理系统6发回的图像数据，根据相应的上位机7软件对信号处理系统6传输的图像数据进行整合、图像重建、校正、增强等相关工作，最终显示被扫物体的三维图像。

与现有技术相比，本发明提供的补偿式背散射探测器3栅格准直成像系统中的线束X射线生成器能够生成线束X射线9，线束X射线9可以对运动的待测体5的每一层进行扫描成像，栅格准直器4的准直栅孔采用的是对称补偿的形式，由于准直栅孔在栅格准直器4上是间隔排布，在与准直栅孔共线的入射光能够进入准直栅孔，与准直栅孔平行但不在准直栅孔接收范围内的其他射线，被栅格准直器4阻挡，导致在这些X射线对应深度的图像信息丢失，而栅格准直器4对称轴另一侧的准直栅孔，刚好接收了对称一侧准直栅孔丢失的X射线图像信息，相邻的准直栅孔之间由高密度材料间隔开的结构，极大的改善了信号串扰的情况。上述成像系统实现简单，通过采用在背散射探测系统中应用补偿式栅格准直器4的结构及方法，实现了常用背散射系统无法实现的三维成像，减少了相邻射线扫描待测体5成像的串扰信号，通过无损检测方法，可以得到待测体5在不同确定深度方向上的图像信息，具有很高的实用性。

作为一种可实施方式，线束X射线生成器包括X光机1以及光机准直器2；X光机1，用于发射锥束X射线；光机准直器2，朝向栅格准直器4的一侧设置有线缝准直孔，用于将锥束X射线转换为线束X射线9，对匀速运动的待测体5进行扫描。

光机准直器2的设置，能够将X光机1生成的锥束X射线转换为线束X射线9，以实现对待测体5平面内的扫描。待测体5反射的每一条反射X射线8，都代表扫描了待测体5的一个截面，随着待测体5在与探测器3平行方向的移动，所有扫描的截面结果按顺序排布就组成了整个待测体5。

作为一种可实施方式，光机准直器2由高密度材料制成。

所述光机准直器2的材料采用钨铜或铅等高密度物质，能够有效的屏蔽不需要穿出光机准直器2的光线，确保穿出光机准直器2的线束X射线9的质量。进一步的，探测器3为两块，在线束X线束的两侧对称设置，生成的线束X射线9从两块探测器3中间通过，打在与探测器3相对的待测体5上。

作为一种可实施方式，栅格准直器4的准直器轴线的两侧设置有两组准直栅孔，同组内准直栅孔的间隔和倾斜角度均相同，不同组内准直栅孔与准直器轴线的夹角相同，且均朝向待测体5，不同组内的准直栅孔在准直器轴线的两侧以对称补偿的形式设置。进一步的，栅格准直器4由高密度材料制成。

采用钨铜或铅等高密度物质支撑的栅格准直器4，能够有效的屏蔽不需要通过准直栅孔的反射X射线8，并且，相邻准直栅孔间也是用高密度材料间隔开的，能够有效的改善图像信号串扰的情况。详见图1和图2，本实施例中两组准直栅孔在准直器轴线的两侧以对称补偿的形式设置，准直器轴线一侧为准直栅孔，可以透过反射X射线8，准直器轴线另一侧对称的位置，为高密度材料的屏蔽格挡，屏蔽反射X射线8的透过，准直栅孔和屏蔽格挡间隔设置，不同组内的准直栅孔和屏蔽格挡沿准直器轴线对称设置，即准直器轴线一侧的准直栅孔透过反射X射线8，另一侧对称位置的屏蔽格挡，屏蔽反射X射线8，准直器轴线同一侧透过的反射X射线8，与周线另一侧透过的反射X射线8互为补偿，完成对待测体5深度方向上的扫描。每个准直栅孔与待测体5某一段深度的反射X射线8一一对应，每段深度的反射X射线8反射回到对应的准直栅孔中。准直栅孔的开孔大小根据需要探测的待测体5的深度方向的分辨率决定。准直栅孔越小，探测深度的分辨率越小，成像效果越好，相反，准直栅孔越大，探测深度的分辨率越大，成像效果越差。栅格准直器4的厚度做到能屏蔽反射射线，由入射射线的能量及反射回的反射射线能量决定。

作为一种可实施方式，数据处理装置包括信号处理系统6以及上位机7；信号处理系统6，用于按照时间序列对模拟信号进行排序，将模拟信号转换为数字信号，对转换的数字信号进行打包存储；上位机7，用于提取数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对断层图像数据进行图像重构，得到待测体5的三维图像。

线束X射线9每对待测体5的一个剖面进行成像，即得到这一层的图像信息，X光机1从初始位置开始对待测体5的每一层进行扫描成像，每扫描待测体5的一条线，探测器3就会接收到待测体5的这个断层截面内的数据信息，随着待测体5在与探测器3平行方向的移动，可以得到一系列的断层图像数据。探测器3将X射线照射产生的图像的模拟信号按时序信息进行存储，传输到信号处理系统6，信号处理系统6会将模拟信号转换为数字信号输出到信号处理系统6的中央处理器，进行数据处理后，进行的数据处理主要包括数据排序、格式转换以及数据打包。信号处理系统6会将处理后的图像数据输给上位机7。上位机7会接收信号处理系统6发送的图像数据，根据相应的上位机7软件对信号处理系统6传输的图像数据进行整合、图像重建、校正、增强等相关工作，最终显示待测体5的三维图像。

作为一种可实施方式，上位机7还用于对断层图像数据按照时间序列进行灰度校正、滤波降噪和层架差值，构建三维数据库，基于重构函数，获得待测体5的三维图像。

通过对断层图像数据进行的灰度校正、滤波降噪以及层架差值等操作，有效的提高了处理后断层图像数据的准确性和清晰度，保证了得到的待测体5三维图像的有效性。

实施例二：

在实施例一的基础上，本发明还提供了一种补偿式背散射探测器栅格准直成像系统的成像方法，包括以下步骤：

S10：生成线束X射线，对运动的待测体进行扫描；

S20：对待测体反射的反射X射线进行部分屏蔽，允许线束X射线两侧的反射X射线以对称补偿的形式穿过；

S40：将模拟信号转换为数字信号，提取数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对断层图像数据进行图像重构，得到待测体的三维图像。

与现有技术相比，本发明提供的补偿式背散射探测器栅格准直成像方法中的生成的线束X射线可以对运动的待测体的每一层进行扫描成像，栅格准直器的准直栅孔采用的是对称补偿的形式，由于准直栅孔在栅格准直器上是间隔排布，在与准直栅孔共线的入射光能够进入准直栅孔，与准直栅孔平行但不在准直栅孔接收范围内的其他射线，被栅格准直器阻挡，导致在这些X射线对应深度的图像信息丢失，而栅格准直器对称轴另一侧的准直栅孔，刚好接收了对称一侧准直栅孔丢失的X射线图像信息，相邻的准直栅孔之间由高密度材料间隔开的结构，极大的改善了信号串扰的情况。上述成像系统实现简单，通过采用在背散射探测系统中应用补偿式栅格准直器的结构及方法，实现了常用背散射系统无法实现的三维成像，减少了相邻射线扫描待测体成像的串扰信号，通过无损检测方法，可以得到待测体在不同确定深度方向上的图像信息，具有很高的实用性。

作为一种可实施方式，将模拟信号转换为数字信号，提取数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对断层图像数据进行图像重构，得到待测体的三维图像，具体包括以下步骤：按照时间序列对模拟信号进行排序，将模拟信号转换为数字信号，对转换的数字信号进行打包存储；提取数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对断层图像数据进行图像重构，得到待测体的三维图像。

线束X射线每对待测体的一个剖面进行成像，即得到这一层的图像信息，X光机从初始位置开始对物体的每一层进行扫描成像，每扫描待测体的一条线，探测器就会接收到待测体的这个断层截面内的数据信息，随着待测体在与探测器平行方向的移动，可以得到一系列的断层图像数据。探测器将X射线照射产生的图像的模拟信号按时序信息进行存储，传输到信号处理系统，信号处理系统会将模拟信号转换为数字信号输出到信号处理系统的中央处理器，进行数据处理后，进行的数据处理主要包括数据排序、格式转换以及数据打包。信号处理系统会将处理后的图像数据输给上位机。上位机会接收信号处理系统发送的图像数据，根据相应的上位机软件对信号处理系统传输的图像数据进行整合、图像重建、校正、增强等相关工作，最终显示待测体的三维图像。

作为一种可实施方式，基于时间序列对断层图像数据进行图像重构，得到待测体的三维图像，具体包括以下步骤：对断层图像数据按照时间序列进行灰度校正、滤波降噪和层架差值，构建三维数据库，基于重构函数，获得待测体的三维图像。

通过对断层图像数据进行的灰度校正、滤波降噪以及层架差值等操作，有效的提高了处理后断层图像数据的准确性和清晰度，保证了得到的待测体三维图像的有效性。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种补偿式背散射探测器栅格准直成像系统，其特征在于，包括：线束X射线生成器、栅格准直器、探测器以及数据处理装置；

2.根据权利要求1所述的补偿式背散射探测器栅格准直成像系统，其特征在于，所述线束X射线生成器包括X光机以及光机准直器；

所述X光机，用于发射锥束X射线；

所述光机准直器，朝向所述栅格准直器的一侧设置有线缝准直孔，用于将锥束X射线转换为线束X射线，对匀速运动的待测体进行扫描。

3.根据权利要求2所述的补偿式背散射探测器栅格准直成像系统，其特征在于，所述光机准直器由高密度材料制成。

4.根据权利要求1所述的补偿式背散射探测器栅格准直成像系统，其特征在于，所述栅格准直器的准直器轴线的两侧设置有两组准直栅孔，同组内准直栅孔的间隔和倾斜角度均相同，不同组内准直栅孔与所述准直器轴线的夹角相同，且均朝向所述待测体，不同组内的准直栅孔在所述准直器轴线的两侧以对称补偿的形式设置。

5.根据权利要求4所述的补偿式背散射探测器栅格准直成像系统，其特征在于，所述栅格准直器由高密度材料制成。

6.根据权利要求1所述的补偿式背散射探测器栅格准直成像系统，其特征在于，所述数据处理装置包括信号处理系统以及上位机；

所述信号处理系统，用于按照时间序列对所述模拟信号进行排序，将所述模拟信号转换为数字信号，对转换的数字信号进行打包存储；

所述上位机，用于提取所述数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对所述断层图像数据进行图像重构，得到待测体的三维图像。

7.根据权利要求6所述的补偿式背散射探测器栅格准直成像系统，其特征在于，所述上位机还用于对所述断层图像数据按照时间序列进行灰度校正、滤波降噪和层架差值，构建三维数据库，基于重构函数，获得待测体的三维图像。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述补偿式背散射探测器栅格准直成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：生成线束X射线，对运动的待测体进行扫描；

S20：对待测体反射的反射X射线进行部分屏蔽，允许所述线束X射线两侧的反射X射线以对称补偿的形式穿过；

9.如权利要求8所述的补偿式背散射探测器栅格准直成像方法，其特征在于，所述将所述模拟信号转换为数字信号，提取所述数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对所述断层图像数据进行图像重构，得到待测体的三维图像，具体包括以下步骤：

按照时间序列对所述模拟信号进行排序，将所述模拟信号转换为数字信号，对转换的数字信号进行打包存储；

提取所述数字信号中的断层图像数据，基于时间序列对所述断层图像数据进行图像重构，得到待测体的三维图像。

10.根据权利要求9所述的补偿式背散射探测器栅格准直成像方法，其特征在于，所述基于时间序列对所述断层图像数据进行图像重构，得到待测体的三维图像，具体包括以下步骤：

对所述断层图像数据按照时间序列进行灰度校正、滤波降噪和层架差值，构建三维数据库，基于重构函数，获得待测体的三维图像。