CN115356362A - X射线荧光成像方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

X射线荧光成像方法、装置、电子设备及存储介质 Download PDF

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CN115356362A CN202211008806.6A CN202211008806A CN115356362A CN 115356362 A CN115356362 A CN 115356362A CN 202211008806 A CN202211008806 A CN 202211008806A CN 115356362 A CN115356362 A CN 115356362A
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Abstract

本申请涉及一种X射线荧光成像方法、装置、电子设备及存储介质，包括：将X射线入射到待扫描样品，激发待扫描样品中的X射线荧光光子和散射光子；将荧光光子和/或散射光子射入康普顿相机探测器，获取康普顿相机探测器移动过程中荧光光子和散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量；根据第一空间坐标、第一沉积能量、第二空间坐标和第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到待扫描样品的三维图像。由此，解决了X射线激发产生的散射光子带来大量噪声和较低的信噪比，导致荧光光子的识别和成像困难，以及康普顿相机对于100keV以下的入射光子分辨率低等问题。

Description

X射线荧光成像方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本申请涉及辐射成像技术领域，特别涉及一种X射线荧光成像方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
X射线荧光CT(Computed Tomograph，电子计算机断层扫描)是一种可以获取目标的分子和功能信息的成像模式，相比一般的X射线成像模式具有更高的成像对比度和灵敏度，近年来得到了许多关注。对于传统的XFCT(X-ray fluorescence Compton Tomograph，X射线荧光电子扫描)成像系统，为了获取荧光光子的入射方向，通常需要使用非常小孔径的机械准直器，这会带来大量的光子损失，并降低探测效率。康普顿相机是一种使用电子准直获取入射方向信息的成像模式，不需要机械准直器，因此具有较高的探测效率。最早的康普顿相机是用于天文观测的，后来由于其独特的成像能力，近年来康普顿相机已被广泛应用于环境辐射检测、医疗成像、质子治疗等诸多领域。此外，康普顿相机还可以实现单视角或较少视角扫描下的三维成像，因此可以节省扫描时间。
为了实现单角度快速扫描的三维X射线荧光成像，使用康普顿相机模式进行X射线荧光成像是一个全新的、值得探索的思路。2016年，Vernekohl等用蒙特卡罗辐射输运方法模拟了康普顿相机下的X射线荧光成像，对当前探测技术，特别是现实的能量分辨率，进行了仿真，以证明其可行性。然而，该工作只考虑了较为理想的实验条件下的仿真实验，入射光是理想的82keV单色光，探测器的能量分辨率和空间分辨率均较好，且使用了极大面积的扇形探测器以获取了全视角的投影数据，这些条件都是真实的医疗实验环境较难具备的。
事实上，X射线荧光康普顿相机成像模式依然没有被真实的实验实现，这主要是因为该成像模式面临多方面的挑战。第一，X射线荧光成像具有固有的成像挑战，即X射线激发产生荧光光子时，通常伴随着大量的散射光子，这会带来大量的噪声和较低的信噪比，给荧光光子的识别和成像带来困难。对于传统的XFCT，由于探测的投影信号通常是积分信号，可以使用多项式拟合方法，从投影数据的积分能谱中去除散射本底、提取荧光峰信号强度。但对于康普顿相机成像，重建所需的数据通常是每个光子的独立信息，就无法使用能谱拟合的方法去除散射。第二，康普顿相机对于100keV以下的低能入射光子的重建是比较困难的，多普勒展宽效应的负面影响会变得十分显著，会使得康普顿散射角的准确性大大降低。第三，传统的康普顿相机通常使用在低通量的辐射场环境下，对于探测器的计数率要求不高，而X射线荧光光子通常由X光机激发，光子通量十分巨大，因此要求探测器不仅有较好的空间分辨率和能量分辨率，还要有较高的计数率，这是非常有挑战性的。
发明内容
本申请提供一种X射线荧光成像方法、装置、电子设备及存储介质，以解决了X射线激发产生的散射光子带来大量噪声和较低的信噪比，导致荧光光子的识别和成像困难，以及康普顿相机对于100keV以下的入射光子分辨率低等问题，构建了可以实现X射线荧光成像的成像系统，实现100keV以下能量光子入射条件下的康普顿相机高分辨率重建。
本申请第一方面实施例提供一种X射线荧光成像方法，包括以下步骤：将X射线入射到待扫描样品，激发所述待扫描样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子；基于预设的入射角度，将所述荧光光子和/或所述散射光子射入康普顿相机探测器，并获取所述康普顿相机探测器移动过程中所述荧光光子和所述散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量；根据所述第一空间坐标、所述第一沉积能量、所述第二空间坐标和所述第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到所述待扫描样品的三维图像。
可选地，所述预设的重建算法为：
Figure BDA0003809979350000021
其中，
Figure BDA0003809979350000022
为经过(l+1)轮迭代后的图像的体素j，l为整数，
Figure BDA0003809979350000023
为经过l轮迭代后的图像的体素j，Tij为系统矩阵，Sj为灵敏度矩阵，i为事件数索引，j为体素索引，N为事件总数，M为体素总数，k为体素索引，Tik为系统矩阵的元素，
Figure BDA0003809979350000024
为经过l轮迭代后的图像的体素k。
可选地，所述系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000025
其中，vj为体素j的成像空间体积，P(yi|x，E0)为事件yi与空间点x有关的概率，x为空间中一点，yi为第i个事件，E0为入射光子总能量，P(x∈vj)为空间点x在体素j的体积vj内的概率。
可选地，上述的X射线荧光成像方法，还包括：基于预设的散射校正算法，更新所述系统矩阵，其中，更新后的所述系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000031
其中，
Figure BDA0003809979350000032
为改写后的系统矩阵，
Figure BDA0003809979350000033
表示事件yi不属于散射光子带来的事件集Y(Scattering)的概率。
可选地，上述的X射线荧光成像方法，还包括：基于预设的多普勒展宽校正的低能重建算法和所述散射校正算法，确定所述系统矩阵，其中，所述系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000034
其中，
Figure BDA0003809979350000035
为事件yi与体素vj之间的向量，
Figure BDA0003809979350000036
为向量
Figure BDA0003809979350000037
与竖直方向的夹角，β为真实散射角，θ为测量散射角，K(β，E0)为康普顿散射截面，σer为探测器能量分辨率，σsr为探测器空间分辨率，σdb为多普勒展宽效应带来的重建角度不确定度，h(φi)为事件i来自于散射光子的概率。
本申请第二方面实施例提供一种X射线荧光成像装置，包括：激发模块，用于将X射线入射到待扫描样品，激发所述待扫描样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子；获取模块，用于基于预设的入射角度，将所述荧光光子和/或所述散射光子射入康普顿相机探测器，并获取所述康普顿相机探测器移动过程中所述荧光光子和所述散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量；成像模块，用于根据所述第一空间坐标、所述第一沉积能量、所述第二空间坐标和所述第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到所述待扫描样品的三维图像。
可选地，所述预设的重建算法为：
Figure BDA0003809979350000038
其中，
Figure BDA0003809979350000039
为经过(l+1)轮迭代后的图像的体素j，l为整数，
Figure BDA00038099793500000310
为经过l轮迭代后的图像的体素j，Tij为系统矩阵，Sj为灵敏度矩阵，i为事件数索引，j为体素索引，N为事件总数，M为体素总数，k为体素索引，Tik为系统矩阵的元素，
Figure BDA00038099793500000311
为经过l轮迭代后的图像的体素k。
可选地，所述系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000041
其中，vj为体素j的成像空间体积，P(yi|x，E0)为事件yi与空间点x有关的概率，x为空间中一点，yi为第i个事件，E0为入射光子总能量，P(x∈vj)为空间点x在体素j的体积vj内的概率。
可选地，上述的X射线荧光成像装置，还包括：基于预设的散射校正算法，更新所述系统矩阵，其中，更新后的所述系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000042
其中，
Figure BDA0003809979350000043
为改写后的系统矩阵，
Figure BDA0003809979350000044
表示事件yi不属于散射光子带来的事件集Y(Scattering)的概率。
可选地，上述的X射线荧光成像装置，还包括：基于预设的多普勒展宽校正的低能重建算法和所述散射校正算法，确定所述系统矩阵，其中，所述系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000045
其中，
Figure BDA0003809979350000046
为事件yi与体素vj之间的向量，
Figure BDA0003809979350000047
为向量
Figure BDA0003809979350000048
与竖直方向的夹角，β为真实散射角，θ为测量散射角，K(β，E0)为康普顿散射截面，σer为探测器能量分辨率，σsr为探测器空间分辨率，σdb为多普勒展宽效应带来的重建角度不确定度，h(φi)为事件i来自于散射光子的概率。
本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的X射线荧光成像方法。
本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的X射线荧光成像方法。
由此，通过将X射线入射到待扫描样品，激发待扫描样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子，基于预设的入射角度，将荧光光子和/或散射光子射入康普顿相机探测器，并获取康普顿相机探测器移动过程中荧光光子和散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量，根据第一空间坐标、第一沉积能量、第二空间坐标和第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到待扫描样品的三维图像。解决了X射线激发产生的散射光子带来大量噪声和较低的信噪比，导致荧光光子的识别和成像困难，以及康普顿相机对于100keV以下的入射光子分辨率低等问题，构建了可以实现X射线荧光成像的成像系统，实现100keV以下能量光子入射条件下的康普顿相机高分辨率重建。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种X射线荧光成像方法的流程图；
图2为根据本申请一个实施例的XFCC系统数据采集及物理过程示意图；
图3为根据本申请一个实施例的康普顿相机的数据采集过程示意图；
图4为根据本申请一个实施例的入射光子和散射光子及其各自的偏振矢量示意图；
图5为根据本申请一个实施例的康普顿散射KN(Klein-Nishina)截面随方位角φ的理论变化情况曲线的示意图；
图6为根据本申请一个实施例的真实实验采集的数据中方位角φ的分布情况，及三角函数拟合曲线的示意图；
图7为根据本申请实施例的X射线荧光成像装置的方框示意图；
图8为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的X射线荧光成像方法、装置、电子设备及存储介质。针对上述背景技术中心提到的X射线激发产生的散射光子带来大量噪声和较低的信噪比，导致荧光光子的识别和成像困难，以及康普顿相机对于100keV以下的入射光子分辨率低的问题，本申请提供了一种X射线荧光成像方法，在该方法中，通过将X射线入射到待扫描样品，激发待扫描样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子，基于预设的入射角度，将荧光光子和/或散射光子射入康普顿相机探测器，并获取康普顿相机探测器移动过程中荧光光子和散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量，根据第一空间坐标、第一沉积能量、第二空间坐标和第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到待扫描样品的三维图像。由此，解决了X射线激发产生的散射光子带来大量噪声和较低的信噪比，导致荧光光子的识别和成像困难，以及康普顿相机对于100keV以下的入射光子分辨率低等问题，构建了可以实现X射线荧光成像的成像系统，实现100keV以下能量光子入射条件下的康普顿相机高分辨率重建。
具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种X射线荧光成像方法的流程示意图。
如图1所示，该X射线荧光成像方法包括以下步骤：
在步骤S101中，将X射线入射到待扫描样品，激发待扫描样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子。
具体地，如图2所示，X射线入射到待扫描样品上，激发出样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子。
在步骤S102中，基于预设的入射角度，将荧光光子和/或散射光子射入康普顿相机探测器，并获取康普顿相机探测器移动过程中荧光光子和散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量。
应当理解的是，如图3所示，荧光光子和散射光子一起进入入射方向90°方向上的康普顿相机探测器中，或者荧光光子或散射光子一起进入入射方向90°方向上的康普顿相机探测器中，康普顿相机探测器探测到的入射光子在其内部发生康普顿散射，通过面阵列探测器的响应，可以获取散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及获取吸收事件发生的第二空间坐标和第二沉积能量。
在步骤S103中，根据第一空间坐标、第一沉积能量、第二空间坐标和第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到待扫描样品的三维图像。
具体地，根据第一空间坐标、第一沉积能量、第二空间坐标和第二沉积能量，通过平移台的移动可以实现扇束扫描的不同断层切换，并最终组成三维图像。
可选地，在一些实施例中，预设的重建算法为：
Figure BDA0003809979350000061
其中，
Figure BDA0003809979350000071
为经过(l+1)轮迭代后的图像的体素j，l为整数，
Figure BDA0003809979350000072
为经过l轮迭代后的图像的体素j，Tij为系统矩阵，Sj为灵敏度矩阵，i为事件数索引，j为体素索引，N为事件总数，M为体素总数，k为体素索引，Tik为系统矩阵的元素，
Figure BDA0003809979350000073
为经过l轮迭代后的图像的体素k。
具体地，根据获取康普顿相机重建所需的列表模式数据，将它们用于列表模式极大似然期望最大化算法的迭代重建，其中，体素索引值可以任意选取，如随机初值、滤波反投影算法重建结果作为初值等均可。
可选地，在一些实施例中，系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000074
其中，vj为体素j的成像空间体积，P(yi|x，E0)为事件yi与空间点x有关的概率，x为空间中一点，yi为第i个事件，E0为入射光子总能量，P(x∈vj)为空间点x在体素j的体积vj内的概率。
应当理解的是，由于某些元素的荧光光子能量低于100keV，而对于该能量范围的康普顿相机重建，会受到多普勒展宽效应的影响，因此引入了多普勒展宽校正，针对于低能重建的康普顿相机重建算法，使用系统矩阵的概率模型表示。
可选地，在一些实施例中，上述的X射线荧光成像方法，还包括：基于预设的散射校正算法，更新系统矩阵，其中，更新后的系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000075
其中，
Figure BDA0003809979350000076
为改写后的系统矩阵，
Figure BDA0003809979350000077
表示事件yi不属于散射光子带来的事件集Y(Scattering)的概率。
可以理解的是，由于入射光子中，既有有效信号即X射线荧光光子，同时也伴随着散射光子，因此为了对散射光子的噪声进行校正，使用基于光子偏振信息的散射校正算法进行校正处理。
其中，为了求解
Figure BDA0003809979350000078
需要讨论线偏振的散射光子入射到探测器，再次发生康普顿散射时的Klein-Nishina(KN)微分截面，如下式：
Figure BDA0003809979350000079
其中，r0为经典电子半径，E2和E0分别为散射光子能量和入射光子总能量，θ为康普顿散射角，φ为偏振方位角，是散射光子矢量在入射光子偏振面上的投影与入射光子偏振方向的夹角，入射光子和散射光子及其各自的偏振矢量示意图如图4所示，图5展示了Klein-Nishina微分截面随偏振方位角φ变化的情况。
进一步地，当仅有散射光子入射时，方位角φ的分布情况(角度窗为10°)，并对该分布作如下式的三角函数非线性曲线拟合，其中，真实实验采集的数据中方位角的分布情况，及三角函数拟合曲线的示意图，如图6所示。
Figure BDA0003809979350000081
其中，y0，A，ω，φ0为待拟合参数。拟合结果表明，真实实验的方位角分布情况与理论分析相吻合，因此，将f(φ)作归一化处理，使其值域处于[0，1]之间，得到函数h(φ)，并用该函数构建概率
Figure BDA0003809979350000082
如下：
Figure BDA0003809979350000087
可选地，在一些实施例中，上述的X射线荧光成像方法，还包括：基于预设的多普勒展宽校正的低能重建算法和散射校正算法，确定系统矩阵，其中，系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000083
其中，
Figure BDA0003809979350000084
为事件yi与体素vj之间的向量，
Figure BDA0003809979350000085
为向量
Figure BDA0003809979350000086
与竖直方向的夹角，β为真实散射角，θ为测量散射角，K(β，E0)为康普顿散射截面，σer为探测器能量分辨率，σsr为探测器空间分辨率，σdb为多普勒展宽效应带来的重建角度不确定度，h(φi)为事件i来自于散射光子的概率。其中，σer、σsr和σdb可以用任意合理方法获得，如数值计算方法、蒙卡仿真方法、实验测量法等均可。
具体地，结合多普勒展宽校正的低能重建算法以及基于偏振信息的散射校正算法，可以得到CCFIRM(Compton camera-based X-ray fluorescence imagingreconstruction method，基于康普顿相机的X射线荧光光谱仪成像重建方法)方法求解得到的系统矩阵。
其中，该概率模型除了可以用真实实验的数据拟合构建外，也可以通过仿真数据拟合构建、理论计算数据构建等方式实现，在此不作具体限定。
根据本申请实施例提出的X射线荧光成像方法，通过将X射线入射到待扫描样品，激发待扫描样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子，基于预设的入射角度，将荧光光子和/或散射光子射入康普顿相机探测器，并获取康普顿相机探测器移动过程中荧光光子和散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量，根据第一空间坐标、第一沉积能量、第二空间坐标和第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到待扫描样品的三维图像。由此，解决了X射线激发产生的散射光子带来大量噪声和较低的信噪比，导致荧光光子的识别和成像困难，以及康普顿相机对于100keV以下的入射光子分辨率低等问题，构建了可以实现X射线荧光成像的成像系统，实现100keV以下能量光子入射条件下的康普顿相机高分辨率重建。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的X射线荧光成像装置。
图7是本申请实施例的X射线荧光成像装置的方框示意图。
如图7所示，该X射线荧光成像装置10包括：激发模块100、获取模块200和成像模块300。
其中，激发模块100，用于将X射线入射到待扫描样品，激发待扫描样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子；获取模块200，用于基于预设的入射角度，将荧光光子和/或散射光子射入康普顿相机探测器，并获取康普顿相机探测器移动过程中荧光光子和散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量；成像模块300，用于根据第一空间坐标、第一沉积能量、第二空间坐标和第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到待扫描样品的三维图像。
可选地，在一些实施例中，预设的重建算法为：
Figure BDA0003809979350000091
其中，
Figure BDA0003809979350000092
为经过(l+1)轮迭代后的图像的体素j，l为整数，
Figure BDA0003809979350000093
为经过l轮迭代后的图像的体素j，Tij为系统矩阵，Sj为灵敏度矩阵，i为事件数索引，j为体素索引，N为事件总数，M为体素总数，k为体素索引，Tik为系统矩阵的元素，
Figure BDA0003809979350000094
为经过l轮迭代后的图像的体素k。
可选地，在一些实施例中，系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000095
其中，vj为体素j的成像空间体积，P(yi|x，E0)为事件yi与空间点x有关的概率，x为空间中一点，yi为第i个事件，E0为入射光子总能量，P(x∈vj)为空间点x在体素j的体积vj内的概率。
可选地，在一些实施例中，上述的X射线荧光成像装置10，还包括：基于预设的散射校正算法，更新系统矩阵，其中，更新后的系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000101
其中，
Figure BDA0003809979350000102
为改写后的系统矩阵，
Figure BDA0003809979350000103
表示事件yi不属于散射光子带来的事件集Y(Scattering)的概率。
可选地，在一些实施例中，上述的X射线荧光成像装置10，还包括：基于预设的多普勒展宽校正的低能重建算法和散射校正算法，确定系统矩阵，其中，系统矩阵为：
Figure BDA0003809979350000104
其中，
Figure BDA0003809979350000105
为事件yi与体素vj之间的向量，
Figure BDA0003809979350000106
为向量
Figure BDA0003809979350000107
与竖直方向的夹角，β为真实散射角，θ为测量散射角，K(β，E0)为康普顿散射截面，σer为探测器能量分辨率，σsr为探测器空间分辨率，σdb为多普勒展宽效应带来的重建角度不确定度，h(φi)为事件i来自于散射光子的概率。
需要说明的是，前述对X射线荧光成像方法实施例的解释说明也适用于该实施例的X射线荧光成像装置，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的X射线荧光成像装置，通过将X射线入射到待扫描样品，激发待扫描样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子，基于预设的入射角度，将荧光光子和/或散射光子射入康普顿相机探测器，并获取康普顿相机探测器移动过程中荧光光子和散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量，根据第一空间坐标、第一沉积能量、第二空间坐标和第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到待扫描样品的三维图像。由此，解决了X射线激发产生的散射光子带来大量噪声和较低的信噪比，导致荧光光子的识别和成像困难，以及康普顿相机对于100keV以下的入射光子分辨率低等问题，构建了可以实现X射线荧光成像的成像系统，实现100keV以下能量光子入射条件下的康普顿相机高分辨率重建。
图8为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：
存储器801、处理器802及存储在存储器801上并可在处理器802上运行的计算机程序。
处理器802执行程序时实现上述实施例中提供的X射线荧光成像方法。
进一步地，电子设备还包括：
通信接口803，用于存储器801和处理器802之间的通信。
存储器801，用于存放可在处理器802上运行的计算机程序。
存储器801可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
如果存储器801、处理器802和通信接口803独立实现，则通信接口803、存储器801和处理器802可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
可选的，在具体实现上，如果存储器801、处理器802及通信接口803，集成在一块芯片上实现，则存储器801、处理器802及通信接口803可以通过内部接口完成相互间的通信。
处理器802可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的X射线荧光成像方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，″计算机可读介质″可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种X射线荧光成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
将X射线入射到待扫描样品，激发所述待扫描样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子；
基于预设的入射角度，将所述荧光光子和/或所述散射光子射入康普顿相机探测器，并获取所述康普顿相机探测器移动过程中所述荧光光子和所述散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量；以及
根据所述第一空间坐标、所述第一沉积能量、所述第二空间坐标和所述第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到所述待扫描样品的三维图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的重建算法为：
Figure FDA0003809979340000011
其中，
Figure FDA0003809979340000012
为经过(l+1)轮迭代后的图像的体素j，l为整数，
Figure FDA0003809979340000013
为经过l轮迭代后的图像的体素j，Tij为系统矩阵，Sj为灵敏度矩阵，i为事件数索引，j为体素索引，N为事件总数，M为体素总数，k为体素索引，Tik为系统矩阵的元素，
Figure FDA0003809979340000014
为经过l轮迭代后的图像的体素k。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述系统矩阵为：
Figure FDA0003809979340000015
其中，vj为体素j的成像空间体积，P(yi|x,E0)为事件yi与空间点x有关的概率，x为空间中一点，yi为第i个事件，E0为入射光子总能量，P(x∈vj)为空间点x在体素j的体积vj内的概率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
基于预设的散射校正算法，更新所述系统矩阵，其中，更新后的所述系统矩阵为：
Figure FDA0003809979340000016
其中，为改写后的系统矩阵，
Figure FDA0003809979340000017
表示为事件yi不属于散射光子带来的事件集Y(Scattering)的概率。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
基于预设的多普勒展宽校正的低能重建算法和所述散射校正算法，确定所述系统矩阵，其中，所述系统矩阵为：
Figure FDA0003809979340000021
其中，
Figure FDA0003809979340000022
为事件yi与体素vj之间的向量，
Figure FDA0003809979340000023
为向量
Figure FDA0003809979340000024
与竖直方向的夹角，β为真实散射角，θ为测量散射角，K(β,E0)为康普顿散射截面，σer为探测器能量分辨率，σsr为探测器空间分辨率，σdb为多普勒展宽效应带来的重建角度不确定度，h(φi)为事件i来自于散射光子的概率。
6.一种X射线荧光成像装置，其特征在于，包括：
激发模块，用于将X射线入射到待扫描样品，激发所述待扫描样品中荧光元素的X射线荧光光子和散射光子；
获取模块，用于基于预设的入射角度，将所述荧光光子和/或所述散射光子射入康普顿相机探测器，并获取所述康普顿相机探测器移动过程中所述荧光光子和所述散射光子发生康普顿散射时发生散射事件的第一空间坐标和第一沉积能量，以及发生吸收事件的第二空间坐标和第二沉积能量；以及
成像模块，用于根据所述第一空间坐标、所述第一沉积能量、所述第二空间坐标和所述第二沉积能量进行康普顿相机的图像重建，得到所述待扫描样品的三维图像。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预设的重建算法为：
Figure FDA0003809979340000025
其中，
Figure FDA0003809979340000026
为经过(l+1)轮迭代后的图像的体素j，l为整数，
Figure FDA0003809979340000027
为经过l轮迭代后的图像的体素j，Tij为系统矩阵，Sj为灵敏度矩阵，i为事件数索引，j为体素索引，N为事件总数，M为体素总数，k为体素索引，Tik为系统矩阵的元素，
Figure FDA0003809979340000028
为经过l轮迭代后的图像的体素k。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述系统矩阵为：
Figure FDA0003809979340000029
其中，vj为体素j的成像空间体积，P(yi|x,E0)为事件yi与空间点x有关的概率，x为空间中一点，yi为第i个事件，E0为入射光子总能量，P(x∈vj)为空间点x在体素j的体积vj内的概率。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器；
其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如权利要求1-5任一项所述的X射线荧光成像方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的X射线荧光成像方法。
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CN115356362A (zh) * 2022-08-22 2022-11-18 清华大学 X射线荧光成像方法、装置、电子设备及存储介质

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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