CN115684222B - 一种快速低剂量的x射线多模态ct系统及成像方法 - Google Patents

一种快速低剂量的x射线多模态ct系统及成像方法 Download PDF

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CN115684222B CN202211628655.4A CN202211628655A CN115684222B CN 115684222 B CN115684222 B CN 115684222B CN 202211628655 A CN202211628655 A CN 202211628655A CN 115684222 B CN115684222 B CN 115684222B
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Abstract

本发明公布了一种快速低剂量的X射线多模态CT系统及成像方法，涉及X射线CT系统及成像方法领域。所述X射线多模态CT系统包括X射线源、微束阵列发生器、样品架、二维探测器、旋转扫描机械组件；其中X射线源、微束阵列发生器、二维探测器作为一个整体安装在旋转扫描机械组件上，并可以通过旋转扫描机械组件的旋转运动绕着样品架旋转360°；所述用于X射线多模态CT系统的成像方法包括吸收衬度二维投影成像、折射衬度二维成像、散射衬度二维成像、吸收系数三维成像、折射率相移项三维成像、折射率相移项梯度三维成像、散射系数三维成像。

Description

一种快速低剂量的X射线多模态CT系统及成像方法
技术领域
本发明涉及一种X射线CT系统及成像方法，特别涉及一种快速低剂量的X射线多模态CT系统及成像方法。
背景技术
目前，基于吸收衬度的X射线成像技术已经在实验室样品检测领域广泛应用，例如钼靶X射线数字影像技术和CT技术。因为在X射线的折射率
Figure 106092DEST_PATH_IMAGE001
中，相移项δ比吸收项β大三个数量级，所以人们一直在研究基于相移项δ的X射线相位衬度成像，期望研发出衬度比吸收衬度成像高，剂量比吸收衬度成像低的相位衬度成像。近年来，在吸收衬度X射线成像的基础上，增加相位衬度和散射衬度已经成为国际上X射线成像技术领域的研究前沿，这种能够提供多种衬度机制的成像方法称之为多模态成像方法。国际上很多知名科研机构纷纷开展了基于光栅的X射线多模态成像研究，并开发了数款多模态X射线成像样机或产品。然而，基于光栅的X射线多模态成像方法存在着多种不足之处，延缓了相位衬度和散射衬度在实验室分析领域的应用。首先，光栅方法至少需要三次曝光才能提取吸收、相位、散射三种信息，与传统的吸收衬度方法相比，成倍增加了的数据采集时间和样品辐射剂量。第二，在成像光路中使用三块光栅，阻挡了75%以上的X射线，降低了X射线源的使用效率。第三，光栅方法只能采集垂直于光栅的折射和散射信息，对平行于光栅的折射和散射信息视而不见。第四，实验室X光源有不同的能量带宽，光栅仅能对单色X射线达到最佳效果。
发明内容
针对背景技术中所提到的基于光栅的X射线多模态成像系统和成像方法的不足，本发明提供了一种快速低剂量的X射线多模态CT系统及成像方法。所述X射线多模态CT系统包括X射线源、微束阵列发生器、样品架、二维探测器、旋转扫描机械组件；其中X射线源、微束阵列发生器、二维探测器作为一个整体安装在旋转扫描机械组件上，并可以通过旋转扫描机械组件的旋转运动绕着样品架旋转180°。所述多模态成像方法包括吸收衬度二维投影成像、折射衬度二维成像、散射衬度二维成像、吸收系数三维成像、折射率相移项三维成像、折射率相移项梯度三维成像、散射系数三维成像。
本发明的目的之一是提供一种快速低剂量的X射线多模态CT系统。
本发明的目的之二是提供用于快速低剂量的X射线多模态CT系统的成像方法。
本发明的技术方案是：
一种快速低剂量的X射线多模态CT系统，其包括X射线源、微束阵列发生器、样品架、二维探测器与旋转扫描机械组件。
所述X射线源是基于聚焦电子束轰击金属靶材产生的韧致辐射的X射线源或者是单色相干X射线源。
所述微束阵列发生器用于产生各自独立传播、互不干扰、周期性排布的X射线微束阵列。
所述的样品架选用对X射线吸收小的材料制成，用于样品位置固定以满足二维成像和三维成像需要。
所述二维探测器的分辨率要优于微束阵列发生器的阵列周期尺度，既用于二维成像，又用于记录微束光强分布。
所述的旋转扫描机械组件可以承载所述X射线源、微束阵列发生器、二维探测器，并能整体地绕着样品架进行360°旋转。
一种用于所述的快速低剂量的X射线多模态CT系统的成像方法，其特征在于可以实现多模态成像功能，具体包括吸收衬度二维投影成像、折射衬度二维成像、散射衬度二维成像、吸收系数三维成像、折射率相移项三维成像、折射率相移项梯度三维成像、散射系数三维成像，其包括如下步骤：
S1在不放置样品时，旋转扫描机械组件调节到0°的位置，X射线源发出X射线，经过微束阵列发生器产生各自独立传播、互不干扰、周期性排布的X射线微束阵列；
S2根据微束阵列的排布进行编号，第p行、第q列微束用pq标记，p=0,±1,±2．．．±Ｐ，ｑ＝0,±1,±2．．．±Ｑ，(p,q)所表示的二维离散点阵可以看作二维成像平面连续分布(x,y)的离散化表示，P和Ｘmax对应，Q和Ymax对应；
S3每一微束具有自己独立的、不受相邻微束干扰的横截面积，此横截面积等于二维成像面中的分辨单元面积，在此横截面积上有二维直角坐标系，简称分辨单元坐标系，每一微束在分辨单元坐标系上都有自己的光强分布；
以(ξ,η)pq表示第p行、第q列微束的分辨单元坐标系；
S4二维探测器记录X射线微束阵列中各微束的投影光强分布图，其中第p行、第q列微束在分辨单元坐标系上的光强分布为I0(ξ,η)pq；
S5利用样品架固定样品；
S6对投影角度进行编号，第K投影角度用K标记，K=0,1,2,3…K，K所表示的投影角度是连续投影角度
Figure 544026DEST_PATH_IMAGE002
的离散化表示，K和180°对应；
S7旋转扫描机械组件根据K=0,1,2,3…K，以相同的步距围绕样品从0°到180°做扫描运动，二维探测器记录X射线微束阵列中各微束在不同角度的投影光强分布图，其中第K投影角度，第p行、第q列微束的光强分布为I(ξ,η)pqk；
S8对步骤S4和步骤S7得到的I0(ξ,η)pq和I(ξ,η)pqk分别在分辨单元坐标系上进行面积分，第K投影角度，第p行、第q列微束经过样品的吸收系数投影积分表达为
Figure 761381DEST_PATH_IMAGE003
，
M（p,q,k）可以看作在投影角度
Figure 827426DEST_PATH_IMAGE002
的传统吸收衬度二维投影成像M(x,y,
Figure 409717DEST_PATH_IMAGE002
)的离散化表示；
S9对步骤S8中所有投影角度的M（p,q,k），根据重建公式
Figure 946001DEST_PATH_IMAGE004
进行CT重建，可得传统的吸收系数μ(x＇，y＇，z＇)的三维成像；
S10对步骤S4和步骤S7得到的I0(ξ,η)pq和I(ξ,η)pqk分别计算折射角的水平分量和垂直分量，第K投影角度，第p行、第q列微束经过样品的折射角水平分量和垂直分量分别表达为
Figure 170309DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 294123DEST_PATH_IMAGE006
其中D为样品到探测器的距离，θx(p,q,k)和θy(p,q,k)可以分别看作在投影角度
Figure 47315DEST_PATH_IMAGE002
的折射角水平分量像θx(x,y,
Figure 318897DEST_PATH_IMAGE002
)和垂直分量像θy(x,y,
Figure 81316DEST_PATH_IMAGE002
)的离散化表示；根据矢量和分量关系，折射角矢量像表达为
Figure 59637DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 983730DEST_PATH_IMAGE008
可以看作在投影角度
Figure 883553DEST_PATH_IMAGE009
的折射角矢量像
Figure 308718DEST_PATH_IMAGE010
的离散化表示；
S11对步骤S10中所有投影角度的θx(p,q,k)和θy(p,q,k)，根据重建公式
Figure 813649DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 439802DEST_PATH_IMAGE012
进行CT重建，可得折射率相移项δ(x＇，y＇，z＇)和其梯度▽δ(x＇，y＇，z＇)的三维成像；
S12对步骤S4和步骤S7得到的I0(ξ,η)pq和I(ξ,η)pqk分别计算水平方向和垂直方向的散射角方差，第K投影角度，第p行、第q列微束经过样品的水平方向和垂直方向的散射角方差分别表达为
Figure 623659DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 321357DEST_PATH_IMAGE014
，
σx 2(p,q,k)和σy 2(p,q,k)可以分别看作在投影角度
Figure 477531DEST_PATH_IMAGE002
的水平方向散射角方差像σx 2(x,y,
Figure 9007DEST_PATH_IMAGE002
)和垂直散射角方差像σy 2(x,y,
Figure 617843DEST_PATH_IMAGE002
)的离散化表示；
S13对步骤S12中所有投影角度的σx 2(p,q,k)和σy 2(p,q,k)，根据重建公式
Figure 384810DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 395492DEST_PATH_IMAGE016
进行CT重建，可得水平方向散射系数αx(x＇，y＇，z＇)和垂直方向散射系数αy(x＇，y＇，z＇)的三维成像。
本发明的优点在于：
（1）与传统的吸收衬度X射线CT和成像方法相比，本发明提出的CT系统和成像方法能够提供更多的衬度信息，包括吸收衬度二维投影成像、折射衬度二维成像、散射衬度二维成像、吸收系数三维成像、折射率相移项三维成像、折射率相移项梯度三维成像、散射系数三维成像，能够为实验室样品分析提供更多的辅助信息，有利于更加精准的科研数据分析。
（2）与传统的吸收衬度X射线成像系统和成像方法相比，本发明提出的CT系统和成像方法利用X射线微束阵列照射样品，在不影响成像分辨率的前提下大幅度降低了样品的辐射剂量。
（3）与基于光栅的X射线多模态成像系统和成像方法相比，本发明提出的CT系统和成像方法具有一次曝光就能获得吸收衬度二维像，折射角水平分量二维像，折射角垂直分量二维像、折射角矢量像、水平方向散射方差二维像和垂直方向散射方差二维像，不仅采集数据速度快、样品辐射剂量低，而且获得信息量增加一倍。
（4）与基于光栅的X射线多模态成像系统和成像方法相比，本发明提出的CT系统和成像方法无需增加光栅之类的调制（载波）和解调（滤波）元件，不会遮挡有效成像信号，也不会额外增加辐射剂量。
综上所述，本发明提出的CT系统和成像方法具有快速、低剂量、多模态的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图；
图1为本发明提出的X射线多模态CT系统的卧式装置示意图；
图2为本发明提出的X射线多模态CT系统的立式装置示意图；
图3为没有样品的条件下微束阵列投影到二维成像探测器上的示意图；
图4为微束阵列经过样品后投影到二维成像探测器上的示意图；
图5为本发明的X射线多模态CT成像方法的步骤图。
图中：1-X射线源；2-微束阵列发生器；3-C型臂；4-旋转扫描机械组件；5-二维探测器；6-样品架；7-样品；8-样品托。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1与图2分别所示的X射线多模态CT系统的卧式与立式两种不同安装使用情况的示意图，可表明本申请不局限于其中任意一种实施方式，图1中的卧式装置，实验人员按照规范将样品7放置在样品架6上，通过旋转扫描机械组件4带动着安装在其上的X射线1、微束阵列发生器2与二维探测器5扫描样品架6上的样品7获得测量结果，如图2中的立式装置，实验人员可将样品7放置在样品托8上，后经过旋转扫描机械组件4带动着X射线1与微束阵列发生器2扫描样品托8上的样品7获得测量结果。
其中图1与图2中样品架6与样品托8皆为样品支撑零件，样品支撑零件的样式并不唯一，根据实验样品特性可更换不同样品支撑零件。
其中扫描时多模态CT成像方法的具体步骤如下：
S1在不放置样品时，旋转扫描机械组件调节到0°的位置，X射线源发出X射线，经过微束阵列发生器产生各自独立传播、互不干扰、周期性排布的X射线微束阵列；
S2根据微束阵列的排布进行编号，第p行、第q列微束用pq标记，p=0,±1,±2．．．±Ｐ，ｑ＝0,±1,±2．．．±Ｑ，(p,q)所表示的二维离散点阵可以看作二维成像平面连续分布(x,y)的离散化表示，P和Ｘmax对应，Q和Ymax对应；
S3每一微束具有自己独立的、不受相邻微束干扰的横截面积，此横截面积等于二维成像面中的分辨单元面积，在此横截面积上有二维直角坐标系，简称分辨单元坐标系，每一微束在分辨单元坐标系上都有自己的光强分布；
以(ξ,η)pq表示第p行、第q列微束的分辨单元坐标系；
S4二维探测器记录X射线微束阵列中各微束的投影光强分布图，其中第p行、第q列微束在分辨单元坐标系上的光强分布为I0(ξ,η)pq；
S5利用样品架固定样品；
S6对投影角度进行编号，第K投影角度用K标记，K=0,1,2,3…K，K所表示的投影角度是连续投影角度
Figure 160185DEST_PATH_IMAGE002
的离散化表示，K和180°对应；
S7旋转扫描机械组件根据K=0,1,2,3…K，以相同的步距围绕样品从0°到180°做扫描运动，二维探测器记录X射线微束阵列中各微束在不同角度的投影光强分布图，其中第K投影角度，第p行、第q列微束的光强分布为I(ξ,η)pqk；
S8对步骤S4和步骤S7得到的I0(ξ,η)pq和I(ξ,η)pqk分别在分辨单元坐标系上进行面积分，第K投影角度，第p行、第q列微束经过样品的吸收系数投影积分表达为
Figure 990738DEST_PATH_IMAGE003
，
M（p,q,k）可以看作在投影角度
Figure 436763DEST_PATH_IMAGE002
的传统吸收衬度二维投影成像M(x,y,
Figure 161005DEST_PATH_IMAGE002
)的离散化表示；
S9对步骤S8中所有投影角度的M（p,q,k），根据重建公式
Figure 299863DEST_PATH_IMAGE017
进行CT重建，可得传统的吸收系数μ(x＇，y＇，z＇)的三维成像；
S10对步骤S4和步骤S7得到的I0(ξ,η)pq和I(ξ,η)pqk分别计算折射角的水平分量和垂直分量，第K投影角度，第p行、第q列微束经过样品的折射角水平分量和垂直分量分别表达为
Figure 680028DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 929744DEST_PATH_IMAGE006
其中D为样品到探测器的距离，θx(p,q,k)和θy(p,q,k)可以分别看作在投影角度
Figure 383859DEST_PATH_IMAGE002
的折射角水平分量像θx(x,y,
Figure 552673DEST_PATH_IMAGE002
)和垂直分量像θy(x,y,
Figure 92238DEST_PATH_IMAGE002
)的离散化表示；根据矢量和分量关系，折射角矢量像表达为
Figure 145645DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 782163DEST_PATH_IMAGE008
可以看作在投影角度
Figure 856298DEST_PATH_IMAGE009
的折射角矢量像
Figure 148739DEST_PATH_IMAGE010
的离散化表示；
S11对步骤S10中所有投影角度的θx(p,q,k)和θy(p,q,k)，根据重建公式
Figure 740257DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 434544DEST_PATH_IMAGE019
进行CT重建，可得折射率相移项δ(x＇，y＇，z＇)和其梯度▽δ(x＇，y＇，z＇)的三维成像；
S12对步骤S4和步骤S7得到的I0(ξ,η)pq和I(ξ,η)pqk分别计算水平方向和垂直方向的散射角方差，第K投影角度，第p行、第q列微束经过样品的水平方向和垂直方向的散射角方差分别表达为
Figure 882843DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 521634DEST_PATH_IMAGE021
，
σx 2(p,q,k)和σy 2(p,q,k)可以分别看作在投影角度
Figure 916844DEST_PATH_IMAGE002
的水平方向散射角方差像σx 2(x,y,
Figure 200057DEST_PATH_IMAGE002
)和垂直散射角方差像σy 2(x,y,
Figure 288099DEST_PATH_IMAGE002
)的离散化表示；
S13对步骤S12中所有投影角度的σx 2(p,q,k)和σy 2(p,q,k)，根据重建公式
Figure 154467DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 884526DEST_PATH_IMAGE016
进行CT重建，可得水平方向散射系数αx(x＇，y＇，z＇)和垂直方向散射系数αy(x＇，y＇，z＇)的三维成像。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种快速低剂量的 X 射线多模态 CT 系统的成像方法，其特征在于：能够实现多模态成像功能，具体包括吸收衬度二维投影成像、折射衬度二维成像、散射衬度二维成像、吸收系数三维成像、折射率相移项三维成像、折射率相移项梯度三维成像、散射系数三维成像，其特征还在于包括如下步骤：
S1在不放置样品时，旋转扫描机械组件调节到0°的位置，X射线源发出X射线，经过微束阵列发生器产生各自独立传播、互不干扰、周期性排布的X射线微束阵列；
S2根据微束阵列的排布进行编号，第p行、第q列微束用pq标记，p=0,±1,±2．．．±Ｐ，ｑ＝0,±1,±2．．．±Ｑ，(p,q)所表示的二维离散点阵能够看作二维成像平面连续分布(x,y)的离散化表示，P和Ｘmax对应，Q和Ymax对应；
S3每一微束具有自己独立的、不受相邻微束干扰的横截面积，此横截面积等于二维成像面中的分辨单元面积，在此横截面积上有二维直角坐标系，简称分辨单元坐标系，每一微束在分辨单元坐标系上都有自己的光强分布；以(ξ,η)pq表示第p行、第q列微束的分辨单元坐标系；
S4二维探测器记录X射线微束阵列中各微束的投影光强分布图，其中第p行、第q列微束在分辨单元坐标系上的光强分布为I0(ξ,η)pq；
S5利用样品架固定样品；
S6对投影角度进行编号，第K投影角度用K标记，K=0,1,2,3…K，K所表示的投影角度是连续投影角度φ的离散化表示，K和180°对应；
S7旋转扫描机械组件根据K=0,1,2,3…K，以相同的步距围绕样品从0°到180°做扫描运动，二维探测器记录X射线微束阵列中各微束在不同角度的投影光强分布图，其中第K投影角度，第p行、第q列微束的光强分布为I(ξ,η)pqk；
S8对步骤S4和步骤S7得到的I0(ξ,η)pq和I(ξ,η)pqk分别在分辨单元坐标系上进行面积分，第K投影角度，第p行、第q列微束经过样品的吸收系数投影积分表达为
Figure QLYQS_1
，
M(p,q,k)能够看作在投影角度φ的传统吸收衬度二维投影成像M(x,y,φ)的离散化表示；
S9对步骤S8中所有投影角度的M(p,q,k)，根据重建公式
Figure QLYQS_2
，
进行CT重建，能得到传统的吸收系数μ(x',y',z')的三维成像；
S10对步骤S4和步骤S7得到的I0(ξ,η)pq和I(ξ,η)pqk分别计算折射角的水平分量和垂直分量，第K投影角度，第p行、第q列微束经过样品的折射角水平分量和垂直分量分别表达为
Figure QLYQS_3
 ，
和
Figure QLYQS_4
，
其中D为样品到探测器的距离，θx(p,q,k)和θy(p,q,k)能分别看作在投影角度φ的折射角水平分量像θx(x,y,φ)和垂直分量像θy(x,y,φ)的离散化表示；根据矢量和分量关系，折射角矢量像表达为
Figure QLYQS_5
，
Figure QLYQS_6
能够看作在投影角度φ的折射角矢量像 
Figure QLYQS_7
的离散化表示；
S11对步骤S10中所有投影角度的θx(p,q,k)和θy(p,q,k)，根据重建公式
Figure QLYQS_8
，
和
Figure QLYQS_9
，
进行CT重建，能得折射率相移项δ(x',y',z')和其梯度▽δ(x',y',z')的三维成像；
S12对步骤S4和步骤S7得到的I0(ξ,η)pq和I(ξ,η)pqk分别计算水平方向和垂直方向的散射角方差，第K投影角度，第p行、第q列微束经过样品的水平方向和垂直方向的散射角方差分别表达为
Figure QLYQS_10
，
和
Figure QLYQS_11
，
σx 2(p,q,k)和σy 2(p,q,k)能够分别看作在投影角度φ的水平方向散射角方差像σx 2(x,y,φ)和垂直散射角方差像σy 2(x,y,φ)的离散化表示；
S13对步骤S12中所有投影角度的σx 2(p,q,k)和σy 2(p,q,k)，根据重建公式
Figure QLYQS_12
，
和
Figure QLYQS_13
，
进行CT重建，能得到水平方向散射系数αx(x',y',z')和垂直方向散射系数αy(x',y',z')的三维成像。
2.一种用于权利要求 1 快速低剂量的 X 射线多模态 CT 系统的成像方法的一种快速低剂量的 X 射线多模态 CT 系统，其特征在于所述 X 射线多模态 CT 系统包括 X 射线源、微束阵列发生器、样品架、二维探测器、旋转扫描机械组件。
3. 根据权利要求 2 所述的一种快速低剂量的 X 射线多模态 CT 系统，其特征在于：所述 X射线源是基于聚焦电子束轰击金属靶材产生的韧致辐射的 X 射线源或者是单色相干 X 射线源。
4. 根据权利要求 2 所述的一种快速低剂量的 X 射线多模态 CT 系统，其特征在于：所述微束阵列发生器用于产生各自独立传播、互不干扰、周期性排布的 X 射线微束阵列。
5. 根据权利要求 2 所述的一种快速低剂量的 X 射线多模态 CT 系统，其特征在于：所述样品架选用对 X 射线吸收小的材料制成，用于样品位置固定以满足二维成像和三维成像需要。
6. 根据权利要求 2 所述的一种快速低剂量的 X 射线多模态 CT 系统，其特征在于：所述二维探测器的分辨率要优于微束阵列发生器的阵列周期尺度，既用于二维成像，又用于记录微束光强分布。
7. 根据权利要求 2 所述的一种快速低剂量的 X 射线多模态 CT 系统，其特征在于：所述旋转扫描机械组件能够承载所述 X 射线源、微束阵列发生器、二维探测器，并能整体围绕样品架进行 360°旋转。
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