專利名稱：高能雙能ct系統(tǒng)的圖象重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輻射成像，具體涉及一種高能X射線雙能CT圖像重 建方法。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(CT)在醫(yī)療診斷和工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用 廣泛。隨著社會(huì)的發(fā)展，它在公共安全和社會(huì)保障的需求也逐漸增加， 其中包括了大量以X射線成像為基礎(chǔ)的CT成像系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱XCT。這 些XCT系統(tǒng)按使用的成像技術(shù)可以分為單能和雙能CT。雖然多能X 射線成像技術(shù)已經(jīng)有了一定的發(fā)展，但是在實(shí)際的應(yīng)用中還是以單、 雙能XCT為主，而且技術(shù)相對(duì)成熟。單能XCT通過重建物體斷層的 衰減系數(shù)圖像，得到物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和物理信息，但是無(wú)法準(zhǔn)確分辨 是何種物質(zhì)。雙能XCT不僅能夠得到物質(zhì)內(nèi)部衰減系數(shù)的信息，也可 以通過重建得到物質(zhì)組成的信息， 一種典型的結(jié)果就是物質(zhì)的有效原 子序數(shù)和等效特征密度。這樣就可以進(jìn)行準(zhǔn)確的物質(zhì)識(shí)別，為公共安 全領(lǐng)域提供一種高效的檢查手段。
雙能XCT技術(shù)己經(jīng)在醫(yī)學(xué)成像和小型物件的安全檢查領(lǐng)域得到 了大量的應(yīng)用，其技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟。但是我們看到，在大部分 的雙能系統(tǒng)中，都采用的低能X射線進(jìn)行成像， 一般在200KeV以下。 選擇這樣的能量，其原因有以下幾條低能X射線能較為容易通過X 光管產(chǎn)生，其輻射防護(hù)也相對(duì)較為簡(jiǎn)便，而且物質(zhì)在這個(gè)能段的衰減 系數(shù)差異較大，所以物質(zhì)的圖像區(qū)分性也比較好；另外由于掃描的物 體往往體積較小，物體對(duì)X射線的衰減較少，所以低能X射線雙能技 術(shù)在這些領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
但是在大型貨物的安全檢查領(lǐng)域，這樣能量范圍的X射線的穿透力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，無(wú)法得到清晰有效的投影數(shù)據(jù)用于圖像重建。對(duì)于大
型貨物的X射線透視成像， 一般需要MeV量級(jí)的X射線，能量范圍 一般是1 10MeV。在這個(gè)能量范圍內(nèi)，用于傳統(tǒng)低能雙能重建方法不 再適用，其根本原因在于這些方法都是基于一個(gè)事實(shí)，即X射線與物 質(zhì)的作用只有兩種效應(yīng)光電效應(yīng)和康普頓散射，而不包含電子對(duì)效 應(yīng)。但是在高能雙能領(lǐng)域，由于X射線的能量往往大于電子對(duì)效應(yīng)發(fā) 生的最低能量1.02MeV，所以在兩種效應(yīng)基礎(chǔ)上提出的原有方法都無(wú) 法繼續(xù)使用，而必須開發(fā)新的技術(shù)來(lái)滿足這樣的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于高能X射線(大于1MeV)的雙能 CT重建方法，以便解決大型貨物雙能XCT檢査的問題。根據(jù)本發(fā)明 實(shí)施例的方法，能夠準(zhǔn)確有效地得到原子序數(shù)和特征密度斷層圖像從 而進(jìn)行材料識(shí)別，為大型貨物的安全檢查提供了一種高效的手段。
本發(fā)明的CT雙能系統(tǒng)使用可以獲取雙能信息的射線源和探測(cè) 器，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的CT圓軌道或者其他數(shù)據(jù)釆集方式得到投影數(shù)據(jù)， 并利用這些數(shù)據(jù)重建斷層圖像。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種在高能雙能CT系統(tǒng)中的圖像 重建方法，包括步驟利用高能雙能射線掃描物體，以獲得高能雙能 投影值；根據(jù)預(yù)先創(chuàng)建的査找表或者通過解析求解方程組的方法，計(jì) 算雙能投影值對(duì)應(yīng)的基材料系數(shù)投影值；基于基材料的投影值，得到 基材料系數(shù)的分布圖像。
優(yōu)選地，所述高能雙能射線的能量大于1MeV。
優(yōu)選地，所述查找表是通過以下方法創(chuàng)建的選定兩種基材料； 計(jì)算雙能射線通過這兩種材料不同厚度組合下的投影值，按照高低能 投影值和不同厚度組合的關(guān)系，得到查找表。
優(yōu)選地，解析方程組的方法包括利用實(shí)際得到的高能雙能投影 值，通過求解基材料分解下的高低能投影方程組，得到相應(yīng)的厚度組 合。
優(yōu)選地，對(duì)于物體包含混合物或化合物的情況，所述原子序數(shù)和特征密度是等效物理量。
優(yōu)選地，所述的圖像重建方法還包括步驟基于基材料系數(shù)分布 圖像計(jì)算被檢物體的原子序數(shù)圖像。
優(yōu)選地，所述的圖像重建方法還包括步驟基于基材料系數(shù)分布 圖像計(jì)算被檢物體的特征密度圖像。
優(yōu)選地，所述的圖像重建方法還包括步驟基于基材料系數(shù)分布
圖像計(jì)算被檢物體的衰減系數(shù)圖像。
根據(jù)上述方法，解決了高能雙能情況下重建的問題，提供了更 為有效的物質(zhì)識(shí)別和違禁品檢査手段，大大提高了安全檢査的精度和 效率。


從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)將更明 顯，其中
圖l可應(yīng)用本發(fā)明的CT掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中系統(tǒng)采用扇 束圓軌道掃描方式。
圖2本發(fā)明重建方法的計(jì)算流程圖。其中連接線上的數(shù)據(jù)表示從 上一步得到的結(jié)果，其作為下一步流程的輸入數(shù)據(jù)。
3A和3B示出了模擬重建得到的原子序數(shù)圖和特征密度圖，采用 單一的石墨模型；以及
圖3C和3D示出了重建的原子序數(shù)圖和特征密度圖與理論值的比較。
具體實(shí)施例方式
下面，參考附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。在附圖中，雖 然示于不同的附圖中，但相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的或相似的組 件。為了清楚和簡(jiǎn)明，包含在這里的已知的功能和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述將 被省略，以防止它們使本發(fā)明的主題不清楚。
* CT數(shù)學(xué)原理將二維分布W(X,力沿著某個(gè)方向0求線積分，便得到一維的函數(shù)
Pe(O，該函數(shù)稱為"(x，力在《角度的投影。如果能夠得到各個(gè)方向的投 影內(nèi)(O，那么可以根據(jù)Radon變換精確計(jì)算得到二維分布"(;c,力。從 投影得到二維分布的過程稱為重建。這便是CT的數(shù)學(xué)原理。
實(shí)際應(yīng)用中，X光機(jī)和探測(cè)器圍繞物體旋轉(zhuǎn)一圈，便測(cè)量得到物 體的某個(gè)切片的線衰減系數(shù)分布在各個(gè)方向的投影，從而可以根據(jù)CT 原理重建得到物體切片的衰減系數(shù)二維分布。
基材料分解模型
物質(zhì)對(duì)X射線的線衰減系數(shù)，可以通過三種基本效應(yīng)的線衰減
系數(shù)的和來(lái)表示-
=^ + A + A =《(五)+ "2/ v (￡) + A/e (￡) 其中^表示物質(zhì)對(duì)X射線的線性衰減系數(shù)，//p，A，A分別表示光電、
康普頓、電子對(duì)效應(yīng)所對(duì)應(yīng)的線性衰減系數(shù)，而每一項(xiàng)又可以近似的 表示成為兩項(xiàng)的乘積，其中系數(shù)a與物質(zhì)的原子序數(shù)和密度相關(guān)，而
/(^)則與X射線的能量相關(guān)。
由物質(zhì)衰減系數(shù)的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，在高能情況 下，光電效應(yīng)的貢獻(xiàn) 相比其他兩項(xiàng)非常小，在計(jì)算時(shí)是可以忽略的。
由此得到-
A = A + A = (五)+ "3,e (￡)
由于每種材料的線衰減系數(shù)都可以被兩個(gè)系數(shù)al和a2唯一確 定，因此可以選取兩種基材料，比如碳和鋁，用基材料的線衰減系數(shù) 的線性組合表示其它所有材料的線性衰減系數(shù)，也就是
其中^為任意一種材料的線衰減系數(shù)，A，仏為基材料的線性衰減系 數(shù)，而&，62是基材料系數(shù)。這也就是基材料分解方法的核心表達(dá)式。 按照下式定義a2，A:
。z ， z2
<32 = 2p — ，a3 = — 其中p為物質(zhì)的密度，Z為物質(zhì)的原子序數(shù)，^為物質(zhì)的原子質(zhì)量數(shù)。
6則可以得到通過基材料分解方法計(jì)算有效原子序數(shù)和特征密度的公 式<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
*基材料投影模型
從x光管或者加速器中產(chǎn)生的x射線都是連續(xù)譜的，在x射線 投影過程中，可以將射線源能譜和探測(cè)器能譜合并為d(e)，便于計(jì)算， 其滿足歸一化條件
fm舉)必=1
那么由此，對(duì)于投影方程，也可以改寫成連續(xù)譜的形式<formula>formula see original document page 7</formula>
將基材料分解模型帶入上式，則雙能的投影也可以表示成
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中/^,P2為高能和低能兩個(gè)能量下的投影，^，z)2為高能和低能下的 x射線系統(tǒng)能譜，而a，&為基材料厚度，定義為
利用査找表的方式，或者直接求解方程組(3)的方法，得到基材料投影 系數(shù)&，采用通用的濾波反投影重建算法得到卜<formula>formula see original document page 7</formula>M2(,)=化(病W
0 —w ;r +00
其中(P,。表示為投影值的徑向和角向坐標(biāo)。
利用公式(2)得到原子序數(shù)Zeff和特征密度A，利用公式(l)可以得 到任意能量下的線衰減系數(shù)圖像。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的雙能CT系統(tǒng)的示意圖。如圖1所示， 射線源100在控制器的控制下按照預(yù)定的時(shí)序產(chǎn)生能量連續(xù)分布的雙
能X射線。被檢物體200放在承載機(jī)構(gòu)300上。承載機(jī)構(gòu)300在控制 器500的控制下可以勻速旋轉(zhuǎn)，也可以上升和下降。探測(cè)器陣列400 設(shè)置在與射線源IOO相對(duì)的位置，在控制器的控制下接收透射過被檢 物體200的透射射線，得到針對(duì)第一能量的探測(cè)信號(hào)和針對(duì)第二能量 的探測(cè)信號(hào)。由探測(cè)器陣列400檢測(cè)的信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ) 在計(jì)算機(jī)中，用于后續(xù)的重建操作。
如圖l所示，根據(jù)
具體實(shí)施例方式
(1) X射線源IOO采用高能雙能加速器射線源，其可以快速交替產(chǎn)生 兩種高壓下的X射線。由于大型貨物的體積較大，使用加速器 射線源以產(chǎn)生高功率的射線，以獲得更清晰重建圖像。
(2) 承載機(jī)構(gòu)例如是轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)的載物平臺(tái)。
(3) 線陣探測(cè)器400陣列垂直于X射線源100和承載機(jī)構(gòu)300中心
的軸線，水平放置。
(4) 整個(gè)CT系統(tǒng)的機(jī)電控制、數(shù)據(jù)傳輸、圖像重建都由計(jì)算機(jī)工作 站完成。工作站進(jìn)行斷層圖像的重建，在顯示器上以二維或三維 的方式顯示。
(5) 為了能夠精確的重建圖像，CT系統(tǒng)精確地測(cè)量或標(biāo)定以下系統(tǒng) 參數(shù)X射線源點(diǎn)到探測(cè)器的距離D， X射線源到轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸的 距離仏X射線源在探測(cè)器上映射位置c，探測(cè)器的像素尺寸A
8以及所有探測(cè)器單元的準(zhǔn)確幾何位置Xi，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度S。
(6) 系統(tǒng)的掃描方式，采用標(biāo)準(zhǔn)的扇束圓軌道掃描方式，即射線源和 探測(cè)器固定在某一高度，物體隨載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周，得到雙能的
CT投影數(shù)據(jù)。
(7) 圖像重建過程采用上述的方法，從雙能的CT投影數(shù)據(jù)中，通過 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，得到掃描斷層物質(zhì)的原子序數(shù)和特征密度圖像，從 而可以為后續(xù)的物質(zhì)識(shí)別和判定提供依據(jù)。
下面結(jié)合附圖2描述本發(fā)明實(shí)施例的圖像重建方法的詳細(xì)過程。 在步驟Sll，利用雙能射線掃描物體，以獲得雙能投影值； 在步驟S12,根據(jù)預(yù)先創(chuàng)建的查找表或者通過解析求解方程組的 方法，計(jì)算雙能投影值對(duì)應(yīng)的基材料系數(shù)投影值。創(chuàng)建査找表的方法 是，選定兩種基材料，計(jì)算雙能射線通過這兩種材料不同厚度組合下 的投影值，按照高低能投影值和不同厚度組合的關(guān)系，得到查找表。 而解析求解方法組的方法，則利用實(shí)際得到的高低能投影值，通過求 解基材料分解下的高低能投影方程組，得到相應(yīng)的厚度組合，這種方 法精度高，但是計(jì)算速度慢，在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)先使用査找表的方法。 在步驟S13由基材料的投影值，就可以得到基材料系數(shù)的分布圖像。
在步驟S14，從基材料的系數(shù)分布圖得到被檢物體的原子序數(shù)、 特征密度圖像，和任意能量下被檢物體衰減系數(shù)圖像。這一步驟在硬 件系統(tǒng)得以實(shí)施。本發(fā)明建立了高能X射線下的基材料分解雙能CT 重建方法，可以較為準(zhǔn)確的從雙能投影中，得到斷層的原子序數(shù)和特 征密度圖像。對(duì)于物質(zhì)中包含化合物和混合物的情況，得到的原子序
數(shù)和特征密度都是等效物理量。
圖3A到3D示出了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它是利用單一物質(zhì)石墨模型進(jìn) 行的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖3C和3D分別表示原子序數(shù)圖像和特征密 度圖像的水平方向的剖線圖，虛線表示重建值，實(shí)線表示理論值。
本發(fā)明作為一種通用的高能雙能圖像重建方法，在一般的以高 能X射線為射線源的雙能CT系統(tǒng)中，都有其適用性，具有廣泛的應(yīng)
用前景。上面的描述僅用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng) 該理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的任何修改或局部替換，均應(yīng)該屬于 本發(fā)明的權(quán)利要求來(lái)限定的范圍，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán) 利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種在高能雙能CT系統(tǒng)中的圖像重建方法，包括步驟利用高能雙能射線掃描物體，以獲得高能雙能投影值；根據(jù)預(yù)先創(chuàng)建的查找表或者通過解析求解方程組的方法，計(jì)算雙能投影值對(duì)應(yīng)的基材料系數(shù)投影值；基于基材料的投影值，得到基材料系數(shù)的分布圖像。
2、 如權(quán)利要求1所述的圖像重建方法，其中所述高能雙能射線的 能量大于1MeV。
3、 如權(quán)利要求1所述的圖像重建方法，其中所述查找表是通過以 下方法創(chuàng)建的 選定兩種基材料；計(jì)算雙能射線通過這兩種材料不同厚度組合下的投影值，按照高 低能投影值和不同厚度組合的關(guān)系，得到查找表。
4、 如權(quán)利要求1所述的圖像重建方法，其中求解方程組的方法包括利用實(shí)際得到的高能雙能投影值，通過求解基材料分解下的高低 能投影方程組，得到相應(yīng)的厚度組合。
5、 如權(quán)利要求1所述的圖像重建方法，其中對(duì)于物體包含混合物或化合物的情況，所述原子序數(shù)和特征密度是等效物理量。
6、 如權(quán)利要求l所述的圖像重建方法，還包括步驟 基于基材料系數(shù)分布圖像計(jì)算被檢物體的原子序數(shù)圖像。
7、 如權(quán)利要求l所述的圖像重建方法，還包括步驟 基于基材料系數(shù)分布圖像計(jì)算被檢物體的特征密度圖像。
8、 如權(quán)利要求l所述的圖像重建方法，還包括步驟-基于基材料系數(shù)分布圖像計(jì)算被檢物體的線衰減系數(shù)圖像。
全文摘要
公開了一種在高能雙能CT系統(tǒng)中的圖像重建方法，包括步驟利用高能雙能射線掃描物體，以獲得高能雙能投影值；根據(jù)預(yù)先創(chuàng)建的查找表或者通過解析求解方程組的方法，計(jì)算雙能投影值對(duì)應(yīng)的基材料系數(shù)投影值；基于基材料的投影值，得到基材料系數(shù)的分布圖像。解決了高能下雙能重建的問題，提供了更為有效的物質(zhì)識(shí)別和違禁品檢查手段，大大提高了安全檢查的精度和效率。
文檔編號(hào)A61B6/03GK101647706SQ20081011830
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
發(fā)明者劉以農(nóng), 康克軍, 麗 張, 李元景, 段新輝, 胡海峰, 邢宇翔, 陳志強(qiáng), 黃清萍 申請(qǐng)人:清華大學(xué);同方威視技術(shù)股份有限公司