專利名稱：扇形射束相干散射計(jì)算機(jī)斷層攝影的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)感興趣對(duì)象施加扇形射束的相干散射計(jì)算機(jī)斷層攝影(CSCT)領(lǐng)域。特別地，本發(fā)明涉及用于檢查感興趣對(duì)象的計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備和使用計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備檢查感興趣對(duì)象的方法。
US 4,751,722描述了基于在相對(duì)射束方向的1°到12°角度范圍內(nèi)對(duì)準(zhǔn)相干散射輻射的角分布這一原理的裝置。如US 4,751,722中所描述，彈性散射輻射的主要部分集中于小于12°的角度內(nèi)，該散射輻射和明顯標(biāo)記的最大值具有特征角度關(guān)聯(lián)，這些最大值的位置由被輻照物自身決定。由于相干散射輻射在小角度內(nèi)的強(qiáng)度分布依賴于該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，所以根據(jù)每種物質(zhì)的典型相干輻射的角散射的強(qiáng)度分布，可以辨別具有相同吸收能力的不同物質(zhì)(使用傳統(tǒng)的透視或CT無法區(qū)分)。
由于這種系統(tǒng)辨別不同對(duì)象材料能力的改善，這種系統(tǒng)在醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。
小角度散射的主要成分為相干散射。由于相干散射呈現(xiàn)依賴于散射樣品的原子排列的干涉效應(yīng)，相干散射計(jì)算機(jī)斷層攝影(CSCT)原理上是對(duì)2D目標(biāo)截面上的組織的分子結(jié)構(gòu)的空間變化進(jìn)行成像的一種靈敏技術(shù)。
Harding等“Energy-dispersive x-ray difffactiontomography”Phys.Med.Biol.，1990年第35卷第1期第33-41頁描述了能量分散X射線衍射斷層攝影(EXDT)，這是基于在固定角度對(duì)由多色輻射在對(duì)象中激發(fā)的相干X射線散射進(jìn)行能量分析的斷層攝影成像技術(shù)。根據(jù)該方法，使用適當(dāng)?shù)目紫到y(tǒng)形成輻射射束，該孔系統(tǒng)具有鉛筆的形式而因此也稱為鉛筆射束。和該鉛筆射束源相對(duì)地排列了適用于能量分析的一個(gè)探測(cè)器元件，以用于探測(cè)被感興趣對(duì)象改變的鉛筆射束。
由于只結(jié)合一個(gè)探測(cè)器元件使用該鉛筆射束，因此只能測(cè)量到有限數(shù)目的由輻射源發(fā)射的光子，并因此只能測(cè)量到數(shù)量減少的信息。如果將EXDT應(yīng)用于諸如多件包裹的更大的對(duì)象，EXDT必須在掃描模式下使用，因此導(dǎo)致極長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間。
在US 6,470,067中描述了采用扇形束初級(jí)束以及2D探測(cè)器和CT的組合的相干散射配置，由此克服了EXDT掃描模式中所涉及的長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間。該角分散配置和多色源組合的缺點(diǎn)在于模糊的散射函數(shù)，這在例如Schneider等“Coherent Scatter Computed Tomography Applyinga Fan-Beam Geometry”Proc.SPIE，2001年第4320卷第754-763頁中得到描述。
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供基于計(jì)算機(jī)斷層攝影的改善的材料分辨。
根據(jù)如權(quán)利要求1所述的本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，可以由用于檢查感興趣對(duì)象的計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備達(dá)到上述目標(biāo)，該設(shè)備包含具有X射線源和散射輻射探測(cè)器的探測(cè)器單元。該探測(cè)器單元可以繞延伸通過檢查區(qū)域的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述檢查區(qū)域用于接收感興趣對(duì)象。該X射線源產(chǎn)生扇形X射線射束，其適于以切片平面穿透檢查區(qū)域中的感興趣對(duì)象。該散射輻射探測(cè)器設(shè)置在和該X射線源相對(duì)的探測(cè)器單元處，并沿平行于旋轉(zhuǎn)軸的方向偏離該切片平面。散射輻射探測(cè)器包含第一探測(cè)器行，其具有排列成行的多個(gè)第一探測(cè)器元件。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，這些第一探測(cè)器元件是能量分辨探測(cè)器元件。優(yōu)選地，能量分辨探測(cè)器元件是直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體探測(cè)器。直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體探測(cè)器直接將輻射轉(zhuǎn)換成電荷-而不需要閃爍現(xiàn)象。優(yōu)選地，這些直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率優(yōu)于20％FWHM，即ΔE/E＜0.2，其中ΔE為探測(cè)器的能量分辨率的半高寬(FWHM)。散射輻射探測(cè)器測(cè)量每個(gè)投影的光譜(I)，該光譜為強(qiáng)度I和光子能量E的依賴關(guān)系。有利的是，隨后將該光譜用于斷層攝影重建，例如采用ART(代數(shù)重建技術(shù))或FBP(濾波反投影)。
有利的是，與Harding等在US 4,751,722中所提出的設(shè)備相比，根據(jù)本示例實(shí)施例的計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備可大幅降低掃描或測(cè)量時(shí)間，因?yàn)楹蜕刃紊涫M合地應(yīng)用了包含多個(gè)能量分辨探測(cè)器元件的能量分辨探測(cè)器行，這允許同時(shí)對(duì)該行進(jìn)行積分測(cè)量。換而言之，同時(shí)測(cè)量沿切片平面的感興趣對(duì)象的完整投影。根據(jù)本發(fā)明的該示例實(shí)施例，在大幅降低測(cè)量所需時(shí)間的同時(shí)，還可能改善對(duì)感興趣對(duì)象的組織的表征，因?yàn)樘綔y(cè)到更多數(shù)量的由輻射源發(fā)射的光子，由此探測(cè)到更多和該組織相關(guān)的信息。和US 6,470,067相比，使用能量分辨探測(cè)器使得在使用多色源時(shí)能夠得到相干散射結(jié)構(gòu)函數(shù)的更好的分辨率。
根據(jù)如權(quán)利要求2所述的本發(fā)明的另一個(gè)示例實(shí)施例，除了排列在切片平面之外的探測(cè)器單元處的散射輻射探測(cè)器之外，還提供了一初級(jí)輻射探測(cè)器以用于接收被感興趣對(duì)象衰減的初級(jí)輻射。換而言之，提供了兩個(gè)輻射探測(cè)器，一個(gè)用于探測(cè)散射輻射，一個(gè)用于探測(cè)初級(jí)輻射。有利的是，由于對(duì)散射輻射的衰減校正的改善，可提供對(duì)材料辨別和識(shí)別的進(jìn)一步改善。
根據(jù)如權(quán)利要求3所述的本發(fā)明的另一個(gè)示例實(shí)施例，該能量分辨元件為例如CdZnTe或碲化鎘單元的直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體單元，且初級(jí)輻射探測(cè)器包含具有多個(gè)閃爍體單元的探測(cè)器行。根據(jù)本發(fā)明的該示例實(shí)施例，初級(jí)輻射探測(cè)器探測(cè)在切片平面內(nèi)的初級(jí)輻射的衰減。有利的是，該初級(jí)射束的衰減被用于改善Schneider等所描述的散射數(shù)據(jù)I(E)的重建質(zhì)量。
根據(jù)如權(quán)利要求4所述的本發(fā)明的另一個(gè)示例實(shí)施例，提供了至少用于散射輻射的能量分辨測(cè)量的多個(gè)第一探測(cè)器行和用于測(cè)量被感興趣對(duì)象所衰減的初級(jí)輻射的多個(gè)第二探測(cè)器行之一。有利的是，這可以進(jìn)一步減少掃描感興趣對(duì)象所需的掃描時(shí)間。此外，根據(jù)本發(fā)明的該示例實(shí)施例，至少初級(jí)輻射探測(cè)器和散射輻射探測(cè)器之一設(shè)有諸如薄片或刀片的準(zhǔn)直器元件，這避免各個(gè)探測(cè)器元件測(cè)量到不需要的分散的輻射。
根據(jù)如權(quán)利要求5所述的本發(fā)明的另一個(gè)示例實(shí)施例，提供了用于根據(jù)該初級(jí)輻射探測(cè)器和散射輻射探測(cè)器的讀出、使用前面已經(jīng)提及的例如ART或?yàn)V波反投影重建圖像的計(jì)算單元。此外，該計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備還可用于探測(cè)爆炸物，例如應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)的X射線包裹檢查系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)基于初級(jí)輻射探測(cè)器和散射輻射探測(cè)器的讀出而重建的相干散射函數(shù)圖像，通過例如將重建的散射函數(shù)和這些爆炸物的預(yù)定特征測(cè)量結(jié)果表比較而自動(dòng)地辨別爆炸材料。
根據(jù)如權(quán)利要求6所述的本發(fā)明的另一個(gè)示例實(shí)施例，可通過使用計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備檢查感興趣對(duì)象的方法達(dá)到上述目標(biāo)，其中激勵(lì)X射線源使其產(chǎn)生穿透切片平面內(nèi)檢查區(qū)域中感興趣對(duì)象的扇形X射線束。隨后，使用具有第一探測(cè)器行(其中多個(gè)第一能量分辨探測(cè)器元件排列成行)的散射輻射探測(cè)器執(zhí)行對(duì)散射輻射的測(cè)量。從散射輻射探測(cè)器讀出能量分辨強(qiáng)度I(E)。為了采集感興趣對(duì)象的多個(gè)投影，繞延伸穿過包含感興趣對(duì)象的檢查區(qū)域的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該X射線源和該散射輻射探測(cè)器。
有利的是，根據(jù)和適當(dāng)?shù)闹亟ǚ椒?見權(quán)利要求8)相組合的本發(fā)明的該示例實(shí)施例，提供了一種可以快速可靠地對(duì)感興趣對(duì)象進(jìn)行材料辨別的方法。
根據(jù)如權(quán)利要求7所述的本發(fā)明的另一個(gè)示例實(shí)施例，讀出被感興趣對(duì)象所衰減的初級(jí)輻射。
根據(jù)如權(quán)利要求8所述的本發(fā)明的另一個(gè)示例實(shí)施例，根據(jù)該初級(jí)輻射探測(cè)器和該散射輻射探測(cè)器的讀出，例如使用ART或?yàn)V波反投影技術(shù)重建圖像。此外，根據(jù)本發(fā)明的該示例實(shí)施例，可基于該初級(jí)輻射探測(cè)器和該散射輻射探測(cè)器的讀出執(zhí)行自動(dòng)確定感興趣對(duì)象是否包含爆炸物。如果確定該感興趣對(duì)象包含爆炸物，則發(fā)出警報(bào)。
根據(jù)如權(quán)利要求9所述的本發(fā)明的另一個(gè)示例實(shí)施例，執(zhí)行多行散射輻射探測(cè)器或者多行初級(jí)輻射探測(cè)器的讀出，并進(jìn)行各個(gè)輻射的準(zhǔn)直，這可進(jìn)一步改善對(duì)材料的辨別。
本發(fā)明的示例實(shí)施例的主旨在于使用被感興趣對(duì)象所散射的扇形射束的光子能譜的測(cè)量結(jié)果執(zhí)行圖像重建或材料辨別，所述測(cè)量結(jié)果使用包含能量分辨探測(cè)器元件的探測(cè)器行測(cè)量。進(jìn)一步使用例如由切片平面內(nèi)的閃爍體元件行測(cè)量到的該扇形射束的初級(jí)射束的衰減，可以提供改善的材料辨別。
結(jié)合下述各實(shí)施例，本發(fā)明的其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。
將參照附圖描述本發(fā)明的這些實(shí)施例。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的示例實(shí)施例的示意表示。
圖2示出了用于測(cè)量相干散射輻射的圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)示意表示。
圖3示出了圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)的另一個(gè)示意表示。
圖4示出了用于進(jìn)一步解釋本發(fā)明的圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的測(cè)量幾何結(jié)構(gòu)的另一個(gè)示意表示。
圖5示出了圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖的示意表示。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的操作方法的示例實(shí)施例的流程圖。
圖7a和7b示出了根據(jù)本發(fā)明的圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的操作方法的另一個(gè)示例實(shí)施例的流程圖。
圖8的圖表示出了描述對(duì)于使用圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)測(cè)量到的不同能量，對(duì)象位置和執(zhí)行的波矢量之間的關(guān)系。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的示例實(shí)施例。參考該示例實(shí)施例，將就其應(yīng)用于行李檢查以探測(cè)諸如包裹中爆炸物的危險(xiǎn)材料而描述本發(fā)明。然而要注意，本發(fā)明不限于包裹檢查領(lǐng)域的用途，還可以用于其它工業(yè)或醫(yī)療用途，諸如例如用于醫(yī)療應(yīng)用中的骨成像或組織類型辨別。
圖1中所描述的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)為扇形射束相干散射計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)(CSCT)，其允許和能量分辨探測(cè)器及斷層攝影重建相結(jié)合以形成良好的光譜分辨率，即使是使用多色的初級(jí)扇形射束。圖1所示的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)包含臺(tái)架1，該臺(tái)架可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸2旋轉(zhuǎn)。通過電機(jī)3驅(qū)動(dòng)臺(tái)架1。附圖標(biāo)記4表示輻射源，例如X射線源，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，該輻射源發(fā)射多色輻射。
附圖標(biāo)記5表示第一孔系統(tǒng)，該系統(tǒng)將從輻射源4發(fā)射的輻射束形成為錐形輻射束6。此外，還設(shè)有包含光闌或狹縫準(zhǔn)直器的另一個(gè)孔系統(tǒng)9。孔系統(tǒng)9具有狹縫10的形式，使得從輻射源4發(fā)射的輻射形成扇形射束11。根據(jù)本發(fā)明的該示例實(shí)施例的一個(gè)變形，也可以省略第一孔系統(tǒng)5而只設(shè)有第二孔9。
引導(dǎo)扇形射束11使其穿透排列在臺(tái)架1的中心(即計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的檢查區(qū)域)的包裹7，并照射到探測(cè)器8上。從圖1可以看出，探測(cè)器8與輻射源4相對(duì)地設(shè)置在臺(tái)架1上，使得扇形射束11的切片平面和探測(cè)器8的排或行15相交。圖1所描述的探測(cè)器8含有7個(gè)探測(cè)器行，每個(gè)探測(cè)器行包含多個(gè)探測(cè)器元件。如前所述，將探測(cè)器8排列成使得初級(jí)輻射探測(cè)器15(即探測(cè)器8的中間行)位于扇形射束11的切片平面內(nèi)。
從圖1可以看出，探測(cè)器8包含兩種類型的輻射探測(cè)器行第一種探測(cè)器行30和34，在圖1中未用陰影表示，這些探測(cè)器行包含能量分辨探測(cè)器單元。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，這些第一探測(cè)器元件(行30和34)為能量分辨探測(cè)器元件。優(yōu)選地，這些能量分辨探測(cè)器元件是直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體探測(cè)器。直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體探測(cè)器直接將輻射轉(zhuǎn)換成電荷-而無需閃爍現(xiàn)象。優(yōu)選地，這些直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率優(yōu)于20％FWHM，即ΔE/E＜0.2，其中ΔE為探測(cè)器的能量分辨率的半高寬(FWHM)。
行30和34的這種探測(cè)器單元可以是碲化鎘或CZT基探測(cè)器單元，其均位于扇形射束11的切片平面之外。換而言之，能量分辨行30和34都排列在和X射線源4相對(duì)的臺(tái)架1處，并沿平行于旋轉(zhuǎn)軸2的方向偏離切片平面。探測(cè)器行30設(shè)置成相對(duì)于圖1中所描述的旋轉(zhuǎn)軸2的方向具有正偏移，而行34設(shè)置成相對(duì)于圖1所描述的旋轉(zhuǎn)軸2的方向與切片平面有負(fù)偏移。
探測(cè)器行30和34排列在臺(tái)架1處，使其平行于切片平面、在切片平面之外并沿臺(tái)架1的旋轉(zhuǎn)軸2的正方向或負(fù)方向有偏移，以使其接收或者測(cè)量從計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的檢查區(qū)域中的包裹7散射的散射輻射。因此在下文中，行30和34也稱為散射輻射探測(cè)器。應(yīng)該注意，不提供兩個(gè)能量分辨行30和34而只提供一個(gè)包含能量分辨探測(cè)器元件的行也是足夠的，例如僅提供行30。此外，不是提供兩個(gè)能量分辨行30和34，而提供三個(gè)、四個(gè)、或者甚至更多數(shù)目的能量分辨行也是可能的。因此，如果在下文中使用了術(shù)語“散射輻射探測(cè)器”，其包含設(shè)于具有至少一行能量分辨探測(cè)器單元的任意探測(cè)器，該探測(cè)器設(shè)于扇形射束11的扇形平面之外，以使其接收從包裹7散射的光子。
設(shè)于探測(cè)器8上用陰影表示的第二種探測(cè)器行為閃爍體單元。特別地，行15排列成位于扇形射束11的切片平面之內(nèi)并測(cè)量由檢查區(qū)域中的包裹7引起的輻射源4發(fā)射的輻射的衰減。如圖1所描述，可在行15的右側(cè)或左側(cè)提供包含閃爍體探測(cè)器單元的另外的探測(cè)器行。
如已經(jīng)結(jié)合能量分辨行30和34描述的只提供一個(gè)能量分辨行30或34是足夠的，只提供測(cè)量由包裹7引起的切片平面內(nèi)扇形射束11的初級(jí)射束的衰減的行15是足夠的。然而，正如能量分辨行30和34的情形，提供多個(gè)探測(cè)器行32(每個(gè)包含多個(gè)閃爍體單元)可進(jìn)一步提高該計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的測(cè)量速度。在下文中，術(shù)語“初級(jí)輻射探測(cè)器”將被用于指這樣的探測(cè)器，其包含用于測(cè)量扇形射束11的初級(jí)輻射的衰減的至少一行閃爍體或類似探測(cè)器單元。
從圖1可看出，探測(cè)器8的探測(cè)器單元排列成行或列，其中列平行于旋轉(zhuǎn)軸2，而行排列在垂直于旋轉(zhuǎn)軸2并平行于扇形射束11的切片平面的平面內(nèi)。
孔系統(tǒng)5和9的孔被調(diào)整成適于探測(cè)器8的尺寸，使得包裹7的被掃描區(qū)域位于扇形射束11內(nèi)且探測(cè)器8覆蓋該整個(gè)掃描區(qū)域。有利的是，這使得可避免對(duì)包裹7施加不必要的過量輻射。在掃描包裹7期間，輻射源4、孔系統(tǒng)5和9、以及探測(cè)器8按箭頭16所指的方向沿臺(tái)架1旋轉(zhuǎn)。為了旋轉(zhuǎn)具有輻射源4、孔系統(tǒng)5和9、以及探測(cè)器15的臺(tái)架1，電機(jī)3連接到電機(jī)控制單元17，其中電機(jī)控制單元17連接到計(jì)算單元18。
在圖1中，包裹7置于傳送帶19上。在掃描包裹7期間，臺(tái)架1繞包裹7旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳送帶19沿平行于臺(tái)架1的旋轉(zhuǎn)軸2的方向平移包裹7。由此沿螺旋掃描路徑掃描包裹7。也可在掃描期間停止傳送帶19，從而由此測(cè)量單個(gè)切片。
探測(cè)器8連接到計(jì)算單元18。計(jì)算單元18接收探測(cè)結(jié)果(即探測(cè)器8的探測(cè)器元件的讀出)并基于探測(cè)器8(即能量分辨行30和34以及用于測(cè)量扇形射束11的初級(jí)輻射的衰減的行15和32)的掃描結(jié)果確定掃描結(jié)果。除此之外，計(jì)算單元18和電機(jī)控制單元17通信以協(xié)調(diào)臺(tái)架1和電機(jī)3及20的移動(dòng)或者臺(tái)架1和傳送帶19的移動(dòng)。
計(jì)算單元18適于根據(jù)初級(jí)輻射探測(cè)器(即探測(cè)器行15和32)以及散射輻射探測(cè)器(即行30和34)的讀出重建圖像。由計(jì)算單元18產(chǎn)生的圖像可通過接口22輸出到顯示器(未在圖1中示出)。
此外，計(jì)算單元18適于基于行30和34以及行15和32的讀出探測(cè)包裹7中的爆炸物。通過根據(jù)這些探測(cè)器線的讀出重建散射函數(shù)并將其和包含在先前測(cè)量時(shí)確定的爆炸物的特征測(cè)量值的表進(jìn)行比較，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)行上述探測(cè)。在計(jì)算單元18確定從探測(cè)器8讀出的測(cè)量值和爆炸物的特征測(cè)量值匹配時(shí)，計(jì)算單元18通過擴(kuò)音器21自動(dòng)輸出警報(bào)。
在對(duì)圖2至7的隨后描述中，圖1中所使用的相同附圖標(biāo)記被用于相同或相應(yīng)的元件。
圖2示出了圖1所描述的CSCT掃描系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖。從圖2可以看出，X射線源4發(fā)射扇形射束11，使其包含包裹7(這種情況下其直徑為u)并覆蓋整個(gè)探測(cè)器8。目標(biāo)區(qū)域的直徑例如為100cm。這種情況下，扇形射束11的角度α可以為80°。在該配置中，X射線源4到目標(biāo)區(qū)域中心的距離v約為80cm，且探測(cè)器8(即單個(gè)探測(cè)器單元)和X射線源4的距離約為w＝150cm。
從圖2可以看出，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，這些探測(cè)器單元或行可設(shè)有準(zhǔn)直器40以避免這些單元或行測(cè)量具有不同散射角度的不需要的輻射。準(zhǔn)直器40具有刀片或薄片的形式，其可向輻射源聚焦。這些薄片間距的選擇可以不依賴于探測(cè)器元件的間距。
不使用圖1和2所描述的彎曲的探測(cè)器8，使用平坦探測(cè)器陣列也是可能的。
圖3示出了用于圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)使用的探測(cè)器幾何結(jié)構(gòu)的另一個(gè)示意圖。如已經(jīng)參考圖1所描述的，探測(cè)器8可包含一個(gè)、兩個(gè)、或多個(gè)能量分辨探測(cè)器行30和34以及多個(gè)用于測(cè)量由包裹7引起的初級(jí)扇形射束的衰減的行15和32。從圖3可以看出，優(yōu)選地將探測(cè)器8排列成使得行15和32之一(優(yōu)選為探測(cè)器8的中間行15)處于扇形射束11的切片平面內(nèi)，并由此測(cè)量初級(jí)輻射的衰減。如箭頭42所示，X射線源4的輻射源和探測(cè)器8一起繞包裹旋轉(zhuǎn)以從不同角度采集投影。
如圖3所描述，探測(cè)器8包含多個(gè)列t。
圖4示出了圖1所描述的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)的另一個(gè)示意圖，用于進(jìn)一步解釋本發(fā)明。在圖4中，描述了探測(cè)器46，其只包含一個(gè)行15及一個(gè)行30。線15排列在由孔系統(tǒng)9形成并通過輻射源或X射線源4產(chǎn)生的扇形射束11的切片平面內(nèi)，該孔系統(tǒng)在這種情況下為狹縫準(zhǔn)直器。行15包含例如準(zhǔn)直器單元或適用于測(cè)量扇形射束11的初級(jí)射束的衰減的其它單元，且允許對(duì)由對(duì)象區(qū)域或檢查區(qū)域內(nèi)的感興趣對(duì)象引起的初級(jí)扇形射束的衰減進(jìn)行積分測(cè)量。
圖4所描述的行30包含能量分辨單元。從圖4可看出，行30排列成平行于扇形射束11的切片平面，但在該平面之外。換而言之，行30排列在和切片平面平行的平面內(nèi)并平行于行15。
附圖標(biāo)記44表示散射輻射，即被諸如包裹的感興趣對(duì)象所散射的光子。從圖4可以看出，散射輻射離開切片平面并照射到行30的探測(cè)器單元上。
圖5示出了圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的探測(cè)器幾何結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖5也可以被看作示出了圖4的側(cè)視圖，然而，在圖5中不是只提供一個(gè)行30和一個(gè)行15，該圖中在行30和行15之間提供了多個(gè)探測(cè)器行32。行30的探測(cè)器元件Di為能量分辨探測(cè)器元件。探測(cè)器元件Di排列成和初級(jí)扇形射束的切片平面相距固定距離。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，測(cè)量列t的每個(gè)探測(cè)器元件Di及每個(gè)投影Φ(見圖3)的譜I(E，t，Φ)。
沿圓形或螺旋掃描路徑對(duì)多個(gè)投影Φ執(zhí)行該掃描，采集到三維數(shù)據(jù)集。用三個(gè)坐標(biāo)(x，y，q)描述每個(gè)目標(biāo)像素。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，為了根據(jù)該三維數(shù)據(jù)集重建圖像或者重建另外的信息，使用了例如在DE 10252662.1描述的3D→3D重建方法，其在此被引用作為參考。
基于空間坐標(biāo)(x，y)，使用計(jì)算單元18計(jì)算每個(gè)目標(biāo)體素(voxel)Si到探測(cè)器8的距離。隨后，計(jì)算單元18計(jì)算每個(gè)對(duì)象體素Si的散射角度θ以及下述方程的間距θ＝atan(a/d) (等式1)。
于是基于該計(jì)算，計(jì)算單元18基于下述方程計(jì)算波矢?jìng)鬟f參數(shù)qq=Ehcsin(θ/2)]]>(等式2)其中h為普朗克常數(shù)，c為光速，E為光子能量。
于是，基于根據(jù)上述公式計(jì)算的波矢?jìng)鬟f參數(shù)q并基于初級(jí)輻射探測(cè)器的讀出，計(jì)算單元18可確定或辨別對(duì)象切片中的材料。
圖6示出了圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的操作方法的示例實(shí)施例的流程圖。
在步驟S1中開始之后，諸如包裹7的感興趣對(duì)象在步驟S2中被置于檢查區(qū)域內(nèi)。隨后，該方法繼續(xù)到步驟S3，該步驟中激勵(lì)輻射源以產(chǎn)生多色輻射的扇形射束11。在隨后的步驟S4中，使用準(zhǔn)直器裝置對(duì)將由散射輻射探測(cè)器(即探測(cè)器8的行30和34)測(cè)量的輻射進(jìn)行準(zhǔn)直。
優(yōu)選地，如步驟S4中所示，該輻射被準(zhǔn)直成扇形射束。接著，該方法繼續(xù)到步驟S5和S7。在步驟S5中，使用能量分辨行(即探測(cè)器8的行30和34)測(cè)量能量分辨散射投影。在緊隨步驟S5執(zhí)行的步驟S6中，讀出散射輻射探測(cè)器(即行30和34)的能量測(cè)量結(jié)果。
在步驟S7中，使用初級(jí)輻射探測(cè)器(即行32和15)測(cè)量初級(jí)射束投影。在步驟S7之后的步驟S8中，讀出該初級(jí)射束投影。接著在步驟S8和S6之后的步驟S9中，將X射線源4以及包含散射輻射探測(cè)器和初級(jí)輻射探測(cè)器的探測(cè)器8旋轉(zhuǎn)一增量。接著，該方法繼續(xù)到步驟S10，在該步驟中確定是否已經(jīng)采集到足夠數(shù)目的投影。對(duì)于在步驟S10中確定還需采集另外的投影的情形，該方法返回到步驟S7和S5，使得相互并行地執(zhí)行步驟S7、S8和步驟S5、S6。
對(duì)于在步驟S10中確定已經(jīng)采集到足夠數(shù)目的投影的情形，該方法繼續(xù)到步驟S11，在該步驟中基于讀出重建圖像。在步驟S11中的圖像重建例如包含基于ART算法或?yàn)V波反投影技術(shù)(FBP)的斷層攝影重建。
在步驟S11之后，該方法繼續(xù)到步驟12，在該步驟中基于所述讀出或重建圖像確定感興趣對(duì)象中的材料。如果在隨后的步驟S13中確定該材料包含爆炸物，該方法繼續(xù)到發(fā)出警報(bào)的步驟S14。
如果在步驟S13中確定感興趣對(duì)象中未含有爆炸物，該方法繼續(xù)到步驟S15。
在步驟S15，沿旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)感興趣對(duì)象。接著，該方法繼續(xù)到步驟S16，在該步驟中確定是否已經(jīng)掃描了整個(gè)感興趣對(duì)象。如果在步驟S16中確定尚未掃描整個(gè)感興趣對(duì)象，該方法返回至步驟S7和S5。
如果在步驟S16中確定已掃描整個(gè)感興趣對(duì)象，該方法繼續(xù)到步驟S17，在該步驟整個(gè)過程結(jié)束。
優(yōu)選地，參考圖6所描述的、根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施例的方法是高時(shí)效的，因?yàn)橥瑫r(shí)執(zhí)行初級(jí)射束投影和能量分辨散射投影的測(cè)量。
圖7a和7b示出了根據(jù)本發(fā)明的操作圖1的計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)的方法的另一個(gè)示例實(shí)施例的流程圖。
在步驟S20開始之后，諸如包裹7的感興趣對(duì)象在步驟S21中被置于檢查區(qū)域內(nèi)。隨后，該方法繼續(xù)到步驟S22，該步驟中激勵(lì)輻射源4以產(chǎn)生多色輻射。在隨后的步驟S23中，待測(cè)量的輻射被準(zhǔn)直成錐形射束。
接著，在隨后的步驟S24中，使用初級(jí)輻射探測(cè)器(即一個(gè)或多個(gè)行15或32)測(cè)量初級(jí)射束投影。隨后，該方法繼續(xù)到步驟S25，該步驟中從初級(jí)輻射探測(cè)器讀出初級(jí)射束投影。
在隨后的步驟S26中，將X射線源4以及初級(jí)輻射探測(cè)器旋轉(zhuǎn)一增量。接著，在隨后的步驟S27中確定是否已經(jīng)采集到足夠數(shù)目的投影。如果在步驟S27中確定還需采集另外的投影，該方法返回到步驟S24。
如果在步驟S27中確定已經(jīng)采集到足夠數(shù)目的投影，該方法繼續(xù)到步驟S28，在該步驟S28中基于該讀出重建CT圖像。于是在隨后的步驟S29中，確定感興趣對(duì)象內(nèi)是否有具有可疑衰減值的材料。如果在步驟S29中確定感興趣對(duì)象中沒有可疑材料(即具有可疑衰減值的材料)，該方法繼續(xù)到步驟S30，在該步驟S30中沿旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)感興趣對(duì)象。接著，該方法從步驟S30返回到步驟S23。
如果在步驟S29中確定感興趣對(duì)象中含有具有可疑衰減值的材料，該方法繼續(xù)到步驟S31，在該步驟S31該方法跳至圖7b中的步驟S40。在圖7b的步驟S41中，移動(dòng)感興趣對(duì)象，使得感興趣對(duì)象中包含具有可疑衰減值的材料的可疑區(qū)域位于檢查區(qū)域內(nèi)。接著，在隨后的步驟S42中，輻射源4發(fā)射的輻射被準(zhǔn)直成扇形射束。在隨后步驟S43中，使用散射輻射探測(cè)器(即探測(cè)器8的行30和34)測(cè)量散射輻射投影。如前所述，該散射輻射探測(cè)器優(yōu)選含有至少一個(gè)包含多個(gè)能量分辨探測(cè)器單元的行。優(yōu)選地，這些能量分辨探測(cè)器單元為直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體探測(cè)器，其直接將輻射轉(zhuǎn)換成電荷-而無需閃爍現(xiàn)象。優(yōu)選地，這些直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體探測(cè)器具有優(yōu)于20％FWHM的能量分辨率。
接著，在隨后的步驟S44中，讀出能量分辨散射數(shù)據(jù)，并在隨后的步驟S45中將散射輻射探測(cè)器旋轉(zhuǎn)一增量。
在隨后的步驟S46中，確定是否已經(jīng)采集到足夠數(shù)目的投影。如果確定還需采集另外的投影，該方法返回到步驟S43。如果在步驟S46中確定已經(jīng)采集到足夠數(shù)目的投影，該方法繼續(xù)到步驟S47，在該步驟中基于步驟S44的讀出重建散射函數(shù)圖像。接著，在隨后的步驟S48中，基于該散射函數(shù)圖像確定具有可疑衰減值的材料是否是爆炸物或危險(xiǎn)材料。接著，如果在步驟S48中確定感興趣對(duì)象中有危險(xiǎn)材料或爆炸物，該方法繼續(xù)到步驟S49，其中計(jì)算單元18通過擴(kuò)音器21發(fā)出警報(bào)。接著該方法從步驟S49繼續(xù)到步驟S50。
如果在步驟S48中確定感興趣對(duì)象中不含有具有可疑散射函數(shù)的材料(即危險(xiǎn)材料或爆炸物)，該方法繼續(xù)到步驟S50，在該步驟中該方法跳回到圖7a中的步驟S32。在圖7a的步驟S32中，確定是否已經(jīng)掃描了整個(gè)對(duì)象。如果確定尚未掃描整個(gè)對(duì)象，該方法繼續(xù)到步驟S20。
如果在步驟S32中確定已掃描整個(gè)對(duì)象，該方法繼續(xù)到步驟S33，在該步驟該方法結(jié)束。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，將確定衰減值和確定散射輻射投影分開是有利的，只要可以提供高效方法，其中只對(duì)包含具有可疑衰減值的材料的感興趣對(duì)象執(zhí)行參考圖7b所描述的散射輻射投影測(cè)量。由此，優(yōu)選地提供兩步包裹探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)感興趣對(duì)象進(jìn)行高效和安全的掃描。
有利的是，即使使用由多色輻射源發(fā)射的多色初級(jí)輻射，根據(jù)本發(fā)明也可以獲得非常好的和改善的譜分辨率。同樣地，根據(jù)本發(fā)明，如前所述，測(cè)量整個(gè)光譜只需一個(gè)能量分辨探測(cè)器行。如果使用了多個(gè)能量分辨探測(cè)器行，則可以擴(kuò)展適用于重建的q范圍。圖8中解釋了適用于重建的q范圍。在此示例性地假設(shè)對(duì)象直徑為40cm-以旋轉(zhuǎn)中心(CoR，圖1中的附圖標(biāo)記2)為中心。此外，將一個(gè)探測(cè)器行置成距離CoR 50cm并沿旋轉(zhuǎn)軸偏移20mm。根據(jù)這些幾何考慮并使用方程2，并另外假設(shè)能量分辨探測(cè)器測(cè)量能量范圍為20...160keV，則可以計(jì)算出對(duì)于感興趣對(duì)象中所有體素及所有旋轉(zhuǎn)步驟(投影)，該探測(cè)器測(cè)量的q范圍為從～0.5nm-1至1.8nm-1。如果使用了不止一個(gè)探測(cè)器行，則必須對(duì)每行執(zhí)行相同的計(jì)算。所覆蓋的q范圍為所有的每行的單個(gè)q范圍的總和。這些探測(cè)器行的q范圍將會(huì)交疊。冗余可有利地提高特定q值的探測(cè)光子數(shù)，這降低了測(cè)量時(shí)間及對(duì)感興趣對(duì)象所施加的劑量與/或數(shù)據(jù)的噪聲。減小劑量是主要關(guān)心的問題，特別是在醫(yī)療應(yīng)用中。
例如可由排列成排的單個(gè)碲化鎘(CdTe)、CZT、或其它直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體單元組裝能量分辨行30和34。
圖8示出了表示各種能量下對(duì)象(及即裹7)中對(duì)象體素Si的位置和波矢?jìng)鬟f之間關(guān)系的測(cè)量圖。用和臺(tái)架1的旋轉(zhuǎn)中心CoR的距離表示對(duì)象體素Si的位置。距離a(見圖5)，即能量分辨探測(cè)器元件Di到切片平面的距離為20mm，CoR和探測(cè)器8的中間的距離為500mm。換而言之，能量分辨的探測(cè)器行30或34排列在距離切片平面20mm處。
沿圖8中圖表的橫坐標(biāo)軸以毫米為單位繪制與CoR的距離，沿縱坐標(biāo)軸以nm-1為單位繪制使用上述公式(等式2)計(jì)算得到的波矢?jìng)鬟fq。圖8的圖中的不同曲線繪出了從20keV至160keV的范圍內(nèi)的不同能量的測(cè)量結(jié)果。
從圖8可以看出，如果在20至160keV的范圍內(nèi)探測(cè)到輻射，則可以在q＝0.5...1.8nm-1的波矢?jìng)鬟f范圍采集到直徑為400mm的對(duì)象的完整數(shù)據(jù)集，如圖7的行50和52之間的區(qū)域所示。用于材料辨別的絕大部分結(jié)構(gòu)位于該范圍內(nèi)。
有利的是，從硬件的角度出發(fā)，除了探測(cè)器8之外，可以使用本領(lǐng)域中已知的標(biāo)準(zhǔn)錐形射束CT掃描器或者甚至使用扇形射束掃描器。為了應(yīng)用本發(fā)明，只需要提供適當(dāng)?shù)目紫到y(tǒng)并對(duì)現(xiàn)有的探測(cè)器添加至少一個(gè)能量分辨行30或34。
權(quán)利要求
1.一種用于檢查感興趣對(duì)象的計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備，該計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備包含具有X射線源和散射輻射探測(cè)器的探測(cè)器單元；其中該探測(cè)器單元可繞延伸穿過用于接收感興趣對(duì)象的檢查區(qū)域的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；其中該X射線源產(chǎn)生適于穿透切片平面內(nèi)檢查區(qū)域中感興趣對(duì)象的扇形X射線束；其中該散射輻射探測(cè)器和該X射線源相對(duì)并沿平行于旋轉(zhuǎn)軸的方向相對(duì)于該切片平面有偏移地設(shè)置在探測(cè)器單元處；其中該散射輻射探測(cè)器包含具有排列成行的多個(gè)第一探測(cè)器元件的第一探測(cè)器行；其中該多個(gè)第一探測(cè)器元件是能量分辨探測(cè)器元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備，其中該散射輻射探測(cè)器平行于該切片平面、和X射線源相對(duì)地設(shè)置在探測(cè)器單元處，并且在該切片平面之外沿該旋轉(zhuǎn)軸存在偏移，使得該散射輻射探測(cè)器被設(shè)置成接收從感興趣對(duì)象散射的散射輻射，且其中該計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備還包含初級(jí)輻射探測(cè)器；其中該初級(jí)輻射探測(cè)器在該切片平面內(nèi)和X射線源相對(duì)地設(shè)置在探測(cè)器單元處，用于接收被感興趣對(duì)象衰減的初級(jí)輻射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備，其中能量分辨元件為直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體單元；且其中初級(jí)輻射探測(cè)器包含具有多個(gè)第二探測(cè)器元件的第二探測(cè)器行；其中第二探測(cè)器元件為閃爍體單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備，進(jìn)一步包括至少多個(gè)第一探測(cè)器行和多個(gè)第二探測(cè)器行之一；其中至少該初級(jí)輻射探測(cè)器和散射輻射探測(cè)器之一設(shè)有準(zhǔn)直器元件；且其中該X射線源為多色輻射源。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備，進(jìn)一步包含用于根據(jù)該初級(jí)輻射探測(cè)器和該散射輻射探測(cè)器的讀出重建圖像的計(jì)算單元；且其中該計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備適于基于該初級(jí)輻射探測(cè)器和該散射輻射探測(cè)器的讀出探測(cè)感興趣對(duì)象中的爆炸物。
6.一種使用計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備檢查感興趣對(duì)象的方法，該方法包含激勵(lì)X射線源使其產(chǎn)生穿透切片平面內(nèi)檢查區(qū)域中感興趣對(duì)象的扇形X射線束；使用具有第一探測(cè)器行的散射輻射探測(cè)器對(duì)散射輻射進(jìn)行積分能量測(cè)量，該第一探測(cè)器行具有排列成行的多個(gè)第一能量分辨探測(cè)器元件；從該散射輻射探測(cè)器讀出能量測(cè)量結(jié)果；圍繞延伸穿過包含感興趣對(duì)象的檢查區(qū)域的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該X射線源和該散射輻射探測(cè)器。
7.權(quán)利要求6的方法，進(jìn)一步包含步驟使用在該切片平面內(nèi)與X射線源相對(duì)設(shè)置的初級(jí)輻射探測(cè)器讀出被感興趣對(duì)象衰減的初級(jí)輻射。
8.權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包含步驟根據(jù)該初級(jí)輻射探測(cè)器和該散射輻射探測(cè)器的讀出重建圖像；通過應(yīng)用重建、基于該初級(jí)輻射探測(cè)器和該散射輻射探測(cè)器的讀出，確定該感興趣對(duì)象是否包含爆炸物；且如果確定該感興趣對(duì)象包含爆炸物則發(fā)出警報(bào)。
9.權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包含步驟讀出至少該散射輻射探測(cè)器的多個(gè)第一探測(cè)器行和該初級(jí)輻射探測(cè)器的多個(gè)第二探測(cè)器行之一的測(cè)量結(jié)果；至少對(duì)于散射輻射探測(cè)器和初級(jí)輻射探測(cè)器之一準(zhǔn)直輻射，其中該扇形X射線射束包含多色輻射。
全文摘要
在CSCT中，將扇形初級(jí)射束與2D探測(cè)器結(jié)合，可以同時(shí)測(cè)量單切片透射斷層攝影和散射斷層攝影。在這種系統(tǒng)中，除非使用單色輻射源，否則會(huì)測(cè)量到模糊的散射函數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，提出了能量分辨的1D或2D探測(cè)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)和斷層攝影重建組合提供了良好的譜分辨率，即使是采用多色初級(jí)射束。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，獲得完整的譜只需要一個(gè)能量分辨探測(cè)器行。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的優(yōu)選應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像和諸如包裹檢查的材料分析。
文檔編號(hào)G01N23/04GK1794951SQ200480014754
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2004年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月28日
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