一種基于孔徑編碼技術(shù)的射線散射成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于孔徑編碼技術(shù)的射線散射成像系統(tǒng)，包括射線源、前準(zhǔn)直器、陣列探測(cè)器、孔徑編碼掩模、信號(hào)處理器、控制器和移動(dòng)裝置，前準(zhǔn)直器設(shè)置于射線源與被測(cè)物間，與射線源相對(duì)靜止，將射線源的射線準(zhǔn)直成一射線束；陣列探測(cè)器的中心法線面與射線束的交線為掃描線；孔徑編碼掩模為一維孔徑編碼掩模，由多個(gè)編碼單元排列而成，置于陣列探測(cè)器與被測(cè)物之間，與陣列探測(cè)器相對(duì)靜止；信號(hào)處理器將陣列探測(cè)器獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)；控制器對(duì)數(shù)字信號(hào)重組解碼，獲得掃描線上各個(gè)體素對(duì)應(yīng)的散射圖像；移動(dòng)裝置使射線源與陣列探測(cè)器作為一個(gè)整體與被測(cè)物發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。本發(fā)明集成現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，又不會(huì)大幅減低散射射線透過率，具有高信噪比。
【專利說明】一種基于孔徑編碼技術(shù)的射線散射成像系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于孔徑編碼技術(shù)的射線散射成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線散射成像技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱散射成像)是一種基于康普頓散射效應(yīng)的新型非侵入性成像技術(shù)。它和傳統(tǒng)的透射成像技術(shù)在成像原理，裝置安排，適用目標(biāo)上有明顯區(qū)另IJ。傳統(tǒng)的透射成像是通過透射射線的強(qiáng)弱來獲取被測(cè)物體于透射方向的總衰減系數(shù)，得到物體圖像。它的射線源與探測(cè)器必須分別置于樣品兩側(cè)，它對(duì)衰減系數(shù)大的物質(zhì)(如重金屬)比對(duì)衰減系數(shù)小的物質(zhì)(如有機(jī)物)更敏感，圖像空間分辨好。而散射成像是通過散射射線的強(qiáng)弱以獲取被測(cè)物體于散射方向的散射截面得到物體圖像。它的射線源與探測(cè)器位置擺放靈活，尤其是可以同時(shí)放置于被測(cè)物體同側(cè)，射線無需完全穿透被測(cè)物體，適合地下、墻體內(nèi)部的檢測(cè)和厚重大塊物體的檢測(cè)。散射成像對(duì)散射截面大的物質(zhì)(如有機(jī)物)比對(duì)散射截面小的物質(zhì)(如重金屬)更敏感，圖像對(duì)比度高。因此散射成像與透射成像作為一對(duì)互補(bǔ)的成像技術(shù)，在工業(yè)探傷、國(guó)防安檢、埋藏物搜索、科研考古等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣泛。
[0003]當(dāng)前，商用的散射成像系統(tǒng)多采用筆形射線束進(jìn)行“飛點(diǎn)掃描”，如美國(guó)AS&E公司的SmartCheck人體安檢系統(tǒng)、德國(guó)YXLON公司的Comscanl60II系統(tǒng)等?！帮w點(diǎn)掃描”散射成像系統(tǒng)的原理可如中國(guó)專利(CN101113960B)中的一種背散射探測(cè)裝置所述:X射線源發(fā)射的射線束經(jīng)過切輪準(zhǔn)直器形成筆形射線束；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)該切輪準(zhǔn)直器繞X射線源旋轉(zhuǎn)，使光斑周而復(fù)始的從下到上或從上到下掃描，當(dāng)一個(gè)角度掃描完成，下一個(gè)準(zhǔn)直孔正好進(jìn)入入射面，同時(shí)被測(cè)物平行于切輪準(zhǔn)直器的軸向方向前進(jìn)，由此實(shí)現(xiàn)連續(xù)地逐點(diǎn)掃描過程；其背散射探測(cè)器組包含一個(gè)或多個(gè)背散射探測(cè)器單元，并被放置于射線源與被測(cè)物之間用以接收被物體散射后形成的背散射X射線；根據(jù)該切輪準(zhǔn)直器的旋轉(zhuǎn)速率和被測(cè)物的前進(jìn)速率可以唯一計(jì)算出“飛點(diǎn)”的時(shí)間序列以及所對(duì)應(yīng)的物體上的具體位置，因此通過計(jì)算機(jī)處理后就可以得到物體的背散射圖像。“飛點(diǎn)掃描”方式雖然技術(shù)成熟，但存在以下缺陷:(1)對(duì)X射線的利用率低，需要先將射線束準(zhǔn)直成筆形；(2)信噪比和空間分辨率無法兼顧，射線束需逐點(diǎn)掃描每個(gè)體素，如果體素分割較小，則射線束的停留時(shí)間很短，探測(cè)單元往往因接受信號(hào)不足而顯著降低信噪比，而如果體素分割較大，則空間分辨率顯著降低；(3)掃描速度慢，受限于圖像信噪比的要求和機(jī)械旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，不適合高通量場(chǎng)合的應(yīng)用；(4)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要專門的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)切輪準(zhǔn)直器才能工作，故障率高。
[0004]近期，部分研究中的散射成像系統(tǒng)直接采用扇形射線束進(jìn)行“推掃掃描”，如中國(guó)專利(CN1325025A)中一種針孔反散射成像裝置所述:X射線源發(fā)射的射線束經(jīng)過扇形準(zhǔn)直器形成扇形射線束；扇形射線束直接照射運(yùn)動(dòng)中的被測(cè)物體，形成連續(xù)地線掃描；散射射線通過針孔準(zhǔn)直器被線陣列探測(cè)器接收。該方案可充分利用X射線源，提高成像速度和分辨率，同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。雖然散射射線的收集效率不如“飛點(diǎn)掃描”，但由于X射線源利用率高，總探測(cè)效率并不低于“飛點(diǎn)掃描”。此外，中國(guó)專利(CN102854208A)采用平行孔準(zhǔn)直器替代針孔準(zhǔn)直器進(jìn)行“推掃掃描”，可以提高散射射線的收集效率。盡管如此，傳統(tǒng)準(zhǔn)直裝置(針孔準(zhǔn)直器或平行孔準(zhǔn)直器)仍只允許特定方向的散射射線通過，限制了系統(tǒng)探測(cè)效率和靈敏度的提聞。因此，進(jìn)一步提聞散射射線的收集效率，是提聞散射成像系統(tǒng)的探測(cè)效率，改善圖像信噪比的關(guān)鍵所在。
[0005]近來，在相關(guān)成像領(lǐng)域中，有學(xué)者采用孔徑編碼掩模替代傳統(tǒng)準(zhǔn)直裝置以大幅提高射線通過率的設(shè)計(jì)以提高系統(tǒng)探測(cè)效率，改善圖像信噪比的設(shè)計(jì)，如中國(guó)專利(CN102279287A)所述的光學(xué)顯微成像，中國(guó)專利(CN102890974A)所述的Y相機(jī)。孔徑編碼技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種多通道復(fù)用的兩步成像技術(shù)。不同于傳統(tǒng)準(zhǔn)直裝置使目標(biāo)源與探測(cè)單元形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，孔徑編碼技術(shù)采用適當(dāng)?shù)目讖骄幋a掩模使目標(biāo)源與探測(cè)單元形成一多對(duì)應(yīng)關(guān)系；處于不同位置上的目標(biāo)源的對(duì)應(yīng)關(guān)系不同，所有目標(biāo)源的投影圖像疊加成編碼圖像；通過與孔徑編碼掩模結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的解碼算法，對(duì)所有探測(cè)單元接收的信號(hào)重新組合，可得到目標(biāo)源的原始圖像。在探測(cè)單元的動(dòng)態(tài)范圍許可的前提下，信號(hào)強(qiáng)度大幅增加，而噪聲水平基本保持不變，圖像信噪比明顯改善。
[0006]下面以3個(gè)探測(cè)單元為例簡(jiǎn)述孔徑編碼的過程:假定3個(gè)目標(biāo)源真實(shí)強(qiáng)度為I1、
12、13，3路探測(cè)單元的噪聲水平一致為σ，如果采用傳統(tǒng)準(zhǔn)直裝置一對(duì)一測(cè)量，得到實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度為Α1、Α2、A3,誤差為el、e2、e3。由誤差理論可知:
[0007]E [ (Aj-1j) ] = Etej] = O (I)
[0008]Et(ArIj)2] =E[e/] = σ2 (2)
[0009]如果采用下列編碼組合測(cè)量，得到實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度為Al、Α2、A3，則
[0010]A1 = IJlJe1 (3)
[0011]A2 = ^+Ig+ea (4)
[0012]A3 = Ii+Ia+eg (5)
[0013]從測(cè)量結(jié)果解碼得到，每個(gè)目標(biāo)源的估計(jì)強(qiáng)度為B1、B2、B3，則
[0014]B1 = (-AjA2+A3)/2 = I1+(^efeJe3)/2 (6)
[0015]B2 = (A1-Ag+A3) /2 = I2+(e「e2+e3)/2 (7)
[0016]B3 = (A^Ag-A3) /2 = I1+(efe^es)/2 (8)
[0017]此時(shí)，測(cè)量誤差的平均值和均方差如下
【權(quán)利要求】
1.一種基于孔徑編碼技術(shù)的射線散射成像系統(tǒng)，其特征在于，該射線散射成像系統(tǒng)包括射線源、前準(zhǔn)直器、陣列探測(cè)器、孔徑編碼掩模、信號(hào)處理器、控制器和移動(dòng)裝置，以對(duì)被測(cè)物進(jìn)行成像； 該前準(zhǔn)直器，設(shè)置于該射線源與該被測(cè)物之間，該前準(zhǔn)直器與該射線源相對(duì)靜止，并將該射線源發(fā)射的射線準(zhǔn)直成一射線束； 該陣列探測(cè)器，該陣列探測(cè)器的中心法線面與該射線束的交線為掃描線，該中心法線面與該射線束的射線面所成的二面角為散射角； 該孔徑編碼掩模為一維孔徑編碼掩模，由多個(gè)編碼元素排列而成，該孔徑編碼掩模置于該陣列探測(cè)器與該被測(cè)物之間，與該陣列探測(cè)器相對(duì)靜止； 該信號(hào)處理器，將該陣列探測(cè)器獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； 該控制器對(duì)該數(shù)字信號(hào)重組解碼，獲得該掃描線上各個(gè)體素對(duì)應(yīng)的散射圖像； 該移動(dòng)裝置使該射線源與該陣列探測(cè)器作為一個(gè)整體與該被測(cè)物發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射線散射成像系統(tǒng)，其特征在于，該孔徑編碼掩模至少包括對(duì)射線阻止能力不同的兩類編碼元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的射線散射成像系統(tǒng)，其特征在于，該陣列探測(cè)器的有效探測(cè)單元的數(shù)目為2K+1,則該編碼元素的數(shù)目為4K+1。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的射線散射成像系統(tǒng)，其特征在于，該陣列探測(cè)器正中間的編碼元素為對(duì)射線阻止能力較小的元素，兩邊的編碼元素排列次序相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射線散射成像系統(tǒng)，其特征在于，該前準(zhǔn)直器為扇形準(zhǔn)直器，該射線束為扇形射線束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射線散射成像系統(tǒng),其特征在于,該射線散射成像系統(tǒng)還包括用于固定該射線源與該陣列探測(cè)器并調(diào)整兩者之間間距和夾角的支架。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的射線散射成像系統(tǒng)，其特征在于，該射線散射成像系統(tǒng)還包括用于固定該孔徑編碼掩模并屏蔽該孔徑編碼掩模的非編碼區(qū)的散射射線的屏蔽盒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射線散射成像系統(tǒng)，其特征在于，該信號(hào)處理器將該模擬信號(hào)實(shí)時(shí)并行地積分并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射線散射成像系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理器為信號(hào)采集電子學(xué)中的信號(hào)處理器，所述控制器為一主機(jī)的控制器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射線散射成像系統(tǒng)，其特征在于，該射線源為X光管、同位素放射源或直線電子加速器。
【文檔編號(hào)】G01N23/203GK103983654SQ201410225310
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】魏龍, 劉彥韜, 章志明, 李道武, 帥磊, 王寶義, 馬創(chuàng)新, 黃先超, 柴培, 唐浩輝, 李婷, 王英杰, 莊凱, 王曉明, 朱美玲, 姜小盼, 張譯文, 周魏, 孫世峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所