本發(fā)明涉及X射線成像技術(shù)，特別涉及一種X射線能譜成像方法。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)的X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)中，射線源由高能電子轟擊靶面產(chǎn)生韌致輻射，該輻射線具有連續(xù)且能譜分布帶寬較寬的特點(diǎn)；X射線的探測(cè)器一般采用間接測(cè)量模式，是將不同能量的X射線光子激發(fā)熒光材料得到的可見(jiàn)光光子進(jìn)行積分測(cè)量，反映X射線的統(tǒng)計(jì)衰減特性。采用這種測(cè)量模式，X射線的成像過(guò)程中能譜的相關(guān)信息大量損失，不利于對(duì)被檢測(cè)物體材料的物理性質(zhì)進(jìn)行精確判斷。在醫(yī)療和工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度偏低，對(duì)于較小對(duì)比度差異的物質(zhì)難以區(qū)分，更無(wú)法利用X射線能譜的信息對(duì)材料物理性質(zhì)進(jìn)行后續(xù)分析。

從物理學(xué)角度分析，不同能量的X射線在穿透不同的物質(zhì)過(guò)程中表現(xiàn)出不同的衰減特性，在一定程度上反映被檢物體材料的物體性質(zhì)。因此，如果在成像過(guò)程中能夠有效的對(duì)X射線束的能量進(jìn)行區(qū)分，則X射線透照?qǐng)D像中將攜帶更加豐富的譜信息，大大提升X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)性能。經(jīng)過(guò)多年的研究積累，出現(xiàn)了一些分辨不同能量的X射線成像檢測(cè)技術(shù)。

其中，可以采用雙能電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)X射線成像檢測(cè)，過(guò)程為：利用兩個(gè)X射線源，即采用具有不同的能譜分布的兩個(gè)X射線對(duì)物體進(jìn)行掃描重建，獲得被掃描物體等效原子序數(shù)和電子密度的分布，從而使X射線程序檢測(cè)系統(tǒng)具有了物質(zhì)識(shí)別能力。在此基礎(chǔ)上，為了避免復(fù)雜的掃描和計(jì)算，在犧牲掉一定的物質(zhì)識(shí)別精度的前提下，提出了雙能X射線透視程序技術(shù)。另外，利用大型同步輻射裝置可以有效地產(chǎn)生單色X射線，利用探測(cè)器與同步輻射裝置相結(jié)合，可以分析不同能量X射線光子與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，提升了CT圖像的能量分辨率。近年來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)和光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種能夠分別X射線能量的光子探測(cè)器技術(shù)-X射線光子計(jì)數(shù)探測(cè)器，該種探測(cè)器依靠能量選通閾值選擇性的記錄X射線光子，從而達(dá)到分辨不同能量X射線光子的目的。

綜上，X射線能譜成像的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：X射線源為基的方法及以探測(cè)器為基的方法。X射線源為基的方法就是改善X射線的單色性，克服X射線源發(fā)射能譜較寬而損失能譜信息的問(wèn)題；以探測(cè)器為基的方法是提升探測(cè)器的能譜分辨能力，提高其對(duì)X射線源發(fā)生能譜的精確分辨。無(wú)論采用上述哪種方法，都存在缺陷：以探測(cè)器為基的方法對(duì)設(shè)備的工藝要求較高且大多處于研制階段，無(wú)法進(jìn)行推廣應(yīng)用；以X射線源為基的方法通常采用工藝性要求高的同步輻射裝置獲取，只能在實(shí)驗(yàn)室完成，且由于X射線源有很大的輻射危害，無(wú)法進(jìn)行推廣應(yīng)用。因此，研發(fā)出采用濾波方式或反射膜濾鏡的方式實(shí)現(xiàn)X射線源為基的方法，但是由于采用濾波方式受到濾波材料自身性質(zhì)的限制，X射線能譜形態(tài)的調(diào)制能力有限，導(dǎo)致經(jīng)濾波后的能譜仍然具有較寬的能譜分布，信噪比比較差，從而影響能譜成像的效果；而反射膜濾鏡的方式則設(shè)備工藝制備復(fù)雜，應(yīng)用推廣受到很大限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種X射線能譜成像的實(shí)現(xiàn)方法，該方法能夠簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)多個(gè)能量區(qū)域具有窄帶能譜的X射線用于成像。

根據(jù)上述目的，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

(等到權(quán)利要求確定后復(fù)制權(quán)利要求)

由上述方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例以X射線能譜合成技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)能量區(qū)域具有窄帶能譜的X射線，對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行透照，得到不同能量區(qū)域?qū)?yīng)的透照?qǐng)D像，完成X射線能譜成像。由于本發(fā)明實(shí)施例在以X射線能譜合成技術(shù)時(shí)，X射線出束設(shè)備只是通過(guò)不同的濾波參數(shù)及不同的出束管電壓實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)設(shè)備的工藝要求不高，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于應(yīng)用推廣。且由于得到的X射線都是不同能量區(qū)域的且具有窄帶能譜，在后續(xù)成像時(shí)效果很好。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的X射線能譜成像方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例得到不同能量區(qū)域具有窄帶能譜的X射線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的多能量區(qū)域能譜合成過(guò)程的示意圖，結(jié)合圖3。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

由常規(guī)的X射線出束設(shè)備機(jī)理可知：一定出束管電壓對(duì)應(yīng)的X射線能譜呈連續(xù)分布特性，并且分布帶寬較大，不利于透照?qǐng)D像中能譜信息的有效利用。在X射線成像系統(tǒng)中，當(dāng)采用多個(gè)X射線源設(shè)置不同出束管電壓參數(shù)并行激勵(lì)或單個(gè)源變管電壓參數(shù)串行激勵(lì)程序時(shí)，綜合成像的效果相當(dāng)于多個(gè)X射線束能譜合成譜對(duì)應(yīng)的X射線束作用于X射線探測(cè)器的結(jié)果。本發(fā)明實(shí)施例就應(yīng)用上述原理，以X射線能譜合成技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)能量區(qū)域具有窄帶能譜的X射線，對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行透照，得到不同能量區(qū)域?qū)?yīng)的透照?qǐng)D像，完成X射線能譜成像。

具體地說(shuō)，首選，對(duì)X射線能量區(qū)域進(jìn)行分割，X射線出束設(shè)備通過(guò)不同的濾波參數(shù)及不同的出束管電壓，得到不同能量區(qū)域的具有能譜分布特性的子射線束序列；其次，對(duì)得到的子射線束序列對(duì)應(yīng)的激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行組合，得到組合的X射線束，所述組合的X射線束對(duì)應(yīng)能譜具有所設(shè)置的能量區(qū)域的窄帶分布特性；最后，對(duì)組合的X射線束進(jìn)行對(duì)應(yīng)能量區(qū)域的線束強(qiáng)度均衡及對(duì)應(yīng)能譜的重疊，得到多個(gè)能量區(qū)域具有窄帶能譜的X射線。后續(xù)就可以采用所述的X射線對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行透照后成像。

這樣，就可以大大提升X射線能譜的利用效率，通過(guò)不同能量區(qū)域具有窄帶能譜的X射線對(duì)應(yīng)的透照?qǐng)D像可以對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行有效識(shí)別。采用本發(fā)明實(shí)施例提供的方法對(duì)物體進(jìn)行CT掃描，可以獲取不同能量區(qū)域?qū)?yīng)的檢測(cè)物體的CT切片圖像，可以達(dá)到采集CT重建的效果。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的X射線能譜成像方法流程圖，其具體步驟為：

步驟101、劃分X射線能量區(qū)域，產(chǎn)生不同能量區(qū)域的X子射線序列；

在本步驟中，可以采用X射線出束設(shè)備通過(guò)調(diào)整不同的濾波參數(shù)、X射線束的加載時(shí)長(zhǎng)及不同的出束管電壓，產(chǎn)生不同能量區(qū)域的X子射線序列；

步驟102、對(duì)于每個(gè)能量區(qū)域的X子射線序列對(duì)應(yīng)的激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行組合，得到每個(gè)能量區(qū)域具有窄帶分布特征的X射線；

在本步驟中，采用子譜的分布函數(shù)加權(quán)求和得到每個(gè)能量區(qū)域具有窄帶分布特征的X射線；

步驟103、將每個(gè)能量區(qū)域具有窄帶分布特征的X射線進(jìn)行對(duì)應(yīng)能量區(qū)域的線束強(qiáng)度均衡及能譜的重疊，得到每個(gè)能量區(qū)域具有窄帶能譜的X射線；

步驟104、采用設(shè)定能量區(qū)域具有窄帶能譜的X射線對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行透照，得到檢測(cè)物體的X射線成像。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例得到不同能量區(qū)域具有窄帶能譜的X射線的結(jié)構(gòu)示意圖。按照本發(fā)明實(shí)施例提供的方法，能量區(qū)域I～N中對(duì)應(yīng)的窄帶能譜是由該能量區(qū)域內(nèi)具有能譜分布特征的若干子譜的能譜分布函數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和得到，為了使得子譜分布函數(shù)通過(guò)一定的運(yùn)算獲取與目標(biāo)窄帶能譜相匹配的合成能譜，需要對(duì)子譜分布特征參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。為此，在圖2中，設(shè)置了子譜參數(shù)優(yōu)化模塊，該模塊按照一定的規(guī)則，對(duì)不同能量區(qū)域的子譜的能譜分布參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)。

在這里，子譜就是X子射線序列的能量譜，簡(jiǎn)稱(chēng)子譜。

在特定能量區(qū)域內(nèi)子譜分布參數(shù)預(yù)設(shè)后，需要利用子譜合成該能量區(qū)域的窄帶能譜。由于目標(biāo)窄帶能譜的分布函數(shù)由子譜的分布函數(shù)加權(quán)求和得到，各子譜的權(quán)值如何選取是決定合成能譜與目標(biāo)能譜匹配度的關(guān)鍵，圖2中的窄譜能譜優(yōu)化合成模塊用于合成過(guò)程中子譜函數(shù)權(quán)系數(shù)的優(yōu)化求解，并通過(guò)反饋模塊對(duì)字譜參數(shù)優(yōu)化模塊中的子譜分布函數(shù)進(jìn)行微調(diào)，使得合成能譜分布函數(shù)與目標(biāo)能譜達(dá)到一定的相關(guān)程度。

在能量區(qū)域I～N中目標(biāo)窄帶能譜合成過(guò)程中，還需要對(duì)不同能量區(qū)域合稱(chēng)能譜的能譜交疊率和各能量區(qū)域窄帶能譜的強(qiáng)度均衡性進(jìn)行綜合考慮。圖2中設(shè)置了能量均衡及能譜重疊優(yōu)化處理模塊，該模塊在多能量區(qū)域能譜合成過(guò)程中對(duì)合成譜的交疊率和能量均衡度進(jìn)行約束，以保證實(shí)施過(guò)程中各能量區(qū)域合成譜對(duì)應(yīng)射線束均具有較好的檢測(cè)能力，同時(shí)保證合成譜間的重疊率盡量小，以保證能譜信息的充分利用。

通過(guò)上述各模塊的配合，最終獲取對(duì)應(yīng)不同能量區(qū)域具有窄帶能譜的X射線，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中合成能譜對(duì)應(yīng)X射線束作用于物體與子譜序列對(duì)應(yīng)射束作用于物體的效果一致。從而可以獲取具有較強(qiáng)能譜分辨的成像數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能譜成像。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的多能量區(qū)域能譜合成過(guò)程的示意圖，結(jié)合圖3，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明實(shí)施例旨在利用傳統(tǒng)的X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)X射線出束設(shè)備的變電壓串行激勵(lì)透照檢測(cè)物體的方法達(dá)到不同能量區(qū)域中等效窄譜X射線束透照的效果。基于X射線的產(chǎn)生機(jī)理可知：出束管電壓決定了射線束的能譜分布狀態(tài)及射線光子的短波限，出束管電流和透照時(shí)長(zhǎng)決定了射線束的統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度，濾波器的參數(shù)決定了射線束的長(zhǎng)波限及能譜調(diào)制狀態(tài)。

因此，該實(shí)施例中，將設(shè)定能量區(qū)域具有窄帶能譜分布特征的射線束合成過(guò)程表示如下：

λ∈(λ_min,λ_max)

其中，f(λ)為合成窄譜的譜密度分布函數(shù)，其分布特征由實(shí)際檢測(cè)需求決定；g_i(λ)為指定能量區(qū)域λ_min～λ_max中用于譜合成的原始子譜的譜密度分布函數(shù)，原始子譜的分布函數(shù)由出束管電壓參數(shù)決定；h_i(λ)為子譜g_i(λ)的調(diào)制函數(shù)，實(shí)際操作過(guò)程中通過(guò)濾波材料及厚度等參數(shù)決定；N_i為調(diào)制后子譜對(duì)應(yīng)射線束的加載權(quán)重，通過(guò)調(diào)節(jié)子譜對(duì)應(yīng)射線束的加載時(shí)長(zhǎng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為保證合成過(guò)程的可實(shí)施性和控制運(yùn)算過(guò)程的復(fù)雜度，本發(fā)明實(shí)施例首先對(duì)合成能譜的分布能量區(qū)域、帶寬參數(shù)進(jìn)行限定?；谙薅ǖ暮铣勺V能區(qū)及帶寬參數(shù)，并對(duì)預(yù)定合成能譜進(jìn)行表征，記為f(λ)。其次，對(duì)子譜數(shù)量及譜分布狀態(tài)進(jìn)行限定。在實(shí)際操作過(guò)程中調(diào)節(jié)出束管電壓可以對(duì)原始X射線束的譜分布特征進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)濾波材料及厚度可以對(duì)原始子譜的長(zhǎng)波限和強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。為簡(jiǎn)化實(shí)施過(guò)程的環(huán)節(jié)，保證方法的可實(shí)施性，本發(fā)明實(shí)施例針對(duì)特定能量區(qū)域的窄譜合成目標(biāo)，通過(guò)出束管電壓參數(shù)和濾波參數(shù)的預(yù)先設(shè)定，實(shí)現(xiàn)原始子譜的數(shù)量及分布形態(tài)的限制。在子譜的預(yù)設(shè)環(huán)節(jié)，需要保證目標(biāo)窄譜的分布函數(shù)和子譜分布函數(shù)間的關(guān)系滿足如下要求：

(3)目標(biāo)窄譜的主要分量要被子譜集合中任一子譜所包含；

(4)目標(biāo)窄譜主要分量與子譜交集外的分量要具有快衰減特性；

(5)子譜與目標(biāo)窄譜相交區(qū)域的平均強(qiáng)度與子譜最大強(qiáng)度的比值要達(dá)到一定數(shù)值。

以上述要求為基礎(chǔ)，確定特定能量區(qū)域中出束管電壓參數(shù)集合{U₁,U₂,...,U_m}與濾波參數(shù)集合{L₁,L₂,...,L_n}，這樣共確定了m×n種基礎(chǔ)子譜，基礎(chǔ)子譜的分布形態(tài)和相對(duì)強(qiáng)度被不同的出束管電壓和濾波參數(shù)組合確定，隨之對(duì)各基礎(chǔ)子譜的分布函數(shù)進(jìn)行表征，記為g_i(λ)。本發(fā)明實(shí)施例的子譜優(yōu)化選擇模塊利用優(yōu)化算法從m×n種基礎(chǔ)子譜中選擇數(shù)量最少的可能的組合，優(yōu)化選取結(jié)果通過(guò)評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)函數(shù)主要對(duì)合成譜的帶寬及合成譜在帶寬范圍內(nèi)的強(qiáng)度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并實(shí)時(shí)反饋給圖2中的子譜優(yōu)化選擇模塊，最終確定一組用于實(shí)施的子譜射束生成所需的出束管電壓、濾波參數(shù)、及子譜權(quán)重參數(shù)集合。按照優(yōu)化獲取的參數(shù)集合，通過(guò)變電壓、變?yōu)V波參數(shù)及激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)可以獲取與合成能譜對(duì)應(yīng)射束等效的激勵(lì)效果。上述指定能量區(qū)域窄譜合成的實(shí)施過(guò)程能夠在指定能量區(qū)域?qū)崿F(xiàn)與目標(biāo)窄譜分布對(duì)應(yīng)射線束等效的透照效果，獲取的圖像信息能夠反映目標(biāo)窄帶能譜射束透照的信息。在合成的過(guò)程中目標(biāo)窄帶能譜的帶寬及強(qiáng)度數(shù)值是實(shí)施過(guò)程中的重點(diǎn)考核指標(biāo)。

首先定義λ_bottom和λ_top為截?cái)嗪铣勺V強(qiáng)度與合成能譜強(qiáng)度比例為α?xí)r對(duì)應(yīng)的短波和長(zhǎng)波方向的界限，λ_min和λ_max為用于合成窄譜的子譜集合的短波和長(zhǎng)波方向界限，則定義如下指標(biāo)函數(shù)對(duì)合成譜進(jìn)行考核：

Δλ＝λ_top-λ_bottom

其中，Δλ為合成譜的有效帶寬，此數(shù)值根據(jù)待檢測(cè)物體的材料屬性進(jìn)行具體的設(shè)置；α為合成譜有效帶寬內(nèi)的X射線束強(qiáng)度與合成譜總強(qiáng)度間的比值，該數(shù)值越接近1表明有效帶寬外X射線束的強(qiáng)度衰減越快，合成譜有效帶寬內(nèi)對(duì)應(yīng)的X射線束越具有較好的檢測(cè)能力。合成能譜過(guò)程中通過(guò)對(duì)上述評(píng)價(jià)參數(shù)的定義及實(shí)施考核，可以對(duì)優(yōu)化過(guò)程提供有力的反饋。

實(shí)現(xiàn)能譜成像是本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)重點(diǎn)，即利用多個(gè)能量區(qū)域中具有窄帶分布特征的射線束透照物體后的圖像信息進(jìn)行獲取、融合以獲取較好的譜分辨能力。因此，本發(fā)明將傳統(tǒng)X射線源出束對(duì)應(yīng)的有效能量區(qū)域劃分為若干個(gè)能量區(qū)域，在每個(gè)能量區(qū)域分別實(shí)施窄譜合成過(guò)程，從而獲取不同能量區(qū)域的多個(gè)合成窄帶能譜對(duì)應(yīng)射束激勵(lì)圖像。

實(shí)施過(guò)程中為了更好的利用X射線的能譜信息，一方面要求合成能譜的能譜分布帶寬及合成X射線束的強(qiáng)度要達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，X射線強(qiáng)度目標(biāo)是保證合成射束對(duì)物體能夠有效透照，能譜分布帶寬的窄帶特征是保證合成射束盡可能的接近單能透照。另一方面對(duì)不同能量區(qū)域的合成譜之間的要求是合成能譜之間的交疊盡可能小并且射線束能量盡量均衡，合成能譜間交疊區(qū)域小能夠保證探測(cè)信息的譜分辨能力，合成X射線束能量均衡能夠保證多能透照信息融合后的灰度變化規(guī)律，同時(shí)降低探測(cè)器信號(hào)放大系數(shù)調(diào)整的難度。

上述不同能量區(qū)域合成譜的評(píng)價(jià)可以定義如下兩個(gè)函數(shù)：

其中，H(f_i(λ),f_i+1(λ))表征相鄰能量區(qū)域合成譜f_i(λ)和f_i+1(λ)之間的交疊程度，該函數(shù)取值越接近零表示兩個(gè)合成譜之間的交疊區(qū)域越??；L(f_i(λ),f_i+1(λ))表征相鄰能量區(qū)域合成譜對(duì)應(yīng)射線束強(qiáng)度的均衡程度，該函數(shù)取值越接近零表示其射線束強(qiáng)度的均衡性越好。多能區(qū)能譜合成環(huán)節(jié)，可以通過(guò)上述函數(shù)對(duì)合成譜間的關(guān)系參數(shù)進(jìn)行考核，并對(duì)反饋給合成過(guò)程。

綜上所述，本發(fā)明通過(guò)能區(qū)及基礎(chǔ)子譜的規(guī)劃和窄帶能譜優(yōu)化合成過(guò)程的實(shí)施，可以獲取多個(gè)能量窗口對(duì)應(yīng)的透照?qǐng)D像，大大提升了X射線檢測(cè)過(guò)程的譜分辨能力。

以上舉較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。