一種x射線衰減器設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用以及利用該方法設(shè)計(jì)的帶有衰減器的ct裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于檢測儀器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種用于CT成像的X射線衰減器設(shè)計(jì) 方法與應(yīng)用，該方法設(shè)計(jì)的衰減器可應(yīng)用于類旋轉(zhuǎn)體工件的X射線CT成像檢測中或DR檢測 中。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖心是油氣田勘探開采中最重要的基礎(chǔ)地質(zhì)資料之一。在油氣田勘探開采的研究 領(lǐng)域中，利用X射線CT成像技術(shù)可獲取高空間分辨率的全巖心三維宏觀結(jié)構(gòu)圖像和巖心局 部的顯微結(jié)構(gòu)圖像，并結(jié)合鉆井、測井、地質(zhì)分析化驗(yàn)等多方面的地質(zhì)資料，綜合進(jìn)行數(shù)字 巖心建模和分析，對油氣田勘探開發(fā)具有重要意義。
[0003] 采集巖心CT數(shù)據(jù)時(shí)，X射線流強(qiáng)足夠大時(shí)才能有效穿透巖心物體中心部分，但由于 探測器單元計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍的限制，當(dāng)穿透巖心中心部分射線有較高信噪比的計(jì)數(shù)時(shí)，探測 器未被巖心遮擋的探測器單元或相應(yīng)于巖心邊緣的探測器單元將會(huì)出現(xiàn)計(jì)數(shù)過載現(xiàn)象。為 避免探測器計(jì)數(shù)過載，需要一種X射線衰減器放置在射線源前端或探測器前端，其作用是調(diào) 節(jié)到達(dá)探測器各單元的射線流強(qiáng)，使其在探測器單元計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)，即既使透過巖心 中心部分的射線有有效計(jì)數(shù)，又使各個(gè)探測器單元不出現(xiàn)計(jì)數(shù)過載。然而，各探測器單元相 應(yīng)的衰減器厚度不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致各探測器單元相應(yīng)的等效X射線譜發(fā)生改變，進(jìn)而引起CT圖 像的CT值發(fā)生畸變。
[0004] 如何設(shè)計(jì)衰減器，使其既能調(diào)節(jié)到達(dá)各探測器單元的射線在其計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍之 內(nèi)，又不會(huì)引起明顯的圖像CT值畸變，是X射線CT成像設(shè)備中面臨的主要問題之一。
[0005] 通過檢索，尚未發(fā)現(xiàn)基于X射線光子多能屬性相關(guān)的專利公開文獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于被測物體屬性、X射線 屬性、濾波片屬性以及CT設(shè)備參數(shù)的衰減器設(shè)計(jì)方法，既能調(diào)節(jié)到達(dá)各探測器單元射線在 其計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)，又不會(huì)引起明顯的CT值畸變，降低對CT探測器的動(dòng)態(tài)范圍的要求。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種X射線衰減器設(shè)計(jì)方法，步驟如下：
[0009]⑴根據(jù)被測物體屬性，選擇與被測物體X射線吸收系數(shù)接近的等效材料；
[0010]⑵根據(jù)被測物體等效材料屬性、X射線屬性、濾波片屬性以及CT設(shè)備參數(shù)，建立被 測物體等效材料厚度與衰減器厚度的映射關(guān)系；
[0011] ⑶根據(jù)步驟⑵建立的映射關(guān)系和X射線沿不同方向穿過被測物體等效材料的厚度 分布，得到衰減器的厚度分布；
[0012] ⑷根據(jù)步驟⑶得到的衰減器厚度分布加工制作衰減器。
[0013] 而且，具體步驟如下：
[0014]⑴忽略散射影響，CT成像數(shù)學(xué)模型如下：
[0016] 其中，X表示固定坐標(biāo)系中的點(diǎn)，ys(E)表示被測物體等效材料對能量為E的光子的 線性衰減系數(shù)分布，y a(E)表示衰減器單位長度對能量E的光子的線性衰減系數(shù)，r為射線到 達(dá)探測器單元所透過的衰減器的厚度，S(E)代表歸一化的能譜，其中E min和Emax分別表示光 子能量的最小值和最大值，I(t，r)代表射線穿過等效材料厚度t和衰減器厚度r時(shí)的投影數(shù) 據(jù)；
[0017] 如上所述，在相同條件下，X射線穿過被測物體厚度to時(shí)的投影數(shù)據(jù)Ιο與穿過某種 均勻材料厚度to時(shí)的投影數(shù)據(jù)i相等或接近，則該材料可視為被測物體的等效材料，具體接 近程度視具體情況而定；
[0018] ⑵射線穿過被測物體等效材料的厚度為七時(shí)，選取的單色能量為Eo,假設(shè)射線穿過 厚度為r %的衰減器時(shí)，滿足多色投影值與單色投影值相等，即：
[0019]
[0020] 求解該積分方程得到衰減器厚度關(guān)于被測物體等效材料厚度的函數(shù)映射關(guān)系r% (t);其中衰減器的作用使等效能譜S(E)exp(-y a(E)r)發(fā)生變化，r越大，相同厚度被測物體 對應(yīng)的多能投影數(shù)據(jù)越小;通常E〇越大，μ8(Ε〇)的取值越小;若使方程(B)成立，需要的衰減 器厚度就越大，從而Ε〇能夠調(diào)節(jié)衰減器的厚度范圍；而衰減器的厚度范圍影響著探測器計(jì) 數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍；
[0021] ⑶針對不同的探測器單元，射線穿過巖心的厚度不同，其對應(yīng)的衰減器厚度也不 一樣，從而根據(jù)上述函數(shù)關(guān)系得到不同射線對應(yīng)的衰減器厚度分布；
[0022] ⑷根據(jù)該厚度分布得到衰減器的三維結(jié)構(gòu)模型，然后進(jìn)行加工制作。
[0023] 而且，所述步驟⑵中衰減器的材料選擇不依賴于被測物體的材料屬性。
[0024] 而且，所述步驟⑵中單色投影的能量選取滿足條件:被測物體等效材料的最大厚 度對應(yīng)的多色投影值不小于相同厚度對應(yīng)的單色投影值。
[0025]而且，所述步驟⑶的具體步驟為：
[0026] 根據(jù)被測物體等效材料的尺寸，在視野中的放置位置以及CT設(shè)備參數(shù)，計(jì)算X射線 沿不同方向穿過被測物體等效材料的厚度分布；
[0027] 如果被測物體等效材料模型的形狀為規(guī)則的幾何形狀，利用解析方法求得等效材 料模型的厚度分布;如果為不規(guī)則模型，利用光線投射等數(shù)值方法求解；
[0028] 求得等效材料模型厚度分布之后，根據(jù)函數(shù)映射關(guān)系r%(t)，得到衰減器厚度分 布。
[0029]而且，所述步驟⑷的具體步驟為：
[0030] 根據(jù)衰減器與射線源之間的距離以及設(shè)備安裝條件設(shè)計(jì)衰減器的長度和寬度，從 而生成衰減器的數(shù)字模型；
[0031] 衰減器離射線源越近，X射線穿過平行于探測器平面的截面越小，設(shè)計(jì)的衰減器長 寬尺寸越小，相反越大；
[0032] 衰減器與射線源之間的距離決定了衰減器的放置位置是靠近射線源還是靠近探 測器。
[0033] 如上所述的X射線衰減器設(shè)計(jì)方法在類旋轉(zhuǎn)體工件的X射線CT成像檢測中或DR檢 測中的應(yīng)用。
[0034]而且，所述X射線CT成像檢測為全巖心三維CT成像或類柱狀、錐狀、球狀、橢球狀、 圓臺、棱臺、球冠、橢球冠物體三維CT成像。
[0035] -種利用如上所述的X射線衰減器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的衰減器的CT裝置，所述裝置包 括射線源、探測器、機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、衰減器、控制器和計(jì)算機(jī)，所述射線源和探測器設(shè)置于待 檢測的巖心的兩端，該機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)待檢測的巖心，所述衰減器設(shè)置于待檢測的 巖心和探測器之間，所述控制器分別與射線源、探測器、機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、衰減器和計(jì)算機(jī)相 連接設(shè)置；
[0036]所述衰減器的設(shè)計(jì)方法如下：
[0037]⑴根據(jù)巖心屬性，選擇衰減器的材料；
[0038] ⑵根據(jù)X射線能譜和與巖心衰減系數(shù)接近的等效材料，建立X射線沿不同方向穿過 的巖心等效材料厚度與衰減器厚度的函數(shù)關(guān)系，使其滿足相同厚度的掃描物體對應(yīng)的多色 投影值與單色投影值相同；
[0039] ⑶求解該函數(shù)關(guān)系，得到沿不同方向X射線對應(yīng)的衰減器的厚度分布；
[0040] ⑷根據(jù)該厚度分布加工制作衰減器。
[0041 ] 而且，具體步驟如下：
[0042]⑴忽略散射影響，CT成像數(shù)學(xué)模型如下：
[0044] 其中，X表示固定坐標(biāo)系中的點(diǎn)，ys(E)表示被測物體等效材料對能量為E的光子的 線性衰減