專利名稱：多能ct成像系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及斷層影像(CT)成像系統，特別涉及一種多能CT成像系統。
背景技術：
斷層影像(CT)的圖像對比度與掃描所用的X光源能譜分布有很大關系。傳統CT使用具有能譜分布的一個光源進行成像，有時會出現信息模糊致使兩種不同材料在CT圖像上完全相同，相對于此，雙能CT使用兩個不同分布的能譜對物體進行成像，能夠消除單能譜情況下的信息模糊。雙能X光斷層成像技術(CT)利用物質在不同能量下的衰減差異能夠獲得關于物體的多重物理特性參數的分布信息，例如，電子密度分布、等效原子序數分布、多個能量下的單能衰減圖像。這樣，雙能X光CT能夠被用來進行傳統CT的射線硬化校正、臨床高對比度能譜圖像獲 取、工業和安檢的特殊和危險物品檢測等。與傳統的X光CT成像技術相比，雙能CT在其成像功能上的突破對醫學診斷技術、無損檢測以及安全檢查等應用都具有重大意義，因此，在近年來得到越來越廣泛的關注。此外，相對于傳統的單能CT成像技術，雙能CT成像技術不僅能夠提供被檢測物體的衰減系數和幾何結構信息，還能夠提供物質組成信息。因此，在安全檢查領域，雙能CT技術能夠提供被檢測物的電子密度和有效原子序數信息，從而進行危險物質的識別，另外，在醫療領域，雙能CT能夠提供不同組織成分的圖像，例如骨質、軟組織、對比度造影劑等。目前，雙能CT系統主要有雙源雙探測器、單源雙層探測器、快速能量切換這三種實現方式。關于雙源雙探測器，如圖1所示，這種系統由兩套X光源以及探測器組成，即，這種系統包括高能X光源11、高能探測器12、以及低能X光源21、低能探測器22，并且，高能X光源11以及高能探測器12與低能X光源21以及低能探測器22分別呈90°交錯放置。在數據采集時，這兩套X光機發出不同能量(KVp)的射線，對應的探測器獨立采集數據，由此，能夠獲得高能投影數據和低能投影數據這兩組投影數據。但是，雙源雙探測器系統的成本十分昂貴，并且，對于旋轉機架的機械結構的穩定性和強度的設計要求非常高。此外，關于單源雙層探測器，如圖2所示，在這種系統設計中，在傳統的單能CT的探測器(圖2中的低能探測器)之后增加了一個低能濾波片和一個探測器(圖2中的高能探測器)，由此，組成雙能探測器。在X射線穿過第一個探測器(低能探測器)和濾波片后，低能部分的X射線被過濾除去，高能部分的X射線到達第二層探測器(高能探測器)。這兩個探測器同時進行工作，從而能夠采集到低能投影數據以及高能投影數據這兩組投影數據。但是，這樣的單源雙層探測器的成本也較高。此外，對于快速能量切換的方式來說，這種系統需要選用特殊的X光機，能夠快速切換高壓，交替發射不同能量(KVp)的射線。圖3是示出用于實現雙能CT系統的能量快速切換雙能CT的示意圖。如圖3 (B)所示，通過快速切換X光機高壓值的方式能夠實現高低能數據的采集方式。這種CT系統在掃描時機架正常旋轉，例如轉速0.5秒/圈，一圈進行1000次采樣，則X光機的高壓在每次采樣中會切換一次，探測器則會讀取兩次數據，第一次為高能的投影數據，第二次為低能的投影數據。此時，X光機高壓在一圈即0.5秒內切換1000次。但是，在快速能量切換系統中，需要搭配新型X光機，這導致此種方式成本變高并且也不容易普及應用。如上所述，由于以上三種雙能CT的制造成本都遠大于傳統的單能CT，所以，難以在一般的檢測需求中推廣應用。此外，由于雙能CT不能夠準確地反映X射線與物質的真實作用過程，對某些具有特征吸收的物質的重建結果的準確性較差，相對于此，多能CT則有望部分解決這一問題。因此，多能CT成像系統受到廣泛關注。
實用新型內容本實用新型是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種多能CT成像系統，能夠在一周掃描過程中分多次改變X光機高壓，從而能夠以多能進行成像。此外，本實用新型是在傳統的單能CT成像系統的基礎上得到的，能夠在不增加硬件成本的情況下解決上述課題。此外，本實用新型在硬件上利用與傳統的單能CT基本相同的系統設計以及相應的數據處理和圖像重建方法，提供多能成像功能，因此成本低，能夠廣泛應用于安全檢查、醫療診斷等領域。本實用新型提供一種多能CT成像系統，其特征在于，具有:載物臺，用于載置受檢查物品；電壓可調的X射線發生裝置，用于發出照射所述受檢查物品的X射線；探測器，用于接收從所述X射線發生裝置發出且穿過所述受檢查物品的X射線，并且，輸出探測數據；
·[0014]機架，裝配有所述X射線發生裝置以及所述探測器；以及數據處理及控制裝置，對所述載物臺、所述X射線發生裝置、所述探測器、所述機架進行控制，處理來自所述探測器的所述探測數據，在所述X射線發生裝置的一周掃描過程中，所述數據處理及控制裝置根據預定的能量數將所述X射線發生裝置的圓軌道平均分成預定個數的角度區間，對每一個角度區間設定不同的所述X射線發生裝置的高壓，當所述機架從當前的角度區間旋轉進入下一個角度區間時，根據來自所述數據處理及控制裝置的指令，對所述X射線發生裝置進行控制，將所述X射線發生裝置切換為在下一個角度區間設定的電壓。此外，本實用新型的多能CT成像系統的成像方法，其特征在于，具有如下步驟:(a)按照預定的能量數將所述多能CT成像系統的X射線發生裝置的圓軌道平均分成預定個數的角度區間，對每個角度區間設定不同的所述X射線發生裝置的高壓；(b)所述X射線發生裝置沿著圓軌道進行旋轉，在每個角度區間以在該角度區間所設定的高壓進行工作，發出X射線，照射受檢查物品；(c)利用所述多能CT成像系統的探測器采集不同能量下的投影數據；(d)利用所述多能CT成像系統的數據處理及控制裝置得到所述不同能量下的投影數據的線積分數據；(e)將所述不同能量下的線積分數據依次進行拼接，由此得到覆蓋360°的完整的線積分數據；(f)根據所述完整的線積分數據進行重建，由此得到混合重建結果；[0023](g)將所述混合重建結果作為先驗圖像，對各段不完整數據分別進行重建，得到不同能量下的衰減系數重建結果；(h)根據所述衰減系數重建結果得到分解系數，并且，利用所述分解系數得到原子序數分布圖像和電子密度分布圖像。在本實用新型的多能CT成像系統的成像方法中，在所述步驟(a)中將圓軌道分為N角度區間并且使在所述步驟(d)中得到的不同能量下的線積分數據為P1, P2,…，Pn，并且，在所述步驟(f)中利用普通圓軌道濾波反投影法進行重建，使得到的混合重建結果為fo，N和η是大于等于2的整數，在所述步驟(g)中，通過求解有約束條件的最小化優化問題
argmmG(f;,f0)得到 兩足約束條件||H.f; — p, |，< ￡的裳減系數重建結果f/，其中，G Cfi,
fQ)為描述先驗圖像與重建結果的差異的函數,Hi為第i個能量下的投影算子，ε為與測量數據噪聲方差有關的參數，1 = 1,2,…，η。在本實用新型的多能CT成像系統的成像方法中，在所述步驟(h)中，使用后處理基效應分解法得到分解系數，并且，利用所述分解系數得到原子序數分布圖像和電子密度分布圖像。在本實用新型的多能CT成像系統的成像方法中，在所述步驟(h)中，使用后處理基材料分解法得到分解系數，并且，利用所述分解系數得到原子序數分布圖像和電子密度分布圖像。在本實用新型的多能CT成像系統的成像方法中，代替所述步驟(h)而具有如下的步驟(j):對在所述步驟(g)中得到的衰減系數重建結果f,.進行正投影處理，從而得到補全后的分角度掃面缺失的投影數據，然后，利用前處理方法得到不同的基函數的系數，從而得到原子序數分布圖像和電子密度分布圖像。根據本實用新型，在不改變現有的傳統單能CT系統硬件設計的前提下，將X射線發生裝置的圓軌道分為 預定的角度區間，對每個角度區間設定預定的X射線發生裝置的高壓，利用本實用新型中的重建方法提供雙能成像功能，擴展了傳統CT的使用功能，并且，與現有的雙能CT設備相比，成本較低。
圖1是示出用于實現雙能CT系統的雙源雙探測器方式的示意圖。圖2是示出用于實現雙能CT系統的單源雙層探測器方式的示意圖。圖3是示出用于實現雙能CT系統的能量快速切換雙能CT的示意圖。圖4是示出本實用新型的多能CT成像系統的示意圖。圖5是利用本實用新型的雙能掃描得到的正弦圖。圖6是對圖5進行卷積所得到的結果。
具體實施方式
以下，參照附圖對本實用新型的實施方式進行說明。圖4是本實用新型的多能CT成像系統的示意圖，(A)是系統結構以及多能掃描方式的示意圖，(B)是機架旋轉角度與X光機電壓之間的關系的圖。如圖4所示，在本實用新型的多能CT成像系統中，具備:載物臺，用于載置受檢查物品(即，圖4中的待測物體);用于發出照射上述受檢查物品的X射線的電壓可調的X射線發生裝置(即，圖4中的X光源);探測器，接收從上述X射線發生裝置發出且穿過了上述受檢查物品的X射線，并且，輸出探測數據(例如，不同能量下的投影數據等)；機架；數據處理及控制裝置，對上述載物臺、上述X射線發生裝置、上述探測器、上述機架進行控制，處理來自上述探測器的上述探測數據。此外，在本實用新型中所使用的X射線發生裝置是具有可調電壓功能的X光機，能夠根據數據處理及控制裝置的控制來切換電壓，發出不同能量的X射線。此外，關于本實用新型中所使用的X射線發生裝置，并沒有特別限定，只要是能夠根據數據處理及控制裝置的控制進行電壓切換的X光源，就能夠應用于本實用新型。此外，X射線發生裝置以及探測器裝配在環形的機架上，機架能夠連續旋轉，并且，通過滑環機構完成與X射線發生裝置的控制信號的傳遞以及探測器所采集的數據的傳輸。此外，還能夠對X射線發生裝置進行供電(此處，滑環的功能與發電機電刷類似)。此外，例如，在CT成像系統的運行當中，機架始終進行勻速旋轉運動，如果X射線發生裝置進行圓周旋轉時所在的平面為XY平面(此處例如為紙面)，則受檢查物品在傳送皮帶上沿著Z軸方向直線運動(即，垂直于紙面運動)。此外，在X射線發生裝置的一周掃描過程中，數據處理及控制裝置根據預定的能量數將圓軌道平均分成預定的N (N是大于等于2的整數)個角度區間，對每一個角度區間設定不同的X射線發生裝置的高壓，當機架從當前的角度區間旋轉進入下一個角度區間時，根據來自數據處理及控制裝置的指令，對X射線發生裝置進行控制，將電壓切換為在下一個角度區間設定的電壓，由此，發射出不同能量的X射線。載物臺、機架分別做圓軌道旋轉運動和直線平移運動或者兩者的組合，從而能夠實現螺旋掃描軌跡或者圓周掃描軌跡。具體地說，如圖4 (A)所示，本實用新型中的載物臺是放置物體的結構。當機架進行圓周旋轉而載物臺靜止、或者機架靜止而載物臺進行圓周運動時，能夠實圓周軌道掃描方 式，這兩者是等價的。此外，螺旋運動能夠分解為XY平面內的圓周運動和沿Z方向的直線運動的這兩個分運動，使載物臺和機架分別完成其中的一個分運動，將它們組合起來就是螺旋運動，例如載物臺進行直線運動而機架進行圓周運動。此夕卜，也可以是載物臺進行旋轉而機架進行平移，這種方式適用于大型的物體檢測，這是因為大型物體平移需要太大場地空間而旋轉較容易實現。此外，由于載物臺與機架的運動屬于相對運動，所以，在本實用新型中，按照使載物臺固定并且使機架旋轉的圓周掃描軌跡進行描述。此外，數據處理及控制裝置由例如計算機等構成，用于完成多能CT成像系統運行過程的控制，這些控制包括機械轉動、電氣控制、安全聯鎖控制等。在X射線發生裝置的一周掃描過程中，根據所需要的能量數將X射線發生裝置的圓軌道平均分成多個角度區間，例如，在雙能的情況下將圓軌道分為兩個180°角度區間，即，分為0° 180°的角度區間以及180° 360°的角度區間，在三能的情況下(圖4中所示的情況)將圓軌道分為三個120°角度區間，即，分為0° 120°的角度區間、120° 240°的角度區間以及240° 360°的角度區間。對每一個角度區間設定不同的X光機高壓，例如，在將圓軌道分為兩個180°角度區間的情況下，X光機高壓分別為120KV以及80KV。此外，當機架從當前的角度區間旋轉進入下一個角度區間時，數據處理及控制裝置發送指令，對X光機進行控制，將X光機電壓切換為在下一個角度區間設定的電壓，由于此單步切換過程能夠快速完成，所以，并不會影響數據采集。此外，在本實用新型中所使用的探測器是完整的面陣X射線探測器，但是，探測器也不限于此，只要能夠完成數據探測，能夠使用任意的探測器。此外，在本實用新型的多能CT成像系統中還具有讀出電路、采集觸發信號電路及數據傳輸電路，這些電路與面陣X射線探測器一起組成對數據進行采集的數據采集系統。以下，對本實用新型的多能CT成像系統中的成像方法進行說明。本實用新型的多能CT成像系統在X射線發生裝置的圓軌道掃描一圈角度范圍內分不同能量來采集數據。例如，預先選定N個能量(記作E1, E2,…，En)，將圓軌道平均分為N個角度區間(也就是對N個角度區間的每一個設定預定的電壓)，N是大于等于2的整數。在此情況下，每個能量下的投影數據只覆蓋圓軌道的360° /N的范圍，從而可以看出這屬于有限角度重建的范疇。( I)首先，多能CT成像系統進行工作，數據處理及控制裝置進行控制，使X射線發生裝置沿著圓軌道進行旋轉，并且，X射線發生裝置在由數據處理及控制裝置預先劃分的每個角度區間以在該角度區間所設定的電壓進行工作，發射出X射線，照射受檢查物品。相應地，利用由探測器、讀出電路、采集觸發信號電路以及數據傳輸電路組成的數據采集系統對數據進行采集，由此，得到不同能量E1, E2,…，En (η是大于等于2的整數)下的投影數據，并且，將不同能 量E1, E2，…，En下的投影數據進行本底校正、不一致性校正、負對數運算等操作，從而得到物體在能量E1, E2,...，En下的線積分數據P1, P2,...，Pn0將上述的所有能量E1, E2,…，EnT的線積分數據P1, P2,…，Pn依次進行拼接，由此，能夠得到覆蓋X射線發生裝置的圓軌道360°的完整的線積分數據。接著，利用普通圓軌道濾波反投影算法等的方法進行重建，由此，能夠得到混合重建結果此外，關于混合重建結果fo，因為不同能量下的結構信息不同，也就是說fo是多個不完整信息混在一起的一個中間結果，所以沒有嚴格的物理含義。此外，雖然拼接得到的線積分數據在角度方向上有不連續性，但是，在濾波方向上是連續的，因此，進行反投影所得到的結果能夠準確地反映物體(受檢查物品)的幾何結構信息。此外，為了便于理解，如圖5所示，以二維為例進行說明。在圖5所示的例子中，將圓軌道分為0° 180°和180° 360°這兩個角度區間(即，雙能掃描)。在此處，拼接得到的結果指的是CT中常說的正弦圖。關于上述的拼接，就是不管能量上的差異，將這些數據(線積分數據P1, P2,…，Pn)按照單能CT的數據構成方式按照角度的次序放到一起，所以，在圖5中可以看到，在180°時切換能量，在能量改變的地方有一個明顯的跳躍邊緣(即，在180°處會出現明顯的不連續現象)。即，在角度這個方向(圖5中的縱軸)數據是不連續的。另一方面，雖然這兩個角度區間的能量不同，但是，各部分都包含被照射物體(受檢查物品)的結構信息。此外，由于濾波是在探測器方向上做一維濾波，即對圖5中的線積分數據一行一行獨立地做一維卷積，所以，180°的階躍不會影響卷積結果，在圖6中示出卷積的結果。(2)為了進行各個能量E1, E2，…，EnT的衰減系數的有限角度范圍的重建，將如上所述那樣求出的混合重建結果fo作為先驗圖像。所謂先驗圖像，是指與待重建的圖像之間具有一定聯系并且能夠反映出待重建圖像的某些信息(例如，結構、邊緣、特征等)的圖像。在本實用新型中，先驗圖像是指由圖5的線積分數據所重建出來的圖像。此外，由于線積分數據是由不同能量的數據拼接得到的，所以，重建結果不完全等于任何一個能量下的等效衰減系數，但是都比較接近，并且在幾何結構上能夠完全反應物體信息。接著，為了得到各個能量E1, E2，…，En下的衰減系數重建結果1(1 = 1,2, -,η),
構造先驗約束的優化問題argmm GCfi,&),使得
權利要求1.一種多能CT成像系統，其特征在于，具有: 載物臺，用于載置受檢查物品； 電壓可調的X射線發生裝置，用于發出照射所述受檢查物品的X射線； 探測器，用于接收從所述X射線發生裝置發出且穿過所述受檢查物品的X射線，并且，輸出探測數據； 機架，裝配有所述X射線發生裝置以及所述探測器；以及 數據處理及控制裝置，對所述載物臺、所述X射線發生裝置、所述探測器、所述機架進行控制，處理來自所述探測器的所述探測數據，在所述X射線發生裝置的一周掃描過程中，所述數據處理及控制裝置根據預定的能量數將所述X射線發生裝置的圓軌道平均分成預定個數的角度區間，對每一個角度區間設定不同的所述X射線發生裝置的高壓，當所述機架從當前的角度區間旋轉進入下一個角度區間時，根據來自所述數據處理及控制裝置的指令，對所述X射線發生裝置進行控制，將所述X射線發生裝置切換為在下一個角度區間設定的電壓。
專利摘要本實用新型涉及多能CT成像系統。多能CT成像系統具有載物臺，載置受檢查物品；電壓可調的X射線發生裝置，發出X射線；探測器，接收從X射線發生裝置發出且穿過受檢查物品的X射線，輸出探測數據；機架，裝配X射線發生裝置及探測器；數據處理及控制裝置，對載物臺、X射線發生裝置、探測器及機架控制進行，處理探測數據，在X射線發生裝置的一周掃描過程中，根據預定的能量數將X射線發生裝置的圓軌道平均分成預定個數的角度區間，對每個角度區間設定不同的X射線發生裝置的高壓，當機架從當前的角度區間旋轉進入下一個角度區間時，對X射線發生裝置進行控制，將X射線發生裝置切換為在下一個角度區間設定的電壓。
文檔編號A61B6/03GK203149136SQ20132001198
公開日2013年8月21日 申請日期2013年1月10日 優先權日2012年12月31日
發明者沈樂, 邢宇翔, 沈琪, 曹萌, 張麗, 陳志強 申請人:清華大學, 同方威視技術股份有限公司