采用高光谱CT功能成像的物质识别方法和系统技术方案

采用高光谱CT功能成像的物质识别方法和系统，包括X射线管、光子计数探测器、二维平移台、旋转台、三维运动控制器和控制中心；该X射线管通与高压发生器相连以发出X射线对被测样本进行扫描；该旋转台位于X射线管发射端前方以放置被测样本；该光子计数探测器位于二维平移台上以采集高光谱数据；该三维运动控制器与旋转台相连以控制器其旋转，该三维运动器与二维平移台相连以控制其平移；该控制中心与三维运动控制器、光子计数探测器、高压发生器相连以控制三维运动控制器和高压发生器，接收光谱数据并识别被测样本。该方法和系统在疾病诊断，食品安全和非破坏性测试中的具有很好的应用前景。

Material identification method and system using hyperspectral CT functional imaging

The material identification method and system of hyperspectral imaging CT function, including the X ray tube, photon counting detector, a two-dimensional translation table, rotary table, 3D motion controller and the control center; the X ray tube and the high voltage generator connected to a X ray on the tested samples for scanning; the rotary table is located in X ray tube the transmitter to place in front of the measured samples; the photon counting detector located on the two-dimensional translation table to collect hyperspectral data; the 3D motion controller is connected with the rotary table to rotate the 3D motion controller, and a two-dimensional translation table is connected to control the translation; the control center and 3D motion controller, and photon counting detector the high voltage generator is connected to the control of 3D motion controller and the high voltage generator, receiving spectral data and identify the measured samples. The method and the system have good application prospects in disease diagnosis, food safety and non-destructive testing.

【技术实现步骤摘要】
采用高光谱CT功能成像的物质识别方法和系统
本专利技术涉及医学影像无损检测领域，特别是一种采用高光谱CT功能成像的物质识别方法和系统。
技术介绍
医学影像是研究如何无创的获取人体解剖和生理信息，为诊断和评估提供依据。就影像模式可分为两大类：一是提供解剖信息的结构成像；二是提供生理信息的功能成像。对于某些病例，往往无法通过单一的成像方式进行诊断，而不同的成像方式往往能够信息互补，从而出现了近来迅速发展的多模式医学成像技术。当今世界，生物医学越来越趋向于微观层面，分子成像技术也越来越为人们所重视。传统的X射线计算机断层成像(XCT)技术作为一种分子成像手段，对一些医学疾病的诊断发挥着举足轻重的作用，但其采用传统的探测器，物质识别能力较低，限制了其在结构和功能成像方面的应用。传统的CT属于典型的结构成像，若要进行非结构改变的病灶定位则必须结合功能成像信息。器官组织的差异主要是分子和细胞层面的物质成分差异所导致的，故多模式医学成像需要用到多种成像系统：若各种成像方式分别成像然后数据融合会给图谱配准带来很大困难，若将所有成像装置集成为一套系统又会增加系统复杂度与操作难度，降低整机可靠性与检测安全性。如果只用一种检测手段既能完成结构成像又能实现病灶定位，则可以为临床诊断提供极大的帮助。本专利技术将把CT由结构成像领域拓展到功能成像领域，它能获取每个像素(Pixel)/体素(Voxel)的X射线高光谱信息，从而判断其组分/病灶特征。因此它融合了CT高空间分辨率和高光谱检测强辨识能力二者的优势。当X射线连续谱被物质吸收时，不同波长的射线被吸收的程度不同，对应一定的波长，吸收系数会发生突变，这些突变被称为吸收边，在吸收边及其高能延伸段存在一些分立的峰或波状起伏，被称作X射线吸收精细结构(X-rayAbsorptionFineStructure)。XAFS信号是由吸收原子周围的近邻结构决定的，并且对化学环境敏感，精细结构振荡的频率、振幅和形状均由原子的排布决定，它提供的是小范围内原子簇结构的信息，包括近邻原子的配位数、原子间距、热扰动等几何结构以及电子结构。XAFS对价态、未占据电子态和电荷转移等化学信息敏感，可做特定化学成分和官能团的指纹识别，可用于研究化学键、原子位置和原子排布、氧化态、配位结构、分子的三维轮廓特征、分子构型等。XAFS的机理说明不同物质的吸收光谱必然会有所区别，但是XAFS对均匀的物质检测是有效的，如果要对多种物质的复杂结构体进行分区域检测却难以实现。射线的吸收光谱是其通过路径上所有衰减累积的结果，损失了深度信息，路径上哪一段对应哪种物质无法判断，而XCT成像的优势正好可以提供深度信息，能对物质进行精确定位。本专利技术将融合XCT的空间定位能力与XAFS的物质辨识能力，生成一套新的成像系统理论。现今主流的双能CT的高、低能量是通过X射线球管电压来划分的，都是宽带光，有很大的重叠部分，会对物质辨识带来一定的干扰。光子计数探测器理论上各通道之间的能量是完全分离的，不存在重叠部分。但是目前所使用的CZT线阵列探测器只能把整个传感光谱区域划分为5个波段，虽然这相对于双能CT已经有很大的进步，可是5个波段的特征编码对于纷繁复杂的病灶种类来说还太少，距离临床应用还有很大的差距。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种结合X射线计算机断层摄影的结构重建和X射线吸收光谱的物质识别的优点，使得复杂结构物质辨识能力大幅提高。本专利技术采用如下技术方案：采用高光谱CT功能成像的物质识别方法，其特征在于，包括如下步骤1)采用X射线对被测样本进行扫描，通过光子计数探测器采集高光谱数据；2)检测X射线强度并结合高光谱数据作去背景处理得到输入数据；3)对输入数据采用CT重建算法重建被测样本的内部结构，得到全谱段断层影像；4)对全谱段断层影像进行图像分析和处理，圈定感兴趣区域的坐标；5)再次利用CT重建算法重建得到感兴趣区域的坐标分谱线进行重建，得到重建光谱曲线；6)把重建光谱曲线与数据库中的光谱数据进行相关性对比，从而判断被测样本的感兴趣区域的物质分类。优选的，所述的CT重建算法为滤波反投影算法，其先对输入数据做滤波处理，再做反投影重建。优选的，所述CT重建算法为迭代算法。优选的，先对未知图像向量赋初值：j＝1,2,3…N,，所述迭代算法包括如下步骤：3.1)计算第i条光线的估计投影值：Wij是投影系数。3.2)计算误差也即校正伪影：Pi是第i条射线的投影值。3.3)计算第j个像素点的修正值：其中Ni从表示第i条光线穿过图像区域的上像素点的总个数；3.4)计算第j个像素点的修正值:3.5)第i条光线上的点都加Vij进行修正，重复3.2)到3.4)，直至所有图像的所有光线，此为一次迭代；3.6)将上一轮迭代结果作为初值，重复3.2)到3.4)得到第K轮结果，从而得到一序列优选的，所述的去背景处理，如下：其中I0是X射线强度，I是所述的高光谱数据，μ是物质的衰减系数，L是X射线穿过该物质的长度。优选的，在步骤6)中，使用闵式距离作为相关性比较的标准来识别不同的物质分类。一种高光谱CT功能成像系统，其特征在于，包括X射线管、光子计数探测器、二维平移台、旋转台、三维运动控制器和控制中心；该X射线管通与高压发生器相连以发出X射线对被测样本进行扫描；该旋转台位于X射线管发射端前方以放置被测样本；该光子计数探测器位于二维平移台上以采集高光谱数据；该三维运动控制器与旋转台相连以控制器其旋转，该三维运动器与二维平移台相连以控制其平移；该控制中心与三维运动控制器、光子计数探测器、高压发生器相连以控制三维运动控制器和高压发生器，接收光谱数据并采用上述的任意一种采用高光谱CT功能成像的物质识别方法识别被测样本。由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术的方法和系统，基于光子计数原理，结合X射线计算机断层摄影的结构重建和X射线吸收光谱的物质识别的优点，使得复杂结构物质辨识能力大幅提高，2、本专利技术的方法和系统，第一次重建属于结构成像，用于观察被测对象的解剖结构；第二次重建属于功能成像，用于获取感兴趣区域物质的X射线吸收系数高光谱数据，用于进行物质分类以达到生理功能判定的目的。3、本专利技术的方法和系统，具备检测被测对象内部结构的能力，还可以在不损坏被测对象的前提下识别各个部位的功能成分，经验证其识别正确率极高。该专利技术在疾病诊断，食品安全和非破坏性测试中的具有很好的应用前景。4、本专利技术的方法和系统，光谱分辨率高，可达几百甚至几千个谱段，而且各谱段之间完全分离，没有重叠部分，比目前市面上的双能\多能CT要先进。5、本专利技术的方法和系统，只需要一套成像系统一次数据采集就可同时完成三维空间的结构成像和功能成像。6、本专利技术的方法和系统，通过使用来自X射线吸收光谱的数据分析复杂材料的结构，具有更高的检测能力，与常规CT和双能CT相比，高光谱CT功能成像可以实现更多更复杂的化合物的识别与鉴定，达到功能成像的目的。附图说明图1为本专利技术的系统结构示意图；图2为本专利技术的俯视光路图图3本重建后样本的断层图；图4为本专利技术方法的工作流程图；图5为光谱特征库中部分样本的光谱曲线；图6为特定样本重建后所得的光谱曲线。具体实施方式以下通本文档来自技高网...

【技术保护点】
采用高光谱CT功能成像的物质识别方法，其特征在于，包括如下步骤1)采用X射线对被测样本进行扫描，通过光子计数探测器采集高光谱数据；2)检测X射线强度并结合高光谱数据作去背景处理得到输入数据；3)对输入数据采用CT重建算法重建被测样本的内部结构，得到全谱段断层影像；4)对全谱段断层影像进行图像分析和处理，圈定感兴趣区域的坐标；5)再次利用CT重建算法重建得到感兴趣区域的坐标分谱线进行重建，得到重建光谱曲线；6)把重建光谱曲线与数据库中的光谱数据进行相关性对比，从而判断被测样本的感兴趣区域的物质分类。

【技术特征摘要】
1.采用高光谱CT功能成像的物质识别方法，其特征在于，包括如下步骤1)采用X射线对被测样本进行扫描，通过光子计数探测器采集高光谱数据；2)检测X射线强度并结合高光谱数据作去背景处理得到输入数据；3)对输入数据采用CT重建算法重建被测样本的内部结构，得到全谱段断层影像；4)对全谱段断层影像进行图像分析和处理，圈定感兴趣区域的坐标；5)再次利用CT重建算法重建得到感兴趣区域的坐标分谱线进行重建，得到重建光谱曲线；6)把重建光谱曲线与数据库中的光谱数据进行相关性对比，从而判断被测样本的感兴趣区域的物质分类。2.如权利要求1所述的采用高光谱CT功能成像的物质识别方法，其特征在于，所述的CT重建算法为滤波反投影算法，其先对输入数据做滤波处理，再做反投影重建。3.如权利要求1所述的采用高光谱CT功能成像的物质识别方法，其特征在于，所述CT重建算法为迭代算法。4.如权利要求3所述的采用高光谱CT功能成像的物质识别方法，其特征在于，先对未知图像向量赋初值：j＝1,2,3…N,，所述迭代算法包括如下步骤：3.1)计算第i条光线的估计投影值：Wij是投影系数。3.2)计算误差也即校正伪影：Pi是第i条射线的投影值。3.3)计算第j个像素点的修正值：其中Ni从表示第i条光线穿过图像区域的上像素点的总个数；3.4)计算第j个像素点...

【专利技术属性】
技术研发人员：方正，陈进，何淑婷，武晓梅，王倩，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35