使用多能量分解的用于对象的X射线成像方法技术

本申请公开的方法使用以散射去除方法实现的2D射线照相硬件进行光谱成像或多能量成像，将具有三种或更多种成分材料的对象的X射线图像定量分离为成分图像。多能量系统可通过实现DRC多能量分解和K边缘减法成像方法来扩展。

X-ray imaging method for objects using multi energy decomposition

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用多能量分解的用于对象的X射线成像方法
本专利技术总体上涉及数字X射线成像，并且更具体地，涉及用于增强X射线图像的函数成像值，以对由多种成分组成的对象中的每种成分进行诊断、检测、图像引导、分析及材料识别和表征、实时跟踪、时序监控、定位。
技术介绍
大型的二维半导体数字X射线检测器阵列已广泛地适用于医学成像和无损检测。通常，所有图像信息都包含在单个投影图像中，其中对象的内部细节被重叠的成分遮蔽。在已使用多能量X射线的情况下，由于缺乏多数应用所需的准确度而导致无法对测量数据进行定量分析，所以图像数据一般用于视觉显示和分析。通常，人体成分(例如胸部)包括若干主要物质，软组织(包括无脂肪组织和脂肪组织)、血管、心脏(主要是无脂肪组织)、肺部(主要是带有气孔的无脂肪组织)、骨骼，且在一些情况下，还有微钙化沉积物和其它软组织结构。这种单个图像中的每个像素包含所有组织的混合物，加上随机的散射成分。在当前使用2D数字X射线检测器的数字胸部成像系统中，每种成分的贡献量是未知的。众所周知，在X射线成像中随机散射信号的作用是干扰和失真。散射使图像模糊，降低图像对比度，并降低图像质量。胸部成像中散射的贡献为20％或更多。例如，在肺癌的筛查中，微钙化和非钙化结节的识别和表征都很重要。由于不能分离胸部成像中的基本成分，因此与计算机断层扫描相比，使用2D检测器的当前X射线成像进行肺癌诊断的能力受到限制。在诸如人体成像的很多应用中，与定量方法的CT成像的光谱成像相比，由于散射的存在，利用2D平板检测器的光谱成像既不准确也没有临床意义。本专利技术部分地基于第5648997号、第5771269号和第6134297号美国专利(Chao公开)中公开的设备和方法。
技术实现思路
本专利技术总体上涉及数字X射线成像，并且更具体地，涉及例如在人体或无损检测环境中对感兴趣区域的数字成像的方法。本专利技术使用多个能量设备和方法，其用于将感兴趣区域中的对于多种成分的X射线图像分离为来自同一投影2D图像路径的成分图像，每种成分图像至少表示一种单一物理物质。本专利技术还涉及使用定量分析方法以使确定并分离成分图像所需的辐射最小。例如，光谱成像系统(诸如三能量系统)可以分离四种或更多种不同的成分，每种成分与其余成分相比在物理物质或空间位置或两方面具有特有的标记。类似地，四能量系统可以分离五种或更多种不同的成分。本专利技术的一方面在于包括A空间方法或类似方法，其使用宽谱X射线束或跨越宽X射线谱的多个单色X射线束，并用具有脉冲高度分析的光子计数检测器或能量敏感检测器来测量传输的光谱。本专利技术涉及基于成分的特有原子z或分子组成和微观结构或密度或空间特征(包括尺寸、形状、图案、或上述两项或更多项特征的组合)，使用定量分析方法从背景中确定并分离感兴趣区域内部或外部的成分。根据本专利技术的以下附图和详细描述，本专利技术的目的将变得显而易见。附图说明为了更全面地理解本专利技术的本质和目的，参考附图，在附图中：图1是本专利技术的基本硬件系统的示意图；图2是本专利技术所采用的硬件系统的第一配置的示意图；图3是本专利技术所采用的硬件系统的第二配置的示意图；图4是用于将图像的双能量分解为一阶近似成分图像的方法的流程图；图5是用于将图像的双能量分解为二阶近似成分图像的方法的流程图；图6是用于获得二阶近似微钙化图像的方法的流程图；图7是用于基于两种不同组织的图像所提供的信息获得微钙化图像的方法的流程图；图8是用去除微钙化获得第一和第二软组织图像的二阶近似的方法的流程图；以及图9是用于执行图像的三能量分解的方法的基本流程图。图10是用于图像的迭代双能量分解的方法的基本流程图。具体实施方式本专利技术提供用于将对象的X射线图像(诸如胸部X射线图像)定量地分离为多种成分图像(散射图像、肺图像、骨骼图像、血管图像、其它软组织图像，以及微钙化图像)的方法。本专利技术提供在NDT应用中分离感兴趣区域中的成分的方法。在一些实施方式中，本专利技术采用在第5648997号、第5771269号和第6134297号美国专利(Chao公开)中描述的双能量X射线成像系统硬件配置。设备主X射线与散射分离的硬件配置参考图1，当来自X射线源12的X射线30撞击对象2时，X射线30的一部分在不改变传播方向的情况下穿过对象2直接到检测器组件14。这些是主X射线32，且表达有关对象2的衰减特性的真实信息。由于X射线30与对象2的材料间的相互作用，所以其余的X射线30被随机散射。这些被称为散射34并使真实信息失真。本专利技术采用一种或多种分离主X射线和散射的配置。一般地，这些方法用于从图像中去除散射。因此，这些方法也称为散射去除方法。然而，主X射线图像和散射图像都可对表示有关对象的真实信息是有用处的。用于去除散射的配置并不真正地去除散射。检测器组件14是接收主X射线32和散射34的单个2D检测器20。该方法仅假设存在散射34但量足够小以进行定性校正而定量上不准确，在特定情况下仍可以获得成像结果。多大程度的散射34的量是可接受的视情况而定，且必须由特定情况的分析来确定。另一种方法是在时域中分离主X射线和散射。其利用主X射线32从源12以直线行进到检测器组件14花费最少的传输时间量的特征。因为散射34从源12并非以直线行进到检测器组件14，所以花费更长时间到达检测器组件14。因此，X射线在一段时间内连续到达任何给定的检测器单元28，其中仅第一X射线是主X射线。所有其它的都是散射。在该配置的示例中，源12能以极短的脉冲(例如，持续时间以皮秒级)生成X射线，并且检测器组件14是能够以皮秒级极快地捕获图像的2D检测器。捕获的图像包括在捕获时间窗口期间到达检测器的主X射线32和散射34。如果捕获窗口足够短，则捕获的图像中的散射34的量被最小化。随着捕获窗口变短，散射34变成捕获的图像的较小成分。第6134297号美国专利中描述了主X射线与散射分离的另一种配置。图2所示的检测器组件14是具有最接近源12的前2D检测器22、2D光束选择器24和后2D检测器26的三层结构。主X射线32和散射34到达并穿过前检测器22。光束选择器24仅允许散射34通过以到达后检测器26的选定位置40。光束选择器24的实施方式是由X射线吸收材料组成的圆柱体42的阵列，并由具有可忽略不计的X射线吸收的薄塑料片44支撑。圆柱体42制造成使得它们的轴线与主X射线32的行进方向对准，意味着圆柱体42不是彼此平行的，而处于X射线源12径向。结果是，圆柱体42在它们的横截面区域内阻挡直接来自X射线源12的所有X射线。因此，每个圆柱体42在后X射线检测器26上产生“阴影”位置40，其中，主X射线32的强度基本为零，而散射34的强度实质上不受影响。因为圆柱体42具有有限的尺寸，所以散射34的小部分将被阴影位置40遮挡。然而，只要圆柱体42很小，被阻挡的散射34就可以小得忽略不计。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.对具有n≥3种不同材料成分t的对象成像的方法，所述方法包括：/n(a)提供X射线源和具有至少一个2D检测器的X射线测量设备，其中所述对象位于所述X射线源与所述X射线测量设备之间；/n(b)用来自所述X射线源具有n个不同能级的X射线照射所述对象，所述X射线穿过所述对象以被所述X射线测量设备接收；/n(c)在n≥2能级处获取测量值，其中，对n个能级中的每个进行至少一次测量；/n(d)通过在无散射扰动的情况下导出的测量值，针对每种材料成分和所述材料成分与两种或更多种成分的每种组合在每个能级处进行校准并建立数据库；/n(e)在每个谱级处从测量值中去除散射，以对于n个能级中的每个生成图像D

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180122 US 62/620,158;20180209 US 62/628,351;20181.对具有n≥3种不同材料成分t的对象成像的方法，所述方法包括：
(a)提供X射线源和具有至少一个2D检测器的X射线测量设备，其中所述对象位于所述X射线源与所述X射线测量设备之间；
(b)用来自所述X射线源具有n个不同能级的X射线照射所述对象，所述X射线穿过所述对象以被所述X射线测量设备接收；
(c)在n≥2能级处获取测量值，其中，对n个能级中的每个进行至少一次测量；
(d)通过在无散射扰动的情况下导出的测量值，针对每种材料成分和所述材料成分与两种或更多种成分的每种组合在每个能级处进行校准并建立数据库；
(e)在每个谱级处从测量值中去除散射，以对于n个能级中的每个生成图像D1…n；
(f)生成n方程组D1…n＝∫[Φ0n(E)×exp(-(μ1(E)×t1+μ2(E)×t2+…μn(E)×tn)]×S(E)dE，其中，Φ0n(E)是所述X射线源在第n能级处的能谱，μn(E)是第n材料成分的质量衰减系数，tn是所述第n材料成分的投影质量密度，以及S是检测器的响应函数；以及
(g)求解所述方程组以针对n种材料成分t中的每个生成至少一个图像。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将所述n方程组线性化为n个线性方程组Ln(D1…n/Φ0n)＝μ1(E)×t1+μ2(E)×t2+…μn(E)×tn来求解方程组，并求解材料成分t。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，求解所述n个线性方程组参考通过对实际材料和已知材料进行校准而建立的数据库。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，使用多个双能量分解来求解所述方程组，其中，对至少一种材料t1和具有最大材料数n-1的材料t2...tn的合成物执行第一双能量分解，对所述材料成分、材料t2、和具有最大材料数n-2的材料t3...tn的合成物中的至少一种执行第二双能量分解，并且过程继续进行直到执行n-1次双能量分解。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，针对对比标记的成分使用K边缘方法进一步量化被分解的成分数据。


6.根据权利要求4所述的方法，其中，使用为现有技术的双能量系统开发的双能量后成像分析方法，进一步分解迭代的双能量分解的结果和中间结果，所述双能量后成像分析方法包括独特且稀有成分(DRC)分解方法，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵莹，赵永盛，
申请(专利权)人：森瑟实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US