多能X射线成像方法、存储介质、X射线源及成像系统与流程

多能x射线成像方法、存储介质、x射线源及成像系统
技术领域
1.本发明属于x射线技术领域，特别涉及一种多能x射线成像方法、存储介质、x射线源及成像系统。


背景技术：

2.x射线成像技术是各种医学影像技术中使用量最大、有极高临床价值的影像诊断手段，广泛用于医疗和兽医领域的诊断和图像引导精准治疗，在工业无损检测领域也有广泛使用。
3.传统x射线影像系统中，利用x射线在穿透不同密度物质过程中表现出不同的衰减特性，通过检测x射线的衰减程度获取被成像对象内部结构的密度差信息，从而产生x射线图像。在这类常规x射线成像系统中，x射线源朝受检者或对象(例如患者或一件行李)发射x射线射束。在下文中，术语“受检者”和“对象”应包括能够被成像的任何物体。射束在经受检者衰减后照射到辐射检测器的阵列上，在该检测器阵列接收的射束辐射的强度取决于受检者对x射线射束的衰减程度。检测器阵列的每个检测器元件产生指示：由每个检测器元件接收衰减射束的单独电信号，该电信号被数字化并且传送到数据处理系统用于处理和产生受检者或对象的x射线图像。
4.x射线成像技术可分为数字x光线成像术(dr-digital radiography)和胶片x光线成像术。其中，由于dr相对于胶片x光线成像术具有以下优点：提高疾病诊断效率、减少病人的辐射剂量、无需使用胶片及其有关的化学原料进而对环境没有污染，因此，dr是在传统投影x光线成像术的基础上利用数字仪器和数字图像处理的一种新技术。相对于传统的胶片x射线成像术而言，dr所成的图像具有更大的动态显示范围，同时dr可充分利用现代计算机图像处理技术，以实现最佳的诊断效果。
5.由于不同能量的x射线在穿透不同物质过程中表现出不同的衰减特性，在一定程度上反映被检物体材料的物质特性。以dr系统为基础，近年来还发展出双能量成像术(dual-energy radiography)。双能dr是利用两种不同能量的x射线对物体进行成像并使用双能重建算法，从而将能谱的信息引入到成像中。双能dr技术已被广泛地应用在x射线荧屏血管造影术中以及区分只含软组织(如肺器官)或者骨骼组织(如胸部骨骼)的两帧x射线图像中。
6.然而，在各种应用场景下可能需要组织表征或分类，以评估被表征为病理状况的组织和/或评估组织中是否存在各种感兴趣的元素、化学物质或分子。由于组织是不同材料的混合物，其密度范围随受试者而异，因此，在上述常规方法成像研究中的组织表征可能会出现误差。特别地，常规单能和双能x射线成像方法获取的x射线图像，并不能进行物质的识别或者鉴定。


技术实现要素：

7.本发明在总结现有技术的基础之上，开发出一种利用各种物质对不同能量x射线
吸收率的差异，对成像对象进行不同能量x射线的多次成像，从而提取成像对象对不同能量x射线衰减程度的差异程度，实现对成像对象物质成分检测，增加捕获受检者特征信息和提高密度分辨率的x射线成像方法。
8.本发明具体技术方案如下：
9.一种多能x射线成像方法，该方法的步骤包括：
10.基于依次递增或递减的脉冲电压产生的x射线，对目标进行成像；
11.在每个成像周期内，至少获取4次不同能量级别的x射线成像数据。
12.进一步的，每个成像周期内利用依次递增或递减的脉冲电压产生x射线的次数不大于10。
13.进一步的，依次递增或递减的所述脉冲电压中相邻两脉冲电压的差值为等值；或者，
14.依次递增或递减的所述脉冲电压中相邻两脉冲电压的差值为非等值。
15.进一步的，所述差值的绝对值大于相邻两脉冲电压中较低脉冲电压值的5％。
16.进一步的，所述脉冲电压的电压范围为20kvp至180kvp。
17.进一步的，用于产生x射线的脉冲电压包括20kvp、30kvp、40kvp、60kvp、70kvp、80kvp、90kvp、100kvp、125kvp、140kvp、150kvp中的一种或至多10种。
18.进一步的，相邻所述x射线发射的间隔时间为等值或非等值。
19.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，所述指令被处理器执行时实现权利要求1-7中的任一项所述方法。
20.一种多能x射线源，所述x射线源包括x射线管和用于向所述x射线管提供脉冲电压的高压发生器；
21.所述x射线源能够在一个成像周期中产生至少4次不同能量级别的x射线，且对应x射线的所述能量级别逐步提升或下降。
22.进一步的，所述x射线源能够在一次成像周期中产生至多10次不同能量级别的x射线。
23.进一步的，所述高压发生器的工作电压范围为20kvp至180kvp。
24.进一步的，用于产生x射线的脉冲电压包括20kvp、30kvp、40kvp、60kvp、70kvp、80kvp、90kvp、100kvp、125kvp、140kvp、150kvp中的一种或至多10种。
25.进一步的，所述x射线源等间隔或非等间隔产生相邻两次x射线。
26.一种多能x射线成像系统，所述成像系统包括：
27.如上述任一项所述的x射线源；
28.x射线接收器，用于接收来自所述x射线源的x射线，并且检测所接收的所述x射线以用于图像生成；以及
29.控制模块，用于控制所述x射线源在一个成像周期中产生至少4次不同能量的x射线脉冲；和/或，用于控制所述x射线接收器和x射线源同步。
30.本发明的有益效果如下：
31.1、本技术方案通过依次递增或递减的脉冲电压产生的多能x射线对目标物进行成像，相较于单能和双能x射线可以捕获更多的特征信息，既能实现单能x射线成像的密度差成像和双能x射线能量减影的全部功能，又能提供目标的物质成分分析能力和更高的密度
分辨率。将所捕获的特征信息通过特征重建可实现对目标物不同特征信息的有效分离，增强对不同物质差异性判断的能力，从而实现使x射线成像从结构成像进入功能成像的全新应用领域，并提供影像组学、大数据和人工智能图像分析应用的良好基础。
32.2、该脉冲电压采用递增或递减的多次曝光形式，在x射线成像时不仅能提供更多成像对象的特征信息，也有利于提高影像密度分辨率；还可以通过图像处理技术降低图像噪声，提高图像质量。
33.3、利用多能x射线成像技术配合不同类型造影剂，还可支持分子成像，在医疗、兽医应用方面能为临床影像诊断提供更丰富和精准的诊断信息，可对许多疾病提供特异性诊断能力，例如痛风、结核和多种癌症等，将能大幅度提高x射线影像诊断的效率和准确性，同时在工业无损检测领域也有广泛的应用前景，将为医疗、兽医和工业无损检测提供一种全新的强有力x射线影像检测手段。
附图说明
34.此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
35.图1为根据本申请实施例示出的一种多能x射线成像方法的流程图；
36.图2为根据本申请实施例示出的x射线脉冲电压等值递减波形图；
37.图3为x射线脉冲电压等值递增波形图；
38.图4为x射线脉冲电压任意值递减波形图；
39.图5为x射线脉冲电压任意值递增波形图；
40.图6为根据本申请实施例示出的另一种多能x射线源的结构框图；
41.图7为根据本申请实施例示出的又一种多能x射线成像系统的结构框图。
具体实施方式
42.为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
43.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
44.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
45.在下面的描述中，光谱通常以x射线管的峰值工作电压(kvp)为特征，也称为x射线管的工作电压水平。尽管本文可以将这种x射线发射总体描述或讨论为处于特定的能级(例如，指的是工作电压为80kvp，140kvp等的电子管中的电子束能级)，然而由于各自的x射线发射实际上包含较低能量的连续能谱，因此可以构成以目标能量为中心，终止于峰值能量和具有峰值强度的连续能谱发射。
46.本申请中的“成像周期”是指完成对目标物从第一次成像开始直至最后一次成像结束的整个成像过程，此过程即为一个成像周期。
47.第一方面，本申请实施例提供了一种多能x射线成像方法，如图1所示，该方法的步骤包括：
48.步骤s101：基于依次递增或递减的脉冲电压产生的x射线，对目标进行成像；
49.步骤s102：在每个成像周期内，至少获取4次不同能量级别的x射线成像数据。
50.多能x射线成像，是利用物质在不同x射线能量下吸收率不同来提供比常规x射线成像更多的影像信息，从而得到更加突出的成像差异性判断结果。基于此，本技术方案通过依次递增或递减的脉冲电压产生的多能x射线对目标物进行成像，将所捕获的特征信息通过特征重建，可实现对目标物不同特征信息的有效分离，增强对不同物质差异性判断的能力。在医疗、兽医应用方面能为临床影像诊断提供更丰富和精准的诊断信息，对许多疾病提供特异性诊断能力，例如痛风、结核和多种癌症等；大幅度提高x射线影像诊断的效率和准确性，在工业无损检测领域，实现对成像对象的物质成分判别，也具有巨大实用价值。
51.另外，在多能x射线成像条件下，通过组合使用不同能量的x射线射束获取的图像，可以提供对成像对象中物质成分具体特征的可视化。例如，通过从图像中的人体结石成分分析，确定结石是尿酸结石还是非尿酸结石，具有很高的临床治疗指导意义。而在工业无损检测中判别物质成分也具有很大价值，例如，在判断两种物质(酒精和水)的成像差异时，常规x射线成像的差异性判断结果仅为3％，而利用多能x射线成像技术的差异性判断结果却高达50％。进而在安全检查中确定液体物质是水、酒精还是油，具有极大实用价值。
52.在每个成像周期内，不同能量级别的x射线成像在一定范围内随着成像次数的增加，对目标物特征信息捕获的数量会增多，使得特征重建后形成的图像能提供比单能或双能x射线成像丰富的多的影像和特征信息，从而为图像的解析、进一步分析、大数据及人工智能应用创造更好的条件，将有助于准确定性组织和器官病变，判别成像对象的物质成分。
53.然而，当成像次数小于4时，对目标物特征信息捕获的数量降低明显，会影响多种病灶的早期发现和定性。经实验室研究发现：在相同实验环境下，3次成像较4次成像对目标物特征信息捕获的数量显著降低。由于扫描次数小于4次从而导致病变部位特征信息捕获不足，可能导致很多类型的病灶不可见，或是定性困难，影响临床的诊断和治疗，可能导致患者错过疾病最佳的治疗时机，或导致病人需要进行更多其他类型检查，加重患者痛苦，增加医疗费用，甚至严重影响部分特定疾病患者，例如慢肺阻(copd)患者的生存期。在一个成像周期内，一旦成像次数达到4时，对目标物特征信息捕获的数量显著增加，有效满足对多数类型病灶的发现和定性，有助于临床的诊断和治疗。
54.在工业无损检测中，成像次数小于4时，加大了对影像判读的难度。在安全检查应用中，常导致不必要的人工查验，降低工作效率，也限制了常规x射线影像技术的应用范围。
55.具体的，每个成像周期内利用依次递增或递减的脉冲电压产生x射线的次数不大于10。更多的曝光次数，相应会带来辐射剂量的增大和成像时间的延长。一个成像周期内，不超过10次x射线曝光，除一次采用正常曝光剂量外，其余均采用低剂量曝光，受检者接受的辐射剂量只比在常规x射线影像检查过程中的受线量略高，完全没有剂量过高的风险。另外，在一个成像周期内，曝光次数越多，总的成像时间就越长，可能因为人体和器官的运动导致运动伪影增加，降低图像质量。故本方案中，每个扫描周期内利用依次递增或递减的脉冲电压产生x射线的次数不大于10，既降低了受检者接受的辐射剂量，又控制了最佳的曝光时长，避免图像采集时间过长产生运动伪影的风险加剧而对成像质量的影响。
56.结合图2至图5所示，具体的，在依次递增或递减的脉冲电压中，相邻两脉冲电压的差值可以为等值。该等值既可以选择除零以外的任意整数，也可以选择任意小数，为方便统计和实际操作需要，优选除零以外的任意整数。例如，该差值通常选择
±
5、
±
10，但不限于上述数值的选择。将相邻两脉冲电压的差值设置为等值，则在一个成像周期内，以计算机为载体的控制程序中预先设定好控制该脉冲电压的算法公式为等差数列公式，并根据应用场景，预先设置好脉冲电压的初始值、相邻两脉冲电压的差值以及曝光次数形成不同的检查协议。操作时，操作者仅需要触发开始按钮后即可完成一个成像周期的自动曝光。不仅增强了影像检查的自动化程度化，也提高了影像检查的工作效率。
57.或者，依次递增或递减的脉冲电压中相邻两脉冲电压的差值也可以为非等值。基于影像检查的实际需要，该差值可根据检查对象和应用的不同，由设备提供商预置或由用户设定。相应的，设定时既要保证成像目标目的达成，例如区分结石的类型或是copd早期诊断，又要考虑尽量降低患者接受的辐射剂量。
58.为有效保证在x射线成像过程中具有较好的密度分辨率，保障较高的成像质量，本方案中，该差值的绝对值大于相邻两脉冲电压中较低脉冲电压值的5％。
59.具体的，脉冲电压的电压范围为20kvp至180kvp。当脉冲电压低于20kvp时，该范围内产生的x射线的穿透能力过低，不适用于绝大部分实际使用，缺乏使用价值。当脉冲电压高于180kvp时，在人体不同组织内的吸收率差异变小而难以利用，同时高能x射线对人体大分子成分，如dna损伤等生物效应更强，辐射损伤的风险加大。故在医疗应用领域，脉冲电压的电压范围设定为20kvp至180kvp，是基于辐射安全以及适用的普遍性考虑。
60.例如：当依次递增或递减的脉冲电压中相邻两脉冲电压的差值为等值时：
61.当脉冲电压产生x射线的次数为4时，所对应的脉冲电压依次为40kvp、80kvp、120kvp、160kvp；或者为160kvp、120kvp、80kvp、40kvp。
62.当脉冲电压产生x射线的次数为5时，所对应的脉冲电压依次为20kvp、60kvp、100kvp、140kvp、180kvp；或者为180kvp、140kvp、100kvp、60kvp、20kvp。
63.当脉冲电压产生x射线的次数为6时，所对应的脉冲电压依次为40kvp、60kvp、80kvp、100kvp、120kvp、140kvp；或者为140kvp、120kvp、100kvp、80kvp、60kvp、40kvp。
64.当脉冲电压产生x射线的次数为7时，所对应的脉冲电压依次为70kvp、85kvp、100kvp、115kvp、130kvp、145kvp、160kvp；或者为160kvp、145kvp、130kvp、115kvp、100kvp、85kvp、70kvp。
65.当脉冲电压产生x射线的次数为8时，所对应的脉冲电压依次为40kvp、60kvp、80kvp、100kvp、120kvp、140kvp、160kvp、180kvp；或者为180kvp、160kvp、140kvp、120kvp、100kvp、80kvp、60kvp、40kvp。
66.当脉冲电压产生x射线的次数为9时，所对应的脉冲电压依次为20kvp、40kvp、60kvp、80kvp、100kvp、120kvp、140kvp、160kvp、180kvp；或者为180kvp、160kvp、140kvp、120kvp、100kvp、80kvp、60kvp、40kvp、20kvp。
67.当脉冲电压产生x射线的次数为10时，所对应的脉冲电压依次为70kvp、80kvp、90kvp、100kvp、110kvp、120kvp、130kvp、140kvp、150kvp、160kvp；或者为160kvp、150kvp、140kvp、130kvp、120kvp、110kvp、100kvp、90kvp、80kvp、70kvp。
68.例如：当依次递增或递减的脉冲电压中相邻两脉冲电压的差值为任意值时：
69.当脉冲电压产生x射线的次数为4时，所对应的脉冲电压依次为70kvp、110kvp、125kvp、140kvp；或者为140kvp、125kvp、110kvp、70kvp。
70.当脉冲电压产生x射线的次数为7时，所对应的脉冲电压依次为40kvp、60kvp、70kvp、80kvp、110kvp、125kvp、140kvp；或者为140kvp、125kvp、110kvp、80kvp、70kvp、60kvp、40kvp。
71.当脉冲电压产生x射线的次数为9时，所对应的脉冲电压依次为20kvp、40kvp、60kvp、70kvp、80kvp、110kvp、125kvp、140kvp、180kvp；或者为180kvp、140kvp、125kvp、110kvp、80kvp、70kvp、60kvp、40kvp、20kvp。
72.当脉冲电压产生x射线的次数为10时，所对应的脉冲电压依次为20kvp、30kvp、40kvp、60kvp、70kvp、80kvp、90kvp、100kvp、125kvp、140kvp；或者为140kvp、125kvp、100kvp、90kvp、80kvp、70kvp、60kvp、40kvp、30kvp、20kvp。
73.上述数值的选择只是示例性的，本申请对于脉冲电压数值的选择不做具体限定，凡是位于20kvp～180kvp的数值均落入本申请的保护范围。
74.具体的，用于产生x射线的脉冲电压包括20kvp、30kvp、40kvp、60kvp、70kvp、80kvp、90kvp、100kvp、125kvp、140kvp、150kvp中的一种或至多10种。根据被检测对象性质对应的kvp值来选择合适的曝光值。
75.本方案中，相邻x射线的间隔时间为等值或非等值。实际使用过程中，优选非等值间隔时间曝光。更有利于医生对整个曝光过程的时间控制，避免因为人体和器官的运动导致运动伪影的增加，降低图像质量。
76.一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有指令，相应指令被处理器执行时实现上述成像方法。本领域普通技术人员可以理解上述成像方法可通过程序来指令相关硬件完成，相关程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的成像方法也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的执行过程可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
77.第二方面，本申请实施例又提供了一种多能x射线源，结合图6所示，该x射线源2包括x射线管201和用于向x射线管提供脉冲电压的高压发生器202。x射线管201与高压发生器202通过高压电缆203耦合,高压发生器202与以计算机为载体的控制系统3通信连接。其中，该控制系统3为基于微处理器的控制系统。具体的，高压发生器202的工作电压范围为20kvp至180kvp。同时，依次递减的脉冲电压对应的x射线管201可选用传统的x射线球管；而依次递增的脉冲电压对应的x射线管201可选用栅控球管或是冷阴极球管。
78.x射线源2的工作原理如下：控制系统3产生同步脉冲，同时发送给高压发生器202，高压发生器202接收到同步脉冲，产生与该同步脉冲相同频率和脉宽的高压电压，高压发生器202将高压电压发送至x射线管201，x射线管201内的灯丝发射电子，经高压电场加速后形成高能电子束轰击x射线管201内的靶面产生x射线。
79.本方案中，x射线源2能够在一个成像周期内产生至少4次不同能量级别的x射线，且对应x射线的能量级别逐步提升或下降。进一步的，x射线源能够在一次成像周期中产生至多10次不同能量级别的x射线。成像过程如第一方面，基于依次递增或递减的脉冲电压产生的x射线，对目标进行成像；在每个成像周期内，至少获取4次不同能量级别的x射线成像
数据。
80.本申请方案中，用于产生x射线的脉冲电压包括20kvp、30kvp、40kvp、60kvp、70kvp、80kvp、90kvp、100kvp、125kvp、140kvp、150kvp中的一种或至多10种。
81.具体的，x射线源2等间隔或非等间隔产生相邻两次x射线。本方案中，x射线源2采用非等间隔产生相邻两次x射线模式。更适用于实际使用现状，有利于对于相邻曝光过程的控制，进而控制整个成像周期时间，既降低图片成像质量受运动影响的概率。
82.第三方面，本申请实施例还提供了一种多能x射线成像系统，结合图7所示，该成像系统包括：
83.如第二方面的x射线源2；
84.x射线接收器4，用于接收来自上述x射线源2产生的x射线，并且检测所接收的x射线以用于图像生成；以及
85.控制模块5，用于控制x射线源2产生至少4次x射线脉冲；和/或，用于控制x射线接收器4和x射线源2同步。
86.其中，控制模块5分别与x射线接收器4和x射线源2通信连接。控制模块5可以包括具有诸如处理器的典型硬件的计算机，以及用于运行各种软件程序和/或通信应用的操作系统。控制模块5可以被配置为在不同设备之间传输图像相关数据。
87.多能x射线成像系统的不同组件的操作可以由控制模块5进行同步。例如，控制模块5可以控制x射线源2工作以产生朝向指定目标物处的x射线脉冲。同时，控制模块5还可以控制x射线接收器4的操作(例如，通过向其发送适当的同步信号)，使得曝光和读出窗口与关联于每个x射线脉冲的x射线开和关时段一致。
88.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
89.以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。