一种用于检测软组织异物的多模态X射线成像设备及其方法与流程

本发明涉及生物医疗领域及医疗设备技术，具体涉及一种用于检测软组织异物的多模态x射线成像设备及其方法。
背景技术：
：x射线透射成像及其相关的x射线计算机断层成像(ct)技术作为获取医学影像的基础性方法，与核磁共振(mri)、正负电子湮灭断层成像(pet)等方法相比具有成本低、速度快、效率高的特点，在生物医学研究和疾病诊疗中应用广泛。目前，医院普遍使用的x射线成像装置均基于点投影成像的原理，利用被检测对象内部元素组分及密度变化导致对x射线吸收能力的差异，获得具有一定衬度(或对比度)的图像。虽然现有x射线成像装置给出的吸收衬度图像包含生物体内部结构的丰富信息，能够有效指导研究和疾病诊疗，然而从实际效果来看，该技术仍存在以下两方面的不足。首先，由于x射线强度的衰减随着物质原子序数和密度的降低而减小，因此在人体(或其他生物体)的x射线透射图像中，平均原子序数较高、密度较大的骨骼等由于其对x射线吸收较强可以清晰呈现，而由低z元素组成且密度较低的软组织图像的衬度较低且外形轮廓模糊，制约了x射线成像技术在乳腺、关节(软骨)、肌肉等组织疾病诊疗中的应用。例如，乳腺癌，乳腺纤维腺瘤，乳腺增生，关节软骨退变，关节炎的诊断及鉴别都存在很大困难。其次，现有x射线成像装置受到使用的毫米焦斑射线源和百微米像元尺寸电子记录装置(如平板探测器、闪烁体阵列等)的限制，所得的点投影图像的空间分辨率较低(0.2-0.5mm)，无法清晰反映一些尺度小但指示性强的病变特征的出现(如乳腺中的钙化点)或者具备多孔结构的组织器官(如肺、骨骼)的形貌信息，不利于相关疾病(如乳腺癌、肺气肿等)的早期发现和诊疗。由于吸收衬度x射线透射成像技术存在上述不足，因此发展能够高对比度呈现生物体软组织异物形态和尺度病变特征的医用多模态x线成像仪，对于拓展x射线透射成像技术的适用范围、提升软组织疾病的早期发现及诊疗能力具有重要意义和应用价值。并且，鉴于x射线影像在临床医学中的基础性作用，医用多模态x线成像仪提供的生物组织结构及成分的多元信息将会对某些疾病的早期发现和诊断带来深远影响。技术实现要素：为了解决上述现有技术存在的不足，本发明的首要目的在于提出一种用于检测软组织异物的多模态x射线成像设备的成像检测方法；本发明的另一目的在于提供一种用于检测软组织异物的多模态x射线成像设备。本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于检测软组织异物的多模态x射线成像设备的成像检测方法，使用基于光栅的多模态x射线成像检测设备包括：产生x射线的光源；采用x射线吸收光栅从而把从所述光源入射的x射线分离成多个线光源的源光栅；能使x射线波前产生相位分布从而在光栅下游产生规则的竖状条纹的相位光栅；采用x射线吸收光栅，配备步进位移控制器，将条纹图样的衰减、扭曲、或模糊信息转化为下游x射线强度信息的分析光栅；接收x射线并转化为数字信号的x射线探测器；其光路依次是x射线光源、源光栅、相位光栅、分析光栅和x射线探测器，x射线由x射线光源发出，依次经过光路上的各个组分；样品通常放置在相位光栅前方；成像检测方法包括以下步骤：工作状态调节步骤，开启x射线光源和x射线探测器，调节各部件至工作状态，并采集参考序列图像；即，对图像中的每一个像素都获得了无样品情况下的位置-光强曲线，即背景的步进曲线ib；采集样本步骤，将样品放置于样品台上，校准后，移动样品或者对系统光栅部件进行步进调节，x射线探测器采集到样品序列图像；即，对图像中的每一个像素都获得了有样品情况下的位置-光强曲线，即样品的步进曲线ic；信号分析步骤，经过校准和预处理之后，对参考序列图像和样品序列图像分别进行正弦拟合分析，然后进行比较和运算，进而获得关于样品的多模态图像；所述多模态图像包括吸收衬度图像imagea、相位衬度图像imageps、暗场衬度图像images；图像增强步骤，根据多模态图像的局域信息，可以对样品内部的感兴趣区域进行筛选区分，对每个像素的背景、样品进行处理，进而获得样品的r值图像。数据处理方法包括以下步骤：a、分别对每一个像素的背景的步进曲线ib、样品的步进曲线ic进行正弦拟合，获得步进曲线的直流分量kb和kc、幅值ab和ac、相角φb和φc；b、计算-log(kc/kb)，获得吸收衬度图像imagea；c、计算φc-φb，获得相位衬度图像imageps；d、计算-log((ackb)/(abkc))，获得暗场衬度图像imagese、计算imagea/images获得样品的r值图像。软组织中低密度异物的检测是一个很大的挑战。本发明创新的提出基于光栅的多模态x射线成像，其具有硬件要求低的特点，利用样品的x射线吸收能力、电子密度分布和小角散射能力的差异，能同时获得吸收、相衬和暗场三种图像信息，在皮下软组织中低密度异物检测方面显示出巨大的效果。本发明意外发现，吸收成像的信号值和暗场的信号值与厚度线性相关，它们的比值(定义为r)可以消除未知参数厚度值。将异物的吸收成像结果除以暗场结果，即可得到体外异物的r值。r值成像能一定程度上消去样品厚度因素，获得x射线路经上样品自身线性衰减系数和线性散射系数的比值，从而具备物质分辨能力。基于光栅的多模态x射线成像可以一次获得互补的吸收衬度图像、相位衬度图像、暗场衬度图像和r值成像数据，可以清晰地将软组织异物区分开来。r值计算方法：从源文件获取吸收成像和暗场成像结果中每个像素的信号强度，将每个像素点吸收信号强度值除以该点的暗场信号强度值，可获得每个像素点r值数值。将每个像素点r值数值作为灰度值重新绘制成图像，可得r值图像。优选地，工作状态调节步骤和采集样本步骤中，在吸收衬度图像和暗场衬度图像中，选择目标像素线段，从源文件中获取该线段每个像素的信号强度，并根据位置序列绘制位置-光强曲线。优选地，步骤d中将吸收衬度图像imagea、相位衬度图像imageps、暗场衬度图像images分别转换成256级的红、蓝、绿三原色，然后进行图像合并，得到伪彩色图像。通过数据采集系统光栅部件处于一系列不同特定位置时探测器记录到的图像，获得参考序列图像；通过数据采集系统光栅部件处于一系列不同特定位置时或者样品扫描移动时探测器记录到的样品透射图像，获得样品序列图像。一种用于检测软组织异物的多模态x射线成像设备包括：工作状态调节系统、数据采集系统和计算机数据处理系统；所述数据采集系统包括：产生x射线的光源、源光栅、相位光栅、分析光栅、x射线探测器，以及精密调节模块。优选地，所述工作状态调节系统包含针对各光学硬件的三维角度和位移调节器件，以及样品的宏观调节器件；通过对调试结果或已有数据的回溯，以及对当前x射线探测器采集到的图像结果的分析和判断，调节各光学硬件的位置、角度和样品的相对位置，使得系统满足成像条件。优选地，所述计算机数据处理系统包括调节控制模块、数据采集模块、数据分析模块、图像增强模块；1)调节控制模块负责工作状态调节过程中关键数据的记录、调取和反馈，为工作状态调节系统提供依据；2)数据采集模块负责存储参考序列图像和样品序列图像，并对其进行预处理；3)数据分析模块负责获取样品的多模态图像，即吸收衬度图像imagea、相位衬度图像imageps、暗场衬度图像images；4)图像增强模块负责对感兴趣区域进行筛选区分，进而获得样品的r值图像。优选地，x射线的光源为焦斑尺寸为小于1mm的临床钨靶x射线管，工作电压为小于200kvp。进一步优选地，x射线的光源为焦斑尺寸为400μm的临床钨靶x射线管，工作电压为55kvp，管电流为8.5ma。优选地，源光栅与相位光栅之间的距离为2156mm；相位光栅与分析仪光栅之间的距离为308mm。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明基于光栅的多模态x射线成像与传统的吸收x射线成像相比，可以获得病变的三个方面的信息：样品的吸收能力、电子密度分布和小角度散射能力，从而使常见异物的检测更加全面。在不同的皮下层次，不同的对比结果对不同类型异物的鉴别有显著的优势。本发明多模态x射线成像设备能实现对金属、玻璃、木材、塑料、石墨、陶瓷等异物的检测，采用自制控制系统，用户操作简单，能够精确快速地进行目标部位的检测。使医生和研究者对病变部位进行及时准确的判断和处理，减少检测时间及费用，并降低并发症的发生。这将大大降低患者的医疗费用及国家医保支出，并且提高患者的生存质量，可满足医院医疗等多种应用场所的需求。附图说明图1为x射线光栅干涉仪的原理图；图2为观察面示意图；图3为材料展示图，其中a、金属、玻璃、木材、塑料、石墨、陶瓷异物；b.猪脂肪组织；c.鸡腿。图4为基于光栅的体外常见异物x射线多模态成像结果及对应于横断面各位置的原始信号值曲线显示在线段上。a、常见异物照片；b.吸收衬度图像；c.相位衬度图像；d.暗场衬度图像；e.伪彩色图像。图5脂肪组织和肌肉中异物的基于光栅多模态x射线成像结果。其中，脂肪组织的吸收衬度图像(a)、相位衬度图像(b)、暗场衬度图像(c)、伪彩色图像(d)；肌肉组织的吸收衬度图像(e)、相位衬度图像(f)、暗场衬度图像(g)、伪彩色图像(h)。(图像右侧的不规则阴影是鸡腿末端组织的边界)(彩色箭头表示异物穿透的位置。蓝色箭头指向金属针的位置，同样，绿色箭头指向玻璃物体，黄色箭头指向木制物体，紫色箭头指向塑料物体，红色箭头指向石墨物体，浅蓝箭头指向陶瓷物体)。图6为将吸收结果除以暗场结果得到的r值。其中，a、不同组织和各种异物的r值柱状图；b、肌肉组织中异物的吸收衬度图像；c、肌肉组织中异物的暗场衬度图像；d、将肌肉内异物的r值图像，(红色箭头指向塑料板的位置)。具体实施方式下面给出实施例以对本发明进行具体的描述，但不限于此。实施例及应用例所用的原材料均为市购。实施例1如图1和图2所示，用于检测软组织异物的多模态x射线成像设备，利用pfx-x射线探测器的三个光栅来实现临床x射线成像。用于检测软组织异物的多模态x射线成像设备包括：产生x射线的光源；采用x射线吸收光栅从而把从所述光源入射的x射线分离成多个线光源的源光栅；能使x射线波前产生相位分布从而在光栅下游产生规则的竖状条纹的相位光栅；采用x射线吸收光栅，配备高精度步进位移控制器，将条纹图样的衰减、扭曲、或模糊信息转化为下游x射线强度信息的分析光栅；接收x射线并转化为数字信号的x射线探测器。光路上依次是x射线光源、源光栅、相位光栅、分析光栅和探测器，x射线由x射线光源发出，依次经过光路上的各个组分。样品通常放置在相位光栅前方。样品下游的相位光栅(g1)产生一个周期性的强度模式，该模式可由另一个分析光栅(g2)分析，因为该模式对于x射线探测器的直接观察来说过于密集。利用相位步进法对周期性光强分布进行分析，即平移其中一个光栅并在中间位置获取图像。所获得的位置-光强曲线，对应于作为位置函数的像素中的光强度，通常被称为步进曲线。该步进曲线的可见度是x射线光栅干涉仪的关键参数。源光栅(g0)位于x射线光源附近，将x射线光斑分割成一系列线源以提高横向相干性。其中，x射线光源是一种焦斑尺寸为400μm的临床钨靶x射线管，工作电压为55kvp，管电流为8.5ma。加速电压的选择是实现能见度和合理传输率之间的折衷。周期性强度模式分析采用7步相位步进法，每步曝光50秒。光栅之间的距离和光栅的参数如下表所示。表1光栅间距组件距离源光栅(g0)-相位光栅(g1)2156mm相位光栅(g1)–分析仪光栅(g2)308mm表2光栅参数g0g1g2材料auauauperiod(μm)215.253heightofbars(μm)856.2991dutycycle0.520.540.53如图3a所示，本实施例选用异物材料：金属、玻璃、木材、塑料、石墨、陶瓷异物。异物尺寸从左到右依次如下：(i)大小约5mm长的金属针；(ii)大小约为3*5*0.8mm的玻璃片；(iii)大小约为1*5*1mm的竹签；(iv)大小约为3*5*0.2mm的聚乙烯塑料片；(v)大小约为1*4*1mm的石墨笔尖；(vi)大小约为3*5*2mm的陶瓷片。为了评价这些生活中常见的异物能否在人体软组织中得到有效识别，本实施例用大块猪脂肪组织(如图3b，模拟人体脂肪组织)和鸡腿(如图3c，模拟人体肌肉组织)进行离体组织实验。上述物体依次刺入猪脂肪组织和鸡腿。将金属、玻璃、木材、塑料、石墨、陶瓷等异物分别刺入猪脂肪组织和鸡腿肌肉组织的软组织中，利用本实验室研制的用于检测软组织异物的多模态x射线成像设备对上述异物进行检测。图形采集：将鸡腿和猪脂肪组织固定在固定架上，放入用于检测软组织异物的多模态x射线成像设备中进行成像。成像检测方法包括以下步骤：工作状态调节步骤，开启x射线光源和x射线探测器，调节各部件至工作状态，并采集参考序列图像；即，对图像中的每一个像素都获得了无样品情况下的位置-光强曲线，即背景的步进曲线ib；采集样本步骤，将样品放置于样品台上，校准后，移动样品或者对系统光栅部件进行步进调节，x射线探测器采集到样品序列图像；即，对图像中的每一个像素都获得了有样品情况下的位置-光强曲线，即样品的步进曲线ic；信号分析步骤，经过校准和预处理之后，对参考序列图像和样品序列图像分别进行正弦拟合分析，然后进行比较和运算，进而获得关于样品的多模态图像；所述多模态图像包括吸收衬度图像imagea、相位衬度图像imageps、暗场衬度图像images；图像增强步骤，根据多模态图像的局域信息，可以对样品内部的感兴趣区域进行筛选区分，对每个像素的背景、样品进行处理，进而获得样品的r值图像。具体成像操作步骤包括：1、打开光源、探测器；2、样品移出光路，三块光栅移入光路；3、调节三块光栅的位置和角度，使三块光栅的栅线彼此平行；4、调节分析光栅步进至数个特定位置，并在分析光栅稳定时，用探测器采集对应该位置的图像；5、对图像中的每一个像素都获得了无样品情况下的位置-光强曲线，即背景的步进曲线ib；6、样品移入光路；7、重复4；8、对图像中的每一个像素都获得了有样品情况下的位置-光强曲线，即样品的步进曲线ic。吸收和暗场图象的强度：在吸收衬度图像和暗场衬度图像中，选择一段感兴趣的像素线段，从源文件中获取该线段每个像素的信号强度，并根据位置序列绘制距离-强度曲线。r值：本试验意外发现，吸收成像的信号值和暗场的信号值与厚度线性相关，它们的比值(定义为r)可以消除未知参数厚度值。将异物的吸收成像结果除以暗场结果，即可得到体外异物的r值。通过对脂肪和肌肉图像的处理，也可以得到脂肪和肌肉组织的r值。数据处理方法包括以下步骤：a、分别对每一个像素的背景的步进曲线ib、样品的步进曲线ic进行正弦拟合，获得步进曲线的直流分量kb和kc、幅值ab和ac、相角φb和φc；b、计算-log(kc/kb)，获得吸收衬度图像imagea；c、计算φc-φb，获得相位衬度图像imageps；d、计算-log((ackb)/(abkc))，获得暗场衬度图像imagese、计算imagea/images获得样品的r值图像伪彩色图像：将吸收衬度图像imagea、相位衬度图像imageps、暗场衬度图像images分别转换成256级的红、蓝、绿三原色，然后进行图像合并，得到伪彩色图像。检测结果分析：图4为基于光栅的体外常见异物x射线多模态成像结果及对应于横断面各位置的原始信号值曲线显示在线段上。a、常见异物照片；b.吸收衬度图像；c.相位衬度图像；d.暗场衬度图像；e.伪彩色图像。体外吸收、相衬和暗场数据清楚地显示了这些异物的形态和大小。通过提取结果线段各像素的信号强度值，绘制曲线。从曲线上可以看出，吸收成像信号的值在异物处较高，相位成像信号的值在异物边界处较高。即吸收成像直接显示物体，而相衬成像主要显示物体的边界。暗场结果可以直接显示金属、木材、石墨和陶瓷，但只能显示玻璃和塑料异物的边界。图5脂肪组织和肌肉中异物的基于光栅多模态x射线成像结果。(1)脂肪组织的吸收衬度图像(a)、相位衬度图像(b)、暗场衬度图像(c)、伪彩色图像(d)；肌肉组织的吸收衬度图像(e)、相位衬度图像(f)、暗场衬度图像(g)、伪彩色图像(h)。(图像右侧的不规则阴影是鸡腿末端组织的边界)(彩色箭头表示异物穿透的位置。蓝色箭头指向金属针的位置，同样，绿色箭头指向玻璃物体，黄色箭头指向木制物体，紫色箭头指向塑料物体，红色箭头指向石墨物体，浅蓝箭头指向陶瓷物体)。在脂肪组织中，吸收衬度图像相对清晰地显示除木棍以外的异物(图5a)。相位衬度图像主要显示异物的边界轮廓，仅能清楚地看到金属、玻璃、石墨和陶瓷，但同时脂肪组织中看不到木材和塑料碎片(图5b)。除塑料外，这些异物的暗场衬度图像清晰可见(图5c)。此外，木质异物在暗场衬度图像中表现出明显的高信号，其强度与吸收成像中的金属信号几乎相同。在肌肉组织中，从吸收衬度图像很难识别木材和石墨的异物(图5e)。在相位衬度图像的结果中，我们能够从肌肉中识别所有六种类型的异物，其中0.2mm的塑料片是最难识别的(图5f)。在肌肉层，暗场衬度图像与脂肪层相似，两者都很难找到塑料薄膜(图5g)。图6吸收成像的信号值除以暗场的信号值得到的r值。a、不同组织和各种异物的r值直方图；b、肌肉组织中异物的吸收衬度图像；c、肌肉组织中异物的暗场衬度图像。d、将肌肉内异物的暗场值除以衰减值，重建成图像。红色箭头指向塑料板的位置。通过将吸收成像的信号值中每个像素的信号值除以暗场的信号值中同一像素的信号值，在一定程度上消除了厚度的影响，得到的值(r值)可以代表物质的本质属性。从不同组织和各种异物的r值柱状图(图6a)可以看出，脂肪和肌肉的r值无显著性差异，但异物和软组织的r值有显著性差异(p＜0.001)。其中，木材、塑料、石墨和陶瓷的r值甚至比软组织的r值高出数倍。在目前的硬件条件下，通过检测物体的r值很难直接判断异物的类型。将肌肉内异物的吸收成像的信号值除以暗场的信号值，再重建为图像，肌肉内塑性异物的成像得到明显改善(图6d)。值得注意的是，塑料和塑料轮廓的r值是肌肉r值的10倍。因此，难以通过吸收衬度图像和暗场衬度图像(图6b和6c)清楚地判断的塑料片可以通过r值重建的图像容易地从肌肉中识别。基于光栅的多模态x射线成像与传统的吸收x射线成像相比，可以获得病变的三个方面的信息：样品的吸收能力、电子密度分布和小角度散射能力，从而使常见异物的检测更加全面。在不同的皮下层次，不同的对比结果对不同类型异物的鉴别有不同的优势。基于光栅的多模态x射线成像在组织识别上具有很高的灵敏度。当前第1页12