专利名称：相干散射成像的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于相干散射成像的设备和方法。
背景技术：
目前存在对于快速可靠的材料扫描器的需求。一个特定商业关注的领域是快速的行李扫描器领域，其能够用于很多场合中，但是其经常特别用于扫描航空行李。另一个特定商业关注的领域是医学扫描器领域。
例如，在20到150KeV的特定能量范围中X射线光子与物质的相互作用能够用光电子吸收和散射来描述。存在两种不同类型的散射一方面是非相干或者康普顿散射，另一方面是相干或者瑞利散射。康普顿散射的角度缓慢变化，而瑞利散射是严格地向前直射的，并且对于每种类型的材料具有截然不同的结构和特征。相干X射线散射是用于分析材料分子结构的通用工具，例如在半导体工业中的X射线晶体学或者X射线衍射。分子结构功能是材料的指纹，其允许良好的鉴别。例如，能够将塑胶炸弹与无害的食品产品区分开。
对于医学应用以及行李检测而言，在商业计算机X线断层造影(CT)扫描器和C型臂系统中通常使用光电子吸收而不是光电子散射。这些系统使用各种计算技术来从所测量得到的X射线数据中计算在样本中不同位置处样本的X射线吸收特性，而不是象传统X射线成像那样简单地提供样本的X射线图像。
例如，US 2002/0150202A1描述了采用扇形光束的CT设备，并且还描述了用于旋转该设备的台架(gantry)。
在现代装备中，在所谓的“锥形光束”计算机X线断层摄影术中，经常使用锥形X射线光束。US 2004/0076265描述了这种类型的CT扫描器。
由于材料鉴别受限于总体线性衰减系数中的差异，因此该方法仅仅能够在感兴趣区域的线性衰减系数有明显差异时才能进行良好的鉴别。此外，如果两种不同材料呈现相同的衰减系数，则仅仅使用线性衰减系数的组织识别或者材料识别可能是不确定的。
由于散射光子包含额外的对象信息，因此其能够用于更好的材料鉴别。
US 5,692,029描述了一种检测器，其将反向散射的X射线用于行李装卸应用中。
在SPIE Volume 2092“Substance Detection Systems”，1993，399到410页的Strecker等人的“Detection of Explosives in Airport Baggageusing Coherent X-ray Scatter”中已经提出了将相干散射作为一种用于行李扫描的合适方法。该文档描述了炸药和多种其他普通材料的不同弹性散射光谱。
尽管没有描述对于行李样本的实际测量，该文档建议了为了满足速度要求，不可能进行成像，取而代之的是测量能量谱，假设是整个行李的能量谱。因此，所提出的系统不适合对行李中的特定物品进行细节扫描。
在同一册SPIE Volume 2092“Substance Detection Systems”，1993，366到377页的Speller等人的“X-ray scattering signatures for materialidentification”中描述了其他X射线散射试验。
虽然已经有几年的关注，但是使用相干散射的行李扫描器目前还没有走出研究实验室而进入操作应用中。这有几个原因，包括相干散射中固有的较低信号强度和操作应用的困难。
取而代之的是，在实际中行李扫描器简单地测量X射线的吸收，通常使用传统成像。然而，这种系统不能进行良好的鉴别，并且非常难以断定特定的吸收特征是由炸药造成的还是由多种普通材料中的任意一种，例如巧克力、塑料或者很多其他材料造成的。
在医学CT扫描中的对特征进行识别时存在类似的问题。
因此，需要一种在这些方面能够有帮助的改进的相干散射成像方法和设备。
发明内容
根据本发明，提供了一种根据权利要求1的相干散射成像系统。
通过关注感兴趣区域和使用平行参考光束的光谱来为使用样本光束测量得到的样本光谱纠正吸收效应，能够从所测量得到的光谱中去掉感兴趣区域之外的区域所造成的光谱的很多特征。这使得后续分析变得更容易。
优选地，可以使用各种附加样本路径。对于每个附加路径，该方法则包括使得笔形X射线光束沿着所述附加样本路径通过样本，并测量附加样本散射光谱；使得笔形X射线光束沿着与所述附加样本路径平行的附加参考路径通过样本，但是不经过感兴趣区域，并测量附加参考散射光谱；以及，通过从所述样本散射光谱中减去基于所述参考散射光谱的散射光谱，来计算附加差异散射光谱。
然后，可以将所述差异散射光谱和至少一个附加差异散射光谱合并，来确定有关所述感兴趣区域的信息。
由于不同的样本路径相互不并行，因此该方法可行。由多个样本路径所通过的唯一公共区域是所述感兴趣区域。因此，通常，公共特征是由所述感兴趣区域造成的。
特别是，可以分析所述差异光谱，来识别公共特征，并且将公共特征作为存在于感兴趣区域中的特征来进行分析。
为了合并光谱，可以将每个差异散射光谱乘以各自的几何校正系数，来校正沿着各自路径的源、准直器(collimator)、感兴趣区域和检测器之间的各个距离，其中所述几何校正系数是位置的函数。
通常，除了薄样之外，相干散射光谱不能简单地乘以一个几何校正系数，因为由于样本的一些区域更加接近检测器，一些区域更加接近源，因此该几何系数会沿着路径变化。然而，在该情况中，仅仅是与感兴趣区域相关的，因此就可以假设整个测量得到的光谱都来自于感兴趣区域而简单地校正整个光谱。这样，并非由感兴趣区域造成的特征将出现在不正确的位置上。这种特征几乎和采用不同路径的特征没有关系，因此在该情况下，不精确近似的使用在实际中具有优势。
在另一方面，本发明还涉及用于具有准直X射线源和检测器的相干散射成像(CSI)系统的控制器，其包括用于与所述CSI系统交互的接口，适合于向所述CSI系统传递控制信号和从所述检测器接收图像数据；以及使得所述CSI系统和控制器执行以下步骤的编码使用X射线吸收来进行扫描，以识别在样本对象中的感兴趣区域；使得笔形X射线光束沿着样本路径通过所述样本，通过所述感兴趣区域，并测量样本散射光谱；使得笔形X射线光束沿着与所述样本路径平行的参考路径通过所述样本，但是不通过所述感兴趣区域(32)，并测量参考散射光谱；使得所述样本光谱和所述参考光谱乘以各自的吸收校正系数，以生成经过校正的样本光谱和参考光谱；以及从所述样本散射光谱(S)中减去所述经过校正的参考散射光谱，以生成差异散射光谱。
在更进的一个方面，本发明涉及一种相干散射成像(CSI)系统，其包括X射线源；准直器，用于生成来自所述X射线源的X射线的准直光束；样本室，用于保持样本；多通道X射线检测器，用于将由所述样本弹性散射的X射线作为位置的函数进行检测；以及如上所述的控制器。
所述准直器可以在将所述准直器放置的远离所述光束的第一位置和在所述X射线光束中的第二位置之间进行移动，以允许执行笔形光束CSI方法。
本发明还涉及一种计算机程序产品，其配置为使得CSI扫描器执行如上所述的方法。
现在将参考附图，单纯地采用实例的形式来描述本发明的特定实施例，其中图1示出了根据本发明的实施例的CSI设备；图2示出了在本发明的实施例中所使用的光束路径；图3是示出在本发明的实施例中所使用的方法的流程图；以及图4是示出在本发明中所使用的几何学的示意图。
附图是示意性的，没有进行比例标定。
具体实施例方式
参考图1，CSI设备包括在固定件4上的C型臂2，其连接到驱动器6，驱动器6由控制器8控制用于驱动C型臂进入众多位置中的任意一个位置。该C型臂支撑X射线源20、准直器22和检测器24。准直器22能够进入光束中(如实线所示)或者可以移出光束路径(如虚线所示)。
C型臂2可以由驱动器6所驱动，来旋转C型臂，将源20和检测器的方向确定为在三维空间中的很多不同角度上。
控制器8包括处理器10和存储器12，存储器12包括用于控制控制器以使其驱动C型臂进入选定位置的编码14，和适合于使得控制器分析数据的编码。控制器通过接口18连接到该C型臂系统。
提供了样本支座26，用于保持样本30。便利的是，在行李装卸系统的情况中，样本支座可以是传送带。可替换的，在医学应用中，样本支座26可以是患者支座。
设置C型臂2，从而使得X射线从X射线光源20发射出来，在准直器22中进行准直，以引导其通过样本30，然后由检测器24所获取，检测器24将入射强度转换为电信号并将该信号提供给控制器8。检测器24是多通道检测器，其将X射线作为位置的函数并从而作为散射角度的函数来进行检测。
源20优选地为尽可能单色的，以尽可能确保在所测量的散射角度与反向散射波矢量q之间关系的精确性。因此，可以在源20附近或者沿着光束28的其他位置处提供任选的单色器21。
在使用中，将样本30放置在样本支座26上并且准直器不在光束路径中，设备用在传统模式中，不通过提供来自源的X射线使用相干散射信息，使用X射线照射样本并在多通道X射线检测器24上采集样本的图像。
所采集的图像可以是传统的X射线图像。然而，优选的是，使用传统CT检测器24，并执行CT处理来计算作为样本30中位置的函数的X射线吸收。最后，如果需要，可以将X射线源和检测器移动到多个位置处和多个方向上。
该CT计算或者X射线图像可以揭示在样本中的一个或多个可疑感兴趣区域32。
因此，该设备则可以用在如下的CSI模式中，来提供有关感兴趣区域32的进一步信息，这是从图3中的步骤50所示的对感兴趣区域的识别开始的。
在该模式中，引入准直器22，来提供X射线的单一笔形光束28。计算通过感兴趣区域的多个合适的样本光束路径(40，44)(步骤52)。
在步骤52，考虑各种需要来选择不同的样本路径40，44。首先，沿着该路径的X射线的吸收应该不是太大。第二，路径在方向上应该尽可能不同，以在尽可能多的方向上照射感兴趣区域。第三，除了感兴趣区域之外，路径应该通过样本中尽可能相互不同的区域。不可能满足所有这些标准，因此，选择路径的合理数量，以在一定程度上满足这些标准。
首先，使笔形光束28沿着第一样本路径40通过感兴趣区域32，并在多通道检测器24上测量得到样本散射光谱S1(步骤54)。在检测器上将亮度作为位置的函数进行检测，该位置与反向散射波矢量(q)相关。
接下来，使笔形光束28沿着与第一样本路径40平行的一个或多个第一参考路径42行进，但是不通过感兴趣区域32，并测量得到所述一个或多个参考路径42的参考散射光谱R1(步骤56)。
选择所述一个(或多个)参考路径42，从而使得沿着所述路径的吸收基本上与沿着样本路径40的吸收相同。为了校正在所测量的吸收中的任何细微差异，通过用吸收校正系数A1乘以光谱以得到经过吸收校正的参考光谱RC1，即RC1＝R1×AR，来对所述一个(或多个)参考路径光谱进行吸收校正(步骤58)。还可以对样品光谱S进行吸收校正SC1＝S1×AS1。
然后，从样本散射光谱中减去经过校正的散射光谱，以获得第一差异散射光谱D1，其主要提供有关感兴趣区域的信息；D1＝SC1-RC1(步骤60)。
采用通过感兴趣区域32的不同的第二样本路径44和与第二样本路径44平行但是不通过感兴趣区域的一个或多个第二参考路径46，获得第二差异散射光谱D2。
如果需要，该过程可以重复一次或多次，以使用更多的样本路径和参考路径44、46来提供第三差异散射光谱D3，第四差异散射光谱D4等等。
要注意的是，在各个散射光谱中的感兴趣区域与X射线源和检测器之间的距离不是必须要相等。例如，如果感兴趣区域靠近检测器，则与感兴趣区域远离检测器的情况相比，将是在检测器上较小的距离与特定q值相对应。
因此，首先，通过使用用于从感兴趣区域32进行散射的q标度，使得差异光谱D沿着它们各自的x轴进行扩展和收缩。所测量的光谱具有它们的x轴位置坐标。散射波矢量q由以下给出(在小角度近似中)q＝h/[2λ(G-L)]如图4所示，G是从源到检测器的距离，L是从源到感兴趣区域的距离，h是每个散射光谱的线性偏移(x轴)。λ是所使用的X射线的波长。
为了获得数量上正确的散射光谱，将散射光谱乘以几何校正系数(GCF)，GCF是位置的函数。GCF考虑了两种影响首先，偏离平面(off-plane)检测器元件的有效检测器区域随着散射角度的增大而减小，第二，到达检测器元件的被散射光束的立体角根据该元件到散射中心的距离而降低。偏离平面检测器元件的GCF由以下给出GCF＝A(G-L)/(h2+(G-L)2)3/2，其中A表示一个检测器元件的检测器区域。
注意，这种与几何校正系数的简单乘法是相对直接的，因为仅仅需要来自较小感兴趣区域的被散射光谱。注意，在感兴趣区域之外，所应用的校正将错误地计算校正。在现有技术中，收集了大量的数据来计算整个样品厚度上的相干散射光谱。这要求大量的数据和大量的计算资源，因为样本的不同部分位于与检测器和源的不同距离上，不可能简单地用校正系数乘以所测量的光谱。
相反的是，本发明对光谱进行校正，就好像光谱仅仅是基于感兴趣区域的一样，而不管该假设是错误的这一事实。这使得对于具有明显厚度的样本而言，在此所述的CSI方法比现有技术简单很多，与现有技术相比，其占用更少的计算能力，需要收集更少的数据。后一种优点是具有特别优势的，因为其允许总体X射线剂量更低。
注意，由于在感兴趣区域之外的校正将会是错误的，因此降低了在感兴趣区域之外的光谱中的特征的相关的可能性。因此，在本发明中，不精确近似的使用提高了识别感兴趣区域中的特征的能力。
现在需要将经过几何校正的光谱进行合并。合并光谱的第一可能方法是简单地对经过几何校正的光谱G进行平均。
然而，样本路径全部通过感兴趣区域，但是除了感兴趣区域之外，它们会通过不同区域。因此，很可能不同光谱的公共特征是由感兴趣区域造成的，而仅仅在不同光谱中的一个中出现的特征不是由感兴趣区域造成的。
因此，在优选方法中，将经过几何校正的光谱相互关联来识别公共特征，以得到与感兴趣区域相关的相关散射光谱(步骤66)。
例如，可以在一对经过几何校正的光谱G之间进行互相关计算，来识别公共特征。
然后使用该相关散射光谱来分析感兴趣区域。例如，在行李检测应用中，将该相关光谱与各种不同类型的物质(例如炸药)的光谱进行比较，来观察其是否匹配。可替换的，在医学应用中，将该相关光谱与各种不同的类型的组织的光谱进行比较，以例如确定感兴趣区域是否出现任何病状。
在存在多个光谱的情况下，可以在每个光谱与参考散射光谱之间进行互相关，所述参考散射光谱给出了例如特定材料的预计散射光谱。然后可以计算平均互相关，如果该平均值大于预定阈值，则给出警告。当然，可以对其他的所有感兴趣材料的光谱重复进行互相关。
通过关注特定感兴趣区域的散射光谱，本发明允许对感兴趣区域的相干散射光谱进行准确判断。该方法仅仅使用几个笔形光束，因此所使用的总的X射线剂量小于现有系统中所需要的剂量。
本发明作为传统CT扫描器的附件特别有价值，其允许对由传统CT扫描器所揭示的典型结果执行CSI。
尽管以上对本发明的描述使用了多个样本光束，如果情况需要，则本发明也可以仅仅使用一个样本光束。
尽管以上描述采用了C型臂系统，本发明也可以用于其他配置，尤其是锥形光束CT系统。
该系统并不局限于行李装卸，而是可以用于任何使用X射线的场合，例如用于对人和动物的身体进行成像，以及材料评估。
因此，显然对于该详细描述的特定系统存在各种变体，并且很多其他的变化对于本领域技术人员是显而易见的。
权利要求
1.一种操作相干散射成像(CSI)系统的方法，包括执行扫描，以识别在样本对象(30)中的感兴趣区域(32)；使得笔形X射线光束(28)沿着样本路径(40)通过所述样本，通过所述感兴趣区域(32)，并测量样本散射光谱(S1)；使得笔形X射线光束沿着与所述样本路径(40)平行的参考路径(42)通过所述样本(30)，但是不通过所述感兴趣区域(32)，并测量参考散射光谱(R1)；以及通过从所述样本散射光谱(S1)中减去基于所述参考散射光谱(R1)的散射光谱，来计算差异散射光谱(D1)。
2.如权利要求1所述的方法，还包括，将所述差异散射光谱(D1)与感兴趣材料的至少一个散射光谱M进行比较。
3.如权利要求1或2所述的方法，还包括对于通过所述感兴趣区域(32)的一个或多个附加样本路径(44)中的每一个而言进行以下操作，所述附加样本路径(44)与其他样本路径(40，44)不平行使得笔形X射线光束(28)沿着所述附加样本路径(40)通过所述样本(30)，通过所述感兴趣区域(32)，并测量附加样本散射光谱(S2，S3)；使得笔形X射线光束(28)沿着与所述附加样本路径(40)平行的附加参考路径(44)通过所述样本，但是不通过所述感兴趣区域(32)，并测量附加参考散射光谱(R2，R3)；以及通过从所述样本散射光谱(S2，S3)中减去基于所述参考散射光谱(R2，R3)的散射光谱，来计算附加差异散射光谱(D2，D3)。
4.如权利要求3所述的方法，包括将所述差异光谱(D1，D2，D3)相互关联来识别公共特征，并将所述公共特征作为存在于所述感兴趣区域(32)中的特征进行分析。
5.一种用于具有准直X光源(20，22)和检测器(24)的相干成像(CSI)系统的控制器(8)，包括用于与所述CSI系统交互的接口(18)，其适合于向所述CSI系统传递控制信号和从所述检测器接收图像数据；以及使得所述CSI系统和控制器执行以下步骤的编码(14)使用X射线吸收来进行扫描，以识别在样本对象(30)中的感兴趣区域；使得笔形X射线光束(40)沿着样本路径通过所述样本，通过所述感兴趣区域，并测量样本散射光谱(S)；使得笔形X射线光束沿着与所述样本路径(40)平行的参考路径(42)通过所述样本，但是不通过所述感兴趣区域(32)，并测量参考散射光谱(R)；使得所述参考散射光谱(R)乘以相应的吸收校正系数(A)，以生成经过校正的参考散射光谱(C)；以及从所述样本散射光谱(S)中减去所述经过校正的参考散射光谱(C)，以生成差异散射光谱(D)。
6.如权利要求5所述的控制器(8)，其中，所述编码另外配置为将所述差异散射光谱(D1)与感兴趣材料的至少一个散射光谱M进行比较。
7.如权利要求5或6所述的控制器(8)，其中，所述编码(14)设置为，对于与其他样本路径(40，44)不平行的一个或多个附加样本路径(44)，使得所述CSI系统使得笔形X射线光束沿着所述附加样本路径(44)通过所述样本，通过所述感兴趣区域(32)，并测量附加样本散射光谱；使得笔形X射线光束沿着与所述附加路径平行的参考路径(46)通过所述样本，但是不通过所述感兴趣区域(32)，并测量附加参考散射光谱；其中，所述编码(14)还配置为使得所述附加参考散射光谱乘以相应的吸收校正系数，以生成经过吸收校正的附加参考散射光谱；从所述附加样本散射光谱中减去所述附加参考散射光谱，以生成附加差异散射光谱；以及将所述差异散射光谱与所述一个或多个附加差异散射光谱进行合并，以确定关于所述感兴趣区域的信息。
8.如权利要求6所述的控制器，还包括配置为将所述差异光谱相互关联以识别公共特征并根据作为存在于所述感兴趣区域中的特征的所述公共特征来分析所述差异光谱的代码。
9.一种相干散射成像(CSI)系统，包括X射线源(20)，用于生成X射线；准直器(22)，用于生成来自所述X射线源的X射线的准直笔形光束；样本支座(26)，用于保持样本(30)；多通道X射线检测器(24)，用于将由所述样本弹性散射的X射线作为位置的函数进行检测；构架(2)，用于支撑所述X射线源(20)、准直器(22)和多通道X射线检测器(24)；驱动器(6)，用于移动所述构架(2)；以及根据权利要求5到7中任意一项所述的控制器(8)。
10.如权利要求8所述的CSI系统，其中，所述准直器(22)能够在远离所述X射线源(20)的第一位置和与所述X射线源(20)成一直线的第二位置之间移动，以生成X射线的平行笔形光束(28)，当所述准直器(22)在所述第一位置时所述X射线源(20)所生成的X射线光束比当所述准直器(22)在所述第二位置时所生成的笔形光束(28)更宽。
11.记录在数据载体上的计算机程序产品，所述计算机程序产品包含用于使得CSI系统执行如权利要求1到4中任意一项所述的方法的代码(14)。
全文摘要
描述了一种CSI系统，其使用通过具有感兴趣区域(32)的样本(30)的笔形光束(40，42，44，46)。从通过感兴趣区域的样本光束(40，44)的每个相干散射光谱中减去使用各自的参考光束(42，46)得到的光谱。将测量结果合并，以确定感兴趣区域(32)的特征，同时使得样本(30)的其他区域的特征的影响最小化。
文档编号G01T1/164GK101014883SQ200580030188
公开日2007年8月8日 申请日期2005年9月9日 优先权日2004年9月11日
发明者乌多·范斯特文达勒, 延斯－彼得·施洛姆卡, 米夏埃多·格拉斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司