一种快速超分辨率x射线荧光ct成像及重构系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统及方法，其采用源模块、成像模块、处理模块以及移动控制平台组成的成像系统探测样本内部所含高原子序数纳米粒子的浓度及分布；成像模块中后准直器阵列与X射线平板探测器相结合，每个微准直器与样本中特定区域内的纳米粒子相对应，一次成像即可获得样本内部纳米粒子的浓度及分布情况；并基于平板探测器与微准直器在位置以及分辨率方面的关系，进一步微调微准直器阵列的位置后再次成像，多次重复，通过方程求解以实现类似图像插值的结果，提高图像重构质量。
【专利说明】一种快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于X射线荧光CT成像领域，具体涉及一种利用X射线源激发样本内部特定的纳米粒子，对激发后所产生的特征X射线荧光进行快速采集以及利用简便方法对纳米粒子的浓度及分布情况进行超分辨率重建的方法。
【背景技术】
[0002]X射线突光 CT (X-rayFluorescenceComputedTomography: XFCT)是 X射线突光分析法与CT的有机结合，它利用入射X射线激发样本内部待测高原子序数元素发出荧光，通过对出射荧光的探测，结合特定的重建方法，不仅能够辨别所测元素种类，同时准确重构待测元素的空间分布和浓度。然而，限于普通X射线源的焦点尺寸、射线通量、能谱特性以及与物质作用时Compton散射所造成的影响，同时采取平移——旋转的一代扫描方式，为获得较高质量的成像效果，XFCT的扫描时间通常达到数小时量级，射线剂量率约为3.4mGy/min,导致活体成像不可行。进而，现有探测器对出射荧光、干扰射线及散射X射线一并接受，并未从能谱上加以区分，亦降低了信噪比，导致空间分辨率与浓度分辨率较低，无法达到精确定量分析。即传统方法存在的问题是:为测量样本内纳米粒子的分布与浓度，传统X射线荧光CT需通过多次平移和旋转的方法采集不同角度，不同位置条件下所激发的特征荧光X射线，从而实现对样本的完备重构。此类方法虽精度较高，但采集时间长，样本受X射线照射时间久，辐射剂量大。
[0003]因此，如何设计一种X射线荧光CT的快速成像方法，在降低成像时间的同时保持或提高成像分 辨率，成为本发明关注的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于设计一种X射线荧光CT的快速成像及重构系统及方法，通过多次低分辨率成像，达到间接实现CT图像的超分辨率重建。
[0005]本发明的目的通过以下手段实现:
[0006]一种快速X射线荧光CT成像及重构系统，它包括源模块、成像模块、处理模块以及移动控制平台。其中X射线源，滤波器，前准直器构成源模块；后准直器与平板探测器构成成像模块；高性能计算机构成处理模块；含纳米粒子的待测样本放于放置于源模块与成像模块之间。X射线源所产生的X射线经滤波器滤波，前准直器准之后入射待测样本，与待测样本中的纳米粒子发生作用，激发后者释放特征荧光X射线，荧光X射线经后准直器准之后被平板探测器探测后形成数据流，传输至高性能计算机进行处理和重构。
[0007]所述源模块中，X射线源所产生X射线能谱主要位于20keV~120keV之间。
[0008]所述滤波器是由不同厚度的铅片、锡箔、铜片组合而成，负责将X射线中的低能部分滤除；基于不同的纳米粒子，需选择不同的组合，以避免高于特征激发能的X射线被滤除。具体地，滤波器是一片厚度为1.35mm的锡箔，用于滤除能量低于50keV的X射线，抑制Compton散射效应。[0009]所述前准直器紧贴滤波器放置，是一铅制矩形框，用于限制X射线的范围，使其成为较薄的扇形射线束。
[0010]所述成像模块中，后准直器由若干微准直器拼接而成，形成阵列，每个微准直器是一个铅制正方形框，拼接后的后准直器同样是一个正方形区域。后准直镜与平板探测器的法向面相接。透过每一个微准直器的特征荧光X射线被其后对应区域内的平板探测器所探测，并依据荧光X射线的光子数和能量进行区分。
[0011]所述X射线平板探测器能够区分所探测X射线的能量，并能依据入射X射线能谱范围调节能量敏感窗口大小，以保证特征荧光X射线与Compton散射X射线、背景噪声等尽可能区分，提高所采集信号的信噪比。
[0012]所述移动控制平台是一套通过计算机、运动控制机构实现对样品和后准直器阵列、平板探测器精密移动进行控制的平台，其与样品台(放置样品的平台)以及后准直器阵列、平板探测器相连。
[0013]快速X射线荧光CT成像系统各部分之间的相对位置关系如图1所示。其中，为避免透射X射线与Compton散射的影响，平板探测器位于待测样本的正上方，其法向面垂直于扇束X射线面。
[0014]快速成像系统工作时，X射线源释放出X射线，经低通滤波器滤波，前准直器准之后，形成一扇束X射线，照射于待测样本上。待测样本内部所含纳米粒子受到X射线照射后，释放出特征荧光X射线，该射线以受激发点为球心向四周均匀传播，向样本正上方传播的荧光X射线经后准直器阵列准之后被平板探测器所探测。由于平板探测器与后准直器阵列相连，因此平板探测器被分成若干个小区域，每个小区域对应输出图像中的一个像素；譬如平板探测器有效探测面积为SXSmm2，后准直器阵列为NXN个，则每个准直器所对应的探测面积为(S/N)2mm，探测器的输出为NXN的图像。
[0015]所述快速成像关键在于:与传统基于扫描——平移方式进行采集的X射线荧光CT所不同的是，传统CT需对样本进行360 °旋转扫描，每个角度X射线源必需平移以覆盖整个样本,如此方能获取完备重建所需要的数据。虽成像质量有所提高,但整体成像时间却大幅增加。本设计无需进行平移旋转:X射线源出射X射线经过准直后形成扇束，该扇束穿过整个样本平面，与该平面内所有的纳米粒子发生作用并激发产生特征荧光X射线。沿样本正上方传播的特征荧光X射线在穿过样本后被平板探测器所探测。由于平板探测器前方有微型准直器阵列，且探测器、后准直器均与样本垂直，位于其正上方，因此进入每个微准直器的特征荧光X射线恰好与样本内部纳米粒子的分布相对应，即穿过某个微型准直器的特征突光X射线，其来自于对应于该方向上的纳米粒子。换言之，每一个微型准直器都于样本内特定平面的相应区域对应，而穿过该微型准直器的特征荧光X射线的强度则与该区域内纳米粒子的浓度直接相关。因此，利用平板探测器对特征荧光X射线探测后，记录所形成的图像就恰好反应了样本内特定平面内纳米粒子的分布，而每个像素则对应于该区域内纳米粒子的平均浓度。所以，通过本设计，只需一次成像便能够得到样本内某个断面的纳米粒子的分布与浓度情况，无需再进 行平移一旋转操作，从而大大节省成像时间，实现快速成像。
[0016]所述超分辨率成像，其关键在于:由于平板探测器前端安装了微型准直器阵列，受制作工艺的限制，微型准直器阵列尺寸无法做到很小，导致平板探测器实际分辨率降低。为弥补这一缺陷，本设计利用探测器与后准直器相对位置之间的关系，通过微调平板探测器的位置，改变平板探测器与准直器阵列之间的相对位置关系，基于多次成像的方法，虽然每次成像的分辨率相同，但各次成像之间的位置关系确定，信息相互补充，借助特定算法有效改善成像图像质量，提升系统分辨率，实现高质量的重构。超分辨率成像工作流程如图3所
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[0017]利用上述系统进行快速X射线荧光CT成像及重构的方法步骤如下:
[0018]I)将样本放置于源模块与成像模块之间，将成像模块与处理模块连接，将控制平台与样品以及成像模块的后准直器阵列、平板探测器相连；其中源模块内部部件保持中心线重合，样本与成像模块保持中心线重合，且样本位于成像模块的正下方。
[0019]2)启动源模块，使X射线源所发出的X射线经滤波器滤波、前准直器准直后形成扇形束，该扇形束面与样本的中心线垂直，并直接穿过整个样品，与样本内部的纳米粒子相互作用，释放出特征荧光X射线。
[0020]3)沿样本正上方传播的特征荧光X射线在穿过样本后，被后准直器阵列所准直，并与被X射线平板探测器所探测，探测器每个探测单元的输出与进入该单元的X射线数目成正比。
[0021]4)探测器依据入射X射线能量的不同，按所属能量区域分别进行记录，设探测器所能探测的X射线能谱范围为E1~E2 (keV)，有PXP个探测单元，能谱细分为K段，每段能
谱间隔为
【权利要求】
1.一种快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于:所述系统包括源模块、成像模块、处理模块以及移动控制平台；源模块与成像模块之间为放置待测样本的位置； 所述源模块由X射线源、滤波器和前准直器组成，X射线源产生的X射线经滤波器滤波、前准直器准直后入射到待测样本，与待测样本中的纳米粒子发生作用，激发后者释放特征荧光X射线； 所述成像模块由后准直器与X射线平板探测器构成，荧光X射线经后准直器准直之后被平板探测器探测后形成数据流，传输至高性能计算机进行处理和超分辨率重构；所述后准直器由多个微准直器组成阵列，并与平板探测器级联在一起；所述平板探测器、后准直器均与样本垂直，位于样本正上方，进入每个微准直器的特征荧光X射线恰好与样本内部纳米粒子的分布相对应； 所述处理模块采用高性能计算机，对所述数据流进行处理和超分辨率重构； 所述移动控制平台是一套通过计算机、运动控制机构实现对样品和后准直器、平板探测器精密移动进行控制的平台，其与样品台以及后准直器、平板探测器相连。
2.根据权利要求1所述的快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于:所述源模块的X射线源为普通X射线源，其发出的X射线能谱范围在20~140keV，电源电压可调。
3.根据权利要求1所述的快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于:所述滤波器是一片厚度为1.35mm的锡箔,用于滤除能量低于50keV的X射线,抑制Compton散射效应。
4.根据权利要求1所述的快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于:所述前准直器是宽为L (mm)、高为H (mm)的铅制矩形框，前准直器紧贴滤波器放置，将X射线约束成为宽L、高H的平行束或扇`束，通常L > H。
5.根据权利要求1所述的快速超分辨率X射线荧光CT成像及重构系统，其特征在于:每个微准直器尺寸为Ls(mm) XLs(mm),则Λ2/?|个微准直器拼接在一起对应平板探测器的R2(mm2)区域，此时，平板探测器的实际分辨率是每个微准直器的尺寸，即
6.利用根据权利要求1-5所述的系统进行快速X射线荧光CT成像及重构的方法，其步骤如下: 1)将样本放置于源模块与成像模块之间，将成像模块与处理模块连接，将控制平台与样品以及成像模块的后准直器阵列、平板探测器相连；其中源模块内部部件保持中心线重合，样本与成像模块保持中心线重合，且样本位于成像模块的正下方； 2)启动源模块，使X射线源所发出的X射线经滤波器滤波、前准直器准直后形成扇形束，该扇形束面与样本的中心线垂直，并直接穿过整个样品，与样本内部的纳米粒子相互作用，释放出特征荧光X射线； 3)沿样本正上方传播的特征荧光X射线在穿过样本后，被后准直器阵列所准直，并与被X射线平板探测器所探测，探测器每个探测单元的输出与进入该单元的X射线数目成正比； 4)探测器依据入射X射线能量的不同，按所属能量区域分别进行记录，设探测器所能探测的X射线能谱范围为E1~E2 (keV)，有PXP个探测单元，能谱细分为K段，每段能谱间隔为
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于:多次成像时，源模块、样本、平板探测器位置均不变，仅通过移动控制平台对微准直器阵列的位置进行移动，且每次移动距离小于单个微准直器的尺寸，总移动距离亦小于微准直器的尺寸。
【文档编号】G01N23/223GK103767726SQ201410064528
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】冯鹏, 魏彪, 何鹏, 陈绵毅 申请人:重庆大学