源于有效原子序数计算的材料成分检测的制作方法

专利名称：：源于有效原子序数计算的材料成分检测的制作方法
技术领域：
：本发明主要涉及成像系统，并且更具体地说，涉及用于通过计算有效原子序号来确定成像物体的材料成分的方法和系统。
背景技术：
：计算机断层成像(CT)系统生成表示物体或主体的二维(并且在一些情况下是三维)图像。通常，CT图像可以层(slice)(或容积(volume))形式呈现，其从在围绕物体或主体的不同角度位置形成的许多投影图像来重构。在许多医疗和工业应用中，确定通过这些技术而成像的材料的成分通常是有用的。此类材料识别可有助于确定主体中存在哪些物体或结构。例如，在医疗成像中，材料成分可指示不同的组织结构，如软组织、骨骼、病理等等。在诸如包装、行李和零件检查等其它领域中，关注的其它结构或物体可通过参照組成它们的材料进行类似地识别。CT系统和常规X射线成像形态均根据衰減系数，即由源与检测器之间的介入结构使X射线衰减的程度，提供接受检查的物体的表示。在典型的CT成像系统中，生成的图像通常提供有关物体的结构的线性衰减系数的信息。在物体中的材料密度相同时，线性衰减系数已发现是有用的，但可能不足以提供材料的密度信息。因此，线性衰减系数通常不适合表征包括某个物体的材料。一直以来，存在着对计算X射线、CT和类似系统中材料成分、特别是将允许确定或估计成像材料的有效原子序数的改进方法和系统的需要。
发明内容4简单地说，根据技术的一个方面，提供了一种用于计算通过放射线形态扫描的材料的原子序数的方法。该方法提供用于访问物体的第一单色图像和第二单色图像，其中，第一单色图像在第一能量级采集，并且所述第二单色图像在第二能量级采集。该方法还包括获得第一单色图像与第二单色图像之间的质量衰减系数的比率，并且基于质量衰减系数的比率来计算关于物体的材料的原子序数。承担此类功能的系统和计算机程序可通过本技术提供。根据本技术的另一方面，提供了一种图像分析系统。图像分析系统包括配置成产生成像光束的成像源和配置成检测穿过物体的成像光束的检测器。图像分析系统还包括配置成采集物体的第一单色图像和第二单色图像的处理器，其中，第一单色图像在第一能量级采集，并且第二单色图4象在第二能量级采集，并且计算第一单色图像和第二单色图像的像素之间的质量衰减系数的比率。处理器还配置成使用质量衰减系数的比率来计算原子序数，并分析原子序数以识别物体的材料成分。同样地，承担此类功能的系统和计算机程序可通过本技术提供。从下面的详细说明和附图中，将明白本技术的各种其它特征和优点。参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，附图中相同的字符在所有图形中表示类似的部分，其中图1是用于包装检查系统的示范CT系统的透视图2是当其可能用于医疗诊断成像时的示范CT成像系统的透视图3是图1和图2所示系统的某些才喿作组件的示意图4是说明从通过CT成像系统的成像生成的单色图像计算有效原子序号的示范步骤的流程图；以及图5是详细示出用于基于阈值计算有效原子序数的示范过程的流程图。具体实施例方式本技术主要涉及物体中存在的材料的检测和表征。例如，此类材料检测可用于识别在行李、皮箱、包装或集装箱中存在的违禁品(如，爆炸品、枪支、弹药、放射性物质、化学剂)。在某些实施例中，材料的检测和表征能够通过计算材料的原子序数(z)实现。在一个实施例中，原子序数可以是有效原子序数(zeff)。在本文中使用时，术语"有效原子序数"指原子核中的质子的数量，其将它与其它元素(dement)的原子区分开。它提供在原子中带负电荷的电子与带正电荷的质子之间的静电交互的度量。正如将理解的一样，原子序数可用于估计物体的材料成分。参照图1,它示出了代表用于扫描行李、包裹和包装的第三代CT扫描仪的计算机断层成像(CT)成像系统10。CT成像系统10包括带有成像源14(即，X射线源)的机架12,成像源14向机架12的对侧投射X射线光束。检测器模块感应穿越物体的投射的X射线。每个检测器元件产生一个电信号，该信号表示沖击的X射线光束的强度以及当它穿越物体时引起的衰减的光束的强度。可设想在一个实施例中检测器16可以是能量集成检测器(energyintegratingdetector)或光子计数能量鉴别检测器。CT成像系统10在系统控制电路28的控制下操作。系统控制电路28可包括多种电路，如辐射源控制电路、扫描床(table)电机控制器、用于配合行李或扫描床运动来协调数据采集的电路、用于控制检测器和/或辐射源的位置的电路等等。例如，在一个实施例中，包括的系统控制电路可包括当物体20输送入机架开口18可包括由结构26支持以自动、持续将包装或行李件传递通过机架开口22以进行扫描的输送带24。在扫描由输送带24输送通过^/L架开口22的物体20时，可采集成像数据，并且输送带24以受控和持续方式从开口移开包装。扫描期间采集的成像数据可由数据采集电路采集以便进行由适合的控制电路管控的处理。在过程完成时，图像数据可最终转发到操作员接口30以便查看和分析。操作员接口30可用于查看基于收集的图像数据的预处理或重构的图像。在所示实施例中，操作员接口30耦合到监视器32以便显示重构的图像。备选地，图像数据或重构的图像也能够例如经网络34传送到远程位置。由于本技术也适用于医疗诊断成像的CT扫描仪，因此，图2中示出了对医疗扫描36有用的示范CT扫描系统。然而，正如本领域的技术人员将理解的一样，图2的医疗成像系统36也包括与图1相关联的组件。但是，患者38通过扫描床40以持续或增量方式平移到机架开口22中。成像系统10和36的各种操作组件和相关联的控制电路在下面的图3中详细阐述。图3中表示的机架12的操作组件包括配置成发射X射线42的光束的X射线源14。机架12也包括用于检测X射线的检测器16。在一个实施例中，和,X射源和检测器一起的机架12上面安装有组件以便围绕旋转中心44旋转。机架12的旋转和X射源14的操作由诸如系统10和36等CT成像系统的控制机制46管控。控制机制46包括提供电源和时序信号到X射源14的X射线控制器48和控制机架12的旋转速度和位置的机架电机控制器50。图像重构器54从数据采集系统(DAS)52接收采样和数字化的图像数据，并执行高速重构。重构的图像作为输入应用到计算机56，计算机56在海量存储装置58中存储图像。计算机56还经具有键盘的操作员接口或控制台40、从操作员接收命令和扫描参数。相关联的显示器32允许操作员从计算机56观察重构的图像和其它数据。操作员供应的命令和参数由计算机56用于向DAS52、X射线控制器48和机架电机控制器50提供控制信号和信息。另外，计算机56可操:作分别控制电动扫描床或输送带系统62的扫描床电机控制器或输送系统电机控制器60以定位物体20(或医疗上下文中的患者38)通过机架开口22。因此，邮政;险查员、行李管理员和其它安全人员可无损地检测包装的内容，检查是否有爆炸品、刀具、枪支、禁运品等。在图4的所示实施例中，流程图64示出计算通过放射线形态检查的材料的原子序数的方法。该方法包括访问(在框66)物体的第一单色图像和第二单色图像，其中，这些单色图像在不同的能量级获得。另外，两个不同能量的第一和第二单色图像可使用单色X射线源或多色X射线源获得。例如，在一个实施例中，通过从双能量投影数据来计算等价单色表示，使用多色源来采集或获得第一和第二单色图像。多种技术可用于采集由至少两个不同能量级的成像源产生的双能量扫描数据。例如，可备选在高千伏电压峰值(kVp)与低kVp之间偏置X射线管，或者可控制动态滤波器，使得由要成像的物体衰减的X射线光束在高能量与低能量之间循环。也可设想X射线管和X射线滤波器控制的组合也可用于采集在不同能量级的双能量数据。也可设想诸如双能量CT系统、X射线系统等其它方法和其它多能量技术在本技术中使用。用于得出此类单色图像的一个示范算法使用基体材料分解(BMD)技术，但可设想到其它适合的分解技术也可使用。在一个实施例中，双能量投影数据被重构以获得基体材料的材料密度图像，并且基于进一步计算，产生得出的单色图像。得出的单色图像包括在不同能量生产的第一和第二单色图像，它们表示由基体材料质量衰减系数加权的基体材料密度图像之和。在一个实施例中，经基于处理器的图像分析系统，在高能量级采集第一单色图像，并且在低能量级采集第二单色图像。在两个能量之间存在足够的间隔的条件下，当没有K边缘时，能量区域中第一和第二能量的选择不会影响原子序数值的最终计算结果。在第一能量级(EJ的第一单色图像和在第二能量级(E2)的第二单色图像可表示^口下Mono—El(i,j)=ul(El)Iml(i,j)+u2(El)Im2(i,j)(等式1)Mono—E2(i,j)=ul(E2)Iml(i,j)+u2(E2)Im2(i,j)(等式2)其中，u《E,)和U2(E2)分别是在能量^和E2关于基体材料1和2的质量衰减系数，并且Iml(ij)和Im2(i,j)是两个基体材料的密度图像。在所示实施例中，应理解任何适合的高或低能量级可用于得出单色图像。此外，等式1和等式2中的质量衰减系数可根据扫描上下文表示任何适合类型的基体材料。例如，在医疗上下文中，质量衰减系数可对应于软组织或骨骼，而在安全上下文中，质量系数可转而对应于钢、爆炸品或具有不同衰减特征的其它材料。另外，可设想本技术还可与不止两个基体材料的单色图像配合使用。如上所述，已知有效能量的使用提供了不同材料的预期衰减的估计，且因此有关材料成分或组织成分的信息能够被提取出来。在框68,获得第一与第二单色图像之间每个关注的像素的质量衰减系数的比率。每个像素对应于得出的单色图像的一个图片元素，并且因此，每个像素表示正在成像的材料的衰减系数。在一个实施例中，从线性衰减系数的比率获得质量衰减系数的比率。线性衰减系数对于第一单色图像中的一个像素和对于第二单色图像中的对应像素获得，即，在逐像素的1^出上获得。正如将理解的一样，线性衰减系数取决于材料的密度，并且是辐射的能量的函数。因此，在获得线性衰减系数的比率时，两个线性衰减系数的密度参数相互被抵消。因此，在给定能量级的线性衰减系数的比率与在那些能量级的质量衰减系数的比率相同。具体而言，使用已知基元材料(elementarymaterial)的对于高和低能量的衰减比率对使用等式3获得r=uZ(El)/uZ(E2)(等式3)其中，uZ(E0和uZ(E2)是在能量E!和E2、带有原子序数Z的基元材料的质量衰减系数。在框70，从所示实施例中的质量衰减系数的比率来计算一个或多个材料的原子序数。在框72,通过已知材料成分来分析原子序数以识别物体中的材料。可选的是流程图64可包括生成原子序数图像(即，Z图像)的步骤以供查看和诊断。在所示实施例中，执行本文中所述技术和步骤的流程图和/或自动化例程可通过硬件、软件或硬件和软件的组合、分别由图1和2的成像系统10和36或基于任何适当配置的处理器的图像分析系统实现。例如，存储器中或硬盘上存储的适合代码可由计算机56访问和才丸行，或者专用集成电路(ASIC)可配置成执行本文中所述的一些或所有技术。通过又一示例，如图4的框70和72所示的原子序数计算可如图5所示进一步详细阐述。在图5的所示实施例中，流程图74包括分别一般对应于图4的流程图64的框66和68的框76和78。如关于图4的框66和68更详细解释的一样，在框76,访问在不同能量级的第一单色图像和第二单色图像。在框78,在逐像素的基础上，在第一和第二单色图像中的相应像素之间获得质量衰减系数的比率。正如将理解的一样，在框78中，基于在两个能量级之间质量衰减系数的比率或衰减比率对，可在框80生成比率图像。此外，比率图像可以是第一单色图像和第二单色图像的合成物。在一个实施例中，比率图像的像素被变换以获得有效Z图像。因此，通过函数形式可建立关系，以从质量衰减系数的比率确定传递函数。换而言之，通过计算在笫一和第二能量级的两个或更多已知元素的质量衰减系数的比率，确定传递函数。例如，在一个实施例中，通过使用元素(例如，带有从5到20的原子序数)的质量衰减系数的比率，通过五阶多项式拟合数据点。在这种实施例中，使用更高阶多项式可允许数据点的合适拟合。另外，在获得传递函数中的元素的选择应覆盖CT系统设计成对其成像的可能的Z值的范围或关注的范围。10从这些测量来拟合的数据点产生(框82)传递函数，或例如Z=f(r)的函数形式，其中r如等式3中所述。此外，传递函数可基于预定的阈值确定。在这种实施例中，如下所述，预定的阈值可对应于图像或噪声值。因此，通过应用传递函数，可从衰减系数的比率为物体的材料计算原子序数。通常，通过计算机辅助技术，将原子序数与查询表进行比较。在一个实施例中，通过基于阈值变换比率图像，可在框84中生成有效原子序数图像。因此，在一个实施例中，为了在框86和88计算Z图像，可设置某些阈值，使得Im—Z(i，j)=f(Im_El(i,j)/Im一E2(i,j))，如果Im一E2(i，j)>阈值和Im—Z(i,j)=0.0,如果Im—E2(i,j)<阈值其中，阈值设置成Im—E2(i,j)中图像噪声的某个倍数以避免在图像中的无效材料区域中提取有效Z图像。在一个实施例中，如在医疗成像中，线性衰减值小于0.05/厘米且能量范围大约为40到140keV的任何材料可对诊断是不重要的，并且因此阈值度量可设为此值。在某些自动化实施例中，将计算机编程为执行此类技术，或者提供对由计算机执行时生成有效Z图像的指令集编码的计算机可读存储介质。在这种实现中，通过比较采用已知材料成分值计算的原子序数，可分析(框86)原子序数以在框90中识别材料。备选地，在另一实施例中，在基于阈值变换等式1和2中表示的第一和第二单色图像时，可生成原子序数图像。由于单色图像的像素表示在物体中某个位置的衰减系数，因此，通过使用传递函数，相同像素处的衰减系数的比率能够转换成Z值。如上所述，阈值的使用能够消除其中不存在材料的图像区域，且因此原子图信息能够对计算有效Z图像有用。有效Z图像可用于在行李检查系统中(即，非医疗)和医疗诊断中识别物体。例如，在医疗诊断期间，本技术提供原子序数数据，并且能够提供材料或元素的材料成分的估计，通过它能够确定存在的任何异常。正如本领域的技术人员将理解的一样，上述各种实施例中所述的技术提供有效Z图像，并具有快的计算速度，因而改进了效率和准确性。Z序数的准确计算也可改进行李的检查和放射科医师和/或医生的诊断能力。此外，用于计算有效z的单色图像可选择成具有与密度图像相比更低的噪声。因此，从单色图像的有效z计算提供了一种健壮的z捕捉方法。此外，采用的单色图像能够为各种能量级获得，而与机器特性和数据采集方法无关。虽然本实施例提供关于安全检查系统的示例，但本技术也可在医疗成像上下文中采用。另外，虽然本文中所述实施例提供关于经双能量计算机断层成像系统获取的单色图像的示例，但本技术可应用或扩展到采用多能量源等的成像形态。虽然本文中只示出和描述了本发明的某些特性，但本领域的技术人员将明白许多修改和改变。因此，要理解所附权利要求旨在涵盖属于本发明真正精神的所有此类修改和改变。各部分列表10包装检查系统中使用的计算机断层成像(CT)系统12机架14X射线源16检测器18电动输送机系统20物体或包装22机架开口24输送带26支持结构28系统控制电路30操作员接口32监视器34网络36医疗诊断系统中使用的计算机断层成像(CT)系统38患者40扫描床42X射线光束44旋转轴46控制4几制48x射线控制器50机架电机控制器52数据采集系统54图像重构器56计算机58海量存储装置60扫描床或输送机系统电机控制器62输送才;u系统或扫描床64计算原子序数的算法66访问单色图像68获得质量衰减系数的比率70基于质量衰减系数的比率来计算原子序数72分析原子序数以识别材料74用于基于阈值、计算有效原子序数的详细的示范过程76访问在各个能量级的物体的第一和第二单色图像78获得第一单色图像中像素相比第二单色图像中对应像素的质量衰减系数的比率80基于质量衰减系数的比率创建比率图像82从质量衰减系数的比率获得函数形式Z=f(r)84使用原子序数值计算原子序数图像，Im一Z(i，j)=f(Im—E!(i，j)/Im一E2(i,j))86使用阈值，如果Im—E2(ij)〉-阈值，则Im—Z(i，j)如步骤84—样884吏用阈值，如果Im—E2(ij)〈阈值，则Im—Z(ij)=0.090比较有效原子序数(Z)和已知材料成分值以识别关注的材料权利要求1.一种计算通过放射线形态检查的材料的原子序数的方法，所述方法包括访问物体的第一单色图像和第二单色图像(66，76)，所述第一单色图像在第一能量级采集，并且所述第二单色图像在第二能量级采集；获得所述第一单色图像与所述第二单色图像之间的质量衰减系数的比率(68，78)；以及基于质量衰减系数的所述比率来计算关于所述物体的材料的原子序数(70)。2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一单色图像和所述第二单色图像从材料密度图像获得。3.如权利要求1所述的方法，其中质量衰减系数的所述比率在逐像素基础上、基于所述第一单色图像和所述第二单色图像获得(78)。4.如权利要求1所述的方法，还包括确定用于基于预定的阈值从质量衰减系数来获得原子序数图像的传递函数，其中通过计算在所述第一和第二能量级两个或更多元素的质量衰减系数的比率来确定所述传递函数。5.如权利要求4所述的方法，其中所述预定的阈值对应于应用的最小线性衰减值或图像噪声值(86)。6.如权利要求1所述的方法，还包括分析所述原子序数以识别所述物体的材料成分。7.如权利要求1所述的方法，还包括通过基于阈值变换比率图像(80)来生成原子序数图像。8.—种图像分析系统，包括成像源(14)，配置成产生成像光束(42);检测器(16),配置成检测穿过物体(20)的所述成像光束；以及处理器，配置成采集所述物体的第一单色图像和第二单色图像(66,76)，其中所述第一单色图像在第一能量级采集，并且所述第二单色图像在第二能量级采集；计算所述第一单色图像和所述第二单色图像的像素之间的质量衰减系数的比率(68，78);基于质量衰减系数的所述比率来计算原子序数(70);以及分析所迷原子序数以识别所述物体的材料成分(72)。9.如权利要求8所述的图像分析系统，其中所述处理器配置成在逐像素&出上、基于所述第一单色图像和所述第二单色图像，来获得质量衰减系数的所述比率(78)。10.—种计算机可读介质，包括适用于访问物体的第一单色图像和第二单色图像的代码，其中所述第一单色图像在第一能量级采集，并且所述第二单色图像在第二能量级采集(76);适用于获得所述单色图像之间的质量衰减系数的比率的代码(78);以及适用于基于质量衰减系数的所述比率来计算关于所述物体的材料的原子序数的代码(70)。全文摘要本发明名称为“源于有效原子序数计算的材料成分检测”。提供一种用于计算形成通过放射线形态成像的物体的材料的原子序数的技术。该方法包括访问物体的第一单色图像和第二单色图像(76)，第一单色图像在第一能量级采集，并且第二单色图像在第二能量级采集。第一单色图像与第二单色图像之间的质量衰减系数的比率可获得(78)。基于质量衰减系数的比率，可计算物体的材料的原子序数(82)。文档编号G01N23/04GK101598686SQ200910140680公开日2009年12月9日申请日期2009年6月5日优先权日2008年6月6日发明者X·吴申请人:通用电气公司