多能量x射线显微镜数据采集及图像重建系统及方法
【专利说明】多能量X射线显微镜数据采集及图像重建系统及方法
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[0002]相关申请
[0003]本申请要求申请号为N0.13/768,689，申请日为2013年2月15日的美国专利申请的优先权，该申请以引用形式以其整体并入本文。
【背景技术】
[0004]高分辨率X射线成像系统，又称为X射线成像显微镜(“XRM” )，为诸多产业和研宄应用，如材料科学、临床研宄以及故障分析提供了样品内部结构的高分辨率/高倍放大的无损图像。XRM不需要切割开样品，就可以显现样品内的特征。XRM为X射线显微镜学领域的一部分。
[0005]XRM通常用于执行样品的计算机断层(“CT”)扫描。CT扫描为通过一系列不同角度的投影生成三维断层体的过程。XRM通常以二维截面图或三维断层体数据集的“片”表示这些断层体。利用基于背部投影的软件重建算法及其他图像处理技术，该断层体由投影数据生成，以揭示并分析样品内部的特征。
[0006]操作者选择扫描参数，如X射线能量值、曝光时间以及滤光镜设置，并指示XRM执行CT扫描“运转”。对于每次运转，操作者或自动装载器将样品安装在X射线源和X射线检测系统之间，并使样品曝光于X射线的光束中。XRM使样品在X射线光束中旋转，并且其检测系统在样品的每个旋转角度检测透射过样品并被样品调制的X射线。
[0007]在运转过程中，在X射线到达X射线检测系统之前，样品会吸收或散射一些X射线。该X射线检测系统接收穿过样品并被样品空间调制的X射线衰减光子通量。该检测系统以像素为单位，创建与该检测系统产生反应的X射线光子的图像再现。X射线吸收随样品密度和厚度的增加而增加，并且对于内部具有在元素周期表中原子序数(“Z”)更高的元素的样品，通常还会更高。
[0008]操作者使用标准操作程序和最公知的方法(“BKM”)选择最优化“运转”环境。BKM为帮助操作者确定最优化X射线源电压设置、光束预滤器以及与特定样品相关的检测器设置的工作流程的书面指示。处理后生成的样品三维图像再现又被称为重建断层体数据集。
[0009]操作者通常使用软件控制操作XRM。对于每一个扫描运转，又称为单能扫描，操作者都设置扫描参数。扫描参数包括变量，如X射线源电压设置、曝光时间以及源滤光镜设置。
[0010]XRM的一相关技术为X射线荧光(“XRF”)显微术。XRF显微术使用X射线的方式与XRM不同。操作者使用与XRF相关的次级X射线能量发射或荧光，以唯一地识别样品内的每个原子元素(“Z”)。
[0011]在XRM中，用于在样品中衰减的对比度装置在感兴趣的X射线能量区域具有两个主要成分，称为光电吸收成分以及康普顿散射成分。在光电吸收过程中，X射线被原子的束缚电子完全吸收，并使电子从原子中发射出去。在康普顿散射过程中，入射X射线损失部分能量，并通过分散电子被重定向。由于照亮的X射线光束的衰减造成的两成分的影响均促成了 XRM中的图像。
[0012]光电吸收和康普顿散射过程的相对强度为入射X射线的能量和与该X射线相互作用的原子的原子序数Z的强函数。因光电效应产生的吸收通常占据较低的能量并且与X射线能量的四次方成反比，大量衰减。因康谱顿散射效应产生的吸收占据较高的能量，并且X射线能量衰减更慢(与能量的一次方成反比)。
[0013]光电和康普顿散射吸收的临界点被称为“拐点”，在该拐点处吸收的衰减从与能量的四次方成反比变化为与能量的一次方成反比。该拐点为原子的原子序数Z的特征并随Z增加。
【发明内容】
[0014]样品X射线吸收的变化为X射线能量与原子序数的函数。当包含具有不同原子序数的物质的样品暴露于不同能量的X射线时，会表现出不同的吸收特征。因此，对样品进行两种不同的X射线能量的测量可将样品的吸收特征或X射线衰减分离为其基本成分。这种类型的测量被称为“双能量(DE) ”扫描。
[0015]操作者通常会采用不同的扫描参数对样品进行不止一次扫描，从而利用双能量扫描原则揭示更多关于样品的信息。现有XRM及其相关的成像方法的一个限制在于，在创建该样品的能量的重建体数据集之后，没有方便的方法去组合和分析数据。
[0016]本发明提供了一种如双能量的多能量X射线成像系统数据采集及图像重建系统及方法，用于组合分离的承受多种能量的重建体，并允许操作者利用DE效应操作并最优化样品的图像对比度。操作者使用该系统和方法以实现比现有XRM数据采集和图像重建系统和方法更优的图像质量和对比度，并基于样品成分的原子序数Z生成对比度。
[0017]使用DE X射线成像系统及其相关用户界面应用程序，操作者可对样品中相同的或重叠的兴趣体执行低能(“LE”)和高能(“HE”)X射线扫描。该系统通过低能投影集创建单独的低能重建断层体数据集，并通过高能投影集创建单独的高能断层体数据集。
[0018]该系统随后执行两个单独的重建断层体的配准、配比以及缩放步骤，以调整低能和高能断层数据集在空间延伸及相对位置上的缺陷。这确保了两数据集的体素的关联。
[0019]根据本发明的思想，操作者然后在断层体中选择显示有操作者感兴趣的特征的期望的片。然后，操作者例如利用二维直方图工具最优化该被选择片的组合(混合)双能量图像的图像对比度。
[0020]该二维直方图工具绘制低能片像素亮度和高能片像素亮度的比。该二维直方图中的亮度表示落入对应直方图容器的体素的数量。用户可选择的颜色表可显示该亮度，用于辅助该直方图的可见性和理解。
[0021]采用这一直方图工具，用户交互式地选择二维直方图中的一个点。该被选择的点被称为枢轴点。在直方图工具的辅助下，操作者控制二维直方图中通过该枢轴点的线的斜率，以确定低能和高能扫描的混合参数。通常，枢轴点不会影响低能和高能扫描的配比，而只会影响输出构成或合成片的缩放比。2-D直方图中的线斜率决定了 LE和HE片的混合配比(即用于组合LE和HE数据的系数)。枢轴点决定偏移值。即，合成亮度值=x*LE值+ (1-x) *HE值+偏移值。斜率决定X，而枢轴点决定偏移值。
[0022]以这种方式对单一的片进行对比度最优化之后，与最优化被选择片的对比度相关的同样的混合操作应用到低能和高能断层数据集的所有片。通过全部具有最优化图像对比度的LE和HE体数据集，创建组合(混合)体数据集。
[0023]除了为样品中的特征最优化图像对比度以外，使用双能量比为某些样品执行标准吸收技术可获得更短的采集和重建总时间。
[0024]总体上，本发明一方面重点描述了X射线成像系统的数据采集和图像重建的方法。该方法包括利用由采用低能X射线设置的X射线源生成的X射线光束执行样品的低能扫描，利用由采用高能X射线设置的X射线源生成的X射线光束执行该样品的高能扫描，生成来自低能扫描的低能重建断层体数据集，生成来自高能扫描的高能重建断层体数据集，配准，并优选地配比和缩放该低能和高能断层数据集，呈现来自低能和高能重建断层体数据集的片的视图，以及组合该低能和高能数据。
[0025]在一些实施例中，该数据采集和图像重建方法在不同的实施方式中会分别在基于物镜的X射线成像系统和基于投影的X射线成像系统中操作。低能和高能数据采集会利用不同的X射线检测器、X射线透镜、源、目标或源滤光镜执行。
[0026]总体上，本发明另一方面重点描述了在X射线成像系统中的计算机系统上执行的多能量，如双能量，对比度调节工具，包括用于显示来自低能重建断层体数据集的低能片的低能窗口，用于显示来自高能重建断层体数据集的高能片的高能窗口，具有二维片选择交互图的用于从样品中选择片的片选择窗口，显示低能体素密度比高能像素亮度值的二维直方图，位于该二维直方图工具内的枢轴点和线斜率选择工具，以及显示根据该二维直方图工具中选择的枢轴点和线斜率通过组合低能重建断层体数据集和高能重建断层体数据集生成的合成(混合)片的结果窗口。
[0027]在一些实施例中，操作者利用计算机系统上的用户界面应用程序与XRM成像系统及其组件交互，并控制该XRM成像系统及其组件，并且执行样品的数据采集、图像重建，以及对比度最优化。通常，计算机系统具有一组应用程序，如侦察和扫描数据采集应用程序，用于选择扫描参数并创建样品的LE和HE断层体数据集，以及DE对比度调节工具应用程序，用于通过该样品的已选择的LE和HE断层体数据集创建DE对比度-最优化体数据集。该用户界面应用程序显示在连接到计算机系统的显示设备上。
[0028]总体上，本发明另一方面重点描述了X射线成像系统的数据采集和图像重建方法，该方法包括:将样品加载到X射线成像系统的样品支撑物上，通过在来自X射线成像系统的X射线源系统的低能光束中旋转样品执行低能扫描，通过在来自X射线源系统的高能X射线光束中旋转样品执行高能扫描，生成来自计算机系统中的低能扫描的低能重建断层体数据集，生成来自计算机系统中的高能扫描的高能重建断层体数据集，并将来自低能和高能重建断层体数据集的片的视图呈现在计算机系统的显示设备上。
[0029]本发明另一方面通过与DE对比度-最优化体数据集相关的信息提供最优化单扫描参数，以最好地估计DE对比度-最优化体数据集的操作者选择的设置。以这种方式，操作者可以运行随后的单能扫描，并且与现有单能扫描方法创建的体数据集相比，提供了改进的对比度和图像质量。
[0030]本发明的另一目的在于提供一种DE XRM数据采集和重建系统，以及类似于X射线荧光(“XRF”)显微术的在给定样品基本成分的先验知识下提供该样品中的元素或混合物间的元素识别的方法。如果操作者具有存在于该样本的有限范围的混合物的先验知识，则直方图中的X射线像素亮度图案揭示了元素间的不同，同时也提供了区分微孔隙和化学构成的能力。为了达到这一目的，使用利用特定K边吸收特征的专业化源滤光镜。
[0031]另一方面通过该直方图计算样品内元素的摩尔浓度和有效原子序数。通过这种方式，可通过计算相关有效原子序数的原子摩尔浓度估计该样品的微孔隙。
[0032]本发明的上述特征及其他特征包括对部分的重建和组合及其他优势，该特征会参考附图被进一步详细描述，并且在权利要求书中指出。本发明实施的特定方法和设备应该理解为仅作描述目的，不作为本发明的限制。本发明的思想和特征可应用于多个不同的实施例中，均在本发明保护范围之内。
【附图说明】
[0033]在下述附图中，同一附图标记在所有不同视图中的表示同样的部件。附图不必要是成比例的，重点在于描述本发明的思想。其中:
[0034]图1为根据本发明一实施例的基于透镜的X射线成像系统的示意图；
[0035]图2为根据本发明另一实施例的基于投影的X射线成像系统的示意图；
[0036]图3A、3B和3C为图1和图2的系统中采用的滤光镜切换器装置的等比例顶视图、前视图和侧视图，该滤光镜切换器装置包括用于提高该滤光轮的稳定性和定位精度的精确调整控制装置；
[0037]图4为低原子序数元素，如钙(Z = 20)的典型的X射线吸收比X射线能量的曲线，该曲线为采用样品的双能量X射线成像以分离出样品内的性质提供了理论基础；
[0038]图5为双能量对比度调节工具的图形用户界面，界面显示了与