专利名称：伪双能欠采样物质识别系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及辐射成像技术领域，具体涉及一种伪双能欠采样物质识别系统， 能够快速，低成本进行物质识别中的成像过程，为安全检查等领域节省时间和成本。
背景技术：
近年来，由于双能CT成像技术能够获得最佳的检测精度，有效的对被检测物体重 建并进行物质识别，使其在安全检查，无损检测，医疗诊断等领域中有着十分重要的意义。目前，双能CT成像技术主要有两种实现方式一种是利用专门设计的双层探测器 实现双能成像的伪双能系统，如图1所示。按照图1所示的方法，扫描时，射线穿过物体之 后先到达第一层的低能探测器，接着穿过滤波片，最后再到达第二层的高能探测器，此时两 个透射图像上的像素自动对应相同的射线路径。另一种是利用不同能量的射线源对物体进行两次圆周扫描的真双能系统，如图2A 和2B所示。如图2A所示，在第一周扫描过程中，使用第一能量的射线对物体进行扫描。然 后将射线能量从第一能量切换到第二能量。如图2B所示，在第二周扫描过程中，使用第二 能量的射线对物体进行扫描。按照图2A和2B所示的方法，辐射剂量和扫描时间大概相当 于单次扫描的两倍。而且需要对低能和高能透射图像进行配准，确保两个图像上相同坐标 的象素对应相同的射线路径。实际中，由于伪双能系统比真双能系统节约了大概一半的扫描时间使其更易被接 受。但是又由于伪双能系统需要两层探测器同时进行采集，所以相对于真双能系统一层探 测器而言，成本是十分昂贵的，不易普及。

实用新型内容本实用新型的目的在于提出一种伪双能欠采样物质识别系统，解决在利用双能物 质识别成像技术中低成本，快速度进行物质识别的难题。和传统的伪双能CT全采样成像系 统相比，根据本实用新型实施例的系统仅使用少量几个探测器替换双能探测器中第二层的 整层探测器，有效的降低系统成本，提高识别速度。所以本实用新型实施例的系统可以应用 于安全检查，无损检测，医疗诊断等诸多领域。在本实用新型的一个方面，提出了一种伪双能欠采样物质识别系统，包括产生射 线束的射线发生装置；机械转动控制部分，包括转动装置和控制系统，实现对被检查物体的 旋转扫描；其特征在于，该系统还包括数据采集分系统，包括第一层阵列探测器和设置在 部分第一层阵列探测器后侧的第二层阵列探测器；以及主控制及数据处理计算机，连接到 与上述射线发生装置，机械转动控制部分和数据采集分系统，通过第一层阵列探测器获得 第一投影数据以重建被检测物体的CT图像，通过设置在部分第一层阵列探测器后的第二 层阵列探测器获得第二投影数据，以便对被检查物体的物质进行识别。上述伪双能物质识别系统相对于传统的伪双能系统，在第二层探测器中仅利用少 数几个探测器替换整层探测器即可完成双能物质识别成像，并在求解方程组的过程中进行
3有效的优化，降低系统成本，提高识别速度，使得双能物质识别成像系统能够大批量的应用 到实际应用中成为可能。因此，本实用新型利用基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方法有效的解决 双能物质识别成像问题中的几个关键难点，实现低成本，快速度，具有很高的市场应用潜 力。

从
以下结合附图的详细描述中，本实用新型的上述特征和优点将更明显，其中图1示出了伪双能CT成像系统圆轨迹扫描平面示意图；图2A和2B示出了真双能CT成像系统圆轨迹扫描平面示意图；图3A和3B是根据本实用新型实施例的改进的伪双能欠采样物质识别系统的结构 示意图；图4是根据本实用新型实施例的基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方法的 流程示意图；图5低成本伪双能欠采样物质识别成像扫描平面示意图；图6示出了光电系数积分和康普顿系数积分的查找表；以及图7是描述计算穿过分割的区域的射线长度的示意图。
具体实施方式
下面，参考附图详细说明本实用新型的优选实施方式。在附图中，虽然示于不同的 附图中，但相同的附图标记用于表示相同的或相似的组件。为了清楚和简明，包含在这里的 已知的功能和结构的详细描述将被省略，否则它们将使本实用新型的主题不清楚。根据本实用新型实施例的伪双能欠采样物质识别系统是采用基于CT图像的双能 投影欠采样物质识别方法的系统及其方法，如图3A和5所示，它利用第一层探测器扫描得 到的投影数据重建出被检测物体的CT图像，并利用区域图像分割方法按照衰减系数对此 断层图像进行区域分割并进行标记。同时，利用第二层少量几个探测器获得的投影数据实 现双能量物质识别成像。本实用新型实施例的伪双能系统可以通过圆轨迹扫描实现也可以通过螺旋轨迹 扫描实现，方法相似，仅有的两处不同将在以下的介绍中进行阐述。下面以圆轨迹扫描为例 介绍本实用新型实施例的伪双能系统，具体示意图，如图3A所示，主要包括以下几个部分。射线发生装置11，它包括X射线加速器、X光机或者放射性同位素，以及相应的辅 助设备，根据物体尺寸和应用背景而定。机械转动控制部分12，该部分包括一个旋转被检查物体(或者源和探测器)的转 动装置和控制系统，物体运动与源和探测器运动属于相对运动，是等价的。在医疗领域中， 由于病人不易转动，可以同时转动源和探测器实现，在本实施例中采用旋转被检查物体的 方式实现。数据采集分系统13，它主要包括第一层和第二层阵列探测器(一般是等距排列， 也可以是等角排列)，用于获取射线的透射投影数据。该分系统13还包括探测器上投影数 据的读出电路和逻辑控制单元等。探测器可以是固体探测器，也可以是气体探测器，还可以 是半导体探测器。根据本实用新型的实施例，第二层探测器包含的探测单元的数目小于，甚至远远小于第一层探测器所包含的探测单元的数目。如图3A和5所示，第二层探测单元仅 仅被设置在第一层阵列探测器的端部区域的后侧和中央部分的后侧。根据本实用新型的实施例，第二层的高能探测单元被设置成使得各个高能探测单 元所探测得到的数据之间的相关度较小，例如低于预定的阈值。阵列探测器阵列位于射线源对面固定不动，分居旋转平台的两侧。面阵探测器在 水平方向与射线源张角尽可能大，在竖直方向覆盖物体。数据采集采用时，要求采样间隔在时间轴上是均勻的，被检查物体也要是勻速运 动，并要求所有阵列探测器同步采集。主控制及数据处理计算机14，它通过控制信号及数据传输线15发送和接收信号， 负责CT系统运行过程的主控制，包括机械转动，电气控制，安全连锁控制等，并对由数据采 集分系统13获得的投影数据进行处理，通过第一层投影数据重建出被检测物体断层图像 并进行区域图像分割以及标记，同时利用第二层少量几个探测器获得的投影数据实现双能 量物质识别成像，重建出各分块区域原子序数和电子密度图像进行物质识别，最后通过显 示器显示出来。计算机14可以是高性能的单个PC，也可以是工作站或机群。图3B示出了如图3A所示的主控制及数据处理计算机14的结构框图。如图3B所 示，数据采集分系统13所采集的数据存储在存储器141中。只读存储器(ROM) 142中存储 有计算机数据处理器的配置信息和程序。随机存取存储器(RAM) 143用于在处理器146工 作过程中暂存各种数据。另外，存储器141中还存储有用于进行数据处理的计算机程序和 预先编制的数据库，该数据库存储有各种已知物体的相关信息，光电系数积分和康普顿系 数积分查找表，原子序数查找表或者原子序数分类曲线，以及物质的电子密度等信息，用于 与处理器146所计算出的被检查物体中各个区域的诸如原子序数和电子密度之类的属性 进行比较。内部总线144连接上述的存储器141、只读存储器142、随机存取存储器143、输 入装置145、处理器146和显示装置147。在用户通过诸如键盘和鼠标之类的输入装置145输入的操作命令后，该计算机程 序中的处理器146执行预定的数据处理算法，在得到数据处理结果之后，将其显示在诸如 LCD显示器之类的显示装置147上，或者直接以硬拷贝的形式输出处理结果。下面参照附图4详细描述本实用新型实施例的方法的执行过程。图4是根据本实 用新型实施例的基于双能投影欠采样物质识别方法流程示意图。在步骤S11，主控制及数据处理计算机14控制射线发生装置11、机械转动控制部 分12、和数据采集分系统13，利用圆轨迹扇束重建方法(如果是螺旋轨迹应采用螺旋轨迹 扇束重建方法)将在第一层扫描获得的投影数据采样进行CT重建，得到被检测物体的CT 断层图像。同时，利用第二层少量几个探测器获得的投影数据实现双能量投影数据欠采样， 进而可查表求出每对高低能投影对应的光电系数积分和康普顿系数积分值A。如图6所示，横纵坐标Pl，P2分别表示高低能情况下得到的投影，在表中的每一 个坐标点处都存有与此时高低能投影数据对应的光电系数积分和康普顿系数积分A的取 值。即当已知高低能投影数据时，就可通过查找此表得到与之对应的光电系数积分和康 普顿系数积分A的取值。在现有文献(“A Volumetric Object Detection Framework withDual-Energy CT” IEEE NSS/MIC 2008)中公开了上述的查找表。在步骤S12，主控制及数据处理计算机14采用基于区域分割的方法将CT重建图像
5
即光电系数 和康普顿 包子密度
根据灰度的差异分割成不同几区域并进行标记。例如，上述基于区域分割的方法是改进的 单程分裂合并分割方法。如图7所示，l」(i)表示第i条射线穿过第j割区域的长度；T(i)表示投影数据。 这样，在步骤S13，根据步骤Sll中获得的双能投影采样信息计算出第i组投影数据所对应 的射束经过第j块区域的平面长度(如果是螺旋轨迹应计算第i组投影数据所对应 的射束经过第j块区域的空间长度、(i))。在步骤S14，主控制以数据处理计算机14利用双能前处理双效应分解重建方法建 立方程组A =Σ a · 1，其中a表示康普顿系数和光电系数。令在第二层探测器扫描一周后 共获得M组高低能投射数据，将CT图像共分割成N块标记区域并用TH(i)和IY(i)表示第 i组高、低能投影数据。则通过公式(1)对线性衰减系数进行双效应分解 进而，可以将高、低能透明度用下面的公式(2)和(3)来表示 其中fph(E)表示光电截面对射线能量E的依赖关系；fKN(E)刻画康普顿截面和光 子能量的关系；Dh(E)表示高能探测器测量到的X光机射线能谱；队(E)表示低能探测器测 量到的X光机射线能谱；ai表示光电系数；a2表示康普顿系数^表示光电系数积分；A2表
示康普顿系数积分，即如下公式(4)所示 在步骤S15，求鮮步骤S14甲抅建的万桎组，计算得到a， 系数a2。然后，在步骤S16，通过公式(8)和(9)求出原子序数和E
A = α dl
从而构建线性方程组
A = Σ a · 1......(5)
具体而言，用下面的方程组(6)和(7)对&1，&2进行求解
Γ AO)/“1). "4(0" 1,24⑶/,(M).hiM)A (Μ).Z2⑴.■ 2,1ψ)α2,24(2)ΜΜ)ΜΜ).
在步骤S15，求解步骤S14中构建的方程组，计算得至
NG1^ Kl-^pZ" (η ^3)
Na2 ^K2-lP
(4)
) 6
/Ix
6[0051]其中Z表示原子序数，P表示电子密度，NA表示阿伏加德罗常数,K1为常数即包含 其它所有与射线能量和物质参数无关的系数，K2为常数即包含其它所有与射线能量和物质 参数无关的系数。这样即可求出分块区域物质的原子序数和电子密度，从而有效的对物质 进行识别。例如，基于查找表方法或者分类曲线的方法利用原子序数来对被检查物体的各 个区域中的物质进行识别。根据另一实施方式，可以同时使用计算的原子序数和电子密度 来对物质进行识别。在利用基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方法求解的步骤S15中是直接用 最小二乘的方法求解上述构建的方程组。但是，我们知道通常360度圆周扫描，按照每旋转 一度进行一次扫描，一共可以得到360个采样。并且，在每次采样中会同时获得第二层探测 器个数倍的360个投影数据，那么双能投射数据的取值M大概是在千条量级，如此大的计 算量会严重影响计算时间。并且由于投影数据采集比较密集，导致方程之间的相关性很强。 另外，在实际中，还有系统噪声，周围环境噪声等其它因素的影响，很容易导致方程组的解 不唯一或者无解。本实用新型实施例的系统不但利用了基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方 法，并且在其基础上将步骤S15求解方程组的过程进行了优化，使本实用新型实施例的系 统能够更快速的解决实际问题。优化方法如下第一步将扫描360度一周后的第二层的少量几个探测器获得的投影数据与其对 应的第一层探测器获得的投影数据组成的双能量投影数据对应的射束经过每块区域的长 度、(i)矩阵中所有特征相同的射线进行分类(特征相同即穿过一块区域，穿过两块区 域，...，穿过N块区域)，再在每类中只取出一条直线代表所有的和这条射线特征相同的直 线信息，得到由新的条数M’组成的矩阵，其对应的光电系数积分为A'工，康普顿系数积分 为 A' 2。第二步用最小二乘的方法对新的条数M’组成的方程组进行求解，从而求出 和 的近似值，求解完毕。如上所述，本实用新型实施例的伪双能欠采样物质识别成像检测系统利用基于CT 图像的双能投影欠采样物质识别方法，在第二层探测器中仅利用少量的探测器进行双能数 据采样，并将该方法中解方程组的部分进行优化，有效的实现了低成本，快速度的双能物质 识别成像。具有应用于安全检查，无损检测，医疗诊断等领域的潜力。上面的描述仅用于实现本实用新型的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在 不脱离本实用新型的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本实用新型的权利要求来限 定的范围，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求一种伪双能欠采样物质识别系统，包括产生射线束的射线发生装置；机械转动控制部分，包括转动装置和控制系统，实现对被检查物体的旋转扫描；其特征在于，该系统还包括数据采集分系统，包括第一层阵列探测器和设置在部分第一层阵列探测器后侧的第二层阵列探测器；以及主控制及数据处理计算机，连接到与上述射线发生装置，机械转动控制部分和数据采集分系统，通过第一层阵列探测器获得第一投影数据以重建被检测物体的CT图像，通过设置在部分第一层阵列探测器后的第二层阵列探测器获得第二投影数据，以便对被检查物体的物质进行识别。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第二层阵列探测器中的探测器单元仅仅 被设置在第一层阵列探测器两端的区域和中央的区域后侧。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于第二层阵列探测器包含的探测单元的数目小 于第一层阵列探测器所包含的探测单元的数目。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述数据采集分系统包括第一和第二层阵列 探测器上投影数据的读出电路和逻辑控制单元。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述主控制及数据处理计算机是PC、工作站 或机群。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于第二层阵列探测器的探测单元被设置成使得 各个探测单元所探测得到的数据之间的相关度低于预定的阈值。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一层和第二层阵列探测器是等距排列 或者等角排列的。
专利摘要公开了一种伪双能欠采样物质识别系统。该系统利用基于CT图像的双能投影欠采样物质识别方法，在第二层探测器中仅利用少量的探测器进行双能数据采样，并将该方法中解方程组的部分进行优化，有效的实现了低成本，快速度的双能物质识别成像。具有应用于安全检查，无损检测，医疗诊断等领域的潜力。
文档编号G01N23/04GK201666881SQ20092010853
公开日2010年12月8日 申请日期2009年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者刘圆圆, 张丽, 赵自然, 邢宇翔, 陈志强 申请人:清华大学;同方威视技术股份有限公司