多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统及成像方法

技术领域

本申请涉及辐射成像技术领域，特别涉及一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统及成像方法。

背景技术

过去数十年中，传统的X射线衰减成像已经在医疗、安检、工业损伤检测等领域广泛使用。X射线衰减成像对材料的原子序数以及电子密度属性敏感度高，可有效区分轻重材料。然而对于元素组成相近的不同材料，X射线衰减信号区分度较小。1912年，劳厄提出晶体材料的晶面可作为光栅对X射线产生衍射效应，自此X射线衍射(XRD)作为一种材料分子排布规律分析工具受到广泛关注。商业粉末X射线衍射仪基于角度色散X射线衍射(ADXRD)原理，被应用于晶体成分定量分析等任务。在安检场景中，基于能量色散的X射线衍射(EDXRD)安检机已经在易燃液体检测、爆炸物晶体粉末检测任务中发挥重要作用。近年来，大量实验指出XRD在生物样品检测应用中具有重要价值，XRD的材料指征性在乳腺癌检测、结石成分分析以及肉品瘦肉率分析任务中具有突出优势。

尽管XRD技术具有强大的材料辨识能力，但现有的商业化XRD系统并未关注衍射信号的空间分布信息，并未最大化利用XRD技术。在成熟的商业粉末衍射仪中，系统所测衍射信号来源于被入射X射线照射的全样本区域，不具有衍射信号空间分辨能力。而安检EDXRD系统通过前后多孔准直器配合，对空间不同位置衍射信号并行测量，获取空间不同位置的材料分布信息，具有初步的空间分辨能力。X射线衍射断层成像技术(XRDT)指对二维断层平面内每一位置衍射谱测量的技术，是XRD技术在二维空间的延拓。安检EDXRD系统采用前后多针孔准直器配合定位，是一种初步的XRDT系统，其由于小衍射角的几何效应，空间分辨率较差，通常大于1cm。同时，安检EDXRD系统使用的多针孔后准直器阻挡了大量瑞利散射光子，信号利用率低，采集时间长。随后，编码孔技术被引入EDXRD系统，编码孔XRDT(CAXRDT)基于压缩感知数据采集原理，以编码孔替代EDXRD的多针孔后准直器，使得信号利用率提升一个量级，其采样时间也从百秒量级缩短至数十秒，但其在透射方向空间分辨率仍然较低。另一方面，旋转扫描的XRDT系统采用传统笔束或扇束CT扫描方式，其基于Radon变换理论实现了目前最高的衍射成像空间分辨率，易达到1mm级别。然而，在笔束旋转扫描的XRDT系统中，每个旋转视角下仍需要笔束平移扫描运动，总成像时间约数小时。扇束旋转扫描的XRDT系统采用狭缝准直器形成扇束照明，并增加了栅格化后准直器，其无需每个旋转视角下的平移扫描，简化了机械运动复杂度，但由于栅格后准直器对散射光子的阻挡，散射光子接受率并未显著提升，扫描仍需数小时。成像时间长是旋转扫描的XRDT系统最主要的问题之一。

现有XRDT系统空间分辨率或数据采集时间的瓶颈成为XRDT技术在精细化样本检测任务中应用的主要瓶颈。

发明内容

本申请提供一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统及成像方法，以解决相关技术中X射线衍射断层成像空间分辨率低，数据采集时间长等问题。

本申请第一方面实施例提供一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像，包括：X射线源，用于产生连续能谱的锥束入射X射线；狭缝准直器，所述狭缝准直器设置于所述锥束入射X射线的传播路径上，以使所述锥束入射X射线经过所述狭缝准直器后，形成扇束入射X射线；放置待成像物体的载物台，所述载物台设置于所述扇束入射X射线的传播路径上，以使所述待成像物体被所述扇束入射X射线照射后产生原始衍射X射线；编码孔模板，所述编码孔模板设置于所述原始衍射X射线的传播路径上，以使所述原始衍射X射线通过所述编码孔模板后形成编码衍射X射线；射线阻挡器，所述射线阻挡器设置于所述载物台和所述编码孔模板之间，用于吸收穿透过所述待成像物体的扇束透射X射线；能量色散光子计数探测器，所述能量色散光子计数探测器设置于所述编码衍射X射线的传播路径上，用于探测所述待成像物体在多个成像角度下对应的所述编码衍射X射线，得到多角度编码衍射探测信号；图像重建模块，用于利用成像系统精确模型对所述多角度编码衍射探测信号进行重建，得到所述待成像物体的衍射断层重建结果。

可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：机械运动模块，所述机械运动模块用于控制所述待成像物体运动，以改变所述待成像物体相对于所述X射线源和所述能量色散光子计数探测器的成像角度。

可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：模型计算模块，用于根据所述成像系统的实际标定参数对成像系统一般物理模型进行计算，得到所述成像系统精确模型，其中，所述成像系统一般物理模型为所述多角度编码衍射探测信号与所述衍射断层重建结果间的物理关系。

可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：标定模块，用于对探测器能量响应矩阵、所述扇束入射X射线的谱形、成像系统几何参数进行标定，得到所述成像系统的实际标定参数。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述图像重建模块进一步用于，根据所述成像系统精确模型构建迭代优化目标函数，通过对所述迭代优化目标函数进行优化得到所述待成像物体的衍射断层重建结果。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述图像重建模块进一步用于，基于所述成像系统精确模型，利用多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像数据训练深度神经网络，通过训练后的所述深度神经网络对所述多角度编码衍射探测信号进行重建，得到所述待成像物体的衍射断层重建结果。

本申请第二方面实施例提供一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像方法，利用上述实施例所述的多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统，包括以下步骤：控制所述待成像物体运动，使得所述待成像物体相对于所述X射线源和所述能量色散光子计数探测器形成多个成像角度；采集所述待成像物体在多个成像角度下对应的多角度编码衍射探测信号；利用成像系统精确模型对所述多角度编码衍射探测信号进行重建，得到所述待成像物体的衍射断层重建结果。

可选地，在本申请的一个实施例中，在利用成像系统精确模型对所述多角度编码衍射探测信号进行重建之前，还包括：根据所述成像系统的实际标定参数对成像系统一般物理模型进行计算，得到所述成像系统精确模型，其中，所述成像系统一般物理模型为所述多角度编码衍射探测信号与所述衍射断层重建结果间的物理关系。

可选地，在本申请的一个实施例中，利用成像系统精确模型对所述多角度编码衍射探测信号进行重建，得到所述待成像物体的衍射断层重建结果，包括：根据所述成像系统精确模型构建迭代优化目标函数，通过对所述迭代优化目标函数进行优化得到所述待成像物体的衍射断层重建结果。

可选地，在本申请的一个实施例中，利用成像系统精确模型对所述多角度编码衍射探测信号进行重建，得到所述待成像物体的衍射断层重建结果，包括：基于所述成像系统精确模型，利用多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像数据训练深度神经网络，通过训练后的所述深度神经网络对所述多角度编码衍射探测信号进行重建，得到所述待成像物体的衍射断层重建结果。

本申请的多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统及成像方法，将旋转扫描XRDT高空间分辨率优势与编码孔成像加速采集的优势结合，提出一种新的高空间分辨率快速XRDT系统，定义为多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统(多角度扫描CAXRDT)，可以有效满足XRDT技术在临床医学诊断及材料样本分析中的应用。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请实施例提供的一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统结构示意图；

图2根据本申请实施例提供的编码孔模板示意图；

图3根据本申请实施例提供的酒精样本示意图；

图4据本申请实施例提供的酒精样本编码衍射探测信号示意图；

图5根据本申请实施例提供的酒精样本在不同散射向量处重建结果示意图；

图6为根据本申请实施例提供的一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

XRD信号是X射线光子与物质发生瑞利散射的宏观体现，其反应物质分子间结构信息，具有极强的材料指针性。近年来，XRD技术在医疗和安检中的应用价值成为技术关注热点，XRDT是XRD检测向着精细化、可视化发展的必然技术方向。然而现有安检EDXRD、快照CAXRDT系统在透射方向的空间分辨率大于1cm，在对存在高频空间结构的样本检测时部分容积效应严重。另一方面，旋转扫描XRDT能实现高空间分辨率样本检测，但扫描时间长达数小时，难以满足实际应用需求。本申请的实施例旨在结合旋转扫描方法的各向同性高空间分辨率优势以及编码孔压缩感知数据采集的快速并行优势，提出一种新的适宜实际应用扫描时间的精细化XRDT系统，称为多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统(多角度扫描CAXRDT)，从而满足临床医学诊断和材料样本分析应用对成像速度和成像空间精度的需求。

下面参考附图描述本申请实施例的多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统。

图1为根据本申请实施例提供的一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统结构示意图。

如图1所示，该多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统包括：一个医疗或安检常用的X射线源、一个狭缝准直器、一个用于放置样本/物体的载物台、一个射线阻挡器、一个编码孔模板、一个能量色散光子计数探测器。

在多角度扫描CAXRDT系统成像过程中，X射线源产生连续能谱的锥束入射X射线。狭缝准直器设置于锥束入射X射线的传播路径上，锥束入射X射线经过狭缝准直器后，形成扇束入射X射线。载物台设置于扇束入射X射线的传播路径上，待成像物体被扇束入射X射线照射后产生原始衍射X射线。编码孔模板设置于原始衍射X射线的传播路径上，原始衍射X射线通过编码孔模板后形成编码衍射X射线。射线阻挡器设置于载物台和编码孔模板之间，扇束入射X射线直接穿透过物体的部分被射线阻挡器吸收。能量色散光子计数探测器设置于编码衍射X射线的传播路径上，用于探测待成像物体在多个成像角度下对应的编码衍射X射线，得到多角度编码衍射探测信号。图像重建模块，用于利用成像系统精确模型对多角度编码衍射探测信号进行重建，得到待成像物体的衍射断层重建结果。

在成像角度

可选地，在本申请的实施例中，多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统还包括机械运动模块。机械运动模块用于控制待成像物体运动，以改变待成像物体相对于X射线源和能量色散光子计数探测器的成像角度。

在扫描过程中，控制机械运动模块使被待成像物体相对于X射线源和探测器变换成像角度，在每一个角度下采集编码衍射X射线，最终得到多角度编码衍射探测信号

图像重建模块利用成像系统精确模型对多角度编码衍射探测信号I

可选地，在本申请的一个实施例中，多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统还包括：模型计算模块。模型计算模块用于根据成像系统的实际标定参数对成像系统一般物理模型进行计算，得到成像系统精确模型，其中，成像系统一般物理模型为多角度编码衍射探测信号I

定义视野中心为全局坐标系坐标原点用o表示，以垂直于探测器平面的轴为X轴，Y轴与狭缝准直器的狭缝平行，Z轴垂直于狭缝并平行于探测器平面，

其中，R(E,E')为探测器的能量响应矩阵，

公式(2)和(3)中μ(x,y,z,E)为待重建物体在能量E下的三维衰减系数分布，l{(x

可选地，在本申请的实施例中，多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统还包括：标定模块，用于对探测器能量响应矩阵、扇束入射X射线的谱形、成像系统几何参数进行标定，得到成像系统的实际标定参数。

多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统的精确模型是对多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统的一般物理模型根据实际标定参数进行数值计算所得结果。该过程包括探测器能量响应矩阵R(E,E')标定、扇束入射X射线的谱形

探测器能量响应矩阵R(E,E')标定：可以采用金属粉末X射线荧光方法标定获得探测器能量响应矩阵、也可以采用晶体粉末衍射标定方获得探测器能量响应矩阵，还可采用蒙特卡罗仿真方法获得探测器能量响应矩阵。

扇束入射X射线的谱形

系统几何参数标定指能量色散光子计数探测器空间位置标定和编码孔模板空间位置标定，通过换用笔束准直器测量笔束X射线照射下，探测器所测笔束X射线直射信号电机步进平移变化关系标定。

系统因子计算：根据系统几何参数标定结果，在离散化物体像素和离散化探测器像素情况下计算公式(1)中

I

可选地，在本申请的一个实施例中，图像重建模块进一步用于，根据成像系统精确模型构建迭代优化目标函数，通过对迭代优化目标函数进行优化得到待成像物体的衍射断层重建结果。

对多角度编码衍射探测信号I

其中l

可采用梯度下降法、交替迭代优化方法(ADMM)、分裂Bregman方法对f优化得到衍射断层重建结果f。

可选地，在本申请的一个实施例中，图像重建模块进一步用于，基于成像系统精确模型，利用多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像数据训练深度神经网络，通过训练后的深度神经网络对多角度编码衍射探测信号进行重建，得到待成像物体的衍射断层重建结果。

对多角度编码衍射探测信号I

设计深度神经网络记为

本申请实施例的多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统，可以在几分钟时间内完成扫描，是领域内第一个分钟时间量级的精细化衍射断层成像系统。其将旋转扫描的高空间分辨率优势与编码孔压缩感知快速并行数据采集的优势结合，在数分钟时间内对被扫描物体实现衍射谱成像，获取每一像素处的衍射谱，指征性地对被扫描物体材料分布成像，材料分布成像的空间分辨率可达1mm级别。多角度扫描CAXRDT系统有效满足了临床医学诊断和材料样本分析应用对成像速度和成像空间精度的需求。

提出了多角度扫描CAXRDT系统易实施的系统标定方法、实际精确模型计算方法及图像重建方法，这些方法与多角度扫描CAXRDT系统配合，充分考虑离散化实施因素、衰减因素、衍射角及衍射立体角变化等物理效应和实际因素，可对在多角度扫描CAXRDT系统采集的数据准确稳定的重建，获得最优效果。

下面通过具体实施例对本申请的多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统进行详细说明。

多角度扫描CAXRDT系统采用钨阳极X射线源，工作状态下，其管电压为100kV，电流为5mA。采用两级狭缝准直器共同形成扇束入射X射线，第一级狭缝准直器开槽长为40mm，宽为0.5mm，距离X射线源焦点100mm。第二级狭缝准直器开槽长为50mm，宽为0.5mm，距离X射线源焦点300mm。X射线源出束口到两级狭缝准直器之间的光路用铅皮包裹，屏蔽多余的X射线。载物台为直径80mm的转台，距离X射线源焦点400mm，使用时样本放置区域为以载物台旋转中心为圆心，50mm直径的范围，即本系统成像视野。编码孔模板和能量色散光子计数探测器共同安装在可沿YZ方向平移的机械平台上，编码孔模板距载物台旋转中心150mm，能量色散光子计数探测器距载物台旋转中心300mm，二者相对位置固定，均位于扇束入射X射线上方。本实施例使用的编码孔模板为1.5mm厚的钨板，在其上规划40列8行候选孔位(320个候选孔位)分布在40mm×8mm的长条区域内，候选孔位行列周期间隔均为2mm，从中随机选择160个候选孔位加工通孔，每个通孔为1mm边长的正方形，编码孔模板示意图如图2所示。能量色散光子计数探测器有64×16个探测器像素，探测器像素边长为1.6mm。工作状态下，设置其测量能谱范围为21keV-100keV，间隔为1keV。

对样本扫描时，将样本置于载物台上系统的成像视野内，在360°圆周内均匀设置15个数据采集视角，每个采集视角下，探测器数据采集时间为80s。忽略转台运动时间，一次扫描总时间为20min。(由于本实施例中探测器仅位于扇束入射X射线上方，若编码孔模板和光机计数探测器探测区域同时覆盖扇束入射X射线两侧，时间可缩短一半。15个角度下的编码衍射探测信号I

在将能量色散光子计数探测器装入多角度扫描CAXRDT系统前，预先使用金属粉末荧光方法标定探测器能量响应矩阵R(E,E')。用该能量色散光子计数探测器测量光机100keV的能谱，并对探测器响应求逆得到100keV时扇束入射X射线的谱形

将能量色散光子计数探测器装入多角度扫描CAXRDT系统，在X射线源前安装针孔准直器产生笔束X射线照射探测器，分别以0.1mm步长沿着YZ方向平移探测器，观察计数率最大的像素随着YZ方向平移的变化，得到探测器相对于中心笔束的位置Y

进一步安装编码孔模板，用铅皮贴住其余编码孔,仅留下中心编码孔作为标定孔，以0.1mm平移步长调节YZ电机，使得笔束X射线透过该标定孔照射到探测器的总计数率最大，此时标定孔正对中心笔束,记录电机平移位置，Y

根据以上系统标定结果计算公式(1)中的系统因子，得到多角度扫描CAXRDT的实际精确模型H

多角度扫描CAXRDT重建时，采用基于模型的迭代重建方法对编码衍射探测信号I

l

其中l

采用基于分割的被扫描物体三维衰减系数分布估计，对于每一个被扫描物体，在第一次重建时不考虑物体对射线的衰减即μ(x,y,z,E)≡0，对物体进行初步重建。对初步重建结果阈值分割，对有物体的部分用水的衰减系数替代来近似估计被扫描物体三维衰减系数分布。得到被扫描物体三维衰减系数分布后，计算入射衰减因子

本申请实施例提出的多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统，将旋转扫描XRDT高空间分辨率优势与编码孔成像加速采集的优势结合，提出一种新的高空间分辨率快速XRDT系统，定义为多角度扫描CAXRDT，可以有效满足XRDT技术在临床医学诊断及材料样本分析中的应用。

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像方法。

图6为根据本申请实施例提供的一种多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像方法的流程图。

如图6所示，该多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像方法利用上述实施例的多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统，成像方法包括以下步骤：

步骤S101，控制待成像物体运动，使得待成像物体相对于X射线源和能量色散光子计数探测器形成多个成像角度。

在步骤S102中，采集待成像物体在多个成像角度下对应的多角度编码衍射探测信号。

在步骤S103中，利用成像系统精确模型对多角度编码衍射探测信号进行重建，得到待成像物体的衍射断层重建结果。

可选地，在本申请的一个实施例中，在利用成像系统精确模型对多角度编码衍射探测信号进行重建之前，还包括：根据成像系统的实际标定参数对成像系统一般物理模型进行计算，得到成像系统精确模型，其中，成像系统一般物理模型为多角度编码衍射探测信号与衍射断层重建结果间的物理关系。

可选地，在本申请的一个实施例中，利用成像系统精确模型对多角度编码衍射探测信号进行重建，得到待成像物体的衍射断层重建结果，包括：根据成像系统精确模型构建迭代优化目标函数，通过对迭代优化目标函数进行优化得到待成像物体的衍射断层重建结果。

可选地，在本申请的一个实施例中，利用成像系统精确模型对多角度编码衍射探测信号进行重建，得到待成像物体的衍射断层重建结果，包括：基于成像系统精确模型，利用多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像数据训练深度神经网络，通过训练后的深度神经网络对多角度编码衍射探测信号进行重建，得到待成像物体的衍射断层重建结果。

可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：对探测器能量响应矩阵、扇束入射X射线的谱形、成像系统几何参数进行标定，得到成像系统的实际标定参数。

需要说明的是，前述对多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像系统实施例的解释说明也适用于该实施例的多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像方法，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的多角度扫描编码孔X射线衍射断层成像方法，将旋转扫描XRDT高空间分辨率优势与编码孔成像加速采集的优势结合，提出一种新的高空间分辨率快速XRDT系统，定义为多角度扫描CAXRDT，可以有效满足XRDT技术在临床医学诊断及材料样本分析中的应用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。