Brevet FR2935049A1 — publié le 20100219

B09-2851FR Au nom de : Tsinghua University Nuctech Company Limited Procédé de reconstruction d'image pour système de tomodensitométrie de double énergie à haute énergie Invention de : ZHANG Li CHEN Zhiqiang KANG Kejun HU Haifeng XING Yuxiang DUAN Xinhui LI Yuanjing LIU Yinong HUANG Qingping Priorité d'une demande de brevet déposée en République Populaire de Chine le 13 août 2008 sous le n° 200810118304.2 Procédé de reconstruction d'image pour système de tomodensitométrie de double énergie à haute énergie La présente invention concerne la technologie de la radiographie, en particulier un procédé de reconstruction d'image pour une image de CT à double énergie avec des rayons X de haute énergie. La technique de la tomodensitométrie (CT) a été largement appliquée dans les domaines du diagnostic médical et de la détection industrielle sans perte. La demande en technique de CT, incluant l'application d'un nombre considérable de systèmes d'imagerie par CT basés sur l'imagerie par rayons X (appelés en abrégé ci-après systèmes de XCT), dans le domaine de la sécurité publique et de la protection sociale croît également avec l'évolution de la société. Les systèmes de XCT peuvent être classés en CT mono énergie et CT double énergie en termes de techniques d'imagerie utilisées. Les XCT mono énergie et double énergie dont les techniques sont relativement élaborées sont les XCT majoritaires dans les applications réelles, bien que la technique d'imagerie multi énergie par rayons X ait effectué quelques progrès. La XCT mono énergie permet d'obtenir des informations sur la structure interne et les caractéristiques physiques d'un objet, en reconstruisant une image des coefficients d'atténuation du tomogramme de l'objet, tandis qu'elle ne peut pas distinguer et déterminer exactement de quelle substance est constitué l'objet. D'autre part, la XCT double énergie permet d'obtenir non seulement des informations sur le coefficient d'atténuation de la substance présente dans l'objet mais également des informations sur la composition de la substance par l'approche de reconstruction. Des informations typiques sur la composition de la substance sont par exemple le nombre atomique effectif et la densité caractéristique équivalente d'une substance. Avec ces informations, il est possible d'effectuer la reconnaissance d'une substance avec une haute précision et ainsi, de fournir une approche d'inspection efficace dans le domaine de la sécurité publique. La technologie de la XCT double énergie est parvenue à un stade relativement élaboré et elle a été largement utilisée en imagerie médicale et en inspection de sécurité sur des objets de petite taille. Dans la plupart des systèmes XCT double énergie, des rayons X de basse énergie, généralement inférieure à 200 keV, sont couramment utilisés en imagerie. Les raisons du choix d'un spectre de basse énergie sont : premièrement, qu'il est plus facile de générer des rayons X de basse énergie au moyen d'un tube à rayons X et que la protection contre le rayonnement peut être mise en oeuvre d'une manière plus simple pour des rayons X de basse énergie, deuxièmement, que les coefficients d'atténuation des différentes substances varient fortement dans ce spectre d'énergie et ainsi, l'image d'une substance est plus facile à distinguer ; enfin, que l'objet balayé est habituellement de petite taille et atténue moins les rayons X, ce qui permet d'appliquer des systèmes de XCT double énergie utilisant des rayons X de basse énergie. Dans l'inspection de sécurité de cargaisons importantes, l'aptitude à la pénétration des rayons X dans le spectre d'énergie inférieure est toutefois loin d'être suffisante et il est ainsi impossible d'obtenir des données de projection nettes et utilisables pour la reconstruction d'image. En général, des rayons X appartenant au spectre d'énergie de l'ordre du MeV, allant de 1 à 10 MeV, sont requis pour la radiographie par rayons X. Les procédés classiques de reconstruction à double énergie à basse énergie ne conviennent plus pour le spectre d'énergie de l'ordre du MeV, en raison du fait fondamental que dans ces procédés, l'interaction entre les rayons X et une substance ne produit que deux types d'effets, l'effet photoélectrique et la dispersion de Compton, sans effet de paire d'électrons. D'autre part, dans l'application d'une technologie de double énergie à haute énergie, les rayons X possèdent en général une énergie supérieure à l'énergie la plus basse de 1,02 MeV produite par l'effet de paire d'électrons. En conséquence, les procédés classiques basés sur les deux types d'effets ci-dessus ne peuvent plus être adoptés et il est souhaitable de mettre au point une nouvelle technologie pour l'application de double énergie à haute énergie. L'objectif de la présente invention et de fournir un procédé de reconstruction de CT à double énergie basé sur des rayons X de haute énergie (supérieure à 1 MeV), traitant le problème de l'inspection par XCT double énergie de cargaisons de grande taille. Avec le procédé selon la présente invention, il est possible d'acquérir précisément et efficacement le nombre atomique et le tomogramme de densité caractéristique pour l'identification de matériaux et ainsi, de fournir un procédé hautement efficace pour l'inspection de sécurité de cargaisons de grande taille. Le système de CT à double énergie selon la présente invention peut utiliser une source de rayonnement et un détecteur permettant d'obtenir des informations de double énergie, d'obtenir des données de projection en utilisant une trajectoire circulaire de CT standard ou une quelconque autre approche convenable d'acquisition de données, et d'utiliser les données de projection pour reconstruire un tomogramme. Selon un aspect de la présente invention, un procédé de reconstruction d'image dans un système de CT de double énergie à haute énergie est fourni, comprenant les étapes consistant à balayer un objet avec des rayons de double énergie à haute énergie pour obtenir des valeurs de projection de double énergie à haute énergie, calculer les valeurs de projection des coefficients du matériau de base correspondant aux valeurs de projection à double énergie en se basant sur un tableau de correspondance créé à l'avance ou en résolvant de façon analytique un système d'équations, et obtenir une image de la distribution des coefficients du matériau de base en se basant sur les valeurs de projection des coefficients du matériau de base. Les rayons de double énergie à haute énergie ont de préférence une énergie supérieure à 1 MeV. Le tableau de correspondance est créé de préférence en choisissant deux matériaux de base différents, en calculant les valeurs de projection avec des rayons de double énergie pénétrant dans les deux matériaux de base dans des combinaisons d'épaisseurs différentes et en créant un tableau de correspondance sous la forme d'une correspondance entre des valeurs de projection de haute et de basse énergie et les différentes combinaisons d'épaisseur. La résolution analytique d'un système d'équations comprend de préférence l'acquisition d'une combinaison d'épaisseurs correspondante en résolvant un système d'équations de projection de haute et de basse énergie sous la décomposition du matériau de base en utilisant les valeurs de projection de double énergie à haute énergie réellement obtenues. Le nombre atomique et la densité caractéristique sont de préférence des quantités physiques équivalentes dans le cas où l'objet contient un mélange ou un composé. Le procédé de reconstruction d'image comprend en outre de préférence une étape de calcul d'une image de nombre atomique de l'objet détecté en se basant sur l'image de la distribution des coefficients du matériau de base. Le procédé de reconstruction d'image comprend en outre de préférence une étape de calcul d'une image de densité caractéristique de l'objet détecté en se basant sur l'image de la distribution des coefficients du matériau de base. Le procédé de reconstruction d'image comprend en outre de préférence une étape de calcul d'une image de coefficient d'atténuation de l'objet détecté en se basant sur l'image de la distribution des coefficients du matériau de base. Le procédé de la présente invention fournit une solution pour la reconstruction avec une technologie de CT de double énergie à haute énergie et ainsi, une approche plus efficace d'identification de substances et de contrôle de contrebande, en apportant ainsi une amélioration significative à la précision et au rendement de l'inspection de sécurité. Les avantages et caractéristiques ci-dessus de la présente invention apparaîtront d'après la description détaillée qui suit effectuée conjointement avec les dessins, sur lesquels : - la figure 1 est un dessin schématique d'un système de balayage de CT auquel peut s'appliquer la présente invention, le système utilisant un aménagement de balayage à trajectoire circulaire à faisceau en éventail ; - la figure 2 est un organigramme de calcul représentant le procédé de reconstruction d'image selon la présente invention, dans lequel les données indiquées sur chacune des flèches reliant les blocs respectifs de l'organigramme représentent le résultat du bloc précédent de l'organigramme, pouvant être considéré comme données d'entrée du bloc suivant de l'organigramme ; - les figures 3A et 3B représentent respectivement une image de nombre atomique et une image de densité caractéristique obtenues par une reconstruction d'image stimulée utilisant un simple modèle de graphite ; - les figures 3C et 3D représentent respectivement les comparaisons entre l'image de nombre atomique reconstruite et l'image de densité caractéristique et les valeurs théoriques. Une description détaillée des modes de réalisation préférés de la présente invention va maintenant être fournie en référence aux figures, dans l'ensemble desquelles des symboles de référence analogues représentent des composants identiques ou similaires, bien qu'étant illustrés sur des figures différentes. Pour être clair et concis, la description spécifique d'une quelconque fonction ou structure connue ici incorporée sera omise pour éviter de compliquer le sujet de la présente invention. Principe mathématique de la CT Si l'on soumet une distribution 2D, u(x, y), à une intégration linéaire dans une direction 0, on obtient une fonction ID, po(t), qui est appelée projection de u(x, y) d'un angle O. Si l'on peut obtenir la projection po(t) dans des directions respectives, on peut calculer précisément la distribution 2D, u(x, y), en se basant sur une transformation de Radon. La procédure de détermination d'une distribution 2D d'après sa projection est appelée reconstruction, et elle agit en tant que principe mathématique pour la CT. Dans la pratique, après qu'un rayon X et qu'un détecteur ont fait le tour d'un objet pendant un cycle, ils ont mesuré et obtenu les projections de la distribution des coefficients d'atténuation dans des directions respectives pour une certaine tranche de l'objet et l'on peut reconstruire la distribution 2D des coefficients d'atténuation de la tranche d'objet en se basant sur le principe de la CT. Modèle de décomposition du matériau de base Le coefficient d'atténuation linéaire d'un matériau par rapport à des rayons X peut être représenté par une somme de coefficients d'atténuation linéaire ayant trois effets primaires, au moyen de l'expression suivante : = �p + lac + ,te = alfp(E) + a2fKN(E) + a3fe(E), dans laquelle � représente le coefficient d'atténuation linéaire d'un matériau par rapport aux rayons X, �p, �e, �e représentent les coefficients d'atténuation linéaire correspondant respectivement à l'effet photoélectrique, à l'effet de dispersion de Compton et à l'effet de paire d'électrons. On peut effectuer l'approximation de chaque élément de �p, �e, �e sous la forme d'un produit de deux éléments, a et f(E), le coefficient a dépendant du nombre atomique et de la densité du matériau et f(E) dépendant de l'énergie des rayons X. Comme représenté dans l'analyse théorique et les expériences de coefficient d'atténuation de matériau, l'effet photoélectrique apporte une contribution bien moindre que les autres effets dans une situation de haute énergie, et on peut ainsi négliger l'effet dans le calcul. En conséquence, l'expression ci-dessus se simplifie en = lac + , te = a2fKN(E) + a3fe(E), Puisque le coefficient d'atténuation linéaire de chaque matériau peut être déterminé de manière unique par les deux coefficients a2 et a3, deux matériaux de base, tels que le carbone et l'aluminium, peuvent être choisis pour représenter le coefficient d'atténuation linéaire d'un quelconque autre matériau avec une combinaison linéaire des coefficients d'atténuation linéaire de ces matériaux de base, comme illustré par l'expression suivante : � = �e + �e = b1�1 + b2�2 (1), dans laquelle � représente le coefficient d'atténuation linéaire d'un matériau arbitraire, �i, �z sont les coefficients d'atténuation linéaire du matériau de base sélectionné, b1 et b2 sont appelés coefficients du matériau de base. I1 s'agit exactement d'une expression de noyau dans la décomposition d'un matériau de base. Les a2, a3 ci-dessus sont définis par Z Z2 a2=2p=,a3=2p A , où p représente la densité du matériau, Z représente le nombre atomique du matériau et A représente le nombre de masse atomique du matériau. Une formule pour calculer le nombre atomique effectif et la densité caractéristique par un aménagement de décomposition de matériau de base peut ensuite être déterminée par : bipeili +b2pe2Z2 Ze- bipel +b2pe2 pe = bi pei + b2pe2 (2) Modèle de projection de matériau de base Le tube à rayons X ou l'accélérateur produit généralement des rayons X avec un spectre continu d'énergie. Durant le processus de projection des rayons X, le spectre d'énergie de la source de rayonnement et le spectre du détecteur peuvent être combinés en D(E) pour simplifier le processus de calcul. Le D(E) combiné satisfait la condition de normalisation telle que : ~Em D(E)dE =1 Pour une équation de projection, elle peut être réécrite sous la forme d'un spectre continu p = ùIn lo = ùIn r D(E)exp(ù J,u(E,x, y)dl)dE La projection à double énergie peut être exprimée dans ce qui suit en remplaçant un modèle de décomposition de matériau de base dans l'expression ci-dessus Pl(B1,B2) _ ùIn JD1(E)exp[ùBijh(E)ùB2�2(E)}IE p2(B1,B2) = ûIn1D2(E)eXp[ûB1,ti(E)ûB2/12(E)}IE (3) dans laquelle pi, p2 représentent des projections à des niveaux à double énergie, respectivement une projection de haute énergie et une projection de basse énergie, Di, D2 représentent les spectres d'énergie du système de rayons X aux niveaux de haute et basse énergie et chacun des Bi, B2 est l'épaisseur du matériau de base définie par : Bi = fbi (r)dl B2= fb2(r)dl. On peut effectuer l'acquisition des valeurs de projection des coefficients de matériau de base Bi et B2 au moyen d'un tableau de correspondance ou en résolvant directement le système d'équations (3) ci-dessus. On peut ensuite obtenir les coefficients de matériau de base bi et b2 avec un algorithme de reconstruction de projection inverse de filtrage générique, +00 Mi(t) = f Bi(p,e) pl2 Ptdp +00 M2(t) = f B2(p,e) pl2m''dp bi f de f Mi (t) 8 (x cos0 + y sin e û t)dt o +c. f M2 (t)8 (x cose + y sin e û t)dt dans lequel (p, 0) représente les coordonnées radiales et angulaires pour les valeurs de projection. On peut obtenir le nombre atomique Zeff et la densité caractéristique pe au moyen de l'équation (2) ci-dessus et on peut obtenir l'image du coefficient d'atténuation linéaire pour un niveau d'énergie quelconque au moyen de l'équation (1) ci-dessus. La figure 1 est un dessin schématique d'un système de CT à double énergie selon un mode de réalisation de la présente invention. Comme représenté sur la figure 1, une source de rayonnement 100 génère des rayons X de double énergie ayant une distribution d'énergie continue à des moments prédéfinis sous le contrôle d'un contrôleur. L'objet 200 est placé sur un mécanisme support 300 pouvant tourner uniformément et pouvant être levé et baissé sous le contrôle du contrôleur. Une matrice de détecteurs 400 est agencée dans une position opposée à la source de rayonnements 100 et elle reçoit les rayons pénétrants, qui ont traversé l'objet 200 sous le contrôle du contrôleur de façon à obtenir des signaux de détection pour un premier niveau d'énergie et des signaux de détection pour un deuxième niveau d'énergie. Les signaux détectés par la matrice de détecteurs 400 sont convertis en signaux numériques et sont enregistrés dans un ordinateur pour traitement de reconstruction ultérieur. Dans le mode de réalisation de la présente invention, (1) La source de rayons X 100 comprend une source de rayonnement d'accélérateur de double énergie à haute énergie pouvant produire des rayons X à deux niveaux de haute tension, d'une manière rapide et alternée. En ce qui concerne les cargaisons de grande taille, l'utilisation d'une source de rayonnement d'accélérateur permet de produire des rayons d'une puissance supérieure pour garantir une image reconstruite plus nette. (2) Le mécanisme support 300 peut être par exemple une plate-forme porte-objet tournant régulièrement et de manière stable. (3) La matrice linéaire de détecteurs 400 est déployée dans la direction horizontale tout en étant maintenue perpendiculaire à un axe passant par le centre de la source de rayons X 100 et le mécanisme support 300. (4) La commande mécanique/électrique, la transmission de données et la reconstruction d'image de l'ensemble du système de CT sont assurées par une station de travail informatique. La station de travail effectue la reconstruction d'un tomogramme, qui est ensuite affichée sur un écran en 2 ou 3 dimensions. (5) Pour une reconstruction d'image précise, le système de CT mesure ou étalonne précisément les paramètres du système incluant la distance D entre la source de rayons X et un détecteur, la distance R entre la source de rayons X et l'axe de rotation de la plate-forme porte-objet, la position c dans laquelle la source de rayons X est appliquée sur un détecteur, la dimension des pixels d d'un détecteur, la position géométrique précise x; de chacun des détecteurs et l'angle de rotation 0 de la plate-forme. (6) L'aménagement de balayage utilisé dans le système est un aménagement de balayage à trajectoire circulaire classique en éventail, dans lequel la source de rayonnement et les détecteurs sont fixés à une certaine hauteur tandis que l'objet se déplace avec la rotation de la plate-forme porte-objet. Les données de projection de CT à double énergie sont recueillies à chaque rotation de déplacement de l'objet. (7) Avec le processus de reconstruction d'image ci-dessus, l'image de nombre atomique et l'image caractéristique du matériau peuvent être obtenues par un ordinateur d'après les données de projection de CT à double énergie d'un objet balayé. Les images obtenues fournissent une base pour l'identification et la détermination ultérieures du matériau. Des détails du procédé de reconstruction d'image selon le mode de réalisation de la présente invention vont maintenant être décrits en relation avec la figure 2. À l'étape S11, des rayons de double énergie sont utilisés pour balayer l'objet pour obtenir les valeurs de projection à double énergie. À l'étape S12, les valeurs de projection des coefficients de matériau de base correspondant aux valeurs de projection à double énergie sont calculées en se basant sur un tableau de correspondance créée à l'avance ou en résolvant de manière analytique un système d'équations. Le tableau de correspondance peut être créé en choisissant deux matériaux de base différents, en calculant les valeurs de projection avec des rayons de double énergie pénétrant dans les deux matériaux de base avec des combinaisons différentes d'épaisseurs et en créant un tableau de correspondance sous la forme d'une correspondance entre des valeurs de projection à haute et basse énergie et les différentes combinaisons d'épaisseurs. D'autre part, la résolution analytique d'un système d'équations peut être réalisée en effectuant l'acquisition d'une combinaison d'épaisseurs correspondante en résolvant un système d'équations de projection de haute et basse énergie sous la décomposition du matériau de base en utilisant les valeurs de projection de double énergie à haute énergie réellement obtenues. Cette dernière solution analytique d'un système d'équations, bien que fournissant une meilleure précision, nécessite une longue période de calcul. Compte tenu de la lenteur du calcul, on préfère ainsi utiliser un tableau de correspondance dans les applications pratiques. À l'étape S13, on peut obtenir une image de la distribution des coefficients du matériau de base d'après les valeurs de projection du matériau de base. À l'étape S14, on peut déterminer l'image de nombre atomique et l'image de densité caractéristique de l'objet détecté ainsi que l'image du coefficient d'atténuation de l'objet détecté à un niveau énergétique arbitraire, d'après l'image de la distribution des coefficients du matériau de base. Cette étape est mise en oeuvre dans un système matériel. Au moyen de ces étapes, la présente invention détermine un procédé de reconstruction de CT à double énergie de décomposition d'un matériau de base avec des rayons X de haute énergie, procédé permettant de déterminer d'une manière plus précise d'après la projection à double énergie le nombre atomique et les images de densité caractéristiques d'un tomogramme. Le nombre atomique et la densité caractéristique déterminés sont des quantités physiques équivalentes dans le cas où l'objet détecté contient un mélange ou un composé. Les figures 3A à 3D représentent une partie des résultats expérimentaux obtenus par des expériences de simulation avec un modèle en graphite unique. Les figures 3C et 3D sont respectivement des schémas en coupe des images de nombre atomique et de densité caractéristique dans la direction horizontale, dans lesquelles la ligne en pointillés représente les valeurs reconstruites et la ligne en trait plein représente des valeurs théoriques. Comme procédé de reconstruction d'image générique dans le cas d'une condition de double énergie à haute énergie, la présente invention peut s'appliquer à un quelconque système de CT à double énergie utilisant comme source de rayonnement des rayons X de haute énergie. En conséquence, on s'attend à ce que la présente invention ait un brillant avenir dans une plus large gamme d'applications. La description précédente n'est destinée qu'à illustrer les modes de réalisation de la présente invention plutôt qu'à limiter la présente invention. Pour les hommes de l'art, une quelconque modification ou substitution pouvant être facilement effectuée au sein de la portée de la présente invention doit être englobée par la portée de la présente invention. REVENDICATIONS1. Procédé de reconstruction d'image dans un système de CT de double énergie à haute énergie comprenant les étapes consistant à : balayer un objet avec des rayons de double énergie à haute énergie pour obtenir des valeurs de projection de double énergie à haute énergie ; calculer les valeurs de projection des coefficients du matériau de base correspondant aux valeurs de projection à double énergie en se basant sur un tableau de correspondance créé à l'avance ou en résolvant de façon analytique un système d'équations ; et obtenir une image de la distribution des coefficients du matériau de base en se basant sur les valeurs de projection des coefficients du matériau de base. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les rayons de double énergie à haute énergie ont une énergie supérieure à 1 MeV. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le tableau de correspondance est créé en choisissant deux matériaux de base différents, en calculant les valeurs de projection avec des rayons de double énergie pénétrant dans les deux matériaux de base dans des combinaisons d'épaisseurs différentes et en créant un tableau de correspondance sous la forme d'une correspondance entre des valeurs de projection de haute et de basse énergie et les différentes combinaisons d'épaisseur. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la résolution analytique d'un système d'équations comprend l'acquisition d'une combinaison correspondante d'épaisseurs en résolvant un système d'équations de projection de haute et de basse énergie sous la décomposition du matériau de base en utilisant les valeurs de projection de double énergie à haute énergie réellement obtenues. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le nombre atomique et la densité caractéristique sont des quantités physiques équivalentes dans le cas où l'objet contient un mélange ou un composé. 6. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape de calcul d'une image de nombre atomique de l'objet détecté basée sur l'image de la distribution des coefficients du matériau de base. 7. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape de calcul d'une image de densité caractéristique de l'objet détecté basée sur l'image de la distribution des coefficients du matériau de base. 8. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape de calcul d'une image de coefficient d'atténuation de l'objet détecté basée sur l'image de la distribution des coefficients du matériau de base.