СПОСОБ РЕКОНСТРУКЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДВУХЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ
METHOD OF RECONSTRUCTING IMAGES FOR HIGH-ENERGY, DOUBLE-ENERGY COMPUTER TOMOGRAPHY SYSTEM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к технологии рентгенографии, в частности к способу реконструкции изображений для двухэнергетического изображения CT (компьютерной томографии) с помощью высокоэнергетического рентгеновского излучения.
2.
Описание предшествующего уровня техники
Технология компьютерной томографии (CT) получила широкое применение в области медицинской диагностики и промышленном обнаружении, не имеющем потерь. Потребность в технологии CT, в том числе применении огромного количества основанных на рентгенографии систем формирования изображений CT (в дальнейшем указываемых ссылкой как система XCT для краткости) в общественной безопасности и социальной защите также является растущей с развитием общества. Системы XCT могут быть классифицированы на моноэнергетическую CT и двухэнергетическую CT в показателях используемых технологий формирования изображений. Моноэнергетическая и двухэнергетическая XCT, технологии которых относительно сложны, являются господствующими XCT в реальных применениях, хотя мультиэнергетическая технология формирования рентгеновских изображений достигла некоторого успеха. Моноэнергетическая XCT может получать информацию о внутренней структуре и физических характеристиках объекта, реконструируя изображение коэффициента ослабления томограммы объекта, в то же время она не может различать и точно определять, какое вещество содержится в объекте. С другой стороны, двухэнергетическая XCT может получать не только информацию о коэффициенте ослабления вещества в пределах объекта, но также информацию о составе вещества благодаря подходу к реконструкции. Например, типичной информацией о составе вещества является эффективное атомное число и эквивалентная характеристическая плотность вещества. С такой информацией можно выполнять распознавание веществ с высокой точностью и соответственно обеспечивать эффективный подход к инспектированию в области общественной безопасности.
Технология двухэнергетической XCT вошла в относительно изощренную стадию и широко использовалась в формировании медицинских изображений и в осмотрах в целях обеспечения безопасности на малогабаритных объектах. В большинстве двухэнергетических систем XCT низкоэнергетическое рентгеновское излучение, обычно ниже 200 килоэлектронвольт, широко применяется при формировании изображений. Причины для выбора низкоэнергетического спектра состоят в том, что, во-первых, легче формировать низкоэнергетическое рентгеновское излучение рентгеновской трубкой, и защита от облучения может быть реализована более простым способом для низкоэнергетического рентгеновского излучения; во-вторых, коэффициенты ослабления разных веществ значительно меняются в этом энергетическом спектре и поэтому изображение вещества обладает лучшей различимостью; в заключение, сканируемый объект обычно имеет малый размер и вызывает меньшее ослабление в отношении рентгеновского излучения, что дает возможность применения двухэнергетических систем XCT, использующих низкоэнергетическое рентгеновское излучение.
При осмотрах с целью обеспечения безопасности на насыпных грузах, однако, проникающая способность рентгеновского излучения в низкоэнергетическом спектре далека от достаточности, и, таким образом, невозможно получать четкие и пригодные к использованию данные проекций для реконструкции изображений. Вообще, рентгеновское излучение в энергетическом спектре порядка мегаэлектронвольт, находящегося в диапазоне от 1 до 10 мегаэлектронвольт, требуется для рентгеновской радиографии. Традиционные способы низкоэнергетической двухэнергетической реконструкции уже не пригодны для энергетического спектра порядка мегаэлектронвольт вследствие того фундаментального обстоятельства, что в этом способе взаимодействие между рентгеновским излучением и веществом будет давать в результате только два типа эффектов, фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние, без эффекта электронной пары. С другой стороны, при применении высокоэнергетической двухэнергетической технологии рентгеновское излучение обычно обладает большей энергией, чем наименьшая энергия 1,02 мегаэлектронвольт, создаваемая эффектом электронной пары. Как результат, традиционные способы, основанные на двух вышеприведенных типах эффектов, больше не могут перениматься, и желательно разработать новую технологию для высокоэнергетического двухэнергетического применения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ реконструкции двухэнергетической CT, основанный на высокоэнергетическом рентгеновском излучении (более высоком чем 1 мегаэлектронвольт), который принимает меры в ответ на вопрос двухэнергетического XCT-осмотра на крупногабаритных грузах. Способом по настоящему изобретению можно точно и эффективно получать томограмму атомного числа и характеристической плотности для идентификации материала и, таким образом, предоставить высокоэффективный способ для осмотра с целью обеспечения безопасности на крупногабаритных грузах.
Двухэнергетическая система CT по настоящему изобретению может использовать источник излучения и детектор, который может получать двухэнергетическую информацию, получать данные проекций, используя стандартный круглый след CT или любой другой пригодный подход к сбору данных, и использовать данные проекций для реконструкции томограммы.
Согласно аспекту настоящего изобретения предложен способ реконструкции изображений в высокоэнергетической двухэнергетической системе CT, содержащий этапы, на которых сканируют объект высокоэнергетическим двухэнергетическим излучением для получения значений высокоэнергетической двухэнергетической проекции, рассчитывают значения проекции коэффициентов основного материала, соответствующих значениям двухэнергетической проекции на основе предварительно созданной справочной таблицы или посредством аналитического решения системы уравнений, и получают изображение распределения коэффициентов основного материала на основании значений проекции коэффициентов основного материала.
Предпочтительно высокоэнергетическое двухэнергетическое излучение имеет энергию, большую чем 1 мегаэлектронвольт.
Предпочтительно справочную таблицу создают посредством выбора двух разных основных материалов, расчета значений проекции при двухэнергетическом излучении, проникающем в два основных материала при разных комбинациях толщины, и создания справочной таблицы в виде соответствия между значениями высокоэнергетической и низкоэнергетической проекций и разными комбинациями толщины.
Предпочтительно аналитическое решение системы уравнений состоит в том, что получают соответствующую комбинацию толщины посредством решения системы уравнений высокоэнергетической и низкоэнергетической проекций при декомпозиции основного материала с использованием фактически полученных значений высокоэнергетической проекции.
Предпочтительно атомное число и характеристическая плотность являются эквивалентными физическими величинами в случае, в котором объект содержит смесь или компаунд.
Предпочтительно способ реконструкции изображений дополнительно содержит этап, на котором рассчитывают изображение атомного числа детектированного объекта на основании изображения распределения коэффициентов основного материала.
Предпочтительно способ реконструкции изображений дополнительно содержит этап, на котором рассчитывают изображение характеристической плотности детектированного объекта на основании изображения распределения коэффициентов основного материала.
Предпочтительно способ реконструкции изображений дополнительно содержит этап, на котором рассчитывают изображение коэффициента ослабления детектированного объекта на основании изображения распределения коэффициентов основного материала.
Способ по настоящему изобретению дает решение для реконструкции с технологией высокоэнергетической двухэнергетической CT и, таким образом, более эффективный подход к идентификации веществ и контролю контрабанды, тем самым принося значительное улучшение по точности и эффективности при осмотре с целью обеспечения безопасности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеприведенные преимущества и признаки настоящего изобретения будут очевидны из последующего подробного описания, взятого в соединении с прилагаемыми чертежами, на которых
фиг. 1 - схематическое представление системы сканирования CT, к которой применимо настоящее изобретение, система использует схему сканирования с круговой траекторией веерного пучка;
фиг. 2 - блок-схема последовательности операций способа расчета, изображающая способ реконструкции изображений по настоящему изобретению, в котором данные, показанные на каждой из стрелок, соединяющих соответственный элемент блок-схемы, представляют результат из предыдущего элемента блок-схемы, который будет браться в качестве входных данных в следующий элемент блок-схемы;
фиг. 3A и 3B показывают изображение атомного числа и изображение характеристической плотности, полученные посредством стимулированной реконструкции изображений соответственно с использованием единственной модели графита;
фиг. 3C и 3D показывают сравнения между реконструированным изображением атомного числа и изображением характеристической плотности и теоретическими значениями соответственно.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Далее будет приведено подробное описание для предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертеже, на которых одинаковые символы ссылок обозначают идентичные или подобные компоненты, хотя и проиллюстрированные на разных чертежах. Для ясности и лаконичности отдельное описание любой известной функции или конструкции, включенных в материалы настоящей заявки, будет опущено, иначе понимание цели настоящего изобретения может быть затруднено.
• Математический принцип для CT
u
x
y
θ
p
t
u
x
y
θ
p
t
u
x
y
θ
θ
Подвергание двумерного распределения (,) линейному интегрированию вдоль направления  будет давать в результате одномерную функцию (), которая указывается ссылкой как проекция (,) под углом . Если может быть получена проекция () вдоль соответственных направлений, двумерное распределение (,) может точно рассчитываться на основании преобразования Радона. Процедура выведения двумерного распределения из этой проекции называется реконструкцией, которая действует в качестве математического принципа для CT.
На практике после того, как рентгеновский луч и детектор обходят объект за один цикл, измеряются и получаются проекции распределения коэффициента ослабления вдоль соответственных направлений для некоторого среза объекта, и двумерное распределение коэффициентов ослабления среза объекта может реконструироваться на основе принципа CT.
• Модель декомпозиции основного материала
Линейный коэффициент ослабления материала по отношению к рентгеновскому излучению может быть представлен суммой линейных коэффициентов ослабления трех главных эффектов с помощью следующего выражения:
μ
μ
μ
μ
μ
μ
μ
a
f
E
a
f
E
p
c
e
p
c
e
в котором  представляет линейный коэффициент ослабления материала по отношению к рентгеновскому излучению, , ,  представляют линейные коэффициенты ослабления, соответствующие фотоэлектрическому эффекту, эффекту комптоновского рассеяния и эффекту электронной пары соответственно. Каждый элемент из , ,  может быть приближенно выражен как произведение двух элементов,  и (), коэффициент  зависит от атомного числа и плотности материала, а () зависит от энергии рентгеновского излучения.
Как показано в теоретическом анализе и экспериментах по коэффициенту ослабления материала, фотоэлектрический эффект делает вклад гораздо меньший, чем другие эффекты в ситуации высокой энергии и, таким образом, эффектом можно пренебречь при расчетах. Как результат вышеприведенное выражение упрощается.
a
a
2
3
Поскольку линейный коэффициент ослабления каждого материала может быть уникально определен двумя коэффициентами ( и ), два основных материала, таких как углерод и алюминий, могут выбираться с тем, чтобы представлять линейный коэффициент ослабления любого другого материала линейной комбинацией линейных коэффициентов ослабления этих основных материалов, как проиллюстрировано в следующем выражении:
μ
μ
μ
b
b
a
a
1
2
1
2
2
3
в котором  обозначает линейный коэффициент ослабления одного произвольного материала, ,  - линейные коэффициенты ослабления выбранного основного материала,  и  называются коэффициентами основного материала. Это как раз является выражением ядра в декомпозиции основного материала. Вышеприведенные ,  определены как
ρ
A
в котором  представляет плотность материала, Z представляет атомное число материала, а  обозначает массовое число атомов материала. Впоследствии формула для расчета эффективного атомного числа и характеристической плотности по схеме декомпозиции основного материала может быть выведена как:
• Модель проекции основного материала
Рентгеновская трубка или ускоритель обычно вырабатывает рентгеновское излучение с непрерывным энергетическим спектром. Во время последовательности операций получения проекции рентгеновским методом энергетический спектр источника излучения и спектр детектора могут объединяться в D(E) с целью упрощения последовательности операций расчета. Объединенная D(E) удовлетворяет условию нормализации в виде
Для уравнения проекции оно может быть переписано в виде непрерывного спектра
Проекция с двумя энергиями может быть выражена в последующем подстановкой модели декомпозиции основного материала в вышеприведенное выражение
p
, p
D
D
B
B
1
2
1
2
1
2
в котором  представляют проекции на двух энергетических уровнях, высокоэнергетическую проекцию и низкоэнергетическую проекцию соответственно, , представляют энергетические спектры рентгенографической системы на высоком и низком энергетическом уровне, а каждое из ,  является толщиной основного материала, определенной как
B
B
b
b
1
2
1
2
Значения проекций коэффициентов основного материала,  и , могут быть получены с помощью справочной таблицы или посредством непосредственного решения вышеприведенной системы уравнений (3). Затем коэффициенты  и  основного материала могут быть получены с помощью алгоритма реконструкции инверсной проекции с генерической фильтрацией
ρ
θ
в котором (, ) представляют радиальную и угловую координаты для значений проекций.
eff
e
ρ
Атомное число Z и характеристическая плотность  могут быть получены с помощью вышеприведенного уравнения (2), а изображение линейного коэффициента ослабления на любом энергетическом уровне может быть получено с помощью вышеприведенного уравнения (1).
Фиг. 1 - схематическое представление двухэнергетической системы CT согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, источник 100 излучения вырабатывает двухэнергетическое рентгеновское излучение, имеющее непрерывное распределение энергии, с предопределенной временной привязкой под управлением контроллера 500. Объект 200 помещается на несущем механизме 300, который может равномерно вращаться, а также подниматься и опускаться под управлением контроллера 500. Матрица детекторов 400 скомпонована в положении, находящемся напротив источника 100 излучения, и принимает проникающее излучение, которое прошло через объект 200, под управлением контроллера 500 с тем, чтобы получать детектирующие сигналы для первого энергетического уровня и детектирующие сигналы для второго энергетического уровня. Сигналы, детектированные матрицей 400 детекторов, преобразуются в цифровые сигналы и сохраняются в компьютере для последующей обработки реконструкцией.
В варианте осуществления настоящего изобретения:
(1) Рентгеновский источник 100 содержит высокоэнергетический двухэнергетический ускорительный источник излучения, который может вырабатывать рентгеновское излучение на двух высоких уровнях напряжения быстрым и альтернативным образом. Что касается крупногабаритных грузов, использование ускорительного источника излучения может создавать излучение высокой мощности, чтобы гарантировать более четкое реконструированное изображение.
(2) Несущий механизм 300, например, может быть несущей объект платформой, которая вращается монотонно и устойчиво.
(3) Линейная матрица детекторов 400 развернута в горизонтальном направлении, в то время как удерживается перпендикулярно оси через центр рентгеновского источника 100 и несущего механизма 300.
(4) Механическое/электрическое управление, передача данных и реконструкция изображения системы CT в целом выполняется компьютерной рабочей станцией. Рабочая станция выполняет реконструкцию томограммы, которая впоследствии отображается на устройстве отображения в 2 или 3 измерениях.
D
R
c
d
x
θ
i
(5) С целью точной реконструкции изображения система CT измеряет или точно калибрует параметры системы, в том числе расстояние  от рентгеновского источника до детектора, расстояние  от рентгеновского источника до оси вращения несущей объект платформы, положение , в котором рентгеновский источник отображается на детектор, размер  пикселя детектора, точное геометрическое положение  каждого из детекторов и угол  поворота платформы.
(6) Схема сканирования, используемая в системе, является стандартной схемой с круговой траекторией веерного пучка, в которой источник излучения и детекторы зафиксированы на некоторой высоте, в то время как объект перемещается вместе с вращением несущей объект платформы. Данные двухэнергетической проекции CT собираются с каждым поворотом, который проходит объект.
(7) С приведенной выше последовательностью операций реконструкции изображений изображение атомного числа и характеристическое изображение материала могут быть получены компьютером из данных двухэнергетической проекции CT сканируемого объекта. Полученные изображения дают основу для последующих идентификации и определения материала.
Далее, подробности способа реконструкции изображений согласно варианту осуществления настоящего изобретения будут описаны в связи с фиг. 2.
На этапе S11 двухэнергетическое излучение используют при сканировании объекта, чтобы получать значения двухэнергетической проекции.
На этапе S12 значения проекции коэффициентов основного материала, соответствующие значениям двухэнергетической проекции, рассчитывают на основе предварительно созданной справочной таблицы или посредством аналитического решения системы уравнений. Справочную таблицу создают посредством выбора двух разных основных материалов, расчета значений проекции при двухэнергетическом излучении, проникающем в два основных материала при разных комбинациях толщины, и создания справочной таблицы в виде соответствия между значениями высокоэнергетической и низкоэнергетической проекций и разными комбинациями толщины. С другой стороны, аналитическое решение системы уравнений может быть реализовано получением соответствующей комбинации толщины посредством решения системы уравнений высокоэнергетической и низкоэнергетической проекций при декомпозиции основного материала с использованием фактически полученных значений высокоэнергетической двухэнергетической проекции. Последнее аналитическое решение системы уравнений, хотя и дает большую точность, требует длительного периода времени расчета. Учитывая медленный расчет, соответственно, справочная таблица используется в практических применениях.
На этапе S13 изображение распределения коэффициентов основного материала может быть получено из значений проекций основного материала.
На этапе S14 изображение атомного числа и изображение характеристической плотности детектированного объекта, а также изображение коэффициента ослабления детектированного объекта на произвольном энергетическом уровне, могут выводиться из изображения распределения коэффициентов основного материала. Этот этап реализуется в системе аппаратных средств. С помощью этих этапов настоящее изобретение основывает способ двухэнергетической реконструкции CT декомпозиции основного материала с высокоэнергетическим рентгеновским излучением, такой способ может выводить изображения атомного числа и характеристической плотности томограммы из двухэнергетической проекции более точным образом. Выведенные атомное число и характеристическая плотность являются эквивалентными физическими величинами в случае, в котором объект содержит смесь или компаунд.
Фиг. 3A-3D показывают часть экспериментальных результатов, полученных экспериментами имитационного моделирования с одиночной моделью графита. Фиг. 3C и 3D показывают секционную диаграмму изображений атомного числа и характеристической плотности в горизонтальном направлении соответственно, при этом пунктирная линия обозначает реконструированные значения, а сплошная линия обозначает теоретические значения.
В качестве общего способа реконструкции изображения в случае высокоэнергетического двухэнергетического состояния настоящее изобретение применимо к любой двухэнергетической системе CT, использующей высокоэнергетическое рентгеновское излучение в качестве источника излучения. Поэтому предполагается, что настоящее изобретение должно иметь благоприятную перспективу в большей области применений.
Вышеизложенное описание предназначено только для иллюстрации вариантов осуществления настоящего изобретения, не ограничивающих настоящее изобретение. Для специалистов в данной области техники любое изменение или замещение, которые могут быть без труда произведены в объеме настоящего изобретения, должны охватываться объемом настоящего изобретения. Поэтому объем настоящего изобретения должен определяться формулой изобретения.